CN103887925A - 利用简易健身设施实现发电储电及供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用简易健身设施实现发电储电及供电方法，该方法利用基本结构为绕一固定轴作圆周运动或绕一固定轴的往复圆弧运动的简易健身设施作为机体，通过简易健身设施的转动结构分别驱动转子线圈和高磁性永久磁铁作独立运动，实现高磁性永久磁铁构成一个可转动的封闭磁场，转子线圈在磁场内转动切割磁感线发电，再将生产出的电采用现有的稳压技术稳压后，最后存储并供电，本发明把全民健身与开发绿色新能源巧妙的融合在一起，将人们健身所产生的机械能转化为电能并加以储存，通过USB通用接口输出储存电能，且装置简单，成本较低，所产生电量较小，使用安全程度高，有较高的推广价值。

Description

利用简易健身设施实现发电储电及供电方法

技术领域

本发明涉及一种利用简易健身设施实现发电储电及供电方法，属于健身设备技术领域。

背景技术

目前国内外所使用的简易健身设施，人们健身做功所产生的能量，全部以热能的形式散失，造成极大的浪费。通过对简易健身设施的改进，使其具备发电储电和供电的功能，既满足国家倡导全民健身和积极推广绿色环保能源开发利用的相关文件精神的要求，又能使广泛利用绿色环保能源的理念深入人民生活。

发明内容

本发明的目的是：提供一种利用简易健身设施实现发电储电及供电方法，该方法通过转动结构分别驱动转子线圈和高磁性永久磁铁分别作独立运动，使得高磁性永久磁铁形成封闭转动磁场，转子线圈在磁场内转动割磁感线目的，实现发电功能，以解决目前现有的技术问题。

本发明的技术方案

一种利用简易健身设施实现发电储电及供电方法，该方法利用基本结构为绕一固定轴作圆周运动的简易健身设施作为机体，通过简易健身设施的转动结构分别驱动转子线圈和高磁性永久磁铁作独立圆周运动，在转子线圈与简易健身设施的转动结构间设有反向装置，通过反向装置使得转子线圈和高磁性永久磁铁实现相反转动，即高磁性永久磁铁形成封闭的转动磁场，转子线圈在磁场内与反向旋转切割磁感线，使得同一简易健身设施转动过程中实现高于简易健身设施转速的磁感线切割速度，从而高效发电，再将生产出的电采用现有的稳压技术稳压后，最后存储并供电。

前述的利用简易健身设施实现发电储电及供电方法中，该方法也可利用基本结构为绕一固定轴的往复圆弧运动的简易健身设施作为机体，通过简易健身设施的转动结构驱动高磁性永久磁铁作同样的往复圆弧运动，转子线圈与转动结构为一整体的摆腿连接形成偏心连杆机构，使得转动结构的圆弧运动为转子线圈的定轴转动，即高磁性永久磁铁形成封闭的摆动磁场，转子线圈在磁场内旋转切割磁感线，再将生产出的电采用现有的稳压技术稳压后，最后存储并供电。

前述的利用简易健身设施实现发电储电及供电方法中，在转子线圈和简易健身设施的转动结构间设有变速装置，以扩大转子线圈的转速。

前述的利用简易健身设施实现发电储电及供电方法中，在转动结构与转子线圈间设有超越离合器，从而保证在简易健身设施的转动结构停转后，转子线圈能继续转动并同时切割磁感线。

前述的利用简易健身设施实现发电储电及供电方法中，储电方法采用锂电池作为本体，在锂电池上设计接口，并在锂电池内设置保护电路，该保护电路原理为：

1）当锂电池充电未饱和时，装置产生电能通过锂电池进行储存；

2）当锂电池充电饱和时，将其短路，多余电能通过一个阻值较大的电阻R转化为热能散失；

3）、当稳压装置故障导致输出电压过大时，为防止锂电池烧坏，将其短路，电能通过较大阻值的电阻R转化为热能散失。

一种可实现发电供电的简易健身设施，包括其基本结构为绕一固定轴作圆周运动的简易健身设施，在与简易健身设施同轴位置上设置齿轮一，转子线圈设置在齿轮一上并与简易健身设施的转动结构位置对应，高磁性永久磁铁固定在转动结构上并与转子线圈对应，齿轮二与转动结构通过内螺纹配合连接，在齿轮一与齿轮二间设有变速装置，稳压装置与转子线圈的引出线连接，在稳压装置后依次连接有储电装置和供电装置。

