JP2016077037A - Power generation device and power generation device design method - Google Patents
Power generation device and power generation device design method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2016077037A JP2016077037A JP2014204371A JP2014204371A JP2016077037A JP 2016077037 A JP2016077037 A JP 2016077037A JP 2014204371 A JP2014204371 A JP 2014204371A JP 2014204371 A JP2014204371 A JP 2014204371A JP 2016077037 A JP2016077037 A JP 2016077037A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- rod
- frequency
- power generation
- magnetostrictive
- vibration
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Description
本発明は、磁歪材料の逆磁歪効果を利用して振動発電を行う発電装置および発電装置の設計方法に関し、特に発電可能な周波数の範囲を広くできる発電装置および発電装置の設計方法に関するものである。 The present invention relates to a power generation apparatus that performs vibration power generation using the inverse magnetostriction effect of a magnetostrictive material and a method for designing the power generation apparatus, and more particularly to a power generation apparatus that can widen the range of frequencies that can be generated and a method for designing the power generation apparatus. .
従来から、磁歪材料の逆磁歪効果を利用して振動発電を行う発電素子がある。発電素子は共振周波数を与えると振動が増幅されて発電が行われる。特許文献1には、平行梁を形成する2本の梁部材のうち少なくとも1本が磁歪材料から構成される発電素子が、ダイナミックダンパを介して振動体と結合される発電装置が開示されている。ダイナミックダンパを介して発電素子を振動体に結合することで、2自由度以上の振動を利用することができ、発電可能な周波数の範囲を広くできる。
Conventionally, there is a power generation element that performs vibration power generation using the inverse magnetostriction effect of a magnetostrictive material. When the power generation element is given a resonance frequency, the vibration is amplified and power generation is performed.
しかしながら上述した従来の技術では、ダイナミックダンパを要するので、部品点数が増加するという問題がある。 However, the above-described conventional technique requires a dynamic damper, which increases the number of parts.
本発明は上述した問題を解決するためになされたものであり、部品点数の増加を抑制しつつ発電可能な周波数の範囲を広くできる発電装置および発電装置の設計方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a power generator and a power generator design method capable of widening the range of frequencies that can be generated while suppressing an increase in the number of components. .
この目的を達成するために請求項1記載の発電装置によれば、磁歪材料から棒状に構成される第1磁歪棒に、磁性材料から棒状に構成される第1剛性棒が対向して配置される。第1剛性棒および第1磁歪棒の内の少なくとも第1磁歪棒に第1コイルが配設され、第1支持部材により第1磁歪棒および第1剛性棒の軸方向一端側が支持される。第1支持部材は、複数の周波数成分を有する振動を出力する振動体に固着される。第1磁歪棒および第1剛性棒の軸方向他端側が第1マス部材により保持される。第1マス部材は、第1支持部材との相対移動により第1磁歪棒および第1剛性棒を軸方向に伸長または収縮する。このように構成される第1発電素子は、振動体が出力する振動の周波数範囲内の互いに異なる2つの対象周波数の間であって、最も大きい振動加速度を示す周波数とは異なる固有振動数が設定される。そのため、固有振動数とは異なる周波数の振動が振動体から第1発電素子に加えられたときも、第1発電素子を振動させて発電ができる。よって、発電可能な周波数の範囲を広くできる。ダイナミックダンパ等の別部品を不要にできるので、部品点数の増加を抑制しつつ発電可能な周波数の範囲を広くできる効果がある。
In order to achieve this object, the power generator according to
請求項2記載の発電装置によれば、固有振動数は、2つの対象周波数の大きさ、2つの対象周波数における振動加速度の大きさ、複数の振動の発生頻度のいずれか1以上に基づいて設定されるので、請求項1の効果に加え、第1発電素子の設計を容易にできる効果がある。 According to the power generation device of claim 2, the natural frequency is set based on one or more of the magnitude of two target frequencies, the magnitude of vibration acceleration at the two target frequencies, and the frequency of occurrence of multiple vibrations. Thus, in addition to the effect of the first aspect, the first power generating element can be easily designed.
