что такое динамо втулка для велосипеда
Динамо-втулка (обзор)
Динамо-втулка, или генераторная втулка — представляет собой небольшой электрический генератор встроенный во втулке колеса велосипеда, которое обычно используется для электропитания передней и задней фары. Часто динамо-втулки на самом деле не динамо, которое создает постоянный ток, а маломощный магнето, которое создает переменный ток. Большинство современных динамо-втулок до 3 W при 6 V, хотя некоторые из них развивают мощность до 6 W при 12 V.
Прошлое
Первопроходцем на рынке динамо-втулок стала компания Sturmey-Archer с их Dynohub 1930–1970-х годов. Но Dynohub был тяжелым из-за стального корпуса и был снят с производства в 1980-х годах. Примерно в 2009 году Sturmey-Archer выпустила новые динамо-барабанные втулки с тормозным устройством в алюминиевом корпусе, получившие обозначения X-FDD и XL-FDD.
Настоящее
Shimano предлагает различные динамо-втулки под брендом Nexus, такие как DH-3N70 / DH-3N71, которые по заявлению производителя имеют значительно меньшее сопротивление, чем Nexus NX-30.
SRAM производит динамо-втулку i-Light. Серия D7 совместима, как ободными тормозами, так и с дисковыми, а серия D3 совместима с несколькими типами ободных тормозов. В обзоре 2006 года, проведенном немецкой организацией занимающийся беспристрастным изучением и сравнением товаров и услуг Stiftung Warentest сообщается, что эффективность на скорости 15 км/ч динамо-втулки i-Light серии D1 составила 66%, что на 10% лучше, чем у SON-28.
SR Suntour предлагает серию динамо-втулок DH-CT-630 со встроенной защитой от перенапряжения.
SP Dynamo Systems предлагает около 10 различных моделей динамо-втулок. Они заявляют об очень высокой эффективности и низком весе по сравнению с динамо-втулками конкурентов. Но их заявления никто не проверял.
Помимо известных брендов динамо-втулки производят компании известные только в узких кругах.
Эффективность
Улучшения в конструкции и материалах со временем привели к повышению эффективности. Ранние конструкции имели несколько медных обмоток и более тяжелые магниты. В современных конструкциях используются более сильные неодимовые магниты и обмотка с одной медной катушкой.
Вырабатываемый динамо-втулками свет — это надежный источник энергии в большинстве случаев. К динамо-втулке можно подключать, как одну, так и две фары (последовательно). Заявленную мощность эти втулки выдают при скорости около 15 км/ч. В дешевых моделях Shimano ожидаемый срок службы подшипников примерно равен 5000-6000 км.
В случае с электровелосипедами при размышлении о втулках-динамо сразу приходит мысль о создании «вечного двигателя». Динамо-втулка подзаряжает батарею питающую веломотор и о чудо! Можно ехать бесконечно! 🙂
Фигвам! Слабоваты эти генераторы электроэнергии и КПД втулки значительно ниже 100%. Зависимости от розетки можно избежать только с электровелосипедами на солнечной батарее, но там все не особо радужно.
Кому нужна динамо-втулка?
Всем остальным она нафиг не сдалась.
Очевидные вопросы. Почему не повербанк и фара на аккумуляторах? Почему не солнечная панель?
Повербанк или динамо-втулка?
С павербанком можно прожить несколько дней до появления на пути розетки. Вроде бы все зашибись. Но есть люди, которым умножение сущностей и лишнее барахло не нравится. Счастье в простоте! Если вы используете павербанк, нужно думать о том, как его не потерять, не раздолбать, не промочить и о его подзарядке. Придётся везти зарядное устройство и некоторое количество запасных кабелей. По закону подлости с повербанком, кабелями или разъемами что-то случится. В общем: нет повербанка — нет проблем.
Солнечная батарея или динамо-втулка?
Солнечные панели — штука не плохая. Но…
Что касается веса, то тут все просто. Динамо-втулки тяжелее обычных на 200-250 г. Сравнимо с павербанком и легче качественной солнечной панели.
Втулка не занимает места в багаже. Не нужно запасать энергию днём. Не боится вибраций. Динамо-втулка одинаково хорошо работает в любую погоду и в любое время суток. В отношении дождя и грязи динамо-втулка ничем не отличается от обычной. Про розетки можно не думать вообще. Да и про саму втулку тоже.
Обратная сторона счастья
Динамо-втулка и сопротивление
Проблемки
Где купить динамо-втулку?
При выборе динамо-втулки нужно думать о том, какую фару вы будете использовать и какой конвертер. При этом необходимо понимать, зачем вам этот комплект нужен. Тут вам поможет обширная статья: Как выбрать динамо втулку?
Цена бюджетных динамо-втулок не высока, их можно приобретать в отечественных интернет-магазинах. Разница в цене с Алиэкспрессом, если и есть, то не велика. К сожалению к нам возят в основном только продукцию Shimano.
Продвинутые люди покупают крутые динамо-втулки в интернет-магазине bike-components.de.
Эффективные динамо-втулки
Надёжные и эффективные динамо втулки дорогие и их цена сильно зависит от стандарта оси.
Shutter Precision — тайваньская компания производящая втулки с хорошими характеристиками по доступным ценам.
Schmidt Maschinenbau — немецкая компания известная тем, что делает самые эффективные динамо-втулки (судя по тестам). В том числе для фэтбайков. Цена на втулки этой компании не гуманная.
Фары для динамо-втулок
Через конвертер вы можете подключать обычные фары с Алиэкспресса. Обзор тут: Фара для электровелосипеда и электросамоката.
Если этот путь не подходит, то придется выбирать одну из фар разработанных для использования с динамо-втулками. Вот несколько вариантов: SON Edelux II (не слепит встречных), Busch+Muller Lumotec IQ-X (не слепит встречных), Supernova E3 Triple 2 (без отсечки верхней части светового потока), Sinewave Cycles Beacon (без отсечки, с конвертером с USB выходом и возможностью подключения заднего фонаря), K-Lite Bikepacker PRO V2 (с модулем позволяющем фаре работать во время остановок), kLite Bikepacker Ultra (очень мощная на 15-25 км/ч).
Конвертеры
Конвертер (преобразователь) преобразует переменный ток в постоянный. Практичнее и удобнее купить конвертер со буферной батареей (с ней фара работает во время остановок). Варианты: Busch+Muller USB-Werk, Sinewave Cycles Revolution.
