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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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・・・1.2J
最大変換効率・・・0.15%
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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
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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・・・0.18J
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
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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
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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
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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
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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1.1J
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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
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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
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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:0.18J,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:1.1J,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
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ご清聴ありがとうございました
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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
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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・・・10.5W
消費電力1Wの物を10分使用
⇒600 J 必要
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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
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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
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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
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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)
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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・・・0.11J
外れた時・・・1.0J
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
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