TWI705838B - 電動阻尼回授之自行車訓練設備 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種電動阻尼回授之自行車訓練設備，包括自行車訓練器車架、發電系統及阻尼回授系統，發電系統和阻尼回授系統組設於自行車訓練器車架；而阻尼回授系統包括可連接至外部裝置之傳輸系統、對運動件形成阻尼之電磁阻尼產生單元、回授電路、及主控制器；主控制器控制回授電路之磁力感應件偵測電磁阻尼產生單元所產生之磁場強度，並根據磁場強度調整電磁阻尼產生單元所產生之阻尼大小。據此，本發明能自我發電、自我供給，無須外接電源，且可即時回授阻力大小，又可自我調整阻力以維持於一預定值。

Description

電動阻尼回授之自行車訓練設備

本發明係關於一種電動阻尼回授之自行車訓練設備，尤指一種可發電、可自動調整阻尼之踩踏訓練設備。

傳統發電花鼓如我國專利公告第I260854號「盤式發電花鼓」、公告第I246815號「發電花鼓」、以及公告第M273890號「發電花鼓的定子單元」等，該等先前技術均係將一發電線圈作為定子，而永久磁鐵作為轉子，當轉子隨著輪軸轉動時，永久磁鐵與發電線圈感應生電。

然而，習知的發電系統，特別是發電花鼓，受限於容納空間、以及相關的技術門檻，都只能設置單一發電線圈，故習知整合花鼓內的發電系統發電量相當受限。

再者，一般自行車訓練設備都配置有阻尼裝置，其係用以增加踩踏的阻力，以提升訓練的效果，例如美國專利公告US10,315,073 B2之「腳踏車訓練台及其運作方法」。然而，較常見的阻尼裝置可分為風阻式、磁阻式和油阻式，其中磁阻式是利用磁力大小來控制踩踏阻力，現階段較為常見乃係利用電磁方式，即利用通過線圈的電流大小來控制所產生的磁力大小。

不過，現有的磁阻式訓練台具有一缺陷，即溫度效應將顯著影響所產生的磁力。進一步說明，當隨著訓練台的使用時間拉長，或踩踏阻力設定過高，如此將導致工作溫度上升，然而隨著溫度的提高，所產生的磁力又將隨之降低，造成阻力值下 降。

因此，一種可以顯著提升發電量、並可自我供給電能，又可自我回授阻尼值和自我調整阻尼大小之電動阻尼回授之自行車訓練設備，實為產業界和社會大眾殷殷期盼者。

本發明之目的係在提供一種電動阻尼回授之自行車訓練設備，俾能自我發電、自我供給，無須外接電源，且可即時回授阻力大小，又可自我調整阻力以維持於一預定值。

為達成前述目的，本發明一種電動阻尼回授之自行車訓練設備，包括：自行車訓練器車架，其係用於連接自行車；發電系統，其係組設於自行車訓練器車架；以及阻尼回授系統，其係組設於自行車訓練器車架；其中，阻尼回授系統包括傳輸系統，其係用於以有線或無線方式連接至外部裝置，並與該外部裝置產生互動；電磁阻尼產生單元，其受電流激磁後產生磁力以對運動件形成阻尼；回授電路，其包括磁力感應件，磁力感應件係組設於電磁阻尼產生單元；以及主控制器，其係電性連接傳輸系統、電磁阻尼產生單元、回授電路、及發電系統；主控制器控制磁力感應件偵測電磁阻尼產生單元所產生之磁場強度，並根據磁場強度調整電磁阻尼產生單元所產生之阻尼大小。

據此，本發明電動阻尼回授之自行車訓練設備係利用發電系統，自主供給系統所需的電能，且利用回授電路來即時偵測電磁阻尼產生單元所產生之實際磁場強度，另一方面亦可根據所偵測到的實際磁場強度來調整電磁阻尼產生單元所輸出的阻尼大小。換言之，本發明可自主發電、並可自主回授和自主調整阻尼大小。

較佳的是，本發明之傳輸系統可接收來自外部裝置之一阻尼控制參數，而主控制器可根據阻尼控制參數調整電磁阻尼產生單元所產生之阻尼大小，且阻尼控制參數可包括速度、坡度、及風阻中至少一者。換言之，外部裝置可根據特定的訓練課程輸入一阻尼控制參數至阻尼回授系統，藉以產生特定的阻尼值。

