JP2001157433A - Vibration power generator by fluid - Google Patents
Vibration power generator by fluidInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 安全でコストがかからず、かつ保守負担が少
ない発電装置を提供するとともに、流速の変動に対応し
てロックイン範囲を広げられるようにすることでエネル
ギ受容効率を向上させる。
【解決手段】 振動体である円柱201に流体200に
よって励起される振動をもとに、コイル205および永
久磁石206を用いた電磁誘導により直接発電を行うよ
うにすることにより、風力発電のような回転プロペラや
その他の複雑な機構を不要とする。また、円柱201を
バネ202,203で支持し、流体200の力によって
バネ202,203を伸縮させ、その作用点を変化させ
ることによって、等価剛性を流体200の流速に対応し
て変化させることにより、円柱201の機械共振周波数
を流速に応じて可変とすることにより、流体の流速が変
化しても、カルマン渦周波数と振動体自身が持つ機械共
振周波数とが一致する範囲を拡大させることができるよ
うにする。
(57) [Summary] [Problem] To provide a power generation device that is safe, inexpensive, and has a low maintenance burden, and is capable of expanding a lock-in range in response to fluctuations in flow velocity, thereby enabling energy reception efficiency. Improve. SOLUTION: By directly generating power by electromagnetic induction using a coil 205 and a permanent magnet 206 based on a vibration excited by a fluid 200 in a cylinder 201 as a vibrating body, it is possible to generate power such as wind power. Eliminates the need for rotating propellers and other complex mechanisms. Further, by supporting the cylinder 201 with the springs 202 and 203, expanding and contracting the springs 202 and 203 by the force of the fluid 200, and changing the action point, the equivalent rigidity is changed corresponding to the flow velocity of the fluid 200. By making the mechanical resonance frequency of the cylinder 201 variable in accordance with the flow velocity, the range in which the Karman vortex frequency matches the mechanical resonance frequency of the vibrating body itself can be expanded even if the flow velocity of the fluid changes. To do.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は流体による振動発電
装置に関し、特に、風力あるいは水力等の自然エネルギ
を電気エネルギに変換するための装置に用いて好適なも
のである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibration power generation device using fluid, and is particularly suitable for use in a device for converting natural energy such as wind power or hydraulic power into electric energy.
【0002】[0002]
【従来の技術】身近にある自然エネルギを利用した発電
の中で、風力を利用した風車発電は、特に大型風車の分
野で性能、価格共に進展が著しく、火力発電に競合でき
ると評価されるまでになった。最近では、小型風車に関
しても効率の良いものが実現されつつあり、発電装置と
しての期待が高まっている。また、風車発電と並んで歴
史のある水力を利用した水車発電は、エネルギ密度では
風車発電を越えるものも存在する。2. Description of the Related Art Among power generation using natural energy that is nearby, wind power generation using wind power has progressed remarkably in both performance and price especially in the field of large wind turbines, and until it is evaluated that it can compete with thermal power generation. Became. Recently, efficient small wind turbines are being realized, and expectations for a power generation device are increasing. In addition to the wind turbine power generation, there is a water turbine power generation using a hydropower that has a long history that exceeds the wind turbine power generation in terms of energy density.
【0003】ところで、風や水などの流体が物に当たる
と、その物の後ろにはカルマン渦と呼ばれる渦が生じ
る。そして、このカルマン渦や負性抵抗による自励振動
の空力ギャロッピング等の不安定が顕著な要因となっ
て、物が振動する。すなわち、図14に示すように、流
体1504に曝される円柱1501の後ろには、両端か
ら交互に生成剥離する渦1502,1503,…が発生
する。これらはカルマン渦列として知られている。When a fluid such as wind or water hits an object, a vortex called a Karman vortex is generated behind the object. Instability such as aerodynamic galloping of self-excited vibration due to the Karman vortex and negative resistance is a significant factor, and the object vibrates. That is, as shown in FIG. 14, behind the cylinder 1501 exposed to the fluid 1504, vortices 1502, 1503,. These are known as Karman vortex streets.
【0004】このように円柱1501の後ろにカルマン
渦1502,1503,…が交互に発生すると、円柱1
501の両側面では交互に圧力が変動し、流体1504
の流れの方向に対して直交方向に振動が起こる。例えば
凧糸や電線の唸りも、カルマン渦により励起される振動
によるものである。When the Karman vortices 1502, 1503,... Are alternately generated behind the cylinder 1501, the cylinder 1
The pressure fluctuates alternately on both sides of the fluid 501 and the fluid 1504
Vibration occurs in a direction orthogonal to the direction of the flow of air. For example, howling of a kite string or electric wire is also caused by vibration excited by Karman vortex.
【0005】図15は、その振動の様子を示した図であ
る。図15において、円柱1601に流体1602が当
たると、円柱1601の後ろにはカルマン渦列160
3,1604,1605…が生じる。そして、これらカ
ルマン渦列のバランスによって、円柱1601の後ろ側
に生じる負の圧力1606,1607が左右非対称にな
り、一方の負圧が他方の負圧に対して大きくなる。FIG. 15 is a diagram showing the state of the vibration. In FIG. 15, when the fluid 1602 hits the cylinder 1601, the Karman vortex street 160 is behind the cylinder 1601.
3, 1604, 1605... Then, due to the balance of these Karman vortex streets, the negative pressures 1606 and 1607 generated on the rear side of the cylinder 1601 become left-right asymmetric, and one negative pressure becomes larger than the other negative pressure.
【0006】これにより、円柱1601に対して一方に
力Fが働き、円柱1601がその方向に振れる。円柱1
601が振れると、カルマン渦列が変化して先程とは異
なる他方の負圧が大きくなって力Fが逆方向に働き、円
柱1601がその方向に振れる。この繰り返しにより、
円柱1601は流体1602の流れの方向に対して直交
方向に振動するようになる。As a result, a force F acts on one side of the column 1601, and the column 1601 swings in that direction. Column 1
When the 601 swings, the Karman vortex street changes and the negative pressure, which is different from the previous one, increases, so that the force F acts in the opposite direction, and the cylinder 1601 swings in that direction. By repeating this,
The cylinder 1601 vibrates in a direction orthogonal to the flow direction of the fluid 1602.
【0007】このカルマン渦により円柱に励起される振
動の周波数(以下ではこれを「カルマン渦周波数」と呼
ぶ)が、柱自身が持つ機械共振周波数に合致すると、ロ
ッキングと呼ばれる大きな振動に成長する。そして、一
旦ロッキング状態に引き込まれると、カルマン渦周波数
が多少変動しても同期を維持する。When the frequency of the vibration excited in the cylinder by the Karman vortex (hereinafter referred to as "Karman vortex frequency") matches the mechanical resonance frequency of the column itself, it grows into a large vibration called rocking. Then, once pulled into the locking state, synchronization is maintained even if the Karman vortex frequency fluctuates somewhat.
【0008】この同期を維持する様子を示したのが、図
16である。図16において、fは柱の実際の振動周波
数、fn は柱の機械共振周波数、fs はカルマン渦周波
数である。機械共振周波数fn とカルマン渦周波数fs
とが一致するとき(fs /f n =1のとき)にロッキン
グが生じ、f/fn =1となるが、カルマン渦周波数f
s が多少変動してfs /fn ≠1となっても、f/fn
=1のロッキング状態が維持されていることが分かる。FIG. 1 shows how this synchronization is maintained.
Sixteen. In FIG. 16, f is the actual vibration frequency of the column.
Number, fnIs the mechanical resonance frequency of the column, fsIs the Karman vortex frequency
Is a number. Mechanical resonance frequency fnAnd Karman vortex frequency fs
Is equal to (fs/ F n= 1) Rockin
And f / fn= 1, but the Karman vortex frequency f
sFluctuates slightly and fs/ FnEven if て も 1, f / fn
It can be seen that the locking state of = 1 is maintained.
【0009】流体機械では、一般に振動は好ましからぬ
事象であり、例えば煙突、熱交換器の管群、吊り橋ワイ
ヤ等の振動現象については、従来は主に振動防止対策の
観点から解析されてきた。これは、流体のエネルギが機
械振動に変換される事例の多いことを物語っている。そ
の長年の研究成果は、評価の定まったものだけでも多岐
に渡り、単純断面については励振器を設計できるほどの
データが“機械工学便覧 日本機械学会編”に載せられ
ている。In a fluid machine, vibration is generally an undesirable phenomenon. For example, vibration phenomena of a chimney, a tube group of a heat exchanger, a suspension bridge wire, and the like have been conventionally analyzed mainly from the viewpoint of vibration prevention measures. This indicates that the energy of the fluid is often converted into mechanical vibration. The long-term research results are wide-ranging, even for those with well-established evaluations. For simple sections, data that can be used to design an exciter is included in the "Handbook of Mechanical Engineering, Japan Society of Mechanical Engineers".
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】上述した風車発電、水
車発電の何れも小エネルギ源としては貴重であり、より
経済的な装置の開発が望まれる。しかしながら、総合的
経済性に着目すると、これらの発電にかかる費用は、そ
の装置価格と共に付帯設備の価格、保守費用の比率が非
常に高く、多大のコストがかかるという問題があった。Both of the above-described wind turbine power generation and water turbine power generation are valuable as small energy sources, and it is desired to develop a more economical device. However, when paying attention to the total economic efficiency, the cost of these power generations has a problem that the ratio of the cost of the auxiliary equipment and the maintenance cost is very high as well as the cost of the equipment, resulting in a large cost.
【0011】例えば、風車発電で言えば、高効率の風車
の設計例をみると、高速3枚翼の場合では翼先端の周速
と風速との比率が6:1付近で最高効率になるとされ
る。これにより、15m/sの風速の下では翼先端の周
速は90m/sとなり、非常に高速となっている。その
ため、危険を避ける意味でプロペラは高い塔に設置され
る。よって、プロペラそのものよりも付帯設備である塔
が価格の相当部分を占め、また保守のために広大な設置
面積も要している。For example, in the case of wind turbine power generation, in the case of a high-efficiency wind turbine design example, in the case of a three-blade high-speed blade, the highest efficiency is obtained when the ratio between the peripheral speed at the tip of the blade and the wind speed is around 6: 1. You. As a result, at a wind speed of 15 m / s, the peripheral speed of the blade tip is 90 m / s, which is very high. Therefore, propellers are installed on high towers to avoid danger. Therefore, the tower, which is ancillary equipment rather than the propeller itself, occupies a considerable part of the price, and requires a large installation area for maintenance.
【0012】さらに、暴風時にはプロペラのピッチ角を
退避位置にしたり、軸を立ててプロペラを水平にしたり
して破損を避ける必要があり、風車発電には複雑な機構
やベアリング等の寿命有限の要素が多く含まれる。これ
により、風車発電装置には定期点検を前提とするものが
多く、そのためのメンテナンスコストが非常に大きなも
のとなっている。Further, in the event of a storm, it is necessary to avoid damage by setting the pitch angle of the propeller to a retracted position or setting the propeller to level the propeller so as to avoid damage. Are included. As a result, many wind turbine generators require regular inspections, and the maintenance cost for this is very high.
【0013】また、水車発電においては、落差を確保す
るダムや水路を専用に設ける形式では、工事費が莫大に
かかる。また、それらダムや水路による水害が発生した
場合の責任もあって適地が少なく、水車発電の実現が困
難な場合が多い。[0013] In the case of water turbine power generation, construction costs are enormous if a dam or a waterway for securing a head is provided exclusively. In addition, there are few suitable sites due to the responsibility in the event of floods caused by these dams and waterways, and it is often difficult to realize water turbine power generation.
【0014】一方、風や水などの流体が柱などに当たる
とカルマン渦により柱が振動し、流体エネルギが振動エ
ネルギに変換されることが知られている。ところが従来
は、柱の破壊を防止する観点からこの振動エネルギを極
力抑える傾向にあり、振動エネルギを吸収するために油
圧シリンダや防振ゴムなどを使用する例が多かった。こ
のため、流体により発生した振動エネルギは、利用可能
なエネルギに変換されることなく、熱エネルギとして消
散されてしまう場合がほとんどであった。On the other hand, it is known that when a fluid such as wind or water hits a column or the like, the column vibrates due to Karman vortex, and fluid energy is converted into vibration energy. However, conventionally, there has been a tendency to suppress the vibration energy as much as possible from the viewpoint of preventing the column from being destroyed, and in many cases, a hydraulic cylinder, a vibration-proof rubber, or the like is used to absorb the vibration energy. For this reason, in most cases, the vibration energy generated by the fluid is dissipated as heat energy without being converted into usable energy.
【0015】なお、振動エネルギをもとに発電しようと
する振動発電の発明として、特開平8−177710号
公報では、振動を一旦回転運動に変換し、回転発電機に
よって発電している。よって、回転プロペラを要する風
車発電や水車発電の場合と同様に、多くのコストと保守
労力を要するものである。As an invention of vibration power generation in which power is generated based on vibration energy, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-177710 discloses a method in which vibration is temporarily converted into rotary motion, and power is generated by a rotary generator. Therefore, as in the case of wind turbine power generation or water turbine power generation requiring a rotating propeller, much cost and maintenance labor are required.
【0016】また、振動吸収により直接発電する装置と
して、米国には Aeolian windmillUSP4,024,409 Payne;
Peter R.1975 がある。わが国では、例えば特開平5−
64418号公報や特開平8−321642号公報に記
載の発明も提案されている。前者は、風によって生じる
樹木等の揺れを発電に用いるものであり、原理的に Pay
neに共通するところがある後者は、車両の振動を発電に
用いるものである。これらの発明では何れも、振動エネ
ルギから発電するための要素として、圧電素子を用いて
いる。As a device for directly generating power by vibration absorption, the United States has adopted Aeolian windmill USP 4,024,409 Payne;
There is Peter R.1975. In Japan, for example,
The inventions described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 64418 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-321624 have also been proposed. The former uses shaking of trees and the like caused by the wind for power generation.
