JP6558715B2 - 電磁誘導作用の抑制が有効な電力装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電力に関する。

初め、直流を振動的に断続して、棒状の鉄心に巻いた一次コイルに電流を流して、二次コイルに高電圧を発生させる誘導コイルが真空放電の研究に用いられていたが、交流を一次に用いた初期の変圧器は磁気回路が別々で棒状の鉄心に巻いた一次コイルと同じく棒状の鉄心に巻いた二次コイルとは木版で独立して固定されていた。その後、これらの鉄芯に鉄板を上側同士及び下側同士に積み重ねて閉じた磁路にし、一つの磁気回路にして、交流電源に変圧器として接続して高電圧が得られる様になった。
起電力とは、面の縁の様な閉じた曲線に沿って１Cの電荷を１周させた時に与える仕事量である。電荷に仕事を与えると言う事は、移動方向を向いた電界が発生し、これによって電荷に力が働く事を示す。電磁誘導により発生する起電力の方向に電流が流れると、その電流が作る磁束は、面を貫く磁束の変化を妨げようとする。
電磁誘導でコイルに発生する起電力を利用すれば第１の発電機となり、これに負荷を接続すれば発生した電気エネルギーを利用する事が出来る。
しかし、多くの交流発電機では磁石を動かす替りに、磁石を固定してコイルの方を動かす仕組みになっている。
この場合、実はこの現象は電磁誘導ではない。磁界は一定でありどこにも電磁誘導電界は発生していない。電磁誘導とは、磁束の変化に応じて起電力が生じる現象である。
磁束密度の一様磁界中にある長方形あるいは円形コイルが磁界に垂直な回転軸で回転している時に起電力が発生する。第２の発電機はこの原理の応用で、磁界と回転力が必要である。回転力を水力、火力、原子力による発電を水力発電、火力発電、原子力発電と呼んでいる。
磁界中の導体あるいはコイルに電流が流れると磁力が発生する。この磁力によって生ずるトルクの方向は発電機の回転を止めようとする方向の、所謂、逆トルクである。発電機のコイルに一次負荷電流が流れる際には、必ずこの逆トルクに丁度釣り合うだけのトルクを回転軸に供給してやらなければ、回転を一定に維持する事が出来ない。回転を一定に維持する事で一定電圧での供給が可能になる。電気設備は一定の周波数で一定の電圧が継続して供給される事を前提にして正常な働きが見込める設計がなされている。
第１の発電機には新たに応用が為されるであろう。

従来の技術では、電流には磁界を作る働きと磁界から力を受ける働きがある為、一次負荷電流を利用して負荷電流からの磁束を相殺すると、発電機を止める逆トルクが発生する点で問題がある。
コイルに電流を流すと磁束ができ、この磁束はコイルと鎖交する事になる。もしコイルを流れる電流が変化すると、コイルと鎖交する磁束も変化し、コイルには電流の変化を妨げる方向の起電力即ち逆起電力が発生する。自己の回路を流れる電流の変化によって起電力を誘導する現象を自己誘導と言う。
二つの回路を接近して置き回路Aに電流を流すと回路Aによってできた磁束の一部は回路Bと鎖交する。回路Aの電流Ｉが変化すれば、回路Bの鎖交磁束数も変化するので回路Bには誘導起電力が生ずる。この様に一つの回路を流れる電流の変化により他の回路に起電力を誘導する現象を相互誘導と言う。
電荷には、電界を作る事と電界に反応して力を受ける事の二つの働きがある。
電磁誘導では、コイルを貫く磁束量に時間変化があるとコイルに電流が流れる。磁束が変化していない時には電流は流れないでコイル内の電荷は止まっていて、磁束が変化すると止まっている電荷が動き出す。これは電荷を動かそうとする力がコイルに沿って発生している為である。力が働いて電流が流れる、即ち電荷が移動すれば電荷に仕事を与える。この仕事が磁束の変化で決まるというのが電磁誘導である。磁束の変化で生じる起電力の大きさは磁束の時間変化率に等しい。
時間変化している磁束を取り囲む閉曲線の位置に電線があれば、電磁誘導の法則により誘導電流が生じる。電線がその位置にない場合には何が生じるのかは、誘導電流は電線の中に生じた電界によって生ずると考えられる事から閉曲線の位置に電線が無くとも電界が生まれると予想される。電界エネルギーによる静電界での電荷移動は蓄えられた電気エネルギーの消費になる。静電界の電束密度Dと電荷とは、ガウスの法則で結ばれている。ガウスの法則の左辺のDの代わりに磁束密度Bを代入し、電荷の場合の真電荷に相当する真磁荷は存在しないので右辺をゼロと置くと次式（１）が得られる。

