Permanent Magnet Synchronous Machine for Parallel Hybrid Vehicle

The aim of this thesis is to describe hybrid drive design problems, the advantages and difficulties related to the drive. A review of possible hybrid constructions, benefits of parallel, series and series-parallel hybrids is done. In the thesis analytical and finite element calculations of permanent magnet synchronous machines with embedded magnets were done. The finite element calculations were done using Cedrat’s Flux 2D software. This machine is planned to be used as a motor-generator in a low power parallel hybrid vehicle. The boundary conditions for the design were found from Lucas-TVS Ltd., India. Design Requirements, briefly: • The system DC voltage level is 120 V, which implies Uphase = 49 V (RMS) in a three phase system. • The power output of 10 kW at base speed 1500 rpm (Torque of 65 Nm) is desired. • The maximum outer diameter should not be more than 250 mm, and the maximum core length should not exceed 40 mm. The main difficulties which the author met were the dimensional restrictions. After having designed and analyzed several possible constructions they were compared and the final design selected. Dimensioned and detailed design is performed. Effects of different parameters, such as the number of poles, number of turns and magnetic geometry are discussed. The best modification offers considerable reduction of volume.

Phase voltage control and filtering in a converter-fed single-phase customer-end system of the LVDC distribution network

In recent years, the network vulnerability to natural hazards has been noticed. Moreover, operating on the limits of the network transmission capabilities have resulted in major outages during the past decade. One of the reasons for operating on these limits is that the network has become outdated. Therefore, new technical solutions are studied that could provide more reliable and more energy efficient power distributionand also a better profitability for the network owner. It is the development and price of power electronics that have made the DC distribution an attractive alternative again. In this doctoral thesis, one type of a low-voltage DC distribution system is investigated. Morespecifically, it is studied which current technological solutions, used at the customer-end, could provide better power quality for the customer when compared with the current system. To study the effect of a DC network on the customer-end power quality, a bipolar DC network model is derived. The model can also be used to identify the supply parameters when the V/kW ratio is approximately known. Although the model provides knowledge of the average behavior, it is shown that the instantaneous DC voltage ripple should be limited. The guidelines to choose an appropriate capacitance value for the capacitor located at the input DC terminals of the customer-end are given. Also the structure of the customer-end is considered. A comparison between the most common solutions is made based on their cost, energy efficiency, and reliability. In the comparison, special attention is paid to the passive filtering solutions since the filter is considered a crucial element when the lifetime expenses are determined. It is found out that the filter topology most commonly used today, namely the LC filter, does not provide economical advantage over the hybrid filter structure. Finally, some of the typical control system solutions are introduced and their shortcomings are presented. As a solution to the customer-end voltage regulation problem, an observer-based control scheme is proposed. It is shown how different control system structures affect the performance. The performance meeting the requirements is achieved by using only one output measurement, when operating in a rigid network. Similar performance can be achieved in a weak grid by DC voltage measurement. An additional improvement can be achieved when an adaptive gain scheduling-based control is introduced. As a conclusion, the final power quality is determined by a sum of various factors, and the thesis provides the guidelines for designing the system that improves the power quality experienced by the customer.

Aurinkopaneeleihin liitettävien vaihtosuuntaajien testaussuunnitelman laadinta ja toteutus

Aurinkoenergia on yksi monista uusiutuvan energian muodoista, joiden suosio on viimeisten vuosien aikana kasvanut fossiilisten polttoaineiden kallistumisen sekä ilmaston lämpenemisen vuoksi. Auringon säteilyn energiaa voidaan muuttaa sähköenergiaksi mm. aurinkopaneeleiden avulla. Aurinkopaneeleihin liitetään usein vaihtosuuntaaja, jolla tuotettu teho voidaan muokata sähköverkkoon tai kotitalouden sähköjärjestelmään sopivaksi. Tässä työssä on esitelty aurinkopaneelilla tuotettavan sähköenergian perusperiaatteet sekä tehoa tuottavan järjestelmän reunaehdot. Tutkimuksessa on perehdytty keskeisiin, aurinkopaneeleihin liitettäville vaihtosuuntaajille laadittuihin standardeihin, hyötysuhteen mittaamisen sekä sähkön laadun näkökulmista. Selvityksen avulla järjestelmän hyötysuhteen sekä lähtötehon laadun määrittämiseksi voidaan laatia standardien mukainen mittaussuunnitelma vaihtosuuntaajan nimellistehosta riippumatta. Standardien avulla on laadittu mittaussuunnitelma Global Inversonne, 100 kW - verkkovaihtosuuntaajayksikölle. Suunnitelman mukaisissa mittauksissa on tutkittu yksikön muunnoshyötysuhdetta sekä lähtöjännitteen- ja virran laatua. Lisäksi työssä on analysoitu mittaustulosten mittausepävarmuuksia ja niitä aiheuttavia tekijöitä.

