【電験3種】機械分野「電動機応用」の頻出項目、攻略法、例題

電験3種における機械分野「電動機応用」の頻出項目、攻略法、例題をまとめました。

【電動機応用】はずみ車効果(フライホイール効果)

電動機が力F［N］、速度v［m/s］である物体を引っ張っているとき、電動機の所要出力P［W］は、次の式で表すことができます。

(1) $\begin{eqnarray*} P=Fv \end{eqnarray*}$

電動機がトルクT［N･m］、角速度 ω［rad/s］で回転しているとき、電動機の所要出力P［W］は、次の式で表すことができます。

(2) $\begin{eqnarray*} P=T\omega \end{eqnarray*}$

上式のトルクTによってはずみ車は加速します。電動機が出力し続けて加速している間、この分のエネルギーがはずみ車に注入されます。電動機に直結するはずみ車の慣性モーメントをJ［kg･m2］として、加速が完了したときの電動機の角速度を $\omega_0$ ［rad/s］とすると、このはずみ車に蓄えられている運動エネルギー $W_0$ ［J］は以下のとおりになります。

(3) $\begin{eqnarray*} W_0=\frac{1}{2}J^2 w_0 \end{eqnarray*}$

はずみ車効果(フライホイール効果)

はずみ車(フライホイール)とは、負荷のトルク変動が激しい場合、電動機と負荷の間に取り付ける鉄製の重い車です。
電動機で負荷とともに、はずみ車も併せて常時回転させておくことで、負荷トルクが急激に増加したとき、電動機の回転数は下がろうとしますが、はずみ車は慣性モーメントにより、等速運動を続けようとします。
そのため、負荷ははずみ車のエネルギー（トルク）をもらって回転し、電動機は定速運転ができます。
このように、負荷トルクの変動に応じてはずみ車がエネルギーを放出したり、吸収することをはずみ車効果(フライホイール効果)といいます。

はずみ車の重量がG［kg］、直径がD［m］のとき、はずみ車効果は $4GD^2$ ［kg⋅m2］となります。
つまり、はずみ車の重量と直径が大きいほど効果は大きくなります。
慣性モーメントJの4倍である4J［kg⋅m2］をはずみ車効果といいます。