Study of the resonator automatically follows excitation frequency for a high performance vibration-powered generator

高性能振动发电机谐振器自动跟随激励频率的研究

基本信息

批准号：
21K03937
负责人：
井上卓見
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03937/
关键词：
自動同調共振振動発電受動型制御非線形振動

项目摘要

車両や人間の通行，機械の運転などにより不可避的に発生する振動を利用した振動発電はメンテナンスフリーであることが大きな特徴であり，機械装置やインフラ設備のモニタリングなどスマートシステムの個別電源としての利用が多い．一方で，振動発電は加振の振動数が振動体の固有振動数に一致する共振状態では高効率の発電が実現できるものの，加振振動数が固有振動数から離れるにつれ急激に発電効率が低下する．本研究では，加振振動数の変化に対して非常に簡単な機構で振動特性を変化させ，制御装置を組み込むことなく加振振動数に自動的に共振状態が追従する振動機構を提案・実現し，高効率の振動発電に有効な装置の基本技術を確立する．本研究で提案している装置の主要要素は，曲げとねじりの連成振動が生じる板状振動体であり，この連成振動に起因して振動体が振動方向と垂直にも動き板状の長さが変化することで，加振振動数に追従するようにその固有振動数を変化させる特徴を持つ．ただし，この現象が生じる基本原理が不明であり，現象の再現も不安定であることが課題である．これまでの研究から，板状振動体の中間に存在するクリアランスに加え，根元支持部に存在するわずかなクリアランスが自動共振追従現象，特に共振に近い状態の保持に効いていることがわかってきた．令和４年度は，これらのクリアランスを考慮した数値解析モデルを構築し，これまでの数値シミュレーションでは不可能であった共振に近い状態の保持を再現できた．また，この機構の動作が根元支持部に存在するクリアランスに極めてセンシティブであることも数値シミュレーションから判明し，実験において安定した自動共振追従現象の再現が困難であったことの証左ともなった．この数値シミュレーションの成功は研究進展の画期となり，自動共振追従現象を解明して設計法を確立する上で大きなステップとなった．

振动发电利用车辆、人流、机械运转时不可避免地产生的振动，其一大特点是免维护，可作为智能系统的单独电源比如监控机械和基础设施有很多。另一方面，在振动发电中，在激振频率与振动体的固有频率一致的共振状态下可以实现高效发电，但随着激振频率远离固有频率，发电效率会下降。迅速减少。在本研究中，我们提出并实现了一种振动机构，其中振动特性通过非常简单的机制响应激励频率的变化而变化，并且谐振状态自动跟随激励频率而无需结合控制装置我们将建立基础。高效振动发电装置的技术。本研究提出的装置的主要元件是产生弯曲和扭转耦合振动的板状振动体，并且由于这种耦合振动，振动体具有垂直于振动方向改变其运动的特性。固有频率通过改变其长度来跟随激励频率。但问题是，这种现象背后的基本原理尚不清楚，而且这种现象的再现也不稳定。先前的研究表明，除了板状振动体中部存在的间隙外，根部支撑处存在的少量间隙对于维持自动共振跟踪是有效的，尤其是在接近共振的状态下。．． 2020年度，我们构建了考虑到这些间隙的数值分析模型，并且能够再现接近共振的状态，这在以前的数值模拟中是不可能的。数值模拟还表明，该机构的运行对根部支撑中存在的间隙极其敏感，证明在实验中很难重现稳定的自动共振跟踪现象。此次数值模拟的成功是研究进展的突破，也是阐明自动共振跟踪现象和建立设计方法的重要一步。