Как из бесколлекторного двигателя сделать генератор

Обновлено: 04.07.2024

Проезжая на велосипеде мимо дачных участков, я увидел работающий ветрогенератор:

Большие лопасти медленно, но верно вращались, флюгер ориентировал устройство по направлению ветра.
Мне захотелось реализовать подобную конструкцию, пусть и не способную вырабатывать мощность, достаточную для обеспечения "серьезных" потребителей, но все-таки работающую и, например, заряжающую аккумуляторы или питающую светодиоды.

Шаговые двигатели

Одним из наиболее эффективных вариантов небольшого самодельного ветроэлектрогенератора является использование шагового двигателя (ШД) (англ. stepping (stepper, step) motor) - в таком моторе вращение вала состоит из небольших шагов. Обмотки шагового двигателя объединены в фазы. При подаче тока в одну из фаз происходит перемещение вала на один шаг.
Эти двигатели являются низкооборотными и генератор с таким двигателем может быть без редуктора подключен к ветряной турбине, двигателю Стирлинга или другому низкооборотному источнику мощности. При использовании в качестве генератора обычного (коллекторного) двигателя постоянного тока для достижения таких же результатов потребовалась бы в 10-15 раз более высокая частота вращения.
Особенностью шаговика является достаточно высокий момент трогания (даже без подключенной к генератору электрической нагрузки), достигающий 40 грамм силы на сантиметр.
Коэффициент полезного действия генератора с ШД достигает 40 %.

Для проверки работоспособности шагового двигателя можно подключить, например, красный светодиод. Вращая вал двигателя, можно наблюдать свечение светодиода. Полярность подключения светодиода не имеет значения, так как двигатель вырабатывает переменный ток.

Кладезем таких достаточно мощных двигателей являются пятидюймовые дисководы гибких дисков, а также старые принтеры и сканеры.

Например, я располагаю ШД из старого 5.25″ дисковода, работавшего еще в составе ZX Spectrum - совместимого компьютера "Байт".
Такой дисковод содержит две обмотки, от концов и середины которых сделаны выводы - итого из двигателя выведено шесть проводов:

первая обмотка (англ. coil 1) - синий (англ. blue) и желтый (англ. yellow);
вторая обмотка (англ. coil 2) - красный (англ. red) и белый (англ. white);
коричневые (англ. brown) провода - выводы от средних точек каждой обмотки (англ. center taps).

разобранный шаговый мотор

Слева виден ротор двигателя, на котором видны "полосатые" магнитные полюсы - северный и южный. Правее видна обмотка статора, состоящая из восьми катушек.
Сопротивление половины обмотки составляет ~ 70 Ом.

Я использовал этот двигатель в первоначальной конструкции моего ветрогенератора.

Находящийся в моем распоряжении менее мощный шаговый двигатель T1319635 фирмы Epoch Electronics Corp. из сканера HP Scanjet 2400 имеет пять выводов (униполярный мотор):

первая обмотка (англ. coil 1) - оранжевый (англ. orange) и черный (англ. black);
вторая обмотка (англ. coil 2) - коричневый (англ. brown) и желтый (англ. yellow);
красный (англ. red) провод - соединенные вместе выводы от средней точки каждой обмотки (англ. center taps).

Сопротивление половины обмотки составляет 58 Ом, которое указано на корпусе двигателя.

В улучшенном варианте ветрогенератора я использовал шаговый двигатель Robotron SPA 42/100-558, произведенный в ГДР и рассчитанный на напряжение 12 В:

Ветротурбина

Возможны два варианта расположения оси крыльчатки (турбины) ветрогенератора - горизонтальное и вертикальное.

Преимуществом горизонтального (наиболее популярного) расположения оси, располагающейся по направлению ветра, является более эффективное использование энергии ветра, недостаток - усложнение конструкции.

Я выбрал вертикальное расположение оси - VAWT (vertical axis wind turbine), что существенно упрощает конструкцию и не требует ориентации по ветру. Такой вариант более пригоден для монтирования на крышу, он намного эффективнее в условиях быстрого и частого изменения направления ветра.

Я использовал тип ветротурбины, называемый ветротурбина Савониуса (англ. Savonius wind turbine). Она была изобретена в 1922 году Сигурдом Йоханнесом Савониусом (Sigurd Johannes Savonius) из Финляндии.

