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オルタネータ（または同期発電機）は、機械エネルギーを交流（AC）の形で電気エネルギーに変換する発電機です。[ 2 ]コストと簡便性の観点から、ほとんどのオルタネータは、固定電機子を備えた回転磁界を使用します。[ 3 ] ローターコイルは外部から小さな直流（DC）で励磁され、ACは固定コイルで生成されます。場合によっては、リニアオルタネータまたは固定磁界を備えた回転電機子が使用されます。交流発電機はすべてオルタネータと呼ばれる可能性がありますが、通常、この用語は自動車やその他の内燃機関によって駆動される小型の回転機械を指します。この用語は通常、外部励磁ローターコイルを備えたタイプに適用されます。磁界に永久磁石を使用するオルタネータは、マグネトと呼ばれます。
蒸気タービンで駆動される発電所の交流発電機はターボ交流発電機と呼ばれます。発電所の大型50Hzまたは60Hz三相交流発電機は、世界の電力の大部分を発電し、電力網によって配電されます。[ 4 ]
交流発電システムは、 1830年代に電流の磁気誘導が発見されて以来、単純な形で知られていました。回転発電機は自然に交流電流を生成しましたが、その用途が少なかったため、通常は発電機に整流子を追加して直流電流に変換されました。 [ 8 ]初期の機械は、マイケル・ファラデーやイポリット・ピクシーなどの先駆者によって開発されました。ファラデーは「回転矩形」を開発し、その動作は異極性でした。つまり、各アクティブ導体は、磁場が反対方向の領域を順次通過しました。[ 9 ]ケルビン卿とセバスチャン・フェランティも初期の交流発電機を開発し、100～300Hzの周波数を生成しました。
1870年代後半には、街路全体、工場の敷地、または大きな倉庫の内部を照らすために使用されたアーク灯に電力を供給する中央発電所を備えた最初の大規模な電気システムが導入されました。1878年に導入されたヤブロチコフのアーク灯など、一部のアーク灯は交流でより良く動作し、これらの初期の交流発電システムの開発に伴い、「オルタネータ」という言葉が初めて使用されました。[ 10 ] [ 8 ]これらの初期のシステムでは、発電所から適切な量の電圧を供給することは、「負荷に乗る」技術者のスキルに委ねられていました。[ 11 ] 1883年にガンツ工場は、実際の負荷の値に関係なく、規定の出力電圧を生成できる定電圧発電機を発明しました。 [ 12 ] [ 13 ] 1880年代半ばに変圧器が導入されたことで、交流が広く使用されるようになり、交流を生成するために必要なオルタネータが使用されるようになりました。[ 14 ] 1891 年以降、複数の異なる位相の電流を供給するために多相交流発電機が導入されました。 [ 15 ]後期の交流発電機は、アーク灯、白熱灯、電気モーターで使用するために、16 ヘルツから約 100 ヘルツまでのさまざまな交流周波数用に設計されました。[ 16 ]アレクサンダーソン交流発電機のような特殊な無線周波数交流発電機は、第一次世界大戦の頃に長波無線送信機として開発され、真空管送信機に取って代わられる前に、少数の高出力無線電信局で使用されました。
磁場に対して相対的に移動する導体には起電力（EMF）が発生します（ファラデーの法則）。この起電力は、反対極性の磁極の下を通過する際に極性が反転します。一般的に、回転磁石（ローター）が、鉄心に巻かれたコイル状の固定導体（ステーター）の中で回転します。磁場が導体を横切ることで誘導起電力が発生し、機械的な入力によってローターが回転します。
回転磁界は固定子巻線に交流電圧を誘起する。固定子巻線の電流は回転子の位置と同期して変化するため、オルタネータは同期発電機である。[ 3 ]
ローターの磁場は、永久磁石または界磁コイル電磁石によって生成されます。自動車用オルタネーターはローター巻線を使用しており、ローター界磁巻線の電流を変化させることでオルタネーターの発電電圧を制御できます。永久磁石式発電機は、ローターの磁化電流による損失を回避できますが、磁石材料のコストが高いためサイズに制限があります。永久磁石の磁場は一定であるため、端子電圧は発電機の回転速度に比例して変化します。ブラシレス交流発電機は、通常、自動車用途で使用されるものよりも大型です。
自動電圧制御装置は、出力電圧を一定に保つために界磁電流を制御します。需要の増加により固定電機子コイルからの出力電圧が低下した場合、電圧調整器（VR）を介して回転界磁コイルに電流が供給されます。これにより界磁コイル周辺の磁場が強くなり、電機子コイルに誘起される電圧が上昇します。その結果、出力電圧は元の値に戻ります。
