Le principe de fonctionnement d’un alternateur est très simple. Il est exactement comme le principe de base d’un générateur de courant continu. Il dépend également de la loi d’induction électromagnétique de Faraday qui dit que le courant est induit dans le conducteur à l’intérieur d’un champ magnétique lorsqu’il y a un mouvement relatif entre ce conducteur et le champ magnétique.
Pour comprendre le fonctionnement de l’alternateur, pensons à une seule spire rectangulaire placée entre deux pôles magnétiques opposés comme indiqué ci-dessus.
Disons que cette boucle à spire unique ABCD peut tourner contre l’axe a-b. Supposons que cette boucle commence à tourner dans le sens horaire. Après une rotation de 90o, le côté AB ou le conducteur AB de la boucle vient en face du pôle S et le conducteur CD vient en face du pôle N. Dans cette position, le mouvement tangentiel du conducteur AB est juste perpendiculaire aux lignes de flux magnétique entre le pôle N et le pôle S. Par conséquent, le taux de coupure du flux par le conducteur AB est très élevé. Par conséquent, le taux de coupure de flux par le conducteur AB est maximal à cet endroit et pour cette coupure de flux, il y aura un courant induit dans le conducteur AB et la direction du courant induit peut être déterminée par la règle de la main droite de Fleming. Selon cette règle, la direction de ce courant sera de A à B. Au même moment, le conducteur CD vient sous le pôle N et ici aussi, si nous appliquons la règle de Fleming à droite, nous obtiendrons la direction du courant induit et elle sera de C à D.
Maintenant, après une rotation dans le sens des aiguilles d’une montre d’encore 90o, la spire ABCD vient à la position verticale comme indiqué ci-dessous. A cette position, le mouvement tangentiel du conducteur AB et CD est juste parallèle aux lignes de flux magnétique, donc il n’y aura pas de coupe de flux qui est pas de courant dans le conducteur.
Alors que la spire ABCD vient d’une position horizontale à une position verticale, l’angle entre les lignes de flux et la direction du mouvement du conducteur, se réduit de 90o à 0o et par conséquent le courant induit dans la spire est réduit à zéro de sa valeur maximale.
Après une autre rotation de 90o dans le sens des aiguilles d’une montre, la spire vient de nouveau en position horizontale, et ici le conducteur AB vient sous le pôle N et CD vient sous le pôle S, et ici si nous appliquons de nouveau la règle de Fleming à droite, nous verrons que le courant induit dans le conducteur AB, va du point B à A et le courant induit dans le conducteur CD va de D à C.
Comme à cette position la spire vient à une position horizontale de sa position verticale, le courant dans les conducteurs vient à sa valeur maximale à partir de zéro. Cela signifie que le courant circule dans la spire fermée du point B à A, de A à D, de D à C et de C à B, à condition que la boucle soit fermée bien que cela ne soit pas montré ici. Cela signifie que le courant est inversé par rapport à celui de la position horizontale précédente où le courant circulait comme A → B → C → D → A.
Alors que le virage avance encore vers sa position verticale, le courant est à nouveau réduit à zéro. Ainsi, si le tour continue à tourner, le courant à son tour alterne continuellement sa direction. Pendant chaque tour complet du tour, le courant à son tour atteint progressivement sa valeur maximale puis se réduit à zéro et ensuite il revient à sa valeur maximale mais en sens inverse et à nouveau il revient à zéro. De cette façon, le courant accomplit un cycle sinusoïdal complet pendant chaque tour de 360° du tour. Nous avons donc vu comment un courant alternatif est produit lorsqu’une spire est tournée à l’intérieur d’un champ magnétique. A partir de là, nous allons maintenant en venir au principe de fonctionnement réel d’un alternateur.
Nous plaçons maintenant un balai stationnaire sur chaque bague collectrice. Si nous connectons deux bornes d’une charge externe avec ces deux balais, nous obtiendrons un courant alternatif dans la charge. Ceci est notre modèle élémentaire d’un alternateur.
Ayant compris le principe très élémentaire d’un alternateur, ayons maintenant un aperçu de son principe de fonctionnement de base d’un alternateur pratique. Au cours de la discussion du principe de fonctionnement de base d’un alternateur, nous avons considéré que le champ magnétique est stationnaire et que les conducteurs (armature) sont en rotation. Mais généralement, dans la construction pratique d’un alternateur, les conducteurs de l’armature sont stationnaires et les aimants du champ tournent entre eux. Le rotor d’un alternateur ou d’un générateur synchrone est mécaniquement couplé à l’arbre ou aux pales de la turbine, qui est fait pour tourner à la vitesse synchrone Ns sous une certaine force mécanique résulte dans la coupe de flux magnétique des conducteurs d’armature stationnaires logés sur le stator.
Comme conséquence directe de cette coupure de flux, une emf induite et un courant commencent à circuler à travers les conducteurs d’armature qui circulent d’abord dans une direction pour le premier demi-cycle et ensuite dans l’autre direction pour le second demi-cycle pour chaque enroulement avec un décalage temporel défini de 120o dû à l’agencement décalé de 120o entre eux comme le montre la figure ci-dessous. Ce phénomène particulier aboutit à la sortie de l’alternateur d’une puissance triphasée qui est ensuite transmise aux stations de distribution pour des utilisations domestiques et industrielles.