Fractional slot permanent magnet synchronous motors for low speed applications

This study compares different rotor structures of permanent magnet motors with fractional slot windings. The surface mounted magnet and the embedded magnet rotor structures are studied. This thesis analyses the characteristics of a concentrated two-layer winding, each coil of which is wound around one tooth and which has a number of slots per pole and per phase less than one (q < 1). Compared to the integer slot winding, the fractional winding (q < 1) has shorter end windings and this, thereby, makes space as well as manufacturing cost saving possible. Several possible ways of winding a fractional slot machine with slots per pole and per phase lessthan one are examined. The winding factor and the winding harmonic components are calculated. The benefits attainable from a machine with concentrated windingsare considered. Rotor structures with surface magnets, radially embedded magnets and embedded magnets in V-position are discussed. The finite element method isused to solve the main values of the motors. The waveform of the induced electro motive force, the no-load and rated load torque ripple as well as the dynamic behavior of the current driven and voltage driven motor are solved. The results obtained from different finite element analyses are given. A simple analytic method to calculate fractional slot machines is introduced and the values are compared to the values obtained with the finite element analysis. Several different fractional slot machines are first designed by using the simple analytical methodand then computed by using the finite element method. All the motors are of thesame 225-frame size, and have an approximately same amount of magnet material, a same rated torque demand and a 400 - 420 rpm speed. An analysis of the computation results gives new information on the character of fractional slot machines.A fractional slot prototype machine with number 0.4 for the slots per pole and per phase, 45 kW output power and 420 rpm speed is constructed to verify the calculations. The measurement and the finite element method results are found to beequal.

Permanent magnet synchronous motor for industrial inverter applications - analysis and design

During the latest few years the need for new motor types has grown, since both high efficiency and an accurate dynamic performance are demanded in industrial applications. For this reason, new effective control systems such as direct torque control (DTC) have been developed. Permanent magnet synchronous motors (PMSM) are well suitable for new adjustable speed AC inverter drives, because their efficiency and power factor are not depending on the pole pair number and speed to the same extent as it is the case in induction motors. Therefore, an induction motor (IM) with a mechanical gearbox can often be replaced with a direct PM motor drive. Space as well as costs will be saved, because the efficiency increases and the cost of maintenance decreases as well. This thesis deals with design criterion, analytical calculation and analysis of the permanent magnet synchronous motor for both sinusoidal air-gap flux density and rectangular air-gapflux density. It is examined how the air-gap flux, flux densities, inductances and torque can be estimated analytically for salient pole and non-salient pole motors. It has been sought by means of analytical calculations for the ultimate construction for machines rotating at relative low 300 rpm to 600 rpm speeds, which are suitable speeds e.g. in Pulp&Paper industry. The calculations are verified by using Finite Element calculations and by measuring of prototype motor. The prototype motor is a 45 kW, 600 rpm PMSM with buried V-magnets, which is a very appropriate construction for high torque motors with a high performance. With the purposebuilt prototype machine it is possible not only to verify the analytical calculations but also to show whether the 600 rpm PMSM can replace the 1500 rpm IM with a gear. It can also be tested if the outer dimensions of the PMSM may be the same as for the IM and if the PMSM in this case can produce a 2.5 fold torque, in consequence of which it may be possible to achieve the same power. The thesis also considers the question how to design a permanent magnet synchronous motor for relatively low speed applications that require a high motor torqueand efficiency as well as bearable costs of permanent magnet materials. It is shown how a selection of different parameters affects the motor properties. Key words: Permanent magnet synchronous motor, PMSM, surface magnets, buried magnets

Gas-liquid mass transfer in bubbly flow: Estimation of mass transfer, bubble size and reactor performance in various applications

