発電機とダイナモ

電気を初めて実用化した部品の開発と歴史
1.）仕組み：
The Dynamo
発電機
2) ダイナモと発電機の歴史:
3. 動画

電気を初めて実用化した部品の開発と歴史

Dynamos and Generators convert mechanical rotation into electric power.

Dynamo – device that makes direct current electricity power using electromagnetic.とある。発電機としても知られていますが、発電機という用語は通常、交流電力を作り出す「オルタネータ」を指します。

ジェネレーター – 通常、この用語は、電磁気を使って交流電力を作り出すオルタネーターを説明するために使用されます。

ジェネレーター、ダイナモ、バッテリーは、人間が使用する相当量の電力を生成/蓄積するために必要な 3 つのツールです。電池は紀元前248年頃には発見されていたかもしれません。化学反応を利用して電気を作り、蓄えるという単純なものだ。科学者たちは電池を使って、初期の白熱灯、電気モーター、電車、科学実験などを発明した。しかし、電池は信頼性が低く、通常の電気使用に対して費用対効果も低かったため、ダイナモが電気を好奇心から収益性の高い信頼できる技術に根本的に変えました。

1.仕組み
2.ダイナモと発電機の歴史
3.発電機の動画

1.）仕組み：

基本：

まず、タービン（落水動力）、風力タービン、ガスタービン、蒸気タービンなどの機械的な動力源が必要です。

ダイナモや発電機は、電磁気という荒々しい複雑な現象を利用して動作しています。電磁気学の挙動、その場とその効果を理解することは、大きな研究対象です。ボルタが初めて電池を発明してから、強力な発電機ができるまで60年もかかったのには理由があるのです。

最も基本的な意味で、発電機/ダイナモは、ある磁石が別の磁石の磁場の影響を受けながら回転しているものです。磁界を見ることはできませんが、磁束の線を使って説明されることがよくあります。上の図では、磁束の線は鉄粉によって作られた線に沿っています。

発電機/ダイナモは、強力な磁場を作り出す静止磁石（ステーター）と、ステーターの磁力線を歪めて切り裂く回転磁石（ローター）で構成されています。

でも、なぜ？

ファラデーの誘導の法則により、磁場の中でワイヤを前後に動かすと、磁場が金属の中の電子を押す。銅は27個の電子を持っており、軌道上の最後の2個は次の原子に押し出されやすい。この電子の移動が電気の流れです。

ワイヤに電流が誘導される様子を示した下のビデオをご覧ください：

コイルなどたくさんのワイヤを取って磁場の中で動かせば、より強力な電子の「流れ」が生まれます。発電機の強さは、

“l”- 磁界中の導体の長さ
“v”-導体の速度（ローターの速度）
“B”-電磁場の強さ

この式を使って計算することができるのです。 e = B x l x v

これらの式はビデオでご覧ください：

磁石について：

上の写真は、ソレノイドと呼ばれる単純な電磁石です。ソレノイドという言葉は、実際にはコイル状の線が作る筒状の形状を表しています。

磁石は通常、天然の磁鉄鉱や永久磁石を使ったものではなく（小型発電機でなければ）、鉄芯に銅線またはアルミ線をコイル状に巻いたものです。磁石にするためには、それぞれのコイルに何らかの電力を通電する必要があります。この鉄の周りに巻いたコイルをソレノイドと呼びます。ソレノイドが天然の磁鉄鉱の代わりに使われるのは、ソレノイドの方が圧倒的に強力だからです。小さなソレノイドで非常に強い磁場を作ることができます。

上。発電機の電線のコイルは絶縁されていなければならない。発電機の故障は、温度が上がりすぎて絶縁が破壊され、平行線との間で短絡が発生することが原因です。電線について詳しくはこちら >

用語解説
電磁気学 – 帯電した粒子の間に起こる力の研究
ローター – ダイナモの発電機の一部で回転するもの
アーマチュア – ロータと同じ
フラックス – 磁場の強さの線、それは密度で測定される。 SI単位はウェーバー
固定子 – 発電機/ダイナモの磁石で動かないもの、静止磁場を作る
ソレノイド – 鉄/フェリスコアの周りにワイヤコイルで作った磁石（ソレノイドは技術的にはこの磁石の形状を意味するが、技術者は同じようにソレノイドと電磁石のことを呼ぶ。
Commutator – 詳細はこちら
Torque – 回転運動における力