請求項3記載の発電装置によれば、固有振動数は、2つの対象周波数の内の高周波数側の対象周波数寄りに設定されている。第1発電素子の振動による発生電圧は固有振動数に比例するので、請求項1又は2の効果に加え、固有振動数を高周波数側の対象周波数寄りに設定することで、振動加速度にもよるが、低周波数側の対象周波数寄りに固有振動数を設定する場合と比較して発生電圧を大きくできる効果がある。
According to the power generation device of the third aspect, the natural frequency is set closer to the target frequency on the high frequency side of the two target frequencies. Since the generated voltage due to the vibration of the first power generation element is proportional to the natural frequency, in addition to the effect of
請求項4記載の発電装置によれば、2つの対象周波数は、差が、40Hz以下である。2つの対象周波数の差が大きくなるにつれて第1発電素子の固有振動数と各対象周波数との差が大きくなるので、対象周波数の全範囲で振動を増幅し難くなるが、2つの対象周波数の差が40Hz以下なので、請求項1から3のいずれかの効果に加え、対象周波数の全範囲で振動を増幅して発電できる効果がある。
According to the power generator of claim 4, the difference between the two target frequencies is 40 Hz or less. As the difference between the two target frequencies increases, the difference between the natural frequency of the first power generation element and each target frequency increases, so it becomes difficult to amplify the vibration over the entire range of the target frequency, but the difference between the two target frequencies. Is 40 Hz or less, in addition to the effect of any one of
請求項5記載の発電装置によれば、磁歪材料から棒状に構成される第2磁歪棒に、磁性材料から棒状に構成される第2剛性棒が対向して配置される。第2剛性棒および第2磁歪棒の内の少なくとも第2磁歪棒に第2コイルが配設され、第2支持部材により第2磁歪棒および第2剛性棒の軸方向一端側が支持される。第2支持部材は振動体に固着される。第2磁歪棒および第2剛性棒の軸方向他端側が第2マス部材により保持される。第2マス部材は、第2支持部材との相対移動により第2磁歪棒および第2剛性棒を軸方向に伸長または収縮する。このように構成される第2発電素子は、2つの対象周波数の間であって、最も大きい振動加速度を示す周波数とは異なり、且つ、第1発電素子の固有振動数と異なる固有振動数が設定される。そのため、第2発電素子の固有振動数とは異なる周波数の振動が振動体から加えられたときも、第2発電素子を振動させて発電ができる。よって、請求項1から4のいずれかの効果に加え、発電可能な周波数の範囲をさらに広くできる効果がある。
According to the power generation device of the fifth aspect, the second rigid rod configured in a rod shape from the magnetic material is arranged to face the second magnetostrictive rod configured in a rod shape from the magnetostrictive material. A second coil is disposed on at least the second magnetostrictive rod of the second rigid rod and the second magnetostrictive rod, and one end side in the axial direction of the second magnetostrictive rod and the second rigid rod is supported by the second support member. The second support member is fixed to the vibrating body. The other end in the axial direction of the second magnetostrictive rod and the second rigid rod is held by the second mass member. The second mass member extends or contracts the second magnetostrictive rod and the second rigid rod in the axial direction by relative movement with the second support member. The second power generation element configured in this way is set between two target frequencies, which is different from the frequency exhibiting the largest vibration acceleration and different from the natural frequency of the first power generation element. Is done. Therefore, even when a vibration having a frequency different from the natural frequency of the second power generation element is applied from the vibrating body, the second power generation element can be vibrated to generate power. Therefore, in addition to the effect of any one of
請求項6記載の発電素子の設計方法によれば、磁歪材料から棒状に構成される第1磁歪棒に、磁性材料から棒状に構成される第1剛性棒が対向して配置される。第1剛性棒および第1磁歪棒の内の少なくとも第1磁歪棒に第1コイルが配設され、第1支持部材により第1磁歪棒および第1剛性棒の軸方向一端側が支持される。第1支持部材は、複数の周波数成分を有する振動を出力する振動体に固着される。第1磁歪棒および第1剛性棒の軸方向他端側が第1マス部材により保持される。第1マス部材は、第1支持部材との相対移動により第1磁歪棒および第1剛性棒を軸方向に伸長または収縮する。このように構成される第1発電素子の第1支持部材が固着される振動体の振動成分が、振動成分取得工程により取得される。振動成分取得工程により取得された振動成分に基づいて、振動体が出力する振動の周波数範囲内の互いに異なる2つの対象周波数の間であって、最も大きい振動加速度を示す周波数とは異なる固有振動数が、固有振動数設定工程により第1発電素子に設定される。その結果、請求項1と同様の効果が得られる。 According to the power generating element design method of the sixth aspect, the first rigid rod configured from the magnetic material in a rod shape is arranged to face the first magnetostrictive rod configured from the magnetostrictive material in a rod shape. A first coil is disposed on at least the first magnetostrictive rod of the first rigid rod and the first magnetostrictive rod, and one end side in the axial direction of the first magnetostrictive rod and the first rigid rod is supported by the first support member. The first support member is fixed to a vibrating body that outputs vibrations having a plurality of frequency components. The other ends in the axial direction of the first magnetostrictive rod and the first rigid rod are held by the first mass member. The first mass member extends or contracts the first magnetostrictive rod and the first rigid rod in the axial direction by relative movement with the first support member. The vibration component of the vibrating body to which the first support member of the first power generation element configured as described above is fixed is acquired by the vibration component acquisition step. Based on the vibration component acquired by the vibration component acquisition step, the natural frequency that is between two different target frequencies within the frequency range of vibration output by the vibrating body and different from the frequency indicating the largest vibration acceleration. Is set in the first power generation element by the natural frequency setting step. As a result, an effect similar to that of the first aspect can be obtained.
