关键词：健身发电；电力电子；传输装置

一、简介

随着经济的快速发展，人们的生活水平逐步提高。越来越多的人不再满足于物质财富，而是更加关注自身的身体健康。因此，各种类型的健身房应运而生。本文设计了一种利用健身器材产生的机械能发电的系统，将机械能转化为电能并储存起来，供健身房内其他用电设备后续的正常运行使用。这将为健身房带来更大的经济效益，并为节能做出贡献。为环境保护做出一定的贡献。

2、国内外发展现状

健身器材发电技术国外已开发应用，主要发电是针对旋转运动器材。美国一家健身房在动感单车上安装了一种特殊装置，将动感单车产生的机械能转化为电能然后供给自行车，从而减少自行车对电能的使用，节约能源[1] 。

在我国，虽然健身器材制造业起步较晚，健身房使用的器材也比较传统，但近年来一些厂家在这方面取得了不错的成绩。例如，我国Inofi生产的技能型减碳发电健身车产生的电能既可以维持整个设备的用电需求，也可以作为应急电源[1]。山西大学研制的无摩擦发电自行车利用磁力原理发电。磁铁通过铁环固定在自行车后轮上。只要自行车的车轮转动，杆上的线圈就会切割磁感应线产生电流。产生的电流再经过整流、稳压模块给移动电源充电。移动电源中的电能还可以为照明供电。又如纳米发电机，将健身时产生的动能转化为电能，达到发电的目的，可为小型便携式设备供电[2]。

3、基于健身器材发电的系统设计

3.1 系统组成

为了将发电装置产生的电能储存起来，以便后续向小功率用电设备供电，本系统设计有输电装置、发电机、整流装置、直流降压斩波装置、蓄电池、等用于电力存储。系统流程图如图1所示。由于人们使用健身器材时齿轮转速低且随机，本系统设计了一个传动装置，将齿轮的低速转换为高速[3]。当转速增大到一定值时，即可带动永磁发电机的转子旋转。此时，永磁发电机输出的是电压和频率脉动的交流电。产生的交流电经二极管整流桥整流，变成只有电压脉动的直流电。直流电再经过直流降压斩波装置，输出稳定的幅值。该值的直流电压最终连接至电池以储存电能。当用电设备连接到系统时，电池通过逆变电路将直流电转换为交流电。整个系统实现了能源的循环利用，达到了节能减排的效果。

图1 健身器材发电流程图

3.2 整流降压装置设计

3.2.1 整流装置

整流器的作用是将交流电转变为直流电。本系统中，整流装置采用桥式整流滤波电路。为了说明原理，使用二极管的理想模型进行处理[4]。优点是电容电路简单，输出电压纹波小，可以获得比较稳定的直流电源；二极管承受的最大反向电压较低；同时，由于电源变压器在正负半周都有电流向负载供电，因此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

BUCK电路作为直流降压斩波装置的原理是将输入的高压直流电转换为低压直流电输出，以便于储存在电池中。该装置的原理如图2所示，从电路中可以看出，电感L和电容C组成了一个低通滤波器。该滤波器的设计原理是允许直流分量通过，同时抑制交流谐波分量通过。电容器 C 两端的输出电压是输出的直流分量和附加微小纹波的组合。但由于整个电路的工作频率相对于电容C的纹波波动频率非常高，因此电容C上的电压可以视为恒定，因此实际负载上的输出电压为直流。同时，电容C的储能容量越大，输出电压的纹波幅值越小，纹波对整个输出的影响越小，输出电压越趋于稳定的直流量[5]。

图2 直流降压斩波电路原理图

3.3 传动装置设计

现有的健身器材发电系统大多采用皮带传动。这种传统的皮带传动装置存在很多缺点，如传动过程中打滑严重、整个传动装置过热可能导致皮带变形或皮带劣化等，最终会缩短皮带的使用寿命。 [6]。如果采用链条传动，这个问题会得到更好的解决。即使轴心相距较远，链条传动也能保证相对稳定的输出。同时，链条传动不存在摩擦发热的问题，可以在各种恶劣的使用环境下使用。装置运行效率可达95%～97%，充分利用电能资源，提高整个系统的可靠性。

3.4 传动装置设计

国内已开发的利用健身发电的设备发电效率低、灵活性差，且无法通过变速调节阻力，难以适应不同人群的健身需求。创建一个可以改变速度的发电系统尤为重要[7]。经过研究发现可以通过传输装置来解决这个问题。当传动轴旋转时，拨叉在传动轴的作用下沿轴线移动，从而引起低速齿轮组滑动，引起高速和低速齿轮组中啮合的齿轮副发生变化，从而改变传动比，实现传动功能。该传动装置操作简单，传动轴变速平稳、准确[8]。

4、健身器材发电系统评价

该系统的能量来自于人们运动时健身器材产生的机械能。它易于维护且无需额外费用。与传统健身器材相比，利用健身器材发电不仅可以用于锻炼身体，还可以作为发电设备使用。具有稳定性好、流动性好、绿色环保等特点。另一方面，从用户体验的角度来看，健身者可以通过电池储存的电量直观地看到自己所做的运动量，从而提高健身者的积极性，让整个健身过程变得更加有趣，给健身带来好处爱好者。来一场全新的健身体验。

然而，利用健身器材发电存在一定的问题。以最常用的动感单车为例，由于人们健身时间的随机性，自行车的频繁启停就要求相应的发电机能够适应这种频繁的启停状态，否则很容易造成损坏。

5. 总结

本文基于永磁发电机、电力电子电路、电池等理论知识，提出了一种利用健身器材产生的机械能发电的系统。在改用链条传动的基础上，设计了有别于其他健身器材发电系统的传动装置。 。该装置打破了原有健身发电设备速度不可调的缺点。添加变速装置后，可以任意调节阻力，从而更好地满足不同人群的需求。

参考：

[1]谭华兴.健身俱乐部健身节能器材使用情况调查分析[J].科技致富指南，2012，（20）：78，66。

[2] 王东升.健身车及储能发电装置的设计研究[J].科技情报，2010（36）513-514.8

[3] 陈胜吉，郑阳，段波，等。基于电力电子控制电路的健身车发电系统开发[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]王文宇.电力电子技术应用电路[M]．机械工业出版社，第1版，2001年8月。

[6]雷宇，周光义。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]严毅.常见户外健身器材存在问题分析[J].科技风，2016，（19）：106。

[8] 刘军，张世梅，梁张丽，等。移动健身发电设备设计[J].机械制造，2020, 58(2): 25-27。