Сигурд Йоханнес Савониус

Работа ветротурбины Савониуса основана на том, что сопротивление (англ. drag) набегающему потоку воздуха - ветру вогнутой поверхности цилиндра (лопасти) больше, чем выпуклой.

Коэффициенты аэродинамического сопротивления (англ. drag coefficients) $C_D$

двумерные тела:
вогнутая половина цилиндра (1) - 2,30
выпуклая половина цилиндра (2) - 1,20
плоская квадратная пластина - 1,17
трехмерные тела:
вогнутая полая полусфера (3) - 1,42
выпуклая полая полусфера (4) - 0,38
сфера - 0,5
Указанные значения приведены для чисел Рейнольдса (англ. Reynolds numbers) в диапазоне $10^4 - 10^6$. Число Рейнольдса характеризует поведение тела в среде.

Сила сопротивления тела воздушному потоку $ = S \rho > $, где $\rho$ - плотность воздуха, $v$ - скорость воздушного потока, $S$ - площадь сечения тела.

Такая ветротурбина вращается в одну и ту же сторону, независимо от направления ветра:

Подобный принцип работы используется в чашечном анемометре (англ. cup anemometer) - приборе для измерения скорости ветра:

Такой анемометр был изобретен в 1846 году ирландским астрономом Джоном Томасом Ромни Робинсоном (John Thomas Romney Robinson):

Робинсон полагал, что чашки в его четырехчашечном анемометре перемещаются со скоростью, равной одной трети скорости ветра. В реальности это значение колеблется от двух до немногим более трех.

В настоящее время для измерения скорости ветра используются трехчашечные анемометры, разработанные канадским метеорологом Джоном Паттерсоном (John Patterson) в 1926 году:

Генераторы на коллекторных двигателях постоянного тока с вертикальной микротурбиной продаются на eBay по цене около $5:

Такая турбина содержит четыре лопасти, расположенные вдоль двух перпендикулярных осей, с диаметром крыльчатки 100 мм, высотой лопасти 60 мм, длиной хорды 30 мм и высотой сегмента 11 мм. Крыльчатка насажена на вал коллекторного микродвигателя постоянного тока с маркировкой JQ24-125H670. Номинальное напряжение питания такого двигателя составляет 3 . 12 В.
Энергии, вырабатываемой таким генератором, хватает для свечения "белого" светодиода.

Скорость вращения ветротурбины Савониуса не может превышать скорость ветра, но при этом такая конструкция характеризуется высоким крутящим моментом (англ. torque).

Эффективность ветротурбины можно оценить, сравнив вырабатываемую ветрогенератором мощность с мощностью, заключенной в ветре, обдувающем турбину:
$P = <1\over 2>\rho S $ , где $\rho$ - плотность воздуха (около 1,225 кг/м 3 на уровне моря), $S$ - ометаемая площадь турбины (англ. swept area), $v$ - скорость ветра.

Первоначально в крыльчатке моего генератора использованы четыре лопасти в виде сегментов (половинок) цилиндров, вырезанных из пластиковых труб:

Размеры сегментов -
длина сегмента - 14 см;
высота сегмента - 2 см;
длина хорды сегмента - 4 см;
расстояние от начала сегмента до центра оси вращения - 3 см.

Я установил собранную конструкцию на достаточно высокой (6 м 70 см) деревянной мачте из бруса, прикрепленную саморезами к металлическому каркасу:

Недостатком генератора была достаточно высокая скорость ветра, требуемая для раскрутки лопастей. Для увеличения площади поверхности я использовал лопасти, вырезанные из пластиковых бутылок:

Размеры сегментов -
длина сегмента - 18 см;
высота сегмента - 5 см;
длина хорды сегмента - 7 см;
расстояние от начала сегмента до центра оси вращения - 3 см.

Проблемой оказалась прочность держателей лопастей. Сначала я использовал перфорированные алюминиевые планки от советского детского конструктора толщиной 1 мм. Через несколько суток эксплуатации сильные порывы ветра привели к излому планок (1). После этой неудачи я решил вырезать держатели лопастей из фольгированного текстолита (2) толщиной 1,8 мм:

Прочность текстолита на изгиб перпендикулярно пластине составляет 204 МПа и сравним с прочностью на изгиб алюминия - 275 МПа. Но модуль упругости алюминия $E$ (70000 МПа) намного больше, чем у текстолита (10000 МПа), т.е. тексолит намного эластичнее алюминия. Это, по моему мнению, с учетом большей толщины текстолитовых держателей, обеспечит гораздо большую надежность крепления лопастей ветрогенератора.
Ветрогенератор смонтирован на мачте:

Опытная эксплуатация нового варианта ветрогенератора показала его надежность даже при сильных порывах ветра.

