汽车行业正处于颠覆之中，电动汽车从小众产品向主流产品的超越是这一变化背后的驱动力。
然而，挑战仍然是为了改善电动汽车中使用的电机设计。一个潜在的解决方案是使用电源磁性设备（PMD），包括电机，发电机，变压器和电感器的一类设备。简单来说，这些组件使用电磁场来将电能转换为机械能，反之亦然。
在电力工程领域，特别是在PMDS的设计中，现代进步是针对减少系统损失，质量，体积和成本的目标，同时增加功率能力，可靠性和大规模制造性。
建模、优化和协作结合在一起
在现代应用中，要实现这些相互竞争的目标，需要先进的方法来优化各种pmd(如电机)的设计。这些包括计算效率高的设备模型结合最先进的优化技术。此外，从机械、电气和热的角度来看，有关电机的设计约束代表了一个复杂的多物理问题。(图1)
图1所示。非线性表面永磁同步电机的有限元分析
法拉第未来，一家专注于智能电动车的开发，正在采用COMSOL Multiphysics软件，一种多体性有限元分析程序，生产具有高功率密度的最先进的电动机。
该组织还采取了一种创新的、模块化的方法来设计电动汽车。Faraday Future首席电磁工程师Omar Laldin解释说:“我的团队为通用汽车开发电机设计，主要适合我们的可变平台架构，这允许电动汽车动力系统的模块化开发。我们可以增加或移除发动机，调整电池数量，折叠或增加底盘的尺寸。”
Laldin补充说:“为了做到这一点，我们必须针对各种条件设计电机，需要考虑电机的几个不同方面，而不仅仅是电磁元件，比如机械和热性能。”图1显示了该小组进行的电磁分析的一个例子。
这包括完成一系列高级优化算法，这些算法可以快速模拟特定设计的行为。速度是重要的，因为这些优化算法必须经过无数次迭代，以确保各种设计的研究。因此，需要对模型的某些方面进行简化。
Laldin解释说:“做一个完整的CFD分析来预测热行为可能需要几周的时间。通常有成千上万的设计需要考虑，每个给定的设计都有数百个操作点，这使得用一个计算量很大的工具进行详细的多物理分析是不切实际的。像COMSOL这样的工具，使我们能够进行彻底的电磁和机械分析，以及简化的热分析，以一种非常稳定的方式工作，并在设计过程中就每个方面给我们快速反馈。”
COMSOL的多功能性也有助于电磁电机设计团队与法拉第未来的其他团队合作，包括电机机械、逆变器、电机控制、动力传动系统控制、系统工程等。总的来说，这些组在组织内形成了动力系统组。
“在我们将数据发送给其他团队之前，我们会做所有的早期分析，以确保我们在正确的范围内，这限制了我们与其他团队进行迭代的次数。我认为这是COMSOL模拟和建模工具最有益的方面之一。”
设计一个致动器
EM团队设计了一个EI-Core执行器，以满足某些限制，同时获得竞争体积和功率损耗目标之间的折衷。虽然必须最小化功率损耗，但它们不想增加组件的大小，因为包装大小是大多数车辆系统中的关键度量。致动器由缠绕在固定电子芯上的导线线圈组成，以及可移动的I芯（图2）。
图2。ei核心执行器的网格。
他们在COMSOL中进行了2D电磁场分析，并在MATLAB软件中实现了遗传算法。该模型考虑了各种钢铁材料的高度非线性行为，而遗传算法提供了全局优化和多目标“帕累托最优前沿”，这提供了减少体积和功率损耗之间的权衡(图3)。
上图:帕累托最优前线提供质量与损失权衡。底部:电磁致动器内的磁通分布。
他们将执行器的几何参数作为算法的输入，并根据线圈电阻获得损耗。这使得快速研究电磁驱动器的众多设计，能够提供2500 N的力。
调查损失
研究小组研究了用于电机的钢的非线性，这改变了槽中高频导体损耗的性质。这些损失在高速时增加，由于皮肤和接近效应的增加，在导体中，他们也受到温度的影响。由于电机的几何形状，一些绕组结构和它们的导体比其他更容易冷却。例如，导体的间距和尺寸会影响槽内的传热。
Laldin和他的同事们进行了进一步的多发性分析，将电磁部件与热行为耦合，以识别可能导致灾难性故障的电机中的热点。他们发现导体内的电流密度由于插槽的磁通密度的变化而显着变化。它们计算了每个导体中的损耗密度，然后获得温度分布，其为电动机的不同区域中提供了最大热点温度（图4）。
模型
助势
当前
损失
温度。模型几何，磁通量，电流密度，功率损耗和定子槽模型中的温度分布。
Laldin表示：“即使我们具有相同的电流，不同导体的损失也会有所不同。我们模拟这些变化并在COMSOL中进行一些近似和快速的热分析，使我们能够研究温度分布。“
通过识别最大热点温度，制造商可以确定设计的可靠性，并防止破坏性的电机事件。
随着一个人可以设计和分析电动机及其组件，这种多体学习方法将节省了法拉雷未来的时间。Laldin说：“而不是用各个团队做10个迭代，而是我们的工具让我们在1到2次迭代中完成设计。这是拥有多体性分析工具的最大优势之一 - 我们可以减少我们在不同组之间需要做的迭代的数量。对于一个人优化设计是更快的，随后是团队的轻微改良，而且每个团队都可以独立分析物理学的每个方面。“
应用交换的未来
法拉第未来是一家相对年轻的公司，但它在电动汽车领域取得了巨大的进步，在短短两年内就设计、开发和制造了一款可运行的电动汽车。该组织已经接受了COMSOL的应用程序交换，这是一个在线社区，用户可以上传和分享他们的模型，并与其他用户讨论技术和发现，以帮助推动这一增长。拉尔丁说:“实现这种创新的唯一现实方法是利用我们供应商的经验和他们的能力。在用户社区中，针对我们在这个领域中遇到的问题，找到工具的解决方案要容易得多。”
Laldin补充说:“COMSOL对我们来说是一个非常自然的选择，因为我们正在开发最先进的技术，并欣赏对速度的需求。例如，如果我需要在软件中添加一个新功能，公司会非常积极地将该功能添加到下一个版本中。”
COMSOL的开放和响应应用程序交换平台还将帮助法拉第未来保持领先地位的竞争,正如Laldin补充说:“最重要的是,培养这个在线社区符合创业心态,你愿意贡献不敏感数据在一个开放的交流和技术所涉及的每个人都受益。我一直觉得，你从用户社区和交流中得到的总是比你投入的更多，尤其是当它有一个最先进的工业合作伙伴支持时。对于像我们这样的公司来说，这是一个非常好的组合。”
COMSOL
www.comsol.com.
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