基于GMA冷却系统设计及仿真分析

　　一、概述

　　温度对磁致伸缩材料的磁致伸缩系数λ的影响十分明显。由文献[1]可知，当温度在40℃～50℃时，不同磁场强度下的GMM都具有较大的磁致伸缩系数且趋于稳定，称为最佳工作温度范围。磁致伸缩致动器中的激励磁场由线圈产生，工作时线圈具有一定的阻值，在通入电流后将产生热量，这会使磁致伸缩棒的温度升高，所以必须考虑致动器中磁致伸缩棒所处环境的温度控制问题。

　　当前最常用的冷却方式是强制水冷温控法，由于水的比热容较大，使得强制水冷方式与其他冷却方式相比具有冷却速度快，效率高、成本低等优点。对于长期工作和大功率的执行器来说，强制水冷方式能够很好地控制超磁致伸缩棒的温度，减少热变形。水冷装置是在超磁致伸缩棒和线圈骨架之间设计一个循环水道，使超磁致伸缩棒与线圈之间形成一个冷却水室，超磁致伸缩棒和线圈都与冷却水进行热交换，以保证超磁致伸缩棒的温度稳定地保持在一定的温度范围内，有效抑制热变形。

　　常见的流道方式见图1，方式a、b都是使用缠绕冷却铜管的方式，方式b由于内外层都有冷却铜管，冷却效果优于方式a，但制作复杂，这两种方式一般都只能由人工制作，不适合自动加工。且由于盘管较长，阻力大，水的压降较大。导致冷却效果很有限，难以满足本文的实验要求。

　　赵兵利用相变材料设计GMA的冷却系统，利用ANSYS仿真算得：无冷却循环时GMM温度为150℃，有冷却循环时GMM温度为43.5℃。但是其在有限元计算中采用的是PLANE55号热分析单元，并不能很好地描述热流耦合现象。

　　二、冷却系统设计

　　本实验采用强制油冷温控法。虽然绝缘油的比热容比水小，使其冷却效率不如强制水冷温控法，但是，由于绝缘油的不导电性质，可以使其直接与线圈接触，而不需要液体流动的循环水道，从而减少装置的机械构件，使其装配更加方便。

　　同时，关于冷却液的循环通道设计，本实验通过装置中的挡油环、线圈、外壳以及密封环的共同作用，组成一个闭合油路，如图2所示。直接利用冷却油层作为隔热层，通过油的循环流动及时疏散热源散发的热量。实验中，利用温度传感器来监测循环油路中的油温，用泵为系统中的冷却油提供循环动力，再通过风扇的旋转带动气流的运动加快油管的散热速度来达到降低油温的目的。

　　三、冷却系统的仿真运算

　　(一)边界条件处理

　　GMA实体模型为一回转体，忽略所有螺钉等局部微小结构，可认为该模型是轴对称的;此外，所受载荷也是轴对称的。以上符合建立轴对称有限元模型的条件，为了减小计算量，GMA有限元模型采取轴对称模型。