TWI494506B - 可攜式發電機 - Google Patents

Description

可攜式發電機

本發明關於一種可攜式發電機。可攜式電源在可以使用的形式中需要具備輕巧、容易使用並產生足夠的電力的功能。在過去的二十多年，已經開發有許多的可攜式裝置，包括行動電話、智慧手機、筆記型電腦、GPS導航、mp3播放器、數位相機、以及攝錄影機。這些產品皆受限於其電池壽命，而因此會因為可攜式電源而受惠。

目前所存在的裝置為大尺寸的發電機，使得可攜式或是口袋式的尺寸被排除在外。這類裝置較為昂貴，而某些具有直流低電壓介面卻也具有許多的問題。他們必須與許多的機構介面與電力介面直接介接，例如各種類型的插頭。如果在電力不足的情況下，他們可以緩慢地充電，但是這樣會延長充電的時間。某些具有交流介面。這只能夠用較為昂貴的電子設備及/或較大且笨重的構件來完成，例如變壓器或較大的發電機且具有較低的轉換效率。

「微型發電機(mini dynamos)」係憑藉著其本身體積小、低電力與低電壓的優點而輸出電力。今日所存在的裝置已使用微型發電機以產生直流低電壓以直接且緩慢地對手電筒與行動電話的電池充電。如上所述，以直流低電壓作為直流介面的好處是允許電力不足的電源緩慢地充電。這樣會有二個缺點(1)電力不足的發電機會延長充電所需的曲柄啟動時間(cranking time)，以及(2)直流低電壓介面必須支援許多直流介面。這會將這些裝置的實用性限制成一個專用的應用程式，或限制成對於各個介面具有附件之有限數量的應用程式。相較之下，本發明為了所有的應用程式，使用一個或多個發電機並克服轉換低功率交流電源以驅動充電器時所涉及的困難。

以下為申請案已知的先前技術：美國專利號第6,522,040揭露一種用以將人力輸入轉換成發電機旋轉的機制，包括有多個齒輪用以加快旋轉速度。從該案的第11圖可知，該案明顯產生直流低電壓，因為其輸出係直接連接於行動電話耦接部。

由Vasilovich等人所發明的美國公告第US 2005/0200221 A1號專利案揭露一種將人力轉換為電力之裝置。該案係揭露110伏特之交流電的產生以及110-120交流/直流轉換器輸出。然而，該案在第[0069]段具體地描述了轉換器27將直流電力轉換成交流電力。

美國專利中Vanderkolk所著之第6,788,504號揭露將直流電力轉換為單相交流以及如其第2圖所示之典型的家用插座。該案教示110伏特之交流電的輸出。

美國專利中Takakura所著之第5,949,215號揭露經由旋轉握柄而操作的小尺寸電池充電器，但該案沒有教示或建議產生較高的直流電壓。

美國專利中Hartman等人所著之第6,930,403號揭露一種行動電力電源，包括被旋轉而產生電力的曲柄組件。該案並未教示或建議如何產生較高的直流電壓。

美國專利中Yvetter所著之第7,129,592號係為另一個例子，其係教示人力轉換為電力電源的多個實施例。該案教示直流電壓或交流電力的產生。而交流電力可為單相或三相(第4列，從第62行開始)。

其他可攜式電源係揭露於美國專利中Terbrack等人所著之第4,412,355號、Sarich所著之第6,281,594號、Hobbs所著之第6,963,186號、Horiuchi所著之第7,292,006號、Biamonte所著之第7,327,046號、Hobbs所著之第7,411,371號以及公告號中Noguchi等人所著之US2007/0285053 A1，還有Bulthaup等人所著之US 2008/0157536 A1。

本發明與先前技術所列舉及上述討論的不同之處係在於提供可攜式、小型的、高效率而且符合成本效益的電源，此電源係由單一或多個人力發電機所構成，提供120至240伏特的直流電壓輸出，且包含家用的電源插座，使得可攜式裝置所使用之典型的充電器可容易插入及使用。

本發明係關於一種可攜式發電機。本發明藉由使用直流高電壓、在標準的交流電壓以及使用標準的交流連接器，以新穎的方式解決先前技術的問題。因此，因為交換式充電器立即對120至240伏特單相交流輸出進行整流，所以用120至240伏特直流電源驅動這些充電器係可被接受的。這允許使用更有效率的直流對直流轉換器。使用了二個電力與二個機械的方法。高頻轉換成交流以及升壓變壓器是方法之一，第二個方法則是在升壓電路中使用電感器。一步驟變壓器係一方法且一第二方法係使用一感應器在升壓電路。就機械方法而言，本發明係使用手柄與腳踏板的動力機構。

