パンタグラフから（１線）から給電されて３相モーターがなぜ回転するのか

質問

電車に乗っていていつも思うのですが、パンタグラフから
給電されて（１線で）なぜ３相モーターが回転するのか？
私なりに考えてみたのですが。コイルを直列に接続して
そこに電流を流してそのコイルから取りだしてモーターを
回転させる。（位相差というのか時間差というのか？
位相差ではないと思うのですが）この方式を何と言う方式
なのでしょうか、説明を御願いいたします。

回答No.5

trophy

電車の場合は、他の方がお答えのように、インバータを使って３相モータを動かします。電車ではありませんが、世の中には、２つの巻線のうち、ひとつの巻線にコイルを接続させることで位相差を出し交流モータを回す方式として、誘導リアクタンス分相形電動機というのがあります。また同じような発想ですが、コンデンサを使ったコンデンサモータというのもあります。また抵抗でやる方法もあります。いずれも質問のように位相差をつけるという方法を利用するのですが、いずれも実用は２相のモータで、３相モータとして使った例は聞いたことがありません。

回答No.4

CEtank

電気は「回路」が構成されなければ流れません。架線とレールを使って電車に電気が供給されています。従って２本の電線で電気が供給されているのと同じです。レールが２本あるからといって３本の電線で電気が供給されているわけではありません。直流区間であれば架線から電流が入ってレールに抜けていると考えればいいでしょう。電車のモーター（電鉄主電動機）には、古くは直流直巻き電動機、直流複巻き電動機が使われてきました。もちろん今でも使われています。最近は三相誘導電動機が使われているものが増えてきました。三相誘導電動機は騒音が小さくコンパクトで直流機のようにブラシや整流子がない（二次抵抗を変えるなどの例外的なものを除く）ので保守が容易です。しかし一番の欠点は「速度制御がしにくい」ということでした。それは、原理上、界磁巻線に三相交流を流して「回転磁界」を作り出し、その中に回転子をおいて、回転させるのです。回転磁界の回転数を「同期速度」といいます。誘導電動機は同期速度付近の回転速度以外では使えません。同期速度は「１２０ｆ／Ｐ（回転／分）」という数値です。ｆは周波数、Ｐは電動機の極数です。例えば、４極の電動機の同期速度は一分間に、５０Ｈｚなら１５００回転、６０Ｈｚなら１８００回転ということです。電車の電動機の極数がいくつかは残念ながら知りません。もっと多いかもしれませんね。実際には三相誘導電動機は「すべり」があるので同期速度より少し遅い速度で回転します。誘導電動機の回転速度を変えるには、極数を変えるか、周波数を変えるしかありません。極数を変える方法は段階的にしかできずスムーズな速度制御なぞ望むべくもありません。最近は半導体の信頼性が著しく向上しため、皆様方のおっしゃるとおり、直流からＶＶＶＦというインバーターで、３相交流を作り出し、電圧と周波数を連続的に変えながら電動機の速度を連続的に調節、制御しています。ブレーキ時にもスムーズで強力な制動力が得られます。電圧を変えるのはなぜかというと、周波数が低いときは電動機に大電流が流れてしまうからです。インバーター方式の電車はＮｏ．３のかたがおっしゃるとおり、うなり音が出ます。その原因は波形がきれいな正弦波形でないからと考えます。なお唸りが発生する電車には直流電動機を使っているものもあります。直列抵抗を使う代わりに電流を断続させる所謂「直流チョッパー制御方式」では唸りを生じます。見分け方は、電動車の台車の真上の床に点検ハッチがあれば直流式と見ていいでしょう。三相交流で走っている電車は電動車と付随車の割合が、「電動車が少なく、付随車が多く」なっています。結論は、３相モーターには３本の電線がつながっているが、電車の床下にあるので外からは見えない、架線から直接モーターに電気を送っているのではない。ということではないでしょうか。

お礼

ありがとうございます。

回答No.3

ymmasayan

電車のモーター回路にもいろんな方式があります。
その前に電車の電気は架線から取り入れてレールに逃がします。だから線は２本です。
給電は直流方式と交流方式と直流／交流切り替え方式があります。
直流方式では普通直流モータを回します。下に述べるＶＶＶＦも使われます。
交流方式では整流して直流モータを回す方式とインバータで可変電圧可変周波数
（ＶＶＶＦ）の三相交流を作り出して三相モータを回す方式があります。
直流／交流切り替え方式では直流モーターを使うのが普通です。ＶＶＶＦもあります。
ついでですが発車時にウイーン～というかなり大きな音を出す電車がありますが、
あれがＶＶＶＦ方式です。

お礼

ありがとうございます。

回答No.2

ruehas

こんにちは。
質問を勘違いしていたらごめんなさい。
電気機関車ってレールにも電気が流れているんじゃなかったでしたっけ。
路線によって直流、交流、交直両用の車両があるそうです。
地下鉄などは、パンタグラフを使わずに、二本のレールから給電しているそうですが。

お礼

ありがとうございます。

回答No.1

taka113

インバータを使っているのではないでしょうか。

インバータ方式であればいったん電力を直流にし、電力をスイッチングして位相差のある多相交流を作り出せます。コイルだけで作るのは物理的に無理だと思います。
この方式は同時に交流の周期を無段階的に可変できるのでモーターの運転に電力の無駄が少なく省エネルギーです。洗濯機やエアコンなどもインバーターですね。（電子レンジはちょっと外れますが）

お礼

ありがとうございます。