Велосипедную динамовтулку можно с успехом использовать в качестве низкооборотного генератора для самодельных ветряков и других подобных устройств. В статье показано внутреннее устройство динамовтулки. Приведены её выходные характеристики.
Поделиться этой страницей в:
Данная статья написана на основе материалов форума . Основной интерес представляет именно конструкция динамовтулки как низкооборотного генератора, пригодного для использования в мобильной энергетике.
Заодно, эта конструкция полнее раскрывает тему генератора с когтеобразными полюсами, который был представлен ранее в статье "".
Итак, ниже перепечатка форума. __________________________________________
Решился таки я на покупку динамовтулки. По большей части из-за любопытства, а не из острой необходимости. Сначала долго думал и выбирал. На момент покупки было три варианта:
1 - (ну или другую, аналогичную из шимановских); ; плюсы: неплохая грязезащита (если судить по взрыв-схеме), провереный брэнд, много мануалов; минусы: судя по той же с правой стороны насыпной подшипник, слева - пром, такая конструкция мне не внушает доверия; крепление тормозного диска Center Lock, а у меня уже стоят Avid под 6 болтов; судя по картинкам в разделе "Connection of the cables" создаётся впечатление что один из полюсов динамки электрически соединён с корпусом втулки и, следовательно велосипеда, а это прямой путь к электрохимической коррозии (эти выводы я сделал исключительно по схемам из мануала и не могу точно сказать так ли это на самом деле)
2 - ; (реально меньше из-за того, что немцы возвращают 19%-ный европейский НДС, мне обошлась в 2900 руб); плюсы: крепление тормозного диска на 6 болтов; на некоторых зарубежных форумах читал что она лучше шиманы; позиционируется для спорта; минусы: мало мануалов, взрыв-схемы не найдёшь
3 - ; ; плюсы: прочная (есть модели для тандемов); отличная защита от грязи (по заявлениям производителя); огромный ресурс, вобщем отличный выбор для туризма; минусы: только один - цена.
Я сделал свой выбор в пользу SRAM i-LIGHT. Приобрёл её в немецком интернет-магазине . Доставка недорогая (10EUR), возвращают VAT (НДС в Евросоюзе), оплата по банковской карте (у меня MasterCard Сбербанка РФ) за перевод денег берётся фиксированная плата в 5EUR, так что покупать дешёвые компоненты по одному не выгодно.
Когда пришли втулки (2шт), после вскрытия посылки был сильно разочарован: одна из них была повреждена видимо сильным ударом. То ли её уронили на что-то твёрдое, то ли на неё что-то упало. Повреждения не критичные, на работу не повлияли, но вот к работникам почты теперь у меня камень запазухой. Ведь они знали - я то думаю: чего это они так на меня с подозрением смотрят, дали самому вскрыть запечатанный мешок, а затем пихнули какую-то пустую бумажку и попросили расписаться и число поставить. Я - лох доверчивый конечно нацарапал на ней свою фамилию и ещё недоумевал, что это за новые процедуры при получении, при заказе из Китая такого нет. Ну теперь умнее буду. Это я потом, уже дома увидел на коробке приклеенную бумажку со штампом что содержимое не соответствует описи, не хватает кое чего.
Посмотрел, и действительно не хватает - эксцентрика для одной из втулок. Решил на эту тему написать немцам, мол так и так, зла на вас не держу, в следующий раз прошу упаковывать мои весчи более тщательно. И, о чудо, приходит ответ: благодарность за понимание и неконфликтность и какой-то "ваучер" на 20EUR. Я думаю что это скидка на следующую покупку, а спрашивать как-то неловко, подумают что я деньги клянчу. Втулку без экcцентрика согласился взять Дмитрий (DMP), а мне досталась с треснутым пластиком, всё равно я собирался её разбирать.
Итак, что же у неё внутри?
При снятии пыльника со стороны тормозного диска перед нашим взором предстаёт промподшипник типоразмера 6000-2RS (российский аналог 180100). Немного порылся в инете и ... , в БайкМастере по 100 рублей за штуку. Значит если что случиться, то всегда можно купить новый и заменить, а не покупать новую втулку.
Препарируем дальше. Сняв пластмассовую крышечку с контактного блока видим печатную плату с двумя дорожками и двумя пайками. Значит ни один из полюсов на корпус не замыкается - это хорошо.
Что дальше? Предположительно из корпуса втулки вывинчивается катушка статора, как показано в .
