JP3558914B2 - Energy recovery method and device using boost chopper - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、様々な理由で振動が引き起こされている系において、機械的な振動を電磁アクチュエータによって電力に変換せしめるとともに、該電力を二次電池等からなる回生回路に蓄積するようにしたエネルギー回生方法およびその装置にに関する。
【０００２】
【従来の技術】
機械の振動を低減する目的で、アクティブ制振法が盛んに行われているが、このようなアクティブに振動を制御するためには外部から大きなエネルギーを供給する必要があって、そのエネルギー問題は、制振性能を上げようとすればするほど深刻になってくる。一方、振動そのものはエネルギーなので、直動ＤＣモータ等により減衰を付与しながら、機械的な振動のエネルギーを電気エネルギーに変換して、二次電池等のバッテリーへと蓄積回生するところのエネルギー回生ダンパが本願発明者らによって提案されている。
図１２によって前記エネルギー回生ダンパを説明すると、図１２（Ａ）に示すように、電磁アクチュエータを構成する直動ＤＣモータ２１と、コンデンサＣ２１、Ｃ２２等からなる二次電池およびダイオードＤ２１、Ｄ２２等からなる整流器により構成された倍電圧充電回路とが接続されてエネルギー回生ダンパとして用いられるもので、これにより、機械的な振動エネルギーはモータであると同時に発電機でもある電磁アクチュエータによって電気エネルギーへと変換され、電圧ｅｂのコンデンサＣ２１、Ｃ２２に蓄積回生される。アクチュエータ係数をΨと置くと、力と電流、電圧と電磁アクチュエータの振動速度との関係は次のようになる。
ｆｄ＝Ψｉ ｅ＝Ψｖ （１）
【０００３】
振動によって、電磁アクチュエータが速度ｖで動かされ、ｅの電圧を発生し、発生電圧ｅがコンデンサ電圧ｅｂより高い（絶対値ｖ＞ｅＦｂ／Ψ：ｅＦｂは所定の電圧）とき、電流ｉがコンデンサへと流れ、電磁アクチュエータ２１は
ｆｄ＝Ψｉ＝Ψ（Ψｖ±ｅＦｂ）／Ｒ （２）
の減衰力を発生する。図１２（Ｂ）の実線にて示す関係が成り立つ。ここでＲは全電気抵抗である。なお、電気抵抗Ｒ’のみを電磁アクチュエータに接続した場合は
ｉ＝Ψｖ／Ｒ’
の電流が流れ電磁アクチュエータ２１が発生する減衰力は
ｆｄ＝Ψｉ＝Ψ２ ｖ／Ｒ’ （３）
となる。この特性は図１２（Ｂ）の点線に示される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなアクチュエータの端子をエネルギー回生回路である充電回路に直接接続するものでは、電磁アクチュエータによる発生電圧ｅがコンデンサ等の二次電池電圧ｅｂよりも低い場合、すなわち振動速度が低過ぎて充分な電力を発生しない場合には、エネルギー回生ダンパとしての機能を発揮することができないこととなった。つまり制振が不可能となる虞れが生じた。図１２（Ｂ）で見ると、コンデンサ等の二次電池電圧ｅｂに応じた所定の値−ｅＦｂ／Ψ＜ｖ＜ｅＦｂ／Ψの範囲内に電磁アクチュエータの振動速度ｖが有る場合は、この領域が不感帯となり、減衰力ｆを発生させることができないものとなった。
したがって、このような特性の回生ダンパをそのまま用いると、振動の小さな応答でエネルギー回収が困難となり、減衰効果を悪化させ、非線形特性による高周波ノイズを発生させる虞れも生じた。
【０００５】
図１２のエネルギー回収ダンパの周波数応答を計算すると、図１３のような応答が描かれる。図１３（Ａ）中の右下がりの一点鎖線の直線は、これより下では振動が不感帯の中で、制振効果が得られない領域であることを示している。系に正弦波状の外力を加えた場合の、変位応答の基本波成分の応答が実線で示されている。
予想したように、応答の小さな場合（ａ）は大きな共振が現れる。点線は参考のために示した等価な線形減衰を取り付けた応答である。
また、図１３（Ｂ）は回生エネルギー量を示しており、減衰力が得られない領域ではエネルギーも回生できないことを示している。
【０００６】
そこで、本発明では、前記従来のエネルギー回生ダンパの諸課題を解決して、小さな振動応答の共振特性を改善し、起電力が小さくても充電を行えるようにして、充電効率と制振効率を向上させることを可能にした昇圧チョッパを利用したエネルギー回生方法およびその装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
機械的な振動を電磁アクチュエータによって電力に変換せしめるとともに、該電力を二次電池等からなる回生回路に蓄積するようにしたエネルギー回生方法において、前記電磁アクチュエータと回生回路との間に電気的なインダクタンスと短時間にオン、オフを繰り返すスイッチング素子とにより構成される昇圧チョッパを介設し、前記電磁アクチュエータの振動速度が０から所定値に達するまでは、前記スイッチング素子によるオン・オフの比率を０から１まで振動速度に比例して変化させることを特徴とする昇圧チョッパを利用したエネルギー回生方法である。
また、前記昇圧チョッパは、スイッチング素子がオンの間にインダクタンス内に電磁エネルギーを蓄積し、スイッチング素子をオフの間に該エネルギーを二次電池等からなる回生回路に蓄積することを特徴とする昇圧チョッパを利用したエネルギー回生方法である。 また、機械的な振動を電力に変換せしめる電磁アクチュエータと、該電磁アクチュエータによって発生した電力を蓄積する二次電池等からなる回生回路と、これら電磁アクチュエータと回生回路との間に介設され電気的なインダクタンスと短時間にオン、オフを繰り返すスイッチング素子とから構成される昇圧チョッパとを備え、前記昇圧チョッパは前記電磁アクチュエータの振動速度が０から所定値に達するまでは、前記スイッチング素子によるオン・オフの比率が０から１まで振動速度に比例して変化するように構成したことを特徴とする昇圧チョッパを利用したエネルギー回生装置である。
