Electromagnetic Design of a Solid Steel Rotor Motor for Demanding Operation Environments

The solid-rotor induction motor provides a mechanically and thermally reliable solution for demanding environments where other rotor solutions are prohibited or questionable. Solid rotors, which are manufactured of single pieces of ferromagnetic material, are commonly used in motors in which the rotationspeeds exceed substantially the conventional speeds of laminated rotors with squirrel-cage. During the operation of a solid-rotor electrical machine, the rotor core forms a conductor for both the magnetic flux and the electrical current. This causes an increase in the rotor resistance and rotor leakage inductance, which essentially decreases the power factor and the efficiency of the machine. The electromagnetic problems related to the solid-rotor induction motor are mostly associated with the low performance of the rotor. Therefore, the main emphasis in this thesis is put on the solid steel rotor designs. The rotor designs studied in thisthesis are based on the fact that the rotor construction should be extremely robust and reliable to withstand the high mechanical stresses caused by the rotational velocity of the rotor. In addition, the demanding operation environment sets requirements for the applied materials because of the high temperatures and oxidizing acids, which may be present in the cooling fluid. Therefore, the solid rotors analyzed in this thesis are made of a single piece of ferromagnetic material without any additional parts, such as copper end-rings or a squirrel-cage. A pure solid rotor construction is rigid and able to keep its balance over a large speed range. It also may tolerate other environmental stresses such as corroding substances or abrasive particles. In this thesis, the main target is to improve the performance of an induction motor equipped with a solid steel rotor by traditional methods: by axial slitting of the rotor, by selecting a proper rotor core material and by coating the rotor with a high-resistive stainless ferromagnetic material. In the solid steel rotor calculation, the rotor end-effects have a significant effect on the rotor characteristics. Thus, the emphasis is also put on the comparison of different rotor endfactors. In addition, a corrective slip-dependent end-factor is proposed. The rotor designs covered in this thesis are the smooth solid rotor, the axially slitted solid rotor and the slitted rotor having a uniform ferromagnetic coating cylinder. The thesis aims at design rules for multi-megawatt machines. Typically, mega-watt-size solidrotor machines find their applications mainly in the field of electric-motor-gas-compression systems, in steam-turbine applications, and in various types of largepower pump applications, where high operational speeds are required. In this thesis, a 120 kW, 10 000 rpm solid-rotor induction motor is usedas a small-scale model for such megawatt-range solid-rotor machines. The performance of the 120 kW solid-rotor induction motors is determined by experimental measurements and finite element calculations.

New design of the frame for a permanent magnet generator

This thesis introduces a search for a new design of the frame for a permanent magnet generator mounted at a windmill. The objective of this work is to offer new design ideas for the stator frame - new concepts for connecting stator core to stator frame in a generator. Desired aims of new design concepts are: simplification of the structure production; decrease of material use; use of standard components; light weight of construction and etc. Thesis contains several new possible designs for the stator frame structure. Also, it has a list of possible connection concepts, which can be used to join the stator to the frame. All new ideas are described and compared according to its match to the desired purposes of the work. New design concepts are modeled using modern software. The main part of the Thesis contains several approximate computer models of the current and new offered constructions, description of loads and stress in the current stator frame. It has evaluation of the most important stress and load characteristics. The final design is a result of all previous research. It has a description of a new frame structure and joining concept for it. This structure matched main aims of work, but it does not have detailed design with dimensions and check calculations of the frame and welds. Thesis gives representation about design search, evaluation and comparison of new concepts of generator structure. Also, it gives general representation of renewable energy technology, knowledge about windmill turbines and its contents.

Design of Pulsed Electroacoustic Measurement System for Space Charge Characterisation

Pulsed electroacoustic (PEA) method is a commonly used non-destructive technique for investigating space charges. It has been developed since early 1980s. These days there is continuing interest for better understanding of the influence of space charge on the reliability of solid electrical insulation under high electric field. The PEA method is widely used for space charge profiling for its robust and relatively inexpensive features. The PEA technique relies on a voltage impulse used to temporarily disturb the space charge equilibrium in a dielectric. The acoustic wave is generated by charge movement in the sample and detected by means of a piezoelectric film. The spatial distribution of the space charge is contained within the detected signal. The principle of such a system is already well established, and several kinds of setups have been constructed for different measurement needs. This thesis presents the design of a PEA measurement system as a systems engineering project. The operating principle and some recent developments are summarised. The steps of electrical and mechanical design of the instrument are discussed. A common procedure for measuring space charges is explained and applied to verify the functionality of the system. The measurement system is provided as an additional basic research tool for the Corporate Research Centre of ABB (China) Ltd. It can be used to characterise flat samples with thickness of 0.2–0.5 mm under DC stress. The spatial resolution of the measurement is 20 μm.