前述的可实现发电供电的简易健身设施中，在转子线圈与齿轮一间设有超越离合器。

前述的可实现发电供电的简易健身设施中，所述变速装置由数量为偶数的变速齿轮构成的齿轮组，通过在齿轮一和齿轮二间设有变速齿轮，既可扩大输出的转速，又不改变其输入的转向。

前述的可实现发电供电的简易健身设施中，齿轮一与齿轮二构成一个反向装置，从而转子线圈与高磁性永久磁铁的反向转动。

前述的可实现发电供电的简易健身设施中，储电装置采用锂电池为本体，在锂电池上设计接口，并在锂电池内设置保护电路。

一种新型可实现发电供电的简易健身设施，包括其基本结构为绕一固定轴的往复圆弧运动的简易健身设施一，在与简易健身设施一同轴位置上设置齿轮三，转子线圈一设置在齿轮三上并与简易健身设施一的转动结构一位置对应，高磁性永久磁铁一固定在转动结构一上并与转子线圈一对应，齿轮四与转动结构一为一整体的摆腿连接构成偏心连接机构，在齿轮三与齿轮四间设有变速装置一，稳压装置与转子线圈一的引出线连接，在稳压装置后依次连接有储电装置和供电装置。

前述的新型可实现发电供电的简易健身设施中，在转子线圈一与齿轮三间设有超越离合器一。

前述的新型可实现发电供电的简易健身设施中，所述变速装置一为至少一个变速齿轮构成的齿轮组。

前述的新型可实现发电供电的简易健身设施中，储电装置采用锂电池为本体，在锂电池上设计接口，并在锂电池内设置保护电路。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明把全民健身与开发绿色新能源巧妙的融合在一起，将人们健身所产生的机械能转化为电能并加以储存，通过USB通用接口输出储存电能，且装置简单，成本较低，所产生电量较小，使用安全程度高，有较高的推广价值。

附图说明

附图1为本发明结构原理示意图；

附图2为实施例一中发电装置结构示意图；

附图3为实施例二中发电装置结构示意图；

附图4为本发明中稳压装置的电路原理图；

附图5为本发明中储电装置中电路保护原理图。

附图中的标记为：1-简易健身设施、2-齿轮一、3-转子线圈、4-转动结构、5-高磁性永久磁铁、6-齿轮二、7-变速装置、8-稳压装置、9-储电装置、10-供电装置、11-发电装置、12-简易健身设施一、13-齿轮三、14-转子线圈一、15-转动结构一、16-高磁性永久磁铁一、17-齿轮四、18-变速装置一、19-摆腿。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制。

本发明的实施例一：本发明的原理为，利用基本结构为绕一固定轴转动的简易健身设施（本实施例中采用模拟自行车）作为机体，通过简易健身设施的转动结构（本实施例中为模拟自行车上的护瓦）分别驱动转子线圈和高磁性永久磁铁作独立圆周运动，在转子线圈与简易健身设施的转动结构间设有反向装置，通过反向装置使得转子线圈和高磁性永久磁铁实现相反转动，即高磁性永久磁铁形成封闭的转动磁场，转子线圈在磁场内与反向旋转切割磁感线，使得同一简易健身设施转动过程中实现高于简易健身设施转速的磁感线切割速度，从而高效发电，再将生产出的电采用现有的稳压技术稳压后，最后存储并供电。

发电装置设计：如附图1所示，本实施例中包括发电装置11、稳压装置8、储电装置9和供电装置10，上述装置依次连接以实现发电存电及供电。

如附图2所示，发电装置11采用电磁感应原理，其中发电装置11以其基本结构为绕一固定轴作圆周运动的简易健身设施1（本实施例采用模拟自行车）为机体，在与简易健身设施1同轴位置上设置齿轮一2，转子线圈3设置在齿轮一2上并与简易健身设施1的转动结构4（本实施例中为模拟自行车上的护瓦）位置对应，并在转子线圈3与齿轮一2间设有超越离合器9，高磁性永久磁铁5固定在转动结构4上并与转子线圈3对应，齿轮二6与转动结构4通过内螺纹配合连接，在齿轮一2与齿轮二6间设有变速装置7，本实施例中在变速装置7 采用2座齿轮来实现齿轮一2的扩速，其中齿轮一2采用现有技术的普通齿轮，齿轮二6和变速装置7中的2座齿轮采用现有技术中的变速齿轮。

