SOP om DC-motorens funktioner | Teknikfag - Design og produktion A, og Teknologi B

Side 1

Studieretningsprojekt
DC-motor

Frederikshavn -HTX 3.C

HTX 3. år

Side 2

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 2 af 23

Abstract

My subject is the DC motor and the reason I chose this topic was because I think that the DC-motor is an exciting subject, and then I had the opportunity to choose it for my topic to write about in my SRP, therefore I chose it as my topic. In my report I have outlined the principles, structure and functioning of a DC-motor, I've only done it overall, since all DC motor is partly similar at this point. Besides, I have made an analytical study of my DC-motor, which I have used to find the motor constant for my DC-motor. Finally, I discuss and evaluate the DC-motor chances in the future society.

Side 3

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 3 af 23

Indhold

Abstract ............................................................................................................................................................. 2 Indledning .......................................................................................................................................................... 4

1. DC-motorens opdagelse ................................................................................................................................ 4

1.1 DC motoren ................................................................................................................................................. 5

2. Analyserende forsøg af DC-motoren ............................................................................................................. 7

2.1 Teori ........................................................................................................................................................ 7

2.2 Beskrivelse af forsøgene og resultater .................................................................................................. 11 Forsøg 1 (generator) ................................................................................................................................ 11 Forsøg 2 (motor) ...................................................................................................................................... 12

2.3 Sammenligning og Diskussion af forsøgene .......................................................................................... 13

2.4 Konklusion ............................................................................................................................................. 14

3. DC-motorens fremtid................................................................................................................................... 15 Bilag ................................................................................................................................................................. 17 Litteraturliste ................................................................................................................................................... 17 Links til hjemmesider: ...................................................................................................................................... 17 Kildekritik ..................................................................................................................................................... 18 Bilag 1.1 Opstillinger med elektromagnetisme ........................................................................................... 18 Bilag 2.1 Graf over den indre modstand i valgt DC-motor .......................................................................... 19 Bilag 2.2 Diagram tegning af DC-motor ....................................................................................................... 19 Bilag 2.3 Billeder af opstilling, hvor valgte motor bruges som generator ................................................... 20 Bilag 2.4 Graf og måle data over forholdet mellem volt og omdrejninger ................................................. 21 Bilag 3.1 Billeder af forsøg 2 moment og ampere ....................................................................................... 22 Bilag 3.2 Graf over forhold mellem moment og ampere ............................................................................ 22

Side 4

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 4 af 23

Indledning

I mit studieretning projekt har jeg valgt fagene Design og produktion A, El og Teknologi. Jeg har valgt at gå ud over kernestoffet i Design og produktion El. Det tilhørende emne til mine valgte fag er DC-motoren. Min opgave starter med at jeg redegører for principperne, opbygningen og virkemåden af DC-motoren. Derefter har jeg lavet forsøg, som skal kunne bruges til at bestemme motorkonstanten for min valgte DC-motor. Afslutningsvis har jeg vurderet og diskuteret DC-motorens plads i et moderne samfund med miljøproblemer og brintteknologi.

1. DC-motorens opdagelse

DC-motoren er ikke nogen ny opdagelse, den har været her i lidt over et år hundrede [1] og er en stor del af vores hverdag i dag, da den bliver brugt til ufattelig mange ting.

Grundstenene for DC-motoren blev lagt af H.C. Ørsted, Carl Friedrich Gauss og Michael Faraday.

Deres opdagelser indenfor magnetisme og elektricitet i begyndelsen af 1800-tallet, blev startskuddet

                                       2
for enormt mange opfindelser, bl.a. DC-motoren.

I 1820 opdagede H.C. Ørsted, at en elektrisk strøm frembringer et magnetfelt. Det blev startskuddet til de næste 15 års arbejde, på tværs af Atlanten i et kapløb om at udvikle en simpel roterende DC-motor. [3] Der blev opstillet en lang række forsøg som påviste, at det var muligt at skabe en roterende elektromagnetisk motor. Derfor kan man ikke sige, at der er en egentlig opfinder af DC-motoren, fordi den person, man betegner som opfinder af DC-motoren afhænger af, hvordan man definerer ordet ”motor”. De personer som opstillede forsøg med en roterende elektromagnetisk motor, som så senere blev døbt til det vi i dag kender som DC-motoren, var Michael Faraday (Britiske), Joseph Henry (US) og William Sturgeon (Britiske). [4]

Der findes billeder og forklaringer af deres

                  5
opstillinger i bilagene.

1

http://www.solarbotics.net/starting/200111_dcmotor/200111_dcmotor.html

8/12- 2010 kl. 08:45
2

EL-ELLERT-ELLER?: træk af elbilens historie p 1

3

http://www.denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Fysik/Fysikere_og_naturvidenskabsfolk/Hans_Christia

n_%C3%98rsted

8/12 – 2010 kl. 09:34
4

http://www.solarbotics.net/starting/200111_dcmotor/200111_dcmotor.html

8/12- 2010 kl. 10:23
5

Bilag 1.1 Opstillinger med elektromagnetisme

Side 5

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 5 af 23

1.1 DC motoren

DC-motorens brede område hvori den bliver anvendt i dag, har gjort at man er blevet nød til, at udvikle DC-motorer i ufattelig mange forskellige typer og størrelser, for at den skal kunne bruges til de forskellige de ting. Der er dog det ved alle disse DC-motorer, at de stort set alle sammen bygger på de samme overordnede principper, har samme virkemåde, og så er opbygningen af dem også til dels ens. [6] Derfor har jeg ikke fordybet mig i én type DC-motor, men redegjort overordnet, for deres opbygning og hvilke principper, der går igen i langt de fleste DC motorer og hvordan de virker.

