Magnetische Induktion mit variierender Drehzahl: Umgang mit überschüssiger Energie

Ich möchte mich zu folgendem Szenario beraten lassen: Ich möchte einen günstigen, kleinen Generator für eine Energy-Harvesting-Anwendung bauen. Auf einer rotierenden Welle befinden sich Magnete, und in der Nähe dieser Welle sind handelsübliche Induktoren positioniert (befestigt). Nach den Induktivitäten wird die Spannung gleichgerichtet und dann übernimmt ein Power-Management-IC (Boost/Buck, Storage).

Bei 1000 U/min sollte das System genügend Leistung (~10 mW) für die dahinterliegende Schaltung bereitstellen. Aber die Drehzahl kann zwischen 1000 und 20000 schwanken. Sobald die Drehzahl höher als 1000 ist, gibt es überschüssige Energie. Deshalb habe ich einen Weg gefunden, mit dieser überschüssigen Energie umzugehen. Entweder die überschüssige Energie loswerden oder die Erzeugung vielleicht gar nicht erst verhindern.

Es war eine Idee, mehrere Induktoren zu verwenden und sie je nach Drehzahl ein- und auszuschalten. Aber das würde ziemlich viel Aufwand mit Drehzahlerkennung und Schaltung erfordern, je nachdem, wie viele Induktoren ich verwenden würde. Also suche ich nach einfacheren Lösungen.

Eine mechanische Lösung zur Vergrößerung des Abstands zwischen Induktoren und Magneten ist nicht möglich, da beide fest montiert sind und nicht viel Platz vorhanden ist.

Zenerdioden könnten eine Sache sein, aber die Ableitung der Energie als Wärme ist möglicherweise nicht der geeignetste Weg, da die Wärmeleitfähigkeit der umgebenden Materialien nicht gut ist.

Habt ihr irgendwelche Ideen, wie man mit diesem Problem umgehen kann?

Wenn die Leistung ungefähr linear mit der Drehzahl ist, dann ist der Energieüberschuss bescheiden. 10 mW x 20.000/1000 = 200 mW. || Wenn Sie die Energie begrenzen MÜSSEN, und es ist nicht offensichtlich, warum Sie dies tun müssen, lässt ein Spannungsregler die Lichtmaschine Spannung erzeugen, ABER nur Valt x Iload abführen. Bei den meisten Lichtmaschinen ist Voc_RPM_max mehrfach V_rpm_useful_min ABER nicht zB 20 x so hoch. Beispielsweise kann eine Lichtmaschine 5 V bei gewünschter Last, aber 20 V bei voller Drehzahl liefern. Verwenden Sie also einen Spannungsregler und ziehen Sie nur das, was Sie brauchen, bis Sie die Leistung nur um 4 x (in diesem Beispiel) Pl = Il x 5 V erhöhen. Palt = 20V x Il.
Der Generator erzeugt genau so viel elektrische Energie, wie Sie verbrauchen. Wenn Sie keine weitere Energie benötigen, trennen Sie einfach den DC-DC-Wandler für eine Weile. Wenn keine elektrische Last an den Generator angeschlossen ist, erzeugt er keine elektrische Energie. Ich sehe das Problem nicht.
Wenn Sie sich weiterhin weigern, uns nicht zu erlauben, die wirklichen Probleme zu verstehen, die damit verbunden sind, wird dies zu einem typischen Hin und Her führen, das Ihre und unsere Zeit verschwendet und Ihnen einige Richtlinien gibt, die möglicherweise übermäßig relevant sind oder nicht. Sie haben die Wahl, aber allzu oft sehen wir ein „Umherirren“, wenn ein wirklich nützlicher Input hätte gegeben werden können. .
Ich werde hier etwas wiederholen, das ich unten erwähnt habe, da es sehr relevant ist. | Eine Lichtmaschine kann so ausgelegt werden, dass sie bei der interessierenden Spannung wie eine Konstantstromquelle wirkt – normalerweise durch Sättigung eines Eisens oder eines anderen Kerns in der/den Induktivität(en), wenn eine ausgelegte Amperewindungsgrenze erreicht ist. Dies bedeutet, dass die Lichtmaschine zwar ein Vielfaches oder sogar ein Vielfaches der gewünschten Spannung erzeugen kann, wenn die Drehzahl hoch genug ist, der Ausgangsstrom jedoch auf ~~= einen festgelegten Wert begrenzt ist. SO Wenn Sie beispielsweise 5 V bei 2 mA wünschen, wenn Sie eine Spannungsklemme platzieren, die überschüssige Energie akzeptiert, wenn VAC beispielsweise 6 V erreicht, dann ...
... die insgesamt abgeführte Energie nicht viel mehr ist als die Energie, die von der Last im schlimmsten Fall aufgenommen wird. VACpeak = VRMS x 1,414. | Vdc = VACpeak - 2 x Diodenabfälle = sagen wir -1 V. Um also zB 5 VDC mit 2 x Schottky-Diodenabfällen zu erhalten, ist VACpeak = 6 V, also VAC RMS = 6 / 1,414 = ~ 4 V. Eine Lichtmaschine mit 4 VAC bei 1000 U / min und einer Klemme von beispielsweise 5 VAC_RMS hat also eine gewisse "Headroom" -Spannung über dem absoluten Minimum und verbraucht insgesamt nicht mehr als 25% mehr als die maximale Lastleistung. Bei den betreffenden Leistungspegeln scheint dies kein Problem zu sein. Aber .... .
Was – keine weiteren Informationen? :-) Das sieht interessant aus und es könnte noch viel mehr gesagt werden, wenn etwas mehr bekannt wäre / Was ist die Quelle der Rotation?

