Nosturin heilahduksenvaimennusjärjestelmässä esiintyvien häiriöiden tunnistaminen

Nykyaikaisissa nostureissa tehokkuutta lisätään automaation avulla. Yksi sovellus on parantaa kuorman hallintaa, tämä nopeuttaa työkiertoa ja helpottaa kuskin työtä. Järjestelmä voi myös vaikeuttaa ajamista, jos se ei toimi oikein. Työssä tutkittiin apukoneistolla toteutetun heilahduksenvaimennusjärjestelmän virheellistä toimintaa ja mistä virheellinen toiminta johtuu. Apuna käytettiin simulointimallia kyseisestä järjestelmästä. Häiriöiden tunnistukseen käytettiin tunnuslukuja, joista havaitaan virheellinen toiminta Simulointimallin avulla simuloitiin erilaisia häiriöitä, että niiden vaikutus tunnuslukuihin nähtiin. Tämän jälkeen nosturilla tehtiin työkiertoja joissa oli jokin simuloiduista häiriöistä ja mittauksista muodostettiin samoja tunnuslukuja kuin simulointituloksista ja tuloksia verrattiin keskenään. Kaikkia häiriötilanteita ei suoritettu nosturilla, koska nosturia olisi joutunut vioittamaan.

Eddy-current losses in rotor surface mounted permanent magnets

The aim of the work is to study the existing analytical calculation procedures found in literature to calculate the eddy-current losses in surface mounted permanent magnets within PMSM application. The most promising algorithms are implemented with MATLAB software under the dimensional data of LUT prototype machine. In addition finite elements analyze, utilized with help of Flux 2D software from Cedrat Ltd, is applied to calculate the eddy-current losses in permanent magnets. The results obtained from analytical methods are compared with numerical results.

Position sensorless electrically excited synchronous motor drive for industrial use based on direct flux linkage and torque control

Synchronous machines with an AC converter are used mainly in large drives, for example in ship propulsion drives as well as in rolling mill drives in steel industry. These motors are used because of their high efficiency, high overload capacity and good performance in the field weakening area. Present day drives for electrically excited synchronous motors are equipped with position sensors. Most drives for electrically excited synchronous motors will be equipped with position sensors also in future. This kind of drives with good dynamics are mainly used in metal industry. Drives without a position sensor can be used e.g. in ship propulsion and in large pump and blower drives. Nowadays, these drives are equipped with a position sensor, too. The tendency is to avoid a position sensor if possible, since a sensor reduces the reliability of the drive and increases costs (latter is not very significant for large drives). A new control technique for a synchronous motor drive is a combination of the Direct Flux Linkage Control (DFLC) based on a voltage model and a supervising method (e.g. current model). This combination is called Direct Torque Control method (DTC). In the case of the position sensorless drive, the DTC can be implemented by using other supervising methods that keep the stator flux linkage origin centered. In this thesis, a method for the observation of the drift of the real stator flux linkage in the DTC drive is introduced. It is also shown how this method can be used as a supervising method that keeps the stator flux linkage origin centered in the case of the DTC. In the position sensorless case, a synchronous motor can be started up with the DTC control, when a method for the determination of the initial rotor position presented in this thesis is used. The load characteristics of such a drive are not very good at low rotational speeds. Furthermore, continuous operation at a zero speed and at a low rotational speed is not possible, which is partly due to the problems related to the flux linkage estimate. For operation in a low speed area, a stator current control method based on the DFLC modulator (DMCQ is presented. With the DMCC, it is possible to start up and operate a synchronous motor at a zero speed and at low rotational speeds in general. The DMCC is necessary in situations where high torque (e.g. nominal torque) is required at the starting moment, or if the motor runs several seconds at a zero speed or at a low speed range (up to 2 Hz). The behaviour of the described methods is shown with test results. The test results are presented for the direct flux linkage and torque controlled test drive system with a 14.5 kVA, four pole salient pole synchronous motor with a damper winding and electric excitation. The static accuracy of the drive is verified by measuring the torque in a static load operation, and the dynamics of the drive is proven in load transient tests. The performance of the drive concept presented in this work is sufficient e.g. for ship propulsion and for large pump drives. Furthermore, the developed methods are almost independent of the machine parameters.

