電動汽車的電機需實現(xiàn)從低速到高速的高效輸出。因此，通過改變電機的轉(zhuǎn)速和扭矩，繪制可展示在不同參數(shù)條件下效率表現(xiàn)的效率 MAP 圖就極為重要。
在本應(yīng)用案例中，我們將為大家介紹基于永磁同步電機 (PMSM) 效率測試值制成的效率 MAP 圖。
逆變器輸出和電機輸出、損耗之間的關(guān)系

當(dāng)逆變器向電機提供電壓時，電流流過電機繞組在定子中產(chǎn)生磁通量，磁通量產(chǎn)生的磁場使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由于 PMSM 與逆變器輸出電壓的基波同步旋轉(zhuǎn)，因此電機的輸出中會含基波分量。另外，基波分量的一部分會作為電機的鐵損和銅損被消耗。另一方面，基波的諧波分量以及開關(guān)頻率等高頻分量則會成為損耗。
電機效率的測量

使用功率分析儀測量電機系統(tǒng)時，除逆變器的總輸出外，還可單獨測量基波輸出。此外，可以通過測量電機的扭矩和 轉(zhuǎn)速來測量電機的輸出。功率分析儀搭載了在這些值的基礎(chǔ)上內(nèi)部運算效率及損耗的功能。因此，可輕松收集生成效率 MAP 圖所需的測量數(shù)據(jù)。

損耗分離 ：銅損和鐵損
為了提高電機的效率，有必要將銅損和鐵損分開，并確定各自的損耗。銅損是由于繞組電阻引起的損耗。鐵損包括渦 流損耗和磁滯損耗，受磁場和頻率影響。功率分析儀可以分離這些損耗，并繪制在不同條件下?lián)p耗的 MAP 圖。

銅損的計算

電機銅損是指流過電機繞組的電流在導(dǎo)線電阻上產(chǎn)生的損耗。因此，可以通過事先測量電機的導(dǎo)線電阻，再結(jié)合功率分析儀測到的電流(lrms) 求出銅損。

在功率分析儀中，由于也會測量基波電流 (Ifnd)，因此不僅可以計算所有銅損 (Pc)，還能計算基波銅損 (Pcfnd)。 假設(shè)電機各相的繞組電阻值為 R1、R2、R3，則各自的銅損可通過以下公式計算。需要注意的是，總銅損 (Pc) 與基波銅損 (Pcfnd) 的差值即為諧波和高頻分量引起的銅損 (Pchrm)。

功率分析儀具有稱為“用戶定義函數(shù)（UDF）”的功能，因此通過定義公式可以在獲取測量值的同時計算銅損。

鐵損的計算

鐵損可從之前獲得的輸出和損耗中計算得出。

分離機械損耗測量較為困難，且通常其占比也小，因此在本資料中將其包含在鐵損內(nèi)。
生成效率 MAP 圖
電機的輸出由扭矩和轉(zhuǎn)速決定。對于電動汽車等需要在廣泛范圍的轉(zhuǎn)速和扭矩下運行的電機而言，掌握不同動作條件 下銅損和鐵損的分布情況對設(shè)計的改進至關(guān)重要。因此，制作以動作條件為坐標(biāo)的效率與損耗 MAP 圖 ( 包括總損耗、銅損、 鐵損 )，可為逆變器和電機的設(shè)計提供重要參考。

效率 MAP 圖生成示例

根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)，使用 MATLAB* 生成效率 MAP 圖。
*MATLAB 是由 MathWorks 公司開發(fā)的軟件產(chǎn)品

生成高精度電機效率 MAP 圖
如上所述，電機的效率和損耗可以由逆變器和電機的輸出得出。然而，由于以下原因，高精度測量電機的效率和損耗有一定難度。

· 逆變器輸出由 PWM 調(diào)制而成，其中含有開關(guān)頻率及其諧波分量，因此需要寬頻帶的功率測量。
· 逆變器的諧波功率為低功率因數(shù)，測量儀器的相位誤差一旦較大就無法正確測量諧波功率。 · 電機要在低速至高速的廣泛范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)，因此需要在整個動作范圍進行高精度測量。
·電機要在低速至高速的廣泛范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)，因此需要在整個動作范圍進行高精度測量。

PW8001 覆蓋了從 DC 到 5 MHz 的寬頻率帶寬，基本測量精度為 0.03%。此外，使用精度高的電流傳感器可進行大電流測量，通過電流傳感器的相位補償功能，即使是低功率因數(shù)也能實現(xiàn)高精度測量。

結(jié)語
本應(yīng)用案例基于功率效率和損耗的相關(guān)理論，介紹了 PWM 法驅(qū)動 PMSM 的測量，將損耗分為銅損和鐵損的方法以 及效率與損耗 MAP 圖的生成。并且對于在電機研發(fā)與設(shè)計過程中，針對電機效率改善的實踐性測量、計算方法及如何運 用 HIOKI 的 PW8001 和電流傳感器解決測量上的課題進行了介紹。