TW202302411A - 自供電裝置、自行車及室內健身車 - Google Patents

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Abstract

一種自供電裝置，為用於騎行的踩踏及轉動裝置，自供電裝置包含踩踏單元、軸心、發電機及儲能元件。踩踏單元包含內表面以在其內形成容置空間。軸心容置於容置空間中。發電機包含定子及轉子，其中定子設置在軸心上，轉子設置在踩踏單元的內表面上，轉子對應地環繞定子且不接觸定子。儲能元件與發電機電性耦接。當踩踏單元通過騎行者踩踏而轉動時，定子固定在軸心上，轉子隨著踩踏單元相對於定子轉動，發電機產生發電功率以對儲能元件充電。藉此，可延長儲能元件的使用時間。

Description

自供電裝置、自行車及室內健身車
本揭示內容是有關於一種自供電裝置、自行車及室內健身車，且特別是有關於作為功率踏板的自供電裝置，以及包含功率踏板的自行車及室內健身車。
隨著健康及運動活動的日益普及，自行車或室內健身車通常配備有傳統或習知的功率踏板(Power Pedal)，其具有至少一個應變規(Strain Gauge)或類似的傳感器用於測量騎行數據，以於騎行者騎行時提供騎行者的身體及騎行資訊。然而，對騎行者而言，頻繁地更換或取出功率踏板的電池來進行充電是不方便的。因此，對於傳統或習知的功率踏板而言，確實存在著改善其電池充電便利性的需求或動機。
本揭示內容提供一種自供電裝置、自行車及室內健身車，通過自供電裝置的有限的容置空間中設置發電機，其中發電機的定子設置在軸心上，轉子設置在踩踏單元的內表面上，當踩踏單元通過騎行者踩踏而轉動時，定子固定在軸心上，轉子隨著踩踏單元相對於定子轉動，發電機產生發電功率以對儲能元件充電，從而延長儲能元件的使用時間，進一步避免了頻繁地更換儲能元件而造成的不便。
依據本揭示內容一實施方式提供一種自供電裝置，為用於騎行的踩踏及轉動裝置，自供電裝置包含踩踏單元、軸心、發電機及儲能元件。踩踏單元包含內表面以在其內形成容置空間。軸心容置於容置空間中。發電機包含定子及轉子，其中定子設置在軸心上，轉子設置在踩踏單元的內表面上，轉子對應地環繞定子且不接觸定子。儲能元件電性耦接發電機。當踩踏單元通過騎行者踩踏而轉動時，定子固定在軸心上，轉子隨著踩踏單元相對於定子轉動，發電機產生發電功率以對儲能元件充電。
依據前述實施方式的自供電裝置的實施例中，定子可包含複數定子齒及複數定子線圈，複數定子線圈分別纏繞在複數定子齒上。轉子可包含轉子軛及複數轉子磁體，轉子磁體沿轉子軛的軛內表面依次附接其上，各定子齒的弧長小於或等於各轉子磁體的弧長。
依據前述實施方式的自供電裝置的實施例中，踩踏單元可更包含踩踏主體及至少一踏板，至少一踏板連接踩踏主體並沿軸心的垂直方向延伸，踩踏主體本質上為管狀，內表面包含主體內表面，主體內表面位於踩踏主體的內面上，軸心包含主體部，主體部對應位於主體內表面之內。定子設置在軸心的主體部上，轉子設置在主體內表面上。
依據前述實施方式的自供電裝置的實施例中，發電機的外徑可介於10 mm至30 mm的範圍內，發電機的厚度可介於20 mm至60 mm的範圍內。
依據前述實施方式的自供電裝置的實施例中，定子齒的數量可介於3個至12個的範圍內，轉子磁體的數量可介於2個至16個的範圍內。
依據前述實施方式的自供電裝置的實施例中，定子及轉子之間的空氣間隙可介於0.10 mm至0.30 mm的範圍內，各定子線圈的匝數可介於250匝至500匝的範圍內。
依據前述實施方式的自供電裝置的實施例中，踩踏單元可更包含踩踏主體、至少一踏板及踩踏基殼，至少一踏板連接踩踏主體並沿軸心的垂直方向延伸，踩踏基殼連接踩踏主體，踩踏基殼及踩踏主體本質上為管狀，內表面包含根基內表面，根基內表面位於踩踏基殼的內面上，軸心包含根基部，根基部對應位於根基內表面之內。定子設置在軸心的根基部上，轉子設置在根基內表面上。
依據前述實施方式的自供電裝置的實施例中，發電機的外徑可介於20 mm至40 mm的範圍內，發電機的厚度可介於5 mm至20 mm的範圍內。
依據前述實施方式的自供電裝置的實施例中，定子齒的數量可介於3個至18個的範圍內，轉子磁體的數量可介於2個至22個的範圍內。
依據前述實施方式的自供電裝置的實施例中，定子及轉子之間的空氣間隙可介於0.10 mm至0.30 mm的範圍內，各定子線圈的匝數可介於150匝至400匝的範圍內。
依據前述實施方式的自供電裝置的實施例中，當轉子的踏頻速率介於60 rpm至80 rpm的範圍內時，發電機輸出的發電功率可介於3.4 mW至11.8 mW的範圍內。當轉子的踏頻速率介於80 rpm至100 rpm的範圍內時，發電機輸出的發電功率可介於8.1 mW至21.7 mW的範圍內。當轉子的踏頻速率介於100 rpm至120 rpm的範圍內時，發電機輸出的發電功率可介於14.7 mW至34.5 mW的範圍內。整流電路可配置於發電機及儲能元件之間，整流電路輸出的整流電壓介於0.5 VDC至9 VDC的範圍內。
依據前述實施方式的自供電裝置的實施例中，當轉子的踏頻速率介於60 rpm至120 rpm的範圍內時，踏頻速率每增加10 rpm，則發電機輸出的發電功率可增加至少20%。
依據前述實施方式的自供電裝置的實施例中，可更包含至少一傳感器，由儲能元件供電。軸心可包含主體部及根基部，主體部較根基部設置接近踩踏單元的至少一踏板，儲能元件及至少一傳感器鄰近根基部。
依據前述實施方式的自供電裝置的實施例中，可更包含至少一電路板，設置於根基部的周圍，其中至少一電路板支持用於儲能元件的整流電路以及用於傳感器的供電電路，根基部的軸心內表面環繞儲能元件。
