基于多維彈簧振子的減振蓄能裝置的設計

韓山師范學院物理與電子工程學院 黃賢群 楊桂浩 賴錦坤 陳曉萍

基于多維彈簧振子的減振蓄能裝置的設計

韓山師范學院物理與電子工程學院 黃賢群 楊桂浩 賴錦坤 陳曉萍

利用彈簧振子作受迫簡諧振動原理，設計并制作了可應用于各種交通工具的減振發(fā)電裝置，并設計了一個蓄能電路，實現了將振動能量轉化為實時儲存的電能。

彈簧振子；感應線圈；減振；蓄能

1 引言

日常生產中，汽車的行駛，電動機的工作，輪船受海浪的沖擊等都將產生較大的振動，既損耗了能量，又極易破壞機器的外圍設備。同時，損耗的能量巨大，并且具有很大的利用價值。而當前減震方式一般是通過安裝各種吸震材料，但是這樣不僅浪費了能量，又容易消耗吸震材料。本實驗裝置通過彈簧振子系統(tǒng)在外界驅動力（即振動外殼）的作用下，帶有感應線圈的振子在運動的過程中切割到磁感線，從而產生感應電流，同時讓振子的運動帶動直流發(fā)電機的轉動，起到發(fā)電蓄能的作用。

2 減振蓄能裝置的設計

減振蓄能裝置結構如圖1所示，方形振子兩端各接一個彈簧，彈簧的另一端都固定在外殼上，成“臣”字形。當外殼振動的時候，彈簧發(fā)生形變，彈簧振子作受迫振動，通過齒帶以及齒輪帶動轉子，切割磁感線。閉合的線圈對磁鐵產生感應的制動力矩，減緩外殼和震源振動，同時閉合線圈中產生感應電流導出，獲得電能，通過蓄電電路，可以將電能收集起來，振子在運動的過程中，固定在振子兩測的直流發(fā)電機在齒帶的帶動下轉動起來，把動能轉化為電能。

圖1 儀器結構圖

2.1 輔助旋轉式發(fā)電機的功率補償控制

利用帶有齒帶的方形振子，在做切割磁感線運動的時候，帶動兩邊安置的輔助旋轉式發(fā)電機，此時，輔助旋轉式發(fā)電機將產生感應電動勢。

由于兩臺輔助旋轉式發(fā)電機是相對安置并在方形振子的帶動下同時工作，產生的感應電動勢方向是相反的。通過電壓表測量確定感應電動勢的正負極，然后連同直線電機式發(fā)電裝置一起串聯(lián)起來，以此對整個發(fā)電模塊提供功率補償，并彌補直線電機式發(fā)電裝置的不足之處，提高整個裝置的回收能量效果。

2.2 多維發(fā)電裝置設計

根據力的合成與分解原理，所有的力都可以分解為水平方向和垂直方向的分力，振動也可以分解為水平方向振動和豎直方向振動。由方形振子帶動直線電機式發(fā)電裝置以及輔助旋轉式發(fā)電機，解決了水平方向振動能量回收的問題。在垂直方向上，通過在振動蓄能器固定外殼內部4個邊角處安置4個小型直線電機式發(fā)電裝置，以回收垂直方向的振動能量。

水平方向振動能量和垂直方向振動能量都得以轉化為電能，各種方式的振動能量都能得以有效回收，這就拓寬了振動蓄能器的適用范圍，提高了能量的回收效率。

2.3 蓄電電路設計

如圖2所示，發(fā)電機產生的電流經過整流堆以及濾波、穩(wěn)壓電路后，在蓄能電路部分被儲存起來，可供利用；表1是電路設計所需的電子元件。

表1 電子元件表

圖2 蓄能電路圖

3 測試結果及分析

設計并制作好的減振蓄能裝置主要由固定外殼、兩個彈簧（已知彈性系數）、帶有齒帶的方形振子、多維發(fā)電裝置、控制電路、蓄能電路等組成。

3.1 減振效果測試及分析

將減振蓄能裝置固定在仿真震動臺上，啟動震動臺。分別記錄下未開啟減振蓄能裝置時和開啟時，震動臺的振動頻率，震動臺的振動頻率為98.4次/min，開減振蓄能裝置后，震動臺的振動頻率為78.4次/min，輔助減震效率為20.33%，更專業(yè)的測振方法可以利用測振儀進行測量。

3.2 發(fā)電效果測試及分析

開啟蓄能發(fā)電開關，并把該裝置放到仿真震動臺上測試，線圈動生電動勢在-3.5—3.5V之間，兩個小發(fā)電機分別產生的電動勢在-2.5—2.5V之間，總的電動勢大約在-7—7V之間，能使得三個串聯(lián)的藍色LED發(fā)光二極管同時發(fā)光。

4 結論

基于多維彈簧振子的減振蓄能裝置結構簡單，價格低廉，可開發(fā)性高，本身不用提供能量，便能起到減振蓄能的二重效果，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。本實驗裝置還具有以下特點：1)借助彈簧振子的共振為手段來達到減振蓄能的目的。2)能夠實現有效地減少振動。運用線圈切割磁感線過程中產生的阻尼作用來反作用于振源，以達到減振的目的。3)能夠將振源的能量轉化為電能收集、再利用，實現高效節(jié)能的目的。4)具有廣泛的適用性?？蓮V泛的應用于較大振源的減振蓄能，如：輪船、汽車、摩托車、自行車等交通工具，或電動機、沖床等工業(yè)設備上。5)可作為發(fā)電演示實驗和能量轉換演示實驗裝置。

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[4]楊素行．模擬電子技術基礎簡明教程(第三版)[M]．北京：高等教育出版社,2006,5：361-366．

黃賢群（1979—），男，廣東潮州人，碩士，實驗師，現主要從事物理實驗教學和虛擬儀器技術研究。

韓山師范學院教學改革項目（HJG1408）。