空心杯電機的案例
Ansys空心杯電機仿真方案
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
空心杯線圈UDP
-Maxwell內嵌的空心杯線圈CupCoil UDP能夠快速輕松的建立線圈的全參數化幾何模型
-后續可以簡單的對線圈的直邊長、節距等設計參數進行參數和優化分析
空心杯電機繞組建模
-按如下參數生成空心杯電機的單個繞組
-沿Z軸復制生成六個繞組
生成空心杯電機完成模型
-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。
空心杯電機3D模型仿真
-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。
-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。
空心杯電機等效電路模型提取
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。
-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。
-插入一個Maxwell外電路激勵。
展開 基于Ansoft Maxwell的永磁直流空心杯電機有限元分析
摘 要：永磁直流空心杯電機是空心杯電機的一種，體積小重量輕、轉動慣量小、工作效率高、功率密度高，在航空航天及國防軍事裝備領域得到廣泛的應用。以永磁直流空心杯電機為模型，運用Ansoft Maxwell軟件搭建仿真模型，進行網格剖分、材料賦予及激勵源等設置。求解并分析模型在穩態的磁場分布及瞬態的輸出特性，為電機的設計與優化提供參考依據。
關鍵詞：空心杯電機;Ansoft Maxwell;有限元分析;
0 引 言
永磁直流空心杯電機是空心杯電機的一種，其因為體積小重量輕、轉動慣量小、工作效率高等優點被廣泛應用于軍事國防領域[1]。瑞士Maxon集團研制的空心杯電機，在2004年隨美國航空航天局的火星探測器出色地完成了任務。2012年美國私人航天公司SpaceX的天龍號同樣配置了空心杯電機。與國外電機制造業相比，國內在設計專業程度方面和制造良品率方面有一定的差距，導致國內生產的空心杯電機不及國外知名企業的同類型電機。本文介紹了永磁直流空心杯電機工作的原理，基于Maxwell仿真軟件對“二極九槽”永磁直流空心杯電機進行二維建模、劃分網格、賦予材料屬性及設置激勵源，對電機穩態磁場情況及瞬態工作情況進行分析，確定電機磁場強度、氣隙磁密、輸出轉矩、轉速等情況。
1 永磁直流空心杯電機的結構與原理
永磁直流空心杯電機的特點是轉子無鐵心，也稱為空心杯轉子。該類電機帶有電刷、換向器，定子采用稀土磁鋼產生激磁磁場，當給電機施加直流電壓后，通過電刷與換向器的換向繞組中的電流方向保持不變[2],該電流與定子激磁磁場相互作用，形成方向始終不變的電磁轉矩，從而使電機以一定的轉速工作。
展開 伺服 / 空心杯 / 異步電機三賽道揭秘：千億市場、技術壁壘與國產突圍
空心杯電機已經成功應用于人形機器人靈巧手、協作機器人關節、AGV/AMR移動機器人等領域。
兆威機電：全球領先的微型傳動系統制造商，主營微型傳動系統、微型驅動系統。轉矩直流電機、無刷空心杯電機、8mm永磁步進電機均已形成系列產品，正開展4mm直徑無刷空心杯電機攻關，以突破國外技術壁壘。
江蘇雷利：公司已自研完成8mm有刷空心杯和10mm無刷空心杯，最高轉速可達10萬轉，16mm空心杯電機已實現批量生產，并供貨于海外市場。
拓邦股份：已成功研發出高密度無框力矩電機等核心產品，空心杯電機具有高性能、低噪音、低功耗等特點，轉速可達到數千轉每分鐘，適合用于需要高精度控制的機器部件。
昊志機電：公司已具備多尺寸空心杯電機，產品性能領先行業，且其空心杯電機具備體積小、可控性高、噪音小等優點，契合人形機器人靈巧手需求。
