A
i ' \^KQP 1/^708046
Peter Fuks, Richard Uusijärvi
Elektriska och magnetiska
fält på skördare
Trätek
Peter Fuks, k o n s u l t Richard Uusijärvi
ELEKTRISKA OCH MAGNETISKA FÄLT PA SKORDARE
TräteknikCentrum, Rapport P 8708046
Nyckelord
eleotromagnetiQal interferenoe harvesting equipment
I N N E H Å L L S F Ö R T E C K N I N G
Sid
SAMMANFATTNING 3
BAKGRUND 3 ELEKTRISKA OCH MAGNETISKA FÄLT 4
UNDERSÖKTA KÄLLOR SAMT PROVUTRUSTNING 4
RESULTAT 5 PRAKTISKT RÄKNEEXEMPEL 6
SAMMANFATTNING
Vid mätning av magnetiska och e l e k t r i s k a fält på en skogsmaskin k o n s t a t e r a -des a t t de fält maskinen själv ger upphov t i l l är r e l a t i v t godartade och a t t en e l e k t r i s k f u n k t i o n i n t e bör störas, förutsatt a t t den i n t e innehål-l e r onödigt s t o r a s innehål-l i n g o r med s i g n a innehål-l a m p innehål-l i t u d e r på 1 0 - t a innehål-l s m i innehål-l innehål-l i v o innehål-l t och mindre.
BAKGRUND
På dagens skogsmaskiner, där e l e k t r o n i k i a l l t högre grad ersätter e l l e r förenklar mekaniska k o n s t r u k t i o n e r , t i l l k o m m e r en ny källa t i l l problem för konstruktören a t t t a hänsyn t i l l - e l e k t r i s k a och magnetiska fält.
T i d i g a försök med r a d i o s t y r n i n g av maskiner har pekat på dessa problem när m a s k i n f u n k t i o n e r plötsligt a k t i v e r a t s utan förvarning. Exempelvis då maski-nen börjar köra framåt när föraren t a l a r i m o b i l t e l e f o n e n .
Den p i l o t s t u d i e som l i g g e r t i l l grund för denna r a p p o r t och som utförts i samarbete med K T H / I n s t i t u t i o n e n för t e o r e t i s k e l e k t r o t e k n i k , v i s a r på hur s t o r a de störningar b l i r som maskinen själv ger upphov t i l l .
Mätningar har utförts v i d g e n e r a t o r n , klimatanläggningens k o p p l i n g , s o l e -noiden för a r b e t s v a r v t a l , dragmagnet för h y d r a u l v e n t i l samt kommunikations-r a d i o , alltsammans på en Kockum-skökommunikations-rdakommunikations-re.
ELEKTRISKA OCH MAGNETISKA FÄLT
En e l e k t r i s k l a d d n i n g producerar e t t e l e k t r i s k t fält, och en e l e k t r i s k ström producerar e t t magnetiskt fält. Om dessa fält är t i d s v a r i a b l a , d v s a t t fältstyrkan ändras i t i d e n , så är de e l e k t r i s k a och magnetiska fälten kopplade t i l l varandra på så sätt a t t det e l e k t r i s k a fältet ger upphov t i l l det magnetiska och tvärtom.
I många f a l l räcker det därför a t t mäta e t t av fälten, därefter kan det andra fältet nöjaktigt beräknas. På en skogsmaskin är de förväntade källorna magnetiska såsom s p o l a r , och de förväntade störningarkällorna når e l e k t r o n i -ken v i a magnetiska vägar - nämligen s l i n g o r .
P r a k t i s k t mäts e l e k t r i s k a och magnetiska fältstyrkan med sönder, E-sond för e l e k t r i s k a fältstyrkan och H-sond för magnetiska fältstyrkan. Dessa sönder kopplas sedan t i l l en spektrumanalysator där signalnivån i dBm kan avlä-sas. O dBm d e f i n i e r a s som 1 mW v i d b e l a s t n i n g e n 50 ohm, och ges av samban-det
p
10 l o g (dBm) där P anges i mW. ImW
Om en s l i n g a är o r i e n t e r a d så a t t den l i g g e r i e t t p l a n vinkelrätt mot det magnetiska fältet, induceras i den en spänning /e/ = B x S x w där B är magnetiska fältstyrkan ( T e s l a ) , S är s l i n g a n s y t a i m^, och w är v i n k e l f r e -kvensen 2 * * f . Formeln gäller om fältet är homogent inom s l i n g a s y t a , d v s a l l a dimensioner måste vara mycket mindre än våglängden.
Den e l e k t r i s k a fältstyrkan E är kopplad t i l l den magnetiska fältstyrkan B genom Maxwells e k v a t i o n e r . För plana vågor gäller E = B * c där c är l j u -s e t -s h a -s t i g h e t i vakuum 3 * 10^ m/-s. E l e k t r i -s k a fält-styrkan har -s o r t e n Volt/meter.
UNDERSÖKTA KÄLLOR SAMT PROVUTRUSTNING De källor på maskinen som undersöktes v a r : * Generator
* Klimatanläggningens k o p p l i n g
* Solenoid för a r b e t s v a r v (24 V 30-40 A dragström) * Dragmagnet för h y d r a u l v e n t i l
* Kommunikationsradio.