また、前記電磁アクチュエータを、リレー方式により切り換えて振動制御することも可能にしたアクティブダンパを構成することを特徴とする昇圧チョッパを利用したエネルギー回生装置である。
また、前記回生回路を電磁アクチュエータにより発生した電流のいずれの方向でも充電可能な倍電圧充電回路としたことを特徴とする昇圧チョッパを利用したエネルギー回生装置である。
【０００８】
【実施の形態】
以下、本発明におけるエネルギー回収方法およびその装置の１実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１（Ａ）および図１（Ｂ）は本発明における昇圧チョッパを利用したエネルギー回収方法およびその装置の全体概略図、およびモータを兼用する直動発電機を構成する電磁アクチュエータの具体例概略図である。
振動を起こす系は質量とばねから構成され、様々な入力によって振動が引き起こされる。このような振動系を制振しようとする場合、固定面が使える制振系や可動質量を使う動吸振器あるいは振動を絶縁するサスペンション等が考えられ、さらに、アクティブ制振が適用されてきた。図１のものは、固定面の使える代表的な構成例で、図１（Ｂ）に示すように、振動を起こす質量Ｍを有する質量４と定数Ｋを有するばね５に対して、制振アクチュエータである電磁アクチュエータ１がばね５と並列に介設できる場合である。（あるいはこのような構成を採用することが不可能で、付加質量ｍと付加ばねｋとで機械的な共振を作り、そこにアクチュエータを介設するアクティブマスダンパと称される構成もある。さらに振動絶縁系ではサスペンションやエンジンマウントのような場合も考えられる。）制振アクチュエータである電磁アクチュエータ１は、固定面に設置された磁極６と、該磁極６のＮ極とＳ極との間に移動自在に挿入される質量４と一体のコイル７とから構成され、振動系は、ばね５と質量４と一体にて振動するコイル７と磁極６との間に発生する起電力（電圧ｅ）によって消費されるエネルギーにより減衰されることになる。
【０００９】
図１（Ａ）に示すように、本発明のエネルギー回収方法では、機械的な振動を電磁アクチュエータ１によって電力に変換せしめるとともに、該電力を二次電池等からなる回生回路２に蓄積するようにしたエネルギー回生方法において、前記電磁アクチュエータ１と回生回路２との間に昇圧チョッパ３を介設したことを特徴とするものである。前記電力を蓄積する回生回路２を構成する二次電池としては第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２が採用され、電磁アクチュエータ１の振動により発生する交流電流をそれぞれ整流して、前記第１および第２の各コンデンサＣ１およびＣ２に電力を充電することができるように、整流方向を互いに逆にした第１および第２ダイオードＤ１、Ｄ２が介設されて倍電圧充電回路を構成する。
昇圧チョッパ３は、電気的なインダクタンスＬと短時間にオン、オフを繰り返すスイッチング素子Ｓとにより構成される。
【００１０】
図２および図３は、このように構成されたエネルギー回収装置としてのダンパの充電状態を説明するもので、昇圧チョッパ３を設置したことによって、電圧の低い場合の充電特性を改善して効率を向上させることができる。
電磁アクチュエータ１により発生した起電力ｅがコンデンサ等の二次電池の電圧ｅｂより小さい場合、通常の回路では充電することができないが、本発明のものでは、図２の状態に示すように、短時間にオン、オフを繰り返すスイッチング素子Ｓがオンの間に、速度ｖの機械的振動によって発生した電磁アクチュエータ１からの起電力ｅ（正の場合を示す。）により、電流ｉは矢印のように流れてインダクタンスＬに
ＷＬ＝Ｌｉ２ ／２ （４）
なる電磁エネルギーが蓄えられる。
次いで、図３の状態に示すように、スイッチング素子Ｓがオフとなると、インダクタンスＬの電流は流れ続けようとする性質があるため、整流器であるダイオードＤ１を介してより高いコンデンサＣ１の蓄電池電圧ｅｂへ充電することができる。
図４は、前記インダクタンスＬに加わる電圧ｅＬと電流ｉの波形を示し、区間ａはスイッチング素子Ｓがオンのとき、区間ｂはスイッチング素子Ｓがオフのときである。スイッチング素子Ｓがオフとなる度にｅ−ｅｂの電圧電力が放出されて充電に供される。
【００１１】
図５は、本発明により提案された昇圧チョッパを利用した装置であるエネルギー回生ダンパに、リレー方式のアクティブ振動制御を併用したエネルギー回生・アクティブダンパの例で、コントローラ９によりリレーＳ２を切り換えることにより、加振・制振部７に電磁アクチュエータ１によるエネルギー回生動作と、パワーアンプ８からの電力によるアクティブ振動制御とを行わせるものである。
昇圧チョッパにおけるスイッチング素子Ｓ１は高速で切り換えることのできるＭＯＳ−ＦＥＴ（金属酸化膜半導体を基本とした電界効果型トランジスタ）を示し、スイッチング素子Ｓ１の具体例が図６に示されている。図６の図面左側の電圧０．５Ｖは電磁アクチュエータから発生する電圧を示し、図面右側のコンデンサＣ１等の二次電池の電圧１．２Ｖよりも低いにもかかわらず、充電が可能となっている。
図５の符号１０はディジタル波形記録装置で、発生電圧状態が記録される。
