TW201801767A - 高精密度發電阻力裝置 - Google Patents

Abstract

一種高精密度發電阻力裝置包含一發電單元與複數個扭力感測單元。該發電單元包含一電路板與一電源模組。該電源模組包含至少一磁性元件與複數個發電線圈。該等發電線圈設置於該電路板上，且其位置對應於該至少一磁性元件的位置，當該飛輪轉動時，該等發電線圈與該至少一磁性元件相對運動產生一工作電源。該等扭力感測單元電性連接該電路板以接收該工作電源。藉此，提高信號傳輸的準確性以及增加操作使用上的安全性。

Description

高精密度發電阻力裝置

本創作係有關一種發電阻力裝置，尤指一種應用於一腳踏式運動車之一高精密度發電阻力裝置。

傳統的健身器材，例如健身車，其主要包含有車架、踏板與飛輪。飛輪包含有一靜止部(例如飛輪的一定子)與一轉動部(例如飛輪的轉子)，其中該定子固設於該車架上。再者，踏板與飛輪透過傳動機構連接，藉此，當使用者(運動者)踩踏健身車上的踏板時，傳動機構係以驅動該飛輪的轉子相對於固定靜止的車架轉動。為了讓使用者在踩踏踏板時能夠承受適當的阻力或抗力，通常透過控制磁阻力的方式，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的踩踏動作，達到運動、健身的效果。

此外，健身車的飛輪上通常會裝設用來偵測扭力大小的感測器(例如應變規)與一電源板，並且健身車的車架上通常設有一顯示裝置。該應變規可設置於飛輪的轉子上，而該電源板則設置於飛輪的定子上。因此，當該電源板對該感測器供電時，需要使用碳刷元件作為電源傳送的媒介，藉此，透過碳刷元件的連接，使得位於轉子上的該感測器(應變規)能夠接收到由定子上該電源板的供電。該應變規用以偵測飛輪轉動時的扭力應變量，轉換為電氣信號(例如為電壓信號)，並且將該電壓信號放大後，再將放大後的該電壓信號傳輸至顯示裝置，以進行運算及顯示該扭力大小。

雖然碳刷元件的使用能夠使得感測器(應變規)接收到該電源板的供電而正常運作，然而，由於碳刷元件容易損耗，並且會產生電氣火花，因此，造成須保養碳刷元件、碳刷元件磨耗損壞的費用、成本與環保問題，並且所產生的電氣火花具干擾性，易造成信號傳輸的雜訊，甚至電氣火花造成安全上的問題。

本創作之目的在於提供一種高精密度發電阻力裝置，改善扭力感測器與電源板之間使用的碳刷元件，所造成費用、成本與環保問題以及信號傳輸的干擾甚至電氣火花造成安全上的問題。

為達成前揭目的，本創作所提出該高精密度發電阻力裝置，其應用於一腳踏式運動車，該腳踏式運動車包含一車架與一飛輪，該飛輪包含一轉子與固定於該車架上的一定子。該高精密度發電阻力裝置包含一發電單元、複數個扭力感測單元、一資料處理無線發射單元、一制動控制單元以及一無線接收裝置。該發電單元包含一電路板與一電源模組。該電路板設置於該轉子上。該電源模組包含至少一磁性元件與複數個發電線圈。該至少一磁性元件設置於該定子上。該等發電線圈設置於該電路板上，且其位置對應於該至少一磁性元件的位置，當該飛輪的該轉子轉動時，該等發電線圈與該至少一磁性元件相對運動產生一工作電源。該等扭力感測單元電性連接該電路板以接收該工作電源。該資料處理無線發射單元設置於該電路板上且連接該等扭力感測單元，以無線方式傳送該等扭力感測單元所感測到之扭力資訊及運動資訊。該制動控制單元控制該腳踏式運動車之阻力大小。該無線接收裝置接收來自該資料處理無線發射單元之扭力資訊及運動資訊。

藉由該高精密度發電阻力裝置，可以不需要使用碳刷元件，能夠直接對該等扭力感測單元供電，因此可省去碳刷元件保養、磨耗損壞的費用與成本，再者，避免因使用碳刷元件所產生的電氣火花，如此可提高信號傳輸的準確性，也增加操作使用上的安全。

