直流発電機
1. 直流機の構造
回転子は、電機子・整流子・軸で構成される。
固定子は、界磁・継鉄で構成される。
磁気回路は、界磁鉄心→電機子鉄心→界磁鉄心→継鉄→界磁鉄心 となる。
(1) 電機子
① 電機子鉄心
ž 鉄心の周囲にスロット（溝）があり、電機子巻線が収められている。
ž 磁束の方向が絶えず変化するので、鉄損（渦電流損・ヒステリシス損）を生じる。
ž ケイ素鋼板（薄鋼板）を積層して用いることによって（成層鉄心）、これら磁気的性質は改善される。ただしケイ素の含有率が高いと機械的強度がもろくなる。
② 電機子巻線
発電機の場合には、誘導起電力をブラシ間にもたらし、電動機の場合には、ブラシ間にくわえられた電圧によりトルクをもたらす。
電機子巻線法に、重ね巻と波巻がある。
i. 重ね巻
電機子コイル一巻きで、隣の整流子片に接続する。極数と並列回路数が等しくなる。
多極機では並列回路数が多くなるから、起電力に微妙な差があると、循環電流が流れて巻線を過熱する。
これを防ぐために、等電位となるべきコイルを結線し、均圧環を設ける。
ii. 波巻
電機子コイル一往復で、整流子片に接続する。ブラシからみると、コイルが2つに枝分かれしているので、並列回路数は2になる。
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重ね巻 |
波巻 |
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電機子の並列回路数 |
極数に等しい |
2 |
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ブラシ数 |
極数に等しい |
2 |
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均圧環 |
必要 |
不要 |
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用途 |
低電圧大電流 |
高電圧小電流 |
(2) 界磁
① 界磁鉄心
界磁巻線が巻かれる。電機子鉄心と異なり、磁束分布の変化は無い。
② 磁極片
主磁束を、電機子表面に平等に分布させる。
電機子が回転すると、磁極片の磁束分布は変動する。
③ 継鉄
直流機の外枠を構成する。磁気回路としての役目もある。
(3) 整流子・ブラシ
整流子・ブラシは、電機子電流の方向を、一周期あたりで、極数と同じ回数だけ反転させる。
整流子・ブラシともに、摩擦や火花に対する、電気的・機械的強度を持つ。
2. 直流発電機の原理
(1) 電機子1本（コイルの半周分）当たりの誘導起電力
磁束は、 
で表わされるので、
2磁極の直流発電機としての誘導起電力瞬時値は、
：電機子の周速度、
：角周波数
：電機子の半径、
：電機子の有効長さ、
：磁束密度
実際には、正弦波の最大付近の電圧で稼働させるように磁極数を増やすから、
誘導起電力の平均値は、
となる。
磁極数を
、一極あたりの磁束を
とした場合には、総磁束は
(2) 直流発電機全体の誘導起電力
電機子導体の総数を
、並列回路数を
とした場合、発電機の起電力は、
比例係数を用いて、
：電機子の回転数[min-1]
なお、巻数Nのコイル1個当たりの電機子導体数は、2Nとなる。
3. 直流発電機の電機子反作用
電機子電流によって、主磁束の分布が悪影響を受けることを、電機子反作用と呼ぶ。
この大きさは、電機子電流の大きさに比例する。
(1) 界磁による磁束
無負荷状態（発電機端子に何も接続されていない状態）の、界磁起磁力による磁束密度分布で表わされる。
磁束密度がゼロとなる、磁極間の中間位置を、幾何学的中性軸という。
(2) 電機子による磁束（交差磁化作用）
界磁起磁力をゼロとして、電機子のみに電流を流した場合の磁束密度分布で表わされる。
電機子起磁力自体は、幾何学的中性軸で最大となるが、この部分にギャップがあるので、磁束密度は低下する。
直流発電機の場合には、磁束密度分布の周期は、主磁束から回転方向に90°進む。
また、主磁束と直交するので、交差磁化作用と呼ぶ。
(3) 負荷状態での合成磁束（偏磁作用）
実際に発電機に負荷が接続された場合には、界磁による磁束と電機子による磁束双方が存在するから、磁束密度分布は合成されたものとなる。
電機子反作用によって、磁束密度がゼロとなる位置が、電気的中性軸まで移動する。
