Учёные раскрыли происхождение потерь энергии в электротехнической стали

Учёные выявили сложное взаимодействие факторов, способствующих и препятствующих потерям энергии, между микроскопическими магнитными доменами и макроскопическим магнитным гистерезисом, используя расширенную модель свободной энергии Гинзбурга-Ландау. Источник: Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-025-00357-z

Магнитные потери на гистерезис (железные потери) — важное магнитное свойство, определяющее эффективность электродвигателей и, следовательно, критически важное для электромобилей. Эти потери возникают, когда магнитное поле в сердечнике двигателя, изготовленном из мягких магнитных материалов, многократно меняет направление из-за переменного тока в обмотках. Это заставляет крошечные магнитные области, называемые магнитными доменами, постоянно менять направление намагниченности.

Однако этот процесс не является идеально эффективным и приводит к потерям энергии. Фактически, железные потери составляют около 30% от общих потерь энергии в двигателях, что приводит к выбросам углекислого газа и представляет серьёзную экологическую проблему.

Несмотря на более чем полувековые исследования, происхождение железных потерь в мягких магнитных материалах остаётся не до конца понятным. Энергия, затрачиваемая при перемагничивании этих материалов, зависит от сложных изменений в структуре магнитных доменов, которые до сих пор анализировались в основном визуально, а механизмы обсуждались лишь качественно.

Исследователи полагают, что изучение взаимосвязи между потерями энергии и микроструктурой магнитных доменов — перспективное направление. Однако большинство современных физических моделей для анализа перемагничивания предназначены для однородных систем, тогда как практические мягкие магнитные материалы, такие как неориентированная электротехническая сталь (NOES), являются неоднородными, что затрудняет их анализ.

Теперь группа учёных под руководством профессора Масато Котсуги из Токийского университета науки (Япония) разработала новый подход, использующий расширенную модель Гинзбурга-Ландау (ex-GL). Этот метод успешно связывает происхождение железных потерь со структурой магнитных доменов.

Исследование было опубликовано в журнале Scientific Reports.

«Модель свободной энергии Гинзбурга-Ландау была полезной для анализа перемагничивания в однородных системах. Последние достижения в науке о данных позволили создать ex-GL модель, которая может анализировать неоднородные системы. В этом исследовании мы объединили ex-GL с интерпретируемым машинным обучением для автоматического анализа сложного перемагничивания в NOES», — объясняет профессор Котсуги.

Команда сначала количественно оценила сложность магнитных доменов на микроструктурных изображениях NOES, используя устойчивую гомологию (PH) — математический инструмент для многоуровневого анализа топологических особенностей данных. Затем они применили метод главных компонент (PCA) для извлечения скрытых существенных признаков из сложных данных PH. Были выделены два ключевых параметра: PC1 (намагниченность) и PC2 (магнитные доменные стенки).

Учёные использовали метод главных компонент для извлечения ключевых признаков из концепции устойчивой гомологии. Источник: Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-025-00357-z

Используя эти признаки, команда построила расширенный энергетический ландшафт в рамках ex-GL модели, который отображал изменения структуры магнитных доменов в виде графа, где каждая точка соответствовала изображению магнитного домена. Затем исследователи провели комплексный корреляционный анализ между признаками и физическими параметрами, выявив физически значимые факторы, объясняющие потери энергии при перемагничивании.

Анализ показал наличие как способствующих, так и препятствующих факторов в процессе перемагничивания. Интересно, что оба типа факторов были обнаружены в одних и тех же местах, преимущественно у границ зёрен — областей раздела между кристаллами в материале. Это указывает на конкуренцию между этими факторами.

«Конкуренция между способствующими и препятствующими факторами автоматически определяет места закрепления магнитных доменных стенок — ключевого явления, ответственного за потери энергии в мягких магнитных материалах, — отмечает профессор Котсуги. — В местах с преобладанием препятствующих факторов сегментированные магнитные домены оказались основными источниками потерь энергии».

Значимость этого метода заключается в автоматизированном, точном и основанном на данных анализе как механизма, так и локализации потерь энергии.

«Наш подход позволил извлечь информацию, которую было бы трудно получить только визуальным анализом», — подчёркивает профессор Котсуги.

Это исследование открывает путь к достижению целей устойчивого развития ООН — доступной и чистой энергии, индустриализации, инновациям и инфраструктуре, а также борьбе с изменением климата. В целом, работа представляет инновационный подход на основе данных для выявления и устранения потерь энергии в мягких магнитных материалах, что приведёт к созданию более эффективных и экологичных электромобилей, приближая нас к устойчивому будущему.

Дополнительная информация: Automated identification of the origin of energy loss in nonoriented electrical steel by feature extended Ginzburg-Landau free energy framework, Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-025-00357-z

Источник: Tokyo University of Science