具发电功能的电子式健身装置.pdf

一种具发电功能的电子式健身装置，包括一健身器本体、一发电单元、一蓄电单元及一充电单元。健身器本体具有一动作部以供使用者进行健身操作；发电单元可以将动作部的动作产生的动能转换为一发电电压；蓄电单元具有至少一磁性电容且输出一蓄电电压；充电单元耦接于发电单元与蓄电单元之间，其使用发电电压来对该蓄电单元进行充电。

1、  一种具发电功能的电子式健身装置，其特征在于，包括：
一健身器本体，具有一动作部；
一发电单元，将该动作部的动作产生的动能转换为一发电电压；
一蓄电单元，具有至少一磁性电容，并用以输出一蓄电电压；以及
一充电单元，耦接于该发电单元与该蓄电单元之间，用以通过该发电电压来对该蓄电单元进行充电。

2、  根据权利要求1所述的具发电功能的电子式健身装置，其特征在于，其中该磁性电容包括：
一第一磁性电极；
一第二磁性电极；以及
一介电层，设置于该第一磁性电极与该第二磁性电极之间；
其中该介电层用以储存电能，以及该第一磁性电极与该第二磁性电极分别具有多个磁偶极以避免储存于该介电层中的电能漏电。

3、  根据权利要求2所述的具发电功能的电子式健身装置，其特征在于，其中该第一磁性电极包括：
一第一磁性层；
一第二磁性层；以及
一第一隔离层，包含有非磁性材料，设置于该第一磁性层与该第二磁性层之间。

4、  根据权利要求1所述的具发电功能的电子式健身装置，其特征在于，其中该第二磁性电极包括：
一第三磁性层；
一第四磁性层；以及
一第二隔离层，包含有非磁性材料，设置于该第三磁性层与该第四磁性层之间。

5、  根据权利要求1所述的具发电功能的电子式健身装置，其特征在于，其中该健身器本体为健身脚踏车、健身跑步机、回转式健身器或交叉式健身器。

6、  根据权利要求1所述的具发电功能的电子式健身装置，其特征在于，还包括：
一放电单元，耦接于该蓄电单元；
一负载单元，耦接于该放电单元，并用以接收该放电单元放电输出的电力。

