1. Принцип дії Робота динамо-втулки пояснюється законом електромагнітної індукції Фарадея . Зводиться...
2. Характеристики

Принцип дії

Робота динамо-втулки пояснюється законом електромагнітної індукції Фарадея . Зводиться він до наступного: у вас повинно бути (а) магнітне поле і (б) рамка з дроту в цьому магнітному полі. Тепер, якщо рухати поле або саму рамку, то в проводі, з якого зроблена рамка, наводиться електрорушійна сила. Якщо до проводу тепер підключити навантаження: резистор, лампочку, фару, конвертер, то потече струм, і все почне світитися і працювати.


Для ілюстрації закону електромагнітної індукції я взяв готовий малюнок. Він не про динамо-втулку, а про інший генератор. Але для розуміння принципу дії підходить добре. Тут є постійний магніт з двома полюсами N і S. Між полюсами проходять невидимі лінії магнітного поля. І прямо в ці лінії поля запихали прямокутну рамку "Armature" з електричного дроту. На кінцях рамки прироблені два металевих кільця "Slip ring". Графітові щітки "Brush" ковзають по кільцях, коли рамку починають обертати в магнітному полі. Щітки та кільця забезпечують протікання струму через рамку і резистор навантаження "Load".

З боку магнітного полюса рамка буде виглядати неоднаково, як ніби у неї змінюється площа, якщо її вирощують. Ця змінна площа називається "площа проекції контуру рамки на поверхню, перпендикулярну лініям магнітного поля". Ну, або просто "площа проекції". Під час обертання рамка буде підставлятися лініях магнітного поля різними сторонами. Від площі проекції залежить величина струму. Від того, яким боком повернеться рамка, залежить напрямок струму.
Якщо зробити багато оборотів рамки в магнітному полі, потече змінний струм. Змінний - це не просто більше або менше, а ще й змінює напрямок. І магічним чином всі ці зміни описуються формулою синуса. Струм виявляється синусоїдальним.

Лінії магнітного поля спрямовані від одного полюса до іншого. Обертаємо рамку. Якщо ми подивимося на рамку коли вона перпендикулярна лініям магнітного поля, площа рамки буде максимальна, ток теж. Обертаємо далі, площа проекції стає менше, ток менше. У момент, коли рамка паралельна лініям магнітного поля струм в ній нульовий. Обертаємо далі - струм змінює напрямок. Обертаємо далі площа проекції збільшується, збільшується величина струму. І так далі.
Краще один раз побачити. :)

Деякі з вас пам'ятають, що у змінного струму є такий параметр, як частота. Це як часто ток змінює свій напрямок. Скільки разів на секунду. Вимірюється ця частота в Герцах.
У розглянутому випадку у нас два полюси магніту і за один оборот рамки на 360 градусів ток змінить напрямок один раз. Якщо ми провернём рамку на 360 градусів за 1 с, отримаємо частоту нашого струму 1 Гц. Якщо за 1 секунду зробимо 2 повних обороту на 360 градусів, то отримаємо 2 Гц. Якщо зробимо 10 оборотів, то 10 Гц. І так далі. Чим швидше крутимо рамку, тим вище частота. Це один з ключових моментів роботи динамо-втулки. Частота змінного струму, який вона видає, буде залежати від вашої швидкості і від того, скільки оборотів колесо робить в секунду.
Якщо у вас низька швидкість і всього пара магнітних полюсів, може вийти дуже низька частота. Настільки низька, що електроніка відмовиться нормально працювати. Фара буде бридко мерехтіти, а конвертер перестане заряджати смартфон.
Тому в велосипедних генераторних втулках прагнуть збільшити кількість полюсів. Якщо додати до нашого прикладу ще одну пару полюсів, частота збільшиться в два рази.

