Проектирую энергосистему бесперебойного питания для велосипеда с литиевым аккумулятором в качестве накопителя энергии. Для неё мне нужен генератор выходной электрической мощностью около 15 Вт, работающий при частоте вращения ротора от 1000 до 8000 об/мин, с напряжением, управляемым в пределах от 3 до 5 Вольт. По всей видимости, для этого придётся приспособить коллекторный электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением (переделать на независимое). А какой мощности должен быть двигатель? И какой двигатель можно взять?

Двигатель, главное, с высоким КПД. Мощность - в 1,5-2 раза мощнее 15 Вт, зависит от ном. оборотов. Можно считать, что мощность падает пропорционально оборотам. Есть ли такие с параллельный возбуждением - не знаю. Мож., придется взять коллекторный и приделать к нему повышающий имп. стабилизатор. От миксера можно попробовать, однако они на втулках с толстой осью, трение большое. И обмотку возбуждения перематывать.

Мож, шаговик гибридный или pmsm от капстана видака поможет?

А зачем с возбуждением? Может проще с постоянным магнитом? У Вас же велосипед в одну сторону вращать будет его?

Он явно хочет возбуждением регулировать напряжение. Насчет миксера я был неправ, тот мотор на высокое напряжение. Мотор с постоянными магнитами позволяет сэкономить энергию возбуждения. 15 Вт с параллельным возбуждением - я о таких не слышал, тем более на 3-4 В.

С чего вы все решили, что двигателю оборотов мало будет?
Предположим, предельная скорость движения 10 м/с (36 км/ч), что близко к истине, и двигатель при этом совершает 8400 об/мин (140 об/с), тогда оборот двигателя соответствует 7,14 см пути. Воздьмём минимальную скорость движения 1,5 м/с (5,4 км/ч), тогда двигатель будет совершать 21 об/с, 1260 об/мин. Вроде у коллекторных у многих номинальная мощность при оборотах около 1500 об/мин?
Возбуждение - да, именно для регулировки напряжения. Кстати, а реально ли сделать "анти-возбуждение" на двигателе с постоянными магнитами - поместить на магниты обмотки и пропускать по ним ток, создающий магнитное поле, направленное против магнитного поля постоянных магнитов?

Какой-то (как это почти по юго-осетински звучит...) Вы странный велосипед придумываете для своего велосипеда....
Зачем регулировать магнитное поле статора? Вредно будет влиять на Ваш велоКПД. И скорость упадет. и обмотка будет греть окружающий зеленый Мир. Легче понижать (повышать... или что хотите) электронным преобразователем после генератора.

Насчет оборотов - мало будет, если обороты будут меньше номинальных. Регулировать магнитное поле статора трудно, в общем. Требует такой мощности, что не имеет смысла. Маломощные моторы с ном. 1500 и даже 1000 об/мин действительно есть.

Ну хорошо, двигатель, последовательно с ним ключ, дроссель, получится понижающий импульсный преобразователь без гальванической развязки (ибо не нужна ) но если учесть, что после него идёт ещё один, повышающий (от 3,7-4,2 Вольта мало что запитаешь), мне кажется, КПД будет ещё ниже, чем с "антивозбуждением" ))
После повышающего от 3,6-4,2 до 15 Вольт преобразователя (с какой-нибудь простейшей стабилизацией) предполагаю установить:
1) конечные стабилизаторы на 12; 9; 6; 5: 4,5; 3,6; 3; 1,5 Вольта. Естественно, импульсные
2) драйверы светодиодов освещения и внешних световых сигналов. Естественно, тоже импульсные
Что от этого будет работать:
1) Индикатор заряда батареи и зарядного/разрядного тока
2) Цифровой спидометр
3) Возможно, зарядное устройство для телефона (прямо 4,5 ему в гнездо, плюс индикация - есть зарядка, нет зарядки)
4) Светодиоды освещения и световых сигналов
5) MP3-плеер, с наружным микрофоном и интеллектуальным микшированием наружных звуков с музыкой (в разработке)
6) На отдалённую перспективу - устройство связи между соседними велосипедами (в разработке).