Overordnet set består en DC motor af to dele, nemlig en stationær del også kaldet statoren og en roterende del, også kaldet rotoren. [7]

For at få rotoren til at rotere i DC-motoren, bliver der nød til, at være en kraft, som trækker i rotoren. Kraften der trækker rotoren rundt i DC-motoren kaldes magnetisme. Denne magnetisme i DC-motoren kommer fra nogle permanente magneter, som sidder på statoren, og fra en spole, som sidder på rotoren. [8]

Det er meget forskelligt, hvor mange permanente magneter, som er placeret på statoren, da de forskellige typer af DC-motorer er bygget til at have et bestemt antal af permanente magneter. Der skal dog minimum være en permanent magnet og så skal det stemme overens med, at der minimum skal være en sydpol og en nordpol, som vender ind mod spolen [9]. Der findes dog også DC-motorer, der er opbygget således, at der sidder både spoler på statoren, og rotoren. [10]

Det vil så sige, at denne type DC-motorer, ikke kan lave induktion, altså genere elektrisk strøm, uden at der er sat strøm til den ene af spolerne, pga. at der ikke er noget magnetfelt i denne type DC motor, som kan inducere en strøm i den anden spole i

motoren.^{11}

For at der kan komme strøm ud og ind til spolen på rotoren, bliver der nød til, at være en forbindelse fra rotoren til statoren. Dette bliver der gjort gennem to kulbørster også kaldet anker,

6

http://electronics.howstuffworks.com/motor.htm

6/12- 2010 kl. 11:04
7

http://www.denstoredanske.dk/It%2c_teknik_og_naturvidenskab/Elektricitet/Elektriske_maskiner/elektriske_maskin

er

6/12 – 2010 kl. 12:00
8

http://www.denstoredanske.dk/It%2c_teknik_og_naturvidenskab/Elektricitet/Elektriske_maskiner/elektriske_maskin

er

6/12 – 2010 kl. 12:00
9

http://www.denstoredanske.dk/It%2c_teknik_og_naturvidenskab/Elektricitet/Elektriske_maskiner/elektriske_maskin

er

6/12 -2010 kl. 12:03
10

http://www.denstoredanske.dk/It%2c_teknik_og_naturvidenskab/Elektricitet/Elektriske_maskiner/elektriske_maski

ner

6/12 - 2010
11

Grundlæggende Fysik af Rik Øhlenschlæger p 170

Side 6

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 6 af 23 som kan dreje med rotoren rundt uden at side fast på statoren, de sidder dog fast på rotoren [12]. Det betyder også at når rotoren drejer rundt skifter ankerne plads, så der bliver byttet om på strømmens retning, fordi plus og minus sidder fast et bestemt sted på indersiden af statoren. Det medfører at magnetfeltet vender, så der bliver byttet om på nord- og sydpolen på spolen [13].

Hvis man ser på de fysiske principper, som gør at DC-motoren kan dreje rundt og bruges som generator, snakker vi om ganske få principper. Det princip der gør, at den kan bruges som generator kaldes induktionsloven [14], som i korte træk går ud på, at man kan inducere en strøm i et ledende metal, ved at gnide en magnet op af det ledende metal. [15]

De principper der så gør, at man kan få akslen i DC motoren til at rotere kaldes elektromagnetisme, som vil sige at hvis man sender elektrisk strøm gennem et ledende metal vil den danne et magnetfelt [16]. Lenz lov bliver brugt her, da DC-motorens spole danner modsvarende magnetfelt i forhold til det magnetfelt der inducerer strømmen i spolen. [17] Der er også et princip mere som gør, at rotoren roterer i DC-motoren, nemlig det at to heterogene magnetfelter tiltrækker hinanden, mens to homogene magnetfelter frastøder

hinanden.^{18}

Når man kigger på virkemåden af DC-motoren, så sker der det, at rotoren roterer når man sætter strøm til DC-motoren. Grunden til at rotoren begynder at dreje, er fordi at rotorens spole bliver frastødt af statorens permanente magneter, fordi de på dette punkt danner homogene magnetfelter i forhold til spolens magnetfelter, så bliver rotorens spole frastødt. Det der så sker, er at rotorens spole bliver tiltrukket af de permanente magneters magnetfelter i den modsatte side af hvor spolen var før, fordi spolens magnetfelt er konstant lige der, og fordi de permanente magneters magnetfelt ikke er ens i begge sider. Så for at rotoren ikke skal stoppe, når den kommer til det heterogene magnetfelt, skifter den elektriske strøm i motoren retning, fordi ankerne har skiftet plads, så der bliver byttet om på plus og minus. Når det sker, bliver der dannet et homogent magnetfelt i spolen i forhold til de magnetfelter den blev tiltrukket af før, så bliver spolen frastødt af de permanente

12

http://www.denstoredanske.dk/It%2c_teknik_og_naturvidenskab/Elektricitet/Elektriske_maskiner/elektriske_maski

ner

6/12 - 2010
13

Grundlæggende Fysik af Rik Øhlenschlæger p 171

14

Grundlæggende Fysik af Rik Øhlenschlæger p 171

15

Grundlæggende Fysik af Rik Øhlenschlæger p 170

16

Grundlæggende Fysik af Rik Øhlenschlæger p 145

17

Grundlæggende Fysik af Rik Øhlenschlæger p 171

18

http://www.denstoredanske.dk/It%2c_teknik_og_naturvidenskab/Elektricitet/Elektriske_maskiner/elektriske_maski

ner

6/12 – 2010 kl.12:45

Side 7

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 7 af 23 magneters magnetfelt. Dette forsætter så uendeligt så længe motoren er koblet til en elektrisk strømkilde.

