Нейтронная визуализация намагничивания внутри работающего индуктора

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9184 (2023) Цитировать эту статью

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Магнитные компоненты являются ключевыми частями систем преобразования энергии, таких как электрические генераторы, двигатели, силовые электрические устройства и магнитные холодильники. Тороидальные индукторы с магнитными кольцевыми сердечниками можно найти внутри таких электрических устройств, которые используются ежедневно. Считается, что для таких индукторов вектор намагниченности M циркулирует с распределением или без него внутри магнитных сердечников, поскольку в конце девятнадцатого века использовалась электроэнергия. Тем не менее, примечательно, что распределение M никогда не проверялось напрямую. В настоящей работе мы измерили карту спектров пропускания поляризованных нейтронов для ферритового кольцевого сердечника, собранного на знакомом индукторном устройстве. Результаты показали, что М циркулирует внутри кольцевого сердечника с ферримагнитным спиновым порядком, когда на катушку подается питание. Другими словами, этот метод позволяет осуществлять многомасштабное операндо-изображение магнитных состояний, что позволяет нам оценивать новые архитектуры высокопроизводительных систем преобразования энергии с использованием магнитных компонентов со сложными магнитными состояниями.

Магнитные компоненты являются ключевыми частями систем преобразования энергии, таких как электрические генераторы, двигатели, силовые электрические устройства и магнитные холодильники. Таким образом, они стали опорой современного общества с конца девятнадцатого века1. Например, тороидальные индукторы с ферритовыми сердечниками и медными катушками (рис. 1а) встречаются в различных электрических устройствах в быту. Согласно закону цепи Ампера, окружное магнитное поле H создается внутри катушки индуктора, когда на индуктор подается электрический ток1. Контурный закон Ампера предсказывает, что амплитуда H во внутренней окружности в 1,5 раза больше, чем во внешней из-за разницы периметров (рис. 1б). Если намагниченность M индуцируется в направлении, параллельном H, и ее величина пропорциональна H, M также движется по окружности внутри ферритового сердечника с разницей в 1,5 раза между внутренней и внешней сторонами. Хотя такие простые предположения не всегда справедливы для реальных магнитных компонентов, используемых в системах преобразования энергии, распределение M внутри них никогда не проверялось напрямую. Из-за магнитного насыщения в однородном большом H часто ожидаются нелинейные магнитные отклики. Более того, размагничивающие поля, генерируемые в углах, или магнитная анизотропия наклоняют направление M из H в обычных магнитных компонентах. Другими словами, реальные магнитные компоненты не удовлетворяют известному соотношению с следующим магнитным потоком B = µ0(H + M) = µ0(1 + χ)H, где µ0 — вакуумная проницаемость, а χ — восприимчивость. Таким образом, распределение M не совпадает с распределением H или B. Однако на протяжении веков магнитные компоненты проектировались с использованием только информации из кривых намагничивания, усредненных в целом (рис. 1в), поскольку распределение M не может измеряться без разборки системы.

Тороидальный индуктор с кольцевым сердечником из марганцево-цинкового феррита. (а) Фотография до измерения. Согласно контурному закону Ампера, амплитуда H на внутренней и внешней периферии, Hin и Hout, рассчитывается в (b). (в) Средняя намагниченность показана как функция средних магнитных полей при 296 К. Квадратные символы на (в) обозначают точки измерения спектров пропускания нейтронов.

В настоящее время магнитооптическая микроскопия Керра или спин-поляризованная сканирующая электронная микроскопия используются для выяснения тонкого распределения M на голой поверхности объемных магнитных компонентов2, тогда как распределение H вне компонента может быть точно измерено с помощью феррозондовых датчиков или магнитных датчиков Холла. С другой стороны, средства неразрушающего наблюдения за распределениями внутри громоздких компонентов, собранных в системах преобразования энергии, еще не созданы. Например, значение H внутри магнитного сердечника было аппроксимировано к измеренному значению с помощью поисковой катушки, помещенной в отверстия, просверленные в сердечнике3. Следовательно, мы обычно делаем выводы о внутреннем распределении H и M, сравнивая поверхностную или внешнюю информацию с электромагнитным моделированием4,5. Эта косвенная оценка работала для текущих конструкций, в которых используются существующие простые магнитные компоненты. Однако будущие устойчивые общества потребуют более высокой эффективности преобразования энергии, обеспечиваемой очень сложными магнитными компонентами, где M или его первоначальная ориентация спина спроектированы так, чтобы быть непараллельными и непропорциональными H в многомасштабном масштабе. Например, микроскопически некоторые спины антипараллельны ориентации H (так называемые ферримагнитные) в постоянном магните (Nd1-xDyx)2Fe14B6, мягком магните (Mn1-xZnx)Fe2O47, магнитокалорическом материале ErCo28 и материале спинтроники GdFeCo9. , где антипараллельные спины играют важную роль в их магнитных характеристиках. Наклоненные спины в магнитомягкой фазе способствуют увеличению энергетического произведения в композитных магнитах с обменной пружиной на мезомасштабе10. Макроскопически используются магнитные материалы с функциональной классификацией11 и компоненты из нескольких материалов12, магнитные свойства которых варьируются от одного места к другому внутри одного компонента. Магнитные компоненты должны быть сложными в нескольких масштабах. Трудно оценить внутреннее распределение H и M (иначе B и M) в таких современных материалах, используя информацию, полученную с поверхности или извне. Отсутствие полезного метода оценки является препятствием для развития систем преобразования энергии.