電気機械

電気機械が機械エネルギーを電気エネルギーに変換する場合、それは発電機と呼ばれ、電気を運動に変換する機械はモーターと呼ばれます。^{[ 11 ]}

交流（AC）を生成する発電機はオルタネーターと呼ばれ、直流（DC）を生成する発電機はダイナモと呼ばれます。モーターは、その動きを利用して水などの流体を移動させる場合、ポンプと呼ばれます。^{[ 12 ]}

理論的には、ほとんどの電気機械は発電機としてもモーターとしても使用できますが、実際にはどちらか一方に特化しているのが一般的です。発電機の出力は通常キロワット（kW）で表され、モーターの出力は馬力（hp）で表されます。

電気機械は交流または直流の電気システムに接続でき、交流は単相または三相のいずれかです。ユニバーサルモーターなどのまれな例外を除いて、機械は電気システムを切り替えることはできません。^{[ 13 ]}交流機械は、主に同期発電機または誘導電動機です。

直流機という名称はやや誤解を招く表現で、すべての直流機は交流電圧と交流電流を使用して動作します。^{[ 14 ]}ほとんどの直流機には整流子が備わっており、これにより直流機内部の電機子巻線が機械の回転に伴って直流電気システムへの接続を周期的に変更し、機械内部の電圧と電流の方向を効果的に交互に切り替えますが、電気側では直流電圧と直流電流を維持します。

電気機械の回転子に電気回路がある場合、回転子が回転している間も回路に電力を供給する手段が必要です。これを行う方法の 1 つは、金属ブラシを固定子に取り付け、回転子に張力をかけながら保持することです。^{[ 15 ]}これらのブラシは、固定子側で通電され、回転子に電気を伝達します。回転子でブラシと接触する部分はスリップリングと呼ばれ、流れる電気とブラシとの連続回転による機械的摩耗の両方に耐えるように設計されています。ブラシは一般的に、強度と導電性のためにカーボンで作られています。ブラシは摩耗し、機械の寿命を通じて交換する必要があります。

ローター上の電気回路に電力を供給するもう1つの技術は、電磁誘導によるものです。ローターはすでに回転しているため、誘導の主な要件の1つ（変化する磁場）を満たしており、磁場を誘導するように調整できます。この技術は誘導電動機では非常に一般的ですが、ブッシュレス同期機でも使用されています。^{[ 16 ]}

ローターの巻線が界磁巻線である場合、その目的は電磁石として機能し、回転する磁場を生成することです。これは永久磁石に置き換えることができ、ブラシやスリップリングが不要になり、機械の設計が簡素化されます。大型の永久磁石は高価であり、必ずしも機械がモーターと発電機の両方として機能することを可能にするわけではないため、PM マシンは小型モーターに限定される傾向があります。^{[ 17 ]}

電気モーターは電気を運動に変換し、より多くの電気エネルギーを取り込むことで、より大きな機械的負荷を動かすことができます。これには代償が伴います。機械の速度はローレンツ力によって決まりますが、力がより大きな機械的負荷に打ち勝つ必要がある場合、機械の速度は低下します。回転モーターでは、力はトルクとして見なされ、この挙動は機械の速度トルク曲線と呼ばれます。^{[ 18 ]}電気モーターは、速度を毎分回転数 (RPM)で表します。

速度-トルク曲線の形状は、モータの設計によって異なります。DCモータでは、速度-トルク曲線は直線で、最大トルクは速度ゼロ（ストールトルク）で発生し、最大速度はトルクゼロ（無負荷速度）で発生します。^{[ 19 ]} ACモータでは、トルク-速度曲線はより複雑な形状で、速度ゼロでのロックローター電流に関連する始動トルクから始まり、速度とともに徐々に増加してブレークダウントルクでピークに達し、最終的に無負荷（最大）速度で急速にゼロに低下します。曲線の正確な形状は、ACモータの設計によって異なります。