鼎智科技：鼎智科技的空心杯電機技術已基本成熟，其最小直徑8mm，最大轉速8萬轉/分鐘，性能處于國內領先水平。公司自研空心杯電機繞線設備，可實現空心杯電機全自動批量生產，掌握了減速箱核心技術，自研的空心杯電機+減速箱配套產品也處于國內領先地位，且公司未來還計劃推出更小尺寸的空心杯電機，并配套減速箱，以進一步提升產品競爭力。
四、總結
隨著人形機器人等高端應用的快速發展，空心杯電機的市場需求將持續增長。盡管技術壁壘較高，但國內企業通過技術創新和并購等方式，正在加速布局并逐步提升競爭力。未來，隨著技術的不斷進步和應用領域的拓展，空心杯電機市場有望繼續保持增長，國內企業在全球市場的份額將逐步提升。
新能源汽車異步電機驅動系統的現狀與發展趨勢
隨著新能源汽車市場的快速發展，異步電機驅動系統作為一種成熟且廣泛應用的技術，正逐漸成為行業的主流選擇之一。
展開 國產減速器份額超 60%、空心杯瞄準人形機、工業機 2025 反彈 5%
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</div><p>空心杯電機被譽為電機領域的“皇冠明珠”，技術含量高、生產難度大。目前，全球市場由少數企業占據大部分份額，如Faulhaber、Portescap等，2022年CR5約為67%。</p><p>國內企業多集中于中低端市場，整體國產化率偏低，但國產替代空間廣闊。近年來，國內涌現出一批優秀企業，如鳴志電器、拓邦股份、兆威機電、雷賽智能等，通過加大研發投入和技術突破，加速追趕國際先進水平。</p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">3、人形機器人帶來新增量</strong></p><p>空心杯電機主要應用于人形機器人的靈巧手。以特斯拉Optimus為例，其手部執行器中空心杯電機成本占比高達54.5%，單臺機器人約需配備12個空心杯電機。</p><p>目前，我國人形機器人行業仍處于初級階段，尚未實現規模化應用，但商業化進程加速，未來有望迎來規模量產與廣泛應用，為空心杯電機行業帶來廣闊增量需求。</p><p>根據預測，到2035年國內人形機器人出貨量有望達到百萬級，催生千萬級空心杯電機的市場需求。面對這一潛在增長機遇，多家本土企業已開始前瞻性布局。
展開 
人形機器人關節「心臟」大揭秘！特斯拉 / 小米 / 宇樹核心技術哪家強？
人形機器人的核心動作能力高度依賴于關節電機的性能。這些電機不僅要提供動力，還要精準控制動作。目前，人形機器人關節電機的主流技術方案主要包括無框力矩電機與空心杯電機、諧波減速器與行星減速器、力傳感器與電流環控制等。本文將對這些技術方案進行對比分析，并探討未來的發展趨勢。
（一）關節電機技術方案對比
無框力矩電機 VS 空心杯電機
諧波減速器 VS 行星減速器
力傳感器 VS 電流環
（二）技術路線分析
總的來說，特斯拉目前追求工業級性能，適合未來工廠、家庭助手等高端場景，但成本較高；宇樹則平衡性能與價格，瞄準教育、娛樂等中端市場；小米以低價推動普及，通過生態鏈擴展應用（如智能家居聯動）。隨著《人形機器人電驅動一體化關節接口規范》標準2025年立項，電機與減速器的兼容性將提升，國產替代加速。而軸向磁通電機、更高精度傳感器的應用，可能進一步突破現有技術瓶頸。
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展開 行業新應用：電機驅動將成為機器人的動力核心
電機已經遍布當今社會人們生活的方方面面，不僅應用范圍越來越廣，更新換代的速度也日益加快。按照工作電源分類，可以將它劃分為直流電機和交流電機兩大類型。直流電機中，按照線圈類型分類，又可以分為有鐵芯的電機、空心杯電機。如果按照用途劃分，可以分為驅動用電機和控制用電機兩大類。驅動用電機包括無換向器電機和換向器直流電動機，控制用電機包括步進電機和伺服電機。