Kevyiden rakennemateriaalien soveltamismahdollisuudet metsäkoneissa

Asiakkaiden ympäristötietoisuus, metsäkoneille asetettavat korkeat vaatimukset ja kiristyvä kilpailu pakottavat metsäkoneiden valmistajat etsimään vaihtoehtoisia valmistusmateriaaleja, joita käyttämällä metsäkoneet kevenevät ja sitä kautta niiden ympäristökuormitukset ja käyttökustannukset alenevat ja kapasiteetti kasvaa. Metsäkoneiden rakenteiden keventämisessä alumiini on yksi varteenotettava vaihtoehto teräksen korvaajaksi, sillä alumiinin ominaisuus/paino -suhde on terästä parempi. Alumiinin käyttöä hitsatuissa rakenteissa ovat rajoittaneet sen korkea hinta ja melko huono väsymiskestävyys. Diplomityön tavoitteena on ollut selvittää mahdollisuuksia korvata metsäkoneiden rakenteista löytyviä teräksestä valmistettuja osia alumiinista valmistetuilla osilla. Diplomityön teoriaosassa on käsitelty rakenteiden keventämistä, metsäkoneille asetettavia vaatimuksia, alumiinien materiaaliominaisuuksia, alumiinirakenteiden valmistuksessa käytettäviä menetelmiä sekä alumiinirakenteiden suunnittelua. Lisäksi teoriaosassa on käsitelty komposiittien materiaaliominaisuuksia ja komposiittirakenteiden suunnittelua. Diplomityön kokeellisessa osassa on vertailtu nykyisiä rakennemateriaaleja ja alumiineja metsäkoneen eri osien rakennemateriaaleina osien vaatimusprofiileihin ja materiaalien ominaisuusprofiileihin perustuen. Vaatimusprofiilien perusteella on laadittu ominaisuusprofiilit alumiineille ja teräksille. Sovittamalla vaatimus- ja ominaisuusprofiilit yhteen arvoanalyysin avulla, metsäkoneista on etsitty mahdollisia kohteita, joissa nykyinen rakennemateriaali voitaisiin korvata alumiinilla. Tältä pohjalta metsäkoneista löytyi rakenteita, joissa alumiinin käyttö rakennemateriaalina teräksen sijaan olisi mahdollista. Diplomityö toimii hyvänä pohjana tutkittaessa mahdollisuuksia metsäkoneiden rakenteiden keventämiseksi.

Valmistuskustannusten arviointi ja kustannustiedon käyttö valmistusystävällisyyteen tähtäävässä tuotekehityksessä

Työn tarkoituksena oli tutkia menetelmiä koneiden valmistuskustannusten arvioimiseksi ja hyödyntää kustannustietoa tuotekehitysprosessissa. Taloudellisen suunnittelun menetelmäksi valittiin DFMA -menetelmä. DFMA -menetelmä on suunnittelustrategia, jonka tarkoituksena on ottaa huomioon suunniteltavan tuotteen valmistuskustannukset ja valmistettavuus mahdollisimman aikaisessa tuotekehitysprosessin vaiheessa. Työn soveltavassa osassa käsiteltiin Rauten uutta puristinlinjaa, jolle arvioitiin valmistuskustannukset. Jatkokehitys kohdennettiin kustannusten painopistealueisiin kokoonpanossa ja valituille kokoonpanoille tehtiin muutoksia valmistuskustannusten pienentämiseksi. Kehitetyille kokoonpanoille arvioitiin uudet valmistuskustannukset ja puristimen mekaanisissa osissa saatiin valmistuskustannuksia pienennetyksi n. 22,6 %, joka oli n. 8,5 % koko puristinlinjan yhteenlasketuista kokonaiskustannuksista. Valmistuskustannusten arvioiminen koneen jokaista komponenttia kohden todettiin olevan liian työlästä. Arviointityön helpottamiseksi alettiin kehittää kustannusten arviointijärjestelmää, jonka avulla koneen muuttuvat materiaali- ja osto-osista aiheutuvat kustannukset saataisiin arvioiduksi. Materiaali ja osto-osien kustannukset aiheuttavat yleensä suurimman osan koko koneen valmistuskustannuksista, joten muista valmistusvaiheista kuten kokoonpanosta, koneistuksesta jne. aiheutuvat kustannukset voidaan arvioida karkeammin.