Gas-liquid mass transfer is an important issue in the design and operation of many chemical unit operations. Despite its importance, the evaluation of gas-liquid mass transfer is not straightforward due to the complex nature of the phenomena involved. In this thesis gas-liquid mass transfer was evaluated in three different gas-liquid reactors in a traditional way by measuring the volumetric mass transfer coefficient (kLa). The studied reactors were a bubble column with a T-junction two-phase nozzle for gas dispersion, an industrial scale bubble column reactor for the oxidation of tetrahydroanthrahydroquinone and a concurrent downflow structured bed.The main drawback of this approach is that the obtained correlations give only the average volumetric mass transfer coefficient, which is dependent on average conditions. Moreover, the obtained correlations are valid only for the studied geometry and for the chemical system used in the measurements. In principle, a more fundamental approach is to estimate the interfacial area available for mass transfer from bubble size distributions obtained by solution of population balance equations. This approach has been used in this thesis by developing a population balance model for a bubble column together with phenomenological models for bubble breakage and coalescence. The parameters of the bubble breakage rate and coalescence rate models were estimated by comparing the measured and calculated bubble sizes. The coalescence models always have at least one experimental parameter. This is because the bubble coalescence depends on liquid composition in a way which is difficult to evaluate using known physical properties. The coalescence properties of some model solutions were evaluated by measuring the time that a bubble rests at the free liquid-gas interface before coalescing (the so-calledpersistence time or rest time). The measured persistence times range from 10 msup to 15 s depending on the solution. The coalescence was never found to be instantaneous. The bubble oscillates up and down at the interface at least a coupleof times before coalescence takes place. The measured persistence times were compared to coalescence times obtained by parameter fitting using measured bubble size distributions in a bubble column and a bubble column population balance model. For short persistence times, the persistence and coalescence times are in good agreement. For longer persistence times, however, the persistence times are at least an order of magnitude longer than the corresponding coalescence times from parameter fitting. This discrepancy may be attributed to the uncertainties concerning the estimation of energy dissipation rates, collision rates and mechanisms and contact times of the bubbles.

Induction motor versus permanent magnet synchronous motor in motion control applications: a comparative study

High dynamic performance of an electric motor is a fundamental prerequisite in motion control applications, also known as servo drives. Recent developments in the field of microprocessors and power electronics have enabled faster and faster movements with an electric motor. In such a dynamically demanding application, the dimensioning of the motor differs substantially from the industrial motor design, where feasible characteristics of the motor are for example high efficiency, a high power factor, and a low price. In motion control instead, such characteristics as high overloading capability, high-speed operation, high torque density and low inertia are required. The thesis investigates how the dimensioning of a high-performance servomotor differs from the dimensioning of industrial motors. The two most common servomotor types are examined; an induction motor and apermanent magnet synchronous motor. The suitability of these two motor types indynamically demanding servo applications is assessed, and the design aspects that optimize the servo characteristics of the motors are analyzed. Operating characteristics of a high performance motor are studied, and some methods for improvements are suggested. The main focus is on the induction machine, which is frequently compared to the permanent magnet synchronous motor. A 4 kW prototype induction motor was designed and manufactured for the verification of the simulation results in the laboratory conditions. Also a dynamic simulation model for estimating the thermal behaviour of the induction motor in servo applications was constructed. The accuracy of the model was improved by coupling it with the electromagnetic motor model in order to take into account the variations in the motor electromagnetic characteristics due to the temperature rise.

Moment Operators of Observables in Quantum Mechanics, with Applications to Quantization and Homodyne Detection

The questions studied in this thesis are centered around the moment operators of a quantum observable, the latter being represented by a normalized positive operator measure. The moment operators of an observable are physically relevant, in the sense that these operators give, as averages, the moments of the outcome statistics for the measurement of the observable. The main questions under consideration in this work arise from the fact that, unlike a projection valued observable of the von Neumann formulation, a general positive operator measure cannot be characterized by its first moment operator. The possibility of characterizing certain observables by also involving higher moment operators is investigated and utilized in three different cases: a characterization of projection valued measures among all the observables is given, a quantization scheme for unbounded classical variables using translation covariant phase space operator measures is presented, and, finally, a mathematically rigorous description is obtained for the measurements of rotated quadratures and phase space observables via the high amplitude limit in the balanced homodyne and eight-port homodyne detectors, respectively. In addition, the structure of the covariant phase space operator measures, which is essential for the above quantization, is analyzed in detail in the context of a (not necessarily unimodular) locally compact group as the phase space.

