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寿命と耐環境性を検証中!

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寿命と耐環境性を検証中!

V-Generatorは半永久に使え、温度やその変化に対しても強いと思います。振動発電研究室では、これらを実証する試験を実施中です。その途中結果を報告します。上の写真(左)は寿命を検証する疲労試験の様子です。デバイス(Type S)を加振機にボルトで締結し、適当な錘を取り付け、共振で振らせます。この時、デバイスの振幅をパラメータとし、何回の振動で壊れたかを記録します。デバイスは常に共振になるよう周波数を制御しています。概して、大きな振幅で振らせれば直ぐに壊れます。逆に小さな振幅で振らせれば壊れるまでの回数は大きくなっていきます。そして振幅がある値以下なら壊れなくなります。これは一般的な機械部品のS-N曲線から推測されます。なおこの試験はデバイスを振動させた試験で、個々の構成部品ではなく、実動作で不良を引き起こす全ての要素を含んだ試験になっています。例えていえば機械の寿命を測定するような試験になります。
その結果が図1です。一般的なS-N曲線に近いかたちになっています。2022年11月現在、変位が0.6 mmの試験を継続中で、30億回の振動でも壊れずに動作しています。10年、20年と測定したわけではありませんが、S-N曲線から予想されるに、この変位において、ほぼ半永久の寿命を持つと推測されます。
なお、この変位が0.6 mmの場合の共振周波数、電圧、磁束密度の変化の回数履歴を図2に示します。共振周波数は変化せず、また電圧も初期の状態を維持しています。またこれが磁歪素子の磁束密度の変化(逆磁歪効果)に起因していることもわかります。磁束密度の変化は1Tで、素子をフル活用している状態です。つまり図1で素子変位が0.75mm以上の場合に壊れましたが、実際、0.6 mm以上の変位で振動させる必要はありません。

 

 

図1 素子変位と壊れるまでの回数
2022年11月現在、試験を継続中。一般的な繰り返し疲労強度のS-N曲線に乗った特性を示すことがわかる。つまり上限の振幅を設定すれば永続的に使えると予測される。

 

 

 

図2 素子変位が0.6mmの場合の共振周波数(上)、発生電圧(中)、磁束密度変化(下)の振動回数による履歴
7.5億回付近の不連続点は、一度、試験装置を止め暫くの間を空けて再度、試験を開始したためである。共振周波数は137Hzでほとんど変化しない。実際は、試験開始直後に1Hzほど低下している。これはボルトによる錘や固定の締結が振動で馴染む過程によると推測される。

 

 

 

温度に対する共振周波数の変化も検証しています。その結果が図3です。恒温槽の中でデバイスを振らせ(錘は3パターン)、雰囲気温度が20℃、-40℃、80℃の場合の周波数特性を比較しています。結果、温度が変化しても共振周波数はそれほど変化しないことがわかります。実際には1.6~2.3% (-40℃~80℃の共振周波数の変化幅/20℃の共振周波数) 変化しています。ただ、この変化は構造的な工夫や電力変換回路などで対応できる範囲です。また実際の用途で、雰囲気温度が-40℃から80℃まで変化する環境はよほど特殊な場合を除きほとんどありません。

 

 

図3 共振周波数の温度依存性のグラフ
20℃、-40℃、80℃、の各々の場合を計測。温度変化120℃で共振周波数の変化は2.3%程度。概して温度が高くなるにつれ電圧が下がるが、これは低温でよくなるFe-Ga合金の特性と素子のバイアス状態のずれなどが原因と推測される。なお温度サイクルを加えても特性は劣化しない。

 

 

 

再度、雰囲気温度が60℃で連続的に動作させた場合の共振周波数と電圧の履歴を図4に示します。これは図2と同様なグラフで、60℃の場合でも共振周波数は変わらず、また電圧も維持されることがわかります。温度が室温より高い雰囲気下においても特性の劣化がなければ、共振周波数は変化せず、また半永久の寿命を持つと推測されます。

 

 

図4 雰囲気温度が60℃の場合の共振周波数(上)と発生電圧(下)の振動回数による履歴
室温と同様に共振周波数と電圧は回数を経ても変化しない。途中の不連続点は、試験装置を止めて再度、開始したためである。実際は、試験開始直後に1.5 Hzほど低下しているが、これはボルトによる錘や固定の締結が振動で馴染む過程によるものと推測される。

 

 

 

V-Generatorの寿命が長く、耐環境性が高い理由について、V-Generatorは鉄の構造体で、原理上、摩耗する部分はありません。「錆びて劣化しませんか?」と聞かれますが、まずメッキやコーティングなど錆対策は様々にあります。仮に表面が錆びたからといって使えなくなることはありません。温度に対しても、よほどの高温でない限り、磁性がなくなることはありません。磁性があれば逆磁歪効果が発生します。温度やその変化について、これが影響するのはバネ性と熱膨張、接着剤の強度、永久磁石の磁力とコイルの電気抵抗です。バネ性は温度に依存しますがそれほど変化しません。更にV-GeneratorのフレームとFe-Ga合金の熱膨張係数は同程度です。結果、熱膨張の影響を受けにくくなっています。永久磁石とコイルの耐熱性について、これらはモータの主要部品で、高温や低温でも使われています。
動作時の疲労強度について、図1のグラフの左のように相当な振動を加えれば壊れます。それはどのような機械でも同じです。壊れる要素は(1)フレームの破断、(2)Fe-Ga合金の剥離、(3)コイルの断線、(4)錘や固定部のネジ締結の緩みです。(1)については、振幅を制限すれば発生しません。発生するのは相当な振動の場合です。(2)は生じますが、これも相当な振動の場合で、振幅を制限すれば生じません。(3)は振動することによる疲労で、この対策も必要ですが、相当な振動の場合です。(4)の緩みについては、図2と図4の結果で示すよう締結を十分にすれば大丈夫と考えられます。

V-Generatorの寿命や耐環境性を検証する試験は様々な現場でも進行中です。工場の非常に強度な振動や屋外でも長期間に亘り動作しています。

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