基于多維彈簧振子的減振蓄能裝置的設(shè)計(jì)

韓山師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)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(shè)計(jì)

韓山師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)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(dòng)原理，設(shè)計(jì)并制作了可應(yīng)用于各種交通工具的減振發(fā)電裝置，并設(shè)計(jì)了一個(gè)蓄能電路，實(shí)現(xiàn)了將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)儲(chǔ)存的電能。

彈簧振子；感應(yīng)線圈；減振；蓄能

1 引言

日常生產(chǎn)中，汽車的行駛，電動(dòng)機(jī)的工作，輪船受海浪的沖擊等都將產(chǎn)生較大的振動(dòng)，既損耗了能量，又極易破壞機(jī)器的外圍設(shè)備。同時(shí)，損耗的能量巨大，并且具有很大的利用價(jià)值。而當(dāng)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(fèi)了能量，又容易消耗吸震材料。本實(shí)驗(yàn)裝置通過彈簧振子系統(tǒng)在外界驅(qū)動(dòng)力（即振動(dòng)外殼）的作用下，帶有感應(yīng)線圈的振子在運(yùn)動(dòng)的過程中切割到磁感線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，同時(shí)讓振子的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，起到發(fā)電蓄能的作用。

2 減振蓄能裝置的設(shè)計(jì)

減振蓄能裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，方形振子兩端各接一個(gè)彈簧，彈簧的另一端都固定在外殼上，成“臣”字形。當(dāng)外殼振動(dòng)的時(shí)候，彈簧發(fā)生形變，彈簧振子作受迫振動(dòng)，通過齒帶以及齒輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)子，切割磁感線。閉合的線圈對磁鐵產(chǎn)生感應(yīng)的制動(dòng)力矩，減緩?fù)鈿ず驼鹪凑駝?dòng)，同時(shí)閉合線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流導(dǎo)出，獲得電能，通過蓄電電路，可以將電能收集起來，振子在運(yùn)動(dòng)的過程中，固定在振子兩測的直流發(fā)電機(jī)在齒帶的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)起來，把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)圖

2.1 輔助旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)的功率補(bǔ)償控制

利用帶有齒帶的方形振子，在做切割磁感線運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，帶動(dòng)兩邊安置的輔助旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)，此時(shí)，輔助旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。

由于兩臺(tái)輔助旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)是相對安置并在方形振子的帶動(dòng)下同時(shí)工作，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢方向是相反的。通過電壓表測量確定感應(yīng)電動(dòng)勢的正負(fù)極，然后連同直線電機(jī)式發(fā)電裝置一起串聯(lián)起來，以此對整個(gè)發(fā)電模塊提供功率補(bǔ)償，并彌補(bǔ)直線電機(jī)式發(fā)電裝置的不足之處，提高整個(gè)裝置的回收能量效果。

2.2 多維發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)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(dòng)也可以分解為水平方向振動(dòng)和豎直方向振動(dòng)。由方形振子帶動(dòng)直線電機(jī)式發(fā)電裝置以及輔助旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)，解決了水平方向振動(dòng)能量回收的問題。在垂直方向上，通過在振動(dòng)蓄能器固定外殼內(nèi)部4個(gè)邊角處安置4個(gè)小型直線電機(jī)式發(fā)電裝置，以回收垂直方向的振動(dòng)能量。

水平方向振動(dòng)能量和垂直方向振動(dòng)能量都得以轉(zhuǎn)化為電能，各種方式的振動(dòng)能量都能得以有效回收，這就拓寬了振動(dòng)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(shè)計(jì)

如圖2所示，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流經(jīng)過整流堆以及濾波、穩(wěn)壓電路后，在蓄能電路部分被儲(chǔ)存起來，可供利用；表1是電路設(shè)計(jì)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(jié)果及分析

設(shè)計(jì)并制作好的減振蓄能裝置主要由固定外殼、兩個(gè)彈簧（已知彈性系數(shù)）、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(dòng)臺(tái)上，啟動(dòng)震動(dòng)臺(tái)。分別記錄下未開啟減振蓄能裝置時(shí)和開啟時(shí)，震動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率，震動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率為98.4次/min，開減振蓄能裝置后，震動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)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(jìn)行測量。

3.2 發(fā)電效果測試及分析

開啟蓄能發(fā)電開關(guān)，并把該裝置放到仿真震動(dòng)臺(tái)上測試，線圈動(dòng)生電動(dòng)勢在-3.5—3.5V之間，兩個(gè)小發(fā)電機(jī)分別產(chǎn)生的電動(dòng)勢在-2.5—2.5V之間，總的電動(dòng)勢大約在-7—7V之間，能使得三個(gè)串聯(lián)的藍(lán)色LED發(fā)光二極管同時(shí)發(fā)光。

4 結(jié)論

基于多維彈簧振子的減振蓄能裝置結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)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(shí)驗(yàn)裝置還具有以下特點(diǎn)：1)借助彈簧振子的共振為手段來達(dá)到減振蓄能的目的。2)能夠?qū)崿F(xiàn)有效地減少振動(dòng)。運(yùn)用線圈切割磁感線過程中產(chǎn)生的阻尼作用來反作用于振源，以達(dá)到減振的目的。3)能夠?qū)⒄裨吹哪芰哭D(zhuǎn)化為電能收集、再利用，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的目的。4)具有廣泛的適用性?？蓮V泛的應(yīng)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(dòng)機(jī)、沖床等工業(yè)設(shè)備上。5)可作為發(fā)電演示實(shí)驗(yàn)和能量轉(zhuǎn)換演示實(shí)驗(yàn)裝置。

[1]梁華翰,朱良銥,張立．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M]．上海：上海交通大學(xué)出版社,1996,2．

[2]宛德福,馬興?。判晕锢韺W(xué)[M]．成都：電子科技大學(xué)出版社,1994,11：14-15．

[3]李國棟．當(dāng)代磁學(xué)[M]．安徽：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1999,8：6-13．

[4]楊素行．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)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(shí)驗(yàn)師，現(xiàn)主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和虛擬儀器技術(shù)研究。

韓山師范學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目（HJG1408）。