Are Evaluation of ICTs Investment Using Decision Support Systems:Case Applications from Distributor's and End User's Perspective Group Decision

The evaluation of investments in advanced technology is one of the most important decision making tasks. The importance is even more pronounced considering the huge budget concerning the strategic, economic and analytic justification in order to shorten design and development time. Choosing the most appropriate technology requires an accurate and reliable system that can lead the decision makers to obtain such a complicated task. Currently, several Information and Communication Technologies (ICTs) manufacturers that design global products are seeking local firms to act as their sales and services representatives (called distributors) to the end user. At the same time, the end user or customer is also searching for the best possible deal for their investment in ICT's projects. Therefore, the objective of this research is to present a holistic decision support system to assist the decision maker in Small and Medium Enterprises (SMEs) - working either as individual decision makers or in a group - in the evaluation of the investment to become an ICT's distributor or an ICT's end user. The model is composed of the Delphi/MAH (Maximising Agreement Heuristic) Analysis, a well-known quantitative method in Group Support System (GSS), which is applied to gather the average ranking data from amongst Decision Makers (DMs). After that the Analytic Network Process (ANP) analysis is brought in to analyse holistically: it performs quantitative and qualitative analysis simultaneously. The illustrative data are obtained from industrial entrepreneurs by using the Group Support System (GSS) laboratory facilities at Lappeenranta University of Technology, Finland and in Thailand. The result of the research, which is currently implemented in Thailand, can provide benefits to the industry in the evaluation of becoming an ICT's distributor or an ICT's end user, particularly in the assessment of the Enterprise Resource Planning (ERP) programme. After the model is put to test with an in-depth collaboration with industrial entrepreneurs in Finland and Thailand, the sensitivity analysis is also performed to validate the robustness of the model. The contribution of this research is in developing a new approach and the Delphi/MAH software to obtain an analysis of the value of becoming an ERP distributor or end user that is flexible and applicable to entrepreneurs, who are looking for the most appropriate investment to become an ERP distributor or end user. The main advantage of this research over others is that the model can deliver the value of becoming an ERP distributor or end user in a single number which makes it easier for DMs to choose the most appropriate ERP vendor. The associated advantage is that the model can include qualitative data as well as quantitative data, as the results from using quantitative data alone can be misleading and inadequate. There is a need to utilise quantitative and qualitative analysis together, as can be seen from the case studies.

Disaster recovery of business critical 3-tiered ERP applications: Disaster Recovery of Nokia Groups SAP R/3

Nykyaikaisessa liiketoimintaympäristössä yritysten kriittisiksi resursseiksi ovat muodostuneet liiketoimintaa tukevat tietojärjestelmät. Mahdollisuus hyödyntää näitä resursseja riippuu ko. liiketoiminnalle kriittisten järjestelmien luotettavuudesta ja hyödynnettävien sovellusten saatavuudesta. Eräs tilanne jossa järjestelmien kyky tukea todellisia liiketoimintaprosesseja vaarantuu on katastrofi. Vaikutukseltaan katastrofi voi olla paikallinen tai kattaa laajojakin alueita. Eri tyyppisiin katastrofeihin on varauduttava niiden edellyttämin tavoin. Eräs kriittisten tietojärjestelmien arkkitehtuuriin vaikuttanut trendi 90-luvulla on ollut client/server lähestymistapa. Client/server paradigman mukaan sovellus jaetaan tasoihin siten että esitys-, sovellus- ja tietokantakerrokset voidaan erottaa fyysisesti toisistaan näiden silti muodostaessa loogisesti yhtenäisen kokonaisuuden. Liiketoiminnan näkökulmasta 90- luvun mullistavia IT-uutuuksia olivat toiminnanohjausjärjestelmät, joiden avulla oli mahdollista hallita koko tuotantoketjua ja muita prosessikokonaisuuksia lähes reaaliajassa. Monikerroksisten toiminnanohjausjärjestelmien luotettavuus on osoittautunut haastavavaksi sillä kaikkien kerrosten suojaaminen kaikilta mahdollisilta katastrofeilta täydellisesti on nykyisellä teknologialla mahdotonta. Kompromissien tekemiseksi on oltava selvillä kunkin menetetyn prosessin aiheuttamista taloudellisista ja liiketoiminnallisista vaikutuksista. Tämän vuoksi juuri toiminnanohjausjärjestelmät ovat mielenkiintoisia, vaikuttavathan ne liiketoimintaprosesseihin läpi koko yrityksen prosessiketjun. Monikerroksisten client/server arkkitehtuuriin pohjautuvien toiminnanohjausjärjestelmien suojaamisessa katastrofeilta onkin sovellettava useita tekniikoita ja teknologioita, ja yhdistettävä kokonaisuus prosessikehykseen. Näin voidaan luoda suunnitelmallinen osa IT strategiaa, joka ottaa kantaa liiketoiminnan jatkuvuuteen katastrofitilanteessa ja mahdollistaa nopean ja täydellisen palautumisen kaikissa olosuhteissa.

