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

This paper analyzes the thermal field of giant magnetostrictive actuator by finite element software ANSYS. because the giant magnetostrictive actuator must generate a constant magnetic field and a bias magnetic field, and there must be coils and permanent magnets in it to achieve this effect, under the action of this alternating magnetic field, heat generation is inevitable, at the same time, there is frictional heat generated by the expansion and contraction of GMM rods, and the working temperature has a great influence on the expansion and contraction rate of GMM, so GMA generates thermal deformation. On this basis, the vapor-liquid phase heat transfer of heat pipe is used to effectively cool and control the temperature of giant magnetostrictive actuator, and finite element analysis of temperature field under different working conditions is carried out, and GMA temperature gradient in several different situations is compared, which has important guiding significance for the research of heat pipe temperature control.

This paper mainly studies that in the design of giant magnetostrictive actuator, measures are taken to eliminate or suppress the adverse effects caused by temperature rise by combining GMA with heat pipe, so as to ensure the precise output of GMA. The research results show that using heat pipe can effectively cool and control the working temperature of giant magnetostrictive actuator.

The feature of this paper lies in the combination of heat pipe and giant magnetostrictive actuator, and the physical characteristics of heat pipe are used for the first time to realize the function of heat transfer circulation and heat reduction, so as to improve GMA output performance and efficiency.

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

目录

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派生的磁致伸缩效应 2

1.2.3超磁致伸缩材料的性能优点 2

1.2.3 超磁致伸缩材料的应用及前景 3

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

（2）在超精加工中的应用 5

（3）在直线电机中的应用 6

（4）在伺服阀中的应用 6

图1.2 超磁致伸缩伺服阀结构图 6

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

图1.4 热管空气预热器 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

表3.1 热管的相关参数 12

图3.1 热管结构设计 13

3.2 热管与GMA结构布置 13

表3.2 GMA的相关参数 13

第四章 ANSYS热分析 14

4.1 ANSYS在传热学中的应用 15

4.1.1 ANSYS简介 15

4.1.2 ANSYS热分析基本步骤： 15

4.1.3 热传递的三种方式 15

4.1.4 ANSYS热分析 16

4.1.5 ANSYS热分析边界条件 18

4.2 热管ANSYS热分析 19

4.2.1 热管的不同材质分析 19

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

参考文献 29

附 录 31

致 谢 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等领域得到了充分的发挥；在超精密加工、微电子技术以及生物工程等领域有着很大的应用前景。GMM材料具有双向可逆能量转换效应，其正磁致伸缩效应可应用于精密致动、流体控制（泵和阀）、声纳系统、主动减振降噪等系统，而其逆磁致伸缩效应可用于开发力、扭矩、磁场强度等传感器件^[3]。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，所以有很大的发展前景。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，受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，进而导致输出的最终结果不理想^[5]，所以我们在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^[10]。

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，它的工作原理是将其放在磁场中，控制磁场的大小和方向，GMM即可利用它自身的物理特性，在变化的磁场中使它改变原有的长度和体积，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一种能量转换介质，它通过自身的特性将电磁能和机械能相互转换。节能降耗，利用率高，易于驱驶，在同类产品中更为突出^[12][22]。

1.2.2派生的磁致伸缩效应

除了磁感应应力之外，还存在相反的效应，由此所施加的应力引起磁化变化。 逆磁致伸缩效应最早在1860年由维拉里发现。 Villari对机械张力对铁丝渗透性的影响进行了广泛的研究。 他发现，在低应用磁场水平下测量的磁导率随着张力增加而增加。 这种效应通常称为维拉里效应或逆磁致伸缩效应，并且对于所有的磁致伸缩材料都是共同的。 此外，维拉里发现，在大的拉伸载荷下，渗透性最终降低。 后一种效应被称为Villari逆转，并且由于在高磁场水平下磁致伸缩信号的变化而对铁而言是独特的^[33]。

