一种机械能回收储电装置和机械能回收方法

1.本发明涉及健身器材的能量回收领域，尤其涉及一种机械能回收储电装置和机械能回收方法。


背景技术：

2.在健身房的日常运营中，有很多健身设施，如跑步机、动感单车等，这些器材的使用十分耗费电能。此外，健身房的照明、空间的冷负荷也都消耗了大量的电能。在当今能源紧缺的大局势下，且随着更多大型健身俱乐部的建成与使用，设计出能高效地利用各种健身器材发电的系统，可为能源的再利用提供新的思路。在健身时，人体消耗大量的能量，转化为健身器械的机械能，如果可以将这部分能量回收并加以利用，转化为电能，则可以减少健身房的能量消耗，其效益显而易见。
3.根据目前健身器材发电技术的开发与应用，设计制作新的健身房发电装置，应考虑的因素有：(1)现有应用实例主要以圆周运动器材的发电为主，这种发电方式的应用面较狭窄，在国内还未得到大面积推广。健身器材的运动一般分为转轴类圆周运动和直杆类平动，直杆类平动产生的能量被浪费；(2)转速的不稳定性。健身人群有性别、年龄、体力的差异，导致器械的运动速度无法稳定，产生的电能不稳定；(3)输出电能的大小受器材的使用状态影响，以直杆类平动健身器材为例，人力向上推时器材被使用产生机械能，使传动装置运动，产生电能；当人力向下恢复器材的使用状态时，传动装置会受到相反的作用力，从而导致能量的损失，输出的电能减少。(4)发、用电不平衡。运动器械的使用具有不确定性，故发出的电量可能时大时小。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供了一种机械能回收储电装置及机械能回收方法，利用内嵌棘轮、惯性飞轮、皮带式无级变速器、步进电机、发电机、储能电池等零部件，对于圆周运动和直杆类平动健身器产生的能量都能转为电能，具体包括：
5.一种机械能回收储电装置，包括：
6.升降架，所述升降架包括第一升降支架和第二升降支架；
7.主动轴，所述主动轴的轴身安装在所述第一升降支架的移动端，所述主动轴的一端为负载接口；
8.传动组件，所述传动组件的输入端与所述主动轴的另一端连接，所述传动组件的输出端与传动轴的一端连接；
9.变速组件，所述变速组件的输入端安装在所述传动轴的轴身上，所述传动轴带动所述变速组件的输入端与所述转动组件的输出端同轴转动，所述传动轴的另一端安装在所述第二升支架的移动端；
10.发电机，所述变速组件的输出端安装在所述发电机的转子上，所述变速组件的输出端带动所述转子同步转动；
11.储能电池，所述储能电池与所述发电机电性连接。
12.优选的，所述传动组件包括：
13.棘轮，所述棘轮为所述传送组件的输入端，所述棘轮的内壁上环周均匀阵列多个导向凸起，所述棘轮的外壁环周均匀阵列多个凸部，在一个所述导向凸起中，所述导向凸起包括底抵接面和引导斜面；
14.止动爪，所述止动爪安装在所述主动轴上，所述止动爪的回缩端与所述棘轮的内壁抵接；
15.惯性飞轮，所述惯性飞轮为所述传动组件的输出端，所述惯性飞轮的内壁环周均匀设置凹部，所述凹部与所述凸部适配，所述惯性飞背离所述棘轮的侧壁与所述变速组件的输入端连接；
16.所述棘轮支持通过所述凸部带动所述惯性飞轮与所述棘轮同轴转动，所述惯性飞轮支持通过所述凹部带动所述棘轮与所述惯性飞轮同轴转动；
17.其中，当所述主动轴的负载接口有能量输入时，所述主动轴带动所述止动爪转动，所述止动爪的侧壁与所述导向凸起的抵接面抵接，所述止动爪带动所述棘轮与所述主动轴同向转动，所述棘轮带动所述惯性飞轮转动；当所述主动轴停止转动时，所述惯性飞轮持续转动直至将所述主动轴的负载接口接收的能量全部转化为机械能，同时，所述惯性飞轮带动所述棘轮持续转动，所述棘轮的导向凸起的导向面引导所述止动爪回缩。
18.优选的，在同一个导向凸起中，所述抵接面与所述棘轮的内壁垂直，所述导向面连接所述抵接面和所述棘轮的内壁。
