专利名称：可供双人使用的运动健身装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及健身器材，更具体地说，涉及一种可供双人使用的运动健 身装置，其中的健身车可为跑步机提供工作电源。
背景技术：
健身器材深受广大群众喜爱，应用日益普及，同时人们也对健身器材的技 术创新提出越来越高的要求。例如
(1) 人们不再满足于某一健身器械提供的单一运动，要求使用健身器材锻 炼身体的同时，能体验运动的无限乐趣；
(2) 人们希望更为和谐、自然的健身场所，希望将健身器材放置到任意户 内、花园、草地甚至楼宇的顶层阳台等等，而这些地方通常没有电源插座，现 有跑步机等器材无法做到这一点；
(3) 人们希望健身器材能够适合青少年人对于互动性、竞争性、多样性、 群体性的需要，又能适合中老年人对于温心互动、相互带动和相互保护监督等 等需求。
然而，目前的健身器材都无法满足上述需求。例如现在的健身车可供人们 在其上进行类似踩自行车的练习，现在的跑步机可供人们进行跑步练习，但都 是分别独立工作，无法实现互动目的。而且现有的跑步机需要由市电交流供电， 所以只能安装在有电源插座的场所，无法安装于无电源插座的户外等场所。
另一方面，简单地将传统健身车与跑步机组合在一起是不可行的。原因在 于两者的功率不匹配，且骑车人无法连续骑车发电。人力的平均功率在200W 450W之间。由于跑步机会承受冲击负载，需要千瓦级瞬时功率才能正常工作， 所以传统跑步机的功率是750W 2500W。可见，两者功率不匹配，无法直接 组合使用。
实用新型内容
针对现有技术的上述缺陷，本实用新型要解决传统健身车与跑步机无法直 接配合工作的问题，让健身车可装上发电机并为跑步机供电，从而构成可供双 人使用的运动健身装置。
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种可供双人使用的运动健身装
置，包括跑步机和脚踏式健身车；所述跑步机中包括电源输入单元、电动机、 以及用于控制所述电动机的驱动控制单元；所述健身车中包括设有脚踏板的前 轴、设有阻力装置的后轴；其特征在于，
所述跑步机中的电动机是方波无刷直流伺服电机，并在其转子上附加有机 械稳速飞轮；
所述健身车中的阻力装置是一个通过传动机构与所述前轴连接的低阻抗 无刷盘式飞轮发电机；
所述发电机的输出端通过发电电源处理单元连接到所述跑步机中的电源 输入单元，从而为所述跑步机提供工作电源。
本实用新型中的优选方案中，所述发电机的额定输出功率为350W 500W，瞬时输出功率为1000 1500W，额定输出电压为60V 80V，所述健 身车的最大踏车速度为180次/分钟，所述发电机的额定转速为2500转/分钟， 所述飞轮发电机的转动惯量为0.6 1.0kgm2;所述电动机的额定功率为 400W 750W，瞬时功率为1200 1800W，额定电压为60V 80V，最大转速 为2500转/分钟，所述机械稳速飞轮的惯量为0.3 0.6kgm2。
本实用新型中的优选方案中，针对所述健身车的发电机，在两个盘式转子 上分别装有多对N、 S极相间的永磁体，且第一个盘式转子上的永磁体N极正 对第二个盘式转子上的永磁体S极以产生轴向气隙磁场；所述两个盘式转子的 外圈直径被加大并形成飞轮；在无铁芯盘式定子的虚槽中安装有三相绕组；所 述转子的磁极数2P二8N，或者2P=10N，其中N为正整数；所述定子的虚槽数 Z=9N，三相绕组共有9N个线圈，每相有3N个线圈，其定子的9N个虚槽中的 三相绕组线圈的排列次序为A-/A-A-B-/B-B-C-/C-C-A，并在圆周内循环N次， 其中A表示A相绕组的一个线圈，/A表示A相绕组的一个反接线圈，B、 /B、c、 /c以此类推。