為了能更進一步瞭解本創作為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本創作之詳細說明與附圖，相信本創作之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本創作加以限制者。

茲有關本創作之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。

本創作係揭露一種高精密度發電阻力裝置，其中該腳踏式運動車可為健身車(exercise bike)、划船器(rower machine)、腳踏車訓練器(bike trainer)、磁控車(magnetic control exercise bike)或飛輪車(spinning bike)之任一者，但不以此為限制。上述各該腳踏式運動車主要包含一車架、一踏板、一飛輪以及一發電阻力制動控制單元。其中該飛輪包含一轉子(可轉動的機構)與固定於該車架上的一定子(靜止的機構)，並且該踏板與該飛輪透過傳動機構連接。當使用者踩踏運動車之腳踏板時，傳動機構係以驅動該飛輪的該轉子相對於該車架轉動，並且透過操作該發電阻力制動控制單元，進而控制一制動裝置對該飛輪的該轉子提供阻力，以達到運動、健身的效果。

該腳踏式運動車之高精密度發電阻力裝置的電路架構主要包含一發電單元、一發電阻力制動控制單元、複數個扭力感測單元以及一資料處理無線發射單元。其中使用者係透過該發電阻力制動控制單元控制該制動裝置對該飛輪的該轉子提供阻力。至於該電路架構的原理與操作將於後文有詳細的說明。

如圖1所示，本創作所提供的一電源模組20包含一磁性元件21、複數個發電線圈22以及一發電整流電路23。其中該磁性元件21設置於該飛輪之該定子上，該等發電線圈22設置於一電路板30(配合參見圖3)上。其中該磁性元件21根據實際應用的需求可為永久磁鐵。

該等發電線圈22的位置對應於該磁性元件21的位置，當使用者踩踏該運動車使該飛輪的該轉子轉動時，由於該等發電線圈22與該磁性元件21相對運動，因此根據電磁感應原理，該等發電線圈22與該磁性元件21相對運動所作的功轉換為電能，在該等發電線圈22處產生感應電流以提供一工作電源Vac1，其中該工作電源Vac1為交流電源。在本創作中，該磁性元件21係設置於該定子上，並且該等發電線圈22係設置於該電路板30上。藉此，透過該等發電線圈22與該磁性元件21相對運動以切割磁力線，進而產生感應電流。

該發電整流電路23可為半波、全波或橋式整流電路之任一者，然不以此為限制。該發電整流電路23係電性連接該電路板30，以接收該發電線圈22所產生之該工作電源Vac1，且轉換交流電源之該工作電源Vac1為直流電源之一直流工作電源Vdc1。

如圖2所示，本創作提供一發電阻力制動控制單元200。該發電阻力制動控制單元200包含一電子控制儀表41與一控制單元42。其中該電子控制儀表41係為運動車與使用者互動之人機介面裝置，使用者可透過該電子控制儀表41調整輸入資訊或由該電子控制儀表41獲得運動狀態的輸出資訊。在本實施例中，使用者係透過該電子控制儀表41，控制欲施加於該飛輪的制動阻力大小，亦即控制使用者踩踏該運動車時的負載大小。

該控制單元42電性連接該電子控制儀表41，並且該電子控制儀表41與該控制單元42係透過另一工作電源提供該電子控制儀表41、該控制單元42以及該制動裝置70所需之電源。當使用者透過該電子控制儀表41調整欲施加於該飛輪的制動阻力大小時，該電子控制儀表41係提供一制動阻力信號Scn至該控制單元42，使得該控制單元42得到使用者欲施加於該飛輪的制動阻力大小，以控制該腳踏式運動車的扭力大小。然後，該控制單元42根據該制動阻力信號Scn產生一制動控制信號Vcn提供給該制動裝置70，以提供磁阻力、液體阻力、風阻力、摩擦阻力之任一者的方式控制該飛輪之阻力大小，對該飛輪進行制動阻力之操作。具體而言，當該控制單元42產生該制動控制信號Vcn以提供該制動裝置70進行制動阻力操作時，通常透過該控制單元42內部的一驅動電路(圖未示)，根據該制動控制信號Vcn對該制動裝置70進行驅動，達到制動阻力操作，以控制該腳踏式運動車的扭力大小。

