ダイナモ

電磁発電機の動作原理は、1831年から1832年にかけてマイケル・ファラデーによって発見された。後にファラデーの法則と呼ばれるようになったこの原理は、変化する磁束を囲む電気導体に起電力が発生するというものである。

彼はまた、ファラデー円盤と呼ばれる最初の電磁発電機を製作した。これは単極発電機の一種で、U字型磁石の極の間で回転する銅製の円盤を用いた。これは小さな直流電圧を発生させた。整流子を使用していなかったため、これは現在の意味でのダイナモではなかった。

この設計は、磁場の影響を受けないディスク領域で電流が逆方向に流れ、自己相殺されるため、非効率的でした。磁石の真下では電流が誘導されますが、磁場の影響を受けない領域では電流が逆方向に循環します。この逆流によって集電線への出力が制限され、銅ディスクの無駄な発熱も発生しました。後の単極発電機では、ディスクの周囲に磁石のアレイを配置することで、電流の流れの方向に一定の磁場効果を維持し、この問題を解決しました。

もう一つの欠点は、磁束を通る電流経路が1つしかないため、出力電圧が非常に低いことでした。ファラデーらは、複数の巻線をコイル状に巻くことで、より高く実用的な電圧が得られることを発見しました。巻線は巻数を変えることで任意の電圧を簡単に生成できるため、その後のすべての発電機設計に採用され、直流電流を生成するために整流子の発明が必要となりました。

最初の整流式発電機は、1832年にフランスの計器製作者イポリット・ピクシーによって製作された。これは、クランクで回転する永久磁石を使用していた。回転する磁石は、その北極と南極が絶縁電線で巻かれた鉄片を通過するように配置されていた。

ピクシーは、回転する磁石が、極がコイルを通過するたびに導線に電流パルスを発生させることを発見した。しかし、磁石の北極と南極は逆方向の電流を誘導した。交流電流を直流電流に変換するために、ピクシーは整流子を発明した。これは、シャフトに取り付けられた分割された金属円筒で、2つの弾性金属接点がそれに押し付けられる構造になっている。

この初期設計には問題があった。発生する電流は、間隔が全くない一連の「スパイク」またはパルス状の電流で構成されており、結果として平均出力が低かった。当時の電気モーターと同様に、設計者たちは磁気回路における大きな空隙がもたらす深刻な悪影響を十分に認識していなかった。

イタリアの物理学教授アントニオ・パチノッティは、1860年頃にこの問題を解決しました。彼は、回転する2極の軸方向コイルを多極のトロイダルコイルに置き換えることで、この問題を解決しました。トロイダルコイルは、鉄のリングに連続巻線を巻き付け、リングの周囲に等間隔に配置された多数の点で整流子に接続することで作成されました。整流子は多数のセグメントに分割されていました。これにより、コイルの一部が常に磁石のそばを通過し、電流が平滑化されました。^{[ 3 ]}

1844 年製のウールリッチ電気発電機は、現在バーミンガム科学博物館のシンクタンクに展示されており、工業プロセスで使用された最古の発電機です。^{[ 4 ]}これは、エルキントン社が商業用電気めっきに使用していました。^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

1827年、ファラデーとは独立して、ハンガリーの発明家アーニョシュ・イェドリクは電磁回転装置の実験を開始し、それを電磁セルフローターと呼んだ。単極電気スターターの試作品では、固定部と回転部の両方が電磁式であった。

1856年頃、ジーメンスとホイートストンより6年前に、ジェドリックはダイナモの概念を考案したが、自分がそのアイデアを最初に実現したわけではないと考え、特許を取得しなかった。永久磁石の代わりに、彼のダイナモは互いに反対方向に配置された2つの電磁石を使用して、ローターの周囲に磁場を誘導した。^{[ 8 ] [ 9 ]}これはまた、永久磁石設計に取って代わるダイナモの自己励磁の原理の発見でもあった。^{[ 10 ]}

ダイナモは、産業に電力を供給できる最初の電気発電機でした。産業用途に適した現代のダイナモは、ヘンリー・ワイルドによって発明され、彼の論文は1866年3月26日にマイケル・ファラデーによって王立協会に発表されました。^{[ 11 ]}これは、チャールズ・ホイートストン卿、ヴェルナー・フォン・ジーメンス、サミュエル・アルフレッド・ヴァーリーによって独立して発明されました。ヴァーリーは1866年12月24日に特許を取得し、ジーメンスとホイートストンはともに1867年1月17日に王立協会で論文を発表して発見を発表しました。^{[ 12 ] [ 13 ]}