Electromagnetic and thermal design of a multilevel converter with high power density and reliability

Electric energy demand has been growing constantly as the global population increases. To avoid electric energy shortage, renewable energy sources and energy conservation are emphasized all over the world. The role of power electronics in energy saving and development of renewable energy systems is significant. Power electronics is applied in wind, solar, fuel cell, and micro turbine energy systems for the energy conversion and control. The use of power electronics introduces an energy saving potential in such applications as motors, lighting, home appliances, and consumer electronics. Despite the advantages of power converters, their penetration into the market requires that they have a set of characteristics such as high reliability and power density, cost effectiveness, and low weight, which are dictated by the emerging applications. In association with the increasing requirements, the design of the power converter is becoming more complicated, and thus, a multidisciplinary approach to the modelling of the converter is required. In this doctoral dissertation, methods and models are developed for the design of a multilevel power converter and the analysis of the related electromagnetic, thermal, and reliability issues. The focus is on the design of the main circuit. The electromagnetic model of the laminated busbar system and the IGBT modules is established with the aim of minimizing the stray inductance of the commutation loops that degrade the converter power capability. The circular busbar system is proposed to achieve equal current sharing among parallel-connected devices and implemented in the non-destructive test set-up. In addition to the electromagnetic model, a thermal model of the laminated busbar system is developed based on a lumped parameter thermal model. The temperature and temperature-dependent power losses of the busbars are estimated by the proposed algorithm. The Joule losses produced by non-sinusoidal currents flowing through the busbars in the converter are estimated taking into account the skin and proximity effects, which have a strong influence on the AC resistance of the busbars. The lifetime estimation algorithm was implemented to investigate the influence of the cooling solution on the reliability of the IGBT modules. As efficient cooling solutions have a low thermal inertia, they cause excessive temperature cycling of the IGBTs. Thus, a reliability analysis is required when selecting the cooling solutions for a particular application. The control of the cooling solution based on the use of a heat flux sensor is proposed to reduce the amplitude of the temperature cycles. The developed methods and models are verified experimentally by a laboratory prototype.

Chassis frame design of a mobile platform equipped with robotic arms

The overall objective of the thesis is to design a robot chassis frame which is a bearing structure of a vehicle supporting all mechanical components and providing structure and stability. Various techniques and scientific principles were used to design a chassis frame.Design principles were applied throughout the process. By using Solid-Works software,virtual models was made for chassis frame. Chassis frame of overall dimension 1597* 800*950 mm3 was designed. Center of mass lieson 1/3 of the length from front wheel at height 338mm in the symmetry plane. Overall weight of the chassis frame is 80.12kg. Manufacturing drawing is also provided. Additionally,structural analysis was done in FEMAP which gives the busting result for chassis design by taking into consideration stress and deflection on different kind of loading resembling real life case. On the basis of simulated result, selected material was verified. Resulting design is expected to perform its intended function without failure. As a suggestion for further research, additional fatigue analysis and proper dynamic analysis can be conducted to make the study more robust.

The Design of Forest Taxation: A Synthesis with New Directions

Summary

Design of adjustable packaging line

Diplomityön tavoite oli tutkia, mitä toimintoja ja tekniikoita uusi, joustava kartonkipakkauslinja sisältää ja mitkä suuntaukset pakkausteollisuudessa tulevat olemaan tärkeitä tulevaisuudessa. Pakkauslinjan päätoimintoja tarkasteltiin nykyisten jatulevaisuuden tekniikoiden pohjalta. Erityisesti tarkasteltiin laser-sovellusten käytön mahdollisuutta pakkauslinjan eri osatoiminnoissa. Katsaus pakkausteollisuuden tulevaisuuden näkymiin luotiin kirjallisuuden ja aikaisempien tutkimusten pohjalta, minkä perusteella työssä oletetaan, että yksilölliset ja monitoimipakkaukset tulevat lisääntymään tulevaisuudessa. Eri tuotantoerien välillä olevat asetusajat tulee saada minimoitua, mutta millä keinoin joustavuus on saavutettavissa? Yksi ratkaisu pakkausten valmistamisessa on käyttää robottisolua, mikä on mahdollista luultavasti ainakin kuppimuotoisten pakkausten kohdalla. Muutenkin robotiikka on lisääntymässä pakkausteollisuudessa. Digitaalisten painotekniikoiden kehitys on mahdollistanut yksilölliset painatukset. Tulevaisuudessa painatus on mahdollista tehdä pakkauslinjan loppupäässä, jopa vasta täytön ja suljennan jälkeen. Laserleikkaus on jo nyt käytössä, mutta tulevaisuudessa myös saumaus ja perinteinen nuuttaus on mahdollista tehdä lasersovelluksia käyttäen. Kehittynyt, väyläpohjainen ohjausjärjestelmä on tulevaisuudessa välttämätön joustavassa pakkauslinjassa. Internetin välityksellä toimiva etäohjattu virheenkorjausdiagnostiikka tulee myös olemaan itsestäänselvyys tulevaisuudessa. Kustannussäästöjä voidaan saavuttaa käyttämälläpakkauslinjassa modulaarista rakennetta. Standardiosien ja standardiosajärjestelmien käyttäminen pienentää myös käyttö- ja huoltokustannuksia. Tärkeää on kuitenkin muistaa, ettei joustavuutta voida saavuttaa pelkästään yhtä ominaisuutta tai tekniikkaa hyödyntäen vaan monia menetelmiä yhdistäen. Suunniteltavan pakkauslinjan toiminta on myös hyvä varmistaa käyttäen apuna mallinnusta ja simulointia.