The latter, which is common to ne, uses the vibration of the vehicle for power generation. In each of these inventions, a piezoelectric element is used as an element for generating power from vibration energy.
【0017】振動エネルギから電気エネルギを効率的に
取り出すためには、振動体が壊れない範囲で振動の振幅
を大きくとることが重要になる。ここで、振動エネルギ
の吸収はダイナミックダンパと共通するところがあり、
流体のカルマン渦により円柱などの振動体に引き起こさ
れた振動の周波数(カルマン渦周波数)と、対象とする
振動体の機械共振周波数とが一致するとき、すなわち、
ロッキング状態のときに最も効果的にエネルギを吸収す
る。In order to efficiently extract electric energy from vibration energy, it is important to increase the amplitude of vibration as long as the vibrating body is not broken. Here, the absorption of vibration energy is common to the dynamic damper,
When the frequency of vibration (Kalman vortex frequency) caused by a vibrating body such as a cylinder due to the Karman vortex of the fluid matches the mechanical resonance frequency of the target vibrating body,
It absorbs energy most effectively in the locked state.
【0018】ところが、風などの流体によるカルマン渦
発生の条件は、レイノルズ数Re=U・D/ν(ν:動
粘度)が数十から数万となる広い範囲に渡るが、その一
方で振動体の機械共振はQ値が高く鋭いピークを持つこ
とが特徴であるので、両周波数が一致してロッキングを
維持する範囲は、風速の脈動に比べると極めて狭いと言
える。However, the conditions for the generation of Karman vortices by a fluid such as wind range over a wide range in which the Reynolds number Re = UD / ν (ν: kinematic viscosity) ranges from several tens to several tens of thousands. Since the mechanical resonance of the body is characterized by a high Q value and a sharp peak, the range in which the two frequencies match and the rocking is maintained can be said to be much narrower than the pulsation of the wind speed.
【0019】また、流体の速度は常に一定とは限らず、
時間と共に変動するため、この流体によって引き起こさ
れるカルマン渦周波数も常に変動しているのが通例であ
る。つまり、カルマン渦周波数fs は、 ストローハル数St=fs ・D/U ……(1) (D:円柱の直径等の代表長さ、U:流速)がほぼ一定
(St≒0.21)であるという実験データから、流速
Uに比例して変化する。これに対し、振動体の機械共振
周波数は固定であり、その共振範囲は極めて狭い。Also, the velocity of the fluid is not always constant,
Since it fluctuates with time, the Karman vortex frequency caused by this fluid is also usually fluctuating. That is, the Karman vortex frequency f s, Strouhal number St = f s · D / U ...... (1) (D: representative length of the diameter or the like of the cylinder, U: flow velocity) is almost constant (St ≒ 0.21 ) Changes in proportion to the flow velocity U. On the other hand, the mechanical resonance frequency of the vibrating body is fixed, and the resonance range is extremely narrow.
【0020】したがって、従来の振動発電装置では、カ
ルマン渦周波数と機械共振周波数とが常に一致するとは
限らず、振動エネルギから電気エネルギを効率的に取り
出すことができないという問題があった。すなわち、Pa
yne が概括的に述べているように、振動型の発電装置は
風車型と帆掛け舟型に続く第3の方式として優れた特徴
を有するが、カルマン渦共振を条件としているので、風
速が脈動する環境では効率が維持できない。Therefore, the conventional vibration power generator has a problem that the Karman vortex frequency and the mechanical resonance frequency are not always equal, and electric energy cannot be efficiently extracted from vibration energy. That is, Pa
As described generally by yne, the vibration-type power generator has the outstanding features of the third type following the windmill type and the sailboat type. Cannot maintain efficiency.
【0021】このための対策として、特開平8−321
642号公報に記載の発明では、厚みの異なる複数の圧
電素子を積層し、各々の機械共振周波数が異なるように
しているが、各々の圧電素子の機械共振周波数はその厚
みで決定付けられ、それぞれ固定である。したがって、
カルマン渦周波数が各圧電素子の厚みで決定される機械
共振周波数以外の周波数となったときは、カルマン渦周
波数と機械共振周波数とが一致せず、やはり電気エネル
ギを効率的に取り出すことはできなかった。As a countermeasure for this, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-321
In the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 642, a plurality of piezoelectric elements having different thicknesses are stacked so that each has a different mechanical resonance frequency. However, the mechanical resonance frequency of each piezoelectric element is determined by its thickness. Fixed. Therefore,
When the Karman vortex frequency becomes a frequency other than the mechanical resonance frequency determined by the thickness of each piezoelectric element, the Karman vortex frequency does not match the mechanical resonance frequency, and electric energy cannot be efficiently extracted again. Was.
【0022】本発明は、このような問題を解決するため
に成されたものであり、流体の運動エネルギを電気エネ
ルギに変換する自然エネルギの活用において、風力発電
および水力発電の多くが回転プロペラを流体エネルギの
受容器とするのに対し、振幅を制限された振動体を流体
エネルギの受容器とすることにより、安全でコストがか
からず、かつ保守負担が少ない発電装置を提供すること
を目的とする。The present invention has been made to solve such a problem. In utilizing natural energy for converting kinetic energy of fluid into electric energy, most of wind power generation and hydroelectric power generation use a rotary propeller. An object of the present invention is to provide a power generator that is safe, inexpensive, and requires little maintenance by using a vibrating body having a limited amplitude as a fluid energy receiver, instead of a fluid energy receiver. And
【0023】また、本発明は、上述の振動体を流体エネ
ルギの受容器とした場合に、流速が変動しても、その流
速の変動に対応して、カルマン渦によって振動体に励起
される振動の周波数と振動体自身が持つ機械共振周波数
とが一致するロックイン範囲を広げられるようにするこ
とで、エネルギ受容効率を上げることができるようにす
ることをも目的としている。Further, according to the present invention, when the above-mentioned vibrating body is used as a fluid energy receiver, even if the flow velocity fluctuates, the vibrating body is excited by the Karman vortex in response to the fluctuation of the flow velocity. It is also an object of the present invention to increase the lock-in range where the frequency of the vibrator itself and the mechanical resonance frequency of the vibrator itself match, thereby increasing the energy receiving efficiency.
【0024】[0024]
【課題を解決するための手段】本発明の流体による振動
発電装置は、流体によって振動体に励起される振動をも
とに電磁誘導あるいは圧電現象を用いて発電を行う流体
による振動発電装置であって、上記振動体を弾性体で支
持し、上記振動体に当たる上記流体の力による変位によ
って上記弾性体の復元剛性を等価的に可変とすることに
より、上記振動体の機械共振周波数を上記流体の流速に
対応して変化させるようにしたことを特徴とする。SUMMARY OF THE INVENTION The fluid-powered vibration power generator of the present invention is a fluid-powered vibration power generator that generates power using electromagnetic induction or a piezoelectric phenomenon based on vibration excited by a fluid by a vibrating body. The vibrating body is supported by an elastic body, and the restoring rigidity of the elastic body is equivalently changed by the displacement of the fluid due to the force of the fluid impinging on the vibrating body. It is characterized in that it is changed according to the flow velocity.
【0025】また、流体によって振動体に励起される振
動をもとに電磁誘導あるいは圧電現象を用いて発電を行
う流体による振動発電装置であって、上記振動体を二重
の殻で構成するとともに、この二重殻の一部に少なくと
も2つの穴を設けてそれぞれを水流および大気中に配置
し、一方の穴から上記二重殻の内部に入る上記流体の量
を上記流体の流速に応じて変化させ、これによって上記
振動体の質量を可変とすることにより、上記振動体の機
械共振周波数を上記流体の流速に対応して変化させるよ
うにしても良い。Also, there is provided a vibration power generation device using a fluid that generates power using electromagnetic induction or a piezoelectric phenomenon based on vibration excited by the fluid by the vibration body, wherein the vibration body is formed of a double shell. A portion of the double shell is provided with at least two holes, each of which is disposed in the water flow and the atmosphere, and the amount of the fluid entering the inside of the double shell from one hole is determined according to the flow rate of the fluid. The mechanical resonance frequency of the vibrating body may be changed in accordance with the flow velocity of the fluid by changing the mass of the vibrating body and thereby changing the mass of the vibrating body.
【0026】また、流体によって振動体に励起される振
動をもとに電磁誘導あるいは圧電現象を用いて発電を行
う流体による振動発電装置であって、複数の振動体を備
えた第1の振動体群と、複数の振動体を備えた第2の振
動体群とを連結部材で連結し、上記第1の振動体群と上
記第2の振動体群とを軸を中心として平行を維持しなが
ら回転可能なように構成し、上記振動体に当たる上記流
体の力によって上記第1の振動体群と上記第2の振動体
群とを軸を中心として平行を維持しながら回転させるこ
とでストローハル数を可変とし、これによって上記振動
体のカルマン渦周波数を上記流体の流速に対応して変化
させるようにしても良い。[0026] Also, there is provided a vibration power generation device using a fluid that generates power using electromagnetic induction or a piezoelectric phenomenon based on a vibration excited by the fluid by the fluid, wherein the first vibration device includes a plurality of vibration members. The group and a second vibrating body group having a plurality of vibrating bodies are connected by a connecting member, and the first vibrating body group and the second vibrating body group are maintained in parallel around an axis. It is configured to be rotatable, and the first group of vibrating members and the second group of vibrating members are rotated by the force of the fluid impinging on the vibrating body while keeping the first vibrating body group and the second vibrating body group parallel with each other as an axis. May be made variable, whereby the Karman vortex frequency of the vibrating body is changed in accordance with the flow velocity of the fluid.
【0027】上記のように構成した本発明によれば、流
体によって振動体に引き起こされる振動に基づいて、電
磁誘導あるいは圧電現象により直接発電が行われる。こ
のとき、振動体を支持する弾性体の等価復元剛性、ある
いは振動体の慣性質量が流体の流速に対応して変化する
ことにより、振動体の機械共振周波数が変化してカルマ
ン渦周波数に一致するようになる。また、別の態様で
は、流速に対応して振動体自身の配置が変化することで
ストローハル数が変化し、これによってカルマン渦周波
数が適当に変化して振動体の機械共振周波数に一致する
範囲を広げることができるようになる。According to the present invention configured as described above, power is directly generated by electromagnetic induction or a piezoelectric phenomenon based on the vibration caused by the fluid in the vibrating body. At this time, when the equivalent restoring rigidity of the elastic body supporting the vibrating body or the inertial mass of the vibrating body changes in accordance with the flow velocity of the fluid, the mechanical resonance frequency of the vibrating body changes to match the Karman vortex frequency. Become like In another aspect, the arrangement of the vibrating body itself changes in accordance with the flow velocity, so that the number of Strouhal changes, thereby appropriately changing the Karman vortex frequency and matching the mechanical resonance frequency of the vibrating body. Can be expanded.
【0028】[0028]
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。現状の発電装置ではそのほとんど
が回転型発電機を必須としているが、本実施形態では、
流体の運動エネルギを機械的な振動エネルギに転換し、
その振動エネルギから直接発電する方式を対象としてい
る。すなわち、軸方向を流体の流れに直交させる柱など
の振動体に振動を励起し、振動体に取り付けた磁気ある
いは圧電のエネルギ変換器によって振動から直接発電を
行う。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Most of the current generators require a rotary generator, but in this embodiment,
Convert the kinetic energy of the fluid into mechanical vibration energy,
It is intended for a method of directly generating power from the vibration energy. That is, vibration is excited in a vibrating body such as a column whose axial direction is orthogonal to the flow of fluid, and power is directly generated from the vibration by a magnetic or piezoelectric energy converter attached to the vibrating body.
【0029】さらに、本実施形態では、その振動体の機
械共振周波数とカルマン渦周波数との同期範囲(ロック
イン状態の範囲)を広げるために、振動体あるいはそれ
を支持する弾性体の剛性、または振動体の慣性質量を流
体の流速に対応して変化させることにより、振動体の機
械共振周波数を可変としてカルマン渦周波数に一致させ
る。また、別の態様では、流体の流速に対応して振動体
自身の配置を変化させることにより、カルマン渦周波数
を可変として振動体の機械共振周波数に一致させる。Further, in the present embodiment, the rigidity of the vibrating body or the elastic body supporting the vibrating body or the elastic body supporting the same is expanded in order to widen the synchronization range (range of the lock-in state) between the mechanical resonance frequency of the vibrating body and the Karman vortex frequency. By changing the inertial mass of the vibrating body according to the flow velocity of the fluid, the mechanical resonance frequency of the vibrating body is made variable to match the Karman vortex frequency. In another aspect, the arrangement of the vibrating body itself is changed according to the flow velocity of the fluid, so that the Karman vortex frequency is made variable to match the mechanical resonance frequency of the vibrating body.
【0030】まず最初に、図1を用いて、電磁誘導を用
いた振動発電の原理を説明する。図1(a)のように、
本実施形態の振動発電装置は、直立する煙突状の中空の
柱101の内部に剛性の高い固定の柱106を内蔵さ
せ、風の力により中空柱101をその下部を支点として
振動可能なように構成している。107は当該中空柱1
01が振動した一状態を示している。中空柱101の振
動は、風の流れにほぼ直交する方向109に強く発生
し、流れ方向の振動成分は定常的な変位成分に比べて小
さいことが多い。本実施形態では、この振動する中空柱
101と固定柱106との相対位置の変化を利用して、
振動エネルギから電気エネルギを取り出す構成としてい
る。First, the principle of vibration power generation using electromagnetic induction will be described with reference to FIG. As shown in FIG.
