实际上不能这样看,因只有电容、电感、电阻才能移相。电刷换向,一是改变反电势或电流方向作用,二是引出各支路元件的反电势。换向片则作串联各元件反电势的桥梁。取一对并联支路由电刷两端往内看,分换向元件和非换向元件。换向元件换向时,它处于零磁位区,无论实槽元件还是虚槽元件,元件中的反电势均等于零。无论先后分n次换向,它也等于零,并无移相作用。电刷此时引出的反电势全是那些非换向元件串联后的反电势之和。而这些非换向元件每两个相邻元件反电势半波的相位差,是由每极下实槽元件数定死了的,电刷移动,改变不了它们的相位差。
因非换向的实槽元件与分成n次换向的n个虚槽元件处于同一实槽中,相位并没有差别。因此,处于非换向区的实槽与虚槽元件,理论上没有任何意义,因这时的换向片,只起连结元件桥梁作用,跟实槽元件不通过换向片自身多匝连结一样的。
只有换向时,实槽与虚槽才有差别,虚槽短路的匝数是实槽短路匝数的1/n.其非换向元件实槽与虚槽是一样的,二者无相位移。示意如下。
(a)是1个2匝的实槽元件在换向器上的连结;(b)的换向片2与线圈连不连结,都与(a)并无差别,故在非换向区虚槽与实槽的相位是一样的,虚槽无移相作用,叠加后也无平波作用,因此也就不能减小直流测速发电机的输出纹波系数。理论如此,再看实测情况。下面是2台330机座的低速直流测速发电机。
1和2电机每极下的实槽元件数均为143,按(1)式计算,它们的理论纹波系数为:K=06318/1432=03%,实测1电机为041%,2电机035%,二者均符合规律,稍大于理论值。而该两台电机虚槽数则不一样,1电机每极下的虚槽数为429,2电机每极下虚槽数为286.按(1)式计算,1电机的理论纹波系数K=003%,2电机的理论波纹系数为008%,但上面实测结果与虚槽理论纹波系数均大了很多,可见虚槽并不能减小纹波系数。再看一台430机座的低速测速发电机,它每极下的实槽元件数为217,按(1)式计算,它的理论纹波系数为013%,实测为025%,也符合规律,比理论值稍大一点。而该电机每极下的实槽元件数与330机座的2电机每极下的虚槽元件数286接近稍少,430的实测纹波系数却比330机座的2电机纹波系数更小,也说明虚槽对减小纹波系数不起作用。
既然虚槽对减小直流测速发电机的纹波系数不起作用,那么它在直流电机中到底有何用处作用有:1可减少换向元件的匝数。减少匝数即减小换向电感,减小电抗电势。这对改善直流电动机的换向很有好处。直流电动机负载下运行时,大电流换向时会产生较高的电抗电势,从而产生火花。虚槽减少了换向元件匝数,即减小了电感,因电感与匝数呈平方倍关系,故电抗电势可以大大减小,由此减小火花。2降低片间电压。片间电压高是引起电位差火花的根源。虚槽的采用,直流电机的片间电压可以按虚槽数降低1/n,这对防止电位差火花很有好处。另外,降低片间电压还可提高直流测速发电机的最高线性工作转速。当然,虚槽可以改善换向,换向好坏也要影响纹波系数。从这个方面看,虚槽对减小纹波系数间接有一点作用。
最后说明一点,无槽直流测速,它的元件平铺在电枢面,各元件反电势半波相位差很小很小,故叠加后平波作用最佳,波纹系数可减小到01%,但它的换向片并不多,故仍是实槽元件数多,才能减小纹波系数。当然,无齿槽测速机无槽效应,也是纹波系数减小的一个原因。
直流电动机功率转矩转换公式的扩展应用功率转矩转换公式P2=T2n/955是直流电动机测试中常用的公式。如果将该公式扩展,把公式中的P2达为电磁功率Pe,则可利用该公式求直流电动机不同电流下的电磁转矩Te:Te=955Pe/n(2)直流电动机空载时的电磁功率近似等于U0I0,因此时的铜耗很小,可以省去。故此时的Te=955U0I0/n0(3)空载时的电磁转矩全部用于克服电机空载产生的阻转矩T0.直流电动机负载时的电磁功率为输入功率UIH减去铜耗I2HRa,即(U-IRa)Ih=UIH-I2HRa.
故负载电磁转矩为TeH=955(VIH-I2HRa)/nH(4)直流电动机负载时负载电流产生的电磁转矩,一部分为输出转矩T2,一部分用于克服空载阻转矩T0.
下面选择两种直流电动机,用公式(3)和公式(4)计算电机不同负载下的电磁转矩,再求输出转矩,然后与实测值比较,看公式(3)和(4)的准确性。1电机为直流24V减速器低速电机,传动损耗为5%,故可省略。直流测减速轴上的转矩为电机输出转矩,与计算输出转矩比较。测试方法为定电压,在数字转矩仪上加不同的负载电流,读输出转矩T2和负载转速nH.2电机为直流48V高速电机。试验方法为变电压48V、51V、54V、57V加恒负载转矩T2=045Nm,然后不同电压下的负载电流IH、负载转速nH,再与不同电压下计算输出转矩比较。
将V0、I0、n0代入公式(3):Te=955U0I0/n0=(95524018)/248=0166(Nm)。第1点则求出了电机空载电流产生的电磁转矩Te=0166Nm.它完全用于克服电机空载阻转矩,故Te=T0.第2点为08A负载点。此点的铜耗PCu=I2Ra=082383=245(W)。将该点的u=24V、IH=08A、Ra=383、nH=223代入(3)式,则Te=<955(UIH-I2HRa)>nH=<955(2408-082383)>/223=0717(Nm)。该点的电磁转矩Te=0717Nm,减去空载阻转矩0166Nm,则为计算输出转矩。T2计算为0717-0166=0551(Nm),实测为0557Nm.二者近似相等,说明计算准确。
传统理论认为,直流电动机的电磁载矩无法测试。因此将直流电动机的功率转矩转换公式重新达后,使直流电动机电磁转矩不但能测试,而且变得简单和准确,上述方法即是证明。