Динамо-машина, или генератор электрического тока, - это устройство, которое преобразует в электрическую энергию другие состояния энергии: тепловую, механическую, химическую. До сегодняшнего дня остаются популярными велосипедные генераторы, питающие фары и задние фонари.
Принцип работы генератора электрического тока
Динамо-машина генерирует электрическую энергию благодаря принципу электромагнитной индукции. Обычно такое устройство конвертирует именно механические воздействия прямо в электрические импульсы. В его составе - ротор (открытая проволочная обмотка) и статор, в котором расположены полюса магнита. Ротор, не прекращая движения, все время вращается в силовом магнитном поле, что неизбежно приводит к возникновению тока в обмотке.
Схему своего устройства динамо-машина представляет следующую. Вращающийся проводник, или ротор, пересекает магнитное поле и в нем генерируется ток. Концы ротора подведены к кольцу (коллектор), через них и прижимные щётки ток перемещается в электрическую сеть.
Электрический ток в динамо-машине
Образующийся ток в проводнике будет иметь наибольшее значение при условии, если ротор располагается перпендикулярно магнитным линям. Чем больше поворот проводника, тем сила тока будет меньше. И наоборот. То есть, процесс вращения проводника в магнитном поле вынуждает генерируемый электрический ток менять направление за один оборот ротора два раза. Благодаря этому свойству такой род тока стали называть переменным.
Динамо-машина для выработки постоянного тока построена на таком же принципе, как и для переменного тока. Разницу можно заметить лишь в деталях, когда концы металлического провода закрепляют не к кольцам, а подсоединяют к полукольцам. Такие полукольца обязательно изолируются между собой, что при вращении проводника делает возможным контактировать со щёткой переменно то одно полукольцо, то другое. Значит, в щётки вырабатываемый ток будет поступать исключительно в одном направлении, одним словом - ток будет постоянным.
Как собрать динамо-машину?
Динамо-машина своими руками собирается быстро. Основанием для будущего генератора будет служить деревянная доска толщиной около 30 мм и площадью 150 на 200 мм. Двумя шурупами на неё крепится корпус так, чтобы электромагниты располагались по горизонтали, один против другого. Затем, сквозь прикреплённый к корпусу подшипник продевается ось якоря, который закрепляется на своём месте между электромагнитами. С внутренней стороны подшипниковой стойки продевают щётки, вставляют второй конец оси якоря. На этом конце закрепляют коллектор.
Перед прикреплением подшипниковой стойки к основанию, якорь нужно выровнять таким образом, чтобы его вращение между электромагнитами не задевало их. Щётки должны располагаться поперёк башмаков электромагнитов и закрепляться на подшипнике. На свободном конце ротора прикрепляется небольшой шкив.
Электромонтаж устройства заключается в соединении концов обмоток для электромагнитов со щётками. Также к ним соединяют отрезки гибкого провода для сообщения устройства с внешней цепью.
Генератор и велосипед
Свою мощность динамо-машина для велосипеда демонстрирует в зависимости от скорости вращения. Например,
недостаточно быстрое вращение или остановка велосипеда прекращает питать фонарь или иное устройство. Но при высокой скорости лампочки способны перегореть раньше срока выработки ресурса.
Различают несколько разновидностей велосипедных электрических генераторов:
Втулочный тип встраивается во втулку колеса. Конструктивно состоит из статичного сердечника на оси и обращающегося многополюсного магнита в форме кольца. Их стоимость больше, она компенсируется бесшумной работой и эффективностью.
Бутылочный тип наиболее популярный. Схожее с формой бутылки устройство оснащено небольшим колёсиком, что приводится в движение посредством трения о боковину резиновой покрышки колеса.
Кареточный генератор устанавливается рядом с кареточным стаканом, ниже перьев рамы. Движение подпружиненного ролика осуществляется благодаря трению о протектор покрышки. Следует упомянуть, что кареточная и бутылочная динамо машина перестают работать, попадая в мокрые условия.
Канал Игорь Круч представил вашему вниманию новую самоделку, которую уже давным-давно автор видео сделал, но все время не было снять и выложить на YouTube. Наконец-то самодельная большая динамо-машина. Творение, на которое ушел где-то месяц работы, неспешно, продумано, все делалось, качественно, на совесть.
