JP2021136734A - Power generator - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、振動を利用する発電において、逆磁歪素子に印加された機械エネルギーを電気エネルギーに変換する逆磁歪効果を使用する発電装置に関する。 The present disclosure relates to a power generation device that uses a reverse magnetostrictive effect that converts mechanical energy applied to a reverse magnetostrictive element into electrical energy in power generation using vibration.
振動発電には、圧電方式、静電誘導方式、電磁誘導方式、磁歪方式などがある。圧電素子(ピエゾ素子)を使用した圧電方式では、圧電素子の脆弱性により機械的な耐久性が低いという課題がある。静電誘導方式では、一般的にSi(シリコン)基板を用いたMEMS(Micro Mechanical System)デバイスが用いられるが、半導体プロセスを用いるため高コスト化しやすい。また、金属のような延性を持たないため、圧電方式と同様に耐久性に問題がある。電磁誘導方式では、可動部があるため、小型化が難しいという課題がある。
一方、金属系の磁歪材料を使用した磁歪方式は、磁歪素子が延性材料であるため、機械的特性や加工性に優れる。また、磁歪方式は、電気的にもインピーダンスが低いため、発電デバイスとつながる各種回路への適応性が高い。
Vibration power generation includes a piezoelectric method, an electrostatic induction method, an electromagnetic induction method, a magnetostrictive method, and the like. The piezoelectric method using a piezoelectric element (piezo element) has a problem that mechanical durability is low due to the vulnerability of the piezoelectric element. In the electrostatic induction method, a MEMS (Micro Mechanical System) device using a Si (silicon) substrate is generally used, but since a semiconductor process is used, the cost tends to be high. Moreover, since it does not have ductility like metal, there is a problem in durability as in the piezoelectric method. The electromagnetic induction method has a problem that it is difficult to miniaturize because it has a moving part.
On the other hand, the magnetostrictive method using a metal-based magnetostrictive material is excellent in mechanical properties and workability because the magnetostrictive element is a ductile material. Further, since the magnetostrictive method has a low impedance electrically, it is highly adaptable to various circuits connected to a power generation device.
磁歪式振動発電は、磁歪素子に応力を加えることで、逆磁歪効果により発生する磁力線を変化させ、電磁誘導の法則により、磁歪素子の周囲に巻かれたコイルに起電力を発生させることにより、機械エネルギーを電気エネルギーに変化する発電方式である。 Magnetostrictive vibration power generation changes the magnetic field lines generated by the magnetostrictive effect by applying stress to the magnetostrictive element, and generates electromotive force in the coil wound around the magnetostrictive element according to the law of electromagnetic induction. It is a power generation method that changes mechanical energy into electrical energy.
例えば、特許文献1には、磁歪式振動発電を行う発電装置が開示されている。ここで、図9A、図9Bを用いて、特許文献1の発電装置について説明する。図9Aは、特許文献1の発電装置の概略側面図である。図9Bは、図9A中のA−A方向に見た断面構造を示す概略断面図である。
図9A、図9Bに示すように、特許文献1の発電装置100は、磁歪素子101、フレームヨーク102、磁性部103、バックヨーク104、磁石105、振動板106、錘107、コイル108を有する。
For example,
As shown in FIGS. 9A and 9B, the
磁歪素子101は、磁性材料からなる、略U字型の部材であるフレームヨーク102に取り付けられている。また、フレームヨーク102の一部に形成される磁性部103は、磁歪素子101と平行梁を形成している。
バックヨーク104は、コの字状であって、磁石105がバックヨーク104の各端部に取り付けられており、当該両磁石がフレームヨーク102の側面に対して空隙をあけた状態で挟んで位置するように、バックヨーク104がフレームヨーク102に支持されている。
さらに振動板106は、フレームヨーク102の自由端E1側の一部であって、振動板106の先端には錘107が取り付けられている。コイル108は、磁歪素子101と磁性部103とから成る平行梁部に巻かれており、磁歪素子101が発生させる磁束の変化によって電流が流れる。このような発電装置100は、フレームヨーク102の固定端E2側を、振動源109に金具110を介して取り付けられ、その振動源109からの振動の伝達により、振動板106及び錘107が振動して磁歪素子101と磁性部103に外力が加えられる。
The
The
Further, the
発電装置100の磁性部103は、磁石105からの磁界によって、磁気飽和していることを特徴としている。磁石105からの磁界によって磁束が発生するが、その磁束はバックヨーク104から磁歪素子101、フレームヨーク102を通過して再び磁石105に還流する。(図9A、図9B中に示す矢印)この時、磁性部103が磁気飽和していない状態で磁歪素子101を励振させると、磁歪素子101から発生した磁束が磁性部103に流れることで新たな還流経路が形成されてしまい、発電量が小さくなってしまう。磁性部103を磁気飽和させることで、新たな還流経路が形成されることを防止し、発電量を大きくすることができる。
The
しかしながら特許文献1の発電装置100には、以下の課題がある。
磁歪素子101は、長方形の板状であり、磁石105から発生する磁界の向きは、コイル108の軸(X軸)に沿う、磁歪素子101の辺と略平行に印加される。このような構成では、磁歪素子101内の磁界にX軸方向に沿って大きな分布が発生することになる。すなわち、磁石105に近い磁歪素子101の部位ほど印加される磁界が大きく、磁石105に遠い磁歪素子101の部位ほど磁界が小さくなる。磁歪素子101内部の磁界は無負荷時で透磁率が同一であるが、その時の磁界は磁石との距離の二乗に反比例するため磁界分布が発生することになる。
However, the
The
ここで、逆磁歪式振動発電における発電量を表す式(1)を示す。
Here, the equation (1) representing the amount of power generated in the inverse magnetostrictive vibration power generation is shown.