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図1は本発明の第1実施の形態における発電装置10の模式図である。図1に示すように発電装置10は第1発電素子11を備えている。第1発電素子11は、磁歪材料(磁性材料の1種)から構成されると共に第1コイル12が巻回される第1磁歪棒13と、磁性材料から構成される第1剛性棒14と、第1磁歪棒13及び第1剛性棒14の軸方向一端側に取着される第1支持部材15と、第1磁歪棒13及び第1剛性棒14の軸方向他端側に取着される第1マス部材16とを備えている。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of a
第1コイル12は、銅線から構成される線材(導線)が巻回された筒状の部材であり、第1磁歪棒13との間に隙間を設けて第1磁歪棒13に外装される。第1磁歪棒13及び第1剛性棒14は、厚さに対して幅が大きな矩形の軸直角断面を有する長尺板状に形成される。第1磁歪棒13及び第1剛性棒14は、互いに略同一形状(寸法)に形成されると共に、面積が大きな平面(即ち、幅を含む平面)同士を対向させて平行に配置される。第1剛性棒14は、第1磁歪棒13より磁歪効果の低い磁性材料から構成される。本実施の形態では、第1磁歪棒13は鉄ガリウム合金製であり、第1剛性棒14は鉄鋼材料製である。第1磁歪棒13及び第1剛性棒14は、第1磁歪棒13と第1剛性棒14との間に取着された永久磁石(図示せず)によってバイアス磁界が加えられており、第1磁歪棒13、第1剛性棒14及び永久磁石によって第1発電素子11に磁気閉回路が形成されている。
The
振動体17は、第1支持部材15が固着される部材であり、複数の周波数成分を有する振動を出力する。振動体17としては、自動車の車体(フレーム)、サスペンションメンバやサイドメンバ等のサブフレーム、サスペンションリンクやサスペンションアーム等の各種パーツ、エンジン、エンジンを車体に弾性支持するトルクロッド等の防振装置が例示される。
The vibrating
第1発電素子11は、振動体17に対して第1支持部材15側を固定端、第1マス部材16側を自由端とした状態で設置され、振動体17の振動に伴って第1磁歪棒13及び第1剛性棒14が位置する平面内を振動させて使用される。この場合、振動に伴う曲げ変形により軸方向の伸長および収縮が第1磁歪棒13及び第1剛性棒14に発生することで、第1磁歪棒13及び第1剛性棒14の軸方向と平行な方向に磁束密度が変化し、第1コイル12に電流が発生することで発電が行われる。
The first
第1発電素子11は、第1マス部材16の質量、第1磁歪棒13及び第1剛性棒14のばね定数により主に決まる固有振動数を有する振動体である。第1発電素子11の共振周波数を振動体17から第1発電素子11に与えると、振動が増幅される。その結果、第1コイル12を貫く磁束密度の変化が大きくなるので、発生電圧を大きくできる。振動体17に入力される振動のうち最も大きい振動加速度を示す周波数と、第1発電素子11の固有振動数とを合致させることで、大きな発生電圧が得られる。
The first
しかし、振動体17は、第1発電素子11の共振周波数以外の周波数成分を有する振動も出力するので、共振周波数以外の周波数成分の振動が発電に利用され難いという問題がある。また、最も大きい振動加速度を示す周波数と、第1発電素子11の固有振動数とを合致させると、共振して第1発電素子11の振幅が大きくなるので、第1磁歪棒13及び第1剛性棒14が破損し易くなるという問題がある。これらの問題を解決するため、第1発電素子11は、振動体17が出力する振動の周波数範囲内の互いに異なる2つの対象周波数の間であって、最も大きい振動加速度を示す周波数とは異なる固有振動数が設定される。
However, since the vibrating
以下、図2を参照して、振動体17が出力する振動の周波数と、第1発電素子11の固有振動数fnと、発電装置10の発生電圧との関係を具体的に説明する。図2は振動の周波数と発生電圧との関係を示す模式図である。図2において横軸は周波数(Hz)である。振動体17の振動の周波数成分は、振動体17に設置した振動センサ(図示せず)から振動体17の変位、速度を含む振動情報を取得した後、この振動情報を高速フーリエ変換(以下「FFT」と称す)により処理することで取得できる。FFTは、離散フーリエ変換を計算機上で高速に計算するアルゴリズムである。本実施の形態では、振動体17の振動情報をFFT処理した結果、振動体17が出力する振動は、周波数f1及び周波数f2にピークが現れる振動成分を有している。周波数f1<周波数f2であり、周波数f1における加速度(振動加速度)は、周波数f2における加速度(振動加速度)より大きい。
Hereinafter, with reference to FIG. 2, the relationship between the frequency of vibration output from the vibrating
第1発電素子11は固有振動数がfnに設定されている。本実施の形態では、固有振動数fnは、2つの対象周波数f1,f3の間にピークとして現れる周波数f2と同じ大きさに設定されている(f1<f2=fn<f3)。対象周波数f1,f3は、第1発電素子11の共振倍率(共振時の伝達率)が所定値A(本実施の形態では5倍)以上の周波数の範囲、且つ、振動体17の振動成分が現れる周波数の範囲に任意に設定される。また、対象周波数f1,f3は、差(f3−f1)が40Hz以下に設定される。
The first
ここで、第1発電素子11の固有振動数fnは、対象周波数f1,f3の間であって、最も大きい振動加速度を示す周波数f1とは異なる周波数f2に設定される。このように第1発電素子11の固有振動数fnを設定することで、固有振動数fnとは異なる周波数(例えばf2やf3)の振動が振動体17から第1発電素子11に加えられたときも、第1発電素子11を振動させて発電ができる(図2参照)。また、周波数f1の振動が第1発電素子11に加えられたときも発電ができる(図2参照)。よって、発電可能な周波数の範囲を広くできる。この場合、第1発電素子11の固有振動数fnを設定するだけで済み、ダイナミックダンパ等の別部品を不要にできるので、部品点数の増加を抑制しつつ発電可能な周波数の範囲を広くできる。また、第1発電素子11の共振倍率5倍以上の周波数の範囲、且つ、FFT処理によって振動体17の振動成分が現れる周波数の範囲に対象周波数f1,f3を設定するので、振動体17の振動の出力によって確実に発電を行うことができる。
Here, the natural frequency fn of the first
ここで、第1発電素子11の固有振動数fnを、対象周波数f1,f3の間で振動加速度が最も大きい周波数f1に設定すると、第1発電素子11が共振して振幅が最大になる。この場合、第1磁歪棒13及び第1剛性棒14が破損し易くなる。しかし、振動加速度が周波数f1より小さい周波数f2に固有振動数fnを設定することで、周波数f1,f2における第1発電素子11の振幅を抑制できるので、第1磁歪棒13及び第1剛性棒14を破損し難くできる。よって、第1発電素子11の耐久性を確保できる。
Here, when the natural frequency fn of the first
また、対象周波数f1,f3は差(f3−f1)が40Hz以下に設定されているので、対象周波数f1,f3の全範囲で第1発電素子11の共振倍率(例えば5倍以上の共振倍率)を確保できる。よって、対象周波数f1,f3の全範囲で振動を増幅して発電できる。その結果、発生電圧を確保しつつ、過大な振動によって第1磁歪棒13及び第1剛性棒14が破損し易くなることを防止できる。
