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.

Savings Calculator for Centrifugal Pumps

Centrifugal pumps are one of the major energy consuming end-devices in developed coun-tries both in industrial and services sectors. According to recent studies, even 30 % of the energy used in pumping systems could be saved by more careful choosing of devices and system design. One of the most efficient and affordable ways to decrease the energy con-sumption of the pumping system is to substitute traditionally used flow control methods, like valve control, with modern variable speed drive (VSD) control. In this thesis, Microsoft Excel based program, Savings Calculator for Centrifugal Pumps (SCCP), is designed. SCCP calculates the achievable energy and financial savings when throttle control is substituted by VSD control in the pumping system. Compared to the sim-ilar existing programs, the goal is to make SCCP calculations more accurate and require less input information. Also some useful additional features are added to the designed program to make it more user friendly. The reliability of the calculations of designed program seem to vary depending on case. The results are corresponding accurately to the laboratory measurements, but there occurs high deviations in some cases, when the results are compared to the pump information specified by manufacturer. On the basis of verification in this thesis, SCCP seems to be at least as accurate as similar existing programs and it can be used as help in investment decision whether to have VSD or not.

Kestomagnetoidun roottorin mekaniikkasuunnittelu ja -analysointi

Työssä kehitettiin suurnopeuskäyttöön soveltuva kestomagnetoitu roottori olemassa olevan induktiokoneen staattorirunkoon. Kehitystyön tarkoituksena oli selvittää roottorin mekaaniset raja-arvot, kuten maksimi kehänopeus. Samalla otettiin kantaa myös tarvittaviin analysointi- ja mitoitusmenetelmiin. Maksimi kehänopeuden, laakeroinnin ja roottorin skaalattavuuden selvittäminen edellytti myös tarkkaa materiaaliselvitystä ja optimointia. Tästä syystä työn aikana tehtiin tiivistä yhteistyötä materiaalitoimittajien kanssa. Työn tuloksena syntyi uusi menetelmä toteuttaa radiaalisen magneettivuon luova kestomagneettiroottori 200 m/s kehänopeudelle. Suunniteltua roottoriratkaisua käytetään testausroottorina, jolla selvitetään valmistuksen, kokoonpanon ja sähkötehon rajoitteet käytännössä. Suunnittelutyö edellyttikin jatkuvaa iterointia sähkösuunnittelun ja roottorin osien valmistajien kanssa, jotta löydettiin paras kompromissiratkaisu roottorin prototyyppiin. Tämän seurauksena saatiin luotua varsin tarkat suunnittelu- ja analysointiraja-arvot kestomagneettiroottorin tuotteistettavia versioita varten.

Slurry flows in progressive cavity and in hose pumps

The aim of this thesis was to research how slurry’s viscosity and rheology affect to pumping in peristaltic hose pump and in eccentric progressive cavity pump. In addition, it was researched the formed pressure pulsation in hose pump. Pressure pulsation was studied by pumping different slurries and by using different pipe materials. Pressure and power curves were determined for both used pumps. It was also determined NPSHR curve for the progressive cavity pump. Literature part of the thesis considered to distribute fluids to different rheology types, as well as theories and models to identify different rheology types. Special attention was paid to non-Newtonian fluids, which were also used in experimental part of this thesis. In addition, the literature part discusses about pumps, parameters for pump sizing, and pressure pulsation in hose pump. Starch, bentonite, and carboxymethyl cellulose slurries were used in the experimental part of this thesis. The slurries were pumped with Flowrox peristaltic hose pump (LPP-T32) and eccentric progressive cavity pump (C10/10). From the each slurry was taken a sample, and the samples were analyzed for concentration, viscosity and rheology type. The used pipe materials in pressure pulsation experiments were steel and elastic, and it was also used a prototype of pulsation dampener. The pulsation experiments indicated that the elastic pipe and the prototype of pulsation dampener attenuated pressure pulsation better than the steel pipe at low pressure levels. The differences between different materials disappeared when pressure level and pump rotation speed increased. In slurry experiments, pulsation was different depending on rheology and viscosity of the slurry. According to experiments, the rheology did not significantly affect to pump power consumption or efficiency.

