可拆卸式健身单车发电装置设计

何芸菲，彭元修，黄佳乐，管志强

(南昌航空大学 信息工程学院，江西 南昌 330063)

1 引言

很多人将骑自行车作为有氧健身的一项运动。健身单车在运动科学领域属于典型的模拟户外运动的有氧健身器材，其身影在各大健身房也随处可见[1～3]。但是骑乘健身单车的适用场所很受限，并且大量由人体运动所产生的能量被白白的浪费。针对此情况，本文设计出一套装置，能够安装在自行车上，并将人们在骑行过程中所产生的能量转化为电能利用。该设计将自行车的功能通过新技术不断改造升级，具有广阔的发展前景[4]。

2 发电装置的工作原理

发电装置主要由传动机构、发电机以及稳压模块组成。可以实现通过人骑行自行车，后轮转动带动齿轮转动，通过链条带动发电机上齿轮转动从而实现发电，再由稳压模块对由不同转速发出的直流电压进行稳压处理，使最终输出的电压维持在±5 V的功能。

发电装置的整体组成结构如图1所示。主要由机械部分和电气部分两个部分组成。

图1 发电装置整体结构

该发电装置能够实现室内外，即自行车相对地面静止和相对地面运动两种状态下的使用。当用户只做室内健身用时，可以使用自行车的后轮立架令自行车后轮悬空，如此便可以做到在健身的同时存储能量了；倘若用作户外交通工具，则只需正常骑行，将蓄电池连接在稳压模块上，整个骑行过程也就是在存储能量的过程。

3 发电装置的总体设计

3.1 机械部分设计

3.1.1 传动机构设计

现如今的传动方式主要有带传动和链传动两种，考虑到自行车可能会有的使用环境和方式，选择链传动方式。其传动比比带传动的更精确，且前者相对后者的中心距更大，传动效率更高。由于材质问题，链传动更是能够在低速、高温等恶劣环境下工作[5～7]。

与链条相匹配的，还需要一个安装在发动机上的链轮，以此来实现发动机与自行车的结合。通过选择的发动机的尺寸可以得出，需要一个内孔直径为8 mm的链轮。由于常见的飞轮材质是塑料的，不能够在本设计中与发电机配合使用，而市场上无法找到符合条件的链轮，因此按照自行绘出的图纸通过车床进行加工，打造出了一个简单的，能与电机轴连接的链轮。

虽然自制的链轮能够与电机轴匹配，但无法将它们直接固定在一起，因此考虑到有限的工具，将链轮与电机轴通过焊接的方式固定在了一起。

3.1.2 发电机固定支架设计

综合发电装置安装不改变自行车本身结构的目的，设计一套固定支架。由于链条的长度大致固定，但是链条连接后会出现松动，所以该设计支架能够调节电机高度，从而改变链条的松紧程度。该支架还能够改变电机链轮与自行车后轮的对应平面位置，能够与各级齿轮相连接，从而达到调节变速比和链轮与自行车后齿轮平行的效果。能够使链条在自行车被长时间骑行下，仍不会松脱，可达到很好的固定效果，不影响使用者的体验感。

3.2 电气部分设计

3.2.1 发电机设计

发电机，通俗的讲就是一种能够发电的机械，是利用各种其他能源产生机械能，带动发电机产生电能[8～10]。

在对比过各类直流有刷电机和直流无刷电机后，了解到当转速达到600 r/min时，直流无刷电机才能够发出7.8 V的整流滤波后的直流电压，考虑到脚踏转速的一般范围和电机发电输出电压的情况，利用此类无刷电机很难实现发电功能，因此设计了一款利用R5-555SH型有刷直流电动机改造出来的有刷直流发电机。

其内部带有增速机构，这种增速机构在外轴转速很低的情况下电机轴就能够达到很大的转速[5,6]。通过多次实验不断改进后，能够实现当发动机转速在70～135 r/min时输出电压范围在13～30 V，即在与实际的自行车转速相匹配的条件下，能够得到理想的输出电压。

