TWI743002B

TWI743002B - 可直接測取運動負載值之磁控裝置

Info

Publication number: TWI743002B
Application number: TW110106371A
Authority: TW
Inventors: 李佳蓉
Original assignee: 祺驊股份有限公司
Priority date: 2021-02-23
Filing date: 2021-02-23
Publication date: 2021-10-11
Also published as: TW202233280A

Abstract

一種可直接測取運動負載值之磁控裝置，係應用於健身運動器材，包含：一支撐架、一軸心、一飛輪、一磁阻機構、一作用桿、一樑式荷重傳感器、以及一控制電路單元；該控制電路單元在計算所設定之扭力值後，將產生大小適度之電流，輸入磁阻機構之電磁線圈，則電流會在其煞車鐵心上形成一渦電流，進而對飛輪的轉動造成一阻力，且該阻力將驅使該磁阻機構浮動樞轉，並藉由作用桿將該阻力施加在樑式荷重傳感器上，則該控制電路單元將反覆擷取阻力值以比對所欲扭力值後，再進一步變更輸送之電流，進而使實際負載達到所欲扭力值的運動效果。

Description

可直接測取運動負載值之磁控裝置

本發明係有關一種健身運動器材裝置，尤指將樑式荷重傳感器與磁阻機構連結，據以達到所欲運動負載效果的一種可直接測取運動負載值之磁控裝置。

按，許多健身器材都會裝設飛輪以增加其旋轉慣性，同時飛輪亦可作為負載以達到健身效果；近年來，運用飛輪裝設永久磁石作為轉子，以電樞作為定子，使定子線圈產生交流電，再以該電流作為控制及煞車負載所需之電力；此類型專利見諸於美國第6,084,325號「發電與渦流磁阻混合之剎車裝置」(BRAKE DEVICE WITH A COMBINATION OF POWER-GENERATING AND EDDY-CURRENT MAGNETIC RESISTANCE)，如圖1-1，1-2所示；圖中，運動器材之轉動輪A帶動飛輪820旋轉，飛輪820所黏貼之永久磁鐵821與定子鐵心830構成磁路，使線圈831產生電流；該電流經整流&濾波電路860轉變成直流，一者經由直流電源供應器870供應控制儀表890；一者經由可調整直流電源供應器880供應設在飛輪820側邊之煞車鐵心850，使該煞車鐵心850形成一渦電流(EDDY CURRENT)，進而對飛輪820造成一磁阻效果。

又按，前述專利係以使用者施加在運動器材上的動能使發電機構產生電力，再將其電力回授磁阻機構產生磁阻形成運動施力之負載；按，此種架構可達到極佳的運動效果，惟，該機構所產生之大電流與大磁阻，適合裝設在較大型或控制功能較多的運動器材上；相反的，需求小電流小磁阻的運動器材，若是使用上述專利的裝置，則有資源投入過多的疑慮；因此，若能減少動能負載、縮小其體積、降低製造成本，而將磁阻機構整合應用於小型運動器材者，乃成為本創作者研發的目標。

再按，前述專利中控制儀表890係將設定之扭力值，轉換成電流大小後供應煞車鐵心850使其對飛輪820產生磁阻；惟查，該裝置並無扭力值的偵測機構，顯然該磁阻與設定值之間即存在或多或少的差距，這將對使用者產生其運動效果的疑惑；因此，增設扭力偵測的回授裝置，以增進使用者對運動器材的掌握與信任，將是本創作者進一步所要改善的課題。

