Генератор для велосипеда

Настоящая полезная модель относится к устройствам для генерирования электрического тока, а именно - генераторам (велогенераторам, динамо-машинам), используемым в транспортных средствах с педальным приводом для генерирования тока, используемого в системах освещения.
Электрический генератор - устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в электрическую. На велосипед электрический генератор устанавливается для получения электроэнергии, которая питает осветительные приборы велосипеда, а также, в последнее время, для подзарядки аккумуляторов мобильных телефонов, планшетных компьютеров, GPS навигаторов и других устройств, которые велосипедист имеет при себе [https://velomasterclass.ru/generator-elektrichestva-dlya-velosipeda].
Велосипедное «динамо» зачастую является генератором не постоянного, а переменного тока (максимально простая конструкция в виде неподвижной катушки и вращающегося постоянного магнита, без щеточно-коллекторного узла), поскольку необходимости в постоянном токе для велофары нет [https://ru.wikipedia.org/wiki/Динамо-машина].
Таким образом, велогенератор состоит из катушки с проводом, вращающейся в магнитном поле, создаваемом статором, или наоборот: вращается магнит, а катушка неподвижна. Электрический ток вырабатывается тогда, когда силовые линии движущегося магнита пересекают витки проволочной катушки. По закону Фарадея, энергия вращения преобразуется в переменный ток, который подходит для осветительных приборов, но не подходит для других устройств, питающихся постоянным током, поэтому переменный ток выпрямляют с помощью диодного моста и стабилизируют, ограничивая максимальное значение напряжения.
Основной недостаток такого устройства для получения электроэнергии состоит в том, что генератор перестает выдавать энергию при полной остановке велосипеда, а также присутствует зависимость уровня напряжения от скорости велосипеда, что создает определенные неудобства.
Современные аккумуляторные батареи вытесняют генераторы, благодаря небольшим размерам и способности выдавать большую мощность. Ее значение для генератора составляет 3-6 Вт, тогда как аккумуляторы небольшого размера выдают до 15 Вт и более. В то же время, если нет возможности зарядить аккумуляторы, то выручит генератор.
По своей конструкции генераторы для велосипеда делятся на несколько типов, два из них используются чаще всего [https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/jelektropitanie/dinamo-mashina].
Втулочный внутренний генератор или динамо-втулка встраивается в переднюю или заднюю втулку колеса. Мощность такой конструкции может достигать 3 ватт при напряжении 6 вольт. Технологии изготовления втулочных генераторов постоянно совершенствуются, размеры конструкции становятся все меньше, а мощность выше.
Динамо-втулки при работе не создают шума, но их масса больше, чем у других моделей. Трущиеся части во втулочном варианте устройства отсутствуют. Генератор функционирует 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.
Стоимость втулочного генератора довольно высока. Установка гораздо более сложная, по сравнению с бутылочным вариантом. К недостаткам устройства, также, относится то, что отключить работу втулочного генератора невозможно.
Более популярной моделью динамо-машины для велосипеда является бутылочная конструкция. Такой генератор может монтироваться как на переднее, так и на заднее колесо. В первом случае устройство может совмещаться со встроенным фонарем. Для отключения генератора предусмотрен специальный откидной механизм, фиксирующий корпус генератора в том положении, в котором нет соприкосновения с шиной или ободом колеса велосипеда.
Название этого устройства происходит от внешнего сходства формы генератора с бутылкой. Бутылочный велогенератор имеет и другое название - боковое динамо. Приводной резиновый или металлический ролик приводится во вращение соприкосновением с боковой стороной шины колеса. При движении велосипеда шина придает вращательное движение ролику велогенератора, который вырабатывает электрический ток.
Описанная конструкция имеет как достоинства, так и недостатки. К достоинствам можно отнести следующие особенности работы:
- Возможность отключения. При включенном генераторе велосипедисту приходится прикладывать больше силы для движения, а отключенный привод генератора не оказывает сопротивления движению велосипеда. Динамо-втулка, в отличие от бутылочного велогенератора, не имеет возможности отключения и оказывает постоянное сопротивление вращению колеса, хотя значение этого сопротивления незначительно.
