TW201439449A - 發電回授制動系統 - Google Patents

Abstract

一種發電回授制動系統係包括一飛輪、一金屬環、一發電機組、至少一承架及至少一制動單元。金屬環係結合於該飛輪，該承架具有一轉軸結合端及一外側端，其中該轉軸結合端係結合在該飛輪之轉軸，而該外側端則延伸至該金屬環之鄰近位置。該制動單元係結合於該承架之外側端並面向鄰近於該金屬環。發電機組所產生的回授電力經一電力控制單元後產生一輸出電力送至該制動單元，由該制動單元產生一磁力場，以在金屬環產生渦電流，進而對飛輪產生制動力。

Description

發電回授制動系統

本發明係為一種阻尼機構，尤指應用於健身器材之飛輪的發電回授制動系統。

傳統的健身器材，例如健身車，使用者主要係藉由踩動踏板，藉以驅動健身車上所設的飛輪產生轉動，而為了使得踩動踏板時可以讓使用者承受適當的阻力或抗力，目前主要係透過磁阻力的方式，提供健身車不同阻力大小的調整，進而讓使用者經由對抗不同的阻力或抗力而達到運動健身的效果。

此外，目前已發展出一種制動裝置，係在飛輪結合一發電設備及一制動裝置，藉由飛輪帶動發電設備發電，經由發電設備所發出電力使制動裝置對飛輪產生制動。

然而，此一技術的缺點是在飛輪上結合一發電設備，而制動裝置則設置飛輪外側，利用發電設備所提供之電力使制動裝置對飛輪產生一制動力。但此一飛輪結合一發電設備且將制動裝置設置於飛輪外側之方式會增加飛輪體積且需佔據極大空間，導致飛輪設備所需空間增加。

例如在中華民國第M427956號專利案中揭示一種電磁性制動裝置，其結構係包括有制動盤與電磁性制動單元，該制動盤軸心連接到動力機構，藉由該動力機構帶動該制動盤轉動，該電磁性制動單元靠近該制動盤設置，當通電時可讓該電磁性制動單元產生磁場，進而使該制動盤切割磁場產生渦流阻力，讓使 用者必須增加施力以克服渦流阻力，因此達成運動健身效果。

又例如在中華民國第M395303號專利案中揭示一種運動車用的外掛式發電裝置包括一殼體、一轉子、一鐵圈、一磁鐵、一矽鋼片、一電路板及一銅片，且轉子、鐵圈、磁鐵、矽鋼片、電路板及銅片係組設於殼體內，矽鋼片並環繞有複數圈線圈，轉子並凸設有一外掛件其並凸出於殼體外。藉此，外掛件可掛設於任何動力來源而帶動轉子轉動進行發電，如此可增加使用之彈性。再者，前述結構極為簡單，整體體積可大為減小，相對可減少成本。另前述結構可包括一行星齒輪組，利用其作動原理可將轉速放大，進而提高運動車用的外掛式發電裝置之發電效率。

另一習知制動裝置係在飛輪內部結合一發電設備及一制動裝置，雖然可減少飛輪設備所需空間，但發電設備之發電線圈及制動裝置之制動線圈皆設置於飛輪內部，因此在發電設備因飛輪帶動而產生電力供應制動裝置對飛輪產生一制動力時，發電線圈及制動線圈作動時所產生的熱能不易散出，容易發生危險。

例如在中華民國第M443794號專利案中揭示一種內建發電機構與永磁渦電流剎車裝置，包含：一具有飛輪及其內周緣固設有永久磁石的外轉子；一具有固定架及其上側外緣設有瓦片型電樞之內定子；一具有導磁環片的剎車機構；當該外轉子受一運動器材傳動輪帶動迴轉，該瓦片型電樞即產生交流三相電流；該導磁環片上之弧形金屬片即產生渦電流及磁阻煞車力矩；一冷卻風扇，係與該飛輪同步迴轉，以移除因電樞三相交流電流與弧形金屬片之渦電流所產生之熱量；一調整機構，係用以調整該弧形金屬片與該永久磁石的間隙，藉以調整其間磁通量之高低來改變不同負載的剎車阻力；一控制器，係將瓦片型電樞產生的 交流三相電流轉換成直流電流，以供應使用者之儀表設定及施加剎車調整機構所需的電力。

