SISTEM BREK ELEKTROMAGNETIK BOLEH KAWAL MENGGUNAKAN ARUS PUSAR MOHAMAD ZAIRI BIN BAHAROM TESIS YANG DIKEMUKAKAN UNTUK MEMPEROLEH IJAZAH SARJANA SAINS

Transcription

1 SISTEM BREK ELEKTROMAGNETIK BOLEH KAWAL MENGGUNAKAN ARUS PUSAR MOHAMAD ZAIRI BIN BAHAROM TESIS YANG DIKEMUKAKAN UNTUK MEMPEROLEH IJAZAH SARJANA SAINS FAKULTI KEJURUTERAAN DAN ALAM BINA UNIVERSITI KEBANGSAAN MALAYSIA BANGI 2013

2 iv ABSTRAK Kajian ini membentangkan sebuah penyelidikan makmal berasaskan ujikaji bagi sistem brek elektromagnetik boleh kawal menggunakan arus pusar. Fokus utama adalah kajian mengenai parameter-parameter berkaitan dalam sistem brek elektromagnetik menggunakan arus pusar dan aplikasi sistem ini pada kajian kes yang dilakukan. Potensi yang hadir dalam melakukan kajian ini adalah bersandarkan permasalahan melibatkan sistem brek konvensional kini yang menggunakan pad brek termasuk pencemaran puing haus yang mengandungi elemen berbahaya seperti kuprum. Objektif kajian ini adalah untuk merekabentuk rig ujikaji yang mengkaji hubung kait antara parameter berubah yang mempengaruhi tindakbalas sistem brek elektromagnetik ini untuk mengaplikasikan sistem ini sebagai sebuah sistem boleh kawal pada kajian kes yang dilaksanakan. Kaedahnya melibatkan pembentukan dua rig ujikaji bagi kajian hubung kait parameter berubah dan aplikasi pada kajian kes. Ujikaji makmal sepenuhnya dijalankan bagi melihat hubung kait antara parameter berubah seperti jumlah arus yang dialirkan, jarak sela udara, jenis bahan cakera, ketebalan cakera dan bilangan lilitan gegelung elektromagnet. Perbandingan dua jenis bahan daripada siri Al6061 dan Al7075 turut dijalankan dalam ujikaji tindakbalas ini. Ujikaji pengesahan pula melibatkan aplikasi tindakbalas dan hubung kait parameter berubah dalam ujikaji tindakbalas yang mengaplikasikan sistem brek elektromagnetik menggunakan arus pusar ini sebagai sebuah sistem boleh kawal pada basikal senaman. Melalui ujikaji yang telah dijalankan, didapati bahawa parameter-parameter berubah memberikan kesan yang tertentu terhadap kelakuan sistem brek ini. Daya pembrekan akan meningkat apabila jumlah arus yang dialirkan kepada elektromagnet meningkat, dengan jarak sela udara yang kecil, bilangan lilitan gegelung elektromagnet yang besar, dan penggunaan cakera yang lebih tebal. Tiga jenis bahan cakera yang dibandingkan iaitu aluminium, kuprum dan zink, mendapati bahawa aluminium merupakan bahan terbaik untuk digunakan sebagai cakera dalam kajian ini. Ujikaji juga mendapati bahawa Al6061 memberi tindakbalas yang lebih baik daripada Al7075. Aplikasi sistem brek elektromagnetik ini pada basikal bagi tujuan senaman diuji dalam ujikaji pengesahan dan jumlah arus yang dialirkan dijadikan parameter boleh kawal. Peningkatan arus telah meningkatkan rintangan semasa kayuhan dilakukan dan sekaligus meningkatkan keamatan senaman yang dilakukan. Melalui kajian kes yang dilakukan, dibuktikan bahawa sistem brek elektromagnetik boleh kawal menggunakan arus pusar ini telah berjaya diaplikasikan sebagai sebuah sistem boleh kawal pada kajian kes yang dilakukan, dan sistem ini memiliki potensi besar untuk penerokaan baru dalam sistem brek konvensional kini.

3 v CONTROLLABLE ELECTROMAGNETIC BRAKING SYSTEM USING EDDY CURRENT ABSTRACT This research presents a laboratory based experimental study of a controllable electromagnetic braking system utilising eddy current. The main focus was to study parameters related to the eddy current electromagnetic braking system and to apply the system on a test study application. This study explored potential benefits over conventional braking systems, including in the reduction of brake pad wear and wear debris contamination due to hazardous materials such as copper. The objective was to design and fabricate a test rig in order to investigate the relationship between variable parameters that affect the electromagnetic braking system response and to implement the controllable system on an undertaken test case. Two test rigs were constructed for the study on the interactions of variable parameters and on the test case application. Laboratory experiments were carried out to examine the correlation between parameters such as the coil current, air gap widths, types of disc brakes, disc thickness, and number of turns of the electromagnetic coil. Two different materials, Al6061 and Al7075 were also compared in this response experiment. In the validation part of the experiment, related optimum parameters found from the response part were used in implementing the eddy current electromagnetic braking system on a stationary exercise bicycle. From the experimental results, it was found that the parameters have some effect on certain braking behaviour. Braking force increased as the coil current increased, as also with the use of a smaller air gap, larger number of coil turns and thicker disc. Three types of disc material were tested: aluminium, zinc and copper; subsequently, aluminium was found to be the best among the three. It was also found that Al6061 performed better than Al7075. The eddy current electromagnetic brake was tested for exercise purposes, taking the coil current as the controllable parameter. Increasing the coil current caused the cycling resistance to increase, and hence the intensity of the exercise also increased. From this research, it was shown that the eddy current electromagnetic brake could be successfully implemented as a controllable braking system on a test static exercise bicycle. Thus, this system has great potential to be explored as an alternative to present-day conventional braking systems.

