ダイナモ

ダイナモは、整流子を使用して直流電流を生成する発電機です。ダイナモは、産業に電力を供給できる最初の発電機であり、電気モーター、交流発電機、回転変換器など、その後の多くの電力変換装置の基礎となりました。

今日では、効率、信頼性、コストの理由から、より単純なオルタネーターが大規模発電の主流となっています。ダイナモには機械式整流子の欠点があります。また、整流器(真空管や最近ではソリッドステート技術など)を使用して交流を直流に変換することは効果的で、通常は経済的です。

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ました。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、変化する磁束を取り囲む導電体に起電力が発生するというものです。

彼はまた、馬蹄形磁石の両極間で回転する銅の円盤を使った同極発電機の一種であるファラデーディスクと呼ばれる最初の電磁発電機を製作した。この発電機は小さな直流電圧を生成した。整流子を使用していないため、現在の意味でのダイナモではなかった。

この設計は、磁場の影響を受けていないディスク領域で電流の逆流が自己相殺されるため、非効率的でした。電流は磁石の真下に誘導されますが、磁場の影響外の領域では電流が逆方向に循環します。この逆流により、ピックアップワイヤへの電力出力が制限され、銅ディスクの無駄な加熱が誘発されました。後のホモポーラ発電機は、ディスクの周囲に配置された磁石の配列を使用して、1 つの電流方向で安定した磁場効果を維持することで、この問題を解決しました。

もう 1 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す。ファラデーらは、コイルに複数の巻線を巻くことで、より高く、より有用な電圧を生成できることを発見しました。巻線は、巻数を変えることで必要な電圧を簡単に生成できるため、それ以降のすべての発電機の設計に採用され、直流を生成するための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造業者であるイポリット・ピクシーによって製作されました。この発電機は、クランクによって回転する永久磁石を使用していました。回転する磁石は、その N 極と S 極が絶縁ワイヤで巻かれた鉄片を通過するように配置されていました。

Pixii は、回転する磁石が、磁極がコイルを通過するたびに、ワイヤに電流パルスを生成することを発見しました。しかし、磁石の N 極と S 極は、逆方向の電流を誘導しました。交流電流を DC 電流に変換するために、Pixii は整流子を発明しました。整流子は、シャフト上の分割された金属シリンダーで、2 つの弾性金属接点が押し付けられています。

この初期の設計には問題がありました。生成される電流は、まったく区切られていない一連の「スパイク」または電流パルスで構成されており、平均出力が低いという問題がありました。当時の電気モーターと同様に、設計者は磁気回路内の大きなエアギャップが深刻な悪影響を及ぼすことを十分に認識していませんでした。

イタリアの物理学教授アントニオ・パチノッティは、1860年頃に回転する2極軸コイルを多極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た。パチノッティは、鉄のリングに連続巻線を巻き付け、リングの周囲の等間隔の多数の点で整流子に接続することでこの問題を解決した。整流子は多数のセグメントに分割されていた。これは、コイルの一部が常に磁石のそばを通過し、電流を平滑化することを意味していた。^[1]

1844年に作られたウールリッチ発電機は、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。^[2]エルキントン社が商業用電気メッキに使用しました。^{[3] [4] [5]}

1827年、ファラデーとは独立して、ハンガリーの発明家アニョス・イェドリクが電磁セルフローターと名付けた電磁回転装置の実験を始めました。単極電気スターターのプロトタイプでは、固定部分と回転部分の両方が電磁気的でした。

1856年頃、シーメンスとホイートストンより6年前に、アニオスはダイナモの概念を考案したが、そのアイデアを実現したのは自分ではないと考え、特許は取得しなかった。彼のダイナモは永久磁石の代わりに、ローターの周囲に磁場を誘導するために互いに反対側に配置された2つの電磁石を使用した。^{[6] [7]これは、ダイナモの}自己励磁の原理の発見でもあり、^[8]永久磁石の設計に取って代わった。

ダイナモは産業に電力を供給できる最初の発電機でした。産業用途に適した現代のダイナモは、チャールズ・ホイートストン卿、ヴェルナー・フォン・シーメンス、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、シーメンスとホイートストンは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。^{[9] [10]}

「発電機電気機械」は、ステータ磁場を生成するために永久磁石ではなく自己発電型電磁場コイルを採用した。^[要出典]ホイートストンの設計はシーメンスの設計に似ていたが、シーメンスの設計ではステータ電磁石がローターと直列であるのに対し、ホイートストンの設計ではそれらが並列であるという違いがあった。^{[9] [10]}永久磁石ではなく電磁石を使用することで、発電機の出力が大幅に増加し、初めて高出力発電が可能になった。この発明は、電気の最初の主要な産業用途に直接つながった。たとえば、1870年代にシーメンスは、金属やその他の材料を生産するための 電気アーク炉に電力を供給するために電磁発電機を使用した。

開発されたダイナモ機械は、磁場を提供する固定構造と、その磁場内で回転する一連の回転巻線で構成されていました。大型の機械では、一定の磁場は 1 つ以上の電磁石によって提供され、通常はフィールド コイルと呼ばれます。