上述发电装置的发电流程为：当简易健身设施（即模拟自行车）通过人为健身转动，简易健身设施上的转动结构（即护瓦）也随之转动，高磁性永久磁铁因固定在转动结构上也会与转动结构同速同向转动，并构成一个封闭式磁场，齿轮二也随着转动结构同向转动（因齿轮二与转动结构为内齿轮连接），经过齿轮二、变速装置（即2台变速齿轮）和齿轮一的配合连接后，可增大转子线圈的转动速度，并同时使得转子线圈与转动装置的转向相反（因转子线圈固定在齿轮一上，故转子线圈转向与齿轮一相同，2台变速齿轮只有改变增大转速大小而不会改变转速方向，而齿轮一和齿轮二相当于外齿轮连接形成反向装置），即与高磁性永久磁铁转速相反，则又增加了磁感线切割速度，在转子线圈与齿轮一间设有超越离合器的主要目的是，当齿轮一停止转动后转子线圈还能继续转动而切割磁感线发电，从而提高了能量的利用效率。

公式表述如下：

ω1*R1=ω2*R2  和  R1/R2=Z1/Z2；

    得  ω2/ω1=R1/R2=Z1/Z2；

    而  n =（60*ω）/（2*3.14）；

    所以  n2/n1=Z1/Z2 。

    式中：ω—角速度，rad/s；R—半径，m；Z—齿数；n—转速，r/min。

由上述公式推演知，通过多级的齿轮连接，可使转子线圈获得较大转速，提高装置的发电性能。

稳压装置9设计：稳压装置9采用现有技术的设计方案，当发电装置由于转动转子（护瓦）转动速度的不确定性，导致其所发交流电的电压和频率都不够稳定，无法直接通过储能装置储能，因此将其所发电压U1先通入稳压装置经过稳压装置稳压，再将稳压后的电压通入储能装置进行储存，稳压装置原理电路图（如附图4所示），将不稳定的电压通入AB端，经过变压器T1，电容C1、C2、C3、C4、稳压二极管VD1、二极管VD2、VD3、VD4、电感性电阻L1及电阻R1的整流，调压，稳压后，输出稳定的电压U2，U2的电压稳定在5—7伏。

储电装置10设计：储电装置10采用现有技术的锂电池作为本体，上述输出电压U2通入锂电池储存，考虑到该装置所产生电量不大的特点，所选锂电池的容量为20000mAh—30000mAh，由于该装置面向公众开放，参与健身的人群较多，为了防止锂电池过充，在U2与锂电池之间增加保护电路，保护电路由可编程控制器（programable logic controller ,PLC）编程，实现如下功能：(1)当锂电池充电饱和时，将其短路，多余电能通过一个阻值较大的电阻R转化为热能散失；当锂电池充电未饱和时，装置产生电能通过锂电池进行储存,(2)当稳压装置故障导致输出电压U2过大时，为防止锂电池烧坏，将其短路，电能通过较大阻值的电阻R转化为热能散失 。输入电压U2通过保护电路后，通过插口与锂电池接通（方便更换到达使用寿命的锂电池），储电装置设计功能如附图5所示。

供电装置11设计：该装置所发电能储存在储能装置（锂电池）中，目前市场上常用的小功率用电器如手机、MP3、MP4、平板电脑等，它们均可通过数据线连接USB接口进行充电，因此，在锂电池的另一端接3个USB输出口，通过USB接口将储能装置中所储电能输出，其中两个接口输出5V 1A的电能一个接口输出5V 2.1A的电能，调压原理与稳压装置相似，其功能通过PLC电路集成实现，5V 1A的接口用于给手机、MP3、MP4充电，5V 2.1A的接口用于给平板电脑充电。

综上所述，本实施例只是因本发明作具体解释而说明，并为对其作出任何限制，本发明中利用绕一固定轴作圆周运动的简易健身设施而实施高效发电原理主要是：利用简易健身设施圆周转动分别带动转子线圈和高磁性永久磁铁作圆周转动，并设置反向装置实现转子线圈和高磁性永久磁铁相反转动，这样高磁性永久磁铁构成一个可转动的封闭磁场，转子线圈以其相反方向转动，从而大大提高了与高磁性永久磁铁的相对转速速度，实现高效切割磁感线发电，对于反向装置的安装方式和结构若是采用现有技术，都应在本发明的保护范围内。

本发明的实施例二：本发明的原理为，利用基本结构为绕一固定轴的往复圆弧运动的简易健身设施一（本实施例中采用太空漫步机）作为机体，通过简易健身设施的转动结构（即太空漫步机上护瓦）驱动高磁性永久磁铁作同样的往复圆弧运动，转子线圈与转动结构为一整体的摆腿（即太空漫步机上摆腿）连接形成偏心连杆机构，使得转动结构的圆弧运动为转子线圈的定轴转动，即高磁性永久磁铁形成封闭的摆动磁场，转子线圈在磁场内旋转切割磁感线，再将生产出的电采用现有的稳压技术稳压后，最后存储并供电。