4 vi KANDUNGAN PENGAKUAN PENGHARGAAN ABSTRAK ABSTRACT KANDUNGAN SENARAI JADUAL SENARAI RAJAH SENARAI SIMBOL Halaman ii iii iv v vi ix x xiv BAB I PENDAHULUAN 1.1 Pengenalan Kepentingan Kajian dan Penyataan Masalah Hipotesis Kajian Objektif Kajian Skop Kajian Struktur Tesis 7 BAB II KAJIAN PERPUSTAKAAN 2.1 Pengenalan Teori Asas Elektromagnet Aplikasi Arus Pusar Sistem Brek Kenderaan Brek mekanikal Sistem brek arus pusar Kekurangan Kehausan Pad Brek Basikal Senaman Kesimpulan 23

5 vii BAB III METODOLOGI KAJIAN 3.1 Pengenalan Rig Ujikaji Tindakbalas Cakera brek Sistem Pemerolehan Data (PULSE) Motor arus terus Elektromagnet Bekalan voltan arus terus untuk motor arus terus Bekalan kuasa arus terus untuk elektromagnet Meter pelbagai digit Takometer optik Kaedah Kajian Ujikaji Tindakbalas Parameter-parameter berubah bagi ujikaji tindakbalas Rig Ujikaji Pengesahan Pengukuran terikan (tolok terikan) Casis USB lubang alur dan peranti masukan analog Aksesori terminal-skru Blok modul Dasylab Kaedah Ujikaji Pengesahan Ujian kelelurusan untuk penskalaan Prosedur ujikaji pengesahan Kesimpulan 56 BAB IV KEPUTUSAN DAN PERBINCANGAN 4.1 Pengenalan Keputusan Ujikaji Tindakbalas Kesan bekalan arus dan jenis bahan cakera Kesan bilangan lilitan gegelung elektromagnet Kesan jarak sela udara Perbandingan Al6061 dan Al Kesan ketebalan cakera Ujian ANOVA tersarang penuh dan ujian ANOVA 77 dua hala 4.3 Keputusan Ujikaji Pengesahan Data dituras Data punca-min-kuasa dua Data puncak ke puncak Antaramuka grafik pengguna 92

6 viii 4.4 Kesimpulan 93 BAB V KESIMPULAN DAN CADANGAN 5.1 Kesimpulan Cadangan 95 RUJUKAN 97 LAMPIRAN A1 Senarai Penerbitan 102 B1 Spesifikasi Motor Arus Terus 103 B2 Spesifikasi Elektromagnet 104 C1 Langkah Konfigurasi MAX 106 C2 Langkah Konfigurasi Dasylab 109

7 ix SENARAI JADUAL No. Jadual Halaman 3.1 Spesifikasi motor arus terus Ciri-ciri elektromagnet Nilai-nilai masukan bekalan arus, i bagi 250 lilitan Nilai-nilai masukan bekalan arus, i bagi 50 lilitan Jarak sela udara (mm) Kealiran elektrikal untuk pelbagai bahan cakera pada suhu bilik 20 C 3.7 Ketebalan cakera aloi aluminium, Al Spesifikasi tolok terikan Spesifikasi peranti input analog Keberkesanan 50 lilitan pada gegelung elektromagnetik bagi cakera kuprum dan sela udara 1mm 4.2 Keberkesanan 250 lilitan pada gegelung elektromagetik bagi cakera kuprum dan sela udara 1mm 4.3 Keberkesanan jarak sela udara, a terhadap prestasi sistem brek arus pusar (cakera kuprum) 4.4 Jumlah peratusan penurunan kelajuan pada berlainan halaju awal 4.5 Pelbagai saiz ketebalan aloi aluminium,al Data ujian ANOVA tersarang penuh Data ANOVA bagi ujian ANOVA tersarang penuh Jadual ANOVA bagi ujian ANOVA dua hala