また、磁束密度分布は偏りを生じるので、特に偏磁作用と呼ばれる。
(4) 電機子反作用の影響
ž 主磁束が減少し、誘導起電力が低下する。
磁極片の磁気飽和のため、偏磁を均一に緩和できず、主磁束が減少してしまう。
ž 電気的中性軸が移動し、ブラシ・整流子間に火花が生じ、整流不良を起こす。
ブラシを電気的中性軸に移動しなければならない。ただし、移動すればその分だけ、発電機端子電圧が低下する（減磁作用）。
ž 整流子片間電圧が不均一となり、フラッシオーバを起こす。
整流子片間・正負ブラシ間をアーク短絡してしまう。
(5) 電機子反作用への対策
どちらも、電機子電流による磁束を打ち消すので、電機子反作用も無くなり、したがって中性軸を移動させる必要もなくなる。
普通は、補極だけ設けて、補償巻線を施さない場合が多い。
① 補償巻線
磁極片に電機子導体と平行にスロットを作り、電機子電流と反対方向の電流を流すことにより、電機子の起磁力を打ち消す。
補償巻線は、電機子に直列接続される。
② 補極
幾何学的中性軸上に、主磁極とは別の小磁極を設け、電機子電流による磁束を打ち消す。直流発電機の場合、補極の極性は、一つ先の主磁極と同じにする。
補極巻線は、電機子に直列接続される。
4. 直流発電機の種類
(1) 他励発電機
界磁電圧を電機子電圧と無関係に設計できる。
用途：試験用高電圧発電機、電気化学用発電機（低電圧大電流）、同期発電機の励磁機
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(2) 分巻発電機（自励発電機）
電圧変動が少なく、ある程度の電圧調整ができる。
用途：電気化学用発電機、電池の充電、同期発電機の励磁機
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(3) 直巻発電機（自励発電機）
負荷電流がそのまま励磁電流になる。
用途：直流配電線の昇圧機
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(4) 複巻発電機（自励発電機）
① 内分巻発電機
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② 外分巻発電機
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5. 直流発電機の特性
i. 無負荷特性曲線または無負荷飽和曲線(If – E )
発電機の回転速度一定で、無負荷運転の場合の、界磁電流と誘導起電力の関係
ii. 負荷特性曲線(If – V )
発電機の回転速度一定で、負荷電流一定の場合の、界磁電流と端子電圧の関係
iii.外部特性曲線(I – V )
発電機の回転速度一定で、界磁電流一定の場合の、負荷電流と端子電圧の関係
(1) 他励発電機
i. 無負荷特性(If – E )
ヒステリシスループを描く。
原点付近において、励磁電流がゼロであっても残留磁気があるため、起電力はゼロにならない。
中間部分において、磁束との関係から、
となるため、比例関係となる。
飽和部分において、励磁電流が大きくなっても、磁気飽和のため、起電力は増加しなくなる。
ii. 負荷特性(If – V )
負荷を接続し、電流を流すと、後述する電圧降下の分だけ、無負荷特性曲線が下へ移動する。
iii.外部特性(I – V )
負荷電流が増加すれば、端子電圧は単調減少する。
① 電機子抵抗の電圧降下
② 電機子反作用による電圧降下
③ ブラシの接触抵抗による電圧降下
したがって、端子電圧を維持するためには、励磁電流も増大させればよい。
(2) 分巻発電機
i. 無負荷特性(If – E )
無負荷でも、電機子電流が流れるので、電圧降下があるが、ほとんど無視できる大きさなので、他励発電機と同様のヒステリシスループを描く。
分巻発電機の場合、無負荷において「電圧の確立」という現象が起こる。
残留磁束による電圧発生→励磁電流が流れる→電圧が上昇→励磁電流が増加
その結果、自己励磁によって、無負荷飽和曲線と界磁抵抗線
との交点まで、端子電圧が上昇していく。
ii. 負荷特性(If – V )
負荷を接続し、電流を流すと、他励発電機と同様に、電圧降下の分だけ、無負荷特性曲線が下へ移動する。
iii.外部特性(I – V )
負荷電流が増加すれば、端子電圧は単調減少するが、分巻発電機の場合、端子電圧が低下すると励磁電流も低下するので、他励発電機よりも若干電圧降下が大きい。