19.优选的，所述变速组件包括：
20.皮带式无级变速器，所述皮带式无级变速器的主动带轮为所述变速组件的输入端，所述皮带式无级变速器的从动带轮为所述变速组件的输出端；
21.步进电机，所述步进电机的输出端与所述从动带轮连接；
22.其中，所述步进电机用于调整所述皮带式无级变速器的传动比。
23.优选的，所述机械能回收储电装置还包括：底座和万向轮；
24.所述升降架、传动组件、发电机、变速组件和储能电池安装在所述底座的上表面上；
25.所述底座的下表面设置多个万向轮，所述万向轮支持带动所述底座移动。
26.优选的，所述第一升降支架和所述第二升降支架的结构相同；
27.所述第一升降支架包括：
28.矩形框，所述矩形框竖直固定在所述底座上，所述矩形框相对的两个侧面分别设置滑轨；
29.移动板，所述移动板的两个侧壁分别与所述矩形框内的滑轨连接；
30.螺杆，所述螺杆穿过所述矩形框的顶梁与所述移动板固定连接，所述矩形框的顶梁设置有与所述螺杆适配的螺纹孔，当所述螺杆转动，所述螺杆带动所述移动板沿所述滑轨直线升降。
31.优选的，所述负载接口支持安装卷簧和牙盘。
32.一种机械能回收方法，包括上述的机械能回收储电装置，还包括：
33.判断健身器材的类别，根据所述健身器材的类别选择安装在所述负载接口上的器
件；
34.根据所述负载接口上的器件输入的能量，所述主动轴带动所述惯性飞轮转动，直至所述惯性飞轮将所述负载接口上的器件输入的能量全部转换为机械能，同时，所述惯性飞轮通过所述变速组件带动所述发电机的转子转动，所述发电机的转子转动带动所述发电机输出电能；
35.所述发电机输出的电能储存至所述储能电池中。
36.优选的，当所述变速组件带动所述发电机的转子转动时，所述步进电机根据所述发电机输出的电流信号调整所述皮带式无级变速器的传动比，直至所述发电机的转子恒速转动。
37.优选的，所述判断健身器材的类别，根据所述健身器材的类别选择安装在所述负载接口上的器件包括：
38.当所述健身器材为直杆类时，安装在所述负载接口上的器件为卷簧，所述卷簧的中心安装在所述负载接口上，所述卷簧的接头安装在所述健身器材上；
39.当所述健身器材为转轴类时，安装在所述负载接口上的器件为牙盘；
40.其中，所述牙盘通过链条与所述健身器材的转轴端连接。
41.上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：
42.本装置和本方法能够将人健身时运动产生的机械能转化为稳定电能，实现能量的有效回收利用。本装置和本方法设置了两种接口分别连接圆周运动和平动器材，实现单体装置灵活广泛应用。本装置和本方法中的无级变速器组合步进电机控制传动比，实现发电机转子恒速，电流稳定输出。
43.本装置能够通过将人健身时运动产生的机械能转化为电能，实现了人在锻炼身体的同时产生电能，从而避免健身房由于健身器材耗费的电能造成浪费的问题，同时通过设置传动组件和变速组件，使得能够对人在锻炼身体时产生的机械能通过可控传动比转化为稳定的电能，整体设置能够利用机械能转换的电能创造经济价值，减少健身房的能耗。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
45.图1为本技术实施例所提供的装置结构示意图；
46.图2为本技术实施例所提供的棘轮结构示意图；
47.图3为本技术实施例所提供的转轴、棘轮、止动爪和惯性飞轮的连接关系示意图；
48.图4为本技术实施例所提供的输入转速及输出电压对传动比的影响的折线图；
49.图5为本技术实施例所提供的龙门架不同配重的使用频率；
50.图6为本技术实施例所提供的输入转速的概率密度函数图；
51.图7为本技术实施例所提供的惯性飞轮的结构示意图。
