HVIRVELSTRØMSBREMSEN. Maggie Bohus - Løsning Skole 9.c Jonas Kjemtrup - Løsning Skole 9.c

Transkript

1 HVIRVELSTRØMSBREMSEN Maggie Bohus - Løsning Skole 9.c Jonas Kjemtrup - Løsning Skole 9.c

2 2 Hvirvelstrømsbremsen Introduktion Slitagen på køretøjer er stor, og det er et problem for miljøet. Bare at mindske slitagen på bremserne i en bil, vil lette en stor del af presset på miljøet. Både når vi fremstiller en bremse, og når vi benytter den udskiller vi forskellige skadelige stoffer. Vores forslag til, at løse en del af problemet, er ved at bruge elektromagnetisme. Elektromagnetisme er allerede brugt på toge, og det har det været i mange år. Allerede før 1930, brugte man elektromagneter, til at nødbremse togene med. Dengang var det store klodser på 300 kilo der, når de blev aktiveret, smækkede ned på skinnerne, det medførte, at toget stoppede brat. Denne bremseform var dog for kraftig, og man har derfor valgt at bruge en bremseform, der kaldes en hvirvelstrømsbremse. Denne bremseform virker ved hjælp af nogle elektromagneter der sidder på hver side af en aluminiumsskive (Al). Ved brug af en hvirvelstrømsbremse, vil man mindske belastningen på miljøet meget, i forhold til at der på verdensplan er ca. 800 millioner biler, i dag. Hvoraf gennemsnitslevealderen på en bil er på 13 år. Hver bil skal i gennemsnit have skiftet bremser, en gang hvert andet år. Det resulterer i at en gennemsnitsbil, skal have skiftet bremser mellem 6 og 7 gange, i løbet af bilens levetid.

3 De 800 millioner biler, der er, i dag, vil i deres levetid skulle have skiftet bremser, omkring 5,2 milliarder gange til sammen. Prisen på at få skiftet bremser, er i gennemsnittet kr. Derfor vil man på verdensplan kunne sparer ca milliarder, på de biller der kører rundt i øjeblikket. Ved brug af den innovative hvirvelstrømsbremse, vil man spare ca milliarder kr. fordi der ikke vil være nogen umiddelbar slidtage. Derfor vil man ikke, skulle skifte bremser på grund af slidtage. Når man bremser med en almindelig bremse, som en skivebremse eller en tromlebremse, slider man på bremseklodserne og udleder derved små skadelige partikler, der er dårlige for miljøet. En hvirvelstrømsbremse, vil også mindske risikoen for uheld, fordi man aldrig vil komme ud for at bremserne bliver slidt ned, og hvis man laver fire separerede ledningsnet til bremserne, vil man formentlig ikke komme ud for nogen form for bremsesvigt. En bremse skal kunne standse den store mængde af kinetisk energi, en bil i bevægelse har med sig. Derfor vil bremsen under nedbremsning, udvikle en stor mængde termisk energi. Den termiske energi, er et problem for hvirvelstrømsbremsen, da hvirvelstrømsbremsen har svært ved at komme af med den termiske energi. Vi har derfor fundet en løsning på problemet, som beskrives senere i rapporten.

4 Hvordan kan det være at, slidtagen på køretøjer er så stor, og hvad kan vi gøre ved det? Hypotese Slidtagen på køretøjer er stor, det skyldes den store mængde af potentiel, kinetisk og termisk energi en bil bliver udsat for. Vi har valgt at fokuserer på fasen, mellem den kinetiske energi og den termiske energi altså når en bil skal bremses. Vores forslag er, at lave en bremse, der uden sliddele, kan skabe en kraftig opbremsning. Bremsen skal fungerer, ved hjælp af elektromagnetisme. Der skal sættes to elektromagneter, på hver side af en aluminiumsskive. Når elektromagneterne aktiveres, vil de skabe en hvirvelstrøm inde i aluminiumsskiven, der vil få skiven til at stoppe. Hvirvelstrømmen bliver udelukkende dannet af magnetisme, og det er vigtigt at materialet skiven er lavet af, ikke er magnetiserbart som fx jern. Da et magnetiserbart metal vil påvirke magnetfeltet, og ikke skabe den ønskede effekt. Det er dog vigtigt, at skiven er lavet af et metal. Det umiddelbart bedste metal, er aluminium, fordi det er et let metal, og det er forholdsvist billigt. Kobber er dog også en mulighed, det vil dog blive noget dyrere, og det er tungere. For at forhindre at den termiske energi, påvirker køretøjet i for stor grad, vil man formentligt blive nødsaget til, at sætte en form for køler på bremserne. Vores idé til køleren, er at blæse luft ind i kanaler, der leder luften direkte op til bremserne. For at få luften blæst ind i mod bremserne, uden at det kræver for meget af bilens energi, så brændstoføkonomien nedsættes. Mener vi at man ved at montere små vinger, på indersiden af fælgen, kan lede nok luft ind i mod bremserne, så de kan holdes nede i temperatur. Vingerne skal være justerbare så mængden af luft kan varigere En hvirvelstrømsbremse bremser bedst ved høj fart, og derfor er den mest effektiv, ved kørsel på motorveje, end ved langsom fart ved bykørsel. Nedenfor ses en illustration af, vores køler idé.