式(1)のPは発電量(W)、Vは電圧(V)、Rは電気抵抗(Ω)、Nはコイルの巻き数(単位無し)、Sは磁歪材料の断面積(m2)、fは振動周波数(Hz)、σはコイルの抵抗率(Ω・m)、Lはコイルの巻線全長(m)、rはコイルの線径(m)であって、ΔBは磁束密度変化量(T)を表す。構造が同じ場合、このΔBが大きくなればなるほど発電量Pが増大することがわかる。 In equation (1), P is the amount of power generated (W), V is the voltage (V), R is the electrical resistance (Ω), N is the number of coil turns (no unit), and S is the cross-sectional area of the magnetic strain material (m 2 ). , F is the vibration frequency (Hz), σ is the coil resistance (Ω · m), L is the total coil winding length (m), r is the coil wire diameter (m), and ΔB is the change in magnetic flux density. Represents a quantity (T). When the structure is the same, it can be seen that the larger the ΔB, the larger the power generation amount P.
さらに、図10に磁歪素子に磁界を印加した際に発生する磁束密度の関係を示したB−H曲線の概略図を示す。横軸が磁界H(A/m)、縦軸が磁束密度B(T)である。磁歪素子は引張時、圧縮時で、B−H曲線の挙動が異なる。つまり図10に示すように、引張力が印加されている場合は磁界Hに対する磁束密度Bの変化が大きく、ある一定以上の磁界Hになると飽和する。また、圧縮力が印加されている場合は磁界Hに対する磁束密度Bの変化が小さいが、ある一定以上の磁界Hになると飽和する。特許文献1の構成では、発電装置100が加振された際、自由端E1側が大きな振幅を持つ片持ち梁構造となる。この場合、先端の錘107が揺れることで磁歪素子101に引張、圧縮の応力が交互に印加される。また、磁石105によって印加される磁界Hはほぼ一定であるため、B−H曲線における引張時と圧縮時の磁束密度Bの差が最も大きくなる最適な磁界を発生させることが発電量の最大化につながる。
Further, FIG. 10 shows a schematic diagram of a BH curve showing the relationship between the magnetic flux densities generated when a magnetic field is applied to the magnetostrictive element. The horizontal axis is the magnetic field H (A / m), and the vertical axis is the magnetic flux density B (T). The magnetostrictive element behaves differently in the BH curve when it is pulled and when it is compressed. That is, as shown in FIG. 10, when a tensile force is applied, the change in the magnetic flux density B with respect to the magnetic field H is large, and when the magnetic field H exceeds a certain level, the magnetic flux density B is saturated. Further, when a compressive force is applied, the change in the magnetic flux density B with respect to the magnetic field H is small, but when the magnetic field H exceeds a certain level, it is saturated. In the configuration of
しかしながら、前述した通り、特許文献1の構成では磁歪素子101内部に磁界分布が発生しているため、磁束密度変化ΔBも分布が存在していることになり、発電量Pを充分大きくすることが困難である。
However, as described above, in the configuration of
本開示の一態様の目的は、振動による磁束密度変化を一様に発生させ、発電量を向上させることができる発電装置を提供することである。 An object of one aspect of the present disclosure is to provide a power generation device capable of uniformly generating a change in magnetic flux density due to vibration and improving the amount of power generation.
本開示の一態様に係る発電装置は、第1の方向に延在し、自由端を有する振動板と、
前記第1の方向に延在し、前記振動板の一方の面に設けられた磁歪材料からなる板状の磁歪素子と、
前記磁歪素子の周囲に設けられたコイルと、
一端が前記振動板の前記自由端と反対側の一端と接続され、他端が振動源と接続されている非磁性体からなるフレームと、
前記第1の方向と交差する面に沿った方向から前記磁歪素子に磁界を印加する第一の磁石および第二の磁石と、
前記フレーム上に配置され、前記第一の磁石と前記第二の磁石とを搭載する磁性板と、
を備え、
前記第一の磁石と前記第二の磁石とは、前記コイルの軸に対して、略線対称になるように、前記第1の方向と交差する第2の方向に沿って互いに離間して前記磁性板上に配置されており、
さらに前記第一の磁石の前記磁性板側の極性と、前記第二の磁石の前記磁性板側の極性とが、互いに反対である。
The power generation device according to one aspect of the present disclosure includes a diaphragm extending in the first direction and having a free end.
A plate-shaped magnetostrictive element extending in the first direction and made of a magnetostrictive material provided on one surface of the diaphragm.
A coil provided around the magnetostrictive element and
A frame made of a non-magnetic material, one end of which is connected to one end of the diaphragm opposite to the free end and the other end of which is connected to a vibration source.
A first magnet and a second magnet that apply a magnetic field to the magnetostrictive element from a direction along a surface intersecting the first direction.
A magnetic plate arranged on the frame and mounting the first magnet and the second magnet,
With
The first magnet and the second magnet are separated from each other along a second direction intersecting with the first direction so as to be substantially line-symmetrical with respect to the axis of the coil. It is placed on a magnetic plate and
Further, the polarity of the first magnet on the magnetic plate side and the polarity of the second magnet on the magnetic plate side are opposite to each other.
本開示に係る発電装置によれば、磁歪素子内の磁界分布を低減し、一様な磁束密度変化を発生させることで、発電量を向上させることができる。 According to the power generation device according to the present disclosure, the amount of power generation can be improved by reducing the magnetic field distribution in the magnetostrictive element and generating a uniform change in magnetic flux density.
