可发电式多功能复合健身器的设计开发

可发电式多功能复合健身器的设计开发

王宇轩，刘会溥，周怡诺，段熙岳，孙玉坤，张清皓

（石家庄铁道大学 河北 石家庄 050043）

摘要:针对国家节能政策的推行和健身房运营成本高的问题，设计了一种可发电式多功能复合健身器，可将健身时产生的生物能转化为电能并利用。该可发电式健身器结合了骑行机和椭圆机的设计，通过变速自行车的变速器系统和可调转动惯量飞轮来调节运动阻力和电能输出功率，有效实现分等级的能源回收与利用。发电系统采用开环闭环双系统模式，通过一套离网系统实现电能输出。配备智能监测功能以跟踪用户的运动数据和能源产出，从而提高用户的锻炼积极性和环保意识。经过仿真计算显示，该健身器的发电功率最高可达300W，生物能转化率可达71.8%。

关键字：可发电式健身器；生物能；可调转动惯量飞轮；离网系统

引言

随着全球工业化和城市化进程的加快，能源需求快速增长，但也伴随着大量的能源浪费和二氧化碳等温室气体的排放，加速了全球气候变暖。而健身房里每天都会产生大量运动能量，如果这部分能量可以被收集并利用，不仅为健身房降低了用电成本，还有利于降低碳排放，节能环保。本文设计的可发电式多功能复合健身器可收集人体运动时输出的生物能并以电能形式输出，以达到绿色健身，节能减排的效果[1]。

1总方案设计

该健身器主要由动力传输系统、发电系统两部分组成。健身产生的生物能通过动力传输系统进行能量传递，发电系统将其转化为电能，直接为用电器供电，且部分电能可为智能监测系统供电。健身器总体结构如图1所示。

图1健身器总体结构

2动力传输系统

该部分主要由变速自行车的变速器系统以及转动惯量可调飞轮组构成。通过走步和骑行两种健身方式，依次通过链传动，转动惯量可调飞轮和带传动，驱动发电机工作。为了提高带传动效率，发电机带传动处安装一个可调节张紧轮提高传动效率。图2为动力传输系统示意图。

图2动力传输系统示意图

2.1可调节转动惯量飞轮

转动惯量可调的飞轮主要包括飞轮组（见图3）以及调整锁紧装置（见图4）两大部分构成。通过调整锁紧装置控制飞轮组的开合，改变飞轮转动惯量，进而转换不同阻力级别[2][3]。

其工作原理（见图5）如下：弧形齿条安装于旋转盘，齿轮与弧形齿条形成内啮合齿轮配合，通过转动与齿轮同心的棘轮齿轮，带动齿轮、弧形齿条的运动，进而带动旋转盘的转动，使飞轮实现旋转开合功能，调整其转动惯量。此外为了克服飞轮的离心力，通过棘爪实现锁紧效果保持其状态稳定。

图3飞轮组图4调整锁紧装置图5工作原理图

2.2飞轮转动惯量计算及储能

该飞轮的棘轮齿轮齿数为8，则调整卡紧装置调整的最小角度为45°，齿轮齿数为，弧形齿条的齿数为，齿数比为。当齿轮转过角度时，弧形齿条转过角度，则旋转盘同样转过。则旋转盘总转过角度，（其中，为棘轮齿轮转过的齿数）。又根据设计的飞轮旋转盘转过角度量程为50°，则。

综上所述，在棘轮齿轮转过个齿后旋转盘转过总角度

且

代入即可求得。

利用Solidworks软件对飞轮转动惯量进行仿真计算，计算结果如表1所示。

表1飞轮转动惯量

根据公式（单位：焦耳）即可求得飞轮储存能量和。飞轮储存能量越大，阻尼效果越强。

3发电系统

发电系统采用开环闭环双系统模式，输出电压经过稳压器稳压24V后，通过控制器对离网电力系统进行管理和控制。转速较低时，经过稳压整流之后的电能可直接为整个健身器的监测系统（如显示屏，传感器等）进行供电，实现一个伪闭环系统[4]。当达到一定转速后，通过连接逆变器输出220V交流电压，直接用于负载供电，减少能量损耗，实现一个开环系统。图6为发电系统工作原理图。

图 6 发电系统工作原理图

3.1理论计算

通过查找资料得,人在骑行机和椭圆机上运动时输入转矩一般约为,链轮主动轮转速约为,输入功率大小。

3.1.1链传动

设链轮主动轮齿数为,链轮从动轮齿数,则传动比,以及输出转速。部分相关结果如表2所示。

表2链传动比及输出转速

由上表可知链传动输出转速约为58.85290.91。链传动效率。

链传动输出功率。

链传动输出转矩。

3.1.2带传动

设带轮主动轮基准直径为 ,带轮从动轮基准直径为,则平均传动比为滑动率,

一般为,可忽略不计。相关结果如表3所示。

表3带传动比及输出转速

由上表可知带传动输出转速

约为178.98737.60。带传动效率。

带传动输出功率。

带传动输出转矩（发电机输入转矩）。

3.1.3电机选择

通过对转矩范围以及转速范围，最终选择额定功率为的发电机[5]，表4是发电机相关参数。

表4发电机参数

3.1.4最终输出功率

发电机输入功率为320W,发电机效率稳压器效率,控制器效率,逆变器效率。

最终输出功率,生物能转化率。

3.2控制器设计

根据实际测验发现，发电机输入转速低于200r/min时，输出电压较低，易发生欠压工作损坏负载。考虑到发电机转速和功率的关系以及合理性，本文设计了一种专门的控制器，工作流程图如图7。

开关3为开关1的双联多控开关，即开关3会随开关1动作而发生相同的动作。开关2与开关1形成电气互锁，即两开关不能同时断开或开启。

发电机转速未达到200r/min，总开关断开，发电机只用于给显示屏传感器供电，避免欠压工作损坏负载。转速超过200r/min，总开关闭合。当控制器检测到负载接入，开关1闭合，开关3相应闭合，开关2断开，发电机和蓄电池优先给负载供电；当控制器未检测到负载接入，开关1断开，开关3相应断开，开关2闭合，发电机为蓄电池供电。此设计可实现对能源的合理分配。

图7控制器流程图

4结语

该健身器整将骑行机和椭圆机结合于一体，且该健身器最大特点在于生物能发电，利用用户运动产生的生物能转化为电能，减少对外部电源的依赖，实现了能源的有效利用。另外，人体生物能发电具有可再生性，低成本以及低碳环保等特点，可有效降低碳排放。另外，采用一种转动惯量可调的飞轮，能量损耗低。该健身器与其他健身器相比更加节能环保。

参考文献

[1]王安华，万东东，王沐阳等.可发电健身装置设计[J].通信电源技术，2019，36(05):108-109.

[2]司慧.飞轮转动惯量的动态设计[J].东北林业大学学报，2001(06):69-72.

[3]濮良贵，陈国定.机械设计[M].第十版.北京：高等教育出版社，2019.

[4]魏力.基于电子控制电路的健身单车发电系统开发研究[J].电子世界，2013，(05):33-34.

[5]王季秩，陈景华.电机实用技术[M].上海.上海科技出版社，1997.

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