オルタネーター

オルタネーターは、機械エネルギーを交流の形で電気エネルギーに変換する電気発電機です。^[2]コストと単純さの理由から、ほとんどのオルタネーターは、固定された電機子を備えた回転磁界を使用します。^[3]時々、リニアオルタネーターまたは固定された磁場を備えた回転電機子が使用されます。原則として、どのAC 電気発電機もオルタネーターと呼ぶことができますが、通常、この用語は自動車やその他の内燃機関によって駆動される小型の回転機械を指します。

永久磁石を磁場として利用する発電機はマグネトと呼ばれる。蒸気タービンで駆動する発電所の発電機はターボ発電機と呼ばれる。発電所の大型50Hzまたは60Hz三相発電機は世界の電力のほとんどを発電し、電力網によって配電されている。^[4]

歴史

交流発電システムは、 1830年代に電流の磁気誘導が発見されて以来、単純な形で知られるようになりました。回転発電機は自然に交流電流を生成しますが、あまり使用されなかったため、通常は発電機に整流子を追加して直流に変換しました。 ^{[8]初期の機械は、}マイケル・ファラデーやイポリット・ピクシーなどの先駆者によって開発されました。ファラデーは「回転長方形」を開発しました。これは異極性で動作し、各活性導体は磁場が反対方向にある領域を順番に通過します。^[9]ケルビン卿とセバスチャン・フェランティも、100～ 300Hzの周波数を生成する初期の交流発電機を開発しました。

1870年代後半には、街路全体、工場の敷地、または大きな倉庫の内部を照らすために使用されたアーク灯に電力を供給するための中央発電所を備えた最初の大規模電気システムが導入されました。1878年に導入されたヤブロチコフアーク灯など、交流の方がよく動作するものもあり、これらの初期の交流発電システムの開発に伴い、「オルタネーター」という言葉が初めて使用されました。^[10]^[8]これらの初期のシステムでは、発電所から適切な量の電圧を供給することは、エンジニアの「負荷に乗る」スキルに委ねられていました。^[11] 1883年にガンツ工場は、実際の負荷の値に関係なく、指定された出力電圧を生成することができる定電圧発電機を発明しました。 ^[12]^{1880年代半ばに}変圧器が導入されたことにより、交流が広く使用され、それを生成するのに必要なオルタネーターが使用されるようになりました。^[14] 1891年以降、複数の異なる位相の電流を供給するために多相交流発電機が導入されました。^{[15]その後、}交流発電機は、アーク照明、白熱灯、電気モーターで使用するために、16ヘルツから約100ヘルツまでのさまざまな交流周波数用に設計されました。^[16]アレクサンダーソン交流発電機のような特殊な無線周波数交流発電機は、第一次世界大戦の頃に長波無線送信機として開発され、真空管送信機に置き換えられるまで、いくつかの高出力無線電信局で使用されました。^[^要出典^]

動作原理

磁場に対して移動する導体は、その中に起電力(EMF) を生じます (ファラデーの法則)。この起電力は、反対極性の磁極の下を移動すると極性が反転します。通常、回転子と呼ばれる回転磁石は、鉄心にコイル状に巻かれた固定導体 (ステータ) 内で回転します。磁場が導体を横切って誘導起電力 (EMF) を発生させ、機械的な入力によってローターが回転します。^{[引用が必要]}

回転磁界は固定子巻線に交流電圧を誘導します。固定子巻線の電流は回転子の位置に応じて変化するため、オルタネーターは同期発電機です。^[3]

ローターの磁場は永久磁石または界磁コイル電磁石によって生成されます。自動車用オルタネーターはローター巻線を使用しており、ローター界磁巻線の電流を変化させることでオルタネーターの発電電圧を制御できます。永久磁石機械はローターの磁化電流による損失を回避しますが、磁石材料のコストのためにサイズが制限されます。永久磁石の磁場は一定であるため、端子電圧は発電機の速度に応じて直接変化します。ブラシレス AC 発電機は通常、自動車用に使用されるものよりも大きくなります。^{[引用が必要]}

自動電圧制御装置は、出力電圧を一定に保つために界磁電流を制御します。需要の増加により固定電機子コイルからの出力電圧が低下すると、電圧レギュレータ(VR) を介して回転する界磁コイルにさらに多くの電流が供給されます。これにより、界磁コイルの周囲の磁場が増加し、電機子コイルに高い電圧が誘導されます。したがって、出力電圧は元の値に戻ります。^{[引用が必要]}

中央発電所で使用される交流発電機は、界磁電流を制御して無効電力を調整し、瞬間的な故障の影響に対して電力システムを安定化させます。多くの場合、3組の固定子巻線が物理的にオフセットされており、回転磁界が3相電流を生成するように、互いに1/3周期ずつずれています。^[17]

