Генератор, позволяющий получить электрическую энергию благодаря вращению (механической энергии), именуется динамо-машиной. Постоянный ток, ею вырабатываемый, в связи со своими качествами применяется в быту не так часто, как переменный. Все электростанции оснащены гигантскими генераторами переменного тока (альтернаторами). Несмотря на это, динамо-машина остается актуальным приспособлением, которое хорошо служит в некоторых электротехнических областях, например, при зарядке аккумуляторов. Поэтому небольшой генератор, собранный своими руками, всегда найдет себе применение.
Кто изобрел динамо-машину и как она устроена?
В 1831 году английский физик Фарадей обнаружил необычное электромагнитное явление. В медном проводе во время вращения между магнитными полюсами возникало электромагнитное поле. Именно оно возбудило движение электронов по проводнику. На основе исследований физик сформулировал закон электро-магнитной индукции. Проводником служила медная проволока, накрученная на стержень из металла, обладающий магнитным свойством. Когда магнитные частицы в стержне располагались в соответствии с полюсами, он превращался в магнит и притяги-вал к себе металлические предметы. Чтобы намагнитить стержень, можно использовать катушку или постоянный магнит. Эффект возникнет при силь-ном вращении одного электромагнита вокруг другого.
В том же году появился прибор для преобразования электрической энергии в механическую. Первые электродвигатели напоминали паровые машины: только вместо цилиндров устанавливали электромагниты, вместо поршней - металлические якоря.
В 1834 году русский академик Борис Якоби создал первый электродвигатель с вращающимся якорем. Через 4 года академик применил усовершенствованный электромотор на первой в мире моторной лодке. Первый в мире генератор переменного тока был построен Павлом Яблочковым. А поистине революционным стало изобретение другого русского ученого М. Доливо-Довольского - генератор трехфазного тока.
Динамо-машина своими руками, ее элементы
Для того чтобы построить динамо-машину, потребуются такие основные элементы, как корпус, вращающийся якорь, коллектор, щеткодержатель, щетки, медная проволока с изоляцией.
Рассмотрим подготовку каждого элемента в отдельности.
Устройство динамо-машины |
|
| Существуют разные варианты изготовления корпуса. Для него подойдет консервная банка, отрезок трубы (диаметр 100 мм). Во-первых, надо вырезать дно банки и утяжелить корпус. Для этого с внутренней или наружной стороны банки очень плотно в несколько рядов навернем полоску из железа такой же ширины. Затем приклепываем или припаиваем полоску к корпусу. Во-вторых, из жести или железа изготавливаем сердечники для электромагнитов и башмаки для них. Берем полоски жести по ширине корпуса, изгибаем, накладываем друг на друга, скрепляем железной проволокой и припаиваем их по бортам. К отверстиям в корпусе, расположенным напротив друг друга, крепим сердечники. С помощью шурупов приворачиваем корпус к колодке (деревянной или металлической). В корпусе делаем две подшипниковых полоски (латунь или толстая жесть, размер 110х20 мм) и стойку (80х20 мм) для закрепления якоря. Полоски спаиваем крестом, в центре делаем отверстие по диаметру оси. Такое же отверстие в стойке в 10 мм от конца. В отверстия подшипников можно впаять медные трубочки (10-15 мм с диаметром 8 мм). К корпусу первый подшипник припаиваем концами полос, после система выгнется наружу. |
| Изготавливать якорь надо тщательно, так как от него во многом зависит, как будет работать динамо-машина. Можно собрать якорь из жестяных пластин. Толщина всех пластин должна быть равна толщине корпуса (50 мм), при их изготовлении требуется особая точность. Из железа придется вырезать примерно 120 кругов (по 46 мм в диаметре). Каждый круг делим на восемь секторов с помощью циркуля, делаем разметку через центр круга, в центре кругов проводим по две окружности диаметром 8 и 38 мм. На пересечении большой окружности с линиями секторов проводим еще круги по 8 мм. На всех круглых пластинах, там, где расчертили окружности, с точностью просверливаем восемь отверстий по 8 мм. Плотно скрепляем пластины гайками и надеваем на ось, должен получиться якорь с круглыми продольными пазами. Острые углы в пазах закругляем напильником. |
Изготовление коллектора и щеткодержателя
При сборке динамо-машины, в частности коллектора и щеткодержателей, требуется внимание и аккуратность.