電機驅動芯片是一種用于電機控制的芯片，通過對驅動器進行控制，可實現對電機的轉動方向、速度和運動方式等進行多種模式控制，比如步進電機驅動芯片，可以通過設置不同的控制參數實現高精度的轉角和位置控制。電機驅動芯片已經應用和發展數十年，起初電機多采用分立元件搭建驅動電路，在集成電路技術與電力電子技術不斷發展下，電機驅動芯片逐步實現了集成化、小型化和智能化。
一般而言，機器人首先需要電機驅動芯片具有更高的性能與更強的穩定性。機器人的工作環境復雜，特別是當其被應用于工廠生產活動中，有可能在高電壓、大電流的環境下工作，這對芯片本體的穩定性將有更高要求。另外，機器人的關節要完成高轉速、頻繁的正反轉，實現高自由度，對于電機與驅動芯片的性能也有更高要求，如此可以更加快速準確地完成轉矩的控制。
無框力矩電機是一種以輸出扭矩為衡量指標的無框架式永磁電機，具有體積小、質量輕、慣量低、結構緊湊、功率高、 適配性強等特點，在機器人關節、傳感器萬向軸、無人機推進系統應用廣泛。不同于傳統的永磁電機，無框力矩電機沒有機殼，只有轉子和定子兩部件，這讓機器結構設計不再受制于電機殼體的束縛，可以利用機器的自身軸承支撐轉子，將電機無縫內置于機器當中。
其次，在機器人的運動控制中會應用到大量電子器件，如多種類型的傳感器、MCU、功率器件等，更高集成度的控制驅動芯片將是一個重要的發展方向。第三是更低的功耗。
展開 人形機器人關節電機設計“寶典”
關節電機主要采用無框力矩電機和空心杯電機，二者的區別如下圖所示。
（無框力矩電機和空心杯電機對比）
無框力矩電機的全球龍頭企業是美國科爾摩根(Kollmorgen)和穆格(Moog)、瑞士 Maxon。
空心杯電機的全球龍頭企業是瑞士MAXON、德國 Faulhaber。NTCysd預計2028年全球空心杯直流電機市場規模達11.86億美元，2022-2028 年CAGR為8.47%。
（數據來源:QY Research、 NTCysd、公開資料、創業邦研究中心整理）
2、 技術挑戰
企業需要在設計和生產人形機器人關節電機時，面對成本、重量、響應時間、性能和可靠性等技術挑戰，其主要解決思路如下圖所示：
技術挑戰
解決思路
成本
? 使用高效設計軟件，采用標準化或新型材料，精確設計和高效制造，減少浪費、降低成本。
輕量化
? 優化電機結構，使用鋁合金、碳纖維等輕質材料，將多功能集成到一個電機，減少部件數量等手段減輕重量。
響應速度
? 采用先進控制算法，選用合適電機類型，優化電機與控制系統匹配，提升響應速度。
性能
? 根據需求選用電機類型，保持扭矩與功率密度在高負載下良好輸出；優化熱管理，防止過熱，確保電機持續穩定運行。
展開 ANSYS RMxprt電機設計精講之調優分析
RMxprt-調優分析案例
作者：電機設計青年/MotorDesign Youth
時間：20211221
作者簡介：曾擔任ANSYS低頻電磁工程師一職，后入職電機企業，從事電機產品研發工作，電機類型涉及電勵磁同步電機、永磁同步電機、空心杯電機、軸向磁通電機等，應用行業涉及新能源汽車、航空、醫療器械等，精通軟件且設計經驗豐富。
RMxprt軟件擁有一個方便實用的調優分析功能。調優分析，簡單說，是先對設計變量進行一個大步長的掃描，查看輸出變量在哪一個區間范圍內可能存在最優值，進而再對在該區間范圍進行小步長的計算，從而可以縮短計算時間，提高優化設計效率。
本文使用一個RMxprt自帶的算例，來演示調優分析的具體操作過程。
展開 Maxwell參數化建模和優化設計 附DxfToAnsys軟件下載
目前，自帶的UDP庫包含很多電機部件的模型，如定子模型、轉子模型、繞組模型、軸向磁通電機&直線電機等，涉及到永磁、感應、磁阻類電機。
定子模型：
轉子模型：
繞組模型：
軸向磁通電機& 直線電機：
新版本UDP內置了空心杯電機繞組模型。
InfoCoil = 0
InfoCoil = 1
通過Draw>UserDefined Primitive >RMxprt> CupCoil實現。
下載地址：DxfToAnsys軟件下載
展開 RMxprt-電樞繞組基本術語和類型
RMxprt-電樞繞組基本術語和類型