緣是，本發明之主要目的，係在提供可將磁阻機構應用於小型健身運動器材之一種渦流磁阻煞車裝置。

本發明之次要目的，係在提供可將荷重傳感器與磁阻機構連結，據以達到所欲運動負載效果的一種可直接測取運動負載值之磁控裝置。

為達上述目的，本發明所採取的技術手段，包含：一支撐架、一軸心、一飛輪、一磁阻機構、一作用桿、一樑式荷重傳感器、以及一控制電路單元；其中，該支撐架，具有一前、後板體，係以複數支定位桿將其組合成一體，其上端各設有一軸孔，且該支撐架設有腳座，用以固定在健身運動器材之架體上；該軸心，樞設在該軸孔內，用以承接健身運動器材所傳送之動力；該飛輪，為一中央設有輪轂、外周設有外環之盤體，且該輪轂具有軸孔以套設在該軸心上，並令該飛輪受該軸心帶動而迴轉；該磁阻機構，包括一線圈活動架，係樞設在該輪轂之周緣，一定子，係固設在該線圈活動架之外緣，其環設有複數個煞車鐵心，該煞車鐵心設有一容置部，用以套設電磁線圈，以及一輸入線，係連接該電磁線圈；該作用桿，係鎖固在該磁阻機構之外側，且其端部具有一施壓部；該樑式荷重傳感器，其內端係透過一荷重元托架鎖固在支撐架上，其外側端則固接該施壓部；該控制電路單元，係以內建形態組設於該支撐架側邊，其至少包括一微電腦控制儀表、一扭力值換算單元、一電源控制單元、與一連接交流電源之DC電源供應器，該控制電路單元可供輸入所欲之扭力值，並電性連接該電磁線圈之輸入線與該樑式荷重傳感器。

按，樑式荷重傳感器的原理，係應用機構一端承受剪力作用時，該機構的彈性體會產生剪切應變，其應變量會使黏貼於機構上的電阻值因而改變；因系統施予固定電源電壓，因此，通過樑式荷重傳感器的分壓也隨之改變，該改變的分壓值被測得後，其訊號經放大與運算，即可轉換成該機構所承受的剪力，亦即荷重值。樑式荷重傳感器的原理並非本創作的訴求重點，惟，發明人很巧妙地將機構裝設於該操作桿的下方，就是應用樑式荷重傳感器，在連結磁阻機構以驅轉該傳感件時，其彈性體所承受的剪切力可被感測並轉換成荷重值，再傳送給系統而達到控制的成效。

藉此，該控制電路單元將計算其所欲之扭力值後，據以產生一控制信號繼而形成一大小適度之電流，並同步輸入該磁阻機構之電磁線圈，則電磁線圈的電流會在該煞車鐵心上形成一渦電流，進而對該飛輪的轉動造成一阻力，且該阻力將驅使該磁阻機構浮動樞轉，並藉由該作用桿將該阻力施加在該樑式荷重傳感器上，則該控制電路單元將反覆擷取阻力值以比對所欲扭力值後，再進一步變更輸送之電流，進而使實際負載達到所欲扭力值的運動效果。

依據前揭特徵，本發明中更包括至少一滾珠軸承，係裝設於該線圈活動架與該飛輪之輪轂之間，使該線圈活動架相對於該飛輪可浮動樞轉。

依據前揭特徵，本發明中更包括一皮帶輪，係裝設於該支撐架外側之軸心上，用以將健身運動器材所送入之動力傳遞給該軸心。

藉助前揭特徵，本發明「可直接測取運動負載值之磁控裝置」具有之效益為：

(1)本發明中該飛輪係受軸心帶動而迴轉，該磁阻機構，則設於飛輪其外環之內周緣，其具有複數個煞車鐵心與電磁線圈；由於本發明中之磁阻機構係設於飛輪之內周緣處，因此得以簡化機構縮小體積、及降低製造成本，並使其可應用於小型健身運動器材；同時，本發明係藉由施加於電磁線圈上的電流大小來控制磁阻負載，由於該機構屬於非接觸式的阻力裝置，因此本發明亦具有具有阻力容易控制、構件不會磨損及維修成本較低的優點。

(2)本發明包括一提供慣性轉動之飛輪，磁阻機構則設於飛輪其外環之內周緣；一大小適度之電流被輸入該磁阻機構之電磁線圈，則該電流會在煞車鐵心上形成一渦電流，進而對飛輪的轉動造成一阻力；由於該煞車鐵心係環設於飛輪之內周緣處，其渦電流的阻力將均勻分布在飛輪的內周，因此本發明將可達到勻稱順暢之負載效果。

