CN110176172B - 一种能够实现能量回收的教学实验台 - Google Patents

Abstract

本发明的能够实现能量回收的教学实验台，涉及教学实验设备领域，包括上位机、CAN分析仪、第一电机控制器、第一电机、重力势能装置、第二电机控制器、第二电机、弹性势能装置、第三电机控制器、第三电机、惯性势能装置和储能电池；上位机通过CAN分析仪分别与第一电机控制器、第二电机控制器和第三电机控制器电连接；第一电机控制器分别与第一电机和储能电池电连接；第一电机与重力势能装置机械连接；第二电机控制器分别与第二电机和储能电池电连接；第二电机与弹性势能装置机械连接；第三电机控制器分别与第三电机和储能电池电连接；第三电机与惯性势能装置机械连接。本发明能够对重力、弹性和惯性势能三种势能形式的回收进行研究。

Description

一种能够实现能量回收的教学实验台

技术领域

本发明涉及教学实验设备领域，尤其涉及一种能够实现能量回收的教学实验台。

背景技术

人类经济日益发展的同时伴随着对资源的不断开采和消耗，人们开始逐渐对资源和环境问题产生密切的关注。如何合理高效地使用资源，以及实现能量的循环利用成为工程师急于解决的问题。

在机械工程领域中，在能量消耗的同时也常常伴有能量的流失，因此对能量的回收技术至关重要。常见的能量回收形式有重力势能的回收、弹性势能的回收和惯性势能的回收。现有的能量回收装置普遍存在回收效率较低以及制作成本较高的问题。现如今回收势能的主要方式是液压回收系统，其次，飞轮回收系统也占据一定的比例。在实际应用中，这两种节能途径的技术并不孤立，通常紧密联合在一起，相互渗透，形成综合的节能技术。当前的液压回收系统由于液压缸与活塞等结构的问题，在势能回收的过程中不可避免的会存在效率较低的问题，这是由于回收能量的过程中大部分以热能的形式散失造成的；同样，在飞轮回收系统中，由于飞轮不能处于绝对真空的环境，以及轴承精密程度不够等原因，导致其能量回收的效果达不到预期效果。

为进行以上三种不同势能形式的回收方式、回收效率、回收过程等方面的研究，同时对学生提供机械和电气部件拆装、软件编程、系统功能拓展等实验，需要开发一种能够实现能量回收的教学实验台。

发明内容

本发明目的就是为了弥补现有技术存在的缺陷，提供一种能够实现能量回收的教学实验台，以对重力势能、弹性势能和惯性势能三种不同势能形式的回收方式、回收效率、回收过程等方面进行研究，同时为学生提供机械和电气部件拆装、软件编程、系统功能拓展等实验。

本发明技术方案如下：一种能够实现能量回收的教学实验台，其特征在于：包括上位机、CAN分析仪、第一电机控制器、第一电机、重力势能装置、第二电机控制器、第二电机、弹性势能装置、第三电机控制器、第三电机、惯性势能装置和储能电池；所述重力势能装置、弹性势能装置和惯性势能装置安装在试验台上；所述上位机与所述CAN分析仪电连接，所述CAN分析仪分别与所述第一电机控制器、第二电机控制器和第三电机控制器电连接；所述第一电机控制器分别与所述第一电机和储能电池电连接，所述第一电机控制器用于控制所述第一电机以电动机或发电机模式工作，以及用于在第一电机与所述储能电池之间进行交流电与直流电的相互变换；所述第一电机与所述重力势能装置机械连接，所述第一电机在电动机模式下工作时，所述第一电机驱动所述重力势能装置储存重力势能，所述第一电机在发电机模式下工作时，所述重力势能装置释放重力势能并驱动所述第一电机发电；所述第二电机控制器分别与所述第二电机和储能电池电连接，所述第二电机控制器用于控制所述第二电机以电动机或发电机模式工作，以及用于在第二电机与所述储能电池之间进行交流电与直流电的相互变换；所述第二电机与所述弹性势能装置机械连接，所述第二电机在电动机模式下工作时，所述第二电机驱动所述弹性势能装置储存弹性势能，所述第二电机在发电机模式下工作时，所述弹性势能装置释放弹性势能并驱动所述第二电机发电；所述第三电机控制器分别与所述第三电机和储能电池电连接，所述第三电机控制器用于控制所述第三电机以电动机或发电机模式工作，以及用于在第三电机与所述储能电池之间进行交流电与直流电的相互变换；所述第三电机与所述惯性势能装置机械连接，所述第三电机在电动机模式下工作时，所述第三电机驱动所述惯性势能装置储存惯性势能，所述第三电机在发电机模式下工作时，所述惯性势能装置释放惯性势能并驱动所述第三电机发电。

