Loading article…
グラム機械、グラムリング、グラムマグネト、またはグラムダイナモは、直流電流を生成する発電機であり、ベルギーの発明者ゼノベ・グラムにちなんで名付けられ、ダイナモまたはマグネトとして構築されました。[1]これは、産業向けに商業規模で電力を生成した最初の発電機でした。 1860年にアントニオ・パチノッティが発明した機械に触発されて、グラムはワイヤで包まれたリング（グラムリング）の形の新しい誘導回転子を開発し、1871年にパリの科学アカデミーでこの装置を実演しました。19世紀の電気機械では人気がありましたが、グラム巻線の原理は導体を効率的に使用しないため、現在は使用されていません。リング内側の巻線の部分は磁束をカットせず、機械のエネルギー変換に寄与しません。巻線には同等のドラム巻きアーマチュアの2倍の巻数と2倍の整流子バーが必要である。[2]
説明
グラム機械は、回転する軟鉄のリングの周りに一連のアーマチュア コイルを巻いたリングアーマチュアを使用していました。コイルは直列に接続され、各ペア間の接続点は、 2 つのブラシが動作する整流子に接続されています。永久磁石が軟鉄リングを磁化し、アーマチュアが回転するにつれてコイルを順番に回転する磁場を生成します。これにより、アーマチュアの反対側にある 2 つのコイルに電圧が誘導され、ブラシによって拾われます。
以前の電磁機械は、1 つまたは 2 つの電磁石の極の近くに磁石を通過させたり、静磁場内で二重 T アーマチュアに巻かれたコイルを回転させたりして、DC の短いスパイクまたはパルスを発生させ、高い平均電力の一定した出力ではなく、低い平均電力の一時的な出力をもたらしました。
グラムリングアーマチュアに複数のコイルを配置すると、結果として生じる電圧波形は実質的に一定になり、ほぼ直流の電流供給が実現します。このタイプの機械は、磁場を生成する電磁石のみで現代の発電機になります。
現代の電気モーターの発明
1873年にウィーンで開催された産業博覧会での実演中に、グラムは、この装置に定電圧電源を供給すると電動モーターとして機能することを偶然発見しました。グラムのパートナーであるイポリット・フォンテーヌは、グラムの機械の端子を、電気を生産している別のダイナモに不注意に接続したところ、そのシャフトが回転し始めました。[3]グラムの機械は、玩具や実験室の好奇心以上のものとして使用された最初の強力な電動モーターでした。今日、この設計のいくつかの要素は、ほぼすべてのDC電動モーターの基礎を形成しています。グラムによる、複数の重なり合ったコイルを持つ複数の整流子接点の使用と、リングアーマチュアを使用するという彼の革新は、初期のダイナモの改良であり、大規模な電気装置の開発の先駆けとなりました。
初期の電気モーターの設計は、ローターの回転のほとんどの部分で大きな、または非常に大きなエアギャップがあったため、効率が悪かったことで有名でした。エアギャップが長いと力が弱くなり、トルクが低くなります。セントルイス モーターと呼ばれる装置 (科学用品店で今でも入手可能) は、その意図はありませんが、この大きな非効率性を明確に示しており、実際のモーターの動作について学生に深刻な誤解を招いています。これらの初期の非効率的な設計は、磁石が強磁性体 (鉄や鋼など) をある程度離れたところから引き付ける様子を観察することに基づいていたようです。電気技術者が小さなエアギャップの重要性を理解するまで、19 世紀に数十年かかりました。しかし、グラム リングのエアギャップは比較的小さく、効率が向上しています (上の図で、大きな輪のような部分は積層永久磁石です。グラム リングは輪の底部にあり、かなり見づらいです)。
動作原理
この図は、簡略化された 1 極 1 コイルのグラムリングと、リングが 1 回転したときに発生する電流のグラフを示しています。実際のデバイスではこの設計は採用されていませんが、この図は次の図をよりよく理解するための基礎となります。[5]
1極2コイルのグラムリング。リングの反対側にある2番目のコイルは、最初のコイルと並列に配線されています。下のコイルは上のコイルと反対の向きになっていますが、両方とも同じ磁場に浸されているため、電流はブラシ端子を横切ってリングを形成します。[5]
2極4コイルのグラムリング。コイルAとA'、コイルBとB'が加算され、互いに90°位相がずれた2つの電力パルスを生成します。コイルAとA'が最大出力のとき、コイルBとB'はゼロ出力です。[5]