依據前述實施方式的自供電裝置的實施例中，至少一傳感器可為應變規，至少一傳感器的數量可為至少二個，至少一電路板的數量可為至少二個，傳感器及電路板交替地且對稱地配置環繞於軸心的根基部。
依據前述實施方式的自供電裝置的實施例中，電路板可為環繞根基部的環形印刷電路板，電路板的表面的法線方向平行根基部。
依據前述實施方式的自供電裝置的實施例中，自供電裝置可不包含增速機構及減速機構。
依據本揭示內容另一實施方式提供一種自行車，包含前述實施方式的自供電裝置，其中自供電裝置為自行車的功率踏板裝置。
依據本揭示內容再一實施方式提供一種室內健身車，包含前述實施方式的自供電裝置，其中自供電裝置為室內健身車的功率踏板裝置。
第1A圖繪示本揭示內容第一實施例的自供電裝置(Self-Powered Apparatus)100的立體圖，第1B圖繪示第1A圖中第一實施例的自供電裝置100的爆炸圖，第1C圖繪示第1A圖中第一實施例的自供電裝置100的縱向剖面圖。請參照第1A圖至第1C圖，自供電裝置100為用於騎行(Cycling)的裝置，例如自行車或室內健身車的功率踏板裝置(Power Pedal Apparatus)，尤指一種可以在踩踏及轉動(即旋轉)時發電的裝置，也就是說，自供電裝置100為用於騎行的踩踏及轉動裝置。自供電裝置100包含踩踏單元110、軸心140、發電機104及儲能元件179(例如電池)。踩踏單元110包含內表面111以在其內形成及環繞容置空間115，亦可說是踩踏單元110包含容置空間115而形成其內的內表面111。踩踏單元110的開口可由端蓋171封閉，軸心140容置於容置空間115中。
第1D圖繪示第1C圖中沿剖面線1D-1D的剖面圖，第1E圖繪示第1C圖中沿剖面線1E-1E的剖面圖。請參照第1B圖至第1E圖，發電機104至少包含定子150及轉子160，其中定子150設置在軸心140上，轉子160設置在踩踏單元110的主體內表面112上，轉子160對應地環繞定子150且不接觸定子150，其中主體內表面112為內表面111的一部分且用以承接及裝設轉子160。儲能元件179電性耦接發電機104。當踩踏單元110通過騎行者踩踏而轉動時，定子150固定在軸心140上，轉子160隨著踩踏單元110相對於定子150轉動(即是轉子160隨著踩踏單元110轉動且相對於定子150轉動)，發電機104產生發電功率以對儲能元件179充電。藉此，本揭示內容提出「一種具有主動能源(功率)供應的自供電裝置(例如自行車或室內健身車的功率踏板裝置)，其包含用於能源收集的發電裝置(即發電機)」，旨在延長自供電裝置的電源使用時間，其技術手段是在踩踏主體或踩踏基殼內的有限空間設置「微型發電機(Micro-Generator)」，其將於本揭示內容的實施例中描述。騎行者踩踏功率踏板裝置的自然或固有運動狀態使得功率踏板裝置處於轉動狀態，其驅動了發電機發電並為功率踏板裝置的電池充電，從而延長電池或電源的使用時間。
詳細而言，踩踏單元110可更包含踩踏主體120及至少一踏板116。具體而言，所述至少一踏板116的數量為二個，二踏板116連接踩踏主體120並分別沿軸心140的垂直方向的二端延伸，且二踏板116可選擇自卡鞋式踏板(或稱作自鎖式踏板)以為示例。踩踏主體120本質上為管狀(即是形成於其內的容置空間115本質上為柱狀、圓柱狀或管狀)。內表面111包含主體內表面112，主體內表面112位於踩踏主體120的內面上，軸心140包含主體部142，主體部142對應位於主體內表面112之內。發電機104的定子150設置在軸心140的主體部142上，轉子160設置在內表面111的主體內表面112上。藉此，發電機104有利於利用自供電裝置100的固有轉動特性來節省功耗及獲取更大功率，同時既不增加總體積也不改變自供電裝置100的外形。
自供電裝置100可更包含至少一傳感器178(例如八個傳感器178或四個傳感器組)，其由儲能元件179供電。軸心140包含主體部142及根基部143，主體部142較根基部143設置接近踩踏單元110的二踏板116。當自行車包含作為其功率踏板裝置的自供電裝置100時，主體部142位於二個軸承172之間，根基部143鄰近自行車的曲柄臂，且儲能元件179及傳感器178鄰近根基部143。藉此，自供電裝置100的零件配置及電路佈局有利於有效發電且不影響原有的踩踏性能。
第1F圖繪示第一實施例的自供電裝置100的發電機104的立體圖，第1G圖繪示第1D圖中第一實施例的自供電裝置100的發電機104參數的示意圖。請參照第1F圖及第1G圖，發電機104的定子150可包含複數定子齒157及複數定子線圈158，複數定子線圈158分別纏繞在複數定子齒157上。發電機104的轉子160可包含轉子軛(即固定環)167及複數轉子磁體168，轉子磁體168沿筒狀的轉子軛167的軛內表面166依次附接或貼附其上，各定子齒157的弧長a5小於或等於(第1G圖所示的第一實施例的具體情況為小於)各轉子磁體168的弧長a6。藉此，發電機104可因磁場的變化而有效地感應產生電能。詳細而言，由於轉子160相對於定子150轉動時，來自各轉子磁體168的磁場不會被中斷，因此設置在有限體積內的微型發電機104可以獲得更多的激磁，從而直接增加總發電功率。
