メタダイン
直流電気機械

メタダインは、 2対のブラシを備えた直流電気機械です。増幅器または回転変圧器として使用できます。第3ブラシダイナモに似ていますが、調整器または「バリエータ」巻線が追加されています。また、アンプリダインにも似ていますが、アンプリダインには補償巻線があり、負荷電流によって発生する磁束の影響を完全に打ち消します。技術的には「電機子反作用を利用するように設計されたクロスフィールド直流機械」です。メタダインは、定電圧入力を定電流・可変電圧出力に変換できます。

歴史

メタダインという語は、ギリシャ語で「電力の変換」を意味する言葉に由来する。[1]この名称は、ジョセフ・マキシマス・ペスタリーニ（イタリア語ではジュゼッペ・マッシモ・ペスタリーニ）が1928年にベルギーのリエージュで開催されたモンテフィオーレ国際コンテストに提出した論文の中で作ったと考えられているが、その論文で説明されている機械の種類は1880年代から知られていた。直流交差磁場発電機に関する最初の英国特許は、パリのAIグラビエが1882年に取得し、さらに2つの特許がE・ローゼンバーグによって1904年と1907年に取得された。[2]ローゼンバーグは後にメトロポリタン・ビッカースの主任電気技師となり、彼の機械は追加のブラシセットに短絡を適用することで交差磁場を発生させた。[3] M.オスノスは1907年にそのような機械の実用的な構成をいくつか検討し、[4]同年、フェルトンとギヨームは英国特許26,607号を取得した。この特許では補助巻線、電機子巻線、多重整流子について記述されていたが、いずれもかなり一般的な用語でしかなかった。彼はまた、これらを用いて定電圧を定電流に変換できることも示唆した。[2] 1910年以前には、マザー＆プラット、ブラウン・ボベライ、ブルース・ピーブルズも他の特許を取得していた。[5]

予備のMetadyneカーボンブラシです。個装されており、ラベルと共にプラスチックで密封されています。接続線とリングを含めた全長は115mmです。カーボンスラブの厚さは8mmです。

ペスタリーニは1922年から1930年にかけてそのような機械の理論開発に取り組んだが、その動的特性よりも静的特性に重点を置いていた。[4]彼は1930年にこのテーマに関する3本の論文をRevue Générale de l'Electricitéに寄稿し、[5]いくつかの実用的な応用が含まれていた。主要なものは、定電流出力を電気自動車の牽引モーターの制御とクレーンの操作に使用するというもので、フランスのアルストム社と共同で試験を行った後、彼はこれらの分野でいくらか実践的な経験を積んでいた。 [6] 1930年に彼はイギリスに旅行し、メトロポリタン・ヴィッカース社が彼のアイデアを採用して実用的なシステムを開発した。[4]ローゼンベルクの解決策とは異なり、後にトリノのガリレオ・フェラーリ国立電気研究所の教授となったペスタリーニは、追加のブラシを外部電源に接続して変圧器メタダインを生成した。[3]この機械は、負荷への電流によって生成された磁束が制御回路の磁束と逆方向に流れるため、電圧電流増幅器として動作した。[4] 1930年代のメトロポリタン・ヴィッカース社の開発作業はアーノルド・タスティンが主導し、同社はメタダインに関する英国特許を保有していた。[7]

ペスタリーニは1930年にも米国を訪問しているが、米国でこのシステムが使用された記録はない。エルンスト・アレクサンダーソン率いるゼネラル・エレクトリック社の技術者たちは興味を持ち、負荷電流によって生成される磁束の影響を打ち消す補償巻線を追加して設計を修正した。これにより、機械は電圧-電流増幅器から電圧-電圧増幅器に変わり、彼らは新しい派生型をアンプリダインと呼んだ。開発費は主に、艦船の砲の照準と射撃を改善するために使用された垂直安定装置の開発に対する米国海軍の契約によって賄われた。[4]同じ時期に、グラスゴーに拠点を置いていたマクファーレン・エンジニアリング社は、全く独自にクロスフィールド機械の派生型を開発し、マグニコンと名付けた。[8]

ペスタリーニは1932年1月14日にフランスでメタダイン機の特許を申請し、年末の12月23日に米国特許庁に提出した。米国特許は1934年1月30日に付与された。[9]彼は1946年11月に改良型機械に関する2番目の米国特許を申請し、1952年6月10日に付与された。[10]