又例如在中華民國第M303560號專利案中揭示一種渦流磁控負載裝置之導磁環結構改良，其包含：一轉子；係由一飛輪及一導磁環所構成；一定子，係裝設在該轉子內周緣；其特徵在於：該導磁環圈繞之前、後接口所形成之結合線與該飛輪本體之端面呈非垂直之楔接型態。藉此，使該結合線與磁場的作用在同一時間裡僅有一個點或兩個點，而不是一條線同時作用，故可降低磁控輪之震動及噪音，並提升其使用壽命。

又例如在中華民國第I373901號專利案中揭示一種消除頓轉轉矩之無刷永磁馬達，該無刷永磁馬達係包含一轉子及一定子。該轉子係由複數個永久磁鐵塊製成並提供複數個磁極。該定子係由複數個圓形矽鋼片疊積緊固製成，其外圓周具有複數個齒槽，以提供繞組佈線。藉由對該無刷永磁馬達之該轉子或該定子之設計，分別產生一特定斜轉角度之偏斜作用磁場，用以有效消除該無刷永磁馬達於低速運轉時其頓轉轉矩所造成之振動及噪音現象。

又例如在中華民國第M361824號專利案中揭示一種永磁發電機的轉子裝置包含一飛輪、複數永久磁鐵及一定位環，飛輪包括一繞一軸線設置的內圓周面，及一與內圓周面呈垂立的承靠面，永久磁鐵貼附於內圓周面，每一永久磁鐵包括沿圓周方向間隔設置的一第一側面與第二側面，及一連接第一、二側面底緣的磁鐵底面，第一側面與磁鐵底面夾一定位角，定位環包括複數隔條，每一隔條分別具有一供每一永久磁鐵抵靠的第一面，由於永久磁鐵的第一、二側面不與磁鐵底面垂直，並利用每一隔條第一面供每一永久 磁鐵第一側面抵靠，每一磁鐵底面抵靠於環體頂面，達到降低頓轉轉矩與定位永久磁鐵的目的。

上列的各個先前專利案中，都針對了例如馬達本身的改良或是發電機本身的結構或效能提出了改良的技術方案，但在產品化時所注重的整體效能、組裝簡便性、設備維護方便性等各方面，仍有很大的改良空間。

為了能有效克服上述習知技術的問題，本發明主要在於提供一種可應用於健身器材，結構較為簡單之發電回授制動系統，將發電機組、承架及制動單元三者整合而呈現一模組化結構，藉以減少飛輪設備所需空間。

本發明解決問題之技術手段係提供一種發電回授制動系統，藉由一腳踏機構所產生的驅動力經一傳動帶而帶動飛輪轉動，並使發電機組產生回授電力，且在一金屬環之鄰近處配置有至少一制動單元，發電機組所產生的回授電力經一電力控制單元後產生一輸出電力送至該制動單元，由該制動單元產生一磁力場，以在金屬環產生渦電流，進而對飛輪產生制動。金屬環係可以導磁材料或非導磁材料所製成。

其中發電機組係結合於飛輪之轉軸，而制動單元係結合於一承架，承架係同樣結合於飛輪之轉軸，使發電機組、承架及制動單元三者整合而呈現一模組化結構。

在實際應用中，發電機組、承架及制動單元三者更可整合於一側板，使發電機組、承架、制動單元及側板四者整合而呈現一模組化結構。

經由本發明所採用之技術手段，使用者在使用健身 設備進行運動時，藉由一腳踏機構所產生的驅動力經一傳動帶而帶動飛輪轉動，使發電機組產生回授電力，發電機組所產生的回授電力經一電力控制單元後產生一輸出電力送至該制動單元，由該制動單元產生一磁力場，以在金屬環產生渦電流，進而對飛輪產生制動，可有效利用使用者在運動時所產生的能量進行發電，讓使用者在運動時產生的能量能有效地被利用，且結構簡單，設備維護方便。經由本發明之結構設計，所產生的渦流路徑較短，所能產生的扭力較大。再者，本發明中亦可擴充一個或一個以上的擴增承架，以提昇對飛輪所產生之制動力。

此外，本發明之發電機組、承架及制動單元三者整合而呈現一模組化之結構，結構簡單，可減少飛輪設備所需之設備空間。在實際應用中，更可將發電機組、承架及制動單元三者整合於一側板而呈現一模組化結構，使側板除了用於飛輪設備之外型美觀外，更增加側板可之結構可利用性。

