1背景介紹

空心杯電動(dòng)機(jī)具有突出的節(jié)能特性、靈敏方便的控制特性和穩(wěn)定的運(yùn)行特性。作為高效率的能量轉(zhuǎn)換裝置。空心杯電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，采用的是無鐵芯轉(zhuǎn)子，也叫空心杯型轉(zhuǎn)子。這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徹底消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗，同時(shí)其重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大幅降低，從而減少了轉(zhuǎn)子自身的機(jī)械能損耗。空心杯電機(jī)屬于直流、永磁、伺服微特電機(jī)。

Ansys Maxwell對(duì)空心杯電機(jī)具有良好的仿真分析能力，支持對(duì)空心杯電機(jī)本體仿真、等效電路模型提取、控制算法及系統(tǒng)仿真等功能，能對(duì)空心杯電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行前期的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析。本文分別從空心杯電機(jī)本體仿真、等效電路模型提取、控制算法及系統(tǒng)仿真三個(gè)方面進(jìn)行闡述。

空心杯電機(jī)

2空心杯電機(jī)本體仿真

定子繞組建模是空心杯電機(jī)仿真的關(guān)鍵，空心杯電機(jī)的定子繞組如下圖所示。

空心杯電機(jī)定子繞組

Maxwell內(nèi)嵌的空心杯線圈CupCoil UDP能夠快速輕松地建立線圈的全參數(shù)化幾何模型，用戶可以簡(jiǎn)單地對(duì)線圈的直邊長(zhǎng)、節(jié)距等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)和優(yōu)化分析，空心杯線圈UDP的使用方案及參數(shù)如下圖所示。

CupCoil UDP使用方法

CupCoil UDP參數(shù)

空心杯線圈UDP參數(shù)示意圖如下圖所示，包含內(nèi)外徑、線圈節(jié)距、疊繞組及波繞組類型等。

空心杯線圈UDP參數(shù)示意圖

接下來介紹如何對(duì)空心杯電機(jī)繞組進(jìn)行建模。

首先按如下參數(shù)生成空心杯電機(jī)的單個(gè)繞組 。

空心杯電機(jī)的單個(gè)繞組

沿Z軸復(fù)制生成六個(gè)繞組，形成如下圖所示繞組模型。

繞組模型

然后從外部輸入或直接在Maxwell內(nèi)部建立電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、永磁體模型，裝配成完整的空心杯電機(jī)模型，并賦予相應(yīng)的材料特性。至此，完成空心杯電機(jī)模型的創(chuàng)建。

空心杯電機(jī)模型

模型材料及繞組激勵(lì)設(shè)置如下圖所示。

模型材料及繞組激勵(lì)

最終提交計(jì)算，得到如下反電勢(shì)計(jì)算結(jié)果。

反電勢(shì)結(jié)果

3D模型仿真計(jì)算速度較慢，用戶也可通過2D模型進(jìn)行仿真計(jì)算。把3D模型沿Z軸切割，可得如下空心杯2D模型，設(shè)置合適的模型深度和等效材料特性，并對(duì)繞組重新進(jìn)行分相后，也可以仿真空心杯電機(jī)的特性，仿真速度遠(yuǎn)快于3D模型。

2D仿真模型

3空心杯電機(jī)等效電路模型提取

等效電路模型提取是采用對(duì)有限元模型的定子電流和轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行遍歷的方式，基于高精度的有限元仿真提取出空心杯電機(jī)的精確等效電路模型，然后可在TwinBuilder中利用該等效電路模型搭建外部的控制電路和控制算法，從而既保證仿真精度，又保證仿真速度。

遍歷空心杯電機(jī)的定子電流和轉(zhuǎn)子位置提取等效電路模型如下圖所示。

定子電流和轉(zhuǎn)子位置提取等效電路模型

空心杯電機(jī)等效電路模型提取步驟如下。

首先把繞組的激勵(lì)類型設(shè)置為外部External，并設(shè)置繞組初始電流為0。

激勵(lì)類型設(shè)置為外部External、設(shè)置繞組初始電流為0

接著插入一個(gè)Maxwell外電路激勵(lì)。

插入Maxwell外電路激勵(lì)

