Turbo-Trainer-Generator - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Die Stromerzeugung durch Tretkraft hat mich schon immer fasziniert. Hier ist meine Meinung dazu.

Schritt 1: Alleinstellungsmerkmal

Ich verwende einen VESC6-Motorcontroller und einen 192KV-Außenläufer, der als regenerative Bremse arbeitet. Dies ist ziemlich einzigartig, wenn es um Pedalgeneratoren geht, aber es gibt einen weiteren Teil dieses Projekts, den ich für neu halte.

Beim Radfahren auf der Straße haben Sie Trägheit und dies hält die Drehung der Pedale während einer Umdrehung sehr konstant. Turbo-Trainer haben eine sehr geringe Trägheit, so dass das Rad beim Treten der Pedale schnell beschleunigt/verlangsamt und sich dies unnatürlich anfühlt. Schwungräder werden eingesetzt, um diese Drehzahlschwankungen auszugleichen. Aus diesem Grund wiegen stationäre Fahrradtrainer eine Tonne.

Ich habe mir eine alternative Lösung für dieses Problem ausgedacht. Der Motorcontroller ist so konfiguriert, dass er den Außenläufer im „Konstantgeschwindigkeitsmodus“dreht. Der Arduino verbindet sich über UART mit dem VESC6 und liest den Motorstrom (der direkt proportional zum Raddrehmoment ist). Der Arduino passt den Drehzahlsollwert des Motors schrittweise an, um die Trägheit und den Widerstand zu simulieren, den Sie beim Radfahren auf einer Straße erleben würden. Es kann sogar das Freilaufen eines Hügels simulieren, indem es als Motor arbeitet, um das Rad durchdrehen zu lassen.

Es funktioniert hervorragend, wie die obige Grafik zeigt, die die Motordrehzahl zeigt. Ich habe kurz vor 2105 Sekunden mit dem Radfahren aufgehört. Sie können sehen, dass in den nächsten 8 Sekunden die Radgeschwindigkeit allmählich abnimmt, genau wie wenn Sie aufhören würden, eine leichte Steigung hinauf zu treten.

Bei den Pedalwegen gibt es noch ganz leichte Geschwindigkeitsschwankungen. Aber auch das ist lebensecht und richtig simuliert.

Schritt 2: Testen der Ausgangsleistung

Radfahren ist die effektivste Art, mechanische Arbeit zu verrichten. Ich habe das VESC-Tool verwendet, um die Echtzeit-Leistungsabgabe zu messen. Ich habe die Messwerte auf Null gesetzt, bevor ich genau 2 Minuten lang gefahren bin. Ich trat mit einer Intensität in die Pedale, von der ich denke, dass ich sie etwa 30 Minuten hätte halten können.

Nach 2 Minuten sieht man, dass ich 6,15 Wh produziert habe. Das entspricht einer durchschnittlichen Leistung von 185 W. Das finde ich angesichts der Verluste ziemlich gut.

Sie können die Motorströme in der obigen Grafik sehen. Sie werden vom VESC6 schnell angepasst, um trotz des schwankenden Drehmoments beim Treten eine konstante Motordrehzahl beizubehalten.

Wenn das Treten aufhört, beginnt der Motor ein wenig Energie zu verbrauchen, um das Rad durchdrehen zu lassen. Zumindest bis der Arduino bemerkt, dass Sie nicht in die Pedale treten und den Motor ganz stoppen. Der Batteriestrom scheint kurz vor dem Abschalten fast Null zu sein, daher muss die Leistung höchstens ein paar Watt betragen, um das Rad tatsächlich aktiv zu drehen.

Schritt 3: Betrachten der Effizienz

Der Einsatz des VESC6 verbessert die Effizienz enorm. Er wandelt den Wechselstrom des Motors wesentlich besser in Gleichstrom um als ein Vollbrückengleichrichter. Ich schätze, es ist über 95% effizient.

Der Friktionsantrieb ist wohl der Schwachpunkt in Sachen Effizienz. Nach 5 Minuten Radfahren habe ich einige Wärmebilder gemacht.

Der Motor erreichte in einem 10-Grad-Raum etwa 45 Grad Celsius. Der Fahrradreifen hätte auch Wärme abgeführt. Riemengetriebene Systeme würden diesen Turbogenerator in dieser Hinsicht übertreffen.

Ich habe einen zweiten 10-Minuten-Test mit durchschnittlich 180 W gemacht. Danach war der Motor für lange Zeit zu heiß, um ihn anzufassen. Wahrscheinlich etwa 60 Grad. Und einige der Schrauben durch den 3D-gedruckten Kunststoff wurden gelöst! Auf dem umliegenden Boden befand sich auch ein dünner Film aus rotem Gummistaub. Reibungsantriebssysteme sind scheiße!

Schritt 4: Trägheit und Widerstand simulieren

Die Software ist ziemlich einfach und ist hier auf GitHub. Die Gesamtfunktion wird durch diese Zeile bestimmt:

RPM = RPM + (a*Motor_Current – b*RPM – c*RPM*RPM – Gradient);

Dadurch wird der nächste Drehzahlsollwert (dh unsere Geschwindigkeit) basierend auf der simulierten ausgeübten Kraft inkrementell angepasst. Da dies 25 Mal pro Sekunde ausgeführt wird, integriert es effektiv die Kraft im Laufe der Zeit. Die Gesamtkraft wird wie folgt simuliert:

Kraft = Pedal_Kraft - Laminar_Drag - Turbulent_Drag - Gradient_Force

Der Rollwiderstand ist im Wesentlichen im Gradiententerm enthalten.

Schritt 5: Ein paar andere langweilige Punkte

Ich musste die PID-Geschwindigkeitsregelparameter des VESC anpassen, um bessere Drehzahlen zu erhalten. Das war leicht genug.

Schritt 6: Was ich gelernt habe

Ich habe gelernt, dass Reibungsantriebsmechanismen scheiße sind. Nach nur 20 Minuten Radfahren sehe ich sichtbaren Reifenverschleiß und Gummistaub. Sie sind auch ineffizient. Der Rest des Systems funktioniert ein Traum. Ich gehe davon aus, dass ein Generator mit Riemenantrieb einen zusätzlichen Wirkungsgrad von 10-20% erzielen könnte, insbesondere bei höheren Drehzahlen. Höhere Drehzahlen würden die Motorströme reduzieren und höhere Spannungen erzeugen, was meiner Meinung nach in diesem Fall die Effizienz verbessern würde.

Ich habe nicht genug Platz in meinem Haus, um eine riemengetriebene Systematm einzurichten.