メタダイン

メタダインは、2 組のブラシを備えた直流電気機械です。増幅器または回転変圧器として使用できます。第 3 のブラシ ダイナモに似ていますが、追加のレギュレータまたは「バリエータ」巻線があります。また、アンプリダインに似ていますが、後者には、負荷電流によって生成される磁束の影響を完全に打ち消す補償巻線があります。技術的な説明は、「電機子反応を利用するように設計されたクロス フィールド直流機械」です。メタダインは、定電圧入力を定電流、可変電圧出力に変換できます。

メタダインという言葉は、ギリシャ語で「電力の変換」を意味する言葉に由来している。^{[1]この名前は、ジョセフ・マキシマス・ペスタリーニ（}イタリア語ではジュゼッペ・マッシモ・ペスタリーニ）が1928年にベルギーのリエージュで開催されたモンテフィオーレ国際コンテストに提出した論文の中で作ったと考えられているが、その論文で説明されている機械の種類は1880年代から知られていた。直流の交差磁場発電機に関する最初の英国特許は、パリのAIグラビエが1882年に取得し、さらに2つの特許がE・ローゼンバーグによって1904年と1907年に取得された。 ^{[2]ローゼンバーグは後に}メトロポリタン・ビッカースの主任電気技師となり、彼の機械は追加のブラシセットに短絡を適用することで交差磁場を発生させた。^[3] M.オスノスは1907年にそのような機械のいくつかの実用的な配置を検討し、^[4]同じ年にフェルトンとギヨームは英国特許番号26,607を取得しました。この特許では、補助巻線、電機子巻線、および複数の整流子について説明されていましたが、すべてかなり一般的な用語でした。彼はまた、それらが定電圧を定電流に変換するために使用できることを示しました。^{[2]他の特許は、1910年より前に}マザー＆プラット、ブラウン・ボベレイ、ブルース・ピーブルズによって取得されました。^[5]

ペスタリーニは1922年から1930年にかけてこのような機械の理論開発に取り組んだが、その動的特性よりも静的特性に重点を置いていた。^[4]彼は1930年にRevue Générale de l'Electricitéにこのテーマに関する3つの論文を寄稿し、 ^[5]いくつかの実用的な応用が含まれていた。主なものは、定電流出力を電気自動車の牽引モーターの制御とクレーンの操作に使用するというものであり、フランスのアルストム社との共同試験を経て、彼はこれらの分野でいくらかの実践経験を持っていた。 ^[6] 1930年に彼はイギリスに旅行し、メトロポリタン・ヴィッカース社が彼のアイデアを採用して実用的なシステムを開発した。^[4]後にトリノのガリレオ・フェラーリ国立電気研究所の教授となったペスタリーニは、ローゼンバーグの解決策とは異なり、追加のブラシを外部電源に接続して変圧器メタダインを生成した。^[3]この機械は、負荷に流れる電流によって生成される磁束が制御回路の磁束と反対になるため、電圧電流増幅器として機能しました。^{[4] 1930年代のメトロポリタン・ビッカース社の開発作業は}アーノルド・タスティンが主導し、同社はメタダインに関する英国特許を保有していました。^[7]

ペスタリーニは1930年に米国も訪れたが、米国でこのシステムが使用された記録はない。エルンスト・アレクサンダーソン率いるゼネラル・エレクトリック社の技術者たちは興味を持ち、負荷電流によって生成される磁束の影響を打ち消す補償巻線を追加して設計を変更した。これにより、機械は電圧-電流増幅器から電圧-電圧増幅器に変わり、彼らは新しい変種をアンプリダインと呼んだ。開発費は主に、船の砲の照準と発射を改善するために使用された垂直安定装置の開発に対する米国海軍の契約によって賄われた。^[4]同じ時期に、グラスゴーに拠点を置いていたマクファーレン・エンジニアリング社は、クロスフィールド機械の変種をまったく独自に開発し、マグニコンと名付けた。 [ ^8]

ペスタリーニは1932年1月14日にフランスでメタダイン機の特許を申請し、年末の12月23日に米国特許庁に提出した。米国特許は1934年1月30日に付与された。^[9]彼は1946年11月に改良型機械の2番目の米国特許を申請し、1952年6月10日に付与された。^[10]

この図は、メタダイン機の 3 つの配置を示しています。いずれの場合も、わかりやすくするために補償巻線は省略されています。最初の配置は、1 サイクルのクロスフィールド機を表しています。通常の DC 機では、励起電流の影響で磁束 (A1) が生成され、次に励起磁束に直角の直交磁束が生成されます。直交ブラシを配線すると、アーマチュアに電流が生成され、これが生成する磁束 (A2) は、やはり直交軸に直角になり、元の励起と正反対のアーマチュア反応が発生します。この機能は、この機の基本的な機能であり、回転方向に依存しません。アーマチュア反応が補償巻線によって部分的に補償されると、アーマチュア反応の補償されていない部分がこのように動作します。^[11]出力電流が上昇すると、電流を維持するのに十分な励起がある状態になるまで、励起の影響が抑制されます。それ以上増加すると、動作を維持する磁束がなくなり、負荷の抵抗や負荷によって発生する逆起電力に関係なく電流が維持されます。したがって、この機械は定電流発電機として機能し、電流は励起に比例します。^[12]