Недостатком турбины Савониуса является невысокая эффективность - только около 15 % энергии ветра преобразуется в энергию вращения вала (это намного меньше, чем может быть достигнуто с ветротурбиной Дарье (англ. Darrieus wind turbine)), использующей подъемную силу (англ. lift). Этот вид ветротурбины был изобретен французским авиаконструктором Жоржем Дарье (Georges Jean Marie Darrieus) - патент США от 1931 года № 1,835,018.

Жорж Дарье

Недостатком турбины Дарье является то, что у нее очень плохой самозапуск (для выработки крутящего момента от ветра турбины уже должна быть раскручена).

Преобразование электроэнергии, вырабатываемой шаговым двигателем

Выводы шагового двигателя могут быть подключены к двум мостовым выпрямителям, собранным из диодов Шоттки для снижения падения напряжения на диодах.
Можно применить популярные диоды Шоттки 1N5817 с максимальным обратным напряжением 20 В, 1N5819 - 40 В и максимальным прямым средним выпрямленным током 1 А. Я соединил выходы выпрямителей последовательно с целью увеличения выходного напряжения.
Также можно использовать два выпрямителя со средней точкой. Такой выпрямитель требует в два раза меньше диодов, но при этом и выходное напряжение снижается в два раза.
Затем пульсирующее напряжение сглаживается с помощью емкостного фильтра - конденсатора 1000 мкФ на 25 В. Для защиты от повышенного генерируемого напряжения параллельно конденсатору включен стабилитрон на 25 В.

схема моего ветрогенератора

электронный блок моего ветрогенератора

Применение ветрогенератора

Вырабатываемое ветрогенератором напряжение зависит от величины и постоянства скорости ветра.

При ветре, колышущем тонкие ветви деревьев, напряжение достигает 2 . 3 В.

При ветре, колышущем толстые ветви деревьев, напряжение достигает 4 . 5 В (при сильных порывах - до 7 В).

ПОДКЛЮЧЕНИЕ К JOULE THIEF

Сглаженное напряжение с конденсатора ветрогенератора может подаваться на Joule Thief - низковольтный DC-DC преобразователь

Значение сопротивления резистора R подбирается экспериментально (в зависимости от типа транзистора) - целесообразно использовать переменный резистор на 4,7 кОм и постепенно уменьшать его сопротивление, добиваясь стабильной работы преобразователя.
Я собрал такой преобразователь на базе германиевого pnp-транзистора ГТ308В (VT) и импульсного трансформатора МИТ-4В (катушка L1 - выводы 2-3, L2 - выводы 5-6) :

ЗАРЯД ИОНИСТОРОВ (СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ)

Ионистор (суперконденсатор, англ. supercapacitor) представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока.
Ионистор - неполярный элемент, но один из выводов может быть помечен "стрелкой" - для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе.
Для первоначальных исследований я использовал ионистор 5R5D11F22H емкостью 0,22 Ф на напряжение 5,5 В (диаметр 11,5 мм, высота 3,5 мм):

Я подключил его через диод к выходу Joule Thief через германиевый диод Д310.

Для ограничения максимального напряжения зарядки ионистора можно использовать стабилитрон или цепочку светодиодов - я использую цепочку из двух красных светодиодов:

Для предотвращения разряда уже заряженного ионистора через ограничительные светодиоды HL1 и HL2 я добавил еще один диод - VD2.

Вы можете написать сейчас и зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.
Примечание: Ваш пост будет проверен модератором, прежде чем станет видимым.

Последние посетители 0 пользователей онлайн

Ещё раз перемотал дроссель. Теперь БП запускается без нагрузки. На ХХ +10,2в, так же на минусовой линии, и +5,67в на пяти вольтовой. Нагружаешь 5в линию и напруга сразу становится 12,93 и 5,1в. R79 изменён чуток остался с прошлого раза помоему 4,66 кОм. Завтра продолжу.

Да, нужен сигнал идентичный входящему, я просто думал что работает что-то вроде "2 пары наушников на один выход" ну мощность выхода просядет или что-то ещё.. А на сабвуфер уже путь такой сумматор->кроссовер->усилитель, всё верно я понимаю?