Design and Control of Permanent Magnet Synchronous Machine for Hybrid Electric Vehicle

This master’s thesis mainly focuses on the design requirements of an Electric drive for Hybrid car application and its control strategy to achieve a wide speed range. It also emphasises how the control and performance requirements are transformed into its design variables. A parallel hybrid topology is considered where an IC engine and an electric drive share a common crank shaft. A permanent magnet synchronous machine (PMSM) is used as an electric drive machine. Performance requirements are converted into Machine design variables using the vector model of PMSM. Main dimensions of the machine are arrived using analytical approach and Finite Element Analysis (FEA) is used to verify the design and performance. Vector control algorithm was used to control the machine. The control algorithm was tested in a low power PMSM using an embedded controller. A prototype of 10 kW PMSM was built according to the design values. The prototype was tested in the laboratory using a high power converter. Tests were carried out to verify different operating modes. The results were in agreement with the calculations.

Työkoneiden dieselmoottoreiden hyötysuhteen parantaminen lämmöntalteenoton avulla

Tämä diplomityö on osa Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisessa. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen hyödyntämisestä sähköntuotannossa. Tavoitteena on muodostaa näkemys Mikro-ORC energiamuuntimen mahdollisuuksista ja reunaehdoista osana työkoneluokan (150 kW… 400 kW) dieselmoottorikokonaisuutta, erityisesti maataloussektorilla. Työssä tarkasteltaviksi moottoreiksi valittiin kaksi eri AGCO Sisu Powerin dieselmoottoria. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien hukkalämpövirtojen arvojen perusteella. Laskennan perusperiaatteena oli tutkia ORC-prosessin tuottamaa lisäsähkötehoa hyödyntämällä pakokaasujen lämpöenergiaa korkea-, keski- ja matalalämpötiloissa. Työssä vertailtiin kahden eri kiertoaineen prosessihyötysuhdetta, saatava sähkötehoa sekä prosessin sisäisiä parametreja. Lisäksi työssä tutkittiin ORC-prosessin laskentaa suunnittelupisteessä (design) ja suunnittelupisteen ulkopuolella (off-design), prosessisuureiden optimointia ja lämmönsiirtimien mitoitusta. Diplomityössä tarkasteltiin moottorin energiataseen mukaisten arvojen lisäksi moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavan tehoon. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen muuntamisesta sähköksi ORC:lla sekä moottorin energiatehokkuuden parantamisesta.

Design and testing of an armature-reaction-compensated permanent magnet synchronous generator for island operation

