空心杯电机的设计计算（空心杯电机航模）

1背景介绍

空心杯电机具有突出的节能特性、灵敏便捷的控制特性和稳定的运行特性。作为一种高效的能量转换装置。空心杯电机的结构突破了传统电机的转子结构。它采用铁芯转子，也称为无芯转子。这种转子结构完全消除了铁芯中形成的涡流所造成的电能损失。同时，其重量和转动惯量大大降低，从而减少了转子本身的机械能损失。空心杯电机有直流电机、永磁电机和伺服微型电机。

Ansys Maxwell 对空心杯电机具有良好的仿真分析能力。支持空心杯电机本体仿真、等效电路模型提取、控制算法和系统仿真等功能，可以进行空心杯电机系统的早期优化设计和分析。本文从空心杯电机本体仿真、等效电路模型提取、控制算法和系统仿真三个方面进行阐述。

空心杯电机

2 空心杯电机本体仿真

定子绕组建模是空心杯电机仿真的关键。空心杯电机的定子绕组如下图所示。

空心杯电机定子绕组

Maxwell的嵌入式空心杯线圈CupCoil UDP可以快速、轻松地建立线圈的全参数化几何模型。用户可以简单地对线圈的直边长度、节距等设计参数进行参数和优化分析。空心杯线圈UDP的使用方案及参数如下图所示。

如何使用CupCoil UDP

CupCoil UDP 参数

空芯杯线圈UDP参数示意图如下图所示，包括内外径、线圈节距、重叠绕制和波形绕制类型等。

空心杯线圈UDP参数示意图

接下来，我们将介绍如何对空心杯电机绕组进行建模。

首先，根据以下参数生成空心杯电机的单个绕组。

空心杯电机单绕组

沿Z轴复制并生成6个绕组，形成如下图所示的绕组模型。

绕线型号

然后从外部输入电机定子、转子和永磁体模型或直接在Maxwell内部构建它们，将它们组装成完整的无铁芯电机模型，并分配相应的材料属性。至此，空心杯电机模型创建完成。

空心杯电机型号

模型材料和绕组励磁设置如下图所示。

模型材料和绕组励磁

最后提交计算，得到如下反电动势计算结果。

反电动势结果

3D模型仿真计算速度较慢，用户还可以通过2D模型进行仿真计算。沿Z轴切割3D模型，得到如下无芯杯2D模型。设置合适的模型深度和等效材料属性，并对绕组重新定相后，还可以模拟空心杯电机的特性，并且模拟速度比3D模型快得多。

2D仿真模型

3 空心杯电机等效电路模型提取

通过遍历有限元模型的定子电流和转子位置，提取等效电路模型。基于高精度有限元仿真，提取准确的空心杯电机等效电路模型，然后可以在TwinBuilder中使用等效电路模型构建外部控制电路和控制算法，保证仿真精度和仿真速度。

遍历空心杯电机的定子电流和转子位置，提取如下图所示的等效电路模型。

定子电流和转子位置提取等效电路模型

空心杯电机等效电路模型的提取步骤如下。

首先将绕组的励磁类型设置为外部，并将绕组的初始电流设置为0。

设置励磁类型为外部，并将初始绕组电流设置为0

然后插入麦克斯韦外部电路刺激。

插入麦克斯韦外电路激励

然后将三相绕组组件ECE3_Model、旋转组件ECER_Model和接地GND组件添加到外电路励磁图中。

三相绕组分量ECE3_Model、旋转分量ECER_Model和接地GND分量

选择组件ECE3_Model，右键单击并选择属性，并进行以下设置：

绕组设置为Winding_A、Winding_B、Winding_C

CurrentSweep 设置为(1A, 20)

PhAngIntervals 设置为2

其他设置使用默认设置。

ECE3_模型设置

然后选择组件ECER_Model，右键选择Properties，进行如下设置：

RotAngMax 设置为60deg

InElecDeg 设置为取消选中

RotAngIntervals 设置为15

极数设置为4

其他设置使用默认设置。

ECER_模型设置

然后保存文件设置，菜单操作MaxwellCircuitExport Netlist，设置文件名为MaxCir1_Maxwell2DDesign_FOR_ECE，文件格式为.sph。

然后选择MaxwellDesign(Maxwell2DDesign_FOR_ECE)，菜单操作Maxwell2D ExitationsExternal CircuitEditExternalCircuitImport Circuit Netlist，选择文件MaxCir1_Maxwell2DDesign_FOR_ECE.sph，点击OK。菜单操作Maxwell 2DAnalyze All，求解完成后选择保存。

然后新建一个TwinBuilderDesign，将Design名称改为TwinBuilder_B5_ece1，使用菜单操作TwinBuilderCircuitSubCircuitMaxwell ComponentAdd EquivalentCircuit，如下图。在当前项目文件Current Project 中，选择Maxwell2DDesign_FOR_ECE。

创建新的TwinBuilder 设计

最后，单击“提取等效电路”，然后单击“确定”。将电机高精度等效电路模型输入到TwinBuilder中，如下图所示。至此，空心杯电机的高精度等效电路已作为组件添加到TwinBuilder中。后期可以设计外围控制电路和控制算法，达到联合仿真的目的。

空心杯电机等效ECE模型

4 空心杯电机控制算法及系统仿真

用户可以根据空心杯电机的等效电路模型，搭建如下无刷直流电机BLDC的方波控制算法和驱动电路。

空心杯电机BLDC方波驱动控制电路

主电路三相逆变桥电路如下图所示。包含6个桥臂、续流二极管等。

主电路三相逆变桥电路

空心杯电机BLDC换向限流电路如下图所示。当电机转动时，控制算法根据转子位置的不同，触发不同的IGBT桥臂导通。可以采用120度或180度导通方式。

空心杯电机BLDC换相及限流电路

电机及其负载电路如下图所示。当电机最初卸载时，电机仅逆着电机转子惯性旋转，在某个时间点突然加负载。

电机及其负载电路

空心杯BLDC电机的三相电流结果如下图所示。

空心杯BLDC 电机三相电流结果

从电流结果可以看出，随着转速的增加，电机相电流切换得更快。

空心杯电机的扭矩和速度结果如下图所示。

空心杯电机扭矩速度结果

从转矩速度曲线可以看出，200ms突然加负载时，速度曲线斜率减小，即电机加速度减小。

5 总结

Ansys Maxwell 对空心杯电机具有良好的仿真分析能力。支持空心杯电机本体仿真、等效电路模型提取、控制算法和系统仿真等功能，可以进行空心杯电机系统的早期优化设计和分析。为用户空心杯电机的研究、分析和优化设计提供方法参考。

审稿人：李茜