電気機械

電気工学において、電気機械とは、電動機、発電機などの電磁力を利用する機械の総称である。これらは電気機械エネルギー変換器であり、電動機は電気を機械的動力に変換し、発電機は機械的動力を電気に変換する。機械の可動部分は回転（回転機）または直線（直線機）である。変圧器は「静的電気機械」と呼ばれることもあるが^{[1] 、}可動部分がないため、一般的には「機械」とはみなされず、^[2]電気機械に「密接に関連した」電気機器とみなされる。^[3]

同期発電機や誘導発電機の形態の電気機械は、地球上の全電力の約95％を生産しており（2020年代初頭現在）^[4]、電気モーターの形態では生産された全電力の約60％を消費しています。電気機械は19世紀半ばに開発され始め、それ以来、インフラのいたるところに存在しています。より効率的な電気機械技術の開発は、地球規模の保全、グリーンエネルギー、代替エネルギー戦略にとって非常に重要です。

発電機は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する装置です。発電機は、電子を外部の電気回路に流します。これは、水の流れは作りますが内部に水を作り出すことはない水ポンプに似ています。機械エネルギーの源、つまり原動機は、往復またはタービン蒸気エンジン、タービンまたは水車を通る水、内燃機関、風力タービン、手回しクランク、圧縮空気、またはその他の機械エネルギー源です。

電気機械の 2 つの主要部分は、機械的または電気的に説明できます。機械的には、ローターは電気機械の回転部分であり、ステーターは電気機械の固定部分です。電気的には、アーマチュアは電気機械の電力生成コンポーネントであり、フィールドは電気機械の磁場コンポーネントです。アーマチュアは、ローターまたはステーターのどちらにでも配置できます。磁場は、ローターまたはステーターに取り付けられた電磁石または永久磁石によって生成されます。発電機は、AC 発電機とDC 発電機の 2 種類に分類されます。

AC発電機は、機械エネルギーを交流電気に変換します。界磁回路に伝達される電力は電機子回路に伝達される電力よりもはるかに少ないため、AC 発電機では、ほとんどの場合、回転子に界磁巻線、固定子に電機子巻線が配置されています。

AC発電機はいくつかのタイプに分類されます。

• 誘導発電機では、固定子の磁束が回転子に電流を誘導します。次に、原動機が回転子を同期速度以上に駆動し、反対の回転子磁束が固定子コイルを切断して固定子コイルに有効電流を発生させ、電力を電力網に送り返します。誘導発電機は接続されたシステムから無効電力を引き出すため、独立した電源にはなりません。
• 同期発電機（オルタネーター）では、磁場の電流は、フルブリッジ整流器を使用して機械の出力とは別の、または整流されたDC 電流源によって供給されます。

DC 発電機は、機械エネルギーを直流電気エネルギーに変換する機械です。DC 発電機には通常、スプリット リング付きの整流子があり、交流ではなく直流を生成します。

電気モーターは電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。ほとんどの電気モーターは発電機の逆プロセスで、相互作用する磁場と電流を運ぶ導体を介して回転力を生成します。モーターと発電機には多くの類似点があり、多くの種類の電気モーターを発電機として動作させることができ、その逆も可能です。電気モーターは、産業用ファン、送風機、ポンプ、工作機械、家庭用電化製品、電動工具、ディスクドライブなど、さまざまな用途に使用されています。電気モーターは直流または交流で駆動できるため、ACモーターとDCモーターの2つの主な分類に分けられます。

ACモーターは交流を機械エネルギーに変換します。通常、回転磁界を生成するために交流電流が供給されるコイルを備えた外側の固定ステータと、回転磁界によってトルクが与えられる出力シャフトに取り付けられた内側のローターという 2 つの基本部品で構成されます。AC モーターの 2 つの主なタイプは、使用されるローターのタイプによって区別されます。

• 誘導（非同期）モーターでは、ローターの磁場は誘導電流によって生成されます。誘導電流を供給するには、ローターはステーターの磁場よりもわずかに遅く（または速く）回転する必要があります。誘導モーターのローターには、かご型ローター、巻線型ローター、ソリッドコアローターの 3 種類があります。
• 同期モーターは誘導に依存せず、供給周波数またはその約数で正確に回転できます。ローターの磁場は、スリップリング（励磁機）を介して供給される直流電流または永久磁石によって生成されます。

ブラシ付き DC 電気モーターは、内部整流、固定永久磁石、回転電磁石を使用して、モーターに供給される DC 電力から直接トルクを生成します。ブラシとスプリングは、整流子からモーター内のローターの回転する巻線に電流を伝えます。ブラシレス DC モーターは、ローター内の回転永久磁石と、モーター ハウジング上の固定電磁石を使用します。モーター コントローラーは DC をACに変換します。この設計は、モーター外部から回転するローターに電力を転送する複雑さを排除するため、ブラシ付きモーターよりも簡単です。ブラシレス同期 DC モーターの例としては、1 回転を多数のステップに分割できる ステッピング モーターがあります。

