マグニートー

マグネトーは、永久磁石を使用して周期的な交流パルスを生成する電気発電機です。ダイナモとは異なり、マグネトーには直流を生成する整流子が含まれていません。マグネトーはオルタネーターの一種として分類されますが、通常は永久磁石ではなくフィールドコイルを使用する他のほとんどのオルタネーターとは異なるものと考えられています。

手回し式のマグネト発電機は、電話システムに呼び出し音電流を供給するために使用されていました。マグネトは、ガソリン駆動の内燃機関の点火システムで高電圧パルスを発生させ、点火プラグに電力を供給するためにも使用されました。^[1]点火用のこのような点火マグネトの使用は現在、主に芝刈り機やチェーンソーなどの低電圧電気システムを持たないエンジンと、点火を他の電気システムから独立させることでオルタネーターやバッテリーの故障時にもエンジンが継続して作動するようにする航空機エンジンに限定されています。冗長性のため、事実上すべてのピストンエンジン航空機には2つのマグネトシステムが装備されており、各システムが各シリンダーの2つの点火プラグの1つに電力を供給しています。

マグネト発電機は、その単純さが利点であったため、アーク灯システムや灯台などの特殊な独立電源システムに使用されていました。マグネト発電機は、ダイナモやオルタネーターと同じ目的や程度で、大規模な電力生成の目的に広く使用されたことはありません。発電に使用されたのは、ごく一部の特殊なケースのみです。

移動する磁場から電流を生成することは、 1831年にファラデーによって実証されました。磁気から電流を生成する最初の機械は永久磁石を使用していました。磁場を生成するために電磁石を使用するダイナモ機械は、後に開発されました。1832年にイポリット・ピクシーによって構築された機械は、回転する永久磁石を使用して2つの固定コイルに交流電圧を誘導しました。^[2]

工業プロセスに使用された最初の電気機械はマグネト、ウールリッチ発電機でした。^[3] 1842年、ジョン・スティーブン・ウールリッチは、バッテリーではなく発電機を電気メッキに使用することで英国特許9431を取得しました。機械は1844年に製造され、バーミンガムのエルキントン工場で使用できるようにライセンスされました。^[4]このような電気メッキは拡大し、ボタン、バックル、および同様の小さな金属製品を製造する バーミンガムの玩具産業の重要な側面になりました。

生き残った機械には、軸方向の磁場を持つ 4 つの馬蹄形磁石からの磁場が印加されています。ローターには 10 個の軸方向ボビンがあります。電気メッキには DC が必要なので、通常の AC マグネトは機能しません。ウールリッチの機械には、出力を DC に整流する整流子が珍しく付いています。

初期のダイナモのほとんどは双極型^{[注 1]}であり、アーマチュアが2つの極を通過すると出力が周期的に変化しました。

十分な出力を得るために、磁気発電機はより多くの極、通常はリング状に配置された8 個の馬蹄形磁石から構成される 16 個の極を使用しました。利用可能な磁束は磁石の冶金によって制限されるため、唯一の選択肢は磁石をさらに使用して磁場を増大させることでした。それでもまだ不十分な出力であったため、追加のローター ディスクが車軸に沿って軸方向に積み重ねられました。これには、各ローター ディスクが少なくとも 2 個の高価な磁石の磁束を共有できるという利点がありました。ここに示す機械は 8 個のディスクと 9 列の磁石を使用しており、合計 72 個の磁石を使用しています。

最初に使用されたローターは、1 極につき 1 個、計 16 個の軸方向ボビンとして巻かれていました。双極ダイナモと比較すると、この方式には極数が多いため 1 回転あたりの出力がスムーズになるという利点があり、^{[注 2]}これはアークランプを駆動する際に有利でした。こうしてマグネトーは照明用発電機として小さなニッチ市場を確立しました。

ベルギーの電気技師フロリス・ノレット（1794年 - 1853年）は、このタイプのアーク照明発生器で特に有名になり、それを製造するためにイギリスとフランスの合弁会社であるソシエテ・ド・ラリアンスを設立しました。

フランスの技術者オーギュスト・ド・メリタンス（1834-1898）は、この目的のためにマグネトをさらに発展させました。^[5]彼の革新は、それまで個々のボビンに巻かれていた回転子コイルを「リング巻き」の電機子に置き換えたことでした。^{[6]これらの巻線は、}グラムリングに似たセグメント化された鉄心に配置され、単一の連続したフープを形成しました。これにより、出力電流がより均一になり、アークランプにとってさらに有利になりました。^[7]

ド・メリタンスは現在、灯台専用の磁気発電機の製造で最もよく知られています。この発電機は、整流子を必要としないという点など、そのシンプルさと信頼性で好評を博しました。^[7]灯台の海中では、ダイナモ発電機で以前使用されていた整流子が常にトラブルの原因となっていました。当時の灯台守は、通常は半引退した船員で、これらの複雑な機械を保守できるほど機械的にも電気的にも熟練していませんでした。

図に示す de Méritens 磁気発電機は、「リング巻き」アーマチュアを示しています。ローター ディスクは 1 つしかないため、各馬蹄形磁石は個別の磁石のスタックで構成されますが、一対の磁極片を介して動作します。

ダイナモとオルタネーターはどちらも、フィールドコイルを駆動するための電源を必要とします。これは、何らかの「ブートストラップ」プロセスなしでは、独自の発電機の出力によって供給することはできません。

