Design and Simulation of High-Speed Rotating Electrical Machinery

Global energy consumption has been increasing yearly and a big portion of it is used in rotating electrical machineries. It is clear that in these machines energy should be used efficiently. In this dissertation the aim is to improve the design process of high-speed electrical machines especially from the mechanical engineering perspective in order to achieve more reliable and efficient machines. The design process of high-speed machines is challenging due to high demands and several interactions between different engineering disciplines such as mechanical, electrical and energy engineering. A multidisciplinary design flow chart for a specific type of high-speed machine in which computer simulation is utilized is proposed. In addition to utilizing simulation parallel with the design process, two simulation studies are presented. The first is used to find the limits of two ball bearing models. The second is used to study the improvement of machine load capacity in a compressor application to exceed the limits of current machinery. The proposed flow chart and simulation studies show clearly that improvements in the high-speed machinery design process can be achieved. Engineers designing in high-speed machines can utilize the flow chart and simulation results as a guideline during the design phase to achieve more reliable and efficient machines that use energy efficiently in required different operation conditions.

Exchange of Product-related Data between a Pulp and Paper Machinery Supplier and Its Partners

Kiihtyvä kilpailu yritysten välillä on tuonut yritykset vaikeidenhaasteiden eteen. Tuotteet pitäisi saada markkinoille nopeammin, uusien tuotteiden pitäisi olla parempia kuin vanhojen ja etenkin parempia kuin kilpailijoiden vastaavat tuotteet. Lisäksi tuotteiden suunnittelu-, valmistus- ja muut kustannukset eivät saisi olla suuria. Näiden haasteiden toteuttamisessa yritetään usein käyttää apuna tuotetietoja, niiden hallintaa ja vaihtamista. Andritzin, kuten muidenkin yritysten, on otettava nämä asiat huomioon pärjätäkseen kilpailussa. Tämä työ on tehty Andritzille, joka on maailman johtavia paperin ja sellun valmistukseen tarkoitettujen laitteiden valmistajia ja huoltopalveluiden tarjoajia. Andritz on ottamassa käyttöön ERP-järjestelmän kaikissa toimipisteissään. Sitä halutaan hyödyntää mahdollisimman tehokkaasti, joten myös tuotetiedot halutaan järjestelmään koko elinkaaren ajalta. Osan tuotetiedoista luo Andritzin kumppanit ja alihankkijat, joten myös tietojen vaihto partnereiden välillä halutaan hoitaasiten, että tiedot saadaan suoraan ERP-järjestelmään. Tämän työn tavoitteena onkin löytää ratkaisu, jonka avulla Andritzin ja sen kumppaneiden välinen tietojenvaihto voidaan hoitaa. Tämä diplomityö esittelee tuotetietojen, niiden hallinnan ja vaihtamisen tarkoituksen ja tärkeyden. Työssä esitellään erilaisia ratkaisuvaihtoehtoja tiedonvaihtojärjestelmän toteuttamiseksi. Osa niistä perustuu yleisiin ja toimialakohtaisiin standardeihin. Myös kaksi kaupallista tuotetta esitellään. Tarkasteltavana onseuraavat standardit: PaperIXI, papiNet, X-OSCO, PSK-standardit sekä RosettaNet. Lisäksi työssä tarkastellaan ERP-järjestelmän toimittajan, SAP:in ratkaisuja tietojenvaihtoon. Näistä vaihtoehdoista parhaimpia tarkastellaan vielä yksityiskohtaisemmin ja lopuksi eri ratkaisuja vertaillaan keskenään, jotta löydettäisiin Andritzin tarpeisiin paras vaihtoehto.

Design and implementation of FPGA-based LQ control of active magnetic bearings

The need for high performance, high precision, and energy saving in rotating machinery demands an alternative solution to traditional bearings. Because of the contactless operation principle, the rotating machines employing active magnetic bearings (AMBs) provide many advantages over the traditional ones. The advantages such as contamination-free operation, low maintenance costs, high rotational speeds, low parasitic losses, programmable stiffness and damping, and vibration insulation come at expense of high cost, and complex technical solution. All these properties make the use of AMBs appropriate primarily for specific and highly demanding applications. High performance and high precision control requires model-based control methods and accurate models of the flexible rotor. In turn, complex models lead to high-order controllers and feature considerable computational burden. Fortunately, in the last few years the advancements in signal processing devices provide new perspective on the real-time control of AMBs. The design and the real-time digital implementation of the high-order LQ controllers, which focus on fast execution times, are the subjects of this work. In particular, the control design and implementation in the field programmable gate array (FPGA) circuits are investigated. The optimal design is guided by the physical constraints of the system for selecting the optimal weighting matrices. The plant model is complemented by augmenting appropriate disturbance models. The compensation of the force-field nonlinearities is proposed for decreasing the uncertainty of the actuator. A disturbance-observer-based unbalance compensation for canceling the magnetic force vibrations or vibrations in the measured positions is presented. The theoretical studies are verified by the practical experiments utilizing a custom-built laboratory test rig. The test rig uses a prototyping control platform developed in the scope of this work. To sum up, the work makes a step in the direction of an embedded single-chip FPGA-based controller of AMBs.