Hybrid LC Filter for Power Electronic Drives: Theory and Implementation

Power electronic converter drives use, for the sake of high efficiency, pulse-width modulation that results in sequences of high-voltage high-frequency steep-edged pulses. Such a signal contains a set of high harmonics not required for control purposes. Harmonics cause reflections in the cable between the motor and the inverter leading to faster winding insulation ageing. Bearing failures and problems with electromagnetic compatibility may also result. Electrical du/dt filters provide an effective solution to problems caused by pulse-width modulation, thereby increasing the performance and service life of the electrical machines. It is shown that RLC filters effectively decrease the reflection phenomena in the cable. Improved (simple, but effective) solutions are found for both differential- and common-mode signals; these solutions use a galvanic connection between the RLC filter star point and the converter DC link. Foil chokes and film capacitors are among the most widely used components in high-power applications. In actual applications they can be placed in different parts of the cabinet. This fact complicates the arrangement of the cabinet and decreases the reliability of the system. In addition, the inductances of connection wires may prevent filtration at high frequencies. This thesis introduces a new hybrid LC filter that uses a natural capacitance between the turns of the foil choke based on integration of an auxiliary layer into it. The main idea of the hybrid LC filter results from the fact that both the foil choke and the film capacitors have the same roll structure. Moreover, the capacitance between the turns (“intra capacitance”) of the foil inductors is the reason for the deterioration of their properties at high frequencies. It is shown that the proposed filter has a natural cancellation of the intra capacitance. A hybrid LC filter may contain two or more foil layers isolated from each other and coiled on a core. The core material can be iron or even air as in the filter considered in this work. One of the foils, called the main foil, can be placed between the inverter and the motor cable. Other ones, called auxiliary foils, may be connected in star to create differential-mode noise paths, and then coupled to the DC link midpoint to guarantee a traveling path, especially for the common-mode currents. This way, there is a remarkable capacitance between the main foil and the auxiliary foil. Investigations showed that such a system can be described by a simple equivalent LC filter in a wide range of frequencies. Because of its simple hybrid construction, the proposed LC filter can be a cost-effective and competitive solution for modern power drives. In the thesis, the application field of the proposed filter is considered and determined. The basics of hybrid LC filter design are developed further. High-frequency behaviour of the proposed filter is analysed by simulations. Finally, the thesis presents experimental data proving that the hybrid LC filter can be used for du/dt of PWM pulses and reduction of common-mode currents.

Erikoissähkökoneen tyyppitestaus

Uusien erikoissähkökoneiden testaus perinteisten standardien mukaan on osittain haasteellista. Erikoissähkökoneille, kuten kestomagneettitahtikoneelle ei ole esitetty suoranaisia standardin vaatimia testejä, joten siihen joudutaan soveltamaan olemassa olevia erillismagnetoiduntahtikoneen standardeja. Testien tavoitteena on olla luotettavia sekä vertailukelpoisia. Mittausten on oltava toistettavissa. Mittaustavasta riippuen voidaan saada erilaisia tuloksia, jotka vaikuttavat lopputulokseen. Standardien mukaisessa testauksessa saadaan mittauksista samanlaisia ja samalla saadaan mittausvirheen mahdollisuus pienemmäksi ja tällä tavoin tulokset keskenään vertailukelpoisemmiksi. Tässä työssä tarkastellaan kahta erilaista erikoissähkokonetta, kestomagneettitahtikonetta ja massiiviroottoriepätahtikonetta. Työssä selvitetään standardin IEC 60034 soveltuvuutta tyyppitesteihin, joita kyseiset konetyypit vaativat. Lisäksi työssä vertaillaan standardin IEC 60034 mukaisen hyötysuhteen määrittämistä. Se antaakin useita vaihtoehtoja hyötysuhteen määrittämiselle.

