摘要:本文针对健身单车运动时的能量浪费现象设计了一套集发电装置、电力电子电路和电源管理电路为一体的微能量收集与管理系统。该系统利用人在健身单车上运动健身所产生的机械能作为发电机的牵引动力以使发电机输出电能，通过电力电子电路将电能转化为直流用电设备可用的直流电，同时设计一个电源管理电路更人性化地将电能应用在不同方面。
关键词：健身单车；微能量收集；发电机；电力电子技术；物联网
随着我国经济社会的发展，人们的物质生活水平日益提高，在物质条件得到充分满足的情况下，人们更加关注身体健康，而健身作为锻炼身体、保持健康的重要选择之一，在当今社会越来越受到人们欢迎。健身单车在运动科学领域被称为“功率自行车”,属于典型的模拟户外运动的有氧健身器材，其身影在各大健身房随处可见，但是在骑乘健身单车过程中，大量由人体运动所产生的能量被白白的浪费。针对此情况，我们团队设计出一套装置，将人体在健身中所产生的能量转化为电能利用。这个设计完全符合国家倡导的节能环保、可持续发展的理念。
1、系统的总体设计
本产品以永磁交流发电机作为发电部分的核心，通过机械传动装置调节主轴齿轮的齿数与发电机上从动齿轮的齿数的比值，使发电机发出的电压在主轴（脚蹬）低速状态下达到输出预设电压的发电机转子的最低转速（例如输出电压达到5v时的发电机转子的最低转速）。此时通过单相桥式全波整流电路将发电机发出的正弦交流电整流成直流电，并对其进行斩波使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑，再通过稳压电路将电压调整至所需要的数值。以蓝牙控制继电器模块为核心的电源管理电路将稳压后的直流电配送到不同用途的用电设备中，供其运行。其总体设计如图1所示。
图1 系统总体设计图
2、系统的机械设计
2.1 传动装置变速结构的设计
储能装置中机械变速传动机构的选择是影响到储能装置能量转化效率高低的一个重要部件。通过在机械传动装置中加入调速装置，能够解决不同健身者的健身强度不同、不同时间健身者的运动强度会发生变化等问题。
通过借鉴变速自行车变速采用的塔轮结构，在健身单车装置中加入一套调速系统。该调速系统在健身单车的车轴和发电机轴上安装具有不同齿数的齿轮，通过导向通道的左右移动实现链条在不同大小的齿轮上的切换，达到健身单车的调速的目的。
假设在健身单车正常工作时，脚踏板的线速度为
，踏板到主轴的距离为
。
计算得到齿轮转动的角速度为：
主轴齿轮半径为
，则链条线速度为：
若发电机轴上齿轮半径为
，计算得到发电机轴上的角速度为：
计算得到：
健身者对踏板施加的力为F,则健身者发出的功率为：
故而健身者可以通过调节自身踩踏板的力量F的大小调节自身的运动强度。
2.2 发电装置的选取
根据人体骑车时消耗的功率和可承受的阻力,给出以下额定参数范围供选择：
额定功率P（W）：人体骑车时消耗的功率约为150-500W,计及电机的损耗,因此发电机额定功率范围为150-400W。
额定电压U (V):由于发电机输出电压就是电力电子控制电路的输入电压,发电机额定电压选为器件工作电压12~24V。
额定转速n（r/min):发电机转速越大所产生的洛伦兹力越大,人要带动发电机转子所要克服的阻力也就越大,因此选择额定转速的范围为1000~3000r/min。
根据以上额定参数决定选用JYWF永磁式交流发电机。该发电机采用永转子式结构,采用电枢爪控制输出电压具有较高的可靠性。
发电机工作原理：利用导线切割磁力线感应出电势的电磁感应原理，将原动机的机械能变为电能输出。
3、系统的电路设计
3.1 电力电子电路的设计
由于该发电装置发出的电流主要供直流用电设备使用，运用电力电子技术可将电机发出的交流电转变成电压稳定、可调的直流电。电力电子电路部分主要由整流滤波电路和稳压电路组成。电力电子控制电路的工作原理可以描述为：发电机输出的交流电通过整流滤波装置后被整流为直流电，再用斩波器使其电压进一步趋于稳定，得到一个稳定的电源。
这里采用单相桥式整流滤波电路，该电路的电容电路简洁，输出电压较高，整体效率较高。
稳压斩波电路主要用于将电压幅值在一定范围之内变化的的直流电采用周期性的斩波，转化为幅值固定的直流电。这里采用升降压斩波电路来实现直流电压的可调和稳定。
电路的基本工作原理是:当可控开关V处于通态时,电源
经V向电感
供电使其储存能量,同时
维持输出电压
，且基本恒定并向负载供电。此后,V关断,电感L1中贮存的能量向负载释放。可见,负载电压为上负下正,与电源电压极性相反。输出电压为:
若改变导通比a,则输出电压可以比电源电压高,也可以比电源电压低。当 0<a<0.5时为降压,当0.5<a<1时为升压。
3.2电源管理电路的设计
电源管理电路的主要功能就是将整流、稳压后的直流电通过蓝牙继电模块分配给各用电设备。该电路设计的目的是根据用户的用电需求，可改变电能的用途，同时由于负载的改变，电机转动力矩也随之改变，从而满足用户对不同健身强度的需求。
蓝牙控制继电器工作原理：该继电器模块由单片机的最小系统电路（晶振电路+复位电路+供电电路）、继电器的驱动电路、HC-06蓝牙模块组成。该模块是以手机作为控制信号发出端，通过蓝牙系统接受无线电信号，由单片机系统对信号进行处理，从而控制继电器的通断，使具有不同负载的电路导通或关断。
4、结束语
本文设计了一套集发电装置、电力电子电路和电源管理电路为一体的微能量收集与管理系统，该系统实现了对健身者运动时产生的能量的收集和利用。通过使用塔轮传动变速装置实现了对健身者运动强度的调节；通过设置整流滤波电路和升降压斩波电路对发电机发出的电能进行处理，使电压稳定、可调，从而可供直流用电设备直接使用；蓝牙控制继电器模块使得电能更加智能化和高效化的被利用。该产品在保证良好的健身条件的同时，将健身者运动产生的动能充分利用，达到了节能减排的目的。
论文作者:王克标,张壹浩,刘栋栋,张卓,刘姝含
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/6
标签：电压论文; 发电机论文; 电路论文; 装置论文; 直流电论文; 电能论文; 蓝牙论文; 《电力设备》2019年第16期论文;