Inducción magnética con rpm variables: lidiar con el exceso de energía

Me gustaría obtener algunos consejos sobre el siguiente escenario: Quiero construir un generador pequeño y económico para una aplicación de recolección de energía. Hay imanes en un eje giratorio y los inductores estándar están colocados (fijos) cerca de este eje. Después de los inductores, el voltaje se rectifica y luego un IC de administración de energía se hace cargo (boost/buck, almacenamiento).

A 1000 rpm, el sistema debería proporcionar suficiente energía (~10 mW) para el circuito detrás de él. Pero las rpm pueden variar entre 1000 y 20000. Una vez que las rpm son superiores a 1000, hay un exceso de energía. Por lo tanto, tengo que encontrar una manera de lidiar con este exceso de energía. Deshágase del exceso de energía o tal vez prevenga la generación en primer lugar.

Usar múltiples inductores y encenderlos/apagarlos dependiendo de las rpm fue una idea. Pero esto requeriría bastante esfuerzo con la detección de rpm y los circuitos, dependiendo de cuántos inductores usaría. Así que estoy buscando soluciones más fáciles.

No es posible una solución mecánica para aumentar el espacio entre los inductores y los imanes, porque ambos están fijos en su lugar y no hay mucho espacio.

Los diodos Zener podrían ser una cosa, pero disipar la energía en forma de calor puede no ser la forma más adecuada, ya que la conductividad térmica de los materiales circundantes no es buena.

¿Tienen alguna idea de cómo lidiar con este problema?

Si la potencia es aproximadamente lineal con las rpm, entonces el exceso de energía es modesto. 10 mW x 20 000/1000 = 200 mW. || Si DEBE limitar la energía, y no es obvio por qué lo necesita, un regulador de voltaje permitirá que el alternador produzca voltaje PERO solo disipe Valt x Iload. En la mayoría de los alternadores, Voc_RPM_max es varias veces V_rpm_useful_min PERO no, por ejemplo, 20 veces más alto. por ejemplo, un alternador puede generar 5 V a la carga deseada pero 20 V a RPM máximas. Entonces, use un regulador de voltaje y solo extraiga lo que necesita hasta que solo aumente la potencia en 4 x (en este ejemplo) Pl = Il x 5V. Palt = 20V x Il.
El generador genera exactamente tanta energía eléctrica como la que estás consumiendo. Si no necesita más energía, simplemente desconecte el convertidor DC-DC por un tiempo. Si no hay una carga eléctrica conectada al generador, no generará energía eléctrica. No veo el problema.
Continuar negándose a no permitirnos entender los problemas reales involucrados resultará en un típico vaivén que le hace perder su tiempo y el nuestro y le da algunas pautas que pueden o no ser demasiado relevantes. La elección es suya, pero con demasiada frecuencia vemos un "vagabundeo" cuando se podría haber proporcionado alguna información realmente útil. .
Repetiré algo aquí que mencioné a continuación, ya que es muy relevante. | Se puede diseñar un alternador para que actúe como una fuente de corriente constante en el voltaje de interés, generalmente saturando un hierro u otro núcleo en el inductor (es) cuando se alcanza un límite de amperios-vuelta diseñado. Esto significa que si bien el alternador puede generar varias o incluso muchas veces el voltaje deseado si las RPM son lo suficientemente altas, la corriente de salida se limita a ~~= un valor diseñado. Entonces, si quiere decir 5V a 2 mA, si coloca una abrazadera de voltaje que acepta el exceso de energía cuando VAC alcanza, digamos, 6V, entonces...
... la energía total disipada no es mucho más que la energía tomada por la carga en el peor de los casos. VAC pico = VRMS x 1,414. | Vdc = VACpeak - 2 x caídas de diodo = digamos -1 V. Entonces, por ejemplo, para obtener 5VDC con 2 x caídas de diodo Schottky VACpeak = 6V entonces VAC RMS = 6/1.414 =~ 4V. Por lo tanto, un alternador de 4 V CA a 1000 RPM con una abrazadera de, digamos, 5 V CA_RMS tendrá un voltaje de "margen libre" por encima del mínimo y disipará un total de no más del 25 % más que la potencia de carga máxima. En los niveles de potencia en cuestión, parece poco probable que esto sea un problema. Pero .... .
¿Qué, no hay más información? :-) Esto parece interesante y se podría decir mucho más si se supiera un poco más/ ¿Cuál es el origen de la rotación?

Respuestas (2)

Esta es una pregunta interesante y probablemente tenga una buena solución disponible una vez que proporcione toda la información relevante que sabe pero que, hasta ahora, no sabemos.

SO: esta es una breve respuesta provisional basada en lo que nos ha dicho. Si agrega más detalles y explicaciones, la respuesta puede mejorarse. De lo contrario, esta es una respuesta tan buena como razonablemente puede esperar con el nivel de detalle proporcionado. (Otros PUEDEN darle una respuesta aún mejor, pero en este momento no tiene derecho a esperarla :-)).

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Si la energía disponible es aproximadamente lineal con las rpm, entonces el exceso de energía es modesto.
10 mW x 20 000/1000 = 200 mW.
En la mayoría de las situaciones, 200 mW no serían difíciles de disipar con un aumento moderado de la temperatura.

Además, el alternador no necesita disipar toda la potencia que PUEDE generar. El hecho de que PUEDE producir 200 mW no significa que DEBE hacerlo.

