一種能發電儲能的多用途自動收縮跳繩的設計

白宜琳

（西南大學附屬中學校，重慶，400700）

0 引言

跳繩是一項極佳的健體運動，能有效訓練個人的反應和耐力，有助于保持個人體態健美和協調性，從而達到強身健體的目的[1]。跳繩運動的配備簡單，大多數人用得是普通的跳繩。用完的繩子不好收拾，下次使用，繩子卻打結纏繞在一起。為解決繩索自動收縮的問題，同時充分利用繩索轉動的能量發電，本文設計了一種能發電儲能的多用途自動收縮跳繩。設計的新型跳繩利用電機將繩索自動收回，解決了繩索不好收拾且易纏繞的問題；繩索通過軸與永磁電機相聯接，繩索轉動時驅動該電機發電，反過來給該電機供電，就作為繩索回收的驅動電機；利用自身產生并儲存的電能，可實現電筒發光、手機充電、報警等多種用途。

1 總體設計

本文設計的新型多功能跳繩的總體設計分為四大模塊，包括：繩索自動收縮模塊、發電儲能模塊、卷繩驅動模塊以及多功能模塊。在第四部分多功能模塊中包含有：充電電路設計、報警電路設計、照明電路設計和電機切換電路設計。

圖1 手柄結構簡圖和主要部件

本文設計的能發電儲能的多用途自動收縮跳繩包括兩個手柄和一根繩索，兩個手柄的基本結構相似，具體結構如圖1所示。手柄內包括微型發電及驅動一體的電機、繩索收縮纏繞部件、LED燈泡、USB充電接口、充放電轉換電路、報警按鈕及電路等部件。

總體思路：繩索安裝在與微型永磁電機軸固定連接的滾筒上。手柄內安裝有蓄電池、轉換電路和喇叭、USB充電口、LED燈等元器件。手柄外殼上還有滑套和滾筒上凸緣，作為繩索收回時的纏繞導向裝置。跳繩時，向下收回滑套，揮動繩索驅動滾筒旋轉，滾筒帶動永磁電機的轉子旋轉，使電機進入發電狀態，發出的電能通過蓄電池存儲起來。跳繩結束需要回收繩索時，向外推出滑套，按動開關使電機通電，電機帶動滾筒旋轉，在滑套的導引下滾筒旋轉是繩索纏繞在滾筒上，實現繩索的自動收回。蓄電池積蓄的電能向LED燈泡、USB充電接口、報警蜂鳴器等通電即可實現相應的照明、手機充電、報警等功能。

2 繩索自動收縮系統設計

能發電儲能的多用途自動收縮跳繩內部詳細結構如圖2所示。圓柱形手柄上下兩半殼體組成，殼體內部有支架用于安裝電機、蓄電池、電路等器件；手柄頂部有滑槽安裝滑套，滑套套在手柄上部，并由波珠螺絲限制位置。

在繩柄端部安裝一個永磁有刷電機（帶減速器），在電機的輸出軸上安裝一個滾筒，滾筒兩端為圓形的凸緣，中間為細長的軸，用于纏繞跳繩；滾筒的下端凸緣直徑較小，上端凸緣較大。在繩柄上安裝一個可以上下移動的滑套，該滑套的軸線方向加工一個比較窄的槽形孔。

圖2 手柄內部結構圖

在需要收集跳繩時，將滑套上移一段距離和滾筒的上端凸緣配合形成一個空腔。將跳繩一端固定在滾筒的底部，當跳繩結束，按跳繩收集鍵，電機帶動滾筒旋轉，將跳繩從滑套的槽形孔拉入滑套與滾筒的上端凸緣配合形成的空腔中，并纏繞在滾筒上，從而將繩索收回到空腔中。滑套移動到上端位置時，電機的電源線直接接入電池的正負極，跳繩收集鍵顯露出來，按動跳繩收集鍵時，電機開始轉動并收集跳繩。滑套移動到下端位置時，電機的電源線接入開關穩壓電源的輸入端，跳繩時電機被繩索反拖旋轉發電，輸出的電壓經穩壓后向蓄電池充電。

3 發電儲能電路設計

永磁有刷直流減速電機在發電過程中正反轉時，電機的輸出電壓的正負是不一樣的[2]，而輸入到開關穩壓電源模塊的電壓的正負極是不變的。因此，需要在電機和開關穩壓電源模塊之間增加換向元件模塊，使輸入到開關穩壓電源模塊的電壓的極性不變。比較經濟的換向元件模塊是整流橋，可滿足電機正反轉時，將輸入到開關穩壓電源模塊的電壓極性不變[3]。

