Transcript 4 - 金沢大学
A-4 歩行運動を電気エネルギーに変換する 磁歪振動発電デバイスに関する研究 Study on Vibrational Energy Harvesting Device Converting Locomotion to Electrical Energy 金沢大学大学院 自然科学研究科 電子情報工学専攻 澤村 一樹 1 発表の流れ はじめに ○研究背景 ○研究目的 磁歪振動発電素子 ○構成 ○発電原理 ○自由振動による実験 歩行運動から電気エネルギーを得る検討 ○錘衝突実験 ○振り子による振動励起 ○磁石の吸着力を利用した振動励起 まとめ 2 はじめに ～研究背景～ 我々の周りには小型の電子機器が溢れ それら全てに電池が使われている 電池は廃棄処分 ボタン電池は年間10億個 クリーンエネルギーに注目 ◎太陽発電を搭載した携帯電話 KDDI その中でも身近な振動での発電が注目 生活の中でも歩行・家事中に振動が発生 東京駅では発電床を実験的に使用 3 発電床（音力発電） はじめに ～歩行運動と製品化された発電装置～ 本研究では歩行運動に注目する 周波数2Hz，加速度 F = mα 発電靴(NTT R&Dフォーラム2010) F：外力，m：質量，a：加速度 万歩計などはこの外力を利用 USB充電器(nPower PEG)4 はじめに ～鉄ガリウム合金～ 鉄ガリウム合金(Galfenol) (Fe 81.6Ga18.4) アメリカ海軍研究所で開発された磁歪材料 ○磁歪 ○ヤング率 ○比透磁率 200 ~ 300 ppm 70 GPa 100 延性材料⇒機械加工性が良い 5 はじめに ～逆磁歪効果～ 磁歪材料に応力を 加えると磁束に変化が生じる B H dT B：磁束密度 ：透磁率 H：磁界 d：磁歪定数 T：応力 6 はじめに ～研究目的～ ○歩行運動からの発電を実現 ○小型電子機器を歩行運動による発電で駆動 ⇒以前までに4.1mWの発電確認 歩行運動から発生する振動で 発電素子に振動を与える方法を検討 7 磁歪振動発電素子 ～構成～ 発電素子の基本構成 (上)側面 (下)上面 8 磁歪振動発電素子 ～発電原理～ d E N dt E：誘導電圧 N：コイル巻数 ：磁束 応力・磁束 周期的に変化 発電原理 9 磁歪振動発電素子 ～振動の加え方～ 発電するためには上下の振動が必要不可欠 ○一定の力を加えて自由振動 ⇒錘を吊るして素子を変位させた状態で 錘を切り離す ○強制的に振動を加える ⇒加振器などで一定の振動励起 10 自由振動実験 ～実験装置～ 構成 Weight 100g 自由振動実験装置 11 自由振動実験 ～開放状態の電圧，変位波形～ 開放時 12 自由振動実験 ～整合条件～ 入力エネルギー Wi = 1 F0 X 0 2 変換効率 F0：応力 X0：先端変位 出力エネルギー η= Wo Wi エネルギー変換効率 120Wが適切な抵抗値 13 自由振動実験 ～整合条件を満たす時の電圧，変位～ 電圧，変位波形 変位波形の減衰が大きくなった ⇒電気エネルギーに変換された 14 歩行運動から電気エネルギーを得る検討 ～歩行運動から振動を起こす方法～ 素子に外力を与えた衝撃で振動させる 歩行運動時に発生する振動を利用 ◎錘を動かして素子に衝突させる ⇒錘を歩行周波数2Hzで振動させて衝突 ◎磁石の吸着力を利用 ⇒歩行時の振動により磁石を移動させて 磁性体の発電素子を磁力で変形させる 15 錘衝突実験 ～実験装置～ まず，外力を与えることで振動が生じるのかを確かめる 16 錘衝突実験装置 錘衝突実験 ～電圧波形～ 信号がなし ⇒錘と素子が一体になる 0.22V 電圧波形 衝突時・・・高周波数（約1kHz） 自由振動時・・・低周波数（約300Hz） エネルギーは低周波数部が高い 17 錘衝突実験 ～出力エネルギー，変換効率～ 入力エネルギー Wi = mgh m：錘の重さ g：重力加速度 h：高さ 変換効率 出力エネルギー 最大出力エネルギー・・・1.2J 最大変換効率・・・0.15% 18 振り子型の衝突実験 ～実験装置～ 加振器を歩行周波数2Hzで 振動させる 2Hz 振り子の固有振動数を2Hz 固定具の拡大 振り子型の実験装置 19 振り子型の衝突実験 ～錘を変化させたときの電圧波形～ 電圧波形 錘を重くしていくと電圧が高くなる 20 振り子型の衝突実験 ～出力エネルギー，変換効率～ 出力エネルギー 変換効率 最大出力エネルギー・・・0.18J 最大変換効率・・・0.9% 21 振り子型の衝突実験 ～考察～ 錘と素子が同じ方向に動いているため 衝突する時に素子は衝撃を軽減している ○比較のために素子固定 ○振り子を安定させて振動 22 磁石の吸着力を利用した振動励起 ～振動の起こし方～ 振動の起こし方 23 磁石の吸着力を利用した振動励起 ～実験装置～ 1軸自動ステージアクチュエータ 実験部の拡大写真 スペーサー 実験装置 素子先端 24 磁石，素子先端の距離を変化 ～電圧，変位波形（吸着時）～ 電圧波形(磁石：3×7×2mm3) 変位波形(磁石：3×7×2mm3) 吸着された瞬間 素子先端と磁石の距離を長くすると 出力電圧も高くなる 25 磁石，素子先端の距離を変化 ～電圧，変位波形（外れる時）～ 電圧波形(磁石：3×7×2mm3) 変位波形(磁石：3×7×2mm3) 磁石から外れた後も磁石の吸着力により 発電素子が引き寄せられる 磁力を強化⇒変位が大きくなる 吸着時以外での素子への影響を減らす 自由振動 26 磁石，素子先端の距離を変化 ～出力エネルギー～ 吸着時 値が異なる 外れる時 どちらも2次関数的に増加 両方合わせて最大1.1J 27 磁石，素子先端の距離を変化 ～考察～ 近づけると徐々に引き寄せられて吸着するため 磁石の表面積が大きくなるほど吸着力も大きくなる 磁石の表面積を小さく，磁力を大きくすることで より大きな発電量が得られる 28 磁石，素子先端の距離を変化 ～変換効率（外れる時）～ 今回は・・・ ステージの性能で速度決定 歩行周波数で磁石を振らせる 変換効率 最大値は振り子型とほぼ同じ 29 まとめ 歩行運動から電気エネルギーを得るための検討を行った ○錘衝突実験 ⇒外力を与えることで発電素子に振動励起を確認 ○振り子を利用 ⇒歩行周波数2Hzで錘を振らせて衝突させた 出力エネルギー:0.18J，変換効率：0.9% ○磁石の吸着力を利用 ⇒吸着時・外れた時の2ヶ所で発電することを確認 出力エネルギー:1.1J，変換効率：0.95% 振り子，磁石の吸引力を利用することで歩行運動から 発電素子に振動を与えて電気エネルギーを得る可能性が得られた しかし，出力エネルギーと変換効率の小ささからさらなる改良が 必要である 30 ご清聴ありがとうございました 31 構造について バイモルフ型 ユニモルフ型 □バイモルフ型に比べ，ユニモルフ型の方が発電効率が大きい □使用するGalfenolが1本であることからコスト削減 平行梁構造 ○単に磁歪材料の磁化方向に応力を加えた場合と比較して 平行梁構造により大きな軸力を小さな曲げ力で発生 ○大きな衝撃を与えたり，摩耗していく部分がない 応力と素子先端変位の関係 F = kX 応力と素子先端変位の関係 34 エネルギー Jと電力W J（ジュール）=m2･kg･s-2 W（ワット）=m2･kg･s-3 W= J/s ipod（充電）・・・5W デジカメ・・・3W 携帯（充電）・・・15W 万歩計・・・10.5W 消費電力1Wの物を10分使用 ⇒600 J 必要 35 共振周波数を低下させる検討 方法 ●素子自体を重くする ●剛性を下げて柔らかくする 発電素子を機械系で表すと・・・ 質量m，ばね定数k，減衰定数c 36 共振周波数を低下させる検討 発電素子を2個連結したと仮定 質量が2m，ばね定数k2 -1 1 1 k k2 = + = k k 2 共振周波数f0 f0 = 1 k2 2π m ばね定数 共振周波数 ともに1/2 1 k 4 m 2πf0 SNB V P= = R R 2 2 共振周波数を下げることで出力電力も低下 37 錘衝突の際のエネルギー減少 入力エネルギー 錘を離す前 Wi = mgh 1 Mv12 2 衝突直前 1 2 Wi = mv 2 1 1 2 2 Mv1 mv 2 2 衝突 錘が素子から離れる 1 2 1 mv = m+M v12 2 2 v1 v 入力エネルギーが減少 m：錘の質量 g：重力加速度 h：錘の高さ v：衝突直前の速度 M：発電素子の質量 v1：衝突後の速度 振動モードについて 基本振動 2倍振動 3倍振動 錘衝突実験 ～変位波形～ 40 振り子型の電圧波形 41 磁石に吸着された瞬間 素子の中央部のみ 振動が起こっている 磁石の移動速度を変化 ～電圧，変位波形（吸着時）～ 電圧波形(3×7×2mm3) 変位波形(3×7×2mm3) 43 磁石の移動速度を変化 ～電圧，変位波形（外れる時）～ 電圧波形(3×7×2mm3) 変位波形(3×7×2mm3) 44 磁石の移動速度を変化 ～出力エネルギー～ 吸着時 外れる時 吸着時・・・0.11J 外れた時・・・1.0J 45 磁石の移動速度を変化 ～変換効率（外れた時）～ 外れる直前の素子の 変位から入力機械 エネルギーを算出 変換効率 速度に関わらず一定値 46