进一步，所述重力势能装置包括竖直的架体，所述架体包括两根竖直的滑轨，还包括载物台，所述载物台可装载重物并可在所述两根竖直的滑轨上沿竖直方向滑动，所述载物台的背面固定连接有沿竖直方向布置的齿条，所述架体上在所述两根竖直的滑轨的背面设置有多个水平传动组件和一个竖直传动组件，所述多个水平传动组件沿竖直方向平行间隔开布置，每个所述水平传动组件均包括安装在所述架体上的水平转轴、固定设置在所述水平转轴上的可与所述齿条配合的齿轮、以及固定设置在所述水平转轴的端部上的锥齿轮，所述竖直传动组件包括安装在所述架体上的竖直转轴、以及固定设置在所述竖直转轴上的多个锥齿轮，所述竖直传动组件的多个锥齿轮与所述多个水平传动组件的多个锥齿轮分别一一对应配合，所述竖直转轴一端与所述第一电机的转轴固定连接，相邻两个所述水平传动组件的齿轮之间距离小于所述齿条的长度。

进一步，所述架体上设置有电机座，所述第一电机固定安装在所述电机座上。

进一步，所述架体底部设置有对所述载物台进行缓冲的阻尼器和橡胶缓冲块。

进一步，所述弹性势能装置包括机架，所述机架上安装有转动轴，所述转动轴一端与所述第二电机的转轴固定连接，所述转动轴上固定设置有齿轮，所述机架上固定设置有滑轨，所述机架上的滑轨上设置有可沿其滑动的滑块，所述滑块上固定连接有可与所述转动轴上的齿轮配合的齿条，所述机架上在所述滑块的滑动方向的延长线上固定设置有紧固块，还包括弹簧，所述弹簧一端与所述紧固块固定连接，另一端与所述滑块的一端固定连接。

进一步，所述机架上在所述紧固块与所述机架上的滑轨之间固定设置有缓冲支座，所述缓冲支座上固定设置有对所述滑块进行缓冲的缓冲橡胶块。

进一步，所述机架上固定设置有电机支架，所述第二电机固定安装在所述电机支架上。

进一步，所述惯性势能装置包括支架，所述支架上安装有转轴，所述支架上安装的转轴一端与所述第三电机的转轴固定连接，所述支架上安装的转轴上固定设置有飞轮。

进一步，所述支架上设置有电机安装架，所述第三电机固定安装在所述电机安装架上。

进一步，所述竖直转轴一端通过联轴器与所述第一电机的转轴固定连接，所述转动轴一端通过联轴器与所述第二电机的转轴固定连接，所述支架上安装的转轴一端通过联轴器与所述第三电机的转轴固定连接。

本发明的有益效果在于：该教学实验台能够进行重力势能、弹性势能和惯性势能三种势能形式的回收方式、回收效率、回收过程等方面的研究，同时方便学生进行机械和电气部件拆装、软件编程、系统功能拓展等实验；实验台的结构和原理可以直观展示出来，有良好的观摩效果；可以对实验台各个部件进行任意拆装和更换，有较高的灵活性；可以根据需求自行更新和拓展实验台控制系统的其他功能，有较强的开放性；台架具有对运动物体的缓冲功能，对实验台和实验人员都具有较高的安全性。

附图说明

图1为本发明的教学实验台的系统构成示意图。

图2为本发明的教学实验台的机械结构示意图。

图3为本发明的重力势能装置的结构示意图。

图4为本发明的弹性势能装置的结构示意图。

图5为本发明的惯性势能装置的结构示意图。

其中，1-试验台；2-重力势能装置；3-弹性势能装置；4-惯性势能装置；5-架体；6-竖直的滑轨；7-载物台；8-载物台固定连接的齿条；9-水平转轴；10-竖直转轴；11-电机座；12-阻尼器；13-橡胶缓冲块；14-机架；15-转动轴；16-机架上固定的滑轨；17-滑块；18-滑块固定连接的齿条；19-紧固块；20-弹簧；21-缓冲支座；22-电机支架；23-支架；24-支架上安装的转轴；25-飞轮；26-电机安装架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出简要说明。