在本揭示內容的第一實施例中，定子齒157的數量可介於3個至12個的範圍內(包含3個及12個，本揭示內容相關敘述皆包含範圍端點)或4個至8個的範圍內，轉子磁體168的數量可介於2個至16個的範圍內或6個至10個的範圍內。發電機104的外徑d4可介於10 mm至30 mm的範圍內或介於17 mm至23 mm的範圍內，發電機104的厚度t4可介於20 mm至60 mm的範圍內或介於28 mm至36 mm的範圍內。定子150及轉子160之間的空氣間隙g4可介於0.10 mm至0.30 mm的範圍內或介於0.12 mm至0.18 mm的範圍內，各定子線圈158的匝數(繞組數)可介於250匝至500匝的範圍內或介於330匝至360匝的範圍內。藉此，本揭示內容所要克服的關鍵問題之一是要克服在有限空間內設計出合適的發電機104以產生足夠的電功率來為儲能元件179充電的困難，而微型發電機104所產生的功率通常與發電機104本身的尺寸或體積成比例。發電機104的各種參數，例如極對數、繞組匝數、厚度、長度等應經過適當設計，以優化並實現足夠的感應電壓準位以成功充電，從而避免或防止發電機104因發電功率不足而變成消耗功率的功率消耗負載。
具體而言，請參照第1F圖及第1G圖，形成交流三相結構的發電機104設置在對應軸心140的主體部142的踩踏主體120上，並包含6個槽及8個極作為示例。定子150具有6個齒，轉子160具有8個極，各定子線圈158的匝數為345匝。各轉子磁體168的磁體材料為銣鐵硼(NdFeB)且其磁性等級為N42，亦可使用具有合適磁性等級的其他磁體材料。一般而言，磁體材料的磁性等級對應的磁場強度越強，發電機104的發電效率就越高。各定子齒157的弧長為a5，各轉子磁體168的弧長為a6，發電機104的外徑為d4，發電機104的厚度為t4，各轉子磁體168的厚度為t6，定子150及轉子160之間的空氣間隙(的長度)為g4，各定子齒157的(根部)寬度為w5，定子150的外半徑為r5，定子150的內半徑(即軸心140的主體部142的半徑)為r7，第一實施例中第1F圖及第1G圖所示的前述參數的數值列於以下表1。
表1
a5 (mm) 5.15 g4 (mm) 0.15
a6 (mm) 6.15 w5 (mm) 2.10
d4 (mm) 20.00 r5 (mm) 7.75
t4 (mm) 32.00 r7 (mm) 3.50
t6 (mm) 0.80    
第1H圖繪示第一實施例的自供電裝置100的方塊圖，請參照第1B圖、第1C圖、第1E圖及第1H圖，自供電裝置100可更包含至少一電路板(具體上為電路板175、176)，其設置於根基部143的周圍。電路板175、176電性耦接以支持(或承載)用於儲能元件179的整流電路106、直流轉換電路107以及支持用於傳感器178的供電電路108。儲能元件179設置在由根基部143的軸心內表面146環繞的軸心容置空間內，也可以說軸心140的根基部143包含軸心容置空間而形成其內的軸心內表面146。由於發電功率可用於對儲能元件179進行充電，有利於避免頻繁取出功率踏板裝置的電池進行充電，從而改善其電源使用時間及電池充電便利性。具體而言，整流電路106包含整流器(Rectifier)或穩壓器(Regulator)以整流或穩壓由三相交流發電機104產生的感應反電動勢電壓。包含DC-DC轉換器的直流轉換電路107用於將整流後的電壓降壓或升壓為具有適當電壓準位的直流轉換電壓，接著，利用儲能元件179及其電池管理系統(BMS)來儲存及管理儲能元件179的儲存容量，以為傳感器178供電。另外，圖式中省略了發電機104、電路板175、176、儲能元件179及傳感器178之間電性連接的導線。亦可存在一外部充電介面(例如USB連接埠)，其電性耦接儲能元件179，以由外部對儲能元件179進行充電，而作為一充電選項。
第一實施例中，電路板175、176及傳感器178皆鄰近根基部143，且被不與踩踏單元110連接的軸心殼174包圍，軸心殼174可固定在根基部143周圍且不隨著踩踏單元110轉動。作為示例但不以此為限，電路板175為印刷電路板，電路板175的數量為四個，四個電路板175規則地且對稱地配置在軸心140的根基部143周圍。電路板176為環形軟性印刷電路板(FPCB、Flexible PCB或Flexible Printed Circuit)以環繞並附接在根基部143上，且電路板176的數量為一個。在本揭示內容的其他實施例中，至少一個印刷電路板及至少一個軟性印刷電路板可連接在一起以形成一環形電路載體而環繞軸心的根基部。
各傳感器178可為應變規，以量測騎行者於踩踏時的騎行功率。作為示例但不以此為限，傳感器178的數量為至少二個且具體上為八個，傳感器178中各二個形成一個傳感器組，如第1B圖及第1C圖所示，從而傳感器組的數量為四個。電路板175的數量為至少二個且具體上為四個，四個傳感器組及四個電路板175交替地且對稱地配置環繞於軸心140的根基部143，如第1E圖所示。藉此，當自供電裝置100包含發電機104時，仍可有利於自供電裝置100平穩地轉動。
