Pörgő mágneses mező
A váltóáramú gépek alapvető működési elve a forgó mágneses mező létrehozása, amely a forgórészt a mágneses mező forgási sebességétől függő sebességgel forgatja.
Magyarázzuk most, hogyan lehet váltakozó áram segítségével forgó mágneses teret létrehozni a váltakozó áramú gép állórészében és légrésében.
Gondoljunk az 1. ábrán látható állórészre, amely a-a′, b-b′ és c-c′ tekercseket hordoz. A tekercsek geometriai távolsága 120◦, és a tekercsekre háromfázisú feszültséget kapcsolunk. A háromfázisú forrás által generált áramok szintén 120◦ távolságra vannak egymástól, amint azt az alábbi 2. ábra szemlélteti.
A semleges kapocsra vonatkoztatott fázisfeszültségeket ekkor a következő kifejezések adják //
ahol ωe a váltóáram frekvenciája, vagy hálózati frekvencia. Az egyes tekercsek tekercsei úgy vannak elrendezve, hogy a bármelyik tekercs által létrehozott fluxuseloszlás megközelítőleg szinuszos legyen.
Egy ilyen fluxuseloszlás elérhető az egyes tekercsek tekercscsoportjainak megfelelő elrendezésével az állórész felületén. Mivel a tekercsek egymástól 120◦ távolságra vannak egymástól, a három tekercs hozzájárulásának összegéből eredő fluxuseloszlás a különálló tekercsek által okozott fluxusok összege, amint az a 3. ábrán látható.
A háromfázisú gépben a fluxus tehát a 4. ábra vektorábrája szerint forog a térben, és a fluxus amplitúdója állandó. A gép állórészén álló megfigyelő a 3. ábrán látható szinuszosan változó fluxuseloszlást látna.
Mivel a 3. ábra eredő fluxusát a 2. ábra áramai hozzák létre, a fluxus forgási sebességének a szinuszos fázisáramok frekvenciájával kell összefüggnie. Az 1. ábra állórészének esetében a tekercsek konfigurációjából eredő mágneses pólusok száma 2.
A tekercseket azonban úgy is lehet konfigurálni, hogy több pólusuk legyen. Az 5. ábra például egy négypólusú állórész egyszerűsített nézetét ábrázolja.
Általában, a forgó mágneses mező sebességét a gerjesztő áram f frekvenciája és az állórészben lévő p pólusok száma határozza meg a
szerint, ahol ns (vagy ωs) általában szinkronsebességnek nevezik.
Az előzőekben tárgyalt tekercsek felépítése tehát ugyanaz, akár motor, akár generátor a váltóáramú gép. A kettő közötti különbségtétel a teljesítményáramlás irányától függ. Egy generátorban az elektromágneses nyomaték egy reakciós nyomaték, amely a gép forgásával szemben áll; ez az a nyomaték, amellyel szemben a főhajtómű munkát végez.
A fentebb leírtak szerint a váltakozó áramú gépben az állórész mágneses tere forog, ezért a forgórész nem tudja “utolérni” az állórész mezőjét, és állandóan üldözi azt.
A forgórész forgási sebessége ezért az állórészben és a forgórészben lévő mágneses pólusok számától függ.
A gépben keletkező nyomaték nagysága az állórész és a forgórész mágneses mezői közötti γ szög függvénye. Ennek a nyomatéknak a pontos kifejezése a mágneses mezők létrehozásának módjától függ, és külön-külön adjuk meg a szinkron- és az indukciós gépek két esetére.
Minden forgó gépben közös, hogy az állórész és a forgórész pólusainak számának azonosnak kell lennie, ha bármilyen nyomatékot akarunk létrehozni. Továbbá a pólusok számának párosnak kell lennie, mivel minden északi pólusnak kell lennie egy megfelelő déli pólusnak.
A villamos gépek egyik fontos kívánatos tulajdonsága az állandó elektromágneses nyomaték előállításának képessége.
Az állandó nyomatékú gépekkel elkerülhetők a nyomatékpulzációk, amelyek nemkívánatos mechanikai rezgésekhez vezethetnek magában a motorban és a motorhoz csatlakozó más mechanikus alkatrészekben (pl. mechanikus terhelések, mint az orsók vagy szíjhajtások). Az állandó nyomaték nem mindig érhető el, bár be fogjuk mutatni, hogy ez a cél elérhető, ha a gerjesztő áramok többfázisúak.
Az általános ökölszabály ezzel kapcsolatban az, hogy amennyire lehetséges, kívánatos pólusonként állandó fluxust előállítani.
A forgó mágneses tér érdekes videója
.