发电式健身自行车设计

1、发电式健身自行车设计摘要现在社会上的人们普遍都缺乏健身的时间，再加上现阶段能源短缺所带来的影响已经越来越大，针对这一问题，本论文提出一种发电式健身自行车。发电式健身自行车的设计目标是将代步、健身、发电集于一体的新型自行车，它能够使人们在骑行的过程中达到健身的效果；也能够通过两个自发电的方式，把骑行中的动能转换成电能使用。发电式健身自行车的传动装置主要采用链和圆锥齿轮的传动方式，并通过UG对发电式健身自行车进行三维建模，分析可行性。发电式健身自行车发电方式，设计了两个方法，一个是通过车轮带动半支驱永磁同步发电机，当发电机开始转速，就发出交流电，通过三相全波整流，转变成直流电输出，并储存在蓄电池中

2、；另一种发电方式是基于线圈切割磁感线发电，经电路模块输出稳定电压电流，供给移动电源。通过对发电式健身自行车的设计研究，掌握了发电式健身自行车的工作原理和设计方法，同时对自行车、永磁同步电机以及切割磁感线发电的方式以及其工作特点有了进一步的认识，为自行车的和发电系统的优化改进指明了方向。关键词：自行车；链传动；圆锥齿轮传动；永磁同步电机；线圈切割磁感线The design of power generation exercise bikeAbstractNow people in the society generally lack of fitness time, coupled with t

3、he current energy shortage has brought more and more influence, in order to solve this problem, this paper proposes a kind of power-generating exercise bike. The design goal of the power-generating exercise bike is a new type of bicycle that integrates walking, fitness and power generation. It enabl

4、es people to achieve fitness in the process of cycling. It can also convert the kinetic energy in cycling into electrical energy through two ways of spontaneous electricity.The transmission device of the power-generating exercise bicycle mainly adopts the transmission mode of chain and conical gear,

5、 and carries on the three-dimensional modeling of the power-generating exercise bicycle through UG to analyze the feasibility. The first is to drive a semi-driven permanent magnet synchronous generator by the wheel. When the generator starts to rotate at a rotating speed, it will send out alternatin

6、g current, which will be converted into direct current output through three-phase full-wave rectification and stored in a battery. Another power generation method is based on the coil cutting magnetic induction line to generate electricity, through the circuit module output stable voltage and curren

7、t, supply mobile power.Through the study to the design of power type exercise bikes, master the working principle and design method of power type exercise bikes, as well as the bicycle, the permanent magnet synchronous motor and cutting way of magnetic induction line power and its working characteri

8、stics had the further understanding, for bicycles and pointed out the direction of the optimized improvement of power generation systems.Keywords: The bike; Chain drive; Bevel gear drive; Permanent magnet synchronous motor; The coil cuts the magnetic induction wire目 录1前言11.1 设计目的及意义11.2 设计在国内外的发展概况及

9、存在的问题11.3 设计应解决主要问题21.4 设计研究内容22发电式健身自行车的设计方案32.1发电式健身自行车系统构成32.2机械传动系统工作原理52.3传动比计算62.3.1输入输出功率计算62.3.2传动比分配62.4链传动设计62.5圆锥齿轮传动的设计72.6设计结构特点83发电式健身自行车材料选择93.1车体部分材料选择93.2传动部分材料选择93.3行动部分材料选择103.4安全部份材料选择104发电系统构成114.1半直驱永磁同步发电机结构114.2半直驱永磁同步发电机工作原理124.3半直驱永磁同步电机结构设计124.4永磁材料选择124.5发电系统工作原理134.6主要部件

10、技术参数145发电系统实物制作与分析155.1半直驱永磁同步发电机实物155.2半直驱永磁同步发电机支撑架实物155.3稳压器实物16 5.4半直驱永磁同步发电系统实物制作过程16 5.5半直驱永磁同步发电系统实物分析196储能装置206.1储能系统总体设计216.2储能系统电路图设计226.3实验波形仿真及分析237基于切割磁感线发电装置267.1基于切割磁感线发电原理277.2基于切割磁感线发电方式277.3基于切割磁感线发电效率分析与计算28 7.3.1发电模块28 7.3.2整流模块28 7.3.3稳压模块287.4实验计算与分析298总结与展望31参考文献32谢辞33附录341前言从

11、古代到20年代初，自行车一直是中国老百姓的一个重要交通工具，自行车被纳入为以前男女子结婚是的三件套之一。根据统计，中国的家庭有82%拥有自行车。随着时代的变迁，自行车行业在初期的繁华景象已变得日渐衰落。但是受全国人民环保意识的增强和中国内雾霾的影响，一些有先见之明的学者早已意识到自行车行业即将迎来一个广阔的前景。还有一部分学者提到自行车在我国的生态建设上将会承担关键的作用，是生态环保，绿色外出不可或缺的构成部分。尤其在现在，我们可以发现共享单车在我们生活中随处可见，它带动了人们绿色出行的方式，同样的这已经成为了我们绿色生活、健康生活不可或缺的一部分。1.1设计目的及意义伴随着人们步入社会，工作