52.附图标记：1、第一升降支架；2、第二升降支架；3、主动轴；4、发电机；5、储能电池；6、棘轮；7、止动爪；8、惯性飞轮；9、皮带式无级变速器；10、步进电机；11、底座；12、万向轮。
具体实施方式
53.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
54.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
55.需要说明的是，本发明中使用的“上”、“下”、“左”、“右”“前”“后”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
56.针对健身房耗电量大、产生的机械能未被利用、同类装置发电不稳定等问题，本技术基于无级变速器的工作原理设计了一种可控传动比的机械能稳定回收储电装置和机械能回收方法，可实现能量的有效回收利用。本装置工作流程和特点为：人健身做功带动负载产生势能；负载连接外端接口带动主动轴转动；棘轮的止动爪弹出，带动惯性飞轮运动，输出机械能；皮带式无级变速器主动带轮带动从动轮运动；步进电机接收发电机电流信号，控制传动带移动，调节传动比；发电机转子恒速运动，输出电能储存于储能电池中；内嵌棘轮止动爪收回，惯性飞轮转动不受影响。本装置将健身器材运动产生的机械能，通过传动装置的可控传动比设计，转化为稳定的电能，实现了人在锻炼身体的同时产生电能。既能激励更多的人参与到健身行列之中，又可以利用产生的电能创造经济价值，减少健身房的能耗。通过研究改造及推广，可将本装置应用在大部分圆周运动和平动健身器材，以获取更多的电能，进一步节能降耗。具体包括：
57.如图1至图3和图7所示，一种机械能回收储电装置，包括：升降架、主动轴3、传动组件、变速组件、储能电池和发电机4，所述升降架包括第一升降支架1和第二升降支架2；所述主动轴3的轴身安装在所述第一升降支架1的移动端，所述主动轴3的一端为负载接口所述传动组件的输入端与所述主动轴3的另一端连接，所述传动组件的输出端与传动轴的一端连接；所述变速组件的输入端安装在所述传动轴的轴身上，所述传动轴带动所述变速组件的输入端与所述转动组件的输出端同轴转动，所述传动轴的另一端安装在所述第二升支架的移动端；所述变速组件的输出端安装在所述发电机4的转子上，所述变速组件的输出端带动所述转子同步转动，所述储能电池5与所述发电机4电性连接。主动轴有能量输入后开始转动通过传动组件带动变速组件转动，变速组件恒定带动发电机的转子转动，发电机输出的电能被储能电池回收。
58.其中，所述传动组件包括：棘轮6、止动爪7和惯性飞轮8；所述棘轮6为所述传送组件的输入端，所述棘轮6的内壁上环周均匀阵列多个导向凸起，所述棘轮6的外壁环周均匀阵列多个凸部，在一个所述导向凸起中，所述导向凸起包括底抵接面和引导斜面；所述止动爪7安装在所述主动轴3上，所述止动爪7的回缩端与所述棘轮6的内壁抵接；所述惯性飞轮8
为所述传动组件的输出端，所述惯性飞轮8的内壁环周均匀设置凹部，所述凹部与所述凸部适配，所述惯性飞背离所述棘轮6的侧壁与所述变速组件的输入端连接；所述棘轮6支持通过所述凸部带动所述惯性飞轮8与所述棘轮6同轴转动，所述惯性飞轮8支持通过所述凹部带动所述棘轮6与所述惯性飞轮8同轴转动；止动爪7的数量至少为一个，一般可以为两个。
59.其中，当所述主动轴3的负载接口有能量输入时，所述主动轴3带动所述止动爪转动，所述止动爪7的侧壁与所述导向凸起的抵接面抵接，所述止动爪带动所述棘轮6与所述主动轴3同向转动，所述棘轮6带动所述惯性飞轮8转动；当所述主动轴3停止转动时，所述惯性飞轮8持续转动直至将所述主动轴3的负载接口接收的能量全部转化为机械能，同时，所述惯性飞轮8带动所述棘轮6持续转动，所述棘轮6的导向凸起的导向面引导所述止动爪7回缩。
