直流発電機は負荷電流が増加するとなぜ端子電圧が減少

質問

直流発電機は負荷電流が増加するとなぜ端子電圧が減少するのでしょうか？ 先生に質問したのですが電気子巻抵抗とブラシ抵抗による電圧降下と電気子反作用による誘導起電力の減少だとか言われたのですが言葉だけでは私の理解力がなく、理解できませんでした。
分かりやすく教えてくだされば嬉しいで

回答No.3

Nebusoku3

直流発電機には界磁の構造により、「他励発電機」、「分巻発電機」そのた合成構造があります。ここでは２種類を記します。（分巻発電機とは直卷発電機に対する言い方）

●全ての直流発電機が負荷電流の増加で端子電圧が減少するわけではありません。

１）「他励発電機」：界磁コイルに別電源からの電流を流し、磁界を作る。（永久磁石の場合もあるかもしれません。）
２）「自励発電機」：界磁コイルを発電機の出力に並列につなぎ、自分の電源で磁界を作る。この中で「分巻発電機」を取り上げます。

電気子巻抵抗とブラシ抵抗による電圧降下と電気子反作用による誘導起電力の減少ももちろんありますが、一番大きいのは「分巻発電機」の例でいえば、負荷の増大により、界磁コイルへ流れる電流が減少し、端子電圧自体も下がることになると思います。

直流発電機でも自励式の「直卷発電機」では負荷電流が増えると界磁コイルに流れる電流も増大しますので電圧は逆に上がる方向になります。

不明点は先生にも確認してみてください。

回答No.2

mdmp2

電機子巻線に誘起される電圧は巻線と交差する磁束の変化（界磁の強さと電機子の回転数）に比例しますので、界磁の強さと電機子の回転数が一定なら負荷をかけても、無負荷でも誘起される電圧も一定です。しかし、取り出すことができる電圧（端子電圧）は、電流を流すと、電機子巻線が持つ抵抗による電圧降下により低下します。ブラシに抵抗があるならそれも電圧降下の原因になります。
起電力E(V), 内部抵抗R(Ω)の電池からI(A) の電流を取り出した時、電池の端子電圧は何ボルトになりますか？という問と同じです。
これは先生の説明で理解できましたよね？もし、これが理解できなかったとしたら、先生に正直に申し上げて、分かるまで説明してもらってください。

電機子反作用による誘導起電力の減少については、
電機子巻線に電流が流れると、その電流が界磁と直角の方向に磁界を作ります。これが電機子反作用です。
すると、全体としての磁界は、界磁巻線が作る磁界と、電機子巻線が作る磁界を合成した磁界になり、磁界の向きが少し電機子の回転方向にずれた方向になります。

簡単のために、極数は2、電機子巻線は一つひとつ独立しており、巻数は1ターンとします。
一つの巻線の面が界磁巻線が作る磁界の方向と平行になったとき、巻線に接続されている整流子が、ブラシと接触するようになっています。巻線が回転すると巻線と交差する磁束が増え、誘導起電力が発生します。少し回転すると、その巻線の整流子はブラシから外れ、次の巻線の整流子がブラシと接触します。このように、一つの巻線が働いている範囲（角度）は界磁巻線が作る磁界の方向を中心とした、小さい範囲です。
ここで、電機子反作用により磁界の方向が回転方向にずれると、一つの巻線が働いている範囲での磁界の強さが小さくなります。そのため、起電力が小さくなります。

ご質問にはありませんが、電機子反作用による影響は電圧の低下より、整流の悪化の方が大きいと思います。
ブラシには幅がありますので二つの整流子に同時に接触するタイミングがあります。
通常、二組の整流子の電圧が等しいのでブラシで短絡して大きい電流が流れたり、その結果としてはげしく火花を飛ばすことはありません。
しかし、電機子反作用により、二組の整流子の電圧に違いが起き、火花を飛ばすようになります。これが整流の悪化です。整流が悪化すると、損失の増加、整流子の損傷、ブラシの損耗が起きます。

実際の直流発電機には電機子反作用の影響を軽減するために「補極」が設けられています。

回答No.1

shintaro-2

回路図を描いて考えてみてください。

参考URL：

http://www.jeea.or.jp/course/contents/12126/