界磁制御とは何ですか？

界磁電流を変えて磁束を変え、直流電動機の速度を調整する方法です。界磁を弱めると、定格速度より上まで速度が上がります。

弱め界磁でなぜ速度が上がる？

逆起電力 E＝kΦn がほぼ電源電圧に釣り合うまで回転が上がるためです。Φ が小さいほど、同じ E に必要な n が大きくなります。

電圧制御と界磁制御の違いは？

電圧制御は定格速度以下を定トルクで、界磁制御は定格速度以上を定出力で制御します。実際の機械では両方を組み合わせます。

直流電動機の速度制御｜界磁制御・電圧制御・抵抗制御の違いと始動法

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直流電動機の速度制御は、電験三種の機械科目で毎年のように出題される最重要テーマです。「どの制御法か答えよ」という穴埋め問題だけでなく、「この説明は正しいか」という正誤問題でも問われます。この記事では、基本式から制御法を「導く」順番で解説します。丸暗記不要です。

まず「回転速度の式」を押さえる：ここから3つの制御法が全部導ける

直流電動機の速度制御法は、回転速度nの式を見れば全部わかります。式の中の何を変えるかで、3つの制御法に分かれているだけです。

この式の分子（V − IaRa）と分母（kΦ）のどこを変えるかで、速度制御の方法が決まります。

界磁制御を計算で確かめる｜磁束を80%にすると何 min⁻¹ になる？

「弱め界磁で速度が上がる」を、数字で確かめます。電験三種では、令和2年度機械問1で他励電動機の弱め界磁の考え方が、令和3年度機械問2で端子電圧と界磁を変えたときのトルクの計算が出ています。

例題：他励直流電動機が、端子電圧 V＝200V、電機子抵抗 Ra＝0.2Ω、電機子電流 Ia＝50A、回転速度 n＝1,200min⁻¹ で運転している。負荷トルクを一定のまま、界磁を弱めて磁束を80%にしたときの回転速度を求める（電機子反作用とブラシの電圧降下は考えない）。

磁束を2割減らすと、速度は約1.23倍に上がりました。電機子電流も50A から62.5A に増えるので、弱め界磁で使えるのは電機子電流が定格を超えない範囲までです。

界磁抵抗器の役割と、界磁回路を開いてはいけない理由

界磁制御では、界磁巻線に直列に入れた界磁抵抗器で界磁電流 If を調整します。抵抗を大きくすると If が減って Φ が減り、速度が上がります。界磁回路の電流は電機子電流より小さいので、抵抗での損失が小さいのが利点です。

ただし、運転中に界磁回路が切れて Φ がほとんど0になると、n＝(V−IaRa)/(kΦ) の分母が0に近づき、速度が危険なほど上がるおそれがあります。分巻・他励の電動機で界磁回路にヒューズやスイッチを入れないのはこのためです。

よくある質問

3つの速度制御法：比較一覧

詳細を説明する前に、まず3つの方法の全体像を表で把握しておきましょう。試験直前の見直しにも使えます。

項目	① 電圧制御	② 界磁制御	③ 抵抗制御
変える量	端子電圧 V	磁束 Φ（界磁電流 If）	電機子回路の抵抗 R
速度範囲	基底速度以下	基底速度以上	基底速度以下
効率	○ 高い	○ 高い	× 低い（抵抗損失）
設備コスト	高い	安い	最も安い
速度調整率	○ 良い（安定）	○ 良い	× 悪い（負荷変動で速度変化）
主な用途	精密速度制御電気機関車・圧延機	高速運転送風機・ポンプ	簡易な速度制御クレーン・巻上機

① 電圧制御：基底速度以下を滑らかに制御する

仕組みと速度への影響

端子電圧Vを下げると、逆起電力Eとの差（V − E）が減り、電機子電流Iaが一時的に変化しますが、最終的には回転速度nが下がる方向で落ち着きます。

ワード・レオナード法とチョッパ制御

② 界磁制御：「弱め界磁」で基底速度以上に上げる

界磁制御は、3つの中で最も「なぜ？」が問われやすい制御法です。「界磁を弱めるとなぜ速度が上がるのか」を式から説明できるようにしておきましょう。

「弱め界磁で速度が上がる」理由

界磁制御の特徴と注意点

③ 抵抗制御：最も安価だが効率が悪い

抵抗制御は、電機子回路に可変抵抗Rを直列接続して回転速度を下げる方法です。最もシンプルな制御法ですが、抵抗での電力損失が大きく効率が悪いという決定的な欠点があります。

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試験では「この状況に最適な速度制御法はどれか」という選択問題も出ます。次のフローチャートで整理しておきましょう。

始動法：始動抵抗器法｜なぜ段階的に減らすのか

始動時の問題：過大電流

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始動抵抗器法の仕組み

始動時に電機子回路へ大きな始動抵抗Rsを直列接続し、電流を制限します。回転が上がってきたら段階的にRsを減らしていきます。

試験の穴埋め・正誤問題パターン集

正誤問題パターン ─ よく出るひっかけ

問題文	正誤	ポイント
「抵抗制御は効率が良い」	× 誤	抵抗での Ia²R 損失で効率は悪い
「界磁制御で基底速度以下に制御できる」	× 誤	界磁制御は基底速度以上。以下は電圧制御
「電圧制御では定トルク特性が得られる」	○ 正	Φ一定のまま V を変えるため T = kΦIa でトルク一定
「始動時は逆起電力が大きいため始動電流が大きい」	× 誤	始動直後は n = 0 なので E = 0。逆起電力がないから大電流
「界磁制御で界磁電流を増やすと速度が上がる」	× 誤	Φ増大 → n の分母増 → 速度は下がる。上げるのは弱め界磁

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まとめ：「nの式の何を変えるか」で全部導ける

速度制御法は「n = (V − IaRa)/(kΦ) の何を変えるか」という1本の式から全部導けます。式を見ながら「Vを変える→電圧制御」「Φを変える→界磁制御」と考える習慣をつけると、穴埋め問題も正誤問題もどちらも対応できます。

速度範囲	基底速度（定格）以上〜最高許容速度まで。電圧制御と組み合わせると広範囲の速度制御が可能。
長所	界磁回路は電流が小さい（Ifは小さい）→ 損失が少なく効率が高い。制御機器も小型・安価。
短所・注意点①	Φを弱めすぎると危険。Φが非常に小さくなると n = (V − IaRa)/(kΦ) の分母が極端に小さくなり、速度が急上昇（暴走）する。最低限の磁束（最大界磁抵抗）は必ず制限が必要。
短所・注意点②	Φを弱めると電機子反作用が相対的に強くなる。整流が悪化しやすい。
出力の特性	界磁制御では出力P ≒ 一定（定出力制御）。速度が上がるとトルクが下がるが出力は変わらない。電圧制御は定トルク、界磁制御は定出力と覚える。

基本式	n = (V − IaRa) / kΦ ── 分子のVかRa、分母のΦを変える方法が3種類の制御法
① 電圧制御	V↓ → n↓。基底速度以下・定トルク・高効率。サイリスタチョッパが現代の主流
② 界磁制御	Φ↓（弱め界磁）→ n↑。基底速度以上・定出力。Φを弱めすぎると暴走に注意
③ 抵抗制御	R↑ → n↓。基底速度以下・安価・低効率。速度調整率が悪く一時的用途向き
始動法	始動時はE = 0 → 過電流。始動抵抗器を直列接続して制限。nが上がりEが増えたら段階的に短絡
組み合わせ	電圧制御（基底速度以下・定トルク）＋界磁制御（基底速度以上・定出力）が実用最強