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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

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. 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

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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

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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

  3. 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 発電床（音力発電）

  4. はじめに～歩行運動と製品化された発電装置～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 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)

  5. はじめに～鉄ガリウム合金～ 鉄ガリウム合金(Galfenol)(Fe81.6Ga18.4) アメリカ海軍研究所で開発された磁歪材料 ○磁歪　　 200 ~ 300 ppm ○ヤング率　　　70 GPa ○比透磁率　　 100 延性材料⇒機械加工性が良い

  6. 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：磁束密度 m：透磁率 H：磁界 d：磁歪定数 T：応力 6

  7. 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

  8. 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

  9. 磁歪振動発電素子～発電原理～ E：誘導電圧 N：コイル巻数 f：磁束 応力・磁束 周期的に変化 発電原理

  10. 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

  11. 自由振動実験～実験装置～ 構成 Weight 100g 自由振動実験装置

  12. 自由振動実験～開放状態の電圧，変位波形～ 開放時

  13. 自由振動実験～整合条件～ 入力エネルギー 変換効率 F0：応力 X0：先端変位 出力エネルギー エネルギー変換効率 120Wが適切な抵抗値

  14. 自由振動実験～整合条件を満たす時の電圧，変位～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

  15. 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～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

  16. 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 錘衝突実験装置

  17. 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

  18. 錘衝突実験～出力エネルギー，変換効率～ m：錘の重さ g：重力加速度 h：高さ 入力エネルギー 変換効率 出力エネルギー 最大出力エネルギー・・・1.2mJ 最大変換効率・・・0.15%

  19. 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 振り子の固有振動数を2Hz 2Hz 固定具の拡大 振り子型の実験装置

  20. 振り子型の衝突実験～錘を変化させたときの電圧波形～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

  21. 振り子型の衝突実験～出力エネルギー，変換効率～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・・・0.18mJ 最大変換効率・・・0.9%

  22. 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

  23. 磁石の吸着力を利用した振動励起～振動の起こし方～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

  24. 磁石の吸着力を利用した振動励起～実験装置～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 素子先端 実験装置

  25. 磁石，素子先端の距離を変化～電圧，変位波形（吸着時）～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

  26. 磁石，素子先端の距離を変化～電圧，変位波形（外れる時）～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

  27. 磁石，素子先端の距離を変化～出力エネルギー～磁石，素子先端の距離を変化～出力エネルギー～ 値が異なる 外れる時 吸着時 どちらも2次関数的に増加 両方合わせて最大1.1mJ

  28. 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

  29. 磁石，素子先端の距離を変化～変換効率（外れる時）～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

  30. 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:0.18mJ，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:1.1mJ，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

  31. ご清聴ありがとうございました

  32. 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

  33. 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

  34. 応力と素子先端変位の関係 応力と素子先端変位の関係

  35. 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 ipod（充電）・・・5W デジカメ・・・3W 携帯（充電）・・・15W 万歩計・・・10.5mW W= J/s 消費電力1Wの物を10分使用 　⇒600 J 必要

  36. 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

  37. 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 ばね定数 共振周波数 ともに1/2 共振周波数f0 共振周波数を下げることで出力電力も低下

  38. 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 衝突直前 錘が素子から離れる 入力エネルギーが減少 衝突 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

  39. 振動モードについて 基本振動 2倍振動 3倍振動

  40. 錘衝突実験～変位波形～

  41. 振り子型の電圧波形

  42. 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

  43. 磁石の移動速度を変化～電圧，変位波形（吸着時）～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)

  44. 磁石の移動速度を変化～電圧，変位波形（外れる時）～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)

  45. 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・・・0.11mJ 外れた時・・・1.0mJ

  46. 磁石の移動速度を変化～変換効率（外れた時）～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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