而且，本發明阻尼回授系統之主控制器控制電磁阻尼產生單元產生一預定磁場強度；當磁力感應件偵測到電磁阻尼產生單元所產生之磁場強度與預定磁場強度不符時，主控制器控制電磁阻尼產生單元調整所產生之磁場強度，使之與預定磁場強度相符。換言之，當使用者設定阻尼後，主控制器控制電磁阻尼產生單元產生一預定磁場強度，接著回授電路便即時偵測實際的磁場強度，當實際偵測到的與設定的磁場強度不符時，便自主調控使二者相符。

另外，本發明阻尼回授系統之電磁阻尼產生單元可包括阻尼驅動電路、及阻尼制動器，而阻尼驅動電路係電性連接主控制器與阻尼制動器；且主控制器控制阻尼驅動電路以調整阻尼制動器所產生之磁場強度。其中，主控制器係以脈波寬度調變信號(Pulse Width Modulation，PWM)控制阻尼驅動電路：當電磁阻尼產生單元所產生之磁場強度小於預定磁場強度時，主控制器可加大脈波寬度調變信號之工作週期；而當電磁阻尼產生單元所產生之磁場強度大於預定磁場強度時，主控制器可縮小脈波寬度調變信號之工作週期。

又，本發明之發電系統可包括：前述運動件，其係呈旋轉作動，該運動件包括一外環框、及一內環框；而內環框係 設置於外環框之內且呈同心圓配置；一第一發電單元，其係配置於運動件之外環框與內環框之間；以及一第二發電單元，其係配置於運動件之內環框內；其中，當運動件被驅動旋轉時，第一發電單元與第二發電單元中至少一者發電。據此，本發明透過在一運動件內以同心圓的方式配置多個發電單元，而每一發電單元可獨立發電，故不僅可提升發電量，且體積相當緊湊；亦即，本發明在不影響原本運動件體積之情況下可有效提升發電量，而構造又相當簡單，且製造及原料成本均低廉。

再者，本發明之發電系統的第一發電單元可包括複數第一磁性元件、及一第一發電線圈，而第二發電單元可包括複數第二磁性元件、及一第二發電線圈；該複數第一磁性元件可等距佈設於外環框上，而複數第二磁性元件可等距佈設於內環框上；其中，第一發電線圈可設置於外環框與內環框之間，並與複數第一磁性元件間隔有一間隙，而第二發電線圈可設置於內環框之內，並與複數第二磁性元件間隔有一間隙。

再且，本發明阻尼回授系統可包括一滾筒，其係耦接至運動件；而自行車之後輪輪軸可架設於自行車訓練器車架，自行車之後輪抵接於滾筒。抑或，本發明踩踏訓練設備可更包括安裝軸桿、及驅動輪，而安裝軸桿可自驅動輪之中心徑向延伸，且驅動輪可動力連接至運動件；其中，當自行車之踩踏機構作動於安裝軸桿時，驅動輪可驅動運動件旋轉。

