понедельник, 28 мая 2018 г.

Динамо-втулка для велосипеда: принцип действия, конструкция, характеристики.

Принцип действия

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.


Здесь магнитопровод напоминает цветочек. Обмотка проглядывает, и не нужно никаких чертежей, чтобы её найти. Но я рекомендую таки на чертёж взглянуть. Его можно найти в патенте на втулку. Номер патента указан на слайде.


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.




Вот, есть источники, в которых утверждают, что замена заводской смазки цепи на смазку неправильного типа может повысить потери аж на 5 Вт. А если брать фиговую цепь с фиговой смазкой, то потери могут быть на 10 Вт больше, чем у самой лучшей цепи на самой хорошей смазке. А в другом источнике утверждают, что уже на скорости 20 км/ч разница потерь на сопротивление покрышек Continental GP3000 и Vittoria Open Corsa, составляет 20 Вт. Ну и, наконец, положение тела и аэродинамическая позиция ездока могут повлиять на потери радикальным образом. Вот, к примеру, измерение потерь на шоссейном велосипеде и на лигераде, из которого следует, что при равной скорости велосипедов 30 км/ч, человек на лигераде тратит на 100 Вт меньше.

И хотя 2 Вт потерь на фоне 10, 20 и 100 Вт выглядят несерьёзно, многие велосипедисты по-прежнему считают, что динамо-втулка будет их адово тормозить. 

Следующим пунктом надо рассмотреть электрические характеристики динамо-втулок. Они зависят от двух параметров: скорости вращения колеса и типа нагрузки, которую вы подсоединяете к втулке. Зависимости эти достаточно сложные для понимания. Поэтому более детально их рассмотрим в статье про конвертеры. Тут и так сложновато. Рассмотрим только особенности динамо-втулок, которые следуют из характеристик.

А для тех, кто всё-таки хочет копнуть поглубже уже сейчас, я предлагаю почитать следующие материалы:
  • The Bicycle-Powered Smartphone Charger (магистерская диссертация с матмоделями, опытным образцом, и остальными прелестями)
  • Dynamo-Powered LED Light Circuits for Bicycles (развернутая статья по схемам питания светодиодов от втулок и их влиянию на характеристики втулки)
  • Neue und exotische Nabendynamos im Test (сравнение втулок разных производителей)
  • SON 28 (характеристики немецкой втулки, в том числе и вольт-амперные)
Из этого последнего материала я взял для слайда выходное напряжение втулки в виде семейства характеристик. На нём видно, что втулка является источником тока. Это значит, что напряжение втулке определяется сопротивлением нагрузки, которую вы подключите.

Чем больше сопротивление и чем меньше вы потребляете тока от втулки, тем выше будет на ней напряжение. В худшем случае, если вы не подключили ни фару, ни конвертер, втулка работает на холостой ход (open circuit). Можно сказать, что к разъёму питания на втулке подключён только воздух. А его сопротивление огромно - Мега Омы. И при протекании даже небольшого тока напряжение становится  большим.

Мало того, что оно большое, так с увеличением скорости оно будет расти дальше. На 15 км/ч напряжение будет уже 22 В. А если разогнаться под полтинник, то напряжение улетит за 100 В.

Даже если у вас к втулке что-то подключено, но вы разогнались на спуске, напряжение тоже может выскочить в район 20 В. При том, что должно быть в разы ниже.



Чем это чревато, и почему я про это рассказываю?


Чревато выходом из строя электроники. Фара или конвертер должны иметь встроенную защиту от повышенного напряжения. Чтобы на больших скоростях не пострадать. Бывает, что некоторые производители такую защиту встраивают уже в саму втулку.

Все ваши электрические соединения должны быть надёжными, и контакт не должен отваливаться. Потому что, как только он это сделает - появится повышенное напряжение. А если потом контакт снова появится, это повышенное напряжение приложится к вашей электронике. Её спасёт защита, но всё равно такой режим работы с дребезгом контакта не очень полезен.

Раз втулка - источник тока, то неё можно запитать не один светодиод в фаре, а штук 6. И соединить светодиоды последовательно, и получить большую мощность. И использовать для этого простенькую схему, без импульсных преобразователей.





И получается довольно круто. Вы можете раскочегарить вашу фару из 6 светодиодов на 12 Вт. Но за это придётся заплатить. Все эти 12 Вт будете обеспечивать вы своими мышцами. Плюс ещё набегут потери. И придётся по факту прикладывать где-нибудь Ватт 18-20.

Ещё момент, что чем больше светодиодов вы соединяете последовательно, тем большую скорость надо развить, для того чтобы их все запитать на полную мощность. Из 6 светодиодов выжать 11 Вт получится только на скорости 30 км/ч. В то время, как из двух выжать 3.5 Вт можно уже на 12 км/ч.


Пожалуй, пора закругляться. Но в конце хотелось бы рассмотреть наиболее интересные и эффективные втулки. И продемонстрировать разброс цен в зависимости от стандарта оси. Цены я брал из интернет-магазина bike-components.de по курсу переводил через гугл, и было это до скачка валют. Поэтому они скорее для примера и сравнения, а не как ценник из магазина. Точную стоимость уточняйте.


Тайваньская контора. Делает хорошие втулки, с вполне доступными ценами. Особенно, если брать на квикрелизах и 9х100 оси. Ещё и на скидку попасть можно. Такая же втулка, но уже со сквозной осью 15х100 будет стоить в 2 раза дороже. А если моднейший буст стандарт с осью 15х110, то и в три раза дороже. :)


Немецкая контора Schmidt Maschinenbau делает судя по тестам, самые эффективные втулки. По сравнению с обычной передней втулкой, у SON 28 затраты мощности почти не отличаются. Если вы не питаете ничего от втулки, она почти не будет вас тормозить.

Но и ценник у неё будь здоров. Особенно на модели втулок со сквозными осями 15 мм.

Особняком стоят втулки для фэтбайков. И ценник на них тоже кусается. Особенно, на немецкие.



На этом закончу. В следующей статье можно прочитать про светотехнику: "Светотехника, фары для динамовтулки."
Поделиться ВКонтакте

Комментариев нет:

Отправить комментарий