Динамо-машина. Виды и работа

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF

В

ведение

Очень часто появляется необходимость найти альтернативный источник питания вместо обычной пальчиковой батарейки. Батарейки стоят довольно дорого и заканчиваются очень быстро. А главное очень часто они нужны тогда, когда нет возможности их сразу приобрести.

Началу нашего эксперимента положила простая необходимость в электропитании напольных весов. Дело в том, что батарейки, от которых прежде работали весы, заканчивались очень быстро, требовался иной источник питания для большего удобства. Одним из вариантов стало USB, но потом пришла идея: почему бы не попробовать запитать весы динамо-машиной. Этот тип источника электрической энергии незаслуженно забыт в настоящее время.

И тут возникло множество вопросов: Как же устроена динамо-машина? На чем основывается принцип её работы? Можно ли вообще собрать динамо-машину в домашних условиях? Что для этого нужно? Будет ли такой вариант питания эффективным?

Такая задача активно стимулировала наш интерес к приобретению новых знаний об окружающем мире, физических явлениях и электрическом токе, в частности. Так проблема бытового уровня положила начало серьезного эксперимента.

Работа проведена с использованием специальной литературы, фотоматериалов, справочной информации, полученной со специализированных сайтов в сети Интернет. В результате проекта собрана информация об особенностях устройства динамо-машин, принципе их работы, отличительных особенностях разных типов прибора. На основании проведенного эксперимента сделаны выводы о возможности сборки и использовании динамо-машин дома.

Проведенный опыт был интересен и познавателен, он способствовал развитию навыков работы со схемами, желания узнавать окружающий нас мир с его физическими законами и явлениями, появлению интереса школьников к научной деятельности и глубокому изучения вопросов физики.

Цель данной работы

– доказать возможность изготовления и использования динамо-машин в домашних условиях и сравнить работу прибора от динамо-машины и от обыкновенного источника питания.

Задачи исследования

Собрать динамо-машину с электрическим потенциалом в 3,5 вольт в домашних условиях.

Сравнение работы приборов от созданного генератора тока с их же работой, но от альтернативного источника питания.

Решение задач

Изучение специальной литературы и сбор необходимых компонентов для изготовления динамо-машин.

Поочередное подключение динамо-машины и компьютера к электронным весам и сравнение точности показаний весов с помощью взвешивания тел известной массы.

Этапы работы:

Подбор и изучение литературы о генераторах постоянного тока (динамо-машинах). Поиск ответа на следующие вопросы: что такое динамо-машина, история создания и области ее применения.

Подбор интересных схем и необходимого оборудования для изготовления динамо-машины.

Изготовление и проверка в работе изготовленных моделей динамо-машины.

Сравнение работы домашних приборов (напольные весы) от обычного источника питания и от динамо-машины.

Глава 1. Динамо-машина: определение, устройство, история создания, сферы применения.

Динамо-машина, или генератор электрического тока, — это устройство, которое преобразует в электрическую энергию другие состояния энергии: тепловую, механическую, химическую.

Динамо-машина состоит из катушки с проводом (ротора), вращающейся в магнитном поле, создаваемом статором, или наоборот: вращается магнит, а катушка неподвижна. Энергия вращения, согласно закону Фарадея преобразуется в переменный ток, но поскольку в XIX веке не умели практически использовать переменный ток, то они использовали щеточно-коллекторный узел для того, чтобы инвертировать изменяющуюся полярность (получить постоянный ток на выходе). В результате получался пульсирующий ток постоянной полярности.

В 1827 году Аньошем Йедликом была изобретена первая динамо-машина. Он сформулировал концепцию динамо на шесть лет раньше, чем она была озвучена Сименсом, но не запатентовал её.

В наше время термин динамо используется в основном для обозначения небольшого велосипедного генератора, питающего велосипедную фару, а также небольшого генератора, встроенного в электрические фонарики — т.н. электродинамические или самозарядные фонари, способные работать автономно без батареек или аккумуляторов и не нуждающиеся в подзарядке от стационарной электросети 220 В или в смене элементов питания, и способные работать неограниченно долгое время в полевых условиях.

В современное время динамо также используется в некоторых видах тренажёров серии для неоновой подсветки и также в гироскопических тренажёрах для кистей рук.

Глава 2. Проектирование

Первый опытный образец динамо-машины было решено сконструировать из самых доступных материалов и подручных инструментов:

Электромотор постоянного тока (от детской игрушки)

Фрагменты наличника

мебельные уголки

шкив диаметром 80 мм (сборный из дерева и гетинакса)

ручка из металлической пластины с отверстиями для крепления

приводящий ремень из резины

Общий вид конструкции см. Рисунок.1.

Рисунок 1

В соответствие со Схемой 1, крутящий момент с ведущего вала, на котором были закреплены шкив большого диаметра и рукоятка для его вращения, через приводной ремень передавался на шкив маленького диаметра, закрепленного непосредственно на валу моторчика.