第1の態様に係る発電装置は、第1の方向に延在し、自由端を有する振動板と、
前記第1の方向に延在し、前記振動板の一方の面に設けられた磁歪材料からなる板状の磁歪素子と、
前記磁歪素子の周囲に設けられたコイルと、
一端が前記振動板の前記自由端と反対側の一端と接続され、他端が振動源と接続されている非磁性体からなるフレームと、
前記第1の方向と交差する面に沿った方向から前記磁歪素子に磁界を印加する第一の磁石および第二の磁石と、
前記フレーム上に配置され、前記第一の磁石と前記第二の磁石とを搭載する磁性板と、
を備え、
前記第一の磁石と前記第二の磁石とは、前記コイルの軸に対して、略線対称になるように、前記第1の方向と交差する第2の方向に沿って互いに離間して前記磁性板上に配置されており、
さらに前記第一の磁石の前記磁性板側の極性と、前記第二の磁石の前記磁性板側の極性とが、互いに反対である。
The power generation device according to the first aspect includes a diaphragm extending in the first direction and having a free end.
A plate-shaped magnetostrictive element extending in the first direction and made of a magnetostrictive material provided on one surface of the diaphragm.
A coil provided around the magnetostrictive element and
A frame made of a non-magnetic material, one end of which is connected to one end of the diaphragm opposite to the free end and the other end of which is connected to a vibration source.
A first magnet and a second magnet that apply a magnetic field to the magnetostrictive element from a direction along a surface intersecting the first direction.
A magnetic plate arranged on the frame and mounting the first magnet and the second magnet,
With
The first magnet and the second magnet are separated from each other along a second direction intersecting with the first direction so as to be substantially line-symmetrical with respect to the axis of the coil. It is placed on a magnetic plate and
Further, the polarity of the first magnet on the magnetic plate side and the polarity of the second magnet on the magnetic plate side are opposite to each other.
第2の態様に係る発電装置は、上記第1の態様において、前記第一の磁石又は前記第二の磁石は、前記第1の方向に沿って2つ以上に分割された磁石群であってもよい。 In the first aspect of the power generation device according to the second aspect, the first magnet or the second magnet is a group of magnets divided into two or more along the first direction. May be good.
第3の態様に係る発電装置は、上記第2の態様において、前記磁石群は、それぞれ等間隔に配置されていてもよい。 In the power generation device according to the third aspect, in the second aspect, the magnet groups may be arranged at equal intervals.
第4の態様に係る発電装置は、上記第1から第3のいずれかの態様において、前記第一の磁石と前記第二の磁石との空間距離は、前記第一の磁石と前記磁歪素子との空間距離よりも長く、かつ、前記第二の磁石と前記磁歪素子との空間距離よりも長く、
前記第1の方向及び前記第2の方向に直交する第3の方向から見て、前記第一の磁石と前記第二の磁石とは、前記磁歪素子と重ならなくてもよい。
In the power generation device according to the fourth aspect, in any one of the first to third aspects, the spatial distance between the first magnet and the second magnet is the same as that of the first magnet and the magnetostrictive element. Longer than the spatial distance of, and longer than the spatial distance between the second magnet and the magnetostrictive element.
The first magnet and the second magnet do not have to overlap the magnetostrictive element when viewed from the first direction and the third direction orthogonal to the second direction.
第5の態様に係る発電装置は、上記第1から第4のいずれかの態様において、前記コイルは、前記第1の方向を軸として、前記磁歪素子および前記振動板の周囲に巻回されていてもよい。 In the power generation device according to the fifth aspect, in any one of the first to fourth aspects, the coil is wound around the magnetostrictive element and the diaphragm with the first direction as an axis. You may.
第6の態様に係る発電装置は、上記第1から第5のいずれかの態様において、前記振動板の自由端に配置された錘をさらに備えてもよい。 The power generation device according to the sixth aspect may further include a weight arranged at the free end of the diaphragm in any one of the first to fifth aspects.
以下、本開示の各実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する構成要素については同一の符号を付し、それらの説明は適宜省略する。 Hereinafter, each embodiment of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings. The components common to each figure are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate.
