Модель Джайлса – Атертона
В электромагнетизме и материаловедении Джайлса -Атертона модель магнитного гистерезиса была представлена в 1984 году Дэвидом Джайлсом и Д.Л. Атертоном. [ 1 ] Это одна из самых популярных моделей магнитного гистерезиса. Ее главным преимуществом является то, что данная модель позволяет осуществить связь с физическими параметрами магнитного материала . [ 2 ] Модель Джайлса – Атертона позволяет рассчитывать малые и большие петли гистерезиса. [ 1 ] Исходная модель Джайлса-Атертона подходит только для изотропных материалов . [ 1 ] Однако расширение этой модели, представленное Ramesh et al. [ 3 ] и исправлено Шевчиком [ 4 ] позволяет моделировать анизотропные магнитные материалы.
Принципы
[ редактировать ]Намагниченность образца магнитного материала в модели Джайлса – Атертона рассчитывается в следующие шаги [ 1 ] для каждого значения намагничивающего поля :
- эффективное магнитное поле рассчитывается с учетом междоменной связи и намагниченность ,
- ангистерезисная намагниченность рассчитывается для эффективного магнитного поля ,
- намагниченность образца рассчитывается путем решения обыкновенного дифференциального уравнения с учетом знака производной намагничивающего поля (что является источником гистерезиса).
Параметры
[ редактировать ]Исходная модель Джайлса – Атертона учитывает следующие параметры: [ 1 ]
Параметр | Единицы | Описание |
---|---|---|
Количественно определяет междоменное взаимодействие в магнитном материале. | ||
Являюсь | Количественно определяет плотность доменных стенок в магнитном материале. | |
Являюсь | Намагниченность насыщения материала | |
Являюсь | Определяет среднюю энергию, необходимую для разрушения места закрепления в магнитном материале. | |
Обратимость намагничивания |
Расширение с учетом одноосной анизотропии, введенное Рамешем и др. [ 3 ] и исправлено Шевчиком [ 4 ] требуются дополнительные параметры:
Параметр | Единицы | Описание |
---|---|---|
Дж/м 3 | Средняя плотность энергии анизотропии | |
рад | Угол между направлением намагничивающего поля и направление легкой оси анизотропии | |
Участие анизотропной фазы в магнитном материале |
Моделирование петель магнитного гистерезиса
[ редактировать ]Эффективное магнитное поле
[ редактировать ]Эффективное магнитное поле Влияние на магнитные моменты внутри материала можно рассчитать по следующему уравнению: [ 1 ]
Это эффективное магнитное поле аналогично среднему полю Вейсса, действующему на магнитные моменты внутри магнитного домена . [ 1 ]
Ангистерезисная намагниченность
[ редактировать ]Безгистерезисную намагниченность можно наблюдать экспериментально, когда магнитный материал размагничивается под действием постоянного магнитного поля. Однако измерения безгистерезисной намагниченности очень сложны из-за того, что флюксметр должен сохранять точность интегрирования в процессе размагничивания. В результате экспериментальная проверка модели безгистерезисного намагничивания возможна только для материалов с незначительной петлей гистерезиса. [ 4 ]
Безгистерезисная намагниченность типичного магнитного материала может быть рассчитана как взвешенная сумма изотропной и анизотропной безгистерезисной намагниченности: [ 5 ]
изотропный
[ редактировать ]Изотропная безгистерезисная намагниченность определяется на основе распределения Больцмана . В случае изотропных магнитных материалов распределение Больцмана можно свести к функции Ланжевена, связывающей изотропную безгистерезисную намагниченность с эффективным магнитным полем. : [ 1 ]
Анизотропный
[ редактировать ]Анизотропная безгистерезисная намагниченность также определяется на основе распределения Больцмана . [ 3 ] отсутствует Однако в таком случае первообразная для функции распределения Больцмана . [ 4 ] По этой причине интегрирование должно производиться численно. В оригинальной публикации анизотропная безгистерезисная намагниченность дается как: [ 3 ]
где
Следует подчеркнуть, что в оригинальной работе Ramesh et al. произошла опечатка. публикация. [ 4 ] В результате для изотропного материала (где ), представленная форма анизотропной безгистерезисной намагниченности не соответствует изотропной безгистерезисной намагниченности задается уравнением Ланжевена. Физический анализ приводит к выводу, что уравнение анизотропной безгистерезисной намагниченности необходимо исправить к следующему виду: [ 4 ]
В исправленном виде модель анизотропной безгистерезисной намагниченности было подтверждено экспериментально для анизотропных аморфных сплавов . [ 4 ]
Намагниченность как функция намагничивающего поля
[ редактировать ]В модели Джайлса–Атертона зависимость M(H) задается в виде следующего обыкновенного дифференциального уравнения : [ 6 ]
где зависит от направления изменения намагничивающего поля ( для увеличения поля, для уменьшения поля)
Плотность потока как функция намагничивающего поля
[ редактировать ]Плотность потока в материале указано так: [ 1 ]
где постоянная магнитная .