再者，該高精密度發電阻力裝置更包含複數個扭力感測單元50(配合參見圖3)。該等扭力感測單元50與一資料處理無線發射單元係電性連接該電路板30，以接收該工作電源Vac1或經整流後之該直流工作電源Vdc1對其供電，進而感測該飛輪之該轉子轉動時的扭力大小。在本創作中，各該扭力感測單元50係為一荷重元感測器(load cell sensor)或一應變規感測器(strain gauge sensor)，然不以此為限制。至於該等扭力感測單元50的應用說明，容後詳述。此外，該資料處理無線發射單元同時連接該等扭力感測單元50，以無線方式將該等扭力感測單元50所感測到之扭力資訊及運動資訊傳送出去。

綜上說明，該電源模組20所產生之該工作電源Vac1或該直流工作電源Vdc1係用以提供該等扭力感測單元50、該電路板30以及該無線發射單元所需之電力，再者，該工作電源Vac1或該直流工作電源Vdc1更可進一步提供充電電池及資料無線發射單元所需之電力。該資料無線發射單元傳送扭力資訊到該電子控制儀表41上的無線接收單元或傳送到手機上的無線接收單元。

請參見圖3所示，係為本創作腳踏式運動車第一實施例之一飛輪之立體圖，即該腳踏式運動車為一磁控健身車(exercise bike)。微觀來看，皮帶帶動飛輪的轉子轉動時，飛輪因扭力的作用，會發生扭曲變形的情況。習知技術採用完全鑄鐵材質的飛輪，由於鑄鐵具有高剛性的特性，因此一旦皮帶帶動鑄鐵的飛輪轉動後發生扭曲變形的情況，將導致不可逆變形發生。故此，加裝用以偵測扭力大小的感測器將無法正確地偵測出飛輪的扭力大小。

相較於習知技術所採用鑄鐵材質的飛輪，本創作腳踏式運動車採用具有可逆變形，即具有回彈性特性的鋁合金材質的一飛輪60。再者，為了增加使用者踩踏時的重量感，該飛輪60也提供了鑄鐵材質的部分，使得該飛輪60同時具有踩踏的運動效果以及高精準的扭力感測。因此，該飛輪60的轉子包含一鋁合金本體61與一鑄鐵本體62。

承前所述，本實施例所提供之該電路板30係為圓盤結構，並且該電路板30係鎖固於該飛輪60的轉子上，因此，一旦該飛輪60的轉子轉動時，該電路板30係同時轉動。該電路板30上設置複數個發電線圈22，在本實施例中，該等發電線圈22的數量為四個，並且以90度的空間角度間隔設置。

承前所述，該腳踏式運動車在該飛輪60的定子提供一永久磁鐵作為一磁性元件21之用與一輔助發電線圈12產生電磁感應進而發電。相對於該飛輪60、該電路板30以及設置於該電路板30上的該等發電線圈22為可轉動的構件，該磁性元件21則為靜止的構件。藉此，當使用者踩踏運動車使該飛輪60的轉子轉動時，該磁性元件21與該等發電線圈22相對運動產生該工作電源Vac1。至於電路說明的內容，請參見圖1以及對應之說明書記載，在此不再贅述。

再者，該腳踏式運動車進一步提供複數個扭力感測單元50，其中該等扭力感測單元50係電性連接該電路板30，以接收該工作電源Vac1或經整流後的該直流工作電源Vdc1對其供電。以圖3所示之實施例為例，該飛輪60的該鋁合金本體61係開設複數個圓形凹槽，具體而言，該鋁合金本體61的正、反兩面分別開設有四個圓形凹槽，以形成八個圓形凹槽，因此，對應每個圓形凹槽中係分別裝設一個扭力感測單元50。亦即，在本實施例中，該腳踏式運動車係提供八個扭力感測單元50，並且正、反兩面的兩扭力感測單元50形成一組扭力感測單元組。其中，每一組扭力感測單元組係配合固定電阻值形成一惠斯登電橋(Wheatstone bridge)的電路架構，將各該扭力感測單元50所感測出的扭力應變量轉換為一電壓信號，再經由對該電壓信號放大可獲得該飛輪60的轉子轉動時的扭力大小。如此，透過四組的扭力感測單元組以90度的空間角度間隔設置，可均衡地、準確地感測該飛輪60的轉子轉動時的扭力大小。

