Das rotierende Magnetfeld
Das grundlegende Funktionsprinzip von Wechselstrommaschinen ist die Erzeugung eines rotierenden Magnetfeldes, das den Rotor mit einer Geschwindigkeit dreht, die von der Drehgeschwindigkeit des Magnetfeldes abhängt.
Wir werden nun erklären, wie ein magnetisches Drehfeld im Stator und im Luftspalt einer Wechselstrommaschine mit Hilfe von Wechselströmen erzeugt werden kann.
Betrachten wir den in Abbildung 1 dargestellten Stator, der die Wicklungen a-a′, b-b′ und c-c′ trägt. Die Spulen sind in einem geometrischen Abstand von 120◦ angeordnet, und an die Spulen wird eine dreiphasige Spannung angelegt. Die von einer dreiphasigen Quelle erzeugten Ströme haben ebenfalls einen Abstand von 120◦, wie in Abbildung 2 unten dargestellt.
Die auf den Neutralleiter bezogenen Phasenspannungen ergeben sich dann aus den Ausdrücken //
wobei ωe die Frequenz der Wechselstromversorgung ist, oder Netzfrequenz. Die Spulen in jeder Wicklung sind so angeordnet, dass die von einer beliebigen Wicklung erzeugte Flussverteilung annähernd sinusförmig ist.
Eine solche Flussverteilung kann durch eine geeignete Anordnung von Spulengruppen für jede Wicklung über der Statoroberfläche erreicht werden. Da die Spulen in einem Abstand von 120◦ voneinander angeordnet sind, ist die Flussverteilung, die sich aus der Summe der Beiträge der drei Wicklungen ergibt, die Summe der auf die einzelnen Wicklungen entfallenden Flüsse, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Der Fluss in einer dreiphasigen Maschine dreht sich also im Raum entsprechend dem Vektordiagramm von Abbildung 4, und der Fluss ist in seiner Amplitude konstant. Ein stationärer Beobachter auf dem Stator der Maschine würde eine sinusförmig variierende Flussverteilung sehen, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Da der resultierende Fluss von Abbildung 3 durch die Ströme von Abbildung 2 erzeugt wird, muss die Drehgeschwindigkeit des Flusses mit der Frequenz der sinusförmigen Phasenströme zusammenhängen. Im Falle des Stators von Abbildung 1 beträgt die Anzahl der magnetischen Pole, die sich aus der Wicklungskonfiguration ergeben, 2.
Es ist jedoch auch möglich, die Wicklungen so zu konfigurieren, dass sie mehr Pole aufweisen. Abbildung 5 zeigt zum Beispiel eine vereinfachte Darstellung eines vierpoligen Stators.
Im Allgemeinen, wird die Geschwindigkeit des rotierenden Magnetfeldes durch die Frequenz des Erregerstroms f und durch die Anzahl der im Stator vorhandenen Pole p gemäß
bestimmt, wobei ns (oder ωs) gewöhnlich als Synchrondrehzahl bezeichnet wird.
Der Aufbau der Wicklungen in der vorangegangenen Diskussion ist gleich, ob es sich bei der Wechselstrommaschine um einen Motor oder einen Generator handelt. Die Unterscheidung zwischen den beiden hängt von der Richtung des Leistungsflusses ab. In einem Generator ist das elektromagnetische Drehmoment ein Reaktionsdrehmoment, das der Drehung der Maschine entgegenwirkt; dies ist das Drehmoment, gegen das die Antriebsmaschine arbeitet.
Wie oben beschrieben, rotiert in einer Wechselstrommaschine das Statormagnetfeld, so dass der Rotor das Statorfeld nicht „einholen“ kann und ihm ständig nachläuft.
Die Drehgeschwindigkeit des Rotors hängt daher von der Anzahl der Magnetpole im Stator und im Rotor ab.
Die Größe des in der Maschine erzeugten Drehmoments ist eine Funktion des Winkels γ zwischen den Magnetfeldern von Stator und Rotor. Die genauen Ausdrücke für dieses Drehmoment hängen davon ab, wie die Magnetfelder erzeugt werden, und werden für die beiden Fälle der Synchron- und der Induktionsmaschine getrennt angegeben.
Allen rotierenden Maschinen ist gemeinsam, dass die Anzahl der Stator- und Rotorpole identisch sein muss, wenn ein Drehmoment erzeugt werden soll. Außerdem muss die Anzahl der Pole gerade sein, da für jeden Nordpol ein entsprechender Südpol vorhanden sein muss.
Eine wichtige erwünschte Eigenschaft einer elektrischen Maschine ist die Fähigkeit, ein konstantes elektromagnetisches Drehmoment zu erzeugen.
Mit einer Maschine mit konstantem Drehmoment können Drehmomentpulsationen vermieden werden, die zu unerwünschten mechanischen Schwingungen im Motor selbst und in anderen mechanischen Komponenten, die mit dem Motor verbunden sind (z. B. mechanische Lasten wie Spindeln oder Riemenantriebe), führen könnten. Ein konstantes Drehmoment kann nicht immer erreicht werden, obwohl gezeigt wird, dass es möglich ist, dieses Ziel zu erreichen, wenn die Erregerströme mehrphasig sind.
Eine allgemeine Faustregel in dieser Hinsicht ist, dass es wünschenswert ist, so weit wie möglich einen konstanten Fluss pro Pol zu erzeugen.