1背景介紹

空心杯電動機具有突出的節能特性、靈敏方便的控制特性和穩定的運行特性。作為高效率的能量轉換裝置。空心杯電動機在結構上突破了傳統電機的轉子結構形式，采用的是無鐵芯轉子，也叫空心杯型轉子。這種轉子結構徹底消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗，同時其重量和轉動慣量大幅降低，從而減少了轉子自身的機械能損耗。空心杯電機屬于直流、永磁、伺服微特電機。

Ansys Maxwell對空心杯電機具有良好的仿真分析能力，支持對空心杯電機本體仿真、等效電路模型提取、控制算法及系統仿真等功能，能對空心杯電機系統進行前期的優化設計與分析。本文分別從空心杯電機本體仿真、等效電路模型提取、控制算法及系統仿真三個方面進行闡述。

空心杯電機

2空心杯電機本體仿真

定子繞組建模是空心杯電機仿真的關鍵，空心杯電機的定子繞組如下圖所示。

空心杯電機定子繞組

Maxwell內嵌的空心杯線圈CupCoil UDP能夠快速輕松地建立線圈的全參數化幾何模型，用戶可以簡單地對線圈的直邊長、節距等設計參數進行參數和優化分析，空心杯線圈UDP的使用方案及參數如下圖所示。

CupCoil UDP使用方法

CupCoil UDP參數

空心杯線圈UDP參數示意圖如下圖所示，包含內外徑、線圈節距、疊繞組及波繞組類型等。

空心杯線圈UDP參數示意圖

接下來介紹如何對空心杯電機繞組進行建模。

首先按如下參數生成空心杯電機的單個繞組 。

空心杯電機的單個繞組

沿Z軸復制生成六個繞組，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內部建立電機定子、轉子、永磁體模型，裝配成完整的空心杯電機模型，并賦予相應的材料特性。至此，完成空心杯電機模型的創建。

空心杯電機模型

模型材料及繞組激勵設置如下圖所示。

模型材料及繞組激勵

最終提交計算，得到如下反電勢計算結果。

反電勢結果

3D模型仿真計算速度較慢，用戶也可通過2D模型進行仿真計算。把3D模型沿Z軸切割，可得如下空心杯2D模型，設置合適的模型深度和等效材料特性，并對繞組重新進行分相后，也可以仿真空心杯電機的特性，仿真速度遠快于3D模型。

2D仿真模型

3空心杯電機等效電路模型提取

等效電路模型提取是采用對有限元模型的定子電流和轉子位置進行遍歷的方式，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。

遍歷空心杯電機的定子電流和轉子位置提取等效電路模型如下圖所示。

定子電流和轉子位置提取等效電路模型

空心杯電機等效電路模型提取步驟如下。

首先把繞組的激勵類型設置為外部External，并設置繞組初始電流為0。

激勵類型設置為外部External、設置繞組初始電流為0

接著插入一個Maxwell外電路激勵。

插入Maxwell外電路激勵

接著在外電路激勵圖中加上三相繞組部件ECE3_Model，旋轉部件ECER_Model和地GND部件。

三相繞組部件ECE3_Model、旋轉部件ECER_Model和地GND部件

選擇部件ECE3_Model，右鍵選擇Properties，進行如下設置：

Windings設置為Winding_A，Winding_B，Winding_C

CurrentSweep設置為(1A，20)

PhAngIntervals設置為2

其他用默認設置即可。

ECE3_Model設置

接著選擇部件ECER_Model，右鍵選擇Properties，進行如下設置：

RotAngMax設置為60deg

InElecDeg設置為Uncheck

RotAngIntervals設置為15

Poles設置為 4

其他用默認設置即可。

ECER_Model設置

然后保存文件設置，菜單操作MaxwellCircuit>>Export Netlist，文件名設置為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

最后點擊ExtractEquivalent Circuit，然后點擊OK，則電機高精度等效電路模型輸入到了TwinBuilder中，如下圖所示。至此空心杯電機高精度的等效電路已經作為一個部件添加到了TwinBuilder中，后續可以設計外圍的控制電路和控制算法，達到聯合仿真的目的。

空心杯電機等效ECE模型

4空心杯電機控制算法及系統仿真

用戶可基于空心杯電機的等效電路模型，搭建如下的無刷直流電機BLDC的方波控制算法和驅動電路。

空心杯電機BLDC的方波驅動控制電路

主電路三相逆變橋電路如下圖所示。包含6個橋臂，續流二極管等。

主電路三相逆變橋電路

空心杯電機BLDC換相及限流電路如下圖所示。電機轉動時，控制算法根據轉子位置的不同，觸發不同的IGBT橋臂導通，可采用120度或180度導通模式。

空心杯電機BLDC換相及限流電路

電機及其負載電路如下圖所示。電機剛開始空載，電機只克服電機的轉子轉動慣量轉動，在某時間點突加負載。

電機及其負載電路

空心杯BLDC電機三相電流結果下圖所示。

空心杯BLDC電機三相電流結果

從電流結果可以看出，隨著轉速的升高，電機相電流切換速度越快。

空心杯電機轉矩轉速結果如下圖所示。

空心杯電機轉矩轉速結果

從轉矩轉速曲線可以看出，在200ms處突加負載，轉速曲線斜率下降，也就是電機加速度下降。

5總結

Ansys Maxwell對空心杯電機具有良好的仿真分析能力，支持對空心杯電機本體仿真、等效電路模型提取、控制算法及系統仿真等功能，能對空心杯電機系統進行前期的優化設計與分析。為用戶對空心杯電機研究分析、優化設計提供了方法參考。

審核編輯 ：李倩