如图1-2所示，一种能够实现能量回收的教学实验台，包括上位机、CAN分析仪、第一电机控制器、第一电机、重力势能装置2、第二电机控制器、第二电机、弹性势能装置3、第三电机控制器、第三电机、惯性势能装置4和储能电池；所述重力势能装置2、弹性势能装置3和惯性势能装置4安装在试验台1上；所述上位机与所述CAN分析仪电连接，所述CAN分析仪分别与所述第一电机控制器、第二电机控制器和第三电机控制器电连接；上位机、CAN分析仪、第一电机控制器、第二电机控制器和第三电机控制器构成本装置的电气控制部分，电气控制部分以PC上位机作为控制核心，CAN总线作为通讯方式，建立能量回收综合试验台的整体控制系统。所述第一电机控制器分别与所述第一电机和储能电池电连接，所述第一电机控制器用于控制所述第一电机以电动机或发电机模式工作，以及用于在第一电机与所述储能电池之间进行交流电与直流电的相互变换；所述第一电机与所述重力势能装置2机械连接，所述第一电机在电动机模式下工作时，所述第一电机驱动所述重力势能装置2储存重力势能，所述第一电机在发电机模式下工作时，所述重力势能装置2释放重力势能并驱动所述第一电机发电；所述第二电机控制器分别与所述第二电机和储能电池电连接，所述第二电机控制器用于控制所述第二电机以电动机或发电机模式工作，以及用于在第二电机与所述储能电池之间进行交流电与直流电的相互变换；所述第二电机与所述弹性势能装置3机械连接，所述第二电机在电动机模式下工作时，所述第二电机驱动所述弹性势能装置3储存弹性势能，所述第二电机在发电机模式下工作时，所述弹性势能装置3释放弹性势能并驱动所述第二电机发电；所述第三电机控制器分别与所述第三电机和储能电池电连接，所述第三电机控制器用于控制所述第三电机以电动机或发电机模式工作，以及用于在第三电机与所述储能电池之间进行交流电与直流电的相互变换；所述第三电机与所述惯性势能装置4机械连接，所述第三电机在电动机模式下工作时，所述第三电机驱动所述惯性势能装置4储存惯性势能，所述第三电机在发电机模式下工作时，所述惯性势能装置4释放惯性势能并驱动所述第三电机发电。

上述教学实验台的工作原理如下：研究重力势能回收时，上位机发送指令通过第一电机控制器控制所述第一电机以电动机模式工作，第一电机控制器将储能电池的直流电变换为交流电为第一电机供电，所述第一电机驱动所述重力势能装置2储存重力势能；储能结束后，上位机发送指令通过第一电机控制器控制所述第一电机以发电机模式工作，所述重力势能装置2将储存的重力势能释放，驱动所述第一电机发电，第一电机控制器将第一电机发出的交流电变换为直流电存储到储能电池中。同理，研究弹性势能回收时，上位机发送指令通过第二电机控制器控制所述第二电机以电动机模式工作，第二电机控制器将储能电池的直流电变换为交流电为第二电机供电，所述第二电机驱动所述弹性势能装置3储存弹性势能；储能结束后，上位机发送指令通过第二电机控制器控制所述第二电机以发电机模式工作，所述弹性势能装置3将储存的弹性势能释放，驱动所述第二电机发电，第二电机控制器将第二电机发出的交流电变换为直流电存储到储能电池中。同理，研究惯性势能回收时，上位机发送指令通过第三电机控制器控制所述第三电机以电动机模式工作，第三电机控制器将储能电池的直流电变换为交流电为第三电机供电，所述第三电机驱动所述惯性势能装置4储存惯性势能；储能结束后，上位机发送指令通过第三电机控制器控制所述第三电机以发电机模式工作，所述惯性势能装置4将储存的惯性势能释放，驱动所述第三电机发电，第三电机控制器将第三电机发出的交流电变换为直流电存储到储能电池中。

所述第一电机控制器与所述第一电机之间电连接有第一编码器，所述第二电机控制器与所述第二电机之间电连接有第二编码器，所述第三电机控制器与所述第三电机之间电连接有第三编码器，用于对电机的闭环控制以提高控制精度。

所述重力势能装置2包括竖直的架体5，所述架体5包括两根竖直的滑轨6，还包括载物台7，所述载物台7可装载重物并可在所述两根竖直的滑轨6上沿竖直方向滑动，所述载物台7的背面固定连接有沿竖直方向布置的齿条8，所述架体5上在所述两根竖直的滑轨6的背面设置有多个水平传动组件和一个竖直传动组件，所述多个水平传动组件沿竖直方向平行间隔开布置，每个所述水平传动组件均包括安装在所述架体上的水平转轴9、固定设置在所述水平转轴上的可与所述齿条配合的齿轮、以及固定设置在所述水平转轴的端部上的锥齿轮，所述竖直传动组件包括安装在所述架体上的竖直转轴10、以及固定设置在所述竖直转轴10上的多个锥齿轮，所述竖直传动组件的多个锥齿轮与所述多个水平传动组件的多个锥齿轮分别一一对应配合，所述竖直转轴一端与所述第一电机的转轴固定连接，相邻两个所述水平传动组件的齿轮之间距离小于所述齿条的长度。