The vibration power generation device of the present embodiment incorporates a rigid rigid fixed column 106 inside an upright chimney-shaped hollow column 101 so that the hollow column 101 can be vibrated with the lower portion as a fulcrum by wind force. Make up. 107 is the hollow column 1
01 indicates a vibrated state. The vibration of the hollow column 101 is strongly generated in a direction 109 substantially orthogonal to the flow of the wind, and the vibration component in the flow direction is often smaller than the steady displacement component. In the present embodiment, utilizing the change in the relative position between the vibrating hollow column 101 and the fixed column 106,
It is configured to extract electric energy from vibration energy.
【0031】図1(b)は、上記図1(a)に示した構
成の部分拡大図である。この図1(b)に示すように、
固定柱106の頭部には、永久磁石102と、そのN極
から発せられる磁束のS極への帰路となる盆状のヨーク
103とが固定されている。一方、中空柱101の天井
105の下部には、上記永久磁石102に対向してコイ
ル104が取り付けられている。上記永久磁石102の
N極から発せられた磁束は、コイル104の内部を通
り、更にヨーク103を介して永久磁石102のS極へ
と帰還する。FIG. 1B is a partially enlarged view of the configuration shown in FIG. 1A. As shown in FIG.
A permanent magnet 102 and a tray-shaped yoke 103 serving as a return path of the magnetic flux emitted from the N pole to the S pole are fixed to the head of the fixed column 106. On the other hand, a coil 104 is mounted below the ceiling 105 of the hollow column 101 so as to face the permanent magnet 102. The magnetic flux emitted from the N pole of the permanent magnet 102 passes through the inside of the coil 104 and further returns to the S pole of the permanent magnet 102 via the yoke 103.
【0032】このような状態で、中空柱101が風の力
によって矢印109の方向に振動すると、当該中空柱1
01に取り付けられたコイル104と、固定柱106に
取り付けられた永久磁石102との相対位置が変化し、
これによってコイル104の内部を通る磁束の量も変化
する。これにより、このような中空柱101の振動に基
づく磁気空隙の変化によって電磁誘導が発生し、コイル
104を通じて電流が流れるようになる。In this state, when the hollow column 101 vibrates in the direction of arrow 109 due to wind force, the hollow column 1
01, and the relative position between the permanent magnet 102 attached to the fixed column 106 and the coil 104 attached to the fixed column 106 changes.
As a result, the amount of magnetic flux passing through the inside of the coil 104 also changes. Thus, a change in the magnetic air gap based on the vibration of the hollow column 101 generates electromagnetic induction, and a current flows through the coil 104.
【0033】なお、電磁誘導では、空間を通過する磁束
の変化を利用して発電するので、空隙は必須であり、そ
こには磁気塵埃が付着しやすい。図1のような構成にお
いても、永久磁石102から発する磁束の一部が中空柱
101の天井105の外まで漏れ、風に乗ってくる磁気
塵埃が中空柱101に捕捉されてしまうことがある。そ
こで、本実施形態では、このような不都合を防止するた
めに、中空柱101の天井105に十分な厚みを持た
せ、その表面から外部への磁束漏洩を少なくできるよう
にする。In the electromagnetic induction, power is generated by using a change in magnetic flux passing through a space. Therefore, a gap is indispensable, and magnetic dust easily adheres to the gap. Even in the configuration shown in FIG. 1, a part of the magnetic flux emitted from the permanent magnet 102 may leak to the outside of the ceiling 105 of the hollow column 101, and the magnetic dust riding on the wind may be captured by the hollow column 101. Therefore, in the present embodiment, in order to prevent such inconvenience, the ceiling 105 of the hollow column 101 is provided with a sufficient thickness so that leakage of magnetic flux from the surface to the outside can be reduced.
【0034】また、流体の比重に対して中空柱101の
等価比重があまりにも重いと、中空柱101に流体が当
たってもあまり振動せず、振動による発電にとって不利
となる。そのため、中空柱101の殻厚は薄く設計され
る。ただし、過大な振幅の振動は、振動体自身が持つ機
械共振周波数とカルマン渦周波数とを一致させるために
当該振動体に設ける弾性体(図2以降で説明する)に無
理な応力を加えることになるので、振幅制約のために突
起状のストッパ108を設けている。If the equivalent specific gravity of the hollow column 101 is too heavy with respect to the specific gravity of the fluid, the hollow column 101 does not vibrate so much even when the fluid hits it, which is disadvantageous for power generation due to the vibration. Therefore, the shell thickness of the hollow column 101 is designed to be thin. However, excessive amplitude vibration is caused by applying an unreasonable stress to an elastic body (described in FIG. 2 and subsequent figures) provided on the vibrating body in order to match the mechanical resonance frequency of the vibrating body itself with the Karman vortex frequency. Therefore, a projection-like stopper 108 is provided to limit the amplitude.
【0035】中空柱101の殻厚を薄く設計すると、そ
の薄い殻自身に波打つ振動が励起されてしまい、それが
疲労破壊につながる場合もある。また、このような振動
によって騒音が懸念される場合もある。本実施形態で
は、このための対策として、中空柱101の殻を二重化
し、その殻間の空間に高圧の気体を封入することによっ
て、中空柱101の殻の波打ちを防止する。図1(a)
に示す110は高圧気体の封入口であり、ここには逆流
防止弁が設けられている。When the shell thickness of the hollow column 101 is designed to be thin, undulating vibrations are excited in the thin shell itself, which may lead to fatigue failure. Also, noise may be a concern due to such vibration. In the present embodiment, as a countermeasure for this, the shell of the hollow column 101 is prevented from waving by duplexing the shell of the hollow column 101 and sealing a high-pressure gas in the space between the shells. FIG. 1 (a)
Reference numeral 110 denotes a high-pressure gas charging port, in which a check valve is provided.
【0036】この図1のように構成した流体による振動
発電装置は、風などの流体が発生しやすい場所、例えば
煙突、高層ビル、橋などに取り付けられる。このとき、
中空柱101と固定柱106とから成る円柱を、1つの
固定台に対して複数取り付けて水平配置すると、テレビ
アンテナ型と類似の構成とすることができる。したがっ
て、1つの固定台に対して1つの風車しか取り付けられ
ない風力発電等と比べて、固定台のコストを削減するこ
とができる。The vibration power generation device using fluid configured as shown in FIG. 1 is attached to a place where a fluid such as wind is likely to be generated, for example, a chimney, a high-rise building, a bridge or the like. At this time,
When a plurality of cylinders including the hollow pillars 101 and the fixed pillars 106 are attached to one fixed base and horizontally arranged, a configuration similar to the television antenna type can be obtained. Therefore, the cost of the fixed base can be reduced as compared with wind power generation or the like in which only one windmill can be attached to one fixed base.
【0037】このように、本実施形態では、回転プロペ
ラを流体エネルギの受容器とする風力発電や水力発電と
異なり、振動体を流体エネルギの受容器とすることによ
り、安全でコストがかからず、かつ保守負担が少ない発
電装置を提供することができる。すなわち、振動体の振
動速度は流速を越えることはなく、振動の振幅を制限す
るストッパも備えているので、風車や水車に比べて危険
は少ない。また、危険を避けるための付帯設備や、暴風
時などにプロペラの破損を避けるための複雑な機構、あ
るいはベアリング等のような寿命有限の要素が不要なの
で、設置コストやメンテナンスコストを大幅に削減する
ことができる。As described above, in the present embodiment, unlike the wind power generation or the hydroelectric power generation in which the rotary propeller receives the fluid energy, the vibrator is used as the receiver for the fluid energy, so that it is safe and inexpensive. In addition, it is possible to provide a power generation device with a low maintenance burden. That is, the vibration speed of the vibrating body does not exceed the flow velocity, and a stopper for limiting the amplitude of the vibration is provided, so that there is less danger than a windmill or a water turbine. In addition, there is no need for incidental equipment to avoid danger, complicated mechanisms for avoiding damage to the propeller in the event of a storm, or elements with a finite life such as bearings, so installation and maintenance costs are greatly reduced. be able to.
【0038】上述したように、流体により生じる振動エ
ネルギからより効率的に電気エネルギを得ることができ
るのは、当該流体によって振動体に励起される振動のカ
ルマン渦周波数と、振動体自身が持つ機械共振周波数と
が一致するロックイン状態のときである。ところが、流
体の流速変動幅(カルマン渦周波数の変動幅)に対して
機械共振周波数の共振範囲は極めて狭い。As described above, electric energy can be more efficiently obtained from vibration energy generated by a fluid because of the Karman vortex frequency of vibration excited by the fluid by the vibrator and the mechanical property of the vibrator itself. This is a lock-in state where the resonance frequency matches. However, the resonance range of the mechanical resonance frequency is extremely narrow with respect to the flow velocity fluctuation width of the fluid (the fluctuation width of the Karman vortex frequency).
【0039】そこで、本実施形態では、流速が変動して
もロックイン状態を維持できるようにするために、流速
の変動に応じて振動体の機械共振周波数を変化させる
か、流速の変動に応じてカルマン渦周波数を変化させる
ようにしている。ここで、振動体の機械共振周波数ω
は、 ω=(K/m)1/2 ……(2) (K:振動体の剛性、m:振動体の質量)で表されるの
で、流速の変動に応じて振動体の機械共振周波数ωを変
化させるには、振動体の剛性Kあるいは質量mを流速の
変動に応じて変化させれば良いことになる。以下に、こ
れらの各実施形態を説明する。Therefore, in the present embodiment, in order to maintain the lock-in state even if the flow velocity fluctuates, the mechanical resonance frequency of the vibrating body is changed according to the fluctuation of the flow velocity, or the fluctuation is caused by the fluctuation of the flow velocity. To change the Karman vortex frequency. Here, the mechanical resonance frequency ω of the vibrating body
Is expressed as ω = (K / m) 1/2 (2) (K: rigidity of the vibrating body, m: mass of the vibrating body), so that the mechanical resonance frequency of the vibrating body depends on the fluctuation of the flow velocity. In order to change ω, it is sufficient to change the rigidity K or mass m of the vibrating body according to the fluctuation of the flow velocity. Hereinafter, each of these embodiments will be described.
【0040】(第1の実施形態)図2は、振動体を支持
する弾性体の剛性を風速に対応して変化させることによ
って振動体の機械共振周波数を可変とし、これによって
ロックインの範囲を広げるようにした一構成例を示す図
である。(First Embodiment) FIG. 2 shows that the mechanical resonance frequency of the vibrating body is made variable by changing the rigidity of the elastic body supporting the vibrating body in accordance with the wind speed. It is a figure showing an example of 1 composition made to expand.
【0041】図2(a)に示すように、円柱201の両
端はコイルバネ202,203等の弾性体で支持され、
これらのコイルバネ202,203が支持体207の上
下部分に固定される。この支持体207は、風などの流
体200中に置かれ、円柱201が流体200に曝され
るようになっている。この円柱201に流体200が当
たると、それによって生じるカルマン渦により、円柱2
01は流体200の流れにほぼ直交する方向に振動す
る。As shown in FIG. 2A, both ends of the column 201 are supported by elastic members such as coil springs 202 and 203.
These coil springs 202 and 203 are fixed to upper and lower portions of the support 207. The support 207 is placed in a fluid 200 such as wind, so that the column 201 is exposed to the fluid 200. When the fluid 200 hits the cylinder 201, the Karman vortex generated thereby causes the cylinder 2
01 vibrates in a direction substantially perpendicular to the flow of the fluid 200.
【0042】円柱201に当たる流体200の流速が増
えると、円柱201の正面圧力が増して、円柱201は
その流れに押されて矢印209の方向に移動する。図2
(b)は、円柱201の上部とコイルバネ202の部分
を拡大して示した図であり、円柱201が流体200の
流れに押されて移動したときの様子を示している。When the flow velocity of the fluid 200 impinging on the cylinder 201 increases, the front pressure of the cylinder 201 increases, and the cylinder 201 is pushed by the flow and moves in the direction of the arrow 209. FIG.
(B) is an enlarged view of an upper part of the cylinder 201 and a part of the coil spring 202, and shows a state where the cylinder 201 is moved by being pushed by the flow of the fluid 200.
【0043】図2(b)に示すように、円柱201が流
体200に押されて平行移動すると、移動前に210の
位置にあったバネ支点は、y方向に後退して211の位
置に移る。これにより、コイルバネ202は伸びて、そ
の伸びによりコイルバネ202には平均張力(戻り力)
が増す。また、円柱201が横振動してバネ支点が21
3の位置に移るとき、そのときの変位xに対する復元力
は、平均張力の振動方向のx成分であり、平均張力に比
例する。したがって、円柱201が流体200に押され
て移動すると、コイルバネ202,203の復元剛性が
増えたのと等価となる。As shown in FIG. 2B, when the cylinder 201 is moved in parallel by being pushed by the fluid 200, the spring fulcrum, which was at the position 210 before the movement, retreats in the y direction and moves to the position 211. . As a result, the coil spring 202 expands, and the average tension (return force) is applied to the coil spring 202 by the expansion.
Increase. In addition, the column 201 laterally vibrates and the spring fulcrum is 21
When moving to the position 3, the restoring force with respect to the displacement x at that time is the x component of the average tension in the vibration direction and is proportional to the average tension. Therefore, when the cylinder 201 is pushed by the fluid 200 and moves, this is equivalent to an increase in the restoration rigidity of the coil springs 202 and 203.