2. Analyserende forsøg af DC-motoren

Jeg har tænkt mig at lave to analyserende forsøg med en DC-motor jeg har valgt, for at finde motorkonstanten når jeg bruger den som generator og motor. Konstanten jeg finder gælder kun for min valgte DC-motor, men der findes en konstant som passer til hver eneste DC-motor der er bygget. Motorkonstanten for DC-motoren kan bruges til, at udtrykke den elektriske effekt man kan få ud af en DC-motor, når man bruger den som generator, og så akseleffekt når man bruger den som almindelig motor. Min tanke med forsøgene var, at jeg vil finde den nemmeste metode til at finde motorkonstanten på, samtidig med, at jeg vil finde den mest nøjagtige måde, at gøre det på.

Grunden til at jeg skulle kunne nøjes med den ene metode til at finde motor konstanten på, selvom jeg får en når jeg bruger den som motor og en når jeg bruger den som generator, er fordi konstanterne gerne skulle vise sig, at være det samme tal gennem mine forsøg og teori.

2.1 Teori

Når jeg skal udlede udtrykket, for akseleffekten, skal jeg tænke på at arbejde er kraft gange vej. [19]

Samtidig med jeg skal tænke på momentsætningen der hedder: M= F*r.^{20}
Vejen for en DC-motor er omdrejninger, derfor kommer vejs længde til at hedde: 2*π*r.
Så pga. af dette kommer udtrykkene til at hedde: A=F*2*π*r = M*2*π.

A F 2⋅ π⋅ r⋅ M 2⋅ π

Jeg skal dog tage højde for, at effekten er, arbejde pr. tidsenhed, så jeg skal dividere med T på begge sidder.

Jeg skal også have omdrejningerne tænkt ind i mit udtryk, da omdrejningerne er med til at udtrykke akseleffekten. Jeg kan udtrykke omdrejningerne i omega som: ω er vinkelhastigheden i radianer pr sekund.

19

Orbit B HTX 87 P

20

Orbit A HTX 64 P

P

A M 2⋅ π⋅

T T

2π

T ω

Side 8

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 8 af 23

Derfor går mit udtryk for akseleffekten hen og bliver:

Fordi omega overtager 2*π/T plads i udtrykket.

Grunden til at P er dette, er fordi at den effekt jeg kan få ud af akslen på min DC-motor aksel afhænger af, hvor stort mit moment er, samt hvor mange omdrejninger akslen tager. Jeg kan også forklare det med, at den elektriske effekt, som er den der trækker akslen rundt, afhænger af strømstyrken og spændingen, da det er dem som udtrykker hvad den samlede effekt, man sender ind i motoren er. Inde i motoren bliver strømstyrken og spændingen omdannet til et bestemt moment og omdrejningstal for motoren. Det er omdrejningstallet og momentet, der udtrykker hvor mange gange akslen drejer rundt og hvor stort en trækkraft akslen bliver sendt rundt med, altså momentet for akslen. Så når man kæder dette sammen, kan man godt se, at den samlede effekt jeg skal kunne få ud af min aksel, vil være momentet gange med omdrejninger i radianer pr. sekund.

Jeg kan bevise, at der er en sammenhæng mellem motor konstanterne når jeg bruger min DC-motor som generator og som motor. Jeg kan gøre dette ved at kigge på udtrykket for Akseleffekten og udtrykket for den elektriske effekt [21] fra motoren. Udtrykkene er:

P M ω⋅ aksel

P.askel er aksel effekten

M som er momentet, har enhederne newton*meter [N*m]

ω som er akslens vinkelhastighed i radianer.

Her er udtrykket for den elektriske effekt:

P I U⋅ elektrisk

I er strømstyrken(ampere) når jeg bruger min motor som generator

U er spændingen(volt) når jeg bruger min motor som generator

P er den elektriske effekt elektrisk

21

Orbit B HTX P 105

P M ω⋅

Side 9

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 9 af 23

Som du kan se på udtrykkene udtrykker de begge en effekt. Men der er også sammenhæng mellem disse to udtryk og motorkonstanten, fordi jeg kan bruge udtrykkene og motorkonstanten til at udtrykke hinanden med.

I forsøg 1,skulle der gerne være en lineær sammenhæng mellem, hvor mange omdrejninger min valgte DC-motor bliver trukket rundt med, og så hvor mange volt jeg får ud. Grunden til det hænger sådan sammen er fordi, at i motoren er der en konstant, der udtrykker hvor mange volt man får ud af den pr. omdrejning. Størrelse på konstanten afhænger af DC-motorens konstruktion. Denne motorkonstant kalder jeg K. Hvis man skal skrive det matematisk ser det sådan ud:

E ω K ⋅ U

E ω som er akslens vinkelhastighed i radianer

K som er motor konstanten når jeg bruger motoren som generator

E

Derfor kan det udtrykkes som en funktion af omdrejningerne:

U ω( ) K ω⋅

E

I forsøg 2, skulle der gerne være en lineær sammenhæng mellem, hvor stort mit målte moment er og så hvor står en strømstyrke(hvor mange ampere) jeg sender ind i min DC-motor, når jeg bruger den som motor. Derfor må der også være en konstant, som udtrykker hvor meget moment min DC-motor kan producere ud fra et bestemt antal ampere, som bliver sendt ind i motoren. I dette udtryk er det så bare momentet der er produktet og ikke en spænding, som det er i forsøg et, så udtrykket hedder:

I K ⋅ M

M

Det kan derfor udtrykkes som en funktion af strømstyrken:

M I( ) I K ⋅

M

Derfor hedder udtrykket for min strømstyrke:

Det gør jeg fordi at det antal ampere jeg har producere et moment af en bestemt styrke, hvis mit moment pr. ampere er høj er konstant for DC-motoren stor og omvendt hvis den er lille.