Понижать с макс. 40 вольт(5..40) до аккумулятора - потери получаются от 10 до 20%, основные потери - на обратном диоде чоппера. На 40 вольт шотке падает 0,5 вольта. Основное время по шоссе велосипед едет 22-24 км/ч(если я на нем сижу ). При этом можно рассчитывать на 15% потерь. Ну ежели найдется подходящий мотор - мож., будет лучше. Кстати, повышать до неиспользуемых 15 В не имеет смысла. Вроде 12 В надо - так до них, а с них питать все остальное.

Да уж, планы наполеоновские.
Тогда для начала надо ставить акумулятор с подзарядкой от генератора.

Тогда ужесточаются требования к стабилизации

Вроде бы MOSFET-транзисторы (типа IRF540) в открытом состоянии отлично проводят (с одинаковым сопротивлением) как в прямом, так и в обратном направлении, хотя не проверял. Правда, обратное напряжение они держат небольшое (<1 В), но параллельно транзистору всегда можно включить импульсный диод, чтобы в момент переключения транзисторов на нём не оказалось обратного напряжения. Это позволит сократить потери.

Так и собирался - сначала спроектировать преобразователь от генератора, совмещённый с устройством управления зарядом аккумулятора, и запитать какую-нибудь лампочку прямо от акума, собрать, потестировать, погонять... если будет работать, следующий шаг - второй преобразователь, после него - остальные. А потом уже всё, что от них работать будет.

вообще-то в MOSFET всегда существует паразитный обратный диод =)

Да, уже посмотрел. И в IRF540 он может пропускать больше, чем канал =)

Это уже синхронный выпрямитель. Усложняется схема, чтобы подобрать 5-7% КПД. А что касается ужесточения требований - 34063 отлично держит напряжение(пока может). Скажем, в пределах 3-5%, а обычно 1%.

Синхронным выпрямителем я бы эту конструкцию не назвал... порядок действия представляю таким:
1) Открывается силовой ключ. Ток через дроссель нарастает.
2) Силовой ключ закрывается. Появляется ток через "диод" ключа обратного хода, напряжение на нём становится отрицательным (-1,3 В по даташиту)
3) Открывается ключ обратного хода. Напряжение на нём становится близким к нулю до окончания такта обратного хода.
4) Ключ обратного хода закрывается. Если ток через него не равен нулю (а оно скорее всего так и есть), напряжение на нём становится снова отрицательным.
5) После небольшой задержки (а если напряжение на силовом ключе стало равным отрицательным, то и раньше) открывается силовой ключ, и процесс повторяется.
Управлять силовым ключом, включенным в разрыв "плюсовой" цепи, предполагаю через трансформатор. Управлять ключом обратного хода можно с помощью усилителя импульсов по напряжению, питающегося от умножителя.

34063 понравилась тем, что хорошо документирована и может работать в широком диапазоне питающих напряжений. Надо только додумать, как подключить к ней трансформатор управления MOSFET-ключом.

И работать эта схема будет, по всей видимости, стабилизатором тока (зарядного на акуме)... причём на непостоянных значениях... либо что-то придётся подставлять вместо напряжения обратной связи, либо проще самому спроектировать :D

Сообразил для управления зарядкой придётся свой контроллер соображать, а для повышающих стабилизаторов 34063 отлично подойдёт. И для драйверов светодиодов тоже... при желании.

На роль генератора присмотрел двигатели ДМ-40-6А и Д-92. Хочу ещё посмотреть импортные - где есть нормальные справочники по импортным двигателям?