At present, permanent magnet synchronous generators (PMSGs) are of great interest. Since they do not have electrical excitation losses, the highly efficient, lightweight and compact PMSGs equipped with damper windings work perfectly when connected to a network. However, in island operation, the generator (or parallel generators) alone is responsible for the building up of the network and maintaining its voltage and reactive power level. Thus, in island operation, a PMSG faces very tight constraints, which are difficult to meet, because the flux produced by the permanent magnets (PMs) is constant and the voltage of the generator cannot be controlled. Traditional electrically excited synchronous generators (EESGs) can easily meet these constraints, because the field winding current is controllable. The main drawback of the conventional EESG is the relatively high excitation loss. This doctoral thesis presents a study of an alternative solution termed as a hybrid excitation synchronous generator (HESG). HESGs are a special class of electrical machines, where the total rotor current linkage is produced by the simultaneous action of two different excitation sources: the electrical and permanent magnet (PM) excitation. An overview of the existing HESGs is given. Several HESGs are introduced and compared with the conventional EESG from technical and economic points of view. In the study, the armature-reaction-compensated permanent magnet synchronous generator with alternated current linkages (ARC-PMSG with ACL) showed a better performance than the other options. Therefore, this machine type is studied in more detail. An electromagnetic design and a thermal analysis are presented. To verify the operation principle and the electromagnetic design, a down-sized prototype of 69 kVA apparent power was built. The experimental results are demonstrated and compared with the predicted ones. A prerequisite for an ARC-PMSG with ACL is an even number of pole pairs (p = 2, 4, 6, …) in the machine. Naturally, the HESG technology is not limited to even-pole-pair machines. However, the analysis of machines with p = 3, 5, 7, … becomes more complicated, especially if analytical tools are used, and is outside the scope of this thesis. The contribution of this study is to propose a solution where an ARC-PMSG replaces an EESG in electrical power generation while meeting all the requirements set for generators given for instance by ship classification societies, particularly as regards island operation. The maximum power level when applying the technology studied here is mainly limited by the economy of the machine. The larger the machine is, the smaller is the efficiency benefit. However, it seems that machines up to ten megawatts of power could benefit from the technology. However, in low-power applications, for instance in the 500 kW range, the efficiency increase can be significant.

Radiaalikompressorin aerodynaaminen suunnittelu

Tämän diplomityön tavoitteena on ollut suunnitella radiaalikompressori. Aluksi on tutustuttu radiaalikompressorissa tapahtuviin ilmiöihin, jonka jälkeen radiaalikompressori on suunniteltu. Reunaehtoina suunnittelussa olivat toimilaitteelta saatava teho 250 kW ja sen suurin pyörimisnopeus 500 Hz. Esisuunnittelu on tehty Virtaustekniikan laboratoriossa kehitetyllä CentriFlow-ohjelmalla. Juoksupyörän muoto on suunniteltu viskoosittomilla 2D-malleilla. Juoksupyörän muodon suunniittelussa on käytetty kaupallista AxCent-ohjelmaa. Juoksupyörän muoto on tarkistettu laskennallisen virtausdynamiikan avulla. Virtausmallinnuksessa käytettiin FinFlo-ohjelmaa. Suunnittelun ja mallinnuksen pohjalta valittiin kolme erilaista juoksupyörää valmistukseen.