Den u t r u s t n i n g som användes v a r : * E-sond (30 mm symmetrisk d i p o l ) * H-sond (skärmad 0 83 mm)
Spektrumanalysator TEK 7L13 (10 MHz/div, 300 kHz upplösning, 10 dB/div)
RESULTAT
Generator. Två mätningar företogs d e l s v i d s t a r t , d e l s v i d k o n t i n u e r l i g
d r i f t . Spektra bestod av lågfrekvent brus och brus c e n t r e r a t k r i n g 17 MHz Den maximala a m p l i t u d som uppmättes var -60 dBm.
Klimatanläggningens koppling. S t o r l e k på B och E som för g e n e r a t o r . Solenoid f o r arbetsvarv. Spektra består av två t y d l i g a komponenter v i d
15 MHz r e s p e k t i v e 30 MHz med en a m p l i t u d av -50 dBm.
Dragmagnet. Spektra svagt c e n t r e r a t k r i n g 30 MHz med en a m p l i t u d på
-40 dBm. Detta är t r o l i g e n den a l l v a r l i g a s t e störningskällan, se a v s n i t t P r a k t i s k t räkneexempel.
Komradio. Bärvågens a m p l i t u d -60 dBm på 5 m avstånd.
Mätning av magnetfält v i d s o l e n o i d för a r b e t s v a r v . PRAKTISKT RÄKNEEXEMPEL
Problem: V i l k e n spänning induceras i en 1 cm^ s t o r cirkulär s l i n g a på e t t k r e t s k o r t som b e f i n n e r s i g 20 cm från dragmagneten?
Lösning: Den inducerade spänningen är d i r e k t p r o p o r t i o n e l l mot ytan på s l i n g a n för en given f r e k v e n s , förutsatt a t t fältet kan anses homogent.
c 3 * 10^
Då våglängden är a = — , d v s r- = 10 m, och avståndet mellan krets-y krets-y f ' 30 * 10^
k o r t s s l i n g a och störkälla är 20 cm, d v s mycket mindre, gäller 10 l o g — = -40
ImW
v i l k e t ger - 10-4 ImW
störspänningen inducerad i mätsonden b l i r då u = VP * R' där R = 50 J ^ ,
och störspänningen i 1 cm^ s l i n g a n b l i r / l O - ^ * 50' * 1
( 8 , 3 / 2 ) 2 ^ TT = 41 * 10-6 V o l t
Således en h e l t försumbar störning i d i g i t a l a sammanharig. I analoga samman-hang kan man dock få problem med långa l e d a r e . En enkel lösning på d e t t a problem är a t t t v i n n a ledaren så a t t en större sammanhängande y t a e j upp-står.
Problem; Hur s t o r t är det tillhörande e l e k t r i s k a fältet (förutsatt a t t vågen är p l a n ) ?
Lösning: E = B * c där c är l j u s h a s t i g h e t e n i vakuum 3 * 10^ m/s. För a t t lösa u t L måste således först B beräknas.
B = där e är inducerad spänning i sonden, s är sondens i n s k r i v n a y t a s * w och w är v i n k e l h a s t i g h e t e n 2 * I T * f där f är frekvensen. B = 1 0 ^ ] ^ = 2.2 » 10-9 Tesla ( 8 , 3 * 1 0 - 2 / 2 ) 2 * 71 * 2TT * 30 * 106 v i l k e t ger E = 2 , 2 * 10-9 » 3 * i o 8 ^ 0^66 V/m
i själva v e r k e t b l i r fältstyrkan b e t y d l i g t mindre eftersom vågen i n t e är p l a n (närfält). Detta ger för en 1 cm lång l e d a r e , p a r a l l e l l med fältet, upphov t i l l en inducerad spänning på ca 6,5 mV. Genom närvaro av j o r d - och matningsspänningsledningar i närheten är en l e d a r e a l d r i g f r i , utan fältet dämpas o f t a med f l e r a t i o p o t e n s e r . Dessutom kan d e t e l e k t r i s k a fältet lätt skärmas av med e t t t u n t metallhölje r u n t k r e t s k o r t e t .
Det magnetiska fältet kan endast skärmas med mycket d y r b a r a r e m a t e r i a l och av avsevärd t j o c k l e k .
S l u t s a t s av räkneexempelet är, a t t v i d v e t t i g design av k r e t s k o r t och s i g -n a l l e d a r e bör i-nga större stör-ni-ngsproblem uppstå frå-n skogsmaski-ne-ns eget elsystem.
Detta digitala dokument skapades med anslag från
Stiftelsen Nils och Dorthi Troedssons forskningsfond
Trätekni kCentru m
I N S T I T U T E T F O R T R A T E K N I S K F O R S K N I N GBox 5609,114 86 STOCKHOLM
Besöksadress: Drottning Kristinas väg 67 Telefon: 08-14 53 00
Telex: 144 45 tratek s Telefax: 08-11 61 88 Huvudenhet med kansli
Åsenvägen 9, 552 58 JÖNKÖPING Telefon: 036-12 60 41 Telefax: 036-16 87 98 ISSN 0283-4634 93187 SKELLEFTEÅ Besöksadress: Bockholmsvägen 18 Telefon: 0910-652 00 Telex: 650 31 expolar s Telefax: 0910-652 65
