怎样入门电机设计？

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我这个人不喜欢观望，喜欢直接上手，然后在过程中查漏补缺。

所以，可以直接去图书馆借 Pyrhonen 的 Design of Rotating Electrical Machines 第一版，看第六章，里面分具体步骤设计了一台旋转电机。

相应的 Python 代码，我已经上传到了 Github 上，并做了一个“聊天”视频，感兴趣就看看吧。

陈嘉豪：基于免费软件的交流电机设计与分析：感应电机-Pyrhonen-Part 1/4zhuanlan.zhihu.com

该设计过程的本质我认为可以归结为以下几步：

根据你设计的电机的类型（决定了气隙磁密的大小）和散热情况（决定了线电流密度的大小），以及电机的极对数，查图表，获得电机的电机常数和切向应力（Tangential Stress）的推荐值。
根据切向应力和电机的功率、转速可以确定电机转子的体积。
根据典型电机的外径和轴长比值的推荐值，分别确定电机的转子外径和轴长；或者，对于高速电机，转子外径取决于转子表面的线速度（Tip Speed），轴长则根据体积确定。
有了电机的转子外径以后，你就决定了你的电机的气隙的位置。根据经验公式确定一个气隙长度，从而定子内径也就确定了。
然后就从定子内径向外推（转子外径向内推）。
具体来说，就是你需要假设一个气隙磁密，根据你前面确定的极距和气隙面积，推出你的气隙磁通的大小。
气隙磁通和反电势息息相关。根据你允许的外电压值调整电机的串联匝数。
所有的气隙磁通都会流入定转子的齿部，根据事先假定的齿部磁密和轴长，推出齿宽。
所有流入齿部的磁通，都会流入轭部，根据事先假定的轭部磁密和轴长，推出轭部宽度。
最后算一下磁路压降，可以用于计算饱和系数，最后推出感应电机励磁电流的大小。
中间还有一步忘了说了，就是迭代以确定饱和程度——用表征正弦程度的变量表征，具体当然是根据你规定的铁磁材料的 BH 曲线，以及你假定的齿部磁密和轭部磁密确定的。alpha_i 和 k_sat 之间有一个函数关系。你的目标是你一开始假设的 alpha_i 和你最后推出的 k_sat 查表得到的 alpha_i 相差无几，那么就收敛了。

电机设计完了以后，当然是有限元分析验证一下性能，我推荐免费软件 FEMM，具体的介绍和调用会在该系列的 Part 2 进行讨论。

当然，具体的电机设计还能调整的地方太多了，上面的步骤大幅简化了电机设计过程，比如定、转子齿数的匹配，绕组的短距等等。对于无轴承电机来说，还需要讨论如何设计能够产生悬浮力的绕组，如何确定电机能够产生悬浮力的能力（像切向应力一样的物理量，其实就是法向应力）等。这些都是后话了。

编辑于 2019-07-24

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J Pan

航空工程师

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对于最常见的径向磁场的永磁电机，设计过程主要就是选择两个密度：“线电流密度”和“电流密度”，注意这是两个不同的概念。其中“线电流密度”用来确定转子尺寸，“电流密度”用来确定定子尺寸。对于永磁同步电机不太了解的，可参阅：

J Pan：如何快速理解永磁同步电机？zhuanlan.zhihu.com

O、理论基础（可略过，不影响阅读）

电机的本质是能量转换装置，即机械能←→电磁能。

对于机械能而言，最好的方法还是牛逼顿牛大爷的方法，一般是研究力和力矩。

对于电磁能而言，不用说了，世间最美方程组——Maxwell equations。

注意：麦克斯韦方程组仅描述电磁场的分布，还需要“洛伦兹公式”将“力”和“电磁场”联系起来。

总之，经过一顿推导，就可以得到一组张量来描述电磁场中应力分布，进而来获得机械动态量。对于常规的径向电机而言，忽略轴向影响的话，在极坐标系下，麦克斯韦应力张量可进一步简化成两个量，切向分量和径向分量：

[公式]

[公式] 为径向磁密；为切向磁密；

通常，电磁能主要存储在气隙中，气隙中的磁场密度分布至关重要，切向应力分布知道了，就可以计算转矩；径向应力分布知道了，就可以计算径向力波，进而分析电机的振动和噪音。

