(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的な振動を電磁アクチュエータによって電力に変換せしめるとともに、該電力を二次電池等からなる回生回路に蓄積するようにしたエネルギー回生方法において、前記電磁アクチュエータと回生回路との間に電気的なインダクタンスと短時間にオン、オフを繰り返すスイッチング素子とにより構成される昇圧チョッパを介設し、前記電磁アクチュエータの振動速度が０から所定値に達するまでは、前記スイッチング素子によるオン・オフの比率を０から１まで振動速度に比例して変化させることを特徴とする昇圧チョッパを利用したエネルギー回生方法。
【請求項２】
前記昇圧チョッパは、スイッチング素子がオンの間にインダクタンス内に電磁エネルギーを蓄積し、スイッチング素子をオフの間に該エネルギーを二次電池等からなる回生回路に蓄積することを特徴とする請求項１に記載の昇圧チョッパを利用したエネルギー回生方法。
【請求項３】
機械的な振動を電力に変換せしめる電磁アクチュエータと、該電磁アクチュエータによって発生した電力を蓄積する二次電池等からなる回生回路と、これら電磁アクチュエータと回生回路との間に介設され電気的なインダクタンスと短時間にオン、オフを繰り返すスイッチング素子とから構成される昇圧チョッパとを備え、前記昇圧チョッパは前記電磁アクチュエータの振動速度が０から所定値に達するまでは、前記スイッチング素子によるオン・オフの比率が０から１まで振動速度に比例して変化するように構成したことを特徴とする昇圧チョッパを利用したエネルギー回生装置。
【請求項４】
前記電磁アクチュエータを、リレー方式により切り換えて振動制御することも可能にしたアクティブダンパを構成することを特徴とする請求項４または５に記載の昇圧チョッパを利用したエネルギー回生装置。
【請求項５】
前記回生回路を電磁アクチュエータにより発生した電流のいずれの方向でも充電可能な倍電圧充電回路としたことを特徴とする請求項３または４に記載の昇圧チョッパを利用したエネルギー回生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、様々な理由で振動が引き起こされている系において、機械的な振動を電磁アクチュエータによって電力に変換せしめるとともに、該電力を二次電池等からなる回生回路に蓄積するようにしたエネルギー回生方法およびその装置にに関する。
【０００２】
【従来の技術】
機械の振動を低減する目的で、アクティブ制振法が盛んに行われているが、このようなアクティブに振動を制御するためには外部から大きなエネルギーを供給する必要があって、そのエネルギー問題は、制振性能を上げようとすればするほど深刻になってくる。一方、振動そのものはエネルギーなので、直動ＤＣモータ等により減衰を付与しながら、機械的な振動のエネルギーを電気エネルギーに変換して、二次電池等のバッテリーへと蓄積回生するところのエネルギー回生ダンパが本願発明者らによって提案されている。
図１２によって前記エネルギー回生ダンパを説明すると、図１２（Ａ）に示すように、電磁アクチュエータを構成する直動ＤＣモータ２１と、コンデンサＣ２１、Ｃ２２等からなる二次電池およびダイオードＤ２１、Ｄ２２等からなる整流器により構成された倍電圧充電回路とが接続されてエネルギー回生ダンパとして用いられるもので、これにより、機械的な振動エネルギーはモータであると同時に発電機でもある電磁アクチュエータによって電気エネルギーへと変換され、電圧ｅｂのコンデンサＣ２１、Ｃ２２に蓄積回生される。アクチュエータ係数をΨと置くと、力と電流、電圧と電磁アクチュエータの振動速度との関係は次のようになる。
ｆｄ＝Ψｉ          ｅ＝Ψｖ                      （１）
【０００３】
振動によって、電磁アクチュエータが速度ｖで動かされ、ｅの電圧を発生し、発生電圧ｅがコンデンサ電圧ｅｂより高い（絶対値ｖ＞ｅＦｂ／Ψ：ｅＦｂは所定の電圧）とき、電流ｉがコンデンサへと流れ、電磁アクチュエータ２１は
ｆｄ＝Ψｉ＝Ψ（Ψｖ±ｅＦｂ）／Ｒ                （２）
の減衰力を発生する。図１２（Ｂ）の実線にて示す関係が成り立つ。ここでＲは全電気抵抗である。なお、電気抵抗Ｒ’のみを電磁アクチュエータに接続した場合は
ｉ＝Ψｖ／Ｒ’
の電流が流れ電磁アクチュエータ２１が発生する減衰力は
ｆｄ＝Ψｉ＝Ψ２  ｖ／Ｒ’                                                    （３）