Further, since the difference (f3-f1) between the target frequencies f1 and f3 is set to 40 Hz or less, the resonance magnification of the first power generating element 11 (for example, a resonance magnification of 5 times or more) in the entire range of the target frequencies f1 and f3 Can be secured. Therefore, power can be generated by amplifying the vibration in the entire range of the target frequencies f1 and f3. As a result, it is possible to prevent the first
なお、より好ましくは、対象周波数f1,f3は差(f3−f1)が30Hz以下に設定される。対象周波数f1,f3の差を30Hz以下に設定することで、対象周波数f1,f3の差を40Hz以下にする場合と比較して、対象周波数f1,f3付近の共振倍率を大きくできるからである。 More preferably, the difference (f3-f1) between the target frequencies f1 and f3 is set to 30 Hz or less. This is because by setting the difference between the target frequencies f1 and f3 to 30 Hz or less, the resonance magnification near the target frequencies f1 and f3 can be increased as compared with the case where the difference between the target frequencies f1 and f3 is set to 40 Hz or less.
なお、第1発電素子11の固有振動数fnは、2つの対象周波数f1,f3の大きさ、対象周波数f1,f3における振動加速度の大きさ、振動の各周波数成分の発生頻度の内の1以上の条件に基づいて設定される。固有振動数fnは、対象周波数f1,f3の大きさの単純平均や、対象周波数f1,f3における振動加速度の大きさや発生頻度に重みを付けて算出する加重平均等により求めることができる。
The natural frequency fn of the first
本実施の形態では、対象周波数f1,f3の単純平均値に固有振動数fnを設定するのではなく、対象周波数f1,f3の内の高周波数側の対象周波数f3寄りに現れるピーク(周波数f2)に固有振動数fnが設定されている。発電装置10の発生電圧は第1発電素子11の固有振動数fnの大きさに比例するので、高周波数側の対象周波数f3寄りに固有振動数fnを設定することで、低周波数側の対象周波数f1寄りに固有振動数fnを設定する場合と比較して、発電装置10の発生電圧を大きくできる。
In the present embodiment, the natural frequency fn is not set to the simple average value of the target frequencies f1 and f3, but a peak (frequency f2) that appears near the target frequency f3 on the higher frequency side of the target frequencies f1 and f3. Is set to the natural frequency fn. Since the generated voltage of the
次に図3を参照して、第1実施の形態の変形例について説明する。この変形例は、振動体17が出力する振動成分以外は第1実施の形態と同一なので、第1実施の形態と同一の部分については同一の符号を付して以下の説明を省略する。図3は振動体17(図1参照)が出力する振動の周波数と、発電装置10の発生電圧との関係を示す模式図である。振動体17の振動情報のFFT処理の結果、振動体17が出力する振動は、周波数f4及び周波数f5にピークが現れる振動成分を有している。周波数f4<周波数f5であり、周波数f4における加速度(振動加速度)は、周波数f5における加速度(振動加速度)より大きい。
Next, a modification of the first embodiment will be described with reference to FIG. Since this modification is the same as that of the first embodiment except for the vibration component output by the vibrating
第1発電素子11(図1参照)は2つの対象周波数f4,f5の単純平均値に固有振動数fnが設定されている(f4<fn<f5)。対象周波数f4,f3は、第1発電素子11の共振倍率(共振時の伝達率)が所定値A(本実施の形態では5倍)以上の周波数の範囲、且つ、振動体17の振動成分が現れる周波数の範囲に任意に設定される。また、対象周波数f4,f5は、差(f5−f4)が40Hz以下に設定される。
In the first power generation element 11 (see FIG. 1), the natural frequency fn is set to a simple average value of the two target frequencies f4 and f5 (f4 <fn <f5). The target frequencies f4 and f3 are within a frequency range in which the resonance magnification of the first power generation element 11 (transmissibility at the time of resonance) is equal to or greater than a predetermined value A (5 times in this embodiment), and the vibration component of the vibrating
第1実施の形態と同様に、第1発電素子11の固有振動数fnは、対象周波数f4,f5の間であって、最も大きい振動加速度を示す周波数f4とは異なる周波数に設定される。このように第1発電素子11の固有振動数fnを設定することで、対象周波数f4,f5の振動が加えられたときも、第1発電素子11を振動させて発電ができる。よって、発電可能な周波数の範囲を広くできる。また、隣り合うピークの間の谷の部分に固有振動数fnを設定するので、周波数f4,f5における第1発電素子11の振幅を抑制して耐久性を確保しつつ発生電圧を確保できる。
Similarly to the first embodiment, the natural frequency fn of the first
