RENDEMENTSONDERZOEK BIJ DYNAMO'S

Het volgende onderzoek is een eindexamenopdracht voor het vak natuurkunde. In dit onderzoek hebben wij dynamo's bestudeerd en hebben wij ons vooral gericht op het rendement van de dynamo's. Om dit onderzoek tot een goed resultaat te brengen was de nodige voorkennis noodzakelijk.

De gewone fietsdynamo bestaat uit een ronde magneet, die in een spoel ronddraait. Deze magneet wordt rondgedraaid door middel van een as. Deze as wordt in beweging gebracht door het draaiende fietswiel. De draaiende magneet zorgt voor een magnetisch veld dat via ankers op de spoel wordt overgebracht. De ankers zorgen ervoor dat het magnetisch veld om de spoeldraden heen gaat draaien. In de spoel ontstaan zo fluxveranderingen. Deze veranderingen zorgen voor een wisselspanning en in de gesloten kring ontstaat nu een wisselstroom. Hoe kleiner de periode waarin de fluxverandering optreedt, des te hoger de inductiespanning des te groter de stroomsterkte.

Het bijzondere van een HR-dynamo is dat deze gemaakt is op basis van het buitenloper-principe. De magneet draait niet in de spoel, maar er buiten om. Het magnetisch veld gaat dus van buiten naar binnen. Hierdoor ontstaan er minder magnetische verliezen dan bij de gewone dynamo's. Deze hebben namelijk een magnetisch veld dat van binnen naar buiten gaat. Zo noemt men een HR-dynamo ook wel een 'buitenloper' en een gewone dynamo een 'binnenloper' (zie fig. 1).

Fig. 1: Schematische weergave van 2 dynamo-typen.

Om erachter te komen of een HR dynamo nu werkelijk zo goed is, zijn wij - na enkele gidsexperimenten - tot de volgende vraagstelling gekomen:

Om de benodigde gegevens te kunnen meten, hebben wij een opstelling gebouwd (zie fig. 2). Het fietswiel (6) moet met constante snelheid aangedreven worden. Nadat op school bleek dat een elektromotor niet in toerental regelbaar is, hebben wij hiervoor een boormachine (2) genomen. Om deze niet te zwaar te belasten, hebben wij een vertraging m.b.v twee snaarwielen (2) ingebouwd.

Aan de as - die onafhankelijk van het wiel draait - is de aandrijfarm (4) bevestigd. Deze trekt aan het veerunster (5), dat op zijn beurt weer het wiel meetrekt. Omdat bij hoge snelheden het wiel (met het veerunster) snel ronddraait, hebben we het wiel gefilmd en vervolgens de stilstaande beelden bekeken, zodat het veerunster toch vrij nauwkeurig kon worden afgelezen. Tenslotte hebben we de dynamo aan een statief bevestigd, zodat deze op de buitenkant van de band draait. We kunnen nu bij de snelheidsberekening voor de afstand gewoon de omtrek van het wiel nemen.

Fig. 2: Schematische weergave van de proefopstelling.

Fig. 2b: De proefopstelling.

Fig. 2c: Detailweergave wielaandrijving.

Om de situatie zo reëel mogelijk te houden, hebben we een voor- en achterlicht parallel aangesloten op de dynamo (zie schakelschema). Voor de spanningsmeting hebben we de multimeter over de dynamo heen gezet. Voor de stroomsterkte meting hebben we de meter in de schakeling opgenomen, d.m.v. een schuifje dat open gezet werd en de meter op deze plaats ertussen te zetten. (Zie fig. 3)

Fig. 3: Stroomschema in de proefopstelling.