【００１２】
図７は、前記図６の装置により実験を行った結果の回路内の電流波形を示すもので、これにより、ダンパ（電磁アクチュエータ）から発生する電圧０．５Ｖは、コンデンサＣ１等の二次電池の電圧１．２Ｖよりも低いにもかかわらず、図７（Ａ）の電流のようにインダクタンスに蓄えられた充電電流（１）が、図７（Ｂ）の波形のように昇圧チョッパ内を流れて二次電池へと充電される様子が理解される。
図８は、昇圧チョッパの介設の有無によるダンパの減衰特性の実測データを示すもので、白丸が回生回路のみのデータ、黒丸が昇圧チョッパを介設した回生回路のデータを表している。
昇圧チョッパを介設した場合は、電磁アクチュエータの振動速度がより低い速度から減衰力が発生していることが理解される。この実験では、昇圧チョッパなしでもある程度の減衰力が得られるように二次電池の電圧を１．２Ｖと低い電圧で実験した。本来は回生電圧を使い易いように数ボルトにすべきであり、昇圧チョッパの威力はさらに大きくなることは明らかである。
【００１３】
通常の昇圧チョッパはオン・オフを等しい間隔で繰り返して使用されるが、減衰力をなるべく低い速度から得るために、好ましくはＰＷＭ方式の昇圧チョッパを提案する。
これは、前記電磁アクチュエータ１の振動速度が０から所定値に達するまで、すなわち、０＜絶対値ｖ＜２ｅＦｂ／Ψの間は、前記スイッチング素子Ｓによるオン・オフの比率を０から１まで振動速度に比例して変化させることを特徴とするものである。そして、絶対値ｖ＞２ｅＦｂ／Ψに至れば、スイッチング素子Ｓをオフにしておけばよい。
図９に、シミュレーションで得られた力と速度の関係式を示す。図の実線において、回生に最低限必要な電圧を
ｅｓ＝αｅＦｂ （５）
とおく。ここでαは不感帯速度の減少率となる。またシミュレーションにより、ｅｂ＝１．２Ｖ、３．６Ｖの場合、ｅｓとαは次のように求められる。

Figure 0003558914
【００１４】
このことにより、昇圧チョッパを介設したエネルギー回生ダンパが発生する減衰力は
Figure 0003558914
となる。以上の結果を用い、Ｃ言語にて数値シミュレーションを行った周波数応答を図１０に示す。図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）のいずれも、上の図は振幅応答を示し、下の図は回生エネルギーを示している。これらの図によって、外力が大きいとき、特にＦ０＝３０（Ｎ）の場合、過減衰となっているが、Ｆ０＝１（Ｎ）の応答を見ると昇圧されることにより、共振が小さくなっているのが理解される。
【００１５】
図１１は、図６の装置による別の実験データを示す図で、減衰力をなるべく低い速度から得るために、回路にＰＷＭ方式の昇圧チョッパを介設して行ったものである。これは、前記電磁アクチュエータ１の振動速度が０から所定値に達するまで、すなわち、０＜絶対値ｖ＜２ｅＦｂ／Ψの間は、前記スイッチング素子Ｓによるオン・オフの比率を０から１まで振動速度に比例して変化させた。
この結果、図１１（Ａ）の黒丸のプロットのようになり、さらに速度に対してより線形的なエネルギー回生ダンパを構成することが可能なことが理解される。そのときの、振幅応答および回生エネルギーを図１１（Ｂ）（Ｃ）にそれぞれ示す。
【００１６】
このように、昇圧チョッパ回生回路を採用することによって、二次電池等のバッテリー電圧ｅｂより低い発生電圧であっても、これを昇圧させることで機械的エネルギーを有効に電気的なエネルギーとして回生することが可能であることが確認できた。バッテリ電圧３．６Ｖ、１．２Ｖにおいてエネルギー回生ダンパの不感帯速度をそれぞれ５８％、３８、４％減少させることができた。
【００１７】
以上、本発明の１実施の形態について説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、電磁アクチュエータの形状および形式、充電回路である回生回路の形状および形式、二次電池の形式、昇圧チョッパを構成するインダクタンスおよびスイッチング素子の形状および形式ならびにそれらの配線形態、アクティブダンパとしての形状および形式等については適宜に選定することができる。
【００１８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明では、機械的な振動を電磁アクチュエータによって電力に変換せしめるとともに、該電力を二次電池等からなる回生回路に蓄積するようにしたエネルギー回生方法において、前記電磁アクチュエータと回生回路との間に昇圧チョッパを介設するように構成したので、機械的に充分な振動速度が得られずに電磁アクチュエータにより発生した電圧が回生回路における二次電池の電圧より低い場合であっても、これを昇圧させて前記回生回路への電力の蓄積回生が可能となった。
したがって、従来の昇圧チョッパを介設しないエネルギー回生方法のもののように、応答の小さな領域で大きな共振が現れて、減衰力が得られずにエネルギーも回生できない状態に陥ることもないので、従来のものに比較して振動速度の不感帯領域を減少させ、格段に充電特性を改善させて制振効率を向上させることができた。
【００１９】
また、前記昇圧チョッパは、電気的なインダクタンスと短時間にオン、オフを繰り返すスイッチング素子とにより構成され、スイッチング素子がオンの間にインダクタンス内に電磁エネルギーを蓄積し、スイッチング素子をオフの間に該エネルギーを二次電池等からなる回生回路に蓄積するように構成したので、低い発生電圧であっても、確実かつ迅速に回生回路における二次電池への電力の蓄積回生が可能となる他、電磁アクチュエータの振動速度が０から所定値に達するまでは、前記スイッチング素子によるオン・オフの比率を０から１まで振動速度に比例して変化させるように制御することも可能として、減衰力をより低い速度から得ることができることとなった。
