Навешиваем динамогенератор на велосипед

Привет Всем! Это моя первая статья. В ней я расскажу как собрал динамогенератор (ДГ) для велосипеда, который питает светодиод переднего фонаря.

Идея:
Во времена СССР динамогенераторы были довольно широко распространены, но источники света оставляли желать лучшего. В наше время в качестве ДГ используются динамовтулки или обычные генераторы приставляемые к колесу велосипеда. Мощность первых около 5 Вт, вторых 3 Вт, прямо скажем не густо, да и КПД их неизвестен. В предлагаемой конструкции в качестве генератора было решено использовать шаговый мотор Mitsumi M49SP-1 (рис.3) с небольшой доработкой. Реализации подобной идеи в интернете уже есть, но об их эффективности не сказано ни слова.
Купить эти ДГ можно, стоят они по разному, динамовтулки 1500-2000р, а другие от 300 и более, можно посмотреть здесь: www.aliexpress.com/product-fm/356677739-5pcs-lot-GENERATOR-BICYCLE-HEADLIGHT-TAIL-LITE-BIKE-DYNAMO-LIGHT-wholesalers.html

Предисловие:
У меня нет радиотехнического образования, а все выкладки по электронике – личный опыт, поэтому критикуйте и поправляйте. Порядок сборки написан прямым текстом, курсивом отмечены мои наблюдения и замечания по всему процессу конструирования.
Для питания LED’а фонаря можно использовать и батарейки, но моей целью при конструировании этого генератора было удовлетворение собственного любопытства и интереса, да и готовый результат впечатляет (меня и заказчика;-)).

ТЗ: Разработать ДГ к велосипеду с диаметром колес 28” для питания переднего фонаря на светодиоде Cree XM-LT6. ДГ должен развивать мощность не менее 5 Вт при скорости движения от 20 Км/ч.
Само ТЗ очень условно, но дает толчок к действиям.

Пациент:
Велосипед Orion 1200 (диаметр колес 28”, Рис. 1), c него снята корзина, а её крепление к рулю (зеленая рамка) использовано для крепления фонаря. (Вообще на фото не оригинал, но суть не меняется.)
ДГ установлен в точке крепления багажника к задней вилке (красная рамка), а крутящий момент снимается с боковой части покрышки с помощью прижимного ролика.
Велосипед не мой, а кореша. Дешев и сердит.

Рис.1

Теория:


По последней формуле можно сосчитать частоту вращения ролика. При скорости движения в 20 Км/час, диаметре ролика 6 см получаем частоту вращения ролика 29,5 об/сек, а при V=5км/ч – 7,4 об/сек.
Вообще так как заранее было известно мало, я предполагал что необходимая для генерации скорость 20 км/час, но оказалось что хватает гораздо меньшей скорости – скорости прогулочного бега. Также в момент проектирования у меня не было светодиода. Как видно из последней формулы диаметр D1 не участвует в расчете.

Конструирование и сборка:
Механическая часть:
В качестве генератора используется биполярный шаговый мотор Mitsumi M49SP-1 (рис.3).

Рис.3

Этот мотор можно снять с некоторых принтеров HP, например, HP 6L, хотя его можно найти и в других моделях.
Перед использованием я проверил мотор. У меня был случай когда магнит ротора был размагничен наполовину! Для проверки берем маломощную лампочку (3В), подсоединяем её к одной обмотке и резко крутим за вал мотора, делаем то же самое с другой, если горит в обоих случаях – хорошо, нет — мотор испорчен.
Мотор необходимо доработать, предварительно вскрыв его. Понадобиться плосковыпуклый натфиль, которым нужно сточить следующие крепления (обозначены синим) (Рис.4).

Рис.4

Если Вы будете повторять эту конструкцию, то можете вскрыть мотор любым доступным способом.

Получается (Рис.5) нечто подобное (обозначено голубым):

Рис.5

После этого аккуратно выстучал заднюю крышку с помощью ударов мотора дном о твердую поверхность. В итоге получилось разобрать мотор на следующие части: корпус, крышка, ротор (магнит+вал), статор. Для того чтобы вытащить вал из ротора следует выбить его прямо в разобранном моторе с помощью узкого стержня, я использовал стержень от заклепки.
Все эти процедуры нужны для того чтобы перемотать статор мотора (Рис.6, фото из интернета) более толстым проводом, по моему разумению это повысит выходную мощность генератора.

