フィールドコイル

フィールドコイルは、電磁機械（通常はモーターや発電機などの回転電気機械）内で磁場を生成するために使用される電磁石です。フィールドコイルは、フィールド電流が流れるワイヤのコイルで構成されています。

回転機械では、磁場コイルは磁力線を導く鉄の磁気コアに巻かれています。磁気コアは、固定されたステータとその中で回転するローターの 2 つの部分から構成されています。磁力線は、ステータからローターを通り、再びステータに戻る連続ループまたは磁気回路を通過します。磁場コイルは、ステータまたはローター上に配置できます。

磁路は、磁極によって特徴付けられます。磁極は、ローターの周囲に等角度で配置され、磁力線がステーターからローターへ、またはその逆に通過する場所です。ステーター (およびローター) は、極の数によって分類されます。ほとんどの配置では、極ごとに 1 つのフィールド コイルを使用します。一部の古い配置や単純な配置では、両端に極がある単一のフィールド コイルを使用します。

磁場コイルは回転機械で最もよく見られますが、他の多くの電磁機械でも、必ずしも同じ用語で使われるわけではありませんが、使用されています。これには、単純な電磁石から、質量分析計やNMR 装置などの複雑な実験装置までが含まれます。磁場コイルは、軽量の永久磁石が一般的に利用できるようになるまで、 スピーカーで広く使用されていました。

ほとんどの^{[注 1]} DC磁場コイルは一定の静的磁場を生成します。ほとんどの3相AC磁場コイルは、電気モーターの一部として回転磁場を生成するために使用されます。単相ACモーターは、次のいずれかのパターンに従います。

• 小型モーターは通常、整流子付きのブラシ付き DC モーターのようなユニバーサル モーターですが、AC で動作します。
• 大型の AC モーターは、三相か単相かにかかわらず、通常は誘導モーターです。

多くの^{[注 1]回転電気機械では、通常は摺動接点}（整流子またはスリップリング）によって、可動ローターに電流を伝達（または抽出）する必要があります。これらの接点は、このような機械の中で最も複雑で信頼性の低い部分であることが多く、機械が処理できる最大電流を制限することもあります。このため、機械が2組の巻線を使用する必要がある場合、通常、最も電流の少ない巻線をローターに配置し、最も電流の多い巻線をステーターに配置します。

フィールドコイルは、デバイス設計にとって最もコスト効率の高い方法に応じて、 ローターまたはステーターのいずれかに取り付けることができます。

ブラシ付き DC モーターでは、磁場は静的ですが、電機子電流を整流して連続的に回転させる必要がある。これは、回転スリップ リングとスイッチの組み合わせである整流子を介して、ローターの電機子巻線に電流を供給することによって行われる。AC 誘導モーターも、固定子に磁場コイルを使用し、ローターの電流はかご内の誘導によって供給される。

発電機の場合、界磁電流は出力電流よりも小さい。^{[注 2]}したがって、界磁は回転子に取り付けられ、スリップリングを介して供給されます。出力電流は固定子から取得されるため、高電流スリップリングは不要です。整流器を備えた交流発電機が一般的に普及したため、現在では直流発電機は廃止されていますが、整流器が必要なため、ブラシギアと整流子が依然として必要になる場合があります。電気メッキに使用される高電流、低電圧の発電機の場合、特に大きく複雑なブラシギアが必要になる場合があります。

発電機開発の初期には、固定子磁界は単一の双極磁界から後の多極設計へと 進化を遂げました。

1890年以前は双極発電機が一般的でしたが、その後数年間で多極磁場磁石に置き換えられました。当時、双極発電機は非常に小さなサイズでしか製造されていませんでした。^[1]

これら 2 つの主要なタイプ間の足がかりとなったのは、ステータの周囲にリング状に配置された 2 つの磁場コイルを備えたコンシクエント ポール バイポーラ ジェネレータでした。

この変更が必要だったのは、電圧を高くすると細い電線でより効率的に電力を伝送できるためです。出力電圧を上げるには、DC発電機をより高速に回転させる必要がありますが、一定の速度を超えると、非常に大きな電力伝送発電機ではこれは非現実的です。

グラムリングを囲む磁極面の数を増やすことで、リングは 1 回転で基本的な 2 極発電機よりも多くの磁力線を横切ることができます。その結果、4 極発電機は 2 極発電機の 2 倍の電圧を出力でき、6 極発電機は 2 極発電機の 3 倍の電圧を出力できます。これにより、回転速度を上げずに出力電圧を上げることができます。

多極発電機では、電機子と界磁磁石は、界磁磁石が取り付けられた円形フレームまたは「リングヨーク」に囲まれています。これは、磁極片の表面積が最小限に抑えられ、磁束の経路が2極設計よりも短いため、強度、シンプルさ、対称的な外観、および磁気漏れが最小限に抑えられるという利点があります。^[1]

コイルは通常、エナメル銅線（マグネットワイヤとも呼ばれる）で巻かれます。巻線材料は、磁場コイルの消費電力を減らすために低抵抗でなければなりませんが、より重要なのは、抵抗加熱によって発生する廃熱を減らすことです。巻線の過剰な熱は、故障の一般的な原因です。銅のコストが上昇しているため、アルミニウム巻線がますます使用されています。^[要出典]

銅よりも優れた材料は、高価である点を除けば、銀である。銀は電気抵抗がさらに低いからである。銀はまれにしか使われていない。第二次世界大戦中、マンハッタン計画では最初の原子爆弾を製造するために、ウランを濃縮するためにカルトロンと呼ばれる電磁装置が使用された。磁石用の高効率で低抵抗の磁場コイルを製造するために、米国財務省の備蓄から数千トンの銀が借り出された。 ^{[2] [3]}

• 励起（磁気）