【００２０】
さらに、前記電磁アクチュエータを、リレー方式により切り換えて振動制御することも可能にしたアクティブダンパを構成した場合は、加振装置による振動に伴って発生するエネルギーをも有効に電気的エネルギーとして回生することをも可能とした。
さらにまた、前記回生回路を電磁アクチュエータにより発生した電流のいずれの方向でも充電可能な倍電圧充電回路とした場合は、機械的なエネルギーの回収部である電磁アクチュエータにて発生した双方向の電気的エネルギー（交流）をいずれも確実に回生することができて、より回生効率を高めることができる。
かくして、本発明によれば、小さな振動応答の共振特性を改善し、起電力が小さくても充電を行えるようにして、充電効率と制振効率を向上させることを可能にした昇圧チョッパを利用したエネルギー回生方法およびその装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における昇圧チョッパを利用したエネルギー回収方法およびその装置の全体概略図および電磁アクチュエータの具体例概略図である。
【図２】本発明のエネルギー回収装置の充電状態を説明するもので、スイッチング素子のオン状態を示す図である。
【図３】本発明のエネルギー回収装置の充電状態を説明するもので、スイッチング素子のオフ状態を示す図である。
【図４】本発明のエネルギー回収装置のインダクタンスに加わる電圧と電流の波形を示す図である。
【図５】本発明により提案された昇圧チョッパを利用したエネルギー回生・アクティブダンパの例を示す全体概略図である。
【図６】スイッチング素子の具体例を示す本発明のエネルギー回収装置の回路図である。
【図７】図６の装置により実験を行った結果の回路内の電流波形を示す図である。
【図８】図６の装置により実験を行った結果の昇圧チョッパの介設の有無によるダンパの減衰特性の実測データを示す図である。
【図９】図６の装置によりシミュレーションで得られた力と速度の関係式を示す図である。
【図１０】図６の装置により数値シミュレーションを行った周波数応答図である。
【図１１】図６の装置による別の実験データを示す図である。
【図１２】本発明の背景となったエネルギー回収方法およびその装置の全体概略図および力と速度の関係式を示す図である。
【図１３】図１２の装置により数値シミュレーションを行った周波数応答図である。
【符号の説明】
１ 電磁アクチュエータ（制振アクチュエータ）
２ 回生回路（充電回路）
３ 昇圧チョッパ
４ 質量
５ ばね
６ 磁極
７ 加振・制振部
８ パワーアンプ
９ コントローラ
１０ ディジタル波形記録装置
Ｃ１ 第１コンデンサ（二次電池）
Ｃ２ 第２コンデンサ（二次電池）
Ｄ１ 第１ダイオード（整流器）
Ｄ２ 第２ダイオード（整流器）
Ｌ インダクタンス
Ｓ スイッチング素子
Ｓ１ スイッチ
Ｓ２ リレー[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an energy regeneration system in which a mechanical vibration is converted into electric power by an electromagnetic actuator in a system where vibration is caused for various reasons, and the electric power is stored in a regenerative circuit including a secondary battery or the like. The present invention relates to a method and an apparatus thereof.
[0002]
[Prior art]
Active vibration suppression methods are actively used to reduce machine vibration.However, in order to control such vibration actively, it is necessary to supply a large amount of energy from the outside. The more you try to improve the damping performance, the more serious it becomes. On the other hand, since the vibration itself is energy, an energy regeneration damper that converts mechanical vibration energy into electric energy while applying damping by a direct-drive DC motor or the like and accumulates and regenerates it in a battery such as a secondary battery. Have been proposed by the present inventors.