【0044】一方、円柱201に対する正面圧力は、ベ
ルヌイの定理が示すように流速の二乗に比例する。ま
た、円柱201への正面圧力とその力によって移動する
円柱201の復元剛性とは比例関係にあるから、円柱2
01の復元剛性の平方根は、流体200の流速に比例す
ると言える。さらに、上述の式(1) から明らかなよう
に、カルマン渦周波数は流速に比例することから、カル
マン渦周波数は円柱201の復元剛性の平方根に比例す
ると言える。また、上述の式(2) から明らかなように、
円柱201の機械共振周波数も、復元剛性の平方根に比
例して高くなる。したがって、コイルバネ202,20
3の剛性を適切に選べば、流速に比例して変化するカル
マン渦周波数に対応して、円柱201の機械共振周波数
の変化を一致させることが可能となる。On the other hand, the front pressure on the cylinder 201 is proportional to the square of the flow velocity as shown by Bernoulli's theorem. Further, since the front pressure on the cylinder 201 and the restoration rigidity of the cylinder 201 moved by the force are in a proportional relationship, the cylinder 2
01 can be said to be proportional to the flow velocity of the fluid 200. Further, as is apparent from the above equation (1), since the Karman vortex frequency is proportional to the flow velocity, it can be said that the Karman vortex frequency is proportional to the square root of the restoration rigidity of the cylinder 201. Also, as is apparent from the above equation (2),
The mechanical resonance frequency of the cylinder 201 also increases in proportion to the square root of the restoration rigidity. Therefore, the coil springs 202, 20
By appropriately selecting the rigidity of No. 3, it is possible to match the change in the mechanical resonance frequency of the cylinder 201 in accordance with the Karman vortex frequency that changes in proportion to the flow velocity.
【0045】円柱201の上部を支持するコイルバネ2
02が取り付けられる支持体207の天井側の支持部
は、厚みの薄い板状の軟磁性体204により構成されて
いる。この軟磁性体204は、コイルバネ202の力に
よって垂直方向には弾性的に変形可能だが、水平方向の
剛性は高く形成され、容易に変形しないように構成され
ている。この軟磁性体204の内側にはコイル205と
永久磁石206とが配置され、永久磁石206のN極か
ら発せられる磁束がコイル205および軟磁性体204
を通ってS極へと循環する磁気回路が構成されている。Coil spring 2 supporting upper part of column 201
The support portion on the ceiling side of the support body 207 to which the 02 is attached is formed of a thin plate-shaped soft magnetic body 204. The soft magnetic body 204 can be elastically deformed in the vertical direction by the force of the coil spring 202, but has high rigidity in the horizontal direction and is configured not to be easily deformed. A coil 205 and a permanent magnet 206 are arranged inside the soft magnetic body 204, and a magnetic flux generated from the N pole of the permanent magnet 206 generates a magnetic flux from the coil 205 and the soft magnetic body 204.
And a magnetic circuit circulating to the S-pole.
【0046】このような状態で、コイルバネ202の力
が円柱201の振動により変動すると、軟磁性体204
は垂直方向に振動し、これにより軟磁性体204と永久
磁石206との間の磁気空隙長も変化する。そのため、
永久磁石206の周辺に巻回されたコイル205の内部
を通る磁束の量が変化し、磁気誘導電圧が発生すること
により、コイル205を通じて電流が流れるようにな
る。このような構造においては、磁気空隙は密閉された
状態となっているので、風に乗ってくる磁気塵埃が付着
してしまうという問題を回避することができ、メンテナ
ンスの負荷を軽減することができる。In such a state, when the force of the coil spring 202 fluctuates due to the vibration of the cylinder 201, the soft magnetic material 204
Vibrates in the vertical direction, thereby changing the magnetic gap length between the soft magnetic body 204 and the permanent magnet 206. for that reason,
The amount of magnetic flux passing through the inside of the coil 205 wound around the permanent magnet 206 changes, and a magnetic induction voltage is generated, so that current flows through the coil 205. In such a structure, since the magnetic gap is in a closed state, it is possible to avoid a problem that magnetic dust that gets on the wind adheres, and it is possible to reduce a maintenance load. .
【0047】以上のように、第1の実施形態によれば、
振動体である円柱201の両端をコイルバネ202,2
03で支持し、このコイルバネ202,203の剛性を
流速に対応して変化させることによって円柱201の機
械共振周波数を可変とするようにしたので、流体200
の流速に応じて励起されるカルマン渦周波数に円柱20
1の機械共振周波数を常に一致させることができ、流速
が変動してもロックイン状態を維持することができるよ
うになる。このとき、剛性変化の動力は、流体200に
よる円柱201への正面圧力であり、受動素子のみを用
いて実現することができる。As described above, according to the first embodiment,
Both ends of a cylinder 201 as a vibrating body are connected to coil springs 202 and 2.
Since the mechanical resonance frequency of the cylinder 201 is made variable by changing the rigidity of the coil springs 202 and 203 in accordance with the flow velocity, the fluid 200
Column 20 to the Karman vortex frequency excited according to the flow velocity
1 can always be matched, and the lock-in state can be maintained even if the flow velocity changes. At this time, the power of the rigidity change is the front pressure of the cylinder 201 by the fluid 200 and can be realized using only passive elements.
【0048】(第2の実施形態)図3は、振動体の質量
を流速に対応して変化させることによって振動体の機械
共振周波数を可変とし、これによってロックインの範囲
を広げるようにした一構成例を示す図である。本実施形
態は、流体が特に水などの液体である場合に適用して好
適なものである。(Second Embodiment) FIG. 3 shows an example in which the mechanical resonance frequency of the vibrating body is made variable by changing the mass of the vibrating body in accordance with the flow velocity, thereby expanding the lock-in range. It is a figure showing the example of composition. The present embodiment is suitably applied particularly when the fluid is a liquid such as water.
【0049】図3に示すように、本実施形態による振動
発電装置は、図1に示したものと略同様の構造を有して
おり、二重殻で成る中空の円柱401を水の流れの中に
立てるように構成している。例えば、円柱401は、そ
の底部が川底409などに固定され、頭部は水面よりも
上に出るように立てられる。As shown in FIG. 3, the vibration power generator according to the present embodiment has a structure substantially similar to that shown in FIG. It is configured to stand inside. For example, the cylinder 401 has its bottom fixed to the river bottom 409 and the like, and its head is set up so as to protrude above the water surface.
【0050】この円柱401は、矢印408の方向に流
れる水流410が当たることによって振動する。これに
より、この円柱401の天井側に取り付けられたコイル
406と、円柱401の内側に設けた固定柱402に取
り付けられた永久磁石404および図1のヨーク103
に相当する盆状の軟磁性体405との相対位置が変動
し、この相対位置の変動に基づく電磁誘導によって発電
を行う。The cylinder 401 vibrates when hit by a water flow 410 flowing in the direction of arrow 408. Thereby, the coil 406 attached to the ceiling side of the column 401, the permanent magnet 404 attached to the fixed column 402 provided inside the column 401, and the yoke 103 in FIG.
The relative position with respect to the bon-shaped soft magnetic body 405 corresponding to fluctuates, and power is generated by electromagnetic induction based on the fluctuation of the relative position.
【0051】上記円柱401を構成する二重殻の水面下
の部分には1つの穴403が設けられており、これが水
流の下流側に配置される。この穴403によって二重殻
の間隙は水流とつながり、穴403から二重殻内に水が
入っている。また、上記円柱401を構成する二重殻の
天井部にも穴407が設けられており、これが大気中に
配置される。これにより、二重殻内に入った水の水面
は、穴407を介して大気圧に開放されている。A single hole 403 is provided in a portion below the water surface of the double shell constituting the column 401, and this hole is disposed downstream of the water flow. By the hole 403, the gap between the double shells is connected to the water flow, and water enters the double shell from the hole 403. A hole 407 is also provided in the ceiling of the double shell constituting the column 401, and this hole is placed in the atmosphere. As a result, the surface of the water that has entered the double shell is opened to the atmospheric pressure through the hole 407.
【0052】水面下の穴403が流れの下流側に配置さ
れることにより、この穴403にかかる水流の圧力は負
圧となる。そのため、円柱401の二重殻内の水面の高
さは、水流が強くなるほど低くなり、水流が弱くなるほ
ど高くなる。これにより、水流が強くなったときには、
円柱401の慣性質量は小さくなり、式(2) から分かる
ように円柱401の機械共振周波数は高くなる。逆に、
水流が弱くなったときには、円柱401の慣性質量は大
きくなり、円柱401の機械共振周波数は低くなる。When the hole 403 below the water surface is arranged on the downstream side of the flow, the pressure of the water flow applied to the hole 403 becomes negative. Therefore, the height of the water surface in the double shell of the column 401 becomes lower as the water flow becomes stronger, and becomes higher as the water flow becomes weaker. As a result, when the water flow becomes stronger,
The inertial mass of the cylinder 401 becomes smaller, and the mechanical resonance frequency of the cylinder 401 becomes higher as can be seen from the equation (2). vice versa,
When the water flow becomes weak, the inertial mass of the cylinder 401 increases, and the mechanical resonance frequency of the cylinder 401 decreases.
【0053】このように、第2の実施形態によれば、水
の流れの中に立てる円柱401の二重殻の水面下となる
部分に穴403を設けるとともに、水面より上の部分に
穴407を設け、水面下の穴403を流れの下流側に配
置している。これにより、水流の強さに応じて円柱40
1の慣性質量を変化させ、これによって円柱401の機
械共振周波数を可変とすることができる。したがって、
流速に比例して変化するカルマン渦周波数に対応して、
円柱401の機械共振周波数の変化を一致させることが
可能となり、ロックイン範囲の幅を広げることができる
ようになる。As described above, according to the second embodiment, the hole 403 is provided in the portion below the water surface of the double shell of the cylinder 401 standing in the flow of water, and the hole 407 is provided in the portion above the water surface. And the hole 403 below the water surface is arranged downstream of the flow. Thereby, the column 40 is formed according to the strength of the water flow.
By changing the inertial mass of the cylinder 401, the mechanical resonance frequency of the cylinder 401 can be made variable. Therefore,
Corresponding to the Karman vortex frequency that changes in proportion to the flow velocity,
The change in the mechanical resonance frequency of the cylinder 401 can be matched, and the width of the lock-in range can be widened.
【0054】なお、上記図3では、円柱401は川底4
09に固定されるが、図4に示すように、円柱を水面の
上から吊るすように構成しても良い。この図4の例で
は、1つの支持体510に2つの円柱501-1,501
-2を取り付けた構成を示している。この支持体510は
水面より上に配置され、この支持体510によって吊る
された2つの円柱501-1,501-2の下部が水面下に
曝されるようになっている。In FIG. 3, the column 401 is a riverbed 4
Although it is fixed to 09, as shown in FIG. 4, a column may be suspended from above the water surface. In the example of FIG. 4, one support 510 has two cylinders 501 -1 and 501 -1 .
This shows a configuration with -2 attached. The support 510 is disposed above the water surface, and the lower portions of the two columns 501 -1 and 501 -2 suspended by the support 510 are exposed below the water surface.
【0055】この例の場合、2つの円柱501-1,50
1-2の構成は、それぞれ図3に示したものと同様である
が、図3に示した永久磁石404、軟磁性体405およ
びコイル406に相当する構成は、円柱501-1,50
1-2の底部の内側に設けられる。また、図3に示した穴
403に相当する構成は、図3と同様に水面下の下流側
に設けられ、穴407に相当する構成も図3と同様に大
気中に設けられる。このように構成した場合には、川底
に工事を施すことなく振動発電装置を設置することがで
き、建設コストを削減することができる。In the case of this example, two cylinders 501 -1 , 50
1 -2 arrangement is similar to that shown in FIG. 3, respectively, configuration corresponding to the permanent magnet 404, soft magnetic material 405 and a coil 406 shown in FIG. 3, a cylinder 501 -1, 50
Provided inside the bottom of 1-2. Further, the configuration corresponding to the hole 403 shown in FIG. 3 is provided on the downstream side below the water surface as in FIG. 3, and the configuration corresponding to the hole 407 is also provided in the atmosphere as in FIG. In the case of such a configuration, the vibration power generation device can be installed without performing the work on the riverbed, and the construction cost can be reduced.
【0056】また、この図4の例では、支持体510は
ピン503で支持され、これを軸として回動可能なよう
に構成されている。通常の状態では、この支持体510
の端部509は、固定された永久磁石508に吸着し
て、実線で示したように支持体510が水平の状態、す
なわち、この支持体510に垂直に取り付けられた各円
柱501-1,501-2が水流506の方向に対して垂直
の状態になっている。In the example shown in FIG. 4, the support 510 is supported by a pin 503, and is configured to be rotatable around the pin 503. Under normal conditions, this support 510
End portion 509 is attracted to the fixed permanent magnet 508, and the support 510 is in a horizontal state as shown by a solid line, that is, each of the cylinders 501 -1 , 501 mounted vertically to the support 510. -2 is perpendicular to the direction of the water flow 506.
【0057】ところが、このような状態では、水中を流
れるゴミ505等が円柱501-1,501-2に絡み付い
て取れなくなることがある。このようにゴミ505が円
柱501-1,501-2に付着すると、円柱501-1,5
01-2の慣性質量が大きくなってしまい、円柱自身が振
動しにくくなってしまうだけでなく、流速に比例して変
化するカルマン渦周波数と円柱401の機械共振周波数
とが一致しなくなってしまうことがある。However, in such a state, dust 505 and the like flowing in the water may become entangled with the columns 501 -1 and 501 -2 and cannot be removed. With such dust 505 cylinder 501 -1, adhere to 501 -2, cylinder 501 -1, 5
01 -2 inertial mass becomes large, not only the cylinder itself becomes difficult vibrations, that the mechanical resonance frequency of the Karman vortex frequency and cylinder 401 that varies in proportion to the flow velocity becomes not match There is.
【0058】絡み付いたゴミ505が少ない間は、支持
体510は水平姿勢を保つ。ところが、絡み付いたゴミ
505の量が限界を越えると、そのゴミ505に加わる
流体力が増えることによって支持体510の端部509
が永久磁石508から離れ、支持体510がピン503
を軸として大きく回動する。これにより、点線で示した
ように各円柱501-1,501-2が水流506の方向に
対して斜めの状態となり、水流506によってゴミ50
5が払い落とされる。ゴミ505が払い落とされると、
水流506の抵抗が多少あっても、支持体510は自身
の重量によって確実に元の水平姿勢に復帰する。While the amount of entangled dust 505 is small, the support 510 maintains a horizontal posture. However, when the amount of the entangled dust 505 exceeds the limit, the fluid force applied to the dust 505 increases, so that the end 509 of the support 510 is reduced.
