一种基于健身器材的发电系统

一种基于健身器材的发电系统

倪涵艺 侯翔一 李展丞 刘一兵

河海大学 能源与电气学院 南京 211100

摘要：本文利用人们在健身房中使用健身器材所产生的机械能来发电，并将这种电能供给健身器材本身或者其他用电设备的正常运转。通过设计传动装置、发电机、整流装置、直流降压斩波装置、蓄电池等组成了一套健身器材发电系统，并在传统的系统中加入了链条传动和变速装置，以适应不同人群的需求。

关键词：健身发电；电力电子；变速装置

1. 引言

随着经济的快速发展，人们的生活水平逐渐提高，越来越多的人不再满足于物质上的丰富，而是更多地关注自身身体的健康状态，因此各类健身房应运而生。本文设计了利用健身器材产生的机械能来发电的系统，将机械能转换为电能储存起来，并用于后续健身房中其他用电设备的正常运转，以此为健身房带来较大的经济效益，并为节能环保事业做出一定的贡献。

2. 国内外发展现状

健身器材发电技术在国外已有开发应用实例，且以旋转类运动器材的发电为主。美国某家健身房在动感单车中安装了一种特殊装置，将动感单车产生的机械能转换为电能，并再供给单车使用，从而减少了单车的电能使用，起到节能的作用^[1]。

在国内，虽然健身器材制造业起步晚，健身房所选用的器械较为传统，但近年来也有厂家在此方面取得较好的成绩。比如我国伊诺飞生产的技能减碳发电健身车，发出的电能可以维持整个设备的用电需求，同时也可以作为应急电源使用^[1]。山西大学研制的无摩擦发电自行车利用磁生电的原理，将磁铁通过铁圈固定在自行车后轮一周。只要自行车的车轮转动，车杆上的线圈就会切割磁感线产生电流，产生的电流再通过整流、稳压模块对移动电源进行充电，移动电源中的电能还能为照明灯供电。又如纳米发电机，将健身过程中产生的动能转化为电能，达到发电的目的，可以为小型便携设备供电^[2]。

3. 基于健身器材发电的系统设计

3.1 系统的组成

为了能将发电装置产生的电能储存起来，以便于后续给小功率用电设备供电，本系统设计了传动装置、发电机、整流装置、直流降压斩波装置、蓄电池等进行储电处理，系统流程图如图1所示。由于人们在使用健身器械时齿轮转速较低且具有随机性，本系统设计传动装置，将齿轮的低转速转变为高转速^[3]。当转速提高到一定的数值时，就可以带动永磁发电机的转子转动。此时，永磁发电机的输出是同时具有电压、频率脉动的交流电，产生的交流电经过二极管整流桥整流后变为仅有电压脉动的直流电，直流电再经过直流降压斩波装置，输出稳定幅值的直流电压，最后接于蓄电池将电能存储起来。当用电设备接入系统时，蓄电池通过逆变电路将直流电转换交流电。整个系统实现了对能量的循环使用，达到了节能减排的效果。

图1 健身器材发电流程图

3.2 整流降压装置的设计

3.2.1 整流装置

整流装置的作用是将交流电变换为直流电。在本系统中整流装置采用桥式整流滤波电路，为了说明原理，二极管使用其理想模型进行处理^[4]。其优点是电容电路简单，输出电压的纹波较小，能够得到较平稳的直流电；二极管所承受的最大反向电压较低；同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，不存在变压器直流磁化的问题，变压器绕组的利用率高。

3.2.2 直流降压斩波装置

利用BUCK电路作为直流降压斩波装置的原理，将输入的高压直流转变为低压直流输出，以便于储存在蓄电池中，该装置的原理如图2所示。从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是允许通过直流分量，而抑制交流谐波分量的通过。电容C上的输出电压是输出的直流分量和附加的微小纹波的合成。但是，由于整个电路工作频率相较于电容C的纹波波动频率来说是很高的，因此电容C上电压可以看作恒定，因此实际负载上输出电压就是直流。同时，电容C的储能能力越大，输出电压的纹波幅值越小，纹波对整个输出的影响就越小，输出的电压越趋于一个稳定的直流量^[5]。

图2 直流降压斩波电路原理图

3.3 传动装置的设计

现有的健身器材发电系统大部分使用的是皮带传动。这种传统的皮带传动装置具有很多缺点，例如在传动的过程中会出现严重的打滑现象，整个传动装置过热可能会引发皮带的变形或者皮带的劣变等，最终将会导致皮带的寿命减短^[6]。如果使用链条传动则会较好地解决这个问题，链条传动可以保证在轴心距相距较远的情况下仍保证较为平稳输出。同时，链条传动不存在摩擦发热的问题，可以在各种不良使用环境下使用，装置运行效率可达95%～97%，充分利用了电能资源，提高整个系统的可靠性。

3.4 变速装置的设计

国内现已研制出的利用健身发电的器材发电效率低，灵活性差，且不能通过变速来调节阻力大小，难以适应不同人群健身的需求，制造一款可以变速的发电系统就显得尤为重要^[7]。经过研究发现，这个问题可以通过变速装置来解决。当变速轴旋转时，拨叉在变速轴作用下沿轴运动，进而拨动低速齿轮组滑动，使高、低速齿轮组中啮合的齿轮对改变，进而改变传动比的大小，实现变速功能。这一变速装置操作简单，而且变速轴变速平稳、准确

^[8]。

4. 健身器材发电系统的评价

本系统的能量来源于人们健身时健身器材所产生的机械能，维护简单，无任何附加成本。与传统健身器材相比较，利用健身器材发电不仅可以用于锻炼健身，又可以作为发电设备，具有稳定性好、可移动、绿色环保等特点。另一方面，从用户体验的角度上看，健身者通过储存在蓄电池中的电量可以直观地看出自己的运动量，从而提高健身者的积极性，增加整个健身过程的趣味性，为健身爱好者带来全新的健身体验。

但是，利用健身器材发电也存在一定的问题。以人们最常使用的动感单车为例，由于人们的健身时长具有随机性，单车的频繁启停要求对应的发电机能适应这种频繁启停状态，否则容易造成损坏。

5. 总结

本文基于永磁发电机、电力电子电路、蓄电池等理论知识，提出了利用健身器材所产生的机械能发电的系统，在改用链条传动的基础上还设计了区别于其他健身器材发电系统的变速装置。这一装置打破了原有健身发电器材不可调速的弊端，加入变速装置后使得阻力可以任意调节，从而更好地满足了不同人群的需要。

参考文献：

[1]谭华星.健身俱乐部健身节能器材利用的调查与分析[J].科技致富向导,2012,(20):78,66.

[2]王东升.运动健身车与储能发电装置的设计研究[J]．科技信息，2010（36）513-514.8

[3]陈圣吉,郑阳,段波, 等.基于电力电子控制电路的健身单车发电系统的研制[J].科技创新导报,2009,(4):79-79.

[4]康华光等.电子技术基础：模拟部分[M].高等教育出版社,1991年5月.

[5]王文郁.电力电子技术应用电路[M].机械工业出版社,2001年8月第一版.

[6]雷宇,周广义.基于健身器材的绿色发电系统[J].科技创新与应用,2018,(13):48-49,52.

[7]阎艺.常见户外健身器存在问题分析[J].科技风,2016,(19):106.

[8]刘军,张诗媗,梁张利,等.移动健身发电器材的设计[J].机械制造,2020,58(2):25-27.