その他の電磁機械には、アンプリダイン、シンクロ、メタダイン、渦電流クラッチ、渦電流ブレーキ、渦電流動力計、ヒステリシス動力計、ロータリーコンバータ、およびウォード レナード セットがあります。ロータリーコンバータは、機械整流器、インバータ、または周波数変換器として機能する機械の組み合わせです。ウォード レナード セットは、速度制御を行うために使用される機械の組み合わせです。その他の機械の組み合わせには、クレーマー システムとシェルビウス システムがあります。

電磁ローター機は、ローター内に何らかの電流が流れ、ステーター巻線と相互作用する磁場を生成する機械です。ローター電流は、永久磁石の内部電流 (PM 機)、ブラシを通じてローターに供給される電流 (ブラシ付き機)、または変化する磁場によって閉じたローター巻線に発生する電流 (誘導機) のいずれかです。

PM マシンには、磁場を発生させるローター内に永久磁石があります。PM の磁力 (整列したスピンを持つ軌道を回る電子によって発生する) は、通常、銅コイルで可能なものよりはるかに高くなります。ただし、銅コイルに強磁性材料を充填すると、コイルの磁気抵抗が大幅に低下します。それでも、最新の PM (ネオジム磁石)によって生成される磁場は強力であるため、連続運転時の PM マシンは、ローター コイルを備えたマシンよりもトルク/体積比とトルク/重量比が優れています。これは、ローターに超伝導体を導入することで変わる可能性があります。

PM マシンの永久磁石は既にかなりの磁気抵抗を発生させているため、エアギャップとコイルの磁気抵抗はそれほど重要ではありません。これにより、PM マシンを設計する際にかなりの自由度が得られます。

通常、電気機械に短時間過負荷をかけると、コイルの電流によって機械の部品が損傷を引き起こす温度まで加熱されます。PM 機械は、コイルの電流が高すぎると磁石を消磁するほど強力な磁場が発生する可能性があるため、このような過負荷に耐えられません。

ブラシ付きマシンは、電動スロットカートラックで車に電流が供給されるのとほぼ同じ方法で、ブラシを介してローター コイルに電流が供給されるマシンです。より耐久性の高いブラシは、グラファイトまたは液体金属で作ることができます。ローターとステーターの一部を、トルクを生成せずに電流を転送する変圧器として使用することで、「ブラシ付きマシン」のブラシをなくすことも可能です。ブラシを整流子と混同しないでください。違いは、ブラシは動いているローターに電流を転送するだけですが、整流子は電流の方向を切り替えることもできます。

ローターコイルの間には鉄（通常は金属板で作られた積層鋼鉄コア）があり、ステーターコイルの間には鉄の歯があり、ステーターコイルの後ろには黒鉄があります。ローターとステーターの間の隙間も可能な限り小さくなっています。これはすべて、ローターコイルによって生成された磁場が通過する磁気回路の磁気抵抗を最小限に抑えるために行われ、これはこれらの機械を最適化するために重要です。

同期速度で固定子巻線に直流電流を流して動作する大型ブラシ付き機械は、無効電力を送電網に供給し、タービンによって始動でき、このシステム内の機械がコントローラなしで一定速度で電力を生成できるため、発電所で最も一般的な発電機です。このタイプの機械は、文献では同期機械と呼ばれることがよくあります。

このマシンは、ステータ コイルをグリッドに接続し、インバータからローター コイルに AC を供給することによっても動作させることができます。利点は、分数定格のインバータを使用してマシンの回転速度を制御できることです。この方法で動作する場合、マシンはブラシ付きダブル フィード「誘導」マシンと呼ばれます。「誘導」は誤解を招く恐れがあります。誘導によって設定されるマシンには有効な電流がないため、このマシンには有効な電流がありません。

誘導機には短絡された回転子コイルがあり、誘導によって電流が流れ、維持されます。このため、回転子は同期速度以外の速度で回転する必要があり、回転子コイルは固定子コイルによって生成される変化する磁場の影響を受けます。誘導機は非同期機です。

誘導により、電気機械では通常弱い部分であるブラシが不要になります。また、ローターの製造が非常に容易な設計が可能になります。金属シリンダーがローターとして機能しますが、効率を向上させるために、「かご型」ローターまたは閉巻線ローターが通常使用されます。非同期誘導機の速度は、負荷が増加すると低下します。これは、十分なローター電流とローター磁場を設定するために、ステーターとローター間の速度差を大きくする必要があるためです。非同期誘導機は、AC グリッドに接続すれば制御手段なしで起動して動作するように作成できますが、起動トルクは低くなります。

