发电式健身自行车设计+外文翻译.docx
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发电式健身自行车设计+外文翻译
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；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
Thedesignofpowergenerationexercisebike
Abstract
Nowpeopleinthesocietygenerallylackoffitnesstime,coupledwiththecurrentenergyshortagehasbroughtmoreandmoreinfluence,inordertosolvethisproblem,thispaperproposesakindofpower-generatingexercisebike.Thedesigngoalofthepower-generatingexercisebikeisanewtypeofbicyclethatintegrateswalking,fitnessandpowergeneration.Itenablespeopletoachievefitnessintheprocessofcycling.Itcanalsoconvertthekineticenergyincyclingintoelectricalenergythroughtwowaysofspontaneouselectricity.
Thetransmissiondeviceofthepower-generatingexercisebicyclemainlyadoptsthetransmissionmodeofchainandconicalgear,andcarriesonthethree-dimensionalmodelingofthepower-generatingexercisebicyclethroughUGtoanalyzethefeasibility.Thefirstistodriveasemi-drivenpermanentmagnetsynchronousgeneratorbythewheel.Whenthegeneratorstartstorotateatarotatingspeed,itwillsendoutalternatingcurrent,whichwillbeconvertedintodirectcurrentoutputthroughthree-phasefull-waverectificationandstoredinabattery.Anotherpowergenerationmethodisbasedonthecoilcuttingmagneticinductionlinetogenerateelectricity,throughthecircuitmoduleoutputstablevoltageandcurrent,supplymobilepower.
Throughthestudytothedesignofpowertypeexercisebikes,mastertheworkingprincipleanddesignmethodofpowertypeexercisebikes,aswellasthebicycle,thepermanentmagnetsynchronousmotorandcuttingwayofmagneticinductionlinepoweranditsworkingcharacteristicshadthefurtherunderstanding,forbicyclesandpointedoutthedirectionoftheoptimizedimprovementofpowergenerationsystems.
Keywords:
Thebike;Chaindrive;Bevelgeardrive;Permanentmagnetsynchronousmotor;Thecoilcutsthemagneticinductionwire
1.4设计研究内容2
2.3传动比计算6
2.4链传动设计6
2.5圆锥齿轮传动的设计7
2.6设计结构特点8
3发电式健身自行车材料选择9
3.1车体部分材料选择9
3.2传动部分材料选择9
3.3行动部分材料选择10
3.4安全部份材料选择10
4发电系统构成11
4.1半直驱永磁同步发电机结构11
4.2半直驱永磁同步发电机工作原理12
4.3半直驱永磁同步电机结构设计12
4.4永磁材料选择12
4.5发电系统工作原理13
4.6主要部件技术参数14
5发电系统实物制作与分析15
5.1半直驱永磁同步发电机实物15
5.2半直驱永磁同步发电机支撑架实物15
5.3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19
6储能装置20
6.1储能系统总体设计21
6.2储能系统电路图设计22
6.3实验波形仿真及分析23
7基于切割磁感线发电装置26
7.1基于切割磁感线发电原理27
7.2基于切割磁感线发电方式27
7.3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28
7.4实验计算与分析29
8总结与展望31
1前言
从古代到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，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
，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
提供动力支持。
在英国，也同样发明了一种健身自行车名为
，
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
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，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，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GB10000—88的标准，加上每个人身高之间的差异，把车把的高度设计成可自由调节的，可自由调节的范围为：
920～1100mm。
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
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70
的体重来计算，人体的输入功率为:
（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：
（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20
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条的长度为200
踩踏频率为60~120次/
即踩踏快的时候可达2次/
即链条的行程可达400
链轮周长为148.84
每秒2.69圈。
总的传动比
=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
=0.3
链轮之间的传动比
=0.5
则小链轮与锥齿轮间的传动比
=0.49
2.4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
=210r/min,从动链轮转速
=378r/min,传动比
=0.5。
确定链条型号、链节数、排数、链轮齿数、链轮结构、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40
（调质）,硬度为250
齿轮材料为45钢（调质），硬度为200
者材料硬度差为50
。
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
2～5
航空发动机
4～7
透平减速器
3～6
拖拉机
6～9
金属切削机床
3～8
通用减速器
6～8
内燃机车
6～7
轧钢机
5～10
电气机车
6～7
矿用绞车
8～10
轻型汽车
5～8
起重机械
6～10
载重汽车
6～9
农业机器
8～10
因为要在小齿轮里面装单向轴承，经过综合考虑，选取
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
的单向轴承，并能保证其强度,假定选定的齿轮模数
=2.5，选小齿轮齿数
=23，大齿轮齿数
=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5
，比同类型的踏步自行车低了150
。
（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
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45
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4.2200W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（
），另一种是2：
17型
）[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，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
，是由钕、铁、硼形成的物质，其最大磁能积可以达到397．9
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
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