健身單車發(fā)電系統(tǒng)裝置的研究

劉紅濤等

摘 要：基于節(jié)能環(huán)保的理念，設(shè)計一個健身單車發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)將人騎單車產(chǎn)生的機械能通過發(fā)電機最終轉(zhuǎn)化為電能輸出。利用蓄電池儲存電能，以供其他用電設(shè)備使用。本文就此系統(tǒng)的基本原理進行了討論，并對各部分設(shè)計進行論述，從而論證此系統(tǒng)的可實施性。

關(guān)鍵詞：健身單車；發(fā)電機；轉(zhuǎn)速；變傳動比調(diào)速

隨著人們物質(zhì)生活的不斷提高，身體健康越來越受到人們的高度重視，健身會所則受到人們的青睞。根據(jù)這一現(xiàn)象，我們調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在健身過程中，人體運動所產(chǎn)生的大量能量被白白的浪費。因此設(shè)想，將人們健身時產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為可利用的電能。利用健身單車發(fā)電的創(chuàng)意正好符合國家倡導(dǎo)的節(jié)能環(huán)保理念，具有重要意義和實用價值，發(fā)展前景十分廣闊。

1 系統(tǒng)裝置設(shè)計要求

一、根據(jù)調(diào)查得知，一般一個成年人在健身單車上運動時產(chǎn)生的平均功率為150～180W，所以設(shè)計時應(yīng)采取功率小且效率較高的發(fā)電機。二、由于健身的人群有年齡、性別、體能等差異，騎車的速度會有所不同，即轉(zhuǎn)速具有不穩(wěn)定性，并且機械運動速度越大，阻力越大，所以在設(shè)計系統(tǒng)時要加入轉(zhuǎn)速可調(diào)裝置，以適應(yīng)不同人的運動需要。三、人們在健身單車上不可能保持一個不變的速度，導(dǎo)致前面的發(fā)電機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，致使其輸出電壓忽高忽低，所以系統(tǒng)中必須引入穩(wěn)壓系統(tǒng)。四、由于人在健身時會頻繁的啟停，因此，系統(tǒng)要有適應(yīng)頻繁啟停的能力。五、為了避免電能的浪費，在系統(tǒng)中需加入一個電能儲存裝置。

2 系統(tǒng)裝置的工作原理

健身者蹬腳踏板時，轉(zhuǎn)速較低，加入一個傳動裝置將轉(zhuǎn)速提高一定的倍數(shù)，帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，輸出三相交流電，經(jīng)三相二極管整流橋整流變?yōu)殡妷好}動的直流電，輸入到直流穩(wěn)壓斬波器，PWM輸出控制器利用電壓反饋信號的輸入，控制直流穩(wěn)壓斬波器件的占空比，從而輸出幅值保持穩(wěn)定的直流電。直流電通過逆變器變?yōu)殡妷骸㈩l率穩(wěn)定的交流電，供用電設(shè)備使。用電設(shè)備正常工作時，對蓄電池進行充電；非正常工作時，蓄電池向負載進行放電。

3 系統(tǒng)裝置各部分分析

3.1 發(fā)電機的選擇

發(fā)電機計算與參數(shù)確定：1）額定功率P（W）：健身者運動時功率為150～500W，由于損耗，確定發(fā)電機額定功率150～400W；2）額定電壓U（V）：12～24V：3）額定轉(zhuǎn)速N（r/min）：發(fā)電機轉(zhuǎn)速越大，健身者需克服的阻力越大，額定轉(zhuǎn)速選擇為1000～3000r/min。選擇永磁式交流發(fā)電機。

3.2 傳動裝置分析

實驗時，人踩踏腳踏板時，帶動單車的前輪運動，靠前輪帶動一個摩擦輪轉(zhuǎn)動，通過皮帶傳動帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，通過改變兩軸的中心距來調(diào)節(jié)變速比，經(jīng)實驗測得單車踏板、前輪，發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比例如表。

3.3 整流濾波電路

整流濾波電路用來將發(fā)電機輸出的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，電路如圖1所示，采用橋式整流電路。輸出的直流電壓波形如圖2。