本实用新型中的优选方案中，针对所述跑步机的电动机，定子铁芯是由多
层拼接硅钢片自铆迭压而成的，每一层拼接硅钢片(7)是由大、中、小三种形 状的扇形冲片拼接组成；并按"大极扇形冲片一小极扇形冲片一中极扇形冲片 —小极扇形冲片一大极扇形冲片一小极扇形冲片一中极扇形冲片一小极扇形 冲片一大极扇形冲片一小极扇形冲片一中极扇形冲片一小极扇形冲片"的顺序 排布在一个平面上构成一张定子冲片，即一层拼接硅钢片；相邻两个扇形冲片 之间通过设于轭部外侧的凹槽/凸台进行拼接；所述电动机的定子三相绕组为 集中绕组，绕在各相大齿和中齿上，即按"A相大齿一小齿一C相中齿一小齿 —B相大齿一小齿一A相中齿一小齿一C相大齿一小齿一B相中齿一小齿〃的顺 序沿圆周排布；所述电动机的转子的极对数P^，永磁体N、 S磁极相间排列。
本实用新型中的优选方案中，所述发电电源处理单元中包括三相整流电 路，还包括与所述整流电路的输出端并联的储能电容。
本实用新型中的优选方案中，还包括切换开关、以及可对市电交流电源交 流进行降压整流处理的交流变换器；所述切换开关的一个输入端与所述整流电 路的输出端连接，另一个输入端与所述交流变换器的输出端连接。
由上述方案可知，本实用新型提供了一种全新概念的可供双人使用的运动 健身装置，当一个人使用健身车进行练习时，可自动发电并为跑步机供电，从 而允许另一个人使用跑步机，而无需外接电源。这种运动装置具有双人互动、 相互带动、相互保护监督等双人运动乐趣和安全性。可用于双人互动锻炼、比 试等功能，既可用于合作式健身，又可用于竞争对抗式健身，极大地调动健身 者的积极性，提升运动乐趣。由于这种运动健身装置可完全不使用外部电源， 所以可任意放置到和谐、自然的场所，例如放置到任意户内、花园、草地甚至 楼宇的顶层阳台。
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中
图1是本实用新型一个优选实施例中的可供双人使用的运动健身装置的结构示意图2是在图1所示健身车中使用的低阻抗无刷盘式飞轮发电机的总装结构 示意图3是在图1所示跑步机中使用的高效无刷直流电机的定子结构示意图； 图4是本实用新型一个优选实施例中可供双人使用的运动健身装置的原 理框图5是本实用新型一个优选实施例中跑步机的双环控制器原理图； 图6是本实用新型一个优选实施例中跑步机采用单个电流传感器来感知 电机力矩的原理图。
具体实施方式
如图1所示为本实用新型一个优选实施例中的可供双人使用的运动健身 装置的结构示意图。它是一种可供双人使用的运动健身装置，由健身车100 和跑步机200两部分组成。
其中，健身车100的组件包括底座101、把手102、三角架103、设于三 角架上并装有脚踏的前轴104、安装在后轴上的飞轮发电机105、设于前后轴 之间的传动带等。在把手上还设有速度显示器106。健身车100通过电缆108 与跑步机200实现电连接。
跑步机200的组件包括底座201、安装在底座上的电动机、安装在底座上 的前后两个滚轴、安装在电动机和前后两个滚轴之间的传动机构、安装在底座 上的跑步板、张紧在前后两个滚轴上且绕过跑步板和底座的跑步带202、固定 安装在底座上且位于跑步带两侧的左右两个边条203、固定安装在底座上的左 右两根立柱204、固定在左右立柱上的左右两个把手205、安装在正前方的控 制面板206等。
本实施例中，健身车可为跑步机提供电源，从而完全不使用外部电源。健 身车将人体运动健身时产生的能量传递到飞轮发电机进行发电，可为自身数控 单元提供工作电源，更可为跑步机提供工作电源，从而实现无需外接电源的目 的；在健身车中采用的是低阻抗无刷盘式飞轮发电机，在跑步机中则采用的是方波无刷直流伺服电机。
在健身车中，采用低阻抗的无刷盘式飞轮发电机，其中两个盘式转子上分