次に図4を参照して、第1実施の形態の他の変形例について説明する。この変形例は、振動体17が出力する振動成分以外は第1実施の形態と同一なので、第1実施の形態と同一の部分については同一の符号を付して以下の説明を省略する。図4は振動体17(図1参照)が出力する振動の周波数と第1発電素子11の固有振動数fnとの関係を示す模式図である。振動体17の振動情報のFFT処理の結果、振動体17が出力する振動は、周波数f6及び周波数f7にピークが現れる振動成分を有している。周波数f6<周波数f7であり、周波数f6における加速度(振動加速度)は、周波数f7における加速度(振動加速度)より大きい。
Next, another modification of the first embodiment will be described with reference to FIG. Since this modification is the same as that of the first embodiment except for the vibration component output by the vibrating
第1発電素子11(図1参照)は2つの対象周波数f6,f7の間の対象周波数f7寄りに固有振動数fnが設定されている(f6<fn<f7)。対象周波数f6,f7は、第1発電素子11の共振倍率(共振時の伝達率)が5倍以上の周波数の範囲、且つ、振動体17の振動成分が現れる周波数の範囲に任意に設定される。また、対象周波数f6,f7は、差(f7−f6)が40Hz以下に設定される。
In the first power generation element 11 (see FIG. 1), the natural frequency fn is set near the target frequency f7 between the two target frequencies f6 and f7 (f6 <fn <f7). The target frequencies f6 and f7 are arbitrarily set within a frequency range in which the resonance magnification of the first power generation element 11 (resonance rate during resonance) is 5 times or more and a frequency range in which the vibration component of the vibrating
第1実施の形態と同様に、第1発電素子11の固有振動数fnは、対象周波数f6,f7の間であって、最も大きい振動加速度を示す周波数f7とは異なる周波数に設定される。また、隣り合うピークの間の谷の部分に固有振動数fnを設定するので、周波数f6,f7における第1発電素子11の振幅を抑制して耐久性を確保しつつ発生電圧を確保できる。さらに、高周波数側の対象周波数f7寄りに固有振動数fnを設定するので、低周波数側の対象周波数f6寄りに固有振動数fnを設定する場合と比較して、発生電圧を大きくできる。発生電圧は固有振動数fnの大きさに比例するからである。
As in the first embodiment, the natural frequency fn of the first
次に図5を参照して第2実施の形態について説明する。第1実施の形態では、振動体17に発電素子(第1発電素子11)が1つ設置される発電装置10について説明した。これに対し第2実施の形態では、振動体27に発電素子が2つ設置される発電装置20について説明する。なお、第1実施の形態で説明した部分と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。図5(a)は第2実施の形態における発電装置20の模式図であり、図5(b)は振動体27が出力する振動の周波数と発電装置20の固有振動数fn,foとの関係を示す模式図である。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. In the first embodiment, the
図5(a)に示すように発電装置20は第1発電素子11と第2発電素子21とを備えている。第2発電素子21は、磁歪材料(磁性材料の1種)から構成されると共に第2コイル22が巻回される第2磁歪棒23と、磁性材料から構成される第2剛性棒24と、第2磁歪棒23及び第2剛性棒24の軸方向一端側に取着される第2支持部材25と、第2磁歪棒23及び第2剛性棒24の軸方向他端側に取着される第2マス部材26とを備えている。
As shown in FIG. 5A, the
第2コイル22は、銅線から構成される線材(導線)が巻回された筒状の部材であり、第2磁歪棒23との間に隙間を設けて第2磁歪棒23に外装される。第2磁歪棒23及び第2剛性棒24は、厚さに対して幅が大きな矩形の軸直角断面を有する長尺板状に形成される。第2磁歪棒23及び第2剛性棒24は、互いに略同一形状(寸法)に形成されると共に、面積が大きな平面(即ち、幅を含む平面)同士を対向させて平行に配置される。第2剛性棒24は、第2磁歪棒23より磁歪効果の低い磁性材料から構成される。本実施の形態では、第2磁歪棒23は鉄ガリウム合金製であり、第2剛性棒24は鉄鋼材料製である。第2磁歪棒23及び第2剛性棒24は、第2磁歪棒23と第2剛性棒24との間に取着された永久磁石(図示せず)によってバイアス磁界が加えられており、第2磁歪棒23、第2剛性棒24及び永久磁石によって第2発電素子21に磁気閉回路が形成されている。
The
振動体27は、第2支持部材25及び第1発電素子11の第1支持部材15が固着される部材であり、複数の周波数成分を有する振動を出力する。第2発電素子21は、振動体27に対して第2支持部材25側を固定端、第2マス部材26側を自由端とした状態で設置され、振動体27の振動に伴って第2磁歪棒23及び第2剛性棒24が位置する平面内を振動させて使用される。この場合、振動に伴う曲げ変形により軸方向の伸長および収縮が第2磁歪棒23及び第2剛性棒24に発生することで、第2磁歪棒23及び第2剛性棒24の軸方向と平行な方向に磁束密度が変化し、第2コイル22に電流が発生することで発電が行われる。
The vibrating
第2発電素子21は、第2マス部材26の質量、第2磁歪棒23及び第2剛性棒24のばね定数により主に決まる固有振動数foを有する振動体である。第2発電素子21の共振周波数を振動体27から第2発電素子21に与えると、振動が増幅される。その結果、第2コイル22を貫く磁束密度の変化が大きくなるので、発生電圧を大きくできる。
The second
図5(b)に示すように、振動体27の振動情報のFFT処理の結果、振動体27が出力する振動は、周波数f8及び周波数f8にピークが現れる振動成分を有している。周波数f8<周波数f9であり、周波数f8における加速度(振動加速度)は、周波数f9における加速度(振動加速度)より大きい。
As shown in FIG. 5B, as a result of the FFT processing of the vibration information of the vibrating
第1発電素子11は2つの対象周波数f8,f9の間の対象周波数f8寄りに固有振動数fnが設定されている。また、第2発電素子21は対象周波数f8,f9の間の対象周波数f9寄りに固有振動数foが設定されている(f8<fn<fo<f9)。対象周波数f8は、第1発電素子11の共振倍率(共振時の伝達率)が5倍以上の周波数の範囲、且つ、振動体27の振動成分が現れる周波数の範囲に任意に設定される。対象周波数f9は、第2発電素子21の共振倍率(共振時の伝達率)が5倍以上の周波数の範囲、且つ、振動体27の振動成分が現れる周波数の範囲に任意に設定される。なお、対象周波数f8,f9は差(f9−f8)が40Hzより大きく、且つ、80Hz以下に設定される。
