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電機(jī)是一個(gè)由互連的組件組成的系統(tǒng)，可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，亦或是將電能轉(zhuǎn)換為另一種類型的電能。從洗衣機(jī)等家用電器到醫(yī)療植入物和機(jī)器人，電機(jī)已廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的許多電子系統(tǒng)中；電機(jī)消耗了通過電線和其他能源基礎(chǔ)設(shè)施所產(chǎn)生和傳輸?shù)拇蟛糠蛛娔?。而如今，人們對電動汽車（EV）電機(jī)的興趣日益濃厚。

電機(jī)分為兩類，這是根據(jù)電機(jī)的某個(gè)部分是否會運(yùn)動來定義的。第一類是固定式電機(jī)，具有兩個(gè)固定的電樞，沒有運(yùn)動部件。變壓器就是一個(gè)典型示例。第二類是旋轉(zhuǎn)或線性電機(jī)，例如發(fā)電機(jī)和電動機(jī)，它們始終有一個(gè)運(yùn)動部件以旋轉(zhuǎn)或平移的方式運(yùn)行。這些電機(jī)有一個(gè)運(yùn)動部件（轉(zhuǎn)子或動子）和一個(gè)靜止部件（定子）。

作為雙向能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，電機(jī)在理論上可實(shí)現(xiàn)能量的雙向轉(zhuǎn)換——無論是電動機(jī)還是發(fā)電機(jī)，其輸出既可以是機(jī)械能，也可以是電能。

變壓器通常屬于固定式電機(jī)的類別，因?yàn)榇蠖鄶?shù)變壓器都沒有可運(yùn)動的電樞，并且不需要通過運(yùn)動來轉(zhuǎn)換能量。相比之下，發(fā)電機(jī)和電動機(jī)是具有旋轉(zhuǎn)部件的動態(tài)電機(jī)，并利用運(yùn)動將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，反之亦然。旋轉(zhuǎn)式機(jī)電設(shè)備通常是通過旋轉(zhuǎn)電磁場之間的相互作用來運(yùn)行的，這些旋轉(zhuǎn)電磁場由電壓源或通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生。這些旋轉(zhuǎn)磁場還會在機(jī)械側(cè)產(chǎn)生扭矩，并在電氣側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電壓和電流。

該技術(shù)的優(yōu)勢包括：

• 與內(nèi)燃機(jī)（ICE）等其他能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相比，電機(jī)的效率要高得多，電動汽車的效率在90-95%以上，而內(nèi)燃機(jī)汽車的效率僅為20-30%。
• 電動汽車（EV）電機(jī)的運(yùn)動部件比內(nèi)燃機(jī)汽車更少，這有助于延長預(yù)期使用壽命。
• 電機(jī)是零排放技術(shù)。
• 電機(jī)能夠進(jìn)行雙向能量轉(zhuǎn)換，既可以作為電動機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。

電機(jī)的一些不足之處包括：

• 電機(jī)可能會受到供電的限制，例如，電動汽車受到電池儲存容量和充電能力的限制。這與汽油形成了鮮明對比——汽油的能量密度要高得多，因此內(nèi)燃機(jī)汽車可以承受70%的效率損失，而仍然具有商業(yè)可行性。
• 此外，電機(jī)產(chǎn)生的電磁場在長時(shí)間暴露后會對生物造成影響。
• 相互靠近的電氣設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場會相互干擾——如果它們的工作頻率相近，就會發(fā)生相互作用。這就是所謂的電磁干擾（EMI）。
• 電機(jī)可能會發(fā)生短路故障，從而導(dǎo)致火災(zāi)。

發(fā)電機(jī)

在運(yùn)動型電機(jī)中，定子和轉(zhuǎn)子的電磁場相互作用。這些相互作用可以以不同的形式出現(xiàn)：

• 轉(zhuǎn)子磁場為自勵(lì)式（永磁體）
• 轉(zhuǎn)子磁場需要單獨(dú)的電能供應(yīng)（繞線式同步電機(jī)）
• 轉(zhuǎn)子磁場通過定子磁場的感應(yīng)產(chǎn)生（感應(yīng)電機(jī)）

任何運(yùn)動型電機(jī)都可以作為發(fā)電機(jī)或電動機(jī)運(yùn)行。當(dāng)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并用于電力發(fā)電應(yīng)用。其中，可再生能源發(fā)電是一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，例如風(fēng)力機(jī)和水力發(fā)電。

能量通常是通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生的。盡管可以采用線性運(yùn)動，但設(shè)備會受到其尺寸的限制，而旋轉(zhuǎn)運(yùn)動使運(yùn)動部件可以無限地運(yùn)動，不會受到限制。

發(fā)電機(jī)需要外部的機(jī)械能輸入才能運(yùn)轉(zhuǎn)。一些常見的示例包括曲軸、可再生能源技術(shù)中的風(fēng)力或水力，以及燃料燃燒和核反應(yīng)堆產(chǎn)生的蒸汽。這些力可驅(qū)動發(fā)電機(jī)內(nèi)的原動機(jī)裝置（如風(fēng)扇或渦輪機(jī)），使其運(yùn)動，從而將旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換為電壓和電流。