别装有多对N、 S极相间的永磁体，且第一个盘式转子上的永磁体N极正对第 二个盘式转子上的永磁体S极以产生轴向气隙磁场，且外转直径被加大形成飞 轮；无铁芯盘式定子的虚槽中安装有三相绕组；其转子的磁极数2P=8N=24， 其中N=3;其定子的虚槽数Z=9N=27，三相绕组共有9N=27个线圈，每相有3N=9 个线圈，其定子的9N=27个虚槽中的三相绕组线圈的排列次序为 A-/A-A-B-/B-B-C-/C-C-A，并在圆周内循环3次，其中A表示A相绕组的一个 线圈，/A表示A相绕组的一个反接线圈，B、 /B、 C、 /C以此类推。这种三相 无刷直流永磁发电机无铁芯，绕组的数目趋于最少，绕组的端部趋于最小，绕 组的利用率趋于最高，从而电机的铁耗和铜耗趋于最小，电机的生产成本趋于 最低，发电机的输出阻抗也趋于最小。
关于盘式三相无刷永磁直流电机的具体技术细节，可参见国际申请号为 PCT/CN2007/0003064的专利申请文件。本实施例中，无刷盘式飞轮发电机300 如图2所示，其外圈设有机械稳速飞轮301。此外，该飞轮发电机中带有一个 超越离合器，可避免倒骑发力和发电。
在跑步机中，采用方波无刷直流伺服电动机，其定子铁芯是由多层拼接硅 钢片自铆迭压而成的，每一层拼接硅钢片是由大、中、小三种形状的扇形冲片 拼接组成；并按"大极扇形冲片一小极扇形冲片一中极扇形冲片一小极扇形冲 片一大极扇形冲片一小极扇形冲片一中极扇形冲片一小极扇形冲片一大极扇 形冲片一小极扇形冲片一中极扇形冲片一小极扇形冲片"的顺序排布在一个平 面上构成一张定子冲片，即一层拼接硅钢片；相邻两个扇形冲片之间通过设于 轭部外侧的凹槽/凸台进行拼接。电机的定子三相绕组为集中绕组，绕在各相 大齿和中齿上，即按"A相大齿一小齿一C相中齿一小齿一B相大齿一小齿一 A相中齿一小齿一C相大齿一小齿一B相中齿一小齿〃的顺序沿圆周排布；电机 转子的极对数P=4，永磁体N、 S磁极相间排列，所述永磁体是径向充磁的瓦形磁钢、或者是平行充磁的瓦形磁钢，该8极电机的三相绕组仅有6个集中绕 组被最少化，因此绕组端部减少到传统电机的1/3 1/6甚至更多，达到了最 小化，于是铜耗大幅下降。
在跑步机的电动机中，采用霍尔位置传感器作为转子位置传感器，所述霍 尔位置传感器的磁敏感方向与转子法线方向相一致，安装于定子支架上，并与 转子永磁体外圆之间保持3mm的气隙。
关于三相无刷永磁直流电动机的具体技术细节，可参见国际申请号为 PCT/CN2007/0003063的专利申请文件。
为了实现健身车发电与跑步机用电之间的最佳功率匹配，具体实施时，需 满足以下参数配置。健身车中发电机的额定输出功率为350W 500W，瞬时 输出功率为1000 1500W，额定输出电压为60V 80V，所述健身车的最大踏 车速度为180次/分钟，所述发电机的额定转速为2500转/分钟，所述飞轮发电 机的转动惯量为0.6 1.0kgm2。因此健身车的最大额定储能为20562J 34269J，从而允许骑车人间隙发力和保持瞬时输出功率。跑步机中电动机的额 定功率为400W 750W，瞬时功率为1200 1800W,额定电压为60V 80V， 最大转速为2500转/分钟，所述机械稳速飞轮的惯量为0.3 0.6kgm2;整个跑 步机的最大额定储能为10281J 20562J，能起到良好的机械稳速作用。
本实用新型的一个实施例中，健身车中发电机的额定输出功率400W，瞬 时输出功率1500W，额定输出电压60V，额定踏车速度180次/分钟，发电机 转速2500转/分钟；飞轮发电机的转动惯量为0.87kgm2，因此健身车最大额定 储能为29776J，从而允许骑车人间隙发力和保持瞬时输出功率，且符合骑车 习惯。跑步机中电动机的额定功率450W，瞬时功率1800W，额定电压60V， 额定转速2500转/分钟，电动机附加机械稳速飞轮的惯量为0.3kgm2，因此跑 步机的最大额定储能为10281J,能起到良好的机械稳速作用。更重要的是可 平滑跑步机承受冲击负载所要求的千瓦级瞬时功率。具体工作时，健身车的踩 踏速度为10 180次/分钟，而跑步机的速度范围为0.0km/h 18km/h。