3極6コイルのグラムリングと、3極を結合したグラフ。各極は互いに120°位相がずれており、合計されています。[5]
ドラム巻き
グラムリングはより安定した出力を可能にしましたが、磁力線がリングアーマチュアを通過する方法が原因で、技術的な設計上の非効率性に悩まされていました。磁力線はリングの表面金属内に集中し、反対側まで沿って進む傾向があり、リングの内部に浸透する磁力線は比較的少数でした。
その結果、各小型コイルの内部巻線は、リングの外部の巻線に比べて、遮断する力線が非常に少ないため、電力を生成する効果が最小限に抑えられます。内部巻線は実質的にデッドワイヤであり、回路に抵抗を追加するだけなので、効率が低下します。
リングの中心に固定磁場コイルを挿入して、線が中心に浸透するのを助けるという当初の試みは、設計が複雑すぎることが判明しました。さらに、線がリングの内部に浸透した場合、内側のワイヤは外側のワイヤと反対方向に向いており、巻かれたときに 180 度回転するため、生成された起電力はリングの外側からの起電力に対抗することになります。
最終的に、リングの外側に単一のループ状のワイヤを巻き付け、ループのどの部分も内側を通らないようにする方が効率的であることがわかりました。また、リングの幅にまたがる 1 つの大きな巻線が、リングの反対側にある 2 つの小さな巻線の代わりをすることができるため、構造の複雑さも軽減されます。すべての現代のアーマチュアは、この外側に巻かれた (ドラム) 設計を使用していますが、巻線は直径全体に広がっていません。幾何学的には、円の弦に似ています。整流子を備えたほとんどの現代のモーターまたは発電機のローターで見られるように、隣接する巻線は重なり合っています。さらに、巻線は丸い形状のスロットに配置されています (ローターの端から見た場合)。ローターの表面では、スロットの幅は、コイルを巻くときに絶縁ワイヤが通過できる程度の幅しかありません。
中空リングは、固体の円筒形コアまたはドラムに置き換えることができますが、固体コアでは磁力線が薄い表面領域に集中し、中心への浸透が最小限に抑えられるため、リングの方が効率的な設計であることが証明されています。直径が数フィートの非常に大きな発電アーマチュアの場合、中空リング アーマチュアを使用すると、固体コア ドラム アーマチュアよりも必要な金属の量が大幅に少なくなり、軽量になります。リングの中空の中心は、高出力アプリケーションでの換気と冷却の経路としても機能します。
小型のアーマチュアでは、シャフトのスロットにロックするようにキーが付けられた打ち抜き金属ディスクのスタックからコアを簡単に形成できるため、構造の容易さのためにソリッドドラムがよく使用されます。[13]
参照
参考文献
- ^ トンプソン、シルバヌス P. (1888)、「ダイナモ電気機械：電気技術学生のためのマニュアル」ロンドン：E. & FN Spon. p. 140。
- ^ Fink, Donald G. および H. Wayne Beaty (2007)、「電気技術者向け標準ハンドブック」、第 15 版。McGraw Hill。セクション 8、5 ページ。ISBN 978-0-07-144146-9。
- ^ 「イポリット・フォンテーヌ」、ブリタニカ・オンライン。Encyclopædia Britannica, Inc. 2010年1月11日閲覧。
- ^ ホーキンス、ネヘミア(1917)。ホーキンス電気ガイド第 1 号、質問、回答、および図解: エンジニア、電気技師、学生、および電気とその応用に関する実用的な知識を習得したい人のための進歩的な学習コース。ニューヨーク: Theo. Audel & Co. p. 174、図 182。
- ^ abcd ホーキンス1917、pp.174-178。
- ^ ホーキンス1917年、174ページ、図183。
- ^ ホーキンス1917年、174ページ、図184。
- ^ ホーキンス1917年、174ページ、図185。
- ^ ホーキンス1917年、225ページ、図250。
- ^ ホーキンス1917年、223ページ、図248。
- ^ ホーキンス1917年、226ページ、図251。
- ^ ホーキンス1917年、224ページ、図249。
- ^ ホーキンス1917年、224-226頁。
外部リンク
ウィキメディア・コモンズのグラムマシンに関連するメディア- 電気博物館: 初期のモーター