同期電動機の回転原理

　同期電動機の回転原理を以下の図1のような玩具を用いて説明していきたい．この玩具は，上部のA軸を回せば，それにつられてB軸も同じ速さで回転するという磁石の器具である．

図1.B軸の磁石に回転磁界を与える方法

　この器具のA軸を回転させると，B軸の先にくっついた磁石もつられて回転することがわかるだろう． A軸が回ればB軸の磁石の周りの磁界も回転するので，このB軸もつられて回転するのである．この器具はA軸の回転をB軸に伝えるだけのものなので，実質単なる棒の意味しかないが，何か電気的なからくりで，このA軸を回転させるのと同等の回転磁界をB軸の周りに作ることができれば，それはたちまち電動機として機能することが分かるだろう．それこそが同期電動機の回転原理である．

　次の図2では，三相交流を用いた回転磁束の発生方法を示している．

図2.三相交流で回転磁束を発生させる機構

　この図の中央，点線で示した“回転子領域”と名付けた領域に，回転磁束は発生する．3つのコイルはそれぞれ\(120^\circ\)ずれた交流電流を流しており，それら3つのコイルの磁束が点線領域において合成され，回転磁束となるのである．

　回転磁束を発生することができたので，その領域に磁石を置けば，その磁石は回転する磁束につられて回転を始めるはずである．つまり，次の図3のような構成にすることで，同期電動機が完成したことになりそうだ．

図3.同期電動機の基本的構造

　図3は，図2の回転磁束領域に電磁石を入れたものである．回転磁束につられ，①の電磁石は回転するだろう（厳密には適切な始動方法を適用しないと回転は始まらない）．勿論中に入れる①の磁石は電磁石である必要はなく，永久磁石の場合も考えられる．

　ここまでで，図2の点線領域に回転磁場が生じるという現象に納得が行っているならば，同期電動機の回転原理も理解できたことだろう．したがってこの後少しだけ，本当に回転磁束が図2の器具によって発生できているのかどうか，少し考えてみることにしよう．その議論のためにはまず，三相交流のイメージを次の図4でおさらいしておく必要がある．

図4.三相交流の電流波形

　図4の通り，三相交流は位相が\(120^\circ\)ずつ異なる3本の交流により構成されている．ここでは位相が進んでいる順にU相，V相，W相と呼んでいる．これを踏まえてもう一度図2を見直してみて，どちらに磁界が回転するのかイメージしてみよう．下記の点線領域で磁束がどちらに回るかわかるだろうか．

図2再掲. 三相交流で回転磁束を発生させる機構

　磁界が回転する方向は「反時計回り」が正解である．U相が一番位相が進んでおり，そこから順にV相，U相へと極性が移り変わっていくので，この中に磁石を置けば，反時計回りに回転する．数学的に3つのベクトルの合成が回転するということを著書のP.131~132で議論しているので，詳しくはそちらをご覧いただきたい．

　締めくくりとして，同期電動機がどのように回転磁束を作り，それに回転子がつられていくのか，その全体的な動作イメージを最後の図5で示しておきたい．