健身单车发电系统装置的研究

    刘红涛等

    摘 要：基于节能环保的理念，设计一个健身单车发电系统。该系统将人骑单车产生的机械能通过发电机最终转化为电能输出。利用蓄电池储存电能，以供其他用电设备使用。本文就此系统的基本原理进行了讨论，并对各部分设计进行论述，从而论证此系统的可实施性。

    关键词：健身单车；发电机；转速；变传动比调速

    随着人们物质生活的不断提高，身体健康越来越受到人们的高度重视，健身会所则受到人们的青睐。根据这一现象，我们调查发现，在健身过程中，人体运动所产生的大量能量被白白的浪费。因此设想，将人们健身时产生的机械能转化为可利用的电能。利用健身单车发电的创意正好符合国家倡导的节能环保理念，具有重要意义和实用价值，发展前景十分广阔。

    1 系统装置设计要求

    一、根据调查得知，一般一个成年人在健身单车上运动时产生的平均功率为150～180W，所以设计时应采取功率小且效率较高的发电机。二、由于健身的人群有年龄、性别、体能等差异，骑车的速度会有所不同，即转速具有不稳定性，并且机械运动速度越大，阻力越大，所以在设计系统时要加入转速可调装置，以适应不同人的运动需要。三、人们在健身单车上不可能保持一个不变的速度，导致前面的发电机转速不稳定，致使其输出电压忽高忽低，所以系统中必须引入稳压系统。四、由于人在健身时会频繁的启停，因此，系统要有适应频繁启停的能力。五、为了避免电能的浪费，在系统中需加入一个电能储存装置。

    2 系统装置的工作原理

    健身者蹬脚踏板时，转速较低，加入一个传动装置将转速提高一定的倍数，带动发电机转动，输出三相交流电，经三相二极管整流桥整流变为电压脉动的直流电，输入到直流稳压斩波器，PWM输出控制器利用电压反馈信号的输入，控制直流稳压斩波器件的占空比，从而输出幅值保持稳定的直流电。直流电通过逆变器变为电压、频率稳定的交流电，供用电设备使。用电设备正常工作时，对蓄电池进行充电；非正常工作时，蓄电池向负载进行放电。

    3 系统装置各部分分析

    3.1 发电机的选择

    发电机计算与参数确定：1）额定功率P（W）：健身者运动时功率为150～500W，由于损耗，确定发电机额定功率150～400W；2）额定电压U（V）：12～24V：3）额定转速N（r/min）：发电机转速越大，健身者需克服的阻力越大，额定转速选择为1000～3000r/min。选择永磁式交流发电机。

    3.2 传动装置分析

    实验时，人踩踏脚踏板时，带动单车的前轮运动，靠前轮带动一个摩擦轮转动，通过皮带传动带动发电机转动，通过改变两轴的中心距来调节变速比，经实验测得单车踏板、前轮，发电机转子转速比例如表。

    3.3 整流滤波电路

    整流滤波电路用来将发电机输出的交流电转化为直流电，电路如图1所示，采用桥式整流电路。输出的直流电压波形如图2。

    3.4 稳压斩波电路

    将不稳定的直流电用周期性的斩波，转化为幅值固定的直流电。电路中的电容器可对输出电压中的纹波进行有效的抑制，而且电容器的容量越大，抑制作用越好，其供电维持性越好。

    3.5 逆变电路

    将稳压斩波电路输出的直流电，输入逆变器，得到电压频率一定的交流电，以供用电设备使用。此系统选择全桥逆变电路，产生的电压幅值是半桥逆变电路的两倍，使系统对电能的利用性增强。

    4 结语

    本文利用健身者在健身过程中所产生的机械能通过发电机，传动装置及相关的控制电路转化为可供使用的交流电，此系统满足了健身者的要求，并达到了节能减排的目的。本文论证了该系统具有较高的理论和很好的可实施性。

    参考文献：

    [1]陈俊峰.交流电机和直流电机[M].中国电力出版社，永磁电机（下册），1982，3.

    [2]夏云.摩托车用三相永磁同步发电机的分析和设计[J].微电机：2001（34）.

    [3]魏连荣.电力电子技术及应用[M].化学工业出版社，2010.