Renkaiden ja tienpinnan välisen kitkakertoimen mittausjärjestelmän suunnittelu ja toteutus

Teiden liukkauden mittaaminen on herättänyt kiinnostusta viime vuosina. Liikenneturvallisuutta pystyttäisiin parantamaan ja teiden talvikunnossapitoa tehostamaan, mikäli kitkakerroin voitaisiin mitata tiestöä käyttävissä ajoneuvoissa. Tässä työssä suunnitellaan ja toteutetaan ajoneuvon pituussuuntaiseen dynamiikkaan perustuva kitkakertoimen mittausjärjestelmä. Pyörien luisto ja ajoneuvon nopeus, sekä pyöriin ja ajoneuvoon kohdistuvat voimat selvitetään CAN – väylästä luettavien ajoneuvon antureiden ja IMU:n avulla. Järjestelmää simuloidaan käyttämällä Matlab:ia ja testataan käytännössä VW Transporter pakettiautossa. Testitulokset osoittavat järjestelmän toimivan tarkasti ja että ajoneuvon dynamiikkaan perustuvan kitkakertoimen mittauksen on käyttökelpoinen ja kustannustehokas tapa teiden liukkauden valvomiseen.

Suorituskyvyn johtaminen ja IT-strategian suuntaaminen; Case: ICT-alan yritys

Yrityksen tietohallintoon kohdistuu tänä päivänä paljon vaatimuksia. Vaatimukset kohdistuvat tietohallinnon merkitykseen liiketoiminnan tukijana ja suorituskyvyn edistäjänä. ICT-toimialan rooli palveluiden tuottajana ja Suomen taloudellisen kas-vun tukijana ovat merkittävät. Tämän diplomityön tavoite on selvittää mikä on tietohallinnon rooli ja merkitys osana yrityksen suorituskykyä ja miten sitä tulisi kehittää. Tutkimuksen teoreettinen viitekehys koostuu yleisistä suorituskyvyn johtamisen malleista, suorituskyvyn joh-tamisen malleista tietohallinnossa sekä IT-strategian suuntaamisen malleista ja suuntaamisen vaikutuksesta yrityksen suorituskykyyn. Tutkimuskysymys on: miten strategian suuntaamista tulisi kehittää jotta tietohallinto pystyisi edistämään yrityk-sen suorituskykyä? Tutkimusstrategia on case-tutkimus ja empiirinen aineisto on hankittu teemahaastatteluilla. Case-tutkimuksen tulosten mukaan strategian suuntaamisen arvioinnin mallin valit-seminen on tärkeää. Strategian suuntaamisen kaikki näkökulmat tulee ottaa huomi-oon. Esimerkiksi osaaminen, kommunikaatio, kumppanuudet ja ihmisten käyttäy-tyminen saattavat jäädä ns. kovien näkökulmien varjoon. Strategian suuntaamisessa tulee kiinnittää huomiota suuntaamiseen kaikilla organisaatiotasoilla. Toiminnalli-sen tason merkitys tulee myös huomioida. Strategian suuntaamista kehitettäessä tulee arvioinnissa ottaa huomioon eri liiketoimintayksiköiden arvioinnit, koska ne saattavat poiketa vahvasti toisistaan ja siten vääristää kehittämiskohteiden valitse-mista.

Sähköisen rekrytoinnin hyödyt kuntaorganisaatioissa

Rekrytoinnin tavoitteena on täyttää avoin tehtävä kustannustehokkaasti mahdollisimman pätevällä ja organisaatioon sopivalla henkilöllä. Ovathan henkilövoimavarat yksi yrityksen tärkeimmistä resursseista. Viimeisten vuosikymmenien aikana tapa, jolla rekrytoimme ihmisiä, on muuttunut voimakkaasti. Nykypäivänä harva yritys julkaisee työpaikkailmoituksia sanomalehdissä ja vastaanottaa työhakemuksia sähköpostitse tai kirjeitse. Rekrytointi on siirtynyt internettiin. Puhutaan sähköisestä rekrytoinnista. Tässä tutkimuksessa käsitellään sähköisen rekrytointijärjestelmän hyötyjä kuntaorganisaatioissa. Tarkastelun kohteena on KL-Kuntarekry osakeyhtiön hallinnoima sähköinen rekrytointijärjestelmä, Kuntarekry.fi -palvelu. Tutkimus toteutettiin kirjallisuuskatsauksen ja haastatteluiden muodossa. Kuntarekryn yli 200 käyttäjäorganisaatiosta tutkimukseen osallistui 6 kunta-alan organisaatiota. Työn tulokset mukailivat hyvin aikaisempien tutkimusten kanssa. Kuntarekryn avulla saavutetut hyödyt organisaatioissa olivat kustannussäästöt, rekrytoinnin nopeutuminen ja tehostuminen, pääsy laajemmille työnhakijamarkkinoille sekä hakemusten määrän kasvaminen. Lisäksi työssä havaittiin, että rekrytoinnin tehokkuuden mittaamisessa on kehitettävää.