Component Architecture for Context-Aware Applications

Mobiililaitteisiin tehdyt sovellukset ovat nykyään laajassa käytössä. Mobiilisovellukset tarjoavat käyttäjälleen usein tietyn ennalta määritellyn toiminnallisuuden eivätkä ne pysty mukautumaan vaihtelevaan käyttöympäristöönsä. Jos sovellus olisi tietoinen käyttöympäristöstään ja sen muutoksista, se voisi tarjota käyttäjälleen tilanteeseen sopivia ominaisuuksia. Käyttöympäristöstään tietoiset hajautetut sovellukset tarvitsevat kuitenkin huomattavasti perinteisiä sovelluksia monimutkaisemman arkkitehtuurin toimiakseen. Tässä työssä esitellään hajautetuille ja kontekstitietoisille sovelluksille tarkoitettu ohjelmistoarkkitehtuuri. Työ perustuu Oulun yliopiston CAPNET-tutkimusprojektissa kehitettyyn, mobiilisovelluksille tarkoitettuun arkkitehtuuriin. Tämän työn tarkoituksena on tarjota ratkaisuja niihin puutteisiin, jotka tulivat esille CAPNET-arkkitehtuurin kehitys- ja testausvaiheessa. Esimerkiksi arkkitehtuurin komponenttien määrittelyä tulisi tarkentaa ja ne tulisi jakaa horisontaalisiin kerroksiin niiden ominaisuuksien ja alustariippuvuuden mukaisesti. Työssä luodaan katsaus olemassa oleviin teknologioihin jotka tukevat hajautettujen ja kontekstitietoisten järjestelmien kehittämistä. Myös niiden soveltumista CAPNET-arkkitehtuuriin analysoidaan. Työssä esitellään CAPNET-arkkitehtuuri ja ehdotetaan uutta arkkitehtuuria ja komponenttien kerrosjaottelua. Ehdotuksessa arkkitehtuurin komponentit ja järjestelmän rakenne määritellään ja mallinnetaan UML-menetelmällä. Työn tuloksena on arkkitehtuurimäärittely, joka jakaa nykyisen arkkitehtuurin komponentit kerroksiin. Komponenttien rajapinnat on määritelty selkeästi ja tarkasti. Työ tarjoaa myös projektiryhmälle hyvän lähtökohdan uuden arkkitehtuurin suunnittelulle ja toteuttamiselle.

Wireless e-Business Applications - Methods for Forecasting the Demand of Wireless Services and Technologies

