TWM628474U - 內嵌式飛輪阻力驅動整合裝置 - Google Patents

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Abstract

一種內嵌式飛輪阻力驅動整合裝置，係包括一電磁阻力制動裝置結合於一定子定位架的一外環部並位在該飛輪的一容置空間中。一發電/驅動裝置定位在該定子定位架的一內環部，該發電/驅動裝置包括一發電/驅動矽鋼構件。該飛輪受一外力而轉動時，該發電/驅動裝置受該飛輪的旋轉而轉動而產生電能，該電能供應至該電磁阻力制動裝置以施加一阻力於該飛輪。當一工作電能供應至該發電/驅動裝置時，可驅動該飛輪轉動。

Description

內嵌式飛輪阻力驅動整合裝置
本創作係關於一種飛輪控制裝置，特別是一種內嵌式飛輪阻力驅動整合裝置。
傳統的健身車主要是供使用者藉由踩動踏板帶動飛輪而達到運動健身的效果。為了增加使用者在進行運動時的變化效果，故有在該健身車增設阻力系統的產品。為了產生該所需的阻力或抗力，目前主要係透過磁控阻力裝置的型式，提供健身車不同阻力大小的調整，進而讓使用者經由不同的阻力或抗力而達到運動健身的效果。
再者，傳統運動健身車除了配置該磁控阻力裝置之外，亦有配置發電裝置的設計，其主要是藉乘騎者運動時，腳踏施力帶動磁控阻力裝置旋轉因而產生自發電能，利用此電能應用於外部電磁裝置而針對轉動飛輪產生磁吸效應，而形成阻力刹車裝置。
在另一傳統運動健身車的設計中，亦有直接外接電源而應用此電能於磁控阻力裝置，而直接針對轉動的飛輪產生磁吸效應，而形成阻力刹車效果。亦類設計，一般即無配置自發電裝置，亦無法達成運行於電動機驅動模式。
傳統設計中，若欲配置電動機驅動裝置應用於運動腳踏車中時，因為顧及電動機驅動效率，所以學理上該電動機驅動裝置與阻力刹車理論互相矛盾，無法設計成一體結構，致整體結構複雜，且只能以外接的電阻將飛輪旋轉時產生的電能予以洩能散熱或以額外的風扇予以散熱。既無法達成世界各國環保的要求，更無法應用於虛擬實境(AR/VR)上。
傳統健身車飛輪阻力驅動系統的主要缺失如下：
1.傳統健身車飛輪阻力驅動系統，主要結構分為發電與阻力刹車兩大部份，而 發電部份設計於轉動飛輪內部的定子裝置，而阻力刹車部份設計於轉動飛輪外部的另一固定裝置，形成分離式構造，組裝上極為不易，維修困難、材料成本偏高。
2.由於前述傳統健身車飛輪阻力驅動系統的結構複雜，並非一體成形或內嵌式(embedded)設計，故必需另設計固定架固定電磁裝置，不僅結構複雜，且品質不易控管。
3.傳統健身車飛輪阻力驅動系統，主要結構分為發電與阻力刹車兩大部份，並無電動驅動功能，無法運行於電動驅動模式，故無法應用於虛擬實境下坡段當成電動機驅動系統。
4.傳統健身車飛輪阻力驅動系統，以外接電源的方式構成電動機驅動裝置，另外再外接洩能電阻及另外設計散熱裝置，故設計複雜、成本太高且阻力刹車效率不佳。再者，此種設計無法達到自發電的功能，不符環保要求。更者，該傳統的設計會產生高熱能，不符合環保要求、品質劣、成本高，且易產生噪音。
緣此，本創作之主要目的即是提供一種飛輪阻力驅動裝置，係針對傳統健身車的主要缺失，而突破學理的限制，研發一具高效率、高品質、低成本完全符合環保要求的內嵌式飛輪阻力驅動整合裝置。
