科创学刊一种振动能量回收发电装置的研究.doc

一个振动能量回收发电装置研究
赵伟辰1, 杨浩然2, 唐丽媛3, 孔祥雪4
（1.哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001;
2.哈尔滨工程大学 自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001;
3.哈尔滨工程大学 水声工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001;
4.哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001）
摘 要: 在经济高速发展、 能源日益匮乏今天, 可再生能源已逐步成为社会关注焦点。振动是自然界中存在一个极为普遍可再生能源, 然而, 这种能源却被减振设备吸收, 或被忽略而浪费。通常减震器把机械振动运动能量转化为无法回收利用热能。若不把振动能量转化为热能, 而是转化为电能, 则可达成再生能源之目, 大大提升燃料使用率。为了有效利用这种能源, 从车辆减震器振动能量回收方面出发, 立意研究此振动能量回收装置平台。研制与开发用于汽车振动能量回收装置, 对改善汽车行业节能情况, 提升环境质量含有现实意义。
关键词: 振动1; 能量回收2; 节能减排3; 汽车减震4
Study on a vibration energy recovery power generation device

Zhao Weichen1, Yang Haoran2, Tang Liyuan3, Kong Xiangxue4
（1. Harbin Engineering University, 150001, China;
2. Harbin Engineering University, 150001, China;
3. Harbin Engineering University, 150001, China;
4. Harbin Engineering University, 150001, China)
Abstract: With the rapid development of economy and energy shortage, renewable energy has gradually become the focus of social attention.. Vibration is a very common renewable energy in nature, however, this energy has been absorbed by the shock absorber, or neglected and wasted.. General shock absorbers convert the energy of mechanical vibration into heat energy which is unable to recover.. If the vibration energy is converted into heat energy, it can be converted into electricity, then it can reach the purpose of renewable energy, and greatly improve the utilization of fuel.. In order to effectively use the energy, from the aspect of vehicle shock absorber vibration energy recovery, conception of the vibration energy recovery device platform. The research and development of the device for the energy recovery of automobile vibration is of practical significance for improving the energy saving of the automobile industry and improving the environment quality.
Key words: vibration 1; energy recovery 2; energy saving 3; automobile shock absorption 4

振动是自然界中存在一个极为普遍可再生能源, 然而, 这种能源却被减振设备吸收, 或被忽略而浪费。通常减震器把机

作品起源: 国家大学生创新创业训练计划
第三届“TRIZ”杯大学生创新方法大赛一等奖
作者介绍: 赵伟辰(1994.8),男,级,轮机工程专业
指导老师: 佟岳军(1962),男,高级工程师,工程训练中心
械振动运动能量转化为无法回收利用热能。若不把振动能量转化为热能, 而是转化为电能, 则可达成再生能源之目, 大大提升燃料使用率。为了有效利用这种能源, 我们从车辆减震器振动能量回收方面出发, 立意研究此振动能量回收装置平台。研制与开发用于汽车振动能量回收装置, 对改善汽车行业节能情况, 提升环境质量含有现实意义。
1 研究内容与试验
1 项目研究方案确立
1.1 项目研究内容
1.1.1 振动能量搜集方法分析
对振动能量回收方法进行分析, 以得出具体数据, 为以后机械机构设计和关键传动机构研究打下基础。
依据能量转换机理不一样, 振动发电装置能够分成压电式、 电磁式和静电式三类。压电式广泛应用于100Hz和1000Hz频率下, 其制造工艺比较复杂并和 CMOS 技术不兼容。而静电式需要外加电源进行初始充电, 限制了其应用范围。相比较而言, 当在低频振动环境中用于无线传感器功率电源使用时, 电磁式振动发电装置含有低成本、 高性能特点。
1.1.2 电磁式振动发电机构设计
本装置利用振动产生能量, 经过往复运动机构将能量储存在飞轮中, 利用飞轮结构将微小运动放大, 并利用飞轮本身惯性实现连续转, 同时经过齿轮组使得飞轮转动带动线圈转动, 因为固定永磁体, 线圈将做切割磁感线运动, 从而产生感应电压, 再与整流二极管相连, 即可进入电量搜集阶段。
1.1.3 电路电源设计
将搜集电信号进行整流, 滤波, 稳压, 从而将电能搜集起来, 见图2、 图3。

图1-1 电能搜集原理及电路安排
图1-2 具体电路
1.1.4 测试评定与调试
对已设计完成振动能量回收发电装置不停进行调试, 以达成预期功效, 同时对其安全性不停改善与校正, 使其安全性能够得到保障, 而且不影响减震器原有功效。
1.2 装置制作过程及性能
1.2.1 装置设计步骤