- 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.
К недостаткам генераторов бутылочного типа можно отнести:
- Сложную настройку. Требуется тщательная настройка и регулировка соприкосновения с шиной 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, исключающими 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 ее износ. Если сравнить с динамо-втулкой, то там трение с шиной отсутствует.
Сопротивление движению. Бутылочная динамо-машина оказывает значительно большее 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 шиной, не зависят от погоды и других неблагоприятных условий.
Известен тип генератора, схожий с бутылочным, но отличающийся от него тем, что вращение ротора инициируется соприкосновением приводного диска с боковой поверхностью обода. При этом диск выполнен обрезиненным, для лучшего сцепления с поверхностью обода, и имеет диаметр, в несколько раз превышающий диаметр приводного ролика генератора бутылочного типа.
Размер приводного диска оказывает существенное влияние на технические характеристики устройства. Для преодоления сопротивления генератора, к приводному диску должен быть приложен необходимый вращающий момент, равный произведению силы на плечо ее приложения. При этом, размер плеча равен радиусу диска, а сила ограничена силой сцепления диска и обода. Сила сцепления зависит, в том числе, от силы, с которой диск прижимается к ободу. Чем с большей силой прижимается диск, тем лучше сцепление, но при этом увеличивается и трение качения между диском и ободом, что приводит к уменьшению КПД устройства. Очевидно, что при фиксированном вращающем моменте, с увеличением размера диска уменьшается необходимая сила сцепления, а, следовательно, и сила прижатия диска к ободу, таким образом, уменьшается трение качения и растет КПД.
Этот тип генератора является менее шумным, чем бутылочный, он не оказывает влияния на износ шины и не зависит от давления в ней.
Известен велогенератор бутылочного типа [US 20150229183], приводной ролик которого приводится во вращение соприкосновением с боковой стороной шины колеса. При движении велосипеда шина придает вращательное движение ролику велогенератора, который вырабатывает электрический ток. Монтажный кронштейн велогенератора позволяет отключать его (разрывая механический контакт между приводным роликом и шиной колеса), в случаях, когда не требуется выработка электроэнергии.
Недостаток устройства заключается в необходимости контакта приводного ролика велогенератора с боковой поверхностью шины колеса, что вызывает износ шины, а также сильный шум. Кроме того, как уже было сказано выше, небольшой диаметр приводного ролика определяет высокую силу трения качения между роликом и шиной.
В качестве прототипа выбран велогенератор [KR 20140006097], состоящий из приводного обрезиненного диска, внутри которого смонтирован жестко связанный с ним ротор с постоянными магнитами и катушки статора, зафиксированные относительно рамы велосипеда через корпусной элемент, расположенный на одной оси с диском и кронштейн, позволяющий приводному диску приходить в соприкосновение с ободом колеса (генератор работает) или разрывать это соединение (генератор отключен). Ротор приводится во вращение связанным с ним приводным диском, соприкасающимся с ободом колеса. Во время движения велосипеда вращение колеса заставляет приводной диск и связанный с ним ротор с постоянными магнитами вращаться относительно неподвижного статора с проволочными катушками, что инициирует выработку электрического тока в проводниках катушек.
Недостатком прототипа является недостаточная герметичность конструкции приводного диска, позволяющая пыли и грязи проникать внутрь него, оседать на проволочных катушках, магнитах, подшипниках и других элементах и деталях, увеличивая трение в движущихся узлах и уменьшая КПД устройства. Также, грязевая «шуба» уменьшает теплоотдачу и может вызвать перегрев проводников катушек, и, как следствие, выход устройства из строя.
Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является недостаточная защита деталей и узлов генератора от попадания на них грязевых частиц, вызывающих избыточное трение в движущихся частях и перегрев катушек с проводами.