本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及附呈圖式作進一步之說明。

1‧‧‧飛輪

11‧‧‧轉軸

2‧‧‧金屬環

3‧‧‧發電機組

31‧‧‧轉子

32‧‧‧定子

33‧‧‧發電線圈組

331‧‧‧電力輸出端

34‧‧‧電力控制單元

4‧‧‧承架

41‧‧‧轉軸結合端

42‧‧‧外側端

5‧‧‧制動單元

51‧‧‧制動線圈架

511‧‧‧第一延伸端

512‧‧‧第二延伸端

52‧‧‧線圈

52a‧‧‧線圈

521‧‧‧導線

5a‧‧‧制動單元

51a‧‧‧制動線圈架

511a‧‧‧第一延伸端

512a‧‧‧第二延伸端

5b‧‧‧制動單元

51b‧‧‧制動線圈架

511b‧‧‧第一延伸端

512b‧‧‧第二延伸端

513b‧‧‧側邊支架

52b‧‧‧線圈

5c‧‧‧制動單元

51c‧‧‧長條狀制動線圈架

510c‧‧‧線圈繞置區段

511c‧‧‧第一延伸端

512c‧‧‧第二延伸端

52c‧‧‧線圈

6‧‧‧側板

61‧‧‧定子定位孔

62‧‧‧定位構件

7‧‧‧腳踏機構

71‧‧‧傳動帶

8‧‧‧擴增承架

9‧‧‧擴增制動單元

V1‧‧‧回授電力

V2‧‧‧輸出電力

第1圖係顯示本發明制動系統第一實施例之部分分解示意圖；第2圖係顯示本發明制動系統第一實施例之組合示意圖；第3圖係顯示本發明發電機組之定子繞設有一電線圈組之結構示意圖；第4圖係顯示本發明制動系統第一實施例結合一腳踏機構之結構示意圖；第5圖係顯示本發明制動系統第一實施例之剖面示意圖； 第6圖係顯示本發明第一實施例中亦可包括有二個以上的承架及制動單元之平面示意圖。

第7圖係顯示本發明制動系統第二實施例之部分分解示意圖；第8圖係顯示本發明制動系統第二實施例結合一腳踏機構之結構示意圖；第9圖係顯示本發明制動單元第一實施例之結構示意圖；第10圖係顯示本發明制動單元第二實施例之結構示意圖；第11圖係顯示本發明制動單元第三實施例之結構示意圖；第12圖係顯示本發明制動系統第三實施例之部分分解示意圖；第13圖係顯示第12圖中制動單元的擴大視圖。

請參閱第1圖至第3圖，其中第1圖係顯示本發明制動系統第一實施例之部分分解示意圖，第2圖係顯示本發明制動系統第一實施例之組合示意圖，第3圖係顯示本發明制動系統發電機組之定子繞設有一電線圈組之結構示意圖，第4圖係顯示本發明制動系統第一實施例結合一腳踏機構之結構示意圖，而第5圖係顯示本發明制動系統第一實施例之剖面示意圖。如圖所示，本發明之發電回授制動系統包括有一飛輪1、一金屬環2、一發電機組3、一承架4、一制動單元5及一對側板6。其中飛輪1係以一轉軸11為旋轉中心而受一驅動力旋轉。

金屬環2係結合於飛輪1，在此實施例中，金屬環2係由非導磁性材料所製成，而非導磁性材料係選自鋁、銅之一。

發電機組3包括有一轉子31、一定子32及一發電線圈組33。其中轉子31係固定於飛輪1，並受飛輪1帶動旋轉，且轉子31係由多極的永久磁鐵所構成，而定子32則固定於飛輪1 之轉軸11，並相對應於轉子31。

發電線圈組33係繞設於定子32(如第3圖所示)，當定子32受到轉軸11帶動旋轉時，發電線圈組33的一對電力輸出端331則會輸出一回授電力V1至一電力控制單元34。電力控制單元34可將該回授電力V1進行電壓及電流調節。

承架4係具有一轉軸結合端41及一外側端42。其中轉軸結合端41係結合在飛輪1之轉軸11，而外側端42則延伸至金屬環2之鄰近位置。制動單元5係結合於該承架4之外側端42，故使得制動單元5面向鄰近於該金屬環2的內環面。

制動單元5包括有一制動線圈架51及至少一線圈52，制動線圈架51係結合於承架4之外側端42並包括有一第一延伸端511及至少一相鄰於第一延伸端511之第二延伸端512，第一延伸端511與第二延伸端512係分別對應於金屬環2。