中央発電所で使用される交流発電機は、無効電力を調整し、瞬間的な故障の影響から電力系統を安定させるために、界磁電流も制御します。多くの場合、3組の固定子巻線があり、回転磁界が互いに周期の3分の1だけずれた3相電流を生成するように物理的にオフセットされています。 [ 17 ]
界磁極のペアが固定巻線上の点を通過するたびに、交流電流の1サイクルが生成されます。速度と周波数の関係は、 どこは周波数（Hz、1秒あたりのサイクル数）です。は極の数（2、4、6、…）であり、は毎分回転数(r/min)で表した回転速度です。 [ 18 ]交流システムの古い説明では、周波数を毎分交替数で表すことがあり、各半サイクルを 1 回交替と数えます。したがって、毎分 12,000 回交替は 100 Hz に相当します。
交流発電機の出力周波数は、極数と回転速度によって決まります。特定の周波数に対応する速度を同期速度と呼びます。この表[ 19 ]にいくつかの例を示します。
交流発電機は、励磁方式、相数、回転方式、冷却方式、用途によって分類されることがある。[ 20 ]
交流発電機で使用される磁場を生成する主な方法は2つあります。1つは永久磁石を使用して持続的な磁場を生成する方法、もう1つは界磁コイルを使用する方法です。永久磁石を使用する交流発電機は、特にマグネトーと呼ばれます。
他の交流発電機では、巻線された界磁コイルが電磁石を形成し、回転磁界を発生させる。
永久磁石を用いて交流電流を生成する装置は、永久磁石式交流発電機（PMA）と呼ばれます。永久磁石発電機（PMG）は、整流子を備えている場合、交流電流または直流電流のいずれかを生成することができます。
この励磁方式は、オルタネータと同じシャフトに固定された小型の直流（DC）発電機で構成されています。DC発電機は、接続されたオルタネータの界磁コイルを励磁して発電するのに十分な量の少量の電気を生成します。このシステムのバリエーションとして、起動時にバッテリーからの直流電流を使用して初期励磁を行い、その後オルタネータが自己励磁するタイプのオルタネータがあります。[ 20 ]
この励磁方式は、オルタネータと同じシャフトに固定された小型の交流（AC）発電機で構成されています。ACステータは、少量の界磁コイル励磁電流を生成し、それがローターに誘導され、巻線に組み込まれたブリッジ整流器によって直流に整流され、接続された大型オルタネータの界磁コイルを励磁して発電します。このシステムは、ブラシを必要としないため、耐用年数が長くなるという利点がありますが、全体的な効率はわずかに低下します。このシステムのバリエーションとして、起動時にバッテリーからの直流電流を使用して初期励磁を行い、その後オルタネータが自己励磁するタイプのオルタネータがあります。[ 20 ]
この方式は、鉄心に残留する磁気を利用して弱い磁場を発生させ、それによって弱い電圧を生成する。この電圧は界磁コイルを励磁するために使用され、オルタネータは立ち上がり過程の一部としてより強い電圧を生成できる。最初の交流電圧の立ち上がり後、界磁にはオルタネータから整流された電圧が供給される。 [ 20 ]
ブラシレスオルタネータは、1本のシャフト上に端と端が接続された2つのオルタネータで構成されています。1966年までは、オルタネータは回転界磁とブラシを使用していました。[ 21 ]半導体技術の進歩により、ブラシレスオルタネータが可能になりました。小型のブラシレスオルタネータは1つのユニットのように見えるかもしれませんが、大型バージョンでは2つの部品が容易に識別できます。メインオルタネータは2つのセクションのうち大きい方で、小さい方は励磁機です。励磁機には固定界磁コイルと回転電機子（電力コイル）があります。メインオルタネータは回転界磁と固定電機子という逆の構成を使用しています。回転整流器アセンブリと呼ばれるブリッジ整流器がローターに取り付けられています。ブラシもスリップリングも使用されていないため、摩耗部品の数が減少します。メインオルタネータには回転界磁と固定電機子（発電巻線）があります。
固定励磁機界磁コイルに流れる電流の量を変化させることで、励磁機からの3相出力が変化する。この出力は回転子に取り付けられた回転整流器アセンブリによって整流され、結果として得られる直流が主発電機の回転界磁、ひいては発電機の出力に供給される。結果として、小さな直流励磁電流が間接的に主発電機の出力を制御することになる。[ 22 ]
オルタネータを分類するもう1つの方法は、出力電圧の相数によるものです。出力は単相または多相です。三相オルタネータが最も一般的ですが、多相オルタネータは2相、6相、またはそれ以上の相数を持つ場合があります。[ 20 ]