此外，本發明可更包括一安裝架，其可連接至自行車訓練器車架，而第一發電線圈與第二發電線圈可組設於安裝架上，藉此固定第一發電線圈與第二發電線圈而構成發電系統之定子。

1‧‧‧阻尼回授系統

11‧‧‧滾筒

2‧‧‧電磁阻尼產生單元

21‧‧‧阻尼驅動電路

22‧‧‧阻尼制動器

3‧‧‧回授電路

31‧‧‧磁力感應件

4‧‧‧發電系統

41‧‧‧第一發電單元

42‧‧‧第二發電單元

5‧‧‧主控制器

61‧‧‧安裝軸桿

62‧‧‧驅動輪

63,64‧‧‧安裝架

7‧‧‧傳輸系統

81‧‧‧電力系統

82‧‧‧適配器

B‧‧‧自行車

C‧‧‧電子儀錶

E‧‧‧運動件

E1‧‧‧外環框

E2‧‧‧內環框

F‧‧‧自行車訓練器車架

FL‧‧‧線圈架

Fr‧‧‧後輪

G1、L1‧‧‧第一發電線圈

G2、L2‧‧‧第二發電線圈

M‧‧‧永久磁石

M1‧‧‧第一磁性元件

M2‧‧‧第二磁性元件

OD‧‧‧外部裝置

圖1係本發明一較佳實施例之系統架構圖。

圖2係本發明之發電系統一較佳實施例之立體圖。

圖3係顯示溫度與磁力感應件之偵測電壓之關係圖和控制信號之工作週期圖。

圖4係本發明踩踏訓練設備第一實施例之立體圖。

圖5A係本發明踩踏訓練設備第一實施例移除自行車訓練器車架後之立體圖。

圖5B係本發明踩踏訓練設備第一實施例之發電系統和滾筒之立體圖。

圖6A係本發明踩踏訓練設備第二實施例之立體圖。

圖6B係本發明踩踏訓練設備第二實施例之另一立體圖。

圖7係本發明踩踏訓練設備第二實施例移除自行車訓練器車架及部分外蓋後之立體圖。

圖8係本發明踩踏訓練設備第二實施例顯示發電系統之立體圖。

圖9A係本發明另一較佳實施例之系統架構圖。

圖9B係本發明另一較佳實施例之阻尼制動器示意圖。

本發明電動阻尼回授之自行車訓練設備在本實施例中被詳細描述之前，要特別注意的是，以下的說明中，類似的元件將以相同的元件符號來表示。再者，本發明之圖式僅作為示意說明，其未必按比例繪製，且所有細節也未必全部呈現於圖式中。

請先參閱圖1，其係本發明一較佳實施例之系統架構圖。如圖中所示，本實施例之阻尼回授系統主要包括電磁阻尼產生單元2、回授電路3、傳輸系統7、主控制器5、以及電子儀表C。其中，運動件E係由磁性物質所構成，而電磁阻尼產生單元2係主要可受電流激磁後產生磁場以對一運動件E形成阻尼，即透過電磁感應效應來產生磁力，進而吸附運動件E以形成阻尼。

再者，本實施例之電磁阻尼產生單元2包括一阻尼驅動電路21、及一阻尼制動器22，其中阻尼驅動電路21係電性連接發電系統4、主控制器5與阻尼制動器22，而阻尼驅動電路21即係用於驅動並控制阻尼制動器22。換言之，主控制器5控制阻尼驅動電路21以控制阻尼制動器22啟動與否、以及調整其所產生之磁場強度。

另外，如圖中所示，本實施例之回授電路3，其包括一磁力感應件31，其係組設於電磁阻尼產生單元2；其中，磁力感應件31採用霍爾效應感測器(Hall Sensor)，其係感應外部磁場的變化，並將之轉換為輸出電壓，故針對不同的磁場大小而感測器輸出的電壓也不同；一般而言，感應到的磁場越大，感測器輸出的電壓越小，反之亦然。不過，本發明並不以感應後輸出電壓(電壓回授)為限，亦可輸出感應電流，即電流回授，抑或其他類比或數位電子信號回授。

請一併參閱圖2，其係本發明發電系統一較佳實施例之立體圖。必須先說明的是，雖然本實施例係採用後述之同心圓配置的發電系統，惟本發明並不以此為限，非同心圓配置或其他可配置於運動件E內部之發電系統均可適用於本發明。

如圖中所示，本實施例之發電系統4主要包括一運動件E、一第一發電單元41、以及一第二發電單元42；其中，本實施例之運動件E為一飛輪，其包括一外環框E1、及一內環框E2；該內環框E2係設置於該外環框E1之內且呈同心圓配置；而第一發電單元41配置於外環框E1與內環框E2之間，第二發電單元42配置於運動件E之內環框E2內。

進一步說明，本實施例之第一發電單元41包括複數第一磁性元件M1、及第一發電線圈G1，第二發電單元42同樣包括複數第二磁性元件M2、及第二發電線圈G2；其中，複數第一磁性元件M1係等距佈設於外環框E1上，而複數第二磁性元件M2係等距佈設於內環框E2上；且第一發電線圈G1係設置於外環框E1與內環框E2之間，並與複數第一磁性元件M1間隔有一間隙，第二發電線圈G2設置於內環框E2之內，並與複數第二磁性元件M2間隔有一間隙。

據此，當運動件E被驅動而帶動複數第一磁性元件M1和複數第二磁性元件M2旋轉時，第一發電單元41與第二發電單元42皆會形成電磁效應而產生電力。然而，本實施例透過在一運動件E內以同心圓的方式配置二個發電單元，但本發明並不以此為限，在其他實施例中亦可配置三個以上的發電單元。另外，每一發電單元皆可獨立發電，故不僅可顯著提升發電量，且同心圓的配置方式讓體積相當緊湊，可在沒有增加飛輪體積的情況之下產生更大量電能。

再且，本實施例之主控制器5至少包括類比數位轉換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)、算術邏輯單元(Arithmetic Logic Unit,ALU)、以及輸入輸出端口 (Input/Output,I/O)。另外，電子儀錶C係用於供使用者設定阻力值或其他運動參數，另一方面也可以顯示運動參數或使用者之生理狀態資訊，例如心跳、消耗卡路里、騎乘里程等。

此外，本實施例之傳輸系統7係為一無線通信系統，例如藍芽、ANT+、及FE-C協議等無線通信系統，不過本發明並不以此為限，亦可為有線傳輸系統。本實施例之傳輸系統7電性連接至阻尼回授系統1之主控制器5，並可通信連接至一外部裝置OD，以使本設備與外部裝置OD之間產生互動，而外部裝置OD例如智慧型手機。

以下詳細說明本實施例之運作，首先使用者可透過電子儀錶C設定阻力值來作為阻尼控制參數，當然在其它的實施例中也可以透過其他方式來進行設定，例如旋鈕、按鈕、抑或直接輸入已有預定訓練課程之程式或檔案。另外，使用者也可以使用外部裝置OD(如手機、平板、筆記型電腦、個人電腦或其他等效電子裝置)將各類的騎行訓練或連線競賽程式透過傳輸系統7輸入至本實施例之阻尼回授系統1中；其中，以特定路線之騎行訓練程式(APPs)舉例說明，在騎行訓練程式中可依照路程來設定坡度作為阻尼控制參數，亦可以騎行速度、及對應的風阻來作為阻尼控制參數，更可添加以路面狀況或氣候因素等來作為阻尼控制參數。然而，主控制器5即可根據前述的阻尼控制參數來控制該電磁阻尼產生單元2對運動件E產生阻力。

再進一步說明，該主控制器5控制該電磁阻尼產生單元2產生一預定磁場強度，同時回授電路3之磁力感應件31即時偵測電磁阻尼產生單元2所產生之實際磁場強度並回傳至主控制器5。又，主控制器5比對實際磁場強度與預定磁場強度， 當二者不符時，該主控制器5控制電磁阻尼產生單元2調整所產生之實際磁場強度，使之與預定磁場強度相符。

又，請一併參閱圖3，其係顯示溫度與磁力感應件之偵測電壓的關係圖和控制信號之工作週期圖。在本實施例中，主控制器5係以脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)信號控制該阻尼驅動電路21；如圖3中的(A)圖所示，在正常溫度下，磁力感應件31偵測到的實際磁場強度和預定磁場強度相符，而磁力感應件31輸出1.5V偵測電壓，而主控制器5所輸出之脈波寬度調變信號的工作週期維持一定值。

當溫度上升時，請參閱圖3中的(B)圖，此時實際磁場強度下降，而磁力感應件31輸出的偵測電壓將上升，如2.5V；此時，主控制器5將會加大脈波寬度調變信號的工作週期，如提升至當初預定值的1.75倍，藉以提高實際磁場強度，使之與預定磁場強度相符。另一方面，當溫度下降時，請參閱圖3中的(C)圖，此時實際磁場強度上升，而磁力感應件31輸出的偵測電壓將下降，如0.5V；此時，主控制器5將會縮小脈波寬度調變信號的工作週期，如縮小至當初預定值的0.5倍，藉以降低實際磁場強度，使之與預定磁場強度相符。

