Loading article…
アレクサンダーソン式交流発電機は、 1904年にエルンスト・アレクサンダーソンによって開発された回転機械で、無線送信機として使用される高周波交流電流を生成するためのものです。これは、振幅変調（AM）信号を無線で送信するために必要な連続電波を生成できる最初の装置の一つでした。1910年頃から、一部の「超大国」の長波無線電信局で使用され、モールス信号を用いて世界中の同様の局へ大西洋を横断するメッセージを送信していました。
1920年代初頭に真空管送信機の開発によって取って代わられたものの、アレクサンダーソン交流発電機は第二次世界大戦まで使用され続けた。これは電気工学における重要な業績としてIEEEマイルストーンのリストに載っている。[ 1 ]
1887年に電波が発見された後、第一世代の無線送信機である火花放電式送信機は、減衰波、つまりすぐに消滅する電波パルスを生成しました。1890年代までには、減衰波には欠点があることが認識されました。そのエネルギーは広い周波数帯域に分散するため、異なる周波数の送信機同士が干渉し合い、音声信号で変調して音声を送信することもできませんでした。そこで、単一周波数の正弦波交流電流である連続波を生成する送信機を発明する努力がなされました。
1891年の講演で、フレデリック・トーマス・トルートンは、電気オルタネータを十分なサイクル速度で動作させれば（つまり、十分に速く回転し、電機子に十分な数の磁極を備えていれば）、無線周波数で連続波を生成すると指摘した。[ 2 ] 1889年のエリフ・トムソンを皮切りに、 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]一連の研究者が高周波オルタネータを製作した。ニコラ・テスラ[ 7 ] [ 8 ]（1891年、15kHz ）、サロモンズとパイク[ 8 ]（1891年、 9kHz）、パーソンズとユーイング（1892年、14kHz ）、シーメンス[ 8 ]（ 5kHz）、BGラム[ 8 ]（1902年、 10kHz）などであるが、無線送信に必要な周波数である20kHzを超える周波数には達しなかった 。[ 5 ]
1904年、レジナルド・フェッセンデンはゼネラル・エレクトリック社と、連続波ラジオ用の10万ヘルツの周波数を生成するオルタネータの開発契約を結んだ。このオルタネータはエルンスト・アレクサンダーソンによって設計された。アレクサンダーソン・オルタネータは、沿岸局による長波無線通信に広く使用されたが、大きすぎて重すぎたため、ほとんどの船舶には搭載できなかった。1906年には最初の50kWオルタネータが納入された。1台はマサチューセッツ州ブラントロックのレジナルド・フェッセンデンに、もう1台はマサチューセッツ州グロスターのジョン・ヘイズ・ハモンド・ジュニアに、そしてもう1台はニュージャージー州ニューブランズウィックのアメリカン・マルコーニ社に納入された。
アレクサンダーソンは1911年にこの装置の特許を取得しました。アレクサンダーソン・オルタネータは、フェッセンデンの回転式火花放電送信機に続き、人間の声を伝送するために変調された2番目の無線送信機となりました。1913年にアームストロング発振器などの真空管発振器が発明されるまで、アレクサンダーソン・オルタネータは重要な高出力無線送信機であり、人間の声の振幅変調無線送信を可能にしました。現在も稼働している最後のアレクサンダーソン・オルタネータは、スウェーデンのVLF送信機グリメトンにあり、1996年まで定期的に稼働していました。毎年6月の最終日曜日か7月の最初の日曜日であるアレクサンダーソン・デーには、数分間稼働し続けています。
