マグニートー
1925 年頃に作られた手回しマグネトーのデモンストレーション。ジュネーブ市科学博物館に展示されている。
1870年頃のSociété de l'Alliance社製アークランプ用2kWマグネト発電機

マグネトー発電機は、永久磁石を用いて周期的な交流パルスを発生させる発電機です。ダイナモとは異なり、マグネトー発電機には直流電流を生成する整流子が備えられていません。マグネトー発電機はオルタネーターの一種に分類されますが、通常は永久磁石ではなく界磁コイルを使用する他の多くのオルタネーターとは別物とされています。

手回し式のマグネト発電機は、電話システムに呼び出し音電流を供給するために使用されていました。マグネトは、ガソリン駆動の内燃機関の点火システムに高電圧パルスを発生させ、点火プラグに電力を供給するためにも使用されていました。[ 1 ]このような点火マグネトの使用は現在、芝刈り機やチェーンソーなど低電圧電気システムを持たないエンジンや航空機エンジンに主に限定されています。航空機エンジンでは、点火を他の電気システムから独立させることで、オルタネーターやバッテリーが故障した場合でもエンジンが継続して作動します。冗長性のため、事実上すべてのピストンエンジン航空機には 2 つのマグネトシステムが装備されており、各システムが各シリンダーの 2 つの点火プラグの 1 つに電力を供給しています。

マグネト発電機は、アーク灯システムや灯台などの特殊な独立電源システムに使用され、その簡便さが利点となっていました。しかし、ダイナモやオルタネーターと同等の目的、あるいは同等の規模で、大規模発電用途に広く利用されることはありませんでした。発電用途に使用されたのは、ごく限られた特殊なケースに限られます。

歴史

1831年、ファラデーは移動する磁場から電流を発生させることを実証しました。磁気から電流を発生させた最初の機械は永久磁石を用いていました。後に、電磁石を用いて磁場を発生させるダイナモが開発されました。1832年にイポリット・ピクシーが製作した機械は、回転する永久磁石を用いて2つの固定コイルに交流電圧を誘導しました。[ 2 ]

電気めっき

ウールリッチ発電機の整流子

工業プロセスに使用された最初の電気機械は、マグネト発電機、ウールリッチ発電機でした。[ 3 ] 1842年、ジョン・スティーブン・ウールリッチは、電池ではなく発電機を電気メッキに使用することで英国特許9431を取得しました。機械は1844年に製造され、バーミンガムのエルキントン工場にライセンス供与されました。[ 4 ]このような電気メッキは、ボタン、バックル、その他の小型金属製品の製造である バーミンガムの玩具産業の重要な分野へと発展しました。

現存する機械は、軸方向磁界を持つ4つの馬蹄形磁石から磁界を印加する。回転子には10個の軸方向ボビンがある。電気めっきには直流電圧が必要なため、通常の交流マグネトは動作しない。ウールリッチの機械は、出力を直流に整流するための整流子を備えている点が特徴的である。

アーク照明

ド・メリタンスの「リング巻き」アーマチュアと単極片
ロンドン科学博物館のサウター灯台にある発電機。フレデリック・ヘイル・ホームズが製作。

初期のダイナモのほとんどは双極型[注 1 ]であったため、電機子が2つの極を通過する際に出力が周期的に変化しました。

十分な出力を得るために、マグネト発電機はより多くの極、通常はリング状に配置された8個の馬蹄形磁石からなる16極を使用しました。利用可能な磁束は磁石の冶金学的制約により制限されるため、唯一の選択肢は磁石の数を増やして磁界を増加させることでした。それでも出力が不十分だったため、追加のローターディスクが車軸に沿って軸方向に積み重ねられました。これにより、各ローターディスクが少なくとも高価な磁石2個分の磁束を共有できるという利点がありました。ここに示す機械は、8枚のディスクと9列の磁石、つまり合計72個の磁石を使用しています。

最初に使用されたローターは、1極につき1つ、計16個の軸方向ボビンとして巻かれていました。双極型ダイナモと比較すると、極数が多いため回転あたりの出力が滑らかになるという利点があり[注 2 ] 、これはアークランプの駆動に有利でした。こうしてマグネトー発電機は照明用発電機として小さなニッチ市場を確立しました。

ベルギーの電気技師フロリス・ノレット（1794年 - 1853年）は、このタイプのアーク照明発電機で特に有名になり、それを製造するためにイギリスとフランスの合弁会社であるソシエテ・ド・ラリアンスを設立しました。

フランスの技術者オーギュスト・ド・メリタンス（1834–1898）は、この目的のためにマグネト発電機をさらに発展させました。[ 5 ]彼の革新は、それまで個々のボビンに巻かれていた回転子コイルを「リング巻き」の電機子に置き換えたことでした。[ 6 ]これらの巻線は、グラムリングに似たセグメント化された鉄心に配置され、単一の連続した輪を形成しました。これにより出力電流がより均一になり、アークランプにとってさらに有利になりました。[ 7 ]