請同時參閱圖4、圖5A、及圖5B，圖4係本發明踩踏訓練設備第一實施例之立體圖，圖5A係本發明踩踏訓練設備第一實施例移除自行車訓練器車架後之立體圖，圖5B係本發明踩踏訓練設備第一實施例之發電系統和滾筒之立體圖。如圖中所示，本實施例之踩踏訓練設備係讓自行車B之後輪Fr直接驅動本發明之阻尼回授系統1。

進一步說明，本實施例之踩踏訓練設備包括一自行 車訓練器車架F、及如前所述之阻尼回授系統1，其中阻尼回授系統1係組設於自行車訓練器車架F，而且本實施例之阻尼回授系統1包括滾筒11，其透過一安裝架63連接至運動件E；其中，第一發電線圈G1與第二發電線圈G2組設於安裝架63而構成發電系統之定子。另外，自行車B之後叉的後輪輪軸架設於自行車訓練器車架F上，故當使用者踩踏自行車B之踏板時，後輪Fr轉動後去驅動滾筒11，進而帶動運動件E運轉。

請一併參閱圖6A、圖6B、及圖7，圖6A係本發明踩踏訓練設備第二實施例之立體圖，圖6B係本發明踩踏訓練設備第二實施例之另一立體圖，圖7係本發明踩踏訓練設備第二實施例移除自行車訓練器車架及部分外蓋後之立體圖。本發明踩踏訓練設備第二實施例與第一實施例的主要差別在於，本實施例不以自行車的後輪驅動，而是以驅動輪62取代自行車之後輪輪軸。

進一步說明之，本實施例之踩踏訓練設備，除了自行車訓練器車架F和阻尼回授系統1之外，更包括安裝軸桿61、驅動輪62、及安裝架64。其中，阻尼回授系統1之第一發電線圈G1、第二發電線圈G2、及電磁阻尼產生單元2均固定至安裝架64，而安裝架64也連接至自行車訓練器車架F，故第一發電線圈G1、第二發電線圈G2構成發電系統之定子。

再者，安裝軸桿61係自該驅動輪62之中心徑向延伸，且用以連接至自行車，例如安裝軸桿61上安裝齒盤後，將移除後輪之自行車架設於其上，而鍊條則套接於安裝軸桿61上的齒盤。另外，驅動輪62又動力連接至運動件E。據此，當自行車B之踩踏機構作動於安裝軸桿61時，驅動輪62驅動該 運動件E旋轉。

請再參閱圖8，圖8係本發明踩踏訓練設備第二實施例顯示發電系統之立體圖。如圖中所示，本實施例所採用之發電系統4與前述實施例不同之處在於，本實施例之發電系統4雖然並非採用同心圓配置，不過仍有兩組發電線圈，其包括第一發電線圈L1、及第二發電線圈L2，且第一發電線圈L1、及第二發電線圈L2在線圈架FL上是彼此交錯配置。也就是說，當運動件E轉動時，永久磁石M繞經每一線圈組時，第一發電線圈L1和第二發電線圈L2將同時發電並輸出電能。藉此說明，不論是第一實施例中所提及之同心圓配置多線圈組、抑或第二實施例中所呈現之單極交錯配置之多線圈組，其主要目的均為增加發電量，藉以供給本發明之系統，以達成自主發電、自主供給之目的。

請再同時參閱圖9A、及圖9B，圖9A係本發明另一較佳實施例之系統架構圖，圖9B係本發明另一較佳實施例之阻尼制動器示意圖。如圖中所示，本實施例與前述實施例主要差異在於，本實施例所耗之電力來源是市電，而非自主發電。換言之，本實施例之電力系統81係透過適配器82而電性連接至一般市電，而由市電來供應電源。再者，如圖9B所示之阻尼制動器22，當其受阻尼驅動電路21以PWM波形驅動時，阻尼制動器22上的線圈(圖中未示)激磁，而吸附運動件E，進而對運動件E形成轉動阻力。據此，本發明不僅可藉由發電系統4而達成自主電力供給之目的外，在其他的實施例中亦可直接連接市電，而由市電來供給電力。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上 述實施例。

2‧‧‧電磁阻尼產生單元

21‧‧‧阻尼驅動電路

22‧‧‧阻尼制動器

3‧‧‧回授電路

31‧‧‧磁力感應件

4‧‧‧發電系統

5‧‧‧主控制器

7‧‧‧傳輸系統

C‧‧‧電子儀錶

E‧‧‧運動件

OD‧‧‧外部裝置

Claims (9)