手術

メタダインクロスフィールドDCマシンの3つの配置とマクファーレンのマグニコンの構造

この図はメタダイン機の3つの構成を示しています。いずれの場合も、分かりやすくするために補償巻線は省略されています。最初の構成は、1サイクルのクロスフィールド機を表しています。通常の直流機では、励磁電流の影響により磁束（A1）が発生し、これが励磁磁束と直角の直交磁束を発生させます。直交ブラシを結線することでアーマチュアに電流が発生し、これが生成する磁束（A2）は再び直交軸と直角になり、元の励磁と正反対のアーマチュア反作用が生じます。この特徴は機体にとって基本的なものであり、回転方向に依存しません。アーマチュア反作用が補償巻線によって部分的に補償される場合、アーマチュア反作用の補償されていない部分がこのように作用します。[11]出力電流が上昇するにつれて、電流を維持するのに十分な励磁が得られる状態まで、励磁の影響が抑制されます。これ以上の電圧増加は、動作を支える磁束を消失させ、負荷の抵抗や負荷によって発生する逆起電力に関係なく電流が維持される。したがって、この機械は定電流発電機として動作し、電流は励磁電圧に比例する。[12]

2番目の図は、励磁巻線がなく、代わりに直交ブラシに定電圧が接続されている機械を示しています。これにより、最初の例の励磁磁束におけるアーマチュアの回転によって生成される磁束と同様の磁束が生成されます。したがって、機械の動作は非常に似ており、出力電流は、生成される磁束が印加電圧によって生成される磁束とほぼ相殺するまで上昇します。タスティンは、入力電力と出力電力が同じであることを示しており、機械は定電圧入力を定電流出力に変換します。メタダイン発電機と同様に、メタダイン変圧器は部分的な補償が可能であり、補償が97%を超えるまで定電流装置として動作し続けます。[13]

3番目の図は、メタダインを2つの別々のモーターに接続した構成を示しており、この配置は電車のトラクションモーターの制御によく用いられました。このように接続することで、メタダインにかかる実効負荷が軽減され、より小型の装置を設置できるようになります。メタダインは「正または負のブースター」として機能します。Vccを電源電圧、V 2をメタダインの出力電圧とすると、V 2 が-Vccと+Vccの間で変化するため、負荷にかかる合計電圧は0から2·Vccまで変化します。このシステムでは、負荷の2つの半分の電流が不均衡になりやすい傾向がありますが、追加の回路抵抗のように作用する直列巻線を追加することでこれを修正できます。[14]

ローゼンバーグ発電機

ローゼンバーグ発電機は、構造と電気接続の両方においてメタダイン発電機と非常によく似ている。通常、補償巻線を持たないため、電機子反作用全体が初期励磁に対抗する。磁気回路の一部は通常積層されていないため、励磁と磁束の間に遅延が生じるが、この発電機は迅速な応答が必須ではない用途で使用される。主に車軸駆動式の列車に使用され、照明やバッテリーの充電に利用されている。[15]車軸駆動発電機は速度や回転方向の変化に左右されるが、この発電機の特性上、非常に低速でも有効なエネルギーを生成できる。低速では出力電圧は速度の2乗に比例して増加するが、磁気回路がすぐに飽和するため、速度が上昇しても増加幅ははるかに小さくなる。出力から充電されるバッテリーを含む回路で使用する場合、非常に低速のときや列車が停止しているときに、発電機を介してバッテリーが放電するのを防ぐために、整流器または逆電流遮断装置が通常必要になります。[16]

マグニコン

スコットランドのマクファーレン社が開発したマグニコンはメタダインに似ているが、メタダインが2極電機子巻線であるのに対し、マグニコンは4極重ね巻線で、短ピッチ電機子巻線を備えたメタダインと呼ばれることもある。これらは船舶のホイストやウインチの操作に供給されてきた。[17]マグニコンの固定子には、90度間隔で配置された4つの極突起があり、そのうちの1対が励磁される。励磁極と同じ軸上にあるブラシのペアは短絡し、大電流が発生する。この電流の起磁力（MMF）は非励磁極に作用し、動作磁束（Φ）と出力電圧を生成する。全ピッチメタダインと同様に、出力電流の電機子反作用は90度位相がずれているため、元の励磁と反対になる。[18]通常のメタダインに対する利点は、励磁コイルと補償コイルの数が1サイクルあたり2個ずつに半減し、コイルピッチが短いため巻線端部のオーバーハングが小さくなることである。しかし、この設計ではアーマチュアにアイドル電流が発生し、損失が発生する。また、インターポールが必要となる大型機では、各インターポールにブラシ回路ごとに1つずつ、計2つのコイルを取り付ける必要がある。タスティンは、小型機ではマグニコンがメタダインよりも優れている点はほとんどなく、インターポールの設置が必要となる大型機では、十分な分析が行われていないため判断できないと主張した。[19]