3.4 穩(wěn)壓斬波電路

將不穩(wěn)定的直流電用周期性的斬波，轉(zhuǎn)化為幅值固定的直流電。電路中的電容器可對輸出電壓中的紋波進行有效的抑制，而且電容器的容量越大，抑制作用越好，其供電維持性越好。

3.5 逆變電路

將穩(wěn)壓斬波電路輸出的直流電，輸入逆變器，得到電壓頻率一定的交流電，以供用電設(shè)備使用。此系統(tǒng)選擇全橋逆變電路，產(chǎn)生的電壓幅值是半橋逆變電路的兩倍，使系統(tǒng)對電能的利用性增強。

4 結(jié)語

本文利用健身者在健身過程中所產(chǎn)生的機械能通過發(fā)電機，傳動裝置及相關(guān)的控制電路轉(zhuǎn)化為可供使用的交流電，此系統(tǒng)滿足了健身者的要求，并達到了節(jié)能減排的目的。本文論證了該系統(tǒng)具有較高的理論和很好的可實施性。

參考文獻：

[1]陳俊峰.交流電機和直流電機[M].中國電力出版社，永磁電機（下冊），1982，3.

[2]夏云.摩托車用三相永磁同步發(fā)電機的分析和設(shè)計[J].微電機：2001（34）.

[3]魏連榮.電力電子技術(shù)及應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

基金項目：哈爾濱商業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目。項目編號：201310240003。endprint

摘 要：基于節(jié)能環(huán)保的理念，設(shè)計一個健身單車發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)將人騎單車產(chǎn)生的機械能通過發(fā)電機最終轉(zhuǎn)化為電能輸出。利用蓄電池儲存電能，以供其他用電設(shè)備使用。本文就此系統(tǒng)的基本原理進行了討論，并對各部分設(shè)計進行論述，從而論證此系統(tǒng)的可實施性。

關(guān)鍵詞：健身單車；發(fā)電機；轉(zhuǎn)速；變傳動比調(diào)速

隨著人們物質(zhì)生活的不斷提高，身體健康越來越受到人們的高度重視，健身會所則受到人們的青睞。根據(jù)這一現(xiàn)象，我們調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在健身過程中，人體運動所產(chǎn)生的大量能量被白白的浪費。因此設(shè)想，將人們健身時產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為可利用的電能。利用健身單車發(fā)電的創(chuàng)意正好符合國家倡導(dǎo)的節(jié)能環(huán)保理念，具有重要意義和實用價值，發(fā)展前景十分廣闊。

1 系統(tǒng)裝置設(shè)計要求

一、根據(jù)調(diào)查得知，一般一個成年人在健身單車上運動時產(chǎn)生的平均功率為150～180W，所以設(shè)計時應(yīng)采取功率小且效率較高的發(fā)電機。二、由于健身的人群有年齡、性別、體能等差異，騎車的速度會有所不同，即轉(zhuǎn)速具有不穩(wěn)定性，并且機械運動速度越大，阻力越大，所以在設(shè)計系統(tǒng)時要加入轉(zhuǎn)速可調(diào)裝置，以適應(yīng)不同人的運動需要。三、人們在健身單車上不可能保持一個不變的速度，導(dǎo)致前面的發(fā)電機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，致使其輸出電壓忽高忽低，所以系統(tǒng)中必須引入穩(wěn)壓系統(tǒng)。四、由于人在健身時會頻繁的啟停，因此，系統(tǒng)要有適應(yīng)頻繁啟停的能力。五、為了避免電能的浪費，在系統(tǒng)中需加入一個電能儲存裝置。

2 系統(tǒng)裝置的工作原理

健身者蹬腳踏板時，轉(zhuǎn)速較低，加入一個傳動裝置將轉(zhuǎn)速提高一定的倍數(shù)，帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，輸出三相交流電，經(jīng)三相二極管整流橋整流變?yōu)殡妷好}動的直流電，輸入到直流穩(wěn)壓斬波器，PWM輸出控制器利用電壓反饋信號的輸入，控制直流穩(wěn)壓斬波器件的占空比，從而輸出幅值保持穩(wěn)定的直流電。直流電通過逆變器變?yōu)殡妷?、頻率穩(wěn)定的交流電，供用電設(shè)備使。用電設(shè)備正常工作時，對蓄電池進行充電；非正常工作時，蓄電池向負載進行放電。