Посмотрите на выбор ручных генераторов и неодимовых магнитов в этом китайском магазине .
Она изготовлена из того, что было в наличии: движок, ремень и натяжитель из струйного принтера. Кроме того: тумблер, литий-ионная акб 18650. Добавилось ребро жёсткости. Из дисков сделан шкив. На холостом ходу производит напряжение до 11 вольт и ток 1,5 Ампера. Мощности хватает на светодиодные фонари, маломощный усилитель, смартфон. Для ноутбука данной динамо машины, сделанной своими руками, недостаточно.
Итак, обзор. Стенка и днище сделано из ламината, оставшийся лишний после ремонта. Шкив для ремня сделан из оптических дисков, ненужных, как можно заметить, они были просверлены и скручены. Ремень большой, длинный, желтого цвета, из старого принтера, ровно как и натяжитель из старого принтера, он был побольше. Отпилил ненужную часть.
Генератор остался тот же самый, ручка тоже, была изогнута, это необходимо, чтобы не цеплялась за ремень и натяжитель. Она была изогнутая, и позиция расположения этой рукоятки изменилась, так удобнее. В данном случае достигается оптимальное передаточное число. Также нововведение – ребро жесткости, потому что стенки из ламината слишком высокие получились, и она начала сильно раскачиваться, благодаря ему все надежно, ничего не шатается.
Стоит сказать следующее. Генератор, диод и конденсаторы остались совершенно те же самые, как и в предыдущей динамо-машине. Также добавился один тумблер и блок аккумуляторов. Добавил разъемы соответственно, чтобы можно было к ней нагрузку подключать, удобно через разъемы. Слева кусочек отпиленной материнской платы ноутбука, неисправной материнской платы. У нас получилось 3 USB-порта для подключения питания. Чуть правее самодельная платка, макетная плата с 5-ю штырями. Соответственно можно подключить 5 потребителей энергии и к 3-ем USB-портам можно подключить 3 потребителя энергии.
В итоге суммарно параллельно вместе одновременно можно запитывать от этой динамо-машины 8 потребителей, но пока эксплуатируются лишь 2 потребителя, о них тоже скоро скажу. Тумблер спереди находится, а так динамо-машина выглядит снизу. Особо смотреть ничего: 4 резиновые ножки на двухсторонний скотч приклеены и 2 винтика от ребра жесткости.
Примечание. Винты, которыми скручены диски – с потайной головкой; на шкиве нанесены поперечные насечки (иначе ремень проскальзывал) и “железка”, на которой вращается шкив – это керн от старого динамика. Аккумуляторы скреплены с металлическими пластинами неодимовыми магнитами, которые благодаря покрытию из никеля прекрасно проводят ток. Сами металлические пластины – от сердечника трансформатора. Между шкивом и “железкой”, а также между шкивом и ламинатом густая смазка.
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.
Рассмотрим существующие виды велосипедных динамо-машин заводского исполнения.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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-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.
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.
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.
Велогенератор – устройство, которое позволяет получить электроэнергию за счет вращения педалей и передать ее на осветительные приборы велосипеда или сторонние электроприборы. По конструкции велосипедные генераторы делятся на несколько типов: втулочные, бутылочные, кареточные и бесконтактные.
Выдаваемые сила тока и напряжение неразрывно связаны с частотой педалирования – скоростью передвижения. Закономерность справедлива для всех типов генераторов. Велосипедный генератор выдает переменный ток, который стабилизируется в постоянный с помощью моста-выпрямителя. Его роль могут играть спаянные диодные лампы или специальные устройства, например, двухполупериодовой выпрямитель.
Динамо-втулка, или втулочный генератор, – обычная со встроенным магнитным механизмом. При вращении образуются вихревые токи, на выходе из втулки механическая энергия преобразуется в ток с заданной силой, напряжением и мощностью. На велосипедных динамо-машинах напряжение достигает 6В, а мощность – 1.8-2 Вт.
Изобретение запатентовано английской компанией Sturmey Archer. В наши дни производство активно поддерживают и другие фирмы-производители – Shimano и Schmidt.
