基本介紹
- 中文名：端部磁場
- 外文名：end magnetic field
端部效應,簡介,發生條件,消除方法,端部效應示例分析,永磁直線同步電機,永磁直線同步電機端部效應,學習前饋控制器的設計,縱向端部效應補償示例,磁場相似化方法,磁場相似化方法的驗證,定位力的實驗測試,端部磁場,
端部效應
簡介
發生條件
1.在單軸壓縮條件下；
2.上下墊板剛度大於試件剛度；
3.試件端面與墊板間存在摩擦，泊松效應受到約束，兩端形成錐形壓縮區，區內岩石處於三軸受壓狀態。
消除方法
1.潤滑試件端部（如墊雲母片；塗黃油在端部）；
2.加長試件。
端部效應示例分析
永磁直線同步電機
針對高精度數控工具機用的交流永磁直線同步電機( PM LSM )伺服系統，分析了PMLSM的端部效應對直線伺服系統跟蹤性能的影響，並在此基礎上引 入學習前饋控制( LFFC) 補償技術。學習前饋控制是一種反饋誤差學習的控制形式，其包含反饋控制器和採用函式逼近器的前饋控制器兩部分。在系統和擾動定性知識的基礎上，設計了基於B樣條網路的學習前饋補償控制。仿真結果表明，該方案有效地克服了永磁直線同步電機特有的端部效應所產生的推力波動對系統的影響，實時補償端部效應引起的非線性時變擾動，提高了系統的伺服精度。[1]
永磁直線同步電機端部效應
永磁直線同步電機是在定子( 即次級) 上安裝有永磁體( 永磁材料為NdFeB釹鐵硼) 而動子( 即初級) 上安裝了含鐵芯的電樞繞組。
永磁直線同步電機由於結構上的特點，又產生了其固有的特性，其中端部效應是它不同於普通旋轉電機的主要方面。端部效應可分為橫向端部效應和縱向端部效應兩種。[1]
橫向端部效應是由於邊緣磁通端部、連線磁通和次級縱向電流分量相互作用產生的。其主要影響是：
（1）使等值的次級電阻率增加；
（2）產生側向不穩定的偏心力作用在次級上。
縱向端部效應是由有限長初級繞組和初級鐵心引起的特殊現象。 它又可細分為靜態端部效應和動態端部效應。 靜態端部效應是由於不可避免的三相阻抗不對稱引起的。在現代伺服控制系統中，可採用電流強迫跟蹤控制方式來保證三相電流對稱。動態端部效應是由於有限長初級和無限長次級之間有相對運動而產生的。 動態端部效應會使靜態端部效應加強。 這是因為動態端部效應使氣隙磁密的分布發生畸變， 從而引起磁鏈的更加不對稱。 縱向端部效應也會引起電機的附加耗，降低電機的效率和輸出推力。由於縱向端部效應的影響，使直線電機的磁場不是純粹前行的行波磁場，而是具有前進、後退、脈動三個分量，這種影響也會導致電機工作特性的惡化。[1]
學習前饋控制器的設計
採用學習前饋控制方法來補償永磁同步直線電機的端部效應對直線伺服系統的影響。LFFC的設計包括反饋控 制器和BSN網路結構兩部分。[1]
1、 反饋控制器的設計：
由於直線伺服系統的跟蹤性能由前饋控制器來保證的， 因此反饋控制器只需要保證系統對擾動和參數變化的魯棒性。 採用IP反饋控制器。 IP控制器的參數是依據被控直線電機的標稱模型來進行設計的。
2、 BSN 的設計：
由於B樣條網路( BSN) 具有非局部極小化、能夠局部學習和精度可調等優點，所以，採用BSN來實現前饋部分的函式逼近。
網路結構確定後，就可以進行B樣條分布的選擇了。B樣條的寬度決定了BSN的逼近精度。B樣條的寬度越小，BSN越能精確逼近高頻信號。但是，B樣條的寬度過小會導致系統的不穩定。相反如果寬度較大，雖能滿足系統穩定的條件但逼近就會變得粗糙。保持系統穩定的B樣條的最小寬度是由系統閉環傳遞函式的波特圖來決定的。[1]
縱向端部效應補償示例
由於永磁直線同步電機端部磁場分布複雜，因此沒有簡單、準確分析縱向端部效應的方法，所以很難評價減小端部效應各種措施的優劣。採用一種新的非線性磁路模型的方法，通過比較旋轉電機和直線電機磁場分布的不同，得出了縱向端部效應本質上是磁場邊界使電機內部的磁場分布規律發生畸變。進一步提出“直線電機與旋轉電機磁場相似化”方法，獲得了簡單易行的減小縱向端部效應的措施，並將該措施用於減小整數槽電機、分數槽電機的定位力。分別通過有限元仿真和實驗驗證了該措施可以將定位力減小80%以上。[2]
磁場相似化方法
比較直線電機圖和旋轉電機磁場分布，發現旋轉電機的每個磁極與相鄰2 個磁極形成的迴路磁通大小相等，而直線電機的每一磁極都存在磁通分布不均勻的情況。因此，可以認為縱向端部效應外在表現為每個迴路磁通分布不均。只要採用某種方法使直線電機初級中的磁場分布類似旋轉電機，就可以減小縱向端部效應。
