節能的重點已從工業領域轉移到 高效電機 的應用中。由於和傳統電機相比，具有更高的扭矩以及更高的效率，無刷永磁（PM）同步電機在工業，運輸，電力生產和家電領域的可調速驅動器（ASD）中的應用越來越廣。永磁電機在市場上有多種設計形式，包括表面貼裝（SM）馬達，內插式永磁電機，內部永磁（IPM）電機，PM-輔助同步磁阻（SynchRel）電機等。
儘管和永磁電機相比效率低，但在高溫環境和需要高可靠的應用中，仍然需要採用低磁交流電機。例如，飛機發動機採用的就是三段無刷場同步發電機。
無論設備的型號如何，其控制必須具有最佳的性能。因此需要對其正確地分析以便判斷是否能滿足應用要求。
本文采用的是 HBM Gen3i 數據記錄儀來對交流電機的效率和損失 Map 圖進行描述。
測試臺
用於效率和損失 Map 圖的測試臺如下圖所示，測試臺包括以下主要部件。
- 被測電機 (MUT) 是一臺內部永磁電機 (IPM)
- 電機控制器 是一個帶有專用 模擬/數字 接口的 dSpace 板
- 驅動電機(DM) 是一個由雙向轉換器進行速度控制的永磁電機。雙向轉換器的速度參考由 dSpace 板模擬 DAC (數模轉換器) 輸出提供。另外一個方案是採用 CAN 或 RS422 接口。
- 扭矩傳感器採用的是 HBM T40 扭矩傳感器，其可以進行扭矩和轉速測量。扭矩傳感器通過聯軸器和被測電機和驅動電機相連。
- 相電流通過高精度, 外部 LEM 傳感器測量，其信號通過 HBM 數據記錄儀以 2M/s的採樣率採集。LEM分流的壓降通過BNC電纜發送到Gen3i。
- 被測電機 線-線電壓 通過 Gen3i 記錄儀 以2M/s 採樣率直接測量。所獲得的電壓是施加到機器的實際的PWM脈衝。
- 除了由 T40 扭矩傳感器提供轉子位置外，還使用電機控制器增量編碼器提供的轉子位置信號。外部分離卡 接收編碼器脈衝併發送到電機控制器和 Gen3i。
- 電機溫度通過三個 熱電偶 進行測量。熱電偶被可編程隔離放大器讀取，並輸出到 Gen3i 低速採集板卡。
效率和損耗 Map 圖 認證過程
我們的想法是創建如下所示的 扭矩-轉速 網格圖。
速度範圍 (ωmax-ωmin) 被分成多個等間距 Δω，合理的數量為 10 到 20。每個速度，扭矩變化也同樣按合理的點10到20，分成步進 ΔT 。結果就獲得了 扭矩-轉速 網格圖，包含 N = n x m 個點。
驅動電機通過速度控制提供每個操作點的速度，同時被測電機通過扭矩控制的。每個操作速度，扭矩的變化（ Tmin 和 Tmax）步進如下圖所示。
如圖所示，一個操作點持續了3秒。電機控制器產生了一個 TTL 信號給 HBM 數據記錄儀，當上升沿觸發被檢測到，數據記錄儀存儲了一秒的數據。按照所選操作點的數量，完整的過程持續了10到20分鐘。
測試後計算
一旦測試完成後, Gen3i 存儲的大數據文件可被分成 N 個數據文件，一個文件對應一個觸發，也就是 扭矩-速度 網格圖上的一個操作點。對於每個操作點，Gen3i 執行以下計算:
輸入電功率
其中 vαβ 和 iαβ 是在靜止參考系上的電壓和電流(α,β) , T 是從電角度得到的電週期
（週期）。
這裡必須提到，所獲取的電壓和電流沒有采用濾波。
銅損（焦耳）
平均定子電阻 Rs,avg 平均計算公式為
其中 Rs,base (Ω) 是基準溫度的定子電阻 (as example, θbase=20 °C)是平均定子溫度可以計算作為 k 測量定子溫度的平均值。
平均電阻可以考慮趨膚效應進行修正
機械軸功率
這裡 Tm 是測量的扭矩， ωm 是測定的速度。
鐵損和機械損失
鐵損
其中 PMec 是機械損失，其是和速度相關的，必須提前知道。
為了避免由被測電機和驅動電機產生的轉矩脈動影響 (速度產生的結果), 所有的功率值被存儲為一個間隔週期（包含多個機械轉）計算出的平均值。
對應於鐵損和總損失（鐵+機械）的扭矩
採用 (7)計算出的扭矩應該是估算的扭矩 (從電機控制器獲得) 和真實軸扭矩之間的差別。採用 (7)計算出的扭矩由 Gen3i提供，其是一個間隔週期的平均值。
被測電機效率和逆變器效率
只有直流母線電壓和電流可以測定，逆變器效率才可以獲得。在這個案例中，逆變器效率為
這裡 是輸入的逆變器功率，其必須被平均以消除直流母線電壓和電流波動。
除了效率和損失 map 圖，Gen3i 計算和存儲的以下物理量對於被測電機的分析是非常有用的:
(A) (d,q) 轉子幀磁鏈
磁鏈首先在靜態 (a,b) 幀按照反電動勢電壓時間積分來計算:
對於每個電週期（循環），為避免計算的磁鏈分量漂移，偏移校正是必要的。一旦 (a,b) 分量被計算，採用旋轉變換可以非常簡單地獲得(d,q) 分量，磁鏈也可以被計算。
是通過測得的機械位置計算出的電氣位置，極對數和偏移量必須已知.
由於定子磁鏈分量採用真實的電機電壓和定子電阻計算。假設計算的精度非常高。在這個案例中，定子磁鏈矢量軌跡在(d,q) 面的精度就會非常高，並且可以和磁學模型的結果進行比較。
(B) (d,q) 定子電流和電壓
(d,q) 定子幀電壓和電流分量可以從 (α,β) 分量，採用旋轉變換 (8) 計算出。因為 (d,q) 電壓分量會受到 PWM 波影響，他們的平均值從每個電週期中提取。
在 (d,q) 面的定子磁鏈矢量軌跡對與基速下檢查 MTPA 矢量是非常有用的。
(C) 估算氣隙轉矩
氣隙扭矩可以通過 Gen3i 採用
氣隙扭矩可以採用磁通分量計算，磁通分量已經通過真實電機的 PWM 電壓和定子電阻計算出，並考慮了測得的定子溫度平均值。可以看出，這種方法估算出的氣隙扭矩是非常優異的。
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