Transcript 超磁歪アクチュエータを用いた キャビテーション発生機構における 機械的

Ａ－４
超磁歪アクチュエータを用いた
キャビテーション発生機構における
機械的特性の解析
磁気応用研究グループ
電気電子システム工学科
中村 翔太郎
目次
・研究背景・目的
・キャビテーション発生機構の等価回路
・ピストン駆動時周波数特性測定
・まとめ
・今後の課題
研究背景
近年、河川などの水質汚濁が世界的に問題となっている
キャビテーションの圧力衝撃波・熱分解作用を利用した
水質浄化の研究が多くされている
高出力・高速応答を特徴とする超磁歪アクチュエータを
用いたキャビテーション発生機構を提案し，微生物に
よって汚濁した河川などのバイオ環境の浄化を目指す
研究背景
キャビテーション現象
液体を微小時間内に断熱膨張・圧縮させると，無数の小さな泡が
発生・崩壊する現象
気泡（キャビテー）崩壊時に微小空間に大きな熱・圧力衝撃波
液体
沸騰
P
圧 力
薬品を使用しない
固体
Pv
気体
キャビテーション
温
度
水の状態図のモデル
生態系への影響なく水質汚濁
の原因である微生物を滅菌・不
活性化できる可能性
研究背景
超磁歪アクチュエータ
超磁歪アクチュエータは超磁歪素子Terfenol-Dの伸縮によって変位を得る装置
項目
パラメータ
超磁歪素子
Terfenol-D
励磁コイルの巻数
1200 turn
定格起磁力
6,000 AT
最大磁気歪量
120 mm
発生応力
8,300 N
超磁歪アクチュエータ
・キャビテーション発生条件
Pv  P  0
Pv：水の蒸気圧，P：外圧
3142 hPa  0
キャビテーションを発生させるのに
十分な発生応力（減圧能）がある
研究目的
＜現在＞
キャビテーション発生機構を用い，2種類の微生物を滅菌・不活
性化することが明らかとなっている
駆動周波数を上げればキャビテーションによる効果は増大するが，
励磁コイルのインダクタクスが増大し電源電圧が不足
共振状態で駆動させピストンの振幅・力積を大きくし，水に印加する
圧力変化を大きくすることでキャビテーションによる効果上昇を図る
ピストン駆動時の共振周波数（348Hz）が駆動可能周波数より高い
ため，共振周波数を駆動可能周波数（240Hz）付近まで下げること
を目指した
キャビテーション発生機構の等価回路
質量負荷（エネルギー損失にならない）
スペースの関係上2.0kg
の質量負荷が最大
キャビテーション発生機構の全体図および等価回路
キャビテーション発生機構の等価回路
ピストン（3.8kg）＋2kg
3dB
ピストン（3.8kg）
1
2
3
4
5
6 7
8 9 10 (102)
120Hz
-90
1
2
3
4
5
6 7
8 9 10 (102)
等価回路解析におけるピストンの振幅と位相の周波数特性比較
共振周波数が約120Hz減少し、振幅が約3dB増加
ピストン駆動時周波数特性測定
0.5A（実5A）
Magnitude
Magnitude(dB)
(dB)
駆動電流：
20
20
ピストン（3.8kg）
ピストン（3.8kg）
ピストン＋質量負
荷
（3.8kg）
（2.0kg）
00
-20
-20
ピストン＋質量負荷
実条件に当て
（3.8kg）
（2.0kg）
はめた計算値
-40 2
-40
2
10
11
10
10dB
20Hz
8 9 10
1033 (1022)
2
44
3
Frequency (Hz)
5
6
7
2
4
3
Frequency (Hz)
5
6
(1022))
103 (10
10
77 88 99 10
Angle (Deg.)
00
-100
-100
-90
-200
-200
-300
-300 22
11
10
10
-270
ピストンの振幅と電流に対する位相の周波数特性比較（実験）
共振周波数が約20Hz減少し、振幅が約10dB減少
まとめ
キャビテーション発生機構のピストン駆動時における共振周波数
（348Hz）を240Hz付近まで下げることを目指した
・ 等価回路を作成し，ピストンの質量を2kg増加させてシミュレー
ションを行った結果，120Hzの共振周波数の減少と3dBの振幅
の増加という結果であった
・ ピストンに2kgの質量負荷を接着して測定を行ったところ20Hz
の共振周波数の減少と10dBの振幅の減少が得られた
・ ピストンの質量を増加させる方法では共振周波数を目標値
（240Hz付近）まで下げるのは困難
・ ピストンの質量を変えない場合において，350Hzまでのピストン
駆動時の振幅の周波数特性を計算できた
今後の課題
・ キャビテーション発生機構の等価回路の改善
近似条件を見直し計算値と測定値を近づける
・励磁コイルの巻き数を減らす
励磁コイルのインダクタンスを減らすことで駆動電圧を減少
させ，より高周波での駆動を目指す
ご静聴ありがとうございました