Tämä tutkimus oli osa sähköistä liiketoimintaa ja langattomia sovelluksia tutkivaa projektia ja tutkimuksen tavoitteena oli selvittää ennustamisen rooli päätöksenteko- ja suunnitteluprosessissa ja määrittää parhaiten soveltuvat ja useimmin käytetyt teknologian ennustusmenetelmät. Ennustusmenetelmiä tarkasteltiin erityisesti uuden teknologian ja pitkän aikavälin ennustamisen näkökulmasta. Tutkimus perustui teknologista ennustamista, pitkän aikavälin suunnittelua ja innovaatioprosesseja käsittelevän kirjallisuuden analysointiin. Materiaalin perusteella kuvataan teknologian ennustamista informaation hankkimisvälineenä organisaatioiden suunnitteluprosessin apuna. Työssä arvioidaan myös seuraavat teknologisen ennustamisen menetelmät: trendianalyysi-, Delfoi-, cross-impact analyysi-, morfologinen analyysi- ja skenaario analyysimenetelmä. Työ tuo esille jokaisen ennustusmenetelmä ominaispiirteet, rajoitukset ja sovellusmahdollisuudet. Käyttäen esiteltyjä menetelmiä, saadaan kerättyä hyödyllistä informaatiota tulevaisuuden näkymistä, joita sitten voidaan käyttää hyväksi organisaatioiden suunnitteluprosesseissa.

Web user interface architecture for advanced planning and scheduling systems Case: Nokia Demand / Supply Planning Applications

In modem hitec industry Advanced Planning and Scheduling (APS) systems provide the basis for e-business solutions towards the suppliers and the customers. One objective of this thesis was to clarify the modem supply chain management with the APS systems and especially concentrate on the area of Collaborative Planning. In order Advanced Planning and Scheduling systems to be complete and usable, user interfaces are needed. Current Visual Basic user interfaces have faced many complaints and arguments from the users as well as from the development team. This thesis is trying to analyze the reasons and causes for the encountered problems and also provide ways to overcome them. The decision has been made to build the new user interfaces to be Web-enabled. Therefore another objective of this thesis was to research and find suitable technologies for building the Web-based user interfaces for Advanced Planning and Scheduling Systems in Nokia Demand/Supply Planning business area. Comparison between the most suitable technologies is made. Usability issues of Web-enabled user interfaces are also covered. The empirical part of the thesis includes design and implementation of a Web-based user interface with the chosen technology for a particular APS module that enables Collaborative Planning with suppliers.

Measurement systems in wall production applications

Tässä tutkimuksessa kehitettiin prototyyppi betonielementin dimension mittaus järjestelmästä. Tämä järjestelmä mahdollistaa kolmiulotteisen kappaleen mittauksen. Tutkimuksessa kehitettiin myös stereonäköön perustuva kappaleen mittaus. Prototyyppiä testailin ja tulokset osoittautuivat luotettaviksi. Tutkimuksessa selvitetään ja vertaillaan myös muita lähestymistapoja ja olemassa olevia järjestelmiä kappaleen kolmiuloitteiseen mittaukseen, joita Suomalaiset yhtiöt käyttävät tällä alalla.

Wireless Network Technologies and Terminals for Mobile Applications

Viimeaikainen langattomien teknologioiden kehitys ja evoluutio johtaa uusiin mahdollisuuksiin business-to-business-teollisuussovellusten laatimisessa. Tämän työn tavoite on tutkia teknisten puitteiden ja perustan sekä teknologisen ennustamisen prosessia innovatiivisten langattomien sovellusten kehitysprosessissa. Työ keskittyy langattomiin teknologioihin - verkkoihin ja päätelaitteisiin. Työssä selvitetään saatavilla olevia ja tulevia langattomia verkkoteknologioita ja mobiilipäätelaitteita, arvioidaan niiden päätyypit, ominaisuudet, rajoitteet ja kehitystrendit, sekä määritellään pääasialliset tekniset ominaisuudet, jotka on huomioitava luotaessa langatonta ratkaisua. Tämä tieto vedetään yhteen jatkokäyttöä varten langattomien sovellusten päätelaitetietokantaan rakentamisen aikana. Työ tarjoaa kuvauksen päätelaitetietokannan suunnittelusta ja rakentamisesta sekä tutkii tietokantaa innovatiivisen esimerkkisovelluksen - Reaaliaikaisen On-Line Asiakaspalvelun - avulla.