5 Materialer og metoder - Forsøg 1 Materialeliste 2 Strømforsyninger 2 Stativer 2 Spænder til stativerne 2 Gribearme 2 Træplader 4 Skruetvinger 2 Spoler (1200 vindinger) 2 Jernkerner 8 Ledninger 1 Aluminiumsplade (ø: 25cm) 1 gevindstang (ø: 8mm) 8 Møtrikker (ø: 8mm) 1 Møtrik (ø: 10mm) 2 Spændskiver 2 Lejer 1 Elmotor 1 Gummibånd 1 Cykelcomputer Da der ikke findes nogen konkret forsøgsbeskrivelse, omkring en hvirvelstrømsbremse, har vi selv valgt at tage initiativ til at starte fra bunden, og stille det op. Da vores lærer på skolen ikke var i stand til at hjælpe, måtte vi tage kontakt til en ingeniør der kunne hjælpe os, men dog kun en smugle. Han vejledte os i forhold til målene på aluminiumsskiven, og han hjalp os med nogle få udregninger. Vores forsøg er bygget op omkring en aluminiumsskive, der er monteret på en gevindstang, og er fikseret med to møtrikker. Udover de to møtrikker, der fikserer aluminiumspladen er der fikseret to lejer, med to møtrikker i hver sin ende af gevindstagen. Derudover er der yderligere to møtrikker, der fikserer en 10mm møtrik sammen med to spændskiver. Den 10mm møtrik bruges til at trække aluminiumsskiven rundt, ved hjælp af en elmotor, så aluminiumsskiven kan holde en konstant hastighed. Gevindstangen holdes fast af to stativer, ved hjælp af to gribearme, gribearmene holder fast omkring de to lejer. De to stativer er fikseret til bordet, med to skruetvinger. På hver sin side af aluminiumspladen, sidder der to store spoler med 1200 vindinger hver, hvoraf begge spoler har fast monteret en jernkerne i midten. Begge spoler er ligeså fikseret til bordet, med en skruetvinge hver. Under forsøget ledte vi 20 volt ud i spolerne, plus og minus sad modsat på spolerne, derfor blev polerne vendt modsat, på elektromagneterne nordpol rettet mod aluminiumsskiven på den ene side og sydpol rettet mod aluminiumsskiven på den anden side. Vores resultater målte vi med en cykelcomputer.

6 Resultater Vores forsøg resulterede i, at vi fandt frem til, at hvirvelstrømsbremsen er en effektiv og billig bremse metode. Vores forsøg viser en konstant stigning i bremsetiden, der giver en god indikation af, hvor effektiv bremsen er. Skemaet viser hvor mange volt vi sender igennem elmotoren, for at opnå hastigheden og herefter kunne vi måle bremsetiden for aluminiumsskiven. Joule er mængden af energi, aluminiumsskiven i alt har med sig og derfor også den samlede energi, bremsen skal standse. Watt viser hvor mange joules i sekundet, bremsen kan bremse. Formler Inertimoment = 0,5 * m * (R 2 + r 2 ) Ekin = 0,5 * I * radianer * radianer Radianer = 2 * pi * omdr./s M/s = hastighed / 3,6 Watt = joule / s Omdr./s = m/s / omkreds Volt Bremsetid (sek) Hastighed (km/t) Joule watt 3 0,5 5 1,9 3,9 3,5 0, ,7 10, ,4 17,4 4,5 1,25 21,5 30,9 24,7 Fejlkilder Elektromagneternes afstand fra aluminiumsskiven. Dårlige lejer Strømforsyningens nøjagtighed Tidsmåling (bremsetid) Størrelsen af spole Vægt af aluminiumsskive + gevindstang Størrelsen af jernkerne