灯台

オーギュスト・ド・メリタンスの灯台発電機

ド・メリタンスは現在、灯台専用の磁気発電機の製造で最もよく知られています。これらの発電機は、その簡素さと信頼性、特に整流子を必要としないことで高く評価されました。[ 7 ]灯台の海中では、それまでダイナモ発電機で使用されていた整流子が常にトラブルの原因となっていました。当時の灯台守は、たいてい半引退した船員であり、これらの複雑な機械を保守できるほどの機械的・電気的技能を持っていませんでした。

図示されたド・メリタン磁気発電機は、「リング巻き」アーマチュアを示しています。ローターディスクが1枚しかないため、各馬蹄形磁石は個々の磁石の積層体で構成されますが、一対の磁極片を介して作用します。

自励ダイナモ

ワイルド マシンでは、小さなマグネト (上部) が下部の大きなオルタネーターの界磁コイルに電力を供給します。

ダイナモとオルタネーターは、界磁コイルを駆動するための電源を必要とします。これは、何らかの「ブートストラッピング」処理なしに、発電機の出力から供給することはできません。

イギリス、マンチェスター出身の電気技師ヘンリー・ワイルドは、マグネト発電機と電磁石発電機を組み合わせたものを開発した。マグネト発電機は、大型のオルタネーターに磁場を供給するためだけに使用された。これは、ランキン・ケネディの著書「Electrical Installations」に図解されている。 [ 8 ]ケネディ自身は、船舶の照明用に、ダイナモとマグネト発電機を同じシャフトに組み込んだ、よりシンプルなバージョンを開発した。[ 9 ]ここでのケネディの革新性は、ブラシギアがまったく不要になったことである。マグネト発電機で発生した電流は、回転シャフトに取り付けられた電線によってダイナモの回転界磁コイルに送られる。ダイナモの出力は、ステーターコイルから取り出される。これは、従来のダイナモとは逆の構造だが、ブラシギアが不要になる。

ヴァーリー、シーメンス、ホイートストンによる自己励磁磁場の発明により、磁気励磁機は不要になった。界磁コイルの鉄製アーマチュアに残留する小さな磁場が弱い永久磁石として作用し、磁気発電機として機能する。発電機のシャント配線は出力電流の一部を界磁コイルに戻し、出力を増加させる。これにより、磁場は再生的に「蓄積」されるが、完全に蓄積されるまでには20～30秒かかる場合がある。[ 10 ]

ここでのマグネト発電機の使用は現在では廃止されていますが、高出力発電機には出力制御が容易なため、独立した励磁機が依然として使用されています。これは特にディーゼル電気機関車の変速機でよく見られます。

発電

マグネトーは簡素性と信頼性という利点を持つものの、永久磁石から得られる磁束の大きさによってサイズが制限されます。固定励磁方式のため、同期送電網で運転する場合、端子電圧や無効電力の制御が困難でした。そのため、高出力用途への使用は限定的でした。発電用マグネトーは、アーク灯や灯台への電力供給など、出力安定性や信頼性といったマグネトー特有の特性が最も重視される狭い分野に限定されていました。

風力タービン

小型風力タービン、特に自作設計では、発電用にマグネトオルタネータが広く採用されています。[ 11 ] [ 12 ]発電機は、3相ステータとブリッジ整流器を備えた回転するネオジム希土類磁石を使用して直流電流 (DC) を生成します。この電流は、水を直接汲み上げるか、バッテリーに蓄えられるか、商用電力網に供給できる主電源インバータを駆動します。一般的な設計は、自動車のブレーキディスクとハブベアリングを再利用した軸方向磁束発電機です。マクファーソンストラットが方位ベアリングを提供し、タービンを風上に導きます。[ 13 ]希土類磁石が取り付けられたブレーキディスクが回転してアーマチュアを形成します。この横に、複数の軸方向コイルを備えた合板ディスクが配置され、その後ろに鉄製のアーマチュアリングが配置されます。

100kWからMWの範囲の大型の現代の風力タービン用に開発された機械は永久磁石同期発電機と呼ばれています。[ 14 ]

自転車

マグネトー発電機の一般的な用途の一つは、自転車のライトやUSB電源機器への電源供給です。最も一般的なのは、ボトルダイナモと呼ばれる小型のマグネトー発電機で、自転車のタイヤに接触することで車輪の回転に応じて発電します。より高価で普及率が低いものの、より効率的なのがハブダイナモです。ハブダイナモは、車輪のハブ内部のクローポールケージ内の銅コイルの周囲でネオジム磁石を回転させます。一般的にダイナモと呼ばれるこれらの装置は、実際にはマグネトー発電機であり、真のダイナモが直流を生成するのに対し、交流電流を生成します。

医療用途

マグネトーは、電気医学の黎明期において、精神疾患の治療にも応用されていました。1850年、フランスの医師デュシェンヌ・ド・ブローニュは、神経学の臨床実験のために、手動で回転数を変えたり、2つのコイルのインダクタンスを変えたりすることで、外部電圧と周波数を可変できるマグネトーを開発・製造しました。