| Коллектор можно изготовить из трубки (медь, латунь) или собрать из пластин. Потребуется трубка диаметром 20-25 мм и длиной 25—30 мм, которая распиливается на 4 равные части. В пластинах просверливаются по два двухмиллиметровых отверстия. Затем вырезаем цилиндр (диаметр 20-25 мм, длина 25 мм) из фибры или эбонита, подойдет и сухое дерево. В центре цилиндра делаем отверстие, чтобы он плотно мог войти на ось якоря. Пластинки крепим к цилиндру с помощью мелких шурупов, каждый раз оставляя между ними пространство в 1-2 мм. Можно использовать скрутки из проволоки и изоляционную ленту. Шурупы не должны касаться оси, иначе будет замыкание. Зазоры между пластинами заполняем канифолью. |
|
| Щеткодержатель со щетками применяется для снятия напряжения в коллекторе. Щетки должны выдвигаться и поворачиваться вокруг оси якоря, чтобы менять силу и угол нажима на коллектор. Основание толщиной 10 мм изготовим из фибры, эбонита или пропарафиненного дерева. Просверлим в нем три отверстия, чтобы для двух крайних подошли болты. Берем болты из меди или радиоконтакты по 35 мм. Болтики, закрепляющие щетки, вкручиваем с гайками для зажима. Отверстие в центре должно быть равно диаметру трубки из меди, которая использовалась для первого подшипника в корпусе. Напротив центрального отверстия в торце колодки просверливаем сквозное отверстие и делаем нарезку под крепящий винт. Берем винт (для дерева - шуруп) с прорезью или гранями на головке. Делаем отверстие чуть меньше диаметра винта, вворачиваем винт. Сначала на 2-3 оборота ввернуть, потом вывернуть, повторяя до тех пор, пока он не будет свободно входить на три оборота. Затем точно также винтом обрабатываем следующий проход. Делаем подшипниковую стойку, в верхнем конце которой просверливаем отверстие, вставляем отрезок медной трубки и припаиваем. Щетки можно сделать разными способами, из медных, латунных пластин или приготовить угольные щетки. Это могут быть пластины длиной 40-50 мм с сечением 10-15 мм. На конце щетки просверливаем продолговатое сквозное отверстие длиной 20 мм под болтики. Такое отверстие позволит менять нажим, приближая щетки к коллектору. Крепим щетки шайбами. Чтобы щетки плотно касались коллектора, затачиваем их концы наискось. |
|
Обмотка
Для обмотки будем использовать медную проволоку с бумажной изоляцией сечением 0,5-0,8 мм. Необходимо приобрести полкилограмма проволоки, толщина которой будет влиять на напряжение и силу тока. Например, при обмотке проволокой 0,5 мм будет вырабатываться 25 вольт при силе тока в 1 ампер, если взять проволоку 0,8 - 8 вольт при силе в 3 ампера. Перед началом работ проволоку делим на две части. Для обмотки электромагнита потребуется 450 г провода 0,5 и 60 г для обмотки якоря. Если купили проволоку 0,8, для электромагнита отложим 430 г, а для якоря - 70 г.
Сборка динамо
Динамо-машина своими руками собирается в несколько этапов:
- Для основания подготовим доску размером 150х200 мм, толщиной 30 мм. Просверлим два отверстия с краев кольца электромагнитов.
- Крепим корпус к основанию двумя шурупами так, чтобы электро-магниты расположились на одной горизонтальной линии напротив друг друга.
- К бо-кам корпуса, чтобы он прочно сидел, подкладываем деревянные брусочки и привинчиваем их к основанию.
- Затем через подшипник на корпусе пропускаем свободный конец оси якоря. Вставляем его на место между электромагнитами.
- На подшипник подшипниковой стойки с внутрен-ней стороны надеваем щеткодержатель со щетками и вставляем конец оси якоря с коллектором. На коллектор предварительно должна быть надета толстая металли-ческая шайба или кольцо из проволоки.
- Устанавливаем якорь так, чтобы он при вращении между электромагнитами, не задевал их и находился от них на одном расстоянии. Стойка крепится на основание двумя шурупами.
Регулировка динамо-машины
- Закрепляем щетки так, чтобы они слегка касались коллектора и сильно не затормаживали его вра-щение.
- Проверим правильность соединений, отсутствие обрывов и замыканий. Подключаем к механизму батарею в 15-20 вольт. Если мотор работает, якорь быстро вращается, значит, динамо-машина своими руками собрана правильно.
