DC発電機はどのように動作するか

直流発電機の仕組みは?

直流発電機の定義

直流発電機は、電磁誘導の原理を利用して機械的な力を直接電力に変換する装置です。

ファラデーの法則

この法則によると、導体が磁場内で動くと磁力線を切ることで導体内に電磁起電力（EMF）が誘導されます。

誘導されたEMFの大きさは、導体との磁束連鎖の変化率に依存します。導体回路が閉じている場合、このEMFにより電流が流れます。

発電機の最も重要な部分は以下の2つです：

• 磁場

• その磁場内で動く導体

基本的な理解ができたら、直流発電機の動作原理について詳しく説明します。また、直流発電機の種類についても学ぶことが役立つかもしれません。

単一ループ動作

単一ループの直流発電機では、ループが磁場内で回転することでEMFが誘導され、電流の方向はフレミングの右手の法則によって決定されます。

上図では、長方形の導体ループが磁石の両極間に配置されています。

導体ループABCDを考えると、これが磁場内で軸abを中心に回転します。

ループが垂直位置から水平位置に回転すると、磁界の磁力線を切ります。この動きで、ループのABおよびCD側が磁力線を切り、これらの両側にEMFが誘導されます。

ループが閉じられると、ループ内に電流が循環します。電流の方向はフレミングの右手の法則によって決定されます。

この法則によれば、右手の親指、人差し指、中指を互いに直角に伸ばすと、親指は導体の運動方向を示し、人差し指は磁場の方向（N極からS極）を示し、中指は導体を通る電流の方向を示します。

この右手の法則を適用すると、ループの水平位置では、電流はAからBへ流れ、ループの反対側ではCからDへ流れます。

ループをさらに回転させると、再び垂直位置に戻りますが、今度はループの上側がCD、下側がABになります（前の垂直位置とは逆）。

この位置では、ループの側面の接線運動が磁界の磁力線に平行になるため、磁力線を切ることがなく、ループには電流が流れません。

ループがさらに回転すると、再び水平位置に戻りますが、今度はAB側がN極の前に来て、CD側がS極の前に来ます（前の水平位置とは逆）。

ここでは、ループの側面の接線運動が磁力線に対して直角になるため、磁力線を切る速度が最大となり、フレミングの右手の法則によれば、この位置では電流はBからAへ、そして他の側ではDからCへ流れます。

ループが軸を中心に継続的に回転すると、AB側がS極の前にくるたびに電流はAからBへ流れます。また、N極の前にくるたびに電流はBからAへ流れます。

同様に、CD側がS極の前にくるたびに電流はCからDへ流れます。CD側がN極の前にくるたびに電流はDからCへ流れます。

この現象を別の角度から見ると、ループの各側がN極の前にくるたびに、電流は同じ方向（基準平面に対して下方）に流れることになります。

同様に、ループの各側がS極の前にくるたびに、電流は同じ方向（基準平面に対して上方）に流れます。これにより、直流発電機の原理について話題に移ることができます。

次に、ループを開き、以下の図のようにスプリットリングに接続します。スプリットリングは導体の円筒を半分またはセグメントに切断し、絶縁して作られます。

外部負荷端子をこれらのスプリットリングセグメントに接触する2つのカーボンブラシで接続します。

コマタとブラシ

スプリットリング（コマタ）とカーボンブラシは、ループが回転する際に接続を逆転させることで電流が一方向に保たれます。

ブラシの位置

ブラシは、コイルが磁場に対して垂直な位置にあるときにEMFがゼロになるように配置され、電流が滑らかに流れます。

直流発電機の動作原理

最初の半回転では、電流は常にABLMDの経路を流れ、つまりブラシ1がセグメントaと接触します。次の半回転では、コイル内の誘導電流の方向が逆になりますが、同時にセグメントaとbの位置も逆になり、ブラシ1がセグメントbと接触します。

したがって、負荷抵抗を通る電流は再びLからMへ流れます。負荷回路を通る電流の波形は以下の図に示されています。この電流は一方向です。

上記の内容は、単一ループ発電機モデルを用いて説明した直流発電機の基本的な動作原理です。

直流発電機のブラシの位置は、コイルの平面が磁力線の平面に対して直角になるときに、セグメントaとbが一方のブラシから他方のブラシに切り替わるように設定されています。この位置では、コイル内の誘導EMFはゼロになります。