一种能发电储能的多用途自动收缩跳绳的设计

白宜琳

（西南大学附属中学校，重庆，400700）

0 引言

跳绳是一项极佳的健体运动，能有效训练个人的反应和耐力，有助于保持个人体态健美和协调性，从而达到强身健体的目的[1]。跳绳运动的配备简单，大多数人用得是普通的跳绳。用完的绳子不好收拾，下次使用，绳子却打结缠绕在一起。为解决绳索自动收缩的问题，同时充分利用绳索转动的能量发电，本文设计了一种能发电储能的多用途自动收缩跳绳。设计的新型跳绳利用电机将绳索自动收回，解决了绳索不好收拾且易缠绕的问题；绳索通过轴与永磁电机相联接，绳索转动时驱动该电机发电，反过来给该电机供电，就作为绳索回收的驱动电机；利用自身产生并储存的电能，可实现电筒发光、手机充电、报警等多种用途。

1 总体设计

本文设计的新型多功能跳绳的总体设计分为四大模块，包括：绳索自动收缩模块、发电储能模块、卷绳驱动模块以及多功能模块。在第四部分多功能模块中包含有：充电电路设计、报警电路设计、照明电路设计和电机切换电路设计。

图1 手柄结构简图和主要部件

本文设计的能发电储能的多用途自动收缩跳绳包括两个手柄和一根绳索，两个手柄的基本结构相似，具体结构如图1所示。手柄内包括微型发电及驱动一体的电机、绳索收缩缠绕部件、LED灯泡、USB充电接口、充放电转换电路、报警按钮及电路等部件。

总体思路：绳索安装在与微型永磁电机轴固定连接的滚筒上。手柄内安装有蓄电池、转换电路和喇叭、USB充电口、LED灯等元器件。手柄外壳上还有滑套和滚筒上凸缘，作为绳索收回时的缠绕导向装置。跳绳时，向下收回滑套，挥动绳索驱动滚筒旋转，滚筒带动永磁电机的转子旋转，使电机进入发电状态，发出的电能通过蓄电池存储起来。跳绳结束需要回收绳索时，向外推出滑套，按动开关使电机通电，电机带动滚筒旋转，在滑套的导引下滚筒旋转是绳索缠绕在滚筒上，实现绳索的自动收回。蓄电池积蓄的电能向LED灯泡、USB充电接口、报警蜂鸣器等通电即可实现相应的照明、手机充电、报警等功能。

2 绳索自动收缩系统设计

能发电储能的多用途自动收缩跳绳内部详细结构如图2所示。圆柱形手柄上下两半壳体组成，壳体内部有支架用于安装电机、蓄电池、电路等器件；手柄顶部有滑槽安装滑套，滑套套在手柄上部，并由波珠螺丝限制位置。

在绳柄端部安装一个永磁有刷电机（带减速器），在电机的输出轴上安装一个滚筒，滚筒两端为圆形的凸缘，中间为细长的轴，用于缠绕跳绳；滚筒的下端凸缘直径较小，上端凸缘较大。在绳柄上安装一个可以上下移动的滑套，该滑套的轴线方向加工一个比较窄的槽形孔。

图2 手柄内部结构图

在需要收集跳绳时，将滑套上移一段距离和滚筒的上端凸缘配合形成一个空腔。将跳绳一端固定在滚筒的底部，当跳绳结束，按跳绳收集键，电机带动滚筒旋转，将跳绳从滑套的槽形孔拉入滑套与滚筒的上端凸缘配合形成的空腔中，并缠绕在滚筒上，从而将绳索收回到空腔中。滑套移动到上端位置时，电机的电源线直接接入电池的正负极，跳绳收集键显露出来，按动跳绳收集键时，电机开始转动并收集跳绳。滑套移动到下端位置时，电机的电源线接入开关稳压电源的输入端，跳绳时电机被绳索反拖旋转发电，输出的电压经稳压后向蓄电池充电。

3 发电储能电路设计

永磁有刷直流减速电机在发电过程中正反转时，电机的输出电压的正负是不一样的[2]，而输入到开关稳压电源模块的电压的正负极是不变的。因此，需要在电机和开关稳压电源模块之间增加换向元件模块，使输入到开关稳压电源模块的电压的极性不变。比较经济的换向元件模块是整流桥，可满足电机正反转时，将输入到开关稳压电源模块的电压极性不变[3]。