Бросьте вы эту затею

Ставьте трёхфазный pmsm, потом мост, емкость и linkSwitch. Потом кумулятор и далее везде

Если брать PMSM - то какой мощности? Подсчитал мощность света - 20 Вт пиковая, плюс на заряд акума - присмотрел на 1800 mAh Li-ion, обозначение не помню... в общем, ему почти 4 Вт надо на зарядку (4,2 В 900 mA), итого 25 Вт, а вырабатывать надо 50. Амплитуда напряжения больше 100 Вольт мне тоже, извините, не нужна - можно найти трёхфазный PMSM на 8000 об/мин (соглашусь на больше) 70 В? Либо на всем привычные 3000 об/мин, но тогда получается 27 Вольт.
Насчёт моста - на нём лишнее падение напряжения, причём под нагрузкой до 2-3 Вольт бывает... выход, наверное, в синхронном выпрямителе))
А linkswitch что такое?

Это Вы сами собираетесь 50 ватт вырабатывать, или наймете кого-нибудь?
Может, уже легче будет дизель(ветро-)-генератор возить? Или солнечные батареи?

Не знаю, что со мной было, когда я это написал... вырабатывать 50 Ватт я смогу, даже без лишних вопросов, даже постоянно, но вот ехать при этом - вряд ли.
В общем, 25 Вт я должен снимать со всей установки, а двигатель - вырабатывать Ватт 30.
Дизель-генератор не устраивает расходами на топливо, солнечные батареи - требованием к освещению (зачем мне фара, если освещения солнечной батарее хватает).

Восхищена Вашей формой! Вы пробовали? Постоянно? Ну, хотя бы, часок...

Если взять частоту вращения педалей 60 об/мин, длину рычага педали 17 см, получим: линейная скорость педали 1,07 м/с, мощность 100 Вт (механическая) на педали требует усилия в 93,5 Н, что при передаточном отношении 7:3 и радиусе колеса 36 см даст усилие в пятне контакта усилие в 19 Н (при отсутствии потерь в велосипеде). При массе 75 кг (я с велосипедом) это соответствует подъёму на уклон с тангенсом угла 0,026 (угол 1,5 градуса). В такой уклон я могу подниматься долгое время, не снижая скорости (19 км/ч) и думаю, кто угодно сможет.

Из древнесоветского "Справочника по физике и технике".
Мощность, развиваемая взрослым человеком, Вт:
При обычной ходьбе по ровной дороге при слабом ветре - 50-65
При быстрой ходьбе (7 км/ч) по ровной дороге при слабом ветре - 200
При езде на велосипеде со скоростью 10 км/ч в безветренную погоду - 40
При езде на велосипеде со скоростью 20 км/ч в безветренную погоду - 320
В Омске ветер хоть слабый, но есть постоянно, мы-то привыкли, а приезжие все замечают. И 20 км/ч я могу ехать... 3 часа без вопросов.

На уклоны в 15 градусов, высотой метров 5, я въезжаю с усилием в пятне контакта в 200 Н. При скорости 5 м/с (18 км/ч) это соответствует мощности в 1 кВт. Постоянно так ехать я, конечно, не смог бы.

Думается, что это полная мощность (в старом справочнике), а не полезная...
А по Вашим данным движение вверх с уклоном 26 метров на километр - мой расчет другое дает.
Мощность = Сила (т.наз. скатывающая) 75кг*10(g) *0.026 на скорость = 5 м/сек= 100 ватт (примерно).
Чтобы двигаться с такой скоростью по ровной дороге (смотрим Ваши данные) - 320 ватт - это, видимо, кпд низкий - процентов 30, возьмем еще 100 (чистую), суммируем, умножаем на 1/КПД человека... (пусть велосипед без трения) Получим 600 ватт (грубо)...
Это почти лошадиная сила - 750 ватт...
Ваш вес, учитывая, что с велосипедом Вы весите 75 кг, - 60 кг.
Не верю, но восхищаюсь...
Может, поменять название темы на "Человек в режиме генератора"?