となる。この特性は図１２（Ｂ）の点線に示される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなアクチュエータの端子をエネルギー回生回路である充電回路に直接接続するものでは、電磁アクチュエータによる発生電圧ｅがコンデンサ等の二次電池電圧ｅｂよりも低い場合、すなわち振動速度が低過ぎて充分な電力を発生しない場合には、エネルギー回生ダンパとしての機能を発揮することができないこととなった。つまり制振が不可能となる虞れが生じた。図１２（Ｂ）で見ると、コンデンサ等の二次電池電圧ｅｂに応じた所定の値−ｅＦｂ／Ψ＜ｖ＜ｅＦｂ／Ψの範囲内に電磁アクチュエータの振動速度ｖが有る場合は、この領域が不感帯となり、減衰力ｆを発生させることができないものとなった。
したがって、このような特性の回生ダンパをそのまま用いると、振動の小さな応答でエネルギー回収が困難となり、減衰効果を悪化させ、非線形特性による高周波ノイズを発生させる虞れも生じた。
【０００５】
図１２のエネルギー回収ダンパの周波数応答を計算すると、図１３のような応答が描かれる。図１３（Ａ）中の右下がりの一点鎖線の直線は、これより下では振動が不感帯の中で、制振効果が得られない領域であることを示している。系に正弦波状の外力を加えた場合の、変位応答の基本波成分の応答が実線で示されている。
予想したように、応答の小さな場合（ａ）は大きな共振が現れる。点線は参考のために示した等価な線形減衰を取り付けた応答である。
また、図１３（Ｂ）は回生エネルギー量を示しており、減衰力が得られない領域ではエネルギーも回生できないことを示している。
【０００６】
そこで、本発明では、前記従来のエネルギー回生ダンパの諸課題を解決して、小さな振動応答の共振特性を改善し、起電力が小さくても充電を行えるようにして、充電効率と制振効率を向上させることを可能にした昇圧チョッパを利用したエネルギー回生方法およびその装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
機械的な振動を電磁アクチュエータによって電力に変換せしめるとともに、該電力を二次電池等からなる回生回路に蓄積するようにしたエネルギー回生方法において、前記電磁アクチュエータと回生回路との間に電気的なインダクタンスと短時間にオン、オフを繰り返すスイッチング素子とにより構成される昇圧チョッパを介設し、前記電磁アクチュエータの振動速度が０から所定値に達するまでは、前記スイッチング素子によるオン・オフの比率を０から１まで振動速度に比例して変化させることを特徴とする昇圧チョッパを利用したエネルギー回生方法である。
また、前記昇圧チョッパは、スイッチング素子がオンの間にインダクタンス内に電磁エネルギーを蓄積し、スイッチング素子をオフの間に該エネルギーを二次電池等からなる回生回路に蓄積することを特徴とする昇圧チョッパを利用したエネルギー回生方法である。  また、機械的な振動を電力に変換せしめる電磁アクチュエータと、該電磁アクチュエータによって発生した電力を蓄積する二次電池等からなる回生回路と、これら電磁アクチュエータと回生回路との間に介設され電気的なインダクタンスと短時間にオン、オフを繰り返すスイッチング素子とから構成される昇圧チョッパとを備え、前記昇圧チョッパは前記電磁アクチュエータの振動速度が０から所定値に達するまでは、前記スイッチング素子によるオン・オフの比率が０から１まで振動速度に比例して変化するように構成したことを特徴とする昇圧チョッパを利用したエネルギー回生装置である。
また、前記電磁アクチュエータを、リレー方式により切り換えて振動制御することも可能にしたアクティブダンパを構成することを特徴とする昇圧チョッパを利用したエネルギー回生装置である。
また、前記回生回路を電磁アクチュエータにより発生した電流のいずれの方向でも充電可能な倍電圧充電回路としたことを特徴とする昇圧チョッパを利用したエネルギー回生装置である。
【０００８】
【実施の形態】
以下、本発明におけるエネルギー回収方法およびその装置の１実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１（Ａ）および図１（Ｂ）は本発明における昇圧チョッパを利用したエネルギー回収方法およびその装置の全体概略図、およびモータを兼用する直動発電機を構成する電磁アクチュエータの具体例概略図である。