第1I圖繪示第一實施例的自供電裝置100的發電機104輸出的發電功率對應不同踏頻速率的示意圖，第1J圖繪示第一實施例的自供電裝置100的整流電路106輸出的整流電壓對應不同踏頻速率的示意圖。請參照第1H圖至第1J圖，轉子160的適當踏頻速率可介於60 rpm至120 rpm的範圍內，且踏頻速率小於或等於60 rpm大致對應於暫態(Transient)的狀態，發電機104輸出的發電功率可大致介於3.4 mW至34.5 mW的範圍內或介於3.4 mW至23.1 mW的範圍內。詳細而言，當轉子160的踏頻速率介於60 rpm至80 rpm的範圍內時，發電機104輸出的發電功率可介於3.4 mW至8.1 mW的範圍內；當轉子160的踏頻速率介於80 rpm至100 rpm的範圍內時，發電機104輸出的發電功率可介於8.1 mW至14.7 mW的範圍內；當轉子160的踏頻速率介於100 rpm至120 rpm的範圍內時，發電機104輸出的發電功率可介於14.7 mW至23.1 mW的範圍內。整流電路106可配置於發電機104及儲能元件179之間，整流電路106輸出的整流電壓可介於0.5 VDC至9 VDC的範圍內、介於0.9 VDC至2.8 VDC的範圍內或介於1.01 VDC至2.6 VDC的範圍內，取決於為發電機104設計的各個參數。直流轉換電路107輸出的直流轉換電壓可介於4.15 VDC至4.2 VDC的範圍內。藉此，在自供電裝置100的有限空間內設計的發電機104有利於產生足夠的功率及適當的電壓以有效地為儲能元件179充電，進而為設置在其中的傳感器178供電。
第一實施例中，暫態的、70、80、90、100、110及120(rpm)的踏頻速率與發電機104輸出的發電功率之間的關係可如第1I圖所示，第1I圖中分別對應踏頻速率的所有曲線的平均發電功率如以下表2所示，其中所示的平均發電功率是從穩態的400 ms至500 ms的數值計算得出，第1I圖及表2顯示踏頻速率為70 rpm時的具體發電功率約為5.5 mW。暫態的、70、80、90、100、110及120(rpm)的踏頻速率與整流電路106輸出的整流電壓之間的關係可如第1J圖所示，第1J圖中分別對應踏頻速率的所有曲線的平均整流電壓如以下表3所示，其中所示的平均整流電壓是從穩態的400 ms至500 ms的數值計算得出。一般而言，踏頻速率越高，發電機104的發電效率就越高。然而，使用者或騎行者的踏頻速率總有極限。本揭示內容的發電機104不需要增減速調整機構，唯須經過適當設計其各種參數以達成足夠的感應電壓準位，進而產生足夠的充電功率。在發電機104所產生的感應反電動勢經整流電路106整流，且經直流轉換電路107升壓及穩壓後，具有適當電壓準位的直流轉換電壓可由直流轉換電路107輸出並輸入儲能元件179，從而為儲能元件179充電。
當轉子160的踏頻速率介於60 rpm至120 rpm的範圍內時，踏頻速率每增加10 rpm，則發電機104輸出的發電功率可增加至少20%。作為示例但不以此為限，當踏頻速率由70 rpm增加至80 rpm，即是踏頻速率由70 rpm增加10 rpm，則發電機104輸出的發電功率可增加47.27%。詳細而言，如表2所示，當踏頻速率為70 rpm時的發電功率為5.5 mW，當踏頻速率為80 rpm時的發電功率為8.1 mW，因此，當踏頻速率由70 rpm增加10 rpm(依據80 rpm減去70 rpm計算得出)，發電機104輸出的發電功率增加了47.27%(依據(8.1-5.5)/5.5*100%計算得出)。
表2
踏頻 (rpm) 暫態 70 80 90 100 110 120
平均功率 (W) 0.0034 0.0055 0.0081 0.0111 0.0147 0.0187 0.0231
表3
踏頻 (rpm) 暫態 70 80 90 100 110 120
平均電壓 (V) 1.0166 1.2878 1.5597 1.8297 2.1052 2.3738 2.6397
自供電裝置100可不包含增速機構及減速機構。也就是說，在本揭示內容的自供電裝置100的有限空間內，無需配置增速或減速機構，例如太陽齒輪、複數行星齒輪等。藉此，有利於維持自供電裝置100的重量、小型化體積以及節省成本。
第2A圖繪示本揭示內容第二實施例的自供電裝置200的立體圖，第2B圖繪示第2A圖中第二實施例的自供電裝置200的爆炸圖，第2C圖繪示第2A圖中第二實施例的自供電裝置200的縱向剖面圖。請參照第2A圖至第2C圖，自供電裝置200為用於騎行的裝置，例如自行車或室內健身車的功率踏板裝置，尤指一種可以在踩踏及轉動時發電的裝置，也就是說，自供電裝置200為用於騎行的踩踏及轉動裝置。自供電裝置200包含踩踏單元210、軸心240、發電機204及儲能元件279。踩踏單元210包含內表面211以在其內形成及環繞容置空間215，亦可說是踩踏單元210包含容置空間215而形成其內的內表面211。踩踏單元210的開口可由端蓋271封閉，軸心240容置於容置空間215中。
第2D圖繪示第2C圖中沿剖面線2D-2D的剖面圖，第2E圖繪示第2C圖中沿剖面線2E-2E的剖面圖。請參照第2B圖至第2E圖，發電機204至少包含定子250及轉子260，其中定子250設置在軸心240上，轉子260設置在踩踏單元210的主體內表面212上，轉子260對應地環繞定子250且不接觸定子250，其中主體內表面212為內表面211的一部分且用以承接及裝設轉子260。儲能元件279電性耦接發電機204。當踩踏單元210通過騎行者踩踏而轉動時，定子250固定在軸心240上，轉子260隨著踩踏單元210相對於定子250轉動，發電機204產生發電功率以對儲能元件279充電。
詳細而言，踩踏單元210更包含踩踏主體220及二踏板216，其連接踩踏主體220並分別沿軸心240的垂直方向的二端延伸，且選取二踏板216形成平板式踏板作為示例。踩踏主體220本質上為管狀。內表面211包含主體內表面212，主體內表面212位於踩踏主體220的內面上，軸心240包含主體部242，主體部242對應位於主體內表面212之內。發電機204的定子250設置在軸心240的主體部242上，轉子260設置在踩踏單元210的主體內表面212上。