Derfor gælder dette udtryk:

M

K

M

I

Når dette er sagt så kommer effektudtrykkene ind i billedet igen, pga. at jeg kan udtrykke den elektriske effekt og akseleffekten ved hjælp af motorkonstanterne jeg finder frem til, når min valgte DC-motor bliver brugt som generator og motor. Nu kommer det smukke ind i billedet, for hvis

Side 10

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 10 af 23 effektloven for den elektriske effekt og for akseleffekten skal gælde, så skal de to konstanter være ens så de kan gå ud med hinanden. Lad mig vise det:

P I K ⋅ ⋅ aksel M

U

K

E ω

U

K

E

P aksel

I K ⋅ U⋅

M

K

E

Så for at udtrykket for akseleffekten skal passe bliver K

E M og K nød til at være den samme, for så

går de ud med hinanden, og så får jeg at I*U skal være lige med P. Dette stemmer overens med,

aksel at den effekt jeg får på min aksel afhænger af størrelsen på den U og I værdi jeg sender ind i motoren:

P U I⋅ aksel

Det samme kan jeg vise for den elektriske effekt, for der skal de to konstater også gå ud med hinanden for at jeg kan få udtrykket for akseleffekten. Grunden til dette er at når jeg trækker min motor rundt, bliver momentet og omdrejningerne genereret om til elektrisk effekt. Lad mig vise det:

P ω K ⋅ ⋅ elektrisk E

M

K

M

P elektrisk ω K ⋅ M⋅

E

K

M

Så når motor konstanterne går ud med hinanden, får jeg udtrykket for den elektriske effekt:

P U I⋅ elektrisk

Derfor påstår jeg at K

E M og K er den samme konstant, og dette skulle jeg også gerne bevise med mit forsøg.

Men samtidig ender de to udtryk også med, at være lige med hinanden, altså effekt udtrykkene, som

giver god mening fordi akseleffekten afhænger af U*I hvor jeg bruger DC-motoren som motor,

mens DC-motorens elektriske effekt afhænger af moment og omdrejninger, når jeg bruger den som generator. Derfor giver det god mening at de to motorkonstanter skal være lige med hinanden og gå ud med hinanden, i mine udregninger.

Side 11

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 11 af 23

P P elektrisk aksel

Dette gælder dog kun hvis der ikke er noget tab, men det er der altid i praksis. En ting man kunne sige, vil der være et tab, er den indre modstand i kobber viklingerne i DC-motoren.

2.2 Beskrivelse af forsøgene og resultater

Forsøg 1 (generator)

Forsøget består af to DC-motorer jeg har koblet sammen, hvor den ene bliver sat til at trække min valgte DC-motor. Jeg har sat en omdrejningstæller på min valgte motor, så jeg kan finde ud af, hvor mange omdrejninger den tager. Jeg måler, hvor mange volt jeg får ud af min valgte DC-motor, når jeg skruer op for omdrejningerne til den DC-motor der trækker min valgte DC-motor, samtidig med at jeg noterer omdrejningerne for min valgte DC-motor. Grunden til jeg noterer hvor mange volt jeg får ud af min DC-motor når den tager et bestemt antal omdrejninger, er fordi der må være en konstant for min motor, som afgør præcis hvor mange volt den vil give pr. omdrejning i minuttet.

Så konstanten for motoren ville være hældningen på den kurve jeg laver over de målte volt og omdrejninger for min valgte DC-motor. Konstantens størrelse afhænger så af hvordan min valgte DC-motor er lavet. Der er også en indre modstand i DC-motoren, som består af kobber viklingerne i spolen på rotoren, den giver et lille spændingsfald. Jeg kan udtrykke den indre modstand ved at lave en graf over forholdet mellem strømstyrken og spændingen jeg får ud af motoren, når den bliver brugt som generator. Så er den indre modstand hældningen af grafen i minus 1 over den indre

          R
           CU
modstand(    ), fordi når man forsøger, at trække en strøm ud af en spændingskilde, falder den

1

− lineært, og alt efter størrelse på den indre modstand varier hældningen på kurven og så fordi

hældningen er negativ, er det den indre modstand^{R}^{CU} [22]. Jeg har lavet en graf over mine

1

− måledata, som udtrykker den indre modstand, grafen er i mine bilag. [23]

Jeg finder frem til at hældningen er -0,0074, det passer godt sammen med, at den indre modstand i DC-motoren er kobber viklingerne på spolen. Modstand i kobber tråd er meget lille, og det er min fundne modstand også. En DC-motor ligner meget et batteri, når man ser den på en diagram tegning, jeg har tegnet et billede at DC-motoren på diagram plan i mit bilag [24].