如附图3所示，发电装置11采用电磁感应原理，其中发电装置11以其基本结构为绕一固定轴的往复圆弧运动的简易健身设施一（即太空漫步机）12作为机体，在与简易健身设施一12同轴位置上设置齿轮三13，转子线圈一14设置在齿轮三13上并与简易健身设施一12的转动结构一15（即太空漫步机上护瓦）位置对应，在转子线圈一14与齿轮三13间设有超越离合器一，高磁性永久磁铁一16固定在转动结构一15上并与转子线圈一15对应，齿轮四17与转动结构一16为一整体的摆腿19（即太空漫步机上摆腿）连接构成偏心连接机构，在齿轮三14与齿轮四17间设有变速装置一18，本实施例中变速装置一18采用3座齿轮组实现齿轮三14的扩速，其中齿轮三2和齿轮四17采用现有技术的普通齿轮，变速装置一18中的3座齿轮采用现有技术中的变速齿轮。

上述发电装置的发电流程为：当简易健身设施一（即太空漫步机）通过人为健身产生摆动，简易健身设施一上的转动结构一（即护瓦）和摆腿（即太空漫步机上摆腿）也随之摆动，高磁性永久磁铁一因固定在转动结构一上也会与转动结构同速摆动，并构成一个封闭式磁场，齿轮四与转动结构一为一整体的摆腿连接构成偏心连接机构，则实现将以摆对的往复圆弧运动转换为齿轮四绕固定轴圆周转动，经过变速装置一（即3台变速齿轮）配合连接后，可增大转子线圈一的转动速度，则实现转子线圈一在摆动的磁场内转动切割磁感线发电的目的，在转子线圈一与齿轮三间设有超越离合器一的主要目的是，当齿轮三停止（即太空漫步机停止工作时）转动后转子线圈一还能继续转动而切割磁感线发电，从而提高了能量的利用效率。

公式表述如下：

ω1*R1=ω2*R2  和  R1/R2=Z1/Z2；

    得  ω2/ω1=R1/R2=Z1/Z2；

    而  n =（60*ω）/（2*3.14）；

    所以  n2/n1=Z1/Z2 。

    式中：ω—角速度，rad/s；R—半径，m；Z—齿数；n—转速，r/min。

由上述公式推演知，通过多级的齿轮连接，可使转子线圈获得较大转速，提高装置的发电性能。

稳压装置9设计：稳压装置9采用现有技术的设计方案，当发电装置由于转动转子一（护瓦）转动速度的不确定性，导致其所发交流电的电压和频率都不够稳定，无法直接通过储能装置储能，因此将其所发电压U1先通入稳压装置经过稳压装置稳压，再将稳压后的电压通入储能装置进行储存，稳压装置原理电路图（如附图4所示），将不稳定的电压通入AB端，经过变压器T1，电容C1、C2、C3、C4、稳压二极管VD1、二极管VD2、VD3、VD4、电感性电阻L1及电阻R1的整流，调压，稳压后，输出稳定的电压U2，U2的电压稳定在5—7伏。

储电装置10设计：储电装置10采用现有技术的锂电池作为本体，上述输出电压U2通入锂电池储存，考虑到该装置所产生电量不大的特点，所选锂电池的容量为20000mAh—30000mAh，由于该装置面向公众开放，参与健身的人群较多，为了防止锂电池过充，在U2与锂电池之间增加保护电路，保护电路由可编程控制器（programable logic controller ,PLC）编程，实现如下功能：(1)当锂电池充电饱和时，将其短路，多余电能通过一个阻值较大的电阻R转化为热能散失；当锂电池充电未饱和时，装置产生电能通过锂电池进行储存,(2)当稳压装置故障导致输出电压U2过大时，为防止锂电池烧坏，将其短路，电能通过较大阻值的电阻R转化为热能散失 。输入电压U2通过保护电路后，通过插口与锂电池接通（方便更换到达使用寿命的锂电池），储电装置设计功能如附图5所示。

供电装置11设计：该装置所发电能储存在储能装置（锂电池）中，目前市场上常用的小功率用电器如手机、MP3、MP4、平板电脑等，它们均可通过数据线连接USB接口进行充电，因此，在锂电池的另一端接3个USB输出口，通过USB接口将储能装置中所储电能输出，其中两个接口输出5V 1A的电能一个接口输出5V 2.1A的电能，调压原理与稳压装置相似，其功能通过PLC电路集成实现，5V 1A的接口用于给手机、MP3、MP4充电，5V 2.1A的接口用于给平板电脑充电。