Concentrated Winding Multiphase Permanent Magnet Machine Design and Electromagnetic Properties – Case Axial Flux Machine

Concentrated winding permanent magnet machines and their electromagnetic properties are studied in this doctoral thesis. The thesis includes a number of main tasks related to the application of permanent magnets in concentrated winding open slot machines. Suitable analytical methods are required for the first design calculations of a new machine. Concentrated winding machines differ from conventional integral slot winding machines in such a way that adapted analytical calculation methods are needed. A simple analytical model for calculating the concentrated winding axial flux machines is provided. The next three main design tasks are discussed in more detail in the thesis. The magnetic length of the rotor surface magnet machines is studied, and it is shown that the traditional methods have to be modified also in this respect. An important topic in this study has been to evaluate and minimize the rotor permanent magnet Joule losses by using segmented magnets in the calculations and experiments. Determination of the magnetizing and leakage inductances for a concentrated winding machine and the torque production capability of concentrated winding machines with different pole pair numbers are studied, and the results are compared with the corresponding properties of integral slot winding machines. The thesis introduces a new practical permanent magnet motor type for industrial use. The special features of the machine are based on the option of using concentrated winding open slot constructions of permanent magnet synchronous machines in the normal speed ranges of industrial motors, for instance up to 3000 min-1, without excessive rotor losses. By applying the analytical equations and methods introduced in the thesis, a 37 kW 2400 min-1 12-slot 10-pole axial flux machine with rotor-surfacemounted magnets is designed. The performance of the designed motor is determined by experimental measurements and finite element calculations.

Sopimusvalmistajan tarjouslaskentamallin kehittäminen monituoteympäristöön

Työn tavoitteena oli luoda yhtenäinen, tehokas ja helppokäyttöinen tarjouslaskentamalli sopimusvalmistajan käyttöön. Konsernin käytössä oli aiemmin neljä erilaista tarjouslaskentamallia ja niitä oli erittäin vaikea vertailla keskenään, eikä niillä voitu laskea tarjouksia kaikille tehtaille. Työ jakautuu kirjallisuuskatsaukseen ja empiiriseen osaan. Kirjallisuuskatsauksessa käsitellään erilaisia hinnoitteluvaihtoehtoja, kustannuslaskennan roolia ja kustannuslaskentamenetelmiä. Empiirinen osa koostuu tarjouslaskennan nykytilan analysoinnista, uuden tarjouslaskentamallin rakentamisesta sekä kehitetyn tarjouslaskentamallin toimintakuvauksesta. Tarjouslaskentamallin pohjaksi valittiin kustannusperusteinen hinnoittelu, koska sitä oli käytetty aikaisemminkin ja se oli koettu hyväksi. Kustannusperusteisen tarjouslaskentamallin pohjaksi luotiin yhtenäiset työ – ja konetuntihinnat koko konserniin. Konetuntihinnat laskettiin 28 koneelle. Konetuntihintoja analysoitiin ja ryhmiteltiin siten, että päädyttiin 16 konelisän käyttöön. Tarjouslaskentamalli käsittelee vain valmistuksen kustannuksia eikä ota kantaa hallintokustannusten syntyyn. Yhtenäinen tarjouslaskentamalli helpottaa eri myyntimiesten tekemien tarjousten vertailua ja mahdollistaa tuotteiden myynnin useille tehtaille. Tarjouslaskentamalli toteutettiin taulukkolaskentaohjelmalla.