Si DEBE limitar la energía, y no es obvio por qué lo necesita, un regulador de voltaje permitirá que el alternador produzca voltaje PERO solo disipe Valt x Iload. En la mayoría de los alternadores, Voc_RPM_max es varias veces V_rpm_useful_min
PERO no, por ejemplo, 20 veces más alto.
por ejemplo, un alternador puede generar 5 V a la carga deseada pero 20 V a RPM máximas.
Entonces, use un regulador de voltaje y solo extraiga lo que necesita hasta que solo aumente la potencia en 4 x (en este ejemplo)
P_load = I_load x 5V.
P_alt = 20 V x I_carga

¡Cuéntanos más!

Para el voltaje inducido usé: V_ind = -N A ΔB/Δt
Para el voltaje inducido usé: V_ind = -NxAxΔB/Δt N: vueltas del inductor A: área de la sección transversal del inductor B: flujo magnético t: tiempo de aumento/disminución del flujo magnético Por lo tanto, si las rpm (revoluciones por minuto del eje ) aumentar el voltaje aumenta lineal. Pero el poder es voltaje * corriente. Si la resistencia de carga es constante, la corriente también aumenta linealmente. Por lo tanto, 2xrpm = 2x voltaje = 2x corriente = 4x potencia. Con 20000 rpm sería 20x20=400 veces la potencia generada. Significa 4 W y no 200 mW, ¿o me equivoco?
@BendingBender La suposición que se puede cambiar es "... si la resistencia de la carga es constante ..." -> Como se señaló anteriormente, si usa un regulador de voltaje, la carga "verá" un voltaje fijo y la corriente de carga es constante después Se alcanza Vdeseado. Entonces, SI el voltaje aumenta linealmente con el voltaje (y sería excepcionalmente inusual tener Vmax = 20 x Vwanted), entonces la potencia será 20 x (lineal con V) y no relacionada con el cuadrado. Como todavía no sabemos lo que está haciendo, la complejidad permitida, el costo, ... CUALQUIER COSA ... no sabemos si un pequeño SMP estaría bien, pero, si es así, entonces Pmax es varias veces deseado.
"P_load = I_load x 5V. P_alt = 20 V x I_load" Gracias Russell, creo que esto me ayudó. :)
@BendingBender Eso 20V x I_load es para el ejemplo que di donde el alternador "toca un máximo" con algún voltaje. Este suele ser el caso. También puede sujetar el exceso de corriente para que el alternador se sature y esto limite el voltaje y la potencia disipada. Puede... MUCHAS MUCHAS cosas, pero mientras no tengamos idea de lo que está haciendo, no podemos ofrecerle buenos consejos.

¡No te confundas! RPM es la medida de la velocidad de rotación. La velocidad de rotación es proporcional a la fuerza de Electormotion, que es voltaje (voltios), no potencia (mW).

La potencia es voltaje por corriente (A). ¿Qué corriente proporcionará su generador? Pues en amplio rango, será la corriente exacta que tomes, nada más, nada menos. Eso es todo.

Si se acerca a la potencia máxima que su fuente puede proporcionar, la rotación se ralentizará reduciendo el EMF (voltaje) y, dependiendo de su circuito, la corriente puede disminuir o tratar de mantener la potencia constante y ahogar completamente la rotación.

Gregory: según lo que dice, lo más probable es que la obtención de energía no sea el principal consumidor de energía. "Ahogar" la fuente de alimentación mecánicamente suena poco práctico e indeseable. Puedo estar equivocado :-).
Nunca voté por ahogar nada. Solo dijo lo que sucedería si se quisiera más de lo que está disponible.
Gregory: inténtelo de nuevo :-) -> Como él sugiere que las RPM pueden ser hasta 20 veces la velocidad a la que se generará la energía requerida, las probabilidades de que la carga ahogue la fuente son pequeñas. Si la carga es resistiva, la potencia aumenta y disminuye como el cuadrado de V. V tiende a ser aproximadamente proporcional a la velocidad. Entonces, digamos que el 50% de la carga de velocidad es el 25% de lo requerido o menos.
No sé nada sobre las probabilidades. Pero puedo ver que también está confundiendo potencia, energía, voltaje y corriente.
Cortésmente - No. No estoy confundiendo ninguno de esos. (No durante los últimos 50 años más o menos :-)). Con un alternador PM giratorio simple, el voltaje aumenta aproximadamente de forma lineal con las RPM, disminuyendo a medida que varios efectos secundarios se vuelven dominantes. Para una carga de corriente constante, como se vería si un regulador lineal alimentara una carga de resistencia constante, la potencia de carga aumenta linealmente con el voltaje. Para una carga de resistencia constante (sin regulador), la potencia de carga aumenta linealmente como la carga al cuadrado y la corriente. La energía es la integral temporal de la potencia y no es demasiado relevante en esta discusión.
OK, entonces no estás confundiendo los términos. Tal vez sea la cuestión de cuántas palabras escriba, como en los documentos legales :) de todos modos, lo que estaba diciendo es que se pueden usar diferentes circuitos después del generador. Lineal no tendría sentido debido a la baja eficiencia, pero por otro lado, los circuitos de conmutación tienden a mantener la potencia constante, lo que puede tener todo tipo de efectos.
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