12、压力逐渐的增大，生活节奏的加快使得很多人都是工作、吃饭、睡觉，缺乏了适当的运动来锻炼身体。再加上国家出的各个政策，鼓励人们积极运动、绿色健康的生活理念，人们已经慢慢意识到健身运动和日常生活的融合极度重要。 而且在这个能源非常缺乏的时代中，国民的生活和经济也会随之受到影响。长期以来，由于人们能源上的浪费，已经造成了很严重的影响。人们为了能源的循环利用已经陆续开发出了风力发电机、太阳能电池板、新能源汽车等一系列可将能源再生的器具。人们日常生活中骑自行车的动能无法得到转换，其实可将健身时候踩踏自行车产生的动能转换成电能，使能源循环利用。设计出一台发电式健身自行车，这台自行车可以在人们上班的时候骑用，

13、而且还拥有健身功能和自行车动能转换为电能的能源环保功能，发电式健身自行车可以帮助人们增强体质、娱乐身心、同时让生态能源利用、达到绿色环保的环境。1.2设计在国内外的发展概况及存在问题国外的健身自行车，大多数都是将健身房的脚踏车进行改装设计，使其具有多种不同的功能。在阿拉伯中，有学者研发出一种新型的健身自行车Lopifit，该健身自行车用跑步机的履带设计取代了原本拥有的脚踏板，并且在履带的后方安装了马达，给这款Lopifit提供动力支持。在英国，也同样发明了一种健身自行车名为glidecycle，gildecycle诞生之初，此单车的发明者本意是为了残疾人锻炼身体所发明的，但是普通人对gilde

14、cycle越来越感兴趣，所以这款健身自行车就流行了起来，并最终发展为健身自行车。该车一眼看上去，车的主体结构十分简单，由两个车轮、四条绳子和一个车架组成。四条绳子连接着车轮的两端，灵活性很高，但整体过于简陋以及不够美观。在美国俄勒冈州波特兰中，有一家健身房进行脚踏车改装，其中安装了一种特殊装置，使得人们在使用脚踏车的过程中，利用运动产生电能，为脚踏车传输电力，使得脚踏车可以减少电能，起到一定的节约电能的作用1。当骑行者踩踏踏板运动时候可以产生相应的能量，可以达到能源变换作用，使得设备产生电能，维持设备的运行。有趣的是，这种改装的脚踏车在20人至40人进行同时锻炼的时候，每个骑行者都卖力的健身，

15、循环地踩踏踏板时，那么这个改装脚踏车就会像一个发电机一样，可以满足大多数的用电需求。在我国，伊诺飞公司研发出一款减碳发电健身车，就是运用了动能转化成电能的原理。八九十年代开始，发电照明自行车已经变得流行，有的发电照明自行车通过皮带链接自行车的前后两轮，皮带连接发电机。随着人们骑行发电照明自行车，车轮带动皮带，而皮带带动发电机转动，从而产生电力。山西大学研制出一种无摩擦生电方法，利用的则是磁生电原理，通过车轮切割磁感线来产生电能。1.3设计应该解决的主要问题（1）现有的自行车功能较为单一，只能实现代步功能，无法兼顾人群的需求。（2）在能源短缺的环境下，自行车在骑行者踩踏用于健身的过程中会产生动能

16、，而现在这些动能无法转换成其他能源，造成了能源的浪费。1.4设计研究内容发电式健身自行车将代步、健身、能源转换结合起来，通过骑行来达到健身以及带动发电机用于能源转换。为了获得持续的电能输出，发电式健身自行车要求自行车能给发电系统提供持续恒定的机械输入，本课题以普及率最广的自行车为对象进行自发电设计以及使其带有健身功能的改造，课题重点研究的内容有：（1）介绍发电式健身自行车的系统构成，包括各部分之间的结构衔接和布局；（2）讲述发电式健身自行车的工作原理；（3）根据发电式健身自行车的运动特点，提出发电系统的输出要求，并选择合适的发电机类型和参数范围；（4）根据实际情况选择永磁材料；（5）储能系统的

17、设计；（6）利用切割磁感线来发电。2发电式健身自行车的设计方案在健身房中可以看到，踏板健身自行车的使用率是相当高的，本设计将踏板健身自行车进行改装，并在车架上安装蓄电池和逆变电源使其不仅拥有代步、健身的功能还有发电的功能。2.1发电式健身自行车系统构成发电式健身自行车的系统构成包括：车身结构系统、机械传动系统、发电系统、储能系统四大块2。如图2.1-图2.3为发电式健身自行车的三维建模。图2.1发电式健身自行车的三维建模图2.2发电式健身自行车三维建模正面图图2.3发电式健身自行车三维建模侧面图对发电式健身自行车进行参数的选择，参考国标GB1000088的标准，加上每个人身高之间的差异，把车把