Antworten (2)

Dies ist eine interessante Frage und bietet wahrscheinlich eine gute Lösung, wenn Sie alle relevanten Informationen bereitstellen, die Sie kennen, die wir jedoch bisher nicht kennen.

SO - dies ist eine kurze Zwischenantwort auf der Grundlage dessen, was Sie uns gesagt haben. Wenn Sie weitere Details und Erklärungen hinzufügen, kann die Antwort verbessert werden. Ansonsten ist dies eine ungefähr so ​​gute Antwort, wie Sie mit dem angegebenen Detaillierungsgrad vernünftigerweise erwarten können. (Andere KÖNNTEN Ihnen eine noch bessere Antwort geben, aber Sie haben zu diesem Zeitpunkt kein Recht, es zu erwarten :-) ).

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Wenn die verfügbare Leistung ungefähr linear mit der Drehzahl ist, dann ist der Energieüberschuss bescheiden.
10 mW x 20.000/1000 = 200 mW.
In den meisten Situationen wären 200 mW bei mäßigem Temperaturanstieg nicht schwer abzuleiten.

Außerdem muss die Lichtmaschine nicht die gesamte Leistung verbrauchen, die sie erzeugen KANN. Nur weil es 200 mW erzeugen KANN, heißt das nicht, dass es MUSS.

Wenn Sie die Energie begrenzen MÜSSEN, und es ist nicht offensichtlich, warum Sie dies tun müssen, lässt ein Spannungsregler die Lichtmaschine Spannung erzeugen, ABER nur Valt x Iload abführen. Bei den meisten Lichtmaschinen ist Voc_RPM_max mehrfach V_rpm_useful_min
ABER nicht zB 20 x so hoch.
Beispielsweise kann eine Lichtmaschine 5 V bei gewünschter Last, aber 20 V bei voller Drehzahl liefern.
Verwenden Sie also einen Spannungsregler und ziehen Sie nur das, was Sie brauchen, bis Sie die Leistung nur um 4 x erhöhen (in diesem Beispiel)
P_load = I_load x 5 V.
P_alt = 20 V x I_Last

Erzählen Sie uns mehr!