① 電機子抵抗の電圧降下
② 電機子反作用による電圧降下
③ ブラシの接触抵抗による電圧降下
④ 励磁電流の低下による電圧降下
(3) 直巻発電機
i. 無負荷特性(If – E )
無負荷では、電流が全く流れないので、そのままでは無負荷特性は得られない。
そのため、界磁巻線を切り離し、他励磁機として無負荷特性曲線を得る。
直巻発電機の場合、無負荷において自己励磁による電圧の確立は起こらない。
ii. 負荷特性(If – V )＝外部特性(I – V )
直巻発電機では、負荷電流＝電機子電流＝励磁電流である。
そのため、電流ゼロでは電圧降下は無いが、負荷を接続し電流を流すと、電圧降下の影響で、一旦上昇した後で、下降する。電流の増加によって磁気回路は飽和するが、抵抗による電圧降下は電流に比例して増加するためである。
電圧降下には、直巻界磁巻線の抵抗によるものも含まれる。
① 電機子抵抗の電圧降下
② 界磁巻線抵抗の電圧降下
③ 電機子反作用による電圧降下
④ ブラシの接触抵抗による電圧降下
(4) 複巻発電機
特性は、分巻・直巻の特性を複合したものになる。
① 和動複巻発電機
分巻発電機における電機子反作用・電機子抵抗による電圧降下を、直巻界磁巻線の起磁力によって補う。
a. 平複巻発電機
負荷電流の増減に関係なく、端子電圧は変わらない。
b. 過複巻発電機
直巻界磁の起磁力を大きく設計し、負荷電流が増加すると、端子電圧も増加する。
② 差動複巻発電機
分巻界磁の起磁力を、直巻界磁の起磁力で打ち消す。そのため、負荷電流が増加すると、端子電圧が低下し、垂下特性となる。端子電圧の低下の仕方は、分巻発電機より大きい。
電気溶接用発電機として適用される。
6. 直流発電機の運転
(1) 始動
① 界磁抵抗最大で、原動機（水車・タービン）の運転を始動する。
② 界磁抵抗値を調節して、規定の電圧を誘導する。
③ 主回路のスイッチをオンにして、負荷へ電流を流す。
(2) 電圧の調整
より、回転数でも、励磁電流でも電圧調整できるが、一般的には回転数は一定に保ち、可変界磁抵抗器で励磁電流を加減して調節する。
電圧変動率
：定格電圧
に対する無負荷電圧
の変動比を表す。
：定格回転速度・定格出力において、定格電圧を発生させる界磁電流を流し、界磁電流をそのままで無負荷にした時の端子電圧
(3) 並行運転
① 定格電圧が等しいこと
② 外部特性曲線が一致していること
負荷変動の際に比例した負荷分担をさせるため。
③ 外部特性曲線が垂下特性を持つこと
例えば垂下特性を持たない直巻発電機を並行運転すると、負荷のバランスが崩れて一方に電流が多く流れた場合に、端子電圧が増加してしまい、ますます負荷が一方に偏ることになる。
7. 直流機の損失
(1) 無負荷損：端子電圧と回転速度に影響され、負荷には無関係な損失
① 鉄損：鉄心中の現象による損失（固定損）
i. ヒステリシス損：磁束密度の2乗と周波数の積に比例
ii. 渦電流損：磁束密度の2乗と周波数2乗の積に比例 
② 機械損（固定損）
i. 摩擦損：軸受・ブラシと整流子に生じる
ii. 風損：回転速度の3乗に比例する
③ 励磁損：励磁電流による損失で、分巻界磁巻線や他励界磁巻線の銅損
(2) 負荷損
① 直接負荷損：負荷電流による損失
i. 電機子巻線・直巻界磁巻線抵抗による銅損
ii. ブラシの電気損（回転電機子形の場合）
② 漂遊負荷損：測定困難
8. 直流発電機の効率
(1) 実測効率
発電機の入力は、原動機の機械的出力となる。
発電機の出力は、端子電圧×負荷電流で表わされる、電気的出力である。
実測効率の測定では、実際に負荷をかけて測定する。
しかし、回転機では正確な測定が困難である。
また、大容量機では実際に負荷をかけることが困難である。
(2) 規約効率
実測効率の代わりに、各損失を測定し、計算で規約効率
を求める。
損失合計
と発電機出力
の総和が、発電機入力に等しいと考える。
分巻機の場合を考える。
負荷電流
の時の出力は、 
分巻界磁巻線抵抗による銅損（励磁損）は、
電機子抵抗による銅損は、
負荷電流のほとんどがそのまま電機子電流になるとみなす。
固定損（＝機械損＋鉄損）は、
規約効率について計算すると、
これが最大となるのは、
すなわち、最大効率を得られるのは、負荷損＝無負荷損（＝固定損＋励磁損）となる場合であり、
の時である。
ゆえに、最大効率を得るための条件は、
