直巻式 直流機を「一直線」で攻略！発電機と電動機の電圧公式の違い

この記事で身につくこと

前回（05-機械）で扱った 分巻式 の発電機 vs 電動機。今回は対になる 直巻式（シリーズ） の比較です。

分巻と直巻は「界磁巻線がどこに繋がっているか」だけの違いですが、その一点が 電圧公式の形 と 計算手順 をガラッと変えてしまいます。

本記事を読み終えたら、

• 直巻発電機と直巻電動機の 電圧公式の違い が即答できる
• 電圧降下が Ra + Rf になる理由を説明できる
• 分巻で重宝した If = V / Rf が直巻で使えない理由 が腹落ちする

ようになります。

暗記フレーズ：直巻は一直線。父と子に税金は Ra+Rf

直巻は一直線。父と子に税金は Ra+Rf

直巻の本質は 「電機子と界磁が一本の線でつながっている」 こと。 分流という概念がなく、流れる電流は最初から最後まで Ia ＝ If ＝ 1本だけ。 だから電圧降下も Ra と Rf を 足した分 だけ、一度にかかります。

直巻発電機：電流は「一直線」、Ia = If

まず発電機側の回路。電機子で発生した起電力 E が電機子電流 Ia を生み、そのまま界磁巻線 → 負荷へと 一本道で 流れていきます。

[電機子 E] ─ Ra ─ [界磁巻線 Rf] ─ [負荷] ─ 戻る
              ↑ 同じ電流が全部を流れる

分巻のように「Il と If に分かれる」ことはありません。よって、

Ia = If = Il

電圧の関係は、Ra と Rf 両方の電圧降下を引いて、

V = E − Ia(Ra + Rf)
　⇔　E = V + Ia(Ra + Rf)

父と子の比喩：発電機編

分巻と同じ比喩がそのまま使えます。違うのは 税金が増えた こと。

• E（起電力）= 父親
• V（端子電圧）= 息子
• Ia(Ra + Rf) = 税金（Ra に加えて Rf 分も追加）

お父さん E が、税金 Ia(Ra+Rf) を引かれて、息子 V に渡す。 だから E > V。

「電機子抵抗だけで計算して Rf を忘れる」――これが直巻発電機での 最頻出ミス。一本道だから Rf も必ず通ると覚えてください。

直巻電動機：父と子が入れ替わるだけ

電動機側でも、回路の繋がりは同じ「一直線」です。電源電圧 V から電流が流れ込み、電機子 → 界磁 → 戻る、という1本ループになります。

V = E + Ia(Ra + Rf)
　⇔　E = V − Ia(Ra + Rf)

ここでも E は 逆起電力。電動機が回転すると、電機子に電源と打ち消す向きの起電力が立ち上がります。

父と子の比喩：電動機編

分巻のときと同じく、父と子が入れ替わる だけ。税金の中身（Ra+Rf）は発電機と共通です。

• V（電源電圧）= 父親
• E（逆起電力）= 息子
• Ia(Ra + Rf) = 税金

お父さん V が、税金 Ia(Ra+Rf) を引かれて、息子 E に渡す。 だから V > E。

発電機・電動機どちらも、「大きい方 − Ia(Ra+Rf) = 小さい方」――この一文に集約されます。

なぜ分巻の「If = V / Rf」が使えないのか

分巻式では、界磁巻線が端子電圧 V と並列にぶら下がっていたので、オームの法則で一発でした。

（分巻）If = V / Rf   ← 発電機も電動機も共通

ところが直巻では、界磁巻線は V と並列ではなく、電機子と直列。 そのため界磁にかかる電圧は V ではなく、ただの Ia × Rf という電圧降下です。

直巻では If は V から決まらない。先に Ia が決まり、自動的に If = Ia になる。

「If を求めよ」という問題が出たら、まず Ia を出す ―― これが直巻の鉄則です。

早見表：直巻発電機 vs 直巻電動機

項目	直巻発電機(G)	直巻電動機(M)
電流の向き	外向き（電機子→負荷）	内向き（電源→電機子）
電流の関係	Ia = If = Il（一本道）	Ia = If = I（一本道）
電圧の式	E = V + Ia(Ra+Rf)	V = E + Ia(Ra+Rf)
大小関係	E > V（父E が大）	V > E（父V が大）
父と子	E が父・V が子	V が父・E が子
If の求め方	If = Ia（V/Rf は使えない）	If = Ia（V/Rf は使えない）

分巻 vs 直巻：見た目はそっくり、中身は別物

電圧式だけ並べると、分巻と直巻はほぼ同じ顔つきです。違いは 「税金に Rf が含まれるか」 だけ。

比較	分巻	直巻
界磁の接続	電機子と並列	電機子と直列
電流関係	Ia と If は別	Ia = If（同じ）
電圧降下	Ia × Ra のみ	Ia × (Ra+Rf)
If の式	If = V / Rf	If = Ia（V/Rf 不可）

→ 「分巻のノリで Ra だけ引く」「If = V/Rf を使う」がそのまま直巻でやってしまう 二大事故 です。

まとめ

• 直巻は 電機子と界磁が一直線（直列）。常に Ia = If が成立する
• 電圧公式は 「大きい方 − Ia(Ra+Rf) = 小さい方」 で統一して覚える
• 発電機は E が父、電動機は V が父（分巻と同じ）
• 分巻の If = V / Rf は直巻では使えない。直巻では先に Ia を出す
• 分巻との違いは「税金に Rf が入る」「分流がない」の2点だけ

暗記フレーズ：直巻は一直線。父と子に税金は Ra+Rf

「一直線」と「税金は Ra+Rf」――この2つさえ握っておけば、直巻の計算で符号や抵抗を取りこぼす事故はもう起きません。