In the first
第1発電素子11の固有振動数fn及び第2発電素子21の固有振動数foは、対象周波数f8,f9の間であって、最も大きい振動加速度を示す周波数f8とは異なる周波数fn,foに設定される。このように発電装置20の固有振動数fn,foを設定することで、固有振動数fn,foとは異なる周波数(例えばf8やf9)の振動が振動体27から発電装置20に加えられたときも、第1発電素子11及び第2発電素子21を振動させて発電ができる。よって、発電可能な周波数の範囲を広くできる。
The natural frequency fn of the first
また、対象周波数f8,f9は差(f9−f8)が40Hzを超えて80Hz以下に設定されているので、第1実施の形態と比較して、より広い範囲の周波数成分の振動を発電に利用できる。また、第1発電素子11及び第2発電素子21が、対象周波数f8,f9付近の共振倍率(例えば5倍以上の共振倍率)をそれぞれ確保できるので、対象周波数f8,f9の全範囲で振動を増幅して発電できる。その結果、発生電圧を確保できる周波数帯域を広げつつ、過大な振動によって発電装置20が破損し易くなることを防止できる。
In addition, since the difference (f9−f8) is set to be over 80 Hz and below 80 Hz in the target frequencies f8 and f9, compared with the first embodiment, vibrations in a wider range of frequency components are used for power generation. it can. In addition, since the first
以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。例えば、上記実施の形態で挙げた数値は一例であり、他の数値を採用することは当然可能である。 The present invention has been described above based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various improvements and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. It can be easily guessed. For example, the numerical values given in the above embodiment are merely examples, and other numerical values can naturally be adopted.
上記各実施の形態では、第1磁歪棒13や第2磁歪棒23(以下「磁歪棒」と称す)に第1コイル12や第2コイル22(以下「コイル」と称す)を巻回する場合を説明したが、必ずしもこれに限られるのもではなく、磁歪棒と第1剛性棒14、第2剛性棒24(以下「剛性棒」と称す)の両者にそれぞれコイルを巻回しても良い。なお、この場合には、磁歪棒と剛性棒を同じ磁歪材料から構成する(即ち、剛性棒を磁歪棒よりも磁歪効果の低い材料で構成する必要はない)。また、筒型のコイルに限られるものではなく、平面コイルを採用することは当然可能である。
In each of the above embodiments, when the
上記各実施形態では、磁歪棒と剛性棒との対向間に永久磁石が配置される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、永久磁石に代えて、電磁石を利用するものを採用できる。また、第1発電素子11や第2発電素子21の系外からの磁場により磁気回路に漏れ磁束が発生する構成であれば、第1発電素子11や第2発電素子21の系外に磁石を配置した構成とすることは可能である。また、永久磁石や電磁石の起磁力により磁歪棒および剛性棒にバイアス磁界を印加するバックヨークを設けることも可能である。
In each of the above embodiments, the case where the permanent magnet is disposed between the magnetostrictive rod and the rigid rod has been described, but the present invention is not necessarily limited thereto. For example, instead of a permanent magnet, an electromagnet can be used. In addition, if the magnetic flux from the outside of the first
上記各実施の形態では、磁歪棒および剛性棒の寸法(即ち、厚さ及び幅)を略同一とする場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、磁歪棒の寸法に対し、剛性棒の寸法を異なる値(厚さ及び幅の一方のみ又は両方が異なる値)としても良い。 In each of the above-described embodiments, the case where the dimensions (that is, the thickness and the width) of the magnetostrictive rod and the rigid rod are substantially the same has been described. However, the present invention is not necessarily limited to this. The bar dimensions may be different values (one or both of the thickness and width differ).
上記各実施の形態では、磁歪棒および剛性棒を断面矩形に形成する場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の形状とすることは当然可能である。他の形状としては、断面方形、断面円形、断面楕円形、断面多角形(例えば、断面六角形)などが例示される。 In each of the above-described embodiments, the case where the magnetostrictive rod and the rigid rod are formed in a rectangular cross section has been described. However, the present invention is not necessarily limited to this, and other shapes are naturally possible. Examples of other shapes include a square cross section, a circular cross section, an elliptical cross section, and a polygonal cross section (for example, a hexagonal cross section).