点火マグネト

点火プラグ用の高電圧インパルスを生成するマグネトーは、火花点火ピストンエンジンの点火システムに使用されています。マグネトーは信頼性と簡便性から、航空機のピストンエンジンに使用され、多くの場合2台で使用されます。オートバイやスノーモービルなどのモータースポーツ車両では、バッテリーに依存する点火システムよりも軽量なマグネトーが使用されることがあります。芝刈り機、チェーンソー、ポータブルポンプなどの小型内燃機関では、経済性と軽量化のためにマグネトーが使用されています。マグネトーは、始動用バッテリーを搭載した高速道路用自動車には使用されていません。これらの自動車では、マグネトーシステムでは対応できない高度な点火時期制御が必要になる場合がありますが、高度なソリッドステートコントローラーが普及しつつあります。

電話

スウェーデンの電話（1896年頃）。マグネトーの手回しハンドルが右側にある。

磁気交換機のローカル電池ステーションサービス用の手動電話機には、中央局の交換手に警告を発したり、同じ（パーティ）回線上の他の電話機のベルを鳴らしたりするための交流電圧を生成する、手回し式の磁気発電機が装備されていました。

将来の可能性

現代の希土類磁石の開発により、磁界強度を大幅に向上させることができるため、シンプルなマグネトオルタネータは発電機としてより実用的な提案となりました。磁石は小型で軽量であるため、通常は回転子を形成し、出力巻線を固定子上に配置することでブラシギアを不要にすることができます。

誘導ミサイル

1980年代後半には、初期の希土類元素であるサマリウム・コバルトなどの磁性材料の発展により、永久磁石式発電機は極めて堅牢な発電機を必要とする用途に用いられるようになりました。誘導ミサイルにおいては、このような発電機は磁束スイッチング式発電機の代替として用いられます。[ 15 ]これらの発電機はタービンに直接結合され、高速で動作する必要があります。どちらのタイプも、出力コイルがステーターの一部であるためブラシギアが不要という共通の利点を持っています。

参照

注記

  1. ^双極磁場から多極磁場への発展については、関連する双極磁場モーターを参照してください。
  2. ^実際にはより高い AC 周波数です。

参考文献

ウィキメディア コモンズには、マグネトスに関連するメディアがあります。
  1. ^セリモ・ロメオ・ボットーネ (1907).自動車運転者のためのマグネトー、その製造法と使用法：自動車運転者のニーズに合わせたマグネトーの製造と適応に関する実践的指導ハンドブック. C. ロックウッドと息子.
  2. ^アルフレッド・ウルバニツキー（リッター・フォン）、リチャード・ワーメル著『人間のための電気：現代生活における電気の応用に関する一般向けかつ実用的な論文』、カッセル・アンド・カンパニー社、1886年、227ページ、Googleブックスでプレビュー
  3. ^ 「ウールリッチ発電機」。バーミンガム・ストーリーズ。シンクタンク。 2015年4月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年9月12日閲覧。
  4. ^ Hunt, LB (1973年3月). 「金メッキの初期の歴史」 . Gold Bulletin . 6 (1): 16– 27. doi : 10.1007/BF03215178 .
  5. ^ 「メリテンス、オーギュスト・ド男爵」。技術史人物辞典。
  6. ^上記の文の一部または複数には、現在パブリックドメインとなっている出版物からのテキストが含まれています：  Hawkins, Charles Caesar (1911). " Dynamo ". In Chisholm, Hugh (ed.). Encyclopædia Britannica (11th ed.). Cambridge University Press.
  7. ^ a bケネディ、ランキン（1903年）『電気設備』第3巻（1903年（全5巻）版）ロンドン：キャクストン、pp.  205– 206。
  8. ^ケネディ『電気設備』第3巻、1903年、207ページ
  9. ^ケネディ『電気設備』第3巻、1903年、208ページ
  10. ^クロフト、テレル(1917).電気機械. マグロウヒル. p.  7 .
  11. ^ピゴット、ヒュー（2005年）『風力タービンの作り方』
  12. ^ピゴット、ヒュー（2009年）「風力タービンレシピブック：軸流風車設計図」
  13. ^ 「トリプレット - 直径10フィートのブレーキディスク風力タービン | Otherpower」。
  14. ^ Schiemenz, I.; Stiebler, M. (2001). 「可変速風力エネルギーシステムで使用される永久磁石同期発電機の制御」IEMDC 2001. IEEE 国際電気機械・駆動会議 (Cat. No.01EX485) . p. 872. doi : 10.1109/IEMDC.2001.939422 . ISBN 0-7803-7091-0. S2CID  110847930 .
  15. ^ Lee, RG; Garland-Collins, TK; DE Johnson; E. Archer; C. Sparkes; GM Moss; AWMowat (1988). 「電力供給」.誘導兵器. 第1巻. Brassey's . p. 58. ISBN 0-08-035828-4。{{cite book}}:|work=無視されました (ヘルプ)
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