2016 Fiscal Year Research-status Report
積層セラミック磁気回路を用いたMEMS発電機の開発
| Project/Area Number |
16K18055
|
|---|
| Research Institution | Nihon University |
|---|
Principal Investigator |
高藤 美泉 日本大学, 理工学部, 助手 (30755418)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | タービン / MEMS / ベアリング / 電磁誘導式 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では5㎜程度と小型な電磁誘導式発電機の研究開発を行う。
本年度の研究計画では、電磁誘導式発電機の回転機構を担う部分であるタービンの開発について小型軸受機構であるベアリングを導入したエアタービン発電機の設計・開発を目的としていた。これまでの研究では軸受に空気軸受機構を用いていたが、空気軸受機構では回転時のロータが偏心運動を示すことから高速回転を抑制していると考えられる。そこで、ベアリングを導入し回転時の偏心運動を抑制する設計とした。作製したエアタービン部品は、IC作製技術を基本としたシリコン微細加工技術であるMEMS工程を用いた。また、ベアリングは内部に配置すると組み立て時の誤差が大きくなり挿入空気の漏洩につながることから、タービン機構の上部に配置し軸を通して回転ロータおよび磁石をタービン内部に配置する設計とした。作製したタービンで回転実験を行った結果、流入空気の流量を毎分1.0リットル、圧力0.3MPaの圧搾窒素により毎分22,700回転の回転動作を得た。また、回転時の軸の挙動を観察した結果、偏心運動の抑制が確認できた。また、偏心運動の同様の条件で空気軸受を用いたタービンの回転実験を行った結果は毎分18,000回転であったことからも、回転時の偏心運動が抑制され回転数が向上したと考えられる。
また、もう一つの目的として磁気回路の一体化における検討も挙げる。空気軸受を採用したエアタービンではロータの回転時の摩擦を軽減するためにロータ下部に浮上用の流路を形成する必要があった。しかし、磁石がロータ下に接着していることから磁気回路と磁石の距離が広くなり磁束の漏洩が課題となっていた。しかし、本設計では軸とベアリングを用いることで回転部分であるロータが軸に支えられている。そのため、磁石周辺に機構部品を形成する必要がなくなることからヨークで導入する磁気回路が有効であることがわかった。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の目的は小型軸受機構を導入したエアタービン機構の設計と試作であった。この設計・試作を通して導入における問題点や課題の明確化も目的とした。また、これまでの設計では磁気回路に組み合わせるために部品が複雑化し挿入圧搾空気のリーク等の問題が懸念されたことから、試作をすることで設計の最適化もおこなった。設計においては内部に軸受機構を導入した設計と上部に導入した設計をそれぞれ試作・回転実験を行った。その結果から、内部に導入した設計では組み立て時に組み立て誤差が生じやすく回転動作を妨げることが分かった。また、上部に配置した軸受機構は組み立てが容易でありまた回転動作の確認が容易であることが分かった。しかし、軸受機構が上部に一つのみであると軸が振れてしまうことも明らかになったことから軸を支える軸受機構は上下の2点とすることが必要であることがわかった。
また、磁気回路との一体化においては軸機構を導入したことから回転部分であるロータと磁石を一体化する必要がなくなるため設計における自由度が増えたといえる。
|
| Strategy for Future Research Activity |
来年度以降の研究計画としてエアタービン機構と組み合わせるための磁気回路の設計・試作と積層セラミック磁気回路の作製プロセスについて研究開発を行う。磁気回路の設計においては磁場解析もおこなう。
組合せのための設計・試作では磁気回路の形状と磁石に対する配置の検討を行う。28年度の研究で軸機構を導入したことからロータと磁石を一体化する必要がない。そのため、ロータに接着した軸を通して磁石のみをエアタービン機構の外部に配置し、その両側に磁性ヨークを配置し誘導する磁気回路を設計・試作をおこなう。また、軸機構の上下に磁石を配置しその間に磁気回路を形成することで効率よく磁束を誘導する機構を検討する。また、磁気回路の作製プロセスについても低抵抗化・磁性材料は一の最適化を行う。これにより回転機構を最適化したエアタービンと磁束の誘導を最適化した磁気回路を作製する。
|
| Causes of Carryover |
申請する予定であった国際学会のための査読付き予稿集の英文校正を出さなかったため
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
来年度以降の国際学会および査読付き予稿集の英文校正・論文投稿料として28年度繰り越し分の交付金を使用する。また、前年度購入したシリコンウェハ等原料にかかる金額についても28年度の設計・試作に多く利用したため、原料費の購入にも利用する。
|
-
-
[Presentation] Monolithic Magnetic Circuit for MEMS Magnetic Device2016
Author(s)
Minami Takato, Kaito Mishima, Kazuya Kudo, Yuxuan Han, Ken Saito, Fumio Uchikoba
Organizer
the 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON2016)
Place of Presentation
Firenze (Florence), （Italy）
Year and Date
2016-10-24 – 2016-10-27
Int'l Joint Research
-
-