請參見圖4A與圖4B所示，係分別為本創作腳踏式運動車第二實施例之一飛輪之立體圖與分解圖，即該腳踏式運動車為一全磁式運動車。相較於圖3所示之健身車實施例，本實施例全磁式運動車與磁控健身車最大差異在於全磁式運動車自發電量大。

同樣地，本實施例提供的該電路板30係為圓盤結構，並且該電路板30係鎖固於該飛輪60的轉子上。該電路板30上設置複數個發電線圈22，並且以90度的空間角度間隔設置。再者，該腳踏式運動車進一步提供複數個扭力感測單元50，並且各該扭力感測單元50係分別裝設於在該飛輪60的該鋁合金本體61所開設的複數個圓形凹槽內。

承前所述，該等發電線圈22設置於該電路板30上，該腳踏式運動車在該飛輪60的定子提供一複數個永久磁鐵作為一磁性元件21之用。該磁性元件21與該等發電線圈22相對運動產生該工作電源Vac1。

再者，使用者係透過該發電阻力制動控制單元200控制該制動裝置70對該飛輪60的該轉子提供阻力。進一步而言，該發電阻力制動控制單元200之該控制單元42根據該制動阻力信號Scn產生該制動控制信號Vcn提供給該制動裝置70，以提供磁阻力、液體阻力、風阻力、摩擦阻力之任一者的方式控制該飛輪之阻力大小，對該飛輪60進行制動阻力之操作。以圖4C為例，該制動裝置70可為電磁鐵方式，透過固定結構與該飛輪60配合使用，並且該電子控制儀表41經由該控制單元42內部的該驅動電路，驅動該制動裝置70，以提供磁阻力的方式對該飛輪60進行制動阻力之操作，以控制該腳踏式運動車的扭力大小。該制動裝置70也可以由市電提供，由該電子控制儀表41經該控制單元42內部的驅動電路驅動該制動裝置70以控制其扭力大小。

此外，該制動裝置70亦可為永久磁鐵方式，由該電子控制儀表41控制一小型馬達(gearbox)，經由該小型馬達連動半弧片及永久磁鐵，以調整永久磁鐵與該飛輪60的距離。當兩者的距離越近，兩者之間的磁場切割力越大，產生的吸力也越大，進而增加該腳踏式運動車的扭力。反之，當兩者的距離越遠，兩者之間的磁場切割力越小，產生的吸力也越小，進而減輕該腳踏式運動車的扭力。相較於圖4C所使用電磁鐵方式的該制動裝置70，如圖4B所示之實施例亦可配合使用永久磁鐵方式的制動裝置控制該飛輪60的阻力。其中，所述永久磁鐵方式的制動裝置可以由小馬達或由手動旋扭控制該制動裝置與飛輪的作用角度。

再者，上述該制動裝置70可以透過該小型馬達調整永久磁鐵與該飛輪60距離的方式，亦可經由使用者以手動旋鈕的方式調整，以控制該腳踏式運動車的扭力大小。

請參見圖5A與圖5B所示，係分別為本創作腳踏式運動車第三實施例之一飛輪之立體圖與分解圖，即該腳踏式運動車為一飛輪車(spinning bike)。相較於圖3所示之健身車實施例，本實施例(飛輪車)與健身車最大差異在於：飛輪車之該飛輪60的直徑係遠大於該健身車之該飛輪60的直徑。

同樣地，本實施例提供之該電路板30係為圓盤結構，並且該電路板30係鎖固於該飛輪60的轉子上。該電路板30上設置複數個發電線圈22，並且以排列為矩形的方式設置。再者，該腳踏式運動車進一步提供複數個扭力感測單元50，並且各該扭力感測單元50係分別裝設於在該飛輪60的該鋁合金本體61所開設的複數個圓形凹槽內。

