基于FEMM軟件的電磁閥結構仿真優化

摘 要：電磁閥是自動控制系統中常見的電氣驅動裝置，廣泛應用于液壓、氣動等領域。電磁閥的性能直接影響到控制系統的效率與穩定性。本文基于有限元磁場分析軟件FEMM，針對電磁閥的結構進行仿真優化。通過優化設計，改善了電磁閥的工作性能，包括電磁力、啟閉特性等方面。通過實驗驗證與仿真結果對比，證明了該優化方法的有效性。

關鍵詞：電磁閥 FEMM軟件 結構仿真 優化設計 有限元分析

1 緒論

電磁閥在自動控制系統中起著至關重要的作用。其工作原理是通過電流產生磁場，進而驅動閥芯的移動來控制流體的通斷。電磁閥的性能影響著流體系統的響應速度、功率消耗及系統的可靠性。因此，優化電磁閥的結構以提高其工作性能，成為近年來的研究熱點。

傳統的電磁閥設計通常依賴經驗或簡單的計算方法，難以全面考慮各項因素對性能的影響。近年來，隨著計算機技術的發展，有限元分析（FEA）逐漸成為電磁閥設計優化的重要工具。FEMM（Finite Element Method Magnetics）作為一種二維有限元分析軟件，能夠有效地模擬電磁場分布和分析電磁閥的性能。

本文將基于FEMM軟件進行電磁閥結構的仿真與優化，探討不同設計參數對電磁閥性能的影響，并通過優化設計提升其工作效率。

2 電磁閥的工作原理與結構

電磁閥的基本結構通常包括線圈、鐵芯、閥體和閥芯等部分。其工作原理是通過電流流過線圈產生磁場，磁場作用于鐵芯，引起閥芯的位移，從而實現對流體通斷的控制。

線圈的電流大小決定了產生的磁場強度，磁場的分布影響著閥芯的運動特性。閥芯的快速、精準移動對于提高電磁閥的響應速度和流量控制精度具有重要作用。

3 FEMM軟件的應用

FEMM是一種用于電磁場分析的有限元軟件，適用于二維電磁場問題的求解。它能夠精確模擬電磁閥中的磁場分布、鐵芯和線圈的相互作用，以及閥芯的運動。

在電磁閥設計中，FEMM主要用于以下幾個方面。

電磁場分布分析：通過FEMM軟件計算電磁閥內部的磁場分布情況，評估磁場的均勻性和強度。

力學性能分析：模擬電磁閥線圈產生的磁力作用于閥芯的情況，計算閥芯的運動軌跡。

功率損耗分析：分析電磁閥工作時的功率損耗，評估其能源效率。

熱力學分析：評估電磁閥在不同工作條件下的溫升情況，避免因過熱而導致的性能下降或故障。

4 仿真模型與參數設置

本文采用FEMM軟件對電磁閥進行仿真建模。首先在三維軟件（UG/CATIA）中對電磁閥3D數據進行處理，去除閥體等不導磁的零組件，再分割出繞軸旋轉對稱的1/4截面，將截面導出為.dxf格式模型文件，然后在FEMM軟件中導入模型，并賦予材料和參數。具體建模及仿真步驟如圖２所示。

最終完成界面如圖3所示，以下是仿真模型的主要參數設置。

模型參數：

線圈材料：銅；

鐵芯材料：1010碳素結構鋼；

閥芯材料：1010碳素結構鋼；

工作電壓：12V；

線圈電阻：29.5Ω；

初始安匝：520.3；

工作行程：4mm。

通過仿真，計算了不同結構對電磁閥性能的影響。

5 仿真結果與分析

5.1 磁場分布

通過FEMM仿真得到電磁閥內部的磁場分布，圖5～圖7顯示了不同方案電磁閥通電時的磁場分布情況。（顏色條表示磁場強度，紅色為強磁場，藍色為弱磁場）。

從圖5～圖7中可以看出，方案V19閥芯附近的磁場強度最好，說明閥芯受到的電磁驅動力最大，電磁閥性能最好。

5.2 力學性能分析

仿真結果表明，線圈產生的磁力作用于閥芯時，閥芯的最大位移為4mm。圖8顯示了不同方案結構閥芯所受到的電磁力隨位移的關系。

5.3 分析結論

本文在同樣的通電參數條件下，設計了3組不同的電磁閥閥芯結構，優化設計的核心是通過改進鐵芯形狀，使得磁場分布更為均勻，提升閥芯的電磁力，從而提升電磁閥的響應速度和密封力。

經過仿真分析，可以看到V19方案的吸合位置閥芯電磁力相比V17提升了87.4%，且在整個位移區間電磁力的提升更加線性。

基于V19設計，后續進行電磁閥的樣件測試，試驗結果滿足設計要求。

6 結論

本文通過FEMM軟件對電磁閥的結構進行了仿真分析，并基于仿真結果對電磁閥進行優化設計。通過優化，電磁閥的性能得到了顯著提升，具體表現為閥芯電磁力增大，隨位移的變化電磁力提升更為線性。優化后的設計不僅提高了電磁閥的電磁力，而且增大了電磁閥響應速度。FEMM軟件作為一種高效的仿真工具，對于電磁閥的設計和優化具有重要的指導意義。

參考文獻：

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[2]鄭志斌，曲寶軍，張廣世．汽車阻尼連續可調減振器先導閥參數對其性能的影響[J].液壓與氣動，2024，48（8）：46-55.