现代电机设计与ANSYS多物理场有限元仿真实践 基础篇 电机设计 ANSYS 计算机仿真

编辑推荐
精讲电机电磁-温度-结构多物理场耦合、电磁场有限元、NVH、模态仿真与分析
跨越理论与实践 从零基础跃迁专家级
“逐步逐图”指导入门 “独立实践”电机仿真
迅速掌握多种电机设计与多物理场仿真能力
一本“手把手”教学、能让读者“零基础”入门，并最终“独立完成”电机仿真项目的实践指南。掌握其应用，已成为现代电机工程师不可或缺的核心能力。
所有案例均配备极为详尽的操作步骤截图、关键参数说明以及设置原理解释，力求揭开仿真软件的神秘面纱。
基于多物理场有限元分析的数字化仿真技术，正成为驱动电机设计方法论深刻变革的核心引擎。ANSYS仿真软件为电机典型的多物理场耦合系统提供了强大的协同仿真平台。

从低空经济的垂直起降飞行器，到具身智能人形机器人的灵巧关节，再到新能源汽车的高效动力系统，电机作为这些前沿领域的“心脏”，其设计与性能直接影响着整个系统的能效与可靠性。
本书不仅系统梳理了电机设计的理论框架，更将焦点精准对准了多物理场仿真这一核心技术突破点，特别是在新兴应用领域尤为突出。ANSYS多物理场仿真平台为解决这些挑战提供了可能，而本书正是这一技术路径的清晰导航，通过“扎实理论+工程实践导向”的完美结合，详细展示了如何运用ANSYS工具解决电机设计中的具体问题，具有很强的实操性。
本书敏锐地捕捉到战略性新兴产业的澎湃脉动，不仅提供参考与实践指导，更是一部指引行业未来技术方向的预见之作，同时能启发大家在各自领域开拓创新，共同推动中国电机技术及其应用迈向新的高度。
——ANSYS公司中国区CTO 涂敏

本书旨在满足电机设计人员对现代电机仿真设计理论和实操的需求，重点讲解如何利用ANSYS软件开展电机设计中的电磁计算、温升计算、振动噪声计算等工作，并探讨了人工智能算法在现代电机智能化设计中的应用。本书以实际工程项目为依托，突出工程性和实操性，既有详细的仿真设计步骤，又有工程设计经验讲解，帮助读者可以逐步自主完成电机多物理场仿真，实现从理论到仿真再到实验的工程项目开发的所有环节。
本书适合电机设计相关的企业研发和设计人员工作参考、培训机构教学使用，以及相关专业师生学习。

李全峰，工学博士，副教授，博士生导师，上海电机学院新型电机开发实验室主任，同济大学国家磁浮交通工程技术研究中心外聘专家，上海市白玉兰人才计划浦江学者，英国约克大学博士后，英国伦敦国王学院高级访问学者。
主要研究方向为：1）高品质新型特种电机设计；2）新能源汽车电驱系统动力总成NVH关键技术；3）电驱系统健康状态监测技术；4） eVTOL动力系统NVH特性研究。
在IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE Transactions on Transportation Electrification和IEEE Transactions on Energy Conversion等电气工程领域国际Top期刊，以及其他期刊和国际会议上发表论文100余篇，授权发明专利5项。主持或参与国家级、省市级科研项目及企业科研项目30余项。同时担任 IEEE TIE、TEC、TTE等国际知名杂志审稿人。指导的研究生多人次获得国家奖学金和上海市优秀毕业生。创立电机领域技术分享微信公众号“电机人（Motohood）”。

从低空经济的垂直起降飞行器，到具身智能人形机器人的灵巧关节，再到新能源汽车的高效动力系统，电机作为这些前沿领域的“心脏”，其设计与性能直接影响着整个系统的能效与可靠性。
本书不仅系统梳理了电机设计的理论框架，更将焦点精准对准了多物理场仿真这一核心技术突破点，特别是在新兴应用领域尤为突出。ANSYS多物理场仿真平台为解决这些挑战提供了可能，而本书正是这一技术路径的清晰导航，通过“扎实理论+工程实践导向”的完美结合，详细展示了如何运用ANSYS工具解决电机设计中的具体问题，具有很强的实操性。
本书敏锐地捕捉到战略性新兴产业的澎湃脉动，不仅提供参考与实践指导，更是一部指引行业未来技术方向的预见之作，同时能启发大家在各自领域开拓创新，共同推动中国电机技术及其应用迈向新的高度。
——ANSYS公司中国区CTO 涂敏