已發展有二個實施例。首先，一個10瓦特發電機的手柄模型可驅動除了筆記型電腦以外的所有可攜式裝置的充電器。第二，二個發電機模型可驅動小型的20瓦特的筆記型電腦。機械介面必須是容易使用，並且操作舒適。使用二種方法。對於較小的裝置，手柄係接附於發電機。手柄握把(旋鈕)係折疊以方便操作而無需妥協於小尺寸。對於第二模型而言，二個腳踏板以類似於三輪車的方式驅動一內軸。第二模型允許操作者在坐著、雙手閒置時驅動更多電力並使用裝置。第二模型之一個創新的特徵在於在腳部合併二個發電機，該腳部支撐連接於腳踏板之轉軸。

因此，本發明的第一目的是提供可攜式發電機。

本發明的另一目的是提供一種裝置，係將人力轉換為電壓範圍介於120-240伏特之間之直流電力。

本發明的進一步目的是提供一種裝置，係在其中併入標準的家用電源插座，使得低功率直流裝置之典型的120伏特交流雙腳插頭或240伏特交流雙腳插頭的充電器可以容易地插接於本發明。

本發明的進一步目的是提供一種藉由轉動手柄或藉由在雙手空閒的情況下踩踏腳踏板提供電力的裝置。

從以下本發明的較佳實施例的詳細描述並且與附呈圖式一併閱讀得以比較容易了解本發明的這些與其他特徵。

首先參閱第1圖至第3圖。其中，本發明的第一實施例係大致以元件符號10標示且包括殼體11與致動器13。殼體11具有內部腔室15(第3圖)，包含有複數個齒輪19、21以及23之傳動裝置17係位於該內部腔室15中。較佳地，齒輪比率係設定成讓曲柄13一秒鐘轉動兩次，造成傳動裝置17的輸出軸為每分鐘2800轉(rpm)。傳動裝置17係耦接至發電機系統22，其包括發電機以及如第10圖所示的電子電路。電子電路的輸出係耦接於插座(female receptacle)20之連接器24與26，該插座20在包含二連接埠的情況下具有一個典型的家用120或240伏特交流電插座。

如第3圖所示，殼體11包括半殼體12與14。致動器13包括藉由耦接機構29連接於平面曲柄臂27的握把25。耦接機構29係藉由將容置在曲柄臂27之開口33中之直徑相反的支柱31可樞轉地安裝於手柄上。耦接機構29具有支柱35，容置於握把25所形成之凹槽37中。如第1圖所示，當裝置10未使用時，曲柄臂27與握把25係位於圖面所示之位置。當想要轉動曲柄臂27以產生電力時，首先，曲柄臂27係隨著握把25而輕微地轉動到如第1圖所示的位置。之後，握把25以耦接部(coupling)29為中心旋轉，直到其呈現如第13圖與第16-17圖所示之位置，於是，握把25可被轉動以產生電力，如第17圖所示。進一步參考第3圖，曲柄臂27包括棘爪(detent)33，可進入耦接機構29的凹槽36、38中，以將握把可鬆開地鎖在二個交替方向中的其中一個。

請參閱第4圖至第9圖，本發明之第二實施例係元件符號40所標示者，並且包含殼體41以及含有延伸腳部43及腿部45、47、49及51之支撐點，該等腿部較佳地在地板的表面上支撐本裝置。

一對曲柄53與55包括有各自的腳踏板57與59，其係彼此形成180度之互補角度，而且較佳地可以藉由使用者的腳以轉動耦接於傳動裝置60(第8圖及第9圖)之曲柄53與55，從而將腳踏板移動轉換成較高的轉速，例如將每秒鐘1.5次旋轉的轉動轉換成在傳動裝置60的輸出處有2,800 rpm。傳動裝置60係耦接於二個發電機系統61與63，各對應於第3圖所示之發電機系統22。這些發電機系統之每一個包含發電機與第10圖所示之電子電路。電氣插座65(第4圖與第5圖)包括對應於典型的120或240伏特交流電的家用插座的開口之二個開口67與69。

現在，請參閱第11圖至第17圖，將說明第1圖至第3圖所示之的操作。第11圖顯示裝置10係位於使用者之手部1的手掌部。係將彈性帶12拉長以橫越殼體11以及握把25以將該彈性帶12與該殼體11固定於圖面所示之位置。如第12圖所示，移除彈性帶12，接著參閱第13圖，握把25係繞著耦接部29樞轉，因此，電器裝置之充電器之插座與變壓器4係插入插座20(第14圖)。之後，在這時候回復彈性帶12且環繞於充電器4與殼體11周圍(第15圖)。在這樣的情況下，在握住握把25的同時，轉動平滑曲柄臂27以操作裝置10。

