発電機
発電機とは、機械的エネルギーを電気エネルギーへ変換する電気機器である。基本原理は電磁誘導であり、磁束が時間変化する導体に起電力が生じる（ファラデーの法則）。実機では固定子と回転子の相対運動により磁束鎖交数を変化させ、端子に交流または直流の電圧を得る。エネルギー源は蒸気・ガス・水車などのタービンや内燃機関が担う。
主要構成要素
- 固定子（電機子鉄心・巻線）：出力電圧を取り出す部で、スロットにコイルを収める。
- 回転子（界磁）：直流励磁または永久磁石で磁極を形成し、磁束を供給する。
- 整流子/スリップリング：直流機は整流子で整流、交流機はスリップリングで励磁電流を供給する。
- 軸・フレーム・ベアリング：機械支持と回転を担い、振動・騒音の起点にもなる。
- 冷却系：空冷・水冷・油冷など。大容量機では導風路を最適化する。
分類（DC/AC）
- 直流発電機：整流子で機械的整流を行い直流出力を得る。電解めっき等の用途に適する。
- 交流発電機：同期発電機（オルタネータ）が主流で、電力系統へ直接接続する。条件付きで誘導機も自励運転により発電可能である。
同期発電機の基礎式
極数をp、回転速度n rpmとすると周波数はf＝p×n/120 Hzとなる。三相出力の見掛け電力はS＝√3VI（kVA）、有効電力はP＝√3VIcosφ（kW）で、力率cosφが系統電圧維持と損失低減に効く。端子電圧と位相は励磁電流と負荷条件で決まる。
励磁・電圧制御
AVR（Automatic Voltage Regulator）が回転子励磁を制御し、負荷変動時も端子電圧を一定に保つ。励磁方式はブラシ付・ブラシレス・永久磁石補助がある。短絡時の過電流抑制には短絡比や飽和特性が関わる。
効率と損失
- 銅損：巻線抵抗によるI²R損。導体断面や巻線温度で変化する。
- 鉄損：ヒステリシス・渦電流損。積層鋼板と周波数・磁束密度に依存する。
- 機械損：風損・摩擦損。冷却風路やオイル・グリース管理で低減する。
- 付帯損：漏れ磁束や不平衡による雑損。
発電機と電動機の可逆性
電気機械は可逆である。外部から機械入力を与えれば発電機、電気入力を与えれば電動機として働く。設計最適点は負荷特性により異なるため、専用設計が一般的である。
仕様と選定指標
- 定格：電圧・電流・周波数・出力（kW/kVA）。
- 極数・回転速度：fとの関係で決まる。直結タービン機では高速・2極が多い。
- 絶縁系・温度上昇：クラスF/Hなどの許容範囲。
- 短絡比・過渡特性：系統安定度・電圧変動に影響。
- 冷却方式・騒音・保護等級（IP）。
運用と保守
絶縁抵抗の定期測定、端子・母線の締結、軸受給脂や油膜管理、振動監視、巻線温度のトレンド管理を行う。異常兆候（電圧の不安定、温度上昇、異音、全高調波増大）を早期に検知し、必要に応じて部分放電検査や回転体バランス調整を実施する。
系統連系の要点
連系時は同期条件（電圧・周波数・位相角）一致が必須である。自励運転の誘導機では無効電力補償に静電容量が要る。系統保護は過電流・逆電力・周波数/電圧リレーで多重化する。
規格と設計指針
設計・試験はJISやIECに準拠する。温度上昇試験、空載・負荷試験、短絡試験、励磁特性（無負荷飽和曲線）などを評価し、巻線の含浸処理や通風路の圧力損失設計を最適化する。大型機ではオンライン監視と予知保全を前提にする。
代表的応用
火力・水力・風力・地熱などの中央電源、自家用非常用電源、車載オルタネータ、産業用コジェネ、再生可能エネルギーの直結や変圧器を介した送配電など、用途は広い。負荷特性に応じてDC、同期、誘導、永久磁石型を使い分ける。
トラブルと対策
地絡・相間短絡・過速度・励磁喪失・磁気飽和・軸受損傷などが主要故障である。設計段階で余裕度を確保し、運用では温度・振動・電圧調整・潤滑を管理することでリスクを低減できる。