振動を起こす系は質量とばねから構成され、様々な入力によって振動が引き起こされる。このような振動系を制振しようとする場合、固定面が使える制振系や可動質量を使う動吸振器あるいは振動を絶縁するサスペンション等が考えられ、さらに、アクティブ制振が適用されてきた。図１のものは、固定面の使える代表的な構成例で、図１（Ｂ）に示すように、振動を起こす質量Ｍを有する質量４と定数Ｋを有するばね５に対して、制振アクチュエータである電磁アクチュエータ１がばね５と並列に介設できる場合である。（あるいはこのような構成を採用することが不可能で、付加質量ｍと付加ばねｋとで機械的な共振を作り、そこにアクチュエータを介設するアクティブマスダンパと称される構成もある。さらに振動絶縁系ではサスペンションやエンジンマウントのような場合も考えられる。）制振アクチュエータである電磁アクチュエータ１は、固定面に設置された磁極６と、該磁極６のＮ極とＳ極との間に移動自在に挿入される質量４と一体のコイル７とから構成され、振動系は、ばね５と質量４と一体にて振動するコイル７と磁極６との間に発生する起電力（電圧ｅ）によって消費されるエネルギーにより減衰されることになる。
【０００９】
図１（Ａ）に示すように、本発明のエネルギー回収方法では、機械的な振動を電磁アクチュエータ１によって電力に変換せしめるとともに、該電力を二次電池等からなる回生回路２に蓄積するようにしたエネルギー回生方法において、前記電磁アクチュエータ１と回生回路２との間に昇圧チョッパ３を介設したことを特徴とするものである。前記電力を蓄積する回生回路２を構成する二次電池としては第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２が採用され、電磁アクチュエータ１の振動により発生する交流電流をそれぞれ整流して、前記第１および第２の各コンデンサＣ１およびＣ２に電力を充電することができるように、整流方向を互いに逆にした第１および第２ダイオードＤ１、Ｄ２が介設されて倍電圧充電回路を構成する。
昇圧チョッパ３は、電気的なインダクタンスＬと短時間にオン、オフを繰り返すスイッチング素子Ｓとにより構成される。
【００１０】
図２および図３は、このように構成されたエネルギー回収装置としてのダンパの充電状態を説明するもので、昇圧チョッパ３を設置したことによって、電圧の低い場合の充電特性を改善して効率を向上させることができる。
電磁アクチュエータ１により発生した起電力ｅがコンデンサ等の二次電池の電圧ｅｂより小さい場合、通常の回路では充電することができないが、本発明のものでは、図２の状態に示すように、短時間にオン、オフを繰り返すスイッチング素子Ｓがオンの間に、速度ｖの機械的振動によって発生した電磁アクチュエータ１からの起電力ｅ（正の場合を示す。）により、電流ｉは矢印のように流れてインダクタンスＬに
ＷＬ＝Ｌｉ２  ／２                                  （４）
なる電磁エネルギーが蓄えられる。
次いで、図３の状態に示すように、スイッチング素子Ｓがオフとなると、インダクタンスＬの電流は流れ続けようとする性質があるため、整流器であるダイオードＤ１を介してより高いコンデンサＣ１の蓄電池電圧ｅｂへ充電することができる。
図４は、前記インダクタンスＬに加わる電圧ｅＬと電流ｉの波形を示し、区間ａはスイッチング素子Ｓがオンのとき、区間ｂはスイッチング素子Ｓがオフのときである。スイッチング素子Ｓがオフとなる度にｅ−ｅｂの電圧電力が放出されて充電に供される。
【００１１】
図５は、本発明により提案された昇圧チョッパを利用した装置であるエネルギー回生ダンパに、リレー方式のアクティブ振動制御を併用したエネルギー回生・アクティブダンパの例で、コントローラ９によりリレーＳ２を切り換えることにより、加振・制振部７に電磁アクチュエータ１によるエネルギー回生動作と、パワーアンプ８からの電力によるアクティブ振動制御とを行わせるものである。
昇圧チョッパにおけるスイッチング素子Ｓ１は高速で切り換えることのできるＭＯＳ−ＦＥＴ（金属酸化膜半導体を基本とした電界効果型トランジスタ）を示し、スイッチング素子Ｓ１の具体例が図６に示されている。図６の図面左側の電圧０．５Ｖは電磁アクチュエータから発生する電圧を示し、図面右側のコンデンサＣ１等の二次電池の電圧１．２Ｖよりも低いにもかかわらず、充電が可能となっている。
図５の符号１０はディジタル波形記録装置で、発生電圧状態が記録される。
【００１２】
図７は、前記図６の装置により実験を行った結果の回路内の電流波形を示すもので、これにより、ダンパ（電磁アクチュエータ）から発生する電圧０．５Ｖは、コンデンサＣ１等の二次電池の電圧１．２Ｖよりも低いにもかかわらず、図７（Ａ）の電流のようにインダクタンスに蓄えられた充電電流（１）が、図７（Ｂ）の波形のように昇圧チョッパ内を流れて二次電池へと充電される様子が理解される。
図８は、昇圧チョッパの介設の有無によるダンパの減衰特性の実測データを示すもので、白丸が回生回路のみのデータ、黒丸が昇圧チョッパを介設した回生回路のデータを表している。