Под чёрной наклейкой я отыскал пазы под ключ. Ключа, естественно, у меня нет и я попробовал использовать вместо ключа пассатижи с узкими концами (перед этим я свинтил все гайки на центральной оси). Но открутить не получилось - затянуто туго. Я решил заспицевать эту втулку в обод, это даст нужный рычаг чтобы свернуть выкручивающуюся часть. Спицевал в магазине Велозапас (что на Сквере Мира), красиво получилось: чёрный обод, чёрные спицы и серебряная втулка.
Только зажав обод коленями мне удалось свернуть эту часть втулки пассатижами, зажатыми в тисках. Подшипники на центральной оси запрессованы слабо и ось со стороны тормозного диска запросто выбивается лёгкими ударами киянки вместе с обмоткой статора.
Если быть точным, это не только обмотка статора, но и ротор, который вкучивается в корпус втулки и образует с ним единое, вращающееся вокруг обмотки статора, тело.
Внутри тела втулки ничего нет, только следы качественной токарной обработки.
Чтобы отделить статор от ротора и добраться до второго подшипника надо отпаять провода статора от печатной платы, снять её, убрать пластиковый корпус в котором она располагается и небольшим усилием снять ротор вместе с подшипником с оси.
Катушка статора неподвижно закреплена на центральной оси втулки, а ротор с магнитами вращается вокруг катушки вместе с корпусом втулки. Так и происходит выработка электроэнергии в этой динамке, как впрочем и на всех электростанциях мира (солнечные не в счёт).
Сердечник статора имеет хитрую конструкцию. С обоих концов катушки сердечник загибается под 90 град. над катушкой, причём форма у него треугольная.
Сам же сердечник состоит всего из двух относительно толстых пластин, что очень плохо. Как известно, трансформаторы и сердечники электродвигателей набирают из множества изолированых тонких пластин это уменьшает потери в магнитопроводе и повышает КПД устройства. А тут всего две пластины, видимо поэтому и вращать втулку достаточно трудно, даже на холостом ходу, без нагрузки.
С обоих концов катушки располагаются по 18 лепестков...
...а в барабане ротора закреплены 36 магнитов. Отсюда делаем вывод: соседние магниты скорее всего имеют противоположную намагниченность, то есть первый севером вовнутрь, следующий - югом вовнутрь, следующий снова севером вовнутрь и так далее. Ротор занимает такое положение, чтобы каждый из магнитов находился напротив треугольного лепестка сердечника статора. При этом над лепестками одной стороны сердечника располагаются все южные полюса, а над лепестками другой стороны - северные полюса.
Магнитный поток замкнут через сердечник катушки и стальной барабан ротора. Стоит провернуть ротор на один шаг, при этом над теми лепестками, где были южные полюса теперь будут располагаться северные, а над теми, где были северные, будут южные. Магнитный поток через сердечник катушки поменяет направление и в катушке индуцируется ЭДС. Чем быстрее едешь, тем быстрее меняется направление магнитного потока в сердечнике, и тем выше ЭДС.
Я замерил диаметр провода, он равен 0,5 мм то есть сечение ~0,2 кв.мм. Если плотность тока брать из расчёта 2,5 А/кв.мм, то мы как раз имеем заявленные 0,5 А (6 В, 3 Вт). В пике можно взять и 10 А/кв.мм, то есть 2 А, 12 Вт при напряжении 6 В (вопрос выдаст ли она такую мощность или напряжение просядет). И кстати, подшипник с этой стороны другого типоразмера: 6001-2RS, и его тоже можно купить так что проблем быть не должно.
Я промыл подшипники от смазки и заложил свою любимую Liqui Moly LM47. Собственно говоря я и полез внутрь только чтобы заменить смазку в подвижных соединениях. Как показывает практика, та смазка что заложена на заводе изготовителе плохо ходит и быстро изнашивается. В большинстве случаев это технический вазелин.
После удовлетворения своего любопытства и замены смазки я собрал втулку и решил немного поэкспериментировать. И тут открылся ещё один нюанс конструкции. Я подключил ко втулке два провода чтоб посмотреть осциллограммы вырабатываемого напряжения. Подключил я их, как указано в мануале, с помощью зажима хитрой конструкции. И как только я защёлкнул этот коннектор на контакты втулки, снять я их больше никакими способами не мог. Как я не корячился и не кряхтел, эта маленькая штукенция никак не хотела сниматься с втулки.