（１） （１）式は任意の領域を出入りする磁束が連続である事を意味し、磁界のガウスの法則とも呼ばれているが、磁束は切れないと言う磁束の性質を述べているだけになる。逆に、電磁誘導電界での電荷移動は電気エネルギーの生成であり、電磁誘導電界から得る仕事は磁界の変化によるもので、磁石をコイルに近付けると電流が流れてそれを妨げる様な磁界を作る。この電流の電荷の速度をV〔ｍ／Ｓ〕とすると抵抗を通過する時間は抵抗長L／速度Vで、この間にW〔J〕のエネルギーを発生する。電荷が抵抗に入ってから出る迄に電磁誘導電界が抵抗に与える仕事は、抵抗内部を流れる電荷が失ったエネルギーで、抵抗が消費したエネルギーの使い道こそが電気の応用で照明や暖房等に抵抗が使われる。
起電力を発生する電源と、電源から電流の供給を受けて電気的働きをする負荷とを導体で接続してスイッチを入れると、この環状の通路を、絶え間なく電流が流れる。この様な電流の通路を電気回路又は単に回路と言う。
電流の通路は一つの閉路で、閉曲線である。磁束も至る所連続であり、閉曲線を作る。今、電流と磁束の二つの閉曲線をとってその相互の関係を考えると、二つの場合が考えられる。一つは、磁束は電流を通り抜けるが、互いに絡み合っていない。他は互いに絡み合っている。互いに絡み合った時、２閉曲線は鎖交すると言う。電磁誘導は電流或いはコイルと磁束が鎖交した時のみに生じる。
コイルに鎖交する磁束が増加する時は、磁束の増加を打ち消す様な磁束をつくるべく起電力を生じ、電流が流れる。即ち電磁誘導によって生ずる起電力は、コイルと鎖交する磁束の変化を妨げる電流を生ずる様な向きに発生すると言っても良い。これをレンツの法則という。磁石から出る磁束は磁石から離れるにつれて広がるため、磁石を近付けるとコイルを貫く磁束が増加し、遠ざけると減少する。同様に、磁石の代わりに別のコイルを近くにおいて、そのコイルに流す電流を変化させる事で貫く磁束を変化させても同じ現象が起こる。これはファラデーの実験である。
ファラデーは一つの回路に電磁誘導により生じる起電力はこの回路と鎖交する磁束数の減少の割合に比例する。ノイマンは電磁誘導によって生ずる起電力の大きさは鎖交磁束数の減少の割合に等しい事を明らかにした。又、一つの回路に鎖交する磁束φに鎖交する回数を掛けた値を鎖交磁束数と言い、例えば、巻き数Ｎのコイルに磁束φが鎖交すると鎖交磁束数Φは、Φ＝Ｎφ である。
一つの回路と鎖交する磁束φが時間ｔと共に変化している時、時刻ｔにおける鎖交磁束数をΦ_１とし、時刻ｔ＋Δｔにおける鎖交磁束数を Φ_２＝Φ_１＋ΔΦ とすれば、鎖交磁束数の増加の割合は、

又、鎖交磁束数の減少と言うのは、起電力の向きと、磁束の向きをアンペアの右ねじの法則によって決めた時の事である。例えば、電流と逆方向の電流を生ずる起電力、つまり負の起電力を誘導する事を意味している。

