電機子反作用と中性軸の移動

ブラシをどこに置けば火花が出ないか

主磁束(縦)と電機子横軸磁束(横)が合わさり、合成磁束が回転方向へ傾く。磁束が0の磁気中性軸(金の点線)も同じだけ押される。整流は磁束が0の所で起きねばならない。ブラシを三つの位置に置いて、磁気中性軸に合う場所を探そう。

電機子も磁石になる

負荷がかかると電機子巻線に電流が流れ、その電流が作る電機子起磁力の軸はブラシ軸、すなわち幾何中性軸を向く。主磁束が磁極から電機子へ縦に通るなら、電機子磁束はそれと直角の横方向だ。この横軸磁束が電機子反作用の出発点だ。

二つの磁束のベクトル和が中性軸を押す

主磁束と電機子横軸磁束は直角なので、合成磁束は両者のベクトル和として回転方向へ傾く。磁束密度が0になる磁気中性軸は合成磁束と直角なので、幾何中性軸から回転方向へ同じ角だけずれる。ずれは電機子電流が大きいほど大きい。一方の磁極端は磁束が集まり飽和し、反対側は弱まり、全体の磁束が少し減ることもある(減磁作用)。

整流を守る三つの補正

ブラシを新しい磁気中性軸へ移せばその負荷では整流がきれいだが、負荷ごとにずれ角が違い面倒だ。補極は中性軸の位置に置いた小さな磁極で、整流コイルに適切な逆起電力を作り火花を消す。補償巻線は磁極面のスロットに入れ、電機子横軸磁束をその場で打ち消し、ゆがみそのものを防ぐ。大きな機械ほど補極と補償巻線を併用する。

最初の画面に戻ると

火花が消えたのはブラシを回転方向へ動かして磁気中性軸に合わせたときだけだった。電機子横軸磁束が主磁束とベクトルで合わさり合成磁束を回転方向へ傾け、磁束0の中性軸をその分押す。整流は磁束0の所で起きねばならないので、固定ブラシはずれて火花を出す。B1の整流子がゼロ交差で接続を変えるという約束を、電機子反作用が揺さぶるわけだ。だからブラシ移動、そして負荷によらず効く補極・補償巻線でゼロ交差を定位置に保つ。

電機子反作用は直流機の悩みであり設計の妙でもある。中性軸と磁束をつかんだので、次は同じ機械を電動機として回すときに磁束と電機子電流が作るトルクと速度へ進む。次のユニットはトルク T ∝ Φ·Ia と速度 N ∝ (V - IaRa)/Φ の関係、そして界磁を変えて速度を調節する方法を扱う(MC-B3)。