承前所述，該等發電線圈22設置於該電路板30上，該磁性元件21相對應該發電線圈22設置。其中，該發電線圈22為可轉動的構件，該磁性元件21則為靜止的構件。藉此，當使用者踩踏運動車使該飛輪60的轉子轉動時，該磁性元件21與該等發電線圈22相對運動產生該工作電源Vac1(如圖1所示)。

請參見圖5C與圖5D所示，係分別為本創作腳踏式運動車第三實施例之該發電線圈不同實施例之平面圖。不同於圖5B所示該發電線圈22的態樣，如圖5C所示，該發電線圈22可以採用矽鋼片繞線圈的方式實現；又如圖5D所示，該發電線圈22另可以採用鐵粉芯式繞線圈的方式實現。藉此，透過該發電線圈22與該磁性元件21相對運動以切割磁力線，進而產生感應電流。

請參見圖5E所示，係為本創作腳踏式運動車第四實施例之一飛輪之分解圖。圖5E所示之實施例與圖5B所示之實施例最主要的差異在於該飛輪60的轉子所具有的該鋁合金本體61之結構差異及所配合使用的制動裝置的差異(配合參見圖6A、圖6B)。雖然該鋁合金本體61之結構有所差異，但該鋁合金本體61上同樣開設複數個圓形凹槽，並且對應每個圓形凹槽中係分別裝設一個扭力感測單元50。

請參見圖6A與圖6B，係為該制動裝置70提供磁阻力的方式達到對該飛輪60的阻力控制。其中，圖6A所示該制動裝置70係以電磁鐵的方式與飛輪車配合使用，以控制該飛輪60的阻力。再者，圖6B所示該制動裝置70係以永久磁鐵的方式與飛輪車配合使用，以控制該飛輪60的阻力。藉此，透過上述控制磁阻力的方式，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的踩踏動作，達到運動、健身的效果。

綜上所述，本創作係具有以下之特徵與優點：

1、該等扭力感測單元50偵測到該飛輪60的扭力應變量，經由轉換且放大後的電壓信號，可直接透過該電路板30輸出至外部的該發電阻力制動控制單元200，以進行施加於該飛輪60制動阻力大小的控制。由於不需要使用碳刷元件，因此可省去碳刷元件保養、磨耗損壞的費用與成本，再者，避免因使用碳刷元件所產生的電氣火花，如此可提高信號傳輸的準確性，也增加操作使用上的安全。

2、該電子控制儀表41與該制動裝置70所需之電力，並且該直流工作電源Vdc1係用以提供該等扭力感測單元50、該電路板30以及該無線發射單元所需之電力，藉此，增加對該運動車供電的可靠度與穩定性。

3、該等扭力感測單元50配合該電路板30的使用，可應用於不同的運動車種類，例如健身車、划船器、腳踏車訓練器、磁控車或飛輪車，如此可增加使用的彈性與多樣性。

20‧‧‧電源模組
21‧‧‧磁性元件
22‧‧‧發電線圈
23‧‧‧發電整流電路
30‧‧‧電路板
12‧‧‧輔助發電線圈
200‧‧‧發電阻力制動控制單元
41‧‧‧電子控制儀表
42‧‧‧控制單元
50‧‧‧扭力感測單元
60‧‧‧飛輪
61‧‧‧鋁合金本體
62‧‧‧鑄鐵本體
70‧‧‧制動裝置
Vac1‧‧‧工作電源
Vdc1‧‧‧直流工作電源
Scn‧‧‧制動阻力信號
Vcn‧‧‧制動控制信號

