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電機的轉動，起到發電蓄能的作用。

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電機，此時，輔助旋轉式發電機將產生感應電動勢。

由于兩臺輔助旋轉式發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電裝置一起串聯起來，以此對整個發電模塊提供功率補償，并彌補直線電機式發電裝置的不足之處，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電裝置以及輔助旋轉式發電機，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，發電機產生的電流經過整流堆以及濾波、穩壓電路后，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%，更專業的測振方法可以利用測振儀進行測量。

3.2 發電效果測試及分析

開啟蓄能發電開關，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，能使得三個串聯的藍色LED發光二極管同時發光。

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，符合可持續發展的要求。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，實現高效節能的目的。4)具有廣泛的適用性。可廣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、沖床等工業設備上。5)可作為發電演示實驗和能量轉換演示實驗裝置。

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[3]李國棟．當代磁學[M]．安徽：中國科學技術大學出版社,1999,8：6-13．

[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）。