Högskolan i Skövde

På uppdrag av Vätterbygdens Rehabcenter och Högskolan i Skövde har en konceptuell design tagits framför ett elverk som drivs av kroppsenergi och är avsett för bruk i fältmässig miljö. Ett koncept har genererats,valts och utvecklats, varpå dimensionerande beräkningar och materialval för vitala detaljer harskett. Som hjälpmedel för dessa beräkningar har CAD-mjukvaran Pro/Engineer Wildfire 5.0 och dessapplikation Mechanica Structure använts. Andra verktyg har varit användarstudie, framtagande av målspecifikationer,Black Box, morfologisk tabell, Pughs konceptvalsmatris och viktad konceptvalsmatris.Elverket är tänkt att användas i samband med biståndsinsatser i katastrofområden där kontakten medelnätet är bruten och fossila bränslen ej finns att tillgå. I sådana situationer kan elverket vara ett gottkomplement till solceller och små vindkraftverk då elektricitetsgenereringen annars blir beroende avgoda sol- och vindförhållanden.Elverkets funktionsprincip liknar den hos träningsredskapet roddmaskin. Användaren utför en växlandedragande rörelse, fastspänd på en rörlig sits och hållandes ett handtag. En spiralfjäder underlättar återgångentill ursprungsläget. Rörelsen upprepas ca 25 gånger per minut. Från handtaget löper en vajer tillen rulle, vilken är monterad på en drivaxel. Drivaxeln ansluter till en planetväxellåda med ett frihjul sommellansteg. Planetväxellådan växlar upp den genomsnittliga varvfrekvensen 25 gånger, från 60 rotationerper minut till 1500 rotationer per minut, och ett svänghjul tillser att varvfrekvensvariationen är acceptabel.En synkrongenerator med fyra poler drivs av momentet och ström genereras, vilken i sin turfrekvensomriktas till 50 Hz.Enligt J. Carlstedts bok "Tester för idrottare" från 1995 finns en gräns för arbetsbelastning vars överskridandemedför en kraftig acceleration av ökningen av blodets mjölksyrehalt, med snabb utmattningsom följd. Denna gräns kallas för mjölksyratröskeln och är belägen där individens syreupptag når 70-90% av det maximala (VO2max) beroende på träningsgrad. Studien ”Stroke Power Consistency and 2000 mrowing performance in varsity rowers”, utförd 2007 av Shimoda et al., redovisar en syreupptagningsförmågaom VO2max = 4,1 ± 0,4 l/min hos universitetsrorsmän i 20 årsåldern, vilken utnyttjas till fullo vidarbetsbelastningar överskridandes 300 W. Då 200 W är den arbetsbelastning som enligt studien motsvarar70 % av VO2max har detta bedömts vara den uthålliga effekt en användare av elverket kan förväntasleverera.En passande diameter har bestämts för den kraftöverförande vajern, tillsammans med dimensionerna förden rulle denna skall upplindas på. Beräkningar har också gjorts angående vilka kuggtal som hos planetväxellådanskugghjul är lämpliga, samt vilket tröghetsmoment svänghjulet bör ha. Ett specifikt sfärisktkullager med klämhylsa, SKF 1206 EKTN9, har valts för lagring av elverkets drivaxel.Vidare har konstruktionsmaterial och dimensioner bestämts för rulle, svänghjul, fotstöd och bärandestruktur samt delar av sitsen, baserat på underlag från analyser i Mechanica Structure. Slutligen har tvåbilder som visar elverkets komponenter och ett förslag för dess utseende renderats.Med en generator som vid 200 W belastning har verkningsgraden η = 0,86 och en växellåda med verkningsgradη = 0,94 återstår 160 W av användarens förväntade effekt innan ännu okända friktionsförlusterdragits av. Elverket kan därför inte konkurrera med bensin- och dieseldrivna elverk vad gäller produceradeffekt. Den största konkurrensfördelen är istället att elektricitet kan produceras oavsett tid på dygnet,väderförhållande eller tillgång till bränsle, så länge tillräcklig arbetskraft finns att tillgå.Åtskilligt arbete återstår innan en prototyp av elverket kan börja tillverkas. Det rekommenderas att defrån användarstudien framtagna kundkraven och satta målspecifikationerna också nyttjas vid eventuelltfortsatt arbete.

A conceptual design for a generating set, driven by muscle power and intended for use in a field-rateenvironment, has been developed at the request of the rehabilitation-center of Vätterbygden and Universityof Skövde. A concept has been generated and chosen, and dimensioning calculations and choice ofmaterials for vital parts has been performed, partly using the CAD-software Pro/Engineer Wildfire 5.0and its application Mechanica Structure. Other tools used in the process include identification of customerneeds, generation of target specifications, Black box, Morphological tables, Pugh’s matrix for choiceof concepts and weighted matrix for choice of concepts.The generating set's purpose is to be used in emergency relief activities when the local power grid isdown and there are no fossil fuels at hand. In such situations the generating set may be seen as a powerfulcompliment to solar and wind power, since it makes the power supply independent of wind and solarconditions.The operating principle of the generating set is partly that of a rowing ergometer. The user applies analternating pull, belted to a mobile seat and holding a handle-bar. The users return to start position iseased by a spiral spring. This motion is repeated about 25 times each minute. A steel wire rope runs fromthe handle to a reel which in turn is mounted on a driveshaft. The driveshaft is through a free-wheel connectedto a planetary gearbox, shifting the average rotational speed from 60 rotations per minute to1500. A flywheel decreases the variation in rotational speed, before a synchronous generator with fourpoles is driven by the remaining torque. The frequency of the generated power is lastly adjusted to 50 Hzusing a frequency converter.According to the 1995 J. Carlstedt book "Tester för idrottare", the lactic acid threshold limits the workloada person can endure without rapid fatigue. This limit is exceeded when the oxygen absorption of theindividual hits 70-90 % of capacity (VO2max), depending on the level of fitness. The study ”Stroke PowerConsistency and 2000 m rowing performance in varsity rowers”, conducted by Shimoda et al. in 2007,concludes that varsity rowers can achieve a maximum oxygen absorption of VO2max = 4,1 ± 0,4 l/min at arowing workload of 300 Watts. Based on the workload in this study corresponding to 70 % of VO2maxbeing 200 Watts, this magnitude of power was judged as the endurable workload a user of the generatingset could be expected to supply.The required diameter of the steel wire rope and dimensions for the wire reel has been settled. The appropriatenumber of teeth for the planetary gearbox’s cog-wheels has been calculated, as well as themoment of inertia for the flywheel. A specific self-aligning ball-bearing with an adapter sleeve, SKF 1206EKTN9, has been chosen for use at the driveshaft of the generating set. Furthermore, materials and dimensionshave been determined for the wire reel, the flywheel, footrests, load-bearing structure and partsof the seat through the use of analyses in Mechanica Structure. Lastly, two images showing the functionand parts of the generating set have been rendered.With a degree of efficiency when operating at a 200 W workload of η = 0.86 for the generator and η =0.94 for the planetary gearbox, 160 W remains before any currently unknown frictional losses has beensubtracted. Hence, this generating set is unable to compete with generating sets driven by diesel andgasoline in regard of capacity. The main advantage of the generating set is instead the ability to generatepower regardless of time of day, weather-conditions or fuel-access, as long as there’s an individualavailable for powering it.The development of the generating set is still very much a work in progress. It is recommended that theidentified customer needs and set target specifications are continuously regarded during possible proceededdevelopment.