JP7112382B2 - 発電用磁歪素子および磁歪発電デバイス - Google Patents
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Description
[1] {110}[100]GOSS集合組織を有する方向性電磁鋼板から形成される磁歪部を含む、発電用磁歪素子。
[2] 前記方向性電磁鋼板に積層された弾性材料から形成される応力制御部をさらに含む、[1]に記載の発電用磁歪素子。
[3] 前記弾性材料が非磁性材料である、[2]に記載の発電用磁歪素子。
[4] {110}[100]GOSS集合組織を有する方向性電磁鋼板から形成される磁歪部を含む発電用磁歪素子を備える、磁歪発電デバイス。
[5] 前記方向性電磁鋼板の[100]方向にバイアス磁場が印加されるように構成されている、[4]に記載の磁歪発電デバイス。
本発明は、電磁鋼板から形成される磁歪部を含む、発電用磁歪素子に関する。
本発明において「発電用磁歪素子」(以下、しばしば、「磁歪素子」と略す場合もある)とは、磁歪特性、即ち、磁場の印加による形状変化(即ち、歪み)、を示す磁性材料によって形成された磁歪部を有し、磁歪部の逆磁歪に基づく発電が可能な素子を意味する。
尚、ΔB(単位:mTまたはT)の詳細な測定方法および測定装置については、下記実施例において説明する。
本発明は、電磁鋼板から形成される磁歪部を含む発電用磁歪素子を備える、磁歪発電デバイスに関する。
当該装置において、磁歪素子は、磁歪部と応力制御部とを有する。磁歪素子の周りにはコイルが巻かれており、磁石と、支持部(フレーム)と、支持部(フレーム)に取り付けられた錘とを含む。このような装置においては、磁石の磁力線は、磁歪素子を通過して、磁歪部に対してバイアス磁場を印加する。そして錘の振動によってフレームが振動し、磁歪素子に引張力および圧縮力を加える。このとき、磁歪部に対して歪みを加える方向と、磁歪部に対してバイアス磁場を印加する方向とが平行関係にあり、逆磁歪効果によって磁歪素子の磁化を変化させ、コイルに誘導電流(または誘導電圧)を発生させることができる。
実施例においては、磁束密度変化ΔBの値および発生電圧の量をもって、磁歪素子を評価した。
磁束密度変化ΔBの測定には、図1示した、曲げ歪みを磁歪素子に加える測定ユニット100、または図2に示した、一軸歪みを加える測定ユニット200を使用した。それぞれのユニットを用いた測定方法について説明する。
図1に、磁歪素子に曲げ歪みを加え、磁束密度変化ΔBを測定するためのユニット100の模式図を示した。図1には、例として、磁歪部111および応力制御部112を有する磁歪素子110の左側端部を固定支持台150に固定し、その右側端部を下方向に押し込んで曲げ歪みを加えるユニットを示した。
図2に、磁歪素子に一軸方向に引っ張り歪みおよび圧縮歪みを加え、磁束密度変化ΔBを測定するためのユニット200の模式図を示した。図2には、例として、磁歪部211を有する磁歪素子210を示した。磁歪素子210の両端部を非磁性材料で形成した治具(図示しない)で挟んで固定し、磁歪素子210に対して引っ張り歪み270および圧縮歪み280を加えた。歪みは、磁歪素子110に貼り付けた歪ゲージ(図示しない)を用いて測定した。尚、圧縮歪み280を加える場合には、座屈を抑制するために、両側から挟み込む治具以外の部位をアクリル樹脂の板で挟み込んだ。
発生電圧の測定には、図1示した、曲げ歪みを磁歪素子に加える測定ユニット、または図3に示した、磁歪振動デバイスを使用した。それぞれの測定方法について説明する。
図1に示した測定ユニット100を載せていたアルミ製架台を加振装置の上に載せて、磁歪素子110に動的な歪みを加えた。具体的には、磁歪素子110の固定されている端部と、その反対側の端部にタングステンの錘(図示せず)を固定した。加振機を所定の加速度、所定の周波数で正弦波振動させた。このとき、検出用コイル130に誘起される交流電圧をデジタルオシロスコープで取り込み、電圧波形のピーク電圧を用いて、磁歪振動発電デバイスとしての性能を評価した。