第一次世界大戦の勃発により、ヨーロッパ諸国は国際無線通信ネットワークの開発を一時的に断念せざるを得なくなった一方、米国は大洋横断無線通信の開発に力を注いだ。戦争終結までに、アレクサンダーソン交流発電機は大洋横断無線通信サービスを安定して提供できるようになった。英国のマルコーニは、交流発電機の独占使用権と引き換えにゼネラル・エレクトリック（GE）に5,000ドルの取引を持ちかけたが、取引が成立する直前、米国大統領ウッドロー・ウィルソンはGEにこの申し出を断るよう要請した。この申し出が実現すれば、海底通信ケーブルの分野で主導権を握っていた英国が世界の無線通信を支配することになるからだ。GEはこの要請に応じ、アメリカン・テレフォン・アンド・テレグラフ（AT&T）、ユナイテッド・フルーツ・カンパニー、ウェスタン・エレクトリック・カンパニー、ウェスティングハウス・エレクトリック・アンド・マニュファクチャリング・カンパニーと合流し、ラジオ・コーポレーション・オブ・アメリカ（RCA）を設立した。これにより、米国企業が初めてアメリカのラジオを支配することになった。[ 9 ]
ソーン・L・メイズは、1924年までの期間に、200kWのアレクサンダーソン交流発電機10ペア、合計20台の送信機が生産されたことを確認した。 [ 10 ] [ 11 ]
1941年から、当初の200kW オルタネーター20基のうち7基が米海軍と空軍で運用されるようになった。[ 12 ]
第二次世界大戦中、アメリカ海軍は太平洋艦隊への信頼性の高い遠距離長波（VLF）送信の必要性を認識した。ハワイのハイクーに新しい施設が建設され、本土から移送された2台の200kWアレクサンダーソン交流発電機が設置された。海軍はまた、太平洋での通信のために、カリフォルニア州ボリナスにある既存の送信機も運用した。[ 14 ]ハイクーの2台の交流発電機は1969年にサルベージのために売却され、おそらくカリフォルニア州のクレガー社に売却された。
1940年代後半、空軍はマサチューセッツ州ハイクとマリオンの施設を管理下に置いた。空軍は、北極の研究者やグリーンランド、ラブラドール、アイスランドの基地に気象情報を送る場合、短波よりも長波の方が信頼性が高いことを発見した。マリオンの2つの送信機は1957年まで使用された。1つは1961年に廃棄され、もう1つは米国標準局に引き渡され[ 15 ]、スミソニアン博物館の倉庫に保管されたと伝えられている[ 16 ] 。
アレクサンダーソン発電機は交流発電機と同様の原理で動作しますが、超低周波（VLF）無線周波数帯域の高周波電流を生成します。回転子には導電性の巻線や電気接続部はなく、高張力磁性鋼の固体円盤で構成され、円周に狭いスロットが切られており、磁極として機能する一連の狭い「歯」が形成されています。歯の間の空間は非磁性材料で満たされており、回転子の表面を滑らかにして空気抵抗を低減します。回転子は、電動モーターと増速ギアボックスを介して高速回転します。
この機械は、可変リラクタンス（エレキギターのピックアップに似ている）によって動作し、 2つのコイルを結ぶ磁束を変化させます。ローターの外周は、C字型の断面を持つ円形の鉄製ステーターで囲まれており、ローターと同じ数の細い極に分割され、2組のコイルが取り付けられています。一方のコイルには直流電流が供給され、ステーターのエアギャップに磁場を発生させ、それがローターを軸方向（横方向）に貫通します。
ローターが回転すると、交互に、ディスクの鉄部分がステーターの極間の隙間に入り込み、大きな磁束が隙間を通過するか、あるいは非磁性のスロットがステーターの隙間に入り込み、通過する磁束が少なくなる。そのため、ステーターを通過する磁束は正弦波状に急速に変化する。この磁束の変化によって、ステーター上の第2のコイルに高周波電圧が発生する。
RFコレクタコイルはすべて出力トランスで相互接続されており、その二次巻線はアンテナ回路に接続されている。無線周波数エネルギーの変調（電信キーイング）は磁気増幅器によって行われ、この増幅器は振幅変調や音声伝送にも使用された。
アレクサンダーソン交流発電機で生成される電流の周波数（ヘルツ）は、回転子の極数と毎秒の回転数の積です。したがって、無線周波数が高くなると、極数を増やすか、回転速度を上げるか、あるいはその両方が必要になります。アレクサンダーソン交流発電機は、大陸横断無線通信用の超低周波（VLF）帯域の電波を生成するために使用されました。出力周波数が100 kHzの典型的な交流発電機は、300極を持ち、毎分20,000回転（毎秒333回転）で回転しました。高出力を生成するには、回転子と固定子の間の隙間をわずか1 mmに保つ必要がありました。このような高速で回転する精密機械の製造には多くの新たな問題があり、アレクサンダーソン送信機はかさばり、非常に高価でした。