なお、例えば、磁歪棒などを断面円形としたことで、永久磁石と線接触となり、接触面積が確保できない場合には、永久磁石の寸法または起磁力を大きくするか、或いは、磁歪棒などと永久磁石との間に磁性体からなり両者の形状に対応した形状(即ち、両者に面接触する形状)のスペーサを介在させ、接触面積を確保することが好ましい。これらにより、付与可能なバイアス磁界の増加を図ることができるからである。 For example, if the magnetostrictive rod or the like has a circular cross section, the permanent magnet is brought into line contact, and if the contact area cannot be secured, the size or magnetomotive force of the permanent magnet is increased or the magnetostrictive rod or the like is permanently attached. It is preferable to secure a contact area by interposing a spacer made of a magnetic material between the magnet and a shape corresponding to both shapes (that is, a shape in surface contact with both). This is because the bias magnetic field that can be applied can be increased.
上記第2実施の形態では、振動体27に発電素子(第1発電素子11及び第2発電素子21)が2つ設置される場合について説明したが、振動体27が出力する振動の周波数帯域が広い場合には、その帯域の広さに応じて3つ以上の発電素子を設置することは当然可能である。
In the second embodiment, the case where two power generation elements (the first
10,20 発電装置
11 第1発電素子
12 第1コイル
13 第1磁歪棒
14 第1剛性棒
15 第1支持部材
16 第1マス部材
17,27 振動体
21 第2発電素子
22 第2コイル
23 第2磁歪棒
24 第2剛性棒
25 第2支持部材
26 第2マス部材
f1,f3,f4,f5,f6,f7,f8,f9 対象周波数
fn,fo 固有振動数
DESCRIPTION OF
Claims (6)
磁性材料から棒状に構成されると共に前記第1磁歪棒に対向して配置される第1剛性棒と、
前記第1剛性棒および前記第1磁歪棒の内の少なくとも前記第1磁歪棒に配設される第1コイルと、
前記第1磁歪棒および前記第1剛性棒の軸方向一端側を支持すると共に、複数の周波数成分を有する振動を出力する振動体に固着される第1支持部材と、
前記第1磁歪棒および前記第1剛性棒の軸方向他端側を保持し、前記第1支持部材との相対移動により前記第1磁歪棒および前記第1剛性棒を軸方向に伸長または収縮する第1マス部材とを備える第1発電素子を備え、
前記第1発電素子は、前記振動体が出力する振動の周波数範囲内の互いに異なる2つの対象周波数の間であって、最も大きい振動加速度を示す周波数とは異なる固有振動数が設定されていることを特徴とする発電装置。 A first magnetostrictive rod configured in a rod shape from a magnetostrictive material;
A first rigid bar configured in a rod shape from a magnetic material and disposed opposite to the first magnetostrictive bar;
A first coil disposed on at least the first magnetostrictive rod of the first rigid rod and the first magnetostrictive rod;
A first support member that supports one end side in the axial direction of the first magnetostrictive rod and the first rigid rod, and is fixed to a vibrating body that outputs vibration having a plurality of frequency components;
The other ends of the first magnetostrictive rod and the first rigid rod are held in the axial direction, and the first magnetostrictive rod and the first rigid rod are extended or contracted in the axial direction by relative movement with the first support member. A first power generation element including a first mass member;
The first power generating element has a natural frequency that is between two different target frequencies within a frequency range of vibration output by the vibrating body and different from a frequency that indicates the largest vibration acceleration. A power generator characterized by the above.
磁性材料から棒状に構成されると共に前記第2磁歪棒に対向して配置される第2剛性棒と、
前記第2剛性棒および前記第2磁歪棒の内の少なくとも前記第2磁歪棒に配設される第2コイルと、
前記第2磁歪棒および前記第2剛性棒の軸方向一端側を支持すると共に前記振動体に固着される第2支持部材と、
前記第2磁歪棒および前記第2剛性棒の軸方向他端側を保持し、前記第2支持部材との相対移動により前記第2磁歪棒および前記第2剛性棒を軸方向に伸長または収縮する第2マス部材とを備える第2発電素子を備え、
前記第2発電素子は、前記2つの対象周波数の間であって、最も大きい振動加速度を示す周波数と異なり、且つ、前記第1発電素子の固有振動数と異なる固有振動数に設定されていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の発電装置。 A second magnetostrictive rod configured in a rod shape from a magnetostrictive material;
A second rigid rod configured in a rod shape from a magnetic material and disposed opposite to the second magnetostrictive rod;
A second coil disposed on at least the second magnetostrictive rod of the second rigid rod and the second magnetostrictive rod;
A second support member that supports one end side in the axial direction of the second magnetostrictive rod and the second rigid rod and is fixed to the vibrating body;
The other ends of the second magnetostrictive rod and the second rigid rod are held in the axial direction, and the second magnetostrictive rod and the second rigid rod are extended or contracted in the axial direction by relative movement with the second support member. A second power generation element including a second mass member;
The second power generation element is set to a natural frequency that is between the two target frequencies, is different from a frequency indicating the largest vibration acceleration, and is different from a natural frequency of the first power generation element. The power generation device according to any one of claims 1 to 4, wherein:
磁性材料から棒状に構成されると共に前記第1磁歪棒に対向して配置される第1剛性棒と、
前記第1剛性棒および前記第1磁歪棒の内の少なくとも前記第1磁歪棒に配設される第1コイルと、
前記第1磁歪棒および前記第1剛性棒の軸方向一端側を支持すると共に、複数の周波数成分を有する振動を出力する振動体に固着される第1支持部材と、
前記第1磁歪棒および前記第1剛性棒の軸方向他端側を保持し、前記第1支持部材との相対移動により前記第1磁歪棒および前記第1剛性棒を軸方向に伸長または収縮する第1マス部材とを備える第1発電素子の前記第1支持部材が固着される前記振動体の振動成分を取得する振動成分取得工程と、
その振動成分取得工程により取得された振動成分に基づいて、前記振動体が出力する振動の周波数範囲内の互いに異なる2つの対象周波数の間であって、最も大きい振動加速度を示す周波数とは異なる固有振動数を、前記第1発電素子に設定する固有振動数設定工程とを備えていることを特徴とする発電装置の設計方法。 A first magnetostrictive rod configured in a rod shape from a magnetostrictive material;
A first rigid bar configured in a rod shape from a magnetic material and disposed opposite to the first magnetostrictive bar;
A first coil disposed on at least the first magnetostrictive rod of the first rigid rod and the first magnetostrictive rod;
A first support member that supports one end side in the axial direction of the first magnetostrictive rod and the first rigid rod, and is fixed to a vibrating body that outputs vibration having a plurality of frequency components;