ゼノーブ・グラムは1871年にパリで最初の商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心で満たし、固定部と回転部の間の空隙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。グラムのダイナモは、産業用に商用量の電力を生成した最初の機械の1つであった。^[11]グラムリングはさらに改良されたが、回転する無限のワイヤループという基本概念は、すべての現代のダイナモの中心となっている。^[12]

チャールズ・F・ブラッシュは1876年の夏、馬に引かせたトレッドミルを使って最初のダイナモを組み立てた。ブラッシュの設計はグラムダイナモを改良したもので、リングアーマチュアを円筒形ではなく円盤状にした。また、電磁石も円周ではなくアーマチュア円盤の側面に配置された。^{[13] [14]}

ダイナモとモーターによって機械的動力と電気的動力の容易な変換が可能になることがわかってから、これらがロータリーコンバーターと呼ばれる装置に組み込まれるようになりました。ロータリーコンバーターは、負荷に機械的動力を供給するのではなく、たとえばDC をACに変換するなど、ある種類の電流を別の種類の電流に変換する回転機械です。これらは、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) を備えたマルチフィールドのシングルローター装置で、1 組の電機子巻線に電力を供給して装置を回転させ、もう 1 組以上の接点が他の巻線に接続されて出力電流を生成します。

ロータリー コンバータは、内部であらゆる種類の電力を他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、25 Hz AC と 60 Hz AC、または同時に複数の異なる出力電圧間の変換が含まれます。ローターのサイズと質量は大きく作られているため、ローターはフライホイールとして機能し、印加電力の突然のサージやドロップアウトを平滑化するのに役立ちます。

ロータリーコンバータの技術は、20世紀初頭に、より小型で、振動や騒音を発生せず、メンテナンスの必要性が少ない水銀蒸気整流器に置き換えられました。現在、同じ変換タスクは、ソリッドステート パワー半導体デバイスによって実行されます。ロータリーコンバータは、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、おそらくその後も使用され続けました。ロータリーコンバータは25Hzの交流で動作し、列車に600ボルトの直流を供給しました。

ダイナモや整流子付き DC モーターなどの直流機械は、整流子を使用しているため、交流(AC) 機械よりもメンテナンス コストが高く、電力制限があります。これらの欠点は次のとおりです。

• ブラシと整流子の間の滑り摩擦により電力が消費され、低出力ダイナモでは大きな電力消費となる可能性があります。^[要出典]
• 摩擦により、ブラシと銅整流子セグメントが摩耗し、粉塵が発生します。大型整流子マシンでは、ブラシを定期的に交換し、整流子を時々再研磨する必要があります。整流子マシンは、粒子の少ない用途や密閉された用途、またはメンテナンスなしで長期間稼働する必要がある機器には使用できません。
• ブラシと整流子の間の摺動接触の抵抗により、「ブラシドロップ」と呼ばれる電圧降下が発生します。これは数ボルトになる場合があり、低電圧、高電流の機械では大きな電力損失を引き起こす可能性があります (隣の写真の 7 ボルト電気メッキダイナモ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。
• 整流子で切り替えられる最大電流密度と電圧には限界があります。メガワット定格の非常に大きな直流機械は、整流子では作れません。最大のモーターと発電機はすべて交流機械です。
• 整流子のスイッチング動作により接点で火花が発生し、爆発性雰囲気で火災の危険が生じ、電磁干渉が発生します。

直流発電機は産業用電力の最初の供給源であったが、その電力を使用する工場の近くに設置する必要があった。電気は、変圧器を使用して交流 (AC) としてのみ、経済的に遠距離に配電することができた。1890 年代に電力システムが交流に転換されたため、20 世紀には発電機は交流発電機に置き換えられ、現在ではほぼ時代遅れとなっている。

「ダイナモ」という言葉（ギリシア語の「力」を意味する「dynamis （δύναμις）」に由来）は、もともとは発電機の別名であり、現在でも一部の地域では発電機の代わりとして使われている。この言葉は1831年にマイケル・ファラデーによって造られ、彼はこの発明を利用して電気（ファラデーは電気誘導を発見した）や磁気に関する多くの発見をした。^{[15] [16]}

ヴェルナー・フォン・シーメンスの最初の「ダイナモ原理」は、 直流電力を生成するために自己励起（自己誘導）原理のみを使用する直流発電機のみを指していました。永久磁石を使用した初期の直流発電機は、「ダイナモ電気機械」とは見なされていませんでした。 ^[17]ダイナモ原理（自己誘導）の発明は、従来の永久磁石ベースの直流発電機に対する大きな技術的飛躍でした。ダイナモ原理の発見により、産業規模の電力生成が技術的かつ経済的に実現可能になりました。交流発電機が発明され、交流を電源として使用できるようになった後、ダイナモという言葉は「整流直流発電機」のみに関連付けられるようになり、スリップリングまたはローター磁石のいずれかを使用する交流発電機はオルタネーターとして知られるようになりました。