60.本技术的具体结构为：如图1至图3所示，主动轴3的轴身安装在第一升降支架1上，主动轴3的一端为负载接口，主动轴3的另一端与棘轮6连接，棘轮6和主动轴3同轴设置且棘轮6安装在主动轴3上，其中棘轮6为现有技术，棘轮6上设置止动爪7，主动轴3带动棘轮6转动的原因就是止动爪7的侧壁抵接棘轮6的导向凸起的抵接面，这里关于棘轮6、止动爪7和主动轴3的具体结构和运动原理为现有技术，如专利公开号为“cn116399196a”的一种可复位的爆破减振耗能装置中的说明书附图中的图4，在本技术中，当主动轴3向a方向(图中注释的a方向)止动爪7带动棘轮6向a方向同步转动，当主动轴3向a方向的反方向转动时，棘轮6不转动。例如当负载接口处安装卷簧，卷簧的中心安装在主动轴3上，卷簧的接口安装在直杆式健身器材上，直杆式的健身器材向一个方向平动或者升降时会拉动卷簧，此时会带动主动轴3向a方向相反的方向转动，此时棘轮6不转动，当直杆式的健身器回位时，健身人员运动带动卷簧运动产生的势能被释放到转动轴上，转动轴向a方向转动从而带动棘轮6转动，棘轮6带动惯性飞轮8转动，由于卷簧复位后，主动轴3不再转动，但是惯性飞轮8可能还未停止转动，惯性飞轮8会将输入的能量消耗后(尽管在能量转换时有其他摩擦消耗输入的势能)，惯性飞轮8的转动不会被止动爪7阻碍，该能量不会被抵消。由于健身人员的远动是持续的，在运动员完成一次对运动器材的做功后，第二次做功时会再次拉动转动轴向a方向的反方向转动一定角度，由于此时惯性飞轮8可能还在上一次能量转换的转动中，由于止动爪7的被引导斜面压缩，止动爪7不阻止棘轮6的持续转动，所以上一次做功产生的能量不会被抵消而是被传送组件传送至变速组件。
61.具体的一种实施方式，在同一个导向凸起中，所述抵接面与所述棘轮6的内壁垂直，所述导向面连接所述抵接面和所述棘轮6的内壁。
62.本技术中的所述变速组件包括：皮带式无级变速器和步进电机10；所述皮带式无级变速器的主动带轮为所述变速组件的输入端，所述皮带式无级变速器的从动带轮为所述变速组件的输出端；所述步进电机10的输出端与所述从动带轮连接；所述步进电机10用于调整所述皮带式无级变速器的传动比。
63.在本技术中的皮带式无级变速器为现有技术，其传动比的具体调节方法为：
64.皮带式无级变速器由主动带轮、传动带和从动带轮所组成。每个带轮都由带有斜面的两个半轮而组成一体，其中一个半轮是固定的，另一个半轮可轴向运动。主、从动工作轮的固定和可动两部分形成v形槽，与传动带啮合。当主、从动工作轮可动部分作轴向移动时，改变了传动带的回转半径，从而改变传动比。
65.本技术的皮带式无级变速器9的主动带轮与惯性飞轮8相接，两者将会保持相同的转速，从动轮与发电机4转子相连，两者转速同样保持一致。通过主动带轮、从动带轮和传动带相配合的机械传动系统和步进电机10控制调节传动比的电子控制系统，可以实现传动比的实时改变，从而将惯性飞轮8中的动能稳定持续地输出给发电机4，继而稳定地输出电能。
66.其中，步进电机10是变速组件的核心部件，主要作用是根据发电机4输出电流的大小来调节皮带式无级变速器9中的从动带轮，改变皮带式无级变速器9的传动比，维持电流的稳定输出。其工作步骤可分为：(1)由发电机4的输出电流作为单片机主控板所要采集的信号，主控板根据电流的大小来调节步进电机10的转速及运动时间；(2)主控板接收到电流信号后，经过判断，符合条件后输出pwm波给步进电机10的驱动模块，由该驱动模块驱动步进电机10转动，将动力传至从动带轮，引起从动带轮的轴向移动，主动带轮随之相应的移动；(3)从动轮作轴向移动时，改变传动带的回转半径，从而改变传动比；(4)动力经由改变传动比后的无级变速器到发电机4转子，保证发电机4转子的恒速运动，发电机4的输出电流不会突变。