推荐序
前言
第1章　电机起源及发展
1.1　电机的定义及起源
1.1.1　电机的定义
1.1.2　电的起源
1.1.3　磁的起源
1.2　电机发展史
1.2.1　交流感应电动机发展史
1.2.2　直流电机发展史
1.3　电机的分类
1.3.1　传统电机
1.3.2　现代电机
1.3.3　未来电机
1.4　ANSYS有限元软件介绍
1.4.1　ANSYS的发展
1.4.2　ANSYS的功能概览
第2章　永磁有刷直流电机设计理论及电磁- 温度- 结构多物理场耦合仿真
2.1　永磁有刷直流电机结构及工作原理
2.1.1　永磁有刷直流电机的结构
2.1.2　永磁有刷直流电机的工作原理
2.2　永磁有刷直流电机电磁设计理论
2.2.1　永磁有刷直流电机的基本方程
2.2.2　永磁有刷直流电机的机械特性
2.2.3　永磁有刷直流电机的设计特点
2.3　基于ANSYS永磁有刷直流电机电磁设计仿真实例
2.3.1　RMxprt快速建模及电磁性能计算
2.3.2　RMxprt一键导出Maxwell模型
2.3.3　额定工况计算
2.3.4　空载工况计算
2.3.5　堵转工况计算
2.3.6　齿槽转矩计算
2.4　基于ANSYS永磁有刷直流电机温度场仿真实例
2.4.1　有刷直流电机的损耗理论
2.4.2　电机内热交换基本理论
2.4.3　电机温度场计算中的传热边界条件
2.4.4　温度场仿真的实例描述及仿真策略
2.4.5　模型导入和网格划分设置
2.4.6　气隙的等效处理及热源计算
2.4.7　Fluent 3D仿真设置
2.4.8　仿真结果查看
2.5　基于ANSYS永磁有刷直流电机定子模态仿真实例
2.6　基于ANSYS永磁有刷直流电机转子模态仿真实例
2.7　基于ANSYS永磁有刷直流电机振动噪声仿真实例
第3章　异步电机设计理论及电磁场有限元仿真
3.1　异步电机的结构及工作原理
3.2　异步电机主要参数之间的关系
3.2.1　异步电机的主要尺寸
3.2.2　电机中的几何相似定律
3.2.3　电磁负荷的选择
3.2.4　线负荷As和气隙Bδ磁密的选择
3.2.5　电机主要尺寸比及主要尺寸的确定
3.2.6　系列电机及其设计特点
3.2.7　异步电机能效等级标准
3.3　基于ANSYS RMxprt的三相异步电机电磁设计仿真实例
3.3.1　RMxprt模块基本介绍
3.3.2　RMxprt模块下三相异步电机的参数设置
3.3.3　三相异步电机的仿真计算及结果查看
3.4　基于ANSYS Maxwell 2D的三相异步电机设计仿真实例
3.4.1　三相异步电机Maxwell模型仿真
3.4.2　三相异步电机径向气隙磁密谐波分析
第4章　永磁同步电机设计理论及电磁有限元仿真
4.1　永磁同步电机结构及工作原理
4.1.1　永磁同步电机组成结构
4.1.2　永磁同步电机运行机理
4.1.3　永磁同步电机的电磁数学模型
4.1.4　永磁同步电机电磁力与NVH的耦合路径
4.2　永磁同步电机电磁设计理论
4.2.1　永磁同步电机主要尺寸选择
4.2.2　永磁同步电机的参数、设计目标与约束条件
4.2.3　永磁同步电机槽极配比与绕组方案
4.2.4　永磁同步电机的气隙长度、齿轭磁密与永磁体退磁定标
4.2.5　永磁同步电机电感、反电动势、转矩脉动与齿槽转矩定标
4.2.6　永磁同步电机损耗模型与效率评估
4.3　基于ANSYS永磁同步电机电磁设计仿真实例
4.3.1　基于RMxprt的永磁同步电机设计流程
4.3.2　基于RMxprt的永磁同步电机参数化扫描仿真设计
4.3.3　基于ANSYS Maxwell 2D的永磁同步电机仿真设计
4.3.4　基于ANSYS Maxwell 2D的永磁同步电机径向气隙磁密谐波分析
4.3.5　基于ANSYS Maxwell 2D的永磁同步电机齿槽转矩仿真分析
第5章　基于ANSYS永磁同步电机振动噪声仿真实例
5.1　基于ANSYS Maxwell 2D的永磁同步电机谐波电磁力计算
5.2　基于ANSYS Workbench的永磁同步电机电磁振动分析
5.3　基于ANSYS Workbench的永磁同步电机噪声仿真分析
第6章　基于ANSYS永磁同步电机定子模态仿真实例
6.1　基于ANSYS永磁同步电机定子模态仿真实例
6.2　基于ANSYS永磁同步电机转子模态仿真实例
参考文献