图1-3 装置设计步骤图
1.2.2 TRIZ理论分析

图1-4 系统完备性检验

图1-5 九屏幕分析法

图1-6 功效模型分析

图1-7 资源分析1

图1-8 资源分析2
2 装置设计方案验证
2.1 装置结构
图2-1 装置设计主视图

振动能量回收发电装置包含: 发电机（1）、 上导向套筒（2）、 凸轮（3）、 下底板（4）、 上顶板（5）、 弹簧（6）、 下导向套筒（7）、 发电机（8）、 飞轮（9）、 中间立柱（10）、 下层立柱（11）、 齿轮齿条（12）、 轴支座（13）、 中间板（14）、 减速电机电源（15）、 减速电机（16）。下底板（4）四面
图2-2 装置设计左视图
开有螺纹孔, 经过四根下层立柱（11）与中间板（14）相连, 凸轮（3）安装在减速电机（16）上, 与减速电机电源（15）一起固定在下底板（4）上。上导向套筒（2）、 下导向套筒（7）分别经过螺纹与上顶板（5）和中间板（14）固定在一起, 套筒中放入弹簧（6）与齿条, 中间板（14）中间开有圆孔, 四面开有螺纹安装孔。上顶板（5）中间开有齿条导向孔, 四面开有螺纹安装孔。轴固定在轴支座（13）中确保位置固定。齿轮齿条（12）、 飞轮（9）与单向轴承分别安方在轴上, 并将齿轮齿条（12）配合好。

图2-3 完整结构
2.2 工作原理
振动能量回收发电装置包含下层振动源, 由减速电机电源为减速电机供电带动凸轮转动, 利用凸轮本身高度差, 将凸轮转动转化为带动齿条与垫板上下往复运动。上顶板齿条导向孔确保齿条做上下往复直线运动, 上导向套筒固定弹簧使弹簧不发生偏移, 下导向套筒起到为垫圈移动导向作用, 使垫圈在上下往复运动中不会偏移, 弹簧固定在上顶板与垫圈中间为垫圈回复到原位置提供动力。上层能量搜集装置中齿条与齿轮啮合带动齿轮转动, 将齿条上下往复直线运动转化为齿轮转动, 带动周做圆周运动。经过单向轴承使轴最右侧飞轮只能够做单向旋转运动, 飞轮为轴连续性转动提供惯性力, 将不连续振动转化为较为均匀定轴转动, 确保轴连续旋转。飞轮右侧与自制发电机相连, 轴连续转动带动发电机发电。
2.3 生命曲线
每个系统进化都要经历婴儿期、 成长久、 成熟期、 衰退期, 其也表现了诸项性能参数发展改变规律。下面利用技术系统生命曲线（S曲线）, 用横轴表示时间, 纵轴表示系统性能参数、 专利等级、 专利数量和经济效益等4个方面, 如图三所表示:

图2-4 生命曲线图
自20世纪70年代起, 中国外很多学者就开始了对汽车振动能量回收悬架研究, 但到现在为止, 该技术没有商业应用。中国外学者和企业已围绕有效回收振动能量和确保足够减振性能等关键问题进行了探索和尝试, 取得了部分有价值结果, 并在样机试制和试验验证上取得了较大进展。依据这些特征能够判定本产品处于成长久早期。

3 装置组装及测量

图3-1 组装试验样机

完成对振动能量回收研究, 进行数据分析和验证
电压范围: 12-30V
额定电压: 24V
空载: 转速: 12rpm
电流: 50mA
负载转矩: 转速: 10rpm
电流: 100mA
扭矩: 14 kg*cm
功率: 2.5W
减速比: 506
重量: 200g
最大输出电压: DC 5.5 v
最大输出电流: 600 mA
经过测量: 机器振动源运转10分钟,可打电话5-8分钟或待机3-5小时
致谢
在完成此次国家大学生创新创业训练计划过程中我们学到了很多东西。首先要感谢我们指导老师佟岳军老师, 她在我们制作过程中, 给予了很大帮助。在开始早期, 我们存在很多问题, 是在老师帮助下进行修改和完善。在此对老师献上最衷心地感谢。
其次我们要感谢对我们软件学习提供过帮助学长学姐们。
最终, 我要再次感谢对我提供过制作工具同学和老师, 以及在整体系统调试中对我进行过指导全部老师和同学。

参考文件
[1] MIT, More power from bumps in the road, phys.org (Feb. 10, ) 
[2] Zuo et al., Vehicle shock absorber reovers energy from bumps in the road, at phys.org (Mar 17, )
[3] Lei Zuo, et al., Design and characterization of an electromagnetic energy harvester for vehicle suspensions, Smart Materials and Structures Vol. 19 No. 4, 045003 (Apr. )
[4] Lisa Zyga, Energy-harvesting shock absorber that increases fuel efficiency wins R&D 100 wards, phys.org. (July 14, )
[5] 洪嘉振。计算多体系统动力学【M】, 北京; 高等教育出版社, 1999
[6] 姚曙光, 许平。高速磁悬浮国产化【J】。交通运输工程学报, ,4（2）; 40