(3)本發明中之微電腦控制儀表上設有一輸入單元，可供輸入所欲之扭力值，微電腦將透過扭力值換算單元產生一大小適度之電流給磁阻機構之電磁線圈，使其在煞車鐵心上形成一渦電流，進而對飛輪的轉動產生一阻力並作用在磁阻機構上；由於一樑式荷重傳感器係透過一作用桿連結該磁阻機構以測取其阻力，而控制電路單元則反覆擷取阻力以比對所欲扭力值，再進一步變更輸送之電流，進而使負載值達到所欲之扭力值，由於本發明中應用樑式荷重傳感器作為實際負載之感測裝置，且控制電路單元會將回授訊號用以修正其輸送之電流大小，因此可提升其負載的精確率達95%以上，使本發明真正符合使用者的運動效益。

10:支撐架

11:前板體

12:後板體

13:軸孔

14:定位孔

15:腳座

16:槽孔

17:定位桿

20:飛輪

21:外環

22:內側壁

23:輪轂

24:軸孔

25:滾珠軸承

30:軸心

33:軸承座

34:滾珠軸承

40:皮帶輪

50:磁阻機構

51:線圈活動架

52:定子

53:煞車鐵心

54:電磁線圈

55:穿透孔

60:作用桿

61:施壓部

62:定位部

63:定位孔

64:螺絲

65:螺絲

70:樑式荷重傳感器

71:荷重元托架

72:荷重值

80:控制電路單元

81:微電腦控制儀表

82:扭力值換算單元

83:電源控制單元

84:DC電源供應器

100:可直接測取運動負載值之磁控裝置

P:阻力值

δ:剪切應變

圖1-1 係習用一種發電與渦流磁阻混合剎車裝置之組合正視圖。

圖1-2 係習用一種發電與渦流磁阻混合剎車裝置整體控制之示意圖。

圖2A 係本發明之結構分解立體圖。

圖2B 係本發明中其作用桿之結構立體圖。

圖2C 係本發明中測取運動負載值之相關結構立體圖。

圖2D 係本發明中測取運動負載值之結構組合立體圖。

圖3 係本發明之結構組合立體圖。

圖4 係本發明之結構組合側視圖。

圖5 係本發明中圖4之斷面剖視圖。

圖6A 係本發明之結構組合正視圖。

圖6B 係本發明中其磁阻機構浮動樞轉之結構示意圖。

圖6C 係本發明中荷重傳感器承受負載之示意圖。

圖7A 係本發明中其圖6A之斷面剖視圖一。

圖7B 係本發明中其圖6A之斷面剖視圖二。

圖8 係本發明中整體控制之示意圖。

以下說明將配合圖式作為實施例，但不限定於此，本發明尚可施行於其它的實施例中，而公知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免對本發明形成不必要之限制。特別注意的是，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際之尺寸或數量，有些細節可能未完全繪出，以求圖式之簡潔。

首先，請參閱圖2A所示，為本發明「可直接測取運動負載值之磁控裝置」100之結構，其包含有一支撐架10、一飛輪20、一軸心30、一磁阻機構50、一作用桿60、一樑式荷重傳感器70、以及一控制電路單元(圖未示)；其中，該支撐架10，係由前、後板體11、12組裝而成，其板體上端各設有一軸孔13，且板體上個別設有複數個前後相對應之定位孔14，複數支定位桿17，個別穿入該定位孔14並以螺帽鎖固，可使該前、後板體11、12結合成一體，而板體下端則各設有一腳座15，可採螺栓鎖合槽孔16的方式將支撐架10固定於健身運動器材之架體上；該飛輪20，係為提供一慣性轉動之盤體，具備一外環21及一內側壁22，且該內側壁22之中心處形成一具有軸孔24之輪轂23；該軸心30，為一傳遞動力之軸桿，其中段將穿入該飛輪20之軸孔24中，其兩端各別結合一滾珠軸承34以穿入一軸承座33，其外側端則透過一方鍵以連結一皮帶輪40，用以承接健身運動器材所傳送之動力並驅使該飛輪20與軸心30同步轉動。