3 系統(tǒng)裝置各部分分析

3.1 發(fā)電機的選擇

發(fā)電機計算與參數(shù)確定：1）額定功率P（W）：健身者運動時功率為150～500W，由于損耗，確定發(fā)電機額定功率150～400W；2）額定電壓U（V）：12～24V：3）額定轉(zhuǎn)速N（r/min）：發(fā)電機轉(zhuǎn)速越大，健身者需克服的阻力越大，額定轉(zhuǎn)速選擇為1000～3000r/min。選擇永磁式交流發(fā)電機。

3.2 傳動裝置分析

實驗時，人踩踏腳踏板時，帶動單車的前輪運動，靠前輪帶動一個摩擦輪轉(zhuǎn)動，通過皮帶傳動帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，通過改變兩軸的中心距來調(diào)節(jié)變速比，經(jīng)實驗測得單車踏板、前輪，發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比例如表。

3.3 整流濾波電路

整流濾波電路用來將發(fā)電機輸出的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，電路如圖1所示，采用橋式整流電路。輸出的直流電壓波形如圖2。

3.4 穩(wěn)壓斬波電路

將不穩(wěn)定的直流電用周期性的斬波，轉(zhuǎn)化為幅值固定的直流電。電路中的電容器可對輸出電壓中的紋波進行有效的抑制，而且電容器的容量越大，抑制作用越好，其供電維持性越好。

3.5 逆變電路

將穩(wěn)壓斬波電路輸出的直流電，輸入逆變器，得到電壓頻率一定的交流電，以供用電設(shè)備使用。此系統(tǒng)選擇全橋逆變電路，產(chǎn)生的電壓幅值是半橋逆變電路的兩倍，使系統(tǒng)對電能的利用性增強。

4 結(jié)語

本文利用健身者在健身過程中所產(chǎn)生的機械能通過發(fā)電機，傳動裝置及相關(guān)的控制電路轉(zhuǎn)化為可供使用的交流電，此系統(tǒng)滿足了健身者的要求，并達到了節(jié)能減排的目的。本文論證了該系統(tǒng)具有較高的理論和很好的可實施性。

參考文獻：

[1]陳俊峰.交流電機和直流電機[M].中國電力出版社，永磁電機（下冊），1982，3.

[2]夏云.摩托車用三相永磁同步發(fā)電機的分析和設(shè)計[J].微電機：2001（34）.

[3]魏連榮.電力電子技術(shù)及應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

基金項目：哈爾濱商業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目。項目編號：201310240003。endprint

摘 要：基于節(jié)能環(huán)保的理念，設(shè)計一個健身單車發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)將人騎單車產(chǎn)生的機械能通過發(fā)電機最終轉(zhuǎn)化為電能輸出。利用蓄電池儲存電能，以供其他用電設(shè)備使用。本文就此系統(tǒng)的基本原理進行了討論，并對各部分設(shè)計進行論述，從而論證此系統(tǒng)的可實施性。

關(guān)鍵詞：健身單車；發(fā)電機；轉(zhuǎn)速；變傳動比調(diào)速

隨著人們物質(zhì)生活的不斷提高，身體健康越來越受到人們的高度重視，健身會所則受到人們的青睞。根據(jù)這一現(xiàn)象，我們調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在健身過程中，人體運動所產(chǎn)生的大量能量被白白的浪費。因此設(shè)想，將人們健身時產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為可利用的電能。利用健身單車發(fā)電的創(chuàng)意正好符合國家倡導(dǎo)的節(jié)能環(huán)保理念，具有重要意義和實用價值，發(fā)展前景十分廣闊。

