健身单车储能发电装置运动强度的调节

张文龙 冯喜奎 曹晓彦

摘 要：现在市场上的储能健身单车设备，基本停留在构想和设计阶段，仅有个别实验性的小型模型用于可行性验证及科普，其运动强度不可调节，不能满足专业健身的需要，大部分设备仅仅用于科普教育及娱乐活动。下面为储能型健身单车系统设计了几种运动强度调节系统，在保证储能的情况下对健身器材的健身强度可调，解决不同健身者身体状况存在差异，和健身的不同阶段需要不同的运动强度的问题。

关键词：运动健身；储能发电；健身强度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.016

0 引言

随着国家经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，重视健身的人越来越多，健身器械市场也不断发展，为健身者开发了品类更多，更具专业性的健身器材。健身器械为了调节运动强度，通常装有阻尼装置，而阻尼装置的阻力将使人体运动产生的机械能转变为热能而消耗掉，很难将其回收利用。

近年来，能源需求持续增长，环境保护压力日益增大。建设资源节约型、环境友好型社会，已经成为我国可持续发展战略的重要组成部分。[1]

在健身房余能回收发电领域，国内基本停留在构想和设计阶段，仅有个别实验性的小型模型验证了利用健身器材发电的可行性。[2-6]健身发电器材在使用过程中存在下列几个问题，由于健身者有男女老幼之分，身体状况存在差异，且健身的不同阶段所需要的运动强度也有所不同，所以健身器材需要對健身强度可调，满足健身者的不同健身需要。

1 市场现状

现在市场上的健身单车多采用摩擦阻尼装置，通过调节轮盘与摩擦阻尼装置的接触压强，实现不同的运动强度。而针对健身单车储能发电装置的运动强度调节研究还很缺乏。

现有的健身单车储能发电装置主要分为以下几个部分：（1）健身单车部分；（2）发电机；（3）电路系统；（4）充电器；（5）蓄电池。

健身者使用健身器械健身时，对健身器械施力，这些机械能直接传递至发电机，发电装置发出的电流，通过电路系统，进行稳流，滤波等一系列电路变为稳定的交流电，再通过充电器充到电池里进行储能。这种健身单车储能发电装置结构简单，但发电效率低，针对性不强，不能满足专业健身者的健身需要。

2 设计方案

下面为储能型健身单车系统设计了几种运动强度调节系统，达到对健身强度可调的要求。

2.1 加入变速结构

在各种机器设备和机械传动装置中，为了减速、增速和变速等特殊用途，经常采用各种变速机构。储能装置中机械变速传动机构的选择是影响到储能装置能量转化效率高低的一个重要部件。[7]

可以借鉴变速自行车链条变速器结构，设计一套变速机构。

变速自行车链条变速器，通过控制手拨器对变速线的拉紧程度控制导链装置进行左右移动，推动链条从一个齿片移到另一个齿片，完成变速，能够对单车进行变档调速，调节传动比，以适应不同环境下的骑行要求。

可以将其改装后安装至健身单车储能发电装置，通过机械变速器控制健身阻力，调节健身强度。

此变速机构在单车轴和发电机轴上都安装有齿数不同的齿片，通过链条进行传动。可以控制导链装置左右移动，推动链条从一个齿片移到另一个齿片，完成变速，调节传动，从而达到调节运动强度的目的。

链传动是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。链传动具有许多传动装置所不具有的优点。

（1）与带传动比较，它能保证准确的平均传动比，传递功率较大，且作用在轴和轴承上的力较小；

（2）与齿轮传动比较，它可以在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力，能保持准确的平均传动比；

（3）传递效率较高，一般可达0.95～0.97；

（4）需要的张紧力小，作用于轴的压力也小，可减少轴承的摩擦损失；

（5）结构紧凑；能在温度较高、有油污等恶劣环境条件下工作，环境适应能力较强。

若健身者给予踏板的线速度为，为踏板与主轴的中心距。

当为定值时， 可以通过变速器调节其值的大小，使健身者对踏板的力F不同，达到调节运动强度的需要，同时发电机的发电功率发生变化。

加装链条变速器结构的储能健身单车装置：（1）健身单车部分；（2）链条变速器；（3）发电机；（4）电路系统；（5）充电器；（6）蓄电池。

2.2 采用励磁发电机装置

交流励磁发电机又被人们称之为双馈发电机，是供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备的统称。交流励磁发电机由于转子方采用交流电压励磁， 通过调节励磁电压调配功率而永磁电机是通过转速来调节功率的，因此励磁发电机有更灵活的运行方式。

与永磁电机相比励磁电机控制简单、不怕振动、装配简单：只要控制励磁电流就可控制磁场强度，而励磁电流远小于电枢电流，所以励磁控制器简单、可靠性高，成本也低，通过调节磁阻的大小，间接调节双馈发电机。

发电机励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。调节手动或自动调节器，励磁功率源的高低会发生改变，励磁绕组的磁阻会随之变化。能够实现调节发电机机功率和运动强度的要求。

采用励磁发电机的储能健身单车装置：（1）健身单车部分；（2）励磁发电机；（3）电路系统；（4）充电器；（5）蓄电池。

参考文献：

[1]梁涵卿，杨智伟，李力行，孟金棒，吕凯文.健身器械动能发电及接入电网的自适应控制系统[J].智能电网，2014，2（04）：45-47.

[2]高路，徐树平，王旭.多功能健身发电车的设计[J].吉林化工学院学报，2012，29（11）：68-71.

[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（19）：79.

[4]李龙龙.基于健身器械的发、用电系统的设计[J].科技创新导报， 2010（22）：25-26.

[5]徐龙.健身器械能量利用装置[J].科技创新导报，2013（28）：252.

[6]胥军，李争柱，陈涛涛等.一种健身发电弹簧椅的设计[J].应 用科技，2011，38（10）：6-8.

[7]张俊.健身器储能装置传动机构的设计[D].南京航空航天大学，2008.