健身單車儲能發電裝置運動強度的調節

張文龍 馮喜奎 曹曉彥

摘 要：現在市場上的儲能健身單車設備，基本停留在構想和設計階段，僅有個別實驗性的小型模型用于可行性驗證及科普，其運動強度不可調節，不能滿足專業健身的需要，大部分設備僅僅用于科普教育及娛樂活動。下面為儲能型健身單車系統設計了幾種運動強度調節系統，在保證儲能的情況下對健身器材的健身強度可調，解決不同健身者身體狀況存在差異，和健身的不同階段需要不同的運動強度的問題。

關鍵詞：運動健身；儲能發電；健身強度

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

0 引言

隨著國家經濟的快速發展，人民生活水平的不斷提高，重視健身的人越來越多，健身器械市場也不斷發展，為健身者開發了品類更多，更具專業性的健身器材。健身器械為了調節運動強度，通常裝有阻尼裝置，而阻尼裝置的阻力將使人體運動產生的機械能轉變為熱能而消耗掉，很難將其回收利用。

近年來，能源需求持續增長，環境保護壓力日益增大。建設資源節約型、環境友好型社會，已經成為我國可持續發展戰略的重要組成部分。[1]

在健身房余能回收發電領域，國內基本停留在構想和設計階段，僅有個別實驗性的小型模型驗證了利用健身器材發電的可行性。[2-6]健身發電器材在使用過程中存在下列幾個問題，由于健身者有男女老幼之分，身體狀況存在差異，且健身的不同階段所需要的運動強度也有所不同，所以健身器材需要對健身強度可調，滿足健身者的不同健身需要。

1 市場現狀

現在市場上的健身單車多采用摩擦阻尼裝置，通過調節輪盤與摩擦阻尼裝置的接觸壓強，實現不同的運動強度。而針對健身單車儲能發電裝置的運動強度調節研究還很缺乏。

現有的健身單車儲能發電裝置主要分為以下幾個部分：（1）健身單車部分；（2）發電機；（3）電路系統；（4）充電器；（5）蓄電池。

健身者使用健身器械健身時，對健身器械施力，這些機械能直接傳遞至發電機，發電裝置發出的電流，通過電路系統，進行穩流，濾波等一系列電路變為穩定的交流電，再通過充電器充到電池里進行儲能。這種健身單車儲能發電裝置結構簡單，但發電效率低，針對性不強，不能滿足專業健身者的健身需要。

2 設計方案

下面為儲能型健身單車系統設計了幾種運動強度調節系統，達到對健身強度可調的要求。

2.1 加入變速結構

在各種機器設備和機械傳動裝置中，為了減速、增速和變速等特殊用途，經常采用各種變速機構。儲能裝置中機械變速傳動機構的選擇是影響到儲能裝置能量轉化效率高低的一個重要部件。[7]

可以借鑒變速自行車鏈條變速器結構，設計一套變速機構。

變速自行車鏈條變速器，通過控制手撥器對變速線的拉緊程度控制導鏈裝置進行左右移動，推動鏈條從一個齒片移到另一個齒片，完成變速，能夠對單車進行變檔調速，調節傳動比，以適應不同環境下的騎行要求。

可以將其改裝后安裝至健身單車儲能發電裝置，通過機械變速器控制健身阻力，調節健身強度。

此變速機構在單車軸和發電機軸上都安裝有齒數不同的齒片，通過鏈條進行傳動?？梢钥刂茖ф溠b置左右移動，推動鏈條從一個齒片移到另一個齒片，完成變速，調節傳動，從而達到調節運動強度的目的。

鏈傳動是通過鏈條將具有特殊齒形的主動鏈輪的運動和動力傳遞到具有特殊齒形的從動鏈輪的一種傳動方式。鏈傳動具有許多傳動裝置所不具有的優點。

（1）與帶傳動比較，它能保證準確的平均傳動比，傳遞功率較大，且作用在軸和軸承上的力較小；

（2）與齒輪傳動比較，它可以在兩軸中心相距較遠的情況下傳遞運動和動力，能保持準確的平均傳動比；

（3）傳遞效率較高，一般可達0.95～0.97；

（4）需要的張緊力小，作用于軸的壓力也小，可減少軸承的摩擦損失；

（5）結構緊湊；能在溫度較高、有油污等惡劣環境條件下工作，環境適應能力較強。

若健身者給予踏板的線速度為，為踏板與主軸的中心距。

當為定值時， 可以通過變速器調節其值的大小，使健身者對踏板的力F不同，達到調節運動強度的需要，同時發電機的發電功率發生變化。

加裝鏈條變速器結構的儲能健身單車裝置：（1）健身單車部分；（2）鏈條變速器；（3）發電機；（4）電路系統；（5）充電器；（6）蓄電池。

2.2 采用勵磁發電機裝置

交流勵磁發電機又被人們稱之為雙饋發電機，是供給同步發電機勵磁電流的電源及其附屬設備的統稱。交流勵磁發電機由于轉子方采用交流電壓勵磁， 通過調節勵磁電壓調配功率而永磁電機是通過轉速來調節功率的，因此勵磁發電機有更靈活的運行方式。

與永磁電機相比勵磁電機控制簡單、不怕振動、裝配簡單：只要控制勵磁電流就可控制磁場強度，而勵磁電流遠小于電樞電流，所以勵磁控制器簡單、可靠性高，成本也低，通過調節磁阻的大小，間接調節雙饋發電機。

發電機勵磁系統一般由勵磁功率單元和勵磁調節器兩個主要部分組成。調節手動或自動調節器，勵磁功率源的高低會發生改變，勵磁繞組的磁阻會隨之變化。能夠實現調節發電機機功率和運動強度的要求。

采用勵磁發電機的儲能健身單車裝置：（1）健身單車部分；（2）勵磁發電機；（3）電路系統；（4）充電器；（5）蓄電池。

參考文獻：

[1]梁涵卿，楊智偉，李力行，孟金棒，呂凱文.健身器械動能發電及接入電網的自適應控制系統[J].智能電網，2014，2（04）：45-47.

[2]高路，徐樹平，王旭.多功能健身發電車的設計[J].吉林化工學院學報，2012，29（11）：68-71.

[3]陳圣吉，鄭陽，段波等.基于電力電子控制電路的健身單車發電系統的研制[J].科技創新導報，2009（19）：79.

[4]李龍龍.基于健身器械的發、用電系統的設計[J].科技創新導報， 2010（22）：25-26.

[5]徐龍.健身器械能量利用裝置[J].科技創新導報，2013（28）：252.

[6]胥軍，李爭柱，陳濤濤等.一種健身發電彈簧椅的設計[J].應 用科技，2011，38（10）：6-8.

[7]張俊.健身器儲能裝置傳動機構的設計[D].南京航空航天大學，2008.