日本东京理科大学发明新型巴克豪森噪声测量系统 开启高效电力电子技术的关键

盖世汽车讯 软磁材料易于磁化和消磁，使其成为发电机、变压器和放大器等电力设备的关键部件。随着电力电子技术向高频运行方向发展，对低损耗软磁材料的需求日益增长。

这些材料的效率从根本上受到铁损的限制。当变化的磁场穿过这些材料时，能量会以热量的形式损失，这在变压器和发电机中很常见。铁损主要包括磁滞损耗、经典涡流损耗和过剩涡流损耗。其中，过剩涡流损耗在高频下变得越来越重要，但其机制尚不清楚。

图片来源： 东京理科大学

当变化的磁场穿过导体时，会产生涡流，类似于水中的漩涡。这些涡流会以热量的形式浪费能量，这被称为经典的涡流损耗。然而，过量的涡流损耗是由于磁畴壁（DW）在变化的磁场下不规则运动引起的局部涡流引起的。磁畴壁是分隔微小磁畴的边界，将均匀磁化的区域分隔开来。

磁巴克豪森噪声（Magnetic Barkhausen noise，MBN）是探测DW动态特性的关键。然而，目前的MBN测量系统缺乏捕捉单个MBN事件所需的宽频率覆盖范围和高灵敏度，因此难以理解DW动态特性与涡流损耗之间的关系。

据外媒报道，为了弥补这一空白，由日本东京理科大学（Tokyo University of Science，TUS）材料科学与技术系助理教授Takahiro Yamazaki领导的研究团队开发了一套宽带高灵敏度的磁致密氮化硼（MBN）测量系统。他们利用该系统研究了25微米厚的Fe-Si-B-P-Cu（NANOMET）金属带（一种软磁合金）中的磁致密氮化硼（DW）动力学。

Yamazaki博士解释说：“基于我们先前的研究，最基本的理解是‘测量以前无法测量的东西’。借助这套宽带高灵敏度的MBN测量系统，我们成功地实现了单个MBN脉冲的高保真单次捕获，为金属带中磁致密氮化硼（DW）弛豫提供了直接的实验证据。”

该团队还包括来自日本产业技术综合研究所（Advanced Industrial Science and Technology，AIST）的高级研究员Shingo Tamaru和来自清华大学的Masato Kotsugu教授。

开发的MBN测量系统集成了具有全电磁屏蔽的双层线圈夹具、线路和定制的低噪声放大器。该系统旨在最大限度地降低噪声，同时保持宽带宽，能够以最高的保真度捕获单个MBN脉冲。该系统使团队能够有效地可视化松弛行为并精确评估DW，重点关注与能量耗散相关的微观结构特征。

该团队进一步利用其系统分析了经过热处理的纳米晶NANOMET纳米带，发现MBN脉冲的振幅显著下降，表明DW运动的不规则性显著降低。这表明，通过微结构控制可以平滑DW运动，从而减少能量损失。通过与工业界合作，NANOMET可以转化为可再生能源系统的超高效组件。

“我们的方法在下一代低损耗软磁材料的设计中具有广泛的应用潜力，尤其是在高频变压器和电动汽车电机中，这将为更小、更轻、更高效的设备铺平道路，” Yamazaki博士总结道。从这项研究中获得的见解有助于设计具有更高驱动性能和更低功耗的设备。