作為示例但不以此為限，自供電裝置200更包含八個傳感器278，各傳感器278為應變規且由儲能元件279供電。軸心240包含主體部242及根基部243，主體部242較根基部243設置接近踩踏單元210的二踏板216。當自行車包含自供電裝置200作為其功率踏板裝置時，主體部242位於二個軸承272之間，根基部243鄰近自行車的曲柄臂，且儲能元件279及傳感器278鄰近根基部243。
請參照第2B圖及第2D圖，發電機204的定子250包含6個定子齒257及6個定子線圈258，6個定子線圈258分別纏繞在6個定子齒257上。發電機204的轉子260包含轉子軛267及8個轉子磁體268，8個轉子磁體268沿筒狀的轉子軛267的軛內表面266依次附接或貼附其上，各定子齒257的弧長小於各轉子磁體268的弧長，並如第2D圖所示。
具體而言，形成交流三相結構的發電機204設置在對應軸心240的主體部242的踩踏主體220上，並包含6個槽及8個極。定子250具有6個齒，轉子260具有8個極。
作為示例但不以此為限，請參照第2B圖、第2C圖及第2E圖，自供電裝置200更包含四個電路板275及一個電路板276，皆設置於根基部243的周圍。各電路板275為印刷電路板，四個電路板275規則地且對稱地配置在軸心240的根基部243周圍。電路板276為環形軟性印刷電路板以環繞並附接在根基部243上。電路板275、276及傳感器278皆鄰近根基部243，且被不與踩踏單元210連接的軸心殼274包圍。傳感器278的數量為至少二個且具體上為八個，傳感器278中各二個形成一個傳感器組，如第2B圖及第2C圖所示，從而傳感器組的數量為四個。電路板275的數量為至少二個且具體上為四個，四個傳感器組及四個電路板275交替地且對稱地配置環繞於軸心240的根基部243，如第2E圖所示。儲能元件279設置在由根基部243的軸心內表面246環繞的軸心容置空間內，電路板275、276電性耦接以支持用於儲能元件279的整流電路、直流轉換電路以及支持用於傳感器278的供電電路。圖式中省略了發電機204、電路板275、276、儲能元件279及傳感器278之間電性連接的導線。再者，自供電裝置200不包含增速機構及減速機構。
關於第二實施例的自供電裝置200，可參照前述第一實施例的自供電裝置100的細節及參數數值，在此不再贅述。
第3A圖繪示本揭示內容第三實施例的自供電裝置300的立體圖，第3B圖繪示第3A圖中第三實施例的自供電裝置300的爆炸圖，第3C圖繪示第3A圖中第三實施例的自供電裝置300的縱向剖面圖。請參照第3A圖至第3C圖，自供電裝置300為用於騎行的裝置，例如自行車或室內健身車的功率踏板裝置，尤指一種可以在踩踏及轉動時發電的裝置，也就是說，自供電裝置300為用於騎行的踩踏及轉動裝置。自供電裝置300包含踩踏單元310、軸心340、發電機304及儲能元件379。踩踏單元310包含內表面311以在其內形成及環繞容置空間315，亦可說是踩踏單元310包含容置空間315而形成其內的內表面311。踩踏單元310的開口可由端蓋371封閉，軸心340容置於容置空間315中。
第3D圖繪示第3C圖中沿剖面線3D-3D的剖面圖，請參照第3B圖至第3D圖，發電機304至少包含定子350及轉子360，其中定子350設置在軸心340上，轉子360設置在踩踏單元310的根基內表面313(即內表面311的一部分且用以承接及裝設轉子360)上，轉子360對應地環繞定子350且不接觸定子350。儲能元件379電性耦接發電機304。當踩踏單元310通過騎行者踩踏而轉動時，定子350固定在軸心340上，轉子360隨著踩踏單元310相對於定子350轉動，發電機304產生發電功率以對儲能元件379充電。
詳細而言，踩踏單元310更包含踩踏主體320、二踏板316及踩踏基殼330，二踏板316連接踩踏主體320並分別沿軸心340的垂直方向的二端延伸，且選取二踏板316形成平板式踏板作為示例。踩踏基殼330連接踩踏主體320，踩踏基殼330及踩踏主體320本質上為管狀，踩踏基殼330為與踩踏主體320連接的延伸殼蓋，並可通過二軸承372與踩踏主體320一起轉動。當自行車包含自供電裝置300作為其功率踏板裝置時，踩踏基殼330比踩踏主體320更接近自行車的曲柄臂。踩踏單元310的內表面311包含主體內表面312及根基內表面313，主體內表面312位於踩踏主體320的內面上，根基內表面313位於踩踏基殼330的內面上。軸心340包含主體部342，主體部342對應位於主體內表面312之內，軸心340更包含根基部343，根基部343對應位於根基內表面313之內。定子350設置在軸心340的根基部343上，轉子360設置在根基內表面313上。主體部342較根基部343接近踩踏單元310的二踏板316。當自行車包含作為其功率踏板裝置的自供電裝置300時，主體部342位於二個軸承372之間，根基部343鄰近自行車的曲柄臂。藉此，發電機304有利於利用自供電裝置300的固有轉動特性來節省功耗及獲取更大功率，同時既不增加總體積也不改變自供電裝置300的外形。
自供電裝置300可更包含複數傳感器(圖未揭示)，各傳感器為應變規且由儲能元件379供電，儲能元件379及傳感器可鄰近根基部343並被踩踏基殼330包覆。