Når man skriver den indre modstand ind i udtrykket for spændingen, hvor spændingen afhænger af motorkonstanten og omdrejningerne på akslen, ser det sådan her ud:

22

Orbit B HTX P 132

23

Bilag 2.1 Graf over den indre modstand i valgt DC-motor

24

Bilag 2.2 Diagram tegning af DC-motor

Side 12

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 12 af 23 ω K ⋅

E

R

CU

U

Der ligger billeder af min opstilling i bilagene [25]:

Når jeg laver min kurve over forholdet mellem volt og omdrejninger, får jeg en hældning på 0,043, som kan ses min graf og målinger i mine bilag. [26]

Forsøg 2 (motor)

Forsøget består af en aluminiumsskive, som er spændt fast på en aksel, der er boret et hul i. DC-motorens aksel går så ind i hullet og er limet fast i hullet, så når DC-motoren roterer, roterer skiven også. Armen med magneten består af et stykke fladjern, som magneten er limet fast på, så er der boret to huller i armen. I det ene hul sidder der en aksel, der giver armen bevægelighed, så den kan køre op og ned, for så kan jeg måle kraften, når magneten bliver trukket ned af aluminiumsskiven.

Det andet hul er forbundet til et Newtonmeter.

Når så skiven kører rundt, med magneten på den ene side, bliver der skabt noget der kaldes induktion, fordi jeg har en magnet som kører op af metalskiven. Induktion er, når et strømledende

                                               27
metal, bliver udsat for varende påvirkning af et magnetfelt.

Den strøm som bliver induceret i metalskiven, kaldes hvirvelstrøm. Grunden til at det kaldes dette er fordi, at de elektromotoriske

                                                                  28
kræfter i skiven, får skivens fri elektroner til at skabe hvirvlende strømme i pladen. Det der gør at

den permanente magnet bremser skiven er fordi, at den strøm som magneten inducerer i metalskiven, løber i en retning der modvirker den fluxændring, som forårsager den. Dette kaldes

Lenz´s lov.^{29} Når så jeg flytter magneten længere ud på skiven, bremser den skiven yderligere, det

er fordi periferihastigheden bliver øget, som vil sige, at der passerer et større areal af skiven inden for det samme antal af grader. Derfor roterer skiven hurtigere des længere men kommer væk fra centrum. Når jeg øger periferihastigheden, forsager det, at de elektromotoriske krafter i pladen bliver øget, og derved bremses skiven mere. [30]

Grunden til at vi kan bruge dette til at måle momentet i DC-motoren, er fordi jeg har et fysisk

25

Bilag 2.3 Billeder af opstilling, hvor valgte motor bruges som generator

26

Bilag 2.4 Graf og måle data over forholdet mellem volt og omdrejninger

27

Grundlæggende Fysik af Rik Øhlenschlæger p 170

28

http://www.denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Fysik/Magnetisme/hvirvelstr%C3%B8m

7/12 – 2010 kl. 15:10
29

http://www.denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Fysik/Elektromagnetisme,_elektron-
_og_ionoptik/Lenz_lov

7/12 – 2010 kl. 15:55
30

http://www.denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Fysik/Magnetisme/hvirvelstr%C3%B8m
7/12 – 2010 kl. 15:10

Side 13

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 13 af 23

udtryk der hedder moment sætningen, som siger at kraft*arm= moment.^{31} Jeg kan måle kraften i

mit forsøg ved at måle, hvor meget der bliver trukket ned i armen(Newtonmeter) hvor magneten sidder. Armen som bliver brugt i udtrykket, er i virkeligheden armens længde, som går fra midten af magneten og til centrum af skiven. Når så forsøget kører, måler jeg antallet af ampere, som motoren bruger for at holde det samme antal omdrejninger, når jeg flytter magneten længere væk fra centrum. Grunden til jeg ikke vil ændre omdrejningerne, er fordi jeg kun er interesseret i at se, hvor mange flere ampere motoren sluger for at trække den ekstra belastning. For at være sikker på jeg holder det samme antal omdrejninger, har jeg sat en omdrejningstæller på motoren. Der er billeder af min opstilling i mine bilag [32]

Jeg har lavet en graf over forholdet mellem moment og ampere, hvor hældningen er 0,0833, du kan se grafen og mit måle data i mine bilag. [33]

2.3 Sammenligning og Diskussion af forsøgene

Ifølge teorien, som jeg har skrevet om i ovenstående del [34] skulle K og K være den samme M E konstant. Når så jeg holder mine to hældninger på kurverne op mod hinanden, som hver især udtrykker motorkonstanten for min motor, når jeg bruger den som enten motor eller generator. Jeg får en afvigelse der siger, at det ene tal er 48,37 % større end det andet. Dette er for højt til, at jeg kan sammenligne de to konstanter og konkludere, at de skulle være det samme tal.