(実施の形態1)
本開示の実施の形態1に係る発電装置1について説明する。
(Embodiment 1)
The
<構造>
まず、本実施の形態に係る発電装置1の構成について、図1A、図1Bを用いて説明する。図1Aは、本実施の形態1に係る発電装置1の概略側面図である。図1Bは、本開示の実施の形態1に係る発電装置の概略上面図である。なお、便宜上、振動板3の長手方向をX方向とし、幅方向をY方向とし、鉛直上方をZ方向として示す。
図1A、図1Bに示すように、発電装置1は、磁歪素子2、振動板3、錘4、コイル5、フレーム6、第一の磁石7、第二の磁石8、磁性板9を有する。
磁歪素子2は、振動板3上に積層されるように配置されており、さらに振動板3の自由端である先端3aには錘4が配置されている。また、磁歪素子2と振動板3との積層部分の周囲には、磁歪素子2と振動板3とを巻回するコイル5が設けられている。
<Structure>
First, the configuration of the
As shown in FIGS. 1A and 1B, the
The
フレーム6は、折り返し部分である屈曲部6aを有する、いわゆる略コの字型の非磁性材料からなる部材である。フレーム6は、屈曲部6aと、その屈曲部6aの一端から延伸した第1フレーム6b(長尺部分)と、屈曲部6aの他端から延伸した第2フレーム6cとを有する。
The
フレーム6の一端(第1フレーム6bの端部)は、振動源10に固定されている。フレーム6の他端(第2フレーム6cの端部)は、振動板3の先端3aと反対側の一端3bに接続されている。
図1Bに示すように、第一の磁石7と第二の磁石8は、コイル5の軸方向(X方向)に対して線対称になるように、コイル5の軸を中心にして幅方向(Y方向)に沿って左右に離間して配置されている。
また、コイル5の軸と平行となる磁歪素子2の辺の長さLと、第一の磁石7および第二の磁石8の辺の長さLとは略一致している。これによって、第一の磁石7および第二の磁石8と磁歪素子2との間で磁束が通過する面を互いに合わせることができる。
また、第一の磁石7は、上面がN極、下面がS極となるように配置され、第二の磁石8は、反対に上面がS極、下面がN極となるように配置されている。
以上説明したように、発電装置1は、全体として、片持ち梁構造を採っている。
One end of the frame 6 (the end of the first frame 6b) is fixed to the
As shown in FIG. 1B, the
Further, the side length L of the
Further, the
As described above, the
次に、発電装置1における磁束の還流について、図1Cを用いて説明する。一般的に、磁石が発生させる磁界は、N極からS極に戻るような磁力線を描く性質を有する。図1Cにおいて、磁路11は、第一の磁石7と第二の磁石8と磁歪素子2とが形成する磁路である。図1Cに示すように、例えば、第一の磁石7と第二の磁石8との空間距離は、第一の磁石7と磁歪素子2との空間距離よりも長く、かつ、第二の磁石8と磁歪素子2との空間距離よりも長い。さらに、第一の磁石7と第二の磁石8は、図1B及び図1Cにおいて、Z方向から見て、磁歪素子2と重ならない位置に設けられている。これによって、第1の磁石7と第2の磁石8との間の磁気抵抗が磁歪素子2を経由する経路の磁気抵抗より大きくなり、磁歪素子2を経由しない短絡的な磁路が形成されることを抑制できる。具体的には、第一の磁石7のN極から出た磁束12は、第一の磁石7と磁歪素子2との間の空隙11aを介して、磁歪素子2に入る。そして、磁歪素子2を通過した磁束12は、磁歪素子2と第二の磁石8との間の空隙11aを介して、第二の磁石8のS極に入る。さらに、この磁束12は第二の磁石8のN極から磁性板9を通過し、第一の磁石7のS極に戻る。このように磁路11は、Y−Z面に沿って磁束12が還流する閉磁路となっている。なお、第一の磁石7と磁歪素子2との間の空隙11a及び磁歪素子2と第二の磁石8との間の空隙11aは、例えば、振動板3の振動に支障のない範囲で狭くしておいてもよい。
Next, the reflux of the magnetic flux in the
次に、発電装置1の各構成要素について、さらに詳細に説明する。
Next, each component of the
[磁歪素子2]
磁歪素子2は、応力によって伸縮した際に磁束変化を発生する特性を持つ材料を用いることができる。この材料としては、例えば、TbFe2(テルビウム−鉄合金)、DyFe2(ディスプロシウム−鉄合金)、HoFe2(ホルミウム−鉄合金)、Galfenol(ガリウム−鉄合金)、Terfenol−D(テルビウム−ディスプロシウム−鉄合金)、FeSiB(鉄−シリコン−ホウ素アモルファス合金)などが挙げられる。
磁歪素子2は、例えば、X方向に長い長方形の板状であるが、これに限定されるものではなく、例えば、直方体、立方体、円柱、などであってもよい。
また、磁歪素子2は、単結晶または多結晶のいずれであってもよいが、単結晶の方が逆磁歪効果によって発生する磁束が大きくなるため好ましい。
[Morcostrictive element 2]
As the
The
The
[振動板3、錘4]
振動板3および錘4は、発電装置1が振動源10の振動条件に合わせて発電できるようにするために設けられる。振動板3は、自由端3aを有する。自由端3aには錘4を設けてもよい。
物体には固有の振動数が存在する。そこで、振動板3の振動条件を振動源10の振動条件に合わせておき、振動板3が振動源10と共振することによって発電装置1が大きく振動でき、大きな発電量を得ることができる。つまり、振動板3および錘4は、振動源10の振動周波数に合わせた構造であることが好ましい。
例えば、発電装置1の共振周波数は、錘4を重くするか、または、振動板3を長くすると、低下する。この特性を用いて、発電装置1の共振周波数を調整することができる。なお、振動板3の長さを調整するだけで所望の固有振動数が得られる場合、錘4を設けなくてもよい。
[
The
An object has a unique frequency. Therefore, the vibration condition of the
For example, the resonance frequency of the
また、振動板3には磁束を通過させる必要がないので、非磁性体であることが好ましく、例えば板状のSUS304を用いることができる。
錘4の材質は、特に限定されるものではないが、小型化の観点から、密度の高い材料(例えば、タングステンなど)を用いると、錘4のサイズを小さくできる。また、錘4にも磁束を通過させる必要がないので、錘4の材料は、非磁性体であることがより好ましい。
Further, since it is not necessary to pass the magnetic flux through the
The material of the
[コイル5]
コイル5は、電磁誘導の法則により、磁歪素子2を通過する磁束の時間変化に比例して、電圧を発生させる。また、発電装置1としての信頼性を保つために、コイル5は、第1の方向(X方向)を軸として、絶縁性の樹脂など(図示略)を介して磁歪素子2と振動板3の周囲に固定的に巻回されている。なお、コイル5は、磁歪素子2と振動板3との周囲に、電気的な絶縁を確保するための空間を設けて巻回されてもよい。
コイル5の材質としては、例えば、銅線またはアルミ線などを用いることができるが、それらに限定されない。また、コイル5の巻き数や線径を変更することにより、電圧の大きさや抵抗の大きさを調整できる。コイル5の巻線の両端は、必要に応じて整流装置等(図示略)へ電気的に接続されている。これにより、振動によって得られる電気エネルギーを取り出すことができる。
[Coil 5]
The
As the material of the
[フレーム6]
フレーム6は、振動源10からの振動を磁歪素子2および振動板3に伝達させる。また、フレーム6は、図1Cに示した磁路11としての機能を果たさないため、不要な部分に磁束が流れないように、例えば、SUS304などの非磁性体を使用することが好ましい。フレーム6は、振動可能なように、例えば、剛性及び弾性を有してもよい。なお、フレーム6は、一枚の板を折り曲げて形成されてもよいし、複数の部材を接合(例えば、ネジ留めなど)して形成されてもよい。さらには、本実施の形態では振動板3とフレーム6を別の部材として扱っているが、材質が同一のものを使用する場合、同じく一枚の板を成形して構成しても問題はない。