- После проверки динамо-машину соединяем с при-водом, например от ножной швейной машины. К щеткам присоединяем напря-жение от батареи в 10 вольт, чтобы намагнитить электромагниты. Через минуту батарея должна отключиться, тогда начинаем быстро вращать якорь с помощью привода. К проводам от щеток подключаем вольтметр или лампу в 12 вольт. Если все собрано правильно, вольтметр будет показывать напряжение, а лампочка - накаливаться.
- С помощью равномерного вращения якоря надо слегка повернуть щеткодержатель в сторону вращения якоря, тогда щетки будут меньше искрить и лучше снимать напряжение. Опытным путем отрегулируем установку щеток.
Динамо-машина для велосипеда
Небольшой генератор для велосипеда устанавливается на боковой стенке покрышки. Он позволяет заряжать аккумуляторы мобильников, приемников и других устройств, зажигает фары. Бутылочная динамо-машина называется еще и боковым динамо. При езде покрышка приводит в движение ролик динамо, вращающий электрогенератор.
Для велосипедного генератора можно взять динамо-втулку, динамо-каретку. Подойдет и бесконтактная динамо-машина. Телефон она сможет зарядить вполне успешно.
- Бутылочный генератор во время работы создает сопротивление при езде и требует больше усилий для прокручивания, чем динамо-втулка. Правильная регулировка поможет уменьшить сопротивление.
- Бутылочная динамо-машина для велосипеда изнашивает покрышку в отличие от динамо-втулки.
- При влажности ролик динамо-бутылки возможно будет проскальзывать по покрышке, что существенно снизит количество вырабатываемой энергии.
- Для динамо-втулки не требуется хорошее сцепление и герметизация. Они не издают шума в отличие от динамо-машин.
Эксплуатация динамо-машины для велосипеда
Тщательная установка динамо очень важна, при этом надо учесть угол, высоту и давление. Для запуска велосипедная динамо-машина бутылочного типа перемещается и подсоединяется, а динамо-втулка просто включается вручную или автоматически.
Эксплуатировать динамо надо строго по инструкции.
- Перед тем, как крутить педали, проверяем вольтметр. Он должен показывать напряжение (12-13).
- Выбираем режим низкой мощности, включаем генератор, должна загореться лампочка индикатора.
- Крутим педали, постепенно увеличивая скорость, до включения генератора. Лампочка погасла, на вольтметре значение 13-14. Крутить педали надо быстро, чтобы схема могла поддерживать мощность.
- Вело динамо-машина работает более эффективно при высокой мощности. При тяжелых нагрузках лучше запускать генератор на низкой мощности, а после отключения нагрузки переключить на высокую.
Динамо-зарядник
В полевых условиях всегда пригодится простая «крутилка», динамо-машина для зарядки телефона. Актуальными являются зарядники со встроенным аккумулятором. Встречаются механические зарядники, также не занимающие много места. Многие современные «крутилки» снабжены фонариками.
Данные устройства вполне успешно заряжают мобильные телефоны. Например, при вращении ручки 2-3 оборота в секунду можно получить значение коэффициента от 0.65 до 2.5. Пару минут покрутил и можно говорить по телефону от 2 до 5 минут. Все зависит от модели и условий приема. Ручная динамо-машина не сможет снабжать мощный смартфон с большим дисплеем. Механическая зарядка обеспечит результат в связке с простым телефоном вместе с гарнитурой hands-free.
Зарядка динамо-машина сработает результативно при полностью разрядившемся аккумуляторе, но повысить заряд телефона кручением рукоятки можно только до 50%. Когда аккумулятор разряжен только наполовину, «крутилка» становится бесполезной игрушкой. Если в инструкции указан максимальный ток зарядки - 400 mA с мощностью 2 Вт, то дополнительную энергию выжать не удастся даже при быстром вращении рукоятки.
Мощный генератор своими руками
Мощный генератор электроэнергии можно собрать, используя старый велосипед без восьмерок на заднем колесе. Подойдет 28-дюймовое колесо и передняя звездочка на 52 зуба, но возможны и другие варианты, например, 26-дюймовое и звездочка на 46 зубов. В первую очередь снимаем ненужные детали: переднее колесо, покрышки, переключатель передач, тормоза. Устанавливаем велосипед на подставку.
Генератор должен быть автономным с двумя большими клеммами и одной маленькой. Две большие клеммы соединяем вместе, образуя плюс, а маленькую - с индикаторной лампочкой. Клемму заземления соединяем с корпусом (минус). Чистим генератор, снимаем с него вентилятор охлаждения. Закрепляем генератор на кронштейне за сидением, шпиндель должен находиться снаружи на 10-12 см от обода. Подбираем ремень, желательно зубчатый, окружностью примерно 82 дюйма. Для колес по 26 дюймов подойдут ремни A78, а для 27-дюймовых колес - A80.