線圈52係繞置在制動線圈架51上，線圈52的一對導線521電連接至電力控制單元34之輸出端，以接收經由該電力控制單元34所產生之經過調節後之輸出電力V2，使該制動單元5產生一制動力施加至該飛輪1。在本發明實施例中，該制動單元5係產生一磁力場，在金屬環2產生渦電流，進而對飛輪1產生制動力。

如第4、5圖所示，飛輪1係受一腳踏機構7所產生的驅動力，經一傳動帶71而受驅動旋轉，而傳動帶71係選自皮帶或鍊條之一。

當飛輪1轉動時，金屬環2及發電機組3之轉子31隨之轉動。此時，發電機組3之發電線圈組33會輸出回授電力V1至電力控制單元34，再由電力控制單元34產生一輸出電力V2至線 圈52，使制動單元5產生一磁力場施加至金屬環2，而由金屬環2產生渦電流，進而對飛輪1產生制動力。

第1~5圖所示之實施例中，係以單一個承架4及一制動單元5為實施例說明。在實際應用時，亦可在飛輪1之轉軸11更結合有至少一擴增承架8，如第6圖所示，並在該擴增承架8的外側端結合至少一擴增制動單元9，且該擴增制動單元9亦係面向鄰近於該金屬環2的內環面。擴增承架8的組合結構係可相同於承架4，同樣具有一轉軸結合端及一外側端，擴增制動單元9即即結合該擴增承架8的外側端。

請參閱第7圖及第8圖，其中第7圖係顯示本發明制動系統第二實施例之部分分解示意圖，而第7圖係顯示本發明制動系統第二實施例結合一腳踏機構之結構示意圖。如圖所示，本發明之發電回授制動系統更包括有一對側板6。

側板6係分別位在飛輪2的兩側面，且各個側板6各開設有至少一定子定位孔61。發電機組3之定子32的兩端即分別藉由複數個定位構件62經由定子定位孔61而將飛輪1承置定位在兩側板6之間，且同時將承架4予以固定定位。

如第8圖所示，飛輪1係受一腳踏機構7所產生的驅動力，經一傳動帶71而受驅動旋轉，而傳動帶71係選自皮帶或鍊條之一。

請參閱第9圖及第11圖，其中第9圖係顯示本發明制動單元第一實施例之結構示意圖，第10圖係顯示本發明制動單元第二實施例之結構示意圖，而第11圖係顯示本發明制動單元第三實施例之結構示意圖。如圖所示，制動單元5之制動線圈架51包括有一第一延伸端511及至少一相鄰於第一延伸端511之第二 延伸端512，而線圈52係繞置在制動線圈架51上。

如第10圖所示，在實際應用中，制動單元5a之線圈521a可同時繞置在制動線圈架51a之第一延伸端511a及第二延伸端512上。此外，亦可如第11圖所示，制動單元5b之線圈521b係繞置在制動線圈架51b之第二延伸端512b上，且在制動線圈架51a之兩端各包括有一側邊支架513b。

第12圖係顯示本發明制動系統第三實施例之部分分解示意圖，第13圖係顯示第12圖中制動單元5c的擴大視圖。本實施例與第7圖所示的實施例相比較，其大抵結構上皆相似，所不同者在於制動單元5c係包括有一長條狀制動線圈架51c，固定結合於該承架4之外側端42，該長條狀制動線圈架51c具有一線圈繞置區段510c。長條狀制動線圈架51c之兩端係可延伸出一支或一支以上的延伸端。例如，如第13圖所示，線圈繞置區段510c之兩端係分別延伸出一第一延伸端511c及一相對該第一延伸端511c之第二延伸端512c，亦可僅由該線圈繞置區段510c之一端延伸出第一延伸端511c或第二延伸端512c。

一線圈52c係繞置在該長條狀制動線圈架51c之線圈繞置區段510c。第一延伸端511c具有一弧面，面向鄰近於該金屬環2的內環面。第二延伸端512c亦具有一弧面，面向鄰近於該金屬環2的對應內環面。在此實施例中，金屬環2係由導磁性材料所製成，而導磁性材料係選自導磁係數佳之矽鋼片、鐵之一。