參閱第10a圖至第10d圖，其係用以敘述電子電路。

參閱第10a圖，其係顯示直流對直流轉換電路示意圖。三相交流輸入電力係藉著橋式整流器D1與D6進行整流。電容器C1用以減少漣波(ripple)。二極體D3、電阻器R1、二極體D8、電容器C2與C1提供穩壓電源供應給CD40106Hex Schmidt轉換器晶片(inverter chip)。變壓器的一次側係設置成全橋式組構。MOSFET Q1與Q2係交替導通並且在一次側線圈之側接地以在交變方向(alternate direction)中產生交流電流。線圈的中心抽頭係連接於直流供應器之正極。MOSFET的閘極連接成多重穩態振盪器(multi stable vibrator)。振盪頻率係決定於電阻器R6、R4、與電容器C4以及電阻器R7、R5與電容器C5的RC時間常數。當轉換器之輸入1、3、5為高(high)時，輸出2、4、6為低(low)。輸入9、11、13將經由電阻器R4與R6進行高壓充電至高的狀態、轉換器接腳8、10、12會變為低並經由電阻器R5、R7與電容器C5開始對輸入1、3、5充電至高的過程。這將在自由運轉模式下繼續振盪。Schmidt觸發器確保明確的轉換與可靠的振盪操作。高頻操作允許更有效率的操作，並使變壓器的鐵損(core losses)減少。相對於50至60 Hz的變壓器，一個較小、較便宜的變壓器在體積與重量上較為有益。變壓器的二次側電壓係經由繞線比(winding ratio)而升壓(stepped up)，然後藉由整流器D7予以整流再藉由電容器C6進行濾波。如此，提供了效率提升至93%而電壓在110-120伏特之直流電壓輸出。當然，所屬技術領域中具有通常知識者可以知道將該電路簡易修改成提供240伏特之直流電壓輸出。

另一種方法，如第10b圖所示之電路示意圖係電感升壓電路(inductor boost circuit)。再一次的，將三相電路以橋式整流器D1和D2整流，並且以濾波器C1進行濾波。電阻器R1、二極體D3與電容器C2提供穩壓電源至555計時器晶片。電阻器R2、R3與電容器C3在555計時器晶片上設定操作頻率。當MOSFET Q2導通時，電流流經電感L1與MOSFET Q2。當MOSFET Q2斷開時，電感中之電流嘗試著繼續保持流動且MOFET Q2之接腳3之電壓係以電感中所儲存之電磁能量升壓。電壓將持續增加，直到超出兩個齊納二極體D4與D5所設定的電壓而增加到大約120伏特之直流電壓。當然，如所屬技術領域具通常知識者所了解地可簡易地修改電路以提供240伏特之直流電壓輸出。電流將流入MOSFET Q1的基極，將導通MOSFET並且下拉(pull down)555計時器的重置接腳(reset pin)以斷開555計時器，直到電壓低於校準點(regulation point)。在此情況下，升壓電路將調整至預設電壓。輸出係經由經由二極體D6進行整流，並經由電容器C4而進行濾波。取決於所使用之電感器的品質，此電路達到介於83%至93%之間的效率。

就二個馬達而言，除了在升壓電路中之整流器D1與D2以及第二版本之D1與D6之外，可以使用第三個橋式整流器。橋式整流器的六個輸入連接於二個發電機的三相輸出。在全橋式整流器整流之後，電力係結合在直流電力中，造成相同電壓產生有雙倍的電流與電力。

或者，二個發電機與電路皆保持獨立並且結合它們的輸出，其中一者之共用端(common)是連接於另一者之高壓端(high end)。這使得電壓加倍並保持相同電流。

二個以上的發電機可以相同的方式結合。相較於一個大型發電機與較大的單一電力電路，使用多個相同發電機在尺寸、功耗與成本上具有優點。

在使用二個發電機的情況下，第10c圖與第10d圖描述用以執行本發明之個別替換的電路圖。

參閱第10c圖，第二發電機輸入端J3連接於橋式整流器D2的接腳4以及橋式整流器D7的接腳2與接腳4。電力係藉由橋式整流器D7的接腳1與接腳3連接於橋式整流器D1與D2之接腳1與接腳3而結合。這將來自於二個發電機的電流結合並使用一個電路以將輸出升壓至120伏特或是穩定輸出電壓。這需要擴大電路的功率元件以處理額外的電流。在參閱第10c圖之情況下，複數個子系統係由發電機係與其相關電子電路之組合所構成並且並聯連接。