7 - Forsøg 2 Materialeliste 4 Spoler (1200 vindinger) 2 Strømforsyninger 1 Hometrainer 8 Ledninger 2 Skruetvinger 2 Hesteskosjernkerner 1 Aluminiumshjul 1 Cykel 1 Stykke træ 1 Stykke jern 1 Cykelcomputer 1 Stopur Forsøgsbeskrivelse I vores andet forsøg, fjernede vi egerne i et baghjul, og byttede dem ud med en aluminiumsplade. Vi placerede 2 spoler på en hesteskosjernkerne, på hver side af pladen. Spolerne forbandt vi til to forskellige strømforsyninger, så der kunne reguleres på spændingen. Vi brugte et stykke træ i den ene side, og et stykke jern i den anden side, for at få spolerne tæt på pladen. Spolerne og hesteskosjernkernerne fastholdte vi med 2 skruetvinger. Resultater Vores resultater er målt ved hjælp af en cykelcomputer, og et stopur. Vi aktiverede bremsen, når pladen nåede den rette hastighed, og startede samtidig stopuret. Vi valgte at tage målinger, med 2 spoler aktiveret og 4 spoler aktiveret. Dette giver en ide om hvor meget effekt det giver at tilføje den

8 BremseHd i forhold Hl hashghed HasHghed i km/t Tid i sek. Bremsedd 12,2V (sek.), 2 Spoler Bremsedd 24,5V (sek.), 2 Spoler Bremsedd 12,2V (sek.), 4 Spoler Bremsedd 24,5V (sek.), 4 Spoler Bremsetid 12,2V (sek.), Bremsetid 24,5V (sek.), Bremsetid 12,2V (sek.), Bremsetid 24,5V (sek.), Km/t 2 Spoler 2 Spoler 4 Spoler 4 Spoler 10 9,2 3,1 5 1, ,4 6,3 2, ,2 4 7,7 2, ,3 8,5 2, ,1 8,7 2, ,2 4,5 8,8 2, ,6 4,7 9,1 2, ,8 5,1 9,4 2, ,9 5,3 9,4 2, ,3 5,7 9,7 2, ,7 5,8 11,3 2, ,2 5,6 9,6 3, ,3 6,2 10,3 2, ,5 5,9 11,6 3, ,6 6 11, ,5 5,8 11,7 2,8 Fejlkilder Måleudstyr Spolernes afstand til pladen Strømforsyningens nøjagtighed Kvalitet af jernkerne Dårlige lejer Vægt af aluminiumsplade

9 Diskussion og konklusion Med vores forsøg er vi kommet frem til, at en hvirvelstrømsbremse, er en yderst effektiv bremsemetode. Når man bremser med en hvirvelstrømsbremse, undgår man at slide små skadelige partikler af bremseklodser, som man gør med almindelige bremser. Man undgår også regelmæssigt at skulle skifte bremser, på grund af sliddelene som bremseklodser og bremseskiver. Hvirvelstrømsbremsen vil formentlig blive en smule dyrere at montere, men dette køb er en engangsydelse, da hvirvelstrømsbremsen ikke bliver slidt nok, til at gå i stykker indenfor bilens normale levetid. Derudover får man en øget sikkerhed, da bremserne ikke kan svigte på grund af slidtage, som almindelige bremser kan. En fordel ved hvirvelstrømsbremsen er, at den kan produceres af næsten 100 % genbrugsmaterialer, fx Kan kobberet der er rundt om spolen, og i ledningsnettet på bilen generelt, komme fra genbrug. Aluminium er også et godt metal at genanvende. Det betyder at man kan bruge gamle ledninger, og brugte sodavandsdåser, til bremserne i ens nye bil. På billedet ovenfor ses en hvirvelstrømsbremse, på et tog. I det første forsøg vi lavede, brugte vi en cykelkæde, der var limet fast, til bremsekanten på en cykelhjul. Dette forsøg mislykkedes dog, fordi en kæde er lavet af mange forskellige små jernplader. Hvirvelstrømsbremsen virker bedst, når der kan skabes så store hvirvelstrømme som muligt. Da en cykelkæde er lavet, af meget små plader, der er forskudt i højden, virker det ikke ordentligt, men da den er lavet af jern virker den slet ikke. Efter vores andet forsøg, kunne vi bekræfte vores hypotese, og vi kunne derfor konstatere, at man er nødsaget til at have en sekundær bremse, der kan standse bilen 100% og fungere som håndbremse. Bremsen skal aktiveres, når hvirvelstrømsbremsen ikke er rentabel at bruge længere. Da en hvirvelstrømsbremse ikke er særlig effektiv ved lav hastighed (Ca. mellem 5 og 15 km/t), vil det være oplagt at montere et sæt skivebremser, på bagakslen af bilen.

10 Lorem Ipsum 10 Referencer Morten Eske Nielsen Mita Teknik Frede Hansen Mita Teknik Torben Jensen Mita Teknik school/physics/exam- prep/electromagnetism/electromagnetic- induction/eddy- current- braking/ re.com/?smart- active- stall- control- uk

11 Lorem Ipsum 11 Skrevet af: Jonas Kjemtrup Maggie Bohus