[Frame 6]
The
[第一の磁石7、第二の磁石8]
第一の磁石7および第二の磁石8は、第1の方向(X方向)と交差する面(Y−Z面)に沿った方向から磁歪素子2に磁界を印加するために配置されている。第一の磁石7および第二の磁石8は、図10で示したように、発電量を向上させることができる最適な磁界であれば、その形状や材質を限定するものではない。例えば、ネオジウム系の永久磁石を使用できるが、フェライト系、コバルト系の永久磁石などでもよい。また、サイズについても、図1A、図1Bで説明した配置関係、または図1Cで説明した磁路を崩さなければ限定するものではない。
[
The
[磁性板9]
磁性板9は、図1Cを用いて説明した通り、第二の磁石8から第一の磁石7へ磁束12を還流させるための磁路11の一部である。そのため、磁性板9の材質には、透磁率の高い鉄系の材料、例えば、冷間圧延鋼(例えば、SPCC:JIS G3141)などを用いることが好ましい。
[Magnetic plate 9]
The
<効果>
本実施の形態1に係る発電装置1の効果(磁歪素子2に印加される磁界の分布を低減させる効果)について説明する。ここでは、本実施の形態の発電装置1と、参考例との比較により、発電装置1の効果を説明する。
<Effect>
The effect of the power generation device 1 (the effect of reducing the distribution of the magnetic field applied to the magnetostrictive element 2) according to the first embodiment will be described. Here, the effect of the
[評価]
磁束を詳細に解析するため、電磁界解析ソフトウェア(JMAG:JSOL製)を用いて、本実施の形態1および参考例の効果を検証した。この検証結果について、図2A及び図2Bを用いて説明する。図2Aは、磁歪素子2、第一の磁石7と第二の磁石8、および磁性板9の位置関係を示す概略斜視図である。図2Bは、磁歪素子2に印加されている磁界分布を表すグラフを示している。
まず、解析に用いた各構成部材について説明する。磁歪素子2は、長さ(X方向)26mm、幅(Y方向)8mm、厚み(Z方向)0.5mmの長方形とした。また、第一の磁石7と第二の磁石8とは、長さ(X方向)26mm、幅(Y方向)2mm、厚み(Z方向)2mmの長方形とし、図1Bで説明したように、コイル5の軸について幅方向(Y方向)に沿って対称位置に離間して配置した。磁性板9は、長さ(X方向)26mm、幅(Y方向)12mm、厚み(Z方向)1mmとし、その幅方向の両端に第一の磁石7と第二の磁石8が配置されている構成とした。また、振動板3、錘4、フレーム6は、非磁性体を使用した場合、磁界にほぼ影響を及ぼさないため寸法の説明や形状の図示は省略する。
[evaluation]
In order to analyze the magnetic flux in detail, the effects of the first embodiment and the reference example were verified using electromagnetic field analysis software (JMAG: manufactured by JSOL). This verification result will be described with reference to FIGS. 2A and 2B. FIG. 2A is a schematic perspective view showing the positional relationship between the
First, each component used in the analysis will be described. The
図2Bのグラフは、横軸に磁歪素子2の長さ方向(X方向)の位置(mm)、縦軸に磁界指数(単位なし)を示している。また、横軸はフレーム6の屈曲部6a側の磁歪素子2の端部を0mmとし、自由端側の磁歪素子2の端部を26mmとしている。また縦軸の磁界は磁歪素子2の最表面における磁界を示しており、磁歪素子2の幅方向における中心(図2A中の(a))と、左右端部から1mm内側に入った位置(図2A中の(b)と(c))の磁界をグラフ化した。また、磁歪素子2の最表面の磁界を扱うことについては、厚み方向の分布はほぼ無いため本実施の形態の効果を説明する上では問題ない。さらに、磁界は、絶対値ではなく、磁歪素子2の(a)のX方向に沿った0mmの位置の磁界の大きさを「1」とし、それぞれの磁界の大きさを上記磁界の大きさに対する相対的な磁界指数として示している。これは、図10で説明した磁歪素子2の有する特性によって最適な磁界の絶対値は異なるためである。本開示の目的は、磁歪素子における磁界分布を低減することであるから、その効果を磁界指数として表現しても差し支えない。
In the graph of FIG. 2B, the horizontal axis shows the position (mm) of the
図2Bのグラフが示すように、X方向に沿って0mmから中心に向かって磁界指数が上昇し、中心を超えると再び磁界指数が1に近づくような山なりの傾向であることが分かる。これは前述した磁歪素子2の表面の位置を示す(a)、(b)、(c)のどれも同様の傾向である。磁界の分布としては、相対的な磁界指数が0.94から1.70の範囲である。
As shown in the graph of FIG. 2B, it can be seen that the magnetic field index rises from 0 mm toward the center along the X direction, and when it exceeds the center, the magnetic field index tends to approach 1 again. This has the same tendency in any of (a), (b), and (c) indicating the position of the surface of the
[参考例との差異]
次に、本実施の形態の参考例に係る発電装置1aについて説明する。
図3Aは、参考例に係る発電装置21の概略側面図である。本実施の形態1に係る発電装置との構成の違いは、磁石27が一つ用いられている点であり、磁性板9は配置されていない点である。磁石27は、図3Aに示すように、磁歪素子22と対向しない位置でフレーム26の第1フレーム26bに配置されている。またこの時、次に説明する磁路31のために、フレーム26は磁性体を材質として用いている。
図3Bは、本開示の実施の形態1に対する参考例に係る発電装置21の磁束が還流する様子を示す模式図である。参考例のような構成にした場合、磁石27のN極から出た磁束32は、空隙31aを通過し、磁歪素子22の端部からその内部を通過する。さらに磁歪素子22から出ると、フレーム26の第2フレーム26cの端部からフレーム26を通過する。その後、磁束32は、磁石27のS極に戻る閉磁路となっている。この場合、参考例に係る発電装置21では、閉磁路は、Z−X面に沿って構成される。
図4Aは、本開示の実施の形態1に対する参考例に係る発電装置21の概略斜視図である。図4Bは、図4Aの発電装置21における磁歪素子22の3つのラインに沿った磁界分布を表すグラフである。尚、磁歪素子22の寸法は実施の形態1と同一であるが、磁石27は、長さ10mm、幅8mm、厚み2mmの長方形とした。
[Difference from reference example]
Next, the power generation device 1a according to the reference example of the present embodiment will be described.