18、的高度设计成可自由调节的，可自由调节的范围为：9201100mm。参照市面上众多的自行车和自我骑行自行车的经验，根据人机工程学的理念，使自行车拥有适当的活动空间，把车把的宽度设计成440mm。以及考虑到人体上臂的摆动幅度和上臂的长度，避免上臂与人体的腿部在踩踏当中形成碰撞，同时需要考虑余量，把踏板定位尺寸设计成240mm。2.2机械传动系统工作原理如图2.4所示为机械传动系统的工作原理，当人踏动左(右)踏板，踏板带动链条3长链条，使3长链条在1大链轮a、2大链轮b以及13小链轮b上来回运动使得l3小链轮b顺逆时针往复运动，与此同时左(右)踏板带动3长链条，3长链条带动右(左)踏板向上运动(即自

19、动复位)，13小链轮b的顺逆时针往复运动又带动4轴a，使得12小直齿锥齿轮也来回往复运动，同时带动6、7带棘轮结构的直齿锥齿轮往复运动，但由于棘轮有单向传动的特点，所以即使6、7来回往复运动，5.轴b始终是向着同一的方向转动，5轴b的单方向转动又带动8带棘轮结构的飞轮单方向运动，8带棘轮结构的飞轮又通过11短链条带动10小链轮a转动，从而带动9后轮轴转动；踏板的摆动角度范围为60，两踏板这样上下摆动，链轮就不断转动，通过链传动，带动后轮转动3。由于8带棘轮结构的飞轮只能单方向转动，当倒车的时候，8带棘轮结构的飞轮反向打滑，所以可以轻松倒车，不需要加离合器。图2.4传动机构简图2.3传动比的计算

20、2.3.1人体输入功率以及发电式健身自行车输出功率计算根据链轮的线速度以及一个人70KG的体重来计算，人体的输入功率为:P入=FV1000=8000.41000=0，32KW （式2.1）考虑机械传动结构的机械效率，发电式健身自行车的输出功率为：P出=P入=0.320.7964=0.2548KW （式2.2）2.3.2传动比的分配本设计要求新型健身自行车的行驶速度可达到20km/h的速度，根据市面上大多的自行车作为参考，常见的车轮为24寸和26寸，24寸车轮是设计给学自行车的小孩的，鉴于发电式健身自行车面向成年人，所以选择26寸车轮，通过计算得出26寸的车轮每秒转3.47圈。假设单边踩踏一次链

21、条的长度为200mm,踩踏频率为60120次/min,即踩踏快的时候可达2次/s,即链条的行程可达400mm/s,链轮周长为148.84mm,每秒2.69圈。总的传动比i总=3.47/2.69=1.29根据传动比的分布原理，各阶段的传动承载力应接近相等。链传动和锥齿轮传动的传动比分布如下:锥齿轮的传动 i2=0.3链轮之间的传动比 i3=0.5则小链轮与锥齿轮间的传动比i1=0.492.4链轮传动设计根据任务书，应使发电是健身自行车在低速情况下能平稳骑行,主动链轮转速n1=210r/min,从动链轮转速n2=378r/min,传动比i3=0.5。确定链条型号、链节数、排数、链轮齿数、链轮结构、

22、材料、几何尺寸、中心距a、压轴力、润滑方式、张紧装置4。见表2.1。表2.1链轮参数表2.5圆锥齿轮传动设计根据齿轮传动比和整体设计要求，选用直齿圆锥齿轮传动。参考表2.2，根据传动的用途、使用条件、传动功率、圆周速度、性能指标或其他技术要求，确定选择8级精度5。小齿轮材料40CR(调质),硬度为250HBS齿轮材料为45钢(调质)，硬度为200HBS者材料硬度差为50HBS。表2.2精度等级适用范围应用范围精度等级应用范围精度等级测量齿轮 25 航空发动机 47 透平减速器 36 拖拉机 69 金属切削机床 38 通用减速器 68 内燃机车 67 轧钢机 510 电气机车 67 矿用绞车 8

23、10 轻型汽车 58 起重机械 610 载重汽车 69 农业机器 810 因为要在小齿轮里面装单向轴承，经过综合考虑，选取CSK12PP的单向轴承,所以小齿轮要有一定的大小才能保证其能安装CSK12PP的单向轴承，并能保证其强度,假定选定的齿轮模数M=2.5，选小齿轮齿数Z1=23，大齿轮齿数Z2=30。经强度校核,满足使用。见表2.3。表2.3齿轮传动参数2.6设计结构特点本次设计的设计原理不同于以往同类运动自行车的传动原理，第一次采用链轮和锥齿轮组合传动方式，具有单向承载单向传动的特点，把链轮的往复运动转化为驱动轴的单向运动6。安全可靠，重心低踏板最低点离地面仅50mm，比同类型的踏步自行

