Потери на магнитный гистерезис (потери в железе) — это важное магнитное свойство, которое определяет эффективность электродвигателей и, следовательно, имеет решающее значение для электромобилей. Они возникают, когда магнитное поле внутри сердечника двигателя, состоящего из мягких магнитных материалов, многократно меняет направление из-за изменения потока тока в обмотках. Это изменение заставляет крошечные магнитные области, называемые магнитными доменами, многократно менять направление своей намагниченности.
Однако это изменение происходит не совсем эффективно и приводит к потерям энергии. Фактически на потери в железе приходится около 30% от общих потерь энергии в двигателях, что приводит к выбросам углекислого газа, что представляет собой насущную экологическую проблему.
Несмотря на более чем полувековые исследования, происхождение потерь в железе в мягких магнитных материалах остаётся неясным. Энергия, затрачиваемая во время перемагничивания в этих материалах, зависит от сложных изменений в структурах магнитных доменов. Эти изменения в основном интерпретировались визуально, а основные механизмы обсуждались только качественно.
Исследователи считают, что изучение взаимосвязи между потерей энергии и микроструктурой магнитных доменов является многообещающим направлением. Однако большинство современных физических моделей для анализа перемагничивания предназначены для однородных систем, в то время как практические мягкие магнитные материалы, такие как неориентированная электротехническая сталь (NOES), являются гетерогенными, что затрудняет их анализ.
Теперь исследовательская группа под руководством профессора Масато Котсуги из Департамента наук о материалах и технологиях Токийского университета науки (TUS) в Японии вместе с г-ном Мичики Таниваки разработала новый подход, использующий расширенную модель Гинзбурга–Ландау (ex-GL). Этот метод успешно отслеживает происхождение потерь в железе до структуры магнитного домена.
Их исследование было опубликовано в журнале Scientific Reports.
Профессор Котсуги объясняет: «Энергия Гинзбурга–Ландау (GL) была полезной концепцией для анализа перемагничивания в однородной системе. Недавний прогресс в области науки о данных позволил создать модель ex-GL, которую можно использовать для анализа гетерогенных систем. В этом исследовании мы объединили структуру ex-GL с интерпретируемым машинным обучением для автоматизированного анализа сложного перемагничивания в NOES».
Методы исследования
Команда сначала количественно оценила сложность магнитных доменов на основе микроструктурных изображений NOES, используя устойчивую гомологию (PH) — математический инструмент для многомасштабного анализа топологических особенностей в данных. Затем они применили анализ главных компонент (PCA) — статистическую методику, чтобы извлечь существенные особенности, скрытые в сложных данных PH.
Выделились две особенности: PC1, представляющая намагниченность, и PC2, представляющая магнитные доменные стенки. Используя эти особенности, команда затем построила расширенный энергетический ландшафт с помощью структуры ex-GL, которая отображала изменения в структуре магнитного домена с энергией в виде графика, где каждая точка соответствовала изображению магнитного домена.
Команда выполнила всесторонний корреляционный анализ между особенностями и физическими параметрами, используя этот график, обнаружив физически значимые особенности, которые объясняют потери энергии во время перемагничивания.
Их анализ выявил наличие способствующих и сопротивляющихся факторов в процессе перемагничивания. Интересно, что оба фактора были обнаружены в одних и тех же местах, в основном вблизи границ зёрен, которые являются интерфейсами между различными кристаллами в кристаллическом материале. Это предполагает конкуренцию между этими факторами.
«Конкуренция между способствующими и сопротивляющимися факторами автоматически определяет местоположение закрепления магнитных доменных стенок — ключевого явления, ответственного за потери энергии в мягких магнитных материалах», — отмечает профессор Котсуги. «В местах, где присутствуют только сопротивляющиеся факторы, основным источником потерь энергии оказались сегментированные магнитные домены».
Значимость этого метода заключается в автоматизированных, точных, основанных на данных идеях как в отношении механизма, так и в отношении местоположения потерь энергии.
«Наш подход позволил нам извлечь информацию, которую в противном случае было бы трудно получить только с помощью визуального осмотра», — отмечает профессор Котсуги.
Это исследование прокладывает путь к реализации целей ООН в области устойчивого развития — доступной и чистой энергии, индустриализации, инноваций и инфраструктуры, а также борьбы с изменением климата.
В целом, это исследование представляет собой инновационный подход, основанный на данных, для определения происхождения и решения проблемы потерь энергии в мягких магнитных материалах, что приведёт к созданию более эффективных, экологичных электромобилей, прокладывая путь к устойчивому будущему.
Предоставлено: Токийский университет науки.