Особенности конструкции втулки-генератора:
Динамка Shimano AlfineDH-S701
Втулочный источник электричества не использует в качестве заземления велосипедную раму и вместе с лампами изолируется от нее. В двухполупериодовом выпрямителе цепь переменного тока (на выходе) и постоянного тока (к фаре) полностью отделены друг от друга.
Динамо-втулки тяжелые, правда, более легкие магниты редкоземельных металлов и алюминиевая оболочка позволили немного снизить их массу. В работе устройство имеет невысокое сопротивление раскручиванию, а при возрастании угловой скорости усиливается частота тока. Этот эффект сглаживает усиление напряжения и позволяет генератору работать в широких диапазонах скоростей.
Фары, которыми оснащается втулочный генератор, имеют встроенный стабилизатор тока. При подключении другой фары в цепь устанавливается отдельный выпрямитель, чтобы не спалить электроприбор. Яркость фары зависит от ее требований к источнику энергии и, собственно, выходного напряжения втулки. Чем больше несоответствия в меньшую сторону (фара мощнее), тем свет будет тусклее. В противоположной ситуации источник света работать не будет.
Познакомимся с другим источником энергии – бутылочным, или «шинным» преобразователем.
Бутылочный электрогенератор – закрытый корпус с вращающимся резиновым роликом снаружи, закрепленный на переднюю вилку. В корпусе находится непосредственно преобразующее устройство – обмотка и магниты. Движение магнитного поля достигается за счет зацепления ролика с покрышкой и прямой передачи на него механической энергии с колеса. Чем выше скорость движения, тем сильнее полярность внутри генератора и больше выдаваемое напряжение.
«Бутылка» боится падений велосипеда
Преимущества «бутылок»:
К слабым сторонам относятся:
Отдельно стоит упомянуть кареточный велосипедный генератор. Корпус его закреплен в области педального узла – каретки, под нижними перьями. Вращение магнитному устройству задается роликом, который находится в зацеплении с задним колесом байка. Фиксацию ролика на покрышке обеспечивает зажимная пружина.
Бутылочный и кареточный генераторы выдают электроэнергию, соприкасаясь с движущимся колесом. Динамо-втулка является встроенным элементом колеса. Бесконтактный генератор никак не прикасается к колесу, не создает сил трения и сопротивления вращению. Вихревые токи образуются за счет близкого расположения плоскости вращения намагниченного обода и сильного магнита.
Фары встроены прямо в устройство, передача электричества идет напрямую через выпрямляющий мост. К неоспоримым достоинствам этого генератора относятся:
Бесконтактные источники энергии можно смело применять на шоссейных велосипедах для дальних путешествий
Приборы крепятся парно: на вилку – передняя фара, на перо – задний катафот. Фактически это самостоятельные фонарики, только работают они не от батареек, а через вращение колес в магнитном поле. Светимость ламп находится на уровне или превышает аналогичный параметр аккумуляторных световых приборов.
При замедлении колеса интенсивность вихревых токов снижается, лампочки должны тускнеть, а при остановке колеса – полностью гаснуть. Для обеспечения равномерного света и возможности использовать свет даже на стоянке, в конструкции предусмотрен конденсатор («батарея» для получения электроэнергии), который наполняется при движении велосипеда.
А сейчас попробуем сделать генератор для велосипеда самостоятельно. В качестве основы будем использовать шаговый мотор. Для питания световых приборов понадобится двигатель с характеристиками:
Устанавливать динамо-машину следует вблизи втулки заднего колеса. Для передачи вращения от колеса на маховичок (прорезиненное колесико) мотора необходимо передаточное кольцо. Для его создания потребуется гибкая пластиковая лента. Изготовление:
Когда кольцо готово, на свободные посадочные места к перьям прикручивается шаговый мотор, а маховик устанавливается поверх кольца. Если свободные места для двигателя отсутствуют, нужно будет наварить на раму дополнительную пластину с отверстиями.
Общая схема создания генератора своими руками: генератор – сборка электрической схемы (мосты, резисторы, конденсаторы) – соединение – установка фар.