Is separated from the permanent magnet 508 and the support 510 is
It rotates greatly around the axis. As a result, as shown by the dotted line, the columns 501 -1 and 501 -2 are inclined with respect to the direction of the water flow 506, and the water flow 506 causes the dust 50.
5 is paid off. When the trash 505 is removed,
Even if there is some resistance of the water flow 506, the support 510 surely returns to the original horizontal posture by its own weight.
【0059】(第3の実施形態)図5は、振動体自体の
張力を風速の変動に対応して変化させることによって振
動体の機械共振周波数を可変とし、これによってロック
インの範囲を広げるようにした一構成例を示す図であ
る。(Third Embodiment) FIG. 5 shows that the mechanical resonance frequency of the vibrating body is made variable by changing the tension of the vibrating body itself in accordance with the fluctuation of the wind speed, thereby expanding the lock-in range. FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration described above.
【0060】上記第1、第2の実施形態では、振動体で
ある円柱は、ある程度の太さを持ったものであった。こ
れに対して、第3の実施形態では、振動体である円柱6
01は細く、弾性を持って撓るように構成された弦型の
円柱を用いる。例えば、斜長橋の吊りワイヤや高圧電線
などが互いにショートするほどに揺れる最初の起振力
は、カルマン渦によるものとされており、本実施形態で
はこのような吊りワイヤや高圧電線などを円柱601と
することが可能である。In the first and second embodiments, the cylinder as the vibrator has a certain thickness. On the other hand, in the third embodiment, the column 6 which is a vibrating body is used.
A string-shaped cylinder 01 is used, which is thin and elastically bent. For example, the initial vibrating force that swings such that the suspension wire or the high-voltage electric wire of the cable-stayed bridge is short-circuited with each other is caused by Karman vortex. It is possible.
【0061】図5において、円柱601の上部は支持体
607に固定されている。一方、円柱601の下部には
永久磁石602が取り付けられている。上記支持体60
7の永久磁石602付近にはカバー605が設けられ、
このカバー605には、上記円柱601に取り付けられ
た永久磁石602に対向して、固定磁石603が設けら
れている。これらの永久磁石602と固定磁石603
は、互いのN極が対向するように配置されており、これ
によって生じる反発力により、円柱601に張力が与え
られている。In FIG. 5, the upper part of the column 601 is fixed to a support 607. On the other hand, a permanent magnet 602 is attached to a lower portion of the column 601. The support 60
7, a cover 605 is provided near the permanent magnet 602,
The fixed magnet 603 is provided on the cover 605 so as to face the permanent magnet 602 attached to the column 601. These permanent magnet 602 and fixed magnet 603
Are arranged such that their N poles face each other, and the repulsive force generated by this causes tension to the cylinder 601.
【0062】円柱601に取り付けられた永久磁石60
2は、希土類磁石と呼ばれるエネルギ積の大きい材料で
ある。また、支持体607のカバー605に取り付けら
れた固定磁石603は、フィライト磁石であり、抗磁力
は大きいが磁束密度の低い磁石である。両磁石602,
603共に抗磁力は大きく、近接して反磁界が大きくな
っても減磁させない設計が可能である。永久磁石602
の周辺にはコイル606が巻回されており、永久磁石6
02のN極から発せられた磁束がコイル606を通って
S極へと循環する磁気回路が構成されている。The permanent magnet 60 attached to the column 601
2 is a material having a large energy product called a rare earth magnet. The fixed magnet 603 attached to the cover 605 of the support 607 is a fillet magnet, and has a large coercive force but a low magnetic flux density. Both magnets 602,
Both 603 have a large coercive force, and can be designed so as not to be demagnetized even if the demagnetizing field increases in proximity. Permanent magnet 602
A coil 606 is wound around the periphery of the permanent magnet 6.
The magnetic circuit circulates the magnetic flux generated from the N pole of No. 02 to the S pole through the coil 606.
【0063】円柱601に当たる流体の流速が増える
と、円柱601は点線で示すように等分布荷重の変形を
する。これにより、円柱601の軸端面間の距離は小さ
くなり、永久磁石602と固定磁石603との間の距離
も小さくなる。そのため、磁石間の反発力は強くなり、
これによってコイル606を通る磁束の量が変化する。
軸端面間距離の変化はわずかではあるが、磁束の変化は
大きく、電磁誘導によってコイル606には起電圧が発
生する。したがって、この起電圧の出力を外部インピー
ダンスに接続すれば発電機となる。When the flow velocity of the fluid impinging on the cylinder 601 increases, the cylinder 601 deforms with an evenly distributed load as shown by the dotted line. Thereby, the distance between the shaft end faces of the cylinder 601 is reduced, and the distance between the permanent magnet 602 and the fixed magnet 603 is also reduced. Therefore, the repulsive force between the magnets increases,
This changes the amount of magnetic flux passing through the coil 606.
Although the change in the distance between the shaft end faces is slight, the change in the magnetic flux is large, and an electromotive voltage is generated in the coil 606 by electromagnetic induction. Therefore, if the output of this electromotive voltage is connected to an external impedance, it becomes a generator.
【0064】また、上述のように磁石間の反発力が強く
なると、その反発力により円柱601に与えられている
張力も大きくなる。これは、第1の実施形態にて説明し
たバネの復元張力、つまり円柱の剛性が増すことに相当
する。したがって、本実施形態においても、第1の実施
形態と同様の作用により、円柱601に当たる流体の流
速の変動に応じて当該円柱601の機械共振周波数を可
変とすることができる。磁気反発力は磁石間の距離に対
して線形ではないが、限定された範囲内では、流速に比
例するカルマン渦周波数と円柱601の機械共振周波数
とを一致させる設計が可能である。When the repulsive force between the magnets increases as described above, the tension applied to the cylinder 601 by the repulsive force also increases. This corresponds to an increase in the restoring tension of the spring described in the first embodiment, that is, an increase in the rigidity of the cylinder. Therefore, also in the present embodiment, the mechanical resonance frequency of the cylinder 601 can be made variable according to the fluctuation of the flow velocity of the fluid impinging on the cylinder 601 by the same operation as the first embodiment. The magnetic repulsion is not linear with respect to the distance between the magnets, but within a limited range, a design is possible in which the Karman vortex frequency proportional to the flow velocity matches the mechanical resonance frequency of the cylinder 601.
【0065】以上のように、第3の実施形態によれば、
振動体である弦型の円柱601の一端を固定するととも
に他端に永久磁石602を取り付け、この永久磁石60
2の対向する位置にN極が向かい合うように固定磁石6
03を設けている。そして、この磁石間の反発力によっ
て円柱601に与えられる張力(円柱601の剛性)を
流速に対応して変化させることによって円柱601の機
械共振周波数を可変とするようにしたので、流体の流速
に応じて励起されるカルマン渦周波数に円柱601の機
械共振周波数を常に一致させることができ、流速が変動
してもロックイン状態を維持することができるようにな
る。As described above, according to the third embodiment,
One end of a string-shaped column 601 which is a vibrating body is fixed, and a permanent magnet 602 is attached to the other end.
2 so that the N pole faces the opposite position of the fixed magnet 6
03 is provided. The mechanical resonance frequency of the cylinder 601 is made variable by changing the tension (rigidity of the cylinder 601) applied to the cylinder 601 by the repulsive force between the magnets according to the flow velocity. The mechanical resonance frequency of the cylinder 601 can always be made to coincide with the Karman vortex frequency excited accordingly, and the lock-in state can be maintained even if the flow velocity changes.
【0066】また、本実施形態では、永久磁石602、
固定磁石603およびコイル606により構成される磁
気回路は、ベローズ604およびカバー605で密閉し
ているので、磁性塵埃の侵入を防止することができる。
磁性塵埃が侵入しないことにより、狭い磁気空隙とする
設計が可能となるとともに、メンテナンスの負荷を軽減
することができる。さらに、本実施形態によれば、第1
の実施形態のように機械的なコイルバネを設けなくても
良いので、制御性を向上させることができる。In this embodiment, the permanent magnet 602,
Since the magnetic circuit constituted by the fixed magnet 603 and the coil 606 is hermetically sealed by the bellows 604 and the cover 605, intrusion of magnetic dust can be prevented.
Since the magnetic dust does not enter, it is possible to design a magnetic space having a small space, and it is possible to reduce a maintenance load. Further, according to the present embodiment, the first
Since it is not necessary to provide a mechanical coil spring as in the embodiment, the controllability can be improved.
【0067】(第4の実施形態)図6は、振動体自体の
張力を風速の変動に対応して変化させることによって振
動体の機械共振周波数を可変とし、これによってロック
インの範囲を広げるようにした他の構成例を示す図であ
る。この図6に示す円柱701も、図5に示した円柱6
01と同様に、斜長橋の吊りワイヤや高圧電線などのよ
うに細く、弾性を持って撓るように構成された弦型の円
柱である。(Fourth Embodiment) FIG. 6 shows that the mechanical resonance frequency of the vibrating body is made variable by changing the tension of the vibrating body itself in accordance with the fluctuation of the wind speed, thereby expanding the lock-in range. FIG. 11 is a diagram showing another example of the configuration. The cylinder 701 shown in FIG. 6 is also the same as the cylinder 6 shown in FIG.
Similar to 01, it is a chord-shaped cylinder configured to be thin and elastic and flexible, such as a suspension wire or a high-voltage electric wire of an oblique bridge.
【0068】図6(a)において、円柱701の上部は
支持体707に固定され、下部は薄い板状の軟磁性体7
03により支持されている。この軟磁性体703は、そ
の大部分が永久磁石706に吸着されており、永久磁石
706の周囲にはコイル705が巻回されている。永久
磁石706のN極から発せられた磁束は、軟磁性体70
3の内部を通ってコイル705を通過し、永久磁石70
6のS極へと循環するようになっており、これによって
磁気回路が構成されている。In FIG. 6A, the upper portion of a column 701 is fixed to a support 707, and the lower portion is a thin plate-shaped soft magnetic material 7A.
03. Most of the soft magnetic body 703 is attracted to the permanent magnet 706, and a coil 705 is wound around the permanent magnet 706. The magnetic flux emitted from the N pole of the permanent magnet 706 is
3 and through the coil 705 and the permanent magnet 70
6 to the south pole, thereby forming a magnetic circuit.
【0069】また、本実施形態では、円柱701として
弦型の細い柱を用いているので、流体による正面圧力が
不足することも考えられる。そこで、円柱701の略中
央部分に球702を取り付ける。このようにすることに
より、図6(a)中に一点鎖線で示すように球702を
節として円柱701の振動は二分され、倍周波数の振動
成分が多くなり、エネルギ密度を高くすることができ
る。In the present embodiment, since a thin column having a chord shape is used as the column 701, the front pressure due to the fluid may be insufficient. Therefore, the ball 702 is attached to a substantially central portion of the column 701. By doing so, the vibration of the cylinder 701 is divided into two parts by using the sphere 702 as a node, as indicated by the one-dot chain line in FIG. 6A, so that the vibration component of the double frequency increases and the energy density can be increased. .
【0070】上記円柱701に当たる流体の流速が増え
て円柱701への正面圧力が大きくなると、円柱701
は一点鎖線で示すように、球702の両側で等分布荷重
の変形をする。これにより、円柱701の軸端面間の距
離は小さくなり、軟磁性体703は円柱701より上方
向の力を受けて、704で示すように上方に撓む。その
ため、軟磁性体703の永久磁石706への吸着が一部
解離していく。図6(b)は、この状態を拡大して詳し
く示した図である。When the flow velocity of the fluid impinging on the cylinder 701 increases and the front pressure on the cylinder 701 increases, the cylinder 701
Deforms evenly distributed loads on both sides of the ball 702, as shown by the dashed line. As a result, the distance between the shaft end surfaces of the cylinder 701 is reduced, and the soft magnetic body 703 receives an upward force from the cylinder 701 and flexes upward as indicated by 704. Therefore, the attraction of the soft magnetic body 703 to the permanent magnet 706 is partially dissociated. FIG. 6B is an enlarged view showing this state in detail.
【0071】この状態で円柱701がカルマン渦による
振動を受けると、磁極空隙の変化が起こり、コイル70
5を通る磁束の量が変化する。これにより、電磁誘導に
よってコイル705に起電圧が発生して発電する。この
とき、カルマン渦が発生する最低の流速までは永久磁石
706と軟磁性体703とが完全に吸着するように設計
すれば、弾性は高い状態を維持し、制御性を良好にする
ことができる。When the column 701 is vibrated by Karman vortex in this state, the magnetic pole gap changes, and the coil 70
The amount of magnetic flux passing through 5 changes. As a result, an electromotive voltage is generated in the coil 705 by electromagnetic induction to generate power. At this time, if the permanent magnet 706 and the soft magnetic material 703 are designed to be completely attracted up to the lowest flow velocity at which the Karman vortex is generated, the state of high elasticity can be maintained and the controllability can be improved. .
【0072】また、上述のように弦型の円柱701に当
たる流体の流速が増えると、円柱701は一点鎖線で示
すように撓んで張力が増加する。この張力の増加は、第
3の実施形態にて説明したように円柱701の剛性が増
すことに相当する。ここで、弦の振動の固有周波数は弦
に与えた張力の平方根に比例するから、本実施形態にお
いても、第1の実施形態と同様の作用により、円柱70
1に当たる流体の流速の増加に応じて当該円柱701の
機械共振周波数を高くすることができる。As described above, when the flow velocity of the fluid that hits the chord-shaped cylinder 701 increases, the cylinder 701 bends and the tension increases as indicated by a dashed line. This increase in tension corresponds to an increase in the rigidity of the column 701 as described in the third embodiment. Here, the natural frequency of the vibration of the string is proportional to the square root of the tension applied to the string, and therefore, in the present embodiment, the cylinder 70
The mechanical resonance frequency of the cylinder 701 can be increased in accordance with an increase in the flow velocity of the fluid corresponding to the first fluid.
