發(fā)電式跑步機(jī)的實用設(shè)計

魏瑤， 孟令達(dá)， 王帥， 張延義， 楊洪剛

（上海電機(jī)學(xué)院，上海 200245）

0 引言

隨著現(xiàn)代生活水平不斷提高，人們對健康問題也越來越關(guān)注。公園隨處可見健身者，廣場舞也成了一道獨特的風(fēng)景。人們健身的熱情在不斷高漲，各種各樣的健身器械相繼成為消費品，人們在健身房里燃燒脂肪，消耗能量，花錢買健康成了一種很奢侈的享受。

然而，能否把人運動的能量作為我們?nèi)粘Ｄ芰康膩碓茨?？若將天然的人體能量合理利用，不但具有人與自然和諧發(fā)展的時代意義，也符合“低碳生活，綠色環(huán)?！钡睦砟睢?/p>

1 設(shè)計背景

據(jù)相關(guān)測量，一般身體狀況的人在跑步機(jī)上跑步5～10 min，所產(chǎn)生的電能能夠供應(yīng)4個房間的LED燈亮1 h；如果跑步0.5 h，所產(chǎn)生的電能可以使24個LED燈亮1 h。如果將15臺發(fā)電式跑步機(jī)放在健身房中，每天有6 h在運作時，所產(chǎn)生的電能就可以供120 m2健身房的普通照明。這樣不僅能節(jié)約電能，減少碳排放，還能在我們運動的同時又為自己帶來經(jīng)濟(jì)上的收益。設(shè)想，我們?nèi)绻刻炷茉诩义憻?，而且能為家電設(shè)備提供我們的運動消耗的能量，則我們的運動就更加有意義，就更能提高我們運動的興趣。本實用新型設(shè)計就是以發(fā)電和供電設(shè)備為目標(biāo)，以跑步機(jī)為發(fā)電裝置的實用發(fā)明。

目前市場上的一些跑步機(jī)，大致分為兩類：一是機(jī)械跑步機(jī)，二是電動跑步機(jī)。機(jī)械跑步機(jī)速度由運動者自己控制。這種運動方式，就是在單純地耗費體力，雖然增加了運動量，但是這樣的運動方式就顯得枯燥，沒有動力。電動跑步機(jī)需要消耗一定的電能來輔助人們運動，減少人體運動負(fù)擔(dān)，這樣在人運動的同時也增加了額外能量消耗，然而怎么將這部分消耗的能量抵消掉？為了解決這個問題，有人設(shè)計了一種電動節(jié)能跑步機(jī)，它的基本設(shè)計思路是將能量轉(zhuǎn)化，把人們運動消耗的體內(nèi)能量轉(zhuǎn)化為電能，把跑步機(jī)的滾筒結(jié)構(gòu)改變成為發(fā)電機(jī)，把人跑步時上肢和下肢的運動通過手臂搖桿裝置連接起來，再把運動傳到跑步機(jī)的滾筒上，實現(xiàn)人體健身與發(fā)電兩大功能，其設(shè)計結(jié)構(gòu)巧妙，能量轉(zhuǎn)化率高。但是這樣的跑步機(jī)只能將部分能量轉(zhuǎn)化，利用率低，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。大部分機(jī)械跑步機(jī)上都裝有能量消耗檢測表，如果能將我們消耗的這部分能量大部分都用于能量轉(zhuǎn)化，并將其利用甚至是儲存起來也可以是很大一部分電能。

2 產(chǎn)品設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

將跑步機(jī)的前滾軸通過加工后安裝上皮帶與發(fā)電機(jī)的輸入軸連接，當(dāng)人在跑步機(jī)上跑步時，滾軸旋轉(zhuǎn)帶動皮帶傳動使發(fā)電機(jī)輸入軸轉(zhuǎn)動，發(fā)電機(jī)開始工作。但由于人跑步的速度不是勻速的，所以發(fā)電機(jī)的輸出電量也不穩(wěn)定，因此設(shè)計過程中增加了發(fā)電機(jī)的整流器，其作用是：將發(fā)電機(jī)輸出的交流電變?yōu)橹绷麟娸敵?，為用電設(shè)備供電。當(dāng)人在跑步機(jī)上運動，不輸出用電時，則通過蓄電池將電量存儲以備用輸出。發(fā)電式跑步機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)原理圖

2.2工作原理

如圖2，當(dāng)運動者在跑步機(jī)上運動時，動力通過皮帶傳動到發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，定子線圈在旋轉(zhuǎn)的磁場內(nèi)運動產(chǎn)生電流，電流的輸出由動力輸入決定，通過發(fā)電機(jī)發(fā)電后連接整流器和電容，將輸出的電流轉(zhuǎn)化為直流，并且通過電容后使電流更加穩(wěn)定，這樣也就提高了對負(fù)載供電的能力。由于每個人的體力不同，輸出電量不同，當(dāng)體力比較差的人在跑步機(jī)上運動，同時想要輸出電能，此時可以通過蓄電池將之前存儲的部分電量輸出提供設(shè)備用電，這樣就解決了電流輸出的不穩(wěn)定和電壓太弱的問題。

發(fā)電式跑步機(jī)的設(shè)計解決了以下三個問題：

1）跑步機(jī)的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。基本克服了體力差異的問題。

圖2 工作原理圖

2）輸出能量不夠大。器械的轉(zhuǎn)速直接用來發(fā)電是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，通過加大跑步機(jī)轉(zhuǎn)軸直徑增加了發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，此外還采用儲能備用減少了這一缺陷。

3）發(fā)電、用電的平衡。由于人在跑步機(jī)上跑步速度的不確定性，因此發(fā)出的電量會隨著滾軸速度的大小而改變，選擇合適的電容和蓄電池也解決了這一問題。

3 結(jié)語

發(fā)電式跑步機(jī)的實用設(shè)計提高了人們跑步的趣味性，將人強(qiáng)身健體的運動變成了一種低碳環(huán)保的生活樂趣，不僅能通過跑步機(jī)運動知道自己一天消耗了多少能量，而且還可以很有成就感地知道自己制造了多少能量。既滿足了人們的運動需求，又實現(xiàn)了能量的有效利用。但是該設(shè)計也有一定的局限，即如果運動者的體力不夠，就不能直接在跑步機(jī)上運動，因此對跑步者的體力有相應(yīng)的需求，對跑步機(jī)的類型也有一定的要求。

［1］ 楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程［M］.3版.北京：高等教育出版社，2010.

［2］ 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［3］ 姚年春，侯玉杰.電工基礎(chǔ)［M］.北京：人民郵電出版社，2010.