為了使磁場分布相同，PMLSM 第1個磁路的等效空氣間隙與旋轉電機的空氣間隙相同。又因為，旋轉電機的齒槽同PMLSM的相同，如果要減小直線電機的縱向端部效應，等價為將第1個磁路等效空氣間隙與中間磁路空氣間隙相同。將這種使直線電機內部磁路均勻分布，從而減小縱向端部效應的方法稱之為磁場相似化方法。[2]
磁場相似化方法的驗證
對於永磁直線同步電機來說，減小縱向端部效應引起的推力波動是提高電機性能的主要方面。磁場相似化方法通過改善磁路分布，減小了縱向端部效應，也就使推力波動大大減小了。為了證明理論的正確性，採用模型計算永磁同步直線電機的定位力。由於分數槽電機模型，大大減小了齒槽效應，可以認為推力波動主要來自縱向端部效應。
磁場相似化方法和有限元方法所得出的規律是相同的，定位力的大小隨著邊齒磁阻的變化，存在最優值。因此，可以採用磁場相似化理論對定位力進行最佳化。同時採用2種減小縱向端部效應的措施得到的邊齒最佳化尺寸。[2]
定位力的實驗測試
實際中的 PMLSM 在設計時，採用分數槽繞組和永磁體斜槽，一般來講，可大大削弱齒槽效應。因此，可以將測試所得的定位力認為主要來自於縱向端部效應。可以看出，有限元計算得出的定位力幅值與實測基本符合。因此，證明了磁場相似化方法可以有效減小縱向端部效應。[2]
端部磁場
（簡易定義：能夠產生磁力的空間存在著磁場。磁場是一種特殊的物質。磁體周圍存在磁場，磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的。）
電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形態的物質。由於磁體的磁性來源於電流，電流是電荷的運動，因而概括地說，磁場是由運動電荷或變化電場產生的。
磁場的基本特徵是能對其中的運動電荷施加作用力，磁場對電流、對磁體的作用力或力矩皆源於此。而現代理論則說明，磁力是電場力的相對論效應。
與電場相仿，磁場是在一定空間區域內連續分布的矢量場，描述磁場的基本物理量是磁感應強度矢量B，也可以用磁感線形象地圖示。然而，作為一個矢量場，磁場的性質與電場頗為不同。運動電荷或變化電場產生的磁場，或兩者之和的總磁場，都是無源有旋的矢量場，磁力線是閉合的曲線族，不中斷，不交叉。換言之，在磁場中不存在發出磁力線的源頭，也不存在會聚磁力線的尾閭，磁力線閉合表明沿磁力線的環路積分不為零，即磁場是有旋場而不是勢場（保守場），不存在類似於電勢那樣的標量函式。
磁感應強度：與磁力線方向垂直的單位面積上所通過的磁力線數目，又叫磁力線的密度，也叫磁通密度，用B表示，單位為特（斯拉）T。
磁通量：磁通量是通過某一截面積的磁力線總數，用Φ表示，單位為韋伯（Weber），符號是Wb。通過一線圈的磁通的表達式為：Φ=B·S（其中B為磁感應強度，S為該線圈的面積。）1Wb=1T·m2
磁場方向：規定小磁針的北極在磁場中某點所受磁場力的方向為該電磁場的方向。
磁感線：在磁場中畫一些曲線，使曲線上任何一點的切線方向都跟這一點的磁場方向相同，這些曲線叫磁力線。磁力線是閉合曲線。規定小磁針的北極所指的方向為磁力線的方向。磁鐵周圍的磁力線都是從N極出來進入S極，在磁體內部磁力線從S極到N極。
電磁場是電磁作用的媒遞物，是統一的整體，電場和磁場是它緊密聯繫、相互依存的兩個側面，變化的電場產生磁場，變化的磁場產生電場，變化的電磁場以波動形式在空間傳播。電磁波以有限的速度傳播，具有可交換的能量和動量，電磁波與實物的相互作用，電磁波與粒子的相互轉化等等，都證明電磁場是客觀存在的物質，它的“特殊”只在於沒有靜質量。
磁現象是最早被人類認識的物理現象之一，指南針是中國古代一大發明。磁場是廣泛存在的，地球，恆星(如太陽)，星系（如銀河系），行星、衛星，以及星際空間和星系際空間，都存在著磁場。為了認識和解釋其中的許多物理現象和過程，必須考慮磁場這一重要因素。在現代科學技術和人類生活中，處處可遇到磁場，發電機、電動機、變壓器、電報、電話、收音機以至加速器、熱核聚變裝置、電磁測量儀表等無不與磁現象有關。甚至在人體內，伴隨著生命活動，一些組織和器官內也會產生微弱的磁場。地球的磁級與地理的兩極相反.