The other ends of the first magnetostrictive rod and the first rigid rod are held in the axial direction, and the first magnetostrictive rod and the first rigid rod are extended or contracted in the axial direction by relative movement with the first support member. A vibration component acquisition step of acquiring a vibration component of the vibrating body to which the first support member of the first power generation element including the first mass member is fixed;
Based on the vibration component acquired by the vibration component acquisition step, the frequency is different between two different target frequencies within the frequency range of vibration output by the vibrating body, and is different from the frequency indicating the largest vibration acceleration. A power generator design method comprising: a natural frequency setting step of setting a frequency in the first power generation element.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014204371A JP2016077037A (en) | 2014-10-03 | 2014-10-03 | Power generation device and power generation device design method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014204371A JP2016077037A (en) | 2014-10-03 | 2014-10-03 | Power generation device and power generation device design method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2016077037A true JP2016077037A (en) | 2016-05-12 |
Family
ID=55951804
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2014204371A Pending JP2016077037A (en) | 2014-10-03 | 2014-10-03 | Power generation device and power generation device design method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2016077037A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018142714A1 (en) * | 2017-01-31 | 2018-08-09 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Power generation device |
| WO2018207507A1 (en) * | 2017-05-09 | 2018-11-15 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Power generation device and sensor-incorporated body using same |
| JP2020043725A (en) * | 2018-09-13 | 2020-03-19 | 富士電機株式会社 | Power generator |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011158473A1 (en) * | 2010-06-18 | 2011-12-22 | 国立大学法人金沢大学 | Power generation element and power generation apparatus provided with power generation element |
| WO2012137695A1 (en) * | 2011-04-07 | 2012-10-11 | 株式会社村田製作所 | Piezoelectric power generator |
-
2014
- 2014-10-03 JP JP2014204371A patent/JP2016077037A/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011158473A1 (en) * | 2010-06-18 | 2011-12-22 | 国立大学法人金沢大学 | Power generation element and power generation apparatus provided with power generation element |
| WO2012137695A1 (en) * | 2011-04-07 | 2012-10-11 | 株式会社村田製作所 | Piezoelectric power generator |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018142714A1 (en) * | 2017-01-31 | 2018-08-09 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Power generation device |
| WO2018207507A1 (en) * | 2017-05-09 | 2018-11-15 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Power generation device and sensor-incorporated body using same |
| CN110603726A (en) * | 2017-05-09 | 2019-12-20 | 松下知识产权经营株式会社 | Power generation device and sensor-embedded body using same |
| JP2020043725A (en) * | 2018-09-13 | 2020-03-19 | 富士電機株式会社 | Power generator |
| JP7218522B2 (en) | 2018-09-13 | 2023-02-07 | 富士電機株式会社 | generator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6036143B2 (en) | Power generator | |
| JP2011217431A (en) | Vibration generator using blade spring and blade spring for vibration generators | |
| JP6174053B2 (en) | Magnetostrictive vibration power generator | |
| JP2016077037A (en) | Power generation device and power generation device design method | |
| JP6125344B2 (en) | Magnetostrictive vibration power generator | |
| Sun et al. | Tunable electromagnetic shunt damper with opposing magnets configuration | |
| JP5943423B2 (en) | Power generator | |
| CN106233609A (en) | Trt | |
| JP5890721B2 (en) | Power generation element | |
| JP6266991B2 (en) | Vibration power generator | |
| CN106877739B (en) | The multidirectional pull-type bistable state vibrational energy catcher of magnetic | |
| JP6155009B2 (en) | Power generator | |
| JP5936514B2 (en) | Power generation unit | |
| JP6991685B2 (en) | Vibration power generator | |
| JP2015177552A (en) | power generator | |
| JP6125366B2 (en) | Vibration power generator using magnetostrictive element | |
| JP5940343B2 (en) | Power generation element | |
| JP6064748B2 (en) | Power generator | |
| JP2017022958A (en) | Vibration power generation device | |
| JP2014011843A (en) | Vibration power generator and design method thereof | |
| JP6232337B2 (en) | Magnetostrictive vibration power generator | |
| JP6182258B2 (en) | Vibration generator | |
| WO2014168007A1 (en) | Power generation device | |
| JP5346137B1 (en) | Giant magnetostrictive actuator | |
| JP2019088112A (en) | Power generator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170619 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20180416 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180424 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20181113 |