24、车低了150mm。（1）可以轻松实现倒车，用双棘轮结构,可以轻松实现倒车。（2）刹车方式采用了碟刹，更加安全。（3）比较市面上普遍的自行车，发电式健身自行车人体活动空间更大，更符合人机工程学。对发电式健身自行车采用UG构建三维模型加以分析，分析结果显示结构运行平稳,具有很好的推广价值。3发电式健身自行车材料选择在1791年，自行车诞生之初选择木头材料，到20世界90年代之前所使用的铬钢材料，再到如今自行车的材料选择已经越来越多，有工程合成的塑料、不锈钢、钛合金、碳纤材料等一系列科技含量较高的新型材料。车体部分、传动部分、行动部分、安全部分组成了发电式健身自行车的主要构造。3.1车体部分材料选择

25、在车体部分的材料选择上，要从材料本身的质量、密度、可塑性、强度来进行考虑。铬钼钢、铝合金是车架材质最早的材质，然后是现在比较流行的碳纤维。但是碳纤维的价格非常昂贵，强度不大，而铝合金的价格适中，强度高、可塑性好，该发电式健身自行车选用铝合金作为车架的材料。铝合金和碳纤维为最常见的前叉以及车把材质，从工程力学的角度来看，前叉受力与工程力学中的悬臂梁相似。悬臂梁需要刚度和韧性，前叉也是如此。因此，铝合金也被用作前叉和车辆的主要材料。鞍座在结构上由表面材料、阻尼材料、底板和坐弓这四部分组成。鞍座给人的第一印象无疑是鞍座的舒适性，所以鞍座的表面材料，减震材料极为关键，鞍座的表面材料大多数使用布料、人造

26、革和碳纤维等材料制作而成，碳纤维材质价格高昂，如果单单用在鞍座上，有点浪费预算也提高了成本。而常见的减震及填充材料有硅胶、气垫及弹簧等，发电式健身自行车考虑到舒适度、安全性和经济等因素，鞍座材料选择人造革，减震及填充材料选择硅胶，底板选择塑胶以及坐弓选择钛合金。3.2传动部分材料选择曲柄、链轮、齿轮、踏板、链条等部件构成动力自行车的传动部分。踏板用来驱动链条，使发电式健身自行车在地面上平稳运行。踏板的常用材料是橡胶、铝合金和镁合金。脚踏板的作用不仅仅是为了传递力来带动链条的转动，而且需要防止骑行者这骑行的过程中防滑托，所以防滑性也及其重要，因此选择橡胶材料。发电式健身自行车在行驶过程中，将曲柄

27、传来的力传递到后轮上，使自行车行驶。同时因为骑行者的脚踏力度不同，链条不单单要具备强度，而且要具备韧性。因此链条采用45Mn材料。中轴分为几种不同的档次，一般来说，低档次的中轴由钢珠结构组成，材料为高碳钢，中档的中轴为培林结构，一般由钢制作而成，高级的中轴基本都是镁铝合金或者陶瓷7。培林轴更换方便，滚珠坏了可以自行更换，发电式健身自行车中轴采用中档的培林结构。飞轮通常分为单级飞轮和多级飞轮，发电式健身自行车采用多级飞轮，多级变速可以通过变档变速以加强健身效果的作用。由于人们对自行车的使用用途很广泛，使用环境也不尽相同，飞轮的工作环境大多数都在户外，考虑到潮湿多雨的环境，飞轮也要具备耐潮湿耐腐蚀

28、的特性。同时在高速骑行的过程当中，飞轮与链条会产生摩擦，要保证飞轮能够稳定工作，飞轮要具备一定的耐磨性。3.3行动部分材料选择发电式健身自行车行动部分由前轮、后轮组成，前轮和后轮由车轴、轮辐、金属轮辋和橡胶轮胎组成。车轴由镀镍黄铜制成，而不锈钢和铝合金是大多数轮圈和辐条的材质选择。3.4安全部分材料选择发电式健身自行车的安全系统由为关键，它关系着骑行者的人身安全是否得到了保障，安全系统由车灯、刹车装置、车铃组成。4发电系统构成在现在的科技下，出现了很多能量转换的方法，例如风能发电、水力发电、潮汐能发电等。根据发电式健身自行车的发电特点，参照能源循环利用的转换方式，风力发电方式和发电式健身自行车

29、发电方式非常接近，输入端的电压电流是不稳定的，大小不一，而输出端的电压电流是恒定的。根据这个特性，在选择发电机的类型时发电式健身自行车可以参考风力发电机的电机类型。目前，直接驱动永磁同步电动机在市场上得到了广泛的应用。直接驱动永磁同步电动机虽然不需要励磁，但其运行效率低、体积大、速度慢等缺点十分明显。很明显，这种类型的发电机不适合小型发电运动自行车；另一种双馈异步风电机、双馈异步风力发电机类型和直驱永磁同步发电机有很大差异,双馈异步风力发电机转子拥有滑环和电刷,体积小易于安装,但是这种发电机结构复杂,容易故障并且仍然需要提供额外的激励源。在市场上，为了开发更多的风力发电机形式，研究人员开发了一