67.例如：输出电压稳定在10v、15v、20v三个电压梯度下进行，根据实际调研得到健身人员能够输入的转速在70rpm-210rpm的范围内，从70rpm开始每次间隔20rpm，探索不同输入转速下传动比的变化，使用matlab软件拟合传动比和输入转速之间的关系，当拟合函数均为反比例函数时，r2均大于0.998，说明函数拟合程度高，与发电机4理想的工作参数相符。根据拟合的结果可以计算出不同输入转速下为保证电压稳定在10v、15v、20v三个电压梯度的传动比大小。
68.本技术的具体原理为：
69.以直杆类平动健身器材为例：人运动带动卷簧，卷簧产生了势能；卷簧连接外端接口，当卷簧收回时释放这些势能会带动主动轴3转动，连接的棘轮6因此而转动；内嵌棘轮6外轮与惯性飞轮8直接相连，得益于棘轮6的特殊构造，惯性飞轮8单向转动。当主动轴3向a方向转动时，能够带动惯性飞轮8的旋转，将卷簧的势能转化为飞轮旋转的动能；惯性飞轮8另一端与皮带式无级变速器9的主动带轮相连接，主动带轮转速与惯性飞轮8的转速一致，主动带轮带动从动轮运动；在皮带式无级变速器9与发电机4之间增加步进电机10，步进电机10接收发电机4的电流信号，控制无级变速器的传动带，实现传动比的可调控；经过传动带调节传动比后，从动轮将会以恒定的速度转动，从动轮与发电机4转子相连，因而发电机4转子转速恒定，能够输出稳定的电流，输出的电能储存于储能电池5中；在恢复健身器材的使用状态时，棘轮6止动爪7收回，惯性飞轮8转动不受影响，产生的机械能不会被抵消。
70.转轴类圆周运动健身器材与之略有不同，将外端接口的卷簧更换为牙盘，通过链条与此类健身器材连接；当开始正向转动提供动力时，链条带动牙盘接口的运动，主动轴3开始转动，棘轮6随之转动；此后机械的传动过程与直杆类平动健身器材相同；当转轴类圆周运动开始反向转动时，棘轮6止动爪7收回，惯性飞轮8转动不受影响，产生的机械能不会被抵消。
71.优选的一种实施方式，所述机械能回收储电装置还包括：底座11和万向轮12；
72.所述升降架、传动组件、发电机4、变速组件和储能电池5安装在所述底座11的上表面上；
73.所述底座11的下表面设置多个万向轮12，所述万向轮12支持带动所述底座11移
动。
74.优选的一种实施方式，所述第一升降支架1和所述第二升降支架2的结构相同；
75.所述第一升降支架1包括：
76.矩形框，所述矩形框竖直固定在所述底座11上，所述矩形框相对的两个侧面分别设置滑轨；
77.移动板，所述移动板的两个侧壁分别与所述矩形框内的滑轨连接；
78.螺杆，所述螺杆穿过所述矩形框的顶梁与所述移动板固定连接，所述矩形框的顶梁设置有与所述螺杆适配的螺纹孔，当所述螺杆转动，所述螺杆带动所述移动板沿所述滑轨直线升降。
79.第一升降支架1和第二升降支架2可以调节本装置主动轴3、变速组件和传动组件的高度，更好的将本装置和健身器材适配，因为健身器材的高度等都不相同，第一升降支架1让本装置的适配性更高。
80.第一升降支架1和第二升降支架2的具体结构为丝杆转动带动物体直线升降原理，具体的结构已存在现有技术，本技术不作赘述。
81.一种机械能回收方法，包括上述的机械能回收储电装置，还包括：
82.判断健身器材的类别，根据所述健身器材的类别选择安装在所述负载接口上的器件；
83.根据所述负载接口上的器件输入的能量，所述主动轴带动所述惯性飞轮8转动，直至所述惯性飞轮8将所述负载接口上的器件输入的能量全部转换为机械能，同时，所述惯性飞轮8通过所述变速组件带动所述发电机的转子转动，所述发电机的转子转动带动所述发电机输出电能；
84.所述发电机输出的电能储存至所述储能电池5中。
85.其中，当所述变速组件带动所述发电机的转子转动时，所述步进电机根据所述发电机输出的电流信号调整所述皮带式无级变速器的传动比，直至所述发电机的转子恒速转动。