Для регулировки натяжения генератора переменного тока используем натяжитель пружинного типа. Ремень не надо затягивать сильно, так как вращающий момент довольно низок. На руль закрепляем вольтметр, выключатель и лампочку. Если в доме есть дети, необходимо защитить движущиеся частям механизма, чтобы исключить возможность травматизма.
Работа динамо-втулки объясняется законом электромагнитной индукции Фарадея . Сводится он к следующему: у вас должно быть (а) магнитное поле и (б) рамка из провода в этом магнитном поле. Теперь, если двигать поле или саму рамку, то в проводе, из которого сделана рамка, наводится электродвижущая сила. Если к проводу теперь подключить нагрузку: резистор, лампочку, фару, конвертер, то потечёт ток, и всё начнёт светиться и работать.Для иллюстрации закона электромагнитной индукции я взял готовый рисунок. Он не про динамо-втулку, а про другой генератор. Но для понимания принципа действия подходит хорошо. Здесь есть постоянный магнит с двумя полюсами N и S. Между полюсами проходят невидимые линии магнитного поля. И прямо в эти линии поля запихали прямоугольную рамку "Armature" из электрического провода. На концах рамки приделаны два металлических кольца "Slip ring". Графитовые щётки "Brush" скользят по кольцам, когда рамку начинают вращать в магнитном поле. Щётки и кольца обеспечивают протекание тока через рамку и резистор нагрузки "Load".
Со стороны магнитного полюса рамка будет выглядеть неодинаково, как будто у неё меняется площадь, если её вращать. Эта переменная площадь называется "площадь проекции контура рамки на поверхность, перпендикулярную линиям магнитного поля". Ну, или просто "площадь проекции". Во время вращения рамка будет подставляться линиям магнитного поля разными сторонами. От площади проекции зависит величина тока. От того, какой стороной повернётся рамка, зависит направление тока.
Если сделать много оборотов рамки в магнитном поле, потечёт переменный ток. Переменный - это не просто больше или меньше, а ещё и меняющий направление. И магическим образом все эти изменения описываются формулой синуса. Ток оказывается синусоидальным.
Линии магнитного поля направлены от одного полюса к другому. Вращаем рамку. Если мы посмотрим на рамку когда она перпендикулярна линиям магнитного поля, площадь рамки будет максимальна, ток тоже. Вращаем дальше, площадь проекции становится меньше, ток меньше. В момент, когда рамка параллельна линиям магнитного поля ток в ней нулевой. Вращаем дальше - ток меняет направление. Вращаем дальше площадь проекции увеличивается, увеличивается величина тока. И так далее.
Лучше один раз увидеть. :)
Некоторые из вас помнят, что у переменного тока есть такой параметр, как частота. Это как часто ток меняет своё направление. Сколько раз в секунду. Измеряется эта частота в Герцах.
В рассмотренном случае у нас два полюса магнита и за один оборот рамки на 360 градусов ток сменит направление один раз. Если мы провернём рамку на 360 градусов за 1 с, получим частоту нашего тока 1 Гц. Если за 1 секунду сделаем 2 полных оборота на 360 градусов, то получим 2 Гц. Если сделаем 10 оборотов, то 10 Гц. И так далее. Чем быстрее крутим рамку, тем выше частота. Это один из ключевых моментов работы динамо-втулки. Частота переменного тока, который она выдаёт, будет зависеть от вашей скорости и от того, сколько оборотов колесо делает в секунду.
Если у вас низкая скорость и всего пара магнитных полюсов, может получиться очень низкая частота. Настолько низкая, что электроника откажется нормально работать. Фара будет мерзко мерцать, а конвертер перестанет заряжать смартфон.
Поэтому в велосипедных генераторных втулках стремятся увеличить количество полюсов. Если добавить к нашему примеру ещё одну пару полюсов, частота увеличится в два раза.
Увеличение пар полюсов позволяет решить ещё одну проблему. При вращении в магнитном поле по проводнику протекает ток. Этот ток создаёт вокруг себя ещё одно магнитное поле. Это появившееся магнитное поле по правилу Ленца препятствует вращению, которое его вызывает. Ну, нет ничего бесплатного. Возникающий ток и магнитное поле вокруг провода вас постараются притормозить. Если пара полюсов только одна, то это препятствие вращению будет проявляться в виде рывка и будет проявляться вибрациями втулки при езде. Поэтому полюсов делают много, вращение более равномерное, вибраций нет. К тому же, много пар позволяет расположить магниты ближе, плотность магнитного поля будет выше, можно получить больше мощность втулки.
