平成28年度 第2種 機械

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一般に，かご形誘導電動機は回転子のスロット形状や回転子導体の抵抗などにより，始動特性が異なる。下図に種々のかご形回転子の滑りに対する (a) 一次電流 及び (b) トルクの一般的な特性を示す。A は普通かご形回転子を示している。B はスロット形状を変更した深溝かご形回転子であり，A と比べて始動電流が小さいという特徴がある。C はスロット形状に加えて回転子導体も工夫した二重かご形回転子であり，A と比べて始動トルクが大きいという特徴がある。D は高抵抗かご形回転子であり，A と比べて始動電流が小さく，始動トルクが大きいという特徴を併せもつ。しかし，運転時の滑りが大きく，効率が悪い。

図 1 の昇圧チョッパの動作を考える。入力電圧は一定値 V_in [V] とし，コンデンサの静電容量 C [F] は十分に大きく，出力の電圧及び電流を一定値 V_out [V] 及び I_out [A] と仮定する。バルブデバイス S 及び ダイオード D₁，D₂ は理想スイッチ，理想ダイオードとする。バルブデバイス S は，周期的にオンとオフを繰り返し，1 周期中のオンしている時間を T_on [s]，オフしている時間を T_off [s] とすると，周期は T_on + T_off となる。また，直流リアクトルのインダクタンスを L [H] とし，入力電流は常に i_in > 0 とする。

ここで，S がオンしているT_on の期間中は，直流リアクトルの入力電圧 V_in が印加して v_L = V_in となり，入力電流 i_in [A] の単位時間当たりの変化は，di_in/dt = V_in/L [A/s] となる。一方，S がオフしている T_off の期間中は，di_in/dt = (V_in - V_out)/L となる。

チョッパが動作してから十分に時間が経つと，入力電流 i_in は周期的な繰り返し波形となる。入力電流 i_in が周期的な繰り返し波形となるためには，V_inT_on + (V_in - V_out)T_off = 0 でなければならないので，出力電圧は，V_out = (T_on + T_off)/T_offV_in となる。このとき，ダイオード D₂ を通る電流 i₂ [A] は図 2 の i_B の波形となる。

燃料電池は，水素と酸素が化学反応して水を生成する過程で電気エネルギーを電気化学的に取り出す装置である。理論的には水素と酸素の反応のギブズエネルギー分が電気エネルギーに変換可能であり，熱機関とは違いカルノー効率の制約は受けない。

市販が開始された燃料電池自動車用には出力密度の大きい固体高分子形燃料電池が用いられ，燃料には水素を用いる。水素はアノード（燃料極）の触媒上で酸化されプロトンとなる。

家庭用の燃料電池システムには固体高分子形燃料電池のほかに，運転温度が高くて発電効率が高い固体酸化物形燃料電池の商用化も始まっている。この固体酸化物形燃料電池にはイットリウムで安定化した酸化ジルコニウムなどの酸化物イオン伝導性のセラミックスが使用されており，運転温度が高いため，触媒に貴金属を用いる必要はない。

直流電気鉄道用の電動機には，大きな始動トルクを必要とすることから，かつては主として直流直巻電動機が採用されてきた。直流電動機の抵抗制御は古くから使われてきた方式で，構成は簡単であるがエネルギー効率が悪い欠点をもっていた。その後パワーエレクトロニクス技術を使用したチョッパ制御が導入されるに至り，よりきめ細かい直流電動機の制御が可能となり，抵抗器の省略による始動時の損失低減と電力回生ブレーキによる省エネルギー化が図られ，総合的なエネルギー変換効率の向上が進んだ。

現在の新製車両には，車両保守の省力化，車両装置の小形・軽量化，及び車両の高性能化が可能な誘導電動機方式が多く採用されている。この方式では，大容量の電力変換装置一台で複数台の誘導電動機を駆動しており，車輪径のばらつきやレールと車輪間の粘着差によるそれぞれの車輪の回転速度差を電動機の滑りで吸収できる特長をもっている。

一般形の照度計は，① 斜め入射光補正グローブ，② 感度補正フィルタ，③ 光電変換素子で基本的に構成される。

照度を正しく測るには，次に示すような特性の照度計を用いる。

1. 光の入射角特性が，余弦法則に合っていること。
2. 感度補正フィルタの光の波長に対する特性が，標準分光視感効率に一致していること。
3. 点光源からの距離に対する表示値が，逆 2 乗の法則に従うこと。

照度には，法線照度，水平面照度，鉛直面照度などがある。床面や机上面の水平面照度の測定は，照度計の受光部を測定面に平行になるように置いて，測定者の影などが入らないように行う。また，JIS C 1609-1 では，基準・規定の適合性評価などにおける，照度の信頼性が要求される場での照度測定には，AA 級以上のクラスの照度計を使用することを推奨している。

金属など，導電性の被加熱物を加熱する方法の一つとして，被加熱物を交番磁界中におく誘導加熱がある。被加熱物の内部に侵入した交番磁束は，電磁誘導によって被加熱物内部に渦電流を流す。この渦電流で生じるジュール熱によって被加熱物自身が発熱し，加熱される。

単位時間当たりに被加熱物に発生する熱量は，交番磁束の大きさの 2 乗に比例する。また，その熱量は，交番磁束の周波数のほか，被加熱物の抵抗率や透磁率にも依存する。さらに，抵抗率や透磁率は過熱昇温中に変化する場合がある。

一方，被加熱物の内部に侵入した交番磁束は被加熱物の表面近くに集まる性質がある。このため，渦電流も被加熱物の表面近くに多く流れる。この現象は表皮効果と呼ばれている。表皮効果を示す指標として浸透深さがある。浸透深さは交番磁束の周波数の平方根に反比例する。また，抵抗率が低いほど浸透深さは浅い。浸透深さが浅くなると，被加熱物の表面に近い部位がより強く加熱され，表面加熱に近い様相を呈する。

したがって，被加熱物を適正に加熱するためには，加熱されるべき部位と達成すべき昇温温度に応じた交番磁束の周波数と大きさの選択が重要である。

RISC は，機能の単純な機械命令でかつ命令種別を削減してハードウェア量を少なくすることを目的とし，処理を行うための命令数は多くなるものの動作周波数の向上が図れるコンピュータアーキテクチャである。この方式は 1 命令を 1 クロックで実行することができるが，実際は 1 命令を複数のステージに分割し，命令パイプラインを用い，流れ作業のように処理を行うことで，見掛け上の 1 クロックごとでの命令実行を可能としている。

しかし命令パイプラインでは，命令間に依存関係がある場合は，先の命令が完了してからでないと次の命令が実行できなくなる。このような現象で，先行命令が更新したレジスタの内容を後続命令が使うため，先行命令の演算結果が格納されるまで後続命令が開始できない状態をデータハザードという。

命令パイプラインを発展させたものとして，各ステージのハードウェアを複数準備し，引き続く命令を並列処理するスーパスカラがあり，更に処理が高速となる。

データハザードを改善する手法として，プログラムに記述されている順序では後続の命令であっても，先行命令に対して依存関係がないときは，処理に必要なデータが整って実行可能となった段階で命令を実行させるアウトオブオーダ実行がある。この場合，命令列の正確な割り込み処理が要求される組み込み用途のプロセッサでは，先に終わった後続命令の結果をバッファに保持し，レジスタの更新はプログラム記述順に行うなどの対策が必要となる。