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交流発電機の仕組み:コイル回転からブラシ接点・電圧波形まで

発電機は機械エネルギーを電気エネルギーに変換しますが、具体的にどう変換されるのでしょうか。磁場中でコイルを回転させると、コイルを鎖交する磁束が変化し、誘導起電力(EMF)が発生して電流が流れます(電流の向きはコイル回転方向または磁界方向により、フレミングの右手の法則で決定)。

コイル両端に電球を接続すると、磁束変化のたびに電流が流れて点灯します。しかしこの構造ではコイルが連続してねじれ、断線してしまいます。そこで「ブラシ接点(スリップリング)」を用います。これは初歩的な単巻線発電機の例です。

交流発電機の仕組み:コイル回転からブラシ接点・電圧波形まで

「ブラシ接点(スリップリング)」とは?なぜ必要?

コイルの両端に取り付けられるスリップリングは、固定側と回転側の導体間で電気的接点を維持し、固定側電源から回転部へ電力を供給したり、回転コイルで生じた交流起電力を炭素ブラシ経由で外部回路へ取り出したりするためのものです。

コイルの可変位置と誘導起電力の変化

コイルの法線と磁力線の角度変化により、誘導起電力の大きさが変化します。これはコイルを通る磁束の変化率に依存します。以下はコイル位置を0°〜180°、さらに180°〜360°まで示した図です。
交流発電機の仕組み:コイル回転からブラシ接点・電圧波形まで

0°位置(中性面)

コイルが磁力線と平行。最大磁束が鎖交するが、磁束変化率はゼロのため誘導起電力は発生しない。

90°位置

時計回りに90°回転。磁束鎖交はゼロになるが、磁束変化率が最大となり、誘導起電力はゼロからピーク値へ上昇。

180°位置

さらに90°回転(計180°)。コイルは磁力線に垂直で磁束密度最大。起電力は再びゼロに低下。

270°位置

ここまで電圧極性は一定だったが、コイルのアーマチュア導体がN極側の磁界を切断するようになるため極性反転。磁束鎖交は再びゼロだが、変化率最大で起電力は逆方向にピーク。

360°位置

さらに90°回転し元の位置に戻る。磁束鎖交最大、電圧はゼロへ戻る。

この電圧波形こそが「交流電圧」です。

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