Миниатюрные варианты (без буферной батареи) разработаны для установки в крышку якоря штока. Варианты: Supernova The Plug III, Sinewave Cycles Reactor.
Что почитать?
Текст: Дмитрий Константинов
Фотографии от производителей
Добавить комментарий Отменить ответ
Динамо-втулка это практически идеал для беззаботного пользования велосипедом.
И особенно для людей не понимающих в технике. Например для родителей, ставишь им такой комплект и не нужно заботиться, что они забудут включить свет с нехорошими последствиями для их здоровья.
Не нужно думать о батарейках в заднем фонаре, о том, что необходимо включать его и фару вечером. Просто садишься и едешь.
Учитывая то, что современные фары и задние фонари для динамо-втулок оснащены ионисторами запасающими энергию, то они продолжают работать ещё минут 5-10 после остановки велосипеда.
Более того, фирменные фары автоматически (по датчику освещённости) переключаются между дневными ходовыми огнями и основным светом. Очень удобно.
Но не стоит подключать задние фонари напрямую к динамо втулке, в них нет стабилизатора. И вы либо убьёте ионистор (в лучшем случае) либо сам диод. Фонари подключаются к специальным стабилизированным контактам фары.
Предлагаю тему для статьи: Провоз аккумуляторов в самолёте, какие можно, какой мощности, в багаже или ручной клади, какие авиалинии, история вопроса, ситуация по вопросу в РФ и за рубежом, что пишут люди на форумах и тд
Возможно и напишу. Тема интересная.
Я считаю, что прогресс в этом деле давно и мёртво застрял на уровне технических решений середины 20-го века. Тот производитель, который предложит генератор-динамо в виде диска, сделанный на редкоземельных магнитах, размещаемый так же, как тормозной диск (с другой стороны) или даже выполненный зацело с тормозным диском, что не потребует переспицовки колеса, с возможностью изменения отбираемой от движения мощности от 3 до 15 Вт, объединённого с блоком зарядки аккумулятора 18650 с импульсным преобразователем с КПД 70-80 процентов, тот докажет мне, что техническая мысль все ещё жива, и, быть может, завоюет нишу на рынке. Вот бы достучаться до неравнодушных инженеров!
Про добавочный вес в 250 г это немного звиздёж. Только втулки shutter Precision последнего поколения вписываются в этот лимит, и только модели под эксцентрик. Втулки под оси тяжелее минимум на 300г. Втулки для фэта вообще тяжелее обычных минимум на 400г. Вместе со всей обвязкой (буфер, диодный мост, преобразователь-стабилизатор, провода) получим минимум 500г. (в случае дорожного велосипеда с ободными тормозами и втулкой под эксцентрик конечно добавочный вес будет меньше, но дорожный велосипед наименее интересен для установки динамо, т.к. он как правило не ездит настолько далеко от электричества).
Полкило батареек, павербанков или просто банок 18650 это 70-100 ватт-часов. Дальше надо считать, сколько ватт-часов получится снять со втулки за поездку, да и вообще смотреть, нужно ли вам больше 100ватт-часов электричества. В случае типичного похода на фэтбайке необходимо около 50 ходовых часов для снятия со втулки 100 ватт-часов, это соответствует походу около 10 дней (в случае обычного велосипедиста, а не ультрарандоннера-бреветчика, который впрочем вряд ли заинтересуется походом на фэтбайках). С учетом того, что втулка поджирает еще и ватты велосипедиста (которые в противном случае можно было бы потратить на перевозку большего количества батареек), имеет смысл она только при походе от двух недель.
Часто ли у обычного велосипедиста случается велопоход больше двух недель? Думаю, что почти никогда. Эта штука только для ультрарандоннеров-кругосветчиков и задротов. Остальным она не выгодна чисто физически. И это еще даже не обсуждалась стоимость владения 🙂
Впрочем, человек это такая зверушка, которой свойственно поступать нерационально, поэтому производители динамо-втулок все-таки вряд ли разорятся.
Все верно. Дорого, не практично. Но покупали и покупать будут. )
Преимущества и недостатки динамо-втулки
Велосипед, несмотря на свою почти 200 летнюю историю, остается самым популярным средством передвижения у людей. На нем катаются все, от самого маленького ребенка, до пенсионного возраста. И то удовольствие от поездки на велосипеде, не может сравниться ни с одной поездкой на машине или мотоцикле. Популярность велосипеда растет с каждым годом.
Но параллельно с велосипедом развивается мир гаджетов, без которых сложно представить жизнь современного человека. Смартфоны, плееры, фото и видеокамеры. Навигаторы и фонарики.
Всё это работает от электричества, которое имеет ограниченный запас, так как питание происходит не от сети, а от встроенного аккумулятора.
И вот тут встает вопрос, как заряжать гаджеты в поездке. Ведь бывает, что мы выбираемся на природу не на несколько часов, а на целый день, или даже несколько дней.
Какие существуют альтернативы?
Промышленность сразу уловила тенденцию потребителей, и стала выпускать для современных активных людей дополнительные источники энергии, которые помогают оставаться онлайн, и вести активную социальную жизнь даже вдали от цивилизации.
PowerBank, так часто рекламируемый в повседневной жизни имеет свои преимущества, но только частичные.
К сожалению, это тот же аккумулятор, только повышенной мощности, который также придется заряжать.
Он поможет пару раз зарядить ваш телефон или любой другой гаджет, но вот только после его исчерпания, он будет совершенно бесполезным тяжелым балластом.
А все, кто хоть раз пробовал ездить на большое расстояние знают, как важно возить с собой поменьше ненужных вещей, которые только усложняют велосипедную жизнь.
Ручная динамо-машина весит столько же, сколько и хороший PoweRbank, но работает только тогда, когда Вы крутите её своими руками.
Согласитесь, в этом мало хорошего, когда нужно каждый день тратить час и больше времени, на монотонное кручение ручки динамо-машины, и слушать её мерное жужжание.
Это не только утомляет физически, это еще и морально сложно принять. Всё это время можно было бы потратить куда более приятно, чем зарядка гаджетов.
Динамо-втулка для велосипедов, пожалуй, самое лучшее решение для велосипедиста.