Järviruo´on polttokoe Väkiparran tilan lämpölaitoksessa

Rannoilla ja matalissa vesissä voimakkaasti levinnyt järviruoko muodostaa suuren biomassareservin, jonka suunnitelmallisella korjuulla voidaan saavuttaa monia ympäristöhyötyjä. Luonnon- ja vesienhoitotöiden kustannustehokkuutta ja kiinnostavuutta voidaan lisätä ruokomassan hyötykäytöllä. Talvella korjattavan järviruo’on yksi potentiaalinen käyttökohde on poltto energiaksi muiden korsimateriaalien tapaan. Polttokokeen tavoitteena oli testata puhtaan järviruokosilpun polttoa laitoksessa, joka soveltuu korsimateriaalien polttoon. Teknisten kokemusten lisäksi tavoitteena oli hankkia mittaustietoa järviruo’on polton päästömääristä ja savukaasujen laadusta, sekä vertailla saatuja tietoja samassa laitoksessa tehtyyn puuhakkeen polttokokeen tuloksiin. Koepoltto tehtiin Väkiparran tilan lämpölaitoksessa, jonka polttoteho on 990 kW. Polttoaineen syöttöjärjestelmä on suunniteltu huomioimaan polttoaineen laadun vaihtelut ja polttoaine siirretään varastosta pesäruuville kolakuljettimella. Savukaasujen mittauksessa sovellettiin standardin EN 13284-1 määräyksiä. Järviruoko korjattiin kaksoissilppuri –rinnekone –yhdistelmällä maaliskuun alussa 2013. Silppurin terämäärän tarve aliarvioitiin ja silpussa oli runsaasti pitkiä, jopa yli 30 cm mittaisia korsia. Leikkuupäivien kostean sään vuoksi ruoko oli kosteaa (kosteusnäytteet 24-34 %). Kokeen aikana poltettiin noin 40 kuutiota ruokosilppua ja 20 tunnin koepolton aikana tuotettiin energiaa n. 4 MW. Laitoksen vakiosäädöillä saavutettiin n. 300 kW/h teho. Syöttölaitteiden teho rajoitti suuremman polttotehon saavuttamista, koska kevyttä silppua ei pystytty toimittamaan nopeammin pesään. Pitkät korret vaikeuttivat aluksi silpun syöttöä kolakuljettimelta pesäruuville, mutta syöttö alkoi sujua sen jälkeen, kun varastossa lajiteltiin silpusta pisimmät korret pois. Ruo’on kosteus ei vaikuttanut palamistulokseen, ruokosilppu paloi pesässä hyvin eikä palamatonta ainetta jäänyt tuhkaan. Typen oksidien pitoisuudet ja hiukkaspäästöt olivat ruokoa poltettaessa samaa luokka kuin puuhakkeen poltossa ja arvot jäivät alle viitteellisten päästöraja-arvojen (Valtioneuvoston asetus 750/2013, liite 1). Ruo’on poltosta mitatut rikkidioksidin pitoisuudet ylittivät viitteelliset päästöraja-arvot ja ero puun polttoon oli selkeä. Rikkidioksidin pitoisuuksista arvioitiin olevan jonkin verran riskiä kattilan korroosiovaurioiden syntymiselle. Häkäpitoisuudet olivat ruo’on poltossa selvästi korkeammat, mutta pitoisuuksia voidaan kuitenkin pitää alhaisina. Ruokotuhkasta analysoidut metallipitoisuudet jäivät selvästi alle MMM:n asetuksen 24/11 mukaisten enimmäispitoisuuksien tuhkan käytölle metsätaloudessa. Kokeen perusteella voidaan arvioida, että ruoko sopii poltettavaksi laitoksessa, kunhan silppu on kooltaan riittävän lyhyttä. Tekninen käyttövarmuus, korroosioriskit ja rikkidioksidipäästöt huomioiden järkevä käyttötapa on kuitenkin seospoltto hakkeen kanssa. Luonnon- ja vesienhoidon sivutuotteena syntyvää ruokosilppua kannattaa kuljettaa poltettavaksi, kun kuljetusmatka on lyhyt ja kuljetus tehdään isoilla kuorma-autoilla.

Kestomagneettitahtikonekäyttöjen erot

Permanent magnet drives with nominal power over 10 kW were not a cost-sufficient system 25 years ago due to high material expenses. The improvements in motor drives, the rise in competition and the tightening of standards and regulations have caused that the PM-drives are more and more common in the over 10 kW nominal power range. The goal of this thesis is to research the performance in relation to nominal power of a PM-drive technique that is vastly increasing its popularity in fan related devices. The studied motor technique brushless direct current drive (BLDC) consists of a voltage source inverter, permanent motor and six-step-control. The reference drive is a brushless alternating current drive (BLAC) which consists of a VSI, PM and a hysteresis control. As a conclusion there are no major obstacles that would impede the BLDC-drive technique from expanding to larger power stages. The following factors must be taken into consideration when designing a BLDC-drive: motor’s current change rate, inverter switching frequency, motor’s nominal electric frequency, phase inductance and the current handling capability of the inverter. The fluctuating material costs create instability to the end prices of PM-motors that can in the worst case lead to diminished interest towards BLDC- and PM-drives in general.

Aurinkovoimalan kannattavuusanalyysi

Tässä työssä tarkastellaan 300 kW:n voimalan energiantuottopotentiaalia. Työssä lasketaan tuotetun energian perusteella saadut vuosittaiset säästöt. Säästöjen avulla voidaan arvioida voimalan kannattavuutta. Lasketaan myös aurinkovoimalan tuottamalle energialle hinta, jota verrataan ostetun energian hintaan. Kannattavuuden arvioinnissa käytetään yleisiä menetelmiä: takaisinmaksuaikaa, sekä annuiteetti- ja nykyarvomenetelmää.

