Rotterande magnetfält
Den grundläggande principen för växelströmsmaskiners funktion är genereringen av ett roterande magnetfält, vilket får rotorn att rotera med en hastighet som beror på magnetfältets rotationshastighet.
Vi ska nu förklara hur ett roterande magnetfält kan alstras i statorn och luftgapet i en växelströmsmaskin med hjälp av växelströmmar.
Tänk på statorn som visas i figur 1, som bär upp lindningarna a-a′, b-b′ och c-c′. Spolningarna har ett geometriskt avstånd på 120◦ från varandra och en trefasig spänning läggs på spolningarna. De strömmar som genereras av en trefasig källa har också ett avstånd på 120◦, vilket illustreras i figur 2 nedan.
Fasspänningarna refererade till neutralpolen skulle då ges av uttrycken //
där ωe är frekvensen för växelströmsförsörjningen, eller nätfrekvensen. Spolarna i varje lindning är anordnade på ett sådant sätt att den flödesfördelning som genereras av varje enskild lindning är ungefärlig sinusformad.
En sådan flödesfördelning kan erhållas genom att på lämpligt sätt anordna grupper av spolar för varje lindning över statorytan. Eftersom spolarna har ett avstånd på 120◦ från varandra är den flödesfördelning som uppstår genom summan av bidragen från de tre lindningarna summan av de flöden som beror på de separata lindningarna, vilket visas i figur 3.
Sålunda roterar flödet i en trefasmaskin i rymden enligt vektordiagrammet i figur 4, och flödet är konstant i amplitud. En stationär observatör på maskinens stator skulle se en sinusformigt varierande flödesfördelning, enligt figur 3.
Då det resulterande flödet i figur 3 alstras av strömmarna i figur 2 måste flödets rotationshastighet relateras till frekvensen hos de sinusformiga fasströmmarna. I fallet med statorn i figur 1 är antalet magnetiska poler till följd av lindningskonfigurationen 2.
Det är emellertid också möjligt att konfigurera lindningarna så att de har fler poler. Figur 5 visar till exempel en förenklad bild av en fyrpolig stator.
I allmänhet, bestäms hastigheten hos det roterande magnetfältet av frekvensen hos excitationsströmmen f och av antalet poler i statorn p enligt
där ns (eller ωs) vanligen kallas synkronhastighet.
Nu är lindningarnas uppbyggnad i den föregående diskussionen densamma oavsett om växelströmsmaskinen är en motor eller en generator. Skillnaden mellan de två beror på kraftflödets riktning. I en generator är det elektromagnetiska vridmomentet ett reaktionsmoment som motsätter sig maskinens rotation; detta är det vridmoment mot vilket drivmaskinen utför arbete.
Som beskrivits ovan roterar statorns magnetfält i en växelströmsmaskin, och därför kan rotorn inte ”komma ikapp” statorfältet utan är i ständig jakt på det.
Rotorns rotationshastighet kommer därför att bero på antalet magnetiska poler som finns i statorn och i rotorn.
Storleken på det vridmoment som produceras i maskinen är en funktion av vinkeln γ mellan statorns och rotorns magnetfält. Exakta uttryck för detta vridmoment beror på hur magnetfälten genereras och kommer att ges separat för de två fallen synkron- och induktionsmaskiner.
Vad som är gemensamt för alla roterande maskiner är att antalet stator- och rotorpoler måste vara identiskt om något vridmoment ska genereras. Vidare måste antalet poler vara jämnt, eftersom det för varje nordpol måste finnas en motsvarande sydpol.
En viktig önskad egenskap hos en elektrisk maskin är förmågan att generera ett konstant elektromagnetiskt vridmoment.
Med en maskin med konstant vridmoment kan man undvika vridmomentpulsationer som kan leda till oönskade mekaniska vibrationer i själva motorn och i andra mekaniska komponenter som är kopplade till motorn (t.ex. mekaniska belastningar, såsom spindlar eller remdrifter). Ett konstant vridmoment kan inte alltid uppnås, även om det kommer att visas att det är möjligt att uppnå detta mål när excitationsströmmarna är flerfasiga.
En allmän tumregel i detta avseende är att det är önskvärt, i den mån det är möjligt, att producera ett konstant flöde per pol.
Intressant video om roterande magnetfält
.