FIG. 3A is a schematic side view of the
FIG. 3B is a schematic view showing how the magnetic flux of the
FIG. 4A is a schematic perspective view of the
図4Bのグラフは、横軸に磁歪素子22の長さ方向(X方向)の位置(mm)、縦軸に磁界指数(単位なし)を示している。また、横軸はフレーム26の屈曲部26a側の磁歪素子22の端部を0mmとし、自由端側の磁歪素子22の端部を26mmとしている。また縦軸の磁界は磁歪素子22の最表面における磁界を示しており、磁歪素子22の幅方向における中心(図4A中の(a))と、左右端部から1mm内側に入った位置(図4A中の(b)と(c))の磁界をグラフ化した。また、磁歪素子22の最表面の磁界を扱うことについては、厚み方向の分布はほぼ無いため本実施の形態の効果を説明する上では問題ない。さらに、磁界は、絶対値ではなく、磁歪素子22の(a)のX方向に沿った0mmの位置の磁界の大きさを「1」とし、それぞれの磁界の大きさを上記磁界の大きさに対する相対的な磁界指数として示している。
In the graph of FIG. 4B, the horizontal axis shows the position (mm) of the
図4Bのグラフが示すように、X方向に沿って0mmから中心に向かって磁界指数が上昇し、磁石に近づくにつれ、急峻になる。これは前述したように、磁界は磁石からの距離と反比例するためであり、磁歪素子22の表面の位置を示す(a)、(b)、(c)は、どれもほぼ同様の傾向である。参考例の磁界の分布としては、相対的な磁界指数で、0.65から8.51の範囲である。
図2Bに示す実施の形態1に係る発電装置における磁歪素子2の磁界の分布は、上記の通り、磁界指数が0.94から1.70の範囲である。一方、図4Bに示す参考例に係る発電装置における磁歪素子22の磁界の分布は、上記の通り、磁界指数で、0.65から8.51の範囲である。
As the graph of FIG. 4B shows, the magnetic field index rises from 0 mm toward the center along the X direction, and becomes steeper as it approaches the magnet. This is because, as described above, the magnetic field is inversely proportional to the distance from the magnet, and (a), (b), and (c) indicating the position of the surface of the
As described above, the distribution of the magnetic field of the
このように図2Bと図4Bとの結果から、参考例に係る発電装置に比べて本実施の形態1に係る発電装置の構成の方が磁歪素子における磁界分布を低減できていることが分かる。具体的には、実施の形態1では、長手方向(X方向)を含むZ−X面に沿ってではなく、幅方向(Y方向)を含むY−Z面に沿って磁界を磁歪素子に印加していることを特徴とする。これによって、実施の形態1に係る発電装置ではX方向に沿った磁界分布を低減できる。
また、特に、参考例では、磁石に近い側の磁歪素子22の部位は、図10における磁界の大きな飽和領域に入りやすいことから、振動による引張、圧縮が印加されても磁束密度変化ΔBがほとんどなく磁歪素子22を有効に使用できず、電力を取り出すことが困難である。逆に言えば、本実施の形態1に係る発電装置によって、磁歪素子2から発電に寄与する部分を大幅に向上させることができ、発電量の増大が見込める。
As described above, from the results of FIGS. 2B and 4B, it can be seen that the configuration of the power generation device according to the first embodiment can reduce the magnetic field distribution in the magnetostrictive element as compared with the power generation device according to the reference example. Specifically, in the first embodiment, the magnetic field is applied to the magnetostrictive element not along the ZX plane including the longitudinal direction (X direction) but along the YZ plane including the width direction (Y direction). It is characterized by doing. As a result, in the power generation device according to the first embodiment, the magnetic field distribution along the X direction can be reduced.
Further, in particular, in the reference example, since the part of the
(実施の形態2)
本開示の実施の形態2に係る発電装置1aについて説明する。
<構造>
まず、本実施の形態2に係る発電装置1aの構成について、図5A、図5Bを用いて説明する。図5Aは、本実施の形態2に係る発電装置1aの概略側面図である。図5Bは、本実施の形態2に係る発電装置1の概略上面図である。本実施の形態2では実施の形態1に対して、第一の磁石7a、7b、及び第二の磁石8a、8bが分割して配置されている点が異なる。図5B中の左右方向(Y方向)に対して、第一の磁石7a、7b、及び第二の磁石8a、8bは、X方向に沿ってそれぞれ離間するように配置されており、その離間距離は、第一の磁石7a、7b、及び第二の磁石8a、8bで同一である。その他の構造については、実施の形態1と同一であるため、説明は省略する。また、磁束の還流経路についても同様である。
(Embodiment 2)
The power generation device 1a according to the second embodiment of the present disclosure will be described.