交流電気機械では、電気系統の接続により一方の磁場が機械の周りを回転し、もう一方の磁場は回転子の物理的な動きにより回転します。これら 2 つの磁場が同じ速度で回転する場合、機械は同期機と呼ばれ、同期速度で動作します。^{[ 20 ]}磁場が異なる速度で回転する場合、機械は非同期機であり、同期速度よりも速いか遅い速度で動作します。回転子の磁場が固定子の磁場よりも遅い場合、機械は電動機として動作し、速い場合は発電機として動作します。非同期機は同期速度で動作できません。^{[ 21 ]}非同期機のもう 1 つの一般的な名称は誘導機です。

直流機は、磁界が回転しないため、同期機にも非同期機にも分類されません。^{[ 22 ]}界磁巻線（または永久磁石）からの磁界は固定子上にあり、静止しています。電機子巻線は回転子上にあり、回転しますが、整流によって極性が反転します。直流システムには、速度を比較するための周波数もありません。

同期発電機は、回転子に原動機が取り付けられた同期機であり、蒸気タービンまたはガスタービンによって駆動されます。同期発電機は通常、三相電機子巻線を持ち、交流電力を生成します。回転子の界磁巻線は通常、ブラシとスリップリングを介して励磁されますが、永久磁石または固定子から回転子への交流誘導と回転子上の整流器で構成される励磁回路によってブラシレス機も可能です。同期発電機のサイズは、家庭用電圧では数キロワットから、20,000 Vを超える電圧では最大500 MW以上まであります。同期発電機は、交流電力システムで最も一般的な従来の発電方式です。

誘導電動機は最も一般的なタイプの電動機であり、交流用途で使用される電動機のほぼ唯一のタイプです。その人気の理由は、構造のシンプルさにあります。固定子と回転子の間の誘導を利用して界磁巻線の磁場を生成することで、ブラシ、スリップリング、複雑な回路が不要になり、構造がシンプルで堅牢になります。回転子はかご形が最も一般的ですが、従来の巻線型回転子も存在します。誘導電動機は三相式と単相式がありますが、単相式は自己始動ができず、何らかの始動回路が必要です。誘導電動機は、エアコンや冷蔵庫のコンプレッサー、大型ファンやポンプ、コンベアシステムなどの用途で広く使用されています。

100V以下の小型モーターは、一般的にブラシ付きDCモーターの一種です。これらのモーターは、永久磁石、独立した界磁巻線回路、または電機子回路に接続された界磁巻線など、さまざまな方法で励磁できます。いずれの場合も、励磁回路または磁石は固定子上にあり、電機子は回転子上にあり、整流子を介してブラシで電気回路に接続されます。ブラシ付きDCモーターの代表的な用途としては、小型サーボモーター、小型ファン、およびほとんどのバッテリー駆動モーターが挙げられます。

ブラシレスDCモーター（BLDC）は、従来のブラシ付きDCモーターのブラシと整流子を電子制御に置き換えたモーターです。BLDCの構造は、永久磁石同期モーターと非常によく似ている場合もあれば、非同期モーターを改良した場合もあります。小型モーターでは、独自のステータとローターの配置が用いられることもあり、例えば、ローターがステータを囲むアウトランナー型や、ローターとステータが同一軸上に平行に配置されたアキシャル型などがあります。いずれの場合も、モーターは電子制御によって制御され、異なるタイミングで異なる電機子巻線に電力を供給することで、ローター上の永久磁石を電子制御によって設定された位置または速度まで回転させます。BLDCモーターの一般的な用途としては、ディスクドライブやファンなどのコンピュータ周辺機器、ドリルや丸ノコなどのバッテリー駆動の手持ち工具などが挙げられます。

電磁回転子機とは、回転子に何らかの電流が流れ、それによって磁場が発生し、それが固定子巻線と相互作用する機械のことです。回転子電流は、永久磁石内部の電流（PM機）、ブラシを介して回転子に供給される電流（ブラシ付き機）、または変化する磁場によって閉じた回転子巻線に発生する電流（誘導機）のいずれかです。