30、种半直接驱动的永磁同步发电机，它比直接驱动的永磁同步发电机更小，重量也大大减轻。根据其实用性和可靠性，选择了半直驱永磁同步发电机作为发电系统。4.1半直驱永磁同步发电机结构定子和转子组成了永磁同步发电机，定转子之间则是气隙8，图4.1为永磁同步发电机的结构示意图。图4.1永磁同步发电机结构示意图4.2半直驱永磁同步发电机工作原理半直驱永磁同步发电机的工作原理与普通发电机完全相同。发电机定子的三相或多个相对对称的绕组嵌入定子铁心槽内，电机内部的主磁场由转子上的永磁体建立。当转子由原动机驱动旋转时，主磁场随转子旋转产生旋转气隙磁场，主动切断定子绕组中的三相绕组，产生三相对称感应电势。感应电位波形为

31、正弦波。感应电势的频率与转子的转速和极对有关。发电机三相绕组接三相对称负载时，定子三相对称绕组产生三相对称电流，输出电力。4.3半直驱永磁同步发电机结构设计易于安装、耐用无疑是半直驱永磁同步电机的理想特点。半直驱永磁同步发电机转子上没有励磁绕组和滑环，更为简单化，也更容易维修。设计永磁同步发电机结构时，要根据环境要素、人为安装要素等来设计各个零件。同时也要考虑永磁同步发电机的两个要素，一个是其散热性一个是其刚度强度，以确保永磁同步发电机结构的耐用性。图4.2所示为半直驱永磁同步电机的结构图。图4.2 200W半直驱永磁同步发电机结构图4.4永磁材料选择市面上永磁材料种类众多，每种材料本身的性能

32、效率差别很大，所以需要根据自身的需求和永磁同步发电机的使用环境、理想效果来进行选择9。目前在发电机制造领域中，钐钴永磁体材料和钕铁硼永磁体材料是使用频率以及适用范围最高最广的两种材料，这两种材料有以为特点：（1）钐钴永磁体：钐钴永磁体是稀土永磁铁的第二代，研究得出有两种钐钴永磁体，一种是1：5型(SmCo5)，另一种是2：17型(Sm2Co17)10 。钐钴永磁体的生产流程要经过钐、钴和其它金属稀土材料配比，然后真空熔炼制粉，通过冷却成型和烧结，最后通过性能检测再清洗和包装制成。钐钴永磁体耐高温。跟钕铁硼永磁体相比，钐钴永磁体更适合在高温环境下使用。因为钐钴永磁体的稀有性，使得其价格非常昂贵，

33、不适合用在此设计。（2）钕铁硼永磁体：钕铁硼永磁体的化学式为Nd2Fe14B，是由钕、铁、硼形成的物质，其最大磁能积可以达到3979KJ/m3,是当今磁能积最大的材料。钕铁硼永磁体的生产方法主要有两种，一种是通过粉末治金法，另一种是旋喷熔炼法，这个方法是有通用公司研制得出。钕铁硼永磁体具有优异的磁能积，这使得在工业工程上得到广泛的应用，例如电子、计算机硬盘、机械等。永磁体的性能、应用范围都非常的广泛，在选择永磁体的时候应该要参考一下要求： （1）磁能积要足够大，以满足更好的磁能效率； （2）稳定性是永磁材料需要具备的一个特性；（3）由于每个人使用环境的差异，永磁体还需具备抗潮湿耐腐蚀的特性；（

34、4）同时因为骑行者的用力方式不同，使整个半直驱永磁同步发电机的运转效率要随着骑行者的个人习惯而改变，所以永磁材料还需要韧性好、强度高这两个条件。（5）价格合理，经济性好。考虑发电式健身自行车的成本不宜过高，所以要选择价格合理的永磁材料。4.5发电系统工作原理图4.3为发电式健身自行车发电系统的工作原理，由人踩踏板进行运动做功带动发电式健身自行车链轮转动，链轮带动永磁同步电机同方向转动，当发电机转速达到约150r/min，就发出100W的交流电，通过三相全波整流，转变成电压为14V的直流电输出，并储存在蓄电池中，再次利用逆变电源，将直流电转换成交流电，也可以直接接用电器。图4.3发电系统工作原理

35、4.6主要部件技术参数（1）半直驱永磁同步发电机额定功率100W，稳压后输出直流电压14V；（2）按发电机功率100W计算，设计的逆变器允许额定电压直流10.515V , 输出直流电压14V；（3）蓄电池技术参数根据半直驱永磁同步发电机的功率100W和逆变电源的输出电压14V, 选取蓄电池容量为36Ah, 额定电压12V；（4）根据发电式健身自行车的总体参数，考虑人体是否稳定安全，设计长1340mm , 宽600mm、支柱高3300mm的矩形底座。5发电系统实物制作与分析5.1半直驱永磁同步发电机实物如图5.1所示为半直驱永磁同步发电机实物，将半直驱永磁同步发电机嵌入在滚轮体中，通过自行车后轮