用途

メタダインは、大型砲の照準制御や電車（特にロンドン地下鉄O・Pストック）の速度制御に使用されてきた。しかし、現在はソリッドステートデバイス に取って代わられている。

トラクションコントロール

アップミンスター駅に停車中のロンドン地下鉄CP列車（赤色）。当初はMetadyne社製の制御装置を搭載し、回生ブレーキを採用した初の電気式多編成車両でした。

1930年代初頭、ロンドン地下鉄はメトロポリタン＝ヴィッカースで進められていたメタダイン装置の開発と、それがもたらす回生ブレーキの可能性を認識していた。そこで、未検証のシステムに着手する前に、1904年から1907年の間にメトロポリタン鉄道向けに製造された6両の車両を改造して試験列車を製作した。作業は1934年にアクトン工場で行われた。1台のメタダイン装置で4つのモーターを制御でき、各モーター車には2つのモーターがあったため、モーター車を2両編成にし、両端に運転台を置いた。装置を連結することで、2両編成、4両編成、6両編成の列車の試験を行うことができる。メタダイン装置の重量は約3トンで、3つの回転機、励磁機、調整器、メタダイン装置本体で構成され、機械的に連結されていた。電気的には、牽引電源が機械に供給され、その出力がモーターに供給され、始動抵抗は必要ありませんでした。[20]

試験列車は1935年から1936年にかけて走行し、メトロポリタン線とディストリクト線のほぼ全ての電化路線で試験された。構想の信頼性が証明されると、列車は旅客サービスにも使用された。回生ブレーキに加え、加速が特にスムーズであることがわかった。OおよびP車両に新システムを採用することが決定された後、試験列車は解体され、装置はグロスター鉄道車両・貨車会社によって製造された3両のバッテリー機関車[20]に取り付けられた。これは1936年から1938年の間に供給された9両の車両のうちの1両であった。始動抵抗がないため、頻繁な始動と停止による電力の浪費が削減されたため、この装置は特にバッテリー機関車に適していた。低速運転では従来の制御システムでは過熱が頻繁に発生しましたが、メタダインを搭載した機関車は、100トンの列車を3mph（4.8km/h）という低速でも問題なく長距離牽引することができました。しかし、装置の複雑さとメタダイン装置のメンテナンスの難しさから、この機関車は十分に活用されず、1977年にスクラップとして廃棄されました。[21]

O形電車の主な生産ロットは116両の電動車で、2両編成58本に編成された。試験は1937年9月にディストリクト線のハイ・ストリート・ケンジントンとパトニー・ブリッジ間で4両編成で開始され、1938年1月にはハマースミス線で6両編成が運行を開始した。6両編成の電動車が発進する際に電力供給システムに要求される負荷と、回生ブレーキ使用時にシステムに戻そうとする電力量によって、技術的な問題がいくつか発生した。この問題は、さらに58両の付随車を発注し、編成に付随車を1台ずつ挿入して2両編成を3両編成に改造することで、部分的に軽減された。その後、メトロポリタン線の列車を置き換えるためにP形の編成が発注された。O形電車とP形電車は連結可能だったが、特にメタダインユニットは同じではなく、製造間での交換はできなかった。 1950年代初頭には、この方式は深刻な欠点となり、一連の故障が発生し、大規模な修理が必要となりました。そこで、この装置を撤去し、1938年製の車両から予備の制御装置を用いて空気圧カムモーター（PCM）システムに交換することが決定されました。改造された最初の列車は1955年3月31日に運行を開始し、この車両にはCO/CP両バッチの車両が含まれていたため、CO/CP車両に再指定されました。その後、メタダイン装置はすべて交換されました。[22]

1936年にO系電車に導入されたメタダインシステムは、数々の欠点を抱えながらも、電気式多連装ユニットに回生ブレーキを搭載した世界初のシステムでした。始動抵抗を切り替える従来の列車よりも加速がスムーズで、ブレーキ時にはメタダイン装置が線路に電力を戻し、必要に応じて他の列車が利用できました。しかし、状況は常に理想的とは限らず、変電所は回生ブレーキに対応できる設計ではなかったため、列車はしばしば抵抗バンクで電力を消費するレオスタティックブレーキに切り替えられました。また、装置の重量も大きな欠点でした。[1]