Векторизованная модель Джайлса – Атертона
[ редактировать ]Векторизованная модель Джайлса-Атертона строится как суперпозиция трех скалярных моделей, по одной для каждой главной оси. [ 7 ] Эта модель особенно подходит для вычислений методом конечных элементов .
Численная реализация
[ редактировать ]Модель Джайлса-Атертона реализована в JAmodel, наборе инструментов MATLAB / OCTAVE . Он использует алгоритм Рунге-Кутты для решения обыкновенных дифференциальных уравнений . JAmodel имеет открытый исходный код и находится под лицензией MIT . [ 8 ]
Были выявлены две наиболее важные вычислительные проблемы, связанные с моделью Джайлса – Атертона: [ 8 ]
- численное интегрирование анизотропной безгистерезисной намагниченности
- решение обыкновенного дифференциального уравнения для зависимость.
Для численного интегрирования анизотропной безгистерезисной намагниченности квадратурную формулу Гаусса – Кронрода необходимо использовать . В GNU Octave эта квадратура реализована как quadgk() функция .
Для решения обыкновенного дифференциального уравнения для зависимости, методы Рунге–Кутты рекомендуется использовать . Было замечено, что наилучшей производительностью оказался метод фиксированного шага 4-го порядка. [ 8 ]
Дальнейшее развитие
[ редактировать ]С момента своего появления в 1984 году модель Джайлса – Атертона интенсивно развивалась. В результате эту модель можно применять для моделирования:
- частотная зависимость петли магнитного гистерезиса в проводящих материалах [ 9 ] [ 10 ]
- влияние напряжений на петли магнитного гистерезиса [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]
- магнитострикция магнитомягких материалов [ 11 ] [ 14 ]
Кроме того, были внесены различные исправления, в частности:
- чтобы избежать нефизических состояний, когда обратимая проницаемость отрицательна [ 15 ]
- учитывать изменения средней энергии, необходимой для разрушения места закрепления [ 16 ]
Приложения
[ редактировать ]Модель Джайлса – Атертона может применяться для моделирования:
- вращающиеся электрические машины [ 17 ]
- силовые трансформаторы [ 18 ]
- магнитострикционные приводы [ 19 ]
- магнитоупругие датчики [ 20 ] [ 21 ]
- датчики магнитного поля (например, феррозонды) [ 22 ] [ 23 ]
Он также широко используется для моделирования электронных схем , особенно для моделей индуктивных компонентов, таких как трансформаторы или дроссели . [ 24 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Джайлс, округ Колумбия; Атертон, Д.Л. (1984). «Теория ферромагнитного гистерезиса». Журнал прикладной физики . 55 (6): 2115. Бибкод : 1984JAP....55.2115J . дои : 10.1063/1.333582 .