Literature review on permanent magnet generators design and dynamic behavior

This paper is a literature review which describes the construction of state of the art of permanent magnet generators and motors constructing and discusses the current and possible application of these machines in industry. Permanent magnet machines are a well-know class of rotating and linear electric machines used for many years in industrial applications. A particular interest for permanent magnet generators is connected with wind mills, which seem to be becoming increasingly popular nowadays. Geared and direct-driven permanent magnet generators are described. A classification of direct-driven permanent magnet generators is given. Design aspects of permanent magnet generators are presented. Permanent magnet generators for wind turbines designs are highlighted. Dynamics and vibration problems of permanent magnet generators covered in literature are presented. The application of the Finite Element Method for mechanical problems solution in the field of permanent magnet generators is discussed.

Effects of mineral sorting on concentrator design and economics

Ore sorting after crushing is an effective way to enhance the feed quality of a concentrator. Sorting by hand is the oldest way of concentrating minerals but it has become outdated because of low capacities. Older methods of sorting have also been difficult to use in large scale productions due to low capacities of sorters. Data transfer and processing and the speed of rejection mechanisms have been the bottlenecks for effective use of sorters. A fictive chalcopyrite ore body was created for this thesis. The properties of the ore were typical of chalcopyrite ores and economical limit was set for design. Concentrator capacity was determined by the size of ore body and the planned mine life. Two concentrator scenarios were compared, one with the sorting facility and the other without sorting. Comparison was made for quality and amount of feed, size of equipment and economics. Concentrator with sorting had lower investment and operational cost but also lower incomes due to the ore loss in sorting. Net cash flow, net present value and internal rate of interest were calculated for comparison of the two scenarios.

Reframing the relationship between service design and operations: a service engineering approach

The significance of services as business and human activities has increased dramatically throughout the world in the last three decades. Becoming a more and more competitive and efficient service provider while still being able to provide unique value opportunities for customers requires new knowledge and ideas. Part of this knowledge is created and utilized in daily activities in every service organization, but not all of it, and therefore an emerging phenomenon in the service context is information awareness. Terms like big data and Internet of things are not only modern buzz-words but they are also describing urgent requirements for a new type of competences and solutions. When the amount of information increases and the systems processing information become more efficient and intelligent, it is the human understanding and objectives that may get separated from the automated processes and technological innovations. This is an important challenge and the core driver for this dissertation: What kind of information is created, possessed and utilized in the service context, and even more importantly, what information exists but is not acknowledged or used? In this dissertation the focus is on the relationship between service design and service operations. Reframing this relationship refers to viewing the service system from the architectural perspective. The selected perspective allows analysing the relationship between design activities and operational activities as an information system while maintaining the tight connection to existing service research contributions and approaches. This type of an innovative approach is supported by research methodology that relies on design science theory. The methodological process supports the construction of a new design artifact based on existing theoretical knowledge, creation of new innovations and testing the design artifact components in real service contexts. The relationship between design and operations is analysed in the health care and social care service systems. The existing contributions in service research tend to abstract services and service systems as value creation, working or interactive systems. This dissertation adds an important information processing system perspective to the research. The main contribution focuses on the following argument: Only part of the service information system is automated and computerized, whereas a significant part of information processing is embedded in human activities, communication and ad-hoc reactions. The results indicate that the relationship between service design and service operations is more complex and dynamic than the existing scientific and managerial models tend to view it. Both activities create, utilize, mix and share information, making service information management a necessary but relatively unknown managerial task. On the architectural level, service system -specific elements seem to disappear, but access to more general information elements and processes can be found. While this dissertation focuses on conceptual-level design artifact construction, the results provide also very practical implications for service providers. Personal, visual and hidden activities of service, and more importantly all changes that take place in any service system have also an information dimension. Making this information dimension visual and prioritizing the processed information based on service dimensions is likely to provide new opportunities to increase activities and provide a new type of service potential for customers.

