無線センシングのための広帯域カオス振動発電デバイスの開発

无线传感宽带混沌振动发电装置的研制

• 批准号: 14J01463
• 负责人: 佐藤 孝洋
• 金额: $ 0.77万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-25 至 2015-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J01463/
• 关键词: 振動発電; 環境発電; 有限要素法

本研究では，無線センサを自律動作させるに足る電力を，微小振動源から回収するための電磁誘導型振動発電(以降では振動発電と記す)を開発することである。振動発電は，電磁誘導現象を利用し，微小な振動から数十μW～数mWの電力を取り出す環境発電デバイスである。振動発電は高いメンテナンスフリー性を持つため，RFID等の小電力で駆動する電子機器の電源に用いることで，それらをバッテリ交換なしで長期間使用可能にでき，様々な新システムの構築が可能になると期待される。振動発電の実用化に当たっては，発電効率の改善と、発電可能な動作帯域を拡大する必要がある。すなわち，発電量・帯域幅の大きな新たな構造のデバイスを開発することが必要である。広帯域・高出力な新たなデバイスを設計するため，コイル内に磁性体を埋めこんだ新たな構造を提案した。この構造により，磁性体と磁石の間に生じる非線形な電磁力を利用することで，デバイスの挙動に非線形性を付与できる。これにより，デバイスが非線形振動をするため，従来の線形デバイスに比べて動作帯域を拡大することができる。さらに，コイル内に磁性体があることで，コイルに鎖交する磁束量が増加し，発電量の増加も同時に期待できる。提案した構造の特性を有限要素法により解析したところ，帯域幅が広いこと，カオス振動が発生し，帯域幅が拡大することが示された。そこでデバイスを試作し，加振器で一定の振動を加え，周波数を変更して負荷に生じる電圧を測定した。その結果，提案した構造では，約40Hzから70Hzまで，生じる電圧がほぼ一定値となっており，広帯域化が実現できることが実験からも示された。

In this study, the development of electromagnetically induced vibration generation (electro-vibration generation) from small vibration sources in wireless autonomous operation was investigated. Vibration and electromagnetic induction phenomenon can be used to extract electric power from small vibrations ranging from tens of μW to several mW. Vibration transmission is highly sensitive to high temperature and high stability. RFID and other small electric power can be used as power supply for electronic machines. It is expected that the new system construction may be possible for long-term use. When the application of vibration transmission is completed, it is necessary to improve the transmission efficiency and enlarge the possible operation range of the transmission. It is necessary to develop a new structure with a large amplitude of electric energy. The new design of magnetic materials with high strength in the field The structure of the magnetic body and the magnet generate a non-linear electromagnetic force, which is used to impart non-linear properties to the magnetic body. The linear vibration field is larger than the linear vibration field. In the meantime, the magnetic material inside the cylinder increases, the amount of magnetic beam locked in the cylinder increases, and the amount of electric energy increases. The proposed structure is characterized by finite element analysis, band amplitude analysis, band vibration analysis and band amplitude analysis. For example, the vibration of the vibrator is increased, the frequency of the vibration is changed, and the voltage is measured. As a result, the proposed structure is about 40Hz and 70Hz, and the voltage generated is constant and localized.

项目成果

Model order reduction for moving objects: fast simulation of vibration energy harvesters

• DOI: 10.1108/compel-02-2015-0043
• 发表时间: 2015-09
• 期刊: Compel-the International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering
• 影响因子: 0.7
• 作者: Takahiro Sato;Yuki Sato;H. Igarashi

A Bistable Vibration Energy Harvester with Closed Magnetic Circuit

具有闭合磁路的双稳态振动能量收集器

• DOI: 10.1088/1742-6596/557/1/012081
• 发表时间: 2014
• 期刊: Journal of Physics: Conference Series
• 作者: Takahiro Sato;Hajime Igarashi
• 通讯作者: Hajime Igarashi

A Chaotic Vibration Energy Harvester Using Magnetic Material

使用磁性材料的混沌振动能量收集器

• DOI: 10.1088/0964-1726/24/2/025033
• 发表时间: 2015
• 期刊: Smart Materials and Structures
• 影响因子: 4.1
• 作者: Takahiro Sato;Hajime Igarashi
• 通讯作者: Hajime Igarashi

An Electromagnetic Vibration Energy Harvester With Strong Electro-mechanical Coupling

具有强机电耦合的电磁振动能量收集器

• 发表时间: 2014
• 作者: Takahiro Sato;Hajime Igarashi
• 通讯作者: Hajime Igarashi