文章来源于：Ansys

电机是一个由互连的组件组成的系统，可将电能转换为机械能或将机械能转换为电能，亦或是将电能转换为另一种类型的电能。从洗衣机等家用电器到医疗植入物和机器人，电机已广泛应用于当今的许多电子系统中；电机消耗了通过电线和其他能源基础设施所产生和传输的大部分电能。而如今，人们对电动汽车（EV）电机的兴趣日益浓厚。

电机分为两类，这是根据电机的某个部分是否会运动来定义的。第一类是固定式电机，具有两个固定的电枢，没有运动部件。变压器就是一个典型示例。第二类是旋转或线性电机，例如发电机和电动机，它们始终有一个运动部件以旋转或平移的方式运行。这些电机有一个运动部件（转子或动子）和一个静止部件（定子）。

作为双向能量转换系统，电机在理论上可实现能量的双向转换——无论是电动机还是发电机，其输出既可以是机械能，也可以是电能。

变压器通常属于固定式电机的类别，因为大多数变压器都没有可运动的电枢，并且不需要通过运动来转换能量。相比之下，发电机和电动机是具有旋转部件的动态电机，并利用运动将电能转换为机械能，反之亦然。旋转式机电设备通常是通过旋转电磁场之间的相互作用来运行的，这些旋转电磁场由电压源或通过电磁感应产生。这些旋转磁场还会在机械侧产生扭矩，并在电气侧产生感应电压和电流。

该技术的优势包括：

与内燃机（ICE）等其他能量转换系统相比，电机的效率要高得多，电动汽车的效率在90-95%以上，而内燃机汽车的效率仅为20-30%。

电动汽车（EV）电机的运动部件比内燃机汽车更少，这有助于延长预期使用寿命。

电机是零排放技术。

电机能够进行双向能量转换，既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行。

电机的一些不足之处包括：

电机可能会受到供电的限制，例如，电动汽车受到电池储存容量和充电能力的限制。这与汽油形成了鲜明对比——汽油的能量密度要高得多，因此内燃机汽车可以承受70%的效率损失，而仍然具有商业可行性。

此外，电机产生的电磁场在长时间暴露后会对生物造成影响。

相互靠近的电气设备所产生的电磁场会相互干扰——如果它们的工作频率相近，就会发生相互作用。这就是所谓的电磁干扰（EMI）。

电机可能会发生短路故障，从而导致火灾。

发电机

在运动型电机中，定子和转子的电磁场相互作用。这些相互作用可以以不同的形式出现：

转子磁场为自励式（永磁体）

转子磁场需要单独的电能供应（绕线式同步电机）

转子磁场通过定子磁场的感应产生（感应电机）

任何运动型电机都可以作为发电机或电动机运行。当作为发电机运行时，电机可将机械能转换为电能，并用于电力发电应用。其中，可再生能源发电是一个关键应用领域，例如风力机和水力发电。

能量通常是通过旋转运动产生的。尽管可以采用线性运动，但设备会受到其尺寸的限制，而旋转运动使运动部件可以无限地运动，不会受到限制。

发电机需要外部的机械能输入才能运转。一些常见的示例包括曲轴、可再生能源技术中的风力或水力，以及燃料燃烧和核反应堆产生的蒸汽。这些力可驱动发电机内的原动机装置（如风扇或涡轮机），使其运动，从而将旋转能量转换为电压和电流。

发电机有不同的形式。交流（同步或感应/异步）发电机将机械能转换为交流电和电压。另一方面，直流发电机将机械能转换为直流电和电压。在同步发电机中，电压与发电机的转速是固定相关联的，而感应（异步）发电机则不需要转子以固定速度运行来匹配电网的频率。

电动机

当作为电动机运行时，电机可将电能转换为机械运动。电动机由轴、起支撑作用的轴承和容纳所有组件的外壳组成。

电动机产生的扭矩来自定子磁场和转子磁场的电磁相互作用。定子绕组会产生旋转磁场，而转子磁场是由永磁体旋转、转子绕组中的感应电磁场或电磁铁旋转产生的。扭矩与电动机产生的物理力成正比，物理力被用来驱动其所连接系统（例如车辆）的速度。然后，逆变器可通过控制电动机电源的频率来控制电动机的速度，以确保其持续运行。