Дело в том, что в любом случае для движения велосипеда вперед требуется крутить педали. Почему бы небольшую часть энергии вращения не превратить в электрический заряд для гаджетов? Динамо-втулка для зарядки гаджетов, самое гармоничное решение задачи.
Преимущества динамо-втулки для зарядки гаджетов
Велосипедная зарядка должна отвечать сразу нескольким критериям, чтобы идеально подходить для выполнения своей роли:
Самое главное преимущество динамо-втулки для зарядки гаджетов это то, что она всегда работает, когда Вы едете на велосипеде. А Вы в пути каждый день своего велопутешествия.
Таким образом, Вы гарантировано заряжаете любой нуждающийся в зарядке гаджет каждый день в течении 3-5 часов.
Согласитесь, это не мало. Некоторые велотуристы берут с собой небольшой PowerBank, и запасают электроэнергию впрок. Когда и все гаджеты заряжены, и можно запастись на будущее.
Пример использования в туризме зарядных устройств
Можно использовать для зарядки навигатора, телефона и фотокамеры много разных устройств. Ручные динамо-машины, солнечные батареи, PowerBank-и и динамо-втулки для велосипедов.
Последнее самое эффективное, но обо всем по порядку.
Ручные динамо-машины отпадают сразу, слишком много времени уходит на бесцельное верчение.
Если бы оно еще было беззвучным, то можно было бы совмещать с созерцанием на природу, слушаньем ручья, птиц, шелеста ветра. Но жужжание перебивает все окружающие звуки, и это морально очень утомляет.
Солнечная батарея достаточно хороша, но она идет в комплекте с PowerBank-ом, это первый минус. Второй, — она достаточно хрупкая, и её нужно размещать на самом верху сумки.
В велотуризме это не всегда идеальное место.
К сожалению, совсем исключить падения велосипеда невозможно, а первое же неудачное падение обязательно повредит солнечную батарею. Что собственно и происходит в велотуризме.
А маленькие, компактные PowerBank-и с солнечной панелью неэффективны, слишком мало можно получить электричества. Да и в пасмурный день КПД такого устройства падает.
Динамо-втулка для велосипедов тоже, к сожалению, не идеальное устройство. У нее есть один маленький недостаток. Примерно от 3 до 5 % энергии кручения уходит на создание электричества.
Если ехать по прямой дороге, или спускаться, то это не имеет значения. А если подниматься в затяжную горку, это может быть неприятным занятием.
Но есть простое и эффективное решение. На время преодоления холма или крутого подъема, временно отключать динамо-втулку.
Работая вхолостую, она не создает дополнительного сопротивления, но для велосипедиста эти 5% позволяют более комфортно преодолеть подъем.
Заряжая гаджеты таким образом, Вы не берёте с собой дополнительный балласт, втулка на колесе продолжает выполнять свою основную функцию, плюс еще и выполняет роль генератора энергии.
Вывод
Динамо-втулка для зарядки гаджетов, — оптимальное решение для обеспечения своих электронных помощников необходимым для их работы электричеством.
Вы никогда не забудете этот полезный прибор дома, или на стоянке. Он всегда будет вместе с Вами, и выполнять свою роль в любую погоду, достаточно просто двигаться вперед.
И после возвращения домой Вы сможете похвастаться перед друзьями большим количеством фотографий, так как не пришлось экономить заряд батарей, поскольку Вы имели возможность всегда их подзарядить от динамо-втулки.
Плюсы и минусы различных динамомашин для велосипеда
6 минут Автор: Михаил Скворцов 2562
Каждый велосипедист мечтает о своей автономности, безопасности и комфорте в дороге, хоть немного напоминающую автомобильную. Под сильным дождём мечтается о крыше, при встречном ветре – о мотовелосипеде или электродвигателе, а при движении в темноте, да ещё на лесных тропинках, в незнакомых местах, все мечтают о хорошем освещении дороги.
Современная велосипедная техника шагнула далеко вперёд. В СССР, во времена нашего детства, динамомашина для велосипеда крепилась на перо вилки переднего колеса, была в комплекте с фарой и проводами.
Такой тип динамо называется «бутылочным» за сходство генератора с бутылкой (см. рисунок ниже),но имела ряд недостатков.
Преимущества и недостатки «бутылочной» динамки
Динамка могла щелчком руки (или ноги) фиксироваться к покрышке сбоку, и фонарь тотчас же вырабатывала свет.
Недостатки такой динамомашины были следующее:
Однако у неё были определённые достоинства, такие, как:
Сильнее всего раздражало ощущение необходимости постоянно двигаться быстро для получения яркого пучка света, невзирая на шум и ощущение сопротивления. Сопротивление было таким, как будто постоянно слегка прижимается тормозная ручка.
О динамо втулках
С тех пор прошло более четверти века. Появились мощные ёмкие аккумуляторные батареи и, самое главное, экономичные и яркие источники света, такие, как светодиоды.
Но самое главное, в РФ широко распространился другой тип динамо, распространившийся в мире с конца 1950-х годов. Он называется динамо втулка.
Это устройство просто совмещает функцию колёсной втулки и функцию выработки электроэнергии. Они впервые начали изготавливаться в Великобритании. Их стоимость колеблется от 50 до 300 долларов и выше.
В стандартной втулке производится ток напряжением 6 В, а мощность составляет на выходе порядка 2 Вт. Новые втулки способны генерировать до 3 Вт. Так как каждой выходной мощности соответствуют свои источники света, то не стоит ставить более мощный фонарь на втулки с более низкой выходной мощностью, иначе свет будет тусклым.
Светодиод мощностью 3Вт способен ослепить человека на несколько секунд даже в ясный день, а в темноте, с использованием оптики он будет служить очень хорошо.
Положительные и отрицательные качества динамо втулок
Преимуществами динамо втулок являются:
Недостатки динамо втулок следующие:
Как те, так и другие генераторы на высокой скорости движения могут просто сжечь лампы в фарах. Но в современных фарах может быть регулятор напряжения на полупроводниках, лучше использовать именно их.
Если сравнивать бутылочные динамки с втулочными, то втулки лучше светят на низкой скорости, за счёт более низкой частоты переменных токов.