Збільшення пар полюсів дозволяє вирішити ще одну проблему. При обертанні в магнітному полі по провіднику протікає струм. Цей струм створює навколо себе ще одне магнітне поле. Це з'явилося магнітне поле за правилом Ленца перешкоджає обертанню, яке його викликає. Ну, немає нічого безкоштовного. Виникає струм і магнітне поле навколо дроти вас постараються пригальмувати. Якщо пара полюсів тільки одна, то це перешкода обертанню буде проявлятися у вигляді ривка і буде проявлятися вібраціями втулки при їзді. Тому полюсів роблять багато, обертання більш рівномірний, вібрацій немає. До того ж, багато пар дозволяє розташувати магніти ближче, щільність магнітного поля буде вище, можна отримати більше потужність втулки.

конструкція

У реальних динамо-втулках пар полюсів просто дофіга. Ось, наприклад одна з топових втулок компанії Schmidt Maschinenbau.

І всі ці магніти зі своїми полюсами розташовані на корпусі втулки. Провідник, через який проходять лінії магнітного поля, розташований на осі. Ось втулки нерухома і закріплена в велосипедної вилці. Відповідно, нерухома і рамка електричного провідника. А обертається в цій системі тільки корпус втулки, до якого через фланці і спиці прироблений обід з покришкою. Ось, власне, основна відмінність від розглянутого вище принципу електромагнітної індукції. Там обертали провідник, а тут обертають магнітне поле. Результат однаковий. Зате нерухомий провідник на осі втулки дозволяє отримати більш просту і надійну конструкцію втулки, яка не потребує обслуговування і заміни щіток.

На слайді помітні трикутні блискучі фіговіна, а рамку провідника не видно. Чо за справи?

А це тому, що в своїй конструкції німці використовували кігтеподібні муздрамтеатр. Навіщо він взагалі потрібен і чому нагадує кігті?
Магнитопровод, як можна здогадатися з назви, проводить магнітне поле. І робить він це набагато краще, ніж повітря. Магніти розташовані на корпусі втулки, а рамка провідника - це мідний дріт, намотаний на бобіну. Як котушка ниток. І сидить вона на осі втулки. На слайді зображена половина цієї котушки і магніти. Лінії магнітного поля проходять від одного полюса до іншого, і потрібно їх якось пропустити через центр котушки. А до нього далеко. Магнитопровод якраз дозволяє сконцентрувати і замкнути через себе лінії магнітного поля, і пропустити їх уздовж осі втулки через котушку з обмоткою. За рахунок безлічі кігтів робиться це для всіх пар полюсів одночасно. І ще така форма повинна знижувати ривки і вібрації при обертанні, наскільки я розумію.

Інша топова втулка трохи відрізняється конструкцією, її випускає тайванська компанія Shutter Precision.

Тут муздрамтеатр нагадує квіточку. Обмотка проглядає, і не потрібно ніяких креслень, щоб її знайти. Але я рекомендую таки на креслення поглянути. Його можна знайти в патенті на втулку. Номер патенту вказано на слайді.

Основне конструктивне відміну: магніти зібрані в магнітний диск "32", а не закріплені окремо, як у німців. Магнітний диск теж складається з безлічі пар полюсів і механічно пов'язаний з корпусом втулки. Тобто тут теж обертається магнітне поле, а не провідник. Провідник у вигляді котушки "31" сидить нерухомо на осі "21".

Цікаво, що в патенті описана конструкція динамо-втулки з вимикачем , Яку у свій час продавала контора Velo Orange. На корпусі цієї втулки був зроблений механічний перемикач. У включеному положенні магнітний диск притискався до корпусу втулки, і магнітне поле оберталося, ток генерувався. У вимкненому положенні, магнітний диск не притискаючись до корпусу втулки і не обертався, нічого не генерувалося. Втулка ставала звичайнісінької. Навіщо це зробили? Мабуть, щоб по максимуму знизити втрати у втулці, якщо вона не використовується. Тому що, навіть якщо ви не маєте від динамо-втулки фару або конвертер, на її обертання потрібно витратити потужності трохи більше, ніж на обертання звичайної втулки.



На цьому слайді видно, як розташовані магнітні полюси на диску і як муздрамтеатр допомагає лініях магнітного поля замкнутися через обмотку котушки на осі втулки.

