超磁歪アクチュエータを用いたキャビテーション発生機構における

Ａ－４
超磁歪アクチュエータを用いた
キャビテーション発生機構における
機械的特性の解析
磁気応用研究グループ
電気電子システム工学科
中村翔太郎
目次
・研究背景・目的
・キャビテーション発生機構の等価回路
・ピストン駆動時周波数特性測定
・まとめ
・今後の課題
研究背景
近年、河川などの水質汚濁が世界的に問題となっている
キャビテーションの圧力衝撃波・熱分解作用を利用した
水質浄化の研究が多くされている
高出力・高速応答を特徴とする超磁歪アクチュエータを
用いたキャビテーション発生機構を提案し，微生物に
よって汚濁した河川などのバイオ環境の浄化を目指す
研究背景
キャビテーション現象
液体を微小時間内に断熱膨張・圧縮させると，無数の小さな泡が
発生・崩壊する現象
気泡（キャビテー）崩壊時に微小空間に大きな熱・圧力衝撃波
液体
沸騰
P
圧力
薬品を使用しない
固体
Pv
気体
キャビテーション
温
度
水の状態図のモデル
生態系への影響なく水質汚濁
の原因である微生物を滅菌・不
活性化できる可能性
研究背景
超磁歪アクチュエータ
超磁歪アクチュエータは超磁歪素子Terfenol-Dの伸縮によって変位を得る装置
項目
パラメータ
超磁歪素子
Terfenol-D
励磁コイルの巻数
1200 turn
定格起磁力
6,000 AT
最大磁気歪量
120 mm
発生応力
8,300 N
超磁歪アクチュエータ
・キャビテーション発生条件
Pv  P  0
Pv：水の蒸気圧，P：外圧
3142hPa  0
キャビテーションを発生させるのに
十分な発生応力（減圧能）がある
研究目的
＜現在＞
キャビテーション発生機構を用い，2種類の微生物を滅菌・不活
性化することが明らかとなっている
駆動周波数を上げればキャビテーションによる効果は増大するが，
励磁コイルのインダクタクスが増大し電源電圧が不足
共振状態で駆動させピストンの振幅・力積を大きくし，水に印加する
圧力変化を大きくすることでキャビテーションによる効果上昇を図る
ピストン駆動時の共振周波数（348Hz）が駆動可能周波数より高い
ため，共振周波数を駆動可能周波数（240Hz）付近まで下げること
を目指した
キャビテーション発生機構の等価回路
質量負荷（エネルギー損失にならない）
スペースの関係上2.0kg
の質量負荷が最大
キャビテーション発生機構の全体図および等価回路
キャビテーション発生機構の等価回路
ピストン（3.8kg）＋2kg
3dB
ピストン（3.8kg）
1
2
3
4
5
6 7
8 9 10 (102)
120Hz
-90
1
2
3
4
5
6 7
8 9 10 (102)
等価回路解析におけるピストンの振幅と位相の周波数特性比較
共振周波数が約120Hz減少し、振幅が約3dB増加
ピストン駆動時周波数特性測定
0.5A（実5A）
Magnitude
Magnitude(dB)
(dB)
駆動電流：
20
20
ピストン（3.8kg）
ピストン（3.8kg）
ピストン＋質量負
荷
（3.8kg）
（2.0kg）
00
-20
-20
ピストン＋質量負荷
実条件に当て
（3.8kg）
（2.0kg）
はめた計算値
-40 2
-40
2
10
11
10
10dB
20Hz
8 9 10
1033 (1022)
2
44
3
Frequency (Hz)
5
6
7
2
4
3
Frequency (Hz)
5
6
(1022))
103 (10
10
77 88 99 10
Angle (Deg.)
00
-100
-100
-90
-200
-200
-300
-300 22
11
10
10
-270
ピストンの振幅と電流に対する位相の周波数特性比較（実験）
共振周波数が約20Hz減少し、振幅が約10dB減少
まとめ
キャビテーション発生機構のピストン駆動時における共振周波数
（348Hz）を240Hz付近まで下げることを目指した
・等価回路を作成し，ピストンの質量を2kg増加させてシミュレー
ションを行った結果，120Hzの共振周波数の減少と3dBの振幅
の増加という結果であった
・ピストンに2kgの質量負荷を接着して測定を行ったところ20Hz
の共振周波数の減少と10dBの振幅の減少が得られた
・ピストンの質量を増加させる方法では共振周波数を目標値
（240Hz付近）まで下げるのは困難
・ピストンの質量を変えない場合において，350Hzまでのピストン
駆動時の振幅の周波数特性を計算できた
今後の課題
・キャビテーション発生機構の等価回路の改善
近似条件を見直し計算値と測定値を近づける
・励磁コイルの巻き数を減らす
励磁コイルのインダクタンスを減らすことで駆動電圧を減少
させ，より高周波での駆動を目指す
ご静聴ありがとうございました

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