В заключение хочется сказать, что при установке такой системы выработки электроэнергии своими руками, как динамка для велосипеда, проще начать с дешёвого «бутылочного» китайского генератора. Во всяком случае, это позволит вам поработать, немного «подкачать» ноги и сердечно-сосудистую систему за счёт дополнительного сопротивления и сэкономить средства и время, так как при установке динамо-втулки придётся переспицевать колесо.
Get in woods!
воскресенье, 28 февраля 2021 г.
Как выбрать динамо втулку?
Эта статья для тех, кто хочет втулку, но не может выбрать. Я не скажу, что конкретно покупать, но объясню, на что обращать внимание — это будет в первой половине статьи. Во второй половине расскажу, как я измерял разные втулки, фары и USB преобразователи, и что из этого вышло.
Я потратил много времени и сил на написание статьи, и рассчитываю, что вы поступите аналогичным образом: перед тем как задать вопрос, постараетесь разобраться самостоятельно. В конце концов, основная цель статьи — рассказать в одном месте всё, что я знаю про динамо тему, и в результате уменьшить количество вопросов в мой адрес. Комментарии к статье проходят премодерацию, воздержитесь от оценки и высказывания личного мнения, придерживайтесь темы, избегайте флуда.
Хочу выразить сердечную благодарность и глубокую признательность Роману Важнову, Павлу Шапкину, Вадиму Свищеву, и магазину Планетарки.ру за предоставленные на измерения втулки, фары и преобразователи. Спасибо Дмитрию Кульбацкому за вычитку и рецензию черновика статьи. Спасибо моей горячо любимой супруге за редактуру и расстановку запятых. И спасибо всем, кто интересовался и задавал вопросы.
Вы хотите динамо втулку, но не можете понять, какую именно. О чём нужно подумать? Какие могут быть подводные камни? Предлагаю осознать следующее:
1.1 Всё от всего зависит
Втулка не выдаёт постоянную мощность. Обычно на корпусе втулки написано 3 ватта, но она может дать больше или меньше, зависит от:
1.2 Выбирать комплект
И это основная проблема. При выборе втулки нужно думать сразу про комплект, а не про одну лишь втулку. Это вроде как логично, ведь динамку покупают, чтобы к ней что-то подключить. Но почему-то при выборе втулки про фару и USB преобразователь не думают. А чтобы выбрать подходящий комплект, нужно понимать, зачем он нужен.
Самое главное и самое сложное — определить для себя: что, собственно, нужно-то? Зачем вам втулка? Где и как вы будете кататься? Какую задачу хотите с помощью динамо системы решить? Только светить или только заряжать? Если на эти вопросы не ответить, то вместо решения задачи вы будете перебирать варианты наугад, и, скорее всего, останетесь недовольны.
Для коммьютинга и езды по городу важно, чтобы фара работала и светилась на низких скоростях, потому что скорость движения по городу может быть маленькая из-за плохой погоды, плотного трафика или из-за пешеходов. При этом не нужна большая мощность втулки и фары, нет задачи хорошо освещать дорогу, для этого есть уличное освещение. На высокой или средней скорости вам всё равно не нужна большая мощность. Главное, чтобы вас было заметно. И чтобы можно было что-то разглядеть на дорожке в тёмном парке, если свернули с асфальта.
Для байкпакинга и грунтов тоже важно, чтобы фара начинала светить как можно раньше. Потому что низкие скорости — вы продираетесь пешком через кусты или ковыряетесь на очень сложной дороге. Света здесь очень много не надо, но всё же его должно хватать, чтобы вы видели дорогу метров на 5-10 вперёд. Света должно быть больше, чем у городского комплекта. Дорогу освещает только фара. Соответственно, уровень мощности фары на низких скоростях должен быть выше. Средняя скорость езды означает, что вы продрались таки через кусты, выкатили на лесную дорожку, и теперь можно чутка притопить. Теперь надо отслеживать состояние дороги и наличие препятствий на большем расстоянии от велосипеда. А ещё нужно отслеживать ветки сверху, что творится по краям дороги. Следовательно, нужно ещё больше мощности, нужно ещё больше света. Но если вы можете поддерживать скорость выше 20 км/ч, то вы уже чешете по хорошему грейдеру или вообще на асфальт выбрались, вам уже не нужно столько света, мощность можно сбавить, чтобы тратить поменьше сил на освещение. Если вы едете со скоростью выше 30 км/ч на внедорожном велосипеде, то скорее всего вы катитесь с горы. И на дорогах без твёрдого покрытия лучше бы вам и не разгоняться больше. Мощность не увеличивается, вы вынуждены притормаживать.
Для езды по асфальту не нужно много света на низких скоростях. Низкая скорость означает, что вы едете против очень сильного ветра или карабкаетесь в крутую гору. Водители должны вас видеть — это да. Но никакого ковырялова среди раздолбленной лесной колеи нет, много света не нужно. Те, кто катает по асфальту, привыкли думать про вес, скорость, аэродинамику. И привыкли минимизировать всякие сопротивления. Поэтому на средних и высоких скоростях уровень мощности фары нужен поменьше, чтобы поменьше тратить сил на освещение. Скажем так, приходится ловить баланс и ехать максимально эффективно при минимально комфортной мощности фары. Но чем больше скорость, тем больше нужна мощность, чтобы светить на большее расстояние. И тут уровень мощности фары начинает расти. На высоких скоростях ограничения нет, потому что на асфальтовом спуске можно катить на большей скорости при равных рисках убраться. Соответственно, больше скорость — нужно больше света. Поскольку вы едете с горы, то свет достаётся нахаляву.
Вот, какая-то такая у меня была логика, когда я рассуждал про применение втулки и фары. Вы вправе не согласиться и придумать свою собственную. Главное — понять, когда сколько света нужно и для чего.
Что же касается USB преобразователей для питания электроники, то тут всё просто: в городе они не нужны, а для всего остального — чем раньше начинает работать и чем больше мощность выдаёт, тем лучше.
2.1 Характеристики, терминология
Электрическая мощность, которую потребляет от втулки фара, косвенно определяет её световой поток. Сколько люменов вылетает наружу. Световой поток фары сам по себе ни о чём не говорит, нужно ещё смотреть, как он распределяется в пространстве и меняется ли распределение на разных скоростях. Профилем мощности фары или преобразователя называется зависимость потребляемой электрической мощности от скорости движения. Надо ещё сказать про затраты механической мощности.