PM型発電機は、回転子に永久磁石が内蔵されており、磁場を発生させます。PM型発電機の起磁力（スピンが整列した電子の軌道運動によって生じる）は、一般的に銅コイルで得られる起磁力よりもはるかに大きくなります。ただし、銅コイルには強磁性体を充填することができ、これによりコイルの磁気抵抗を大幅に低減できます。それでもなお、最新のPM型発電機（ネオジム磁石）によって生成される磁場はより強力であり、これはPM型発電機が連続運転時の回転子コイルを備えた発電機よりもトルク/体積比およびトルク/重量比が優れていることを意味します。回転子に超伝導体を導入することで、この状況は変化する可能性があります。

永久磁石を用いたモータでは、永久磁石自体が既にかなりの磁気抵抗を生み出すため、エアギャップやコイルの磁気抵抗はそれほど重要ではない。このため、永久磁石モータの設計には大きな自由度がもたらされる。

電気機械は通常、コイルに流れる電流によって機械の一部が損傷を引き起こす温度まで加熱されるまで、短時間であれば過負荷に耐えることができます。しかし、永久磁石式機械は、コイルに流れる電流が高すぎると磁石を消磁するほど強い磁場が発生する可能性があるため、このような過負荷に対する耐性が低くなります。

リラクタンスモータは、回転子に巻線がなく、ステータ内の「電磁石」が回転子の歯を「掴んで」回転子を少し前進させるように成形された強磁性材料のみを備えています。その後、電磁石がオフになり、別の電磁石がオンになって回転子をさらに移動させます。別名ステッピングモータとも呼ばれ、低速かつ正確な位置制御に適しています。リラクタンスモータは、性能を向上させるためにステータに永久磁石を組み込むことができます。コイルに負の電流を流すことで、「電磁石」が「オフ」になります。電流が正の場合、磁石と電流が協力してより強い磁場を生成し、電流の最大絶対値を増加させることなくリラクタンスモータの最大トルクを向上させます。

多相電気機械の電機子には、交流電流によって駆動される複数の巻線があり、それらは等しい位相角だけ互いにずれている。最も一般的なのは3相機械で、巻線は（電気的に）120°離れている。^{[ 23 ]}

3相機は単相機に比べて大きな利点があります: ^{[ 24 ]}

• 定常状態のトルクは一定であるため、振動が少なく、耐用年数が長くなります（単相モータの瞬間トルクはサイクルに合わせて脈動します）。
• 電力は一定である（単相モーターの消費電力はサイクル中に変化する）。
• 同じ電力でより小型化（ひいては低コスト化）を実現。
• 3本の電線による送電では、同じ電力を伝送するための2線式単相送電線に必要な金属量のわずか4分の3しか必要としない。
• 力率の改善。

静電機械では、トルクは回転子と固定子における電荷の引力または反発力によって発生する。

静電発電機は、電荷を蓄積することで電気を発生させる。初期のものは摩擦式発電機であったが、後期のものは静電誘導を利用した影響式発電機であった。ヴァンデグラフ起電機は、現在でも研究に用いられている静電発電機の一種である。

単極機は真の直流機であり、ブラシを通して回転する車輪に電流が供給されます。車輪は磁場の中に置かれ、電流が車輪の端から中心に向かって磁場を通過する際にトルクが発生します。

発電機は電力系統の構築に使用されるため、電力系統の安定性を維持するために制御されることがよくあります。電力需要に対応するため、発電機はガバナーと呼ばれる装置を使用して、燃料源を調整することで機械エネルギーを電気負荷に合わせます。同期発電機は回転速度に基づいて電気周波数を生成するため、電力系統にとって許容範囲内に回転速度を維持するために、ドループ制御も備えています。発電機には、接続と切断を行うためのスイッチや回路ブレーカーが電気側に備わっており、ローカルまたはリモートで制御できます。

