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, потери в железе составляют примерно 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 обращения намагничивания в этих материалах, зависит от сложных изменений в структурах магнитных доменов. Они 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 обращения намагничивания 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 Коцуги из Департамента наук о материалах и технологиях Токийского университета науки (TUS), Япония, вместе с г-ном Мичики Таниваки также из TUS, разработала новый подход, использующий расширенную систему 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 Коцуги объясняет: «Энергия Гинзбурга–Ландау (GL) была полезной концепцией для анализа обращения намагничивания в однородной системе. Недавний прогресс в области обработки данных позволил создать модель ex-GL, которую можно использовать для анализа гетерогенных систем. В этом исследовании мы объединили систему ex-GL с интерпретируемым машинным обучением для автоматизированного анализа сложного обращения намагничивания в NOES».
Команда сначала количественно определила сложность магнитных доменов на основе изображений микроструктуры NOES, используя устойчивую гомологию (PH) — математический инструмент для многомасштабного анализа топологических особенностей в данных. Затем они применили анализ главных компонент (PCA) — статистический метод, для извлечения основных характеристик, скрытых в сложных данных PH. Выявились две характеристики: PC1, представляющая намагниченность, и PC2, представляющая магнитные доменные стенки.
Используя эти характеристики, команда затем построила расширенный энергетический ландшафт с помощью системы ex-GL, которая отображала изменения в структуре магнитного домена с энергией в виде графика, где каждая точка соответствовала изображению магнитного домена. Затем команда выполнила всесторонний корреляционный анализ между характеристиками и физическими параметрами с помощью этого графика, обнаружив физически значимые характеристики, объясняющие потери энергии во время обращения намагничивания.
Их анализ выявил наличие способствующих и препятствующих факторов в процессе обращения намагничивания. Интересно, что оба фактора были обнаружены в одних и тех же местах, в основном вблизи границ зёрен, которые представляют собой интерфейсы между различными кристаллами в кристаллическом материале. Это говорит о конкуренции между этими факторами.
«Конкуренция между способствующими и препятствующими факторами автоматически определяет местоположение закрепления магнитных доменных стенок — ключевого явления, ответственного за потери энергии в мягких магнитных материалах», — отмечает профессор Коцуги. «В местах, где присутствуют только препятствующие факторы, основными источниками потерь энергии оказались сегментированные магнитные домены».
Значение этого метода заключается в автоматизированных, точных, основанных на данных идеях как о механизме, так и о местоположении потерь энергии.
«Наш подход позволил нам извлечь информацию, которую в противном случае было бы трудно получить только с помощью визуального осмотра», — отмечает профессор Коцуги.
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 устранения потерь энергии в мягких магнитных материалах, что приведёт к созданию более эффективных и экологичных электромобилей, прокладывая путь к устойчивому будущему.
Предоставлено Токийским университетом науки.