7、  根据权利要求6所述的具发电功能的电子式健身装置，其特征在于，其中该负载单元为一显示单元，该显示单元用以显示该健身器本体的状态讯息。

8、  根据权利要求6所述的具发电功能的电子式健身装置，其特征在于，其中该负载单元为一致动单元，该致动单元用以提供一运转动力输出给该健身器本体。

9、  根据权利要求8所述的具发电功能的电子式健身装置，其特征在于，其中该致动单元为一马达致动单元。

具发电功能的电子式健身装置
技术领域
本发明涉及一种健身器材，特别涉及一种具有发电功能的电子式健身装置。
背景技术
对于繁忙的上班族或是现代人而言，常因时间不足而无法到户外进行运动，因此往往导致人员身体的健康欠佳或是体力下滑。故目前市面上所推出的各种健身器材，即因应此一需求而可以供人员无需到户外，而只要在室内即可进行适当的体能运动。
健身器材主要的功能在于提供人员可以进行运动使用，且根据健身器材功能性的不同而可以供人体的各种部位都可得到充分的运动。例如以健身脚踏车或健身跑步机而言，即可供人体的脚部以采脚踏车或跑步的方式而达到运动健身效果。
而目前的健身器材根据其体积可概略分为大型及小型两种态样，且健身器材根据操作或功能上的需求也已有结合相关电子设施的需求，例如健身跑步机内部可设置有马达以供提供人员跑步时使用，亦或健身器材也可整合有显示面板，以供显示人员在此健身器材所进行相关运动的讯息。因此基于上述健身器材已有结合相关电子设施的考虑，故必须对其提供电源以供这些电子设施使用，而以目前提供电源给健身器材主要有如下几种方式：对大型健身器材而言是直接提供市电，而对小型健身器材而言则是可以通过干电池来提供电源。
然而对于健身器材而言，其在供人员操作使用时会产生动能，而此动能目前并未妥善利用，故实为可惜，特别是对于整合有电子设施的健身器材而言，由于其电子设施运作时需要电力，因此如何让健身器材所产生的动能可以运用结合在供电子设施使用，已是一个有待解决的课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，在于提供一种具发电功能的电子式健身装置，以进一步将健身装置产生的动能转换为电能，且将电能储存于一体积小、电量储存密度高、不受充放电次数限制的一能量储存组件，并由此电能储存组件来作为一电源供使用，以解决现有健身器材的问题。
为了解决上述技术问题，根据本发明的一种方案，提供一种具发电功能的电子式健身装置，包括：一健身器本体、一发电单元、一蓄电单元及一充电单元。其中健身器本体是具有一动作部，且此动作部因动作所产生的动能是通过发电单元转换为一发电电压；而蓄电单元是具有至少一磁性电容，且可用以输出一蓄电电压；充电单元耦接于发电单元与蓄电单元之间，主要是利用发电电压来对蓄电单元进行充电。
在本发明的实施例中，磁性电容包括：一第一磁性电极、一第二磁性电极及一介电层，其中介电层是设置于第一磁性电极与第二磁性电极之间，且介电层是用以储存电能，以及第一磁性电极与第二磁性电极是分别具有多个磁偶极以避免储存于介电层中的电能漏电。
在本发明的实施例中，还包括：一放电单元及一负载单元，其中放电单元耦接于蓄电单元，负载单元耦接于放电单元，并用以接收放电单元放电输出的电力。
因此通过上述实施方式，健身装置可通过发电方式来使其产生的动能能转换成电能供使用，且使用磁性电容作为蓄电单元中的能量储存组件来储存此电能，以避免现有铅酸电池体积、重量过大的问题或是锂电池具有充放电次数限制的问题。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明实施例的一具发电功能的电子式健身装置的立体示意图；
图2为本发明实施例的一具发电功能的电子式健身装置的功能方块图；
图3为本发明蓄电单元的示意图；
图4为本发明实施例的一磁性电容的示意图；
图5为本发明另一实施例的一磁性电容的示意图；以及
图6为将磁性电容与其它能量储存媒介作比较的示意图。
其中，附图标记
1电子式健身装置
10健身器本体       101动作部
12发电单元         14充电单元
16蓄电单元         161蓄电组件
18放电单元         19负载单元
2磁性电容
20介电层           22第一磁性电极
24第二磁性电极     26、28磁偶极
3磁性电容
30介电层           31、33磁偶极
32第一磁性电极
320第一隔离层      322第一磁性层
324第二磁性层
34第二磁性电极
340第二隔离层      342第三磁性层
344第四磁性层
35、36磁偶极
具体实施方式