イギリス、マンチェスター出身の電気技師ヘンリー・ワイルドは、マグネトと電磁石発電機を組み合わせたものを開発した。マグネトは、大型のオルタネーターに磁場を供給するためだけに使用された。これらは、ランキン・ケネディの著書「Electrical Installations」に図解されている。 ^[8]ケネディ自身は、船舶の照明用に、ダイナモとマグネトを同じシャフトに組み込んだ、よりシンプルなバージョンを開発した。^[9]ここでのケネディの革新は、ブラシギアがまったく必要ないことだった。マグネトで発生した電流は、回転シャフトに取り付けられた電線によってダイナモの回転磁場コイルに送られる。ダイナモの出力は、ステーターコイルから取り出される。これは、従来のダイナモとは逆だが、ブラシギアが不要である。

ヴァーリー、シーメンス、ホイートストンによる自己励磁磁場の発明により、磁気励磁機は不要になった。磁場コイルの鉄製アーマチュア内の小さな残留磁場が弱い永久磁石として機能し、磁気発電機として機能する。発電機のシャント配線は出力電流の一部を磁場コイルに送り返し、出力を増加させる。このため、磁場は再生的に「構築」されるが、完全に構築されるまでには20～30秒かかることがある。^[10]

ここでのマグネトの使用は今では時代遅れですが、高出力の発電機セットには出力電力の制御が容易なため、独立した励磁機が今でも使用されています。これらは、ディーゼル電気機関車のトランスミッションで特に一般的です。

マグネトーは単純で信頼性が高いという利点がありますが、永久磁石から得られる磁束のためにサイズが制限されます。マグネトーの固定励磁により、同期グリッドで動作しているときに端子電圧や無効電力生産を制御することが困難でした。このため、高出力アプリケーションでの使用が制限されました。発電用マグネトーは、出力安定性や単純な信頼性といったマグネトーの特長が最も重視される、アーク灯や灯台への電力供給などの狭い分野に限定されていました。

小型風力タービン、特に自作設計では、発電にマグネトオルタネーターが広く採用されています。^{[11] [12]}発電機は、3相ステーターとブリッジ整流器を備えた回転するネオジム 希土類磁石を使用して直流 (DC) を生成します。この電流は、水を直接汲み上げるか、バッテリーに蓄えられるか、商用電力網に供給できる主電源インバーターを駆動します。一般的な設計は、自動車のブレーキディスクとハブベアリングを再利用した軸方向磁束発電機です。マクファーソンストラットは、タービンを風上に導く方位ベアリングを提供します。 ^[13]希土類磁石が取り付けられたブレーキディスクは回転してアーマチュアを形成します。複数の軸方向コイルを備えた合板ディスクがこの横に配置され、その後ろに鉄製のアーマチュアリングがあります。

100kWからMWの範囲の大型では、現代の風力タービン用に開発された機械は永久磁石同期発電機と呼ばれています。^[14]

今日のマグネトーの一般的な用途の 1 つは、自転車のライトや USB 電源デバイスへの電力供給です。最も一般的なのは、ボトル ダイナモと呼ばれる小型のマグネトーで、自転車のタイヤにこすりつけられて、車輪が回転すると電力を生成します。より高価であまり一般的ではありませんが、より効率的なのがハブ ダイナモです。ハブ ダイナモは、車輪のハブ内部のクロー ポール ケージ内の銅コイルの周りでネオジム磁石を回転させます。一般にダイナモと呼ばれるこれらのデバイスは、実際にはマグネトーであり、真のダイナモによって生成される直流とは対照的に交流を生成します。

マグネトーは、電気医学の黎明期には精神疾患の治療にも医療に応用されていました。1850年、フランスの医師デュシェンヌ・ド・ブローニュは、神経学の臨床実験のために、手動で回転数を変えたり、2つのコイルのインダクタンスを変えたりすることで外部電圧と周波数を可変できるマグネトーを開発し、製造しました。

スパークプラグ用の高電圧インパルスを生成するように適合されたマグネトーは、火花点火ピストンエンジンの点火システムで使用されます。マグネトーは信頼性と単純さからピストン航空機エンジンで使用され、多くの場合はペアで使用されます。オートバイやスノーモービルなどのモータースポーツ車両では、バッテリーに依存する点火システムよりも軽量なため、マグネトーが使用されることがあります。芝刈り機、チェーンソー、ポータブルポンプなどに使用される小型内燃機関では、経済性と軽量化のためにマグネトーが使用されます。マグネトーは、マグネトーシステムで提供できる以上の点火タイミング制御が必要になる可能性がある始動バッテリーを備えた高速道路用自動車では使用されませんが、高度なソリッドステートコントローラが一般的になりつつあります。

磁気交換機のローカルバッテリーステーションサービス用の手動電話機には、中央局のオペレータに警告を発したり、同じ（パーティ）回線上の他の電話機のベルを鳴らしたりするための交流電圧を生成する、手回し式の磁気発電機が装備されていました。

現代の希土類磁石の開発により、磁場強度を大幅に高めることができるため、シンプルなマグネトオルタネーターは発電機としてより実用的な提案となりました。磁石はコンパクトで軽量であるため、通常は回転子を形成し、出力巻線を固定子上に配置できるため、ブラシギアは不要です。^{[引用が必要]}

1980年代後半には、初期の希土類元素であるサマリウムコバルトなどの磁性材料の発達により、永久磁石発電機は極めて堅牢な発電機を必要とする用途に使用できるようになりました。誘導ミサイルでは、このような発電機はフラックススイッチング発電機の代わりに使用できます。^[15]これらはタービンに直接結合され、高速で動作する必要があります。どちらのタイプも、出力コイルがステータの一部であるためブラシギアが不要であるという共通の利点があります。

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