特殊なケースとしては、ローターに超伝導体を備えた誘導機があります。超伝導体の電流は誘導によって発生しますが、ローター電流を維持するために固定子の磁場とローターの速度の間に速度差を設ける必要がないため、ローターは同期速度で動作します。

もう 1 つの特殊なケースは、ステータ内に 2 組のコイルを持つブラシレス ダブルフィード誘導機です。ステータ内に 2 つの移動磁場があるため、同期速度や非同期速度について話すことは意味がありません。

リラクタンス マシンにはローターに巻線がなく、ステーターの「電磁石」がローターの歯を「つかんで」少し前進させることができるような形状の強磁性材料のみがあります。次に電磁石をオフにし、別の電磁石セットをオンにしてローターをさらに動かします。別名ステップ モーターとも呼ばれ、低速および正確な位置制御に適しています。リラクタンス マシンには、パフォーマンスを向上させるためにステーターに永久磁石を装備することができます。次にコイルに負の電流を送ることで「電磁石」を「オフ」にします。電流が正の場合、磁石と電流が協力してより強い磁場を作り出し、電流の最大絶対値を増やすことなくリラクタンス マシンの最大トルクを向上させます。

多相電気機械の電機子には、交流電流によって駆動される複数の巻線が含まれており、それらは等しい位相角で互いにオフセットされています。最も一般的なのは3相機械で、巻線は（電気的に）120°離れています。^[5]

3相機械には​​単相機械に比べて大きな利点がある: ^[6]

• 定常トルクは一定であるため、振動が少なくなり、耐用年数が長くなります（単相モーターの瞬間トルクはサイクルに応じて脈動します）
• 電力は一定です（単相モーターの消費電力はサイクルごとに変化します）。
• 同じ電力でサイズが小さく（したがってコストも低い）
• 3 本の線による送電では、同じ電力を2 本の線で送電する場合に必要な金属の 3/4 しか必要ありません。
• より良い力率。

3相モータの巻線相は、モータが回転するためには、例えば、相Vは相Uより120°遅れ、相Wは相Vより遅れるといった順序で通電されなければならない（U > V > W、通常の位相回転、正シーケンス）。シーケンスが逆の場合（W < V < U）、モータは反対方向に回転する（負シーケンス）。3つの巻線すべてを流れる共通の電流はゼロシーケンスと呼ばれる。3つの巻線のAC電流の任意の組み合わせは、正シーケンス、負シーケンス、ゼロシーケンスに対応する3つの対​​称電流の合計として表すことができる。^[7]

静電機械では、回転子と固定子の電荷の吸引または反発によってトルクが生成されます。

静電発電機は電荷を蓄積することで電気を発生させます。初期のタイプは摩擦機械で、後期のタイプは静電誘導によって動作する誘導機械でした。ヴァンデグラフ発電機は、今日でも研究に使用されている静電発電機です。

ホモポーラ マシンは、ブラシを通じて回転するホイールに電流が供給される真の DC マシンです。ホイールは磁場内に挿入され、電流が磁場を通ってホイールの端から中心に流れるときにトルクが生成されます。

電気機械の最適化された操作や実用的な操作のために、今日の電気機械システムは電子制御によって補完されています。

• Chapman, Stephen J. (2005). 電気機械の基礎(PDF) . McGraw-Hill 電気工学シリーズ (第 4 版). McGraw-Hill. ISBN 0-07-246523-9. 2024年1月18日閲覧。
• ヒュー・チザム編 (1911)。「電気機械」 。ブリタニカ百科事典。第 9 巻 (第 11 版)。ケンブリッジ大学出版局。pp. 176–179。本書には、電気機械の同時代の歴史と現状に関する詳細な調査が記載されています。
• Park, RH; Robertson, BL (1928). 「同期機のリアクタンス」.米国電気学会誌. 47 (2). 電気電子学会 (IEEE): 514–535. doi :10.1109/t-aiee.1928.5055010. ISSN  0096-3860. S2CID  51655013.
• Rohit, MVKM (2008). 基礎電気工学. S. Chand Limited. ISBN 978-81-219-0871-9. 2023年7月3日閲覧。
• Ritonja, Jožef (2021-04-21). 「同期発電機の動作改善のための堅牢で適応的な制御」.自動化と制御. IntechOpen. doi :10.5772/intechopen.92558.
• Iqbal, A.; Moinoddin, S.; Reddy, BP (2021). MATLAB / SIMULINK を使用した数値シミュレーションによる電気機械の基礎. Wiley. ISBN 978-1-119-68265-3. 2024年1月18日閲覧。
• Rajput, Ramesh K. (2006)。『電気機械の教科書（第 4 版）』Laxmi Publications。ISBN 978-81-7008-859-2. 2024年1月18日閲覧。