Запуск динамо-машины и замер генерируемого тока позволил сделать следующие выводы:

Да, электромотор постоянного тока можно использовать в качестве генератора тока.

Первые пуски дали неутешительный результат – отдача устройства не превысила 0.6 вольт при чрезвычайно высоких физических усилиях. Для питания современных бытовых приборов это явно недостаточно.

Повышение эффективности в такой схеме требовало замены ведущего шкива на другой гораздо большего диаметра или оснащение её сложным редуктором-мультипликатором. Таким образом, первая попытка создания рабочего образца прибора окончилась неудачей.

Так как подходящих материалов для совершенствования первого образца не нашлось, было принято решение взять за основу нового прототипа механическую часть неисправного компьютерного CD-привода, также имеющего мотор постоянного тока и редуктор для передачи момента от него до рейки на лотке для дисков.

Для создание второго образца динамо-машины было использовано:

Механизм выдвижного лотка CD дисков в сборе

Микросема диодного моста

Резистор 500 Ом

Светодиод

Конденсатор емкостью 10000 микро Ф

Кабель электрический с разъемом USB тип А гнездо.

Общий вид второго варианта динамо-машины показан на Рисунке 2.

В этой новой схеме сборки лоток, – наоборот, – выступил в качестве рукоятки, придающей вращение нашему генератору. Этот вариант оказался гораздо удачнее – тестер замерил более 5 вольт на клеммах моторчика.

Рисунок 2

Далее в соответствие со Схемой 2, к выводам электромотора был припаян диодный мостик. Дело в том, что возвратно-поступательные движения лотком в нашем устройстве приводят к генерации переменного тока. А диодный мост – электронное устройство, служащее для его выпрямления. Далее мы смонтировали конденсатор большой ёмкости для сглаживания бросков напряжения и светодиод для визуализации наличия напряжения на контактах разъёма подключения потребителей.

Запуск второго образца динамо-машины показал отличные результаты. При равномерном движении лотка значения вырабатываемого тока соответствовало необходимому уровню (см. Рис.3) для питания бытовых напольных весов, что позволило перейти ко второй части эксперимента – испытаниям.

Рисунок 3

Глава 3 Испытания

Проверка работы динамо-машины была проведена на бытовых напольных весах. Нам потребовались гантели (m=12.5 кг) и человек (неизвестной массы).

Для большей точности, взвешивание каждого тела производилось по 5 раз, для последующих сравнений использовались средние показания (см. Таблица 1).

Алгоритм взвешиваний:

Сначала подключаем весы через USB-разъём к сети (порт компьютера) и взвешиваем первое тело – гантели,

Затем переключаем весы к динамо-машине, подаем питание и производим измерения.

Повторяем операции по взвешиванию с человеком.

Таблица 1

Питание весов: от сети (С), от динамо-машины (Д)		Показания весов (в кг)

Первые взвешивания гантелей известной массой 12,5 кг дали показания с небольшой погрешностью в обоих вариантах взвешивания, не зависимо от вида питания. Результаты: масса 12,6 кг (см. рис.4 и 5)

Рисунок 4

Рисунок 5

Результаты взвешивания человека (его точная масса заранее нам неизвестна) показали: масса тела = 54.0 кг в обоих случаях взвешивания. (см. рис.6 и 7)

Рисунок 6

Рисунок 7

Была произведена проверочная третья серия взвешиваний – человека с гантелями в руках. Результаты одинаковы в обоих вариантах взвешиваний.

По итогам второй части эксперимента можно сделать вывод, что прибор (весы) работает от генератора тока верно и способен давать точные показания, равно как и при работе от эталонного источника питания, за который мы приняли компьютерные 5 вольт.

Таблица 2

Динамо-машина
компоненты	стоимость
CD -ROM неисправный
Резистор
Мост диодный
Конденсатор
USB удлинитель дл. 1 м
Итого:	307 руб.

Таблица 3

Выводы

Динамо-машина может являться альтернативным экологичным и долговечным источником питания бытовых приборов.

Возможно создание мобильных весов за счет переносного источника питания.

Этот опыт стимулирует развитие интереса школьников к научной деятельности и разработке новых экологичных приборов.

Список литературы

http://cxem.net/house/1-267.php видео «Динамо машина своими руками»

http://tehnojuk.ru/tehno/elektro/dinamo

А.В. Перышкин, Н.А. Родина, «Физика.8класс», Москва «Просвещение», 1989 г.

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.

Электроника самодельного генератора с ручным приводом

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.

Всем знакома ситуация – ждешь важный звонок и вот невезуха, аккумулятор телефона разрядился, а вы на улице. Сегодня на рынке конечно можно найти альтернативные зарядные устройства, в частности на солнечных батарейках. Но как правило, солнечные батареи имеют низкий КПД (не более 15-17%) и не успевают заряжать мобильный телефон, а иногда процесс зарядки занимает до 6 часов.