Hitsaustoiminnan käynnistäminen pk-alihankintakonepajassa

Tämä diplomityö on tehty HT Laser Oy:n Vieremän tehtaan hitsaustoiminnan käynnistämisen yhteydessä. Diplomityön tavoitteena oli hitsaustoiminnan käynnistämisen kustannusten minimointi ja hitsattavien tuotteiden myynti- ja valmistusprosessin luominen. Työn teoriaosassa on esitelty hitsauslaitteistolle asetettavia vaatimuksia, hitsauskustannuksiin vaikuttavia tekijöitä, tuotantojärjestelmiä, tuotannon ohjausmenetelmiä, laadunhallintaa, henkilöstöasioita, osavalmistusta, hitsauksen hinnoittelua ja tilauskäsittelyä. Ensisijaisesti työssä on tavoiteltu sujuvan ja tuloksellisen tilaus/tarjouskäsittelyprosessin luomista. Tämä on nähty edellytyksenä ongelmattomalle tuotannolle ja hyvälle toimitusvarmuudelle. Työssä on luotu malli tarjousvaiheessa läpikäytävälle esikatselmukselle, jota on esitelty kahden case -esimerkin avulla. Case -esimerkeissä on käsitelty myös tuotteiden valmistukseen ja hinnoitteluun liittyviä asioita ja ongelmia sekä näiden ratkaisuja.

Diagnostiikkayksikön kehittäminen rautatiesovellukseen

Suomessa rautatiellä käytetään muutamia tuhansia sähköisesti ohjattavia vaihteita, joiden toiminta varmistetaan määräajoin tehtävillä huolloilla. Työssä on tutkittu, onko kehitteillä olevalla vaihteenohjaimella mahdollista mitata ja analysoida vaihteen kunnonvalvontaan liittyviä suureita. Tutkimuksessa on tutustuttu rautatietekniikkaan sekä vaihdetta ohjaavaan vaihteenkääntölaitteeseen. Tutkimuksen perusteella on kehitetty sulautettuun järjestelmään perustuva mittaus- ja analysointijärjestelmäsovellus, joka tekee mittauksia, havaintoja ja johtopäätöksiä vaihteen toiminnasta. Mittaukset on suoritettu moottoria ohjaavista johtimista ja mittaustulokset on tallennettu analysointia ja jatkokäsittelyä varten. Ohjelmiston toimintaa on varmistettu mittauksilla sekä laboratorio-olosuhteissa että oikealla vaihteella testausympäristössä. Saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että kehitetyllä laitteistolla on mahdollista toteuttaa vaihdetta diagnosoivia mittauksia riittävän laadukkaasti ja tarkasti. Työssä kehitetty järjestelmäalusta soveltuu käytettäväksi vaihteen diagnostiikan jatkokehittämiselle.

Koneinvestoinnin suunnittelu valmistavaan teollisuuteen

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutustua ohutlevyjen nykyaikaisiin koneellisiin leikkausmenetelmiin ja tutkia niiden soveltuvuutta yrityksen tarpeisiin. Kohdeyrityksessä investoinnin tarve jakautui tuottavuusinvestoinnin, korvausinvestoinnin ja strategisen investoinnin kesken. Tavoitteena oli luoda investointipolku, jonka avulla poissuljettiin menetelmät, jotka eivät soveltuneet yrityksen tuotantoon. Työn kirjallisuusosuudessa tarkastellaan teoriatietoja, jotka liittyvät yleisesti nykyaikaisiin ohutlevyjen leikkausmenetelmiin sekä investointiprojektin suunnitteluun ja toteutuksen teoriaan. Lisäksi käsitellään investointeihin liittyviä kannattavuus- ja kustannuslaskennan perusperiaatteita. Työn empiirisessä osassa selvitettiin yrityksen ohutlevyosien valmistuksen periaatteita nykytila-analyysin avulla. Tämän perusteella määritettiin nykyaikaisista markkinoilla olevista menetelmistä yritykselle soveltuvin. Tutkimuksen perusteella laserleikkaus oli menetelmistä soveltuvin. Perusinvestoinniltaan laser oli vaihtoehtoisista menetelmistä kallein, mutta se soveltui käytettävyyden, tehokkuuden, joustavuuden ja muiden ominaisuuksiensa perusteella parhaiten tuotannon tarpeisiin. Työn merkittävimmät tulokset osoittivat, että investoinnin kannattavuus riippui koneelle saatavasta käyttösuhteesta. Uusien koneiden tehokkuus lyhentäisi tuotannon läpimenoaikoja, mutta ilman riittävää kapasiteetin käyttöastetta kappaleiden omakustannusarvo nousisi. Lopputulokset ja suositukset on esitetty työn lopussa.

