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(duì)健康問(wèn)題也越來(lái)越關(guān)注。公園隨處可見(jiàn)健身者，廣場(chǎng)舞也成了一道獨(dú)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(fèi)品，人們?cè)诮∩矸坷锶紵?，消耗能量，花錢(qián)買(mǎi)健康成了一種很奢侈的享受。

然而，能否把人運(yùn)動(dòng)的能量作為我們?nèi)粘Ｄ芰康膩?lái)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(fā)展的時(shí)代意義，也符合“低碳生活，綠色環(huán)保”的理念。

1 設(shè)計(jì)背景

據(jù)相關(guān)測(cè)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(gè)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(gè)LED燈亮1 h。如果將15臺(tái)發(fā)電式跑步機(jī)放在健身房中，每天有6 h在運(yùn)作時(shí)，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(yùn)動(dòng)的同時(shí)又為自己帶來(lái)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(yùn)動(dòng)消耗的能量，則我們的運(yùn)動(dòng)就更加有意義，就更能提高我們運(yùn)動(dòng)的興趣。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)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(shí)用發(fā)明。

目前市場(chǎng)上的一些跑步機(jī)，大致分為兩類(lèi)：一是機(jī)械跑步機(jī)，二是電動(dòng)跑步機(jī)。機(jī)械跑步機(jī)速度由運(yùn)動(dòng)者自己控制。這種運(yùn)動(dòng)方式，就是在單純地耗費(fèi)體力，雖然增加了運(yùn)動(dòng)量，但是這樣的運(yùn)動(dòng)方式就顯得枯燥，沒(méi)有動(dòng)力。電動(dòng)跑步機(jī)需要消耗一定的電能來(lái)輔助人們運(yùn)動(dòng)，減少人體運(yùn)動(dòng)負(fù)擔(dān)，這樣在人運(yùn)動(dòng)的同時(shí)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(gè)問(wèn)題，有人設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)節(jié)能跑步機(jī)，它的基本設(shè)計(jì)思路是將能量轉(zhuǎn)化，把人們運(yùn)動(dòng)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(shí)上肢和下肢的運(yùn)動(dòng)通過(guò)手臂搖桿裝置連接起來(lái)，再把運(yùn)動(dòng)傳到跑步機(jī)的滾筒上，實(shí)現(xiàn)人體健身與發(fā)電兩大功能，其設(shè)計(jì)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(cè)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(chǔ)存起來(lái)也可以是很大一部分電能。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

將跑步機(jī)的前滾軸通過(guò)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(shí)，滾軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)皮帶傳動(dòng)使發(fā)電機(jī)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)電機(jī)開(kāi)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(jì)過(guò)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(yùn)動(dòng)，不輸出用電時(shí)，則通過(guò)蓄電池將電量存儲(chǔ)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(yùn)動(dòng)者在跑步機(jī)上運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)力通過(guò)皮帶傳動(dòng)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(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流，電流的輸出由動(dòng)力輸入決定，通過(guò)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(guò)電容后使電流更加穩(wěn)定，這樣也就提高了對(duì)負(fù)載供電的能力。由于每個(gè)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(yùn)動(dòng)，同時(shí)想要輸出電能，此時(shí)可以通過(guò)蓄電池將之前存儲(chǔ)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(wèn)題。

發(fā)電式跑步機(jī)的設(shè)計(jì)解決了以下三個(gè)問(wèn)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(wèn)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(lái)發(fā)電是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，通過(guò)加大跑步機(jī)轉(zhuǎn)軸直徑增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，此外還采用儲(chǔ)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(huì)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(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

發(fā)電式跑步機(jī)的實(shí)用設(shè)計(jì)提高了人們跑步的趣味性，將人強(qiáng)身健體的運(yùn)動(dòng)變成了一種低碳環(huán)保的生活樂(lè)趣，不僅能通過(guò)跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)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(mǎn)足了人們的運(yùn)動(dòng)需求，又實(shí)現(xiàn)了能量的有效利用。但是該設(shè)計(jì)也有一定的局限，即如果運(yùn)動(dòng)者的體力不夠，就不能直接在跑步機(jī)上運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)跑步者的體力有相應(yīng)的需求，對(duì)跑步機(jī)的類(lèi)型也有一定的要求。

［1］ 楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)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(jì)［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.