2 番目の図は、励磁巻線のないマシンを示していますが、代わりに定電圧が直交ブラシに接続されています。これにより、最初の例の励磁磁束のアーマチュアの回転によって生成される磁束と同様の磁束が生成されます。したがって、マシンの動作は非常に似ており、生成される磁束が印加電圧によって生成される磁束をほぼ打ち消すまで、出力電流が増加します。Tustin は、入力と出力の電力が同じであることを示しており、マシンは定電圧入力を定電流出力に変換します。メタダイン ジェネレータと同様に、メタダイン トランスは部分的に補償することができ、補償が 97 パーセントを超えるまで定電流デバイスとして動作し続けます。^[13]

3 番目の図は、メタダインが 2 つの別々のモーターに接続されている様子を示しています。この配置は、電車の牽引モーターの制御によく使用されていました。このように接続すると、メタダインにかかる実効負荷が軽減され、より小型の機械を設置できるようになります。メタダインは「正または負のブースター」として機能します。Vcc が供給電圧で、V 2がメタダインの出力電圧である場合、負荷にかかる合計電圧は、V 2 が-Vcc と +Vcc の間で変化するため、0 から 2·Vcc まで変化します。このシステムでは、負荷の 2 つの半分の電流が不均衡になりがちですが、追加の回路抵抗のように機能する追加の直列巻線を用意することでこれを修正できます。^[14]

ローゼンバーグ発電機は、構造と電気接続の両方においてメタダイン発電機と非常によく似ています。通常、補償巻線がないため、電機子反作用全体が初期励起に対抗します。磁気回路の一部は通常積層されていないため、励起と磁束の間に遅延が生じますが、この機械は迅速な応答が必須ではない用途で使用されます。主に車軸駆動式の列車に使用され、照明やバッテリーの充電に使用されています。^[15]車軸駆動式発電機は速度が変動し、回転方向が変わりますが、機械の特性上、非常に低速でも有効なエネルギーを生成できます。低速では、出力電圧は速度の2乗で増加しますが、磁気回路はすぐに飽和し、速度が上昇しても増加ははるかに小さくなります。出力から充電されるバッテリーを含む回路で使用する場合、非常に低速のときや列車が停止しているときに、発電機を介してバッテリーが放電するのを防ぐために、整流器または逆電流遮断装置が通常必要になります。^[16]

スコットランドのマクファーレン社が開発したマグニコンはメタダインに似ているが、メタダインが2極電機子巻線であるのに対し、マグニコンは4極重ね巻線であり、短ピッチ電機子巻線を備えたメタダインと呼ばれることもある。これらは船舶のホイストやウインチを操作するために供給されてきた。^[17]マグニコンの固定子には90度間隔で配置された4つの極突起があり、そのうちの1対が励磁される。励磁極と同じ軸上にあるブラシのペアは短絡され、大きな電流が生じる。この電流の起磁力（MMF）は励磁されていない極に作用し、動作磁束（Φ）と出力電圧を生成する。全ピッチメタダインと同様に、出力電流の電機子反応は90度位相がずれているため、元の励磁と反対になる。^[18]通常のメタダインに対する利点は、励磁コイルと補償コイルの数が1サイクルあたり2つずつに半減し、コイルのピッチが短いため巻線端の張り出しが少なくなることである。しかし、この設計ではアーマチュアにアイドル電流が発生し、損失が発生する。また、インターポールが必要な大型マシンでは、各インターポールに2つのコイル（ブラシ回路ごとに1つ）を取り付ける必要がある。タスティンは、小型マシンではマグニコンがメタダインよりも優れている点はほとんどなく、インターポールを取り付ける必要がある大型マシンでは、判断を下すのに十分な分析が行われていないと主張した。^[19]

メタダインは、大型砲の照準制御や電車、特にロンドン地下鉄のO型およびP型列車の速度制御に使用されてきたが、現在はソリッドステートデバイスに取って代わられている。

1930年代初頭、ロンドン地下鉄はメトロポリタン・ヴィッカースでメタダイン装置の開発が進められていること、またそれがもたらす回生ブレーキの可能性を認識していた。そこで、試されていないシステムを採用する前に、1904年から1907年の間にメトロポリタン鉄道向けに製造された6両の車両を改造して試験列車を製造した。作業は1934年にアクトン工場で行われた。1台のメタダイン装置で4台のモーターを制御でき、各モーター車には2台のモーターがあったため、モーター車は2両ユニットに編成され、その外側の端に運転台が設けられた。ユニットを連結することで、2両、4両、6両編成の列車の試験を行うことができた。メタダイン装置の重量は約3トンで、3台の回転機械、励磁機、調整器、および実際のメタダイン機械で構成され、機械的に連結されていた。電気的には、牽引電源が機械に供給され、その出力がモーターに供給され、始動抵抗は必要ありませんでした。^[20]

