Il principio di funzionamento di un alternatore è molto semplice. È proprio come il principio di base del generatore DC. Dipende anche dalla legge di Faraday dell’induzione elettromagnetica che dice che la corrente è indotta nel conduttore all’interno di un campo magnetico quando c’è un movimento relativo tra quel conduttore e il campo magnetico.
Per capire il funzionamento dell’alternatore pensiamo a un singolo giro rettangolare posto tra due poli magnetici opposti come mostrato sopra.
Diciamo che questo singolo giro ABCD può ruotare contro l’asse a-b. Supponiamo che questo ciclo inizia a ruotare in senso orario. Dopo una rotazione di 90o il lato AB o il conduttore AB della spira si trova davanti al polo S e il conduttore CD si trova davanti al polo N. In questa posizione il movimento tangenziale del conduttore AB è proprio perpendicolare alle linee di flusso magnetico dal polo N al polo S. Quindi, il tasso di taglio del flusso da parte del conduttore AB è massimo qui e per quel taglio del flusso ci sarà una corrente indotta nel conduttore AB e la direzione della corrente indotta può essere determinata dalla regola della mano destra di Fleming. Secondo questa regola la direzione di questa corrente sarà da A a B. Allo stesso tempo il conduttore CD passa sotto il polo N e anche qui se applichiamo la regola della mano destra di Fleming otterremo la direzione della corrente indotta e sarà da C a D.
Ora dopo una rotazione in senso orario di altri 90o la curva ABCD arriva alla posizione verticale come mostrato sotto. In questa posizione il moto tangenziale del conduttore AB e CD è proprio parallelo alle linee di flusso magnetico, quindi non ci sarà nessun taglio di flusso cioè nessuna corrente nel conduttore.
Mentre la curva ABCD arriva da una posizione orizzontale a una posizione verticale, l’angolo tra le linee di flusso e la direzione del moto del conduttore, si riduce da 90o a 0o e di conseguenza la corrente indotta nella curva si riduce a zero dal suo valore massimo.
Dopo un’altra rotazione in senso orario di 90o la curva torna di nuovo in posizione orizzontale, e qui il conduttore AB passa sotto il polo N e CD passa sotto il polo S, e qui se applichiamo di nuovo la regola di Fleming, vedremo che la corrente indotta nel conduttore AB, va dal punto B ad A e la corrente indotta nel conduttore CD va da D a C.
Poiché in questa posizione la curva arriva in posizione orizzontale dalla sua posizione verticale, la corrente nei conduttori arriva al suo valore massimo da zero. Ciò significa che la corrente circola nella curva chiusa dal punto B ad A, da A a D, da D a C e da C a B, a condizione che l’anello sia chiuso anche se non è mostrato qui. Ciò significa che la corrente è al contrario di quella della precedente posizione orizzontale quando la corrente circolava come A → B → C → D → A.
Mentre il giro procede ulteriormente verso la sua posizione verticale la corrente è nuovamente ridotta a zero. Quindi, se il giro continua a ruotare, la corrente a sua volta altera continuamente la sua direzione. Durante ogni giro completo del giro, la corrente a sua volta raggiunge gradualmente il suo valore massimo poi si riduce a zero e poi di nuovo arriva al suo valore massimo ma in direzione opposta e di nuovo arriva a zero. In questo modo, la corrente completa un ciclo completo di onda sinusoidale durante ogni rivoluzione di 360o del giro. Così, abbiamo visto come la corrente alternata è prodotta in un giro è ruotato all’interno di un campo magnetico. Da questo, veniamo ora al principio di funzionamento reale di un alternatore.
Ora mettiamo una spazzola fissa su ogni collettore rotante. Se colleghiamo due terminali di un carico esterno con queste due spazzole, otterremo una corrente alternata nel carico. Questo è il nostro modello elementare di un alternatore.
Avendo capito il principio di base di un alternatore, diamo ora un’occhiata al suo principio di funzionamento di un alternatore pratico. Durante la discussione del principio di funzionamento di base di un alternatore, abbiamo considerato che il campo magnetico è fermo e i conduttori (armatura) sono in rotazione. Ma generalmente nella costruzione pratica dell’alternatore, i conduttori dell’indotto sono fermi e i magneti del campo ruotano tra loro. Il rotore di un alternatore o di un generatore sincrono è accoppiato meccanicamente all’albero o alle pale della turbina, che viene fatto ruotare a velocità sincrona Ns sotto una certa forza meccanica che provoca il taglio del flusso magnetico dei conduttori di armatura stazionari alloggiati sullo statore.
Come conseguenza diretta di questo taglio di flusso, un emf indotto e una corrente iniziano a scorrere attraverso i conduttori d’indotto che scorrono prima in una direzione per il primo mezzo ciclo e poi nell’altra direzione per il secondo mezzo ciclo per ogni avvolgimento con un ritardo definito di 120o a causa della disposizione spostata di 120o tra loro come mostrato nella figura sottostante. Questo particolare fenomeno determina un flusso di potenza trifase in uscita dall’alternatore che viene poi trasmesso alle stazioni di distribuzione per usi domestici e industriali.