電機和發電機包含電子流經的旋轉磁性線圈。流經電子的導線電阻與旋轉裝置的摩擦力會導致熱量聚集。熱能損耗部分無法做功，從而降低了電機與發電機的效率。隨著結構組件中的溫度上升會產生溫度應力，過熱也會造成結構問題。冷卻氣流可以用於耗散熱量，但是，必須優化氣流的物理性質才能達到最佳效果。
由於所有的物理效應是同時發生的，因此需要採用多物理場仿真方法。Marelli Motori工程師採用ANSYS多物理場解決方案開展電機與發電機的定製設計，從而解決各個行業的挑戰，具體行業如：水力發電、熱電聯產、石油天然氣、民用與商業海運、軍用以及電機和發電機在爆炸性環境下的ATEX行業等。（ATEX包含兩個歐盟指令，指令規定了在具有爆炸性環境中允許使用的設備和工作空間）。
機械、流體與機電多物理場解決方案
德國一家醫院安裝的Marelli Motori交流發電機機組示例
Marelli Motori工程師採用Mechanical對框架、護罩、冷卻風機、電機軸和發電機進行設計優化。結構仿真的目標是降低組件重量的同時優化組件剛度。此外，研發團隊還模擬了機器對於轉子旋轉產生的靜態與動態力的響應；發現過大的力會導致組件變形、形成裂紋或疲勞，最終導致失效。
工程師將ANSYS Workbench用作多物理場仿真的通用平台，他們進行了ANSYS CFX仿真和結構仿真，以確定能夠滿足最佳結構完整性、高熱效率和低成本的設計方案。轉子組件（根據機械的空氣環路，包括一台或兩台冷卻風機）、定子和換熱器（有需求時）是電機或發電機的核心換熱組件。
ANSYS CFX計算流體動力學(CFD)仿真通過優化機器中的氣流，從而提高冷卻效率並加快與環境的熱交換。這樣能夠減少發電機與電機內部的熱點，從而提高效率並最大幅度地增加功率輸出。
最後，在多物理場仿真中把ANSYS Maxwell的結果添加到Mechanical和CFX中，以完善優化過程。為了減少產生電機振動的力，唯一的方法是採用Maxwell提取電磁力並把它導入Mechanical進行分析，從而評估框架的諧波響應。此外，Maxwell還可用於確定線圈中的熱點，然後把分析結果與CFX計算結果相結合，以局部優化設計方案並改善熱交換。利用ANSYS多物理場仿真，Marelli Motori工程師能夠獲得更高質量的結果，而且用時比過去其他仿真產品少60~70%。
生產製造挑戰
如果導致重新設計，所有CFD仿真隨後都會在試驗室中進行評估。如圖所示，面向工業用途的Marelli Motori電機正在進行測試
即使進行了機械、流體和機電仿真，優化後的設計方案仍然存在挑戰：工程師無法高效製造電機或發電機。Marelli Motori工程師希望能夠改進位造工藝，同時確保機器在每種工況下的安全性和可靠性。這是工程工作流程中最具挑戰的部分，因為在工程師努力設計有助於機械散熱的系列組件時必須同時考慮形狀可行性、生產成本和總裝便利性等約束性條件。通過在多物理場仿真過程中結合使用ANSYS Mechanical和ANSYS CFX，工程團隊得以實現最佳的製造流程。在最近的一個項目中，工程師藉助最新技術改進新的小型交流發電機系列研發產品，仿真技術幫助他們將設計時間大幅縮短。
應用實例
顯然，各種設計參數在各個行業的作用不盡相同。在海洋行業中，電機和交流發電機要求低噪聲以及超低振動，以免影響船舶乘客的體驗。為了降低噪聲和振動，工程師採用 Mechanical對電機機架和其他組件進行結構有限元分析和諧波響應計算。
發電機組是內燃機和電機或交流發電機的組合，可用作備用電源。機組柴油機的振動會激發系統的固有頻率振動和諧波響應。Marelli Motori工程師通過 Mechanical進行模態分析，以確定不同工況的頻率變化與諧波響應，最終分析交流發電機的動態特性。然後客戶和發電機組設計人員開展協作，避免各個設計項目中的發電機組與周圍結構發生共振。如果未執行前期分析，而完工後的發電機組在船舶內部產生了振動和結構噪聲，則修復工作會產生巨大的額外費用甚至導致項目延期。
海洋行業中的最大功率發電機及其交流發電機的仿真
在發電行業中，最重要的環節是提高效率。主要方法是採用CFD仿真改善機器的冷卻氣流，並把相關結果與EM仿真相結合，通過降低損耗來優化電氣部件。Marelli Motori工程師每天都在進行此類多物理場仿真，如果在數值仿真後有任何修改，工程師都會在實驗室中進行評估，根據國際標準證明其在溫度和效率方面的優勢。
採用ANSYS CFX進行換熱仿真的示例。一名專家級用戶在8個小時內完成了5項仿真。利用ANSYS Discovery Live，用戶在2個小時內完成了多次仿真並實現了最佳設計。
採用仿真實現設計理念
ANSYS Discovery Live於2018年初發布後，Marelli Motori是率先採用該軟體的公司之一。Discovery Live是首款允許工程師和設計人員在進行仿真過程中修改幾何結構參數和其他屬性參數、並即時查看修改結果的仿真解決方案。Marelli Motori致力於高品質、高可靠性的定製產品，並努力快速滿足客戶需求，他們隨即意識到這種快速的仿真結果可以幫助自己更快地應對客戶需求。例如在開展封閉式交流發電機換熱的仿真時，一名專家級CFX用戶在8個小時內分析了五種不同的設計方案；而採用Discovery Live，這名工程師只用兩個小時就實現了最佳設計節約了6個小時。
在ANSYS多物理場仿真的幫助下，Marelli Motori工程師設計出適合定製電機和發電機的最佳組件，從而提高了其在全球市場的競爭力。與此同時，Marelli Motori研發團隊和ANSYS仿真技術的協作實現了更高效率、更低成本、更短的研發時間和更高的可靠性，客戶們對此讚賞有加。
ANSYS CFX轉子仿真