【0073】すなわち、円柱701に当たる流体の流速
が大きくなればなるほど、ストローハル数一定の条件下
ではカルマン渦周波数は増加するが、これと同時に円柱
701の張力も増加し、円柱701の機械共振周波数が
高くなる。上述したように、流体の流速と円柱701の
機械共振周波数とは比例関係にあるので、カルマン渦周
波数と円柱701の機械共振周波数とが一致するロック
インの状態を流速が変わっても維持することができる。That is, as the flow velocity of the fluid impinging on the cylinder 701 increases, the Karman vortex frequency increases under the condition of a constant Strouhal number, but at the same time, the tension of the cylinder 701 also increases, and the mechanical resonance of the cylinder 701 increases. The frequency increases. As described above, since the flow velocity of the fluid is proportional to the mechanical resonance frequency of the cylinder 701, the lock-in state in which the Karman vortex frequency matches the mechanical resonance frequency of the cylinder 701 must be maintained even if the flow velocity changes. Can be.
【0074】以上のように、第4の実施形態によれば、
振動体である弦型の円柱701の一端を固定するととも
に、他端を磁気回路の一部を構成する軟磁性体703で
支持し、この軟磁性体703の永久磁石706への吸着
状態を円柱701の振動に応じて変えるようにしてい
る。そして、円柱701に与えられる張力(円柱701
の剛性)を流速に対応して変化させることによって円柱
701の機械共振周波数を可変とするようにしたので、
流体の流速に応じて励起されるカルマン渦周波数に円柱
701の機械共振周波数を常に一致させることができ、
流速が変動してもロックイン状態を維持することができ
るようになる。As described above, according to the fourth embodiment,
One end of a string-shaped cylinder 701 as a vibrating body is fixed, and the other end is supported by a soft magnetic body 703 constituting a part of a magnetic circuit. 701 is changed according to the vibration. Then, the tension applied to the column 701 (the column 701)
The rigidity of the cylinder 701 is varied by changing the mechanical resonance frequency of the cylinder 701 according to the flow velocity.
The mechanical resonance frequency of the cylinder 701 can always be matched with the Karman vortex frequency excited according to the flow velocity of the fluid,
The lock-in state can be maintained even if the flow velocity changes.
【0075】なお、上記図6の例では、球702を境界
として一方にのみ磁気回路を設けているが、球702の
部分を固定端としてその両側に磁気回路を設けても良
い。このようにすれば、1つの磁気回路だけで発電する
場合に比べて発電効率を向上させることができる。ま
た、球702を複数個設けることにより、円柱701の
振動をより多くの振動に分割するようにしても良い。In the example of FIG. 6, the magnetic circuit is provided only on one side with the ball 702 as a boundary, but the magnetic circuit may be provided on both sides with the ball 702 as a fixed end. In this way, the power generation efficiency can be improved as compared with the case where power is generated only by one magnetic circuit. Further, by providing a plurality of spheres 702, the vibration of the column 701 may be divided into more vibrations.
【0076】(第5の実施形態)図7は、第1の実施形
態のように振動体を支持する弾性体の剛性を風速に対応
して変化させることに加えて、回転振動する振動体の慣
性モーメントを風速に対応して変化させることによって
振動体の機械共振周波数を可変とし、これによってロッ
クインの範囲を広げるようにした一構成例を示す図であ
る。(Fifth Embodiment) FIG. 7 shows that the rigidity of the elastic body supporting the vibrating body is changed in accordance with the wind speed as in the first embodiment. FIG. 9 is a diagram showing an example of a configuration in which the mechanical resonance frequency of the vibrating body is made variable by changing the moment of inertia in accordance with the wind speed, thereby expanding the lock-in range.
【0077】図7に示すように、円柱801の上下端は
コイルバネ804,805で支持され、これらのコイル
バネ804,805が支持体810,811に固定され
る。この円柱801は風などの流体812中に置かれ、
円柱801が流体812に曝される。この円柱801に
流体812が当たると、それによって生じるカルマン渦
により、円柱801は流体812の流れにほぼ直交する
方向に振動する。このようなカルマン渦による振動は、
円柱801に回転を与えることもある。As shown in FIG. 7, the upper and lower ends of the column 801 are supported by coil springs 804 and 805, and these coil springs 804 and 805 are fixed to supports 810 and 811. This cylinder 801 is placed in a fluid 812 such as wind,
The cylinder 801 is exposed to the fluid 812. When the fluid 812 hits the cylinder 801, the resulting Karman vortex causes the cylinder 801 to vibrate in a direction substantially orthogonal to the flow of the fluid 812. Vibrations due to such Karman vortices are
The column 801 may be given a rotation.
【0078】上記円柱801の上下端面は薄い板80
2,803で覆われている。これらの薄い板802,8
03は、水平方向には剛性が高く形成されて容易に変形
しないが、垂直方向にはコイルバネ804,805の力
によって変形可能な弾性体により構成されている。ま
た、この円柱801の上下端面の薄板802,803の
内面には、所定の屈曲を持った部材806,807が取
り付けられ、その中央の屈曲点付近には錘808,80
9が設けられている。The upper and lower end surfaces of the column 801 are thin plates 80
2,803. These thin plates 802, 8
03 is formed of an elastic body which is formed with high rigidity in the horizontal direction and is not easily deformed, but is deformable in the vertical direction by the force of the coil springs 804 and 805. Members 806 and 807 having a predetermined bending are attached to the inner surfaces of the thin plates 802 and 803 at the upper and lower end surfaces of the column 801, and weights 808 and 80 are located near the center bending point.
9 are provided.
【0079】また、図2に示した第1の実施形態と同様
に、円柱801の上部を支持するコイルバネ804が取
り付けられる支持体810の支持部は、厚みの薄い板状
の軟磁性体813により構成されている。この軟磁性体
813は、コイルバネ804の力によって垂直方向には
弾性的に変形可能だが、水平方向の剛性は高く形成さ
れ、容易に変形しないように構成されている。この軟磁
性体813の内側には永久磁石814とコイル815と
が配置され、永久磁石814のN極から発せられる磁束
がコイル815および軟磁性体813を通ってS極へと
循環する磁気回路が構成されている。As in the first embodiment shown in FIG. 2, the support of the support 810 to which the coil spring 804 for supporting the upper part of the column 801 is attached is made of a thin plate-shaped soft magnetic material 813. It is configured. The soft magnetic body 813 can be elastically deformed in the vertical direction by the force of the coil spring 804, but has high rigidity in the horizontal direction and is configured not to be easily deformed. A permanent magnet 814 and a coil 815 are arranged inside the soft magnetic body 813, and a magnetic circuit in which magnetic flux emitted from the N pole of the permanent magnet 814 circulates to the S pole through the coil 815 and the soft magnetic body 813. It is configured.
【0080】このような状態で、コイルバネ804の力
が円柱801の振動により変動すると、軟磁性体813
は垂直方向に振動し、これにより軟磁性体813と永久
磁石814との間の磁気空隙長も変化する。そのため、
永久磁石814の周辺に巻回されたコイル815の内部
を通る磁束の量が変化し、磁気誘導電圧が発生すること
により、コイル815を通じて電流が流れるようにな
る。In this state, if the force of the coil spring 804 fluctuates due to the vibration of the column 801, the soft magnetic material 813
Vibrates in the vertical direction, whereby the magnetic gap length between the soft magnetic body 813 and the permanent magnet 814 also changes. for that reason,
The amount of magnetic flux passing through the inside of the coil 815 wound around the permanent magnet 814 changes, and a magnetic induction voltage is generated, so that current flows through the coil 815.
【0081】また、円柱801に当たる流体812の流
速が増えると、円柱801の正面圧力が増して、円柱8
01はその流れに押されて点線で示すように平行移動す
る。このとき、コイルバネ804,805に働く平均張
力(復元力)が大きくなり、コイルバネ804,805
の復元剛性が増えたのと等価となる。これにより、第1
の実施形態で述べたように、流速の増加に対応して大き
くなるコイルバネ804,805の平均張力に比例し
て、円柱801の機械共振周波数を高くすることができ
る。When the flow velocity of the fluid 812 impinging on the cylinder 801 increases, the front pressure of the cylinder 801 increases, and
01 is translated by the flow as shown by the dotted line. At this time, the average tension (restoring force) acting on the coil springs 804, 805 increases, and the coil springs 804, 805
This is equivalent to an increase in the restoring rigidity. Thereby, the first
As described in the embodiment, the mechanical resonance frequency of the column 801 can be increased in proportion to the average tension of the coil springs 804 and 805 which increases in accordance with the increase in the flow velocity.
【0082】さらに、上述のようにコイルバネ804,
805に働く平均張力(復元力)が大きくなると、円柱
801の両端面の薄板802,803は、当該コイルバ
ネ804,805に引かれて変形し、両端面間の軸方向
の距離が増す。このように薄板802,803間の距離
が増すと、その間に繋がれた屈曲部材806,807が
伸びてその屈曲の度合いが小さくなり、その中央部に設
けられた錘808,809が円柱801の断面方向の中
心寄りに移動する。これにより、円柱801の軸回りの
慣性モーメントは減少する。これは、円柱801の回転
剛性が増加することに相当する。Further, as described above, the coil spring 804,
When the average tension (restoring force) acting on 805 increases, the thin plates 802 and 803 on both end surfaces of the column 801 are pulled and deformed by the coil springs 804 and 805, and the axial distance between both end surfaces increases. When the distance between the thin plates 802 and 803 increases in this way, the bending members 806 and 807 connected therebetween extend and the degree of bending decreases, and the weights 808 and 809 provided at the center portion of the Move to the center in the section direction. Thereby, the moment of inertia about the axis of the column 801 decreases. This corresponds to an increase in the rotational rigidity of the column 801.
【0083】ここで、円柱801の回転振動の機械共振
周波数は、円柱801に与えられる回転剛性の平方根に
比例して変化するから、回転振動の機械共振周波数は、
円柱801に当たる流体の流速の増加に応じて高くな
る。上述したように、流体の流速と円柱801の機械共
振周波数とは比例関係にあるので、カルマン渦周波数と
円柱801の機械共振周波数とが一致するロックインの
状態を流速が変わっても維持することができる。Here, the mechanical resonance frequency of the rotational vibration of the cylinder 801 changes in proportion to the square root of the rotational rigidity given to the cylinder 801.
It increases as the flow velocity of the fluid impinging on the cylinder 801 increases. As described above, since the flow velocity of the fluid is proportional to the mechanical resonance frequency of the cylinder 801, it is necessary to maintain the lock-in state where the Karman vortex frequency matches the mechanical resonance frequency of the cylinder 801 even if the flow velocity changes. Can be.
【0084】以上のように、第5の実施形態によれば、
振動体である円柱801の両端をコイルバネ804,8
05で支持し、このコイルバネ804,805の剛性を
流体の流速に対応して変化させる。さらに、コイルバネ
804,805が取り付けられる円柱801の上下端面
を弾性的な薄板802,803で構成するとともに、そ
の両端面間に、所定の屈曲を有し中央部に錘808,8
09を備えた屈曲部材806,807を取り付ける。そ
して、その屈曲度合いを流速に対応して変化させること
によって回転振動の回転モーメントを可変とし、これに
よって円柱801の機械共振周波数を変化させるように
している。これにより、流体の流速に応じて励起される
カルマン渦周波数に円柱801の機械共振周波数を常に
一致させることができ、流速が変動してもロックイン状
態を維持することができる。As described above, according to the fifth embodiment,
Coil springs 804, 8
05, and the rigidity of the coil springs 804 and 805 is changed according to the flow velocity of the fluid. Further, the upper and lower end surfaces of the cylinder 801 to which the coil springs 804 and 805 are attached are constituted by elastic thin plates 802 and 803, and have a predetermined bending between both end surfaces and have weights 808 and 8 at the center.
The bending members 806 and 807 provided with 09 are attached. By changing the degree of bending in accordance with the flow velocity, the rotational moment of the rotational vibration is made variable, thereby changing the mechanical resonance frequency of the cylinder 801. Thus, the mechanical resonance frequency of the cylinder 801 can be always made to match the Karman vortex frequency excited according to the flow velocity of the fluid, and the lock-in state can be maintained even if the flow velocity fluctuates.
【0085】(第6の実施形態)図8は、発電の原理と
して電磁誘導と圧電現象との両方を用い、振動体を支持
する弾性体の振動長を風速に対応して変化させることに
よって振動体の機械共振周波数を可変とし、これによっ
てロックインの範囲を広げるようにした一構成例を示す
図である。(Sixth Embodiment) FIG. 8 shows a case where both the electromagnetic induction and the piezoelectric phenomenon are used as the principle of power generation and the vibration length of the elastic body supporting the vibrating body is changed according to the wind speed. FIG. 3 is a diagram showing an example of a configuration in which the mechanical resonance frequency of the body is made variable to thereby expand the lock-in range.
【0086】図8(a)に示すように、本実施形態にお
いては、円柱901の上下を板バネ902,903で支
持し、当該板バネ902,903の固定部分には櫛歯状
の圧電素子907,908を接合させる。すなわち、圧
電変換器は振動体の微小変形部分に接合して出力を取り
出すのに適しているので、これらの圧電素子907,9
08は板バネ902,903の固定部分に取り付けられ
る。As shown in FIG. 8A, in the present embodiment, the upper and lower sides of the column 901 are supported by leaf springs 902 and 903, and the fixed portions of the leaf springs 902 and 903 have a comb-shaped piezoelectric element. 907 and 908 are joined. That is, since the piezoelectric transducer is suitable for bonding to a minutely deformed portion of the vibrating body to take out the output, these piezoelectric elements 907, 9
08 is attached to a fixed portion of the leaf springs 902 and 903.