誘導のページもご覧ください。

The Dynamo

Dynamo とは、直流電力を作り出す発電機を表す古い言葉です。直流電力は電子を一方向にしか送らない。単純な発電機の問題は、ローターが回転するとき、最終的に完全に回転してしまい、電流が逆になってしまうことです。初期の発明家たちは、この交流電流をどうしたらよいのかわかりませんでした。交流電流は、モーターや照明の制御や設計がより複雑なのです。そこで、発電機のプラスのエネルギーだけを取り込む方法を考え、整流子を発明したのです。整流子は、電流を一方向にしか流さないようにするためのスイッチです。

整流子がどのように働くかについては、以下のビデオをご覧ください：

ダイナモは、ステータ、アーマチュア、整流子の3つの主要コンポーネントから構成されています。

ブッシュは整流子の一部で、ブラシは回転アーマチュアに接触しながら電気を通しているはずです。最初のブラシは、小さなワイヤで作られた実際のワイヤ「ブラシ」でした。

固定子は磁場を作る固定構造で、小さな発電機では永久磁石を使用してこれを行うことができます。大型のダイナモは電磁石が必要です。
電機子はコイル状の銅線でできており、固定子が作る磁界の中で回転します。巻線が動くと磁力線が切断されます。

整流子は直流を発生させるために必要である。直流では電力は電線を通して一方向にしか流れないが、問題はダイナモの回転電機子が半回転ごとに電流を反転させることで、整流子はサイクルの反転電流部分の電力を切り離す回転スイッチとなる。

自己励磁：

ダイナモの磁石はソレノイドなので、動力を与えなければ動作しない。そのため、主回路に出す電力を叩くブラシの他に、電機子から電力を得て固定子の磁石に電力を供給するブラシがもう1組あります。

アーマチュアが鉄芯に磁気を保持していることがあり、それが回り始めると、ステーターのソレノイドを励磁するのに十分な、わずかな電力が発生するのです。

電機子の鉄心に磁気が残っていない場合、電池を使ってソレノイドを励磁し、発電を開始させることがよくあります。これを「界磁フラッシング」といいます。

以下、ダイナモの配線について説明しますが、ソレノイドの電源の取り方が違うことに気がつくと思います。

ダイナモの配線には直列巻きと並列巻きの2つの方法があります。

以下は、上の図に似た小型のシンプルなダイナモ（1890年代に作られた）のビデオです：

発電機

発電機がダイナモと異なる点は、AC電源を生成している点です。交流電力では、電子は両方向に流れます。 1890年代になるまで、技術者は直流電力に対抗できる強力なモーター、変圧器、その他の交流電力を使用できる装置を設計する方法を見つけ出していませんでした。

オルタネーターが整流子を使うのに対して、発電機はブラシ付きのスリップリングを使ってローターから電力を引き出します。スリップリングには、グラファイトまたはカーボンの「ブラシ」が取り付けられており、ブラシをリングに押し付けるためにバネが使用されています。これにより、電力は常に安定して流れます。

以下は、スリップリングとブラシに関するビデオで、古いものから新しいものまで多くの例があります。

1860年代のGrammeの時代から、発電機/ジェネレータを作る最善の方法は、広い円の周りに磁気コイルを配置し、広い回転電機子を持つことだと考え出されていました。これは、デバイスがどのように動作するかを教えるために使用される単純な小型ダイナモの例とは異なっているように見えます。

下の写真では、電機子にある1つのコイル（残りは修理のために取り外された）と、固定子に組み込まれた他のコイルがはっきりと見えますね。三相は発電機の設計によって作られる。

三相発電機を作るには、固定子と電機子に一定の数の磁石を、すべて適切な間隔で配置する必要があります。電磁気学は波や水を扱うように複雑なので、設計を通じてフィールドをコントロールする方法を知る必要があります。磁石が鉄心に不均一に引き寄せられる、磁場の歪みの計算が不適切（回転が速いほど磁場が歪む）、電機子コイルのスプリアス抵抗、その他無数の潜在的問題があります。

Why 3 phase? 相についてもっと知りたい、なぜ3相を使用するのか知りたい場合は、電力伝送のパイオニアLionel Bartholdのビデオを見てください。

2) ダイナモと発電機の歴史:

発電機は、1820年代のマイケルファラデーとジョセフヘンリーによる仕事から発展しました。この2人の発明家が電磁誘導の現象を発見して記録すると、ヨーロッパと北米の他の人たちによる実験につながりました。

1832 – Hippolyte Pixii (フランス) が整流子を使用して最初のダイナモを作り、彼のモデルは無電流の間に電気のパルスを発生させました。彼はまた、偶然にも最初のオルタネータを作りました。彼は変化する電流をどうしたらよいかわからず、直流電力を得るために交流をなくそうとすることに集中し、これが整流子を作ることにつながりました。
1830年代～1860年代 – バッテリーは、その時代に行われていたさまざまな実験のために電気を供給する最も強力な方法です。電気はまだ商業的に成立しない時代だった。ワシントンDCからボルチモアまで電池で動く電気列車が失敗し、電気という新しい分野に対して大恥をかいたことが証明されました。何百万ドルもかけて、蒸気がより良い動力源であることが証明された。 1860年 – アントニオ・パチノッティが、連続的な直流電力を供給するダイナモを開発
1867 – ヴェルナー・フォン・シーメンスとチャールズ・ウィートストーンが、弱い永久磁石の代わりに固定子に自己発電式電磁石を使用した、より強力で有用なダイナモを作成
1871 – ゼノベ・グランメが電気の商業革命に火をつけました。彼は磁場を鉄心で満たし、磁束の通り道を作った。これは、それが多くの商用アプリケーションに使用可能であったポイントにダイナモの力を増加させた。
1870s – ダイナモの新しいデザインの爆発があった、デザインは野生の品揃え、効率で優れているとして際立っていた唯一のいくつか
1876 – チャールズFブラシ（オハイオ）はその時点でこれまでに最も効率と信頼性のダイナモのデザインを開発しました。彼の発明は、電信供給会社を通じて販売されました。
1877年 – フランクリン研究所（フィラデルフィア）は、世界中のダイナモのテストを実施しました。このイベントがきっかけとなり、エリフ・トムソン、ケルビン卿、トーマス・エジソンなどの開発に拍車がかかる

上図。 1878年 – Ganz Companyがブダペストの小規模な商業施設で交流発電機を使用し始める。
1880 – Charles F. Brushが5000以上のアーク灯を稼働させ、全世界のランプの80パーセントを占めた。

1880-1886 – ジーメンス、サバスティアン・フェランティ、ルシアン・ゴーラールらによりヨーロッパで交流システムが開発される。儲かるアメリカ市場では直流ダイナモが君臨し、多くの人が交流への投資に懐疑的でした。交流発電機は強力だが、発電機単体では最大の問題ではない。交流発電機は強力だが、発電機だけの問題ではなく、交流電力の制御と配電のシステムを改善しなければ、直流発電機と市場で競合することはできないのである。

1886 – 北米市場において、ウィリアム・スタンレー、ジョージ・ウェスティングハウス、ニコラ・テスラ、エリフ・トムソンなどの発明家が独自のACシステムおよび発電機の設計を開発。彼らの多くは、シーメンスやフェランティの発電機を研究の基礎としていました。ウィリアム・スタンレーは、最初の実験で使用したシーメンス発電機に満足できなかったため、より優れた発電機をすぐに発明することができた。

上図。

1886-1891 – C.S.ブラッドリー（米国）、アウグスト・ハセルワンダー（ドイツ）、ミハイル・ドリボ・ドブロフスキー（ドイツ/ロシア）、ガリレオ・フェラーリス（イタリア）などにより多相交流発電機が開発されます。より優れた制御と強力な電気モーターを含むACシステムにより、ACが競争力を持つ。

1891 – 三相交流電力がフランクフルトの国際電気技術博覧会で発電と分配のベストシステムだと証明される。

展示会で使用されたMikhail Dolivo-Dobrovsky設計の三相発電機が左側に見える。
1892 – Charles P. SteinmetzがAIEEでヒステリシスに関する論文を発表。 Steinmetzの交流電力の数学の理解が出版され、大型交流発電機を含む交流電力システム設計に革命をもたらす

1890s – 商用販売と研究費により、発電機設計が急速に改善される。ウェスティングハウス、シーメンス、エリコン、ゼネラルエレクトリックが世界で最も強力な発電機を開発する。 115年後の現在も稼動している発電機もある。 (Mechanicville, NY)