DCモーターが減電圧始動を採用する必要がある根本的な理由は、始動時の電気的特性と機械的特性の不一致にあります。始動初期には逆起電力(Ea)がゼロであるため、全電圧始動時に定格値をはるかに超える始動電流が発生します。これは、モーターの損傷や回路故障などの一連の問題を引き起こします。減電圧始動は、始動電圧を下げることで過大な電流を抑制し、システムの安全性を確保します。詳細は、始動電流の発生メカニズム、全電圧始動の危険性、減電圧始動の原理の3つの側面から説明できます。
まず、DCモーターの始動電流の異常な増加は、「逆起電力の不足」というコア特性に起因します。DCモーターの電機子回路の電圧バランス方程式は、U = Ea + IaRaです。ここで、Uは電機子両端の印加電圧、Eaは電機子の回転によって発生する逆起電力、Iaは電機子電流、Raは電機子巻線抵抗です。モーターが始動する瞬間、回転子は静止状態にあり、電機子導体は磁場を遮断しないため、逆起電力Ea = 0となります。このとき、回路方程式はIa = U / Raと簡略化されます。電機子巻線は銅線で作られているため、その抵抗Raは通常非常に小さいです(小型DCモーターのRaはわずか数オーム、大型モーターでは1オーム未満です)。定格全電圧Uを直接印加すると、始動電流Iaは急激に増加し、通常は定格電流の10~20倍に達します。例えば、定格電圧220V、電機子抵抗1ΩのDCモータは、全電圧始動時に瞬時電流が220Aに達する可能性がありますが、定格電流は15Aに過ぎず、電流増幅率は安全範囲をはるかに超えています。
第二に、このような超大始動電流は、モータ本体と電源システムに複数の致命的な危険をもたらします。モータの場合、過大電流によって電機子巻線に大きな電気力が加わります。アンペア力の公式によれば、電気力は電流値の2乗に比例します。定格電流の10倍の電流は、定格値の100倍の電気力を発生させ、巻線の変形や絶縁層の破壊を引き起こしやすく、巻線間短絡につながります。一方、短時間で急激に増加する電流は、巻線に大量のジュール熱を発生させ、温度が急上昇して絶縁材料の耐熱限界を超え、絶縁物の劣化や焼損につながる可能性があります。電源システムの場合、超大始動電流は系統電圧を急激に低下させ、「電圧ショック」を引き起こし、同じ系統内の他の機器の正常な動作に影響を与えます。例えば、照明灯が暗くなったり、精密機器が制御不能になったりする可能性があります。同時に、大電流によりスイッチや接触器などの制御部品に強力な電気アークが発生し、接点の摩耗が加速され、さらには短絡障害を引き起こすこともあります。
減電圧始動は、「初期の始動電圧を人為的に下げる」ことで電源からの始動電流を抑制し、モータ速度の上昇後に徐々に定格電圧を復元し、モータの始動特性に完全に一致させます。 その中核となるロジックは、始動初期にUを下げることです。 Ea = 0の場合でも、Ia = U / Raを安全範囲内(通常、定格電流の1.5〜2.5倍)に制御できます。 モータ速度nが増加すると、Eaはnに比例して増加します。 このとき、Uは徐々に増加し、Iaを適切な始動トルクに対応する電流値に維持します。 モータが定格速度に達するまで、Eaは定格逆起電力で安定します。 このとき、Uは定格値まで増加し、モータは通常の動作に入ります。
実用化においては、低電圧始動には様々な実装方法があります。小型DCモーターでは、電機子回路に可変抵抗器を接続することで電圧を分圧し、始動後に抵抗器を徐々に遮断する「直列抵抗降圧方式」がよく用いられます。大型DCモーターでは、主に「サイリスタ電圧制御方式」が用いられます。これは、サイリスタの導通角を調整することで出力電圧を正確に制御し、スムーズな始動を実現します。これらの方式は、全電圧始動の危険性を回避するだけでなく、モーター始動に必要なトルクを確保できるため、工業生産、輸送などの分野におけるDCモーターの応用はより安全で信頼性の高いものとなります。
まとめると、DCモーターの低電圧始動は「不要な操作」ではなく、その電気原理に基づいた必要な保護対策です。その核心は、電圧制御によって始動電流とトルクの関係をバランスさせることであり、モーター自体を保護するだけでなく、電源システムの安定性も確保します。これは、DCモーターの安全な運転にとって重要な鍵となります。