昇圧チョッパを介設した場合は、電磁アクチュエータの振動速度がより低い速度から減衰力が発生していることが理解される。この実験では、昇圧チョッパなしでもある程度の減衰力が得られるように二次電池の電圧を１．２Ｖと低い電圧で実験した。本来は回生電圧を使い易いように数ボルトにすべきであり、昇圧チョッパの威力はさらに大きくなることは明らかである。
【００１３】
通常の昇圧チョッパはオン・オフを等しい間隔で繰り返して使用されるが、減衰力をなるべく低い速度から得るために、好ましくはＰＷＭ方式の昇圧チョッパを提案する。
これは、前記電磁アクチュエータ１の振動速度が０から所定値に達するまで、すなわち、０＜絶対値ｖ＜２ｅＦｂ／Ψの間は、前記スイッチング素子Ｓによるオン・オフの比率を０から１まで振動速度に比例して変化させることを特徴とするものである。そして、絶対値ｖ＞２ｅＦｂ／Ψに至れば、スイッチング素子Ｓをオフにしておけばよい。
図９に、シミュレーションで得られた力と速度の関係式を示す。図の実線において、回生に最低限必要な電圧を
ｅｓ＝αｅＦｂ                                    （５）
とおく。ここでαは不感帯速度の減少率となる。またシミュレーションにより、ｅｂ＝１．２Ｖ、３．６Ｖの場合、ｅｓとαは次のように求められる。
0003558914.tif 000002
【００１４】
このことにより、昇圧チョッパを介設したエネルギー回生ダンパが発生する減衰力は
0003558914.tif 000003
となる。以上の結果を用い、Ｃ言語にて数値シミュレーションを行った周波数応答を図１０に示す。図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）のいずれも、上の図は振幅応答を示し、下の図は回生エネルギーを示している。これらの図によって、外力が大きいとき、特にＦ０＝３０（Ｎ）の場合、過減衰となっているが、Ｆ０＝１（Ｎ）の応答を見ると昇圧されることにより、共振が小さくなっているのが理解される。
【００１５】
図１１は、図６の装置による別の実験データを示す図で、減衰力をなるべく低い速度から得るために、回路にＰＷＭ方式の昇圧チョッパを介設して行ったものである。これは、前記電磁アクチュエータ１の振動速度が０から所定値に達するまで、すなわち、０＜絶対値ｖ＜２ｅＦｂ／Ψの間は、前記スイッチング素子Ｓによるオン・オフの比率を０から１まで振動速度に比例して変化させた。
この結果、図１１（Ａ）の黒丸のプロットのようになり、さらに速度に対してより線形的なエネルギー回生ダンパを構成することが可能なことが理解される。そのときの、振幅応答および回生エネルギーを図１１（Ｂ）（Ｃ）にそれぞれ示す。
【００１６】
このように、昇圧チョッパ回生回路を採用することによって、二次電池等のバッテリー電圧ｅｂより低い発生電圧であっても、これを昇圧させることで機械的エネルギーを有効に電気的なエネルギーとして回生することが可能であることが確認できた。バッテリ電圧３．６Ｖ、１．２Ｖにおいてエネルギー回生ダンパの不感帯速度をそれぞれ５８％、３８、４％減少させることができた。
【００１７】
以上、本発明の１実施の形態について説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、電磁アクチュエータの形状および形式、充電回路である回生回路の形状および形式、二次電池の形式、昇圧チョッパを構成するインダクタンスおよびスイッチング素子の形状および形式ならびにそれらの配線形態、アクティブダンパとしての形状および形式等については適宜に選定することができる。
【００１８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明では、機械的な振動を電磁アクチュエータによって電力に変換せしめるとともに、該電力を二次電池等からなる回生回路に蓄積するようにしたエネルギー回生方法において、前記電磁アクチュエータと回生回路との間に昇圧チョッパを介設するように構成したので、機械的に充分な振動速度が得られずに電磁アクチュエータにより発生した電圧が回生回路における二次電池の電圧より低い場合であっても、これを昇圧させて前記回生回路への電力の蓄積回生が可能となった。
したがって、従来の昇圧チョッパを介設しないエネルギー回生方法のもののように、応答の小さな領域で大きな共振が現れて、減衰力が得られずにエネルギーも回生できない状態に陥ることもないので、従来のものに比較して振動速度の不感帯領域を減少させ、格段に充電特性を改善させて制振効率を向上させることができた。
【００１９】