接著在外電路激勵(lì)圖中加上三相繞組部件ECE3_Model，旋轉(zhuǎn)部件ECER_Model和地GND部件。

三相繞組部件ECE3_Model、旋轉(zhuǎn)部件ECER_Model和地GND部件

選擇部件ECE3_Model，右鍵選擇Properties，進(jìn)行如下設(shè)置：

Windings設(shè)置為Winding_A，Winding_B，Winding_C

CurrentSweep設(shè)置為(1A，20)

PhAngIntervals設(shè)置為2

其他用默認(rèn)設(shè)置即可。

ECE3_Model設(shè)置

接著選擇部件ECER_Model，右鍵選擇Properties，進(jìn)行如下設(shè)置：

RotAngMax設(shè)置為60deg

InElecDeg設(shè)置為Uncheck

RotAngIntervals設(shè)置為15

Poles設(shè)置為 4

其他用默認(rèn)設(shè)置即可。

ECER_Model設(shè)置

然后保存文件設(shè)置，菜單操作MaxwellCircuit>>Export Netlist，文件名設(shè)置為MaxCir1_Maxwell2DDesign_FOR_ECE，文件格式為.sph。

然后選擇MaxwellDesign(Maxwell2DDesign_FOR_ECE)，菜單操作 Maxwell2D>> Excitations>>External Circuit>>Edit ExternalCircuit>>Import Circuit Netlist ，選擇文件MaxCir1_Maxwell2DDesign_FOR_ECE.sph，點(diǎn)擊OK。菜單操作Maxwell 2D>>Analyze All，求解完成后選擇保存。

然后建立一個(gè)新的TwinBuilderDesign，把Design的名稱修改為TwinBuilder_B5_ece1，菜單操作TwinBuilderCircuit>>SubCircuit>>Maxwell Component>>Add EquivalentCircuit，如下圖，在當(dāng)前的工程文件Current Project中，選擇Maxwell2DDesign_FOR_ECE即可。

建立新的TwinBuilder Design

最后點(diǎn)擊ExtractEquivalent Circuit，然后點(diǎn)擊OK，則電機(jī)高精度等效電路模型輸入到了TwinBuilder中，如下圖所示。至此空心杯電機(jī)高精度的等效電路已經(jīng)作為一個(gè)部件添加到了TwinBuilder中，后續(xù)可以設(shè)計(jì)外圍的控制電路和控制算法，達(dá)到聯(lián)合仿真的目的。

空心杯電機(jī)等效ECE模型

4空心杯電機(jī)控制算法及系統(tǒng)仿真

用戶可基于空心杯電機(jī)的等效電路模型，搭建如下的無刷直流電機(jī)BLDC的方波控制算法和驅(qū)動(dòng)電路。

空心杯電機(jī)BLDC的方波驅(qū)動(dòng)控制電路

主電路三相逆變橋電路如下圖所示。包含6個(gè)橋臂，續(xù)流二極管等。

主電路三相逆變橋電路

空心杯電機(jī)BLDC換相及限流電路如下圖所示。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，控制算法根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的不同，觸發(fā)不同的IGBT橋臂導(dǎo)通，可采用120度或180度導(dǎo)通模式。

空心杯電機(jī)BLDC換相及限流電路

電機(jī)及其負(fù)載電路如下圖所示。電機(jī)剛開始空載，電機(jī)只克服電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)動(dòng)，在某時(shí)間點(diǎn)突加負(fù)載。

電機(jī)及其負(fù)載電路

空心杯BLDC電機(jī)三相電流結(jié)果下圖所示。

空心杯BLDC電機(jī)三相電流結(jié)果

從電流結(jié)果可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電機(jī)相電流切換速度越快。

空心杯電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速結(jié)果如下圖所示。

空心杯電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速結(jié)果

從轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線可以看出，在200ms處突加負(fù)載，轉(zhuǎn)速曲線斜率下降，也就是電機(jī)加速度下降。

5總結(jié)

Ansys Maxwell對(duì)空心杯電機(jī)具有良好的仿真分析能力，支持對(duì)空心杯電機(jī)本體仿真、等效電路模型提取、控制算法及系統(tǒng)仿真等功能，能對(duì)空心杯電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行前期的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析。為用戶對(duì)空心杯電機(jī)研究分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了方法參考。

審核編輯 ：李倩