<Structure>
First, the configuration of the power generation device 1a according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 5A and 5B. FIG. 5A is a schematic side view of the power generation device 1a according to the second embodiment. FIG. 5B is a schematic top view of the
<効果>
[評価]
実施の形態1と同様に、電磁界解析ソフトウェア(JMAG:JSOL製)を用いて、本実施の形態2に係る発電装置の効果を検証した。この検証結果について、図6A及び図6Bを用いて説明する。
図6Aは、磁歪素子2、第一の磁石7a、7bと、第二の磁石8a、8bおよび磁性板9の位置関係を示す概略斜視図である。図6Bは、磁歪素子2に印加されている磁界分布を表すグラフを示している。
まず、解析に用いた各構成部材について説明する。第一の磁石7a、7bと、第二の磁石8a、8bは、長さ11mm、幅2mm、厚み2mmの直方体形状である。その他の部材は実施の形態1と同一である。また電磁界解析上で使用する磁石の強さについても同一特性とした。
<Effect>
[evaluation]
Similar to the first embodiment, the effect of the power generation device according to the second embodiment was verified by using the electromagnetic field analysis software (JMAG: manufactured by JSOL). This verification result will be described with reference to FIGS. 6A and 6B.
FIG. 6A is a schematic perspective view showing the positional relationship between the
First, each component used in the analysis will be described. The first magnets 7a and 7b and the second magnets 8a and 8b have a rectangular parallelepiped shape having a length of 11 mm, a width of 2 mm and a thickness of 2 mm. Other members are the same as those in the first embodiment. The same characteristics were used for the strength of the magnet used in electromagnetic field analysis.
図6Bのグラフは、横軸に磁歪素子2の長さ方向(X方向)の位置(mm)、縦軸に磁界指数(単位なし)を示している。また、横軸はフレーム6の屈曲部6a側の磁歪素子2の端部を0mmとし、自由端側の磁歪素子2の端部を26mmとしている。また縦軸の磁界は磁歪素子2の最表面における磁界を示しており、磁歪素子2の幅方向における中心(図6A中の(a))と、左右端部から1mm内側に入った位置(図6A中の(b)と(c))の磁界をグラフ化した。
図6Bのグラフが示すように、磁歪素子2の中心部分では相対的な磁界指数が減少傾向になる2つの山を持つことがわかる。これは、第一の磁石7a、7bと、第二の磁石8a、8bのように分割したことの効果であり、磁界指数としては、1.00から1.58の範囲で分布しており、実施の形態1よりもさらに磁界の分布を低減できている。
In the graph of FIG. 6B, the horizontal axis shows the position (mm) of the
As shown in the graph of FIG. 6B, it can be seen that the central portion of the
(実施の形態3)
本開示の実施の形態3に係る発電装置1bについて説明する。
<構造>
まず、本実施の形態3に係る発電装置1bの構成について、図7A、図7Bを用いて説明する。図7Aは、本実施の形態3に係る発電装置1bの概略側面図である。図7Bは、本実施の形態3に係る発電装置1bの概略上面図である。本実施の形態3では実施の形態1に対して、第一の磁石7a、7b、7c、及び第二の磁石8a、8b、8cが分割して配置されている点が異なる。図7B中の左右方向に対して、第一の磁石7a、7b、7c及び第二の磁石8a、8b、8cは離間するように配置されており、その離間距離は、第一の磁石7a、7b、7c、及び第二の磁石8a、8b、8cで同一である。その他の構造については、実施の形態1と同一であるため、説明は省略する。また、磁束の還流経路についても同様である。
(Embodiment 3)
The power generation device 1b according to the third embodiment of the present disclosure will be described.
<Structure>
First, the configuration of the power generation device 1b according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 7A and 7B. FIG. 7A is a schematic side view of the power generation device 1b according to the third embodiment. FIG. 7B is a schematic top view of the power generation device 1b according to the third embodiment. The third embodiment is different from the first embodiment in that the first magnets 7a, 7b, 7c and the second magnets 8a, 8b, 8c are separately arranged. The first magnets 7a, 7b, 7c and the second magnets 8a, 8b, 8c are arranged so as to be separated from each other in the left-right direction in FIG. 7b, 7c, and the second magnets 8a, 8b, 8c are the same. Since the other structures are the same as those in the first embodiment, the description thereof will be omitted. The same applies to the return path of magnetic flux.
<効果>
[評価]
実施の形態1と同様に、電磁界解析ソフトウェア(JMAG:JSOL製)を用いて、本実施の形態3の効果を検証した。この検証結果について、図8A及び図8Bを用いて説明する。
図8Aは、磁歪素子2、第一の磁石7a、7b、7cと、第二の磁石8a、8b、8cおよび磁性板9の位置関係を示す概略斜視図である。図8Bは、磁歪素子2に印加されている磁界分布を表すグラフを示している。
<Effect>
[evaluation]
Similar to the first embodiment, the effect of the third embodiment was verified by using the electromagnetic field analysis software (JMAG: manufactured by JSOL). This verification result will be described with reference to FIGS. 8A and 8B.
FIG. 8A is a schematic perspective view showing the positional relationship between the
まず、解析に用いた各構成部材について説明する。第一の磁石7a、7b、7cと、第二の磁石8a、8b、8cは、長さ8mm、幅2mm、厚み2mmの直方体形状である。その他の部材は実施の形態1と同一である。また電磁界解析上で使用する磁石の強さについても同一特性とした。 First, each component used in the analysis will be described. The first magnets 7a, 7b, 7c and the second magnets 8a, 8b, 8c have a rectangular parallelepiped shape having a length of 8 mm, a width of 2 mm, and a thickness of 2 mm. Other members are the same as those in the first embodiment. The same characteristics were used for the strength of the magnet used in electromagnetic field analysis.