Купа "пелюсток" муздрамтеатру дозволяє замкнути лінії магнітного поля всіх пар полюсів одночасно. Так само, як і у втулці SON, при обертанні до одних і тих же пелюсток муздрамтеатру будуть підходити сусідні пари полюсів - то NS, то SN. При цьому буде змінюватися напрямок протікання струму. Частота тут теж буде висока.

Характеристики

Конструкції динамо-втулок інших виробників плюс-мінус однакові. Тому можна спокійно переходити до характеристик динамо-втулок. І почати варто з витрат потужності.
На цю тему є дві тлумачних публікації:
Якщо не відкриваються, заходите під європейським впном.

На швидкості 20 км / ч сферична передня втулка в вакуумі вимагає докласти 0.5 Вт потужності. При цьому динамо-втулка, до якої нічого не підключено зажадає вже 1-2 Вт. А вже якщо ви до неї підключіть фару, то з урахуванням механічних та інших втрат, вам знадобиться прикладати вже 7 Вт потужності.
Багато це чи мало, і як вплине на час вашого руху, можна прикинути наступним чином.

Якщо їхати влітку, то світло буде годинника отак 19.5, а темно тільки 4.5. Світло вам потрібен тільки в темний час, тому, якщо розмазати збільшені витрати потужності в темряві на всю добу, то отримаємо середнє значення 2.5 Вт.
Їздець на довгі дистанції, який крутить цілу добу, виробляє стабільно 100 Вт потужності. При цьому 2.5 Вт витрат з 100 Вт виділяється потужності, це 2.5%. Один відсоток від години - це 36 секунд. До середніх в 2.5% він сам собі привезе 1 хвилину 30 секунд на годину. Або 36 хвилин за добу.
Якщо ви адові гонщик і можете цілу добу видавати 200 Вт, вплив втулки на час буде менше. Тому що витрати потужності будуть вже не 2.5%, а 1.25%, і за добу набіжить 18 хвилин.
Ви можете сказати: "Так ти офігів! Тридцять шість хвилин за добу це дуже багато!". Оці, не ставте тоді динамо-втулку. Але порівняйте витрати потужності на неї з іншими витратами у велосипедиста.

ось, є джерела , В яких стверджують, що заміна заводського мастила ланцюга на мастило неправильного типу може підвищити втрати аж на 5 Вт. А якщо брати фіговим ланцюг з фіговий мастилом, то втрати можуть бути на 10 Вт більше, ніж у найкращій ланцюга на самій хорошому мастилі. А в іншому джерелі стверджують, що вже на швидкості 20 км / год різниця втрат на опір покришок Continental GP3000 і Vittoria Open Corsa, становить 20 Вт. Ну і, нарешті, положення тіла і аеродинамічна позиція їздця можуть вплинути на втрати радикальним чином. Ось, наприклад, вимір втрат на шосейному велосипеді і на лежачих велосипедів , З якого випливає, що при рівній швидкості велосипедів 30 км / год, людина на лежачих велосипедів витрачає на 100 Вт менше.

І хоча 2 Вт втрат на тлі 10, 20 і 100 Вт виглядають несерйозно, багато велосипедистів і раніше вважають, що динамо-втулка буде їх пекла гальмувати.

Наступним пунктом треба розглянути електричні характеристики динамо-втулок. Вони залежать від двох параметрів: швидкості обертання колеса і типу навантаження, яку ви під'єднуєте до втулки. Залежно ці досить складні для розуміння. Тому більш детально їх розглянемо в статті про конвертери. Тут і так складно. Розглянемо тільки особливості динамо-втулок, які випливають з характеристик.

