同期機の電磁気学的解説
同期電動機や同期発電機は，回転磁界につられて回転子が回っている．これは前回の同期電動機の回転原理でも触れたことである．このことを自然な考察に従って突き詰めていくだけで，同期電動機・発電機（以下総称して同期機）の電磁気学的な振る舞いの詳細まで，実はほとんどイメージすることができてしまうのだ．
ここでは動作中の同期機内において，磁束がどうなっているのか，その様子をなるべく直感的に考察していこう．このイメージを確立することは，同期機を理解する上でもっとも大切なステップである．ここがわかれば，ベクトル図解析の物理的意味を理解する準備も整うことだろう．
まず，回転磁界と回転子の回転速度が全く同一であるということに注目しよう．つまり，同期機の外から観測すると磁界も回転子もせわしなく回転しているが，下の図1に示すように観測者を回転子上に移して動作中の同期機を眺めてみると，回転子のみならず，磁界も止まって見えるはずである．
図1.回転子上の観測系から見た同期機
これこそが，同期機を解析する上でもっとも基本となるアプローチである．ベクトル図による解析も，過渡現象を扱う際に必須となる\(d\)-\(q\)-\(0\)法も，「観測系は回転子上に置く」ということを基本としているのである．まずは実際に回転子上の観測者から見て，回転していた磁束が止まって見えるという状況をイメージするところから始めよう．
図2.回転子上の観測系から見た同期機の合成磁束
この図2は，回転子上に観測点を移すと，逆に固定子コイルがせわしなく回転しているように見えるが，そのまわり続けている固定子コイルが発生する磁束は止まって見えるというイメージを示している．回転が進むにしたがって，3つの固定子コイルは入れ替わり続けるが，「固定子コイルがこの角度に来たらこの磁束を出す」というのは固定子コイルの区別なく決まっているので，固定子コイルがせわしなく回転していようが，その合成磁束は一定なのである．
次はこのイメージを踏まえて，回転子上の観測系から，動作中の同期機全体の観察をしてみよう．図3をご覧いただきたい．
図3.回転子上の観測系から見た合成磁束の傾きと機械的負荷
図3も例によって回転子コイル（ここでは回転子は永久磁石でなく電磁石とする）の上に観測者を置いているので，回転子コイルは静止していて逆に固定子コイルが回転している．ここで注目したいのは，合成磁束の向きの違いである．両者は電動機動作時の機械的負荷（負荷トルク）を変えている．左側は無負荷，右側は負荷ありのケースである．
機械的負荷が\(0\)の場合（同図左側）は，回転している磁束と回転子の向きが完全に一致する（内部の機械損失を無視）ので，回転子を水平と見れば合成磁束の方向も水平となる．一方で機械的負荷がある場合（同図右側）は，磁石である回転子コイルは磁束の方法に向きたがるが，負荷トルクにより完全には向きを揃えきらないところで力が平衡することになる．これにより，回転子を水平と見れば合成磁束は水平から傾きを持った方向で落ち着くのである．この角度を負荷角と呼ぶ．
次に，この負荷角の極性が反対になることもあることを図4で説明しよう．
図4.合成磁束の傾き（負荷角）の極性と発電・電動機動作
図4を見ると，合成磁束の回転に対して回転子が遅れているのか進んでいるのか，その位相差の符号が違うことがわかるだろう．\(d\)-\(q\)-\(0\)法でもそうなのだが，回転子が反時計回りに回っている系を考えている（つまり回転子の座標系では固定子が時計回りに回っている）ので，図4の左側は，合成磁束に対して回転子コイルが遅れながら付いていく形で，これは外から負荷がかかっている状態（電動機動作）である．一方で図4の右側は，合成磁束に対して回転子コイルが回転方向に対して進んでいる形で，これは外から回転方向に力を与えている状態（発電動作）である．
まとめると，電力を消費して機械的出力をしているとき（電動機動作時）は回転子に対して合成磁束が反時計回り（回転方向）に進み，電力を発生しながら機械的入力を受けているとき（発電動作時）は回転子に対して合成磁束が時計回り（回転方向と逆方向）に遅れることがわかった．勿論回転子と回転磁束は全く同じ回転速度で回っており，今問題にしているのはその間の位相差である．
次では，この電磁気学的な観察を更に発展させて，同期機に流れる電流や端子電圧を求められるような解析手法（ベクトル図の手法）を導入しよう．
この項の内容に関する，より詳細で完全な解説は，
【徹底解説 電動機・発電機の理論】の§４－２前半（P.144～）にて展開されています．是非ご参照を!!
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