- ^ Лиорзу, Ф.; Фелпс, Б.; Атертон, Д.Л. (2000). «Макроскопические модели намагничивания». Транзакции IEEE по магнетизму . 36 (2): 418. Бибкод : 2000ITM....36..418L . дои : 10.1109/20.825802 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Рамеш, А.; Джайлс, округ Колумбия; Родерик, Дж. М. (1996). «Модель анизотропной безгистерезисной намагниченности». Транзакции IEEE по магнетизму . 32 (5): 4234. Бибкод : 1996ITM....32.4234R . дои : 10.1109/20.539344 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Шевчик, Р. (2014). «Обоснование модели безгистерезисного намагничивания магнитомягких материалов с перпендикулярной анизотропией» . Материалы . 7 (7): 5109–5116. Бибкод : 2014Mate....7.5109S . дои : 10.3390/ma7075109 . ПМЦ 5455830 . ПМИД 28788121 .
- ^ Джайлс, округ Колумбия ; Рамеш, А.; Ши, Ю.; Фанг, X. (1997). «Применение анизотропного расширения теории гистерезиса к кривым намагничивания кристаллических и текстурированных магнитных материалов» . Транзакции IEEE по магнетизму . 33 (5): 3961. Бибкод : 1997ITM....33.3961J . дои : 10.1109/20.619629 . S2CID 38583653 .
- ^ Джайлс, округ Колумбия; Атертон, Д.Л. (1986). «Модель ферромагнитного гистерезиса». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 61 (1–2): 48. Бибкод : 1986JMMM...61...48J . дои : 10.1016/0304-8853(86)90066-1 .
- ^ Шиманский, Гжегож; Васак, Михал (2004). «Векторизованная модель гистерезиса Джайлса – Атертона». Физика Б. 343 (1–4): 26–29. Бибкод : 2004PhyB..343...26S . дои : 10.1016/j.physb.2003.08.048 .
- ^ Перейти обратно: а б с Шевчик, Р. (2014). «Вычислительные задачи, связанные с моделью магнитного гистерезиса Джайлса – Атертона» . Последние достижения в области автоматизации, робототехники и измерительной техники . Достижения в области интеллектуальных систем и вычислений. Том. 267. С. 275–283. дои : 10.1007/978-3-319-05353-0_27 . ISBN 978-3-319-05352-3 .
- ^ Джайлс, округ Колумбия (1994). «Моделирование влияния потерь на вихревые токи на частотно-зависимый гистерезис в электропроводящих средах» . Транзакции IEEE по магнетизму . 30 (6): 4326–4328. Бибкод : 1994ITM....30.4326J . дои : 10.1109/20.334076 .
- ^ Шевчик, Р.; Фридрих, П. (2010). «Расширение модели Джайлса–Атертона для моделирования частотной зависимости магнитных характеристик сердечников из аморфных сплавов для индуктивных компонентов электронных устройств» . Acta Physica Polonica А. 118 (5): 782. Бибкод : 2010AcPPA.118..782S . дои : 10.12693/aphyspola.118.782 . [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Перейти обратно: а б Саблик, МЮ; Джайлс, округ Колумбия (1993). «Связанная магнитоупругая теория магнитного и магнитострикционного гистерезиса» . Транзакции IEEE по магнетизму . 29 (4): 2113. Бибкод : 1993ITM....29.2113S . дои : 10.1109/20.221036 .
- ^ Шевчик, Р.; Бьенковский, А. (2003). «Магнитоупругий эффект Виллари в высокопроницаемых Mn-Zn ферритах и моделирование этого эффекта». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 254 : 284–286. Бибкод : 2003JMMM..254..284S . дои : 10.1016/S0304-8853(02)00784-9 .
- ^ Якевич, Д.; Шевчик, Р.; Салах, Дж.; Беньковский, А. (2014). «Применение расширенной модели Джайлса – Атертона для моделирования влияния напряжений на магнитные характеристики конструкционной стали» . Acta Physica Polonica А. 126 (1): 392. Бибкод : 2014AcPPA.126..392J . дои : 10.12693/aphyspola.126.392 .