图3 Canton-Power升降压模块

图4 发电储能电路

在跳绳速度为0～150次/min时，电机的转速为0～150r/min时，输出电压在0～4.6V，而采用的锂电池的充电电压是4.2V，因此，在输出电压低于4.2V，需要将电压升至4.2V；当输出电压高于4.2V时，需要将电压降至4.2V。如图3 是Canton-Power生产的升降压模块能满足该功能，该模块可实现将0.9～5V的电压转为4.2V的电压，并且尺寸为32×16×5.8mm，适合在跳绳手柄中安装，因此，选用该模块作为升降压模块。

因此，发电储能电路需要整流桥和升降压模块，该部分电路如图4所示。

4 卷绳驱动电路设计

使用的永磁有刷直流减速电机工作电压为0.6～5V，使用的锂电池满电压为4.2V，因此，在需要电机拖动卷筒收集跳绳时，可将电机与锂电池直接接通。为操作方便可，在回路中接一个点动开关，在需要卷绳时，按下点动开关，电机就可工作。

图5 卷绳驱动电路

但当电机长时间堵转，锂电池和电机长时间的大电流工作，会烧坏电池或电机，甚至烧着跳绳手柄。因此，需要在电机和锂电池构成的回路中增加一个限流元件。为降低成本，限流元件选用保险管。设计的驱动电路，如图5所示。

5 多功能电路设计

5.1 充电电路设计

初步测试使用的永磁有刷直流减速电机发现，在输出轴转速为0～120r/min时，输出电压在0～4.3V，不是一个稳定的电压，而采用恒压充电方式时，充电电压需要保持恒定[4]，因此，要将电机发出的电压稳定到电池的充电电压。

图6 充电电路

开关稳压电源模块使用电子电路调整输出电压，可将输出电压稳定到需要的电压值[5]。因此，可将电机发出的电经开关稳压电源模块稳压后向蓄电池充电；同时也可将跳绳手柄中的电池的电压转化为5V的手机充电电压，向手机充电。每个绳柄中的电池是3.7V～4.2V，手机充电需要5V直流电源，因此，需要做一次升压变换。Eletechsup模块可满足该功能，设计的电路图，如图6所示。

5.2 报警电路设计

蜂鸣器的工作电压越大，其响度越大[6]，蜂鸣器的响度和工作电压的关系如7图所示。由此，可知要得到高响度的警报声，需要较高的工作电压。绳柄中的电池的电压在3.7V～4.2V，因此，需要做一次升压变换。Eletechsup模块可满足该功能，设计的电路图，如图8所示。

图7 蜂鸣器声音响度与工作电压关系

图8 报警升压电路

5.3 照明电路设计

使用的大功率发光二极管的工作电压在3.0-3.4V，电池的电压为3.7V～4.2V，因此，需要在照明电路中加一分压电阻，设计的电路如图9所示。

图9 照明电路

5.4 电机切换电路设计

发电及驱动切换电路如图10所示。电机处于发电状态时，电机的两条电源线接在整流桥上；电机处于驱动状态时，电机的两条电源线接在锂电池两端，因此，需要做一个切换电路，在位置开关没有按下时，图中两对触点中最左边触点接通，电机与锂离子电池构成回路，处于驱动状态；在位置开关按下时，图中两对触点中最右边触点接通（常开触点），电机与整流桥，升降压模块等构成回路，处于发电状态。

图10 发电及驱动切换电路

6 总结

设计的能发电储能的多用途自动收回跳绳具备五个功能：（1）跳绳时，利用绳子的转动驱动电机发电，并用内置的锂电池将电能储存起来，给内置的手电筒供电或给手机充电；（2）跳绳结束，绳索在电机的驱动下主动收缩回手柄中，需要跳绳时，拉出绳索即可；（3）手柄端面布置LED灯泡，由内置的锂电池供电，将手柄作为手电筒使用；（4）手柄尾部有USB充电接口，连接充电线，由内置的锂电池给手机充电；（5）遇到危险或紧急情况时，按动手柄上的报警按钮，内置的喇叭可发出高分贝的报警声。