Adaptiivisen hitsausvalokaaren hyödyntäminen MAG-kuumakaarihitsauksessa

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan MIG/MAG-hitsauksessa käytettävien ohjelmistoratkaisujen kuumakaarihitsaukseen tuomia etuja perinteisiin menetelmiin verrattuna. Pääpaino on hitsausnopeuden, tunkeuman ja laadun tarkastelussa. Hitsauskokeissa käytettävät menetelmät ovat perinteinen 1-MIG-kuumakaarihitsaus ja 1-MIG-kuumakaarihitsaus Kemppi WiseFusion toiminnolla.

Post-processing and analysis of tracked hand trajectories

In this thesis, the suitability of different trackers for finger tracking in high-speed videos was studied. Tracked finger trajectories from the videos were post-processed and analysed using various filtering and smoothing methods. Position derivatives of the trajectories, speed and acceleration were extracted for the purposes of hand motion analysis. Overall, two methods, Kernelized Correlation Filters and Spatio-Temporal Context Learning tracking, performed better than the others in the tests. Both achieved high accuracy for the selected high-speed videos and also allowed real-time processing, being able to process over 500 frames per second. In addition, the results showed that different filtering methods can be applied to produce more appropriate velocity and acceleration curves calculated from the tracking data. Local Regression filtering and Unscented Kalman Smoother gave the best results in the tests. Furthermore, the results show that tracking and filtering methods are suitable for high-speed hand-tracking and trajectory-data post-processing.

Kestomagneettiavusteisen synkronireluktanssikoneen soveltuvuus autokäyttöihin

Työn tavoitteena on tehdä kirjallisuuskatsaus kestomagneettiavusteisesta synkronireluktanssikoneesta ja tarkastella sen soveltuvuutta sähköauton voimantuottoon. Lisäksi työssä tehdään katsaus tämänhetkisiin sähköautoihin ja niissä esiintyviin koneratkaisuihin ja esitetään esimerkkilaskelma moottorin voimantarpeesta auton eri toiminta-alueilla. Tarkasteluissa selvisi, että kestomagneettiavusteinen synkronireluktanssikone on varteenotettava moottoriratkaisu sähköautoissa. Tämänhetkisissä sähköautoissa pääosin esiintyviin epätahtikoneeseen ja kestomagneettitahtikoneeseen verrattuna kestomagneettiavusteisella synkronireluktanssikoneella on muutamia ominaisuuksia, jotka autokäytössä ovat erityisesti sen vahvuuksia. Epätahtikoneeseen verrattuna kestomagneettiavusteisella synkronireluktanssikoneella on etuina huomattavasti pienempi paino ja synkronisuus ja kestomagneettitahtikoneeseen verrattuna sillä on paremmat kentänheikennysominaisuudet ja näin laajempi nopeusalue käytettävissä.

The radio frequency identification technology in the supply chain management: a case of a big logistics company

Nowadays global business trends force the adoption of innovative ICTs into the supply chain management (SCM). Particularly, the RFID technology is on high demand among SCM professionals due to its business advantages such as improving of accuracy and veloc-ity of SCM processes which lead to decrease of operational costs. Nevertheless, a question of the RFID technology impact on the efficiency of warehouse processes in the SCM re-mains open. The goal of the present study is to experiment the possibility of improvement order picking velocity in a warehouse of a big logistics company with the use of the RFID technology. In order to achieve this goal the following objectives have been developed: 1) Defining the scope of the RFID technology applications in the SCM; 2) Justification of the RFID technology impact on the SCM processes; 3) Defining a place of the warehouse order picking process in the SCM; 4) Identification and systematization of existing meth-ods of order picking velocity improvement; 5) Choosing of the study object and gathering of the empirical data about number of orders, number of hours spent per each order line daily during 5 months; 6) Processing and analysis of the empirical data; 7) Conclusion about the impact of the RFID technology on the speed of order picking process. As a result of the research it has been found that the speed of the order picking processes has not been changed as time has gone after the RFID adoption. It has been concluded that in order to achieve a positive effect in the speed of order picking process with the use of the RFID technology it is necessary to simultaneously implement changes in logistics and organizational management in 3PL logistics companies. Practical recommendations have been forwarded to the management of the company for further investigation and procedure.

Hybridiautojen diffuusio Suomessa

Tämän Pro gradu –tutkielman tarkoitus on analysoida ja tutkia hybridiautojen diffuusiota Suomessa vuosien 2004 – 2012 aikana sekä antaa suuntaviivoja tulevaisuuden kehityksestä Suomen automarkkinoilla. Tutkielmassa analysoidaan myös sitä, minkälainen vaikutus veroperusteisilla hinnanalennuksilla voi olla hybridiauton kaltaisen tuotteen myyntimääriin. Tutkielman teoreettinen tausta koostuu innovaation diffuusion teoriasta ja aiemmista diffuusiotutkimuksista hybridiautoja koskien. Tutkielman analyysiosaa varten on kerätty aineistoa autonvalmistajilta ja Liikenteen turvallisuusvirastolta Trafilta. Tilastollisen aineiston perusteella on pystytty analysoimaan hybridiautojen myynnin kehitystä Suomessa ja erityisesti vuoden 2008 veromuutoksen vaikutusta myyntimääriin. Tutkielman tulokset puoltavat ajatusta siitä, että valtio voi halutessaan vauhdittaa ympäristöystävällisten autojen kauppaa huojentamalla niiden verokohtelua. Hybridiautojen myyntimäärät ovat vaihdelleet vuosittain ja diffuusio itsessään on myyntimäärien perusteella vielä alkutekijöissään, mutta tästä huolimatta kasvu on ollut jatkuvaa. Arviot tulevaisuuden myyntimääristä ovat vaihtelevia, joskin pienimuotoinen jatkuva kasvu on todennäköistä seuraavien vuosien aikana.

Simulation of wind powered hydraulic heating system

The objective of this master’s thesis was to design and simulate a wind powered hydraulic heating system that can operate independently in remote places where the use of electricity is not possible. Components for the system were to be selected in such a way that the conditions for manufacture, use and economic viability are the as good as possible. Savonius rotor was chosen for wind turbine, due to its low cut in speed and robust design. Savonius rotor produces kinetic energy in wide wind speed range and it can withstand high wind gusts. Radial piston pump was chosen for the flow source of the hydraulic heater. Pump type was selected due to its characteristics in low rotation speeds and high efficiency. Volume flow from the pump is passed through the throttle orifice. Pressure drop over the orifice causes the hydraulic oil to heat up and, thus, creating thermal energy. Thermal energy in the oil is led to radiator where it conducts heat to the environment. The hydraulic heating system was simulated. For this purpose a mathematical models of chosen components were created. In simulation wind data gathered by Finnish meteorological institute for 167 hours was used as input. The highest produced power was achieved by changing the orifice diameter so that the rotor tip speed ratio follows the power curve. This is not possible to achieve without using electricity. Thus, for the orifice diameter only one, the optimal value was defined. Results from the simulation were compared with investment calculations. Different parameters effecting the investment profitability were altered in sensitivity analyses in order to define the points of investment profitability. Investment was found to be profitable only with high average wind speeds.