第3E圖繪示第三實施例的自供電裝置300的發電機304的立體圖，第3F圖繪示第3E圖中第三實施例的自供電裝置300的發電機304的側視圖，第3G圖繪示第3E圖中第三實施例的自供電裝置300的發電機304參數的示意圖。請參照第3E圖至第3G圖，發電機304的定子350包含12個定子齒357及12個定子線圈358，12個定子線圈358分別纏繞在12個定子齒357上。發電機304的轉子360包含轉子軛367及14個轉子磁體368，14個轉子磁體368沿筒狀的轉子軛367的軛內表面366依次附接或貼附其上，各定子齒357的弧長a5小於各轉子磁體368的弧長a6，並如第3G圖所示。
定子齒357的數量可介於3個至18個的範圍內或介於10個至14個的範圍內，轉子磁體368的數量可介於2個至22個的範圍內或介於12個至16個的範圍內。發電機304的外徑d4可介於20 mm至40 mm的範圍內或介於27 mm至33 mm的範圍內，發電機304的厚度t4可介於5 mm至20 mm的範圍內或介於9 mm至13 mm的範圍內。定子350及轉子360之間的空氣間隙g4可介於0.10 mm至0.30 mm的範圍內或介於0.12 mm至0.18 mm的範圍內，各定子線圈358的匝數可介於150匝至400匝的範圍內或介於260匝至290匝的範圍內。藉此，本揭示內容所要克服的關鍵問題之一是要克服在有限空間內設計出合適的發電機304以產生足夠的電功率來為儲能元件379充電的困難，而微型發電機304所產生的功率通常與發電機304本身的尺寸或體積成比例。
作為示例但不以此為限，形成交流三相結構的發電機304設置在對應軸心340的根基部343的踩踏基殼330上，並包含12個槽及14個極。定子350具有12個齒，轉子360具有14個極，各定子線圈358的匝數為275匝。各轉子磁體368的磁體材料為銣鐵硼(NdFeB)且其磁性等級為N42。各定子齒357的弧長為a5，各轉子磁體368的弧長為a6，發電機304的外徑為d4，發電機304的厚度為t4，各轉子磁體368的厚度為t6，定子350及轉子360之間的空氣間隙(的長度)為g4，各定子齒357的(根部)寬度為w5，定子350的外半徑為r5，定子350的內半徑為r7，第三實施例中第3F圖及第3G圖所示的前述參數的數值列於以下表4。
表4
a5 (mm) 5.34 g4 (mm) 0.15
a6 (mm) 5.82 w5 (mm) 2.50
d4 (mm) 30.00 r5 (mm) 12.50
t4 (mm) 11.00 r7 (mm) 6.50
t6 (mm) 1.00    
請參照第3B圖及第3C圖，自供電裝置300更包含電路板375，其設置於根基部343的周圍。電路板375為環繞根基部343的環形印刷電路板，電路板375的表面的法線方向平行根基部343，即是電路板375的所述表面垂直根基部343。儲能元件379設置在由根基部343的軸心內表面346環繞的軸心容置空間內。電路板375支持用於儲能元件379的整流電路、直流轉換電路以及支持用於傳感器的供電電路。圖式中省略了發電機304、電路板375、儲能元件379及傳感器之間電性連接的導線。再者，自供電裝置300不包含增速機構及減速機構。此外，自供電裝置300可更包含另一電路板，其為軟性印刷電路板用以設置傳感器或為印刷電路板，且電路板375與所述另一電路板電性耦接。
第3H圖繪示第三實施例的自供電裝置300的發電機304輸出的發電功率對應不同踏頻速率的示意圖，第3I圖繪示第三實施例的自供電裝置300的整流電路輸出的整流電壓對應不同踏頻速率的示意圖，且第1H圖所示的第一實施例的自供電裝置100的方塊圖可用於第三實施例的自供電裝置300參照。請參照第3H圖及第3I圖，轉子360的適當踏頻速率可介於60 rpm(即踏頻速率約為暫態)至120 rpm的範圍內，發電機304輸出的發電功率可大致介於3.4 mW至34.5 mW的範圍內或介於5 mW至34.5 mW的範圍內。詳細而言，當轉子360的踏頻速率介於60 rpm至80 rpm的範圍內時，發電機304輸出的發電功率可介於5 mW至11.8 mW的範圍內；當轉子360的踏頻速率介於80 rpm至100 rpm的範圍內時，發電機304輸出的發電功率可介於11.8 mW至21.7 mW的範圍內；當轉子360的踏頻速率介於100 rpm至120 rpm的範圍內時，發電機304輸出的發電功率可介於21.7 mW至34.5 mW的範圍內。整流電路可配置於發電機304及儲能元件379之間，整流電路輸出的整流電壓可介於0.5 VDC至9 VDC的範圍內或介於1.01 VDC至2.6 VDC的範圍內，取決於為發電機304設計的各個參數。直流轉換電路輸出的直流轉換電壓可介於4.15 VDC至4.2 VDC的範圍內。藉此，在自供電裝置300的有限空間內設計的發電機304有利於產生足夠的功率及適當的電壓以有效地為儲能元件379充電，進而為設置在其中的傳感器供電。此外，亦可存在一外部充電介面(例如USB連接埠)，其電性耦接儲能元件379，以由外部對儲能元件379進行充電，而作為一充電選項。
第三實施例中，暫態的、70、80、90、100、110及120(rpm)的踏頻速率與發電機304輸出的發電功率之間的關係可如第3H圖所示，第3H圖中分別對應踏頻速率的所有曲線的平均發電功率如以下表5所示，其中所示的平均發電功率是從穩態的300 ms至400 ms的數值計算得出，第3H圖及表5顯示踏頻速率為70 rpm時的具體發電功率約為8.0 mW。暫態的、70、80、90、100、110及120(rpm)的踏頻速率與整流電路輸出的整流電壓之間的關係可如第3I圖所示，第3I圖中分別對應踏頻速率的所有曲線的平均整流電壓如以下表6所示，其中所示的平均整流電壓是從穩態的300 ms至400 ms的數值計算得出。本揭示內容的發電機304不需要增減速調整機構，唯須經過適當設計其各種參數以達成足夠的感應電壓準位，進而產生足夠的充電功率。在發電機304所產生的感應反電動勢經整流電路整流，且經直流轉換電路升壓及穩壓後，具有適當電壓準位的直流轉換電壓可由直流轉換電路輸出並輸入儲能元件379，從而為儲能元件379充電。