推荐序
当今科技浪潮席卷全球，我们正见证着驱动世界的力量发生深刻变革。从低空经济的垂直起降飞行器，到具身智能人形机器人的灵巧关节，再到新能源电动汽车的高效动力系统，电机作为这些前沿领域的“心脏”，其设计与性能直接影响着整个系统的能效与可靠性。在这个机电系统日益精密化、集成化的时代，传统的设计方法已难以应对多物理场耦合带来的复杂挑战。值此关键时刻，欣闻上海电机学院李全峰老师团队与ANSYS工程师团队合作编著的《现代电机设计与ANSYS多物理场有限元仿真实践（基础篇）》即将付梓，深感振奋。
本书的问世恰逢其时，其不仅系统梳理了电机设计的理论框架，更将焦点精准对准了多物理场仿真这一核心技术突破点。现代电机已不再是单一的电磁转换装置，而是集电磁、结构、热、流体等多物理场于一体的复杂系统。特别是在新兴应用领域，这种多物理场耦合特性表现得尤为突出：低空经济飞行器中的高功率密度电机需要同时解决电磁效率与轻量化结构、高温散热的矛盾；具身智能人形机器人关节电机则对动态响应精度、力矩密度和温升控制提出近乎严苛的要求；新能源电动汽车驱动电机更是需要在有限空间内实现高效率、高功率密度与高可靠性的统一。ANSYS多物理场仿真平台为解决这些挑战提供了可能，而本书正是这一技术路径的清晰导航。
李全峰老师深耕电机理论与教学数十载，深谙学科精髓与发展脉络；ANSYS工程师长期奋战于工程仿真一线，积累了丰富的实战经验。这种产教融合“理论+实践”的完美结合，使得本书既有扎实的学术深度，又有鲜明的工程导向。书中不仅深入浅出地阐述了多物理场仿真的基本原理，更通过大量源自实际工程的案例，详细展示了如何运用ANSYS工具解决电机设计中的具体问题，具有很强的实操性。这种从理论到实践的完整闭环，对读者而言无疑是极为宝贵的。
尤为可贵的是，本书敏锐地捕捉到了电机技术在未来新能源汽车、低空经济与具身智能机器人等战略性新兴产业的澎湃脉动，使得本书不仅是一部优秀的专业参考书与工具书，更是一部指引行业未来技术方向的预见之作。当前，中国正从“制造大国”向“制造强国”迈进，高端装备制造业的自主创新离不开先进研发工具的支撑。CAE（计算机辅助工程）仿真技术作为工业软件的核心组成部分，其发展水平直接影响着我国高端制造业的竞争力。本书的出版，不仅是对电机设计与仿真技术的一次系统总结，更是对培养高水平工程技术人才、推动产业技术进步的重要贡献。
作为ANSYS公司中国区技术负责人，我见证了无数工程师利用我们的工具解决复杂工程问题、创造卓越产品。我深信，这本融合了深厚理论功底与丰富工程智慧的著作，将成为高校师生、电机设计领域工程师以及研究人员的良师益友。它不仅能帮助读者掌握先进的仿真技术，更能启发大家在各自领域开拓创新，共同推动中国电机技术及其应用迈向新的高度。
ANSYS公司中国区CTO 涂敏
2026年春 于上海