また、前記昇圧チョッパは、電気的なインダクタンスと短時間にオン、オフを繰り返すスイッチング素子とにより構成され、スイッチング素子がオンの間にインダクタンス内に電磁エネルギーを蓄積し、スイッチング素子をオフの間に該エネルギーを二次電池等からなる回生回路に蓄積するように構成したので、低い発生電圧であっても、確実かつ迅速に回生回路における二次電池への電力の蓄積回生が可能となる他、電磁アクチュエータの振動速度が０から所定値に達するまでは、前記スイッチング素子によるオン・オフの比率を０から１まで振動速度に比例して変化させるように制御することも可能として、減衰力をより低い速度から得ることができることとなった。
【００２０】
さらに、前記電磁アクチュエータを、リレー方式により切り換えて振動制御することも可能にしたアクティブダンパを構成した場合は、加振装置による振動に伴って発生するエネルギーをも有効に電気的エネルギーとして回生することをも可能とした。
さらにまた、前記回生回路を電磁アクチュエータにより発生した電流のいずれの方向でも充電可能な倍電圧充電回路とした場合は、機械的なエネルギーの回収部である電磁アクチュエータにて発生した双方向の電気的エネルギー（交流）をいずれも確実に回生することができて、より回生効率を高めることができる。
かくして、本発明によれば、小さな振動応答の共振特性を改善し、起電力が小さくても充電を行えるようにして、充電効率と制振効率を向上させることを可能にした昇圧チョッパを利用したエネルギー回生方法およびその装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における昇圧チョッパを利用したエネルギー回収方法およびその装置の全体概略図および電磁アクチュエータの具体例概略図である。
【図２】本発明のエネルギー回収装置の充電状態を説明するもので、スイッチング素子のオン状態を示す図である。
【図３】本発明のエネルギー回収装置の充電状態を説明するもので、スイッチング素子のオフ状態を示す図である。
【図４】本発明のエネルギー回収装置のインダクタンスに加わる電圧と電流の波形を示す図である。
【図５】本発明により提案された昇圧チョッパを利用したエネルギー回生・アクティブダンパの例を示す全体概略図である。
【図６】スイッチング素子の具体例を示す本発明のエネルギー回収装置の回路図である。
【図７】図６の装置により実験を行った結果の回路内の電流波形を示す図である。
【図８】図６の装置により実験を行った結果の昇圧チョッパの介設の有無によるダンパの減衰特性の実測データを示す図である。
【図９】図６の装置によりシミュレーションで得られた力と速度の関係式を示す図である。
【図１０】図６の装置により数値シミュレーションを行った周波数応答図である。
【図１１】図６の装置による別の実験データを示す図である。
【図１２】本発明の背景となったエネルギー回収方法およびその装置の全体概略図および力と速度の関係式を示す図である。
【図１３】図１２の装置により数値シミュレーションを行った周波数応答図である。
【符号の説明】
１      電磁アクチュエータ（制振アクチュエータ）
２      回生回路（充電回路）
３      昇圧チョッパ
４      質量
５      ばね
６      磁極
７      加振・制振部
８      パワーアンプ
９      コントローラ
１０      ディジタル波形記録装置
Ｃ１      第１コンデンサ（二次電池）
Ｃ２      第２コンデンサ（二次電池）
Ｄ１      第１ダイオード（整流器）
Ｄ２      第２ダイオード（整流器）
Ｌ      インダクタンス
Ｓ      スイッチング素子
Ｓ１      スイッチ
Ｓ２      リレー
【図１】
0003558914.tif 000004
【図２】
0003558914.tif 000005
【図３】
0003558914.tif 000006
【図４】
0003558914.tif 000007
【図５】
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【図６】
0003558914.tif 000009
【図７】
0003558914.tif 000010
【図８】
0003558914.tif 000011
【図９】
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【図１０】
0003558914.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003558914.tif 000016