モーターは、単純な手動スイッチまたは複雑な電磁システムで制御できます。モーターを制御する一般的な方法の1つは、独立した回路でコイルに電力を供給する電気コンタクタを使用することです。この回路はモーターと同じ電源から供給されますが、トランスを介して絶縁され、モーターの負荷電流と制御電流が分離されます。インターロック、ラッチ、タイムディレイスイッチなどの他のデバイスをラダーロジック構成で組み合わせることで、さまざまなモーター制御方式を設計できます。最新の設計では、電気機械式制御ロジックをプログラマブルロジックコントローラや可変周波数ドライブに置き換えることで、モーターのよりきめ細かな制御とリモートアクセスを実現できます。

電気機械の保護は、機械の電気的保護と機械的保護の2つの部分に分けられる。

電気的な側面では、過電流保護は、機械の巻線や回路の損傷や破壊を防ぐための最も一般的で基本的な手段です。複数の巻線や相を持つ複雑な機械では、機械内部に故障がないことを確認するために、差動保護も備えることができます。用途によっては、熱保護（巻線の温度）、低電圧保護、相順検出なども機械に組み込むことができます。保護は、ヒューズと過負荷リレーを用いたシンプルなものから、デジタル信号処理と保護機能を実行する回路ブレーカーとデジタルリレーを用いたより複雑なものまで様々です。

機械的な側面では、熱保護機能が摩擦による機械的負荷が過熱していないかを監視します。ローターのベアリングも間接的に監視できます。ベアリングの損傷や摩耗は、機械の騒音や振動の増加につながる傾向があるためです。回転速度を監視するには、タコメーターを使用してシャフトの回転速度を測定できます。

スイッチが開いている状態では、閉回路は存在せず、電池から電流は供給されません。磁場内に電流が流れないため、力は発生せず、棒は動かず、棒の両端に電圧も発生しません。

スイッチを閉じると機械が起動します${\displaystyle S}$これにより閉回路が形成される。式（3）から供給される電流を決定できるが、棒がまだ動いていないため誘導電圧は${\displaystyle {e}_{ind}=0}$始動電流は直列抵抗のみによって決定される${\displaystyle R}$。

${\displaystyle i={V_{B}-{e}_{ind} \over R}\longrightarrow {i}_{start}={V_{B} \over R}}$

電流が棒の中を流れ、磁場内にも流れ込む${\displaystyle {\vec {B}}}$力が誘起され、棒が動き始めます。磁場が紙面奥向きで、電流が棒を上から下へ流れているため、右手の法則から、発生する力は右向きであることがわかります。式（4）のニュートンの運動法則から、棒は質量に比例して右方向に加速し始めます。

棒が磁場内で動き始めると、（2）から棒の両端に電圧が誘導されます。棒が右方向に動き、磁場が紙面奥に向かうと、${\displaystyle {e}_{ind}}$はプラスです。${\displaystyle {e}_{ind}>0}$電流が減少すると、誘導力が減少し、棒の加速度が減少します。加速度は減少しますが、速度は増加し、その結果、${\displaystyle {e}_{ind}}$このフィードバックは、誘導電圧がバッテリーの全電圧に達するまで続きます。${\displaystyle {e}_{ind}=V_{B}}$その結果、電流が流れず、誘導力も加速も生じない。棒は定常速度に落ち着き、

${\displaystyle V_{B}={e}_{ind}={v}_{ss}Bl\longrightarrow {v}_{ss}={{e}_{ind} \over Bl}}$

これは無負荷速度と呼ばれます。ワイヤーと磁場が十分に遠くまで伸びている限り、棒は外乱を受けるまでこの速度で動き続けます。また、摩擦がなく、棒に質量がないことも前提としています。

棒の質量が${\displaystyle m}$スイッチが閉じられ、磁場内の棒に電流が流れ始めると、力が誘起されます。しかし、${\displaystyle F_{ind}}$今度は、${\displaystyle m}$重力から${\displaystyle g}$これを次のように定義する${\displaystyle F_{load}}$すると、棒にかかる正味の力は次のようになる。