Решение указанной технической проблемы достигается тем, что генератор для велосипеда, содержащий статор с катушками, ротор с постоянными магнитами, а также приводной диск, связанный с ротором и вращаемый путем соприкосновения с ободом колеса, имеет следующую конструкцию: внутри корпуса генератора торцевого типа, состоящего из стакана и герметично закрывающейся винтовой крышки, смонтированы статор и ротор, причем статор расположен со стороны крышки, а ротор у дна стакана, при этом вращение от приводного диска, расположенного вне корпуса, передается ротору через магнитную муфту, в которой ротор является ведомой полумуфтой, дно стакана - защитным экраном между ведомой и ведущей полумуфтой, а ведущая полумуфта, вращаемая приводным диском, находится снаружи корпуса в герметично замкнутой полости, образованной дном стакана и другой винтовой крышкой. Корпус генератора может быть выполнен из токопроводящего немагнитного материала (металла или сплава), например, из алюминия, или из неметаллического материала.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в уменьшении силы трения в движущихся частях, и, как следствие, увеличении КПД устройства и срока эксплуатации. Также, исключается возможность перегрева устройства из-за улучшения условий теплообменных процессов.
На прилагаемых к описанию чертежах дано:
- общий вид велосипедного генератора дискового типа (фиг. 1);
- крепление генератора на раме велосипеда, взаимное расположение генератора и колеса (фиг. 2);
- передача вращения от колеса приводному диску (фиг. 3).
Велосипедный генератор 1 (фиг. 1) содержит корпус 2 в виде стакана, внутри которого расположены статор 3 и ротор 4, являющийся одновременно ведомой полумуфтой магнитной муфты.
Магнитные муфты (ММ) предназначены для передачи крутящего момента с ведущего вала на ведомый без механического контакта, через герметизирующий металлический или неметаллический защитный экран посредством магнитного поля, создаваемого системой постоянных магнитов (SmCo или NdFeB), установленных на ведущей и ведомой полумуфтах.
Следует учесть, что вихревые токи, генерируемые магнитным полем в токопроводящем экране, вызывают тепловыделение, что снижает КПД устройства с магнитным приводом за счет «электромагнитных» потерь. Этого недостатка лишены ММ с неметаллическим герметизирующим экраном [http://hydrogas.ru/production/himicheskie-nasosy/seriya-gh/germetichnye-mufryna-postoyannyh-magnitah].
Достоинством аппаратов с передачей вращательного момента ММ является их полная герметичность, и, как следствие, длительная стабильность выдаваемых характеристик, надежность и долговечность эксплуатации.
Корпус 2 закрыт навинчивающейся на него крышкой 5, в центре которой находится отверстие для выхода провода 6. Соосно с ротором, через герметизирующий экран, являющийся дном корпуса 2, расположена ведущая полумуфта 7 магнитной муфты, закрытая крышкой 8 с центральным отверстием, через которое проходит вал, соединяющий ведущую полумуфту 7 и приводной диск 9.
Генератор 1 прикреплен посредством кронштейна 10 (фиг. 2) к раме 11. Кронштейн позволяет генератору занимать два положения: в одном из них приводной диск 9 контактирует с ободом 12 колеса 13, в другом - контакт разорван. Положение, в котором приводной диск 9 находится в контакте с ободом 12, показан на фиг. 3.
Генератор работает следующим образом. Во время движения велосипеда, вращающееся колесо 13 передает вращение с обода 12 на соприкасающийся с ним приводной диск 9 генератора 1. Диск 9 передает вращение на ведущую полумуфту 7 магнитной муфты, которая, в свою очередь, вращает ротор 4, являющийся ведомой полумуфтой магнитной муфты. Ротор с постоянными магнитами вращается относительно неподвижного статора с проволочными катушками, что инициирует выработку электрического тока в проводниках катушек.
Как уже было сказано выше, магнитная муфта передает крутящий момент через герметизирующий защитный экран. Материалом для изготовления этого экрана может быть токопроводящий немагнитный материал (металл или сплав), например, алюминий, или неметалл. Корпус генератора может быть полностью изготовлен из этого материала или из него должен быть сделан только защитный экран.