承上，該磁阻機構50，包括一線圈活動架51及一固設在其外緣之定子52，該定子52環設有複數個煞車鐵心53，該煞車鐵心53則設有一容置部，用以套設電磁線圈54，一輸入線(圖未示)，一端連結DC電源，另一端則串接該電磁線圈54，其輸入之電流在煞車鐵心53上將形成一渦電流(EDDY CURRENT)；該線圈活動架51具有一穿透孔55，係套設在該飛輪20之輪轂23外緣，使該磁阻機構50樞設在該飛輪20之外環21內緣，由於該渦電流被旋轉之飛輪破壞而產生一個阻力並作用在該磁阻機構50上；該作用桿60，具有一施壓部61，其係以螺絲65鎖固在該磁阻機構50之外側，使其可被驅動而與該磁阻機構50同步浮動樞轉；該樑式荷重傳感器70，係透過一荷重元托架71鎖固在支撐架10上，其外側端則連接該作用桿60之施壓部61，因此該阻力值將經由該作用桿60而被該樑式荷重傳感器70所測取。

圖2B~2D所示，為本發明中其作用桿60及磁阻機構50之組合狀態；其中，該作用桿60具有一施壓部61及一圓弧狀之定位部62，且該定位部62設有複數個定位孔63(圖2B)，當以螺絲65將該作用桿60鎖固在該定子52的側緣，再將該樑式荷重傳感器70以一螺絲64連接該作用桿60之施壓部61後，則磁阻機構50遭受阻力而產生浮動樞轉時，該作用桿60亦將被驅動而浮動樞轉，且其浮動的作用力將施加在該樑式荷重傳感器70上(圖2C~2D)。

請進一步參閱圖3~5所示，為本發明之結構組合狀態；從其圖式中可知，該定子52包含有複數個煞車鐵心53與電磁線圈54，係以螺絲固設在該線圈活動架51之外緣，而形成該磁阻機構50；再將線圈活動架51之穿透孔55套置在該飛輪20之輪轂23周緣，使該磁阻機構50在飛輪20之外環21內緣樞轉；本發明中更包括一滾珠軸承25，係裝設於該線圈活動架51之穿透孔55與該輪轂23之間，使該線圈活動架51相對於該飛輪20可浮動樞轉；接續，將軸心30穿入該飛輪20之軸孔24中，並以一鍵塊嵌入其中段使該軸心30與該飛輪20可同步轉動；再將軸心30位於該飛輪20輪轂23之兩側部位各別套設一滾珠軸承34，並於滾珠軸承34之外周套設一軸承座33，隨之將軸承座33分別嵌入前、後板體11、12之軸孔13，並分別以螺栓穿入該前、後板體11、12之定位孔14內將該軸承座33鎖固，再將複數支定位桿17穿入定位孔14並以螺帽鎖固，使該軸心30、飛輪20、與磁阻機構50結合並定位在該前、後板體11、12內形成一體；再者，將皮帶輪40以一鍵塊嵌入該軸心30之外側端，並將該作用桿60之定位部62，以螺絲鎖固在該定子52的側緣後，再將該樑式荷重傳感器70，透過一荷重元托架71鎖固在支撐架10上，最後將作用桿60之施壓部61鎖固在該樑式荷重傳感器70的外側端，即完成本發明之機構組裝。

圖6A~6C及圖7A~7B所示，為本發明在施加運動負載時之狀態，圖式中，該磁阻機構50的線圈活動架51，其穿透孔55係連結一滾珠軸承25而套設在飛輪20的輪轂23周緣，因此磁阻機構50可相對於該飛輪20而自由樞轉(圖7A)；磁阻機構50的定子52環設有複數個煞車鐵心53與電磁線圈54，則直流電流被送入電磁線圈54時，將在煞車鐵心53上形成一渦電流；由於軸心30受健身運動器材所傳送之動力驅使而帶動飛輪20同步轉動，該渦電流將被旋轉之飛輪破壞而產生一個阻力並作用在磁阻機構50上，則磁阻機構50將因此產生一阻力值P而施加在與其連結的作用桿60上(圖7B)，且該阻力值P將進一步透過其施壓部61而反應在樑式荷重傳感器70上，並使其一端承受剪力作用，進而使該樑式荷重傳感器70的彈性體產生一剪切應變δ(圖7C)，其應變量將會被轉換成荷重值而經由電性連接傳送給控制電路單元80。