Når jeg gennemgår mine forsøg kan jeg godt se mine fejlkilder. En fejlkilde i forsøg 1, er den muffe som jeg brugte til at spænde de to aksler sammen med. Grunden til det er en fejlkilde og den største i forsøget, er fordi hullet i den er for stort til akslerne på DC-motorerne, derfor er det ufattelig nemt at sætte dem skævt sammen. Det der er dårligt ved akslerne når de er skævt sat sammen er, at der opstår et spænd mellem dem, når jeg sætter dem op i skuestikken. Spændet giver upræcise målinger af omdrejningerne og af voltene jeg får ud af min valgte DC-motor. Dette sker fordi, at det spænd bremser motoren et bestemt sted når akslen drejer rundt, så derfor svinger antallet af omdrejninger og udgangsvolt, fordi udgangsvoltene fra min valgte DC-motor afhænger af omdrejningerne. Der er også en anden ting ved muffen, som bremser akslen, når den drejer rundt nemlig det, at den er ubalanceret. Derfor er der ikke altid den samme modstand i akslen som DC-motoren trækker rundt, så derfor svinger det og gør målingerne af omdrejningerne og voltene upræcise. Jeg forsøgte at begrænse det ved at tage det højeste antal af omdrejninger og volt og så det laveste og så tog jeg middelværdien af dem. Når jeg så begynder at kigge på forsøg 2. Ser jeg hvor små tallene er, som

31

Grundlæggende Fysik af Rik Øhlenschlæger p 136

32

Bilag 3.1 Billeder af forsøg 2 moment og ampere

33

Bilag 3.2 Graf over forhold mellem moment og ampere

34

2.1 Teori

Side 14

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 14 af 23 jeg har brugt til at lave min graf med. Så blot en lille fejl i forsøget kan have bevirket, at mine data til min graf er blevet forkerte hele vejen igennem, og derved have ændret min hældning på grafen.

Udover dette så har jeg også nogle fejlkilder i mit forsøg, en af dem er akslen, som jeg har monteret aluminiumsskiven på, den er ikke vandret, det gør, at skiven kører en smule skævt. Når den kører skævt op af den permanente magnet, ændrer det den permanente magnets magnetfelts indvirkning på disken, så magnetfeltet i disken bliver svækket. Dette sker fordi, den permanente magnets magnetfelts styrke varierer, når den kører skævt og derved også dens evne til at inducere strøm i disken, og fordi magnetfeltets styrke i disken afhænger af den inducerede strøm, som falder, bliver magnetfeltet i disken svækket. Dette har meget at sige, da det kan have ændret mine målte omdrejninger, som jeg skulle holde konstant under forsøget, pga. skiven har kunnet køre hurtigere på nogle punkter, da modstanden aftager lidt. Samtidig med at antallet af ampere som motoren bruger, varierer alt efter, hvor meget modstand, der bliver skabt af magnetfelterne i disken og i den permanente magnet, så når bremsestyrken varierer, varierer antallet af ampere også. Når der er forskel på hvor meget, der bliver bremset i forsøget, har det også indvirkning på hvor meget, der bliver rykket ned i newtonmeteret. Når det gynger op og ned, er det svært, at aflæse det præcise tal på newtonmeteret, så jeg får ikke det rigtige tal for kraften der bliver rykket i armen med. En anden fejlkilde i forsøget, er længden på armen, da det er svært, at finde den præcise midte af den permanente magnet. Derfor er det svært, at måle den præcise afstand fra midten af den permanente magnet og indtil aksels midte. Når fejlkilderne er taget i betragtning, vil jeg sige, at det er mit forsøg 2, der har været det mest upræcise, men da det er så små tal, jeg har arbejdet med, skulle der også langt mindre fejl til, at ændre hældningen(motor konstanten K

M

) på min graf. Dette har gjort, at jeg ikke har kunnet få hældningerne til at stemme overens fra forsøg 1 og 2. Så vil jeg sige at 48

% måske ikke er vildt meget i afvigelse, når det er så små tal jeg arbejder med.

2.4 Konklusion

Min konklusion af forsøgene er, at det er metoden i forsøg 1, som er den nemmeste og mest præcise måde, at bestemme motorkonstanten på. Grunden til at jeg mener dette, er fordi opbygningen af forsøget var meget simpel samtidig med, at fejlkilderne i forsøget ikke var ligeså omfattende som i forsøg 2. Jeg kan dog ikke konkludere ud fra mine forsøg, at de to motorkonstanter jeg finder frem til, er lige med hinanden. Jeg vil dog sige, at når jeg arbejder i så små tal, skal der kun en lille afvigelse til, at gøre det hele upræcist, derfor vil jeg ikke afkræfte min teori helt.

Side 15

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 15 af 23

3. DC-motorens fremtid

For at der skal være en fremtid i et produkt eller en teknologi i et moderne samfund, skal der også være et marked for det. Man kan sige, at der er en plads for DC-motoren i det moderne samfund, da langt de flere ting i dag styres elektronisk, så på den måde er der en plads til DC-motoren i fremtiden. Hvor stor denne plads vil blive, kommer an på, hvordan ting udvikler sig.

Hvis man skulle tage et godt eksempel på, at DC-motoren får en stor betydning i fremtiden, skal man kigge på bilindustrien. DC-motoren er et godt bud på den motor, der skal overtage den gamle forbrændingsmotors plads i bilerne. På grund af nogle helt grundlæggende ting. Et, er, at DC-motoren ikke forurener og udleder kræftfremkaldende partikler, det andet er, at den ikke udleder CO. For at der skal være en fremtid, skal der også være et marked for, at DC-motorerne kan over

2 forbrændingsmotorernes plads. Hvis man ser det fra dansk side af, er DC-motoren ideel i Danmark, til at overtage forbrændingsmotorens plads i biler. Typen af biler med DC-motor, hedder elbiler.