Für die induzierte Spannung habe ich verwendet: V_ind = -N A ΔB/Δt
Für die induzierte Spannung habe ich verwendet: V_ind = -NxAxΔB/Δt N: Windungen der Induktivität A: Querschnittsfläche der Induktivität B: Magnetfluss t: Zeit des Magnetflussanstiegs/-abfalls Wenn also die Drehzahl (Umdrehungen pro Minute der Welle ) Erhöhen Sie die Spannung steigt linear. Aber Power ist Spannung*Strom. Bei konstantem Lastwiderstand steigt der Strom ebenfalls linear an. Also 2xrpm = 2x Spannung = 2x Strom = 4x Leistung. Bei 20000 U/min wäre es das 20x20=400-fache der erzeugten Leistung. Bedeutet 4 W und nicht 200 mW, oder irre ich mich?
@BendingBender Annahme, die geändert werden kann, ist "... wenn der Lastwiderstand konstant ist ..." -> Wie oben erwähnt, "sieht" die Last bei Verwendung eines Spannungsreglers eine feste Spannung und der Laststrom ist danach konstant VSoll ist erreicht. Wenn also die Spannung linear mit der Spannung ansteigt (und es wäre außergewöhnlich ungewöhnlich, Vmax = 20 x Vwanted zu haben), ist die Leistung 20 x (linear mit V) und nicht quadratisch. Da wir immer noch nicht wissen, was Sie tun, erlaubte Komplexität, Kosten, ... ALLES ... wissen wir nicht, ob ein kleines smps in Ordnung wäre, aber wenn ja, dann ist Pmax ein paar Mal Pwanted.
"P_load = I_load x 5V. P_alt = 20 V x I_load " Danke Russell, ich denke, das hat mir geholfen. :)
@BendingBender Diese 20 V x I_load sind für das Beispiel, das ich gegeben habe, wo die Lichtmaschine bei einer bestimmten Spannung "übersteigt". Dies ist normalerweise der Fall. Sie können auch überschüssigen Strom klemmen, so dass die Lichtmaschine gesättigt wird und dies die Spannung und Verlustleistung begrenzt. Sie können .... VIELE VIELE Dinge, aber solange wir keine Ahnung haben, was Sie tun, können wir Ihnen nicht viele gute Ratschläge geben.

Lassen Sie sich nicht verwirren! RPM ist das Drehzahlmaß. Die Rotationsgeschwindigkeit ist proportional zur Electormotion Force, die Spannung (Volt), nicht Leistung (mW) ist.

Leistung ist Spannung mal Strom (A) . Welchen Strom liefert Ihr Generator? Nun, in einem weiten Bereich wird es genau der Strom sein, den Sie nehmen, nicht mehr und nicht weniger. Das ist es.

Wenn Sie sich der maximalen Leistung nähern, die Ihre Quelle liefern kann, verlangsamt sich die Rotation, wodurch die EMF (Spannung) reduziert wird, und je nach Schaltung kann der Strom geringer werden oder versuchen, die Leistung konstant zu halten und die Rotation vollständig zu drosseln.

Gregory - basierend auf dem, was er sagt, stehen die Chancen gut, dass der Energiehaushalt nicht der Hauptstromverbraucher ist. Das mechanische "Ersticken" der Stromquelle klingt sowohl unpraktisch als auch unerwünscht. Ich kann mich irren :-).
Ich habe nie dafür gestimmt, irgendetwas zu ersticken. Ich habe nur gesagt, was passieren würde, wenn er mehr gewollt wird, als verfügbar ist.
Gregory - versuchen Sie es erneut :-) -> Da er vorschlägt, dass die Drehzahl wahrscheinlich bis zum 20-fachen der Geschwindigkeit beträgt, mit der die erforderliche Energie erzeugt wird, ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass die Last die Quelle erstickt. Wenn die Last ohmsch ist, steigt und fällt die Leistung quadratisch mit V . V ist wahrscheinlich ungefähr proportional zur Geschwindigkeit. So sind beispielsweise 50 % der Geschwindigkeitslast 25 % der erforderlichen oder weniger.
Ich weiß nichts über die Chancen. Aber ich kann sehen, dass Sie auch Leistung, Energie, Spannung und Strom verwechseln.
Höflich - Nein. Ich verwechsle keinen von denen. (Nicht in den letzten 50 Jahren oder so :-)). Bei einem einfachen rotierenden PM-Generator steigt die Spannung ungefähr linear mit der Drehzahl und fällt ab, wenn verschiedene Sekundäreffekte dominant werden. Bei einer Konstantstromlast - wie sie zu sehen wäre, wenn ein Linearregler eine Last mit konstantem Widerstand speist - steigt die Lastleistung linear mit der Spannung. Bei einer Last mit konstantem Widerstand (kein Regler) steigt die Lastleistung mit dem Quadrat der Last und der Strom linear. Energie ist das Zeitintegral der Leistung und ist in dieser Diskussion nicht übermäßig relevant.
OK, Sie verwechseln also nicht die Begriffe. Vielleicht ist es die Frage, wie viele Wörter Sie schreiben, wie in juristischen Dokumenten :) Wie auch immer, was ich gesagt habe, ist, dass nach dem Generator verschiedene Schaltkreise verwendet werden können. Linear würde aufgrund des geringen Wirkungsgrads keinen Sinn machen, aber auf der anderen Seite neigen Schaltkreise dazu, die Leistung konstant zu halten, was alle möglichen Auswirkungen haben kann.
Magnetische Induktion mit variierender Drehzahl: Umgang mit überschüssiger Energie
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