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JP2000262032A - 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 - Google Patents

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

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JP2000262032A
JP2000262032A JP11062580A JP6258099A JP2000262032A JP 2000262032 A JP2000262032 A JP 2000262032A JP 11062580 A JP11062580 A JP 11062580A JP 6258099 A JP6258099 A JP 6258099A JP 2000262032 A JP2000262032 A JP 2000262032A
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electromagnetic actuator
energy
chopper
vibration
voltage
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JP11062580A
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Yoji Okada
養二 岡田
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Japan Science and Technology Corp
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 機械的な振動v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C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を介設することによっ
て、電磁アクチュエータ1により発生した電圧が低い場
合であっても前記回生回路2への電力の蓄積回生を可能
にしたことを特徴とするもので、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1により発生した電
圧eが回生回路2における二次電池Cの電圧eb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2へ
の電力の蓄積回生が可能となった。

Description

【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1
3(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
介設することによって、電磁アクチュエータにより発生
した電圧が低い場合であっても前記回生回路への電力の
蓄積回生を可能にしたことを特徴とするものである。ま
た本発明は、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
生回路に蓄積することを特徴とするものである。また本
発明は、前記スイッチング素子によるオン・オフの比率
を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、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。また本発明は、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た昇圧チョッパとから
エネルギー回生装置を構成したことを特徴とするもので
ある。また本発明は、前記エネルギー回生装置におい
て、昇圧チョッパを、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
成したことを特徴とするものである。また本発明は、前
記エネルギー回生装置において、電磁アクチュエータを
リレー方式により切り換えて、加振および制振制御する
ことを可能にしたアクティブダンパを構成することを特
徴とするものである。また本発明は、前記エネルギー回
生装置において、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もので、これらを課題解決
のための手段とするものである。
【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−FE
T(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0.5
V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。 eb=1.2Vのとき、α=0.575 es=0.575eFb=0.69 eb=3.6Vのとき、α=0.231 es=0.231eFb=0.83 (6)
【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 f=Ψ2 v/R−ΨeFb/R v>2eFb/Ψ f=Ψ2 v/(2−α)R−Ψes/(2−α)R es/Ψ≦v≦2eFb/Ψ f=0 −es/Ψ<v<es/Ψ f=Ψ2 v/(2−α)R+Ψes/(2−α)R −2eFb/Ψ≦v≦−es/Ψ f=Ψ2 v/R+ΨeFb/R v<−2eFb/Ψ (8) 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

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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
    間に昇圧チョッパを介設することによって、電磁アクチ
    ュエータにより発生した電圧が低い場合であっても前記
    回生回路への電力の蓄積回生を可能にしたことを特徴と
    する昇圧チョッパを利用したエネルギー回生方法。
  2. 【請求項2】 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。
  3. 【請求項3】 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請求項2に記載の昇圧チョ
    ッパを利用したエネルギー回生方法。
  4. 【請求項4】 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た
    昇圧チョッパとからな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。
  5. 【請求項5】 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たことを特徴とする請求項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。
  6. 【請求項6】 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。
  7. 【請求項7】 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4ないし6のいず
    れかに記載の昇圧チョッパを利用したエネルギー回生装
    置。
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