综上所述，本实施例只是因本发明作具体解释而说明，并为对其作出任何限制，本发明利用绕一固定轴作往复圆弧运动的简易健身设施而实施高效发电原理主要是：利用简易健身设施的圆弧摆动带动高磁性永久磁铁摆动，使之形成一个封闭的圆弧摆动磁场，并在简易健身设施与转子线圈设计偏心连杆结构，使简易健身设施的圆弧摆动形式转换为转子线圈绕着固定轴圆周运动形式，这样高磁性永久磁铁构成一个可摆动的封闭磁场，转子线圈在磁场内转动切割磁感线发电，对于把圆弧摆动转换为圆周运动的方法和结构若是采用现有技术，都应在本发明的保护范围内。

上述两实施例可行性分析

人体在有氧运动时功率为70W—150W,经过齿轮组的变速后高磁性永久磁铁与转子线圈的相对转速可达到200r/min—220r/min,驱动力矩为T，理想驱动力为F,力臂r为发电机构半径约0.2m。

          由公式 P=T*ω， ω=（2*3.14*n）/60；

          得 T=P/ω=P/(（2*3.14*n）/60)；

          代入数据 p=(70—150)W,   n=（200—220）r/min；

          计算得 T=3.0N*m—7.2N*m；

      由 F=T*r；

      代入数据得理想驱动力 F=0.6N—1.44N；

因为机构中各构件间存在摩擦力，空气阻力等，所以引入修正系数k=2；

          实际所需牵引力  F1=k*F；

      解得 F1=1.2N—2.88N。

通过上述计算可知该 简易健身发电储电与供电装置所需牵引力为1.2N—2.88N，并不会增加太多的负载，基本不影响人们对健身装置的使用。

上述两实施例把全民健身与开发绿色新能源巧妙的融合在一起，将人们健身所产生的机械能转化为电能并加以储存，通过USB通用接口输出储存电能，且装置简单，成本较低，所产生电量较小，使用安全程度高，有较高的推广价值。

Claims (5)

1.一种利用简易健身设施实现发电储电及供电方法，其特征在于：该方法利用基本结构为绕一固定轴作圆周运动的简易健身设施作为机体，通过简易健身设施的转动结构分别驱动转子线圈和高磁性永久磁铁作独立圆周运动，在转子线圈与简易健身设施的转动结构间设有反向装置，通过反向装置使得转子线圈和高磁性永久磁铁实现相反转动，即高磁性永久磁铁形成封闭的转动磁场，转子线圈在磁场内与反向旋转切割磁感线，使得同一简易健身设施转动过程中实现高于简易健身设施转速的磁感线切割速度，从而高效发电，再将生产出的电采用现有的稳压技术稳压后，最后存储并供电。

2.根据权利要求1所述的利用简易健身设施实现发电储电及供电方法，其特征在于：该方法也可利用基本结构为绕一固定轴的往复圆弧运动的简易健身设施作为机体，通过简易健身设施的转动结构驱动高磁性永久磁铁作同样的往复圆弧运动，转子线圈与转动结构为一整体的摆腿连接形成偏心连杆机构，使得转动结构的圆弧运动为转子线圈的定轴转动，即高磁性永久磁铁形成封闭的摆动磁场，转子线圈在磁场内旋转切割磁感线，再将生产出的电采用现有的稳压技术稳压后，最后存储并供电。

3.根据权利要求1或2所述的利用简易健身设施实现发电储电及供电方法，其特征在于：在转子线圈和简易健身设施的转动结构间设有变速装置，以扩大转子线圈的转速。

4.根据权利要求1或2所述的利用简易健身设施实现发电储电及供电方法，其特征在于：在转动结构与转子线圈间设有超越离合器，从而保证在简易健身设施的转动结构停转后，转子线圈能继续转动并同时切割磁感线。

5.根据权利要求1或2所述的利用简易健身设施实现发电储电及供电方法，其特征在于：储电方法采用锂电池作为本体，在锂电池上设计接口，并在锂电池内设置保护电路，该保护电路原理为：

1）当锂电池充电未饱和时，装置产生电能通过锂电池进行储存；

2）当锂电池充电饱和时，将其短路，多余电能通过一个阻值较大的电阻R转化为热能散失；

3）当稳压装置故障导致输出电压过大时，为防止锂电池烧坏，将其短路，电能通过较大阻值的电阻R转化为热能散失。

Images