磁束密度について、コイルを流れる電流によってコイルの中心に生じる磁界の強さHは同じ筈なのにコイルの中に鉄の棒を入れると磁力が強くなる事が分かった為に鉄の棒の端に現れている磁力の強さはHでは表現できない別の量であることになる。
そこで、この磁力の強さを表す量として磁束密度と言う物理量が考え出された。コイルが作り出す磁界の強さHと磁束密度Bの間には、B＝μ_０H の関係が成り立つと定義し、μ_０には真空の透磁率と言う名を付け、μ_０＝４π×１０^−７〔N／A^２〕 と決める事となった。真空での磁界の強さHと磁束密度Bは真空中ではμ_０倍だけ大きさが違うと決め、コイルの中心に鉄の棒がある時は、磁束密度と磁界の強さの関係は、B＝μH の関係が成り立つと考える。このμはその物質固有の透磁率で鉄の場合は真空の透磁率μ_０の約５０００〜１万倍に達する。このμで、電流が流されているソレノイドコイルだけでソレノイドの中心に作られる磁界の強さがHであるのに、コイルの中心に鉄の棒を入れるだけで磁力の強さが５０００〜１万倍になるという変化を表現する。
鉄の棒の代わりに木の棒を入れたとしたら、磁力の強さは入れても入れなくても変化が無い。
内鉄形単相積鉄心の第１の単相２脚の左脚に一次巻線、右脚に二次巻線とする二つの電気回路で、二次巻線に流れる負荷電流が鉄芯に作る第２の磁束と一次巻線に流れる一次負荷電流が鉄芯に作る第１の磁束とは互いに鉄芯を逆向きで周回する。一次巻線や二次巻線はソレノイドコイルに構成される。
ソレノイドコイルの断面積の半分だけが磁性芯材で満たされた場合の磁束密度は磁性芯材がある方だけ磁束密度が透磁率（＝μ）倍に増える。残りの断面積の半分のみに磁性芯材を満たし直しても磁性芯材がある方だけ磁束密度が透磁率倍に増える。磁性芯材となる強磁性体にソレノイドコイルに流される外部の電流による磁束密度を与えると外部からの磁束密度が無視できる位の大きな磁束密度になり、その殆どが磁性体中にある。
内鉄形単相積鉄心の単相２脚を磁性芯材にしてソレノイドコイル内に収めてソレノイドコイルに電流を流しても、磁束同士が互いに磁性芯材を逆向きに周回する。この場合はソレノイドコイルと磁束が鎖交しないのでソレノイドコイルとの間に電磁誘導は生じない。磁性芯材をソレノイドコイル内に収めて電流を流すのであれば、ソレノイドコイルは磁性芯材の外周に配置出来るので、単相２脚の磁性芯材の窓は出来るだけ少ない断面積を持たせる事が出来る。
内鉄形三相積鉄心の三相３脚を利用して単相１００Vを左脚にコイルを巻回し、中央脚に巻回されるコイルに１００Vを誘導しようとすると中央脚コイルに９７V、右脚コイルに３Vが得られる。右脚に単相１００Vでも同様である。磁束密度は岐路のある場合には最短経路に殆どが集中して現れる。磁力線は自分自身は短くなろうとし、隣とは互いに押し合うと表現される。磁界に対してマクスウェルの応力が考えられ、磁界と平行な面には（１／２）HB〔Pa〕の圧力が、直角な面には強さが同じで張力が作用する。
中央脚コイルに負荷を接続して回路を閉じ、同時に、３Vの脚のコイルが開放したままであると、３Vの脚を周回する磁束と鎖交する中央脚コイルに磁束の変化による自己誘導が生じ、負荷回路の起電力は略失われ、負荷電流は流れない。負荷電流が流れない場合には、負荷電流に起因する電磁誘導を電源コイルに誘発できないので、電源コイルに流される一次負荷電流も誘発されない。一方、３Vの脚のコイルを短絡してしまうと、既コイルに流れる電流に起因して直ぐ様発生する磁束が中央脚コイルに相互誘導を生じさせて、中央脚コイルに逆起電力が重層し、既自己誘導は解消される。負荷電流が流れ、１００Vコイルに一次負荷電流が流されると、１００V脚を周回する互いに反対方向の磁束が現れてそれらの磁束の作用は略相殺され、既磁束は作用を殆ど現さない。
電流の流れるソレノイドコイルを外部に巻回される磁性芯材のある所は外部からの磁束密度が無視できる位の大きな磁束密度になり、その殆どが磁性体中にある。形の曲がった強磁性体では、磁化の方向は強磁性体中の方が安定である。その為、曲がった形の強磁性体は、磁化の方向を曲げて伝えるのに利用できる。磁性芯材は強磁性体であり、磁場についての導体の様に使用できる。更に磁界中の強磁性体は磁界中の磁束を強磁性体中に吸い寄せる。
内鉄形単相積鉄心の単相２脚の左脚を中央脚に見立てて、更に左側に窓を設けて磁性芯材を周回させて閉じ、この脚に電源コイルを巻回して励磁電流に相当する電流が流れると、見立てた中央脚と右脚を内側に収めたソレノイドコイルと中央脚を変化しながら周回する第１の磁束とは鎖交し、ソレノイドコイルに起電力が得られる。ソレノイドコイルに負荷を接続して回路を閉じると負荷電流が流れる。ソレノイドコイルに流される外部の負荷電流による磁束密度が磁性芯材に与えられると外部からの磁束密度が無視できる位の大きな磁束密度がソレノイドコイルの内側に収められた見立てた中央脚と右脚の上下を継鉄で継いで閉じた磁性芯材に生じて、互いに反対方向の磁束が磁性芯材を周回しその殆どが磁性体中にある。この場合、ソレノイドコイルと既磁性芯材中の磁束とは鎖交しないのでソレノイドコイルとの間に電磁誘導は生じない。
即ち電流と逆方向の電流を生ずる起電力、つまり負の起電力は生じない。既ソレノイドコイルと鎖交する第１の磁束が見立てた中央脚又は右脚或いはその両方に安定的に供給され続ける限り、一次負荷電流を誘発しないで済む第１の発電機として役立つ。負荷回路の起電力を得るための磁束の変化に動的磁気回路を使う事も望まれる。