圖1：為本創作一電源模組之電路方塊圖。 圖2：為本創作一發電阻力制動控制單元與一制動裝置之方塊圖。 圖3：為本創作腳踏式運動車第一實施例之一飛輪之立體圖。 圖4A：為本創作腳踏式運動車第二實施例之一飛輪之立體圖。 圖4B：為本創作腳踏式運動車第二實施例之該飛輪之分解圖。 圖4C：為本創作腳踏式運動車第二實施例之該飛輪與一制動裝置配合之立體圖。 圖5A：為本創作腳踏式運動車第三實施例之一飛輪之立體圖。 圖5B：為本創作腳踏式運動車第三實施例之該飛輪之分解圖。 圖5C：為本創作腳踏式運動車第三實施例之一發電線圈另一實施例之平面圖。 圖5D：為本創作腳踏式運動車第三實施例之該發電線圈再另一實施例之平面圖。 圖5E：為本創作腳踏式運動車第四實施例之一飛輪之分解圖。 圖6A：為本創作腳踏式運動車第三實施例之該飛輪與一制動裝置配合的一實施例之立體圖。 圖6B：為本創作腳踏式運動車第三實施例之該飛輪與該制動裝置配合的另一實施例之立體圖。

12‧‧‧輔助發電線圈

21‧‧‧磁性元件

22‧‧‧發電線圈

30‧‧‧電路板

50‧‧‧扭力感測單元

60‧‧‧飛輪

61‧‧‧鋁合金本體

62‧‧‧鑄鐵本體

Claims (10)

1. 一種高精密度發電阻力裝置，其應用於一腳踏式運動車，該腳踏式運動車包含一車架與一飛輪，該飛輪包含一轉子與固定於該車架上的一定子，該高精密度發電阻力裝置包含： 一發電單元，包含： 一電路板，設置於該轉子上；及 一電源模組，包含： 至少一磁性元件，設置於該定子上；及 複數個發電線圈，設置於該電路板上，且其位置對應於該至少一磁性元件的位置，當該飛輪的該轉子轉動時，該等發電線圈與該至少一磁性元件相對運動產生一工作電源； 複數個扭力感測單元，電性連接該電路板以接收該工作電源； 一資料處理無線發射單元，設置於該電路板上且連接該等扭力感測單元，以無線方式傳送該等扭力感測單元所感測到之扭力資訊及運動資訊； 一制動控制單元，控制該腳踏式運動車之阻力大小；及 一無線接收裝置，接收來自該資料處理無線發射單元之扭力資訊及運動資訊。
2. 如請求項1所述之高精密度發電阻力裝置，該腳踏式運動車之制動控制單元更包含一驅動裝置及制動裝置。
3. 如請求項1所述之高精密度發電阻力裝置，其中該無線接收裝置可為一電子控制儀表上的無線接收單元或個人隋身裝置上的無線接收單元。
4. 如請求項1所述之高精密度發電阻力裝置，其中該電源模組更包含： 一發電整流電路，電性連接該電路板，以接收該發電線圈所產生之該電源，且轉換該電源為一直流工作電源。
5. 如請求項1所述之高精密度發電阻力裝置，其中各該扭力感測單元係為一荷重元感測器或一應變規感測器。
6. 如請求項1所述之高精密度發電阻力裝置，其中該飛輪的結構係具有一第一本體與一第二本體，其中該第一本體係為一鋁合金本體，該第二本體係為一鑄鐵本體；或該第一本體與該第二本體係皆為一鋁合金本體；或該第一本體與該第二本體係為一體成型之鋁合金本體。
7. 如請求項5所述之高精密度發電阻力裝置，其中該等扭力感測單元係對應裝設於該鋁合金本體所開設的複數個凹槽內。
8. 如請求項7所述之高精密度發電阻力裝置，其中該等凹槽係兩兩為一組對應地開設於該鋁合金本體的一上表面與一下表面；或該等凹槽係兩兩為一組對應地開設於該鋁合金本體的該上表面；或該等凹槽係兩兩為一組對應地開設於該鋁合金本體的該下表面。
9. 如請求項2所述之高精密度發電阻力裝置，其中該制動裝置係提供磁阻力、液體阻力、風阻力、摩擦阻力之任一者的方式控制該飛輪之阻力大小。
10. 如請求項1所述之高精密度發電阻力裝置，其中該腳踏式運動車係為健身車、划船器、腳踏車訓練器、磁控車或飛輪車之任一者。