Wiedemann效应是在1862年发现的，其中一根导线通过导线传输电流并使其受到平行于电流的轴向磁场的作用。 这种效应实质上是“焦耳磁致伸缩”的导数，其中通过导线的电流产生圆形磁场。 圆形和轴向磁场之间的相互作用引起螺旋磁场，导致导线扭曲。 这种被称为“Matteuci效应”的倒数是指当在磁化线上施加转矩时产生的电压。

1.2.3超磁致伸缩材料的性能优点

GMM在室温情况下机械能－电能之间转换率高、能量密度大、可靠性好、响应速度高、驱动方式简易，和其他智能材料相比有很不相同的特征，给超磁致伸缩材料的发展奠定了坚实的基础，使其在各行业领域的运用得到了充分的发挥^[32]。几种常用智能材料的性能参数，与其他智能材料相比较，GMM的优势极为可见如表1.1：

表1.1 常用智能材料的性能指标

在几种材料性能对比下，GMM有如下优点：

（1）GMM的杨氏模量和其他材料相比，GMM的杨氏模量比较小，换句话说材料的刚度比较小，在相同情况下越容易发生变形，产生的变形也越大，说明材料的柔性较好。

（2）超磁致伸缩材料的伸缩应变值很大（），是铁、镍等材料的6到50倍，是锆钛酸铅的6到8倍，拥有很大的磁致伸缩系数。

（3）GMM的能量密度在14000~25000之间，，是镍的466~835倍，是锆钛酸铅的12~29倍，相比于其他几种材料来说非常大，只需要较低的驱动电压或电流就可以得到很大的输出力。

（4）超磁致伸缩材料的居里温度比较高，相对比之下，比压电陶瓷要高很多，因此可适用于在较高的温度环境下工作。

（5）GMM的压缩强度是700MPa，其承载能力很大，适合强压环境。

（6）超磁致伸缩材料产生应变所需要的时间较短，磁场对GMM产生磁化效应使其产生应变两者发生的时间差可以忽略不计。

（7）GMM的机磁（电）耦合系数相对稍大一点，产生漏磁的可能性较小一点（注意漏磁现象）。

1.2.3 超磁致伸缩材料的应用及前景

在系统的介绍了超磁致伸缩材料的工作原理和优点后，我们可以预见，GMM是一种集各种特点于一身的智能材料，它将会在各个工作领域都运用到，如果合理开发与设计，将其延伸产品投放在工业中，这将对我国各领域的研究开发领衔新道路有巨大的帮助。就现阶段发展来看，研究人员逐渐将GMM与其他机构结合在一起，制造出了很多不同类型、功能的器件，其应用覆盖面也很广，在很多行业都已经有所应用。

其中，很多器件应用了超磁致伸缩材料的特殊的物理效应：

（1）磁致伸缩效应（Joule效应）

磁致伸缩效应就是说，当可被磁化的物体由于所在磁场的影响，其杨氏模量也较小，产生了一定量的变形，超磁致伸缩致动器正是根据这个效应来满足它所需要的功能的。

（2）磁致伸缩逆效应（Villari效应）

在上述磁致伸缩效应中，说的是因为外界磁场的变化来使自身长度有所变化，顾名思义，所谓逆磁致伸缩效应，恰恰相反，是给可被磁化的物体一个力的作用，强制性的让该物体产生应变，而正是这应变反过来使物体内部的磁性发生变化。磁致伸缩传感器就是利用这种逆效应来实现它的作用的。

（3）维德曼效应（Wiedeman效应）

在前两种物理效应中，只是利用超磁致伸缩材料的线磁致伸缩中的纵向磁致伸缩，而在维德曼效应中，利用了其晶格的扭曲变形，但是这种情况需要在一定条件下才能发生，不仅需要外加的磁场，更需要适当的电流流入磁性体，也就是说，除了恒定的磁场环境，还需要另设置一个大小、方向随时间有规律变化的磁场，使得磁性体内部同时产生横向伸缩效应，从而使得材料发生扭转，磁致伸缩扭转马达就是利用这种特性研制成功的。