第二選擇係如第10d圖所示。在此選擇之下，該第二發電機J3係連接於二個橋式整流器D7與D8。此獨立分開之發電機之直流電源輸出使用的是與第一發電機J1所示相同而完全一樣的獨立電路。其高直流電壓輸出係顯示於端部方塊(terminal block)J4。端部方塊J2與J4係如同第10d所示地結合以增加他們的電壓以及二個發電機J1與J3的結合相加電壓，而相關電路係在端部方塊J5輸出。在參閱第10d圖之情況下，複數個子系統係由發電機與其相關電子電路之組合所構成並且串聯連接。

相對於使用一個大發電機，使用多個小型發電機以及完全一樣的電路板得以節省尺寸要求和成本。

本發明的測試結果如下，所有的版本係原型，而升壓電路係在產品版本中實施。

產品升壓電路係首先以可變電阻器與變壓器電源測試。

單一發電機接著測試發電機與Motorola、LG與Samsung的行動電話充電器與行動電話，Canon與Nikon相機、Sony攝錄影機、Apple的數位聲訊播放機硬碟(Apple iPod)與平板電腦(Apple iPad)。在所有情況下，充電器的功率牽引(power draw)係從標準的交流插座進行量測，接著從手搖式電力發電機以同樣方式進行量測。在交流與直流的情況下，量測到電壓為117伏特。兩種情況下的功率相同，行動電話4.2瓦特，Cannon相機6.4瓦特，Nikon相機8.2瓦特，Apple的iPod為2.5瓦特，Apple的iPad為10瓦特。

接著執行延伸的測試。使用行動電話作為負載，先將其電力完全放電，接著使用壁式插座進行充電。充電時間為100分鐘。接著再次地完全放電，然後使用曲柄充電30分鐘。行動電話顯示為充電狀態四格中的兩格。也以功率為13瓦特的額定功率上使用60瓦特的螢光燈泡進行測試，並且用單一發電機正常操作。對於具有堆疊電路之20瓦特的自行車模型，電壓為237伏特且所傳達之功率為19.92瓦特至筆記型電腦。

測試的結論為裝置的充電率受限於充電器，而手柄與自行車裝置提供與壁式插座相同的電源。本發明僅受限於在發電機的功率範圍中對裝置進行充電。如目前在產品單元中所設計者，這包含了所有已知的裝置。

因此，已利用較佳實施例揭露本發明，並且達成如上所述知本ㄈ明的每一個目的，從而提供具有良好的新穎性與實用性之可攜式發電機的新的且有用的實施例。

當然，在不偏離本發明所想要之精神和範圍下，所屬技術領域具通常知識者根據本發明所教示的內容進行變更、修改語置換。

因此，本發明僅受隨附之申請專利範圍所限制。

1．．．手部

4．．．變壓器

10．．．第一實施例、裝置

11、41．．．殼體

12．．．半殼體、彈性帶

13．．．致動器

14．．．半殼體

15．．．內部腔室

17、60．．．傳動裝置

20．．．插座

19、21、23．．．齒輪

22、61、63．．．發電機系統

24、26．．．連接器

25．．．握把

27．．．曲柄臂

29．．．耦接機構、耦接部

31、35．．．支柱

33．．．開口、棘爪

36、37、38．．．凹槽

40．．．第二實施例

43．．．腳部

45、47、49、51．．．腿部

53、55．．．曲柄

57、59．．．腳踏板

65．．．電氣插座

67、69．．．開口

第1圖顯示本發明之第一實施例的前側透視圖；

第2圖顯示第1圖的實施例之側視圖；

第3圖顯示本發明之第一實施例之分解透視圖；

第4圖顯示本發明之第二實施例之前側透視圖；

第5圖顯示第二實施例之側邊透視圖；

第6圖顯示第二實施例之後側透視圖；

第7圖顯示第二實施例之分解透視圖；

第8圖顯示第二實施例之部份移除之細部顯示之端視圖；

第9圖顯示第二實施例之部份移除之細部顯示之側視圖；

第10a圖顯示根據本發明所教示的電子電路的第一實施例之示意圖；

第10b圖顯示根據本發明所教示的電子電路的第二實施例之示意圖；

第10c圖係顯示一致使用複數個發電機在電子電路中之第一替代方案的示意圖；

第10d圖係顯示一致使用複數個發電機在電子電路中之第二替代方案的示意圖；

第11圖至第17圖係顯示本發明之第一實施例的操作方法的連續說明。

10．．．第一實施例、裝置

12．．．半殼體、彈性帶

13．．．致動器

14．．．半殼體

15．．．內部腔室

17．．．傳動裝置

20．．．插座

19、21、23．．．齒輪

22．．．發電機系統

24、26．．．連接器

25．．．握把

27．．．曲柄臂

29．．．耦接機構、耦接部

31、35．．．支柱

33．．．開口、棘爪

36、37、38．．．凹槽

Claims (22)