送信機の出力周波数は回転子の速度に比例します。周波数を一定に保つため、回転子を回転させる電動機の速度をフィードバックループで制御します。ある方法では、出力信号のサンプルを、共振周波数が出力周波数よりわずかに高い高Q同調回路に入力します。発電機の周波数は、LC回路のインピーダンス曲線の「裾野」に位置し、インピーダンスは周波数とともに急激に増加します。LC回路の出力は整流され、得られた電圧を一定の基準電圧と比較することで、モータ速度を制御するフィードバック信号を生成します。出力周波数が高くなりすぎると、LC回路のインピーダンスが増加し、LC回路を通過するRF信号の振幅が低下します。モータへのフィードバック信号が低下し、モータの回転速度が低下します。このようにして、発電機の出力周波数は同調回路の共振周波数に「ロック」されます。
これらのセットは、10,500～24,000 メートル（28.57～12.5kHz ）の波長で動作するように設計されました。これは、3つの設計変数によって実現されました。交流発電機は、1220極、976極、または772 極で製造されました。ギアボックスは、2.675、2.973、および3.324の比率で3種類用意され、900RPMの 駆動モーターは、4%～20%の滑りで動作し、864～720RPMの速度が得られました 。ヨーロッパに設置された送信機は、50Hzの電源で動作し、駆動モーターの速度が低いため、 波長範囲は12,500～28,800メートルでした。
大型のアレクサンダーソン発電機は、500kW の出力高周波エネルギーを生成し、水冷または油冷式であった。ある発電機は、固定子巻線に600対の極を持ち、回転子は2170RPMで駆動され 、出力周波数は約21.7kHzであった 。より高い周波数を得るには、回転子の回転速度をさらに上げる必要があり、最大で20,000RPMまで達した 。
1903年に発明されたアークコンバーターとともに、アレクサンダーソンオルタネータは連続波を生成する最初の無線送信機の1つでした。これに対し、それ以前の火花放電式送信機は減衰波の列を生成していました。これらは電気的に「ノイズ」が多く、送信機のエネルギーが広い周波数範囲に分散していたため、他の送信と干渉し、効率が悪かったのです。連続波送信機では、すべてのエネルギーが狭い周波数帯域に集中していたため、同じ出力電力でより長距離の通信が可能でした。さらに、連続波は音声信号で変調して音声を伝送することもできました。アレクサンダーソンオルタネータは、 AM送信に使用された最初の送信機の1つでした。
アレクサンダーソン交流発電機は、アークコンバーターよりも「純粋な」連続波を生成した。アークコンバーターの非正弦波出力は大きな高調波を発生させたため、長距離電信には交流発電機が好まれた。
従来の発電機に比べて回転速度が非常に速いため、アレクサンダーソン発電機は熟練した人員による継続的なメンテナンスが必要でした。信頼性を確保するには、効率的な潤滑と油または水による冷却が不可欠でしたが、当時入手可能な潤滑剤ではこれを実現するのは困難でした。実際、英国海軍の「無線電信に関する海軍本部ハンドブック」の初期版では、この点についてかなり詳細に説明されており、主に海軍がこの特定の技術を採用しなかった理由の説明として用いられています。しかし、米国海軍は採用しました。
その他の大きな問題点としては、動作周波数の変更が時間のかかる複雑なプロセスであること、そして火花送信機とは異なり、搬送波信号を自由にオンオフできないことが挙げられる。後者の問題は、「傍受」（つまり、送信を停止して応答を待つこと）を著しく困難にした。また、敵艦艇に艦船の存在を察知される危険性もあった。
機械の極数と回転速度の制限により、アレクサンダーソン交流発電機は中波 帯の低周波域で約600kHzまでの送信周波数を生成することができ、短波帯やそれ以上の周波数は物理的に不可能である。[ a ]