电磁电动机是世界上的能源消耗大户
这是一个能量转换问题。
自从第一个人类撞石取火以来，能量转换一直是人类的常见行为。在这些行为中，人类使用动能来引发化学反应，以最终产生热能。使用燧石和黄铁矿等天然材料时，需要时间和练习才能达到预期的结果。从那时起，我们一直在寻找和开发新工具以创新和改进技术。每次新发现带来的技术都会改变我们的日常生活方式。大多数现代化技术都有一个共同点：它们需要能源，通常利用电力来执行其功能。这些能源大部分通过发电站提供给国家电网。这些发电站使用电磁设备将化石燃料、核能、太阳能、风能或水能等能源转化为电能。
我们使用了多少能源？
在 2020 年，全球消耗了超过 25 拍瓦时的电力！ 这个数字由 25 和 15 个 0 组成！ 中国和美国这两个国家消耗了其中近 ½ 的电力。 中国消耗了超过 7.5 拍瓦时，美国消耗了超过 4.0 拍瓦时。
我们家庭、办公楼和各种制造设施消耗的电力比较平均（各占 1/3）。 在美国，一个典型家庭每月将消耗 1.0 兆瓦时的电力，一年将消耗 12.0 兆瓦时。 近期的一项人口普查显示，美国有 1.4 亿户家庭，每年总共使用 1.6 拍瓦时的电力。
电磁设备的碳成本
电磁设备的能量需求会产生间接效应，尤其是会造成二氧化碳排放。 根据国际能源署的报告，“电动机及由其驱动的系统是单一能源消耗大户，占全球电力消耗的 40% 以上。” 据该报告预计，如果到 2030 年政策不发生变化，使用的电磁电动机每年将产生 8,570 公吨的二氧化碳。
小改变，大不同
考虑到巨大的用电规模和相应的二氧化碳排放，很明显，作为世界文明，我们需要采取措施来减少电力的使用和浪费。 减少电力使用的一个重要方法是利用技术。 例如，LED 灯泡为我们提供与老式灯泡相同的光照，但用电量仅为以前的 20%；这相当于每个灯泡节省 80% 的电能！
如果我们的目标是减少全球电力消耗，那么电动机的效率就变得非常重要，因为许多电器/设备都装有电动机。 电动机广泛应用于冰箱、空调、泵、压缩机、风扇等设备中。从吹风机到除雪机，从玩具火车到通勤列车，它几乎无所不在。
哪怕我们仅将每台电动机的效率提高 1%，每年就能节省 0.10 拍瓦时，足够为美国 800 多万户家庭提供充足的电力！
电磁变化的驱动因素
除了提高电动机效率带来的商业利益外，政府和社区的法规/条令也要求提高效率。 例如，美国的能源部 (DOE)、环境保护署 (EPA)、能源指南 (EnergyGuide) 和能源之星 (Energy Star) 等法规都在推动电动机性能的提高。
在电动机用电量中，占比最大的是输出功率在 0.75 kW 至 375 kW 的中型电动机。 这些类型的电动机用于暖通空调 (HVAC)、泵、电梯、传送机以及工业处理和加工等领域。 这些电动机消耗的电力超过其他尺寸设备的电动机（占所有电磁电动机总量的 68%）。
电磁设备如何拯救我们
电动机企业在解决这一全球性问题上有着巨大的潜力。为此，他们将需要复杂的软件工具来“制造并测试”，或是通过仿真对其设计进行虚拟原型设计。 借助仿真，工程师和研究人员能够降低研究成本和缩短研究时间，以更高的效率开发设计。
电动机是一种能量转换设备，可以将电能转化为机械能。 然后，机械能可用于执行某些预期的任务或工作。 电动机涉及的主要物理学科是电磁学 (EMAG)。 然而，为了开发更具效率的设计，设计师必须从多物理场的角度审视电动机的行为。
使用多物理场解决方案优化电磁设计
通过多物理场方法，工程师能够同时考虑各种潜在的需求和限制，从而执行稳健的测试和优化过程。 他们的研究可以包括 EMAG 和热的耦合仿真。这样可以随着电机的升温调整材料以适应局部温度分布。或者，工程师可以添加冷却功能来消除热量，使电机保持在安全的工作范围内。 此外，还应考虑 EMAG 与机械的耦合仿真。该过程可以帮助设计师检查组件可能发生的形变，并评估电动机的耐用性和动力学。 最后，可以考虑 EMAG 与声学的耦合仿真。这可以帮助设计师检查电能转换为机械能是否会导致电机在运行过程中产生不需要的噪声。 通过所有这些仿真，设计师能够在实际制造物理样本之前探索各种可能性并减少意外行为。
这些仿真可以通过由 Siemens Digital Industry Software 开发和提供的一套软件工具来执行；这些工具是称为 Simcenter 的 CAE 产品的一部分。 每个物理学科的仿真既可以独立使用，也可以综合用作具备互操作性的耦合仿真。这样，设计师举手之间就能顺畅交换组件 CAD、网格和物理结果。
我们希望这篇博文能激励电动机制造商，并帮助他们评估和采用新工具。这样他们就可以创新和开发新技术，从而提高其电动机的效率。 我们所有人都应该致力于减少用电量和随之产生的碳足迹；文明的未来取决于此。