【0087】また、上記円柱901は永久磁石を内蔵し
ており、その上方および下方にはコイル905,906
が所定の空隙を介して配置されている。これにより、円
柱901の永久磁石のN極から発せられた磁束がコイル
905および906を通ってS極へと循環する磁気回路
が構成されている。The column 901 has a built-in permanent magnet, and coils 905 and 906
Are arranged via a predetermined gap. Thus, a magnetic circuit is formed in which the magnetic flux emitted from the N pole of the permanent magnet of the column 901 circulates through the coils 905 and 906 to the S pole.
【0088】円柱901に流体910が当たってカルマ
ン渦が生じ、それによって円柱901に振動が生じる
と、コイル905,906と鎖交する磁束の量が変化
し、電磁誘導により起電圧が発生する。これにより、コ
イル905,906を通じて電流が流れるようになる。
また、円柱901に振動が生じると、それを支持する板
バネ902,903も振動し、その表皮伸縮応力によっ
て圧電素子907,908の櫛歯がせん断変形する。こ
のせん断変形により、櫛歯表面の電極には電圧が生じ、
電流を取り出すことができる。When the fluid 910 hits the cylinder 901 and a Karman vortex is generated, and the cylinder 901 vibrates, the amount of magnetic flux linked to the coils 905 and 906 changes, and an electromotive voltage is generated by electromagnetic induction. Thus, current flows through the coils 905 and 906.
Further, when vibration is generated in the column 901, the plate springs 902 and 903 supporting the column also vibrate, and the comb teeth of the piezoelectric elements 907 and 908 are sheared by the skin expansion and contraction stress. Due to this shear deformation, a voltage is generated at the electrode on the comb tooth surface,
Current can be extracted.
【0089】なお、この図8に示す板バネ902,90
3の支持構造では、流体910の流れが板バネ902,
903の垂直方向から多少変動しても板バネ902,9
03は追従するが、エネルギ変換効率を高く維持するた
めには、装置全体を常に風上に向けるように姿勢を変化
させる付属装置が必要となる。The leaf springs 902 and 90 shown in FIG.
In the support structure of No. 3, the flow of the fluid 910 is
Leaf springs 902, 9
03 follows, but in order to keep the energy conversion efficiency high, an auxiliary device that changes the attitude so that the entire device always faces upwind is required.
【0090】図8(b)は、一方の圧電素子907の部
分を拡大して詳細に示す図であり、図8(a)に示した
振動発電装置を上方から見た状態を示している。この図
8(b)に示すように、本実施形態では、圧電素子90
7の櫛歯のそれぞれの長さを異ならせて、円柱901の
側に位置が近づくほど櫛歯の長さが短くなるように構成
している。他方の圧電素子908についても同様に構成
する。FIG. 8B is an enlarged view showing one piezoelectric element 907 in detail, and shows a state where the vibration power generation device shown in FIG. 8A is viewed from above. As shown in FIG. 8B, in the present embodiment, the piezoelectric element 90
The length of each of the 7 comb teeth is made different so that the closer the position is to the column 901, the shorter the comb teeth are. The other piezoelectric element 908 is similarly configured.
【0091】円柱901に当たる流体910の流速が小
さいときは、板バネ902,903は流体910に押さ
れて曲がることなく、図8(b)の実線で示す状態とな
っている。このとき、板バネ902,903は、圧電素
子907,908の最も長い櫛歯の部分で接触してい
る。そのため、板バネ902,903が振動可能な長さ
は、その接触点から円柱901までの長さL1 となって
いる。When the flow velocity of the fluid 910 hitting the cylinder 901 is small, the leaf springs 902 and 903 are not bent by being pushed by the fluid 910 and are in a state shown by a solid line in FIG. 8B. At this time, the leaf springs 902 and 903 are in contact with the longest comb teeth of the piezoelectric elements 907 and 908. Therefore, leaf springs 902 and 903 vibratable length has a length L 1 from the contact point to the cylinder 901.
【0092】一方、円柱901に当たる流体910の流
速が増えると、円柱901の正面圧力が増して、円柱9
01はその流れに押されて点線で示す円柱904のよう
に移動する。これにより、板バネ902,903と圧電
素子907,908との接触点は円柱901側に移動
し、板バネ902,903が振動可能な長さはL2 と短
くなる。そのため、板バネ902,903により支持さ
れている円柱901の機械共振周波数は高くなる。On the other hand, when the flow velocity of the fluid 910 hitting the cylinder 901 increases, the front pressure of the cylinder 901 increases, and
01 moves like a cylinder 904 shown by a dotted line by being pushed by the flow. As a result, the contact points between the leaf springs 902 and 903 and the piezoelectric elements 907 and 908 move toward the column 901, and the length at which the leaf springs 902 and 903 can vibrate is reduced to L 2 . Therefore, the mechanical resonance frequency of the cylinder 901 supported by the leaf springs 902 and 903 increases.
【0093】したがって、圧電素子907,908の各
櫛歯の長さと間隔を適切に選べば、流速に比例して変化
するカルマン渦周波数に対応して、円柱901の機械共
振周波数の変化を一致させることが可能となり、流速が
変動してもロックイン状態を維持することができるよう
になる。Therefore, if the length and interval of each of the comb teeth of the piezoelectric elements 907 and 908 are appropriately selected, the change of the mechanical resonance frequency of the cylinder 901 is made to correspond to the Karman vortex frequency which changes in proportion to the flow velocity. This makes it possible to maintain the lock-in state even if the flow velocity fluctuates.
【0094】なお、発電の原理として電磁誘導と圧電現
象との両方を用いる例として、ここでは図8のような構
成を示したが、例えば図1のような構成において、スト
ッパ108の部分に圧電素子を接合するようにしても良
い。FIG. 8 shows an example in which both the electromagnetic induction and the piezoelectric phenomenon are used as the principle of power generation. However, for example, in the configuration shown in FIG. The elements may be joined.
【0095】(第7の実施形態)図9は、発電の原理と
して圧電現象を用い、振動体自体の振動長を風速に対応
して変化させることによって振動体の機械共振周波数を
可変とし、これによってロックインの範囲を広げるよう
にした一構成例を示す図である。(Seventh Embodiment) FIG. 9 shows that the mechanical resonance frequency of the vibrating body is made variable by changing the vibration length of the vibrating body itself in accordance with the wind speed using the piezoelectric phenomenon as the principle of power generation. FIG. 7 is a diagram showing an example of a configuration in which the range of lock-in is expanded by using the control shown in FIG.
【0096】図9に示すように、本実施形態において
は、円柱1001の下部を台1004に固定し、その固
定部に圧電素子1005を接合している。また、円柱1
001の上部には、V字型の溝を持った支持体1003
が設けられ、流体1009の影響を受けない通常の状態
では、円柱1001はその頭部がこの支持体1003に
接触して支持されている。この状態では、円柱1001
が振動可能な長さは、円柱1001の底部から頭部まで
の長さに相当する。As shown in FIG. 9, in the present embodiment, the lower part of a cylinder 1001 is fixed to a base 1004, and a piezoelectric element 1005 is joined to the fixed part. In addition, column 1
The support 1003 having a V-shaped groove on the top of
In a normal state not affected by the fluid 1009, the column 1001 has its head in contact with the support 1003 and is supported. In this state, the column 1001
The length that can be vibrated corresponds to the length from the bottom to the head of the cylinder 1001.
【0097】円柱1001に流体1009が当たるとカ
ルマン渦が生じ、それによって円柱1001は、流体1
009の流れに直交する方向1010に振動する。円柱
1001に振動が生じると、その伸縮応力によって圧電
素子1005の櫛歯がせん断変形する。このせん断変形
により、櫛歯表面の電極には電圧が生じ、電流を取り出
すことができる。When the fluid 1009 hits the cylinder 1001, a Karman vortex is generated, and the cylinder 1001
It vibrates in a direction 1010 orthogonal to the flow of 009. When vibration occurs in the cylinder 1001, the comb teeth of the piezoelectric element 1005 are sheared by the expansion and contraction stress. Due to this shear deformation, a voltage is generated at the electrode on the comb tooth surface, and a current can be taken out.
【0098】図10は、円柱1001の下部を台100
4に固定し、その固定部に圧電素子1005を接合した
状態を詳細に示す拡大図である。図10(a)は、円柱
1001が振動していない定常状態を示しており、圧電
素子1005には変形が加えられていない。一方、図1
0(b)は円柱1001が点線のように振動している状
態を示している。この場合は、円柱1001の曲げモー
メントが表皮応力で圧電素子1005に伝達され、圧電
素子1005はせん断応力により変形する。これによっ
て起電圧が生じ、そこから電流を取り出すことができ
る。FIG. 10 shows that the lower part of
4 is an enlarged view showing in detail a state where the piezoelectric element 1005 is fixed to the fixing portion 4 and a piezoelectric element 1005 is joined to the fixing portion. FIG. 10A shows a steady state in which the cylinder 1001 does not vibrate, and the piezoelectric element 1005 is not deformed. On the other hand, FIG.
0 (b) shows a state where the cylinder 1001 is vibrating as indicated by a dotted line. In this case, the bending moment of the cylinder 1001 is transmitted to the piezoelectric element 1005 by skin stress, and the piezoelectric element 1005 is deformed by shear stress. This produces an electromotive voltage from which current can be drawn.
【0099】また、本実施形態の円柱1001は、それ
自体が弾性を持ち、流体1001の力を受けて図9の点
線1002で示すように変形可能なように構成されてい
る。これにより、上記円柱1001に当たる流体100
9の流速が増えると、円柱1001の正面圧力が増し
て、円柱1001はその流れに押されて点線で示す円柱
1002のように変形する。Further, the column 1001 of this embodiment has elasticity itself, and is configured to be deformable by receiving the force of the fluid 1001 as shown by a dotted line 1002 in FIG. As a result, the fluid 100 hitting the cylinder 1001
When the flow velocity of 9 increases, the front pressure of the cylinder 1001 increases, and the cylinder 1001 is pushed by the flow and deforms as a cylinder 1002 indicated by a dotted line.
【0100】上記支持体1003のV字型の溝は、流体
1009の流速が増して円柱1001が点線1002の
ように変形したときに、円柱1001の支持体1003
への接触点が下に下がるようなV溝の形にしておく。こ
れにより、円柱1001が点線1002のように変形す
ると、当該接触点と円柱1001の固定端との距離が短
くなり、円柱1001の振動可能な長さが短くなる。そ
のため、円柱1001の機械共振周波数は高くなる。When the velocity of the fluid 1009 increases and the cylinder 1001 is deformed as shown by a dotted line 1002, the V-shaped groove of the support 1003
In the form of a V-groove such that the point of contact with the groove is lowered. As a result, when the cylinder 1001 is deformed as indicated by a dotted line 1002, the distance between the contact point and the fixed end of the cylinder 1001 is reduced, and the length of the cylinder 1001 that can be vibrated is reduced. Therefore, the mechanical resonance frequency of the cylinder 1001 increases.
【0101】したがって、支持体1003のV字型の溝
の大きさや角度など適切に選べば、流速に比例して変化
するカルマン渦周波数に対応して、円柱1001の機械
共振周波数の変化を一致させることが可能となり、流速
が変動してもロックイン状態を維持することができるよ
うになる。Therefore, if the size and angle of the V-shaped groove of the support 1003 are properly selected, the change in the mechanical resonance frequency of the cylinder 1001 is made to correspond to the Karman vortex frequency that changes in proportion to the flow velocity. This makes it possible to maintain the lock-in state even if the flow velocity fluctuates.
【0102】なお、上述のように、カルマン渦によって
円柱1001に励起される振動の方向は、流体1009
の流れに直交する方向1010である。そのため、円柱
1001の振動によって、円柱1001と支持体100
3との接触点が摺動し、V字溝が磨耗してしまうことが
ある。そこで、この摺動によるV字溝の磨耗を抑制する
ために、V字溝の後ろにゴムを介在させることにより、
接触点の摺動を緩和することができる。As described above, the direction of the vibration excited in the cylinder 1001 by the Karman vortex is
The direction 1010 is orthogonal to the flow. Therefore, the vibration of the column 1001 causes the column 1001 and the support 100
The point of contact with No. 3 may slide and the V-shaped groove may be worn. Therefore, in order to suppress the wear of the V-shaped groove due to this sliding, by interposing rubber behind the V-shaped groove,
Sliding of the contact point can be reduced.
【0103】(第8の実施形態)以上の第1〜第7の実
施形態は何れも、流速の変動に応じて振動体の機械共振
周波数を変化させることでこれをカルマン渦周波数に一
致させ、これによってロックインの範囲を広げるように
する例について説明してきた。第8の実施形態では、こ
れとは逆に、流速の変動に応じてカルマン渦周波数を適
当に変化させることによってロックインの範囲を広げる
ようにしている。図11は、この第8の実施形態による
振動発電装置の構成例を示す図である。(Eighth Embodiment) In any of the first to seventh embodiments described above, the mechanical resonance frequency of the vibrating body is changed in accordance with the fluctuation of the flow velocity to make it coincide with the Karman vortex frequency. The example in which the range of the lock-in is extended by this has been described. In the eighth embodiment, conversely, the lock-in range is expanded by appropriately changing the Karman vortex frequency in accordance with the fluctuation of the flow velocity. FIG. 11 is a diagram showing a configuration example of the vibration power generation device according to the eighth embodiment.
【0104】図11に示すように、本実施形態の振動発
電装置では、複数の円柱を備えた第1の柱群1201を
第1の支持板1202に搭載し、複数の円柱を備えた第
2の柱群1203を第2の支持板1204に搭載する。
そして、これら2つの支持板1202,1204をリン
ク1207で連結し、支持板1202,1204をその
端部に設けたピン1205,1206を軸として平行を
維持しながら回転可能なように構成する。それぞれの円
柱は、例えば図1に示したように構成する。As shown in FIG. 11, in the vibration power generation device of this embodiment, a first column group 1201 having a plurality of columns is mounted on a first support plate 1202, and a second column group having a plurality of columns is provided. Are mounted on the second support plate 1204.