Grunden til dette er, at Danmark er et lille land, hvor man ikke skal køre ekstremt langt for at komme på besøg nogle steder. Undersøgelser har vist at 85 % af alle de ture, der bliver kørt i

Danmark er på under 100 kilometer, mens 95 % af dem er på under 150 km^{35}. Dette er et rigtig godt

tegn for El-bilen, da en el-bil kan køre omkring 100-200 kilometer på fuldt opladede batterier [36]. Det vil sige, at for os i Danmark er det kun 5-10 % af vores køreture, som en el-bil ikke ville kunne klare på fuldt opladede batterier. Elbilen set fra dansk side, ville være langt den mest effektive måde, at nedsætte vores CO

2

-udslip og partikeludledning på. Grunden til at elbilen ville være den mest effektive måde for Danmark at sænke sin CO

2

-udledningen på, er fordi vi satser på vindmøller som vores vedvarende energikilde. Vindmøllerne producere CO

2 neutralt energi i form af strøm.

Strømmen kan vi ikke rigtig udnytte i vores nuværende biler, men det kan vi med elbiler, hvor drivkraften er en DC-motor, hvor den elektriske energi bliver lageret i batterierne, som sidder i bilen. Den elektriske energi fra vindmøllerne er langt billigere end benzin og diesel er til forbrændingsmotor, samtidig med den ikke belaster vores miljø, som forbrændingen af diesel og

benzin gør.^{37}

Hvis man skulle se på DC-motorens fremtid i elbiler i større lande end Danmark, skal man se det på en lidt anden måde. Da der er langt større afstande mellem deres byer, og derfor er det et krav til

35

http://videnskab.dk/content/dk/teknologi/elbilen_giver_brintbilen_baghjul

9/12 -2010 kl. 08:12
36

http://videnskab.dk/content/dk/teknologi/elbilen_giver_brintbilen_baghjul

9/12 -2010 kl. 09:20
37

http://www.elpristavlen.dk/Artikler/KortOmStroem.aspx
9/12 -2010 kl. 10:09

Side 16

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 16 af 23 bilerne, at de skal kunne køre langt og være nem at tanke op igen. Det er ikke nemt for elbilen, da det tager tid at lade batterierne op i den, samtidig med den kun har en rækkevidde på 100-200 kilometer. Der er dog stadig håb for, at der er et marked for elbilen i de større lande, håbet hedder brændselsceller, de udnytter den kemiske energi i brinten(hydrogen), og omdanner det til strøm. Når der er bygget en brændselscelle ind i en elbil, kan den køre omkring 300-400 Km, på fuldt opladet batterier og fyldt tank med brint [38]. Dog er problematikken, at når tanken er kørt tør og batterierne er kørt flade for strøm, så tager det 8 timer, at fylde tanken med brint op igen og 8 timer med, at lade

               39
batterierne op igen.

Der er dog stadig håb for, at DC-motoren kan overtage forbrændingsmotorens plads i biler, i de større lande. Der åbnede sig nemlig et marked for transport former, hvor elbilen hører med ind under i Californien i 2003. Det jeg snakker om er et politisk krav, der blev lavet i Californien i

2003, som sagde at 10 % af hele Californiens bilpark skulle være udstødningsgas frie. Det politiske krav blev skrevet ned i ZEV(Zero Emission Vehicles) aftalen. [40]

Når alt dette er taget i betragtning, vil jeg sige, at sådan som det ser ud nu, er der plads til DC-motoren i et moderne samfund med miljøproblemer og brintteknologi, da der er et marked for DC-motoren. Udover dette dækker DC-motoren et behov vi har fået i nyere tid. Nemlig behovet for at nedsætte CO -udslippet fra biler, så derfor er der potentiel fremtid i at skifte forbrændingsmotorerne

2 ud med DC-motorer.

38

http://www.danskelbilkomite.dk/BrintBilOpbygning.htm

9/12 – 2010 kl. 10:25
39

http://www.danskelbilkomite.dk/BrintBilOpbygning.htm

9/12 – 2010 kl. 11:03
40

EL-ELLERT-ELLER?: træk af elbilens historie p 14

Side 17

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 17 af 23

Bilag

Litteraturliste

Bøger:

EL-ELLERT-ELLER?: træk af elbilens historie

Grundlæggende Fysik af Rik Øhlenschlæger Gyldendal, 1. udgave, 1 oplag

Orbit B HTX af Per Holck, Jens Kraaer og Birgitte Merci Lund Systime, 1. udgave, 4. oplag Orbit A HTX af Per Holck, Jens Kraaer og Birgitte Merci Lund Systime, 1. udgave, 1. oplag Links til hjemmesider:

http://www.solarbotics.net/starting/200111_dcmotor/200111_dcmotor.html
8/12- 2010 kl. 10:55

http://www.denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Fysik/Fysikere_og_naturvidenskabsfolk/Hans_Christia

n_%C3%98rsted

8/12 – 2010 kl. 09:34

http://electronics.howstuffworks.com/motor.htm
6/12- 2010 kl. 11:04

http://www.denstoredanske.dk/It%2c_teknik_og_naturvidenskab/Elektricitet/Elektriske_maskiner/elektriske_maskin

er

6/12 – 2010 kl. 12:00

http://www.denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Fysik/Magnetisme/hvirvelstr%C3%B8m
7/12 – 2010 kl. 15:10

http://www.denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Fysik/Elektromagnetisme,_elektron-
_og_ionoptik/Lenz_lov
7/12 – 2010 kl. 15:55

http://www.denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Fysik/Magnetisme/hvirvelstr%C3%B8m
7/12 – 2010 kl. 15:10

http://videnskab.dk/content/dk/teknologi/elbilen_giver_brintbilen_baghjul
9/12 -2010 kl. 08:12

