High-power broadband vibration energy harvesting by a low-loss nonlinear oscillator using diamagnetic levitation

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．2022年度は，(1)反磁性複合材料板による渦電流損失低減効果の実験的検証，(2)反磁性複合材料板を用いた角筒型および多角形筒型磁気浮上振動子の磁気浮上安定化のための有限要素法解析スキームによるパラメータスタディ，(3)広帯域非線形振動子の設計論の確立，(4)セルフパワード応答安定化制御の実験的検証を行った．まず(1)について，初年度に開発した反磁性複合材料板を用いた水平振動子を作成し，100以上のQ値を持つ振動子を実現した．(2)では，この反磁性複合材料板を管壁として用いた多角形筒に磁石を封入し，それを別の固定磁石により軸方向に浮上支持した磁気浮上振動子を安定化するための設計論を確立すべく網羅的なパラメータスタディを行った．しかし実用的に有用な40Hz-80Hz程度の共振帯域を持ち，管壁と非接触で浮上可能な振動子の設計を見出すことはできなかった．浮上振動子の固有振動数は，磁石および反磁性材料の形状と配置，磁石の密度と磁束密度，および反磁性材料の負の磁化率で決定されるが，材料物性から決まる固有振動数の上限値が存在するものと推察された．(3)では，実用的な広帯域ハーベスタの設計論として対称ハードニング振動子の設計論を確立した．さらに(4)では，初年度に行ったエネルギー収支解析と(3)の設計理論に基づき，小型のハードニング型ハーベスタを設計製作し，マイコンおよびスイッチング回路以外の電力を自己給電する応答安定化制御を実現し，連続動作が可能であることを示した．

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．2022年度は，(1)反磁性複合材料板による渦電流損失低減効果の実験的検証，(2)反磁性複合材料板を用いた角筒型および多角形筒型磁気浮上振動子の磁気浮上安定化のための有限要素法解析スキームによるパラメータスタディ，(3)広帯域非線形振動子の設計論の確立，(4)セルフパワード応答安定化制御の実験的検証を行った．まず(1)について，初年度に開発した反磁性複合材料板を用いた水平振動子を作成し，100以上のQ値を持つ振動子を実現した．(2)では，この反磁性複合材料板を管壁として用いた多角形筒に磁石を封入し，それを別の固定磁石により軸方向に浮上支持した磁気浮上振動子を安定化するための設計論を確立すべく網羅的なパラメータスタディを行った．しかし実用的に有用な40Hz-80Hz程度の共振帯域を持ち，管壁と非接触で浮上可能な振動子の設計を見出すことはできなかった．浮上振動子の固有振動数は，磁石および反磁性材料の形状と配置，磁石の密度と磁束密度，および反磁性材料の負の磁化率で決定されるが，材料物性から決まる固有振動数の上限値が存在するものと推察された．(3)では，実用的な広帯域ハーベスタの設計論として対称ハードニング振動子の設計論を確立した．さらに(4)では，初年度に行ったエネルギー収支解析と(3)の設計理論に基づき，小型のハードニング型ハーベスタを設計製作し，マイコンおよびスイッチング回路以外の電力を自己給電する応答安定化制御を実現し，連続動作が可能であることを示した．