本发明提供一种具发电功能的电子式健身装置，主要是通过发电方式将健身装置因使用者操作所产生的动能转换成电能且加以储存在能量储存组件，且本发明采用的能量储存组件是可不受充放电次数限制的磁性电容(MagneticCapacitor)。在此本发明所指的磁性电容相较于一般电容是由上、下电极处形成的磁场，来抑制漏电流，以达大幅提升能量储存密度及具高功率输出的效果，且由于磁性电容并非以化学能的方式储存电能，故具有不受充放电次数的限制。
接下来请参阅图1，其为本发明实施例的一具发电功能的电子式健身装置的立体示意图。本实施例所述的具发电功能的电子式健身装置1(以下简称健身装置)于一健身器本体10中设置有电器组件，而可以使健身器本体10具有发电及蓄电的功能操作，且蓄电所储存的电力可供健身装置1本身使用。
复参阅图1，健身器本体10具有一动作部101，此动作部101是指供使用者通过操作而达到健身及运动的相关部件而言。而本实施例的健身器本体10以健身脚踏车作举例说明，故此动作部101是指可供使用者脚踏的飞轮部件，且此动作部101可以在作动时连带对一发电单元12进行发电，以使发电单元12可以将动作部101动作产生的动能转换为一发电电压输出，并且通过一蓄电单元16来对此发电电压进行蓄电。而至于动作部101与发电单元12之间如何带动的技术特征属于本领域技术人员所熟知的技术，故在此不予已叙述。
接下来为了清楚说明健身装置1组成及动作方式，请参阅图2，其为本发明实施例的一具发电功能的电子式健身装置的功能方块图，并请同时配合参考图1。健身装置1包括有一健身器本体10、一发电单元12、一充电单元14、一蓄电单元16、一放电单元18及一负载单元19。健身器本体10中的动作部101可于动作时通过带动件(图略)的方式而来同步带动发电单元12进行发电。充电单元14耦接于发电单元12的输出端，可以将发电单元12发电产生的发电电压作为蓄电单元16的充电电压使用。蓄电单元16耦接于充电单元14的输出端，可以对充电单元14输出的发电电压进行蓄电。放电单元18耦接于蓄电单元16的输出端，可以用来对蓄电单元16所储存的电力进行放电。负载单元19耦接于放电单元18与动作部101，可用来接收蓄电单元16放电输出的电力，且可接收动作部101动作产生的讯息，以使负载单元19中的相关电子设备可以得到供电电压而工作，而本实施例所指的负载单元19以显示单元做举例说明(如图1所示)，而此显示单元可以用来显示此健身器本体10的相关讯息，例如可以为动作部101的操作次数及时间或是其它可供显示的讯息。
前述发电单元12的实施可以为直流发电机或是交流发电机，若是发电单元12为交流发电机则可以进一步在其输出端耦接一交/直流转换器(图略)，以供可以提供直流电源给后端使用。而此交/直流转换器则是可以整合设计于发电单元12或是充电单元14之中，而关于此技术的实施是属于本领域技术人员所熟知的技术，故在此不予已详述。
接下来继续说明蓄电单元16的构成方式及其技术特点，并请参阅图3，并一并参阅图1及图2，蓄电单元16在本实施例中对负载单元19提供供电来源，而蓄电单元16中由多个蓄电组件161以串联及/或并联的方式来提供一蓄电电压，而此蓄电组件161的数量及连接方式并不以图3所示为限，蓄电单元16中的蓄电组件161可以是一个或是一个以上，蓄电组件161的数量是取决于负载单元19端所需电源来决定。
前述蓄电单元16中的蓄电组件161采用磁性电容来实施，接下来将具体说明磁性电容的构成，并请参阅图4，其为本发明实施例的一磁性电容示意图。如图4所示磁性电容2(magnetic capacitor)包括一介电层20、一第一磁性电极22及一第二磁性电极24，其中介电层20设置于第一磁性电极22与第二磁性电极24之间，以于在第一磁性电极22与第二磁性电极24处累积电荷以储存电位能，且第一磁性电极22与第二磁性电极24由具有磁性导电材料所构成，并可由对第一磁性电极22与第二磁性电极24外加电场进行磁化，而使第一磁性电极22与第二磁性电极24内分别形成磁偶极(magnetic dipole)26、28，如此可以在磁性电容2中构成一磁场而来对带电粒子的移动造成影响，因此使得磁性电容2中的介电层20可以用来储存电能及由磁偶极26、28形成的磁场来避免电能漏电。
前述第一磁性电极22与第二磁性电极24的材质可以为稀土元素，介电层20由氧化钛(TiO3)、氧化钡钛(BaTiO3)或一半导体层，例如氧化硅(silicon oxide)所构成，然而本发明并不限于此，第一磁性电极22、第二磁性电极24与介电层20均可视产品的需求而选用适当的其它材料。另外图4中第一磁性电极22与第二磁性电极24中的箭头用来表示磁偶极26、28，磁偶极26、28实际上由多个整齐排列的微小磁偶极所叠加成，然而对于本领域技术人员而言，本实施例对于磁偶极26、28的形成方向并无限定，如可以指向同一方向或不同方向。
