This paper describes a waste-heat recovery and power-generation system based on a thermo-electric module (TEM) for a water-cooled diesel engine using a carbon-neutral fuel such as biodiesel. The system integrates a heat exchanger for the engine exhaust gas, a TEM and a power-conversion circuit using maximum power point tracking control and a DC-DC converter. The power generated by the system was used to charge a 12 V lead-acid battery. The results indicated that during continuous engine operation, the TEM voltage decreased almost linearly with increasing output current. Simultaneously, as the current increased, the temperature difference between opposing surfaces of the TEM decreased due to the Peltier effect. Consequently, the maximum electric power output from the TEM during power generation was about 60 to 70% of that calculated based on the measured open-circuit voltage. Regardless of the engine operating conditions, the battery was steadily charged because the TEM output power was maintained at a maximum by the control circuit. An evaluation of the circuit performance during power generation showed that the power utilization efficiency, i.e., the ratio of the circuit input power to the maximum output power of the TEM, was around 88 %. In addition, the power conversion efficiency, i.e., the ratio of the circuit output power to the input power, was about 91%. When considering the internal resistance of the conductor wire in P_uti, these values are similar to those previously determined using a DC power supply to simulate the TEM output power.

This study reports a stability analysis method based on the monodromy matrix for switched dynamical systems. First, we focus on nonlinear autonomous interrupted systems. In the electrical field, for example, most circuit equations are described in the form of a linear ordinary differential equation. However, with the growth of clean energy power generation devices, the nonlinear term appears in the circuit equation as represented by the photovoltaic module. From this point of view, we discuss a stability analysis method based on the monodromy matrix for nonlinear interrupted systems. Second, we consider impacting systems with a periodic threshold. The previous stability analysis method based on the monodromy matrix is only applicable to impacting systems with fixed threshold. We improved this method considering the periodic threshold. Many impacting systems in the engineering field have a periodic threshold; hence, we introduce this method herein with a mechanical application example. We aim to contribute to the development of the nonlinear theory using above-mentioned two topics.

In this paper, we propose a method of controlling an unstable oscillation observed in an interrupted electric circuit with focus on the state-dependent switching action. We define the Poincaré map and calculate the differential forms by linearly differentiating the Poincaré map with respect to the initial values. The control gain is derived from the differential forms, and the validity of the proposed method is confirmed from mathematical and experimental viewpoints. The proposed method focuses on the switching timing and it advances or delays the switching action. Therefore, it makes it easy to realize a control algorithm in a microcomputer.

A two-layer three-phase contactless power transformer that has steady power-transfer characteristics, even at rotational misalignments, is proposed. The proposed transformer has three-phase coils arranged on each layer. The coils on the lower layer are arranged with a rotational shift by π with respect to those on the upper layers. Moreover, the coils on the lower layer are turned in the opposite direction to those on the upper layer. On the basis of the prototype of the proposed transformer, the equivalent model is derived. Using this model, the behavior of the proposed transformer is compared with that of the conventional three-phase transformer and is theoretically assessed. Experiments using the prototype confirm that the proposed transformer can output steady power and achieve good efficiency independent of the rotational misalignment. Moreover, the power transfer characteristics at the horizontal misalignments of the proposed transformer are measured and assessed.

In this study, we propose a stability analysis method for the linear impact oscillators. First, we show a two-dimensional linear impact oscillator. Next, we define the periodic solution and explain its stability. Then, we propose a stability analysis method using the Filippov's theory. Finally, we apply the method to a rigid overhead wire-pantograph system for confirming validity of the proposed method.

本稿では，複合PWM法の適用した交流チョッパを接続する6素子単相電流形コンバータについて，基本波解析を行い，実測波形と比較する。本回路は，4素子の主ブリッジ回路とコンデンサを4素子ブリッジに接続するチョッパ回路を直列に接続した構成で，2素子を両回路で共有して，使用素子数低減を図る。各素子に流れるPWM電流の基本波を考慮し，電源電流，チョッパコンデンサ電流・電圧を計算し，実測波形と比較して示す。解析結果から，チョッパコンデンサ容量の選定や直流電流平滑化のためのPWM動作条件を検討する。

筆者らは先に，送電効率の改善を目的に三相非接触給電システムを提案した。このシステムは，水平方向に位置ずれが生じた場合に電流が不平衡になることが実験から確認されている。本稿では，これらの三相電流から抽出した逆相電流をフィードバックすることにより，逆相電流を減少させ，これにより電流を平衡化する制御方法を提案する。この制御を実装した三相非接触給電システムにおいて，平衡化された三相電流が得られることをシミュレーションにより検証する。