圖3 Canton-Power升降壓模塊

圖4 發電儲能電路

在跳繩速度為0～150次/min時，電機的轉速為0～150r/min時，輸出電壓在0～4.6V，而采用的鋰電池的充電電壓是4.2V，因此，在輸出電壓低于4.2V，需要將電壓升至4.2V；當輸出電壓高于4.2V時，需要將電壓降至4.2V。如圖3 是Canton-Power生產的升降壓模塊能滿足該功能，該模塊可實現將0.9～5V的電壓轉為4.2V的電壓，并且尺寸為32×16×5.8mm，適合在跳繩手柄中安裝，因此，選用該模塊作為升降壓模塊。

因此，發電儲能電路需要整流橋和升降壓模塊，該部分電路如圖4所示。

4 卷繩驅動電路設計

使用的永磁有刷直流減速電機工作電壓為0.6～5V，使用的鋰電池滿電壓為4.2V，因此，在需要電機拖動卷筒收集跳繩時，可將電機與鋰電池直接接通。為操作方便可，在回路中接一個點動開關，在需要卷繩時，按下點動開關，電機就可工作。

圖5 卷繩驅動電路

但當電機長時間堵轉，鋰電池和電機長時間的大電流工作，會燒壞電池或電機，甚至燒著跳繩手柄。因此，需要在電機和鋰電池構成的回路中增加一個限流元件。為降低成本，限流元件選用保險管。設計的驅動電路，如圖5所示。

5 多功能電路設計

5.1 充電電路設計

初步測試使用的永磁有刷直流減速電機發現，在輸出軸轉速為0～120r/min時，輸出電壓在0～4.3V，不是一個穩定的電壓，而采用恒壓充電方式時，充電電壓需要保持恒定[4]，因此，要將電機發出的電壓穩定到電池的充電電壓。

圖6 充電電路

開關穩壓電源模塊使用電子電路調整輸出電壓，可將輸出電壓穩定到需要的電壓值[5]。因此，可將電機發出的電經開關穩壓電源模塊穩壓后向蓄電池充電；同時也可將跳繩手柄中的電池的電壓轉化為5V的手機充電電壓，向手機充電。每個繩柄中的電池是3.7V～4.2V，手機充電需要5V直流電源，因此，需要做一次升壓變換。Eletechsup模塊可滿足該功能，設計的電路圖，如圖6所示。

5.2 報警電路設計

蜂鳴器的工作電壓越大，其響度越大[6]，蜂鳴器的響度和工作電壓的關系如7圖所示。由此，可知要得到高響度的警報聲，需要較高的工作電壓。繩柄中的電池的電壓在3.7V～4.2V，因此，需要做一次升壓變換。Eletechsup模塊可滿足該功能，設計的電路圖，如圖8所示。

圖7 蜂鳴器聲音響度與工作電壓關系

圖8 報警升壓電路

5.3 照明電路設計

使用的大功率發光二極管的工作電壓在3.0-3.4V，電池的電壓為3.7V～4.2V，因此，需要在照明電路中加一分壓電阻，設計的電路如圖9所示。

圖9 照明電路

5.4 電機切換電路設計

發電及驅動切換電路如圖10所示。電機處于發電狀態時，電機的兩條電源線接在整流橋上；電機處于驅動狀態時，電機的兩條電源線接在鋰電池兩端，因此，需要做一個切換電路，在位置開關沒有按下時，圖中兩對觸點中最左邊觸點接通，電機與鋰離子電池構成回路，處于驅動狀態；在位置開關按下時，圖中兩對觸點中最右邊觸點接通（常開觸點），電機與整流橋，升降壓模塊等構成回路，處于發電狀態。

圖10 發電及驅動切換電路

6 總結

設計的能發電儲能的多用途自動收回跳繩具備五個功能：（1）跳繩時，利用繩子的轉動驅動電機發電，并用內置的鋰電池將電能儲存起來，給內置的手電筒供電或給手機充電；（2）跳繩結束，繩索在電機的驅動下主動收縮回手柄中，需要跳繩時，拉出繩索即可；（3）手柄端面布置LED燈泡，由內置的鋰電池供電，將手柄作為手電筒使用；（4）手柄尾部有USB充電接口，連接充電線，由內置的鋰電池給手機充電；（5）遇到危險或緊急情況時，按動手柄上的報警按鈕，內置的喇叭可發出高分貝的報警聲。