- ^ Шевчик, Р. (2006). «Моделирование магнитных и магнитострикционных свойств высокопроницаемых Mn-Zn ферритов». Прамана . 67 (6): 1165–1171. Бибкод : 2006Прама..67.1165С . дои : 10.1007/s12043-006-0031-z . S2CID 59468247 .
- ^ Дин, JHB (1994). «Моделирование динамики нелинейных индукторных цепей». Транзакции IEEE по магнетизму . 30 (5): 2795–2801. Бибкод : 1994ITM....30.2795D . дои : 10.1109/20.312521 .
- ^ Шевчик, Р. (2007). «Расширение модели магнитных характеристик анизотропных металлических стекол». Журнал физики D: Прикладная физика . 40 (14): 4109–4113. Бибкод : 2007JPhD...40.4109S . дои : 10.1088/0022-3727/40/14/002 . S2CID 121390902 .
- ^ Ду, Жоян; Робертсон, Пол (2015). «Динамическая модель Джайлса – Атертона для определения потерь магнитной мощности на высокой частоте в машинах с постоянными магнитами» . Транзакции IEEE по магнетизму . 51 (6): 7301210. Бибкод : 2015ITM....5182594D . дои : 10.1109/TMAG.2014.2382594 . S2CID 30752050 .
- ^ Хуанг, Си-Руэн; Чен, Хун-Тай; Ву, Чуэ-Ченг; и др. (2012). «Отличение внутренних повреждений обмотки от пусковых токов в силовых трансформаторах с использованием параметров модели Джайлса – Атертона на основе корреляционного коэффициента». Транзакции IEEE по магнетизму . 27 (2): 548. doi : 10.1109/TPWRD.2011.2181543 . S2CID 25854265 .
- ^ Калкинс, FT; Смит, Р.К.; Флатау, AB (2008). «Энергетическая модель гистерезиса для магнитострикционных преобразователей». Транзакции IEEE по магнетизму . 36 (2): 429. Бибкод : 2000ITM....36..429C . CiteSeerX 10.1.1.44.9747 . дои : 10.1109/20.825804 . S2CID 16468218 .
- ^ Шевчик, Р.; Бьенковский, А. (2004). «Применение энергетической модели магнитоупругих свойств аморфных сплавов для сенсорных устройств». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 272 : 728–730. Бибкод : 2004JMMM..272..728S . дои : 10.1016/j.jmmm.2003.11.270 .
- ^ Шевчик, Р.; Салах, Дж.; Бьенковский, А.; и др. (2012). «Применение расширенной модели Джайлса – Атертона для моделирования магнитных характеристик сплава Fe41,5Co41,5Nb3Cu1B13 в закаленном и нанокристаллическом состоянии». Транзакции IEEE по магнетизму . 48 (4): 1389. Бибкод : 2012ITM....48.1389S . дои : 10.1109/TMAG.2011.2173562 .
- ^ Шевчик, Р. (2008). «Расширенная модель Джайлса – Атертона для моделирования магнитных характеристик изотропных материалов» . Acta Physica Polonica А. 113 (1): 67. Бибкод : 2008JMMM..320E1049S . дои : 10.12693/APhysPolA.113.67 .
- ^ Молдовану, БО; Молдовану, К.; Молдовану, А. (1996). «Компьютерное моделирование переходных процессов феррозондовой магнитометрической схемы». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 157–158: 565–566. Бибкод : 1996ГГММ..157..565М . два : 10.1016/0304-8853(95)01101-3 .
- ^ Кундева, С. (2008). «Компьютерное моделирование переходных процессов феррозондовой магнитометрической схемы» . Сербский журнал электротехники . 5 (1): 21–30. дои : 10.2298/sjee0801021c .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Модель Джайлса-Атертона для Octave/MATLAB - программное обеспечение с открытым исходным кодом для реализации модели Джайлса-Атертона в GNU Octave и Matlab.