Чтобы разогнать велосипед до желаемой скорости человек должен приложить к педалям механическую мощность. Часть этой мощности теряется в подшипниках, часть — в звеньях цепи, часть тратится чтобы преодолеть сопротивление воздуха, а ещё покрышки сопротивляются, трутся о земную твердь, ещё сама земная твердь сопротивляется, тянет назад когда в гору едешь. Сплошное преодоление, короче. Среди всех этих потерь и затрат какая-то часть мощности человека прикладывается к переднему колесу.
Это затраты механической мощности на вращение динамоколеса. Они же на жаргоне называются «сопротивление колеса» или просто «сопротивление». Подразумевается сопротивление вращению. По-английски эти затраты называются «драг» (drag). На самом деле «дрэг», но мы с вами будем говорить, как нам удобнее. Я бы предложил перевести этот термин словом «волочение», но, боюсь, меня не поддержат. Поэтому просто драг.
Если рассматривать колесо с фарой отдельно от велосипеда, то драг показывает какую механическую мощность нужно приложить к колесу, чтобы раскрутить его до заданной скорости. Эту мощность мы выдаём собственными ножками, поэтому хорошо бы этой мощности пришлось бы выдавать поменьше, а мощность фары при этом получалась бы побольше.
Чтобы понять многоликость электрической мощности и как связан с ней драг втулки, нужно ознакомиться с одной важной физической величиной.
2.2 Коэффициент мощности. Что означает?
Коэффициент мощности, он же Павер Фактор (Power Factor, PF) показывает качество потребления электрической энергии. Источник отдаёт, нагрузка потребляет.
Проще всего рассказать про коэффициент мощности на примере пивной кружки. Вы пришли в барчик, чтобы получить маленечко удовольствия и внедрить мощности.
Мощность вы хотели бы получить активную P, в виде непосредственно пива, и измеряться она должна в ваттах (Вт), как мы привыкли. Эту мощность вы планируете израсходовать на активные дела. Поплясать там, посветить фотончиками на дорогу.
Но вместе с активной мощностью вам в кружку налили ещё бесполезной реактивной мощности Q в виде пены, и измеряется она в непонятных вольт-амперах реактивных (Вар), которые не входят в систему СИ. Пена нам не нужна, на пене не попляшешь. Мы сейчас не будем уподобляться пивным экспертам и говорить, что пена — важная часть процесса питья, содержит аромат, а аромат определяет вкус и ощущения. Это всё туфта, мы простые люди, пиво — в дело, пена — бесполезная хрень, только кружку занимает.
Всё вместе: и пиво, и пена — это полная мощность S. Измеряется она в вольт-амперах (В*А). Только это не просто сумма, а корень из суммы квадратов.
Коэффициент мощности показывает сколько пива в кружке. Сколько полезной мощности, которая преобразуется в свет, мы потребили от источника. В идеальном случае он равен единице, тогда вся кружка под края заполнена пивом, в худшем — нулю, когда всё заполнено пеной.
2.3 Коэффициент мощности. Чем страшен?
Ну, пена. Ну и что? Да ничего, в принципе. Проблема в том, что вы своими ногами обеспечиваете эту полную мощность. И заинтересованы в том, чтобы она по максимуму шла в дело.
Можно проиллюстрировать простым примером. Допустим, у нас есть идеальная динамка, она всю механическую мощность, которую мы к ней приложили, перерабатывает в полную электрическую мощность.
И пусть у нас есть две фары, которые на скорости 20 километров в час потребляют активную мощность 5 Вт. Только №1 потребляет с коэффициентом мощности 1, а №2 потребляет с коэффициентом мощности 0.5.
Чтобы разогнать до 20 км/ч велосипед с фарой №1 нам надо обеспечить полную мощность S=P/PF=5/1=5 ВА. Для этого потребуется приложить 5 механических ватт. Втулка ведь идеально всё перерабатывает. Стало быть драг втулки с включенной фарой будет равен 5 Вт.
Чтобы разогнать до 20 км/ч велосипед с фарой №2 нам надо обеспечить полную мощность S=P/PF=5/0,5=10 ВА. Для этого потребуется приложить 10 механических ватт. Стало быть драг втулки с включенной фарой будет равен 10 Вт.
Разница в 5 Вт. И эти лишние 5 Вт вы вынуждены выдавать своими ногами. А могли бы и не выдавать, если бы коэффициент мощности был близок к единице. При этом обе фары светят одинаково на 20 км/ч.
2.4 Коэффициент мощности. Откуда берётся?
Что показывает коэффициент мощности более-менее прояснилось, но откуда он вообще берётся? Что за хрень такая? Это, к сожалению, на пивасике уже не объяснишь. Предлагаю самым пытливым вкусить ещё маленечко электротехники.
Коэффициент мощности определяется двумя явлениями: реактивностью цепи и нелинейными искажениями в цепи.
Реактивность проявляется в виде сдвига между напряжением на выходе втулки и током, который от неё потребляется. Эта составляющая численно определяется косинусом угла этого сдвига.
Нелинейные искажения проявляются в виде стрёмной формы тока, который от втулки потребляется. Форма должна быть в виде синуса, как у напряжения на выходе втулки, но почему-то не похожа. Чем сильнее ток по форме отличается от напряжения на выходе втулки, тем хуже. Насколько форма будет стрёмной, определяют кишки фары или преобразователя. Численно отличия определяются коэффициентом нелинейных искажений ТиЭйчДи — THD (Total Harmonic Distortion). Коэффициент этот можно получить, если разложить форму тока в ряд Фурье, а потом воспользоваться страшной формулой, которую не будем тут приводить.
Если вместо фары или преобразователя к втулке подключают резистор, то PF=1. Это идеальный случай. И драг при этом будет минимальный. И этим пользуются многие производители динамоэлектроники. Чтобы не спугнуть страшными цифрами покупателей. Вместо того, чтобы показывать драг реальной фары или преобразователя, они показывают драг с резистором. Резистор потребляет такую же мощность, что и фара. Но потребляет её самым эффективным образом. Драг получается минимальный и не страшный.
Чтобы проиллюстрировать этот момент, я взял весьма приличную фару, измерил, какую мощность она потребляет и какой при этом драг. Какую именно фару я взял — не важно. Важно, что коэффициент мощности у неё меняется от 0.8 до 0.6 в зависимости от скорости. Потом я взял реостат и подобрал такое сопротивление, чтобы на тех же скоростях получить мощность, как у фары. И измерил драг с резистором.