Laser cladding with scanning optics

Scanning optics create different types of phenomena and limitation to cladding process compared to cladding with static optics. This work concentrates on identifying and explaining the special features of laser cladding with scanning optics. Scanner optics changes cladding process energy input mechanics. Laser energy is introduced into the process through a relatively small laser spot which moves rapidly back and forth, distributing the energy to a relatively large area. The moving laser spot was noticed to cause dynamic movement in the melt pool. Due to different energy input mechanism scanner optic can make cladding process unstable if parameter selection is not done carefully. Especially laser beam intensity and scanning frequency have significant role in the process stability. The laser beam scanning frequency determines how long the laser beam affects with specific place local specific energy input. It was determined that if the scanning frequency in too low, under 40 Hz, scanned beam can start to vaporize material. The intensity in turn determines on how large package this energy is brought and if the intensity of the laser beam was too high, over 191 kW/cm2, laser beam started to vaporize material. If there was vapor formation noticed in the melt pool, the process starts to resample more laser alloying due to deep penetration of laser beam in to the substrate. Scanner optics enables more flexibility to the process than static optics. The numerical adjustment of scanning amplitude enables clad bead width adjustment. In turn scanner power modulation (where laser power is adjusted according to where the scanner is pointing) enables modification of clad bead cross-section geometry when laser power can be adjusted locally and thus affect how much laser beam melts material in each sector. Power modulation is also an important factor in terms of process stability. When a linear scanner is used, oscillating the scanning mirror causes a dwell time in scanning amplitude border area, where the scanning mirror changes the direction of movement. This can cause excessive energy input to this area which in turn can cause vaporization and process instability. This process instability can be avoided by decreasing energy in this region by power modulation. Powder feeding parameters have a significant role in terms of process stability. It was determined that with certain powder feeding parameter combinations powder cloud behavior became unstable, due to the vaporizing powder material in powder cloud. Mainly this was noticed, when either or both the scanning frequency or powder feeding gas flow was low or steep powder feeding angle was used. When powder material vaporization occurred, it created vapor flow, which prevented powder material to reach the melt pool and thus dilution increased. Also powder material vaporization was noticed to produce emission of light at wavelength range of visible light. This emission intensity was noticed to be correlated with the amount of vaporization in the powder cloud.

Sähkön ja lämmön yhteistuotanto biopolttoaineilla, alueellinen selvitys - Tutkimusraportti