試験列車は1935年から1936年にかけて走行し、メトロポリタン線とディストリクト線のほぼ全ての電化路線で試験された。コンセプトの信頼性が証明されると、列車は旅客サービスにも使用された。回生ブレーキに加えて、加速が特にスムーズであることがわかった。OおよびP車両に新しいシステムを採用する決定が下されると、試験列車は解体され、装置はグロスター鉄道車両・貨車会社によって製造された3台のバッテリー機関車^[20]に取り付けられた。これは1936年から1938年の間に供給された9台の車両のうちの1台であった。始動抵抗がないため、頻繁な始動と停止時に無駄になる電力の量が削減されるため、この装置は特にバッテリー機関車に適していた。低速では従来の制御システムは過熱することが多いが、メタダインを搭載した機関車は100トンの列車を3mph（4.8km/h）の低速で長距離牽引しても問題なかった。しかし、装置の複雑さとメタダイン機の保守の難しさから、機関車は十分に活用されず、1977年に廃車となった。^[21]

O形電車の主な生産ロットは116両の電動車で構成され、58両の2両編成に編成された。試験は1937年9月にディストリクト線のハイ・ストリート・ケンジントンとパトニー・ブリッジ間で4両編成で開始され、1938年1月にはハマースミス線で6両編成の運行が開始された。6両編成の電動車が発進する際の電力供給システムへの要求と、回生ブレーキ使用時にそのような列車がシステムに戻そうとする電力量によって、技術的な問題がいくつか発生した。この問題は、さらに58両のトレーラー車を発注し、編成にトレーラー車を挿入して2両編成を3両編成に改造することで、部分的に緩和された。その後、メトロポリタン線の列車を置き換えるためにP形電車のバッチが発注された。O形電車とP形電車は連結可能だったが、特にメタダインユニットは同じではなく、製造間で交換できなかった。 1950年代初頭までに、これは重大な欠点となり、一連の故障が発生し、大規模な修理が必要となった。機器を取り外し、1938年製のチューブストックの予備コントローラーを使用して空気圧カムモーター（PCM）システムに交換することが決定された。最初の改造列車は1955年3月31日に運行を開始し、車両には両方のバッチの車両が含まれていたため、車両はCO/CPストックに再指定されました。その後、すべてのメタダイン機器が交換されました。^[22]

1936年にOストック列車に導入されたメタダインシステムは、その終焉につながる欠点にもかかわらず、電気多重ユニットで回生ブレーキを提供する世界初のシステムでした。加速は始動抵抗を切り替える列車よりもスムーズで、ブレーキをかけるとメタダインユニットが線路に電力を戻し、必要に応じて他の列車が使用できました。しかし、条件は常に理想的ではなく、変電所は回生に対応するように設計されていなかったため、列車は抵抗バンクで電力を消費するレオスタティックブレーキに切り替わることが多くありました。装置の重量も大きな欠点でした。^[1]

第二次世界大戦直前の時期には、動力式銃器制御装置への関心が高まっていたが、軍当局は現場で維持しなければならない複雑なシステムを導入することに不安を抱いていた。しかし、航空機の速度が上昇するにつれ、サーチライト、対空砲、両用艦砲の動きを追うためにさらに高速で移動できるようにする必要があり、何らかの形の動力式制御装置が不可欠になった。技術者たちは、砲架に取り付けられた銃などの重い装備品が、入力信号の変化と砲架の実際の位置との間の遅れをほとんど生じさせずに、入力信号をスムーズかつ正確に追跡できるようにするという問題に直面していた。銃は常に標的に向けられ、その状態を維持するために正しい速度で移動する必要があった。^[23]

人間のオペレーターはエラーを予測し、システムの動作における既知の遅延を補正することもできます。この動作の模倣は、電子信号と低電力電気機械システムでは達成されていましたが、銃の制御は完全に異なるスケールであり、機械は数トンの重さがあり、大きな慣性を持ち、毎秒最大30度の速度と毎秒10度の加速度で移動する必要がありました^2。 1937年、海軍本部はメトロポリタン・ビッカースに8砲身のポンポン砲の制御システムを発注しました。ペスタリーニはイタリア海軍向けに同様のシステムを開発していました。元の設計では、1つのメタダインを使用して、いくつかの砲に取り付けられたモーターの電機子に定電流を供給していました。次に、各砲は、手動でフィールド電流を調整することで制御されました。設計作業のほとんどを行ったタスティンは、フィールド巻線のインダクタンスのために、システムの時定数が大きいことを発見しました。応答性を改善するために、彼は界磁巻線に定電流を供給し、各モーターの電機子電流を制御するために部分的に補正されたメタダインを使用した。タスティンはウォード・レナードの制御システム、メタダインとアンプリダインを比較し、それぞれに長所があることを認めたが、トラクション制御での使用経験が数年あったメタダインを好んだ。^[7]