Вот таким нехитрым образом, заменив во время измерений фару на резистор, можно показать что драг в худшем случае будет 11.3 Вт. Неплохо, вроде. А с реальной фарой драг будет все 16 Вт. И вам во время езды придётся прикладывать к колесу на 30% больше мощности, чем заявляет на графике производитель.
Если уж вы решили заморочиться и при выборе обращать внимание на драг, то заморачивайтесь до конца: уточняйте для какой нагрузки приведён график — резистор или настоящая фара.
2.6 Драг на драге и драгом погоняет
А надо ли вообще драг брать в расчёт? Я, к примеру, не могу днём определить, включена у меня фара или нет. Ну, если пытаться по накату определить. А после выключения фары не могу понять, увеличился накат или нет.
Люди склонны винить драг динамовтулки во всех своих неудачах. Мол, сильно тормозит, поэтому на финиш приехал на час позже. Я считаю, что давление в покрышках, тип протектора, встречный ветер, сколько вы поспали и хорошо ли поели — всё это сильнее влияет на результат.
Есть люди, у которых лёгкий велосипед, накатистые покрышки, и катаются эти люди много и быстро в аэродинамичной позиции. Тогда, конечно, игнорировать драг втулки не получится. Или, если вы можете почувствовать разницу в 0.5 Вт при замене педалей, тут тоже закрыть глаза не получится.
Желающим углубиться в вопрос и сравнить в цифрах тяготы раскручивания динамовтулки, предлагаю почитать эту статью. А особенно, её раздел про драг. Там на графике представлены прямые с разным углом наклона, которые сравнивают драг с ездой в горку различной крутизны. Прямые можно получить, если обратиться к школьной программе физики.
2.7 Драг втулки без нагрузки
Ну ладно, чёрт с ним. Мы готовы мириться с драгом ночью, когда работает фара. А вот днём нам бы хотелось ехать максимально эффективно, не тратить свои силы на бесполезное освещение. Мы отключим фару, но хотим знать: сильно ли будет препятствовать вращению колеса динамо втулка, если к ней ничего не подключать?
Да не особо. По сравнению с обычной втулкой динамка будет давать драг на 0.5-2 Вт больше. Ну, с какой «обычной» втулкой сравнивать. Я сравниваю с деоровской. Для иллюстрации, вот как выглядит драг разных динамо втулок, если включать и выключать австралийскую фару kLite Bikepacker Ultra Road.
Внутри динамовтулки есть магнитная система, и даже без нагрузки в ней присутствуют потери. И от них никуда не денешься. Просто надо это принять. Компания Шатер Пресижн (Shutter Precision) когда-то выпускала модель динамо втулки c отключаемой магнитной системой. Можно было повернуть специальную гайку, и втулка превращалась в обыкновенную втулку без дополнительного драга. Модель уже давно не выпускают, потому что никого не волнуют лишние 2 Вт. Но если есть горячее желание приобрести, втулку ещё можно встретить в продаже.
Если вы захотите ездить днём без света, имейте в виду: не на все фары ставят выключатель. Ну, тупо нет кнопки «вкл/выкл». Чтобы выключить такую фару, придётся отсоединить её от разъёма на втулке. И вряд ли вы захотите часто этим заниматься.
Если обязательно нужна кнопка, можно установить внешнюю. Например, тумблер от австралийской компании kLite. Правда, придётся самостоятельно паять разъём на фаре. Но зато к этому тумблеру можно ещё подключить USB преобразователь, и подключать к втулке то фару, то преобразователь, то всё вообще отключать.
 |
| Фото из инстаграм-аккаунта Boost Cycles |
2.9 Где теряется мощность
Внутри втулки.
К колесу приложили механическую мощность, часть этой мощности теряется в подшипниках, оставшаяся часть преобразуется в электрическую мощность электромеханическими внутренностями втулки. Преобразование механической мощности в электрическую не то чтобы очень эффективно. Примерно 40% теряется в процессе. Потери выделяются в виде тепла. В итоге, на выходе втулки получаем полную мощность в ВА.
В электронной схеме.
Электронные кишки фары пускают в дело активную мощность, которую они потребляют от втулки. Часть мощности в этих кишках теряется и до светодиодов в итоге доходит процентов на 10-15 меньше.
В оптической системе фары.
Дальше всё, что таки дошло до светодиодов преобразуется в световой поток. В среднем по больнице, современные светодиоды в фарах выдают 150-180 люмен на 1 ватт своей электрической мощности. Часть светового потока поглощается материалом отражателя, линзы и защитного стекла. Часть светового потока остаётся внутри за счёт френелевского отражения. Сформированный световой поток теряет где-то 5-20% пока выходит из фары, и то что осталось мы наблюдаем в виде мощности светового излучения.
2.10 Точки максимальной мощности
Втулка — источник ограниченной мощности. Надо эту мощность уметь у неё забрать. Попытаешься забрать побольше — она взбрыкнёт и отдаст совсем чуть-чуть. Попытаешься забирать мизер — она и выдаст мизер. Кишки фары или преобразователя должны быть умными, они должны постепенно прощупывать втулку, пытаться потребить чуть больше, чуть меньше, и следить, как на это среагировала втулка. Этим своим прощупыванием фара может найти точку, в которой втулка выдаст максимум мощности. Начали крутить быстрее — втулка может выдать ещё больше, значит надо прощупывать её дальше. Такое интеллектуальное поведение нагрузки называется отслеживанием точки максимальной мощности. Когда фара или преобразователь умеют искать максимальную мощность, то становится всё равно, к какой втулке их подключать. Ну, почти. Разные втулки могут выдать разную максимальную мощность. Но всё, что смогут — уйдёт в фару. Можно расслабиться и не подбирать комплект.
К большому сожалению, не существует фар и преобразователей с поиском точки максимальной мощности. По крайней мере, за два года изучения этой темы, я не встретил ни одного образца.