注意，以下为重点：

在径向磁场永磁电机中，气隙中是由永磁体产生，气隙中是由绕组产生，更确切一点的话，是由线电流密度确定（）。

实际上上面这句话不太严谨，理论上绕组电流也会在气隙中产生径向磁场，只不过和自身产生的切向磁场不产生转矩，因此分析的时候可忽略，只考虑永磁体产生的径向磁场。

这样电机的转矩为：

[公式]

即：

[公式]

也就是说，想要期望的转矩 [公式] ，确定了气隙磁场和线电路密度，那么气隙尺寸（也就是转子体积）也就可以确定。

第O节对于有一定电磁场基础的童鞋，不理解的没关系，可以看第一节，内容是等同的，只不过从更初级的点着手。

一、如何确定转子尺寸

高中我们都学过电磁力的计算，即一根导体放在磁场中的受力问题，公式为：

[公式]

公式很简单， [公式] 为磁场径向密度，为电流，为导体长度，高中知识，不用细说。

现在我们进一步引申，如果有很多导体，沿圆周一圈放置，周围磁场密度为 [公式] 那会是什么样呢？示意图如下：

T.J.E.Miller

示意图上只放了4根（2匝），我们可以想象一个如果放了 [公式] 根，每根都受切向力，如果我们通过某种方式把它们绑成一个整体，则很容易计算其整体受到的扭矩为：

[公式]

其中 [公式] 为半径。

可见，对于力矩的产生，包含三部分，一部分表示磁场信息（ [公式] ），一部分表示电场信息（），还有一部分表示物理尺寸（、）

则可以把公式改写成：

[公式]

通常由于对称性，我们会把 [公式] 均布在圆周上，这样就可以定义一个新的量：

[公式]

这称之为线电流密度，也叫线负荷，物理含义就是单位长度上电流大小。 [公式] 表示电机相数，一般我们碰到的电机都是3相，所以一般。为每相匝数，每匝来回两个导体，所以总的导体数为

[公式]

这样我们的力矩公式就变成：

[公式]

即力矩公司可以写成：

[公式]

式中， [公式] 为气隙中的磁密，受限于磁性材料的物理特性以及电机的机械结构，一般在之间，取值区间相对比较小的。通常与的比例关系要适当，这个比值同铜耗和铁耗的分配有关，具体的数值，就不推荐了，可以参照同行业中类似电机的情况。可见，一旦力矩确定了，电机转子的尺寸主要决定于线电流密度，那如何取值呢？这和电机的适用环境，负载特性和散热方式有关，总的来说，线电流密度选的大，转子体积就小，线电流密度选的小，转子体积就大。

我们现在是确定了转子体积，但是相同的体积，可以设计的细长，也可以设计的短粗，这就要引入另外一个关键参数：长径比 [公式] ，其定义为：

[公式]

这个比值决定了电机是修长还是矮胖。如果电机设计的细长，则绕组端部变短，由于端部绕组不产生力矩，显然细长的电机铜的利用率更高。但是过细的电机叠片加工、绕制以及刚度都会变差。

这样就可以确定转子的尺寸：

[公式]

二、如何确定定子尺寸

前面是假定所有导线都放在气隙里，这显然是很难实现的，毕竟气隙那么小，放不了几根啊。

最早的一批电机工程师真是天才，他们的解决方案就是在定子上开槽，这样就保证了拓扑结构是一致的，想象一下沿圆周方向“槽”被拉开拉直的情形，就回到了我们之前把所有导体放在气隙的模型。

现在要做的一个事情就是如何把气隙里的导体放到槽里面去，请看如下示意图：

前面为简单起见呢，我们定义可线电流密度，沿圆周方向一维分布。实际上呢，导体上是分布在一个区域里面的，因此，需要将一维模型扩展到二维，这样就需要一个新的变量：电流密度，一般用 [公式] 表示，即单位面积上的电流。电流密度和线负荷有什么关系呢?——从不同的角度来看电流，具体来说：

对于线电流密度来说，总的电流可以这么计算：

[公式]

对于电流密度来说，总的电流可以这么计算：

[公式]

其中 [公式] 槽的总面积面积，为槽满率，因为考虑到导线有绝缘皮，导线之间有间隙以及嵌线的方便，只能将槽内部分放置导线。这样就可以得到槽的总面积为：

[公式]

有了槽的面积如何设计定子尺寸呢？我们把定子的结构放大，主要有四个关键参数（图中展示了两个）：

齿宽 [公式] ，轭厚，

除此之外还有：

极距：

[公式]

槽距：

[公式]

