直流電動機考察

電気鉄道用のモータ、電動機は、今は交流電動機がほとんどですが、少し前まで直流電動機が長らく使われていました。その直流電動機にはいくつかの種類があり、主に界磁巻線の種類によって分類されています。

直流電動機の大まかな構造を説明しておくと、真ん中の回転子の部分と、外側の固定子の部分に分けられます。

回転子は電機子と整流子に分けられ、整流子で電気を受けて電機子に電流を流します。整流子はブラシと常に接触していて、この部分が直流機の致命的な問題点でした。しかもこの部分は電流の入り切りをしているため、表面放電などの損傷の可能性もありました。それを防ぐために、直流機には様々な工夫がしてあり、構造をさらに複雑化させています。

固定子の部分は外枠に界磁巻線とブラシが付いている構造で、この巻線のつなぎ方によって様々な特性になります。

最も代表的な界磁巻線が直巻で、界磁巻線と電機子巻線が直列につながれる構造になっています。直流直巻電動機は低速で強力な力を出せることから、鉄道用としては広く使われていましたが、回生制動が難しかったことから、いろいろ工夫がされています。

直流複巻電動機は、速度特性が直巻に比べて劣ると言われていますが、回生制動が容易だったこともあり、一部私鉄では古くから使われていました。
急激に架線電圧が変化した場合、直巻巻線と分巻巻線のバランスが崩れて、ブラシと整流子の間で火花が発生しやすく、メンテナンスに手間がかかるとういう欠点があります。この点、東急や京阪は、チョッパ制御などが普及する以前から、回生制動可能という点に注目して、直流複巻電動機を採用していましたが、国鉄や一部私鉄は懐疑的でした。複巻電動機を用いる界磁チョッパ車の導入が相当遅く1980年代に入ってから導入したところもみられ、一度は複巻電動機を採用した国鉄も、諸般の事情から結局は直流直巻電動機に回帰しています。

直流分巻電動機は、普通鉄道用として採用された実績は少なく、営団地下鉄の4象限チョッパ制御の01系、02系、03系、05系が唯一の例ではないかと思われます。

他励電動機は余り例はないのですが、直巻電動機が電気制動時、補助電源からの励磁で回生制動を行う場合、この回路構成になります。営団地下鉄の4象限チョッパ制御も分巻電動機に分類されますが、回路構成としてはこちらの方が近いようです。