基于多维弹簧振子的减振蓄能装置的设计

韩山师范学院物理与电子工程学院 黄贤群 杨桂浩 赖锦坤 陈晓萍

基于多维弹簧振子的减振蓄能装置的设计

韩山师范学院物理与电子工程学院 黄贤群 杨桂浩 赖锦坤 陈晓萍

利用弹簧振子作受迫简谐振动原理，设计并制作了可应用于各种交通工具的减振发电装置，并设计了一个蓄能电路，实现了将振动能量转化为实时储存的电能。

弹簧振子；感应线圈；减振；蓄能

1 引言

日常生产中，汽车的行驶，电动机的工作，轮船受海浪的冲击等都将产生较大的振动，既损耗了能量，又极易破坏机器的外围设备。同时，损耗的能量巨大，并且具有很大的利用价值。而当前减震方式一般是通过安装各种吸震材料，但是这样不仅浪费了能量，又容易消耗吸震材料。本实验装置通过弹簧振子系统在外界驱动力（即振动外壳）的作用下，带有感应线圈的振子在运动的过程中切割到磁感线，从而产生感应电流，同时让振子的运动带动直流发电机的转动，起到发电蓄能的作用。

2 减振蓄能装置的设计

减振蓄能装置结构如图1所示，方形振子两端各接一个弹簧，弹簧的另一端都固定在外壳上，成“臣”字形。当外壳振动的时候，弹簧发生形变，弹簧振子作受迫振动，通过齿带以及齿轮带动转子，切割磁感线。闭合的线圈对磁铁产生感应的制动力矩，减缓外壳和震源振动，同时闭合线圈中产生感应电流导出，获得电能，通过蓄电电路，可以将电能收集起来，振子在运动的过程中，固定在振子两测的直流发电机在齿带的带动下转动起来，把动能转化为电能。

图1 仪器结构图

2.1 辅助旋转式发电机的功率补偿控制

利用带有齿带的方形振子，在做切割磁感线运动的时候，带动两边安置的辅助旋转式发电机，此时，辅助旋转式发电机将产生感应电动势。

由于两台辅助旋转式发电机是相对安置并在方形振子的带动下同时工作，产生的感应电动势方向是相反的。通过电压表测量确定感应电动势的正负极，然后连同直线电机式发电装置一起串联起来，以此对整个发电模块提供功率补偿，并弥补直线电机式发电装置的不足之处，提高整个装置的回收能量效果。

2.2 多维发电装置设计

根据力的合成与分解原理，所有的力都可以分解为水平方向和垂直方向的分力，振动也可以分解为水平方向振动和竖直方向振动。由方形振子带动直线电机式发电装置以及辅助旋转式发电机，解决了水平方向振动能量回收的问题。在垂直方向上，通过在振动蓄能器固定外壳内部4个边角处安置4个小型直线电机式发电装置，以回收垂直方向的振动能量。

水平方向振动能量和垂直方向振动能量都得以转化为电能，各种方式的振动能量都能得以有效回收，这就拓宽了振动蓄能器的适用范围，提高了能量的回收效率。

2.3 蓄电电路设计

如图2所示，发电机产生的电流经过整流堆以及滤波、稳压电路后，在蓄能电路部分被储存起来，可供利用；表1是电路设计所需的电子元件。

表1 电子元件表

图2 蓄能电路图

3 测试结果及分析

设计并制作好的减振蓄能装置主要由固定外壳、两个弹簧（已知弹性系数）、带有齿带的方形振子、多维发电装置、控制电路、蓄能电路等组成。

3.1 减振效果测试及分析

将减振蓄能装置固定在仿真震动台上，启动震动台。分别记录下未开启减振蓄能装置时和开启时，震动台的振动频率，震动台的振动频率为98.4次/min，开减振蓄能装置后，震动台的振动频率为78.4次/min，辅助减震效率为20.33%，更专业的测振方法可以利用测振仪进行测量。

3.2 发电效果测试及分析

开启蓄能发电开关，并把该装置放到仿真震动台上测试，线圈动生电动势在-3.5—3.5V之间，两个小发电机分别产生的电动势在-2.5—2.5V之间，总的电动势大约在-7—7V之间，能使得三个串联的蓝色LED发光二极管同时发光。

4 结论

基于多维弹簧振子的减振蓄能装置结构简单，价格低廉，可开发性高，本身不用提供能量，便能起到减振蓄能的二重效果，符合可持续发展的要求。本实验装置还具有以下特点：1)借助弹簧振子的共振为手段来达到减振蓄能的目的。2)能够实现有效地减少振动。运用线圈切割磁感线过程中产生的阻尼作用来反作用于振源，以达到减振的目的。3)能够将振源的能量转化为电能收集、再利用，实现高效节能的目的。4)具有广泛的适用性。可广泛的应用于较大振源的减振蓄能，如：轮船、汽车、摩托车、自行车等交通工具，或电动机、冲床等工业设备上。5)可作为发电演示实验和能量转换演示实验装置。

[1]梁华翰,朱良铱,张立．大学物理实验[M]．上海：上海交通大学出版社,1996,2．

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[3]李国栋．当代磁学[M]．安徽：中国科学技术大学出版社,1999,8：6-13．

[4]杨素行．模拟电子技术基础简明教程(第三版)[M]．北京：高等教育出版社,2006,5：361-366．

黄贤群（1979—），男，广东潮州人，硕士，实验师，现主要从事物理实验教学和虚拟仪器技术研究。

韩山师范学院教学改革项目（HJG1408）。