Мне пришлось снова разобрать этот модуль: открутить гайку, отпаять плату, снять пластиковый корпус, в котором находиться плата, с втулки. И только после этого мне удалось отделить этот корпус от коннектора и то с помощью мощных физических потуг.
А дело оказалось в небольшом замке, расположенном на корпусе (на фотографии указан стрелкой). Этот замок так крепко входит в паз в пристёгивающегося коннектора, что оторвать этот самый коннектор уже не представляется возможным. Я срезал скальпелем этот замок на половину его высоты и попробовал защёлкнуть коннектор. Он опять защёлкнулся, но теперь его хотя бы можно снять, правда тоже с приложением определённых физических нагрузок.
Я хочу сказать, что даже будучи срезанным наполовину высоты этот замок очень прочно удерживает коннектор с проводами. Может на других втулках иначе, но я решил описать этот небольшой косяк с "быстроразъёмным" соединением. А вообще, на будущее я планирую подыскать какой-либо герметичный разъём, подпаять его напрямую к выводам катушки, убрать плату и пластиковые детали.
--------------------------------------------
Ну вот я и попробовал динамовтулку в действии. Никакого уменьшения наката и тем более сопротивления педалированию я не заметил даже под нагрузкой. Может если взять два одинаковых велосипеда, один с динамкой, второй - с обычной втулкой и катанутся сначала на одном, затем сразу на другом, то возможно и ощутишь разницу. Может позже, на больших дистанциях тоже почувствуется, но сейчас я полностью доволен накатом колеса с этой втулкой.
Так как втулка выдаёт на выходе переменное напряжение, то чтобы его "переварить" и запасти в аккумуляторы сначала его надо выпрямить. У меня было два варианта выпрямителей: мостовая схема и схема с удвоением.
Выпрямитель с удвоением напряжения был особенно интересен так как выходное напряжение генератора 6В, а большинство девайсов для зарядки созданы для работы от бортовой сети автомобиля - 12В. Мостовая схема более надёжна и имеет более высокий КПД, поэтому на ней я хотел проверить нагрузочные характеристики втулки и взять их за отправную точку для сравнения со схемой с удвоением. В обоих выпрямителях я использовал диоды Шоттки для повышения КПД выпрямителя.
Взяв в качестве нагрузки два 10-ватных резистора по 27Ом, я по-быстрому собрал стенд для тестирования и поехал на природу.
Зная точное значение сопротивления резисторов (у меня 27,1Ом и 26,7Ом) и измерив напряжение на них можно рассчитать ток в цепи и мощность, рассеиваемую нагрузкой. Комбинации параллельного и последовательного включения резисторов дают ещё две нагрузки сопротивлением 13,45Ом и 53,8Ом, соответственно.
Мультиметр я засунул в прозрачный чехол для карты от нарульноко кофра, а сам стенд с выпрямителем и нагрузкой положил в кофр. Получилось очень удобно, достаточно немного перевести взгляд от велокомпьютера на мультиметр чтобы считать их параметры.
Все данные представлены в таблицах:
Мостовая схема выпрямителя.
Схема с удвоением напряжения.
Позволю себе немного прокомментировать полученные данные. Во-первых, заявленная мощность (3Вт) выдаётся генератором на скорости 20 км/ч и выше. И чем больше сопротивление нагрузки, тем выше КПД всей системы (меньше ток в цепи, следовательно меньше потери в проводниках и ниже падение на выпрямительных диодах). Из всего этого вытекает одно обстоятельство: средняя скорость большинства велопоходов порядка 15 км/ч, следовательно втулка будет вырабатывать в среднем не более 2Вт электроэнергии.
Если считать что максимально комфортный (для меня) пробег за день 75 км, то есть 5 часов ходового времени получаем 5ч * 2Вт = 10Вт*ч энергии. Не густо, я ожидал большего (хотя чего ждать, можно было сразу посчитать). Это значит что, если сравнивать с NiMH аккумулятором типа АА который в среднем отдаёт при токе разряда 0,2С около 3,2Вт*ч энергии, то динамка равна 3-м аккумуляторам в день.