Autosimulaattoripeleihin soveltuvan kaksiakselisen liikealustan kehittäminen

Työssä kehitettiin kohtuuhintainen ja suorituskyvyltään riittävä autosimulaattoripelikäyttöön soveltuva liikealusta. Työssä tutustuttiin aluksi markkinoilla oleviin liikealustaratkaisuihin. Työssä selvitettiin myös liikealustaa koskevia turvallisuusmääräyksiä. Kehittäminen alkoi liikealustan vaatimusten määrittelyllä ja kuormituksien simuloinnilla. Runkorakenteet mitoitettiin kestämään simuloituja rasituksia. Liikealustan toimilaitteet valittiin simulointitulosten perusteella. Työssä suunniteltiin myös liikealustan ohjausjärjestelmä. Mekaanisien osien ja voimansiirron mitoittamisen jälkeen suoritettiin osien yksityiskohtainen suunnittelu. Alihankkijat valmistivat osat ja ne koottiin Älykkäiden koneiden laboratoriossa. Järjestelmän kokoamisen jälkeen viritettiin säätäjät ja testattiin liikealustan toimivuutta. Kehitettyä liikealustaa on käytetty muutamissa tapahtumissa. Asetetut tavoitteet saavutettiin ja liikealusta soveltuu kokemuksien perusteella hyvin rata-autosimulaattoripelien kanssa käytettäväksi.

Polymeeripinnoitteen aiheuttamat itseherätteiset värähtelyt nipillisessä telasysteemissä

Lukuisissa teollisuussovelluksissa materiaalien, kuten paperin ja teräslevyjen, muokkaamiseen käytettävät pyörivät nippitelat kärsivät aina erilaisten herätteiden synnyttämistä mekaanisista värähtelyistä, jotka voivat aiheuttaa virheitä valmistettaviin tuotteisiin. Tässä työssä tutkittiin viskoelastisia polymeerejä ja polymeeripinnoitteen nipilliseen telasysteemiin synnyttämiä haitallisia itseherätteisiä värähtelyjä. Työn polymeerejä käsittelevässä kirjallisuusosassa luotiin katsaus amorfisten polymeerien fysikaalisiin ominaisuuksiin. Kokeellisessa osuudessa tutkittiin tarkemmin kahden amorfisen telapinnoitepolymeerin termoreologisia ja mekaanisia ominaisuuksia suoritettujen DMTA-mittausten perusteella. Sovittamalla toisen polymeerin master-käyrään yleistetty lineaarisen standardiaineen malli saatiin selville polymeerin mekaaniset parametrit ja approksimaatio sen relaksaatiospektrille. Telapinnoitteen nipilliseen systeemiin synnyttämiä itseherätteisiä värähtelyjä ja niiden seurauksia tarkasteltiin kahdelle telalle ja polymeeripinnoitteelle kehitetyn analyyttisen mallin ja numeeristen laskujen avulla. Pinnoite mallinnettiin lineaarisen standardiaineen mukaisesti. Telasysteemin parametrit määritettiin DMTA-mittaustuloksista ja systeemiä vastaavasta koelaitteesta kokeellisella moodianalyysillä ja elementtimenetelmällä. Numeerisesta stabiilisuusanalyysistä ja liikeyhtälöiden integroinneista saadut tulokset kertovat telapinnoitteen aaltomaisista deformaatiomuodoista ja niiden synnyttämistä taajuusalueittain esiintyvistä epästabiileista värähtelyistä. Telasysteemi on epästabiili pinnoitedeformaatiokuvion systeemiin aiheuttaman herätevoiman taajuuden ollessa lähellä systeemin korkeampaa ominaistaajuutta. Numeerisista tuloksista voitiin ennustaa nopean ja hitaan barringin olemassaolo.

Applications and Markets of Linear Motors

A steady increase in practical industrial applications has secured a place for linear motors. They provide high dynamics and high positioning accuracy of the motor, high reliability and durability of all components of the system. Machines with linear motors have very big perspectives in modern industry. This thesis enables to understand what a linear motor is, where they are used and what situation there is on their market nowadays. It can help to understand reasonability of applying linear motors on manufacture and benefits of its application.