La pérdida por histéresis magnética, conocida también como pérdida de hierro, es una propiedad magnética crucial que determina la eficiencia de los motores eléctricos, desempeñando un papel fundamental en el desarrollo de vehículos eléctricos. Esta pérdida se produce cuando el campo magnético dentro del núcleo del motor, compuesto por materiales magnéticos suaves, se invierte repetidamente debido al cambio en el flujo de corriente en los devanados. Este proceso obliga a las diminutas regiones magnéticas, llamadas dominios magnéticos, a cambiar repetidamente su dirección de magnetización.
No obstante, esta reversión no es completamente eficiente, lo que resulta en una pérdida de energía significativa. De hecho, las pérdidas de hierro representan aproximadamente el 30% de la pérdida total de energía en los motores, lo que contribuye a la emisión de dióxido de carbono, un asunto que plantea serias preocupaciones medioambientales.
A pesar de más de medio siglo de investigación, el origen de la pérdida de hierro en los materiales magnéticos suaves sigue siendo un enigma. La energía gastada durante la reversión de la magnetización en estos materiales depende de complejos cambios en las estructuras de los dominios magnéticos. Hasta ahora, estos cambios han sido interpretados principalmente de forma visual, y los mecanismos subyacentes se han discutido solo de manera cualitativa.
Análisis de la estructura de dominios magnéticos
Investigadores creen que el estudio de la correlación entre la pérdida de energía y la microestructura de los dominios magnéticos es una dirección prometedora. Sin embargo, la mayoría de los modelos físicos actuales para analizar la reversión de la magnetización están diseñados para sistemas homogéneos, mientras que materiales magnéticos suaves en la práctica, como el acero eléctrico no orientado (NOES), son heterogéneos, lo que dificulta su análisis.
Recientemente, un equipo de investigación liderado por el profesor Masato Kotsugi de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Tokio ha desarrollado un nuevo enfoque que utiliza el marco de energía libre Ginzburg-Landau extendido. Este método ha logrado rastrear el origen de la pérdida de hierro en la estructura de los dominios magnéticos.
El estudio, publicado en la revista Scientific Reports, detalla cómo el profesor Kotsugi explica que la energía libre de Ginzburg-Landau fue un concepto útil para analizar la reversión de la magnetización en un sistema homogéneo. Los recientes avances en ciencia de datos han permitido el modelo ex-GL, que puede ser utilizado para el análisis de sistemas heterogéneos. En este estudio, el equipo combinó el marco ex-GL con el aprendizaje automático interpretable para un análisis automatizado de la compleja reversión de la magnetización en NOES.
El equipo primero cuantificó la complejidad de los dominios magnéticos a partir de imágenes de microestructura de NOES utilizando la homología persistente, una herramienta matemática para el análisis multiescala de características topológicas en los datos. Posteriormente, aplicaron un análisis de componentes principales (PCA) para extraer las características esenciales ocultas en los complejos datos de homología persistente. Dos características emergieron, a saber, PC1, que representa la magnetización, y PC2, que representa las paredes de los dominios magnéticos.
Con estas características, el equipo construyó un paisaje energético extendido utilizando el marco ex-GL, que mapeó los cambios en la estructura de los dominios magnéticos con la energía como un gráfico, donde cada punto correspondía a una imagen de dominio magnético. Luego, realizaron un análisis de correlación exhaustivo entre las características y los parámetros físicos utilizando este gráfico, descubriendo características físicamente significativas que explican la pérdida de energía durante la reversión de la magnetización.
Su análisis reveló la presencia de factores que promueven y que resisten en el proceso de reversión de la magnetización. Curiosamente, ambos factores se encontraron en las mismas ubicaciones, principalmente cerca de los límites de grano, que son las interfaces entre diferentes cristales en un material cristalino. Esto sugiere una competencia entre estos factores.
El profesor Kotsugi señala que «la competencia entre los factores que promueven y los que resisten identifica automáticamente la ubicación de la fijación de la pared del dominio magnético, un fenómeno clave responsable de la pérdida de energía en los materiales magnéticos suaves». En ubicaciones donde solo se encontraban factores resistentes, los dominios magnéticos segmentados resultaron ser los principales contribuyentes a la pérdida de energía.
La importancia de este método radica en los conocimientos automatizados, precisos y basados en datos sobre tanto el mecanismo como la ubicación de la pérdida de energía. «Nuestro enfoque nos permitió extraer información que de otro modo habría sido difícil de obtener con solo una inspección visual», concluye el profesor Kotsugi.
Esta investigación allana el camino para la consecución de los objetivos de desarrollo sostenible de las Naciones Unidas, enfocados en la energía asequible y limpia, la industrialización, la innovación y la infraestructura, así como en la lucha contra el cambio climático. En resumen, este estudio presenta un enfoque innovador y basado en datos para identificar el origen y abordar la pérdida de energía en materiales magnéticos suaves, conduciendo hacia automóviles eléctricos más eficientes y ecológicos, y allanan el camino hacia un futuro sostenible.
