別紙42 信果程博士(和文))平成

機械工学専攻学籍番号第 123144 号

指導教員

櫻庭崇紘

氏名

31年

1月11日

内山直樹
早.,史、

論文内容の要旨(博士)
博士学位論文名

ぜんまいによるブレーキ回生機構の設計と制御(要旨 1,200字程度)
1.1者i言世界的な人口増加や工業化によりエネルギ需要が高まり,資源枯渇や環境問題への懸念からー層の省エネルギ技術が望まれている.省エネルギ技術のーつにエネノレギ回生があり,モータとバツテリによる回生機構がハイブリッド自動車に広く応用されているが,製造廃棄時におけるコストや環境負荷が大きく,回生率もそれほど高くないという問題がある
エネルギ貯蔵に弾陛材料を用いた機械式の回生機構に関する研究事例が存在し,従来のモータとバッテリによる回生機構と比較して高い回生率を有することが報告されている.また,バネ等のヲ単陛材料にはステンレス鋼などの鉄鋼材料が使用されるため,環境負荷やりサイクルにおいても優イ立性が高い.本研究ではエネルギ貯蔵材料・としてぜんまいを用いることに焦点を当てる
ぜんまいによるブレーキ回生機構は単純な移動装置への応用も考えられる.ガントリーロータのような加減速を繰り返す搬送装置は,自動車と比較し移動質量が大きくないため回生可能な工ネルギが相対的に小さいが,提案機構により効率的にエネルギを回収できる
本研究では,ぜんまいによるブレーキ回生機構を製作し,移動消費エネルギの低減効果を調査した.また,移動装置への応用のための制御系設計や,回生率向上のための機構改良を実施した,

2、機構設計移動装置の駆動軸は加速時と減速時に同一方向に回転するが,ぜんまいはエネルギの貯蔵時と放出時で回転方向が反対となるため,提案機構には任意のタイミングで回転方向を逆転可能な伝達機構が必要となる.本研究では電磁クラッチを用いた機構,磁力歯車を用いた機構,遊星歯車機構を用いた機構を製作し,回生率や省エネルギ効果を調査した
3.制御系設計
提案機構にはぜんまいやモータが搭載されているが,ぜんまいは常に一定トルクを出力するため移動アシストとして使用され,正確な移動制御にはモータの制御が必要となる.本研究ではー
般的なPID制御に外乱オブザーバを組み合わせた制御系を提案し,目標速度軌道への追従性能を調査した
4.結言
本研究で製作した回転逆転機構は意図した動作が確認されたが,電磁クラッチを用いた機構はブレーキ回生時において常に電力を消費するため,エネルギ回生による省エネルギ効果が相殺された.しかし,定常的な電力を消費しない機構に変更した場合,38.9%の移動消費エネルギ削減の可能性があることが確認された、歯車を用いた機構では定常的に電力を消費せずにブレーキ回生を実施可能であり,遊星歯車機構を用いた回生機構は回生率が46.6%である
PID市11御に外乱オブザーバを組み合わせた提案制御法は, PID市11御のみと比較し目標速度軌道への追従性能が28.3%向上した
本研究により高い省エネルギ効果が期待できるぜんまいによるブレーキ回生機構の実現可能性が確認されたため,ガントリーローダのような実際の搬送装置への応用が今後の課題である,

別紙41 (課程博士(英文))Date of submission (month day, year)
Department
StudentlD NumberMechanical En宮ineering
PPHcanl's name

Janualy 11,2019

D123144
Supervlsors

Takahiro sakuraba

Naokiuchiyama
Chu syou

Abstract (Doctor)
Title ofThesis

Design and contr010fa regenerative brake mechanism with a spiralsprjng

Approx.80o wm'ds
1. 1ntroduction

Energy demand has been increasing due to worldwide population growth and industrialization, andfurtl〕er energy saving techn010gies are required due to tl〕e depletion of fossil fuels and environmental
Problelns. Energy regeneration is one of approaches for energy saving, and a regenerative brakemechanism using a motor and a battery is widely applied to hybrid vehicles. However, costs andenvironmental burden are heavy in manufacturing and disposal, and the regenerative ratio is not
Sufficient.

There exist several studies on a mechanical regenerative brake mechanism using elastic materials forenergy storing.1t is reported that these 111echanisms have higher regena'ative ratio than conventional
One using a motor and a battery.1n addition, steel materials such as stainless steel are used for elastic

materials such as spring. Elastic materials have high superiority in environmental burden o"'ecycling.
This study focus on a spiral spring for energy storage.
It is considered tl)at applying a l'egenerative brake mechanism with a spiral spring to simple motion
Inachines. The moving mass oftransferring machines such as a gantry loader that repeats accelerationand deceleration is sma11 Compared with autolnobiles, therefore the regena'ated energy is relatively
SmaⅡ. However, the smaⅡ energy can be stored effectively by the proposed mechanism, which isexpected to provide a high regenerative ratio.
An experimental system that has a regenerative brake mechanisln 、¥ith a spiral spring is developed,
and the effectiveness for energy saving is investigated.1n addition, a contr011er for applying tomoving machines and a mechanical mechanism for improving a regenerative ratio are implemented.
2. Mechanicaldesign
The rotational direction of spiral spring is opposite between acceleration and deceleration although
the output shaft of m0Ⅵng machines rotates only one direction. Therefore, transmission that canreverse the rotational direction is required in the proposed mechanism. Transmission systems xvith
electromagnetic clutch, magnetic gears and planetary gear mechanisms are developed, and theregenerative ratio and effectiveness of energy saving are investigated.
3. contr0Ⅱer design

A spiral spring and a motor are insta11ed in the proposed mechanism. Because the spiral spring
Outputs constant torque, motor controlis required for accurate lnotion. A control method combined atypical plD contr011er and a disturbance observer is proposed, and its tracking perfonnance isexperimenta11y investigated.

4. conclusion

The intended motion of the proposed mechanism for reversal rotational direction is achieved.
However, electric energy is consumed in a regenerative brake for the electromagnetic clutch, and theregeneration efficiency is reduced.1f the proposed system is assumed not to consume such electricenergy, a possibility of 38.9% reduction of consun〕ed energy is confirmed. The mechanismS 圦lith
gears can ilnple111ent a regenerative brake without consuming such electric energy, and theregenerative ratio ofthe mechanism with planetary gear mechanisms is increased t046,6ツ0.
The proposed contr0Ⅱer combined a typical plD contr0Ⅱer and a disturbance observer improves
28.3% ofthe tracking performance, compared to a plD contr0Ⅱer 、vithout a disturbance observer.
hl this research, a feasibility of the regenerative brake mechanisln with a spira】 spring, which is
expected high effect of energy saving, is confir111ed, and tha'efore applying to an actualtransferring
machine such as a gantry loader is left for future work.