Globaali ilmaston lämpeneminen ja tunnettujen energiavarojen ehtyminen ovat lisääntyvässä määrin maailmanlaajuisia huolenaiheita. Tietoisuus kulutuksen kasvun ja fossiilisten polttoaineiden käytön aiheuttamasta ympäristönmuutoksesta on merkittävästi kasvanut, ja osana kestävää kehitystä Euroopan Unionin vuoden 2020 välitavoitteena on vähentää kasvihuonepäästöjä 20 prosentilla vuoden 1990 tasosta, parantaa energiatehokkuutta 20 prosentilla, ja lisätä uusiutuvien energialähteiden osuus 20 prosenttiin. Suomen sitovaksi tavoitteeksi EU on määritellyt uusiutuvan energian osuudeksi 38 % kokonaisenergian kulutuksesta vuoteen 2020 mennessä. Suomen tavoitetta voi pitää varsin haasteellisena ja näin ollen tavoitteiden saavuttaminen edellyttää myös, että Suomessa käyttöönotetaan monipuolisia energiatehokkuutta parantavia ja erilaista tuotantoteknologiaa hyödyntäviä ratkaisuja. Biopolttoaineita käyttävä pienen kokoluokan yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto (CHP) voi osaltaan tarjota yhden ratkaisun varmistaa kestävä kehitys. Hajautetusti toimivat kiinteää biopolttoainetta, kuten metsätähdehaketta esimerkiksi maatiloilla, kasvihuoneilla ja pkteollisuudessa käyttävät pien-CHP laitokset lisäävät energiaomavaraisuutta, työllisyyttä ja maaseudun elinvoimaa. Sähkön ja lämmön yhteistuotanto – hankekokonaisuus sisälsi kolme erillistä projektia; (1) Bio-CHP tutkimus- ja opetuslaboratorion kehittäminen, (2) Biovoima Innoverkko, ja (3) Sähkön ja lämmön yhteistuotanto biopolttoaineilla, alueellinen selvitys. Näissä projekteissa on (1) tutkittu, koekäytetty, testattu ja mallinnettu pienen kokoluokan (laitoksen polttoaineteho alle 3 MW) CHP-laitteistoa laboratorio-olosuhteissa, (2) koulutettu ja konsultoitu potentiaalisia asiakkaita, laitevalmistajia ja energiayrityksiä sekä (3) kartoitettu markkinapotentiaalia, potentiaalisia asiakkaita ja alan toimijoita sekä tehty esiselvityksiä käyttökohteiden kannattavuudesta. Hankekokonaisuuden yhteydessä Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa laboratoriossa koekäytössä oleva CHPratkaisu perustuu Stirling-moottorin tai vaihtoehtoisesti mikroturbiinin käyttöön hakelämmityskattilalaitoksen yhteydessä. Kaupalliseen vaiheeseen edetessään pienen kokoluokan CHP-tuotanto voidaan arvioida kannattavaksi, koska sen avulla voidaan muun muassa saavuttaa kustannussäästöjä, vähentää päästöjä, ja lisätä sähköntuotannon omavaraisuutta sekä tukea alueellista työllisyyttä. Tässä hankkeessa (3) tutkittiin pienen kokoluokan hajautetun CHP-teknologian markkinapotentiaalia yleisesti Suomessa ja Kaakkois-Suomessa, tarkasteltiin alueellisia primäärienergialähteitä, ja tutkittiin laitetoimittajia, energiayrityksiä sekä niiden liiketoimintaverkostoja. Alueellisen selvityksen tueksi tutkittavia asioita tarkasteltiin osittain myös laajemmin muun muassa vertaisarvioinnin ja riittävän suuren otoskoon varmistamiseksi. Hankkeessa konsultoitiin potentiaalisia CHP-käyttökohteita ja tehtiin esiselvitykset kahdeksan kohteen teknis-taloudellisesta kannattavuudesta. Konsultoinneissa ja esiselvityksissä hyödynnettiin kehitettyä teknis-taloudellista laskentamallia. Hankkeen tulosten pohjalta laadittiin yleisohje soveltuvuusselvitysten tekemiseksi sekä suositus bioenergian alueelliseksi kehittämiseksi hajautetussa CHP-tuotannossa. Vuoden 2011 alussa voimaan tullut laki uusiutuvilla energialähteillä tuotetun sähkön tuotantotuesta on tarkoitettu tukemaan tuulivoimalla, biokaasulla ja puupolttoaineella tuotettua sähkön tuotantoa. Syöttötariffijärjestelmään hyväksytty sähkön tuottaja osallistuisi sähkömarkkinoille, ja tuottajalle maksettaisiin määräajan tukea markkinahinnan ja tuotantokustannusten välisen eron kattamiseksi. Jotta metsähakevoimala yleisten kelpoisuusehtojen täytyttyä voitaisiin hyväksyä syöttötariffin piiriin, pitää lisäksi laitoksen generaattoreiden nimellistehon olla vähintään 100 kW. Nykytekniikalla