Можно конечно использовать зарядные устройства от одной пальчиковой батарейки, но как правило такие девайсы предназначены только для подзарядки, и батарейка быстро разряжается.

В итоге было решено собрать компактное зарядное устройство со встроенным генератором постоянного тока. Известно, что для зарядки маломощных автономных устройств (мобильный телефон, приемники, плееры и т.п.) нужно иметь рабочее напряжение не менее 4.5-4.8 вольт, следовательно нужно применить соответствующие аккумуляторы, но они занимают немало места, поэтому было решено использовать DC-DC преобразователь напряжения 1,5-6 вольт. Преобразователь был использован уже готовый, от зарядного устройства на одной батарейке (куплено за 130 рублей). Преобразователь достаточно компактный и имеет высокий кпд ниже параметры преобразователя.

Входное напряжение – 1.2-1.7 вольт
Ток потребления – до 2 ампер
Выходное напряжение – 5,5 вольт
Выходной ток – до 500 мА
Дроссель удобно мотать на кольце от энергосберегающей лампы, содержит 9 витков провода 0.3мм

Суть работы устройства достаточно проста – генератор вращается, заряжает встроенный аккумулятор, при подключении нагрузки (в нашем случае телефон) на выход преобразователя, последний включается и заряжает его. В процесс зарядки можно подзарядить резервный источник, вращением генератора.

В качестве генератора использовался электродвигатель от кассетного плеера. При 2500 об/мин генератор способен дать до 8 вольт напряжения при токе до 850 мА! Согласитесь немало для такого малыша.

Для того, чтобы обеспечить нужное число оборотов, был использован редуктор. К счастью нашлась старая игрушка со встроенным редуктором, число передач всего 2, но этого хватит для нормальной зарядки резервного аккумулятора. Такую «коробку» передач можно изготовить от дисковода ненужного двд проигрывателя или компьютера, там есть все необходимое, главное обеспечить генератору более 300 об/мин, при таких оборотах он свободно выдает 2 -2.5 вольт, что вполне хватает для зарядки резервного источника.

В качестве резервного источника использовалась одна банка никель металл гибридного аккумулятора с напряжением 1.2 вольт, емкостью 1200 мА, хотя можно использовать аккумуляторы с любой емкостью. На плюс генератора необходимо подключить диод в прямом направлении, чтобы предотвратить подачу обратного напряжения на генератор, в противном случае последний будет работать как электродвигатель.

Основой является высококачественный DC-DC преобразователь на микросхеме ZHDZ5.

Микросхема достаточно распространенная, можно приобрести в радиомагазине за 1$, хотя можно также купить готовую зарядку от батарейки всего за 3$.

Особенностью данного преобразователя является то, что он включается только тогда, когда на выход подключена нагрузка, об этом говорилось вначале статьи.007G, он же – MMBR5031LT1, высокочастотный кремниевый NPN транзистор. Сама схема проста и обеспечивает высокий КПД, все компоненты в SMD исполнении, поэтому все так миниатюрно.

Готовое устройство следует дополнить гнездом для подключения кабелей зарядки разных автономных устройств. В итоге получилось достаточно компактное универсальное зарядное устройство, который выручит всегда, независимо от погодных условий и других факторов.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
	Микросхема	NCP1400A	1	Маркировка: ZHDZ5		В блокнот
	Транзистор	MMBR5031LT1	1	Маркировка: 007G		В блокнот
	Диод Шоттки	SS14	1			В блокнот
	Конденсатор	70 нФ	1

В последнее время широкое распространение получили дешевые (около 40 рублей) динамо фонари.

Такой фонарь легко превратить в универсальную динамо-машину. Разбираем динамо-фонарь, извлекаем из него модуль, состоящий из светодиодов с отражателями, аккумулятора, токограничительного резистора и выключателя.

На место этого модуля устанавливаем диодный мост 2W10
и фильтрующий электролитический конденсатор 2000 мкФ х 16 В.

В пластиковых фокусирующих линзах были просверлены отверстия, через которые пропущен провод, который закреплен в отверстиях клеем. В качестве выводов использованы зажимы типа «крокодил», что позволяет подсоединять мини динамо-машину к разным потребителям тока.

Готовое устройство

Без нагрузки динамо-машина развивает напряжение 4-5 В, но под нагрузкой напряжение снижается до 1-2 В.

Подзарядка аккумулятора с помощью изготовленной динамо-машины. Конечно учитывая малую мощность устройства, говорить о полной зарядке аккумулятора затруднительно, но его можно использовать, как резервный маломощный источник тока для подзарядки аккумуляторов.

При работе с данным устройством, так же не стоит забывать, что изначально механическая часть динамо-машинки выполнена из пластиковых, не очень прочных деталей, так что не рекомендуется нажимать на рычаг до упора. Это легко приводит к поломке рычага.

Надо заметить, что устройство не теряет и возможности его использования в качестве фонарика. Для этого в «крокодилы» надо зажать светодиод. Спасибо за внимание, с вами был Лекомцев Д.Г.

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.