本創作所採用之技術手段係包括一電磁阻力制動裝置結合於一定子定位架的一外環部並位在該飛輪的一容置空間中。一發電/驅動裝置定位在該定子定位架的一內環部，該發電/驅動裝置包括一發電/驅動矽鋼構件。該飛輪受一外力而轉動時，該發電/驅動裝置受該飛輪的旋轉而轉動而產生電能，該電能供應至該電磁阻力制動裝置以施加一阻力於該飛輪。當一工作電能供應至該發電/驅動裝置時，可驅動該飛輪轉動。
在效果方面，本創作除了應用騎乘者腳踏施力於飛輪的動能轉換成自發電電能外，並應用該電能於內部定子的電磁阻力制動裝置，針對轉動的飛輪產生渦流(eddy current)的雙重效率的阻力刹車裝置。
本創作除了應用騎乘者腳踏施力於飛輪的動能轉換成自發電電能外，並能儲存乘騎者的運動產生的電能，應用於虛擬實境下坡段時，構成電動機自動驅動裝置。
本創作具有發電機、渦流阻力刹車、及電動機驅動裝置功效，除了應用於健身車，更可應用於戶外自行車，藉由騎乘者腳踏施力於轉子飛輪的動能轉換成自發電電能，並能將此電能應用於電磁裝置上，對轉動的飛輪上的鋁、銅非導磁材料或碟刹片產生渦流阻力刹車。
更甚者，藉由騎乘者當上坡段腳踏施力於轉子飛輪，而內部發電繞組與轉子飛輪內部的永久磁石相對運動而將動能轉換成自發電電能，此電能除了提供電能給定子的電磁阻力制動裝置產生電磁場與飛輪轉子內環的非導磁金屬環相對運動，而產生渦流的雙重效率的阻力效果，並可向儲能裝置進行充電。當下坡段或騎乘者需要輔助時，本創作亦可轉換運行於電動機驅動模式。
本創作所採用的具體技術，將藉由以下之實施例及附呈圖式作進一步之說明。
1:飛輪
11:環體
12:側壁
121:軸部
13:容置空間
14:凸伸部
2:軸心
3:固定座
4:定子定位架
41:外環部
42:內環部
5:電磁阻力制動裝置
51:阻力矽鋼構件
511:磁極
52:阻力繞組
53:非導磁金屬環
6:發電/驅動裝置
61:發電/驅動矽鋼構件
611:磁極
62:發電/驅動繞組
63:永久磁石
7:控制電路
71:處理單元
72:發電整流濾波電路
73:電源
74:驅動電路
75:儲能裝置
76:速度信號感測單元
77:回授電路
8:發電/驅動裝置
81:發電/驅動矽鋼構件
811:磁極
82:發電/驅動繞組
83:永久磁石
圖1顯示本創作第一實施例的立體圖。
圖2顯示本創作第一實施例的前視圖。
圖3顯示本創作第一實施例的側視圖。
圖4顯示圖2中A-A斷面的剖視圖。
圖5顯示本創作第一實施例的相關構件分離時的立體圖。
圖6顯示本創作的控制電路圖。
圖7顯示本創作第二實施例的立體圖。
圖8顯示本創作第二實施例的前視圖。
圖9顯示本創作第二實施例的側視圖。
圖10顯示圖8中B-B斷面的剖視圖。
圖11顯示本創作第二實施例的相關構件分離時的立體圖。
同時參閱圖1-5所示，其顯示本創作第一實施例的飛輪1係由一環體11和一側壁12定義一容置空間13。環體11在相對於該飛輪1的側壁12處，則形成一開放側端。
飛輪1的側壁12具有一軸部121，並通過習知的培林可轉動地結合於一軸心2，該軸心2的另一端結合於一固定座3。飛輪1可機械連結(皮帶或鍊條...等等)於健身車的鍊輪(chain wheel)或大盤，可由使用者施力於健身車的腳踏板而帶動旋轉。
飛輪1的容置空間13中結合一定子定位架4。亦即，定子定位架4係位在該固定座3和飛輪的側壁12之間。定子定位架4定義一外環部41和一內環部42。
一電磁阻力制動裝置5包括一阻力矽鋼構件51、兩個或兩個以上的阻力繞組52、一非導磁金屬環53。為了簡化圖式更利於顯示各構件關係，故在各圖中並未顯示阻力繞組52，僅在圖2中顯示阻力繞組52。
阻力矽鋼構件51係以低碳鋼金屬材料(例如矽鋼構件)所製成。阻力矽鋼構件51的外環面向外凸伸出複數個環列磁極511，並在每一個磁極511繞設兩個或兩個以上的阻力繞組52。阻力矽鋼構件51的中央則形成一中央鏤空區。
非導磁金屬環53係環設在飛輪1的環體11的內環壁，可隨著飛輪1的轉動而旋轉。非導磁金屬環53可以銅、鋁、鑄鐵等材料所製成。
阻力矽鋼構件51在繞設阻力繞組52之後，可嵌置定位於該定子定位架4的外環部41，並使各個磁極端511以一適當的間隙面對於非導磁金屬環53的內環面。
一發電/驅動裝置6包括一發電/驅動矽鋼構件61、複數個發電/驅動繞組62、環列的複數個永久磁石63。為了簡化圖式更利於顯示各構件關係，故在各圖中並未顯示發電/驅動繞組62，僅在圖2中顯示發電/驅動繞組62。
發電/驅動矽鋼構件61的外環面係對應嵌置於電磁阻力制動裝置5的阻力矽鋼構件51的中央鏤空區。故發電/驅動矽鋼構件61的側面實質地與阻力矽鋼構件51是呈同一平面。發電/驅動矽鋼構件61的內環面向內凸伸出環列的複數個磁極611，並在每一個磁極611繞設一發電/驅動繞組62。發電/驅動繞組62可為三相或以上的繞組。
各個永久磁石63係環列在飛輪1的軸部121的外環面，並以一適當的間隙面對該發電/驅動矽鋼構件61的環列磁極611。
發電/驅動矽鋼構件61在繞設發電/驅動繞組62之後，可嵌置定位於該定子定位架4的內環部42，並使各個磁極611以一適當的間隙面對於永久磁石63的外環面。
圖6顯示本創作的控制電路圖。本創作的控制電路7包括一處理單元71；一發電整流濾波電路72，連接於該發電/驅動裝置6，將該發電/驅動裝置6所產生的電能予以整流濾波產生一電源73。一驅動電路74連接於該處理單元71和該電源73，在該處理單元71控制下，將該電源73供應至該電磁阻力制動裝置5，使該電磁阻力制動裝置5施加阻力於飛輪1。一儲能裝置75連接於該電源73，可由電源73向該儲能裝置75進行充電。
控制電路7中可包括一速度信號感測單元76，連接於該處理單元71和該發電/驅動裝置6，用以感測該發電/驅動裝置6的至少一速度信號並傳送至該處理單元71。此外，該控制電路7更可包括一回授電路77，連接於該處理單元71和 該電磁阻力制動裝置5，用以感測該電磁阻力制動裝置5的至少一回授信號並傳送至該處理單元71。
基於本創作的設計，當飛輪1受一外力而轉動時，此時本創作係工作於阻力發電模式。該發電/驅動裝置6受該飛輪1的旋轉而轉動而由該複數個發電/驅動繞組62產生電能，該電能經本創作的控制電路供應至電磁阻力制動裝置5的兩個或兩個以上的阻力繞組52，由該電磁阻力制動裝置5施加阻力於該飛輪1。
當一工作電能(例如由儲能裝置75或一外部電源的電能)供應至該發電/驅動裝置6的該複數個發電/驅動繞組62時，此時本創作係工作於電動機模式。該複數個發電/驅動繞組62電磁耦合於該複數個永久磁石63，進而驅動該飛輪1轉動。
同時參閱圖7-11所示，其分別顯示本創作第二實施例的立體圖、前視圖、側視圖、剖視圖和相關構件分離時的立體圖。本實施例的組成構件與第一實施例大致相同，故相同元件乃標示相同的元件編號，以資對應。在本實施例中，係在飛輪1的側壁12的一側面形成一凸伸部14，並在該凸伸部14的一內環面配置環列的複數個永久磁石83。
本實施例同樣配置一定子定位架4、一電磁阻力制動裝置5、一非導磁金屬環53。然而，本實施例的發電/驅動裝置8在定位在該定子定位架4的內環部42時，則是位在飛輪1的凸伸部14中，且該發電/驅動裝置的發電/驅動矽鋼構件81的外環面係向外凸伸出環列的複數個磁極811，該複數個磁極811係對應於位在該凸伸部14的一內環面的複數個永久磁石83，且該複數個磁極811則繞設複數個發電/驅動繞組82。本實施例同樣適用於圖6所示的控制電路。
本實施例中，當飛輪1受一外力而轉動時，此時本創作係工作於阻力發電模式。該發電/驅動裝置8受該飛輪1的旋轉而轉動而由該複數個發電/驅動繞組82產生電能，該電能經控制電路供應至電磁阻力制動裝置5的兩個或兩個以上的阻力繞組52，由該電磁阻力制動裝置5施加阻力於該飛輪1。
當一工作電能(例如由儲能裝置75或一外部電源的電能)供應至該發電/驅動裝置8的該複數個發電/驅動繞組82時，此時本創作係工作於電動機模式。該複數個發電/驅動繞組82電磁耦合於該複數個永久磁石83，進而驅動該飛輪1轉動。
以上所舉實施例僅係用以說明本創作，並非用以限制本創作之範圍，凡其他未脫離本創作所揭示之精神下而完成的等效修飾或置換，均應包含於後述申請專利範圍內。
1:飛輪
11:環體
12:側壁
121:軸部
13:容置空間
2:軸心
3:固定座
4:定子定位架
41:外環部
42:內環部
5:電磁阻力制動裝置
51:阻力矽鋼構件
511:磁極
53:非導磁金屬環
6:發電/驅動裝置
61:發電/驅動矽鋼構件
611:磁極
63:永久磁石

Claims (10)

  1. 一種內嵌式飛輪阻力驅動整合裝置，包括：一飛輪，包括一環體、一側壁和一軸部，其中該軸部的一外環面配置環列的複數個永久磁石；一定子定位架，位在該飛輪的該環體所定義的一容置空間中，且該定子定位架定義一外環部和一內環部；一電磁阻力制動裝置，定位在該定子定位架的該外環部，該電磁阻力制動裝置包括一阻力矽鋼構件，其外環面係向外凸伸出環列的複數個磁極，供繞設兩個或兩個以上的阻力繞組；一發電/驅動裝置，定位在該定子定位架的該內環部且位在該阻力矽鋼構件所定義的一中央鏤空區，該發電/驅動裝置包括一發電/驅動矽鋼構件，其內環面向內凸伸出環列的複數個磁極，該複數個磁極係對應於該複數個永久磁石，且供繞設複數個發電/驅動繞組；其中，當該飛輪受一外力而轉動時，該發電/驅動裝置受該飛輪的旋轉而轉動而由該複數個發電/驅動繞組產生電能，該電能經一控制電路供應至該電磁阻力制動裝置的該阻力繞組，由該電磁阻力制動裝置施加一阻力於該飛輪；當一工作電能供應至該發電/驅動裝置的該複數個發電/驅動繞組時，該複數個發電/驅動繞組電磁耦合於該複數個永久磁石，進而驅動該飛輪轉動。
  2. 依據請求項1所述之內嵌式飛輪阻力驅動整合裝置，其中該飛輪的該環體的一內環壁更設置一非導磁金屬環，對應於該阻力矽鋼構件的該複數個磁極。