Эта часть Вашего расчёта мне маленько непонятна )

Да, формулы заглючили...
Смысл такой. Вы верно посчитали мощность, необходимую для движения (только подъем) в гору. Это чистая мощность, интеграл которой накапливается в виде потенциальной энергии. А энергозатраты будут больше вследствие несовершенства созданного Создателем человеческого организма и созданного человеком велосипеда. Использую Ваши данные (движение по ровному месту - 300 ватт) можно прикинуть, что грязная мощность (энергозатраты) будут раз в 6 больше. Получится примерно 150 калорий в секунду. Умножим на 3600 и на 24. Получится примерно 13000 ккал в сутки. Это раз в 6 больше, чем расходует конторский служащий. И раза в два больше, чем землекоп. Конечно, Вы не собираетесь круглосуточно крутить педали... Но многовато придется кушать сладкого - можно зубы потерять... И перегреться.
Вот и засомневалась, что Вы действительно можете часами развивать такую мощность. Попробуйте на велотренажере...

На велотренажёре - психологически не протяну больше 1-2 минут. Даже при очень малой нагрузке.
При равномерной езде на велосипеде по горизонтальной дороге основная доля мощности уходит на то, чтобы ногами молотить туда-обратно. Мышцы не могут при пассивном движении рекупировать энергию, иначе бы потери на этом были куда меньше.
Как известно из школьного курса биологии, мышцы выделяют в виде тепла в 2 раза больше энергии, чем совершённая механическая работа. То есть, их КПД около 33%. Если затрачивается 320 Вт при езде по горизонтальной дороге - значит, 100 Вт идёт на размахивание ногами, 14 Вт на преодоление трения и 207 Вт выделяется в виде тепла. Если к этому добавить ещё 100 Вт механической работы - получится затрата около 640 Вт (трение возрастёт при такой нагрузке)... одна калория равна 4,2 Дж - отсюда расход, верно, около 150 калорий в секунду, за 8 часов (рабочий день) - 4 400 000 калорий. Меньше землекопа ))
Только больше 3 часов так себя нагружать не стоит - мышцы будут болеть жестоко, и притом дня 3 ещё...

Вот-вот... Цифры наши с Вашими сходятся... А если учесть, что иногда приходится в гору ехать, и даже во сне калории нужны, то такое количество еды не увезти не велосипеде... И тепло надо рассеивать... Хорошо, если холодно. А в жару? Легче дизель-генератор возить... Или маленький моторчик от мопеда...
Или сразу взять мопед и не мучить себя...

Если приходится ехать в гору - неизбежно приходится ехать и с горы
Никто не просит постоянно держать ровно 20 км/ч - где труднее, можно ехать медленнее, где легче - быстрее. В конце концов, на время такого тяжёлого поъёма можно на аккумулятор оставить всё питание, а потом заряжать.
Смысл целиком и полностью в том, чтобы прокормить всю электронику одними своими ногами.
Насчёт еды - в течение дня могу израсходовать очень много, последующие дни восстанавливаюсь... и не напрягает )

Это ИМС преобразователей (LNK501, напр. - сетевая, на 3-5 Вт)
Есть еще сопротивление воздуха и колес на асфальте . "Юный техник" писал, что в туристском режиме(долго) человек может дать 200 Вт. Мож., и вранье, но я 150 Вт давал. Смотря кто так, конечно. Один мой знакомый, ему 60 лет, проехал за день 137 км - спидометр показывал. Говорил, что общее время часов 7.
А насчет мучить - каждый по-своему с ума сходит . Вон у Мак-Криди мужик на мускулолете летал через Ла-Манш. Там ватт 500 надо было, а то и больше. Ну а вообще, по-моему, лучше ездить без фары - легче.

Без фары явно легче, но когда до дома ещё 15 км по трассе, а Солнце уже зашло - приходится ощупью ехать... ))

Почитал про linkswitch. Не понял, зачем они мне здесь :D
Имхо надо извращённый датчик тока заряда и схему управления на логике...