ja nykyisillä laitosten hyötysuhteilla tämä tarkoittaa sitä, että CHP-laitoksen kokonaistehon tulisi olla suuruusluokaltaan noin 500 kW. Näin ollen syöttötariffijärjestelmä ei kannusta pienimpiä laitoksia bioenergialla tuotetun sähkön myyntiin, ja näissä tapauksissa onkin arvioitava ainoastaan omakäyttösähkön merkitystä. Lämpö- ja CHP-laitosten polttoaineen hankintaketjua tuleva laki pienpuun energiatuesta (Petu) on hyväksytty eduskunnassa ja tulee voimaan asetuksella, mikäli Euroopan komissio hyväksyy uuden valtiontukijärjestelmän. Pienpuun energiatuki korvaa aiemmat Kemera-lain mukaiset korjuu- ja haketustuet. Tukea maksetaan nuoren metsän hoidon tai ensiharvennuksen yhteydessä saatavasta energiapuusta, mutta ei päätehakkuiden energiapuusta. Maa- ja puutarhataloudessa potentiaalisimpia käyttökohteita ovat suurehkot sika- ja siipikarjatilat, joiden lämmön ja sähkön kulutus on jo merkittävää. Kasvihuoneet ovat jo keskikokoisina huomattavia sähkön ja lämmön kuluttajia, ja siten potentiaalisia kohteita. Yleisesti tilojen määrän ennustetaan jo lähivuosien aikana vähenevän ja tilakoon kasvavan merkittävästi. Suurempi yksikkökoko luonnollisesti merkitsee mahdollisesti parantuneesta energiatehokkuudesta huolimatta yleensä suurempaa energian tarvetta ja siten potentiaalista kiinteää biomassaa käyttävää CHP-kohdetta. Pk-teollisuudessa luontevia käyttökohteita ovat esimerkiksi mekaanisen metsäteollisuuden laitokset sekä yleisestikin teollisuuskohteet, joiden energian kulutus on kohtalainen ja suhteellisen tasainen. Niin ikään suurehkot kiinteistöt, kuten esimerkiksi hotellit ja vanhainkodit, ovat potentiaalisia käyttökohteita. Olemassa olevat aluelämpölaitokset voivat ottaa CHP-teknologian käyttöön esimerkiksi laitoksen peruskorjauksen tai uusimisen yhteydessä. Kaiken kaikkiaan Kaakkois-Suomessa voidaan arvioida olevan maatiloilla, kasvihuoneissa, pk-teollisuudessa ja lämpölaitoksissa yhteensä useita kymmeniä potentiaalisia käyttökohteita. Arvioitaessa Kaakkois-Suomen kiinteitä bioenergiapotentiaaleja, keskeisin on metsäenergia, jonka teknistaloudellinen potentiaali on arvioitu olevan alle 2000 GWh, mitä voidaan pitää varsin konservatiivisena arviona. Peltoenergiapotentiaaliksi on arvioitu noin 400 GWh. Metsätähdehaketta kuljetetaan myös maakuntien välillä, vaikka kuljetusmatkat tulisi rajoittaa enintään 50–100 km etäisyydelle käyttöpaikasta kannattavuuden turvaamiseksi. Energiapuun voidaan arvioida riittävän pienen kokoluokan CHPteknologian lisääntyvään tarpeeseen, mutta alueellisesti polttoaineen saatavuuteen ja hintaan vaikuttavat olennaisesti esimerkiksi suurten CHP-laitosten mahdollisesti lisääntyvä metsähakkeen käyttö. Metsäteollisuuden ainespuun käytöllä on keskeinen rooli energiapuun saantoon. Lisäksi metsänomistajien todellinen halukkuus energiapuun myyntiin vaihtelee, ja esimerkiksi kantojen hyödyntäminen biopolttoaineena jakaa mielipiteitä. Hankkeessa tutkittiin ja haastateltiin 26 lämpöyritystä ja 26 lämpölaitostoimittajaa eri puolella Suomea sekä 19 potentiaalista CHP-laitevalmistajaa Kaakkois-Suomessa. Lämpöyrittäjyys on varsin paikallista toimintaa, joka on voimakkaasti kasvamassa. Lämpöyrittäjien hoitamia kohteita on Suomessa tällä hetkellä noin 450. Lämpölaitoksen ja lämpöverkon omistaa usein esimerkiksi kunta, ja lämpöyrittäjä hankkii polttoaineen, huolehtii laitoksen toiminnasta ja saa tuoton myydystä energiasta. Tyypillisesti lämpöyrityksellä ja –yrittäjällä on yhteistyötä paitsi polttoainetoimittajien ja asiakkaidensa kanssa, niin myös erilaisia huolto- ja muita palveluita tarjoavien tahojen, lämpölaitoksen kokonais- ja komponenttitoimittajien, ja muiden lämpöyrittäjien kanssa. Merkittävimmät laitevalmistajat ovat maantieteellisesti painottuneet Länsi- ja Etelä- Suomeen. Valmistajat ovat pääosin pk-yrityksiä, joista muutama on osa isompaa konsernia. Yritykset valmistavat tyypillisesti muun muassa