The energy regeneration damper will be described with reference to FIG. 12. As shown in FIG. 12A, a direct-acting DC motor 21 constituting an electromagnetic actuator, a secondary battery including capacitors C21 and C22, and diodes D21 and D22 and the like. Is connected to a voltage doubler charging circuit composed of a rectifier and is used as an energy regenerating damper, whereby mechanical vibration energy is converted into electric energy by an electromagnetic actuator that is both a motor and a generator. Then, the voltage eb is accumulated and regenerated in the capacitors C21 and C22. Assuming that the actuator coefficient is 関係, the relationship between force and current, voltage and the vibration speed of the electromagnetic actuator is as follows.
fd = Ψie = Ψv (1)
[0003]
Due to the vibration, the electromagnetic actuator is moved at a speed v and generates a voltage e. When the generated voltage e is higher than the capacitor voltage eb (absolute value v> eFb / Ψ: eFb is a predetermined voltage), the current i is applied to the capacitor. And the electromagnetic actuator 21 obtains fd = Ψi = Ψ (Ψv ± eFb) / R (2)
Generates damping force. The relationship shown by the solid line in FIG. Where R is the total electrical resistance. When only the electric resistance R 'is connected to the electromagnetic actuator, i = {v / R'
Current flows, and the damping force generated by the electromagnetic actuator 21 is fd = Ψi = Ψ 2 v / R ′ (3)
It becomes. This characteristic is shown by the dotted line in FIG.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the terminal of such an actuator is directly connected to a charging circuit which is an energy regenerating circuit, the voltage e generated by the electromagnetic actuator is lower than the voltage eb of the secondary battery such as a capacitor, that is, the vibration speed is too low. If sufficient electric power is not generated, the function as an energy regeneration damper cannot be exhibited. That is, there is a possibility that vibration suppression becomes impossible. 12B, when the vibration velocity v of the electromagnetic actuator is within a range of a predetermined value -eFb / Ψ <v <eFb / Ψ according to the secondary battery voltage eb of the capacitor or the like, this region Became a dead zone, and the damping force f could not be generated.
Therefore, if a regenerative damper having such characteristics is used as it is, it becomes difficult to recover energy with a small response of vibration, the damping effect is deteriorated, and high-frequency noise due to nonlinear characteristics may be generated.
[0005]
When the frequency response of the energy recovery damper of FIG. 12 is calculated, a response as shown in FIG. 13 is drawn. The straight line of the dashed-dotted line in the lower right of FIG. 13 (A) indicates that below this, the vibration is in the dead zone and the region where the vibration damping effect cannot be obtained. The response of the fundamental wave component of the displacement response when a sinusoidal external force is applied to the system is shown by a solid line.
As expected, a large resonance appears when the response is small (a). The dashed line is the response with the equivalent linear damping shown for reference.
FIG. 13B shows the amount of regenerative energy, and indicates that energy cannot be regenerated in a region where the damping force cannot be obtained.
[0006]
Therefore, in the present invention, the problems of the conventional energy regenerating damper are solved, the resonance characteristic of a small vibration response is improved, and charging can be performed even when the electromotive force is small. It is an object of the present invention to provide an energy regeneration method and a device using a boosting chopper which can improve the energy.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, the technical solution adopted by the present invention is:
In an energy regenerating method in which mechanical vibration is converted into electric power by an electromagnetic actuator and the electric power is stored in a regenerative circuit including a secondary battery or the like, an electric inductance is provided between the electromagnetic actuator and the regenerative circuit. And a switching element that repeatedly turns on and off in a short period of time. A step-up chopper is provided. Until the vibration speed of the electromagnetic actuator reaches a predetermined value from 0, the on / off ratio of the switching element is set to 0. This is a method of regenerating energy using a step-up chopper, wherein the energy is changed in proportion to the vibration speed from 1 to 1 .
The step-up chopper stores electromagnetic energy in an inductance while the switching element is on, and stores the energy in a regenerative circuit including a secondary battery while the switching element is off. This is an energy regeneration method using a chopper. In addition, an electromagnetic actuator that converts mechanical vibration into electric power, a regenerative circuit including a secondary battery that accumulates electric power generated by the electromagnetic actuator, and an electric circuit interposed between the electromagnetic actuator and the regenerative circuit. And a switching element that repeats on and off in a short time. The boosting chopper is turned on and off by the switching element until the vibration speed of the electromagnetic actuator reaches a predetermined value from 0. An energy regenerating apparatus using a step-up chopper, wherein an off ratio changes from 0 to 1 in proportion to a vibration speed .
An energy regenerating apparatus using a step-up chopper is characterized in that an active damper is configured so that vibration control can be performed by switching the electromagnetic actuator by a relay method.
An energy regenerating apparatus using a step-up chopper, wherein the regenerative circuit is a voltage doubler charging circuit capable of charging in any direction of a current generated by an electromagnetic actuator.
[0008]
Embodiment
Hereinafter, an embodiment of an energy recovery method and an energy recovery apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
1 (A) and 1 (B) are schematic diagrams of an entire energy recovery method and apparatus using a step-up chopper according to the present invention, and a schematic diagram of a specific example of an electromagnetic actuator constituting a linear motion generator serving also as a motor. It is.