36、转动来带动半直驱永磁同步发电机转动，从而产生电能。因为此半直驱永磁同步发电机有一定的重量且要与车轮产生一定的摩擦和相对的运动，无法直接平放在地面上，所以在半直驱永磁同步发电机滚轮体下，还需安装一个侧板稳固发电机，且需要一个架子使半直驱永磁同步发电机倾斜一定的角度，使自行车后轮能带动半直驱永磁同步发电机滚轮体转动。图5.1半直接驱动永磁同步发电机实物5.2半直驱永磁同步发电机支撑架实物半直驱永磁同步发电机支撑架用以支撑发电机能够平稳的放置。如图5.2，为半直驱永磁同步发电机支撑架，半直驱永磁同步发电机支撑架为铝合金制作，平稳性及其重要。图5.2半直驱永磁同步发电机支撑架5.3稳压器实物如图5.3

37、为稳压器实物图，稳压器使半直驱永磁同步电机输入的电压变成稳定的输出电压。稳压器带有车载充插口，能为手机进行充电。图5.3稳压器5.4发电实物制作过程一开始要先根据自己的轮胎大小调整螺丝孔位，如图5.4。再将半直驱永磁同步发电机和支撑架用螺丝进行拼装固定，使其能够平稳放在地面上，如图5.5。图5.4螺丝孔位图5.5半直驱永磁同步发电机和支撑架拼装并将自行车安装在骑行架子上，调整自行车后轮的左右距离，如图5.6，此时也要注意发电机与自行车后轮要有一定的距离，要适当调整，贴太近影响发电效率，如图5.7。图5.6调整车轮位置图5.7滚轮体与车轮的距离再将稳压器与半直驱永磁同步发电机相连，一个完整的发电

38、系统就完成了，实物图如5.8。图5.8发电系统完整实物图5.5半直驱永磁同步发电系统实物分析因为逆变电源的价格昂贵且实物的最终目的是完成手机的正常充电，只需要骑行自行车，自行车的后轮带动半直驱永磁同步发电机滚轮体转动，发出0-50V，然后经过稳压器，稳压12V，再变5V，就能给手机充电了，无需逆变电源。此实物因为有支撑架，且半直驱永磁同步发电机与支撑架相连，稳定性好，在骑行充电的过程中半直驱永磁同步发电机不易倒下，充电效率高，安全可靠，寿命长。经过试验，给一部电量为50%的手机进行充电，使其电量达到60%，所需的时间为26分钟，这种充电效率还是比较可观的。6储能装置发电式健身自行车在踩踏过程中

39、由动能转换成的电能，为避免能源浪费，需要储能装置对其储存，因为每个骑行者的骑行方式不同，骑行速率也不同，这种情况就会产生不稳定、大小不一的电能，所以储能装置需要具备将这些不稳定的电能储存起来德的能力，并且当外部供电不足时，储能装置可以反馈给发电系统。6.1储能系统总体设计储存电能系统要面对许多不同的环境要素、个人要素的差异，这些差异使得整个电能系统不稳定以及输出零散电流的现象，所以此储存电能系统经过改装和设计，可以解决这个现象。首先让输出电压通过整流滤波流向二极管，然后通过二极管到整流汇集器，再根据阀值开关的开闭是否通过充电储能模块，再连接到蓄电池。电池的充电电路是单向的，以防止电流回流造成的

40、混乱。同时，蓄电池和逆变电源也通过单向传导电路连接。当外部负载超过发电机的输出容量时，电路导通，蓄电池向逆变器放电直流电，由逆变器整流后提供负载。电压的大小可以直接影响蓄电池是充电回路还是放电回路，从而选择对应的阀值开关，进行充电或者是放点，基本电路组成结构如图6.1所示图6.1电路结构组成阀值开关的导通时间为Ton，占空比为D=TonTs/2,所以在电流连续时输入电压与输出电压的关系为：VOVM=N2N1D （式6.1）当其中一个开关管处于通态时，加在开关管上的电压为：VQ1=VQ2=2VM （式6.2）当其中一个二极管处于通态时，加在另一个二极 管上的电压为：VD1=VD2=2N2N1VM

41、 （式6.3）6.2储能系统电路图设计由于发电式健身自行车的骑行者的骑行情况不相同，在这种情况下，可能会造成电压、电流大小的不稳定根据，储存电能系统的电路结构图，设计出系统电路图。如图6.2。图6.2电路图整流和充电临时存储模块采用二极管桥式整流电路。充电管理与储能模块选用DC。DC芯片MAX5035以及TPS6306组成的电路，可以实现对2.5V到76V范围输入电压的电能存储。6.3实验波形仿真及分析通过软件对电路图进行实验仿真，图6.3-图6.7表示在输入电压不同的情况下，三极管Q1、Q2发电极和集电极之间的电压变化情况，由于三极管Q1，Q2的发射极都直接连在电荷汇集电容上，其波形相同，都