1. Aangezien de veerunster bij verschillende snelheden verschillende uitrekkingen heeft, is de hoek van de veerunster t.o.v. de band telkens verschillend. We hebben daarom de veerunster op afstand r (straal) aan de aan drijfarm bevestigd, zodat altijd een gelijkbenige driehoek ontstaat (zie fig. 4). We kunnen na afloop de lengte van de veerunster bepalen, bij de betreffende kracht en zo kunnen we hoek α berekenen. Deze hoek is ook terug te vinden in de andere driehoek, zodat we met de cosinus hiervan de werkelijke aandrijfkracht kunnen berekenen. Dit is dus de kracht die precies evenwijdig aan het bandoppervlak aangrijpt.

Fig. 4: Constructie van de trekkracht.
2. Om de omlooptijd nauwkeurig te meten, hebben we de benodigde tijd voor een aantal rondjes gemeten.
3. Met de omtrek van het wiel kunnen we de snelheid berekenen.
4. Na de kracht te hebben berekend, kunnen we het toegevoerde vermogen berekenen.
5. Met de gemeten spanning en stroomsterkte kunnen we het geleverde vermogen berekenen.
6. Met deze vermogens kunnen we het rendement berekenen.

1. F_reëel=F_metingx cos (arcsin(1/2×lengte/0,35))
2. T=Δ t/n (n=aantal rondjes)
3. v=O/T
4. Pin=F x v
5. Puit=V x I
6. m=(Puit/Pin) x 100%

Fig. 5: Trekkracht tegen de snelheid.

Fig. 6: Geleverd vermogen tegen de snelheid.

Fig. 7: Rendement tegen de snelheid.

Uit de grafiek van het geleverde vermogen (fig. 6) blijkt dat de HR-dynamo - zeker bij hogere snelheden - duidelijk beter presteert dan de gewone dynamo. Beide dynamo's zouden volgens het opschrift 3 Watt moeten leveren, maar de normale dynamo komt niet veel verder dan 2.1 Watt en als we de lijn door zouden trekken, zou de dynamo theoretisch zo'n 2.2 à 2.3 Watt kunnen leveren. We verwachten namelijk dat lijn steeds horizontaler gaat lopen en dat het geleverde vermogen bij hogere snelheden nauwelijks meer zal toenemen. Een dergelijk verloop is ook bij de HR-dynamo te zien, maar de HR-dynamo levert bij iets minder dan 20 km/u al 3 Watt. Er is dus een duidelijk verschil tussen beide dynamo's.

Een echt duidelijke vergelijking kunnen we tenslotte maken uit de rendementsgrafiek (fig. 7). Opvallend is ten eerste dat beide grafieken een zelfde verloop hebben: tot 5 km/u neemt het rendement zeer sterk toe en bij toenemende snelheid boven 5 km/u neemt het zeer geleidelijk af.
Een duidelijk verschil is echter dat de HR-dynamo een rendement heeft van rond de 32 %, terwijl de normale dynamo een rendement heeft van rond de 18 %. We mogen dit een behoorlijk verschil noemen en dus concluderen dat de HR-dynamo van AXA relatief goede prestaties levert.

Dit hoge rendement schept natuurlijk mogelijkheden. In een brief die wij van AXA ontvingen, werd opgemerkt dat aangezien bij lagere snelheden toch al een behoorlijk vermogen wordt geleverd, de HR-dynamo voorzien is van een grotere kop. Hierdoor maakt de dynamo minder omwentelingen per tijdseenheid en is dus minder aandrijfkracht nodig, terwijl de lichtopbrengst goed blijft. Een bijkomend voordeel is het feit dat een grotere kop minder snel slipt.
Een ander voordeel van een HR-dynamo is dat het geleverde vermogen groot genoeg is om halogeenlampjes te laten branden. Hierdoor ontstaat een uitstekende lichtopbrengst die de veiligheid op de fiets verbetert, zonder dat daar harder voor getrapt hoeft te worden.

Een tweede tekortkoming in ons onderzoek is het feit dat wij metingen hebben uitgevoerd tot een snelheid van ongeveer 25 km/u. Dit hebben wij echter uit veiligheidsoverwegingen gedaan, aangezien de zelfgemaakte opstelling niet geheel geschikt is voor hogere snelheden.