8 x SENARAI RAJAH No. Rajah Halaman 1.1 Statistik pembebasan kuprum daripada sumber haus brek 3 dan sumber lain di eropah 1.2 Perangkaan kemalangan jalan raya bagi tahun Skematik model peredam-spring arus pusar Daya-daya yang melibat dalam pembrekan geseran 14 (2 dimensi) 2.3 Reka bentuk sistem brek utama (3 dimensi) Skematik arus pusar teraruh dalam pengalir Skematik bahan beraliran melalui medan magnet dan 16 mengaruh arus pusar 2.6 Medan magnet dengan sela udara besar Medan magnet dengan sela udara kecil (a) Tatarajah untuk sistem brek arus pusar (ECB) (b) Keratan rentas teras besi dan cakera Model basikal senaman Carta alir keseleruhan projek penyelidikan Pandangan 3 dimensi untuk reka bentuk rig ujikaji Pandangan atas, depan, sisi dan trimetrik bagi rig ujikaji Tiga jenis cakera brek daripada bahan berbeza iaitu zink, 29 aluminium dan kuprum 3.5 Dua jenis cakera brek daripada siri aluminium berbeza iaitu 29 Al6061 dan Al Gambarajah PULSE-jenis 3560D Motor arus terus Elektromagnet Bekalan voltan arus terus Bekalan kuasa arus terus Meter pelbagai digit Takometer optik Carta alir ujikaji tindakbalas Pandangan penuh rig ujikaji tindakbalas Skematik rig ujikaji tindakbalas Tolok terikan jenis wayar 43

9 xi 3.17 Tolok terikan dipasang pada pedal basikal NI-cDAQ 9178 Casis USB lubang alur dan NI-9237 peranti 47 input analog 3.19 NI-9949 RJ50 aksesori terminal-skru Rajah sambungan separuh-jambatan Rajah blok modul DasyLab Carta alir ujikaji pengesahan Beban 10N diatas pedal basikal Plot kelelurusan untuk penskalaan Pandangan dekat rig ujikaji pengesahan (kawasan pembrekan elektromagnetik) 3.26 Pandangan penuh rig ujikaji pengesahan Skematik rig ujikaji pengesahan Graf halaju melawan arus bagi aluminium, kuprum dan zink pada l g (1mm), d (1mm) dan V (11V) 4.2 Graf halaju melawan arus bagi aluminium, kuprum dan zink pada l g (1mm), d (1mm) dan V (13V) 4.3 Graf halaju melawan arus bagi aluminium, kuprum dan zink pada l g (1mm), d (1mm) dan V (15V) 4.4 Graf halaju melawan arus bagi cakera aluminium pada l g (1mm), d (1mm) pada gegelung elektromagnet dengan 50 lilitan 4.5 Graf halaju melawan arus bagi cakera aluminium pada l g (1mm), d (1mm) pada gegelung elektromagnet dengan 250 lilitan 4.6 Graf halaju melawan arus bagi cakera kuprum pada l g (1mm), d (1mm) pada gegelung elektromagnet dengan 50 lilitan 4.7 Graf halaju melawan arus bagi cakera kuprum pada l g (1mm), d (1mm) pada gegelung elektromagnet dengan 250 lilitan 4.8 Graf halaju melawan arus bagi cakera kuprum pada d (1mm), gegelung elektromagnet (250 lilitan) dan V(11V) pada sela udara berbeza 4.9 Graf halaju melawan arus bagi cakera kuprum pada d (1mm), gegelung elektromagnet (250 lilitan) dan V(13V) pada sela udara berbeza

10 xii 4.10 Graf halaju melawan arus bagi cakera kuprum pada d (1mm), gegelung elektromagnet (250 lilitan) dan V(15V) pada sela udara berbeza 4.11 Graf tork brek melawan arus bagi cakera Al6061 pada d (5mm), gegelung elektromagnet (250 lilitan) pada sela udara, l g (1mm) 4.12 Graf tork brek melawan arus bagi cakera Al6061 pada d (5mm), gegelung elektromagnet (250 lilitan) pada sela udara, l g (2mm) 4.13 Graf tork brek melawan arus bagi cakera Al6061 pada d (5mm), gegelung elektromagnet (250 lilitan) pada sela udara, l g (3mm) 4.14 Graf halaju melawan arus bagi cakera Al6061 dan Al7075 pada d (4mm), gegelung elektromagnet (250 lilitan) dan l g (1mm) 4.15 Graf halaju melawan arus bagi cakera Al6061 dan Al7075 pada d (4mm), gegelung elektromagnet (250 lilitan) dan l g (3mm) 4.16 Graf tork brek melawan arus bagi cakera Al6061 pada d (4mm), gegelung elektromagnet (250 lilitan) dan l g (1mm) 4.17 Graf tork brek melawan arus bagi cakera Al7075 pada d (4mm), gegelung elektromagnet (250 lilitan) dan l g (1mm) 4.18 Graf halaju (PPM) melawan masa (s) bagi cakera Al6061 pada gegelung elektromagnet (250 lilitan) dan l g (1mm) bagi ketebalan cakera 4mm dan 5mm 4.19 Plot kesan utama untuk PPM bagi ujian ANOVA tersarang penuh 4.20 Plot interaksi untuk PPM bagi ujian ANOVA tersarang penuh 4.21 Plot kesan utama untuk PPM bagi ujian ANOVA dua hala Plot interaksi untuk PPM bagi ujian ANOVA dua hala Graf daya (N) melawan masa (s) bagi data dituras cakera Al6061 pada n (250 lilitan), l g (1mm) dan ketebalan cakera 5mm bagi arus 1A 4.24 Graf daya (N) melawan masa (s) bagi data dituras cakera Al6061 pada n (250 lilitan), l g (1mm) dan ketebalan cakera 5mm bagi arus 2A 84 85

