動作中のインダクタ内部の磁化を中性子イメージングで観察する

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9184 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

磁気コンポーネントは、発電機、モーター、電力機器、磁気冷凍機などのエネルギー変換システムの重要な部品です。 磁気リングコアを備えたトロイダルインダクタは、日常的に使用される電気機器の内部に使用されています。 このようなインダクタの場合、19 世紀後半に電力が使用されていたため、磁化ベクトル M は磁気コア内で分布を伴うまたは伴わずに循環すると考えられています。 それにもかかわらず、注目すべきことに、M の分布は直接検証されたことがありません。 ここでは、よく知られたインダクタ デバイス上に組み立てられたフェライト リング コアの偏光中性子透過スペクトルのマップを測定しました。 結果は、コイルに電力が供給されると、M がフェリ磁性スピン秩序でリングコア内を循環することを示しました。 言い換えれば、この方法により磁気状態のマルチスケール オペランド イメージングが可能になり、複雑な磁気状態を持つ磁気コンポーネントを使用した高性能エネルギー変換システムの新しいアーキテクチャを評価できるようになります。

磁気コンポーネントは、発電機、モーター、電力機器、磁気冷凍機などのエネルギー変換システムの重要な部品です。 したがって、それらは 19 世紀後半以来、現代社会の主流となってきました 1。 たとえば、フェライトコアと銅コイルを備えたトロイダルインダクタ（図1a）は、日常生活のさまざまな電気機器に使用されています。 アンペールの回路法則により、インダクタ1に電流が供給されると、インダクタコイルの内部に周方向磁界Hが発生します。 アンペールの回路法則によれば、周囲の長さの違いにより、内周の H の振幅は外周の振幅より 1.5 倍大きくなることが予測されます (図 1b)。 磁化MがHと平行な方向に誘起され、その大きさがHに比例すると、Mもフェライトコアの内部を周方向に周回し、内側と外側で大きさが1.5倍異なります。 このような単純な仮定は、エネルギー変換システムで使用される実際の磁気コンポーネントに常に有効であるとは限りませんが、その内部の M の分布が直接検証されたことはありません。 磁気飽和のため、均質な大きな H では非線形磁気応答が予想されることがよくあります。さらに、コーナーで発生する反磁界または磁気異方性により、一般的な磁気部品では M の方向が H から傾きます。 つまり、実際の磁気成分は、次の磁束 B = μ0(H + M) = μ0(1 + χ)H (μ0 は真空透磁率、χ は磁化率) とのよく知られた関係を満たしていません。 したがって、M の分布は H や B の分布と同じではありません。しかし、M の分布は同じではないため、何世紀にもわたって、全体として平均化された磁化曲線 (図 1c) からの情報のみを使用して磁気コンポーネントが設計されてきました。システムを分解しない限り測定できません。

マンガンと亜鉛フェライトリングコアを使用したトロイダルインダクター。 (a) 測定前の写真。 アンペールの回路法則に従い、内周と外周の振幅 Hin、Hout は (b) で計算されます。 (c) 平均磁化は、296 K での平均磁場の関数として示されています。(c) の四角形の記号は、中性子透過スペクトルを測定する点を示します。

現在、磁気光学カー顕微鏡法またはスピン偏極走査型電子顕微鏡法は、かさばる磁性コンポーネントの裸の表面上の M の微細な分布を解明するために使用されています2。一方、コンポーネントの外側の H 分布は、フラックスゲートまたはホール磁気センサーを使用して正確に測定できます。 一方で、エネルギー変換システムに組み込まれる大型の部品内部の分布を非破壊で観察する手段はまだ確立されていません。 たとえば、磁気コア内の H は、コアに開けられた穴の中に配置されたサーチ コイルを使用して測定値に近似されました 3。 したがって、通常、表面または外部の情報を電磁シミュレーションと比較することによって、H と M の内部分布を推測します 4,5。 この間接的な評価は、既存の単純な磁気コンポーネントを使用する現在の設計で機能しました。 しかし、将来の持続可能な社会には、高度に洗練された磁気コンポーネントによって可能になるエネルギー変換のより高い効率が必要です。M またはその元のスピンの向きは、マルチスケールで H に非平行かつ非比例するように設計されています。 例えば、(Nd1−xDyx)2Fe14B6の永久磁石、(Mn1−xZnx)Fe2O47の軟磁石、ErCo28の磁気熱量材料、GdFeCo9のスピントロニクス材料では、微視的には一部のスピンがH方向と反平行(いわゆるフェリ磁性)になっています。ここで、逆平行スピンは磁気性能において重要な役割を果たします。 軟磁性相の傾いたスピンは、メソスケールでの交換バネ複合磁石のエネルギー積の増加に寄与します10。 巨視的には、機能的に傾斜した磁性材料 11 とマルチマテリアルコンポーネント 12 が使用され、単一コンポーネントユニット内で磁気特性が場所によって異なるように設計されています。 磁気コンポーネントはマルチスケールで複雑でなければなりません。 このような先端材料におけるHとM（あるいはBとM）の内部分布を、表面や外部から得られる情報から評価することは困難です。 有用な評価手法の欠如が、エネルギー変換システムの進歩の障壁となっています。