А для тих, хто все-таки хоче копнути глибше вже зараз, я пропоную почитати наступні матеріали:

• The Bicycle-Powered Smartphone Charger (Магістерська дисертація з матмоделі, досвідченим зразком, і іншими принадами)
• Dynamo-Powered LED Light Circuits for Bicycles (Розгорнута стаття за схемами живлення світлодіодів від втулок і їх впливу на характеристики втулки)
• Neue und exotische Nabendynamos im Test (Порівняння втулок різних виробників)
• SON 28 (Характеристики німецької втулки, в тому числі і вольт-амперні)

З цього останнього матеріалу я взяв для слайда вихідна напруга втулки у вигляді сімейства характеристик. На ньому видно, що втулка є джерелом струму. Це означає, що напруга втулці визначається опором навантаження, яку ви підключите.
Чим більше опір і чим менше ви споживаєте струму від втулки, тим вище буде на ній напруга. У гіршому випадку, якщо ви не підключили ні фару, ні конвертер, втулка працює на холостий хід (open circuit). Можна сказати, що до гнізда живлення на втулці підключений тільки повітря. А його опір величезна - Мега Оми. І при протіканні навіть невеликого струму напруга стає великим.
Мало того, що воно велике, так зі збільшенням швидкості воно буде рости далі. На 15 км / год напруга буде вже 22 В. А якщо розігнатися під полтинник, то напруга полетить за 100 В.
Навіть якщо у вас до втулки щось підключено, але ви розігналися на спуску, напруга теж може вискочити в район 20 В. При тому, що має бути в рази нижче.

Чим це загрожує, і чому я про це розповідаю?

Чревато виходом з ладу електроніки. Фара або конвертер повинні мати вбудований захист від підвищеної напруги. Щоб на великих швидкостях не постраждати. Буває, що деякі виробники такий захист вбудовують вже в саму втулку.
Всі ваші електричні з'єднання повинні бути надійними, і контакт не повинен відвалюватися. Тому що, як тільки він це зробить - з'явиться підвищена напруга. А якщо потім контакт знову з'явиться, це підвищена напруга додасться до вашої електроніці. Її врятує захист, але все одно такий режим роботи з дребезгом контакту не дуже корисний.
Раз втулка - джерело струму, то неї можна живити не один світлодіод в фарі, а штук 6. І з'єднати світлодіоди послідовно, і отримати велику потужність. І використовувати для цього простеньку схему, без імпульсних перетворювачів.



І виходить досить круто. Ви можете раскочегарить вашу фару з 6 світлодіодів на 12 Вт. Але за це доведеться заплатити. Всі ці 12 Вт будете забезпечувати ви своїми м'язами. Плюс ще набіжать втрати. І доведеться за фактом прикладати де-небудь Ватт 18-20.
Ще момент, що чим більше світлодіодів ви поєднуєте послідовно, тим більшу швидкість треба розвинути, для того щоб їх все живити на повну потужність. З 6 світлодіодів вичавити 11 Вт вийде тільки на швидкості 30 км / ч. У той час, як з двох вичавити 3.5 Вт можна вже на 12 км / ч.

Мабуть, пора закруглятися. Але в кінці хотілося б розглянути найбільш цікаві та ефективні втулки. І продемонструвати розкид цін залежно від стандарту осі. Ціни я брав з інтернет-магазину bike-components.de за курсом перекладав через гугл, і було це до стрибка валют. Тому вони швидше для прикладу і порівняння, а не як цінник з магазину. Точну вартість уточнюйте.

Тайванська контора. Робить хороші втулки, з цілком доступними цінами. Особливо, якщо брати на квікрелізах і 9х100 осі. Ще й на знижку потрапити можна. Така ж втулка, але вже з наскрізною віссю 15х100 буде коштувати в 2 рази дорожче. А якщо модно буст стандарт з віссю 15х110, то і в три рази дорожче. :)

Німецька контора Schmidt Maschinenbau робить судячи з тестів, найефективніші втулки. У порівнянні зі звичайною передній втулкою, у SON 28 витрати потужності майже не відрізняються. Якщо ви не маєте нічого від втулки, вона майже не буде вас гальмувати.
Але і цінник у неї будь здоров. Особливо на моделі втулок з наскрізними осями 15 мм.
Окремо стоять втулки для фетбайков. І цінник на них теж кусається. Особливо, на німецькі.

На цьому закінчу. У наступній статті можна прочитати про світлотехніку: " Світлотехніка, фари для дінамовтулкі. "