Advanced analysis and design methods for preparative chromatographic separation processes

Preparative liquid chromatography is one of the most selective separation techniques in the fine chemical, pharmaceutical, and food industries. Several process concepts have been developed and applied for improving the performance of classical batch chromatography. The most powerful approaches include various single-column recycling schemes, counter-current and cross-current multi-column setups, and hybrid processes where chromatography is coupled with other unit operations such as crystallization, chemical reactor, and/or solvent removal unit. To fully utilize the potential of stand-alone and integrated chromatographic processes, efficient methods for selecting the best process alternative as well as optimal operating conditions are needed. In this thesis, a unified method is developed for analysis and design of the following singlecolumn fixed bed processes and corresponding cross-current schemes: (1) batch chromatography, (2) batch chromatography with an integrated solvent removal unit, (3) mixed-recycle steady state recycling chromatography (SSR), and (4) mixed-recycle steady state recycling chromatography with solvent removal from fresh feed, recycle fraction, or column feed (SSR–SR). The method is based on the equilibrium theory of chromatography with an assumption of negligible mass transfer resistance and axial dispersion. The design criteria are given in general, dimensionless form that is formally analogous to that applied widely in the so called triangle theory of counter-current multi-column chromatography. Analytical design equations are derived for binary systems that follow competitive Langmuir adsorption isotherm model. For this purpose, the existing analytic solution of the ideal model of chromatography for binary Langmuir mixtures is completed by deriving missing explicit equations for the height and location of the pure first component shock in the case of a small feed pulse. It is thus shown that the entire chromatographic cycle at the column outlet can be expressed in closed-form. The developed design method allows predicting the feasible range of operating parameters that lead to desired product purities. It can be applied for the calculation of first estimates of optimal operating conditions, the analysis of process robustness, and the early-stage evaluation of different process alternatives. The design method is utilized to analyse the possibility to enhance the performance of conventional SSR chromatography by integrating it with a solvent removal unit. It is shown that the amount of fresh feed processed during a chromatographic cycle and thus the productivity of SSR process can be improved by removing solvent. The maximum solvent removal capacity depends on the location of the solvent removal unit and the physical solvent removal constraints, such as solubility, viscosity, and/or osmotic pressure limits. Usually, the most flexible option is to remove solvent from the column feed. Applicability of the equilibrium design for real, non-ideal separation problems is evaluated by means of numerical simulations. Due to assumption of infinite column efficiency, the developed design method is most applicable for high performance systems where thermodynamic effects are predominant, while significant deviations are observed under highly non-ideal conditions. The findings based on the equilibrium theory are applied to develop a shortcut approach for the design of chromatographic separation processes under strongly non-ideal conditions with significant dispersive effects. The method is based on a simple procedure applied to a single conventional chromatogram. Applicability of the approach for the design of batch and counter-current simulated moving bed processes is evaluated with case studies. It is shown that the shortcut approach works the better the higher the column efficiency and the lower the purity constraints are.

Defining the keyhole modes – the effects on the weld geometry and the molten pool behaviour in high power laser welding of stainless steels

Keyhole welding, meaning that the laser beam forms a vapour cavity inside the steel, is one of the two types of laser welding processes and currently it is used in few industrial applications. Modern high power solid state lasers are becoming more used generally, but not all process fundamentals and phenomena of the process are well known and understanding of these helps to improve quality of final products. This study concentrates on the process fundamentals and the behaviour of the keyhole welding process by the means of real time high speed x-ray videography. One of the problem areas in laser welding has been mixing of the filler wire into the weld; the phenomena are explained and also one possible solution for this problem is presented in this study. The argument of this thesis is that the keyhole laser welding process has three keyhole modes that behave differently. These modes are trap, cylinder and kaleidoscope. Two of these have sub-modes, in which the keyhole behaves similarly but the molten pool changes behaviour and geometry of the resulting weld is different. X-ray videography was used to visualize the actual keyhole side view profile during the welding process. Several methods were applied to analyse and compile high speed x-ray video data to achieve a clearer image of the keyhole side view. Averaging was used to measure the keyhole side view outline, which was used to reconstruct a 3D-model of the actual keyhole. This 3D-model was taken as basis for calculation of the vapour volume inside of the keyhole for each laser parameter combination and joint geometry. Four different joint geometries were tested, partial penetration bead on plate and I-butt joint and full penetration bead on plate and I-butt joint. The comparison was performed with selected pairs and also compared all combinations together.