86.所述判断健身器材的类别，根据所述健身器材的类别选择安装在所述负载接口上的器件包括：
87.当所述健身器材为直杆类时，安装在所述负载接口上的器件为卷簧，所述卷簧的中心安装在所述负载接口上，所述卷簧的接头安装在所述健身器材上；
88.当所述健身器材为转轴类时，安装在所述负载接口上的器件为牙盘；
89.其中，所述牙盘通过链条与所述健身器材的转轴端连接。
90.如图4所示输入转速及输出电压对传动比的影响，在本技术的方法和装置中，不同的输入转速组合不同的传动比，得到的发电机输出转速是不同的，在负荷相同的情况下输出的发电量是不同的。发电机转速过高会使用电设备因耐压不足产生漏电、放电、甚至击穿，同时还伴随大量发热，导致设备烧毁等安全问题。因此在发电机的额定转速范围内，为确定发电量的最优区间，实验设置发电机的输出转速在200rpm-300rpm范围内，测量不同转速下发电机的输出功率即发电量。当发电机的输出转速在240rpm-270rpm范围内时，对应的最佳传动比区间为1.1-3.9，发电量的变化最明显，在这个区间内能够创造最大的经济效益。
91.如图4至图6所示，具体的一种实施方例，由于棘轮的应用，使得惯性飞轮相对于地面只能向一个方向转动。以龙门架为例，不同的配重情况代表人运动产生的机械能不同，统计了龙门架不同配重的使用情况。利用正态函数仿真得到输入转速的概率密度函数。假设人拉动龙门架的力为200n，手臂竖直方向移动的距离是0.5m，产生的机械能为100j。
92.在本装置中，变速组件在最佳传动比范围内会产生电能80j，机械能转化效率为80％(忽略发动机转矩所消耗的电能)。一般来说，健身人员拉动卷簧的周期约为4秒，健身器材恢复使用状态时惯性飞轮仍会有0.5秒的转动时间，且之前产生的机械能不会抵消。以健身房每天营业10小时为例，相比于没有组合传动装置的应用，此装置可以多转化90kj的电能。
93.直杆类平动健身器以龙门架为例计算，转轴类圆周运动健身器以动感单车为例计算，具体如下：
94.在直杆类平动健身器中装置提供的卷簧当量约为20kg，健身人员手臂移动速度为0.3m/s，健身人员每个周期只有一半时间在做功，每台装置每天平均工作10小时，在转轴类圆周运动健身器中，成年人骑自行车的功率约为100w，一个中型健身房每天的运营能耗约3200kw
·
h，中型健身房约能配置该设备各200台。
95.其中，直杆类平动健身器与本装置结合时，健身人员对健身器材做功的功率：p
人
＝m
·g·
v；
96.其中，m为本装置提供的卷簧当量20kg；g为重力加速度9.8m/s2；v为健身人员手臂移动速度0.3m/s；
97.本装置与直杆类平动健身器材连接时的能量传递效率a1为：a1＝a2·
a3·
a498.其中，a2为内嵌棘轮的能量传递效率0.96；a3为皮带式无级变速器的能量传递效率0.93；a4为发电机的能量转换效率0.90；排除掉机械传动和能量转换带来的损失，该装置最终的输出功率：p1＝p
人
·
a1·k99.其中，p
人
为人做功的功率；a1为本装置的能量传递效率；k为系数，由于健身人员只有一半时间在做功，所以值为0.5，每台装置每天平均产能：w1＝p1·
t；
100.其中，p1为装置输出功率；t为装置的平均工作时间10h。
101.转轴类圆周运动健身器与本装置结合时，与转轴类圆周运动健身器材连接时装置的能量传递效率：a5＝a3·
a4；
102.其中，a3为皮带式无级变速器的能量传递效率0.93；a4为发电机的能量转换效率0.90；
103.排除掉机械传动和能量转换带来的损失，装置最终的输出功率：p2＝p
骑
·
a5；
104.其中，p
骑
为成年人骑自行车时的平均功率100w；a5为装置的能量传递效率；每台装置每天平均产能：w2＝p2·
t；
105.其中，p2为装置输出功率；t为装置的平均工作时间10h。