Для сборки электрического блока на фары понадобятся:
Собираем компоненты с учетом следующей схемы:
Другой вариант этой схемы:
Последовательность сборки:
Самодельный электрогенератор на заднее колесо велосипеда
Корпус с электрической схемой закрепляется на раме велосипеда, провода фиксируем хомутиками.
На последнем этапе проверяется работа системы: колесико должно свободно проходить по колесу и двигаться синхронно с ним. При правильно собранной электрической схеме из конденсаторов, резисторов и мостов-выпрямителей фара включится. Правда, на низких оборотах колеса ее свет будет мерцать.
Электрогенератор позволит извлечь дополнительную выгоду от кручения педалей – совершенно «бесплатно» получать энергию на освещение своего двухколесного транспорта при движении по темному шоссе или пересеченной местности. Небольшое и полезное, это устройство практически не нуждается в обслуживании, и его вполне можно собрать самостоятельно.
Те, кто еще помнит школьные годы, вероятно, не забыли ощущение причастности к маленькому чуду на уроке физики, где учитель наглядно демонстрировал превращение мускульной в электричество. Скромная по размерам и возможностям динамо-машина безо всяких проводов с розетками и батареек при вращении ручки зажигала лампочку - и чем быстрее вращали ручку, тем ярче она горела.
К ощущению чуда, впрочем, примешивался здоровый скепсис: век электричества, розетки чуть ли не на каждом шагу, батарейки штабелями. Так стоит ли работать руками и ногами, если вот они - плоды великих открытий?
Но что вы будете делать, заблудившись в трех соснах и обнаружив, что заряд вашего новомодного гаджета или пусть даже старенькой мобилки на
С идеей, которой уже исполнилось более полутора веков, между прочим, прекрасно знакомы те, кто в детстве гонял напропалую на двухколесном транспорте. Простейшая динамо-машина для велосипеда, собранная буквально на коленке и закрепленная на переднем колесе, питала от дармовой энергии вращения педалей лампочку фонарика, освещавшую, как свечереет, дорогу.
Достоинства открытия Фарадея оценили и военные. На самом деле аккумулятор имеет ценность, только пока в нем есть заряд. Истратив его, он превращается в никчемный тяжелый предмет, вместо которого лучше взять еще один цинк с патронами. Нужна энергия? А солдат на что? Пусть крутит, как следует, ручку генератора, чтобы обеспечить работу рации. (Потому тот генератор так и прозвали в народе - "солдат-мотор".)
В принципе, мало что изменилось и с наступлением эпохи высоких технологий. Гаджеты - гаджетами, а без энергопитания их ценность равна нулю, особенно если в ближайшее время зарядить их не от чего. Ценность тоже пропадает в пасмурную погоду или темное время суток. Динамо-машина в этом отношении более чем неприхотлива. Был бы человек, способный крутить ручку, а ток будет!
Первопроходцами в этом деле, разумеется, были умельцы, привыкшие к тому, что почти все в этом мире, в том числе и динамо-машина, своими руками должно быть сделано. Самоучки не скупились на обмен своими достижениями, и в результате специализированные журналы наполнились фотографиями и чертежами нехитрых устройств, без особого труда подзаряжавших аккумуляторы фонарей, мобильных телефонов, смартфонов и GPS-навигаторов. Не забыли и любителей велосипедных путешествий: достаточно продолжительной поездки - и "бортовая" динамо-машина обеспечит полный заряд айфона или айпада.
Наконец-то, узрев выгоду от практического применения наглядного пособия школьных лет, вслед за любителями подтянулись и профессиональные производители. Сейчас на рынке достаточно портативных устройств, обеспечивающих превращение мускульной энергии пользователя в электрический ток для практически любой электроники. Например, небольшой светодиодный фонарик, умещающийся на ладони, имеет откидную ручку. Достаточно в течение минуты покрутить ее со скоростью два оборота в секунду, чтобы устройство светило несколько минут.
Очень радует и то, что параллельно с этим оборудованием продается и динамо-машина, специально разработанная для интересующихся наукой подростков. Бесконечно экспериментируя дома, можно не только уяснить, как без батареек и аккумуляторов получить экологически чистую электроэнергию, но и изобрести что-нибудь новенькое...