其中 [公式] 为极对数，为槽数。

我们知道，定子中除了槽外，剩下的是实体，充当着导磁作用，其约束就是磁密不能太高，否则磁性材料饱和，磁阻增大，损耗会大大增加。那怎么设计呢？

当我们知道了 [公式] ，以及之后，极距和槽距也就已知了，为什么这两个参数要单独提呢？请看下图：

https://eomys.com/

这样当我们选定了软磁材料后，其需用的最大磁密也就基本确定了：

这样就可以计算：

[公式]

[公式] 、为齿和轭部磁密（取决于材料）。这样，定子实体尺寸和和槽尺寸都基本定了，定子尺寸就可以基本确定了，剩下就是简单数学推导，就不细写了。

三、如何确定绕组

对于采用SVPWM调制的系统来说，其每相绕组的端部相对于接地点

[公式]

对SVPWM不太了解的，参见J Pan：如何深入理解SVPWM？

空载时，电流接近为零，可认为反电势等于电源端电压，则每相产生的永磁体感应基波电动势为

[公式]

[公式] 为空载转速对应的电频率。

J Pan：如何进行永磁同步电机全局优化设计zhuanlan.zhihu.com

这样就初步估算一个电机的基本情况。

四、工作点校核

好了，经过前面的工作，我们已经基本确定电机的关键参数，那电机设计是不是就基本结束了？——不是的，因为我们在第一步的时候没有任何附加条件的先假定一个线电流密度，这样做默认的条件就这个线电流密度是可实现的，然而事实并不是一定这样，因为电源的端电压是确定的，转速一旦确定后，电机的端电压必须小于电源能给到的端电压才行，这一步需要我们计算已经设计出来的电机的电阻、电感来校核这一点。

电阻、电感计算书上有很多了，这里不细说。只有满足这一点，设计的电机才是一个理论上的可行解。

当然，要想找到一个工程上的可行解，还需要进行强度校核、发热校核，NVH等等，这就不是入门阶段的事了。

编辑于 03-23

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哈莫尼克

电机本体设计博士，准备回国入职。

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电机设计入门啊，我写简单一点，别整那些花里胡哨的，我猜会有人说一开始看工程电磁场这类书，其实不用。因为看了一般也看不懂，就算看懂了，也不知道怎么用。这个本书可以在后面慢慢再看慢慢体会。

我就推荐看两本书，感觉也够了，你也不是说要做得很精。首先，肯定要明白电机的一些基本类型，原理，这个就看汤蕴璆老师的电机学。市面上各种各样的书多了去了，这本算是经典，写得通俗易懂。这个书也就是稍微看看，对电机有个印象。

第二本，重点，陈世坤老师的电机设计，这本书搞电机设计的我相信几乎每个人都看过。学习顺序，第一、二、三、四、五、十、十一章，中间那几章跳过！中间那几章针对性太强了，对初学者可以跳过，以后要再加强。看这本书时候要争取每个公式都搞明白怎么来的，能推的公式都手动推一边。然后，后面附录的电机设计程序，手动至少算上三遍。这样下来，应该对电磁有一个初步的认识了。

电机入门还是比较难的，主要我觉得是参数太多太多了，争取做到，改变某一参数，如每相串联匝数、气隙大小、槽形尺寸等。你脑海里就要反映出其对电机性能的大概影响（定性），做到这点，可以算是入门了。所以说，你在看书时候，要不停想，这个参数变了（变大变小）电机会怎样。

编辑于 2019-07-09

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电气工程硕士

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这个问题挺大的，回答起来也不好回答。我的专栏里主要是针对电机设计的一些感悟，也有一些理论的部分，我尽量用最通俗的语言来描述电机设计的整个过程。

胡说zhuanlan.zhihu.com

专栏的终极目标是形成电机设计理论体系，能让初学者快速掌握整个体系知识。

1、电磁场的基本概念

比如磁场强度与磁感应强度关系，磁通如何计算，磁链如何计算；

全电流定律，电磁感应定律，电磁力定律；

铁磁材料的特性。

2、磁路与电路的基本知识

磁路与电路是可以类比的，电机是在电源的激励下，产生旋转磁场，然后带动转子旋转。因此最基本的电路知识是必要的，比如LR串联后与电压源或电流源并联。在进阶一些的比如三相电源的链接，这些最基本的概念应该掌握。