电动机示例，其定子在右侧，转子在左侧。风扇和外壳如图所示

许多不同的行业和应用中都会使用电动机，其中一些值得关注的应用包括：

工业机械

车辆

家用电器

泵

风扇

机器人

健身器材

无人机

电动工具

变压器

变压器也是一种电机。不过，它们不是将机械能转换为电能，也不是将电能转换为机械能，而是将电能从一个电压等级转换为另一个电压等级，且能量损耗较小。变压器运行过程中不涉及机械能转换，但变压器是电网基础设施的重要组成部分，可通过高压输电线路远距离输电，然后在低压配电网络中将其转换为适合家庭使用的电压。

高压变压器

变压器有两种类型：升压变压器和降压变压器，两者均可将电能的电压转换为不同的电压。

其中，升压变压器可将低压电力转换为适合输电线路的高压电力。升压变压器中的次级绕组相对于初级绕组在磁铁上缠绕了更多圈数，从而提高电压。

降压变压器则可降低电压以供家庭和企业使用。降压变压器中的次级绕组相对于初级绕组在磁铁上缠绕了更少圈数，从而降低电压。

变压器至关重要，因为高压电力虽然可以更高效地进行远距离传输，但对于日常电子设备来说太不安全。电力需要在较低电压下使用，而变压器提供了一种方法，可以在电网特定点轻松改变电压。

仿真如何助力电机设计

仿真可用于提高各行业电机的性能和效率。工程师在电机设计中使用仿真技术，对电机的运动部件和非运动部件的性能进行仿真，并深入了解热、电磁和机械性能，以确保高效设计。

Ansys Maxwell高级电磁场求解器：使用2D或3D有限元方法求解静态、频域和时变磁场与电场。Maxwell软件符合ISO 26262标准。

Ansys Motor-CAD电机设计专用工具：能够在全转矩-速度工作范围内进行快速多物理场仿真的平台。该工具采用嵌入式2D有限元分析（FEA）、分析计算和等效电路方法来分析电磁性能。它还有助于优化电机的冷却系统，以大限度地降低机械应力以及噪声、振动和声振粗糙度（NVH）响应。

Ansys Mechanical结构FEA软件和Ansys Fluent流体仿真软件：为电机的物理设计提供更详细和定制的后处理仿真。

Ansys ConceptEV设计和仿真平台：用于仿真电动汽车动力总成的专用工具。它可帮助系统及组件设计工程团队从设计流程初始阶段就基于与需求相关联的共享系统仿真进行协作，使用户能够为不同的整车架构候选方案以及其他更多应用制定相应的电机设计规范。

Ansys Twin Builder数字孪生仿真平台：用于研究系统中电机与电力电子设备之间的相互作用。可以通过与Maxwell等软件解决方案的协同仿真，或在虚拟环境中通过降阶模型（ROM）对电机进行建模，以研究不同的场景。

如需通过仿真设计更高效的电机，欢迎联系摩尔芯创，了解Ansys解决方案如何应用于您的设计。

深圳市摩尔芯创科技有限公司（MoorEDA Technology Limited），2021 年成立，ANSYS 中国官方授权代理商，可提供 Ansys Lumerical 光子学仿真、Ansys Zemax 光学设计、Ansys Speos 光学成像仿真、Ansys HFSS 电磁仿真、SIwave、Q3D、Maxwell、Icepak 热仿真、Mechanical 结构仿真、LS-DYNA、Sherlock 可靠性仿真、Fluent/CFX 流体仿真等全套 EDA 与 CAE 工业软件，配套工程仿真、项目 Debug、技术培训、定制开发服务，广泛服务半导体、硅基光电子、汽车电子、新能源、智能穿戴、医疗电子行业以及国内各大高校科研单位，帮助企业加速产品研发落地。