Mechanical design and analysis of modular active magnetic bearing test rig

Tässä työssä on tutkittu modulaarisen aktiivimagneettilaakeroidun koelaitteen mekaanista suunnittelua ja analysointia. Suurnopeusroottorin suunnittelun teoria on esitelty. Lisäksi monia analyyttisiä mallinnusmenetelmiä mekaanisten kuormitusten mallintamiseksi on esitelty. Koska kyseessä on suurnopeussähkökone, roottoridynamiikka ja sen soveltuvuus suunnittelussa on esitelty. Magneettilaakerien rakenteeseen ja toimintaan on tutustuttu osana tätä työtä. Kirjallisuuskatsaus nykyisistä koelaitteista esimerkiksi komponenttien ominaisuuksien tunnistamiseen ja roottoridynamiikan tutkimuksiin on esitelty. Työn rajauksena on konseptisuunnittelu muunneltavalle magneettilaakeroidulle (AMB) koelaitteelle ja suunnitteluprosessin dokumentointi. Muunneltavuuteen päädyttiin, koska se mahdollistaa erilaisten komponenttiasetteluiden testaamisen erilaisille magneettilaakerikokoonpanoille ja roottoreille. Pääpaino tässä työssä on suurnopeus induktiokoneen roottorin suunnittelussa ja mallintamisessa. Modulaaristen toimilaitteiden kuten magneettilaakerien ja induktiosähkömoottorin rakenne on esitelty ja modulaarisen rakenteen käytettävyyden hyödyistä koelaitekäytössä on dokumentoitu. Analyyttisiä ja elementtimenetelmään perustuvia tutkimusmenetelmiä on käytetty tutkittaessa suunniteltua suurnopeusroottoria. Suunnittelun ja analysoinnin tulokset on esitelty ja verrattu keskenään eri mallinnusmenetelmien välillä. Lisäksi johtopäätökset sähkömagneettisten osien liittämisen monimutkaisuudesta ja vaatimuksista roottoriin ja toimilaitteisiin sekä mekaanisten että sähkömagneettisten ominaisuuksien optimoimiseksi on dokumentoitu.

Maintenance and construction outsourcing in a public-owned electricity network company

Euroopan sähkösektori on ollut viimeisen vuosikymmenen suurten mullistusten kourissa. Sähkömarkkinoiden avautumisen jälkeen monopoliliiketoimintaa harjoittavien sähköyhtiöiden on ollut pakko parantaa tuottavuuttaan. Ratkaisuksi tähän on etsitty apua huolto- ja rakennustoimintojen ulkoistamisella. Ulkoistaminen on kuitenkin uusi menetelmä tällä sektorilla. Tämän tutkielman tavoitteena on selvittää syyt, jotka tanskalaisella sähköverkkoyhtiöllä oli huolto- ja rakennustoimintojen ulkoistamiseen, sekä löytää siitä saatavat hyödyt ja siihen sisältyvät riskit. Tutkimus suoritetaan käyttäen apuna kirjallisuutta, saatavilla olevia due diligence-, sekä muita raportteja ja analyysejä, sekä tapausta koskettavien tahojen haastatteluja.Lisäksi sähköverkkoalan asiantuntijoiden kanssa käytyjä konsultointia käytetäänselvitykseen. Tutkimus osoittaa, että perimmäiset ajurit huolto- ja rakennustoimintojen ulkoistamiseen tulivat lainmuutosten ja vapautuneiden sähkömarkkinoiden asettamista paineista. Kunnallisessa organisaatiossa parantaa tehokkuutta ulkoistamalla jotain toimintoja yksityisomisteiselle palvelun tuottajalle. Muut ulkoistamisesta odotetut hyödyt olivat alentuneet kustannukset, virtaviivaisempi organisaation ja sähköverkkoyhtiön tehottomista osista eroon pääseminen ennen sen myymistä.

Finding the Fit Between Engineering Design and Cost Information

This paper analyzes the possibilities of integrating cost information and engineering design. Special emphasis is put on finding the potential of using the activity-based costing (ABC) method. Today, the problem of cost estimation in engineering design is that there are two separate extremes of knowledge. On the one extreme, the engineers model the technical parametres behindcosts in great detail but do not get appropriate cost information to their elegant models. On the other extreme, the accounting professionals are stuck with traditional cost accounting methods driven by the procedures and cycles of financial accounting. Therefore, in many cases, the cost information needs of various decision making groups, for example design engineers, are not served satisfactorily. This paper studies if the activity-based costing (ABC) method could offer a compromise between the two extremes. Recognizing activities and activity chains as well as activity and cost drivers could be specially beneficial for design engineers. Also, recognizing the accurate and reliable product costs of existing products helps when doing variant design. However, ABC is not at its best if the cost system becomes too complicated. This is why a comprehensive ABC-cost information system with detailed cost information for the use of design engineers should be examined critically. ABC is at its best when considering such issues as which activities drive costs, the cost of product complexity, allocating indirect costs on the products, the relationships between processes and costs, and the cost of excess capacity.