Рис.6

Потом аккуратно намотал эмалированный провод диаметра 0,6 до заполнения пластиковой части секции. Начало и конец катушек завел в оригинальные места пайки (на фото просто статор, он не перемотан).
После намотки статора необходимо было вставить в магнит более длинный вал, для этого взял стержень из CD-Rom’а (Рис.7), предварительно его подрезал и вставил в магнит с помощью молотка.
На рисунке показаны: 1 – оригинальный вал мотора, 2 – стержень для замены, 3 – магнит.

Рис.7

Стержень в CD-Rom’е используется как направляющая для каретки лазера, а её диаметр как раз такой что нужно! Берем этот стержень, отрезаем на нужную длину, так чтобы из мотора в итоге выход был на 2-3см. Собираем мотор аккуратно, используя все уплотнительные кольца, не забываем накапать масла.
Закрепил заднюю крышку, для этого загнул образовавшиеся после расточки на корпусе «места» (см. выше, обозначено розовым на рис.5) молотком.
Для того чтобы мотор служил генератором на его вал необходимо насадить ролик (Рис.8). Он хорошо приклеивается клеем ЭДП.

Рис.8

В качестве ролика можно использовать колесо для авиамоделей Hobby Pro с ободом из пенополиуретана диаметром 60мм, внутренним отверстием 3мм и шириной обода 20мм (http://hobbyostrov.ru/product_info.php?products_id=19923). Можно использовать и другое, но я нашел это. Кстати оно плохо себя показало со временем — стачивается.
Мотор переделан и было нужно придумать какую то систему крепления его к велосипеду. Для этого мне понадобился лист стали из того же лазерного принтера 6L, его выточили в виде буквы L, а потом по длинной её стороне согнули пополам. Получилась следующая конструкция (Рис.9).

Рис.9

По фото видно что у мотора одно его “ушко для крепления” использована в качестве шарнира (белая деталь на нижнем фото слева его прижимает), а другое ушко зажато между пластиной и дугообразной деталью, к нему прикреплена пружина. Такая конструкция выбрана потому, что колесо велосипеда имеет заметное торцевое биение, а прилегающий ролик (и сам генератор), соприкасаясь с ним, может свободно «покачиваться» относительно него. Да и еще такая конструкция позволяет отвести генератор от колеса, тем самым выключив его механически. Трущиеся части генератора смазывать нельзя, их лучше отполировать, я смазал только шарнир.
На фото генератора ролик не показан, диодный мост был впоследствии заменен. Пластина довольно толстая, но из мягкого металла, поэтому её можно довольно легко деформировать.

Фото в сборе на рис.10

Рис.10

Демонстрация работы генератора:


Электрическая часть:
Электрическая часть очень проста, схема на рис.11. Что интересно — генератор вырабатывает переменный ток да еще и переменной частоты в зависимости от скорости. Так как у генератора две обмотки, то на каждую поставил свой диодный мост, а получившиеся + и – соединил параллельно. Чтобы не тратить зря полезную мощность использовал диоды Шоттки. Мною проверены диоды 10bq015tr (1А) и MBR0520LT1 (0,5А).
Первых я брал 8 штук, а вторых 16, использовал в мосту по два параллельно для пропуска большего тока. Ощутимой разницы между ними нет! Погрешность измерений нивелирует разницу в значениях мощности. Так что используйте какие предпочтете или свои).

Рис. 11

После мостов поставил конденсаторную батарею на 50000+ мкФ, а уже потом от неё толстую пару проводов, сечения 2,5мм. На задний фонарь тоже использована батарея конденсаторов, чтобы запитывать его на остановках (еще не доделан).
В качестве переднего фонаря использовал Cree XM-LT6 (рис.12) со световым потоком около 1000 люмен, но драйвер для него в 5 Вт (рис.13) с выходной мощностью около 4 Вт, поэтому получил световой поток около 400-450 люмен согласно даташиту. Так же для фокусировки света использовал рефлектор (рис.14). Драйвер интересен тем что работает в диапазоне напряжений 4,5-18 В.
Все это было приобретено на www.dealextreme.com.
LED www.dealextreme.com/details.dx/sku.50599
Драйвер www.dealextreme.com/details.dx/sku.26110
Рефлектор www.dealextreme.com/details.dx/sku.5937
Диаметр подложки LED’a и платы драйвера одинаковы и составляют всего 16мм, в рефлекторе нет места для размещения проводов от светодиода, поэтому пришлось использовать медную фольгу).