筆者らは，チャージポンプ(CP)回路を用いた昇圧形モータドライバを提案してきた。このモータドライバは，インダクタを用いたチョッパ回路を昇圧装置として組み込んだ従来のドライバに比べて，高効率な動作が行えることを確認している。これまでチャージポンプ回路内の蓄電デバイスとして電気二重層キャパシタを用いてきたが，本論文ではこれを電界コンデンサに置き換えることを想定して，静電容量を低く設定したモータドライバの動作をシミュレーションによって検証した。その結果効果的な動作性能が得られることを確認した。

This study mathematically analyzes an interrupted dynamical system (IDS) with a periodic threshold. First, we describe a simple IDS, which is dependent on its own state and a periodic interval, and explain the behavior of the waveform. Then, we define the discrete map (return map) of the system and calculate the bifurcation diagrams. Finally, we focus on the dynamical structure of the return map in the system with a periodic threshold and discuss the stabilizing mechanism, especially its effect in a wide parameter space. The stabilizing effect is verified by the laboratory experiment.

In the field of mechanical engineering, to examine the fundamental mechanism of the impact oscillation in the gear system is one of the important topic from the practical point of view. But, the detailed analysis of the practical gear system is very difficult because of its complex behavior. In this paper, we study the simplest impact model which replicates the dynamics of practical gear systems. The impact model consists of three mass points, springs and dampers. First, we explain the impact model and introduce our experimental setup. Finally, we show some numerical and experimental results. In particular, we find the appearance of the grazing bifurcation in this model.

This paper approaches to the nonlinear dynamics in buck-boost converter with spike noise from the mathematical point of view. First, we explain the circuit dynamics. Then, the discrete map is expressed in detail for the rigorous analysis. Finally, we derive some bifurcation diagrams, and discuss the dynamic behavior of the waveform in wide parameter space. In particular, we focus on the dynamical effect of spike noise when the circuit dynamics is in discontinuous conduction mode (DCM).

The rigorous analysis and effect of spike noise are discussed in this paper. Firstly, we assume that spike noise arises in a system interrupted by own state and a periodic interval and explain its dynamics. The characteristics of a basic bifurcation phenomena which can be observed in a system with spike noise are examined by using the return map. Finally, we consider the dynamical effect of spike noise by using the two parameter bifurcation diagrams.

本研究課題は、排熱（温度差）を電気に変換する熱電池へ接続するための電力変換回路の開発を行う。熱電池の出力電力のみを用いて、電力変換回路に含まれる全ての回路素子を駆動させることが可能な回路構成（独立駆動）をベースとした「熱電池を有する独立駆動電源」の回路動作を数値シミュレーションを用いて解析し、得られた解析結果を回路性能の高性能化へフィードバックすることを主目的とする。 事前取組として、同回路の簡易動作解析を行った結果、熱電池の出力電圧変動に伴い、回路動作波形が定性的に変化する分岐現象の発生を確認した。更に、分岐現象の発生が回路性能(電力変換効率) に影響を及ぼしている可能性も見えてきた。そこで、本電源回路に生じる分岐現象を解析し、回路理論の発展および高性能な熱電池を有する独立駆動電源の創出へフィードバックする。 以上を踏まえ、実施期間内に(a) 熱電池を有する独立駆動電源の等価回路の構築、(b) (a) に適用可能な安定性解析手法の提案、(c) 電力損失が発生するメカニズムの解明に取り組む。 2023年度は、上記取組項目の内、(a)および(b)を実施し、数値シミュレーションに基づく回路動作解析を行った。熱電池を有する独立駆動電源の等価回路および回路方程式を導き、数値積分法をベースに電流波形および電圧波形を可視化するためのシミュレータを開発した。本シミュレータにはGUIを実装しており、任意に回路パラメータを変更でき、リアルタイムに回路動作を可視化する機能を織り込んだ。本シミュレータを用いて、回路の基本動作を解析した。

本研究は、エンジンを有する電動車両の燃費改善に資する研究取組である。自動車のエンジン排気系ユニットは、排気ガスと水冷により数百度の温度差が生じる。これまでの研究取組により、温度差から電気を発電する「熱電池」をこの種の車両の排気系ユニットへ取り付け、バッテリーへ電力回生する「排熱発電システム」の開発を産学連携して進めてきた。しかし、実用化が想定される発電環境においては、温度分布の不均一性(温度ムラ) により、熱電池の出力電力特性に局所解が生じる可能性がある。本申請課題は、学術的な観点から温度ムラ発生時の排熱発電システムの回路動作を解析し、工学的応用につなげることを目的とする。 2021年度は、温度ムラ発生時の熱電池の出力電圧のバラツキを考慮し、熱電池を有する電力変換回路の回路動作を解析した。また、回路設計ソフトを用いて同回路の回路設計および基板実装を行った。回路実験を通じて、電力変換効率、電力利用率、システム効率の観点から、実装回路の性能を評価した。