作者：電機設計青年/MotorDesign Youth
時間：202201
作者簡介：曾擔任ANSYS低頻電磁工程師一職，后入職電機企業，從事電機產品研發工作，電機類型涉及電勵磁同步電機、永磁同步電機、空心杯電機、軸向磁通電機等，應用行業涉及新能源汽車、航空、醫療器械等，精通軟件且設計經驗豐富。
電樞繞組是電機核心的部件，電樞繞組產生的電樞磁場和勵磁繞組（或永磁體）產生的勵磁磁場相互作用而產生電磁轉矩，從而將機械能轉換為電能（發電機）或者將電能轉化為機械能（電動機），本文將介紹RMxprt中關于電樞繞組的基本術語和類型。
1 基本繞組術語
1.1 導體和并繞根數
導體是指一匝線圈的一半，它可能是一股絕緣導線，也可能是由多股絕緣導線絞合并繞而成。
導體可以由多股相同線規的導線并繞而成，也可以由多股不同線規的導線并繞而成，并繞股數也常稱為導體的并繞根數。導體電流并不一定均勻地分布在每條導線中，但電流密度是均勻分布的。
1.2 線圈和線圈節距
線圈一般是由絕緣電磁線在繞線模上連續繞制而成。線圈可以有多匝，每一匝由一個或多個導體組成。導體的直線部分嵌放在鐵心槽內，稱為線圈的有效邊。
線圈的兩個有效邊在電樞鐵心上所跨過的槽數稱為節距，用y表示。例如：第1槽線圈邊，跨過8個槽，與第9槽線圈邊連接，此時線圈節距為y=8=1~9。
極距：相鄰磁極之間的距離，用槽數表示：極距=總槽數/極數；
整距線圈：線圈節距=極距；
短距線圈：線圈節距<極距；
長距線圈：線圈節距>極距；
1.3 線圈組
一個（對）極下屬于同一相的線圈串聯在一起，形成一組，稱為線圈組。
1.4 繞組
同一相的線圈（或線圈組）按一定規律連接起來，稱為相繞組。
展開 新能源汽車電機驅動系統：核心功能、工作原理與新興拓撲技術解析
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<span class="pgc-img-caption">EasiMotor Online重磅上線“空心杯電機設計”模塊</span>
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人工智能專業----無人機插上人工智能的翅膀（UAV+Al)
配套教學資源：
樣例歷程及樣例實現演示視頻
實驗指導書
原理圖、使用手冊等
實驗案例與教程
嵌入式基礎實驗：
1、STM32基礎介紹：介紹ARM框架， 介紹主控芯片， 介紹開發環境Keil5
2、配置開發環境：安裝Keil5，新建工程模板
3、GPIO外設的使用：配置 GPIO 模式：點亮 LED，流水燈；程序燒寫步驟
4、Timer外設的使用：配置并使用定時器、中斷，實現 LED 燈定時閃爍、實現呼吸燈
5、PWM外設的使用：通過外設輸出 PWM 波控制蜂鳴器的音調
6、串口通訊：配置串口，實現異步通訊
7、IIC通訊：介紹IIC時序圖，并讀取氣壓計MS5611數據
8、SPI通訊：介紹SPI時序圖，并讀取IMU數據
9、ADC外設的使用:配置ADC 引腳，介紹轉換公式，并獲取電池電壓
10、DAC外設的使用：配置DAC引腳，介紹轉換公式，輸出正弦波
11、空心杯電機驅動實驗：介紹電機驅動電路，配置PWM完成空心杯電機驅動
12、TFT LCD顯示，FSMC通信協議
13、串口DMA實驗，WiFi透傳
14、PPM協議，遙控器定時器輸入捕獲
15、SD卡實驗（SDIO協議），SD圖片TFT顯示
數字信號處理實驗：
1、傳感器巴特沃斯濾波實驗
2、IIS音頻數字信號輸入輸出實驗
3、麥克風音頻數字信號處理實驗
飛行控制實驗：
1、陀螺儀實驗：掌握陀螺儀數據及原理，獲取角速度數據并計算角度。
2、加速度實驗；掌握加速度計原理，獲取加速度數據并計算角度。
3、磁力計實驗：掌握磁力計原理，獲取磁力計數據并計算角度。
4、傳感器校準實驗：了解傳感器誤差來源，掌握傳感器校準方法和軟件實現。
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