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如何设计一个高效率的电机，哪种电机设计软件最适合。以下流程既适用于交流电机，也适用于直流电机。 交流电机包括BLDC电机，也被称为无刷电机（brushless motors）。轴向磁通电机（axial flux motors）和感应电机（induction motors），如特斯拉的电机，也是用这种方法设计。 电动机的设计步骤和电磁计算（electromagnetic calculations）说明如下。  1) 定义电机的要求（Define Electric Motor Requirements）  设计电机的第一步是定义电机应该做什么和能够做什么。在行业内，这也被称为定义电机要求（define the requirements）。 电机应该有多大的扭矩（torque）和速度（speed）。什么功率（power）和效率（efficiency），电机应该有多长（length），电机应该有什么直径（diameter）。你应该首先确定具体应用的要求，例如，电动汽车、电动船或电动飞机。 由此，得出对电驱动和电池系统的要求。从电驱动（electric drive）的要求中，可以得出对电机和逆变器（inverter）的要求。 确定优先次序（prioritization）是很重要的，这样才可以选择正确类型的电机，并且开发团队每个人都应知道什么是最重要。 2）创建电驱动系统的架构Architecture of Electric Drive System  电驱动系统的架构（architecture），由电机、逆变器组成，有时包括齿轮箱（gearbox）。架构有助于了解不同组件之间的相互作用，即机械（mechanical）、电气（electrical）和热力（thermal）。 架构有助于理解电机、逆变器和齿轮箱的关系和互动（relationships and interaction）。有了这个架构，就可以讨论如何优化驱动系统以及在哪些方面可以降低成本。 3）电机类型的选择和比较Selection of Electric Motor Type and Comparison 在预选（preselection）阶段，应非常仔细地考虑哪种类型的电机最适合具体应用。每类电机都有其优点和缺点（advantages and disadvantages）。 基于前述要求和优先级（prioritization），比较哪种类型的电机最适合于具体的应用。还应该仔细考虑以后要生产的电机的数量（volume）。 因为绕组技术（winding technology）的选择也是基于产量目标（is derived from）。而绕组技术对电机的设计有很大影响（have a great influence）。 4) 为电机设计计算选择一个起点Select a Starting point for Motor Design Calculation 选择哪一个计算起点（starting point）并不那么重要。有一些公式（equations）可以估算出给定功率的电机尺寸。但最简单的方法是简单地看一下有类似要求的其他制造商和竞争者使用什么尺寸（benchmark综合对比）。 在大多数情况下，电机设计的起点是电机长度（length）和电机直径（diameter）的要求。 5）电机的电磁设计分析计算Analytical Electromagnetic Motor Design Calculation   分析软件工具（Analytical software）用于设计和计算。输入软件的参数包括直径、长度和电机的电压。然后，电机设计软件使用方程式分析计算扭矩和速度。 只需要几秒钟就可以得出结果。然后改变参数（parameters），直到得到所需的扭矩。参数的调整需要大量的经验，因为每个参数都会直接影响到电机的不同性能（a direct influence on different properties）。 例如，可以使用优化算法（optimization algorithms）来帮助开发一个特别高效的电机。然而，分析计算有一个很大的问题，那就是速度、扭矩和效率结果的准确性（the accuracy of the result）。 精度（accuracy）通常在70%至80%之间。这取决于电机的复杂性（complexity）和使用的软件。那么如何提高精确度？ 6）二维有限元电机仿真2D FEM Electric Motor Simulation  检查分析计算的最好方法是用二维有限元模拟。这里，二维意味着电机在X和Y两个维度上被分成许多小网格，这些网格越小，结果就越准确，但这也需要更多的计算时间（computing time）。这些结果可用来改进分析计算中的参数。 那么，为什么要再次回到（take the step back into）分析性计算的步骤中去呢？在二维模拟中，通常只计算一个确切的负载点（only exactly one load point），即确切的一个速度/转矩点的效率。用二维模拟的适应性参数(adapted parameters)来分析计算效率图(efficiency map)更有意义。 电机设计模拟10大软件包括：Maxwell,Jmag,MotorXP,Speed,Emdtool,Motorsolve,Femag,Motorwizard,Opera,Fluxmotor,QuickField,Motor-cad,Rmxpert 7）三维有限元电机仿真模拟3D FEM Electric Motor Simulation 什么时候以及为什么还需要三维模拟？二维仿真假设结构在Z方向上是一样的。但是，如果从上面看电机，例如，电机的顶部和底部两端并不一样 杂散磁通（Stray fluxes）可能发生在电机的上端和下端，设计者应该估计其影响有多大。对于非常短的电机（short electric motors），杂散磁通的影响可能很大。 3D模拟的结果应该再次用于2D模拟。因为在三维模拟中计算电机的特性曲线（characteristic curve），需要太多的计算能力和时间。 另一个需要3D模拟的例子是轴向磁通电机（axial flux motors），其电磁场（electromagnetic field）在3个维度上发生变化。长电机会产生轴的弯曲振动（bending vibrations of the shaft），导致转子和定子之间的距离发生变化。这个距离也被称为气隙（air gap），它的变化会影响到扭矩和其路线（the torque and its course）。 8）电机开发的额外要点 8.1 电动机测试和测量 任何进行模拟和计算的设计者当然也应该知道如何检查结果。因为理论和实践之间存在一定差异。检查结果可以分为3个步骤。测量材料，例如磁铁和金属板。 零部件的测量，例如带磁铁的转子（the rotor with the magnets）和带绕组的定子（the stator with the windings）。最后，当然还有对整个电机的主动和被动测量（active and passive measurement）。应该尽早开始测量材料和部件，并将结果纳入模拟（incorporate the results into the simulation），以改善设计。 8.2 电机的机械和热设计（Mechanical and Thermal Electric Motor Design） 电机的机械和热设计和模拟也非常重要。因为只有通过热模拟（thermal simulation），才能发现电机到底能提供多长时间的最大功率。 热设计和计算的程序与上述电磁设计非常相似。电磁模拟的结果，如功率损失，纳入热模拟中。对于大扭矩或高速度的电机，机械模拟特别重要。 |
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