[科普中国]-端部磁场

端部磁场指能够产生磁力的空间存在着磁场。磁场是一种特殊的物质。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。

端部效应

端部效应是指试样受压时，两端部受其与试验机承压极间摩擦力的束缚、不能自由侧向膨胀而产生的对强度试验值的影响。

简介

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发生条件

1.在单轴压缩条件下；

2.上下垫板刚度大于试件刚度；

3.试件端面与垫板间存在摩擦，泊松效应受到约束，两端形成锥形压缩区，区内岩石处于三轴受压状态。

消除方法

1.润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）；

2.加长试件。

端部效应示例分析

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永磁直线同步电机

针对高精度数控机床用的交流永磁直线同步电机( PM LSM )伺服系统，分析了PMLSM的端部效应对直线伺服系统跟踪性能的影响，并在此基础上引 入学习前馈控制( LFFC) 补偿技术。学习前馈控制是一种反馈误差学习的控制形式，其包含反馈控制器和采用函数逼近器的前馈控制器两部分。在系统和扰动定性知识的基础上，设计了基于B样条网络的学习前馈补偿控制。仿真结果表明，该方案有效地克服了永磁直线同步电机特有的端部效应所产生的推力波动对系统的影响，实时补偿端部效应引起的非线性时变扰动，提高了系统的伺服精度。[1]

永磁直线同步电机端部效应

永磁直线同步电机是在定子( 即次级) 上安装有永磁体( 永磁材料为NdFeB钕铁硼) 而动子( 即初级) 上安装了含铁芯的电枢绕组。

永磁直线同步电机由于结构上的特点，又产生了其固有的特性，其中端部效应是它不同于普通旋转电机的主要方面。端部效应可分为横向端部效应和纵向端部效应两种。[1]

横向端部效应是由于边缘磁通端部、连接磁通和次级纵向电流分量相互作用产生的。其主要影响是：

（1）使等值的次级电阻率增加；

（2）产生侧向不稳定的偏心力作用在次级上。

纵向端部效应是由有限长初级绕组和初级铁心引起的特殊现象。 它又可细分为静态端部效应和动态端部效应。 静态端部效应是由于不可避免的三相阻抗不对称引起的。在现代伺服控制系统中，可采用电流强迫跟踪控制方式来保证三相电流对称。动态端部效应是由于有限长初级和无限长次级之间有相对运动而产生的。 动态端部效应会使静态端部效应加强。 这是因为动态端部效应使气隙磁密的分布发生畸变， 从而引起磁链的更加不对称。 纵向端部效应也会引起电机的附加耗，降低电机的效率和输出推力。由于纵向端部效应的影响，使直线电机的磁场不是纯粹前行的行波磁场，而是具有前进、后退、脉动三个分量，这种影响也会导致电机工作特性的恶化。[1]

学习前馈控制器的设计

采用学习前馈控制方法来补偿永磁同步直线电机的端部效应对直线伺服系统的影响。LFFC的设计包括反馈控 制器和BSN网络结构两部分。[1]

1、 反馈控制器的设计：

由于直线伺服系统的跟踪性能由前馈控制器来保证的， 因此反馈控制器只需要保证系统对扰动和参数变化的鲁棒性。 采用IP反馈控制器。 IP控制器的参数是依据被控直线电机的标称模型来进行设计的。

2、 BSN 的设计：

由于B样条网络( BSN) 具有非局部极小化、能够局部学习和精度可调等优点，所以，采用BSN来实现前馈部分的函数逼近。

网络结构确定后，就可以进行B样条分布的选择了。B样条的宽度决定了BSN的逼近精度。B样条的宽度越小，BSN越能精确逼近高频信号。但是，B样条的宽度过小会导致系统的不稳定。相反如果宽度较大，虽能满足系统稳定的条件但逼近就会变得粗糙。保持系统稳定的B样条的最小宽度是由系统闭环传递函数的波特图来决定的。[1]

纵向端部效应补偿示例

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由于永磁直线同步电机端部磁场分布复杂，因此没有简单、准确分析纵向端部效应的方法，所以很难评价减小端部效应各种措施的优劣。采用一种新的非线性磁路模型的方法，通过比较旋转电机和直线电机磁场分布的不同，得出了纵向端部效应本质上是磁场边界使电机内部的磁场分布规律发生畸变。进一步提出“直线电机与旋转电机磁场相似化”方法，获得了简单易行的减小纵向端部效应的措施，并将该措施用于减小整数槽电机、分数槽电机的定位力。分别通过有限元仿真和实验验证了该措施可以将定位力减小80%以上。[2]

