[論文レビュー] Design of Energy Scavengers Mounted on Rotating Shafts

S.M. Shahruz, V. Sundararajan|ArXiv.org|Sep 16, 2008

Innovative Energy Harvesting Technologies参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、回転軸に取り付けられた新規な圧電エネルギー回収素子を提案する。この素子は、質量を持つキャリブレータービームを用いて回転運動に起因する振動エネルギーを回収する。システムはパrametric励振と重力に起因する力の両方を活用し、共鳴に向けたパrameter選定を支援する単自由度モデルを導出している。解析的および数値的例を通じて、効果的なエネルギー回収の可能性が示されている。

ABSTRACT

In this paper, a novel energy scavenger is proposed. The scavenger consists of a cantilever beam on which piezoelectric films and a mass are mounted. The mass at the tip of the beam is known as the proof mass and the device is called either an energy scavenger or a beam-mass system. The beam-mass system is mounted on a rotating shaft, where the axis of the shaft is horizontal. A single-degree-of-freedom (SDOF) mathematical model is derived for the scavenger and its properties are carefully examined. From the model, it becomes clear that the rotation of the shaft and gravity cause both parametric excitations and exogenous forces which make the beam-mass system vibrate. Guidelines are provided as how to choose the scavenger parameters in order to have it resonate. Examples are given to illustrate the performance of the proposed scavenger.

研究の動機と目的

• 回転機械からの振動エネルギーを圧電材料を用いて回収するためのエネルギー回収素子を設計すること。
• 水平に回転する軸に取り付けられたビーム-質量系の動的挙動を、パラメトリック励振と外部励振の両方を含めて分析すること。
• システムの共鳴条件とエネルギー回収可能性を理解するための単自由度（SDOF）数学的モデルを導出すること。
• 出力電力の最大化を目的とした、質量、剛性、回転速度などの回収素子パラメータの選定ガイドラインを提供すること。
• 実際の運用条件を想定した数値例を用いてモデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 質量を持つ片持ち梁を水平な回転軸に取り付け、ビーム-質量系を形成する。
• システムの横方向振動を表すために、単自由度（SDOF）動的モデルを導出する。
• 回転運動に起因するパラメトリック励振と重力に起因する外部励振をモデルに組み込む。
• 運動方程式には慣性力、弾性力、減衰力が含まれており、圧電結合は電圧生成項としてモデル化される。
• モード解析と共鳴条件の評価により、最適なシステムパラメータを特定する。
• 数値シミュレーションと例題を用いて、回転速度や質量配置の変化に伴うシステム応答と出力電力の挙動を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シャフトの回転運動が、ビーム-質量エネルギー回収素子にどのようにパラメトリック励振と外部励振を誘発するか。
• RQ2 回転軸に取り付けられた圧電エネルギー回収素子の支配的動的挙動は何か。
• RQ3 システムをどのようにチューニングすることで共鳴を達成し、エネルギー回収効率を最大化できるか。
• RQ4 質量、剛性、回転速度といった設計パラメータのうち、出力電力に顕著な影響を与えるものは何か。
• RQ5 重力と回転力が、振動振幅および電力生成にどのように作用し合うか。

主な発見

• 回転軸は、パラメトリック励振と外部励振の両方を誘発し、ビームの振動およびエネルギー回収可能性に顕著な影響を与える。
• SDOFモデルは、回転力と重力の両方の作用を受けるビーム-質量系の動的挙動を正確に捉えている。
• システムの固有振動数を回転周波数に一致させることで共鳴を達成でき、これにより出力電力が向上する。
• 質量の存在により有効な慣性が増加し、振動応答が増幅され、電力生成が向上する。
• 数値例では、回転速度がシステムの共鳴周波数と一致する際に最適なエネルギー回収が達成されることを示している。
• 本研究では、実用的応用において出力電力を最大化するための明確な設計ガイドライン（質量、剛性、回転速度の選定）を提供している。