在上述配置的实施例中，当健身车的踏车速度为0.3次/秒，发电机三相绕 组电势经全波整流即能产生6V以上电压。本实施例中，健身车的输出经全波整流，再输出到跑步机，因此跑步机的 跑步速度取决于健身车的踏车速度，同时不会超过驱动控制单元的最大给定速 度。根据健身需要，跑步机中电动机的驱动控制单元只需对电动机进行换相控
制即可。除起动加速外，驱动控制单元的PWM脉宽调制均处于全导通状态， 但最大电流受力矩闭环控制，不会突变或超值，因此特别安全可靠。
如图6所示，本实用新型的一个优选实施例中，在驱动控制单元内采用单 个电流传感器来感知电机的力矩并实现电机力矩闭环，更详细的内容可参见国 际申请号为PCT/CN2007/000178的专利文件。
如图4所示，本实施例中，发电机的输出端连接到三相整流电路(即发电 电源处理单元)，经过整流处理后输出到电源输入单元。电源输入单元中包括 交流变换器和切换开关，其中的交流变换器实际上就是变压整流器，可将市电 交流电源交流降压整流处理为60-80V直流电源。切换开关的一个输入端与所 述整流电路的输出端连接，另一个输入端与所述交流变换器的输出端连接，可 在控制器的控制下，选择由市电交流供电，还是由健身车供电。所选择的工作 电源被输出到滤波器，再送到驱动桥(即电动机驱动控制电路)用于控制电动机 的转速。图4中的控制器可向切换开关发出切换控制信号，向显示屏发出显示 信号，并向驱动桥发出驱动控制信号。同样，关于控制方面的更详细内容，可 参见国际申请号为PCT/CN2007/000178的专利文件
本实施例的可供双人使用的运动健身装置中，当需要单人利用健身车健身 时，只需针对跑步机进行设置，将工作状态设为'单人健身车模式，即可，此 时跑步机中电动机即进入可控的电机制动模式，来相应地为健身车提供阻力。
本实施例中，还增设有交流变压器和切换开关，如图4左下角的虚线部份 所示。当需要单人跑步健身时，可以切换到市电交流供电模式，直接接入220V 交流电源来供电。
如图5所示，当使用跑步机进行单人跑步时，要求跑步机的输出速度能在 一定范围内进行调节，故电动机的驱动控制单元必须有一个速度闭环。根据跑 步机的负载特点以及性能要求，驱动控制单元采用了带转速闭环、电流闭环的 双环控制系统。其中速度环及电流环均采用PI调节器。
权利要求1、一种可供双人使用的运动健身装置，包括跑步机和脚踏式健身车；所述跑步机中包括电源输入单元、电动机、以及用于控制所述电动机的驱动控制单元；所述健身车中包括设有脚踏板的前轴、设有阻力装置的后轴；其特征在于，所述跑步机中的电动机是方波无刷直流伺服电机，并在其转子上附加有机械稳速飞轮；所述健身车中的阻力装置是一个通过传动机构与所述前轴连接的低阻抗无刷盘式飞轮发电机；所述发电机的输出端通过发电电源处理单元连接到所述跑步机中的电源输入单元，从而为所述跑步机提供工作电源。
2、 根据权利要求l所述的可供双人使用的运动健身装置，其特征在于， 所述发电机的额定输出功率为350W 500W，瞬时输出功率为1000 1500W，额定输出电压为60V 80V，所述健身车的最大踏车速度为180次/ 分钟，所述发电机的额定转速为2500转/分钟，所述飞轮发电机的转动惯量为 0.6 1.0kgm2;所述电动机的额定功率为400W 750W，瞬时功率为1200 1800W，额 定电压为60V 80V，最大转速为2500转/分钟，所述机械稳速飞轮的惯量为 0.3 0.6kgm2。