Ну, нет, так нет. Хрен с ним. Но как было бы хорошо-то, а. Особенно для USB преобразователей. Вот, например, я взял втулку Shimano DH-UR700-3D, подключил к ней реостат, и на разных скоростях вручную менял его сопротивление, пока не находил максимум мощности. Отложил это всё на графике в виде зелёной прямой (R-MPPT), а потом измерил какую мощность на тех же скоростях потребляет USB преобразователь Igaro D1 с подключенным к нему смартфоном Xiaomi Redmi 4X, отложил на графике в виде красной кривой (Igaro D1).
Кажется, что особой разницы-то и нет. Но разница существенная. Особенно на низких скоростях. Если вы идёте с велосипедом пешком (5 км/ч), с втулки можно снять 1.5 Вт, а Igaro ничего не снимает. Что такое 1.5 Вт? Это примерно 0.25 А в вашу нагрузку, которую вы воткнули в выходной USB разъём вашего преобразователя. Этого мало для заряда смартфона, но достаточно для павербанка.
На низкой скорости, когда вы крутите против ветра или ковыряетесь на сложной дороге (10 км/ч) с втулки можно было бы снять 2.6 Вт, а Igaro снимает 1.3. Что такое 2.6 Вт? Это около 0.45 А в USB нагрузку. Этого достаточно, чтобы шла устойчивая зарядка смартфона. Можно было бы ехать и заряжать, но увы. Igaro D1 жрёт от втулки всего 1.3 Вт, и этого недостаточно даже для неприхотливого китайского смартфона, он просто не заряжается.
2.11 Характеристики преобразователей
Все хотят заряжать что-то от динамо втулки: экшн камеры, навигаторы, павербанки, смартфоны. Среди всех USB потребителей самый капризный — смартфоны. Если ток заряда меньше 300-500 мА, то смартфон перестаёт заряжаться. И чтобы заряд снова пошёл, приходится переподключать кабель от зарядки.
На какой скорости будет 2.5 Вт?
Выходной ток преобразователя величиной 500 мА примерно соответствует 2.5 Вт мощности, которые преобразователь потребляет от втулки. И нужно смотреть на графике, на какой скорости это происходит. Потому что именно с этой скорости и выше у вас будут стабильно заряжаться смартфоны.
Сколько ватт на скорости 20 км/ч?
Вторая точка, на которую нужно смотреть на графике мощности: что потребляет преобразователь на скорости 20 км/ч. Потому что во время своей ультрадистанс гоночки вы будете сидеть в этой точке большую часть времени. И зная мощность преобразователя можно прикинуть, сколько что будет заряжаться. Как прикинуть написано в статье: All About The Best Dynamo USB Chargers For Bicycle Touring and Bikepacking
2.12 Типы преобразователей, как заряжать смартфон
USB преобразователи можно разделить на три группы:
Работа напрямую. Вход подключаем к втулке, выход подсоединяем к смартфону/павербанку/навигатору. Никаких батарей внутри или снаружи. Самая простая система, самая компактная и самая безотказная. Проблема в том, что на скоростях ниже 10 км/ч смартфон заряжаться не будет. Ток заряда слишком маленький, ниже 300 мА, напряжение на USB выходе слишком сильно падает, и по инициативе смартфона заряд прекращается. Если на этих низких скоростях подоткнуть любой павербанк, то он будет заряжаться, потому что менее капризный. Если ожидается многой медленной езды, лучше держать подключенным павербанк. А вечером от банка заряжать смартфон.
Работа с внешней батареей в буферном режиме. Есть павербанки, которые умеют работать в буферном режиме. Они одновременно заряжаются от USB преобразователя и заряжают смартфон.
Например, народный павербанк Xiaomi 10000 mAh в буферном режиме выдаёт в смартфон 1.5 Вт мощности. Если при этом он потребляет от втулки 3.5 Вт, то разница в 2 Вт идёт на заряд внутренней батареи павербанка. И когда ваша скорость сильно упадёт или вы остановитесь, накопленная в батареях павербанка энергия будет закачиваться в смартфон, его зарядка не остановится.
Не все павербанки умеют работать в буферном режиме, надо проверять. Если вы катаетесь на низких и средних скоростях, вариант с буферной батареей будет самым универсальным. Но, как всегда, больше элементов в системе — больше шансов сломаться. Надо возить в два раза больше запасных USB кабелей, надо уделять всей системе в два раза больше внимания, периодически проверять, как работают преобразователь, банк и смартфон, не отвалился ли кабель.
Производители USB преобразователей для динамо-втулок иногда продают дополнительный батарейный блок к преобразователю, который умеет работать в буферном режиме. Можно использовать его. Такое решение будет, наверное, понадёжнее, но менее универсальным и менее бюджетным.
Работа с внутренней батареей. Это когда производитель запихнул маленькую батарею внутрь USB преобразователя. Она тоже работает в буферном режиме, но есть нюанс. Мощности внутренней батареи надолго не хватит. Она сглаживает провалы в мощности на низких скоростях, но недолго. Если вы долго ковыряетесь, или остановились минут на 5, то батарея разрядится, преобразователь вырубит USB выход, смартфон перестанет заряжаться. Потом вы начнёте крутить, внутренняя батарея зарядится, смартфон начнёт заряжаться.
Такое решение прекрасно своей простотой. Всё работает, смартфон стабильно заряжается сам, не надо за ним следить. Есть крупные минусы: батарея в буферном режиме убивается быстрее, чем при полноценном заряде/разряде; если вы не пользуетесь преобразователем полгода-год, батарея может глубоко разрядиться и преобразователь перестанет работать совсем.
2.13 Обращайте внимание на USB кабель
Заряд электроники по USB очень сильно зависит от сопротивления кабеля. Купите USB тестер. Например, такой. Перед поездкой попробуйте позаряжать ваш смартфон от павербанка с разными кабелями. Возьмите два, с которыми ток заряда оказался максимальным. Обязательно берите запасной кабель. В велопоходе и на гоночках кабели умирают быстрее, чем дома.
2.14 Выключай смартфон, потом заряжай
Включенный смартфон потребляет с выхода USB преобразователя мощность. Часть мощности идёт на заряд батареи, часть мощности идёт на работу самого смартфона. Задача — убрать или минимизировать вторую составляющую. Работающий смартфон будет заряжаться раза в два дольше. А если на нём запущена куча приложений, включён GPS, блютус и две сим-карты, он может никогда не зарядиться от преобразователя. Просто разряд внутренней батареи растянется во времени. По возможности заряжайте смартфон в выключенном состоянии.