發(fā)電機(jī)有不同的形式。交流（同步或感應(yīng)/異步）發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為交流電和電壓。另一方面，直流發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電和電壓。在同步發(fā)電機(jī)中，電壓與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是固定相關(guān)聯(lián)的，而感應(yīng)（異步）發(fā)電機(jī)則不需要轉(zhuǎn)子以固定速度運(yùn)行來匹配電網(wǎng)的頻率。

電動機(jī)

當(dāng)作為電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動。電動機(jī)由軸、起支撐作用的軸承和容納所有組件的外殼組成。

電動機(jī)產(chǎn)生的扭矩來自定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場的電磁相互作用。定子繞組會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而轉(zhuǎn)子磁場是由永磁體旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電磁場或電磁鐵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。扭矩與電動機(jī)產(chǎn)生的物理力成正比，物理力被用來驅(qū)動其所連接系統(tǒng)（例如車輛）的速度。然后，逆變器可通過控制電動機(jī)電源的頻率來控制電動機(jī)的速度，以確保其持續(xù)運(yùn)行。

電動機(jī)示例，其定子在右側(cè)，轉(zhuǎn)子在左側(cè)。風(fēng)扇和外殼如圖所示

許多不同的行業(yè)和應(yīng)用中都會使用電動機(jī)，其中一些值得關(guān)注的應(yīng)用包括：

• 工業(yè)機(jī)械
• 車輛
• 家用電器
• 泵
• 風(fēng)扇
• 機(jī)器人
• 健身器材
• 無人機(jī)
• 電動工具

變壓器

變壓器也是一種電機(jī)。不過，它們不是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，也不是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，而是將電能從一個(gè)電壓等級轉(zhuǎn)換為另一個(gè)電壓等級，且能量損耗較小。變壓器運(yùn)行過程中不涉及機(jī)械能轉(zhuǎn)換，但變壓器是電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，可通過高壓輸電線路遠(yuǎn)距離輸電，然后在低壓配電網(wǎng)絡(luò)中將其轉(zhuǎn)換為適合家庭使用的電壓。

高壓變壓器

變壓器有兩種類型：升壓變壓器和降壓變壓器，兩者均可將電能的電壓轉(zhuǎn)換為不同的電壓。

其中，升壓變壓器可將低壓電力轉(zhuǎn)換為適合輸電線路的高壓電力。升壓變壓器中的次級繞組相對于初級繞組在磁鐵上纏繞了更多圈數(shù)，從而提高電壓。

降壓變壓器則可降低電壓以供家庭和企業(yè)使用。降壓變壓器中的次級繞組相對于初級繞組在磁鐵上纏繞了更少圈數(shù)，從而降低電壓。

變壓器至關(guān)重要，因?yàn)楦邏弘娏﹄m然可以更高效地進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，但對于日常電子設(shè)備來說太不安全。電力需要在較低電壓下使用，而變壓器提供了一種方法，可以在電網(wǎng)特定點(diǎn)輕松改變電壓。

仿真如何助力電機(jī)設(shè)計(jì)

仿真可用于提高各行業(yè)電機(jī)的性能和效率。工程師在電機(jī)設(shè)計(jì)中使用仿真技術(shù)，對電機(jī)的運(yùn)動部件和非運(yùn)動部件的性能進(jìn)行仿真，并深入了解熱、電磁和機(jī)械性能，以確保高效設(shè)計(jì)。

Ansys Maxwell高級電磁場求解器：使用2D或3D有限元方法求解靜態(tài)、頻域和時(shí)變磁場與電場。Maxwell軟件符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)。

Ansys Motor-CAD電機(jī)設(shè)計(jì)專用工具：能夠在全轉(zhuǎn)矩-速度工作范圍內(nèi)進(jìn)行快速多物理場仿真的平臺。該工具采用嵌入式2D有限元分析（FEA）、分析計(jì)算和等效電路方法來分析電磁性能。它還有助于優(yōu)化電機(jī)的冷卻系統(tǒng)，以最大限度地降低機(jī)械應(yīng)力以及噪聲、振動和聲振粗糙度（NVH）響應(yīng)。

Ansys Mechanical結(jié)構(gòu)FEA軟件和Ansys Fluent流體仿真軟件：為電機(jī)的物理設(shè)計(jì)提供更詳細(xì)和定制的后處理仿真。

Ansys ConceptEV設(shè)計(jì)和仿真平臺：用于仿真電動汽車動力總成的專用工具。它可幫助系統(tǒng)及組件設(shè)計(jì)工程團(tuán)隊(duì)從設(shè)計(jì)流程初始階段就基于與需求相關(guān)聯(lián)的共享系統(tǒng)仿真進(jìn)行協(xié)作，使用戶能夠?yàn)椴煌恼嚰軜?gòu)候選方案以及其他更多應(yīng)用制定相應(yīng)的電機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范。

Ansys Twin Builder數(shù)字孿生仿真平臺：用于研究系統(tǒng)中電機(jī)與電力電子設(shè)備之間的相互作用。可以通過與Maxwell等軟件解決方案的協(xié)同仿真，或在虛擬環(huán)境中通過降階模型（ROM）對電機(jī)進(jìn)行建模，以研究不同的場景。

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