圖8所示，為本發明之控制示意圖，其中，該控制電路單元80，係以內建形態組設於該支撐架10的側邊，其至少包括一微電腦控制儀表81、一扭力值換算單元82、一電源控制單元83、與一連接交流電源之DC電源供應器84，該微電腦控制儀表81設有輸入單元可供輸入所欲之扭力值，並電性連接該電磁線圈54之輸入線與該樑式荷重傳感器70。藉此，該控制電路單元80將計算其所欲之扭力值後，據以產生一控制信號繼而形成一大小適度之電流，並同步輸入該磁阻機構50之電磁線圈54，則電磁線圈54的電流會在煞車鐵心53上形成一渦電流(EDDY CURRENT)；由於該飛輪20處於旋轉狀態，該渦電流遭到旋轉飛輪20的破壞時，會產生一阻力來抵抗，且該阻力將驅使該磁阻機構50浮動樞轉，並藉由該作用桿60將阻力值施加在該樑式荷重傳感器70上，則該控制電路單元80將反覆擷取該阻力即荷重值72，以比對所欲扭力值後，再進一步變更輸送之電流，進而使實際負載達到所欲扭力值的運動效果。

按，本發明中該飛輪20係受軸心30帶動而迴轉，該磁阻機構50，則設於飛輪20其外環21之內緣，其具有複數個煞車鐵心53與電磁線圈54；由於本發明中之磁阻機構50係設於飛輪20之內周緣處，因此得以簡化機構、縮小體積、及降低製造成本，並使其可應用於小型健身運動器材；同時，本發明係藉由施加於電磁線圈54上的電流大小來控制磁阻負載，由於該機構屬於非接觸式的阻力裝置，因此本發明亦具有具有阻力容易控制、構件不會磨損及維修成本較低的優點。

次按，本發明包括一提供慣性轉動之飛輪20，磁阻機構50則設於飛輪20其外環21之內周緣；一大小適度之電流被輸入該磁阻機構50之電磁線圈54，則該電流會在煞車鐵心53上形成一渦電流，進而對飛輪20的轉動造成阻力；由於該煞車鐵心53係環設於飛輪20之內周緣處，其渦電流的阻力將均勻分布在飛輪20的內周，因此本發明將可達到勻稱順暢之負載效果。

再按，本發明中之微電腦控制儀表81上設有一輸入單元，可供輸入所欲之扭力值，微電腦將透過扭力值換算單元82產生一大小適度之電流給磁阻機構50之電磁線圈54，使其在煞車鐵心53上形成一渦電流，進而對飛輪20產生一阻力並作用在磁阻機構50上；由於一樑式荷重傳感器70係透過一作用桿60連結該磁阻機構50以測取其阻力，而控制電路單元80則反覆擷取阻力以比對所欲扭力值，再進一步變更輸送之電流，進而使負載值達到所欲之扭力值，由於本發明中應用樑式荷重傳感器70作為實際負載之感測裝置，且控制電路單元80會將回授訊號用以修正其輸送之電流大小，因此可提升其負載的精確率達95%以上，使本發明真正符合使用者的運動效益。

綜上所述，本發明所揭示之技術手段，確具「新穎性」、「進步性」及「可供產業利用」等發明專利要件，祈請鈞局惠賜專利，以勵發明，無任德感。

惟，上述所揭露之圖式、說明，僅為本發明之較佳實施例，大凡熟悉此項技藝人士，依本案精神範疇所作之修飾或等效變化，仍應包括在本案申請專利範圍內。