Then, the two support plates 1202 and 1204 are connected by a link 1207, and the support plates 1202 and 1204 are configured to be rotatable around the pins 1205 and 1206 provided at the ends thereof while maintaining parallelism. Each cylinder is configured, for example, as shown in FIG.
【0105】流体1210の力が弱いときには、図12
(a)に示すように、第1の柱群1201および第2柱
群1203は、各円柱の配置が千鳥型で柱間の間隔W1
が狭くなるような角度にバネ1209により引かれてい
る。一方、流体1210が矢印で示す方向に流れ、その
流速が大きくなると、各円柱に生じる正面圧力がバネ1
209の力に勝り、第1の柱群1201および第2柱群
1203は、図12(b)に示すような正方格子位置に
移行し、柱間の間隔W2 が広くなる。When the force of the fluid 1210 is weak,
As shown in (a), the first pillar group 1201 and the second pillar group 1203 have a staggered arrangement of the respective cylinders and a spacing W 1 between the pillars.
Is pulled by the spring 1209 at such an angle as to make it narrower. On the other hand, when the fluid 1210 flows in the direction indicated by the arrow and its flow velocity increases, the front pressure generated in each cylinder is increased by the spring 1
Surpasses the force of 209, the first pillar group 1201 and the second pillar group 1203, moves in a square grid position as shown in FIG. 12 (b), the distance W 2 between the posts is wider.
【0106】上述したように、カルマン渦によって励起
される振動は、柱が1本でその太さが一定ならば流速に
比例して周波数が高くなるが、複数の柱を設けた場合に
は、柱間の間隔と位置関係によって変化するストローハ
ル数にも比例する。柱間の間隔が広いときには流速とス
トローハル数との比率は約0.2であり、千鳥型配列の
ように複数の柱が密集すると上記比率は約0.7になる
ことが機械工学便覧に示されている。As described above, the vibration excited by the Karman vortex has a higher frequency in proportion to the flow velocity if there is only one pillar and its thickness is constant. It is also proportional to the number of Strouhal, which varies depending on the spacing and positional relationship between the columns. When the distance between the columns is wide, the ratio between the flow velocity and the number of Strouhal is about 0.2, and when multiple columns are densely arranged like a staggered arrangement, the above ratio becomes about 0.7. It is shown.
【0107】したがって、本実施形態によれば、風が弱
いときにはストローハル数は大きくなり、風が強いとき
にはストローハル数は小さくなるようにすることができ
る。これにより、流速の変動に応じてカルマン渦周波数
を適切に変化させ、円柱の機械共振周波数と近似するカ
ルマン渦周波数を得ることができるようになる。なお、
風が非常に強いときにはカルマン渦によらなくても振動
は強くなるので、広い範囲で振動を励起することができ
る。Therefore, according to the present embodiment, when the wind is weak, the number of straw hulls can be increased, and when the wind is strong, the number of straw hulls can be reduced. This makes it possible to appropriately change the Karman vortex frequency in accordance with the fluctuation of the flow velocity, and to obtain a Karman vortex frequency approximating the mechanical resonance frequency of the cylinder. In addition,
When the wind is very strong, the vibration becomes strong without relying on the Karman vortex, so that the vibration can be excited in a wide range.
【0108】なお、上記図11の構成では、各柱の断面
が円形で、これらを2列に配置した場合について説明し
たが、これに限られるものではない。例えば、図13
は、各柱の断面が正方形で、これらを3列に配置した場
合の例を示している。この場合にも同様に、流速の変動
に応じて、円柱の機械共振周波数と近似するカルマン渦
周波数を得ることができ、流速が変動してもロックイン
状態を維持することができるようになる。In the structure shown in FIG. 11, the case where the cross section of each column is circular and these are arranged in two rows has been described, but the present invention is not limited to this. For example, FIG.
Shows an example in which the cross section of each column is square and these are arranged in three rows. In this case as well, a Karman vortex frequency approximating the mechanical resonance frequency of the cylinder can be obtained in accordance with the fluctuation of the flow velocity, and the lock-in state can be maintained even if the flow velocity fluctuates.
【0109】なお、上記各実施形態において示した各部
の形状および構造は、何れも本発明を実施するにあたっ
ての具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これら
によって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはな
らないものである。すなわち、本発明はその精神、また
はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実
施することができる。The shape and structure of each part shown in each of the above embodiments are merely examples of the embodiment for carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention is thereby reduced. It should not be interpreted restrictively. That is, the present invention can be embodied in various forms without departing from the spirit or main features thereof.
【0110】[0110]
【発明の効果】本発明は上述したように、回転プロペラ
を流体エネルギの受容器とする風力発電や水力発電と異
なり、振動体を流体エネルギの受容器とすることによ
り、安全でコストがかからず、かつ保守負担が少ない発
電装置を提供することができる。また、本発明は、上述
の振動体を流体エネルギの受容器とした場合に、流体の
流速が変化しても、それに合わせてカルマン渦周波数と
振動体自身が持つ機械共振周波数とを一致させる範囲を
広くすることにより、流速の変動に対応してロックイン
範囲を広げることができ、エネルギ受容効率を向上させ
ることができる。According to the present invention, as described above, unlike the wind power generation and the hydroelectric power generation in which the rotary propeller is used as a receiver for fluid energy, the use of a vibrating body as a receiver for fluid energy enables safe and cost-effective operation. It is possible to provide a power generation device that does not require much maintenance and has a low maintenance burden. Further, in the present invention, when the vibrating body is a fluid energy receiver, even if the flow velocity of the fluid changes, the range in which the Karman vortex frequency matches the mechanical resonance frequency of the vibrating body itself in accordance with the change. Is increased, the lock-in range can be expanded in response to the fluctuation of the flow velocity, and the energy receiving efficiency can be improved.
【図1】電磁誘導を用いた振動発電の原理を説明するた
めの図である。FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of vibration power generation using electromagnetic induction.
【図2】第1の実施形態による振動発電装置の構成例を
示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a vibration power generation device according to the first embodiment.
【図3】第2の実施形態による振動発電装置の構成例を
示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a vibration power generation device according to a second embodiment.
【図4】第2の実施形態による振動発電装置の変形例を
示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a modified example of the vibration power generation device according to the second embodiment.
【図5】第3の実施形態による振動発電装置の構成例を
示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of a vibration power generation device according to a third embodiment.
【図6】第4の実施形態による振動発電装置の構成例を
示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of a vibration power generation device according to a fourth embodiment.
【図7】第5の実施形態による振動発電装置の構成例を
示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of a vibration power generation device according to a fifth embodiment.
【図8】第6の実施形態による振動発電装置の構成例を
示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of a vibration power generation device according to a sixth embodiment.
【図9】第7の実施形態による振動発電装置の構成例を
示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of a vibration power generation device according to a seventh embodiment.
【図10】圧電現象を用いた振動発電の原理を説明する
ための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining the principle of vibration power generation using the piezoelectric phenomenon.
【図11】第8の実施形態による振動発電装置の構成例
を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a configuration example of a vibration power generation device according to an eighth embodiment.
【図12】第8の実施形態による柱の配置変化の例を示
す図である。FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a change in arrangement of columns according to an eighth embodiment.
【図13】第8の実施形態による柱の配置変化の他の例
を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing another example of a change in the arrangement of columns according to the eighth embodiment.
【図14】カルマン渦の説明図である。FIG. 14 is an explanatory diagram of a Karman vortex.
【図15】カルマン渦によって振動が励起される原理の
説明図である。FIG. 15 is an explanatory diagram of the principle that vibration is excited by Karman vortices.
【図16】カルマン渦周波数が多少変動してもロッキン
グの同期を維持する様子を説明する特性図である。FIG. 16 is a characteristic diagram illustrating how locking synchronization is maintained even if the Karman vortex frequency fluctuates somewhat.
201 円柱(振動体) 202,203 コイルバネ(弾性体) 204 軟磁性体 205 コイル 206 永久磁石 401 中空柱 402 固定柱 403 穴 404 永久磁石 405 軟磁性体 406 コイル 407 穴 601 円柱 602 永久磁石(可動磁石) 603 固定磁石 606 コイル 701 円柱 702 球 703 軟磁性体 705 コイル 706 永久磁石 801 円柱 802,803 薄板 804,805 コイルバネ 806,807 屈曲部材 808,809 錘 813 軟磁性体 814 コイル 815 永久磁石 901 円柱 902,903 板バネ 905,906 コイル 907,908 圧電素子 1001 円柱 1003 V字型溝を有する支持体 1005 圧電素子 1201 第1の円柱群 1203 第2の円柱群 1205,1206 ピン 1207 リンク(連結部材) 201 Cylinder (vibrating body) 202, 203 Coil spring (elastic body) 204 Soft magnetic body 205 Coil 206 Permanent magnet 401 Hollow column 402 Fixed column 403 Hole 404 Permanent magnet 405 Soft magnetic material 406 Coil 407 Hole 601 Column 602 Permanent magnet (Movable magnet) ) 603 Fixed magnet 606 Coil 701 Cylinder 702 Sphere 703 Soft magnetic body 705 Coil 706 Permanent magnet 801 Cylinder 802,803 Thin plate 804,805 Coil spring 806,807 Bending member 808,809 Weight 813 Soft magnetic body 814 Coil 890 Permanent magnet , 903 Leaf spring 905, 906 Coil 907, 908 Piezoelectric element 1001 Cylinder 1003 V-shaped grooved support 1005 Piezoelectric element 1201 First cylinder group 1203 Second cylinder group 1205, 1206 1207 link (connecting member)
Claims (4)
もとに電磁誘導あるいは圧電現象を用いて発電を行う流
体による振動発電装置であって、 上記振動体を弾性体で支持し、上記振動体に当たる上記
流体の力による変位によって上記弾性体の復元剛性を等
価的に可変とすることにより、上記振動体の機械共振周
波数を上記流体の流速に対応して変化させるようにした
ことを特徴とする流体による振動発電装置。1. A vibrating power generator using a fluid that generates power using electromagnetic induction or a piezoelectric phenomenon based on vibration excited by a vibrating body by a fluid, wherein the vibrating body is supported by an elastic body, and the vibration By making the restoring rigidity of the elastic body equivalently variable by displacement by the force of the fluid hitting the body, the mechanical resonance frequency of the vibrating body is changed corresponding to the flow velocity of the fluid. Vibration power generator using fluid.
殻構造を有し、この二重殻内の空間の少なくとも一部に
高圧気体を封入したことを特徴とする請求項1に記載の
流体による振動発電装置。2. The vibrating body according to claim 1, wherein the vibrating body has a double shell structure having a relatively low specific gravity, and high-pressure gas is sealed in at least a part of a space in the double shell. A vibration power generator using the fluid described in the above.
もとに電磁誘導あるいは圧電現象を用いて発電を行う流
体による振動発電装置であって、 上記振動体を、弾性を持って撓るように成された弦型の
部材で構成し、上記振動体の一端を固定するとともに他
端に可動磁石を設け、更に上記可動磁石の対向する位置
に同極が向かい合うように配置した固定磁石を設け、 上記振動体に当たる上記流体の力によって上記振動体を
撓ませることで上記可動磁石と上記固定磁石との距離を
変動させ、これによって上記可動磁石と上記固定磁石と
の反発力により上記振動体に与えられる張力を可変とす
ることにより、上記振動体の機械共振周波数を上記流体
の流速に対応して変化させるようにしたことを特徴とす
る流体による振動発電装置。3. A vibration power generation device using a fluid that generates power using electromagnetic induction or a piezoelectric phenomenon based on vibration excited by a fluid by a vibrating body, wherein the vibrating body is elastically bent. A vibrating body is fixed at one end and a movable magnet is provided at the other end, and a fixed magnet is provided at the opposite position of the movable magnet so that the same pole faces each other. The distance between the movable magnet and the fixed magnet is changed by flexing the vibrator by the force of the fluid impinging on the vibrator, whereby the vibrator is repelled by the movable magnet and the fixed magnet. A vibrating power generator using fluid, characterized in that the mechanical resonance frequency of the vibrating body is changed in accordance with the flow velocity of the fluid by making the applied tension variable.
もとに電磁誘導あるいは圧電現象を用いて発電を行う流
体による振動発電装置であって、 上記振動体を弾性体で支持し、上記弾性体が取り付けら
れる上記振動体の両端面を弾性的な薄板で構成するとと
もに、その両端面間に、所定の屈曲を有し中央部に錘を
備えた屈曲部材を設け、 上記振動体に当たる上記流体の力によって上記弾性体を
伸縮させることで上記振動体の両端面間の距離を変化さ
せ、これによって上記屈曲部材の屈曲度合いを変化させ
ることで上記振動体の回転振動の回転モーメントを可変
とし、これによって上記振動体の機械共振周波数を上記
流体の流速に対応して変化させるようにしたことを特徴
とする流体による振動発電装置。4. A vibration power generation device using a fluid that generates power using electromagnetic induction or a piezoelectric phenomenon based on vibration excited by a fluid by a vibration body, wherein the vibration body is supported by an elastic body, The vibrating body to which the body is attached is formed of an elastic thin plate at both end surfaces, and a bending member having a predetermined bending and having a weight at the center is provided between the both end surfaces, and the fluid hitting the vibrating body is provided. By changing the distance between both end faces of the vibrating body by expanding and contracting the elastic body by the force of the above, the rotational moment of the rotational vibration of the vibrating body is made variable by changing the degree of bending of the bending member, A vibratory power generator using fluid, wherein the mechanical resonance frequency of the vibrator is changed in accordance with the flow velocity of the fluid.
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