摘要：隨著國際能源形勢的日益嚴峻，節能環保的理念已經擴展到健身器械領域，將人體運動產生的機械能轉化為電能，實現能源的回收與利用，可明顯減少健身房對能源的消耗，有利于國家節能減排戰略的實施。為此，本文研究以跑步機為例的健身器材發電中電能收集部分，主要針對電能存儲中電力電子控制裝置進行設計分析，建立永磁同步發電機、三相半橋式PWM整流電路的仿真模型，理論分析傳動裝置的選擇后，確定發電機轉速變化范圍，對仿真模型進斬行試驗，最終達到整流穩壓效果，為健身器材發電的儲能系統分析提供方向。

　　關鍵詞：健身器材發電;電能存儲;電力電子控制

　　1引言

　　科技的發展和社會的進步不斷提升了人們的生活水平，但手機電腦等高科技產品的使用讓越來越多的人身體處于亞健康狀態，因此，人們意識到運動能帶來諸多益處。同時人們對能源的需求越來越大，而煤、油等不可再生能源污染環境，且資源浪費嚴重。于是，運動健身發電這項綠色、環保的高新技術應運而生。既可以節省能源，又方便了生活。以跑步機為例，利用人使用健身跑步機時所做機械功帶動發電機轉子轉動進行發電，進而儲存電能，可以將本來浪費了的能源用于照明、手機充電等小功率負載，同時可以利用蓄電池對電能進行儲存。

　　2研究背景及國內外發展現狀

　　2.1研究背景

　　隨著現代工業的飛速發展，人類對能源的需求明顯增加，據專家預測，煤炭還可開采221年，石油39年，天然氣只能用60年。由能源短缺而引發的電力緊缺問題日益突出，根據相關數據分析表明，2020年全世界能源消耗量將達到現階段能源消耗的3倍左右[1]。這些狀況都對經濟和社會的可持續發展提出嚴峻考驗。解決能源問題，唯一的出路就是有計劃的利用常規能源、節約能源和開發新能源。

　　利用健身場所中人體消耗的能量發電以供健身房其他用電設備的正常運轉，這是健美瘦身、強健體魄的時尚生活方式與節能減耗、綠色環保時代主題的完美結合。在新能源的探索日新月異，節能產品層出不窮的今天，健身房發電無疑是具有規模開發條件和商業化發展前景的發電方式之一，同時也是普通民眾從點滴做起，健身房發電以降低運營成本為根本保障，開發新能源為最終目標，具有廣闊的市場空間和深遠的推廣意義。

　　3健身器材工作原理及優缺點分析及工作原理

　　3.1系統構成

　　為了能將發電裝置產生的電能儲存起來，讓運動消耗的一部分能量能夠為用電設備提供能源，本裝置通過傳動裝置、永磁同步發電機、電力電子控制裝置、蓄電池等一系列設備進行儲電處理。由于人們使用健身器械時的齒輪轉速較低，本項目研究通過變速齒輪傳動，將低轉速轉變為高轉速，轉速提高到一定的倍數并帶動永磁發電機的轉子轉動，此時發電機輸出具有一定電壓、頻率脈動的交流電，再經過整流電路整流使之變為電壓脈動的直流電，電壓脈動的直流電再經過濾波穩壓以及降壓斬波裝置，得以輸出穩定幅值的直流電壓，再接于蓄電池將電能存儲起來。

　　3.2傳動裝置設計

　　由于人的運動速度有限，相應軸的速度也很低，而發電機需要較高轉速，因此需要傳動裝置。根據健身器材發電特點，可選擇齒輪箱增速將轉速放大。實際測得人跑步60min消耗功率約150W—500W，考慮跑步機輸出轉速為55r/min，據功率確定發電機轉速1000r/min，從而確定傳動比，設計傳動比=電機轉速/跑步機輸出轉速。除普通齒輪箱外，還可使用變速齒輪傳動，這是由于單排齒輪機構有2個自由度，因此它沒有固定的傳動比，不能直接用于變速傳動。

　　為了組成具有一定傳動比的傳動機構，如行星齒輪機構，必須將太陽輪、齒圈和行星架這3個基本元件中的一個加以固定，或使其運動受到一定的約束，或將某2個基本元件互相連接在一起，使行星排變為只有1個自由度的機構，獲得確定的傳動比。利用行星輪系增速，行星輪系的第一級為低速級，通過傳動軸傳動，直接把轉矩從行星架傳遞到行星輪，通過行星輪和太陽輪的嚙合,將轉矩傳到第二級行星架,第二級是高速級,其轉矩和第一級類似，第二級的太陽輪作為功率輸出端[2]，轉動軸再通過聯軸器與發電機連接,實現高速動能的輸入。由于發電機提供的電源并不是理想的正弦波。

　　電壓波動、頻率波動、波形畸變和瞬時停電等情況都可能使設備運行受到影響。因此設計電力電子電路將電能進行儲存或者整流斬波后再經逆變電路提供給電器設備使用。本項目主要研究將發電機輸出電壓進行整流濾波，然后經降壓斬波后儲存到蓄電池。永磁同步發電機部分，PWM逆變器為額定功率為1.1kW，220V，3000rpm的三相電動機供電。其輸出先經過受控電壓源模塊，然后再施加到PMSM模塊的定子繞組。施加在機器軸上的負載扭矩最初設置為其標稱值3，并在t=0.04s時降低至1。使用兩個控制回路：內環調節電動機的定子電流，外環控制電動機的速度。

　　4結論：針對健身器材發電的電能收集問題，本文簡單介紹了健身器材發電的工作原理，根據以跑步機為例的健身器材工作轉速低等問題提出傳動裝置選擇，重點分析對電能存儲的電力電子裝置設計，最終選用三相半橋式PWM整流電路對發電機發出電壓進行整流，進而進行存儲。在電能收集中后續還可考慮將設計的三相PWM整流電路轉換為逆變電路使用，級聯至系統，將發電機整流所得的直流電壓或蓄電池電壓轉換為正弦脈寬調制的交流電壓，供普通用電器使用。

　　參考文獻：

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　　[2]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(04)：79.

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　　[4]張興，張崇巍.PWM整流器及其控制[M].機械工業出版社，2012

　　[5]H.He,T.Si,L.Sun,B.LiuandZ.Li,"LinearActiveDisturbanceRejectionControlforThree-PhaseVoltageSourcePWMRectifier,"inIEEEAccess,vol.8,pp.45050-45060,2020,doi:10.1109/ACCESS.2020.2978579.

　　作者簡介：張紫薇本科生;倪涵藝本科生;李展丞本科生;劉一兵本科生;侯翔一本科生;

　　機械論文投稿刊物：《機械制造與自動化》1972年創刊，是傳播機械與電氣行業新成果、新技術、新產品、新材料、新工藝、新設備，以及國內外機電行業前沿信息和企業管理、人才培養、教學研究與實踐經驗的綜合性機電技術期刊，也是江蘇省機電行業唯一的集數控、智能化、機電一體化和敏捷制等先進制造技術的技術期刊。