自転車の車輪のハブに組み込まれ、ライトに電力を供給する小型の発電機はハブダイナモと呼ばれますが、これらは常に交流装置であり、^{[出典が必要]}実際にはマグネトです。

発電機は、回転する電線コイルと磁場を使用して、ファラデーの電磁誘導の法則により、機械的な回転をパルス状の直流電流に変換します。発電機は、一定の磁場を提供する固定子と呼ばれる固定構造と、その磁場内で回転するアーマチュアと呼ばれる回転巻線のセットで構成されています。ファラデーの電磁誘導の法則により、磁場内での電線の動きによって起電力が生成され、それが金属内の電子を押して電線に電流を生成します。小型の機械では、一定の磁場は 1 つ以上の永久磁石によって提供されます。大型の機械では、一定の磁場は 1 つ以上の電磁石によって提供され、通常、フィールド コイルと呼ばれます。

整流子は直流電流を生成するために必要です。磁界内で電線のループが回転すると、そこを通る磁束(したがってそこに誘導される電位) は半回転ごとに反転し、交流電流が生成されます。しかし、電気実験の初期の頃は、交流電流の用途は一般に知られていませんでした。電気めっきなど、電気のわずかな用途では、扱いにくい液体電池によって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、基本的には回転スイッチです。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 (「ブラシ」と呼ばれます) で構成されています。これは、最も初期の固定接点が金属ブラシだったためです。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します。そのため、交流電流の代わりに、パルス状の直流電流が生成されます。

最も初期のダイナモは、磁場を作るために永久磁石を使用していました。これらは「磁気電気機械」ま​​たはマグネトと呼ばれていました。^{[18]しかし、研究者は、ステータ上の}電磁石（フィールドコイル）を使用することで、より強い磁場、つまりより大きな電力を生成できることを発見しました。 ^[19]これらは「ダイナモ電気機械」ま​​たはダイナモと呼ばれていました。^[18]ステータのフィールドコイルは、もともと別の小型のダイナモまたはマグネトによって個別に励起されていました。ワイルドとシーメンスによる重要な開発は、ダイナモ自体が生成した電流を使用して、ダイナモが自己励起するように自分自身をブートストラップすることもできるという発見でした（1866年まで）。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が得られました。

自励式直流発電機は、一般的に直列および並列（シャント）界磁巻線の組み合わせを備えており、回生方式で整流子を介して回転子から直接電力が供給されます。これらは、電力網上の他の発電機と一緒に使用されない、現代のポータブル交流発電機と同様の方法で始動および操作されます。

装置が動作していないときでも、金属フレーム内には弱い残留磁場が存在し、これは界磁巻線によって金属に刻み込まれています。ダイナモは、外部負荷に接続されていない状態でも回転を始めます。回転子の巻線が回転を始めると、残留磁場によって非常に小さな電流が誘導されます。外部負荷が接続されていない場合、この小さな電流は界磁巻線に完全に供給され、残留磁場と相まって、ローターはより多くの電流を生成します。このようにして、自己励磁ダイナモは、通常の動作電圧に達するまで内部磁場を構築します。内部磁場と外部負荷の両方を維持するのに十分な電流を生成できるようになると、ダイナモは使用可能になります。

金属フレーム内の残留磁場が不十分な自励式ダイナモは、ローターの回転速度に関係なく、ローターに電流を流すことができません。この状況は、現代の自励式ポータブル発電機でも発生する可能性がありますが、どちらのタイプの発電機でも、停止した発電機の出力端子に短時間の直流バッテリー充電を適用することで同様の方法で解決できます。バッテリーは、残留磁場を刻み込むのに十分なだけ巻線に通電し、電流を流すことができます。これを磁場のフラッシュと呼びます。

静止中に大きな外部負荷に取り付けられた両方のタイプの自励発電機は、残留磁場が存在する場合でも電圧を蓄積できません。負荷はエネルギーシンクとして機能し、残留磁場によって生成される小さなローター電流を継続的に排出し、磁場コイルでの磁場の蓄積を防ぎます。

発電機は通常蒸気エンジンで駆動され、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、発電機は交流発電機に置き換えられました。

直列巻線と並列巻線（シャント巻線）を備えた大型産業用ダイナモは、ローターまたはフィールド配線、あるいは機械駆動システムのいずれかが特定の特別な組み合わせで結合されていない限り、発電所内で一緒に使用することが困難です。^[20]

ダイナモは、バッテリー充電用の電気を生成するために自動車で使用されていました。初期のタイプは第3 ブラシ ダイナモでした。これもまた、オルタネーターに置き換えられました。

ダイナモは、特に低電圧DCが必要な低電力アプリケーションでは依然として使用されています。これは、半導体整流器を備えたオルタネーターはこれらのアプリケーションでは効率が悪い場合があるためです。

手回しダイナモは、ゼンマイ式ラジオ、手動懐中電灯、その他の人力機器でバッテリー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」と呼ばれることもありますが、ほとんどの場合は AC デバイスであるため、厳密には「オルタネーター」と呼ばれます。

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