A system that generates vibration is composed of a mass and a spring, and vibration is generated by various inputs. When attempting to control such a vibration system, a vibration control system that can use a fixed surface, a dynamic vibration absorber that uses a movable mass, a suspension that insulates vibration, and the like have been considered, and active vibration control has been applied. FIG. 1 shows a typical configuration example in which a fixed surface can be used. As shown in FIG. 1B, a vibration damping actuator is provided for a mass 4 having a mass M that causes vibration and a spring 5 having a constant K. In this case, the electromagnetic actuator 1 can be interposed in parallel with the spring 5. (Or it is impossible to adopt such a configuration, and there is a configuration called an active mass damper in which a mechanical resonance is created by the additional mass m and the additional spring k, and an actuator is interposed there. In the case of a vibration isolation system, a suspension or an engine mount may be considered.) The electromagnetic actuator 1 serving as a vibration damping actuator is provided between a magnetic pole 6 installed on a fixed surface and an N pole and an S pole of the magnetic pole 6. The vibrating system is composed of a mass 4 movably inserted and a coil 7 integrated with the mass, and an electromotive force (voltage e) generated between the magnetic pole 6 and the coil 7 vibrating integrally with the spring 5 and the mass 4. Will be attenuated by the energy consumed.
[0009]
As shown in FIG. 1A, in the energy recovery method of the present invention, mechanical vibration is converted into electric power by an electromagnetic actuator 1 and the electric power is stored in a regenerative circuit 2 composed of a secondary battery or the like. In the energy recovery method described above, a step-up chopper 3 is provided between the electromagnetic actuator 1 and the regenerative circuit 2. A first capacitor C1 and a second capacitor C2 are employed as the secondary batteries constituting the regenerative circuit 2 for storing the power, and the first and second capacitors C1 and R2 rectify the AC current generated by the vibration of the electromagnetic actuator 1, respectively. The first and second diodes D1 and D2, whose rectification directions are opposite to each other, are provided to form a voltage doubler charging circuit so that the respective capacitors C1 and C2 can be charged with electric power.
The step-up chopper 3 includes an electric inductance L and a switching element S that repeats on and off in a short time.
[0010]
FIG. 2 and FIG. 3 illustrate the charging state of the damper as the energy recovery device thus configured. By installing the boosting chopper 3, the charging characteristics when the voltage is low are improved and the efficiency is improved. Can be improved.
When the electromotive force e generated by the electromagnetic actuator 1 is smaller than the voltage eb of a secondary battery such as a capacitor, it cannot be charged by a normal circuit, but in the case of the present invention, as shown in the state of FIG. While the switching element S, which repeatedly turns on and off at a time, is on, the current i is shown by an arrow due to the electromotive force e (showing a positive case) from the electromagnetic actuator 1 generated by the mechanical vibration at the speed v. flows to the inductance L WL = Li 2/2 ( 4)
Electromagnetic energy is stored.
Next, as shown in the state of FIG. 3, when the switching element S is turned off, the current of the inductance L tends to continue to flow. Therefore, the storage battery voltage eb of the capacitor C1 is higher through the diode D1 which is a rectifier. Can be charged to
FIG. 4 shows waveforms of the voltage eL and the current i applied to the inductance L. The section a is when the switching element S is on, and the section b is when the switching element S is off. Each time the switching element S is turned off, e-eb voltage power is released and used for charging.
[0011]
FIG. 5 is an example of an energy regenerating / active damper that uses a relay type active vibration control in addition to an energy regenerating damper that is a device using a boost chopper proposed by the present invention. The controller 9 switches a relay S2. The vibration / damping unit 7 performs an energy regeneration operation by the electromagnetic actuator 1 and an active vibration control by electric power from the power amplifier 8.
The switching element S1 in the step-up chopper is a MOS-FET (a field effect transistor based on a metal oxide semiconductor) that can be switched at a high speed, and a specific example of the switching element S1 is shown in FIG. The voltage 0.5V on the left side of the drawing in FIG. 6 indicates a voltage generated from the electromagnetic actuator, and charging is possible despite being lower than the voltage 1.2V of the secondary battery such as the capacitor C1 on the right side of the drawing. .
Reference numeral 10 in FIG. 5 is a digital waveform recording device for recording a generated voltage state.
[0012]
FIG. 7 shows a current waveform in the circuit as a result of conducting an experiment using the apparatus shown in FIG. 6, whereby a voltage of 0.5 V generated from a damper (electromagnetic actuator) is reduced by a secondary battery such as a capacitor C1. 7A, the charging current (1) stored in the inductance as shown in FIG. 7A flows through the boost chopper as shown in the waveform of FIG. 7B. It is understood that the secondary battery is charged.
FIG. 8 shows actually measured data of the damping characteristics of the damper according to the presence or absence of the boost chopper. White circles represent data of the regenerative circuit only, and black circles represent data of the regenerative circuit having the boost chopper.
When the step-up chopper is provided, it is understood that the damping force is generated from the lower speed of the vibration speed of the electromagnetic actuator. In this experiment, the voltage of the secondary battery was experimented at a low voltage of 1.2 V so that a certain amount of damping force could be obtained without a boost chopper. Originally, the regenerative voltage should be set to several volts so as to be easy to use, and it is clear that the power of the boost chopper is further increased.
[0013]
Normal boost choppers are repeatedly used on and off at equal intervals. However, in order to obtain damping force from as low a speed as possible, a PWM boost chopper is preferably proposed.
