MC-B1 · 直流機の原理

直流機と整流子

磁場の中で回るコイルの起電力は本来交流だ。整流子がその交流をどう直流に裏返すか、転換の時点を自分で選んで確かめる。

外部で直流を得るにはいつ接続を変えるべきか

コイル内の起電力は半回転ごとに符号が裏返る交流だ。ブラシがコイルとの接続を入れ替える時点を三通り置いてみよう。外部端子がきれいな直流を見るのはどの時点か。

タップで転換の時点を選ぶ。上の波形が外部端子電圧。

外部端子が見る電圧

e_ext = sin θ

接続を一度も変えなければ、外部はコイル内の交流をそのまま見る。半回転ごとに正負を行き来する sin θ、直流ではない。

ずれている

回転導体の起電力は交流

磁場の中でコイルが回ると鎖交磁束が回転角で変わり、誘導起電力は e = -dΦ/dt だ。導体が磁束を最も速く横切るとき起電力は最大、磁束に沿うとき0。半回転すると導体の運動方向が磁場に対して裏返り、起電力の符号も裏返る。だからコイル内の起電力は本来交流だ。

観察e(θ) ∝ sin θ

回転導体の起電力は角度の正弦、交流。

整流子がゼロ交差で接続を裏返す

整流子は二つに割った輪で、コイルと共に回る。固定されたブラシは、コイルが磁場と並んで起電力が0になる瞬間に次の片へ移る。まさにその時、外部との接続が入れ替わる。コイル起電力が負へ向かっても接続が裏返っているので、外部端子は常に同じ極性を見る。起電力が0の瞬間に変えるので火花も小さい。

選ぶ転換 θ = ?

整流子は起電力が0のゼロ交差で転換する。

空欄e_ext = ?

外部起電力は整流され正弦の絶対値。

導体を増やせば滑らかな直流と大きな起電力

コイル一つは |sin θ| 形で大きく脈動する。スロットと整流子片を増やして多数のコイルを重ねると、位相の異なる脈動が合わさってほぼ平滑な直流になり、平均起電力も大きくなる。整理すると平均誘導起電力は E = (P Φ Z N) / (60 a)。ここで P は極数、Φ は極あたり磁束、Z は全導体数、N は回転数、a は並列回路数だ。

自分でE = ?

平均誘導起電力は磁束・導体数・回転数の積形。

最初の画面に戻ると

外部がきれいな直流を見たのはゼロ交差で接続を変えたときだけだった。変えなければ交流のまま、見当違いの時に変えれば負にえぐれた。整流子の核心は、起電力が0になるまさにその瞬間に外部接続を裏返すタイミングだ。すると、コイルが負へ向かっても外部は正を保ち、交流起電力が脈動直流に変わる。直流機は回転で作った交流を機械的に整流する装置だ。

直流機：磁場の中で回るコイルの起電力は交流(e ∝ sin θ)だが、整流子が起電力0のゼロ交差の瞬間にブラシ接続を入れ替え、外部で一方向(脈動直流 |sin θ|)にする。導体と整流子片を増やせば脈動が平滑になり、平均誘導起電力は E = P Φ Z N / (60 a)。

この整流作用をつかむと

整流子は直流機の心臓だ。同じ機械を逆に使えば、外部の直流が整流子を通ってコイルに入り一方向のトルクを作る直流電動機になる。ただし電機子電流が作る磁束が主磁束をゆがめ整流時点がずれる。これが次のユニットの電機子反作用の問題だ(MC-B2)。そこでゼロ交差がどう押され、どう補正するかを見る。