11 xiii 4.25 Graf daya (N) melawan masa (s) bagi data dituras cakera Al6061 pada n (250 lilitan), l g (1mm) dan ketebalan cakera 5mm bagi arus 3A 4.26 Graf daya (N) melawan masa (s) bagi data dituras cakera Al6061 pada n (250 lilitan), l g (1mm) dan ketebalan cakera 5mm bagi arus 4A 4.27 Graf daya (N) melawan masa (s) bagi data punca-minkuasa-dua cakera Al6061 pada n (250 lilitan), l g (1mm), d (5mm) bagi arus 1A 4.28 Graf daya (N) melawan masa (s) bagi data punca-min-kuasa dua cakera Al6061 pada n (250 lilitan), l g (1mm), d (5mm) bagi arus 2A 4.29 Graf daya (N) melawan masa (s) bagi data punca-min-kuasa dua cakera Al6061 pada n (250 lilitan), l g (1mm), d (5mm) bagi arus 3A 4.30 Graf daya (N) melawan masa (s) bagi data punca-min-kuasa dua cakera Al6061 pada n (250 lilitan), l g (1mm), d (5mm) bagi arus 4A 4.31 Graf terikan melawan masa (s) bagi data punca-ke-puncak cakera Al6061 pada n (250 lilitan), l g (1mm), d (5mm) bagi arus 1A 4.32 Graf terikan melawan masa (s) bagi data punca-ke-puncak cakera Al6061 pada n (250 lilitan), l g (1mm), d (5mm) bagi arus 2A Graf terikan melawan masa (s) bagi data punca-ke-puncak cakera Al6061 pada n (250 lilitan), l g (1mm), d (5mm) bagi arus 3A 4.34 Graf terikan melawan masa (s) bagi data punca-ke-puncak cakera Al6061 pada n (250 lilitan), l g (1mm), d (5mm) bagi arus 3A 4.35 Paparan antaramuka grafik pengguna bagi ujikaji terhadap sistem brek elektromagnetik boleh kawal menggunakan arus pusar

12 xiv SENARAI SIMBOL a b B C d E lebar kutub teras besi ketinggian kutub teras besi ketumpatan fluks magnet jarak antara pusat cakera dan kutub ketebalan cakera keamatan medan elektrik fluks elektrik f F i l g J pusar L n N Q r R R PPM S T b μ daya magnetomotif daya elektromagnet (dalam dawai) arus jarak sela udara arus pusar jumlah panjang dawai bilangan lilitan daya tindak balas jumlah caj terkumpul jejari cakera daya geseran engganan magnetik putaran per minit luas permukaan kutub tork pembrekan pekali geseran dinamik

13 xv μ o ν V σ ø ε 0 kebolehtelapan udara relatif kelajuan sumber voltan keberaliran elektrikal jumlah fluks pekali elektrik pembezaan ANOVA DF SS MS analisis varians darjah kebebasan jumlah kuasa dua purata kuasa dua

14 BAB I PENDAHULUAN 1.1 PENGENALAN Sistem brek merupakan salah satu sistem terpenting dalam pengoperasian sesebuah kenderaan. Prinsip bagi sesebuah sistem brek melibatkan penukaran tenaga kinetik kepada tenaga haba. Sistem brek konvensional ketika ini menggunakan sistem brek hidraulik yang dilengkapi pad brek. Pad brek ini berfungsi sebagai elemen yang memberikan geseran terhadap pergerakan cakera brek, seterusnya memperlahankan dan memberhentikan sesuatu pergerakan itu. Cakera brek menggunakan tindakan pengapit yang akan menghasilkan geseran diantara rotor dan pad brek itu sendiri. Selaras dengan perkembangan teknologi dan penumpuan untuk mencipta sistem atau produk yang mesra alam, kajian ini telah dijalankan bagi mengkaji sistem brek elektromagnetik boleh kawal menggunakan arus pusar. Arus pusar yang terhasil melalui induksi elektromagnet ini akan menghasilkan daya seret magnetik yang berfungsi sebagai daya geseran bagi memperlahankan pergerakan. Sistem brek elektromagnetik menggunakan arus pusar ini adalah sistem brek tidak sentuh. Justeru, tiada sebarang sentuhan yang berlaku di antara cakera brek dan sistem ini bagi menghasilkan daya geseran. Ia berbeza dengan sistem brek konvensional yang melibatkan sentuhan antara pad brek dan cakera brek bagi menghasilkan geseran yang akan memperlahankan pergerakan. Isu yang melibatkan pengoperasian sistem brek adalah antara isu utama yang sering dibincangkan. Ini kerana sistem brek adalah berkait rapat dengan isu keselamatan pengguna apa jua jenis kenderaan. Selain isu keselamatan, isu alam