當轉子360的踏頻速率介於60 rpm至120 rpm的範圍內時，踏頻速率每增加10 rpm，則發電機304輸出的發電功率可增加至少20%。作為示例但不以此為限，當踏頻速率由80 rpm增加至90 rpm，即是踏頻速率由80 rpm增加10 rpm，則發電機304輸出的發電功率可增加38.98%。詳細而言，如表5所示，當踏頻速率為80 rpm時的發電功率為11.8 mW，當踏頻速率為90 rpm時的發電功率為16.4 mW，因此，當踏頻速率由80 rpm增加10 rpm(依據90 rpm減去80 rpm計算得出)，發電機304輸出的發電功率增加了38.98%(依據(16.4-11.8)/11.8*100%計算得出)。
表5
踏頻 (rpm) 暫態 70 80 90 100 110 120
平均功率 (W) 0.0050 0.0080 0.0118 0.0164 0.0217 0.0277 0.0345
表6
踏頻 (rpm) 暫態 70 80 90 100 110 120
平均電壓 (V) 1.0563 1.3411 1.6319 1.9203 2.2081 2.4970 2.7857
第4圖繪示本揭示內容第四實施例的自行車40的示意圖，請參照第4圖，自行車40包含本揭示內容第三實施例的自供電裝置300，其中自供電裝置300為自行車40的功率踏板裝置。藉此，本揭示內容的可主動供應電源的自行車40的自供電裝置300包含用於能量收集的發電機304，從而有利於延長自供電裝置300的使用時間。
第5圖繪示本揭示內容第五實施例的室內健身車50的示意圖，請參照第5圖，室內健身車50包含本揭示內容第一實施例的自供電裝置100，其中自供電裝置100為室內健身車50的功率踏板裝置。藉此，本揭示內容的可主動供應電源的室內健身車50的自供電裝置100包含用於能量收集的發電機104，從而有利於延長自供電裝置100的使用時間。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
40:自行車 50:室內健身車 100,200,300:自供電裝置 104,204,304:發電機 106:整流電路 107:直流轉換電路 108:供電電路 110,210,310:踩踏單元 111,211,311:內表面 112,212,312:主體內表面 115,215,315:容置空間 116,216,316:踏板 120,220,320:踩踏主體 140,240,340:軸心 142,242,342:主體部 143,243,343:根基部 146,246,346:軸心內表面 150,250,350:定子 157,257,357:定子齒 158,258,358:定子線圈 160,260,360:轉子 166,266,366:軛內表面 167,267,367:轉子軛 168,268,368:轉子磁體 171,271,371:端蓋 172,272,372:軸承 174,274:軸心殼 175,176,275,276,375:電路板 178,278:傳感器 179,279,379:儲能元件 313:根基內表面 330:踩踏基殼 a5:各定子齒的弧長 a6:各轉子磁體的弧長 d4:發電機的外徑 t4:發電機的厚度 t6:各轉子磁體的厚度 g4:定子及轉子之間的空氣間隙 w5:各定子齒的寬度 r5:定子的外半徑 r7:定子的內半徑
第1A圖繪示本揭示內容第一實施例的自供電裝置的立體圖； 第1B圖繪示第1A圖中第一實施例的自供電裝置的爆炸圖； 第1C圖繪示第1A圖中第一實施例的自供電裝置的縱向剖面圖； 第1D圖繪示第1C圖中沿剖面線1D-1D的剖面圖； 第1E圖繪示第1C圖中沿剖面線1E-1E的剖面圖； 第1F圖繪示第一實施例的自供電裝置的發電機的立體圖； 第1G圖繪示第1D圖中第一實施例的自供電裝置的發電機參數的示意圖； 第1H圖繪示第一實施例的自供電裝置的方塊圖； 第1I圖繪示第一實施例的自供電裝置的發電機輸出的發電功率對應不同踏頻速率的示意圖； 第1J圖繪示第一實施例的自供電裝置的整流電路輸出的整流電壓對應不同踏頻速率的示意圖； 第2A圖繪示本揭示內容第二實施例的自供電裝置的立體圖； 第2B圖繪示第2A圖中第二實施例的自供電裝置的爆炸圖； 第2C圖繪示第2A圖中第二實施例的自供電裝置的縱向剖面圖； 第2D圖繪示第2C圖中沿剖面線2D-2D的剖面圖； 第2E圖繪示第2C圖中沿剖面線2E-2E的剖面圖； 第3A圖繪示本揭示內容第三實施例的自供電裝置的立體圖； 第3B圖繪示第3A圖中第三實施例的自供電裝置的爆炸圖； 第3C圖繪示第3A圖中第三實施例的自供電裝置的縱向剖面圖； 第3D圖繪示第3C圖中沿剖面線3D-3D的剖面圖； 第3E圖繪示第三實施例的自供電裝置的發電機的立體圖； 第3F圖繪示第3E圖中第三實施例的自供電裝置的發電機的側視圖； 第3G圖繪示第3E圖中第三實施例的自供電裝置的發電機參數的示意圖； 第3H圖繪示第三實施例的自供電裝置的發電機輸出的發電功率對應不同踏頻速率的示意圖； 第3I圖繪示第三實施例的自供電裝置的整流電路輸出的整流電壓對應不同踏頻速率的示意圖； 第4圖繪示本揭示內容第四實施例的自行車的示意圖；以及 第5圖繪示本揭示內容第五實施例的室內健身車的示意圖。