    基金项目：哈尔滨商业大学大学生创新创业训练计划项目。项目编号：201310240003。

    摘 要：基于节能环保的理念，设计一个健身单车发电系统。该系统将人骑单车产生的机械能通过发电机最终转化为电能输出。利用蓄电池储存电能，以供其他用电设备使用。本文就此系统的基本原理进行了讨论，并对各部分设计进行论述，从而论证此系统的可实施性。

    关键词：健身单车；发电机；转速；变传动比调速

    随着人们物质生活的不断提高，身体健康越来越受到人们的高度重视，健身会所则受到人们的青睐。根据这一现象，我们调查发现，在健身过程中，人体运动所产生的大量能量被白白的浪费。因此设想，将人们健身时产生的机械能转化为可利用的电能。利用健身单车发电的创意正好符合国家倡导的节能环保理念，具有重要意义和实用价值，发展前景十分广阔。

    1 系统装置设计要求

    一、根据调查得知，一般一个成年人在健身单车上运动时产生的平均功率为150～180W，所以设计时应采取功率小且效率较高的发电机。二、由于健身的人群有年龄、性别、体能等差异，骑车的速度会有所不同，即转速具有不稳定性，并且机械运动速度越大，阻力越大，所以在设计系统时要加入转速可调装置，以适应不同人的运动需要。三、人们在健身单车上不可能保持一个不变的速度，导致前面的发电机转速不稳定，致使其输出电压忽高忽低，所以系统中必须引入稳压系统。四、由于人在健身时会频繁的启停，因此，系统要有适应频繁启停的能力。五、为了避免电能的浪费，在系统中需加入一个电能储存装置。

    2 系统装置的工作原理

    健身者蹬脚踏板时，转速较低，加入一个传动装置将转速提高一定的倍数，带动发电机转动，输出三相交流电，经三相二极管整流桥整流变为电压脉动的直流电，输入到直流稳压斩波器，PWM输出控制器利用电压反馈信号的输入，控制直流稳压斩波器件的占空比，从而输出幅值保持稳定的直流电。直流电通过逆变器变为电压、频率稳定的交流电，供用电设备使。用电设备正常工作时，对蓄电池进行充电；非正常工作时，蓄电池向负载进行放电。

    3 系统装置各部分分析

    3.1 发电机的选择

    发电机计算与参数确定：1）额定功率P（W）：健身者运动时功率为150～500W，由于损耗，确定发电机额定功率150～400W；2）额定电压U（V）：12～24V：3）额定转速N（r/min）：发电机转速越大，健身者需克服的阻力越大，额定转速选择为1000～3000r/min。选择永磁式交流发电机。

    3.2 传动装置分析

    实验时，人踩踏脚踏板时，带动单车的前轮运动，靠前轮带动一个摩擦轮转动，通过皮带传动带动发电机转动，通过改变两轴的中心距来调节变速比，经实验测得单车踏板、前轮，发电机转子转速比例如表。

    3.3 整流滤波电路

    整流滤波电路用来将发电机输出的交流电转化为直流电，电路如图1所示，采用桥式整流电路。输出的直流电压波形如图2。

    3.4 稳压斩波电路

    将不稳定的直流电用周期性的斩波，转化为幅值固定的直流电。电路中的电容器可对输出电压中的纹波进行有效的抑制，而且电容器的容量越大，抑制作用越好，其供电维持性越好。

    3.5 逆变电路

    将稳压斩波电路输出的直流电，输入逆变器，得到电压频率一定的交流电，以供用电设备使用。此系统选择全桥逆变电路，产生的电压幅值是半桥逆变电路的两倍，使系统对电能的利用性增强。

    4 结语

    本文利用健身者在健身过程中所产生的机械能通过发电机，传动装置及相关的控制电路转化为可供使用的交流电，此系统满足了健身者的要求，并达到了节能减排的目的。本文论证了该系统具有较高的理论和很好的可实施性。

    参考文献：

    [1]陈俊峰.交流电机和直流电机[M].中国电力出版社，永磁电机（下册），1982，3.

    [2]夏云.摩托车用三相永磁同步发电机的分析和设计[J].微电机：2001（34）.

    [3]魏连荣.电力电子技术及应用[M].化学工业出版社，2010.