Design of an Embedded Computer Board for Networking Applications

Tämä diplomityö tehtiin Convergens Oy:lle. Convergens on elektroniikan suunnittelutoimisto, joka on erikoistunut sulautettuihin järjestelmiin sekä tietoliikennetekniikkaan. Diplomityön tavoitteena oli suunnitella tietokonekortti tietoliikennesovelluksia varten asiakkaalle, jolta vaatimusmäärittelyt tulivat. Työ on rajattu koskemaan laitteen prototyypin suunnittelua. Työssä suunnitellaan pääasiassa WLAN-tukiaseman tietokone. Tukiasema onasennettavissa toimistoihin, varastoihin, kauppoihin sekä myös liikkuvaan ajoneuvoon. Suunnittelussa on otettu nämä asiat huomioon, ja laitteen akun pystyy lataamaan muun muassa auton akulla. Langattomat tekniikat ovat voimakkaasti yleistymässä, ja tämän työn tukiasema tarjoaakin varteenotettavan vaihtoehdon lukuisilla ominaisuuksillaan. Mukana on mm. GPS, Bluetooth sekä Ethernet-valmius. Langattomien tekniikoiden lisäksi myös sulautetut järjestelmät ovat voimakkaasti yleistymässä, ja nykyään mikroprosessoreita löytääkin lähesmistä vain. Tässä projektissa käytetty prosessori on nopeutensa puolesta kilpailukykyinen, ja siitä löytyy useita eri rajapintoja. Jatkossa tietokonekortille on myös tulossa WiMAX-tuki, joka lisää tukiaseman tulevaisuuden arvoa asiakkaalle. Projektiin valittu Freescalen MPC8321E-prosessori on PowerPC-arkkitehtuuriin perustuva ja juuri markkinoille ilmestynyt. Tämä toi mukanaan lisähaasteen, sillä kyseisestä prosessorista ei ollut vielä kaikkea tietoa saatavilla. Mekaniikka toi omat haasteensa mukanaan, sillä se rajoitti piirilevyn koonniin, että ylimääräistä piirilevytilaa ei juurikaan jäänyt. Tämän takia esimerkiksi DDR-muistit olivat haastavia reitittää, sillä muistivetojen on oltava melko samanpituisia keskenään. Käyttöjärjestelmänä projektissa käytetään Linuxia. Suunnittelu alkoi keväällä 2007 ja toimiva prototyyppi oli valmis alkusyksystä. Prototyypin testaus osoitti, että tietokonekortti kykenee täyttämään kaikki asiakkaan vaatimukset. Prototyypin testauksessa löytyneet viat ja optimoinnit on tarkoitus korjata tuotantomalliin, joten se antaa hyvän pohjan jatkosuunnittelua varten.

Design of a Condition Monitoring System for a Glass Wool Production Line

Työn tarkoituksena oli suunnitella kunnonvalvontajärjestelmä kahdelle lasivillan tuotantolinjalle. Suunnitteluprosessin lisäksi työssä on esitelty erilaisia kunnonvalvontamenetelmiä. Työn alussa on kerrottu erilaisista kunnonvalvontamenetelmistä, joilla voidaan seurata erilaisten laitteiden ja koneiden toimintakuntoa.Erityisesti työssä on tarkasteltu teollisuudessa yleistyviä kunnonvalvonnan värähtelymittauksia. Työssä suunniteltu kunnonvalvontajärjestelmä perustuu viiteen eri menetelmään, jotka ovat värähtelymittaus, lämpötilanmittaus lämpökameralla, lämpötilanmittaus kannettavalla mittarilla, kuuntelu elektronisella stetoskoopilla ja pyörivien osien kunnontarkkailu stroboskoopilla. Kunnonvalvontajärjestelmän suunnittelu on tehty useassa eri vaiheessa. Ensin työssä on kartoitettu tuotannon kannalta tärkeimmät laitteet ja niiden mahdolliset vikaantumistavat. Seuraavaksi on valittu sopivat kunnonvalvontamenetelmät ja tehty mittaussuunnitelma, jossa on esitetty eri laitteille suoritettavat mittaukset ja mittausten aikavälit.Lopuksi työssä on esitelty muutama esimerkkitapaus kunnonvalvontamenetelmien käytöstä sekä kerrottu mahdollisista tulevaisuuden kehitysmahdollisuuksista.