安培力：（左手定則）F=BIL·Sinθ
羅倫茲力：（左手定則）【微觀上】F=qvBSinθ
電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形態的物質。由於磁體的磁性來源於電流，電流是電荷的運動，因而概括地說，磁場是由運動電荷或變化電場產生的。
磁場的基本特徵是能對其中的運動電荷施加作用力，磁場對電流、對磁體的作用力或力矩皆源於此。而現代理論則說明，磁力是電場力的相對論效應。
與電場相仿，磁場是在一定空間區域內連續分布的矢量場，描述磁場的基本物理量是磁感應強度矢量B，也可以用磁感線形象地圖示。然而，作為一個矢量場，磁場的性質與電場頗為不同。運動電荷或變化電場產生的磁場，或兩者之和的總磁場，都是無源有旋的矢量場，磁力線是閉合的曲線族，不中斷，不交叉。換言之，在磁場中不存在發出磁力線的源頭，也不存在會聚磁力線的尾閭，磁力線閉合表明沿磁力線的環路積分不為零，即磁場是有旋場而不是勢場（保守場），不存在類似於電勢那樣的標量函式。
磁感應強度：與磁力線方向垂直的單位面積上所通過的磁力線數目，又叫磁力線的密度，也叫磁通密度，用B表示，單位為特（斯拉）T。
磁通量：磁通量是通過某一截面積的磁力線總數，用Φ表示，單位為韋伯（Weber），符號是Wb。通過一線圈的磁通的表達式為：Φ=B·S（其中B為磁感應強度，S為該線圈的面積。）1Wb=1T·m2
磁場方向：規定小磁針的北極在磁場中某點所受磁場力的方向為該電磁場的方向。
磁感線：在磁場中畫一些曲線，使曲線上任何一點的切線方向都跟這一點的磁場方向相同，這些曲線叫磁力線。磁力線是閉合曲線。規定小磁針的北極所指的方向為磁力線的方向。磁鐵周圍的磁力線都是從N極出來進入S極，在磁體內部磁力線從S極到N極。
電磁場是電磁作用的媒遞物，是統一的整體，電場和磁場是它緊密聯繫、相互依存的兩個側面，變化的電場產生磁場，變化的磁場產生電場，變化的電磁場以波動形式在空間傳播。電磁波以有限的速度傳播，具有可交換的能量和動量，電磁波與實物的相互作用，電磁波與粒子的相互轉化等等，都證明電磁場是客觀存在的物質，它的“特殊”只在於沒有靜質量。
磁現象是最早被人類認識的物理現象之一，指南針是中國古代一大發明。磁場是廣泛存在的，地球，恆星(如太陽)，星系（如銀河系），行星、衛星，以及星際空間和星系際空間，都存在著磁場。為了認識和解釋其中的許多物理現象和過程，必須考慮磁場這一重要因素。在現代科學技術和人類生活中，處處可遇到磁場，發電機、電動機、變壓器、電報、電話、收音機以至加速器、熱核聚變裝置、電磁測量儀表等無不與磁現象有關。甚至在人體內，伴隨著生命活動，一些組織和器官內也會產生微弱的磁場。地球的磁級與地理的兩極相反.
安培力：（左手定則）F=BIL·Sinθ
羅倫茲力：（左手定則）【微觀上】F=qvBSinθ