42、显示的是输入电荷经整流滤波后的电压波形。三极管的集电极显示三极管是否导通，若集电极有电压，说明该三极管导通11。图6.3较大电压输入时三极管Q1波形图图6.4较大电压输入时三极管Q2波形图由图6.3、图64中可以看出，如果电压输入大于1OV，三极管Q1接通，Q2断开。输入电荷从Q2发射极流入集电极和充电模块，5V电池通过降压芯片充电。图6.5较小电压输入时三极管Q1波形图图6.6较小电压输入时三极管Q2波形图根据图6.5、图6.6可以看出，当输入电压小于10V时，三极管Q2导通，再进入充电模块，经过稳压器输出5V的稳定电压。图6.7高低电压输入时三极管Q1波形图从图6.7可以看出三极管在不同电

43、压强度下集电极和发电极的传导过程。当一开始输入电压小于15V大于10V时，Q1的集电极电压接近一开始输入的电压， 说明Q1是接通的。如果集电极变为0V，则表示Q1断开，无法流入充电模块。7切割磁感线发电装置发电式健身自行车除了通过永磁同步电机把动能转换为电能外，还可以通过发电式健身自行车的前后轮切割磁感线从而产生电能。7.1切割磁感线发电原理在美国有一家Dezien的研发公司，工作人员研发出一种新概念悬浮的自行车，这种新概念自行车在脚踏板上安装一个内置电池11。当人在骑行当中，内置电池开始存储能量，并且设计了USB的端口用于给用电产品进行充电。除了这种方式之外，在国内也有一种运用链条和齿轮的摩

44、擦来进行发电，这种发电形式效率不低，但是要考虑其他要素，例如阻力的影响、链条的磨损程度、人的骑行方式等。还有一种则是利用车轮的摩擦进行发电，那么这种发电方法他的影响要素一样有很多，例如骑行环境的不同，当遇到湿润环境下，摩擦力减小，车轮容易打滑，所以这种发电方法是缺乏稳定性的。通过切割磁感线产生电流是一种较为稳定的方法，可以根据这个原理设计基于切割磁感线的发电式健身自行车发电装置，首要的是建立一个强磁场以满足切割磁感线的前提，将材料选择将强磁铁钕铁硼永磁体固定在发电式健身自行车的车轮辐条上，当人们骑行时，车轮转动可形成切割磁感线的情形，从而可以成功产生电流。把钕铁硼永磁体固定在发电式健身自行车的

45、车轮辐条有一个很明显的优点，则是这种发电方式不会产生摩擦，可以忽略摩擦对发电稳定性的影响。为了使电能使用效率最大化，避免转化效率不高，可以在这个装置安装两个移动电源来储存电能，当其中一个移动电源充满电时，通过开关转到第二个电源开始充电，前一个移动电源就可以使用，这样就可以达到一个移动电源充电，另一个移动电源放电的效果。7.2切割磁感线发电方式图7.1切割磁感线发电方式发电式健身自行车的发电方式如图6.1所示。钕铁硼永磁体固定在辐条上，人在骑行的过程中车轮切割线圈磁感线。再通过二极管整流桥与稳压模块相连，稳压模块与移动电源相连，移动电源通过放电电路与用电设备相连。如图7.2所示在自行车车轮的辐条

46、上加装一圈钕铁硼强磁铁，形成线圈磁力场，通过切割磁感线产生电流，形成的这部分电流通过各种模块，使其电流能够供给移动电源使用。图7.2磁力场7.3切割磁感线发电效率分析与计算根据磁感应强度公式 B=E/LV （式7.1） L=RS/ （式7.2）式中，E为感应电动势；V为线圈切割磁感线的速度；L为切割磁感线的线圈长度，可以通过测量线圈的电阻R和截面积S。根据式7.1和式7.2得知，感应电动势E与磁感应强度B成正比关系，而线圈长度与电阻R和截面积S成正比。可以根据不同的需求来调整这些参数，来达到不同的效果。 7.3.1发电模块 发电模块实则由三个线圈组成，这三个线圈一起切割磁感线，这样可以产生足够

47、的电能，以便于不同人的需求。在线圈上首先产生电流，通过各种模块整合再给人们使用。7.3.2整流模块整流模块实则是把各种要素变化而产生的交流电转化成稳定的直流电。把发电模块的三个线圈分别连接到三个不同的整合桥上进入稳压模块。7.3.3稳压模块稳压模块的作用是把电压稳定，然后才能供给移动电源使用。稳压模块是非隔离降压恒流、恒压模块，其中输入电压为4V-35V，输出电压为连续可调（1.25V25V），转换效率为80稳压模块结构如图6.3所示。图7.3稳压模块结构7.4实验计算与分析利用变量法，选择相同的速度下，测试不同线圈直径通过整个模块后，线圈电阻、交流电压、线圈产生的功率，将数据制表7.1，通过

48、表格选择合适的线圈。根据任务书，发电式健身自行车的速度大约为20Km/左右，系统以20Km/的骑行速度进行了实验验证。表7.1相同速度下的线圈直径、电阻、功率以及交流电压数据表线圈直径/mm线圈电阻/交流电压/V线圈产生的功率/W0.1563645.51.2740.25106.516.10.80.3533.27.560.5330.4711.75.350.766根据表7.1分析得出，在线圈直径为0.15mm时，虽然线圈产生的功率是最大的，为1.274W，但是电阻和交流电压也是很大，分别为636和45.5V，而在0.25mm的线圈直径中也有同样的问题，电阻和交流电压太大，不稳定。而0.47mm的线