106.在本实施例中，中型健身房每天能达到的总产能：w＝(w1+w2)
·
b；
107.其中，b为中型健身房中配置的设备数200；w1为与直杆类平动健身器材连接时每天的平均产能；w2为与转轴类圆周运动健身器材连接时每天的平均产能；
108.占健身房每天能耗的百分比：c＝(w/w
耗
)
·
100％；
109.其中，w为每天的总产能；w
耗
为健身房每天的能耗3200kw
·
h；得到下表1。
110.表1
[0111][0112]
以本装置平均每天工作10小时为例，在去除机械传动和能量转化的损耗后，应用一台本装置在转轴类圆周运动和直杆类平动健身器材上每天的发电量分别为235.2w
·
h和840w
·
h，中型健身房可配置200台本装置，每天的总产能为251.04kw
·
h，相当于燃烧81千克标准煤所产的电能，应用至全国健身房，每年可节约286.78万吨标准煤，相当于减排860.34万吨二氧化碳。以健身房每天用电负荷3200kw
·
h为参考数据，产能约占健身房每天能耗的7.8％，具有良好的节能作用。根据全国健身房的数量，每天可节省电费1266.04万元，具有可观的经济效益。
[0113]
本装置和本方法能够将人健身时运动产生的机械能转化为稳定电能，实现能量的有效回收利用。本装置和本方法设置了两种接口分别连接圆周运动和平动器材，实现单体装置灵活广泛应用。本装置和本方法中的无级变速器组合步进电机控制传动比，实现发电机转子恒速，电流稳定输出。
[0114]
本装置能够通过将人健身时运动产生的机械能转化为电能，实现了人在锻炼身体的同时产生电能，从而避免健身房由于健身器材耗费的电能造成浪费的问题，同时通过设置传动组件和变速组件，使得能够对人在锻炼身体时产生的机械能通过可控传动比转化为稳定的电能，整体设置能够利用机械能转换的电能创造经济价值，减少健身房的能耗。
[0115]
本装置将健身器材运动产生的机械能，通过传动装置的可控传动比设计，转化为稳定的电能，实现了人在锻炼身体的同时产生电能。既能激励更多的人参与到健身行列之中，又可以利用产生的电能创造经济价值，减少健身房的能耗。通过研究改造及推广，可将本装置应用在大部分圆周运动和平动健身器材，以获取更多的电能，进一步节能降耗。
[0116]
以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种机械能回收储电装置，其特征在于，包括：升降架，所述升降架包括第一升降支架和第二升降支架；主动轴，所述主动轴的轴身安装在所述第一升降支架的移动端，所述主动轴的一端为负载接口；传动组件，所述传动组件的输入端与所述主动轴的另一端连接，所述传动组件的输出端与传动轴的一端连接；变速组件，所述变速组件的输入端安装在所述传动轴的轴身上，所述传动轴带动所述变速组件的输入端与所述转动组件的输出端同轴转动，所述传动轴的另一端安装在所述第二升支架的移动端；发电机，所述变速组件的输出端安装在所述发电机的转子上，所述变速组件的输出端带动所述转子同步转动；储能电池，所述储能电池与所述发电机电性连接。2.根据权利要求1所述的机械能回收储电装置，其特征在于，所述传动组件包括：棘轮，所述棘轮为所述传送组件的输入端，所述棘轮的内壁上环周均匀阵列多个导向凸起，所述棘轮的外壁环周均匀阵列多个凸部，在一个所述导向凸起中，所述导向凸起包括底抵接面和引导斜面；止动爪，所述止动爪安装在所述主动轴上，所述止动爪的回缩端与所述棘轮的内壁抵接；惯性飞轮，所述惯性飞轮为所述传动组件的输出端，所述惯性飞轮的内壁环周均匀设置凹部，所述凹部与所述凸部适配，所述惯性飞背离所述棘轮的侧壁与所述变速组件的输入端连接；所述棘轮支持通过所述凸部带动所述惯性飞轮与所述棘轮同轴转动，所述惯性飞轮支持通过所述凹部带动所述棘轮与所述惯性飞轮同轴转动；其中，当所述主动轴的负载接口有能量输入时，所述主动轴带动所述止动爪转动，所述止动爪的侧壁与所述导向凸起的抵接面抵接，所述止动爪带动所述棘轮与所述主动轴同向转动，所述棘轮带动所述惯性飞轮转动；当所述主动轴停止转动时，所述惯性飞轮持续转动直至将所述主动轴的负载接口接收的能量全部转化为机械能，同时，所述惯性飞轮带动所述棘轮持续转动，所述棘轮的导向凸起的导向面引导所述止动爪回缩。