磁场相似化方法

比较直线电机图和旋转电机磁场分布，发现旋转电机的每个磁极与相邻2 个磁极形成的回路磁通大小相等，而直线电机的每一磁极都存在磁通分布不均匀的情况。因此，可以认为纵向端部效应外在表现为每个回路磁通分布不均。只要采用某种方法使直线电机初级中的磁场分布类似旋转电机，就可以减小纵向端部效应。

为了使磁场分布相同，PMLSM 第1个磁路的等效空气间隙与旋转电机的空气间隙相同。又因为，旋转电机的齿槽同PMLSM的相同，如果要减小直线电机的纵向端部效应，等价为将第1个磁路等效空气间隙与中间磁路空气间隙相同。将这种使直线电机内部磁路均匀分布，从而减小纵向端部效应的方法称之为磁场相似化方法。[2]

磁场相似化方法的验证

对于永磁直线同步电机来说，减小纵向端部效应引起的推力波动是提高电机性能的主要方面。磁场相似化方法通过改善磁路分布，减小了纵向端部效应，也就使推力波动大大减小了。为了证明理论的正确性，采用模型计算永磁同步直线电机的定位力。由于分数槽电机模型，大大减小了齿槽效应，可以认为推力波动主要来自纵向端部效应。

磁场相似化方法和有限元方法所得出的规律是相同的，定位力的大小随着边齿磁阻的变化，存在最优值。因此，可以采用磁场相似化理论对定位力进行优化。同时采用2种减小纵向端部效应的措施得到的边齿优化尺寸。[2]

定位力的实验测试

实际中的 PMLSM 在设计时，采用分数槽绕组和永磁体斜槽，一般来讲，可大大削弱齿槽效应。因此，可以将测试所得的定位力认为主要来自于纵向端部效应。可以看出，有限元计算得出的定位力幅值与实测基本符合。因此，证明了磁场相似化方法可以有效减小纵向端部效应1。[2]

端部磁场

（简易定义：能够产生磁力的空间存在着磁场。磁场是一种特殊的物质。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。）
　　电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或变化电场产生的。
　　磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力，磁场对电流、对磁体的作用力或力矩皆源于此。而现代理论则说明，磁力是电场力的相对论效应。
　　与电场相仿，磁场是在一定空间区域内连续分布的矢量场，描述磁场的基本物理量是磁感应强度矢量B，也可以用磁感线形象地图示。然而，作为一个矢量场，磁场的性质与电场颇为不同。运动电荷或变化电场产生的磁场，或两者之和的总磁场，都是无源有旋的矢量场，磁力线是闭合的曲线族，不中断，不交叉。换言之，在磁场中不存在发出磁力线的源头，也不存在会聚磁力线的尾闾，磁力线闭合表明沿磁力线的环路积分不为零，即磁场是有旋场而不是势场（保守场），不存在类似于电势那样的标量函数。
　　磁感应强度：与磁力线方向垂直的单位面积上所通过的磁力线数目，又叫磁力线的密度，也叫磁通密度，用B表示，单位为特（斯拉）T。
　　磁通量：磁通量是通过某一截面积的磁力线总数，用Φ表示，单位为韦伯（Weber），符号是Wb。通过一线圈的磁通的表达式为：Φ=B·S（其中B为磁感应强度，S为该线圈的面积。）1Wb=1T·m2
　　磁场方向：规定小磁针的北极在磁场中某点所受磁场力的方向为该电磁场的方向。
　　磁感线：在磁场中画一些曲线，使曲线上任何一点的切线方向都跟这一点的磁场方向相同，这些曲线叫磁力线。磁力线是闭合曲线。规定小磁针的北极所指的方向为磁力线的方向。磁铁周围的磁力线都是从N极出来进入S极，在磁体内部磁力线从S极到N极。
　　电磁场是电磁作用的媒递物，是统一的整体，电场和磁场是它紧密联系、相互依存的两个侧面，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，变化的电磁场以波动形式在空间传播。电磁波以有限的速度传播，具有可交换的能量和动量，电磁波与实物的相互作用，电磁波与粒子的相互转化等等，都证明电磁场是客观存在的物质，它的“特殊”只在于没有静质量。
　　磁现象是最早被人类认识的物理现象之一，指南针是中国古代一大发明。磁场是广泛存在的，地球，恒星(如太阳)，星系（如银河系），行星、卫星，以及星际空间和星系际空间，都存在着磁场。为了认识和解释其中的许多物理现象和过程，必须考虑磁场这一重要因素。在现代科学技术和人类生活中，处处可遇到磁场，发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等无不与磁现象有关。甚至在人体内，伴随着生命活动，一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。地球的磁级与地理的两极相反.
　　安培力：（左手定则）F=BIL·Sinθ
　　罗伦兹力：（左手定则）【微观上】F=qvBSinθ

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学