This is because the on / off ratio of the switching element S is oscillated from 0 to 1 until the oscillation speed of the electromagnetic actuator 1 reaches a predetermined value from 0, that is, while 0 <absolute value v <2 eFb / Ψ. It is characterized in that it is changed in proportion to the speed. When the absolute value v> 2 eFb / Ψ, the switching element S may be turned off.
FIG. 9 shows a relational expression between the force and the speed obtained by the simulation. In the solid line in the figure, the minimum voltage required for regeneration is es = αeFb (5)
far. Here, α is the rate of decrease of the dead zone speed. In the case of eb = 1.2 V, 3.6 V, es and α are obtained as follows by simulation.
Figure 0003558914
[0014]
As a result, the damping force generated by the energy regenerating damper provided with the boost chopper becomes
Figure 0003558914
It becomes. FIG. 10 shows a frequency response obtained by performing a numerical simulation in the C language using the above results. 10A and 10B, the upper diagram shows the amplitude response, and the lower diagram shows the regenerative energy. According to these figures, when the external force is large, especially when F0 = 30 (N), the overdamping is observed. It is understood that there is.
[0015]
FIG. 11 is a diagram showing another experimental data obtained by the apparatus shown in FIG. 6, which is obtained by providing a PWM step-up chopper in a circuit in order to obtain a damping force at a speed as low as possible. This is because the on / off ratio of the switching element S is oscillated from 0 to 1 until the oscillation speed of the electromagnetic actuator 1 reaches a predetermined value from 0, that is, while 0 <absolute value v <2 eFb / Ψ. It was changed in proportion to the speed.
As a result, the plot becomes as indicated by the black circle in FIG. 11A, and it is understood that the energy regeneration damper can be configured to be more linear with respect to the speed. The amplitude response and regenerative energy at that time are shown in FIGS. 11B and 11C, respectively.
[0016]
In this way, by employing the boost chopper regeneration circuit, even if the generated voltage is lower than the battery voltage eb of the secondary battery or the like, the generated voltage is boosted to effectively regenerate mechanical energy as electrical energy. It was confirmed that it was possible. At the battery voltage of 3.6V and 1.2V, the dead band speed of the energy regenerating damper could be reduced by 58%, 38% and 4%, respectively.
[0017]
The embodiment of the present invention has been described above. However, within the scope of the present invention, the shape and type of the electromagnetic actuator, the shape and type of the regenerative circuit as the charging circuit, the type of the secondary battery, the step-up chopper The shapes and types of the inductances and the switching elements, and the wiring forms thereof, and the shapes and types of the active dampers can be appropriately selected.
[0018]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, in the energy regeneration method in which mechanical vibration is converted into electric power by an electromagnetic actuator and the electric power is stored in a regenerative circuit including a secondary battery or the like, Since the step-up chopper is interposed between the electromagnetic actuator and the regenerative circuit, the voltage generated by the electromagnetic actuator is lower than the voltage of the secondary battery in the regenerative circuit because a sufficient vibration speed cannot be obtained mechanically. Even in such a case, the voltage can be boosted and the power can be stored and regenerated in the regenerative circuit.
Therefore, unlike the conventional energy regenerating method without the step-up chopper, a large resonance appears in a region of small response and the energy cannot be regenerated without obtaining the damping force. The dead zone of the vibration speed was reduced as compared with the one, and the charging characteristics were remarkably improved to improve the vibration damping efficiency.
[0019]
Further, the step-up chopper is configured by an electric inductance and a switching element that repeatedly turns on and off in a short time, stores electromagnetic energy in the inductance while the switching element is on, and turns off the switching element while the switching element is off. Since the energy is configured to be stored in a regenerative circuit including a secondary battery or the like, even at a low generated voltage, it is possible to reliably and quickly store and regenerate power to the secondary battery in the regenerative circuit. Until the vibration speed of the electromagnetic actuator reaches a predetermined value from 0, it is also possible to control the on / off ratio of the switching element to change from 0 to 1 in proportion to the vibration speed, so that the damping force can be further increased. It can be obtained from low speed.
[0020]
Further, in the case where an active damper is provided which is capable of controlling the vibration by switching the electromagnetic actuator by a relay method, it is also possible to effectively regenerate energy generated due to the vibration by the vibration device as electric energy. Was also possible.
Furthermore, when the regenerative circuit is a voltage doubler charging circuit that can be charged in any direction of the current generated by the electromagnetic actuator, a bidirectional electrical circuit generated by the electromagnetic actuator as a mechanical energy recovery unit is used. All of the energy (alternating current) can be surely regenerated, and the regenerative efficiency can be further improved.
Thus, according to the present invention, a boost chopper that improves the resonance characteristics of a small vibration response, enables charging even when the electromotive force is small, and improves the charging efficiency and the damping efficiency is used. An energy regeneration method and device are provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall schematic diagram of an energy recovery method and apparatus using a boost chopper according to the present invention, and a schematic diagram of a specific example of an electromagnetic actuator.
FIG. 2 is a diagram for explaining a charged state of the energy recovery device of the present invention, and is a diagram showing an ON state of a switching element.
FIG. 3 is a diagram for explaining a charging state of the energy recovery device of the present invention and showing an off state of a switching element.
FIG. 4 is a diagram showing waveforms of a voltage and a current applied to an inductance of the energy recovery device of the present invention.
