Rotagem do campo magnético
O princípio fundamental de funcionamento das máquinas CA é a geração de um campo magnético rotativo, que faz girar o rotor a uma velocidade que depende da velocidade de rotação do campo magnético.
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Agora vamos explicar como se pode gerar um campo magnético rotativo no estator e na caixa de ar de uma máquina CA por meio de correntes alternadas.
Consulte o estator mostrado na Figura 1, que suporta enrolamentos a-a′, b-b′ e c-c′. As bobinas são espaçadas geometricamente 120◦ à parte, e uma tensão trifásica é aplicada às bobinas. As correntes geradas por uma fonte trifásica também são espaçadas por 120◦, como ilustrado na figura 2 abaixo.
As tensões de fase referidas ao terminal neutro seriam então dadas pelas expressões //
Onde ωe é a frequência da alimentação CA, ou frequência da linha. As bobinas em cada enrolamento estão dispostas de tal forma que a distribuição do fluxo gerado por qualquer enrolamento é aproximadamente sinusoidal.
Tal distribuição de fluxo pode ser obtida pela disposição apropriada de grupos de bobinas para cada enrolamento sobre a superfície do estator. Como as bobinas estão espaçadas 120◦, a distribuição de fluxo resultante da soma das contribuições dos três enrolamentos é a soma dos fluxos devido aos enrolamentos separados, como mostrado na Figura 3.
Assim, o fluxo em uma máquina trifásica gira no espaço de acordo com o diagrama vetorial da Figura 4, e o fluxo é constante em amplitude. Um observador estacionário no estator da máquina veria uma distribuição de fluxo sinusoidalmente variável, como mostrado na Figura 3.
Desde que o fluxo resultante da Figura 3 é gerado pelas correntes da Figura 2, a velocidade de rotação do fluxo deve estar relacionada com a frequência das correntes da fase sinusoidal. No caso do estator da Figura 1, o número de pólos magnéticos resultantes da configuração do enrolamento é de 2,
No entanto, também é possível configurar os enrolamentos para que tenham mais pólos. Por exemplo, a Figura 5 mostra uma visão simplificada de um estator de quatro pólos.
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Em geral, a velocidade do campo magnético rotativo é determinada pela frequência da corrente de excitação f e pelo número de pólos presentes no estator p, de acordo com a norma
onde ns (ou ωs) é normalmente chamada de velocidade síncrona.
Agora, a estrutura dos enrolamentos na discussão anterior é a mesma quer a máquina CA seja um motor ou um gerador. A distinção entre os dois depende da direção do fluxo de potência. Em um gerador, o torque eletromagnético é um torque de reação que se opõe à rotação da máquina; este é o torque contra o qual o motor principal trabalha.
Como descrito acima, o campo magnético do estator gira numa máquina AC, e portanto o rotor não pode “apanhar” o campo do estator e está em constante procura do mesmo.
A velocidade de rotação do rotor dependerá portanto do número de pólos magnéticos presentes no estator e no rotor.
A magnitude do torque produzido na máquina é uma função do ângulo γ entre o estator e o campo magnético do rotor. Expressões precisas para este torque dependem de como os campos magnéticos são gerados e serão dadas separadamente para os dois casos de máquinas síncronas e de indução.
O que é comum em todas as máquinas rotativas é que o número de pólos do estator e do rotor deve ser idêntico para que seja gerado algum torque. Além disso, o número de pólos deve ser uniforme, pois para cada pólo norte deve existir um pólo sul correspondente.
Uma característica importante desejada numa máquina eléctrica é a capacidade de gerar um binário electromagnético constante.
Com uma máquina de binário constante, é possível evitar pulsações de binário que poderiam levar a vibrações mecânicas indesejadas no próprio motor e noutros componentes mecânicos ligados ao motor (por exemplo, cargas mecânicas, tais como fusos ou accionamentos por correia). Um torque constante nem sempre pode ser atingido, embora se demonstre que é possível atingir este objetivo quando as correntes de excitação são multifásicas.
Uma regra geral, a este respeito, é que é desejável, na medida do possível, produzir um fluxo constante por pólo.