Câmp magnetic rotativ
Principiul fundamental de funcționare a mașinilor de curent alternativ este generarea unui câmp magnetic rotativ, care determină rotorul să se rotească cu o viteză care depinde de viteza de rotație a câmpului magnetic.
Acum vom explica modul în care poate fi generat un câmp magnetic rotativ în statorul și întrefierul unei mașini de curent alternativ prin intermediul curenților alternativi.
Considerăm statorul prezentat în figura 1, care suportă înfășurările a-a′, b-b′ și c-c′. Bobinele sunt distanțate geometric la o distanță de 120◦, iar la bobine se aplică o tensiune trifazică. Curenții generați de o sursă trifazică sunt, de asemenea, distanțați cu 120◦, așa cum este ilustrat în figura 2 de mai jos.
Tensiunile de fază raportate la borna neutră ar fi atunci date de expresiile //
unde ωe este frecvența alimentării în curent alternativ, sau frecvența de linie. Bobinele din fiecare înfășurare sunt dispuse în așa fel încât distribuția fluxului generat de oricare dintre înfășurări să fie aproximativ sinusoidală.
O astfel de distribuție a fluxului poate fi obținută prin dispunerea adecvată a grupurilor de bobine pentru fiecare înfășurare pe suprafața statorului. Deoarece bobinele sunt distanțate la 120◦, distribuția fluxului care rezultă din suma contribuțiilor celor trei înfășurări este suma fluxurilor datorate înfășurărilor separate, așa cum se arată în figura 3.
Așa, fluxul într-o mașină trifazată se rotește în spațiu conform diagramei vectoriale din figura 4, iar fluxul este constant în amplitudine. Un observator staționar pe statorul mașinii ar vedea o distribuție a fluxului cu variație sinusoidală, așa cum se arată în figura 3.
Din moment ce fluxul rezultat din figura 3 este generat de curenții din figura 2, viteza de rotație a fluxului trebuie să fie legată de frecvența curenților de fază sinusoidali. În cazul statorului din figura 1, numărul de poli magnetici rezultați din configurația înfășurărilor este de 2.
Cu toate acestea, este de asemenea posibil să se configureze înfășurările astfel încât să aibă mai mulți poli. De exemplu, figura 5 prezintă o vedere simplificată a unui stator cu patru poli.
În general, viteza câmpului magnetic rotitor este determinată de frecvența curentului de excitație f și de numărul de poli prezenți în stator p, conform
unde ns (sau ωs) se numește de obicei viteza sincronă.
Acum, structura înfășurărilor din discuția anterioară este aceeași, indiferent dacă mașina de curent alternativ este un motor sau un generator. Distincția dintre cele două depinde de direcția fluxului de putere. La un generator, cuplul electromagnetic este un cuplu de reacție care se opune rotației mașinii; acesta este cuplul împotriva căruia lucrează motorul principal.
După cum am descris mai sus, câmpul magnetic statoric se rotește într-o mașină de curent alternativ și, prin urmare, rotorul nu poate „prinde din urmă” câmpul statoric și este în continuă urmărire a acestuia.
Viteza de rotație a rotorului va depinde, prin urmare, de numărul de poli magnetici prezenți în stator și în rotor.
Mărimea cuplului produs în mașină este o funcție de unghiul γ dintre câmpurile magnetice statoric și rotoric. Expresiile precise pentru acest cuplu depind de modul în care sunt generate câmpurile magnetice și vor fi date separat pentru cele două cazuri de mașini sincrone și mașini cu inducție.
Ceea ce este comun la toate mașinile rotative este că numărul de poli ai statorului și ai rotorului trebuie să fie identic pentru ca orice cuplu să fie generat. Mai mult, numărul de poli trebuie să fie par, deoarece pentru fiecare pol nord trebuie să existe un pol sud corespunzător.
O caracteristică importantă dorită la o mașină electrică este capacitatea de a genera un cuplu electromagnetic constant.
Cu o mașină cu cuplu constant, se pot evita pulsațiile de cuplu care ar putea duce la vibrații mecanice nedorite în motorul propriu-zis și în alte componente mecanice atașate la motor (de exemplu, sarcini mecanice, cum ar fi fusuri sau transmisii cu curele). Un cuplu constant nu poate fi obținut întotdeauna, deși se va arăta că este posibil să se atingă acest obiectiv atunci când curenții de excitație sunt multifazici.
O regulă generală, în această privință, este că este de dorit, în măsura în care este posibil, să se producă un flux constant per pol.
Video interesant de câmp magnetic rotativ
.