同期速度

一対の界磁極が固定巻線上の点を通過するたびに、交流電流の 1 サイクルが生成されます。速度と周波数の関係はで、は周波数 (Hz、1 秒あたりのサイクル数) です。は極の数 (2、4、6、…)、は回転速度 (毎分回転数(r/min)) です。交流システムの古い説明では、周波数が毎分交替回数で表され、各半サイクルが 1交替としてカウントされることがあるため、毎分 12,000 交替は 100 Hz に相当します。^[^{引用が必要}^] $N=120f/P$ $f$ $P$ $N$

発電機の出力周波数は極数と回転速度によって決まります。特定の周波数に対応する速度は同期速度と呼ばれます。この表^[18]にいくつかの例を示します。

分類

発電機は、励磁方法、相数、回転の種類、冷却方法、用途によって分類されます。^[19]

興奮によって

オルタネーターで使用される磁場を生成するには、主に 2 つの方法があります。1つは、永続的な磁場を生成する永久磁石を使用する方法、もう 1 つは磁場コイルを使用する方法です。永久磁石を使用するオルタネーターは、特にマグネトと呼ばれます。^[要出典]

他のオルタネーターでは、巻かれた磁場コイルが電磁石を形成し、回転磁場を生成します。^{[引用が必要]}

永久磁石を使用して交流電流を生成する装置は、永久磁石オルタネーター (PMA) と呼ばれます。永久磁石発電機 (PMG) は、整流子を備えている場合、交流電流または直流電流のいずれかを生成することができます。 [^{引用が必要]}

直結直流（DC）発電機

この励磁方法は、オルタネーターと同じシャフトに固定された小型の直流（DC）発電機で構成されています。DC発電機は、接続されたオルタネーターのフィールドコイルを励磁して電気を生成するのに十分な量の電気を生成します。このシステムのバリエーションとして、始動時にバッテリーからの直流電流を使用して初期励磁を行い、その後オルタネーターが自己励磁するタイプのオルタネーターがあります。^[19]

直結交流発電機

この励磁方法は、オルタネータと同じシャフトに固定された小型の交流発電機から構成されます。AC ステータは少量の界磁コイル励磁電流を生成し、これがローターに誘導され、巻線に組み込まれたブリッジ整流器によって直流に整流され、接続された大型オルタネータの界磁コイルを励磁して発電します。このシステムにはブラシが不要という利点があり、全体的な効率は若干低くなりますが、耐用年数が長くなります。このシステムのバリエーションとして、始動時の初期励磁にバッテリーからの直流を使用し、その後オルタネータが自己励磁するタイプのオルタネータがあります。^[19]

変革と修正

この方法は、鉄心に残留する磁気を利用して弱い磁場を発生させ、弱い電圧を発生させるものです。この電圧は磁場コイルを励起するために使用され、オルタネーターは電圧上昇プロセスの一環としてより強い電圧を発生することができます。最初のAC電圧上昇後、オルタネーターから整流電圧が磁場に供給されます。^[19]

ブラシレスオルタネーター

ブラシレスオルタネーターは、1つのシャフトに端から端まで組み込まれた2つのオルタネーターで構成されています。1966年まで、オルタネーターは回転磁界付きのブラシを使用していました。^[20]半導体技術の進歩により、ブラシレスオルタネーターが可能になりました。小型のブラシレスオルタネーターは1つのユニットのように見えますが、大型バージョンでは2つの部分が容易に識別できます。2つのセクションのうち大きい方がメインオルタネーターで、小さい方が励磁機です。励磁機には、固定フィールドコイルと回転アーマチュア（電力コイル）があります。メインオルタネーターは、回転フィールドと固定アーマチュアを備えた逆の構成を使用します。回転整流器アセンブリと呼ばれるブリッジ整流器がローターに取り付けられています。ブラシもスリップリングも使用されていないため、摩耗部品の数が削減されます。メインオルタネーターには、回転フィールドと固定アーマチュア（発電巻線）があります。

固定励磁機の磁場コイルに流れる電流量を変えると、励磁機からの3相出力が変化する。この出力は回転子に取り付けられた回転整流器アセンブリによって整流され、その結果得られた直流電流が主発電機の回転磁場に供給され、発電機の出力となる。その結果、小さな直流励磁機電流が間接的に主発電機の出力を制御する。^[21]

フェーズ数別

オルタネーターを分類する別の方法は、出力電圧の相数によって分類することです。出力は単相または多相です。3相オルタネーターが最も一般的ですが、多相オルタネーターは2相、6相、またはそれ以上の相を持つ場合があります。^[19]

