电机CAE解决方案安世亚太科技股份有限公司
目录
1. 电机概述 (3)
1.1 电机的定义 (3)
1.2 电机的作用和地位 (3)
1.3 电机的分类 (4)
1.4 电机的发展 (4)
2. 直流电机 (9)
2.1 直流电机的工作原理 (9)
2.2 直流电机的构造 (10)
3. 异步电机 (14)
3.1 异步电机的构造 (14)
3.2 异步电机的工作原理 (17)
4. 电机中的关键部件和关键技术 (19)
5 电机关键工程问题及相关专业问题 (25)
5.1 电机关键工程问题 (25)
5.2 关键工程问题涉及的专业问题 (25)
6. 电机仿真需求 (27)
6.1 电机强度、刚度分析 (27)
6.2 电机振动特性分析 (27)
6.3 电机疲劳寿命分析 (28)
6.4 电机的温升与散热分析 (28)
6.5 电机噪声分析 (28)
6.6 电机电磁分析 (29)
7. 电机仿真解决方案 (30)
8. 电机CAE应用案例 (32)
9. 技术支持与服务 (40)
10. 电机行业用户 (43)
1. 电机概述
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1.1 电机的定义
广义言之，电机可泛指所有实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械或装置。相比广义电机定义，通常所说的电机多为狭义电机，主要指那些依据电磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换和信号传递与转换的装置。依此定义，严格地说，这类装置的全称应该是电磁式电机，但习惯上已将之简称为电机。虽然涵义上是狭义的，但就目前来说，能够大量生产电能、实施机电能量转换的机械主要还是电磁式电机。
1.2 电机的作用和地位
在自然界各种能源中，电能具有大规模集中生产、远距离经济传输、智能化自动控制的突出特点，它不但已成为人类生产和生活的主要能源，而且对近代人类文明的产生和发展起到了重要的推动作用。与此相呼应，作为电能生产、传输、使用和电能特性变换的核心装备，电机在现代社会所有行业和部门中也占据着越来越重要的地位。
对电力工业本身来说，电机就是发电厂和变电站的主要设备。首先，火电厂利用汽轮发电机（水电厂利用水轮发电机）将机械能转换为电能，然后电能经各级变电站利用变压器改变电压等级，再进行传输和分配。此外，发电厂的多种辅助设备，如给水泵、鼓风机、调速器、传送带等，也都需要电动机驱动。
在机器制造业和其它所有轻、重型制造工业中，电动机的应用也非常广泛。各类工作母机，尤其是数控机床，都须由一台或多台不同容量和型式的电动机来拖动和控制。各种专用机械，如纺织机、造纸机、印刷机等也都需要电动机来驱动。
在冶金工业中，高炉、转炉和平炉都须由若干台电动机来控制，大型轧钢机常由数千乃至数万千瓦的电动机拖动。近代冶金工业，尤其是大型钢铁联合企业，电气化和自动化程度非常高，所用电机的数量和型式就更多了。
在石油和天然气的钻探及加压泵送过程中，在煤炭的开采和输送过程中，在化学提炼和加工设备中，在电气化铁路和城市交通以及作为现代化高速交通工具之一的磁悬浮列车中，在建筑、医药、粮食加工工业中，在供水和排灌系统中，在航空、航天领域，在制导、跟踪、定位等自动控制系统以及脉冲大功率电磁发射技术等国防高科技领域，在加速器等高能物理研究领域，在伺服传动、机器人传动和自动化控制领域，在电动工具、电动玩具、家用电器、
办公自动化设备和计算机外部设备中……总之，在一切工农业生产、国防、文教、科技领域以及人们的日常生活中，电机的应用越来越广泛。事实上，电机发展到今天，早已成为提高生产效率和科技水平以及提高生活质量的主要载体之一。
1.3 电机的分类
电机的种类很多，分类方法也很多。如按运动方式分，静止的有变压器，运动的有直线电机和旋转电机，直线和旋转电机继续按电源性质分，又有直流电机和交流电机两种，而交流电机按运行速度与电源频率的关系又可分为异步电机和同步电机两大类，分类还可以进一步细分下去。鉴于直线电机较少应用，故上述分类结果可归纳为：
电机分类（一）
以上分类方法从理论体系上讲是合理的，人们还普遍接受另一种按功能分类的方法：
电机分类（二）
需要指出的是，发电机和电动机只是电机的两种运行形式，其本身是可逆的。也就是说，同一台电机，既可作发电机运行，也可作电动机运行，只是从设计要求和综合性能考虑，往往无法兼顾技术性和经济性。
1.4 电机的发展
电动机是一种实现机电能量转换的电磁装置。从19世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机，一个多世纪以来，电机无论在结构还是类型，都经历了一个漫长的发展过程。
（1）直流电机的产生和形成
工业革命以后，蒸汽动力得以普遍应用。但随着生产力的发展，蒸汽动力输送和管理不便的缺点日益突出，迫使人们努力寻新的动力源。法拉第（Faraday）于1821 年发现了载流导体在磁场中受力的现象，并首次使用模型表演了把电能转换为机械能的过程。很快，原始型式的电动机就被制造出来了。但由于驱动源是蓄电池，当时极为昂贵，因而也就不能被推广。
为此，人们积极寻求能将机械能转换为电能的装置。法拉第本人亦坚持研究，并与1831 年发现了电磁感应定律。在这一基本定律的指导下，第二年，皮克西（Pixii）利用磁铁和线圈的相对运动，再加上一个换向装置，制成了一台原始型旋转磁极式直流发电机。这就是现代直流发电机的雏形。
电磁感应定律发现了，直流发电机也发明了，但经济性、可靠性、容量却未达到实用化要求，因而电动机的应用和发展依然缓慢。为解决廉价直流电源这一电动机应用中的瓶颈问题，直流发电机获得了快速发展。在1834～1870 年这段时间内，发电机研究领域产生了三项重大的发明和改进。在励磁方面，首先从永磁体转变到采用电流线圈；其后，1866 年，西门子兄弟（W & C W Siemens）又从蓄电池他励发展到发电机自励；电枢方面，格拉姆（Gramme）于1870年提出采用环形绕组。人们将发电机和电动机中的这两种结构进行了对比，并最终接受电机的可逆原理。至此，发电机和电动机的发展合二为一。
1870～1890 年是直流电机发展的另一个重要阶段。1873 年，海夫纳阿尔泰涅克（Hefner Alteneck）发明了鼓形绕组，提高了导线的利用率。1880 年爱迪生（Edison）提出采用叠片铁心，进一步减少了铁心损耗，降低了绕组温升。鼓形电枢绕组和有槽叠片铁心结构一直沿用至今。
上述若干重大技术进步使直流电机的电磁负荷、单机容量和输出效率大为提高，但换向器上的火花问题随之上升为突出问题。于是，1884 年出现了换向极和补偿绕组，1885 年开始用碳粉制作电刷。这些措施使火花问题暂告缓和，反过来又促进了电磁负荷和单机容量的进一步提高。
然而，随着直流电的广泛应用，直流电机的固有缺点也很快暴露出来。首先，远距离输电时，要减少线路损耗，就必须升高电压，而制造高压直流发电机却有很多不可克服的困难。此外，单机容量不断增大，电机的换向也就变得越来越困难。因此，19 世纪80 年代以后，人们的注意力逐渐向交流电机方面转移。
（2）交流电机的产生和形成