http://www.elpristavlen.dk/Artikler/KortOmStroem.aspx
9/12 -2010 kl. 10:09

http://www.danskelbilkomite.dk/BrintBilOpbygning.htm
9/12 – 2010 kl. 10:25

Side 18

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 18 af 23

Kildekritik

Jeg har brugt den store dansk, som er et stort online leksikon, som er en troværdig kilde, da den er tilsvarende til alle andre leksikons man kan få i bogform. Jeg har også brugt en hjemmeside som hedder solarbotics, noget af det fra siden er skrevet over en artikel fra BBC, men ellers er siden en virksomheds eget side, derfor regner jeg den for at være troværdig. Jeg her også brugt en side der hedder electronics how stuff works, den betegner jeg som en troværdigkilde, fordi det er et link til en artikel der ligger på en hjemmeside som er eget af discovery channels. Jeg her brugt hjemmesiden videnskab, jeg brugte en artikel på siden, som var skrevet over en p.hd. Afhandling derfor betragter jeg den som troværdig. Jeg har også brugt elpristavlen som en kilde og den er troværdig, da det er en hjemmeside som er eget af danskenergi som er en brancheorganisation for elselskaber i Danmark, derfor er den troværdig. Til sidst brugte jeg en hjemmeside, der hed danskelbilkomite, da der er en artikel på hjemmeside, som omhandler brintteknologi. Grunden til det er en troværdig kilde, er fordi det er et online blad der bliver skrevet af journalister, og ikke noget alle kan skrive.

Bilag 1.1 Opstillinger med elektromagnetisme

Michael Faradays opstilling:

Michael Faraday´s forsøg med elektromagnetiske, var for at afkræfte eller bekræft Ørsted´s og Ampere´s forsknings resultater. Faraday´s forsøg bestod af en skål, hvor der var kviksølv i og så placerede han en magnet i midten af skålen. Derefter satte han en frit bevægelig ledning ned i kviksølvet, som hang oppe i en krog, derefter satte han pluds til ledningen og i bunden af skålen

                                41
satte han minus, så der blev et kredsløb.

Joseph Henrys opstilling:

Der gik 10 år efter Faraday´s forsøg før Joseph Henry udviklede en simpel anordning af en vippe elektromagnetisk motor. Den fungerede ved at man satte strøm til den, så blev den tiltrukket i den ene side og frastødt i den anden. Dette skifter så, fordi strømmen vender retning, da opstillingen er indrettet sådan, at når vippen når en bestemt højde i hver side, bliver der bytte plus og minus. Dette

                                         42
gør at polerne på elektromagneten bliver bytte om.

41

42

Side 19

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 19 af 23

William Sturgeons opstilling:

Blot et år efter Joseph Henry´s opstillingen af en elektromagnetiske motor, som senere blev kendt som en oscillerende motor. Udviklede William Sturgeon den første DC-motoren som ydede løbende roterende bevægelser. Hans motor blev bygget ud af to elektromagneter, hvor den ene af de to elektromagneter havde konstante poler, men den anden skiftede poler alt efter hvor langt den blev

drejet rundt. Da der så blev byttet om på plus og minus polen til den.^{43}

Bilag 2.1 Graf over den indre modstand i valgt DC-motor

Bilag 2.2 Diagram tegning af DC-motor

43

R_{CU}

DC-motor

Side 20

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 20 af 23

Her er en diagram fremvisning af et kredsløb med en DC-motor. Her er vidst at den bliver brugt som

generator. R_{CU} udtrykker den indre modstand i DC-motoren koblerviklinger. Den ligner meget en diagram

fremstilling af et batteri eller en anden spændings generator med indre modstand, som skaber en lineær kurve.

Bilag 2.3 Billeder af opstilling, hvor valgte motor bruges som generator

Side 21

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 21 af 23

Bilag 2.4 Graf og måle data over forholdet mellem volt og omdrejninger

På grafen kan man se at der er en lineær sammenhæng mellem hvor mange volt jeg får ud af motoren og hvor man omdrejninger jeg sætter den anden motor til at trække min valgte DC-motor rundt med. Hældningen på kurven, som er tallet 0,043 som er min motor konstant K, altså min E motor konstant jeg får når jeg bruger den som generator.

Måle data:

Middel

omega pr. | Middel
sekund | spænding
66,67267 | 3,415
78,971 | 3,675
89,12367 | 4,295
101,3173 | 4,325
112,9877 | 4,815
119,0583 | 5,055
130,8857 | 5,515
137,8983 | 5,745
147,6323 | 6,175
159,1457 | 6,575
169,4553 | 7,005
176,5203 | 7,655
183,2713 | 8,275

Side 22

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 22 af 23

Bilag 3.1 Billeder af forsøg 2 moment og ampere

Bilag 3.2 Graf over forhold mellem moment og ampere

På grafen kan man se at der er en lineær sammenhæng mellem hvor mange ampere sender ind i motoren og hvor stort mit moment jeg får ud af den er. Hældningen på kurven, som er tallet 0,0833 som er motor

konstanten K_{M}, altså min motor konstant jeg får, når jeg bruger den som motor.

Side 23

Vejleder: AG og JBJ 3.C HTX-frederikshavn

Side 23 af 23

Måle data:

Ampere Længde på Armen [m] F (kraft) [N] M [N*m]

0,14 | 0,0421 | 0,2 | 0,00842
0,3 | 0,0442 | 0,34 | 0,015028
0,42 | 0,0464 | 0,59 | 0,027376
0,54 | 0,0496 | 0,78 | 0,038688
0,61 | 0,0503 | 0,9 | 0,04527
0,68 | 0,0514 | 1 | 0,0514