部品を回転させることにより

オルタネータの回転部分は、電機子または磁場である。回転電機子型では、電機子がローターに巻かれ、巻線が固定磁場の中を移動する。回転電機子型はあまり使用されない。^[19]回転磁場型では、ローターに磁場があり、固定電機子巻線を通して回転する。利点は、ローター回路が電機子回路よりもはるかに少ない電力を運ぶため、スリップリング接続が小型で低コストになることである。直流ローターには 2 つの接点しか必要ではないが、ローター巻線には 3 つの相があり、複数のセクションがあり、それぞれにスリップリング接続が必要である。固定電機子は、数万ボルトまでの任意の便利な中電圧レベルで巻くことができる。数千ボルトを超えるスリップリング接続の製造は、コストがかかり、不便である。^[要出典]

冷却方法

多くのオルタネーターは、オルタネーターを駆動するシャフトに取り付けられたファンによって筐体に押し出される周囲の空気によって冷却されます。路線バスなどの車両では、電気システムへの需要が高いため、大型のオルタネーターをオイル冷却する必要がある場合があります。^[22]船舶用途では水冷も使用されます。高価な自動車では、高い電気システムの需要を満たすために水冷式オルタネーターが使用される場合があります。^[要出典]

特定のアプリケーション

同期発電機

ほとんどの発電所では同期機を発電機として使用している。これらの発電機を電力系統に接続するには同期条件を満たす必要がある。^[23]

自動車用オルタネーター

オルタネーターは、現代の内燃機関自動車において、エンジン作動時にバッテリーを充電し、電気システムに電力を供給するために使用されています。 ^{[引用が必要]}

1960 年代まで、自動車には整流子付きのDCダイナモ発電機が使用されていました。手頃な価格のシリコンダイオード整流器が利用できるようになったため、代わりにオルタネーターが使用されるようになりました。^[^{引用が必要}^]

ディーゼル電気機関車用発電機

後のディーゼル電気機関車やディーゼル電気多重ユニットでは、原動機が発電機を回し、牽引モーター（AC または DC）に電力を供給します。^{[引用が必要]}

トラクションオルタネーターには通常、シリコンダイオード整流器が組み込まれており、トラクションモーターに最大 1,200 ボルトの DC を供給します。^{[引用が必要]}

最初のディーゼル電気機関車、そして現在も使用されている機関車の多くは、シリコンパワーエレクトロニクスが登場する前は、DC牽引モーターの速度を制御する方が簡単だったため、DC発電機を使用しています。これらの機関車のほとんどには、2つの発電機があり、1つはより大きな主発電機の励起電流を生成するものでした。^{[引用が必要]}

オプションとして、発電機はヘッドエンド電力(HEP) または電気列車暖房用の電力も供給します。HEP オプションでは、機関車が動いていないときでも、480 V 60 Hz HEP アプリケーションでは通常 900 r/min の一定のエンジン速度が必要です。^{[引用が必要]}

船舶用オルタネーター

ヨットで使用される船舶用オルタネーターは、自動車用オルタネーターと似ていますが、海水環境に適切に適応しています。船舶用オルタネーターは防爆型(点火保護型) として設計されているため、ブラシの火花がエンジンルーム環境で爆発性ガス混合物に点火することはありません。搭載されているシステムの種類に応じて、12 ボルトまたは 24 ボルトになります。大型の船舶用ディーゼルには、現代のヨットの大きな電力需要に対応するために 2 つ以上のオルタネーターが搭載されている場合があります。単一のオルタネーター回路では、分割充電ダイオード(バッテリーアイソレーター) または電圧感知リレーを使用して、エンジン始動バッテリーと家庭用または家屋用バッテリー (または複数のバッテリー) に電力を分割できます。大型の家屋用バッテリーバンクはコストが高いため、船舶用オルタネーターでは通常、外部レギュレーターが使用されます。マルチステップレギュレーターは、充電効率 (充電時間) とバッテリー寿命を最大化するために界磁電流を制御します。マルチステップレギュレーターは、さまざまなバッテリータイプに合わせてプログラムできます。 2 つの温度センサーを追加できます。1 つはバッテリーの充電電圧を調整するためのもので、もう 1 つは実際のオルタネーターを過熱から保護するための過熱センサーです。^{[引用が必要]}

航空

ラジオオルタネーター

可変磁気抵抗型の高周波オルタネータは、低周波無線帯域での無線送信に商業的に応用されました。これらはモールス信号の送信に使用され、実験的には音声や音楽の送信にも使用されました。アレクサンダーソンオルタネータでは、界磁巻線と電機子巻線の両方が固定されており、電流は回転子（巻線や電流を流す部品はありません）の変化する磁気抵抗によって電機子に誘導されます。このような機械は、効率は低いものの、無線送信用の無線周波数電流を生成するために作られました。^{[引用が必要]}

参照

参考文献

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外部リンク

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[23] スマートグリッドアプリケーションのための分散型発電機とマイクログリッドのソフト同期