本研究では、空間的な隙間(間隙)を伴う系に生じる非線形現象を考えた。具体的には、下記を実施した。まず、間隙を伴う系に対する安定性及びgrazing分岐点の計算法を確立した。次に、提案手法を歯打ち振動を模擬した機械振動系に適用し、手法の正当性及び解析結果を示した。最後に、弾性支持された工具によるびびり振動の抑制法を示した。また、これらの結果を実験装置を用いて検証した。

発電用エンジンを搭載する電動自動車の低炭素化に向けて、中温度域(<600℃)未利用排気熱を熱電発電システムで回生電力化し燃費改善(CO2削減)につなげられる以下の要素技術について、研究開発を実施し成果を創出した。 (1)熱電変換材料による発電素子の性能を最大限に引出すために、熱伝導可変機能を有するセラミック多層基板を導入した熱発電モジュール構造の基礎開発、(2)エンジン排気系から熱発電モジュールの耐久温度を越えない調温機能を内装した熱交換・導熱機構の開発、(3)熱発電モジュールが発電した電力を余さず取出し高変換効率で電力用途に供給できる熱電池専用DC-DC電力変換技術開発

本研究は、排熱発電システムに用いられる電力変換回路の定性的性質を解明し、回路理論の発展および将来的な排熱発電システムの実用化に資する取り組みである。電源に熱電池を有するDC-DCコンバータは、電源と負荷をインピーダンスマッチングさせ、熱電池から最大電力を取り出す電力整合機能が求められる。研究実施期間内に、熱電池を有する昇圧型DC-DCコンバータの最適な回路パラメータの導出および最大電力点追従制御の実装による性能評価を行うことを主目的に取り組んだ。

本申請では、摩擦を有する系に見られるスティック・スリップ状態とスリップ状態について検討した。また、この結果を産業応用に結びつけた。下記を実施した: (1) 摩擦を有する機械振動系の写像構成法の提案 (2) スティック・スリップ状態とスリップ状態の遷移メカニズムの解明 (3) 周期外力を印加したダイオードを含むBVP発振器に見られるMMOsの解析 (4) 微小高調波印加による遷移メカニズムの解明 (5) 微小高調波印加が振動切削系へ与える影響 (6) 実験装置による検証

電力変換回路に生じる電流・電圧波形には、一部分のみが不規則な挙動を呈する高周波振動(一部不安定な高周波振動)が内在している。本研究は、電力変換回路のスイッチング動作を模擬した簡素な回路モデルを提案し、一部不安定な高周波振動の伝達メカニズムを解明した。具体的には、回路パラメタの変化に伴い一部不安定な高周波振動が生じ、回路動作が不安定化し、分岐現象が発生する過程を理論および実験の両面から明らかにした。得られた結果は、産業分野に用いられる電力変換回路全般に共通する定性的性質と考えられ、工学的応用の一例として、DC/ACインバータ(電力変換回路の一種)の回路設計を行った。

スイッチング動作の遅れ(スイッチング遅れ)やスイッチング時に生じる瞬間的な高周波数振動(スパイクノイズ)のようなミススイッチングは、2次元以上で記述される断続回路の定性的性質にも影響を及ぼす可能性がある。したがって、ミススイッチングを有しかつ2次元以上で記述される断続回路の定性的性質を理解するため、回路の安定性を解析しておく必要があるが、この種の断続回路に適用可能な安定性解析手法は見当たらない。そこで本年度は、ミススイッチングを有しかつ2次元以上で記述される断続回路に適用可能な安定性解析手法について検討した。具体的な研究内容を下記する。 (a)Poincar6写像に基づく安定性解析手法の提案 (b)Filippovの理論を応用した安定性解析手法の提案 (c)(a)(b)の正当性の検証 以下、(a)(b)(c)に沿って説明する。(a)に関して:まず、n次元で記述される断続回路にミススイッチングが発生すると仮定し、合成Poincar6写像を定義した。次に、合成Poincare写像に基づきヤコビ行列を導出した。最後に、ヤコビ行列の固有値を計算し、回路の安定性を解析するアルゴリズムを提案した。(b)に関して:(a)と同様に、ミススイッチングを有しかつn次元で記述される断続回路について考えた。まず、回路方程式より状態遷移行列を定義した。次に、Filippovの理論を応用し、スイッチング時の解軌道の摂動を計算した。最後に、状態遷移行列とスイッチング時の解軌道の摂動を合成し、その固有値を計算することで回路の安定性を評価するアルゴリズムを提案した。(c)に関して:(a)および(b)において提案した手法を、スパイクノイズを有するバックブーストコンバータおよびスイッチング遅れを有するバックコンバータに適用し、正当性を検証した。