發電式跑步機的實用設計

魏瑤， 孟令達， 王帥， 張延義， 楊洪剛

（上海電機學院，上海 200245）

0 引言

隨著現代生活水平不斷提高，人們對健康問題也越來越關注。公園隨處可見健身者，廣場舞也成了一道獨特的風景。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日常能量的來源呢？若將天然的人體能量合理利用，不但具有人與自然和諧發展的時代意義，也符合“低碳生活，綠色環保”的理念。

1 設計背景

據相關測量，一般身體狀況的人在跑步機上跑步5～10 min，所產生的電能能夠供應4個房間的LED燈亮1 h；如果跑步0.5 h，所產生的電能可以使24個LED燈亮1 h。如果將15臺發電式跑步機放在健身房中，每天有6 h在運作時，所產生的電能就可以供120 m2健身房的普通照明。這樣不僅能節約電能，減少碳排放，還能在我們運動的同時又為自己帶來經濟上的收益。設想，我們如果每天能在家鍛煉，而且能為家電設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。本實用新型設計就是以發電和供電設備為目標，以跑步機為發電裝置的實用發明。

目前市場上的一些跑步機，大致分為兩類：一是機械跑步機，二是電動跑步機。機械跑步機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。電動跑步機需要消耗一定的電能來輔助人們運動，減少人體運動負擔，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，有人設計了一種電動節能跑步機，它的基本設計思路是將能量轉化，把人們運動消耗的體內能量轉化為電能，把跑步機的滾筒結構改變成為發電機，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的滾筒上，實現人體健身與發電兩大功能，其設計結構巧妙，能量轉化率高。但是這樣的跑步機只能將部分能量轉化，利用率低，結構也較復雜。大部分機械跑步機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 產品設計

2.1 設計思路

將跑步機的前滾軸通過加工后安裝上皮帶與發電機的輸入軸連接，當人在跑步機上跑步時，滾軸旋轉帶動皮帶傳動使發電機輸入軸轉動，發電機開始工作。但由于人跑步的速度不是勻速的，所以發電機的輸出電量也不穩定，因此設計過程中增加了發電機的整流器，其作用是：將發電機輸出的交流電變為直流電輸出，為用電設備供電。當人在跑步機上運動，不輸出用電時，則通過蓄電池將電量存儲以備用輸出。發電式跑步機結構原理如圖1所示。

圖1 結構原理圖

2.2工作原理

如圖2，當運動者在跑步機上運動時，動力通過皮帶傳動到發電機，發電機轉子旋轉，定子線圈在旋轉的磁場內運動產生電流，電流的輸出由動力輸入決定，通過發電機發電后連接整流器和電容，將輸出的電流轉化為直流，并且通過電容后使電流更加穩定，這樣也就提高了對負載供電的能力。由于每個人的體力不同，輸出電量不同，當體力比較差的人在跑步機上運動，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備用電，這樣就解決了電流輸出的不穩定和電壓太弱的問題。

發電式跑步機的設計解決了以下三個問題：

1）跑步機的轉速不穩定。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。器械的轉速直接用來發電是遠遠不夠的，通過加大跑步機轉軸直徑增加了發動機的轉速，此外還采用儲能備用減少了這一缺陷。

3）發電、用電的平衡。由于人在跑步機上跑步速度的不確定性，因此發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 結語

發電式跑步機的實用設計提高了人們跑步的趣味性，將人強身健體的運動變成了一種低碳環保的生活樂趣，不僅能通過跑步機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，又實現了能量的有效利用。但是該設計也有一定的局限，即如果運動者的體力不夠，就不能直接在跑步機上運動，因此對跑步者的體力有相應的需求，對跑步機的類型也有一定的要求。

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

［2］ 濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［3］ 姚年春，侯玉杰.電工基礎［M］.北京：人民郵電出版社，2010.