（4）维德曼效应的逆效应（Matteucci效应）

在上述维德曼效应中，说的是因为外加的恒定的磁场和另一个大小、方向随时间有规律变化的磁场，使得磁性体内部同时产生横向伸缩效应，从而使得材料发生扭转外界磁场的变化来使自身长度有所变化，所谓维德曼效应的逆效应，恰恰相反，就是给物体强制加一个扭转力矩，使材料发生扭转，此时给材料外加一个恒定的磁场，就可以在物体外产生一个大小、方向随时间有规律变化的磁场，利用这个原理扭转传感器被设计出来并在机械领域里得到了充分的运用。

（5）△E效应

与其他效应不同，△E效应单纯是因为GMM在外界磁场环境的影响下，磁致伸缩材料的物理性能杨氏模量相应变大变小，这个性能可用于开发声延迟线^[29]。

（6）跳跃效应（Jump效应）

除了上述几种效应外，还有一种比较有意思的物理效应，即跳跃效应。这种效应之所以称为“跳跃”，是因为它的磁致伸缩整体呈一个跳跃变化的趋势，当然，产生这种物理效应是需要特殊的环境影响的，除了最基础的磁场强度外，还需要对材料施加适当的载荷，给予其一定的预应力^[28][31]。

1.3 超磁致伸缩致动器

1.3.1 超磁致伸缩致动器的工作原理

超磁致伸缩致动器（Giant Magnetostrictive Actuator），简称GMA是用超磁致伸缩材料制成的，除了GMM棒外，还需要线圈以及永磁铁来产生一个磁场环境，从而致使伸缩棒输出。GMA整体具有体积小、性能稳定、可靠性高、驱动力大、响应速度快等优点，在声纳系统、步进马达、伺服阀、超精加工、微机电系统（MEMS）组装、微小机械零件装配、振动控制等领域具有广泛的应用前景^[1]。

1.3.2 超磁致伸缩致动器的应用及前景

GMM作为一种具有各方面优越性能的新型智能功能材料，具有很多别的功能材料所不拥有的优点，它的磁致伸缩量大、ΔE效应小、涡流损耗小、磁晶各向异性系数小，这些优异的物理性能是的它在各方面各领域都有所运用，成为现如今炙手可热的智能材料，引发了很多机构或者团队去研究超磁致伸缩材料，使其在现代化工艺设备中的应用更加广泛。随着时代、科技的进步，人们对GMM的制备工艺不断完善，改进它各方面的性能，研发各种尺寸、形状的材料，充分挖掘超磁致伸缩致动器的功用。GMM材料具有双向可逆能量转换效应，其正磁致伸缩效应可应用于精密致动、流体控制（泵和阀）、声纳系统、主动减振降噪等系统，而其逆磁致伸缩效应则可用于开发力、扭矩、磁场强度等传感器件。利用GMM的磁致伸缩效应、维德曼效应、ΔE效应、跳跃效应等物理特性效应开阔其应用领域，使这些延伸产物在军工业、民用工业等领域发挥其应有的作用，促进我国机械行业的发展^[4][25][26]。

国外对于超磁致伸缩材料的研究，因为他们对其开发利用的较早，发达国家尽早的利用了本国国情和资源，开发出了一系列附属产品，并将其运用到他们所希望可以利用的领域，其中最多的就是致动器和传感器的开发。虽然现如今我国对于超磁致伸缩材料的研究还不是特别深入，但是我国不管是在物质资源还是人才资源上都处于优势地位，我相信随着材料制备技术的完善和价格的降低，我国对于GMM的研发会更加成熟，其应用范围会不断扩大，这是我国国内目前的发展状况^[16]。可以说，对于GMM的研究更深入，我国机械行业自动化、智能化的实现会更快提上日程^[2]。在所有的产品中，被运用的最广泛的便是超磁致伸缩致动器，它主要在以下领域中发挥着重要作用。

（1）在声纳中的应用

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