Конструкция
В реальных динамо-втулках пар полюсов просто дофига. Вот, например одна из топовых втулок компании Schmidt Maschinenbau.
И все эти магниты со своими полюсами расположены на корпусе втулки. Проводник, через который проходят линии магнитного поля, расположен на оси. Ось втулки неподвижна и закреплена в велосипедной вилке. Соответственно, неподвижна и рамка электрического проводника. А вращается в этой системе только корпус втулки, к которому через фланцы и спицы приделан обод с покрышкой. Вот, собственно, основное отличие от рассмотренного выше принципа электромагнитной индукции. Там вращали проводник, а тут вращают магнитное поле. Результат одинаковый. Зато неподвижный проводник на оси втулки позволяет получить более простую и надёжную конструкцию втулки, которая не требует обслуживания и замены щёток.
На слайде заметны треугольные блестящие фиговины, а рамку проводника не видно. Чо за дела?
А это потому, что в своей конструкции немцы использовали когтеобразный магнитопровод. Зачем он вообще нужен и почему напоминает когти?
Магнитопровод, как можно догадаться из названия, проводит магнитное поле. И делает он это гораздо лучше, чем воздух. Магниты расположены на корпусе втулки, а рамка проводника - это медный провод, намотанный на бобину. Как катушка ниток. И сидит она на оси втулки. На слайде изображена половина этой катушки и магниты. Линии магнитного поля проходят от одного полюса к другому, и нужно их как-то пропустить через центр катушки. А до него далеко. Магнитопровод как раз позволяет сконцентрировать и замкнуть через себя линии магнитного поля, и пропустить их вдоль оси втулки через катушку с обмоткой. За счёт множества когтей делается это для всех пар полюсов одновременно. И ещё такая форма должна снижать рывки и вибрации при вращении, насколько я понимаю.
Другая топовая втулка немного отличается конструкцией, её выпускает тайваньская компания Shutter Precision.
Основное конструктивное отличие: магниты собраны в магнитный диск "32", а не закреплены по отдельности, как у немцев. Магнитный диск тоже состоит из множества пар полюсов и механически связан с корпусом втулки. Т.е. тут тоже вращается магнитное поле, а не проводник. Проводник в виде катушки "31" сидит неподвижно на оси "21".
Любопытно, что в патенте описана конструкция динамо-втулки с выключателем , которую одно время продавала контора Velo Orange. На корпусе этой втулки был сделан механический переключатель. Во включенном положении магнитный диск прижимался к корпусу втулки, и магнитное поле вращалось, ток генерировался. В выключенном положении, магнитный диск не прижимался к корпусу втулки и не вращался, ничего не генерировалось. Втулка становилась самой обыкновенной. Зачем это сделали? Видимо, чтобы по максимуму снизить потери во втулке, если она не используется. Потому что, даже если вы не питаете от динамо-втулки фару или конвертер, на её вращение потребуется потратить мощности чуть больше, чем на вращение обычной втулки.
На этом слайде видно, как расположены магнитные полюса на диске и как магнитопровод помогает линиям магнитного поля замкнуться через обмотку катушки на оси втулки.
Куча "лепестков" магнитопровода позволяет замкнуть линии магнитного поля всех пар полюсов одновременно. Так же, как и во втулке SON, при вращении к одним и тем же лепесткам магнитопровода будут подходить соседние пары полюсов - то N-S, то S-N. При этом будет меняться направление протекания тока. Частота тут тоже будет высокая.
Характеристики
Конструкции динамо-втулок других производителей плюс-минус одинаковы. Поэтому можно спокойно переходить к характеристикам динамо-втулок. И начать стоит с затрат мощности.На эту тему есть две толковых публикаци:
Если не открываются, заходите под европейским впном.
На скорости 20 км/ч сферическая передняя втулка в вакууме требует приложить 0.5 Вт мощности. При этом динамо-втулка, к которой ничего не подключено потребует уже 1-2 Вт. А уж если вы к ней подключите фару, то с учётом механических и прочих потерь, вам понадобится прикладывать уже 7 Вт мощности.
Много это или мало, и как повлияет на время вашего движения, можно прикинуть следующим образом.
