Campo magnetico rotante
Il principio fondamentale di funzionamento delle macchine AC è la generazione di un campo magnetico rotante, che fa girare il rotore ad una velocità che dipende dalla velocità di rotazione del campo magnetico.
Vi spieghiamo ora come un campo magnetico rotante può essere generato nello statore e nel traferro di una macchina a corrente alternata per mezzo di correnti alternate.
Consideriamo lo statore mostrato in Figura 1, che supporta avvolgimenti a-a′, b-b′ e c-c′. Le bobine sono geometricamente distanziate di 120◦ e una tensione trifase è applicata alle bobine. Le correnti generate da una sorgente trifase sono anche distanziate di 120◦, come illustrato nella figura 2 qui sotto.
Le tensioni di fase riferite al morsetto neutro sarebbero poi date dalle espressioni //
dove ωe è la frequenza dell’alimentazione AC, o frequenza di linea. Le bobine di ciascun avvolgimento sono disposte in modo tale che la distribuzione del flusso generato da un qualsiasi avvolgimento sia approssimativamente sinusoidale.
Tale distribuzione del flusso può essere ottenuta disponendo opportunamente gruppi di bobine per ciascun avvolgimento sulla superficie dello statore. Poiché le bobine sono distanziate di 120◦, la distribuzione del flusso risultante dalla somma dei contributi dei tre avvolgimenti è la somma dei flussi dovuti agli avvolgimenti separati, come mostrato nella figura 3.
Quindi, il flusso in una macchina trifase ruota nello spazio secondo il diagramma vettoriale della Figura 4, e il flusso è costante in ampiezza. Un osservatore fermo sullo statore della macchina vedrebbe una distribuzione di flusso che varia sinusoidalmente, come mostrato nella Figura 3.
Siccome il flusso risultante della Figura 3 è generato dalle correnti della Figura 2, la velocità di rotazione del flusso deve essere legata alla frequenza delle correnti di fase sinusoidali. Nel caso dello statore della Figura 1, il numero di poli magnetici risultanti dalla configurazione degli avvolgimenti è 2.
Tuttavia, è anche possibile configurare gli avvolgimenti in modo che abbiano più poli. Per esempio, la figura 5 mostra una vista semplificata di uno statore a quattro poli.
In generale, la velocità del campo magnetico rotante è determinata dalla frequenza della corrente di eccitazione f e dal numero di poli presenti nello statore p secondo
dove ns (o ωs) è solitamente chiamata velocità sincrona.
Ora, la struttura degli avvolgimenti nella discussione precedente è la stessa sia che la macchina AC sia un motore o un generatore. La distinzione tra i due dipende dalla direzione del flusso di potenza. In un generatore, la coppia elettromagnetica è una coppia di reazione che si oppone alla rotazione della macchina; questa è la coppia contro cui il motore principale fa lavoro.
Come descritto sopra, il campo magnetico dello statore ruota in una macchina a corrente alternata, e quindi il rotore non può “raggiungere” il campo dello statore ed è in costante inseguimento di esso.
La velocità di rotazione del rotore dipenderà quindi dal numero di poli magnetici presenti nello statore e nel rotore.
La grandezza della coppia prodotta nella macchina è una funzione dell’angolo γ tra i campi magnetici di statore e rotore. Espressioni precise per questa coppia dipendono da come sono generati i campi magnetici e saranno date separatamente per i due casi di macchine sincrone e a induzione.
Quello che è comune a tutte le macchine rotanti è che il numero di poli dello statore e del rotore deve essere identico se si vuole generare una coppia. Inoltre, il numero di poli deve essere pari, poiché per ogni polo nord ci deve essere un corrispondente polo sud.
Una importante caratteristica desiderata in una macchina elettrica è la capacità di generare una coppia elettromagnetica costante.
Con una macchina a coppia costante, si possono evitare pulsazioni di coppia che potrebbero portare a vibrazioni meccaniche indesiderate nel motore stesso e in altri componenti meccanici collegati al motore (ad esempio, carichi meccanici, come mandrini o trasmissioni a cinghia). Una coppia costante non può essere sempre raggiunta, anche se sarà dimostrato che è possibile realizzare questo obiettivo quando le correnti di eccitazione sono multifase.
Una regola generale, a questo proposito, è che è desiderabile, per quanto possibile, produrre un flusso costante per polo.