摘 要：電磁閥是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的電氣驅(qū)動(dòng)裝置，廣泛應(yīng)用于液壓、氣動(dòng)等領(lǐng)域。電磁閥的性能直接影響到控制系統(tǒng)的效率與穩(wěn)定性。本文基于有限元磁場(chǎng)分析軟件FEMM，針對(duì)電磁閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與仿真結(jié)果對(duì)比，證明了該優(yōu)化方法的有效性。

關(guān)鍵詞：電磁閥 FEMM軟件 結(jié)構(gòu)仿真 優(yōu)化設(shè)計(jì) 有限元分析

1 緒論

電磁閥在自動(dòng)控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。其工作原理是通過(guò)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)閥芯的移動(dòng)來(lái)控制流體的通斷。電磁閥的性能影響著流體系統(tǒng)的響應(yīng)速度、功率消耗及系統(tǒng)的可靠性。因此，優(yōu)化電磁閥的結(jié)構(gòu)以提高其工作性能，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)的電磁閥設(shè)計(jì)通常依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)或簡(jiǎn)單的計(jì)算方法，難以全面考慮各項(xiàng)因素對(duì)性能的影響。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元分析（FEA）逐漸成為電磁閥設(shè)計(jì)優(yōu)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(chǎng)分布和分析電磁閥的性能。

本文將基于FEMM軟件進(jìn)行電磁閥結(jié)構(gòu)的仿真與優(yōu)化，探討不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)電磁閥性能的影響，并通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)提升其工作效率。

2 電磁閥的工作原理與結(jié)構(gòu)

電磁閥的基本結(jié)構(gòu)通常包括線圈、鐵芯、閥體和閥芯等部分。其工作原理是通過(guò)電流流過(guò)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)作用于鐵芯，引起閥芯的位移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流體通斷的控制。

線圈的電流大小決定了產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁場(chǎng)的分布影響著閥芯的運(yùn)動(dòng)特性。閥芯的快速、精準(zhǔn)移動(dòng)對(duì)于提高電磁閥的響應(yīng)速度和流量控制精度具有重要作用。

3 FEMM軟件的應(yīng)用

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

在電磁閥設(shè)計(jì)中，F(xiàn)EMM主要用于以下幾個(gè)方面。

電磁場(chǎng)分布分析：通過(guò)FEMM軟件計(jì)算電磁閥內(nèi)部的磁場(chǎng)分布情況，評(píng)估磁場(chǎng)的均勻性和強(qiáng)度。

力學(xué)性能分析：模擬電磁閥線圈產(chǎn)生的磁力作用于閥芯的情況，計(jì)算閥芯的運(yùn)動(dòng)軌跡。

功率損耗分析：分析電磁閥工作時(shí)的功率損耗，評(píng)估其能源效率。

熱力學(xué)分析：評(píng)估電磁閥在不同工作條件下的溫升情況，避免因過(guò)熱而導(dǎo)致的性能下降或故障。

4 仿真模型與參數(shù)設(shè)置

本文采用FEMM軟件對(duì)電磁閥進(jìn)行仿真建模。首先在三維軟件（UG/CATIA）中對(duì)電磁閥3D數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去除閥體等不導(dǎo)磁的零組件，再分割出繞軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的1/4截面，將截面導(dǎo)出為.dxf格式模型文件，然后在FEMM軟件中導(dǎo)入模型，并賦予材料和參數(shù)。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(shù)設(shè)置。

模型參數(shù)：

線圈材料：銅；

鐵芯材料：1010碳素結(jié)構(gòu)鋼；

閥芯材料：1010碳素結(jié)構(gòu)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(guò)仿真，計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)對(duì)電磁閥性能的影響。

5 仿真結(jié)果與分析

5.1 磁場(chǎng)分布

通過(guò)FEMM仿真得到電磁閥內(nèi)部的磁場(chǎng)分布，圖5～圖7顯示了不同方案電磁閥通電時(shí)的磁場(chǎng)分布情況。（顏色條表示磁場(chǎng)強(qiáng)度，紅色為強(qiáng)磁場(chǎng)，藍(lán)色為弱磁場(chǎng)）。

從圖5～圖7中可以看出，方案V19閥芯附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度最好，說(shuō)明閥芯受到的電磁驅(qū)動(dòng)力最大，電磁閥性能最好。

5.2 力學(xué)性能分析

仿真結(jié)果表明，線圈產(chǎn)生的磁力作用于閥芯時(shí)，閥芯的最大位移為4mm。圖8顯示了不同方案結(jié)構(gòu)閥芯所受到的電磁力隨位移的關(guān)系。

5.3 分析結(jié)論

本文在同樣的通電參數(shù)條件下，設(shè)計(jì)了3組不同的電磁閥閥芯結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心是通過(guò)改進(jìn)鐵芯形狀，使得磁場(chǎng)分布更為均勻，提升閥芯的電磁力，從而提升電磁閥的響應(yīng)速度和密封力。

經(jīng)過(guò)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(gè)位移區(qū)間電磁力的提升更加線性。

基于V19設(shè)計(jì)，后續(xù)進(jìn)行電磁閥的樣件測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

本文通過(guò)FEMM軟件對(duì)電磁閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，并基于仿真結(jié)果對(duì)電磁閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)優(yōu)化，電磁閥的性能得到了顯著提升，具體表現(xiàn)為閥芯電磁力增大，隨位移的變化電磁力提升更為線性。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)不僅提高了電磁閥的電磁力，而且增大了電磁閥響應(yīng)速度。FEMM軟件作為一種高效的仿真工具，對(duì)于電磁閥的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]FEMM User Guide.Finite Element Method Magnetics[Z].2023.

[2]鄭志斌，曲寶軍，張廣世．汽車(chē)阻尼連續(xù)可調(diào)減振器先導(dǎo)閥參數(shù)對(duì)其性能的影響[J].液壓與氣動(dòng)，2024，48（8）：46-55.