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，并介绍了现代电机工程的前沿领域，重点讲解了如何利用ANSYS软件开展电机设计中的电磁-热或电磁-振动-噪声协同仿真等工作，还探讨了人工智能算法在现代电机智能化设计中的应用，并讲解了目前十分热门的具身智能机器人中使用的无框力矩电机及其电磁设计仿真实例。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。

目录 推荐序 前言 第1章　现代新型电机特点 1.1　新能源汽车电机 1.2　人形机器人关节电机 1.2.1　机器人关节电机 1.2.2　无框力矩电机 1.3　低空eVTOL 动力电机 1.4　新型电机设计特点 第2章　基于Motor-CAD 的扁线电机电磁- 热仿真设计实例 2.1　基于Motor-CAD 的扁线电机电磁仿真实例 2.2　基于Motor-CAD 的扁线电机温升仿真实例 第3章　轴向磁通电机电磁- 振动- 噪声仿真设计实例 3.1　轴向磁通电机介绍 3.2　基于ANSYS RMxprt 的轴向磁通电机电磁设计仿真实例 3.3　基于ANSYS Maxwell 3D 的轴向磁通电机电磁设计仿真实例 3.4　基于ANSYS 的轴向磁通电机振动噪声仿真实例 第4章　空心杯电机设计及有限元仿真实例 4.1　空心杯电机结构和运行原理 4.2　不同类型空心杯电机电枢绕组的基本公式 4.2.1　直绕组的基本公式 4.2.2　斜绕组的基本公式 4.2.3　菱形绕组的基本公式 4.3　基于ANSYS 的空心杯永磁有刷直流电机电磁设计仿真实例 4.3.1　实例描述及仿真策略 4.3.2　Maxwell 3D 空心杯永磁有刷直流电机的空载仿真 4.3.3　Maxwell 2D 空心杯永磁有刷直流电机的空载仿真 4.3.4　Maxwell 2D 空心杯永磁有刷直流电机的负载仿真 4.4　基于ANSYS 的空心杯永磁无刷直流电机电磁设计仿真实例 4.4.1　实例描述及仿真策略 4.4.2　Maxwell 3D 空心杯永磁无刷直流电机的空载仿真 4.4.3　Maxwell 2D 空心杯永磁无刷直流电机的空载仿真 4.4.4　Maxwell 2D 空心杯永磁无刷直流电机的负载仿真 第5章　齿轮箱系统振动噪声仿真 5.1　齿轮传动的类型 5.2　齿轮传动系统动力学特性相关理论 5.2.1　动态激励的类型与动力学表达 5.2.2　啮合刚度 5.2.3　传动误差 5.3　基于ANSYS Motion 的齿轮箱振动噪声仿真案例 5.3.1　创建新模型 5.3.2　创建一级齿轮副 5.3.3　创建二级齿轮副 5.3.4　创建轴承 5.3.5　创建输入轴轴系 5.3.6　创建中间轴轴系 5.3.7　创建输出轴轴系 5.3.8　创建箱体 5.3.9　创建标记 5.3.10　导入箱体模态数据 5.3.11　导入轴承 5.3.12　建立约束 5.3.13　求解器设置 5.4　结果查看 5.4.1　载荷分布 5.4.2　传动误差 5.4.3　啮合力 5.4.4　振动加速度 5.4.5　声压 第6章　人工智能算法在电机设计中的应用 6.1　人工智能的基本概念与电机设计的发展 6.1.1　人工智能的定义 6.1.2　电机设计智能化发展 6.1.3　人工智能算法下的电机设计流程 6.2　人工智能算法介绍 6.2.1　机器学习算法 6.2.2　深度学习算法 6.2.3　强化学习算法 6.2.4　智能优化算法 6.3　ANSYS optiSLang 模块在电机优化设计中的应用 第7章　无框力矩电机原理及其仿真 7.1　无框力矩电机基本概念与工作原理 7.1.1　基本概念与结构特征 7.1.2　工作原理 7.2　无框力矩电机的主要应用领域 7.3　无框力矩电机的分类与技术类型 7.4　国内外典型产品技术对比分析 7.4.1　国外品牌 7.4.2　国内品牌 7.5　无框力矩电机ANSYS 电磁仿真设计操作实例 7.5.1　仿真设计目标与电机参数 7.5.2　具体操作步骤流程 第8章　电机设计未来发展及趋势 8.1　未来电机设计的智能化流程与核心方法 8.2　电机设计的核心发展趋势与挑战 8.3　基于大语言模型的电机智能设计仿真思路 附录　ANSYS 有限元仿真技巧 附录A　ANSYS Maxwell 添加新材料及铁耗计算设置 附录B　径向气隙磁密提取技巧 附录C　径向气隙磁密提取及谐波阶次分析设置 附录D　永磁同步电机齿槽转矩精确计算设置技巧 附录E　径向气隙磁密提取及谐波阶次分析设置

推荐序 当前科技浪潮席卷全球，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谭洪涛工程师合作编著的《现代电机设计与ANSYS多物理场有限元仿真实践（进阶篇）》即将付梓，深感振奋。 该书的问世恰逢其时，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，而该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教学与研究数十载，深谙学科精髓与发展脉络；谭洪涛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，使得该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，该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，使得该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。该书的出版，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 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的发现，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。 笔者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，本书旨在拓展读者的视野与应用能力，触及现代电机工程的前沿领域。第1章概述现代新型电机的特点与发展。第2、3章分别以当前热门的扁线电机和轴向磁通电机为对象，进行深入的电磁- 热或电磁- 振动- 噪声协同仿真设计。第4章介绍特殊结构的空心杯电机。第5章将视角延伸至包含齿轮箱的电驱传动系统振动噪声仿真。第6章探讨人工智能算法如何赋能电机设计优化。第7章详细讲解了目前十分热门的具身智能机器人中使用的无框力矩电机及其电磁设计仿真实例。第8章介绍了基于大语言模型的电机智能设计仿真思路，展望电机设计技术的未来发展趋势。附录汇总了笔者在教学实践中总结的ANSYS 有限元仿真技巧与宝贵经验，旨在提升读者的仿真效率与问题解决能力。 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，并可作为“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，本书亦是一本极具参考价值的自学教材与工具书。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，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；感谢上海摩型智能科技有限公司李良梓总工程师和浙江方正电机股份有限公司对本书的大力支持和帮助。感谢课题组研究生刘世昌、黄厚佳、马思理、曾铖铖、田俊、安尚崇、罗蒙和倪隽参与本书仿真部分的整理工作；感谢研究生袁睿、陈佳、顾一香、张悦、许瑾仪和杨珊珊对本书的校对。由于电机技术与仿真软件本身均在不断发展，加之编者水平有限，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，希望本书能成为您在探索电机多物理场仿真世界时的一位可靠向导，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！ 主编　李全峰