Вряд ли. Собранная датагоровская на этой же акустике звучала лучше. Правда там Ку был 8. Но и керамика только 470пФ. Понижение Ку не должно ухудшить звук, кмк. Да и микросхемы грелись сильнее, сейчас совсем холодные.

@Carbon_100 Если ни чего изменять не надо то перемычка между входом и выходом, если нужно корректировать АЧХ то тогда вход на предварительный усилитель, а выход уже после фильтров.

Похожий контент

Селективный вольтметр SMV-6,1. Б/у. Без ЗИП и книг. В наличии: 1шт. Цена: 5500р.
Эквивалент сети NNB103. Б/у. Без ЗИП и книг. В наличии: 1шт. Цена: 4500р.
Источник питания TR-9251. Б/у. Без ЗИП и книг. В наличии: 1шт. Цена: 3500р
Измеритель радиопомех NLMZ-4. Б/у. Без ЗИП и книг. В наличии: 1шт. Цена: 8500р
Привод (лебедка) RTF Motorwinde (к FE2). Б/у. Без ЗИП и книг. В наличи: 1шт. Цена: 3500р

Саратовская обл. г.Энгельс
Отправим: почтой, транспортной компанией, в Москву - с курьером.

На крыше моего дома стоит во такой привод, открытия и закрытия шторки - воздуховода. А мне надо бы его открыть руками, что бы протянуть внутрь коаксиальный кабель.
Ну и конечно опять закрыть.Может кто сталкивался ? По инструкции не понятно. В ЖЭК идти- гусей дразнить..

Всем привет!
Появилась идея сделать перемещающийся стенд (вес от 50 до 100 кг) влево-вправо относительно наблюдателя.
Соответственно вопрос - как подобрать мощность двигателя. И как сконструировать схему управления?
В самом простом варианте - влево до упора, затем вправо до упора.
В более сложном возвратно-поступательные движения.
Также буду рад услышать рекомендации по выбору двигателя. Интересует цена-качество, ессно.
Заранее благодарен откликнувшимся!

Как-то у меня появился старый, но рабочий генератор. Я решил переделать его в BLDC мотор. В последующем буду его использовать для самодельного электровелосипеда или электросамоката. В целом двигатель подойдет везде, где требуется регулируемый электропривод.

Используемые материалы

автомобильный генератор;
припой;
провода медные;
АКБ;
плата управления с регулятором оборотов.

Процесс переделки генератора в BLDC двигатель

Берем снятый щеточный узел. В его конструкции присутствует регулятор напряжения. Его требуется отсоединить.

Собираем двигатель в обратном порядке. При необходимости меняем подшипники и протачиваем контактные кольца.

Подключаем обмотку ротора к питанию. Выходы статора подсоединяются к плате управления. Сам драйвер запитывается от АКБ.

Полезные советы

Получаемый таким образом BLDC двигатель имеет недостаточно хороший КПД, так как энергия тратится в обмотке возбуждения на подмагничивание ротора. Устранить этот недостаток можно с помощью установки неодимовых магнитов.
Я брал драйвер, который работает без датчика Холла. Он дешевле и вполне подходит. При желании получить хорошую производительность можно поставить датчик Холла в двигатель и подключить его к соответствующей плате.
Перед подключением двигателя к АКБ обязательно проверяем обмотки на межвитковое КЗ и пробой на корпус.

Смотрите видео

В этой статье мы хотели бы рассказать о том, как мы с нуля создали электрический мотор: от появления идеи и первого прототипа до полноценного мотора, прошедшего все испытания. Если данная статья покажется вам интересной, мы отдельно, более подробно, расскажем о наиболее заинтересовавших вас этапах нашей работы.

На картинке слева направо: ротор, статор, частичная сборка мотора, мотор в сборе

Вступление

Электрические моторы появились более 150 лет назад, однако за это время их конструкция не претерпела особых изменений: вращающийся ротор, медные обмотки статора, подшипники. С годами происходило лишь снижение веса электромоторов, увеличение КПД, а также точности управления скоростью.

Сегодня, благодаря развитию современной электроники и появлению мощных магнитов на основе редкоземельных металлов, удаётся создавать как никогда мощные и в то же время компактные и легкие “Бесколлекторные” электромоторы. При этом, благодаря простоте своей конструкции они являются наиболее надежными среди когда-либо созданных электродвигателей. Про создание такого мотора и пойдет речь в данной статье.