「ダイナモ電気機械」は、永久磁石の代わりに自己給電式の電磁界コイルを使用してステータの磁場を生成しました。ホイートストンの設計はシーメンスの設計と似ていましたが、シーメンスの設計ではステータの電磁石が回転子と直列になっているのに対し、ホイートストンの設計では並列になっている点が異なりました。^{[ 12 ] [ 13 ]}永久磁石の代わりに電磁石を使用することで、ダイナモの出力が大幅に増加し、初めて高出力の発電が可能になりました。この発明は、電気の最初の主要な産業用途に直接つながりました。たとえば、1870年代には、シーメンスは電磁ダイナモを使用して電気アーク炉を駆動し、金属やその他の材料を生産しました。

開発されたダイナモは、磁場を発生させる固定構造と、その磁場内で回転する一連の巻線から構成されていた。大型の機械では、一定の磁場は通常、界磁コイルと呼ばれる1つまたは複数の電磁石によって発生する。

ゼノベ・グラムは、 1871年にパリで稼働する最初の商業用発電所を設計した際に、パチノッティの設計を改良した。グラムの設計の利点は、磁場が占める空間を重い鉄芯で満たし、固定部と回転部の間の空気ギャップを最小限に抑えることで、磁束の経路を改善したことである。グラムダイナモは、産業向けに商業量の電力を生成した最初の機械の1つであった。^{[ 14 ]}グラムリングにはさらなる改良が加えられたが、回転する無限ループのワイヤーという基本概念は、すべての現代のダイナモの中核をなしている。^{[ 15 ]}

チャールズ・F・ブラッシュは1876年の夏に、馬が引く踏み車を動力源として最初のダイナモを組み立てた。ブラッシュの設計は、リング状の電機子を円筒形ではなく円盤状にすることでグラムダイナモを改良したものであった。また、界磁電磁石は電機子円盤の周囲ではなく側面に配置された。^{[ 16 ] [ 17 ]}

ダイナモとモーターによって機械動力と電気動力の容易な相互変換が可能になった後、それらは回転変換器と呼ばれる装置に組み合わされました。回転変換器は、負荷に機械動力を供給するのではなく、ある種類の電流を別の種類の電流に変換することを目的とした回転機械です。例えば、直流を交流に変換するなどです。回転変換器は、2組以上の回転接点（必要に応じて整流子またはスリップリング）を備えた多界面単一回転子装置であり、1組は装置を回転させるための電機子巻線に動力を供給し、1組以上は他の巻線に接続されて出力電流を生成します。

回転式コンバータは、内部であらゆる種類の電力を他のあらゆる種類の電力に直接変換できます。これには、直流（DC）と交流（AC）、三相電力と単相電力、 25Hz交流と 60Hz交流、あるいは複数の異なる出力電圧を同時に変換することが含まれます。ローターのサイズと質量を大きくすることで、ローターがフライホイールのように機能し、印加電力の急激な変動や低下を緩和するように設計されています。

回転式コンバータの技術は、20世紀初頭に水銀蒸気整流器に取って代わられた。水銀蒸気整流器は小型で、振動や騒音を発生せず、メンテナンスも少なくて済んだ。現在では、同じ変換処理は固体電力半導体デバイスによって行われている。回転式コンバータは、マンハッタンのウエストサイドIRT地下鉄で1960年代後半まで、おそらくそれ以降も数年間使用され続けた。これらは25Hzの交流で駆動され、列車に600ボルトの直流を供給していた。 

ダイナモや整流子付き直流モーターなどの直流機は、整流子を使用するため、交流機に比べてメンテナンスコストが高く、出力にも制限があります。これらの欠点は以下のとおりです。