3.2.2 稳压模块设计

由于发电机产生的电压大小与自行车齿轮转速有关，因此该电压会由于骑行的速度不稳定而骤降骤升，此类电压对用电设备会产生巨大的危害。因此，以升降压斩波电路为核心设计了一个稳压模块[11,12]。在输入电压发生变化时能够保持一个恒定的输出电压，来达到给用电设备安全供电的目的。

考虑到目标用电设备所需为直流5 V电压，因此采用5 A大功率75 W DC-DC可调降压稳压电源模块。在此模块上，设计有电源指示灯、误差在0.05 V之内，量程在0～40 V的电压显示数码管，并还设计有指示灯，可通过指示灯区分、切换显示输入电压和输出电压。最后，经过多次实验，对于稳压模块在不同输入电压、输入电流情况下的输出电压、输出电流、输出功率进行了统计，具体数据见表1，可以得出该模块对功率的转换率最高可达到94%。

表1 稳压模块效率

3.2.3 蓄电池

蓄电池是将化学能直接转化为电能的一种装置，是按可再充电设计的电池，通过可逆的化学反应实现再充电，通常使用的是铅酸蓄电池，其工作原理为：充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能存储为化学能，需要放电时再次把化学能转化为电能输出[13,14]。

本次设计中主要运用到移动电源作为储能装置，移动电源比普通的蓄电池要方便得多，并且移动电源能够很好地给手机等电子设备充电。目前绝大多数的手机移动电源采用升压原理工作，其中含有充电管理路线，内置电芯的过充、过放、过流、短路保护；升压线路，把单个或多个并联的电芯电压3.7 V升至5 V输出，这个过程大致会有15%的损耗；软件保护电路，通过MCU对电流的检测，实现恒流输出，并带短路、过流、过充、过放保护。

由于在升压过程中的损耗[15]，因此移动电源的转化率一般为85%左右，若按照85%计算，那么一个10000 mA的移动电源的实际输出最大电量为:

(3.7 V×10000 mAh/5 V)×85%=6290 mAh

4 实验

为测试发电装置的发电功能及作用，选用一辆普通的山地自行车，并利用市面上常见的立架将自行车后轮悬空架起，放置在室内。将发电装置安装在自行车座位下，利用链轮使发电装置与后轮的齿轮相连。通过人在车上骑行，将机械能转化为电能，实物图如图2所示，该图拍摄的是骑行自行车给一个10000 mAh移动电源充电的过程。

图2 现场演示实物

经过多次实验，对该装置进行了初步的效果检验，当转速保持平均每分钟65转时，给容量2000 mAh的手机充电15%需要30 min；将该型号手机电量充满大致需要3.3 h；若需要充满一个10000 mAh的移动充电宝，则需要大致16.5 h。由此可看出：该装置在日常使用中，可以很好地达到预期效果，实现在骑行过程中给用电设备充电或将能量转化为电能存储下来的功能。

5 结论与讨论

本文从机械设计、电气设计两个部分着手，结合绿色环保的理念，较详细地描述了健身单车发电装置整个项目的构思、创作。为解决人们室内室外锻炼方式的问题，以山地自行车为对象，能够在不改变自行车本身结构的前提下，通过增加装置与自行车连接的方式来实现发电功能。在考虑发电过程的环节中，由于转速的大小直接决定着输出电压的大小，所以让发电机输出端与5V稳压模块相连，蓄电池的使用则避免了电能的浪费。通过现场演示很好地展示了健身单车发电装置的可操作性，本设计能够有效燃烧人们体内脂肪，在锻炼身体的同时可以对电子产品进行充电，达到健身发电的目的。本项目不同于目前市面上最普遍的只可用做健身房或家中的仿自行车健身单车发电设备，具有一定的先进性和实用性。