3.根据权利要求2所述的机械能回收储电装置，其特征在于，在同一个导向凸起中，所述抵接面与所述棘轮的内壁垂直，所述导向面连接所述抵接面和所述棘轮的内壁。4.根据权利要求1所述的机械能回收储电装置，其特征在于，所述变速组件包括：皮带式无级变速器，所述皮带式无级变速器的主动带轮为所述变速组件的输入端，所述皮带式无级变速器的从动带轮为所述变速组件的输出端；步进电机，所述步进电机的输出端与所述从动带轮连接；其中，所述步进电机用于调整所述皮带式无级变速器的传动比。5.根据权利要求1所述的机械能回收储电装置，其特征在于，所述机械能回收储电装置还包括：底座和万向轮；所述升降架、传动组件、发电机、变速组件和储能电池安装在所述底座的上表面上；所述底座的下表面设置多个万向轮，所述万向轮支持带动所述底座移动。
6.根据权利要求5所述的机械能回收储电装置，其特征在于，所述第一升降支架和所述第二升降支架的结构相同；所述第一升降支架包括：矩形框，所述矩形框竖直固定在所述底座上，所述矩形框相对的两个侧面分别设置滑轨；移动板，所述移动板的两个侧壁分别与所述矩形框内的滑轨连接；螺杆，所述螺杆穿过所述矩形框的顶梁与所述移动板固定连接，所述矩形框的顶梁设置有与所述螺杆适配的螺纹孔，当所述螺杆转动，所述螺杆带动所述移动板沿所述滑轨直线升降。7.根据权利要求1所述的机械能回收储电装置，其特征在于，所述负载接口支持安装卷簧和牙盘。8.一种机械能回收方法，其特征在于，包括权利要求1至权利要求7任一项所述的机械能回收储电装置，还包括：判断健身器材的类别，根据所述健身器材的类别选择安装在所述负载接口上的器件；根据所述负载接口上的器件输入的能量，所述主动轴带动所述惯性飞轮转动，直至所述惯性飞轮将所述负载接口上的器件输入的能量全部转换为机械能，同时，所述惯性飞轮通过所述变速组件带动所述发电机的转子转动，所述发电机的转子转动带动所述发电机输出电能；所述发电机输出的电能储存至所述储能电池中。9.根据权利要求8所述的机械能回收方法，其特征在于，当所述变速组件带动所述发电机的转子转动时，所述步进电机根据所述发电机输出的电流信号调整所述皮带式无级变速器的传动比，直至所述发电机的转子恒速转动。10.根据权利要求8所述的机械能回收方法，其特征在于，所述判断健身器材的类别，根据所述健身器材的类别选择安装在所述负载接口上的器件包括：当所述健身器材为直杆类时，安装在所述负载接口上的器件为卷簧，所述卷簧的中心安装在所述负载接口上，所述卷簧的接头安装在所述健身器材上；当所述健身器材为转轴类时，安装在所述负载接口上的器件为牙盘；其中，所述牙盘通过链条与所述健身器材的转轴端连接。

技术总结
在健身器材的能量回收领域中，提供一种机械能回收储电装置和机械能回收方法，包括升降架、主动轴、传动组件、变速组件、发电机和储能电池，主动轴有能量输入后开始转动通过传动组件带动变速组件转动，变速组件恒定带动发电机的转子转动，发电机输出的电能被储能电池回收，将人健身时运动产生的机械能转化为稳定电能，实现能量的有效回收利用，本装置连接圆周运动和平动器材，实现单体装置灵活广泛应用。实现单体装置灵活广泛应用。实现单体装置灵活广泛应用。


技术研发人员：杨永添 赵梓君 张岩岩 郑毅 徐千姿 王策 李响
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/15