汽车工业处于中断，从利基到主流产品的电动汽车的超越是这种变化背后的驱动力。
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
在现代应用中实现这些竞争目标需要先进的方法来优化各种PMD等电动机的设计。这些包括与最先进的优化技术结合的计算高效的设备模型。此外，与电动机有关的设计约束代表了来自机械，电气和热视角的复杂的多体问题。（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。
这涉及完成一系列高级优化算法，这很快就会模拟特定设计的表现。速度很重要，因为这些优化算法必须在众多迭代中运行以确保调查各种设计。结果，需要简化模型的某些方面。
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机械设计组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，动力总成控制，系统工程等。集体，这些群体在组织内形成了动力总成集团。
“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。
它们在COMSOL中进行了2D电磁场分析，与Matlab软件中实现的遗传算法耦合。该模型占各种钢材的高度非线性行为，而遗传算法提供全球优化和多目标“帕累托 - 最优阶段”，提供了减少体积和功率损耗之间的权衡（图3）。
顶部：帕累托 - 最佳前线提供质量与损失权衡。底部：EI-Core执行器中的磁通量分布。
它们使用致动器的几何参数作为算法中的输入，并基于线圈电阻获得的损耗。这允许快速调查电磁致动器的许多设计，能够提供2500n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
当前的
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。“
申请交换未来
法拉第未来是一个相对年轻的公司，但它在只需两年内完成了电动汽车行业的电力车辆领域取得了很大的进展。该组织拥有COMSOL的申请交换，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调查结果，以帮助推动这种增长。拉尔丁说：“实现这种创新的唯一现实方式是利用我们的供应商的经验和他们拥有的能力。在一个用户社区中，可以更容易地找到对我们所有人都拥有的问题的解决方案。“
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，并欣赏速度需求。例如，如果我需要软件中的一个新功能，该公司在下次版本中包含该功能非常响应。“
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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