Вы можете скачать на смартфон приложение, которое мониторит заряд и разряд батареи. Через него можно подсчитать сколько ватт смартфон потребляет во время работы. Можно поиграться с яркостью экрана, включением/выключением самолётного режима, включением GPS и прочими энергозатратными функциями смартфона. Зная энергопотребления смартфона от батареи, зная ёмкость батареи, и имея графики выходной мощности USB преобразователя, вы можете самостоятельно подсчитать на какой скорости в каком режиме за сколько времени смартфон зарядится.
2.15 Разные стандарты втулок, разные значения
Я исследовал динамо втулки 100х9 мм с квикрелизом или болтами. Связано это с особенностью измерительной установки. Динамо втулки на 100 или 110 мм со сквозной осью 12 и 15 мм могут иметь другие характеристики. Потому что больший диаметр оси вынуждает производителей менять магнитную систему внутри втулки. Это приведёт к отличиям. Но, скорее всего, незначительным.
Втулки для фэтбайков так же будут иметь отличия. Насколько сильные — сложно сказать. Проблема в том, что скорости движения на фэте ниже, чем на обычном велосипеде. Но на этих низких скоростях нужно обеспечивать нормальную мощность. Иначе эти втулки никому нафиг не нужны будут. Производители об этом знают, и меняют магнитную систему в фэт втулках. По крайней мере, в современных моделях на 150 мм.
Измерительная установка сделана из массивной стальной станины. В станину гайками зажимается шток вилки. В вилку крепится измеряемая динамо втулка. Втулка может быть установлена сама по себе, а может быть заспицована в колесо. На место крепления тормозного ротора устанавливается ведомая звезда под велосипедную цепь. В цанговый зажим на станине устанавливается платформа с закрепленным на ней электродвигателем. На валу двигателя стоит ведущая звезда под велосипедную цепь. Соединяем звёзды цепью, регулируем высоту платформы, чтобы натянуть цепь. Подаём питание на движок, он начинает крутить звёзды и втулку.
Электродвигатель подключается к лабораторному источнику постоянного тока большой мощности. Регулируя напряжение на выходе источника можно регулировать обороты втулки. Скорость отслеживается по показаниям велокомпьютера. Магнит датчика устанавливается или на спицы, или на фланец втулки. Компьютер откалиброван под длину окружности 2268 мм, это 622 колесо с 47 покрышкой. Все полученные значения для скоростей именно этого колеса. Для найнеров и плюсов значения будут сдвигаться. Чтобы пересчитать под другое колесо, нужно поделить значение скорости на 2268, и потом умножить на длину окружности вашего колеса с покрышкой в мм. Примерные значения длин окружностей приведены здесь.
Напряжение, которое подаётся на электродвигатель измеряется мультиметром APPA 505, ток — стрелочным амперметром 1 класса точности. Перемножив показания приборов можно подсчитать мощность, которую потребляет двигатель, чтобы раскрутить втулку с нагрузкой до требуемой скорости.
Драг втулки измеряется косвенно. Это важный момент. Чтобы измерить драг напрямую, нужно подключить к втулке здоровенный маховик. Килограммов на 30, раскрутить втулку с маховиком электродвигателем до нужной скорости, а потом резко отсоединить от системы двигатель. Накопленная маховиком кинетическая энергия начнёт расходоваться на вращение втулки, скорость вращения начнёт плавно снижаться. Измерив это снижение за известный промежуток времени можно рассчитать затраченную мощность. Это и будет драг. И так его и надо измерять с высокой точностью. Но собрать такую установку очень сложно. И такая точность измерения избыточна, на мой взгляд.
Я измеряю драг по мощности, которую потребляет электромотор в моём стенде. Мне пришлось сначала измерить все потери в системе на разных скоростях. Для этого я воткнул колесо с обычной втулкой Shimano Deore, раскрутил его до разных скоростей, и посмотрел какую мощность жрёт движок. В этой мощности содержатся потери на преобразование электрической мощности в механическую, потери на звёздах и цепи, потери в подшипниках втулки. Впрочем, про подшипники вообще можно забыть. Потому что они нагружены только весом корпуса втулки, ну, иногда ещё весом обода и спиц. А если их учитывать, надо прикладывать вес килограмм в 20 к оси. Но даже в нагруженных подшипниках потери в сравнении с потерями в магнитной системе втулки пренебрежимо малы.
Дальше я подключаю к динамо втулке нагрузку, раскручиваю до нужной скорости и измеряю мощность, которую потребляет движок. Если из этого значения вычесть показания для обычной втулки, то уберутся все потери в установке и останется только механическая мощность, приложенная к втулке. Собсно, это драг и есть. При этом я допускаю, что в области измерений мотор линейно реагирует на нагрузку на валу.
Показания драга сильно зависят от натяжения цепи. С недотянутой и перетянутой цепью разница будет в пределах 3 Вт. По хорошему, надо проводить хотя бы по три измерения и переустанавливать втулку после каждого. И потом результаты усреднять. Но у меня нет столько времени, поэтому я старался сохранять натяжение цепи одинаковым, чтобы минимизировать его влияние.
В целом, с учётом всех погрешностей, способа измерения и влияния натяжения цепи, можно сказать, что драг измерен с точностью 1 Вт. Мощность фар и преобразователей измерена с точностью 0.1 Вт, скорость — с точностью 0.1 км/ч, выходные параметры USB выхода преобразователя измерены с точностью 0.01 В и 0.01 А.
Ниже представлено с небольшими комментариями всё то, что мне удалось раздобыть и измерить:
Schmidt SON28 — топовая втулка, одна из самых эффективных. Хорошие подшипники, гарантия 5 лет, необслуживаемая. Золотой стандарт байкпакинга, в чём можно убедиться, если посмотреть на велосипеды для Тур Дивайда.
Shutter Precision PD-8 — считается оптимальной втулкой по качеству/характеристикам/цене. Вроде как необслуживаемая, но есть видос про вскрытие и замену подшипников.
Shimano DH-UR700-3D — топовая шимановская втулка серии XT. Появилась в текущем виде пару лет назад. Защита подшипников стала лучше, сопротивление вращению стало меньше. Обслуживаемая, как и все шимановские динамки.
Shimano DH-3D32 — увесистая и недорогая шимановская втулка.