論文 / 著書情報
Article / Book Information
題目(和文)
Title(English)

Design and Development of Vibration Energy Harvesters using TunedMass Systems for Bridge Structures

著者(和文)

竹谷晃一

Author(English)

Kouichi Takeya

出典(和文)

学位:博士(工学),学位授与機関:東京工業大学,
報告番号:甲第10481号,
授与年月日:2017年3月26日,
学位の種別:課程博士,
審査員:佐々木 栄一,廣瀬 壮一,WIJEYEWICKREMA ANIL,北詰 昌樹,岩波 光保,小林 裕介

Citation(English)

Degree:Doctor (Engineering),
Conferring organization: Tokyo Institute of Technology,
Report number:甲第10481号,
Conferred date:2017/3/26,
Degree Type:Course doctor,Examiner:,,,,,

学位種別(和文)

博士論文

Category(English)

Doctoral Thesis

種別(和文)

論文要旨

Type(English)

Summary

Powered by T2R2 (Tokyo Institute Research Repository)

（博士課程）Doctoral Program論 文 要 旨ＴＨＥＳＩＳ ＳＵＭＭＡＲＹ

専攻：
Department of

学生氏名：
Student’s Name

土木工学専攻竹谷 晃一

申請学位（専攻分野）： 博士
Academic Degree Requested

指導教員（主）：Academic Advisor(main)

Doctor of（工学 ）佐々木 栄一

指導教員（副）：Academic Advisor(sub)要旨（和文 2000 字程度）
Thesis Summary （approx.2000 Japanese Characters ）本論文は，「Design and Development of Vibration Energy Harvesters using Tuned-Mass Systems for Bridge
Structures（橋梁構造物を対象とした同調質量システムを用いた振動発電デバイスの設計と開発）」と題し，英文により全 7 章からなる．
第 1 章「Introduction（序論）」では，本研究の背景，目的，既往の研究について述べ，本論文の構成について述べている．近年，橋梁構造物の効率的なマネジメント方法の確立を目指して，センサ等を用いた継続的なモニタリングシステムの適用が注目されているが，その運用には継続的な電源確保が課題である．本研究では，その解決策のひとつとして，これまで困難とされた橋梁振動を利用した環境発電技術の確立を目指し，橋梁振動の特徴に対応した効率的な環境振動発電デバイスを開発し，長期運用可能な発電システムを実現することを目的とすることを示している．
第 2 章「Investigation on Characteristics of Electro-Mechanical Systems（電気機械システムの特性評価）」
では，低い卓越振動数が特徴である橋梁構造物の振動エネルギーから効率的に発電するため，最適な構造形式として同調質量システムに着目し，従来の単質点系と付加質量を２つ有する二質点系を対象として，振動論的立場から発電性能について比較検討を行っている．検討の結果，二質点系は一質点系に比べより高い環境発電性能を有することを明らかにし，本研究で開発する同調質量発電デバイス（Tuned-Mass Generator: TMG）の構造形式として適することを示している．また，TMG の発電装置部の特徴として，外部抵抗を変化させるだけで減衰性能が容易に調整可能であることを示している．
第 3 章「Proposal of Tuning Design Method（パラメータ設計法の提案）」では，橋梁構造物の卓越振動数の微変動および非定常的な振動特性を考慮し，TMG の機械的特性と発電に起因する電磁気的特性を考慮した数値解析によるパラメータ設計手法について検討している．検討の結果から，発電レベルに加え，発電対象となる振動数範囲も併せて目的関数として導入することで，発電特性の周波数変動に対するロバスト性を確保するとともに高効率発電を実現するパラメータ設計方法を提案している．
第 4 章「Trial Applications of TMG to an Actual Bridge（TMG の実橋梁への適用の試み）」では，TMGのプロトタイプを開発し，実橋梁を対象とした現場適用実験を行うことにより，TMG の実橋梁への適用方法を示すとともに，実際の振動条件下での TMG の発電性能を検証している．検証の結果，これまで困難であった高効率の発電が可能であることを確認するとともに，より小さい振幅の振動に対しても効率的に発電する機構とすることで，TMG の性能を向上できる可能性があることを示している．
第 5 章「Efficiency Enhancement of Power Generators for Energy Harvesting（振動発電を目的とした発電装置の効率化の検討）」では，様々な交通荷重による振幅の異なる振動に対して効率的に発電可能なTMG 発電装置部の構造形式を明らかとするため，有限要素解析により検討している．検討の結果，比較的大きい振動振幅に対する発電性能の安定性と，微小振動に対する発電性能の向上を同時に実現する発電装置の構造形式及びパラメータ決定法を示すとともに，得られた知見に基づいて，より高い発電効率を有する TMG の開発を行っている．
第 6 章「Proposal of Uses of the Developed Energy Harvesting System（開発した環境振動発電システムの活用方法の提案）」では，開発した TMG を用いた橋梁振動発電及び蓄電技術の活用方法として，具体的に橋梁構造物のモニタリングシステムへの運用を提示し，実験により実現性を確認している．
第 7 章「Conclusions（結論）」では，本研究の成果を総括して結論及び今後の課題を示している．
備考：論文要旨は、和文 2000 字と英文 300 語を 1 部ずつ提出するか、もしくは英文 800 語を 1 部提出してください。
Note : Thesis Summary should be submitted in either a copy of 2000 Japanese Characters and 300 Words (Engｌish) or 1copy of 800
Words (English).
注意：論文要旨は、東工大リサーチリポジトリ（T2R2）にてインターネット公表されますので、公表可能な範囲の内容で作成してください。
Attention: Thesis Summary will be published on Tokyo Tech Research Repository