図8Bのグラフは、横軸に磁歪素子2の長さ方向(X方向)の位置(mm)、縦軸に磁界指数(単位なし)を示している。また、横軸はフレーム6の屈曲部6a側の磁歪素子2の端部を0mmとし、自由端側の磁歪素子2の端部を26mmとしている。また縦軸の磁界は磁歪素子2の最表面における磁界を示しており、磁歪素子2の幅方向における中心(図8A中の(a))と、左右端部から1mm内側に入った位置(図8A中の(b)と(c))の磁界をグラフ化した。
In the graph of FIG. 8B, the horizontal axis shows the position (mm) of the
図8Bのグラフが示すように、実施の形態1と同様、0mmから中心に向かって磁界指数が上昇し、中心を超えると再び磁界指数が1に近づくような山なりの傾向であることが分かる。これは前述した磁歪素子2の表面の位置を示す(a)、(b)、(c)のどれも同様の傾向である。磁界の分布としては、磁界指数が1.00から1.72の範囲と実施の形態1とほぼ同様の効果を得ることができている。
As shown in the graph of FIG. 8B, as in the first embodiment, it can be seen that the magnetic field index tends to increase from 0 mm toward the center, and when the magnetic field index exceeds the center, the magnetic field index tends to approach 1 again. .. This has the same tendency in any of (a), (b), and (c) indicating the position of the surface of the
以上説明したように、実施の形態1から3の発電装置1は、磁歪素子2に印加される磁界分布を低減させることで、一様な磁束密度変化ΔBを得ることができ、発電量を向上させることができる。
As described above, in the
なお、本開示は、前述した様々な実施の形態及び/又は実施例のうちの任意の実施の形態及び/又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び/又は実施例が有する効果を奏することができる。また、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。 It should be noted that the present disclosure includes appropriately combining any of the various embodiments and / or embodiments described above, and the respective embodiments and / or embodiments. The effect of the example can be achieved. Further, the description is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist thereof.
本開示に係る発電装置によれば、発電効率を向上させることが可能である。これにより、産業分野、防犯・防災分野、社会インフラ分野、医療・福祉分野などで多くの利用シーンが想定されているIoT(Internet of Things)において、キーコンポーネントである無線センサーモジュールへの適用に対して特に有用である。 According to the power generation device according to the present disclosure, it is possible to improve the power generation efficiency. As a result, in the IoT (Internet of Things), which is expected to be used in many fields such as industrial fields, crime prevention / disaster prevention fields, social infrastructure fields, medical / welfare fields, etc., it can be applied to wireless sensor modules, which are key components. Is especially useful.
1、1a、1b、21 発電装置
2、22 磁歪素子
3、23 振動板
4、24 錘
5、25 コイル
6、26 フレーム
6a 屈曲部
6b 第1フレーム
6c 第2フレーム
7、7a、7b、7c 第一の磁石
8、8a、8b、8c 第二の磁石
9 磁性板
10 振動源
11、31 磁路
11a、31a 空隙
12、32 磁束
27 磁石
100 発電装置
101 磁歪素子
102 フレームヨーク
103 磁性部
104 バックヨーク
105 磁石
106 振動板
107 錘
108 コイル
109 振動源
110 金具
1, 1a, 1b, 21
Claims (6)
前記第1の方向に延在し、前記振動板の一方の面に設けられた磁歪材料からなる板状の磁歪素子と、
前記磁歪素子の周囲に設けられたコイルと、
一端が前記振動板の前記自由端と反対側の一端と接続され、他端が振動源と接続されている非磁性体からなるフレームと、
前記第1の方向と交差する面に沿った方向から前記磁歪素子に磁界を印加する第一の磁石および第二の磁石と、
前記フレーム上に配置され、前記第一の磁石と前記第二の磁石とを搭載する磁性板と、
を備え、
前記第一の磁石と前記第二の磁石とは、前記コイルの軸に対して、略線対称になるように、前記第1の方向と交差する第2の方向に沿って互いに離間して前記磁性板上に配置されており、
さらに前記第一の磁石の前記磁性板側の極性と、前記第二の磁石の前記磁性板側の極性とが、互いに反対である、
発電装置。 A diaphragm that extends in the first direction and has a free end,
A plate-shaped magnetostrictive element extending in the first direction and made of a magnetostrictive material provided on one surface of the diaphragm.
A coil provided around the magnetostrictive element and
A frame made of a non-magnetic material, one end of which is connected to one end of the diaphragm opposite to the free end and the other end of which is connected to a vibration source.
A first magnet and a second magnet that apply a magnetic field to the magnetostrictive element from a direction along a surface intersecting the first direction.
A magnetic plate arranged on the frame and mounting the first magnet and the second magnet,
With
The first magnet and the second magnet are separated from each other along a second direction intersecting with the first direction so as to be substantially line-symmetrical with respect to the axis of the coil. It is placed on a magnetic plate and
Further, the polarity of the first magnet on the magnetic plate side and the polarity of the second magnet on the magnetic plate side are opposite to each other.
Power generator.
前記第1の方向及び前記第2の方向に直交する第3の方向から見て、前記第一の磁石と前記第二の磁石とは、前記磁歪素子と重ならない、請求項1から3のいずれか一項に記載の発電装置。 The spatial distance between the first magnet and the second magnet is longer than the spatial distance between the first magnet and the magnetostrictive element, and is greater than the spatial distance between the second magnet and the magnetostrictive element. Long,
Any of claims 1 to 3, wherein the first magnet and the second magnet do not overlap with the magnetostrictive element when viewed from the first direction and the third direction orthogonal to the second direction. The power generation device according to item 1.
Priority Applications (1)
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