コイルに負荷電流が流されてもコイルと鎖交する磁束が生じる事を阻止出来る機能が組み込まれる装置。

従来技術では負荷電流からの起磁力と一次負荷電流からの起磁力が相殺されて、作用に現れず、負荷時も無負荷時も二次コイルと鎖交する磁束は励磁電流からの磁束のみが現れている状態が維持されていたが、本発明でも、その状態が維持される。
負荷電流が流れても一次コイルと鎖交する磁束が現れないので、一次コイルには自己誘導が生じたままの状態が継続される。従って、僅少電流となる励磁電流しか流れ得ない。一次負荷電流の様な大電流は流れなくとも、負荷電流は流れ続けられる

第１図において、第１のコイル１０に交番電流１２が流れると前記交番電流１２の作る磁界に応じて磁性芯材１００に第１の磁束１４が誘導される。前記第１の磁束１４は前記第１のコイル１０と第２のコイル２０とに鎖交する。前記第１のコイル１０と前記第１の磁束１４は鎖交すると自己誘導によって前記第１のコイル１０に逆起電力を生じるので前記交番電流１２は僅少電流に留まる。一方、前記第２のコイル２０と前記第１の磁束１４は鎖交すると相互誘導によって前記第２のコイル２０に起電力を生じる。前記第２のコイル２０と負荷が接続され、開閉器を備えた交流電気回路が構成される。交流電気回路に負荷電流２２が流れ、前記負荷電流２２に応じて前記磁性芯材１００に誘導される第２の磁束２４と第３の磁束２６が窓を挟んで閉じる。前記第２の磁束２４と前記第３の磁束２６は前記第２のコイル２０とは鎖交する事が阻止されている状態なので、電磁誘導作用は現れない。定電圧定周波数で前記交番電流１２が供給され続けられるならば、交流電気回路も応じて安定して起電力が維持され続ける。負荷電流が大電流になると生じる漏れ磁束を吸い寄せる働きを持たせたもの磁路長を短くする事で磁性芯材に生じる鉄損の低減になるもの損失の低減に資する為のものの形状、大きさ、作動及び構造上の細部については変更しても良く、前述の具体例は専ら解説の為のものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

コイルに負荷電流が流されてもコイルと鎖交する磁束が生じる事を阻止出来る技術の実施形態を示した説明図である。

図１ １０ 第１のコイル １２ 交番電流
１４ 第１の磁束 ２０ 第２のコイル
２２ 負荷電流 ２４ 第２の磁束
２６ 第３の磁束 １００ 磁性芯材

Claims (1)

1. 磁性芯材（１００）中に交番変化している第１の磁束（１４）を誘導する手段と、
   時間変化している前記第１の磁束（１４）を取り囲む第１の閉曲線の第１の位置にあるソレノイドコイル（２０）と、
   前記第１の磁束（１４）の交番変化に応じて、右回りに周回して閉じると、左回りに周回して閉じるとを交番して、前記ソレノイドコイル（２０）中の前記第１の閉曲線に流される負荷電流（２２）と、
   前記ソレノイドコイル（２０）の内側に収められる前記磁性芯材（１００）中にある、窓を挟んだ第１の複数脚の上下を継鉄で継いで、岐路伝いに周回して閉じるように、前記磁性芯材（１００）中に第２の位置を占める第２の閉曲線と、
   前記負荷電流（２２）の右回りに応じて、前記第１の複数脚のうち、前記窓を右にする一方の第１の脚を貫通し、通り抜けて、前記継鉄を右回りに出て行き、右回りに周回して、前記岐路伝いに、前記窓を左にする他方の第２の脚に入り、前記第２の脚を貫通し、通り抜けて再び、前記継鉄を今度も右回りに出て行き、更に、右回りに周回して、前記岐路伝いに、前記第１の脚に入り込み、前記第１の閉曲線と前記第２の閉曲線とが絡むことを阻止するように、前記負荷電流（２２）に取り囲まれて、前記負荷電流（２２）の内側に閉じると、
   交番した前記負荷電流（２２）の左回りに応じて、前記第１の脚を貫通し、通り抜けて、前記継鉄を左回りに出て行き、左回りに周回して、前記岐路伝いに、前記第２の脚に入り、前記第２の脚を貫通し、通り抜けて再び、前記継鉄を今度も左回りに出て行き、更に、左回りに周回して、前記岐路伝いに、前記第１の脚に入り込み、前記第１の閉曲線と前記第２の閉曲線とが絡むことを阻止するように、前記負荷電流（２２）に取り囲まれて、前記負荷電流（２２）の内側に閉じるとをして、前記磁性芯材（１００）中の前記第２の閉曲線に時間変化して現れる第２の磁束（２４）と、
   前記負荷電流（２２）の右回りに応じて、前記第２の脚を貫通し、通り抜けて、前記継鉄を左回りに出て行き、左回りに周回して、前記岐路伝いに、前記第１の脚に入り、前記第１の脚を貫通し、通り抜けて再び、前記継鉄を今度も左回りに出て行き、更に、左回りに周回して、前記岐路伝いに、前記第２の脚に入り込み、前記第１の閉曲線と前記第２の閉曲線とが絡むことを阻止するように、前記負荷電流（２２）に取り囲まれて、前記負荷電流（２２）の内側に閉じると、
   交番した前記負荷電流（２２）の左回りに応じて、前記第２の脚を貫通し、通り抜けて、前記継鉄を右回りに出て行き、右回りに周回して、前記岐路伝いに、前記第１の脚に入り、前記第１の脚を貫通し、通り抜けて再び、前記継鉄を今度も右回りに出て行き、更に、右回りに周回して、前記岐路伝いに、前記第２の脚に入り込み、前記第１の閉曲線と前記第２の閉曲線と絡むことを阻止するように、前記負荷電流（２２）に取り囲まれて、前記負荷電流（２２）の内側に閉じるとをして、前記磁性芯材（１００）中の前記第２の閉曲線に時間変化して現れる第３の磁束（２６）とを有し、
   磁性芯材（100）中にある、窓を挟んだ第1の複数脚の上下を継鉄で継ぎ、該窓を挟んだ第1の複数脚を取り囲むように該ソレノイドコイル（20）が配置される電力装置。

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