  3. 依據請求項1所述之內嵌式飛輪阻力驅動整合裝置，其中該控制電路包括：一處理單元； 一發電整流濾波電路，連接於該發電/驅動裝置，將該發電/驅動裝置所產生的該電能予以整流濾波產生一電源；一驅動電路，連接於該處理單元和該電源，在該處理單元控制下，將該電源供應至該電磁阻力制動裝置，使該電磁阻力制動裝置施加該阻力於該飛輪；一儲能裝置，連接於該電源，可由該電源進行充電。
  4. 依據請求項3所述之內嵌式飛輪阻力驅動整合裝置，該控制電路更包括一速度信號感測單元，連接於該處理單元和該發電/驅動裝置，用以感測該發電/驅動裝置的至少一速度信號並傳送至該處理單元。
  5. 依據請求項3所述之內嵌式飛輪阻力驅動整合裝置，該控制電路更包括一回授電路，連接於該處理單元和該電磁阻力制動裝置，用以感測該電磁阻力制動裝置的至少一回授信號並傳送至該處理單元。
  6. 一種內嵌式飛輪阻力驅動整合裝置，包括：一飛輪，包括一環體、一側壁和一軸部，且該側壁的一側面形成一凸伸部，並在該凸伸部的一內環面配置環列的複數個永久磁石；一定子定位架，位在該飛輪的該環體所定義的一容置空間中，且該定子定位架定義一外環部和一內環部；一電磁阻力制動裝置，定位在該定子定位架的該外環部，該電磁阻力制動裝置包括一阻力矽鋼構件，其外環面係向外凸伸出環列的複數個磁極，並在該複數個磁極繞設兩個或兩個以上的阻力繞組；一發電/驅動裝置，定位在該定子定位架的該內環部且位在該凸伸部，該發電/驅動裝置包括一發電/驅動矽鋼構件，其外環面向外凸伸出環列的複數個磁極，該複數個磁極係對應於該複數個永久磁石，且供繞設複數個發電/驅動繞組； 其中，當該飛輪受一外力而轉動時，該發電/驅動裝置受該飛輪的旋轉而轉動而由該複數個發電/驅動繞組產生電能，該電能經一控制電路供應至該電磁阻力制動裝置的該阻力繞組，由該電磁阻力制動裝置施加一阻力於該飛輪；當一工作電能供應至該發電/驅動裝置的該複數個發電/驅動繞組時，該複數個發電/驅動繞組電磁耦合於該複數個永久磁石，進而驅動該飛輪轉動。
  7. 依據請求項6所述之內嵌式飛輪阻力驅動整合裝置，其中該飛輪的該環體的一內環壁更設置一非導磁金屬環，對應於該阻力矽鋼構件的該複數個磁極。
  8. 依據請求項6所述之內嵌式飛輪阻力驅動整合裝置，其中該控制電路包括：一處理單元；一發電整流濾波電路，連接於該發電/驅動裝置，將該發電/驅動裝置所產生的該電能予以整流濾波產生一電源；一驅動電路，連接於該處理單元和該電源，在該處理單元控制下，將該電源供應至該電磁阻力制動裝置，使該電磁阻力制動裝置施加該阻力於該飛輪；一儲能裝置，連接於該電源，可由該電源進行充電。
  9. 依據請求項8所述之內嵌式飛輪阻力驅動整合裝置，該控制電路更包括一速度信號感測單元，連接於該處理單元和該發電/驅動裝置，用以感測該發電/驅動裝置的至少一速度信號並傳送至該處理單元。
  10. 依據請求項8所述之內嵌式飛輪阻力驅動整合裝置，該控制電路更包括一回授電路，連接於該處理單元和該電磁阻力制動裝置，用以感測該電磁阻力制動裝置的至少一回授信號並傳送至該處理單元。
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