1 系統(tǒng)裝置設(shè)計要求

一、根據(jù)調(diào)查得知，一般一個成年人在健身單車上運動時產(chǎn)生的平均功率為150～180W，所以設(shè)計時應(yīng)采取功率小且效率較高的發(fā)電機。二、由于健身的人群有年齡、性別、體能等差異，騎車的速度會有所不同，即轉(zhuǎn)速具有不穩(wěn)定性，并且機械運動速度越大，阻力越大，所以在設(shè)計系統(tǒng)時要加入轉(zhuǎn)速可調(diào)裝置，以適應(yīng)不同人的運動需要。三、人們在健身單車上不可能保持一個不變的速度，導(dǎo)致前面的發(fā)電機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，致使其輸出電壓忽高忽低，所以系統(tǒng)中必須引入穩(wěn)壓系統(tǒng)。四、由于人在健身時會頻繁的啟停，因此，系統(tǒng)要有適應(yīng)頻繁啟停的能力。五、為了避免電能的浪費，在系統(tǒng)中需加入一個電能儲存裝置。

2 系統(tǒng)裝置的工作原理

健身者蹬腳踏板時，轉(zhuǎn)速較低，加入一個傳動裝置將轉(zhuǎn)速提高一定的倍數(shù)，帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，輸出三相交流電，經(jīng)三相二極管整流橋整流變?yōu)殡妷好}動的直流電，輸入到直流穩(wěn)壓斬波器，PWM輸出控制器利用電壓反饋信號的輸入，控制直流穩(wěn)壓斬波器件的占空比，從而輸出幅值保持穩(wěn)定的直流電。直流電通過逆變器變?yōu)殡妷?、頻率穩(wěn)定的交流電，供用電設(shè)備使。用電設(shè)備正常工作時，對蓄電池進行充電；非正常工作時，蓄電池向負載進行放電。

3 系統(tǒng)裝置各部分分析

3.1 發(fā)電機的選擇

發(fā)電機計算與參數(shù)確定：1）額定功率P（W）：健身者運動時功率為150～500W，由于損耗，確定發(fā)電機額定功率150～400W；2）額定電壓U（V）：12～24V：3）額定轉(zhuǎn)速N（r/min）：發(fā)電機轉(zhuǎn)速越大，健身者需克服的阻力越大，額定轉(zhuǎn)速選擇為1000～3000r/min。選擇永磁式交流發(fā)電機。

3.2 傳動裝置分析

實驗時，人踩踏腳踏板時，帶動單車的前輪運動，靠前輪帶動一個摩擦輪轉(zhuǎn)動，通過皮帶傳動帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，通過改變兩軸的中心距來調(diào)節(jié)變速比，經(jīng)實驗測得單車踏板、前輪，發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比例如表。

3.3 整流濾波電路

整流濾波電路用來將發(fā)電機輸出的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，電路如圖1所示，采用橋式整流電路。輸出的直流電壓波形如圖2。

3.4 穩(wěn)壓斬波電路

將不穩(wěn)定的直流電用周期性的斬波，轉(zhuǎn)化為幅值固定的直流電。電路中的電容器可對輸出電壓中的紋波進行有效的抑制，而且電容器的容量越大，抑制作用越好，其供電維持性越好。

3.5 逆變電路

將穩(wěn)壓斬波電路輸出的直流電，輸入逆變器，得到電壓頻率一定的交流電，以供用電設(shè)備使用。此系統(tǒng)選擇全橋逆變電路，產(chǎn)生的電壓幅值是半橋逆變電路的兩倍，使系統(tǒng)對電能的利用性增強。

4 結(jié)語

本文利用健身者在健身過程中所產(chǎn)生的機械能通過發(fā)電機，傳動裝置及相關(guān)的控制電路轉(zhuǎn)化為可供使用的交流電，此系統(tǒng)滿足了健身者的要求，并達到了節(jié)能減排的目的。本文論證了該系統(tǒng)具有較高的理論和很好的可實施性。

參考文獻：

[1]陳俊峰.交流電機和直流電機[M].中國電力出版社，永磁電機（下冊），1982，3.

[2]夏云.摩托車用三相永磁同步發(fā)電機的分析和設(shè)計[J].微電機：2001（34）.

[3]魏連榮.電力電子技術(shù)及應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

基金項目：哈爾濱商業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目。項目編號：201310240003。endprint