図3に示した評価用の磁歪振動デバイス300を使用した。非磁性材料からなるU字型構造(支持部350)の一部に、磁歪部311(磁歪材料)を接着剤を用いて貼り付けて、磁歪素子部310とした。このとき、磁歪部311(磁歪材料)を貼り付ける非磁性材料の部分の厚みを、支持部となる他の部位よりも薄くして、磁歪素子が振動し易くなるようにした。さらに磁歪部311を非磁性材料から剥がれ難くするために、非磁性材料で磁歪部311の両端を補強した。尚、磁歪部311と貼り付けられた、非磁性材料からなる支持部350の部分が、応力制御部312となる。
方向性電磁鋼板と非磁性材料とを含む磁歪素子
磁歪部を構成する磁歪材料として、日本製鉄(株)製の方向性電磁鋼板27ZH100、被膜付き、を使用した。当該電磁鋼板の厚みは0.27mm、結晶方位は{110}[100]GOSS集合組織である。方向性電磁鋼板の長手方向を[100]方向とし、長さ40mm、幅6.1mmにシャーリング切断した。切断時の歪みを除去するために800℃、2時間、真空中で焼鈍し、磁歪部用の方向性電磁鋼板を得た。
方向性電磁鋼板と非磁性材料とを含む磁歪素子
磁歪部を構成する磁歪材料として、日本製鉄(株)製の方向性電磁鋼板27ZH100、被膜付き、を使用した。当該電磁鋼板の厚みは0.27mm、結晶方位は{110}[100]GOSS集合組織である。方向性電磁鋼板の長手方向を[100]方向とし、長さ40mm、幅5.8mmにシャーリング切断した。切断時の歪みを除去するために800℃、2時間、真空中で焼鈍し、磁歪部用の方向性電磁鋼板を得た。
方向性電磁鋼板と磁性材料とを含む磁歪素子
磁歪部を構成する磁歪材料として、日本製鉄(株)製の方向性電磁鋼板27ZH100、被膜付き、を使用した。当該電磁鋼板の厚みは0.27mm、結晶方位は{110}[100]GOSS集合組織である。方向性電磁鋼板の長手方向を[100]方向とし、長さ40mm、幅6.1mmにシャーリング切断した。切断時の歪みを除去するために800℃、2時間、真空中で焼鈍し、磁歪部用の方向性電磁鋼板を得た。
無方向性電磁鋼板と非磁性材料とを含む磁歪素子
磁歪部を構成する磁歪材料として、日本製鉄(株)製の無方向性電磁鋼板35H210、被膜付き、を使用した。当該電磁鋼板の厚みは0.35mmとした。無方向性電磁鋼板の圧延方向を長手方向とし、長さ40mm、幅5.8mmにシャーリング切断し、切断時の歪みを除去するために740℃、2時間、真空中で焼鈍し、磁歪部用の無方向性電磁鋼板を得た。
無方向性電磁鋼板と磁性材料とを含む磁歪素子
磁歪部を構成する磁歪材料として、日本製鉄(株)製の無方向性電磁鋼板35H210、被膜付き、を使用した。当該電磁鋼板の厚みは0.35mmとした。無方向性電磁鋼板の圧延方向を長手方向として、長さ40mm、幅5.8mmにシャーリング切断し、切断時の歪みを除去するために740℃、2時間、真空中で焼鈍し、磁歪部用の無方向性電磁鋼板を得た。
方向性電磁鋼板のみからなる磁歪素子
磁歪部を構成する磁歪材料として、日本製鉄(株)製の方向性電磁鋼板27ZH100、被膜付き、を使用した。当該電磁鋼板の厚みは0.27mm、結晶方位は{110}[100]GOSS集合組織である方向性電磁鋼板の長手方向を[100]方向とし、長さ20mm、幅6.0mmにシャーリング切断した。切断時の歪みを除去するために800℃、2時間、真空中で焼鈍し、磁歪部のみから磁歪素子を得た。
磁歪素子に動的振動を与えたときに発生する電圧の測定
実施例1~3、参考例1と2で作製した磁歪素子について、図1に示した測定ユニットを用いて発生電圧を測定した。
尚、本実施例においては、磁歪素子の材料によらず、Δhが1mm~2mmの範囲内となるように、錘の重量を調整した。
磁歪発電デバイスによる発生電圧の測定
実施例1および参考例1で作製した磁歪部について、図3に示した磁歪発電デバイスを用いて発生電圧を測定した。
スイッチ形式の電源を用いた発電
実施例1で作製した磁歪素子を用いて、LED電球の点燈試験を実施した。
図1の測定ユニットの検出用コイルから銅線をLED電球に直接接続した。使用したLED電球は、30個の白色LED電球を外径60mm、内径50mmの基板にリング状に直列配置されたものであり、定格電力は2.4Wであった。バイアス磁場を2800A/m(350e)印加した状態で、磁歪素子の自由端を指で約2mm押し下げた後、指を外して磁歪素子が弾性力で瞬間的に戻る動作をさせた。尚、錘は付けていない。