    基金项目：哈尔滨商业大学大学生创新创业训练计划项目。项目编号：201310240003。

    摘 要：基于节能环保的理念，设计一个健身单车发电系统。该系统将人骑单车产生的机械能通过发电机最终转化为电能输出。利用蓄电池储存电能，以供其他用电设备使用。本文就此系统的基本原理进行了讨论，并对各部分设计进行论述，从而论证此系统的可实施性。

    关键词：健身单车；发电机；转速；变传动比调速

    随着人们物质生活的不断提高，身体健康越来越受到人们的高度重视，健身会所则受到人们的青睐。根据这一现象，我们调查发现，在健身过程中，人体运动所产生的大量能量被白白的浪费。因此设想，将人们健身时产生的机械能转化为可利用的电能。利用健身单车发电的创意正好符合国家倡导的节能环保理念，具有重要意义和实用价值，发展前景十分广阔。

    1 系统装置设计要求

    一、根据调查得知，一般一个成年人在健身单车上运动时产生的平均功率为150～180W，所以设计时应采取功率小且效率较高的发电机。二、由于健身的人群有年龄、性别、体能等差异，骑车的速度会有所不同，即转速具有不稳定性，并且机械运动速度越大，阻力越大，所以在设计系统时要加入转速可调装置，以适应不同人的运动需要。三、人们在健身单车上不可能保持一个不变的速度，导致前面的发电机转速不稳定，致使其输出电压忽高忽低，所以系统中必须引入稳压系统。四、由于人在健身时会频繁的启停，因此，系统要有适应频繁启停的能力。五、为了避免电能的浪费，在系统中需加入一个电能储存装置。

    2 系统装置的工作原理

    健身者蹬脚踏板时，转速较低，加入一个传动装置将转速提高一定的倍数，带动发电机转动，输出三相交流电，经三相二极管整流桥整流变为电压脉动的直流电，输入到直流稳压斩波器，PWM输出控制器利用电压反馈信号的输入，控制直流稳压斩波器件的占空比，从而输出幅值保持稳定的直流电。直流电通过逆变器变为电压、频率稳定的交流电，供用电设备使。用电设备正常工作时，对蓄电池进行充电；非正常工作时，蓄电池向负载进行放电。

    3 系统装置各部分分析

    3.1 发电机的选择

    发电机计算与参数确定：1）额定功率P（W）：健身者运动时功率为150～500W，由于损耗，确定发电机额定功率150～400W；2）额定电压U（V）：12～24V：3）额定转速N（r/min）：发电机转速越大，健身者需克服的阻力越大，额定转速选择为1000～3000r/min。选择永磁式交流发电机。

    3.2 传动装置分析

    实验时，人踩踏脚踏板时，带动单车的前轮运动，靠前轮带动一个摩擦轮转动，通过皮带传动带动发电机转动，通过改变两轴的中心距来调节变速比，经实验测得单车踏板、前轮，发电机转子转速比例如表。

    3.3 整流滤波电路

    整流滤波电路用来将发电机输出的交流电转化为直流电，电路如图1所示，采用桥式整流电路。输出的直流电压波形如图2。

    3.4 稳压斩波电路

    将不稳定的直流电用周期性的斩波，转化为幅值固定的直流电。电路中的电容器可对输出电压中的纹波进行有效的抑制，而且电容器的容量越大，抑制作用越好，其供电维持性越好。

    3.5 逆变电路

    将稳压斩波电路输出的直流电，输入逆变器，得到电压频率一定的交流电，以供用电设备使用。此系统选择全桥逆变电路，产生的电压幅值是半桥逆变电路的两倍，使系统对电能的利用性增强。

    4 结语

    本文利用健身者在健身过程中所产生的机械能通过发电机，传动装置及相关的控制电路转化为可供使用的交流电，此系统满足了健身者的要求，并达到了节能减排的目的。本文论证了该系统具有较高的理论和很好的可实施性。

    参考文献：

    [1]陈俊峰.交流电机和直流电机[M].中国电力出版社，永磁电机（下册），1982，3.

    [2]夏云.摩托车用三相永磁同步发电机的分析和设计[J].微电机：2001（34）.

    [3]魏连荣.电力电子技术及应用[M].化学工业出版社，2010.

    基金项目：哈尔滨商业大学大学生创新创业训练计划项目。项目编号：201310240003。