15 2 sekitar turut menjadi salah satu perkara yang memperlihatkan potensi untuk melakukan penyelidikan berkaitan sistem brek alternatif bagi menggantikan sistem brek konvensional kini. Menyedari kepentingan dan potensi ini, kajian penyelidikan ini telah dijalankan bagi mengkaji dan melihat potensi untuk sebuah sistem brek elektromagnetik boleh kawal menggunakan arus pusar sebagai alternatif kepada sistem brek sedia ada. Ia melibatkan sebuah penyelidikan berasaskan eksperimen makmal sepenuhnya untuk mengkaji dan menilai potensi sistem brek elektromagnetik ini. Penyelidikan ini bermula dengan mengkaji fenomena dan kelakuan sistem brek elektromagnetik menggunakan arus pusar ini terhadap rig kajian yang telah dibina. Seterusnya, satu kajian kes dikenalpasti bagi mengaplikasikan sistem ini bagi digunakan sebagai salah satu aplikasi yang melibatkan fungsi brek itu sendiri. Kajian kes yang dijalankan adalah untuk mengaplikasikan sistem brek elektromagnetik menggunakan arus pusar ini sebagai sebuah sistem boleh kawal pada basikal bagi tujuan senaman. Dengan pengaplikasian ini, sistem brek elektromagnetik ini akan bertindak sebagai elemen yang memberikan rintangan pada kayuhan. Rintangan ini seterusnya akan meningkatkan keamatan senaman yang dilakukan. 1.2 KEPENTINGAN KAJIAN DAN PENYATAAN MASALAH Menuju ke arah teknologi hijau, keperluan untuk sebuah sistem brek alternatif bagi menggantikan atau menyokong sistem brek konvensional menggunakan pad brek adalah sangat penting. Tanpa kita sedari sebenarnya kita telah melakukan pencemaran pada setiap hari ketika kita membrek dalam pemanduan seharian. Pad brek sebenarnya menghasilkan serpihan haus semasa kita membrek. Puing haus ini membahayakan alam sekitar (Kukutschová et al. 2009). Puing haus ini mengandungi beberapa unsur berbahaya yang boleh berinteraksi dengan DNA organisma hidup dan menyebabkan karsinogenesis (Uexkull et al. 2005). Peters (2008) melalui kajiannya mendapati bahawa kuprum daripada pad brek juga telah dijumpai terbebas ke dalam sungai menghala ke San Francisco Bay, yang boleh membunuh invertebrata, alga dan ikan di lautan mahupun sungai. Beberapa penyelidik juga telah mengenalpasti beberapa masalah yang berkait dengan sistem brek konvensional menggunakan pad brek

16 Albania Austria Belarus Belgium Bosnia- Bulgaria Croatia Cyprus Czech Republic Denmark Estonia Finland France Germany Greece Hungary Ireland Itary Latvia Lithuania Luxembourg Macedonia Malta Republic of Netherlands Norway Portugal Romania Servia- Slovenia Spain Sweden Switzerland Turkey Ukraine United Tan per tahun 3 antaranya tindakbalas yang perlahan, kenaikan paras tekanan hidraulik dan masalah haus pada pad brek kesan sentuhan untuk menghasilkan daya geseran (Lee et al. 1999). Menurut Kukutschová (2009), penggunaan kuprum dalam pad brek bagi kenderaan-kenderaan baru telah meningkat kira-kira 40%. Kesan peningkatan jumlah kenderaan di seluruh dunia, pembebasan puing haus ke persekitaran akan menyebabkan pencemaran udara dan air serta mendatangkan beberapa kesan negatif ke atas kesihatan manusia, khususnya bagi negara Jerman yang sangat maju dalam bidang automotif seperti dalam Rajah 1.1. Perkara ini perlu dikawal bagi memelihara alam sekitar dan organisma hidup di seluruh dunia Kuprum: Haus brek Kuprum: Sumber lain Rajah 1.1 Statistik pembebasan kuprum daripada sumber haus brek dan sumber lain di Eropah Sumber: Hulskotte et al Selain daripada permasalahan berkaitan masalah haus pada pad brek, kemalangan juga dikaitkan berpunca dengan kegagalan sistem brek. Menerusi statistik kemalangan jalan raya yang dikeluarkan oleh Jabatan Keselamatan Jalan Raya Malaysia, pada setiap tahun jumlah kematian kemalangan jalan raya adalah sekurangkurangnya manakala jumlah kematian yang melibatkan pemandu dan penumpang kereta ialah seramai (64.7 %). Peningkatan peratusan semakin meningkat dari tahun ke tahun seperti statistik yang dipaparkan dari tahun 2005 hingga 2009 oleh Jabatan Keselamatan Jalan Raya Malaysia. Antara punca-punca