磁路与电路是可以类比的，磁通类比电流源，磁势类比电压源，磁阻类比电阻，磁导类比电导。

3、电机中能量转换过程

比如电动机输入的是电能，输出的是机械能，中间部分是损耗。

损耗又分为铁损，铜损，涡流损，机械损耗。

损耗的引入又带来了电机温升问题，温升直接影响绝缘，绝缘分为AEBFHC几个等级。

4、交流电机绕组理论

绕组电动势的概念，三相绕组合成后产生旋转磁场的概念，分布系数与短距系数的概念。绕组谐波的概念以及削弱方法。

以上是电机最基本的理论，接下来无论是异步电机，同步电机都是基于以上几点进行拓展的，而我们上学的时候是异步同步都学习的，我建议接下来针对你要设计的电机开始第一次分叉，比如你要做永磁同步电机，那就分叉。

5、仿真软件的熟练使用

现在的仿真软件太强大了，我们电机专业都学过电机设计这本书，这个书学完还要我们手算一个电机，想想都做梦啊。仿真软件目前主流的是Maxwell，这个软件的资料比较多，你遇到的问题都能找到答案。现在比较智能的软件是MotorCAD，这个上手也很快，集成了电磁，热，结构三场模块，建模也是基于模板的。

软件的熟练使用能让你掌握一门工具，随时验证你的想法。

6、设计的流程

这部分是不好讲的，学的书籍里都写的那么高大上，让你望而却步。对于实战来说，电机设计考虑的没有那么全面，可能是我的工作太low吧，考虑不到振动噪声nvh，温度也是经验进行电密的选择。在这个回答里，我提了一些我的思路。

使用ansoft设计一款永磁同步电动机，需要提前选择哪些参数？www.zhihu.com

以上就是我的回答，随时更新。

发布于 19 小时前

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Wjmdyj

电机工程师

关于电机物理模型的思考:电机是电路和磁路强耦合的一个系统，其中电路表征电机对外输出电功率或者机械功率的烈度，而电机的磁路很大程度上影响电机的结构参数。磁路对电路的影响主要是反电势形式，其次是电感。而电路则以饱和程度影响磁路，磁电两者强耦合。一个电机产品设计首先从明确反电势出发，以反电势定气隙磁密、线圈匝数。之后根据气隙磁密对磁路结构参数计算。

发布于 05-16

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怎样学习电机入门知识
电动机是利用电磁感应原理，把电能转化为机械能能，输出机械转矩的原动机。根据电动机所使用的电流性质可分为交流电动机和直流电动机两大类。交流电动机按所使用的电源相数可分为单相电发动机和三相电动机两种，三相电动机又分为同步和异步两种。

三相异步电动机具有结构简单、工作可靠、使用和维修方便等优点。因此在工农业生产和生活各方面都得到了广泛的应用。

三相异步电动机由定子和转子两个部分组成。

三相异步电动机的定子由机座、铁心和定子绕组组成。机座通常由铸铁和铸钢制成，其作用是固定铁心和定子绕组，并以前面两个端盖支撑端子轴，它的外表面铸有散热筋，以增加散热面积，提高散热效果。定子铁心是电动机的磁路部分。铁心固定在机座内，它由表面绝缘的硅钢片叠加而成，硅钢片的内圆上冲制有均匀分布的槽口，用以嵌放对称的三相定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分，它由三相对称绕组组成，三相绕组按照一定的空间角度依次嵌放在定子槽内，并与铁心绝缘。三相绕组共有六个出线端引出机壳外，接在机座的接线盒中。每相绕组的首末端用符号U1—U2、V1—V2、W1—W2标记，在接线形式上要按电动机铭牌上的说明，接成星形或三角形。

转子是异步电动机的旋转部分，由转子、转子铁心和转子绕组三部分组成，它的作用是输出机械转矩。转子铁心是把相互绝缘的硅钢片压装在转子轴上的圆柱体，在硅钢片外圆上冲有均匀的沟槽，供嵌转子绕组用，叫做导线槽。转子绕组根据构造上的不同分为两种形式：绕线式和笼式。绕线转子绕组和定子绕组相似，在转子铁心导线槽内嵌放对称的三相绕组；笼型转子绕组是在转子导线槽内嵌放铜条或铝条，并在两端用金属环焊接而成，形似笼子。笼型转子与绕线转子只是在结构上不同，它们的工作原理相同。

发布于 2019-07-14

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文初

电机设计的基础前提就是学透电感，从基础理论的角度看，电机只是对电感的电磁特性的应用

发布于 2019-08-02

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