| 研究課題/領域番号 |
21K03936
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| 研究機関 | 京都工芸繊維大学 |
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研究代表者 |
増田 新 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (90252543)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 環境振動発電 / 非線形振動 / 反磁性 / 磁気浮上 / 渦電流 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は，永久磁石を用いたコンパクトな非線形磁気ばね振動子に反磁性体による受動的磁気浮上技術を組み合わせることにより，大ストローク・極低損失の非線形磁気浮上磁気ばね振動子を開発，非線形振動子を用いた広帯域振動発電デバイスにおける高出力応答を保証するための大域的応答安定化制御のセルフパワード化を達成しようとするものである．
2021年度は，(1)渦電流に対する高い抵抗率を有する反磁性複合材料板の開発と，(2)応答安定化制御のエネルギー収支の解析研究を行った．まず(1)について．反磁性材料である熱分解グラファイト板は導電材料であるため，磁気浮上磁気ばね振動子において浮上磁石がすると大きな渦電流損失が発生する．これを低減するためには渦電流の面内伝導を阻害する必要がある．そこで，圧電セラミックス複合材料の作成に用いられる dice and fill 法を応用して，熱分解グラファイト板を細片化し，間をエポキシ樹脂で充填した反磁性複合材料板の作成プロセスを確立した．また，有限要素法解析により，磁気浮上安定化と渦電流損失低減を両立させるための再編サイズについて検討した．作成した反磁性複合材料板を用いた磁気浮上水平方向振動子を現在製作中であり，低損失化の効果を実験的に検証する予定である．
次に(2)について．非線形振動子を用いた広帯域振動発電デバイスでは，複数解が共存する共振帯域において高エネルギー分枝上での応答を安定維持するための応答安定化制御が必要である．この制御にかかるエネルギーは自ら発電して蓄積したエネルギーで自給自足する必要がある．そこで，制御動作中および待機中のエネルギー収支成立条件を導出し，整流回路における昇圧比がクリティカルな設計パラメータであることを明らかにするとともに，Cockcroft-Walton整流回路を用いた回路設計を行った．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
反磁性複合材料板の開発については，安定した加工プロセスを順調に見いだすことができた．なお，当初計画では細片化のために精密ダイシング加工を利用する予定だったが，極細エンドミルによる溝加工で安価に代替することができた．また，反磁性板と永久磁石との作用力の解析スキームを確立した．これによって第2年度に予定通り円筒型磁気浮上振動子の開発に着手するための準備が整った．また，非線形振動子の高エネルギー解応答安定化制御のセルフパワード化に向けたエネルギー収支の解析を完了し，これによって最終年度に向けて応答安定化制御基板の開発に着手する準備が整った．
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| 今後の研究の推進方策 |
第2年度は，まず初年度に製作した反磁性複合材料板による渦電流損失低減効果を実験的に検証する．初年度で確立した有限要素法解析スキームを用いて円筒型磁気浮上振動子の磁気浮上安定化のためのパラメータスタディを行う．次に，反磁性複合材料板を用いて作成した反磁性円筒（または角筒）を用いて，可動磁石を円筒内で完全非接触保持した非対称ソフトニング振動子のデザインを確立する．さらに全体を真空封止することによって振動時の摩擦損失と流体抵抗損失を低減し，cmオーダーのストロークと高Q値を兼ね備えた非線形振動子を実現する．それと同時に，定常加振を受ける非対称非線形振動子の過渡応答の近似解法を開発し，応答安定化制御則の設計法を確立する．最終年度において，磁気浮上非線形振動子に応答安定化制御を適用し，そのセルフパワード化を達成する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
反磁性複合材料板の開発が予定より順調に進み、予定していた外注加工を使わずに内作が可能になったため。次年度使用額は、2022年度に予定している円筒振動子開発の材料費に充当する予定である。
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