前言
电机，作为将电能与机械能相互转换的核心装置，其发展历程堪称人类工业文明进步的缩影。从最初的电磁感应原理发现，到今日高效、精密、智能的各类电机广泛应用于工业自动化、新能源汽车、航空航天、机器人及家用电器等领域，电机技术始终焕发着蓬勃生机。然而，随着应用需求的日益复杂与性能要求的不断提高，传统的“经验设计-样机试制-试验验证”模式已难以适应快速迭代、精益设计的现代工程需要。基于多物理场有限元分析的数字化仿真技术，正成为驱动电机设计方法论深刻变革的核心引擎。
ANSYS作为全球领先的工程仿真软件套件，为电机这类典型的多物理场耦合系统（涉及电磁、热、结构应力、流体、声学等）提供了强大的协同仿真平台。掌握其应用，已成为现代电机工程师不可或缺的核心能力。
我在高校从事电机仿真相关教学与科研工作多年，在与学生的交流及业界的合作中，深切体会到广大初学者乃至部分工程技术人员在面对电机多物理场仿真时所面临的困境与挑战。市面上许多相关书籍或侧重于软件功能的罗列，或仅展示完美的仿真结果图，对于最为关键的一步一步从模型建立、参数设置、网格划分、求解计算到结果分析的全过程操作细节，往往语焉不详。这导致读者虽心向往之，却在实际操作中步履维艰，难以将书本知识转化为解决实际问题的能力。
正因如此，我们萌生了撰写本书的初衷：打造一本真正“手把手”教学、能让读者“零基础”入门并最终“独立完成”电机仿真项目的实践指南。
本书最大的特色在于其极强的可操作性与可复制性。我们坚信，仿真能力的培养在于实践，在于对每一个操作步骤的深刻理解。因此，全书贯穿了“理论引领，实践驱动”的理念，所有案例均配备了极为详尽的操作步骤截图、关键参数说明以及设置原理解释，力求揭开仿真软件的神秘面纱，让读者不仅知其然，更能知其所以然。我们期望，即便是非电机专业背景，甚至此前从未接触过ANSYS软件的读者，在跟随本书的指引后，也能够自信地开启自己的电机仿真之旅。
在内容架构上，本书侧重于奠定坚实的仿真基础。我们从电机的基本原理与发展历程（第1章）谈起，方便读者了解本专业的发展和重要人物。随后依次展开：第2章以经典的永磁有刷直流电机为例，首次带领读者体验完整的电磁-温度-结构多物理场耦合仿真流程；第3、4章分别深入探讨异步电机和永磁同步电机（PMSM）的设计理论与电磁场有限元仿真方法；第5、6章则聚焦于PMSM的振动噪声与定子模态仿真，这是电机NVH（噪声、振动与声振粗糙度）分析的关键起点。
本书参考了上海电机学院《电机设计》及《电机设计及实例》两本校内教材，在此表示感谢。
本书主要面向高等院校电气工程、机械工程、车辆工程（特别是新能源汽车方向）、机器人、航空航天等专业的本科生，可作为电机学、电机设计、电磁场数值计算等课程的配套实践教材。同时，对于相关专业的研究生、初入职场的工程师以及希望系统学习ANSYS电机仿真的广大技术人员，本书也是一本极具参考价值的自学参考书与工具书。
本书由上海电机学院和ANSYS公司联合编写，ANSYS公司与上海电机学院早在2012年就成立了“SDJU-ANSYS电机技术联合仿真实验室”，因此本书也是产教融合示范课程的典型范式。特别感谢ANSYS公司中国区CTO涂敏，ANSYS公司中国区教育合作部负责人涂明媚，以及谭洪涛技术经理对本书的大力支持；感谢课题组研究生曾铖铖、马思理、田俊和罗蒙参与本书仿真部分的整理工作；感谢研究生王潇霄、顾一香、陈倩、张悦、徐瑾仪、杨珊珊和赵佳芸对本书的校对。由于电机技术与仿真软件本身均在不断发展，加之作者水平有限，书中疏漏与不足之处在所难免，恳请各位专家、同仁和广大读者不吝指正。
最后，希望本书能成为探索电机多物理场仿真世界的一位可靠向导，助您在理论与实践的融合过程中，不断提升工程创新能力，共同推动中国乃至全球电机技术迈向新的高峰！李全峰　　
2026年3月　于上海