Если ехать летом, то светло будет часов этак 19.5, а темно только 4.5. Свет вам нужен только в тёмное время, поэтому, если размазать увеличенные затраты мощности в темноте на все сутки, то получим среднее значение 2.5 Вт.
Ездок на длинные дистанции, который крутит целые сутки, производит стабильно 100 Вт мощности. При этом 2.5 Вт затрат из 100 Вт выделяемой мощности, это 2.5 %. Один процент от часа - это 36 секунд. Со средними затратами в 2.5 % он сам себе привезёт 1 минуту 30 секунд на час. Или 36 минут за сутки.
Если вы адовый гонщик и можете целые сутки выдавать 200 Вт, влияние втулки на время будет меньше. Потому что затраты мощности будут уже не 2.5%, а 1.25%, и за сутки набежит 18 минут.
Вы можете сказать: "Да ты офигел! Тридцать шесть минут за сутки это очень много!". Оке, не ставьте тогда динамо-втулку. Но сравните затраты мощности на неё с другими затратами у велосипедиста.
Динамо втулка для велосипеда — это генератор электричества, который встроен в специальную втулку. Впервые динамо втулку разработали в Англии, в компании Sturmey Archer. Сейчас динамо втулки также производят компании Shimano и Schmidt, цены на которые колеблются от 50 до 300 долларов.
Мощность у классической динамо втулки составляет 1,8 Вт, напряжение 6 В. Есть динамо втулки с мощностью 2,4 Вт и 3 Вт. Для эффективного использования, фара по мощности должна подходить к втулке. Например, при применении фары 2,4 Вт с задним фонарём 0,6 Вт на велосипеде с классической динамо втулкой 1, 8 Вт, фара светит тускло.
Благодаря постоянному усовершенствованию технологии изготовления магнитов, динамо втулка для велосипеда становятся все меньше, легче и мощнее.
Параллельно намного более эффективно стали светить источники света с галогеновыми лампами или светодиодами, поэтому современные динамо машины производят во много раз больше света, чем старые классические динамо втулки.
Небольшим недостатком динамо втулок является довольно тяжёлый вес из-за использования магнитов и алюминиевых корпусов. Преимуществ намного больше — они совершенно не шумят, при отсутствии движущихся частей у них практически отсутствует механическое трение.
Работают втулки за счёт многополюсного кольцевого магнита, который находится внутри увеличенного корпуса втулки и вращается вокруг неподвижного якоря (катушки), прикреплённого неподвижно к оси. У динамо втулки низкое сопротивление вращению.
Использование фар с динамо втулками
Динамо втулка является генератором переменного тока. Также, как и с другими велогенераторми, на большой скорости лампа фары может сгореть, исключение составляют современные фары, с установленным полупроводниковым регулятором напряжения.
По сравнению с бутылочным динамо генератором, динамо втулка для велосипеда производит света больше на низких скоростях из-за того, что у нее ниже частота переменного тока.
При каждой амплитуде синусоиды лампа на разогрев имеет намного больше времени. На малых скоростях фара, которая питается от динамо втулки пульсирует, а фара, которая питается от бутылочного генератора тускло светит.
Когда скорость велосипеда возрастает, то возрастает и частота тока велогенератора. Это мешает возрастать напряжению, из-за того, что при росте частоты индуктивность обмотки якоря пропускает переменный ток с меньшей эффективностью.
Такое явление позволяет использовать генераторы в широком спектре скоростей. Однако, все таки необходимо позаботиться о регуляторе напряжения, чтобы сберечь лампы от сгорания.
Еще статьи на эту тему:
Различные производители по разному указывают в описании “яркость” своих фонарей или фар. Одни в люксах, а другие в люменах. От этого трудно сравнивать между собой фонари по их техническим характеристикам…
Все знают слово светодиод. При его произнесении у обывателя возникают ассоциации с маленькой красной, белой или другого цвета светящейся точкой, которая символизирует, что работает какая-то функция или прибор включен. Но светодиоды бывают разные…
При движении обода колеса велосипеда, относительно магнита, на границе токопроводящего материала, из которого сделан обод возникают вихревые индукционные токи…
Чтобы велосипедная фара в полной мере выполняла функции, которые на неё возлагаются, к ней предъявляются определённые требования…
Конечно, купить элитные велокомпоненты или профессионально покрасить раму не всем по карману. А приобрести систему светодиодной подсветки колес велосипеда очень доступное удовольствие для всех…
Генератором электрической энергии называется устройство, преобразующее химическую, механическую или тепловую энергию в электрический ток. Таким генератором, использующимся на велосипедах для питания задних фонарей и передней фары, является динамо-машина.