Рис.12

Рис.13

Рис.14

Общий вид смотрите по ссылке we.easyelectronics.ru/uploads/images/00/07/88/2011/05/24/7aa473.jpg

Полевые испытания:
Когда я испытывал генератор первый раз (еще когда не было светодиода) — использовал в качестве нагрузки две 3х ваттные лампочки накаливания на 6в. Генератор отдавал им около 5 Вт при скорости в 20-25 Км/час (все подсчитывалось с помощью велокомпа, но результатов точных не помню). Тогда мне казалось что это максимальная выходная мощность, я конечно понимаю, что передача мощности в нагрузку зависит от сопротивления нагрузки, но тогда я думал что это предел. Но когда пришел LED и мы с корешем начали проверку на улице, генератор показал впечатляющие результаты! Драйвер начинает работать на полную мощность уже на скорости прогулочного бега (~8 км/ч), это говорит о том что есть потенциал для передачи большего тока в LED посредством установки более мощного драйвера.

Таким образом, возвращаясь к теории, узнаем что необходимая для нормальной генерации частота вращения ролика 12 об/сек. От этого параметра можно отталкиваться при проектировании Вашего варианта генератора.

Результат:
К сожалению не могу показать как работает вся система в действительности с помощью видео, лишь могу предположить, что световой поток (400-450 люмен) похож на поток настольной люминесцентной лампы в 11 Вт. Но в любом случае этого хватает для уверенной езды по ночной дороге. Что удивительно — дополнительная нагрузка на ноги почти не заметна.

Достоинства: хорошая выходная мощность, возможность установки более мощного драйвера и получения более сильного светового потока. Фонарь не требует использования источников питания.

Недостатки: открытая конструкция боится влаги и дорожной грязи (поэтому нельзя смазывать место трения генератора и пластины), пластина из мягкого металла легко гнется. Прижимной ролик из пенополиуретана не лучшим образом подходит к данной конструкции.

Доработка:
Всем желающим повторить идею рекомендую придерживаться след. пунктов:
1) Основательно подойти к способу передачи крутящего момента с колеса на ролик, не допускать перекоса как у меня (ролик не лежит в одной из плоскостей проходящих через касательную в точке касания, а пересекает её, это как раз и стало причиной истирания рис.15)
2) По возможности использовать ролик из более плотного материала
3) Сделать конструкцию крепления генератора жесткой
3) Защитить конструкцию от грязи и влаги


Рис.15

P.S. Первый блин комом, но надеюсь что заинтересовал ;-) Скинул три большие фоточки в архивчик.

  • +6
  • 24 мая 2011, 14:22
  • nmors
  • 1
Файлы в топике: архивчик.zip

Комментарии (39)

RSS свернуть / развернуть
Надёжно хоть работает?)
0
Ну как, генерирует непрерывно, а ролик стачивается… надеюсь на лето хватит, а потом если что новый приклею.
0
Прикольно)

зы. Надо бы за статьям, в которых нет ничего про МК, повышать баллы раза в 3.
Типо для поддержания вымирающего вида.
0
Только за! до МК мне еще один ВУЗ
0
Ну эта статья вообще о сборке из готового. Там работа в основном напильником.
Алсо, двухфазную переменку вроде можно выпрямлять с меньшим числом диодов. Это дешевле и потери меньше вроде.
0
Поддерживаю полностью =)
0
Интересная идея — использовать шаговик. У меня как-раз подобный лежит.