所述第一电机驱动所述重力势能装置2储存重力势能时，第一电机驱动所述竖直转轴10转动，所述竖直转轴10通过配合的锥齿轮驱动多个水平转轴9转动，多个水平转轴9通过配合的齿轮齿条接力式的驱动载物台7和重物上升以储存重力势能。所述重力势能装置2释放重力势能时，载物台7和重物在重力的作用下向下运动，载物台7通过配合的齿轮齿条接力式的驱动竖直转轴10转动，竖直转轴10驱动第一电机发电。

所述架体5上设置有电机座11，所述第一电机固定安装在所述电机座11上。

所述架体5底部设置有对所述载物台7进行缓冲的阻尼器12和橡胶缓冲块13。

所述弹性势能装置3包括机架14，所述机架14上安装有转动轴15，所述转动轴15一端与所述第二电机的转轴固定连接，所述转动轴15上固定设置有齿轮，所述机架上固定设置有滑轨16，所述机架14上的滑轨16上设置有可沿其滑动的滑块17，所述滑块17上固定连接有可与所述转动轴15上的齿轮配合的齿条18，所述机架14上在所述滑块17的滑动方向的延长线上固定设置有紧固块19，还包括弹簧20，所述弹簧20一端与所述紧固块19固定连接，另一端与所述滑块17的一端固定连接。

所述第二电机驱动所述弹性势能装置3储存弹性势能时，第二电机驱动所述转动轴15转动，所述转动轴15通过配合的齿轮齿条驱动所述滑块17沿着滑轨16滑动以拉升弹簧20来储存弹性势能。所述弹性势能装置3释放弹性势能时，所述弹簧20在回复力的作用下拉动滑块17沿着滑轨16滑动，所述滑块17通过配合的齿轮齿条驱动转动轴15转动，所述转动轴15驱动第二电机发电。

所述机架14上在所述紧固块19与所述机架14上的滑轨16之间固定设置有缓冲支座21，所述缓冲支座21上固定设置有对所述滑块17进行缓冲的缓冲橡胶块。

所述机架14上固定设置有电机支架22，所述第二电机固定安装在所述电机支架22上。

所述惯性势能装置4包括支架23，所述支架23上安装有转轴24，所述支架23上安装的转轴24一端与所述第三电机的转轴固定连接，所述支架上23安装的转轴24上固定设置有飞轮25。

所述第三电机驱动所述惯性势能装置4储存惯性势能时，第三电机驱动所述转轴24转动，所述转轴24带动所述飞轮25转动来储存惯性势能。所述惯性势能装置4释放惯性势能时，所述飞轮25在惯性力的作用下带动所述转轴24转动，所述转轴24驱动第三电机发电。

所述支架23上设置有电机安装架26，所述第三电机固定安装在所述电机安装架26上。

所述竖直转轴10一端通过联轴器与所述第一电机的转轴固定连接，所述转动轴15一端通过联轴器与所述第二电机的转轴固定连接，所述支架23上安装的转轴24一端通过联轴器与所述第三电机的转轴固定连接。

本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种能够实现能量回收的教学实验台，其特征在于：包括上位机、CAN分析仪、第一电机控制器、第一电机、重力势能装置（2）、第二电机控制器、第二电机、弹性势能装置（3）、第三电机控制器、第三电机、惯性势能装置（4）和储能电池；所述重力势能装置（2）、弹性势能装置（3）和惯性势能装置（4）安装在试验台（1）上；所述上位机与所述CAN分析仪电连接，所述CAN分析仪分别与所述第一电机控制器、第二电机控制器和第三电机控制器电连接；所述第一电机控制器分别与所述第一电机和储能电池电连接，所述第一电机控制器用于控制所述第一电机以电动机或发电机模式工作，以及用于在第一电机与所述储能电池之间进行交流电与直流电的相互变换；所述第一电机与所述重力势能装置（2）机械连接，所述第一电机在电动机模式下工作时，所述第一电机驱动所述重力势能装置（2）储存重力势能，所述第一电机在发电机模式下工作时，所述重力势能装置（2）释放重力势能并驱动所述第一电机发电；所述第二电机控制器分别与所述第二电机和储能电池电连接，所述第二电机控制器用于控制所述第二电机以电动机或发电机模式工作，以及用于在第二电机与所述储能电池之间进行交流电与直流电的相互变换；所述第二电机与所述弹性势能装置（3）机械连接，所述第二电机在电动机模式下工作时，所述第二电机驱动所述弹性势能装置（3）储存弹性势能，所述第二电机在发电机模式下工作时，所述弹性势能装置（3）释放弹性势能并驱动所述第二电机发电；所述第三电机控制器分别与所述第三电机和储能电池电连接，所述第三电机控制器用于控制所述第三电机以电动机或发电机模式工作，以及用于在第三电机与所述储能电池之间进行交流电与直流电的相互变换；所述第三电机与所述惯性势能装置（4）机械连接，所述第三电机在电动机模式下工作时，所述第三电机驱动所述惯性势能装置（4）储存惯性势能，所述第三电机在发电机模式下工作时，所述惯性势能装置（4）释放惯性势能并驱动所述第三电机发电。