Load and Performance Testing of Web Applications on Service Based Environments

Suorituskyky- ja kuormitustestien tekeminen sovelluksille on erittäin tärkeä osa tuotantoprosessia nykypäivänä. Myös Web-sovelluksia testataan yhä enemmän. Tarve suorituskyky- ja kuormitustestien tekemiselle on selvä. Testattavan ympäristön tämänhetkinen, mutta myös tulevaisuuden toimivuus taataan oikein tehdyillä testeillä ja niitä seuraavilla korjaustoimenpiteillä. Suurten käyttäjämäärien testaaminen manuaalisesti on kuitenkin hyvin vaikeaa. Sirpaleisen ympäristön, kuten palveluihin perustuvien Web-sovellusympäristöjen testaaminen on haaste. Tämän työn aiheena on arvioida työkaluja ja menetelmiä, joilla raskaita teollisia Web-sovelluksia voidaan testata. Tavoitteena on löytää testausmenetelmiä, joilla voidaan luotettavasti simuloida suuria käyttäjämääriä. Tavoitteena on myös arvioida erilaisten yhteyksien ja protokollien vaikutusta Web-sovelluksen suorituskykyyn.

Wireless E-Business Applications in ICT Industry

Sähköisen liiketoiminnan sovelluksia on voitu toistaiseksi käyttää useimmissa tapauksissa vain langallisen yhteyden kautta. Uudet langattomat teknologiat, jotka ovat kehittyneet nopeasti muutaman viimeisen vuoden aikana, mahdollistavat näiden sovellusten käytön ajasta ja paikasta riippumatta. Tämän työn tavoitteena oli tutkia langattomien sähköisen liiketoiminnan sovellusten käyttöä ja hyötyjä tieto- ja viestintäteollisuudessa. Työssä keskitytään tutkimaan tätä tietotekniikan evoluutioaskelta yksittäisen yrityksen kannalta: rajoittuen omassa toiminnassa käytettäviin sovelluksiin. Tutkimus luo viitekehyksen mobiilisuuden evoluutioon, uuden tietotekniikan vaikutuksiin ja hyötyihin sekä tarkemmin langattomiin sähköisen liiketoiminnan sovelluksiin. Tätä viitekehystä käytetään analysoitaessa nykyistä käyttöä tutkimuksen kohteena olevissa yrityksissä. Tutkimuksen johtopäätökset niin nykyisestä käytöstä kuin myös tulevasta ovat syntyneet viitekehyksen, nykyisen käytön, sekä tehtyjen haastattelujen pohjalta.

The Future of Mobile Services and Wireless Applications in the Finnish Healthcare Sector

Työn päätavoitteena oli tutkia mobiilipalveluita ja langattomia sovelluksia Suomen terveydenhuollon sektorilla. Tutkimus havainnollistaa avain-alueita, missä mobiilipalvelut ja langattomat sovellukset voivat antaa lisäarvoa perinteiseen lääketieteen harjoittamiseen, ja selvittää, mitkä ovat tähän kehitykseen liittyvät suurimmat ongelmat ja uhkat sekä tutkimustuloksiin pohjautuvat mahdolliset palvelut ja sovellukset 5-10 vuoden kuluttua. Tutkimus oli luonteeltaan kvalitatiivinen ja tutkimuksen toteuttamiseen valittiin tulevaisuudentutkimus ja erityisesti yksi sen menetelmistä, delfoi-menetelmä. Tutkimuksen aineisto kerättiin kahdelta puolistrukturoidulta haastattelukierrokselta. Työn empiirinen osuus keskittyi kuvailemaan Suomen terveydenhuollon sektoria, siinä meneillään olevia projekteja sekä teknisiä esteitä. Lisäksi pyrittiin vastaamaan tutkimuksen pääkysymykseen. Tutkimustulokset osoittivat, että tärkeät alueet, joihin langaton kommunikaatio tulisi vaikuttamaan merkittävästi, ovat ensiaputoiminta, kroonisten potilaiden etämonitorointi, välineiden kehittäminen langattomaan kommunikaatioon kotihoidon parantamiseksi ja uusien toimintamallien luomiseksi sekä lääketieteellinen yhteistyö jakamalla terveydenhuoltoon liittyvät informaation lähteet. Työn tulosten perusteellavoitiin antaa myös muutamia toimenpide-ehdotuksia jatkotutkimuksia varten.