銃規制

第二次世界大戦直前の時期には、動力式銃砲制御装置への関心が高まっていたが、軍当局は戦場で維持管理が必要となる複雑なシステムの導入に不安を抱いていた。しかし、航空機の速度向上に伴い、サーチライト、対空砲、両用艦砲の動きを追尾するために、より高速に移動する必要性が高まり、何らかの動力式制御装置が不可欠となった。技術者たちは、砲架に搭載された砲などの重量のある装置が、入力信号の変化と砲架の実際の位置との間の遅延を最小限にしながら、入力信号をスムーズかつ正確に追尾できるようにするという課題に直面していた。砲は常に目標に照準を合わせ、その状態を維持するために適切な速度で移動する必要があった。[23]

人間の操作者はエラーを予測し、システムの動作における既知の遅れを補正することもできます。この動作の模倣は、電子信号と低電力電気機械システムでは達成されていましたが、銃の制御は完全に異なるスケールでした。機械は数トンの重さがあり、大きな慣性を持ち、毎秒最大30度の速度と毎秒10度の加速度で動く必要がありました2。 1937年、海軍本部はメトロポリタン・ヴィッカースに8砲身ポンポン砲の制御システムを発注しました。ペスタリーニはイタリア海軍向けに同様のシステムを開発していました。元の設計では、1台のメタダインを使用して、数門の砲に搭載されたモーターの電機子に一定の電流を供給していました。その後、各砲は手動で界磁電流を調整することで制御されました。設計作業のほとんどを行ったタスティンは、界磁巻線のインダクタンスのために、システムの時定数が大きいことを発見しました。応答性を向上させるため、彼は界磁巻線に定電流を供給し、各モータの電機子電流を制御するために部分補償型メタダインを使用した。タスティンはウォード・レナードの制御システム、メタダインとアンプリダインを比較し、それぞれに長所があることを認めたが、トラクション制御で長年使用してきたメタダインを優先した。[7]

参照

参考文献

注記

  1. ^ ブルース 1970、165ページ
  2. ^ タスティン 1952、163ページより
  3. ^ ab Dummelow 1949、p. 156
  4. ^ abcde Bennett 1993、p. 10
  5. ^ タスティン 1952、300ページより
  6. ^ タスティン 1952年、163-164頁。
  7. ^ ベネット 1993、131ページ
  8. ^ タスティン 1952年、164ページ
  9. ^ 「特許US1945447 - 電動モーターの制御」. 米国特許庁. 2013年3月10日閲覧。
  10. ^ 「特許US1945447 - Metadyne Motor」. 米国特許庁. 2013年3月10日閲覧。
  11. ^ タスティン 1952年、179ページ。
  12. ^ タスティン 1952年、180～181頁。
  13. ^ タスティン 1952年、181～182頁。
  14. ^ タスティン 1952年、182～183頁。
  15. ^ タスティン 1952年、183～184頁。
  16. ^ タスティン 1952年、185～186頁。
  17. ^ タスティン 1952年、187ページ。
  18. ^ タスティン 1952年、189～190頁。
  19. ^ タスティン 1952年、190～191頁。
  20. ^ ブルース 1970、134～135ページ
  21. ^ ブルース 1987、30ページ
  22. ^ ブルース 1970、135～136ページ。
  23. ^ ベネット 1993年、130～131頁。

参考文献

  • ベネット、スチュアート (1993).制御工学の歴史 1930-1955 (IEE制御工学シリーズ47) . ピーター・ペルグリナス. ISBN 978-0-85329-012-4。
  • ブルース、J・グレアム（1970年）『蒸気機関から銀へ』ロンドン交通局。ISBN 978-0-85329-012-4。
  • ブルース、J・グレアム（1987年）『ロンドン地下鉄の働き者』キャピタル・トランスポート社、ISBN 978-0-904711-87-5。
  • ダフィー, MC (2000–2001). 「鉄道牽引におけるメタダイン」.ニューコメン協会紀要. 72 (2): 235– 264. doi :10.1080/03720187.2000.12023614. S2CID  114688257.
  • ダメロウ、ジョン (1949). メトロポリタン・ヴィッカース電気会社 (1899-1949). メトロポリタン・ヴィッカース. 2016年3月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  • Tustin, A (1952).制御システム用直流機. E. & FN Spon.
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