17 4 yang dikenalpasti mengakibatkan kemalangan ini berlaku bukan hanya disebabkan oleh kecuaian atau kurang kesedaran dan sikap para pengguna jalan raya itu sendiri, malah ia juga disebabkan oleh kerosakan sistem brek kenderaan itu sendiri. Beberapa tragedi kemalangan jalanraya yang berlaku di Malaysia turut membabitkan masalah brek. Antaranya adalah kemalangan ngeri yang berlaku di jalan Simpang Pulai- Genting Highland pada 20 Disember Kemalangan yang melibatkan sebuah bas ekspres yang membawa pelancong dari Thailand itu telah mengorbankan 28 nyawa. Menurut siasatan yang dilakukan oleh pihak berkuasa, kemalangan ini turut berpunca daripada masalah brek bas yang tidak berada pada keadaan baik semasa kejadian (Anon 2010). Selain itu, satu lagi kemalangan ngeri yang berlaku pada 11 Oktober 2010 di Kilometer 223 Lebuhraya Utara-Selatan dekat Pedas turut dipercayai disebabkan oleh masalah brek. Dalam kemalangan yang turut membabitkan bas ekspres itu, melalui siasatan yang dilakukan oleh Institut Penyelidikan Keselamatan Jalan Raya Malaysia (MIROS), kesan brek yang panjang telah ditemui dari laluan asal bas ekspres berkenaan sebelum ia terbabas dan terbalik di laluan bertentangan (Anon 2010). Kementerian Pengangkutan Malaysia menerusi menterinya pada ketika itu iaitu Datuk Seri Kong Cho Ha, telah mengarahkan satu siasatan lengkap dilakukan melibatkan pihak berkenaan seperti JPJ, JKR, MIROS dan MAA. Rajah 1.2 pula adalah perangkaan kemalangan jalan raya bagi tahun 2000 hingga 2009 yang dikeluarkan oleh Jabatan Keselamatan Jalan Raya Malaysia. Dapat kita perhatikan daripada graf ini bahawa jumlah kemalangan yang berlaku di Malaysia terutamanya melibatkan kemalangan maut adalah tinggi dan perlu dipandang serius. Masalah brek merupakan salah satu isu yang sering diketengahkan dan memerlukan perhatian serius untuk memperbaiki sistem brek sedia ada dengan harapan untuk mengurangkan jumlah kemalangan jalanraya.

18 Jumlah Kemalangan Kemalangan Maut Kemalangan Parah Kemalangan Ringan Rajah 1.2 Perangkaan kemalangan jalan raya bagi tahun Sumber: Jabatan Keselamatan Jalan Raya Malaysia 2000 Atas kesedaran ini, kajian ini dilaksanakan bagi mengkaji potensi mengaplikasikan sistem brek elektromagnetik menggunakan arus pusar sebagai alternatif kepada sistem brek konvensional. 1.3 HIPOTESIS KAJIAN Kajian ini menjangkakan suatu kaitan hubungan di antara parameter-parameter yang dikaji seperti daya brek yang terhasil, nilai arus yang teraruh, masa tindakbalas membrek melalui aplikasi elektromagnetik. Pengetahuan tentang kaitan ini adalah sangat penting untuk menyokong pembangunan sistem brek-daya elektromagnetik boleh kawal ini. Setelah mengenalpasti hubungkait ini, sistem brek ini akan direka bentuk dengan mengambilkira hubung kait parameter-parameter yang telah dikaji sebelum ini. Sistem brek ini akan diuji di lapangan untuk mengesahkan kebolehberkesanan sistem ini. Melalui kajian ini, diharapkan akan dapat meningkatkan keberkesanan membrek dan memberi sokongan kepada sistem brek sedia ada serta mengurangkan pencemaran kuprum dan kadar kemalangan jalanraya.

19 6 1.4 OBJEKTIF KAJIAN Secara keseluruhannya, objektif kajian adalah seperti berikut: 1. Menentukan kesan arus pusar ke atas sistem brek elektromagnetik. 2. Mengkaji hubungkait antara parameter-parameter yang dikenalpasti mempengaruhi tindakbalas sistem brek elektromagnetik menggunakan arus pusar seperti jarak sela udara, bilangan lilitan gegelung elektromagnet, jumlah arus yang disalurkan, ketebalan cakera brek dan jenis bahan cakera yang digunakan. 3. Menentukan keberkesanan sistem brek elektromagnetik menggunakan arus pusar ini sebagai sistem boleh kawal dalam kajian kes yang dijalankan. 1.5 SKOP KAJIAN Skop dalam kajian ini adalah: 1. Parameter-parameter penting yang akan dianalisis untuk melihat tindakbalas sistem brek elektromagnetik menggunakan arus pusar adalah jarak sela udara, bilangan lilitan pada gegelung elektromagnet, ketebalan cakera brek, jumlah arus yang disalurkan dan jenis bahan untuk cakera brek. 2. Kajian ini akan menggunakan elektromagnetik sepenuhnya untuk menghasilkan daya seret melalui ujikaji makmal yang dijalankan. 3. Kajian kes akan digunakan untuk pengesahan sistem elektromagnetik boleh kawal menggunakan arus pusar.