• ブラシと整流子間の滑り摩擦は電力を消費し、これは低出力の発電機では無視できないほど大きな問題となる。
• 摩擦により、ブラシと銅製の整流子セグメントが摩耗し、粉塵が発生します。大型整流機では、ブラシの定期的な交換と整流子の表面研磨が時折必要となります。整流機は、低粉塵環境や密閉型用途、あるいは長期間メンテナンスなしで稼働させる必要のある機器には使用できません。
• ブラシと整流子間の摺動接触抵抗によって生じる電圧降下は「ブラシドロップ」と呼ばれます。この電圧降下は数ボルトにも達することがあり、低電圧・大電流の機械では大きな電力損失の原因となります（隣の写真にある7ボルト電気めっき用発電機の巨大な整流子を参照）。整流子を使用しない交流モーターは、はるかに効率的です。
• 整流子を用いて切り替え可能な最大電流密度と電圧には限界がある。例えばメガワット級の定格出力を持つような非常に大型の直流機は、整流子を用いて製造することはできない。最大級の電動機や発電機はすべて交流機である。
• 整流子のスイッチング動作により接点で火花が発生し、爆発性雰囲気では火災の危険性があり、電磁干渉も発生する。

直流発電機は産業用電力の最初の供給源でしたが、電力を使用する工場近くに設置する必要がありました。電力は変圧器を用いて交流（AC）としてのみ経済的に長距離送電が可能でした。1890年代に電力システムが交流に転換されると、20世紀には発電機は交流発電機に取って代わられ、現在ではほとんど使われなくなっています。

整流子は直流電流を生成するために必要です。磁場の中でワイヤーのループが回転すると、それを貫く磁束、つまり誘導される電位が半回転ごとに反転し、交流電流が発生します。しかし、電気実験の初期には、交流電流は一般的に用途が知られていませんでした。電気めっきなどの数少ない電気の用途では、扱いにくい液体電池から供給される直流電流が使用されていました。ダイナモは電池の代替として発明されました。整流子は基本的に回転スイッチです。機械のシャフトに取り付けられた一連の接点と、グラファイトブロックの固定接点（初期の固定接点が金属ブラシであったため、「ブラシ」と呼ばれていました）で構成されています。整流子は電位が反転すると巻線と外部回路の接続を反転させるため、交流電流ではなく脈動する直流電流が生成されます。

初期のダイナモは、永久磁石を使用して磁場を生成しました。これらは「磁気電気機」またはマグネトと呼ばれていました。^{[ 2 ]}しかし、研究者たちは、ステータに電磁石（フィールドコイル）を使用することで、より強力な磁場、つまりより多くの電力を生成できることを発見しました。 ^{[ 21 ]}これらは「ダイナモ電気機」またはダイナモと呼ばれました。^{[ 2 ]}ステータのフィールドコイルは、当初は別の小型のダイナモまたはマグネトによって個別に励磁されていました。ワイルドとシーメンスによる重要な開発は、（1866年までに）ダイナモがダイナモ自身によって生成された電流を使用して自己励磁するようにブートストラップできることを発見したことです。これにより、はるかに強力な磁場を成長させることができ、したがってはるかに大きな出力電力を生成できるようになりました。

自己励磁式直流発電機は、一般的に直列巻線と並列（分路）巻線を組み合わせた構造を持ち、回転子から整流子を介して回生的に直接電力が供給されます。始動および運転方法は、現代の携帯型交流発電機と同様で、電力系統上の他の発電機とは併用されません。

ダイナモは、通常は蒸気機関によって駆動され、産業用および家庭用の電力を生成するために発電所で広く使用されていました。その後、オルタネーターに取って代わられました。

直列巻線と並列（分路）巻線を備えた大型産業用ダイナモは、ローターまたは界磁配線、あるいは機械駆動システムが特定の特別な組み合わせで結合されていない限り、発電所で一緒に使用するのは難しい場合があります。^{[ 22 ]}

自動車では、バッテリー充電用の電力を生成するためにダイナモが使用されていました。初期のタイプとしては、3ブラシ式ダイナモがありました。現在では、ダイナモの自動バージョンであるオルタネーターに取って代わられています。

低電力用途、特に低電圧直流が必要な用途では、半導体整流器を備えたオルタネーターは効率が悪い場合があるため、ダイナモは依然として一定の用途がある。

手回し発電機は、ゼンマイ式ラジオ、手持ち式懐中電灯、その他の人力で動く機器で電池を充電するために使用されます。

自転車の照明に使用される発電機は「ダイナモ」と呼ばれることがあるが、これらはほとんどの場合交流装置であるため、厳密には「オルタネーター」と呼ばれるべきである。