1. 一種可攜式發電機，包括：a)殼體，係包含發電機系統，含有至少一個發電機；b)致動器，係用於該發電機系統，延伸至該殼體外部，該致動器將人力輸入轉換成該至少一個發電機之旋轉；c)該發電機系統之電力輸出，係連接於該殼體內之電子電路，該電子電路將該發電機系統之該電力輸出轉換為大約120或240伏特直流電的插座電力，該電子電路包括接收該電力輸出的橋式整流器、電性連接至該橋式整流器的轉換器晶片、電性連接至該轉換器晶片的電晶體、以及電性連接至該電晶體並輸出該插座電力的二極體；以及d)電源插座，係設置於該殼體上且連接於該插座電力。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發電機，其中，該發電機系統包括複數個發電機。
3. 如申請專利範圍第2項所述之發電機，其中，該複數個係包括二個發電機。
4. 如申請專利範圍第3項所述之發電機，其中，該發電機係以並聯方式連接。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發電機，其中，該致動器包括手柄。
6. 如申請專利範圍第5項所述之發電機，其中，該手柄包括曲柄臂及可樞轉地連接於該曲柄臂之握柄。
7. 如申請專利範圍第6項所述之發電機，其中，該握柄係可從相鄰於該殼體之端部的第一位置樞轉至該握柄藉由該曲柄臂而與該殼體分開的第二位置。
8. 如申請專利範圍第7項所述之發電機，其中，該握柄係經由耦接機構連接於該曲柄臂，該耦接機構包括具有相對凹槽之平坦本體，該曲柄臂包括可與任一該凹槽扣合之棘爪，藉以可鬆開地將該握柄鎖在該第一位置或該第二位置。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發電機，其中，該插座電力約120伏特之直流電。
10. 如申請專利範圍第9項所述之發電機，其中，該電源插座包括具有二連接埠之交流電插座。
11. 如申請專利範圍第1項所述之發電機，其中，該插座電力約240伏特之直流電。
12. 如申請專利範圍第11項所述之發電機，其中，該電源插座包括具有二連接埠之交流電插座。
13. 如申請專利範圍第1項所述之發電機，其中，該致動器包括一對相對的曲柄。
14. 如申請專利範圍第13項所述之發電機，其中，該發電機系統包括二個發電機。
15. 如申請專利範圍第14項所述之發電機，其中，該相對的曲柄之每一個包括安裝於該曲柄的腳踏板。
16. 如申請專利範圍第15項所述之發電機，其中，該踏板係彼此呈180度偏移。
17. 如申請專利範圍第2項所述之發電機，其中，該發電機之每一個係與自身的電子電路相連接，發電機與電子電路之該結合係彼此串聯而互連。
18. 如申請專利範圍第2項所述之發電機，其中，該發電機之每一個係與自身的電子電路相連接，發電機與電子電路之該結合係彼此並聯而互連。
19. 一種可攜式發電機，包括：a)殼體，係包含發電機系統，含有發電機；b)致動器，係用於該發電機系統，延伸至該殼體外部，該致動器將人力輸入轉換成該發電機之旋轉，該致動器包括含有曲柄臂和可樞轉地連接於該曲柄臂之握柄的手柄，該握柄係可從相鄰於該殼體之端部的第一位置樞轉至該握柄藉由該曲柄臂而與該殼體分開的第二位置；c)該發電機系統之電力輸出，係連接於該殼體內之電子電路，該電子電路將該發電機系統的該電力輸出轉換成大約120或240伏特直流電的插座電力，該電子電路包括接收該電力輸出的橋式整流器、電性連接至該橋式整流器的轉換器晶片、電性連接至該轉換器晶片的電晶體、以及電性連接至該電晶體並輸出該插座電力的二極體；以及d)電源插座，係設置在該殼體上且連接至該插座電力。
20. 如申請專利範圍第19項所述之發電機，其中，該握柄係經由耦接機構連接於該曲柄臂，該耦接機構包括具有 相對凹槽之平坦本體，該曲柄臂包括可與任一該凹槽扣合之棘爪，藉以可鬆開地將該握柄鎖在該第一位置或該第二位置。
21. 如申請專利範圍第19項所述之發電機，其中，該插座電力約為120伏特之直流電。
22. 如申請專利範圍第21項所述之發電機，其中，該電源插座包括標準的120伏特交流電之家用插座。