1. 一種電動阻尼回授之自行車訓練設備，包括：一自行車訓練器車架，其係用於連接一自行車；一發電系統，其係組設於該自行車訓練器車架；以及一阻尼回授系統，其係組設於該自行車訓練器車架；其中，該阻尼回授系統包括一傳輸系統，其係用於與一外部裝置產生互動；一電磁阻尼產生單元，其受電流激磁後產生磁力以對一運動件形成阻尼；一回授電路，其包括一磁力感應件，該磁力感應件係組設於該電磁阻尼產生單元；以及一主控制器，其係電性連接該傳輸系統、該電磁阻尼產生單元、該回授電路、及該發電系統；該主控制器控制該磁力感應件偵測該電磁阻尼產生單元所產生之磁場強度，並根據該磁場強度調整該電磁阻尼產生單元所產生之阻尼大小；其中，該主控制器控制該電磁阻尼產生單元產生一預定磁場強度；當該磁力感應件偵測到該電磁阻尼產生單元所產生之磁場強度與該預定磁場強度不符時，該主控制器控制該電磁阻尼產生單元調整所產生之磁場強度，使之與該預定磁場強度相符。
2. 如請求項1之電動阻尼回授之自行車訓練設備，其中，該傳輸系統係接收來自該外部裝置之一阻尼控制參數，該主控制器根據該阻尼控制參數調整該電磁阻尼產生單元所產生之阻尼大小，該阻尼控制參數包括速度、坡度、及風阻中至少一者。
3. 如請求項1之電動阻尼回授之自行車訓練設備，其中，該電磁阻尼產生單元包括一阻尼驅動電路、及一阻尼制動器，該阻尼驅動電路係電性連接該主控制器與該阻尼制動器；該主控制器控制該阻尼驅動電路以調整該阻尼制動器所產生之磁場強度。
4. 如請求項3之電動阻尼回授之自行車訓練設備，其中， 該主控制器係以脈波寬度調變信號控制該阻尼驅動電路；當該電磁阻尼產生單元所產生之磁場強度小於該預定磁場強度時，該主控制器係加大該脈波寬度調變信號之工作週期；當該電磁阻尼產生單元所產生之磁場強度大於該預定磁場強度時，該主控制器係縮小該脈波寬度調變信號之工作週期。
5. 如請求項1之電動阻尼回授之自行車訓練設備，其中，該發電系統包括：該運動件，其包括一外環框、及一內環框；該內環框係設置於該外環框之內且呈同心圓配置；一第一發電單元，其係配置於該運動件之該外環框與該內環框之間；以及一第二發電單元，其係配置於該運動件之該內環框內；其中，當該運動件被驅動旋轉時，該第一發電單元與該第二發電單元中至少一者發電。
6. 如請求項5之電動阻尼回授之自行車訓練設備，其中，該第一發電單元包括複數第一磁性元件、及一第一發電線圈，該第二發電單元包括複數第二磁性元件、及一第二發電線圈；該複數第一磁性元件係等距佈設於該外環框上，該複數第二磁性元件係等距佈設於該內環框上；該第一發電線圈係設置於該外環框與該內環框之間，並與該複數第一磁性元件間隔有一間隙，該第二發電線圈係設置於該內環框之內，並與該複數第二磁性元件間隔有一間隙。
7. 如請求項1之電動阻尼回授之自行車訓練設備，其中，該阻尼回授系統包括一滾筒，其係耦接至該運動件；該自行車之後輪輪軸架設於該自行車訓練器車架，該自行車之後輪抵接於該滾筒。
8. 如請求項1之電動阻尼回授之自行車訓練設備，其更 包括一安裝軸桿、及一驅動輪，該安裝軸桿係自該驅動輪之中心徑向延伸，該驅動輪係動力連接至該運動件；其中，當該自行車之踩踏機構作動於該安裝軸桿時，該驅動輪驅動該運動件旋轉。
9. 如請求項6之電動阻尼回授之自行車訓練設備，其更包括一安裝架，其係連接至該自行車訓練器車架，該第一發電線圈與該第二發電線圈係組設於該安裝架上。

Images