3、 根据权利要求2所述的可供双人使用的运动健身装置，其特征在于， 所述健身车的发电机中，在两个盘式转子上分别装有多对N、 S极相间的永磁 体，且第一个盘式转子上的永磁体N极正对第二个盘式转子上的永磁体S极以 产生轴向气隙磁场；所述两个盘式转子的外圈直径被加大并形成飞轮；在无铁芯盘式定子的虚槽中安装有三相绕组；所述转子的磁极数2P=8N， 或者2P=10N，其中N为正整数；所述定子的虚槽数Z=9N，三相绕组共有9N 个线圈，每相有3N个线圈，其定子的9N个虚槽中的三相绕组线圈的排列次序 为A-/A-A-B-/B-B-C-/C-C-A，并在圆周内循环N次，其中A表示A相绕组的 一个线圈，/A表示A相绕组的一个反接线圈，B、 /B、 C、 /C以此类推。
4、 根据权利要求3所述的可供双人使用的运动健身装置，其特征在于， 所述跑步机的电动机中，定子铁芯是由多层拼接硅钢片自铆迭压而成的，每一 层拼接硅钢片(7)是由大、中、小三种形状的扇形冲片拼接组成；并按"大极 扇形冲片一小极扇形冲片一中极扇形冲片一小极扇形冲片一大极扇形冲片一 小极扇形冲片一中极扇形冲片一小极扇形冲片一大极扇形冲片一小极扇形冲 片一中极扇形冲片一小极扇形冲片"的顺序排布在一个平面上构成一张定子冲 片，即一层拼接硅钢片；相邻两个扇形冲片之间通过设于轭部外侧的凹槽/凸 台进行拼接；所述电动机的定子三相绕组为集中绕组，绕在各相大齿和中齿上，即按"A 相大齿一小齿一C相中齿一小齿一B相大齿一小齿一A相中齿一小齿一C相大齿—小齿一B相中齿一小齿"的顺序沿圆周排布；所述电动机的转子的极对数P^，永磁体N、 S磁极相间排列。
5、 根据权利要求4所述的可供双人使用的运动健身装置，其特征在于， 所述发电电源处理单元中包括三相整流电路，还包括与所述整流电路的输出端 并联的储能电容。
6、 根据权利要求4所述的可供双人使用的运动健身装置，其特征在于， 所述跑步机的电动机中采用霍尔位置传感器作为转子位置传感器，所述霍尔位 置传感器的磁敏感方向与转子法线方向相一致，安装于定子支架上，并与转子 永磁体外圆之间保持3mm的气隙。
7、 根据权利要求4-6中任一项所述的可供双人使用的运动健身装置，其 特征在于，所述跑步机的驱动控制单元中，设有转速闭环和力矩闭环组成的双 环控制系统，其速度环及电流环均采用PI调节器。
8、 根据权利要求7所述的可供双人使用的运动健身装置，其特征在于，所述跑步机的驱动控制单元中，采用单个电流传感器来感知电机的力矩并实现 电机力矩闭环。
9、 根据权利要求5所述的可供双人使用的运动健身装置，其特征在于， 所述电源输入单元中包括切换开关、以及可对市电交流电源交流进行降压整流 处理的交流变换器；所述切换开关的一个输入端与所述整流电路的输出端连 接，另一个输入端与所述交流变换器的输出端连接。
专利摘要本实用新型涉及一种可供双人使用的运动健身装置，为解决传统健身车与跑步机无法直接配合工作的问题，本实用新型中的健身装置包括跑步机和脚踏式健身车；其中，跑步机的电动机采用方波无刷直流伺服电机，并在其转子上附加有机械稳速飞轮；采用低阻抗无刷盘式飞轮发电机兼作健身车中的阻力装置；发电机的输出端通过发电电源处理单元连接到跑步机中的电源输入单元，再结合适合的机械和电气参数匹配，即可使得健身车可为跑步机提供工作电源。这种运动健身装置最适于双人互动使用以提升运动乐趣，此时完全不使用外部电源，可安放于任意未设置电源插座的场所。
文档编号H02K29/00GK201239468SQ200820094620
公开日2009年5月20日 申请日期2008年6月10日 优先权日2008年6月10日
发明者周兆勇, 廖志辉, 李力辉, 李铁才, 杨文斌, 杨贵杰, 漆亚梅, 蓝维隆 申请人:深圳航天科技创新研究院