100:自供電裝置
104:發電機
110:踩踏單元
116:踏板
120:踩踏主體
140:軸心
142:主體部
143:根基部
146:軸心內表面
157:定子齒
158:定子線圈
167:轉子軛
168:轉子磁體
171:端蓋
172:軸承
174:軸心殼
175,176:電路板
178:傳感器
179:儲能元件

Claims (19)

  1. 一種自供電裝置，為用於騎行的一踩踏及轉動裝置，該自供電裝置包含： 一踩踏單元，包含一內表面以在其內形成一容置空間； 一軸心，容置於該容置空間中； 一發電機，包含一定子及一轉子，其中該定子設置在該軸心上，該轉子設置在該踩踏單元的該內表面上，該轉子對應地環繞該定子且不接觸該定子；以及 一儲能元件，電性耦接該發電機； 其中，當該踩踏單元通過一騎行者踩踏而轉動時，該定子固定在該軸心上，該轉子隨著該踩踏單元相對於該定子轉動，該發電機產生一發電功率以對該儲能元件充電。
  2. 如請求項1所述的自供電裝置，其中該定子包含複數定子齒及複數定子線圈，該些定子線圈分別纏繞在該些定子齒上； 其中，該轉子包含一轉子軛及複數轉子磁體，該些轉子磁體沿該轉子軛的一軛內表面依次附接其上，各該定子齒的弧長小於或等於各該轉子磁體的弧長。
  3. 如請求項2所述的自供電裝置，其中該踩踏單元更包含一踩踏主體及至少一踏板，該至少一踏板連接該踩踏主體並沿該軸心的一垂直方向延伸，該踩踏主體本質上為管狀，該內表面包含一主體內表面，該主體內表面位於該踩踏主體的內面上，該軸心包含一主體部，該主體部對應位於該主體內表面之內； 其中，該定子設置在該軸心的該主體部上，該轉子設置在該主體內表面上。
  4. 如請求項3所述的自供電裝置，其中該發電機的外徑介於10 mm至30 mm的範圍內，該發電機的厚度介於20 mm至60 mm的範圍內。
  5. 如請求項4所述的自供電裝置，其中該些定子齒的數量介於3個至12個的範圍內，該些轉子磁體的數量介於2個至16個的範圍內。
  6. 如請求項4所述的自供電裝置，其中該定子及該轉子之間的一空氣間隙介於0.10 mm至0.30 mm的範圍內，各該定子線圈的匝數介於250匝至500匝的範圍內。
  7. 如請求項2所述的自供電裝置，其中該踩踏單元更包含一踩踏主體、至少一踏板及一踩踏基殼，該至少一踏板連接該踩踏主體並沿該軸心的一垂直方向延伸，該踩踏基殼連接該踩踏主體，該踩踏基殼及該踩踏主體本質上為管狀，該內表面包含一根基內表面，該根基內表面位於該踩踏基殼的內面上，該軸心包含一根基部，該根基部對應位於該根基內表面之內； 其中，該定子設置在該軸心的該根基部上，該轉子設置在該根基內表面上。
  8. 如請求項7所述的自供電裝置，其中該發電機的外徑介於20 mm至40 mm的範圍內，該發電機的厚度介於5 mm至20 mm的範圍內。
  9. 如請求項8所述的自供電裝置，其中該些定子齒的數量介於3個至18個的範圍內，該些轉子磁體的數量介於2個至22個的範圍內。
  10. 如請求項8所述的自供電裝置，其中該定子及該轉子之間的一空氣間隙介於0.10 mm至0.30 mm的範圍內，各該定子線圈的匝數介於150匝至400匝的範圍內。
  11. 如請求項1所述的自供電裝置，其中當該轉子的一踏頻速率介於60 rpm至80 rpm的範圍內時，該發電機輸出的該發電功率介於3.4 mW至11.8 mW的範圍內； 其中，當該轉子的該踏頻速率介於80 rpm至100 rpm的範圍內時，該發電機輸出的該發電功率介於8.1 mW至21.7 mW的範圍內； 其中，當該轉子的該踏頻速率介於100 rpm至120 rpm的範圍內時，該發電機輸出的該發電功率介於14.7 mW至34.5 mW的範圍內； 其中，一整流電路配置於該發電機及該儲能元件之間，該整流電路輸出的一整流電壓介於0.5 VDC至9 VDC的範圍內。
  12. 如請求項1所述的自供電裝置，其中當該轉子的一踏頻速率介於60 rpm至120 rpm的範圍內時，該踏頻速率每增加10 rpm，則該發電機輸出的該發電功率增加至少20%。
  13. 如請求項1所述的自供電裝置，更包含： 至少一傳感器，由該儲能元件供電； 其中，該軸心包含一主體部及一根基部，該主體部較該根基部設置接近該踩踏單元的至少一踏板，該儲能元件及該至少一傳感器鄰近該根基部。
  14. 如請求項13所述的自供電裝置，更包含： 至少一電路板，設置於該根基部的周圍，其中該至少一電路板支持用於該儲能元件的一整流電路以及用於該傳感器的一供電電路，該根基部的一軸心內表面環繞該儲能元件。
  15. 如請求項14所述的自供電裝置，其中該至少一傳感器為一應變規，該至少一傳感器的數量為至少二個，該至少一電路板的數量為至少二個，該些傳感器及該些電路板交替地且對稱地配置環繞於該軸心的該根基部。
  16. 如請求項14所述的自供電裝置，其中該電路板為環繞該根基部的一環形印刷電路板，該電路板的一表面的法線方向平行該根基部。
  17. 如請求項1所述的自供電裝置，其中該自供電裝置不包含一增速機構及一減速機構。
  18. 一種自行車，包含： 如請求項1至17其中任一項所述的自供電裝置，其中該自供電裝置為該自行車的一功率踏板裝置。
  19. 一種室內健身車，包含： 如請求項1至17其中任一項所述的自供電裝置，其中該自供電裝置為該室內健身車的一功率踏板裝置。
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