オルタネータの回転部分は、電機子または磁界のいずれかです。回転電機子型では、電機子が回転子に巻かれ、その巻線が固定磁界を通過するように動きます。回転電機子型はあまり使用されません。[ 20 ]回転磁界型では、回転子に磁界があり、固定電機子巻線を回転します。利点は、回転子回路が電機子回路よりもはるかに少ない電力を運ぶため、スリップリング接続が小さくなり、コストが削減されることです。直流回転子には2つの接点しか必要ありませんが、回転子巻線は3相で、それぞれにスリップリング接続が必要な複数のセクションがあることがよくあります。固定電機子は、数万ボルトまでの任意の都合の良い中電圧レベルに巻くことができます。数千ボルトを超えるスリップリング接続の製造は、コストがかかり、不便です。
多くのオルタネーターは、オルタネーターを駆動するシャフトに取り付けられたファンによって筐体内に送り込まれる外気によって冷却されます。路線バスなどの車両では、電気系統への負荷が大きいため、大型オルタネーターを油冷式にする必要がある場合があります。[ 23 ]船舶用途では水冷も使用されます。高価な自動車では、高い電気系統の要求を満たすために水冷式オルタネーターが使用される場合があります。
ほとんどの発電所は同期機を発電機として使用しています。これらの発電機を電力系統に接続するには、同期条件を満たす必要があります。[ 24 ]同期発電機は、いくつかの重要なシステムサービスを提供します。固有の回転慣性により、突然の発電停止後の初期周波数低下が遅くなり、タービンガバナーやその他の周波数制御予備力が応答してバランスを回復する時間を確保できます。太陽光発電や多くの最新の風力発電所など、非同期発電の割合が多くの電力系統で増加するにつれて、この役割はますます重要になっています。[ 25 ]
オルタネーターは、現代の内燃機関自動車において、エンジン作動中にバッテリーを充電し、電気系統に電力を供給するために使用されています。 [ 26 ]
1960年代までは、自動車には整流子付きの直流ダイナモ発電機が使われていた。安価なシリコンダイオード整流器が入手可能になったことで、代わりにオルタネーターが使われるようになった。[ 27 ]
後期のディーゼル電気機関車やディーゼル電気多重ユニットでは、原動機がオルタネータを回転させ、牽引モーター（交流または直流）に電力を供給する。[ 28 ] [ 29 ]
牽引オルタネータは通常、牽引モーターに最大 1,200 ボルトの直流を供給するために一体型のシリコン ダイオード整流器を組み込んでいます。[ 30 ]
最初のディーゼル電気機関車、そして現在も使用されている多くの機関車は、シリコンパワーエレクトロニクスが登場する以前は、直流牽引モーターの速度制御が容易であったため、直流発電機を使用していた。これらの機関車のほとんどは2つの発電機を備えており、1つはより大きな主発電機の励磁電流を生成するためのものであった。[ 31 ]
オプションとして、発電機はヘッドエンド電力（HEP）または電気式列車暖房用の電力も供給します。HEPオプションでは、機関車が停止している場合でも、エンジンの回転数を一定に保つ必要があり、480V 60HzのHEPアプリケーション では通常900回転/分です。
ヨットで使用される船舶用オルタネーターは、自動車用オルタネーターと似ていますが、海水環境に適した改良が施されています。船舶用オルタネーターは防爆（着火防止）設計となっており、エンジンルーム内の爆発性ガス混合物にブラシの火花が引火することはありません。設置されるシステムの種類によって、12ボルトまたは24ボルトの場合があります。大型船舶用ディーゼルエンジンでは、現代のヨットの大きな電力需要に対応するため、2つ以上のオルタネーターが搭載されている場合があります。単一のオルタネーター回路では、分割充電ダイオード（バッテリーアイソレーター）または電圧感知リレーを使用して、エンジン始動用バッテリーと家庭用バッテリー（または複数のバッテリー）の間で電力を分割することができます。大型の家庭用バッテリーバンクは高価であるため、船舶用オルタネーターは一般的に外部レギュレーターを使用します。マルチステップレギュレーターは、充電効率（充電時間）とバッテリー寿命を最大化するために、界磁電流を制御します。マルチステップレギュレーターは、さまざまなバッテリータイプに合わせてプログラムできます。温度センサーは2つ追加できます。1つはバッテリーの充電電圧を調整するためのもので、もう1つはオルタネーター本体に取り付ける過熱センサーで、オルタネーターを過熱から保護するためのものです。
可変リラクタンス型の高周波交流発電機は、低周波無線帯域での無線送信に商業的に応用された。これらはモールス符号の送信に使用され、実験的には音声や音楽の送信にも使用された。アレクサンダーソン交流発電機では、界磁巻線と電機子巻線はどちらも固定されており、回転子（巻線や電流を流す部品はない）の磁気リラクタンスの変化によって電機子に電流が誘導される。このような機械は、無線送信用の高周波電流を生成するために作られたが、効率は低かった。[ 32 ]