FIG. 5 is an overall schematic diagram showing an example of an energy regeneration / active damper using a boost chopper proposed by the present invention.
FIG. 6 is a circuit diagram of the energy recovery device of the present invention showing a specific example of the switching element.
7 is a diagram showing a current waveform in a circuit as a result of performing an experiment using the apparatus of FIG. 6;
8 is a diagram showing measured data of damping characteristics of a damper depending on the presence or absence of a boost chopper as a result of an experiment performed by the apparatus of FIG. 6;
9 is a diagram showing a relational expression between a force and a speed obtained by a simulation using the apparatus shown in FIG. 6;
FIG. 10 is a frequency response diagram obtained by performing a numerical simulation using the apparatus of FIG. 6;
FIG. 11 is a diagram showing another experimental data by the apparatus of FIG. 6;
FIG. 12 is an overall schematic diagram of an energy recovery method and an apparatus therefor as a background of the present invention, and a diagram showing a relational expression between force and speed.
FIG. 13 is a frequency response diagram obtained by performing a numerical simulation using the apparatus of FIG. 12;
[Explanation of symbols]
1 electromagnetic actuator (vibration suppression actuator)
2 Regenerative circuit (charging circuit)
3 Step-up chopper 4 Mass 5 Spring 6 Magnetic pole 7 Vibration / damping unit 8 Power amplifier 9 Controller 10 Digital waveform recording device C1 First capacitor (secondary battery)
C2 Second capacitor (secondary battery)
D1 First diode (rectifier)
D2 Second diode (rectifier)
L Inductance S Switching element S1 Switch S2 Relay

Claims (5)

機械的な振動を電磁アクチュエータによって電力に変換せしめるとともに、該電力を二次電池等からなる回生回路に蓄積するようにしたエネルギー回生方法において、前記電磁アクチュエータと回生回路との間に電気的なインダクタンスと短時間にオン、オフを繰り返すスイッチング素子とにより構成される昇圧チョッパを介設し、前記電磁アクチュエータの振動速度が０から所定値に達するまでは、前記スイッチング素子によるオン・オフの比率を０から１まで振動速度に比例して変化させることを特徴とする昇圧チョッパを利用したエネルギー回生方法。 In an energy regenerating method in which mechanical vibration is converted into electric power by an electromagnetic actuator and the electric power is stored in a regenerative circuit including a secondary battery or the like, an electric inductance is provided between the electromagnetic actuator and the regenerative circuit. And a switching element that repeatedly turns on and off in a short period of time. A step-up chopper is provided. Until the vibration speed of the electromagnetic actuator reaches a predetermined value from 0, the on / off ratio of the switching element is set to 0. An energy regeneration method using a step-up chopper, wherein the energy is changed in proportion to the vibration speed from 1 to 1. 前記昇圧チョッパは、スイッチング素子がオンの間にインダクタンス内に電磁エネルギーを蓄積し、スイッチング素子をオフの間に該エネルギーを二次電池等からなる回生回路に蓄積することを特徴とする請求項１に記載の昇圧チョッパを利用したエネルギー回生方法。2. The boost chopper according to claim 1, wherein the step-up chopper stores electromagnetic energy in an inductance while the switching element is on, and stores the energy in a regenerative circuit including a secondary battery while the switching element is off. An energy regeneration method using the step-up chopper described in 1). 機械的な振動を電力に変換せしめる電磁アクチュエータと、該電磁アクチュエータによって発生した電力を蓄積する二次電池等からなる回生回路と、これら電磁アクチュエータと回生回路との間に介設され電気的なインダクタンスと短時間にオン、オフを繰り返すスイッチング素子とから構成される昇圧チョッパとを備え、前記昇圧チョッパは前記電磁アクチュエータの振動速度が０から所定値に達するまでは、前記スイッチング素子によるオン・オフの比率が０から１まで振動速度に比例して変化するように構成したことを特徴とする昇圧チョッパを利用したエネルギー回生装置。An electromagnetic actuator that converts mechanical vibrations into electric power, a regenerative circuit including a secondary battery that accumulates electric power generated by the electromagnetic actuator, and an electric inductance interposed between the electromagnetic actuator and the regenerative circuit And a switching element that repeats on and off in a short time. The step-up chopper turns on and off the switching element until the vibration speed of the electromagnetic actuator reaches a predetermined value from 0. An energy regenerating apparatus using a step-up chopper, wherein a ratio changes from 0 to 1 in proportion to a vibration speed . 前記電磁アクチュエータを、リレー方式により切り換えて振動制御することも可能にしたアクティブダンパを構成することを特徴とする請求項４または５に記載の昇圧チョッパを利用したエネルギー回生装置。The energy regeneration device using a step-up chopper according to claim 4 or 5, wherein an active damper is configured so that vibration control can be performed by switching the electromagnetic actuator by a relay method. 前記回生回路を電磁アクチュエータにより発生した電流のいずれの方向でも充電可能な倍電圧充電回路としたことを特徴とする請求項３または４に記載の昇圧チョッパを利用したエネルギー回生装置。5. The energy regenerating apparatus using a boost chopper according to claim 3, wherein the regenerative circuit is a voltage doubler charging circuit capable of charging in any direction of a current generated by an electromagnetic actuator.
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