${\displaystyle F_{net}=F_{ind}-F_{load}=F_{ind}-mg}$

無負荷時の誘導力よりも正味の力が小さいため、棒の加速度は小さくなり、誘導電圧が低下します。これにより、より多くの電流が流れ、最終的に誘導力が増加します。これは、誘導力が負荷力と等しくなるまで続き、正味の力も加速度もなくなります。無負荷時の理想的な場合とは異なり、回路は負荷力を相殺するのに十分な力を発生させるために電流を流し、無負荷時の定常速度よりも低い速度で安定します。質量が${\displaystyle M}$バーの前に質量が置かれると、電気機械は追加の電流を消費して両方の質量を一定の低速で動かします。モーターが調整して正味の力がゼロになると、機械が生み出す最終的な誘導力は

${\displaystyle F_{ind}=F_{load}=g(m+M)}$

スイッチが閉じている場合、電気機械はバーの質量を一定速度で動かすのに十分な電流を消費しますが、その速度は理論上の無負荷速度よりわずかに低くなります。反対方向の動きではなく、動いているバーと同じ方向に力が加えられると、正味の力は次のようになります。

${\displaystyle F_{net}=F_{ind}+F_{app}}$

正味の力が誘導力よりも大きくなると、棒は加速し始め、速度が増加します。磁場内で速度が増加すると、棒にかかる誘導電圧も増加します。誘導電圧はすでにバッテリー電圧に近い値に達していますが、加えられた力によって電圧がバッテリー電圧を超え、電流の方向が反転してバッテリーに流れ込みます。

${\displaystyle i={V_{B}-{e}_{ind} \over R}\longrightarrow -i={{e}_{ind}-V_{B} \over R}}$

電流の方向が変わると、誘導力も方向を変え、印加力に抵抗し始めます。これにより棒の動きが遅くなり、誘導電圧と電流が低下します。この状態は、誘導力が印加力と等しくなり、方向が逆になるまで続き、棒は定常速度よりも速い一定速度で動きます。

電流が逆方向に流れると、電気機械は棒に加わる力から得られる電力でバッテリーを充電し、発電機として機能します。これは、ほとんどの電気機械に共通する直感に反する側面を示しています。つまり、機械がモーターと発電機の間で動作を切り替えても、その運動方向（または回転方向）は変化しないということです。

電力は単位時間あたりの仕事量として定義される。${\displaystyle P={dW \over dt}}$電気機械は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する（モーターなど）、または機械エネルギーを電気エネルギーに変換する（発電機など）。^{[ 25 ]}機械的には、一定の力が加わると${\displaystyle F}$距離を隔てた物体に適用される${\displaystyle x}$行われた仕事は次のように定義される。${\displaystyle F\cdot x}$、したがって、${\displaystyle F\cdot v}$電気的には、電力は素子にかかる電圧にその素子に流れる電流を掛けたものとして定義される。${\displaystyle V\cdot I}$電圧の定義は単位電荷あたりの仕事である。${\displaystyle {dW \over dQ}}$単位時間当たりの充電量としての電流${\displaystyle {dQ \over dt}}$これらの式は、以下の表にまとめられています。

直線DC機の場合、変換される電力は、可動部に供給される電気電力であり、これはバーの機械的動力に等しい。これは次の形式をとる。

${\displaystyle P_{conv}=e_{ind}\cdot i=F_{ind}\cdot v}$

電気機械は、一般的に熱の形で損失を生じさせながら動力を伝達します。これは望ましい挙動ではありませんが、電気機械およびすべての熱力学系の性質です。

電気的には、回路内の抵抗は熱として電力の一部を消費し、

${\displaystyle P_{loss,elec}=i^{2}R}$

機械的には、移動するバーと負荷とレールの間の摩擦によってもいくらかの動力が失われ、その形は

${\displaystyle P_{loss,mech}=F_{f}v=(\mu F_{N})v=(\mu g[m+M])v}$

機械が生成する総電力は、変換された電力と損失の合計です。モーターとして動作する場合、バッテリーが総電力を供給し、発電機として動作する場合、加えられた力が総電力を供給します。

これらのべき乗方程式は表に示されています。