20 7 1.6 STRUKTUR TESIS Tesis yang dibentang terdiri daripada: Bab II memaparkan sorotan kajian terdahulu mengenai sistem brek dan aplikasinya. Selain itu, ia turut membincangkan kajian kepustakaan berkaitan elektromagnetik, arus pusar dan sistem brek elektromagnetik. Bab III membincangkan metodologi penyelidikan yang dijalankan merangkumi proses perlaksanaan dan pembangunan rig ujikaji dan senarai peralatan yang digunakan. Selain itu, proses pengumpulan dan analisis data turut dijelaskan dalam bab ini. Bab IV mempersembahkan keputusan daripada ujikaji makmal yang dijalankan untuk mengkaji hubungkait parameter yang terlibat. Selain itu, ia turut membentangkan keputusan dan perbincangan aplikasi sistem brek elektromagnetik boleh kawal menggunakan arus pusar ini ke atas kajian kes yang dijalankan. Bab V mengandungi kesimpulan kajian dan beberapa cadangan untuk kajian lanjutan pada masa akan datang.

21 BAB II KAJIAN KEPUSTAKAAN 2.1 PENGENALAN Apabila kelajuan kenderaan semakin meningkat, satu sistem brek yang lebih kuat diperlukan bagi memastikan keselamatan kenderaan ketika pemanduan dan kebolehpercayaannya (Lee & Park 1998). Kenderaan pada masa kini kebanyakannya dilengkapi dengan sistem brek berasaskan geseran berasaskan pad brek. Sistem brek konvensional yang menggunakan pad brek sebagai elemen geseran adalah terdiri daripada komponen asas utama iaitu silinder utama. Silinder ini terletak di bawah hud yang disambungkan terus kepada pedal brek dan akan mengubah tekanan kaki pemandu kepada tekanan hidraulik. Hos brek keluli yang dihubungkan kepada silinder utama akan dihubungkan pula kepada silinder kecil yang terletak pada setiap tayar. Minyak brek yang direka khas untuk beroperasi pada suhu tinggi digunakan dalam sistem ini bagi menghasilkan tekanan hidraulik. Tekanan ini yang akan menolak pad brek dan memberikan geseran pada cakera brek, seterusnya memperlahankan kenderaan. Penemuan terhadap pencemaran puing haus daripada pad brek telah membawa kepada potensi ruang penyelidikan untuk mengkaji sistem brek tanpa sentuhan. Salah satu pembrekan yang tidak melibatkan elemen sentuhan untuk tujuan memberikan daya geseran adalah sistem brek menggunakan arus pusar. 2.2 TEORI ASAS ELEKTROMAGNET Fizik berkenaan medan elektromagnet dipanggil keelektromagnetan. Istilah ini berasal daripada daya-daya magnet dan juzuk elektrik yang berasingan. Medan ini dipisahkan kepada dua medan iaitu medan elektrik dan medan magnet. Sebuah medan elektrik

22 9 akan terhasil daripada sebuah medan magnet yang berubah-ubah melalui fenomena aruhan. Kedua-dua medan ini saling bergantung antara satu sama lain dan boleh dianggap sebagai satu entiti tunggal iaitu medan elektromagnet. James Clark Maxwell telah berjaya menyiapkan penyatuan ini yang dikatakan sebagai salah satu kejayaan fizik dalam abad ke-19 (Sadiku 2007). Justeru, hukum Maxwell ini adalah set kepada 4 persamaan pembezaan separa iaitu hukum Gauss, hukum Gauss untuk kemagnetan,hukum Faraday dan hukum Maxwell-Faraday. Gabungan ini menunjukkan menunjukkan hubungan elektrik, medan magnet, ketumpatan cas dan ketumpatan arus (Ratnajeevan & Ratnamahilan 1996). Hukum Gauss menyatakan bahawa jumlah fluks elektrik yang melalui permukaan tertutup adalah berkadar dengan caj jumlah elektrik yang terkandung dalam permukaan tertutup itu (Serway 1996). Hukum Gauss dinyatakan sebagai persamaan: (2.1) Dimana Φ E adalah fluks elektrik yang melalui satu permukaan tertutup S, dimana Q adalah jumlah caj terkumpul dalam permukaan S dan ε 0 sebagai pekali elektrik. Hukum Gauss untuk Kemagnetan pula menyatakan bahawa tiada caj magnetik dianalogikan pada caj elektrik melainkan medan magnet itu dijana oleh konfigurasi dwikutub, atau jumlah fuks magnetik melalui permukaan Gaussian adalah bersamaan sifar (Tai 2006). Ia dinyatakan sebagai persamaan (2.2): (2.2) Dimana adalah diungkapkan sebagai perbezaan dan B sebagai medan magnet. Ia merumuskan bahawa medan magnet dengan kutub tunggal adalah tidak wujud dan entiti asas untuk kemagnetan adalah dwikutub magnet. Seterusnya, Hukum Faraday pula menjelaskan bagaimana medan magnet yang berubah-ubah boleh menjana medan elektrik. Hukum Faraday menyatakan bahawa daya elektromotif yang teraruh dalam mana-mana litar tertutup adalah bersamaan dengan negatif kadar masa perubahan fluks magnet melalui litar tersebut. Hukum ini hanya sah apabila litar tertutup dengan