Website (T2R2).

（博士課程）Doctoral Program論 文 要 旨ＴＨＥＳＩＳ ＳＵＭＭＡＲＹ専攻：
Department of

土木工学

学生氏名：
Student’s Name

竹谷 晃一

専攻

申請学位（専攻分野）： 博士
Academic Degree Requested

Doctor of

指導教員（主）：Academic Advisor(main)（工学 ）佐々木 栄一

指導教員（副）：Academic Advisor(sub)要旨（英文 300 語程度）
Thesis Summary （approx.300 English Words ）This paper is entitled "Design and Development of Vibration Energy Harvesters using Tuned-Mass
Systems for Bridge Structures" and consisted of seven chapters.
In Chapter 1 "Introduction" the background, relative researches, purpose and objectives are described.
Nowadays, the application of continuous monitoring systems has attracted attention, however, due to thecritical problem of continuous power supply required for monitoring, effective maintenance management
has yet to be achieved. In this research, as one of the solutions, establishment of energy harvesting frombridge vibrations is aimed and a power generator using tuned mass systems was developed.
In Chapter 2 "Investigation on Characteristics of Electro-Mechanical Systems", electro-mechanicalcharacteristics of a Tuned Mass Generator (TMG) were investigated. As a result, advantages of dual-masssystems over single-mass systems were evaluated for power generation from vibrations of bridgestructures.
In Chapter 3 "Proposal of Tuning Design Method", a multi-physics parameter design method has beendeveloped to tune TMG. Results from parametric studies show that TMG requires a robustness for unsteadybridge vibrations, accuracy of assembling TMG and tuning errors.
In Chapter 4 "Trial Applications of TMG to an Actual Bridge", a prototype TMG was developed and an
application procedure were considered. According to the experiments on an actual expressway bridge,
TMG can generate electric power efficiently, which has been difficult so far. In addition, a potential of theefficiency enhancement of power generators was revealed.
In Chapter 5 "Efficiency Enhancement of Power Generators for Energy Harvesting", a structural design ofpower generators has been considered for applying TMG to constructively use vibrations of bridgestructures. As a result of finite element analysis, an effective structural design of a power generator has
been proposed.
In Chapter 6 "Proposal of Uses of the Developed Energy Harvesting System", the performance ofharvesting energy was demonstrated from experiments on the existing bridge. In addition, it was attempted
to supply the harvested electric energy to a monitoring system of a bridge structure.
In Chapter 7 "Conclusions", the results of each chapter are summarized. Recommendations for an efficientenergy harvesting system and practical use of the developed TMG are proposed.
備考 : 論文要旨は、和文 2000 字と英文 300 語を 1 部ずつ提出するか、もしくは英文 800 語を 1 部提出してください。
Note : Thesis Summary should be submitted in either a copy of 2000 Japanese Characters and 300 Words (Engｌish) or 1copy of 800
Words (English).
注意：論文要旨は、東工大リサーチリポジトリ（T2R2）にてインターネット公表されますので、公表可能な範囲の内容で作成してください。
Attention: Thesis Summary will be published on Tokyo Tech Research Repository

Website (T2R2).