現代電機設計與ANSYS多物理場有限元實踐 基礎篇

李全峰，工學博士，副教授，博士生導師，上海電機學院新型電機開發實驗室主任，同濟大學國家磁浮交通工程技術研究中心外聘專家，上海市白玉蘭人才計劃浦江學者，英國約克大學博士後，英國倫敦國王學院高級訪問學者。 主要研究方向為：1）高品質新型特種電機設計；2）新能源汽車電驅系統動力總成NVH關鍵技術；3）電驅系統健康狀態監測技術；4）eVTOL動力系統NVH特性研究。 在IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE Transactions on Transportation Electrification和IEEE Transactions on Energy Conversion等電氣工程領域國際Top期刊，以及其他期刊和國際會議上發表論文100餘篇，授權發明專利5項。主持或參與國家級、省市級科研項目及企業科研項目30餘項。同時擔任IEEE TIE、TEC、TTE等國際知名雜誌審稿人。指導的研究生多人次獲得國家獎學金和上海市優秀畢業生。創立電機領域技術分享微信公眾號“電機人（Motohood）”。

推薦序
前言
第1章　電機起源及發展1
1.1　電機的定義及起源1
1.1.1　電機的定義1
1.1.2　電的起源1
1.1.3　磁的起源2
1.2　電機發展史2
1.2.1　交流感應電動機發展史2
1.2.2　直流電機發展史4
1.3　電機的分類7
1.3.1　傳統電機7
1.3.2　現代電機8
1.3.3　未來電機10
1.4　ANSYS有限元軟件介紹12
1.4.1　ANSYS的發展12
1.4.2　ANSYS的功能概覽12
第2章　磁有刷直流電機設計理論及電磁-溫度-結構多物理場耦合15
2.1　磁有刷直流電機結構及工作原理15
2.1.1　磁有刷直流電機的結構15
2.1.2　磁有刷直流電機的工作原理16
2.2　磁有刷直流電機電磁設計理論16
2.2.1　磁有刷直流電機的基本方程16
2.2.2　磁有刷直流電機的機械性18
2.2.3　磁有刷直流電機的設計點18
2.3　基於ANSYS磁有刷直流電機電磁設計實例22
2.3.1　RMxprt快速建模及電磁性能計算22
2.3.2　RMxprt一鍵導出Maxwell模型36
2.3.3　額定工況計算38
2.3.4　空載工況計算52
2.3.5　堵轉工況計算63
2.3.6　齒槽轉矩計算65
2.4　基於ANSYS磁有刷直流電機溫度場實例66
2.4.1　有刷直流電機的損耗理論66
2.4.2　電機內熱交換基本理論68
2.4.3　電機溫度場計算中的傳熱邊界條件69
2.4.4　溫度場的實例描述及策略70
2.4.5　模型導入和網格劃分設置71
2.4.6　氣隙的等效處理及熱源計算77
2.4.7　Fluent 3D設置78
2.4.8　結果查看85
2.5　基於ANSYS磁有刷直流電機定子模態實例89
2.6　基於ANSYS磁有刷直流電機轉子模態實例95
2.7　基於ANSYS磁有刷直流電機振動噪聲實例99
第3章　異步電機設計理論及電磁場有限元113
3.1　異步電機的結構及工作原理113
3.2　異步電機主要參數之間的關系116
3.2.1　異步電機的主要尺寸116
3.2.2　電機中的幾何相似定律119
3.2.3　電磁負荷的選擇120
3.2.4　線負荷As和氣隙Bδ磁密的選擇122
3.2.5　電機主要尺寸比及主要尺寸的確定123
3.2.6　系列電機及其設計點124
3.2.7　異步電機能效等級標準127
3.3　基於ANSYS RMxprt的三相異步電機電磁設計實例131
3.3.1　RMxprt模塊基本介紹131
3.3.2　RMxprt模塊下三相異步電機的參數設置133
3.3.3　三相異步電機的計算及結果查看145
3.4　基於ANSYS Maxwell 2D的三相異步電機設計實例148
3.4.1　三相異步電機Maxwell模型148
3.4.2　三相異步電機徑向氣隙磁密諧波分析152
第4章　磁同步電機設計理論及電磁有限元158
4.1　磁同步電機結構及工作原理158
4.1.1　磁同步電機組成結構158
4.1.2　磁同步電機運行機理159
4.1.3　磁同步電機的電磁數學模型160
4.1.4　磁同步電機電磁力與NVH的耦合路徑161
4.2　磁同步電機電磁設計理論161
4.2.1　磁同步電機主要尺寸選擇161
4.2.2　磁同步電機的參數、設計目標與約束條件162
4.2.3　磁同步電機槽配比與繞組方案162
4.2.4　磁同步電機的氣隙長度、齒軛磁密與磁體磁定標164
4.2.5　磁同步電機電感、反電動勢、轉矩脈動與齒槽轉矩定標165
4.2.6　磁同步電機損耗模型與效率評估166
4.3　基於ANSYS磁同步電機電磁設計實例168
4.3.1　基於RMxprt的磁同步電機設計流程168
4.3.2　基於RMxprt的磁同步電機參數化掃描設計183
4.3.3　基於ANSYS Maxwell 2D的磁同步電機設計186
4.3.4　基於ANSYS Maxwell 2D的磁同步電機徑向氣隙磁密諧波分析193
4.3.5　基於ANSYS Maxwell 2D的磁同步電機齒槽轉矩分析201
第5章　基於ANSYS磁同步電機振動噪聲實例203
5.1　基於ANSYS Maxwell 2D的磁同步電機諧波電磁力計算204
5.2　基於ANSYS Workbench的磁同步電機電磁振動分析209
5.3　基於ANSYS Workbench的磁同步電機噪聲分析217
第6章　基於ANSYS磁同步電機定子模態實例224
6.1　基於ANSYS磁同步電機定子模態實例224
6.2　基於ANSYS磁同步電機轉子模態實例232
參考文獻239