Описание мотора

В “Бесколлекторных моторах” отсутствует знакомый всем по разборке электроинструмента элемент “Щетки”, роль которых заключается в передаче тока на обмотку вращающегося ротора. В бесколлекторных двигателях ток подается на обмотки не-двигающегося статора, который, создавая магнитное поле поочередно на отдельных своих полюсах, раскручивает ротор, на котором закреплены магниты.

Первый такой мотор был напечатан нами 3D принтере как эксперимент. Вместо специальных пластин из электротехнической стали, для корпуса ротора и сердечника статора, на который наматывалась медная катушка, мы использовали обычный пластик. На роторе были закреплены неодимовые магниты прямоугольного сечения. Естественно такой мотор был не способен выдать максимальную мощность. Однако этого хватило, что бы мотор раскрутился до 20к rpm, после чего пластик не выдержал и ротор мотора разорвало, а магниты раскидало вокруг. Данный эксперимент сподвиг нас на создание полноценного мотора.

Узнав мнение любителей радиоуправляемых моделей, в качестве задачи, мы выбрали мотор для гоночных машинок типоразмера “540”, как наиболее востребованного. Данный мотор имеет габариты 54мм в длину и 36мм в диаметре.

Ротор нового мотора мы сделали из единого неодимового магнита в форме цилиндра. Магнит эпоксидкой приклеили на вал выточенный из инструментальной стали на опытном производстве.

Статор мы вырезали лазером из набора пластин трансформаторной стали толщиной 0.5мм. Каждая пластина затем была тщательно покрыта лаком и затем из примерно 50 пластин склеивался готовый статор. Лаком пластины покрывались чтобы избежать замыкания между ними и исключить потери энергии на токах Фуко, которые могли бы возникнуть в статоре.

Корпус мотора был выполнен из двух алюминиевых частей в форме контейнера. Статор плотно входит в алюминиевый корпус и хорошо прилегает к стенкам. Такая конструкция обеспечивает хорошее охлаждение мотора.

Измерение характеристик

Для достижения максимальных характеристик своих разработок, необходимо проводить адекватную оценку и точное измерение характеристик. Для этого нами был спроектирован и собран специальный диностенд.

Основным элементом стенда является тяжёлый груз в виде шайбы. Во время измерений, мотор раскручивает данный груз и по угловой скорости и ускорению рассчитываются выходная мощность и момент мотора.

Для измерения скорости вращения груза используется пара магнитов на валу и магнитный цифровой датчик A3144 на основе эффекта холла. Конечно, можно было бы измерять обороты по импульсам непосредственно с обмоток мотора, поскольку данный мотор является синхронным. Однако вариант с датчиком является более надёжным и он будет работать даже на очень малых оборотах, на которых импульсы будут нечитаемы.

Кроме оборотов наш стенд способен измерять ещё несколько важных параметров:

ток питания (до 30А) с помощью датчика тока на основе эффекта холла ACS712;
напряжение питания. Измеряется непосредственно через АЦП микроконтроллера, через делитель напряжения;
температуру внутри/снаружи мотора. Температура измеряется посредством полупроводникового термосопротивления;

В результате наш стенд способен измерять в произвольный момент времени следующие характеристики мотора:

потребляемый ток;
потребляемое напряжение;
потребляемая мощность;
выходная мощность;
обороты вала;
момент на валу;
КПД;
мощность уходящая в тепло;
температура внутри мотора.

Результаты тестирования

Для проверки работоспособности стенда мы сначала испытали его на обычном коллекторном моторе R540-6022. Параметров для этого мотора известно достаточно мало, однако этого хватило, чтобы оценить результаты измерения, которые получились достаточно близкими к заводским.

Затем уже был испытан наш мотор. Естественно он смог показать лучшее КПД(65% против 45%) и при этом больший момент(1200 против 250 г на см), чем обычный мотор. Измерение температуры тоже дало достаточно хорошие результаты, во время тестирования мотор не нагревался выше 80 градусов.

Но на данный момент измерения пока не окончательны. Нам не удалось измерить мотор в полном диапазоне оборотов из-за ограничения мощности источника питания. Также предстоит сравнить наш мотор с аналогичными моторами конкурентов и испытать его “в бою”, поставив на гоночную радиоуправляемую машину и выступить на соревнованиях.

Читайте также: