Rotterende magnetfelt
Det grundlæggende princip for vekselstrømsmaskiners funktion er frembringelsen af et roterende magnetfelt, som får rotoren til at dreje med en hastighed, der afhænger af magnetfeltets rotationshastighed.
Vi vil nu forklare, hvordan et roterende magnetfelt kan genereres i statoren og luftspalten i en vekselstrømsmaskine ved hjælp af vekselstrømmene.
Og se på den i figur 1 viste stator, som bærer viklinger a-a′, b-b′ og c-c′. Spolerne er geometrisk placeret med 120◦ mellemrum, og der påføres en trefaset spænding på spolerne. De strømme, der genereres af en trefasekilde, har også en afstand på 120◦, som illustreret i figur 2 nedenfor.
Fasespændingerne refereret til neutralpolen vil så være givet ved udtrykkene //
hvor ωe er frekvensen af vekselstrømforsyningen, eller netfrekvens. Spolerne i hver vikling er anbragt på en sådan måde, at den fluxfordeling, der genereres af en hvilken som helst vikling, er tilnærmelsesvis sinusformet.
En sådan fluxfordeling kan opnås ved at anbringe grupper af spoler for hver vikling på passende vis over statorens overflade. Da spolerne er placeret med 120◦ mellemrum, er den fluxfordeling, der fremkommer som følge af summen af bidragene fra de tre viklinger, summen af de enkelte viklingers fluxer, som vist i figur 3.
Sådan roterer fluxen i en trefaset maskine i rummet i henhold til vektordiagrammet i figur 4, og fluxen er konstant i amplitude. En stationær observatør på maskinens stator ville se en sinusformet varierende fluxfordeling, som vist i figur 3.
Da den resulterende flux i figur 3 genereres af strømmene i figur 2, må fluxens rotationshastighed være relateret til frekvensen af de sinusformede fasestrømme. I tilfældet med statoren i figur 1 er antallet af magnetiske poler som følge af viklingskonfigurationen 2.
Det er imidlertid også muligt at konfigurere viklingerne, således at de har flere poler. Figur 5 viser f.eks. et forenklet billede af en firepolet stator.
I almindelighed, bestemmes hastigheden af det roterende magnetfelt af frekvensen af excitationsstrømmen f og af antallet af poler i statoren p i henhold til
hvor ns (eller ωs) normalt kaldes den synkrone hastighed.
Nu er opbygningen af viklingerne i den foregående diskussion den samme, uanset om vekselstrømsmaskinen er en motor eller en generator. Forskellen mellem de to afhænger af strømføringsretningen. I en generator er det elektromagnetiske drejningsmoment et reaktionsmoment, der modarbejder maskinens rotation; det er det drejningsmoment, som drivmaskinen arbejder imod.
Som beskrevet ovenfor roterer statorens magnetfelt i en vekselstrømsmaskine, og derfor kan rotoren ikke “indhente” statorfeltet og er i konstant forfølgelse af det.
Rotorens rotationshastighed vil derfor afhænge af antallet af magnetiske poler, der er til stede i statoren og i rotoren.
Størrelsen af det drejningsmoment, der produceres i maskinen, er en funktion af vinklen γ mellem statorens og rotorens magnetfelter. Præcise udtryk for dette drejningsmoment afhænger af, hvordan magnetfelterne er frembragt, og vil blive givet særskilt for de to tilfælde af synkron- og induktionsmaskiner.
Det er fælles for alle roterende maskiner, at antallet af stator- og rotorpoler skal være identisk, hvis der skal frembringes et drejningsmoment. Endvidere skal antallet af poler være lige, da der for hver nordpol skal være en tilsvarende sydpol.
En vigtig ønsket egenskab ved en elektrisk maskine er evnen til at generere et konstant elektromagnetisk drejningsmoment.
Med en maskine med konstant drejningsmoment kan man undgå drejningsmomentpulsationer, der kan føre til uønskede mekaniske vibrationer i selve motoren og i andre mekaniske komponenter, der er knyttet til motoren (f.eks. mekaniske belastninger, såsom spindler eller remtræk). Et konstant drejningsmoment kan ikke altid opnås, selv om det vil blive vist, at det er muligt at nå dette mål, når excitationsstrømmene er flerfasede.
En generel tommelfingerregel i denne henseende er, at det er ønskeligt, så vidt muligt, at producere en konstant flux pr. pol.