49、圈直径中产生的功率比0.35mm时产生的功率大，而且电阻和交流电压都在一个理想的状态中，综合考虑，发电模块选择直径0.47的线圈较为理想12。表7.2采用0.47mm线圈的系统发电效率切割磁感线速度/kmh152025稳压后的电流/mA23034038010000mA充电宝充满电所需时间/h32.3621.8919.58发电功率/W0.4120.5980.766发电量/kWh1.482.152.75表7.2是采用0.47mm线圈在不同的切割磁感线速度下的发电效率对比表。分析表7.2可以得出，如果是以20km/h的行驶速度骑行，那么10000毫安的充电宝所需充满电的时间为21.89小时，发电功率

50、达到0.598W，发电量可以达到2.15kWh，这种发电效率是非常可观的。8总结与展望当今社会上人们对生活的关注点慢慢变成了绿色健康、环保、节能、低碳，对于能源的循环利用也大力的支持，人们的这些理念已经慢慢扩散到了整个社会13。而且人们时间的宝贵，工作的压力使他们无法在休闲的时间中得到身体的锻炼。先将本文完成的主要工作总结如下：1、介绍了社会人们生活节奏加快，缺乏时间去锻炼以及世界能源短缺的基本世界形式，阐述了自行车在健身领域的拓展以及自行车通过动能转化电能的可行性。2、从发电式健身自行车的系统组成出发，对发电式健身自行车的各个参数进行选择、验算、校核，详细介绍了传动系统的功能要求和设计原则，

51、提出了设计的特点。 3、对发电式健身自行车的各个结构、零部件进行了材料的选择，根据材料的价格、韧性强度、刚度硬度等特性特点来进行参考，选择出最适合此设计的材质 。4、介绍了永磁同步发电机的结构和工作原理，并对永磁材料进行了介绍和选择，重点介绍了发电系统的工作原理。5、为避免多余的电能浪费，对电能的储存系统进行设计研究。6、根据切割磁感线原理，设计出一种线圈切割磁感线产出电能供给使用的方法。但在发电式健身自行车的设计和使用过程中还有如下问题需要解决：1、因为不同人的踩踏方式以及个人的用力方式不同，这使得发电机处于一个长时间的低速运转或高速运转当中，应对这种情况，可以将增速箱设计成传动比可调，根据

52、骑行者的速度快慢，来决定传动比，这样可以保证发电机的高效率运转。2、储存系统中可以安装一个可控开关，当蓄电池充满电时，充电回路自动断开，无法继续充电，这样可以保证电路的安全性和可靠性。 参考文献1高波 黄健龙 朱展宇. 新型踏步式健身自行车的设计J. 广东技术师范学院学报, 2015(05):55-57.2邢钢 徐玉秀. 再生能源健身自行车研制及动态分析J. 天津工业大学学报, 2006(01):69-71.3张承东 徐玉秀. 健身发电自行车研制及动态分析J. 能源与环境, 2006(03):16-17.4王东升. 运动健身车与储能发电装置的设计研究J. 科技信息, 2010(36):523-

53、524.5赵致瑶 罗卫东 刘晶茹 王晶. 利用健身车发电处理生活废水装置的研究J. 山西建筑, 2015(09):116-117.6孙学雁 王赫莹 曹辉. 基于人机工程学的健身踏步滑板车的设计与应用J. 沈阳工业大学学报, 2009(05):68-71.7王建宁 孙永华 谢飞. 健身洗衣机结构设计J. 塔里木大学学报, 2010(04):43-48.8江国强 陆滢. 世界自行车行业现状及今后发展趋势（中）J. 中国自行车, 2006(11):5-5.9于晓文. 用重合度法辅助齿轮设计的探究J. 电子制作, 2014(10):46-46.10杨英杰. 轮速传感器的研究及应用J. 汽车科技, 20

54、19(03):42-47.11闫俊伢. 一种基于切割磁感线的自行车发电装置设计J. 内蒙古师范大学学报 （自然科学汉文版）, 2005(04):43-48.12韩燕 王宏莲. 圆柱齿轮减速器的三维造型设计J. 机电产品开发与创新, 2011(04):119-120.13 ROAD TRAFFIC & SAFETY Research on the Development Strategy of Electric Bike Traffic in Nanjing，2015(02):115-120.附录As people living standard rise, to participate in

55、the enthusiasm of fitness is more and more strong, and as a result of the outdoor environment worsening, more and more people choose to exercise indoors, it also greatly increase the number of the gym, the use of the equipment number gradually become large.Indoor fitness equipment types varied, acco

56、rding to the operation mode of the different can be divided into two major categories of electric and mechanical, the electrodynamic equipment for wide applicable people and lower sports injuries and gradually spreadBecause the quantity of indoor electric equipment used a sharp increase in the consumption of electricity is becoming more and more big. With increasi