案例教学 | ANSYS电机ECE模型抽取方法

ECE又称等效电路模型，它是基于表格的等效模型，表格参数来源于预先的有限元计算结果。ECE模型可用于控制电路分析、系统分析、硬件在环分析等。它具有模型计算速度快，精度高的优点。

在电机设计过程中，通常需将电机与控制系统进行矢量控制算法联合仿真，以更准确评估控制算法的稳健性和准确性。控制系统联合仿真过程中，由于控制器开关频率高，仿真步长通常为微秒级别，计算调速、启动等工况时往往需要计算上百万个时间步长，如果直接将有限元模型直接与控制系统进行联合仿真，需要计算几天时间，不利于产品研发与优化。

Ansys支持电机降阶模型抽取，通过对电机有限元结果进行降阶抽取，等效抽取的结果是基于有限元计算得到的数据表，在控制系统联合仿真过程中只需通过查表得方法就能得到电机得性能，因此将抽取后的结果应用到系统仿真中，既保证了精度也提高了速度。

以永磁电机为例，在Maxwell有限元场计算中，有限元模型对电流和转子位置角扫描，扫描后得到的有限元结果通过降阶模型保存在数据表中形成ECE模型，可将ECE模型直接在Simplorer(Twin-Builder)进行分析计算，也可以将ECE模型送到控制当中进行高级控制系统仿真。由于抽取的ECE结果是基于有限元计算得到的，因此ECE结果精度非常高，与有限元结果几乎一样。

图 1 控制器与有限元电机模型联合仿真

图 2 控制器与ECE模型联合仿真

图 3 ECE与有限元力矩对比

图 4 ECE与有限元绕组电流对比

在电机ECE模型抽取过程中，需要将三相绕组的激励方式改成外电路。该步骤只是用于ECE模型抽取，与电机实际需不需要设置外电路无关。同时外电路只需要包含三个元件，分别是，三相绕组电流扫描元件ECE3、转子位置角度扫描原件ECER及Ground。

图 5 三相永磁电机ECE抽取所需元件

ECE3为三相绕组电流扫描，设置如下图。Windings中设置的绕组名称需要与Maxwell中绕组的名称和大小写完全一致，中间用英文逗号隔开。CurrentSweeps中为id和iq电流扫描的区间，与下列PhAngIntervals配合使用，当PhAngIntervals为2时（通常情况为2），图中的(1A,10)意为id，iq电流的扫描按照1A，向正负方向各扫描10个，也就是-10A到10A共21个电流。

图 6 ECE3设置

ECER为转子位置扫描，设置如下图。其中RotAngMax为转子转过的最大角度，如勾选InElecDeg则60度为电角度，否则为机械角度。考虑到三相永磁电机磁链对称性，一般抽取三相永磁电机ECE时扫描60度电角度即可。RotAngIntervals为电角度间隔，12代表将60度电角度分为12份，每5度计算一次。余下的SkewAng和Poles按照电机实际设置即可。

图 7 ECER设置

ECE3和ECER设置完成后，导出sph电路文件，在Maxwell中导入并计算即可在计算完成后生成sml文件，即为ECE等效电路。

作者：李岩冰 安世亚太仿真业务部