Design of axial-flux permanent-magnet low-speed machines and performance comparison between radial-flux and axial-flux machines

This thesis presents an alternative approach to the analytical design of surface-mounted axialflux permanent-magnet machines. Emphasis has been placed on the design of axial-flux machines with a one-rotor-two-stators configuration. The design model developed in this study incorporates facilities to include both the electromagnetic design and thermal design of the machine as well as to take into consideration the complexity of the permanent-magnet shapes, which is a typical requirement for the design of high-performance permanent-magnet motors. A prototype machine with rated 5 kW output power at 300 min-1 rotation speed has been designed and constructed for the purposesof ascertaining the results obtained from the analytical design model. A comparative study of low-speed axial-flux and low-speed radial-flux permanent-magnet machines is presented. The comparative study concentrates on 55 kW machines with rotation speeds 150 min-1, 300 min-1 and 600 min-1 and is based on calculated designs. A novel comparison method is introduced. The method takes into account the mechanical constraints of the machine and enables comparison of the designed machines, with respect to the volume, efficiency and cost aspects of each machine. It is shown that an axial-flux permanent-magnet machine with one-rotor-two-stators configuration has generally a weaker efficiency than a radial-flux permanent-magnet machine if for all designs the same electric loading, air-gap flux density and current density have been applied. On the other hand, axial-flux machines are usually smaller in volume, especially when compared to radial-flux machines for which the length ratio (axial length of stator stack vs. air-gap diameter)is below 0.5. The comparison results show also that radial-flux machines with alow number of pole pairs, p < 4, outperform the corresponding axial-flux machines.

Design of User Authentication System for Multi-operator wireless LANs

Langattomat lähiverkot ovat viime vuosikymmeninä saavuttaneet suuren suosion. Tässä työssä käsitellään käyttäjien todentamisjärjestelmän suunnittelua ja kehitystä langattomaan monioperaattoriverkkoon. Langattomassa monioperaattoriverkossa käyttäjillä on mahdollisuus käyttää eri operaattoreiden palveluita. Aluksi käsitellään olemassa olevia todentamismenetelmiä ja -järjestelmiä. minkä jälkeen kuvaillaan todentamisjärjestelmä langattomille monioperaattoriverkoille. Todentamisjärjestelmän ratkaisuvaihtoehtoja esitellään kaksi, niin sanotut moni- istunto - ja yksittäisistuntomalli. Moni-istuntomalli on normaali lähestymistapa käyttäjien todentamiseen tietokonejärjestelmissä. Siinä käyttäjän pitää tunnistautua ja todentaa itsensä jokaiselle verkon palvelulle erikseen. Yksittäisistuntomallissa pyritään parempaan luotettavuuteen ja käytettävyyteen. Siinä käyttäjä todentaa itsensä vain kerran ja voi sen jälkeen päästä useisiin palveluihin. Työn loppuosassa kuvaillaan suunnitellun järjestelmän toteutusta. Lisäksi ehdotetaan vaihtoehtoisia toteutustapoja, analysoidaan järjestelmän heikkouksia ja kerrotaan jatkokehitysmahdoillisuuksista.

Design of flywheel generator for a diesel hybrid working machine

The aim of this work is to design a flywheel generator for a diesel hybrid working machine. In this work we perform detailed design of a generator. Mobile machines are commonly used in industry: road building machines, three harvesting machines, boring machines, trucks and other equipment. These machines work with a hydraulic drive system. This system provides good service property and high technical level. Manufacturers of mobile machines tend to satisfy all requirements of customers and modernized drive system. In this work also a description of the frequency inverter is present. Power electronics system is one of the basic parts for structures perform in the project.

Mechanical Design of Hydraulic Vise

The general task of clamping devise is to connect the parts to the machining centers so that the work piece could be fixed on its position during the whole machining process. Additionally, the work piece should be clamped easily and rapidly by the machine users. The purpose of this Master’s thesis project was to develop a product design and find out the dimensioning of a hydraulic vise system for Astex Engineering OY, which was taking care of the general principles of product design and development during the design process. Throughout the process, the needs of manufacturing and assembling were taken into consideration for the machinability and minimization of the cost of manufacturing. The most critical component of the clamping devise was modeled by FEM for the issue of strength requirements. This 3D model was created with Solidworks and FEM-analysis was done with Cosmos software. As the result of this design work, a prototype of the hydraulic vise was manufactured for Astex Engineering OY and the practical test.