摘 要

本文借助有限元软件ANSYS对超磁致伸缩致动器进行了热力场分析，由于超磁致伸缩致动器工作时，因为必须要产生一个恒定磁场和偏置磁场，其内部必须有线圈和永磁铁用以达到这个效果，所以在这种交变磁场作用下，热量的产生是不可避免的，同时还存在着GMM棒伸缩变化所引起的摩擦生热，工作温度对GMM的伸缩率有很大影响，因此GMA产生热变形。在此基础上，利用热管的汽—液相变传递热量，来对超磁致伸缩致动器进行有效的工作冷却和温度控制，进行不同工作条件下温度场的有限元分析，并对几种不同情况下GMA温度梯度做出了比较，所得结果对于热管控温研究具有重要的指导意义。

论文主要研究了在超磁致伸缩执行器的设计中，采取GMA与热管结合的措施消除或抑制由于温升带来的不利影响，以保证GMA的精密输出。研究结果表明采用热管可对超磁致伸缩致动器进行有效的工作冷却和温度控制。

本文的特色在于将热管与超磁致伸缩致动器相结合，首次利用热管的物理特性来实现热量传递循环降热的功能，以提高GMA输出性能和效率。

关键词：GMA；热管；温控系统；ANSYS热分析

Abstract

In this paper, the finite element software ANSYS is used to analyze the thermal field of the giant magnetostrictive actuator. When the giant magnetostrictive actuator is working, it is necessary to produce a constant magnetic field and a bias magnetic field with coils and permanent magnets in its interior. Under the influence of this alternating magnetic field, the generation of heat is unavoidable. Meanwhile, there is a friction generates heat caused by the expansion and contraction of the GMM rod. The operating temperature has a great influence on the stretching rate of GMM expansion, so the GMA produces thermal deformation. On this basis, the effective cooling and temperature control of giant magnetostrictive actuator are carried out by using the phase transformation between steam and liquid of the heat pipe to transfer heat. The finite element analysis of temperature field under different working conditions is carried out, and the GMA temperature gradients in several different cases are also compared. The final results have important guiding significance for the research of heat pipe temperature control.

In the design of giant magnetostrictive actuator, the method of combining GMA with heat pipe is adopted to eliminate or restrain the adverse effect caused by temperature rise, and ensure the precise output of GMA. The results show that the heat pipe can effectively perform the cooling and temperature control of giant magnetostrictive actuator.

The main feature of this paper is the combination of heat pipe and giant magnetostrictive actuator. the physical characteristics of the heat pipe are used to achieve the function of heat transfer and cycle cooling for the first time, so as to improve the output performance and efficiency of GMA.

Key words：GMA；heat pipe；temperature control system；ANSYS thermal analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 超磁致伸缩材料 1

1.2.1 超磁致伸缩材料的工作原理 1

1.2.2 超磁致伸缩材料的性能优点 1

1.2.3 超磁致伸缩材料的应用及前景 2

1.3 超磁致伸缩致动器 4

1.3.1 超磁致伸缩致动器的工作原理 4

1.3.2 超磁致伸缩致动器的应用及前景 4

1.4 热管 6

1.4.1 热管的工作原理 6

1.4.2 热管的基本特性 7

1.4.3 热管技术的应用 8

1.5 研究内容及意义 9

1.5.1 研究内容 9

1.5.2 研究意义 9

第二章 GMA的热影响 10

2.1 GMA热变形 10

2.1.1 GMA产生热变形的原因 10

2.1.2 GMA热变形的影响 10

2.2 抑制GMA热变形的方法 11

2.2.1 被动补偿方法 11

2.2.2 主动抑制方法 11

第三章 本课题所采用的温控系统设计 12

3.1 热管结构设计 12

3.2 热管与GMA结构布置 13

第四章 ANSYS热分析 15

4.1 ANSYS在传热学中的应用 15

4.1.1 ANSYS简介 15

4.1.2 传热学理论基础 15

4.1.3 热传递的三种方式 15

4.1.4 ANSYS热分析 17

4.1.5 ANSYS热分析边界条件 19

4.2 热管ANSYS热分析 20

4.2.1 热管的不同材质分析 20

4.2.2 热管的不同形状分析 20

4.2.3 各类效果比对 22

4.3 GMA有限元热分析 23

4.3.1 GMA结构建模 23

4.3.2 边界条件及热载荷的确定 24

4.3.3 热分析结果 25

4.3.4 有无温控系统温度比较 26

第五章 环境影响及经济性分析 27

5.1 环境影响分析 27

5.2 经济性分析 27

第六章 总结与展望 28

致 谢 29

参考文献 30

附 录 32

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

超磁致伸缩材料（GMM）被发现以来，在很多领域都有所运用，它有着高位移分辨率，这个优越性能使超磁致伸缩材料在超精密加工领域得到了充分的发挥；由于磁场作用变化的情况下GMM的应变大、反应灵敏，因此在微电子技术领域中，GMM起到了极大的作用；而且相比于其他类似的智能材料，它的输出力大、能量密度高，发展前景十分可观。GMM材料的作用不仅仅只限于磁能向机械能的转换，同时，它也可以实现机械能向电磁能的转换，而且它的正逆磁致伸缩效应在它们各自的领域和系统都发挥着关键性作用。超磁致伸缩致动器（GMA）是目前针对微小位移、流体控制系统等器件研究开发的重点，但是因为GMM自身存在的磁致伸缩效应不是单纯随着磁力大小而线性变化的，其中，一定程度的温度或者应力变化等因素，都会使得它的磁致伸缩率在其原有基础上发生变化，从而导致输出的最终结果不尽如人意，这就需要我们在GMA的开发与设计中需要一定的创新思维，对其应用的环境条件有一定的挑战性。

1.2 超磁致伸缩材料

1.2.1 超磁致伸缩材料的工作原理

超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material 简称GMM）的发现，解决了很多领域所存在的问题，它的工作原理就在于，将其放在磁场中，控制磁场的大小和方向，GMM即可利用它自身的物理特性，在变化的磁场中改变它原有的长度和体积，这是因为它的晶格会在磁场方向相应的伸缩，产生变形，这种变形与磁场效应之间的线性关系称为磁致伸缩系数。超磁致伸缩材料与其他磁致伸缩材料的不同点就在于，它的性能更为优秀，在相同的条件下，它的优点更突出，磁致伸缩率更大，在磁场中的变化更为明显，有利于材料在各精密系统中的运用。GMM在磁场中的变化主要是线磁致伸缩，在这种情况下，它的总体积基本没有变化，只是在其原有基础上长度发生改变。超磁致伸缩材料相当于是一种能量转换介质，通过其自身特性，将电/磁能与机械能相互转化，由于能量守恒，散发的能量较少，利用率高，而且易驱动，在同类产品中表现更为突出。