Разновидности
Рассмотрим существующие виды велосипедных динамо-машин заводского исполнения.
Бутылочная
Этот вид велосипедного генератора наиболее доступный и простой. Однако его мощность не самая большая из всех видов. Приводной ролик генератора вращается за счет касания к протектору шины колеса во время движения.
Втулочная динамо-машина
Динамо-втулка по своему устройству является осевой динамо-машиной. Исполнения таких моделей могут быть различного вида. Стоимость втулочного генератора довольно высока. Установка более сложная, по сравнению с бутылочным вариантом.
При приобретении необходимо проверить число спиц и метод фиксации установочного колеса. К достоинствам втулочного генератора относится его защищенность от влаги, в отличие от бутылочного генератора, приводной ролик которого в сырую погоду проскальзывает по покрышке велосипеда. Устройство заключено внутри втулки колеса, и работа происходит от его вращения.
К недостаткам такого устройства относится то, что выключить работу втулочного генератора не получится.
Цепная
Цепной вариант велосипедного генератора встречается достаточно редко. Однако есть несколько разных исполнений этого вида. Устройство может оснащаться USB портом для зарядки мобильных гаджетов.
Недостатком такой конструкции является малый срок службы, так как при эксплуатации происходит воздействие металлической велосипедной цепи на пластиковые элементы генератора.
Бесконтактная
Это оригинальная динамо-машина с бесконтактным принципом действия. Колесо велосипеда играет роль ротора. На колесо фиксируется специальный обруч, на котором закреплены 28 магнитов. Они расположены поочередно, с разными полюсами.
Статором является индукционная катушка, в которой вырабатывается электрический ток. В эту систему включена аккумуляторная батарея для накопления энергии. По заверениям производителя для обеспечения нормального светового потока достаточно двигаться со скоростью 15 км в час.
Достоинствами этой конструкции является:
- Отсутствие трущихся элементов.
- Бесшумная эксплуатация.
- Неограниченный срок эксплуатации (кроме батареи аккумуляторов).
Недостатком бесконтактной модели является малая емкость аккумуляторов. Ее хватает всего на несколько минут. Однако многие умельцы легко исправляют этот недостаток различными способами, в том числе заменой батареи на более мощную.
Другие конструкции
В настоящее время очень популярны различные интересные устройства, которые изготовлены в Китае. Иногда видишь такие устройства, которые раньше нигде не производили. Даже их принцип действия не всегда понятен, однако они работают.
Такое китайское устройство можно смело назвать велогенератором будущего. Динамо-машина из поднебесной выглядит по аналогии фантастических фильмов. Судя по внешнему виду, для ее функционирования нет необходимости в контакте с шиной колеса или цепью. Также нет никаких магнитов.
Принцип ее работы не совсем понятен. Возможно, это является технологическим секретом завода изготовителя.
Конструктивные особенности и работа
Наиболее популярной моделью динамо-машины на велосипедах является ее бутылочная конструкция, за ней идет динамо-втулка. Остальные виды используются значительно реже. Поэтому рассмотрим самые распространенные модели.
Динамо-бутылка
Динамо-машина бутылочного вида работает на боковой части передней шины велосипеда. Выполнена в виде небольшого генератора электрической энергии, и служит для работы заднего фонаря и передней фары велосипеда, а также зарядки электронных мобильных устройств.
Такой мини-генератор может монтироваться как на переднее колесо, так и на заднее. В первом случае устройство может совмещаться со встроенным фонарем. Для отключения генератора предусмотрен специальный откидной механизм, фиксирующий корпус генератора в том положении, когда нет соприкосновения с шиной колеса велосипеда.
Название этого устройства происходит от внешнего сходства формы с бутылкой. Бутылочный велогенератор имеет и другое название – боковое динамо. Приводной резиновый или металлический ролик приводится во вращение на боковой стороне шины колеса. При движении велосипеда шина придает вращательное движение ролику велогенератора, который вырабатывает электрический ток.
Достоинства
- Отключенный привод генератора не оказывает сопротивления движению велосипеда. При включенном генераторе велосипедисту приходится прикладывать больше силы для движения. Динамо-втулка в отличие от бутылочного велогенератора, всегда оказывает сопротивление вращению колеса, хотя значение этого сопротивления незначительно. Если бутылочный велогенератор включен, но фонари и фара не подключены к питанию, то сопротивление движению велосипеда меньше.