А шумит генератор не сильно? По видео как-то не очень понятно.
0
Шумит в зависимости от темпа езды, в принципе сильно не напрягает на улице, но это кому как.
0
Неплохо, а зачем именно генератор. Чем плоха банка с Li ION батарейками. Хватит ее надолго и конструкция будет куда проще.
0
А в самом начале статьи я как раз про это и писал) Интересно было вот и генератор, кстати можно через редуктор и от руки крутить, 5 Вт будет неплохо для походной зарядки))
0
Неплохо, а зачем именно генератор. Чем плоха банка с Li ION батарейками. Хватит ее надолго и конструкция будет куда проще.
и педали крутить легче, в детстве поставил на велик себе такое счастье, так после вечера прогулки на велосипеде думал ноги отвалятся.
0
Никогда раньше не катался на велосипеде с генератором, сравнить не с чем. Для меня доп. нагрузка создаваемая этим генератором небольшая.
0
прикольно. ток кз не меряли?
я бы прижимал ближе к спицам. там и протектора нет, и удобнее
0
Про ток, честно говря уже не помню, но вроде как при 16 оборотах был 1,2А, но это очень условно. Можно и туда, главное чтобы сила трения была достаточна для надежной передачи момента
0
Многие шины ближе к спицам имеют специфичную геометрию, рисунок — продольные линии с мелким шагом около 1 мм, всегда размышлял — «Случаем, может для генератора?...», для лучшего сцепления.
0
Дождик…
0
Есть немного, при сильном не пробовали, стоит избегать или делать в закрытом испольнении.
0
Задуть как следует уретаном и намана.
0
Внутрь мотора и на диоды можно, а вот внешняя грязь еще попадает в места трения, с этим хуже.
0
хорошпя идея. тоже думал о таком но на коллекторном моторчике обычном. но я бы взял колесико меньше. гораздо. ато у вас оно широкое и стоит вроде как не совсем ровно, потому и стачивается(при большой ширине и длинне пятна контакта формой покрышки(тор) уже не получится пренебречь).
0
Не спорю, можно и на коллекторнике, мост для него не требуется, но у коллекторника якорь с тонюсеньким проводом… много ли он выработает не знаю. Колесо большое потому что сила прижима нужна не большая по отношению к силе необходимой для меньшего ролика, да и такой ролик оправдал себя в этой конструкции, есть не просит). Да, стачивается по причине перекоса, в статье об этом есть.
0
выработает, скорее всего столько же. только на большей частоте и наверное большего напряжения
0
Они разные бывают. И работают как правило на вполне приличном токе. Такие, как в шуруповертах (купил недавно один, не сильно они дорогие, подешевле СИДа этого) — ампер на 5.
0
ага… сейчас вот подобный шруповертовскому взял, мелкий синий светодиодик питает запросто от легкого вращения рукой. а если замкнуть обмотки то вал прокрутить становится проблематично :D
0
О да. Электродинамический тормоз ЕМНИП. Так тормозят многие, если не большинство, трансопортные средства на электротяге.
Кстати, встречал рекомендацию так же тормозить сверлилку. Тогда энергия торможения выделится не в подшипниках движка, а в обмотках или тормозном резисторе (при его наличии). Ну и тормознет быстрее.
0
Если можно, дайте пожалуйста фото движка или ссылку.
0
Слева направо:
1) В представлениях не нуждается
2) Китайский моторчик «для фена». Вполне приличный девайс, китайцы юзают в фенах и маломощном инструменте (скажем, мини-граверах и сверлилках). Щетки угольные, стартовым током глушит БП (2А) не только при штатном напряжении (12В), но и при половинном.
3) Моторчик а-ля шуруповерт. Юзается в младших шуруповертах, автомобильных компрессорах/пылесосах/т.п. и подобных девайсах. Еще возможно в аккумуляторных граверах. 12В, без нагрузки жрет на 12В 0.4А. Глушит блок при практически любом напряжении, большем нуля)
0
спасибо за моторы) не могу со своей стороны не выпендрится. мои моторчики:

Хочу самый большой использовать в качестве микродрели, только вот патрон не подходит, у мотора диаметр 3,2мм, да еще и шкив с накаткой. Походу такой же как Ваш номер 3, рабочее напряжение 16В
0
Миленько. Хотя я тоже фоткал далеко не всю коллекцию — наиболее подходящие для задачи (и распространенные) экземпляры и «в представлениях не нуждается» для привязки к размерам (как спичечный коробок, монетка или спичка на фотографиях всякой мелкоты).
А вон тот с патроном случаем не полоякорный, вроде ДПМ? На вид он должен иметь не очень большой момент и солидные обороты.
0
К сожалению обозначения на моторе стерлись. Про обороты не знаю, а вот момент средний, на 2 мм текстолит хватает при новом сверле, дальше — хуже.
0
А не лучше сделать на аккумуляторе свет? А от генератора только подзарядка. Вот с горки спускаетесь генератор включили, нагрузка тогда маленькая и ноги не устают и «Green Power» )
0
Можно сделать), но тут задача была другая — вообще не использовать батарейки) А вообще такой генератор можно от руки крутить и использовать в качестве походной зарядки)
0
была похожая идея, только в качестве генератора я хотел использовать неподвижную катушку и неодимовые магниты на спицах, но пока дальше идеи не продвинулся :)
0
Давеча современные генераторы выглядят так
0
ога, 100$ за сам генератор + переспицевать колесо :)
0
это динамовтулки, если смотреть по конструкции — должны быть надежны, а вот как они сказываются на езду — вопрос. Решил переделать свой генератор, так чтобы перекоса не было.
0
Вот, нуждаюсь в вашей консультации по данному вопросу
0
Здравствуйте, хочу применить этот шаговик как генератор для подзарядки акб на 12в(5а/ч), а от него(акб) выводить провода на электрооборудование. Схема, примерно, такая же, как в авто. Хотелось бы узнать, возможно ли это с этим шаговым двигателем и что нужно учесть при этом
0
Да, забыл добавить, хочу поставить все это на велосипед
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.