23 10 gegelung dawai terhingga nipis sahaja (Sadiku 2007). Persamaan Maxwell-Farady adalah persamaan yang sah dalam semua keadaan. Ia menyatakan bahawa sebuah medan magnet yang berubah terhadap masa sentiasa diiringi oleh ruang berubah, medan elektrik bukan konservatif, dan sebaliknya (Richard et al. 2006). Ia dinyatakan sebagai: (2.3) Penemuan Faraday ini dirumuskan sebagai induksi elektromagnetik yang berlaku adalah disebabkan oleh perubahan fluks magnetik terhadap masa. Apabila sesebuah konduktor bergerak melalui medan tidak homogen yang dijana oleh suatu sumber, daya elektromotif akan terjana di sekeliling gegelung dalam konduktor tersebut (Sadiku 2007). Perkara ini mematuhi hukum induksi Faraday dan arus ini akan melesapkan tenaga seterusnya mewujudkan medan magnet yang cenderung untuk menentang perubahan dalam kearuhan itu. Ia juga dapat dikaitkan dengan Hukum Lenz yang menyatakan bahawa arah aliran teraruh di dalam medan magnet itu akan menentang medan magnet yang menyebabkan aliran arus itu. Fenomena ini seterusnya dikaitkan dengan kejadian arus pusar. Arus pusar terbentuk apabila konduktor mengalami perubahan di dalam medan magnet (Ratnajeevan & Ratnamahilan 1996). Ia berlaku sama ada konduktor bergerak melalui medan magnet yang pegun, atau sebaliknya. Arus pusar akan terhasil apabila objek yang bersifat konduktor mengalami perubahan dalam intensiti atau medan magnet tersebut. Arus pusar yang terjana di dalam konduktor ini adalah kerana elektronnya mengalami daya Lorentz yang berserenjang dengan pergerakannya. Ia seterusnya akan menghasilkan daya geseran yang boleh memperlahankan pergerakan atau untuk tujuan pembrekan.

24 APLIKASI ARUS PUSAR Daya elektromotif yang terhasil daripada hukum induksi Faraday adalah disebabkan oleh pergerakan relatif litar elektrik dan medan magnet. Apabila medan magnet bergerak relatif terhadap konduktor atau sebaliknya, ia akan menghasilkan daya elektromotif tersebut. Aplikasi arus pusar digunakan dalam pelbagai jenis aplikasi. Selain berpotensi bagi diaplikasikan dalam sistem pembrekan, arus pusar juga digunakan dalam peredam elektrodinamik melalui kesan repulsif dan apungan. Kesan repulsif dan apungan yang terhasil didapati lebih stabil (Sodano & Bae 2004). Selain itu, arus pusar turut diaplikasikan dalam operasi mesin layan diri seperti mesin untuk membeli air minuman dalam tin contohnya. Mesin ini beroperasi menggunakan duit syiling. Arus pusar digunakan untuk mengesan duit syiling palsu. Duit syiling akan melalui magnet kekal dan arus pusar akan memperlahankan pergerakannya. Pergerakan duit syiling yang asli berada pada kadar yang perlahan berbanding syiling palsu dan ini membantu mesin ini untuk mengembalikan syiling palsu kepada slot duit yang tidak diterima (Ratnajeevan & Ratnamahilan 1996). Getaran dan penderia kedudukan juga turut menggunakan arus pusar. Arus pusar ini digunakan dalam beberapa jenis penderia dekat untuk memerhatikan getaran dan kedudukan aci yang berputar dalam lingkungan galasnya. Aplikasi lain yang turut menggunakan konsep arus pusar adalah untuk ujian struktur, meter induksi elektromekanikal, pengukuran ketebalan saduran dan pengukuran kerintangan kepingan (Fiorillo 2004). Arus pusar turut diaplikasikan dalam sistem redaman. Rajah 2.1 menunjukkan skematik model bagi peredam-spring dalam kajian yang dilakukan oleh Ebrahimi et. al (2008). Menerusi kajiannya, kesan redaman daripada arus pusar digunakan bagi membangunkan model peredam-spring ini. Model ini terbentuk daripada dua plat pengalir aluminium yang berbentuk cincin dan dua batang magnet berbentuk silinder. Magnet di bahagian bawah dan plat aluminium berada dalam keadaan tetap, manakala