Ну для GPS-приёмника и телефона хватит, фотик подзарядить то же, если часто вспышкой не пользоваться и не пересматривать отснятое по два раза на день, а вот на велосвет уже нет. В общем надо подумать как увеличить мощность динамки хотя бы ватт до 5-ти при 15 км/ч. Один из вариантов, что приходит в голову, перемотать катушку динамовтулки, сделать её более высоковольтной и заряжать батарею Li-ion аккумуляторов от неё низкими токами. А от этой батареи питать всё остальное: GPS, велосвет, телефонную зарядку.
Во-вторых, схема с удвоением работает хуже, чем обычный мост. Я начал тестирование с нагрузки 53,8Ом и разница между этими схемами выпрямителей была небольшой, причём с ростом скорости почему-то мост "вырабатывал" большее напряжение, чем схема с удвоением. А с ростом мощности нагрузки (уменьшения сопротивления) эта схема перестала нормально работать. При сопротивлении 13,45Ом на всех скоростях мультиметр показывал значение около 3,5В и я подумал что "пробит" один из выпрямительных диодов, поэтому прекратил дальнейшие опыты с этим выпрямителем. Дома "прозвонил" диоды, они оказались целыми, так что это скорее всего особенности данной схемы.
Добавлю сюда ещё один из комментариев форума. ____________________________________________
Спасибо, Денис, за интересную информацию. Собственно, примерно такую ситуацию я и ожидал. Мощность до 3 Вт, не более. Понятно, что отбираемая мощность 2-5 Вт при вырабатываемой байкером мощности 150..200 Вт практически не заметна для него по нагрузке.
Теперь о самом генераторе, точнее о всей собранной тобой системе. Для повышения кпд хорошо бы воспользоваться синхронным выпрямителем на полевиках, но это усложняет схему. Анализ по твоим данным вольт-амперных характеристик на разных скоростях показывает значительную "мягкость", а главное - не сохраняется угол наклона от скорости к скорости. Это означает, что растет внутреннее сопротивление системы. Поскольку обмотка и диоды обладают практически постоянным вн. сопротивлением, следует признать, что это вследствие насыщения магнитной цепи и роста частоты.
Ещё лучше это заметно на скоростной характеристике. Казалось бы, мощность должна расти квадратически от напряжения при постоянной нагрузке, однако мы видим совсем обратную картину - вначале почти линейно, а потом пошло выполаживание. Это и насыщение магнитной цепи и возрастание индуктивных сопротивлений, вследствие повышения частоты напряжения при увеличении скорости. Судя по ходу характеристики, ждать чего-то выдающегося на скоростях выше 25 км/час не стоит.
В реальности, думаю дело будет ещё хуже, т.к. использоваться будет в основном для зарядки, а зарядное устройство имеет свойство "желать" постоянную мощность.
Теперь по поводу каких-либо переделок. Мое мнение - это ничего не даст. Мощность определяется моментом и скоростью P = M * w, [Вт] Электромагнитный момент, а именно он нам нужен M = Ф * I Ф - магнитный поток, определяемый совокупностью свойств магнитной цепи, в т.ч. индукцией магнита и в зазоре. I - ток Индукцию, без кардинальной переделки конструкции магнитных цепей и смены магнитов - не изменить.
Казалось бы, надо увеличивать ток. Это можно сделать либо увеличив напряжение, либо уменьшив сопротивление нагрузки. Но тут вот какое дело. Электрогенератор - это преобразователь механической энергии в электрическую, но кроме того, в нем присутствуют процессы обмена магнитной и электрической энергиями, а медиатором является магнит ( система магнитов ). И вот тут - засада.
У конкретного магнита ( по габаритам, свойствам ) есть свойство - энергия, зависящая от максимальных индукции, коэрцитивной силы и объема магнита. В каком-то смысле - это условная энергия, поскольку извлечь ее из магнита нельзя, но именно она ограничивает "прокачку" электромагнитной энергии через себя. Поэтому увеличивая ток, мы создаем по закону э/м индукции встречный размагничивающий поток и примерно на половине мощности магнита начинается ограничение мощности преобразования.
Так, что никакой перемоткой, изменением числа витков, диаметра провода каких-либо заметных улучшений получить не удастся. Более того, для какой-либо конкретной конструкции генератора существуют т.н. предельные удельные параметры по габаритам, массе, а значит увеличение мощности возможно только путем увеличения габаритов. Либо применение другой конструкции генератора с иными удельными параметрами. Но все равно остается в силе основное энергетическое уравнение электрической машины Мощность P ~ D^2 * B * A ( диаметр, индукция, линейная токовая нагрузка )
На главную