根据前述说明，前述图4所示的磁性电容2，其原理主要是利用第一磁性电极22与第二磁性电极24中整齐排列的磁偶极26、28来形成磁场，以使得介电层20中储存的电荷朝同一自旋方向转动，而进行整齐且紧密的排列，因此在介电层20中即可以容纳更多的电荷，进而增加磁性电容2的电能储存密度。由于现有电容中，电容值C由电容的面积A、介电层的介质常数ε₀ε_r及厚度d决定，如下公式(一)，因此模拟于现有电容，本实施例的磁性电容2相当于由磁场的作用来改变介电层的介电常数，故而造成电容值的大幅提升。
C=ϵ0ϵrAd]]>………公式(一)
在此要特别强调，本实施例的磁性电容2储存的能量全部以电位能的方式进行储存，相较于主要以化学能储存的其它能量储存媒介(例如传统电池或超级电容)，本实施例所述的磁性电容2除了具有可匹配的能量储存密度外，更因充分保有电容的特性，而具有寿命长(高充放电次数)、无记忆效应、可进行高功率输出、快速充放电等特点，故可有效解决当前电池所遇到的各种问题。且由于现有储能组件多半以化学能的方式进行储存，因此都需要有一定的尺寸，否则往往会造成效率的大幅下降。相较于此，本实施例的磁性电容2以电位能的方式进行储存，且因所使用的材料可适用于半导体工艺，故可由适当的半导体工艺来形成磁性电容2以及周边电路连接，进而缩小磁性电容2的体积与重量，由于此制作方法可使用一般半导体工艺，其应为本领域技术人员所熟知，故在此不予赘述。
请参阅图5，其为本发明另一实施例的一磁性电容的示意图。磁性电容3包括一介电层30、一第一磁性电极32与一第二磁性电极34，其中介电层30设置于第一磁性电极32与第二磁性电极34之间。第一磁性电极32还包括有一第一隔离层320、一第一磁性层322及一第二磁性层324，第一隔离层320是设置于第一磁性层322与第二磁性层324之间。第二磁性电极34还包括一第二隔离层340、一第三磁性层342及一第四磁性层344，第二隔离层340是设置于第三磁性层342与第四磁性层344之间。第一隔离层320与第二隔离层340均是由非磁性材料所构成。
图5所示的磁性电容3的操作原理与图4所示的磁性电容2相同，一样是通过外加电场于第一磁性层322、第二磁性层324、第三磁性层342与第四磁性层344，而使第一磁性层322、第二磁性层324、第三磁性层342与第四磁性层344中分别形成磁偶极(magnetic dipole)31、33、35、36。因此磁性电容3在磁化过程中，可以由不同的外加电场，例如使第一磁性层322与第二磁性层324中的磁偶极31、33分别具有不同的方向，以及使第三磁性层342与第四磁性层344中的磁偶极35、36分别具有不同的方向，如此能进一步抑制磁性电容3的漏电流。同样本实施例对于磁偶极31、33、35、36的形成方向并无限定，如可以指向同一方向或不同方向。
在此特别强调，前述的第一磁性电极32及第二磁性电极34的结构并不限于前述的三层结构，而可以类似的方式，以多个磁性层与非磁性层不断交错堆栈，再由各磁性层内磁偶极方向的调整来进一步抑制磁性电容3的漏电流，以达到几乎无漏电流的效果。
再者为了更突显本发明所述的磁性电容具有高能量储存密度，请参阅图6所示，其主要是将磁性电容与其它能量储存媒介的作比较，从图6中可以清楚得知磁性电容相对于一般电容(Capacitors)、电化学超级电容(electrochemicalsupercapacitors)、电池(Batteries)、燃料电池(fuel cells)是具有较佳的能量储存密度，并由此磁性电容的技术特点，而得以让本发明的健身装置1的蓄电单元16可以具有高功率输出、快速充放电及不具充放电次数限制的技术效果。
因此经由前述实施例说明，当可知悉本发明主要是将健身器本体10运动所产生的动能转换为电能储存于蓄电单元16，以供健身装置1中的负载单元19可以从蓄电单元16得到供电来源而工作。且值得一提的是本发明中的蓄电单元16是使用磁性电容作为能量储存组件，而经由前述对磁性电容的完整说明，磁性电容是具有不受充放电次数的限制，因此将使得蓄电单元16的使用寿命可以大为延长，而不受健身器本体10重复不断被操作使用的次数所影响，且也能避免若使用传统铅酸电池或锂电池作为蓄电单元使用时所产生体积、重量过大的问题或是具有充放电次数限制的问题。故整体而言健身装置1将可以对其中的负载单元19提供可靠且持久的电源供应。
另外前述实施例的说明虽然是以健身脚踏车来举例说明健身器本体10，但凡是可以通过健身器本体10中的至少一动作部101的动作而能顺利带动发电单元12的发电者，皆是可以本发明的保护范围，例如健身器本体10也可以是健身跑步机、回转式健身器、交叉式健身器，而其中回转式健身器及交叉式健身器中的动作部是指供使用者通过身体的某一部位来相对进行回转或是交叉式的运动健身。
此外前述负载单元19亦可以是提供运转动力输出的致动单元，例如当健身装置1是健身跑步机，此致动单元可以是属于马达致动单元以供控制人员跑步时的速度。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。