Code Generator for Key Management Protocols - Design and Implementation

Key management has a fundamental role in secure communications. Designing and testing of key management protocols is tricky. These protocols must work flawlessly despite of any abuse. The main objective of this work was to design and implement a tool that helps to specify the protocol and makes it possible to test the protocol while it is still under development. This tool generates compile-ready java code from a key management protocol model. A modelling method for these protocols, which uses Unified Modeling Language (UML) was also developed. The protocol is modelled, exported as an XMI and read by the code generator tool. The code generator generates java code that is immediately executable with a test software after compilation.

The design and implementation of a standards-based mobile messaging platform - case WAP Push Proxy Gateway

Tässä diplomityössä perehdytään WAP:in Push -viitekehykseen. WAP-standardit määrittelevät kuinka Internet-tyyppisiä palveluita, joita voidaan käyttää erilaisia mobiileja päätelaiteitteita käyttäen, toteutetaan tehokkaalla ja verkkoteknologiasta riippumattomalla tavalla. WAP pohjautuu Internet:iin, mutta huomioi pienten päätelaitteiden ja mobiiliverkkojen rajoitukset ja erikoisominaisuudet. WAP Push viitekehys määrittelee verkon aloittaman palvelusisällön toimittamisen. Työn teoriaosassa käydään läpi yleinen WAP-arkkitehtuuri ja WAP-protokollapino käyttäen vertailukohtina lanka-Internetin arkkitehtuuria ja protokollapinoa. Edellistä perustana käyttäen tutustaan WAP Push -viitekehykseen. Käytännönosassa kuvataan WAP Push -välityspalvelimen suunnittelu ja kehitystyö. WAP Push -välityspalvelin on keskeinen verkkoelementti WAP Push -viitekehyksessä. WAP Push -välityspalvelin yhdistää Internetin ja mobiiliverkon tavalla, joka piilottaa teknologiaeroavaisuudet Internetissä olevalta palveluntuottajalta.

Network Device Driver Design and Implementation for Symbian Operating System

Tämä diplomityö esittää Symbianin käyttöjärjestelmän verkkoarkkitehtuuriin perustuvan paikallisverkkokortin (LAN) käyttöönottoa. Pääajatus oli keskitetty langattoman LAN— kortin (WLAN) ajureiden käyttöönottoon. Jokainen Symbianin käyttöjärjestelmän verkkoarkkitehtuurin komponentti oli huolellisesti tutkittu, painottaen mahdollista langattoman yhteyden uudelleenkäyttöä. Myös olemassaolevan Ethernetkortin ajureiden uudelleenkäyttö oli huolellisesti otettu huomioon. Diplomityöprojektin aikana esimerkki WLAN-kortin ajurin lähdekoodista oli esitetty. Tämä ajuri on kirjoitettu NOKIA DTN-20 WLAN-korttia varten. Havaittiin myös, että suurin osa Symbianin käyttöjärjestelmän verkkoarkkitehtuurista voidaan käyttää myös WLAN-pohjaisessa yhteydessä ilman muutoksia.. Esitetty ajuri käyttää myös tiettyjä olemassaolevan Ethernetkortin ajureita, esim. Logical Device Driver (LDD):tä.

The Design and Implementation of Loudspeaker Control Network Protocols

The networking and digitalization of audio equipment has created a need for control protocols. These protocols offer new services to customers and ensure that the equipment operates correctly. The control protocols used in the computer networks are not directly applicable since embedded systems have resource and cost limitations. In this master's thesis the design and implementation of new loudspeaker control network protocols are presented. The protocol stack was required to be reliable, have short response times, configure the network automatically and support the dynamic addition and removal of loudspeakers. The implemented protocol stack was also required to be as efficient and lightweight as possible because the network nodes are fairly simple and lack processing power. The protocol stack was thoroughly tested, validated and verified. The protocols were formally described using LOTOS (Language of Temporal Ordering Specifications) and verified using reachability analysis. A prototype of the loudspeaker network was built and used for testing the operation and the performance of the control protocols. The implemented control protocol stack met the design specifications and proved to be highly reliable and efficient.