- Легкая и простая установка. Такое устройство легко установить на любой велосипед, в отличие от втулочного генератора, для установки которого необходима сборка всего динамо-колеса со спицами.
- Небольшая стоимость. Такие модели обычно стоят дешевле других видов велосипедных генераторов, хотя бывают и исключения из этого правила.
Недостатки
- Сложная настройка. Требуется тщательная настройка и регулировка соприкосновения с покрышкой колеса под определенным углом, давлением в шине, высотой. Если велосипед упадет, либо ослабнут фиксирующие винты, генератор может быть поврежден. Неправильно отрегулированное устройство генератора будет издавать много шума, создавать чрезмерное сопротивление, проскальзывать по колесу. Если винты крепления слишком ослабнут, то механизм может сдвинуться с места и попасть в спицы колеса, что приведет к поломке спиц и выходу колеса велосипеда из строя. Некоторые велогенераторы оснащены специальными петлями, предохраняющими их попадание в спицы.
- Для переключения требуется физическое усилие. Чтобы привести в действие генератор, необходимо переместить его корпус до соприкосновения с колесом. Втулочные генераторы могут включаться автоматически или с помощью электроники. Для этого не нужно прикладывать усилия.
- Повышенный шум. При эксплуатации слышен шум в виде жужжания, в то время как динамо-втулки не создают шума.
- Износ шины колеса. Для эксплуатации генератора требуется соприкосновение с шиной, в результате происходит трение и износ покрышки. Если сравнить с динамо-втулкой, то там трение с покрышкой отсутствует.
- Сопротивление движению. Бутылочная динамо-машина оказывает значительно больше сопротивление движению велосипеда, чем втулочная модель. Однако при правильной настройке сопротивление незначительное, а в отключенном виде отсутствует.
- Проскальзывание. При сырой дождливой погоде приводной ролик бутылочного генератора будет скользить по шине колеса, что уменьшает выработку электрического тока и снижает яркость света фары и заднего фонаря. Втулочные генераторы не требуют для работы хорошего сцепления с покрышкой, и не зависят от погоды и других неблагоприятных условий.
Динамо-втулка
Втулочная конструкция велогенератора разработана в Англии, а производится различными фирмами во многих странах. Мощность такой конструкции может достигать 3 ватт при напряжении 6 вольт. Технологии их изготовления постоянно совершенствуются, размеры конструкции становятся меньше и мощнее. Современные фары для велосипеда стали излучать более эффективный свет, так как применяются и .
Динамо-втулки при работе не создают шума, но их масса больше, чем у других моделей. Трущиеся части во втулочном варианте устройства отсутствуют. Они функционируют за счет магнита, имеющего множество полюсов, и выполненного в виде кольца. Он находится в корпусе втулки и вращается вокруг неподвижного якоря с катушкой, зафиксированной на оси. Сопротивление вращению такой конструкции очень незначительное.
Динамо-втулки вырабатывают переменный ток. На малых скоростях вырабатывается больше электричества, по сравнению с бутылочной моделью, за счет низкой частоты тока. Существуют схемы выпрямителей для динамо-машины. Они выполнены по простой схеме моста из четырех диодов.
Динамо-машина втулка вырабатывает низкое напряжение, поэтому при применении кремниевых диодов потери составляют значительную величину – 1,4 вольта. С германиевыми диодами потери снижаются, и составляют всего 0,4 вольта.
Принцип работы динамо-машины
Динамо-машина вырабатывает электрический ток с помощью эффекта электромагнитной индукции. Ротор вращается в магнитном поле, в результате чего в обмотке возникает электрический ток. Концы обмотки ротора подключены к коллектору, выполненному в виде колец. Через них с помощью прижимающихся щеток электрический ток поступает в сеть.
Ток в обмотке имеет максимальное значение, если ротор находится перпендикулярно по отношению к магнитным линиям. Чем больше угол поворота обмотки, тем ток меньше. Вращение обмотки в магнитном поле изменяет направление тока за один оборот два раза. Поэтому ток называют переменным.
Подобный генератор для постоянного тока изготавливается на этом же принципе. Разница в некоторых деталях. Концы обмотки соединяют не с кольцами, а с полукольцами, которые изолированы друг от друга. При вращении обмотки щетка контактирует поочередно с каждым полукольцом. Поэтому ток, поступающий на щетки, будет иметь только одно направление и будет постоянным.