2.根据权利要求1所述的教学实验台，其特征在于，所述重力势能装置（2）包括竖直的架体（5），所述架体（5）包括两根竖直的滑轨（6），还包括载物台（7），所述载物台（7）可装载重物并可在所述两根竖直的滑轨（6）上沿竖直方向滑动，所述载物台（7）的背面固定连接有沿竖直方向布置的齿条（8），所述架体（5）上在所述两根竖直的滑轨（6）的背面设置有多个水平传动组件和一个竖直传动组件，所述多个水平传动组件沿竖直方向平行间隔开布置，每个所述水平传动组件均包括安装在所述架体（5）上的水平转轴（9）、固定设置在所述水平转轴（9）上的可与所述齿条（8）配合的齿轮、以及固定设置在所述水平转轴（9）的端部上的锥齿轮，所述竖直传动组件包括安装在所述架体（5）上的竖直转轴（10）、以及固定设置在所述竖直转轴（10）上的多个锥齿轮，所述竖直传动组件的多个锥齿轮与所述多个水平传动组件的多个锥齿轮分别一一对应配合，所述竖直转轴（10）一端与所述第一电机的转轴固定连接，相邻两个所述水平传动组件的齿轮之间距离小于所述齿条（8）的长度。

3.根据权利要求2所述的教学实验台，其特征在于，所述架体（5）上设置有电机座（11），所述第一电机固定安装在所述电机座（11）上。

4.根据权利要求3所述的教学实验台，其特征在于，所述架体（5）底部设置有对所述载物台（7）进行缓冲的阻尼器（12）和橡胶缓冲块（13）。

5.根据权利要求4所述的教学实验台，其特征在于，所述弹性势能装置（3）包括机架（14），所述机架（14）上安装有转动轴（15），所述转动轴（15）一端与所述第二电机的转轴固定连接，所述转动轴（15）上固定设置有齿轮，所述机架（14）上固定设置有滑轨（16），所述机架（14）上的滑轨（16）上设置有可沿其滑动的滑块（17），所述滑块（17）上固定连接有可与所述转动轴（15）上的齿轮配合的齿条（18），所述机架（14）上在所述滑块（17）的滑动方向的延长线上固定设置有紧固块（19），还包括弹簧（20），所述弹簧（20）一端与所述紧固块（19）固定连接，另一端与所述滑块（17）的一端固定连接。

6.根据权利要求5所述的教学实验台，其特征在于，所述机架（14）上在所述紧固块（19）与所述机架（14）上的滑轨之间固定设置有缓冲支座（21），所述缓冲支座（21）上固定设置有对所述滑块（17）进行缓冲的缓冲橡胶块。

7.根据权利要求6所述的教学实验台，其特征在于，所述机架（14）上固定设置有电机支架（22），所述第二电机固定安装在所述电机支架（22）上。

8.根据权利要求7所述的教学实验台，其特征在于，所述惯性势能装置（4）包括支架（23），所述支架（23）上安装有转轴（24），所述支架（23）上安装的转轴（24）一端与所述第三电机的转轴固定连接，所述支架（23）上安装的转轴（24）上固定设置有飞轮（25）。

9.根据权利要求8所述的教学实验台，其特征在于，所述支架（23）上设置有电机安装架（26），所述第三电机固定安装在所述电机安装架（26）上。

10.根据权利要求9所述的教学实验台，其特征在于，所述竖直转轴（10）一端通过联轴器与所述第一电机的转轴固定连接，所述转动轴（15）一端通过联轴器与所述第二电机的转轴固定连接，所述支架上安装的转轴一端通过联轴器与所述第三电机的转轴固定连接。