上記動作によってLED電球が点燈することを目視で確認した。
図4の減衰波形から求めた最大電圧と最小電圧の差(P-P電圧)は21.8Vであった。
この結果から、実施例1の磁歪素子をスイッチ形式の電源に用いることが可能なことが確認できた。
FeCo合金を磁歪材料として用いた、従来の磁歪素子
純度99.9%の電解鉄および純度99.9%の粒状コバルトを用いて、組成がFe-69.5mol%Coのボタンインゴットをアーク溶解炉を用いて作製した。作製したボタンインゴットの重量は200gだった。
切り出した圧延用のサンプルを1100℃で1時間保定後、800℃で3時間保定し、その後、水冷した。次に、サンプルを高さが0.52mmになるまで冷間圧延した。冷延材の圧延方向を長手方向として、長さ40mm、幅6.0mm、厚み0.52mmに切断し、評価用試験材とした。
試験材を真空中で800℃、3時間の熱処理に付し、冷延組織を再結晶組織に変えた。
上記試験材に歪ゲージを貼りつけて、飽和磁歪を測定した結果、飽和磁歪は96ppmであった。
応力制御部を構成する弾性材料として、非磁性材料であるCFRP、厚み0.5mmを用いた。カーボン繊維の方向を長手方向として、長さ40mm、幅6.5mmに切断し、応力制御部を得た。
110、210 磁歪素子
111、211 磁歪部
112 応力制御部
120、220 バイアス磁場用コイル
130、230 検出用コイル
140、240 直流電源
150 固定支持台
160、260 フラックスメーター
170 圧力
171 移動距離
270 引っ張り歪み
280 圧縮歪み
300 磁歪振動デバイス
310 磁歪素子部
311 磁歪部
312 応力制御部(非磁性材料)
320 錘
330 検出用コイル
340 磁石
350 支持部(非磁性材料)
Claims (5)
- {110}[100]GOSS集合組織を有する方向性電磁鋼板から形成される磁歪部を含む、発電用磁歪素子。
- 前記方向性電磁鋼板に積層された弾性材料から形成される応力制御部をさらに含む、請求項1に記載の発電用磁歪素子。
- 前記弾性材料が非磁性材料である、請求項2に記載の発電用磁歪素子。
- {110}[100]GOSS集合組織を有する方向性電磁鋼板から形成される磁歪部を含む発電用磁歪素子を備える、磁歪発電デバイス。
- 前記方向性電磁鋼板の[100]方向にバイアス磁場が印加されるように構成されている、請求項4に記載の磁歪発電デバイス。
Priority Applications (5)
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JP2019234429A JP7112382B2 (ja) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | 発電用磁歪素子および磁歪発電デバイス |
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WO2013038682A1 (ja) | 2011-09-16 | 2013-03-21 | 国立大学法人金沢大学 | 発電素子、及び発電装置 |
WO2017183325A1 (ja) | 2016-04-19 | 2017-10-26 | 株式会社サンライフ | 発電素子、発電素子の製造方法及びアクチュエータ |
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- 2019-12-25 JP JP2019234429A patent/JP7112382B2/ja active Active
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長内史也、外3名,「(100)[001]珪素鋼単結晶板を利用した振動発電」,第43回日本磁気学会学術講演概要集(2019),日本,公益社団法人日本磁気学会,2019年09月11日,p.170 |
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