當飛輪1轉動時，金屬環2及發電機組3之轉子31隨之轉動。此時，發電機組3之發電線圈組33會輸出回授電力至電力控制單元，再由電力控制單元產生一輸出電力至長條狀制動線圈架51c之線圈52c，使制動單元5c分別在第一延伸端511c及第二 延伸端512c產生一磁力場施加至金屬環2，而由金屬環2產生渦電流，進而對飛輪1產生制動力。

以上所舉實施例僅係用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍，凡其他未脫離本發明所揭示之精神下而完成的等效修飾或置換，均應包含於後述申請專利範圍內。

1‧‧‧飛輪

11‧‧‧轉軸

2‧‧‧金屬環

3‧‧‧發電機組

31‧‧‧轉子

32‧‧‧定子

4‧‧‧承架

41‧‧‧轉軸結合端

42‧‧‧外側端

5‧‧‧制動單元

51‧‧‧制動線圈架

511‧‧‧第一延伸端

512‧‧‧第二延伸端

52‧‧‧線圈

521‧‧‧導線

Claims (10)

1. 一種發電回授制動系統，係結合於一飛輪，該飛輪具有一轉軸，該發電回授制動系統包括有：一金屬環，結合於該飛輪；一發電機組，包括有：一轉子，固定在該飛輪，並受該飛輪帶動旋轉；一定子，固定在該轉軸，並相對應於該轉子；一發電線圈組，繞設在該定子，該轉子受該飛輪帶動旋轉時，該發電線圈組的一對電力輸出端輸出一回授電力；一承架，具有一轉軸結合端及一外側端，其中該轉軸結合端係結合在該飛輪之轉軸，而該外側端則延伸至該金屬環之鄰近位置；一制動單元，結合於該承架之外側端並面向鄰近於該金屬環。
2. 根據申請專利範圍第1項之發電回授制動系統，其中該金屬環係以非導磁材料所製成，而該制動單元包括有：一制動線圈架，結合於該承架之外側端，該制動線圈架具有一個或一個以上的延伸端；至少一線圈，繞置在該制動線圈架之該一個或一個以上的延伸端，該線圈的一對導線係電連接至該電力控制單元，以接收該電力控制單元所產生之該輸出電力，使該制動單元產生一磁力場，在該金屬環產生渦電流，進而對該飛輪產生制動。
3. 根據申請專利範圍第2項之發電回授制動系統，其中該非導磁材料係選自鋁、銅之一。
4. 根據申請專利範圍第2項之發電回授制動系統，其中該制動線圈架包括有一第一延伸端及至少一相鄰於該第一延伸端之第 二延伸端，該第一延伸端與該第二延伸端分別對應於該金屬環。
5. 根據申請專利範圍第1項之發電回授制動系統，更擴充有一個或一個以上的擴增承架以及一個或一個以上結合在該擴增承架並面向鄰近於該金屬環之擴增制動單元，該擴增承架係結合在該飛輪之轉軸。
6. 根據申請專利範圍第1項之發電回授制動系統，其中該金屬環係以導磁材料所製成，而該制動單元包括有：一個或一個以上的長條狀制動線圈架，結合於該承架之外側端，該長條狀制動線圈架具有一線圈繞置區段、一由該線圈繞置區段之一端延伸出的第一延伸端、以及一相對該第一延伸端由該線圈繞置區段之另一端延伸出的第二延伸端；其中該線圈係繞置在該線圈繞置區段；該第一延伸端具有一弧面，面向鄰近於該金屬環；該第二延伸端亦具有一弧面，面向鄰近於該金屬環。
7. 根據申請專利範圍第6項之發電回授制動系統，其中該金屬環係選自導磁係數佳之矽鋼片、鐵材料之一。
8. 根據申請專利範圍第1項之發電回授制動系統，其中該轉子係由多極的永久磁鐵所構成。
9. 根據申請專利範圍第1項之發電回授制動系統，更包括一對側板，分別位在該飛輪的兩側面，且各個側板各開設有至少一定子定位孔，該定子的兩端即分別藉由複數個定位構件經由該定子定位孔而將該飛輪承置定位在該兩側板之間，且同時將該承架予以固定定位。
10. 根據申請專利範圍第1項之發電回授制動系統，更包括一電力 控制單元，連接於該發電線圈組電力輸出端，以接收該發電線圈組所產生之該回授電力，並據以產生一輸出電力；該制動單元的一對導線係電連接至該電力控制單元，以接收該電力控制單元所產生之該輸出電力，使該制動單元產生一制動力施加至該飛輪。