lämpökattiloita, poltinteknologiaa, kuljettimia ja automaatiojärjestelmiä. Harva yritys valmistaa kaikki lämpölaitoksen komponentit itse, mutta useat kykenevät suunnittelemaan ja toimittamaan asiakkaille kokonaisia laitoksia avaimet käteen periaatteella liiketoimintaverkostojaan hyödyntäen. Laajimmillaan yritysten liiketoimintaverkostoihin voi kuulua asiakkaita, alihankkijoita, muita laitevalmistajia, kilpailijoita ja muita palveluiden tarjoajia. Kaakkois-Suomessa on huomattava yrityskanta konepaja-, automaatio-, hydrauliikka-, sähkö- ja LVI-yrityksiä, ja osa näistä yrityksistä on toiminut muun muassa metsäteollisuuden alihankkijoina. Metsäteollisuuden rakennemuutoksen myötä yritykset joutuvat osittain suuntaamaan liiketoimintaansa muualle, ja kyseisillä yrityksillä on perusosaamista ja kyvykkyyttä palvella energia-alaa, kuten esimerkiksi toimittaa komponentteja, laitteita tai palveluita CHP-laitostoimituksiin. Liiketoiminnan suuntaaminen uudelle toimialalle ja mahdollisten omien tuotteiden suunnittelu, valmistus ja markkinointi edellyttää kuitenkin merkittäviä panostuksia ja riskinsietokykyä. Kaiken kaikkiaan tutkitut lämpöyritykset, laitostoimittajat ja potentiaaliset laitetoimittajat suhtautuivat varovaisen positiivisesti pien-CHP:n tarjoamiin mahdollisuuksiin. Pien-CHP teknologian todettiin vielä vaativan kuitenkin kehittämistä, ja toisaalta yhteiskunnan tukitoimenpiteet nähtiin välttämättöminä, jotta bioenergiaa hyödyntävät pien-CHP ratkaisut voisivat yleistyä. Hankkeessa tutkittiin syvällisemmin erityyppisiä potentiaalisia bio-CHP kohteita, joista tehtiin esiselvitystasoiset soveltuvuus- ja kannattavuusarviot. Halukkuutta esiselvitysten tekemiseen olisi potentiaalisilta asiakkailta todennäköisesti löytynyt enemmän, mikäli bioenergiaa hyödyntävät pienen kokoluokan CHP-ratkaisut olisivat olleet lähempänä kaupallista sovellusta ja yhteiskunnan tukijärjestelmät bioenergialle valmiimpia sekä kattaneet paremmin myös pienen kokoluokan laitokset. Käyttökohteet olivat hyvin yksilöllisiä eikä niiden perusteella ollut mahdollista muodostaa yleispätevää mallia soveltuvuuden ja kannattavuuden arvioimiseksi. Teknologisten ratkaisujen vielä kehittyessä tarkkoja arvioita laitekustannuksista ei niin ikään ollut mahdollista esittää. Voidaan kuitenkin arvioida, että laitehinnat tulevat merkittävästi alenemaan kaupallisten ratkaisujen yleistyessä. Käyttökohteen kannattavuutta eivät itsestään selvästi turvaa myöskään yhteiskunnan tukijärjestelmät, vaikka laitos kuuluisikin kyseisten tukien piiriin. Olennaista investoinnin kannattavuuden kannalta on riittävän iso ja tasainen sähkön ja lämmön kulutus käyttökohteessa sekä polttoaineen ja energiahintojen tuleva kehitys. Kiinteitä biopolttoaineita kuten metsähaketta käyttävä pienen kokoluokan hajautettu CHP-teknologia on vielä kehittymässä, ja mennee vielä muutama vuosi ennen kuin kaupalliset ratkaisut yleistyvät merkittävästi. Yhteiskunnan tukimuodot kuten esimerkiksi syöttötariffijärjestelmä eivät niin ikään parhaalla mahdollisella tavalla tue kaikkein pienimmän kokoluokan CHP-investointeja. Pien-CHP ratkaisujen kaupallistumisen myötä Kaakkois-Suomella on yhtäläiset mahdollisuudet yhdessä muun Suomen kanssa kehittyä hajautetun bioenergian entistä kokonaisvaltaisemmaksi hyödyntäjäksi Avainsanat: sähkön ja lämmön yhteistuotanto, combined heat and power (CHP), mikroturbiini, stirling, syöttötariffi, biopolttoaine, metsähake, lämpöyrittäjä, lämpölaitosvalmistaja, maatila

Liquid cooling solutions for rotating permanent magnet synchronous machines

In the design of electrical machines, efficiency improvements have become very important. However, there are at least two significant cases in which the compactness of electrical machines is critical and the tolerance of extremely high losses is valued: vehicle traction, where very high torque density is desired at least temporarily; and direct-drive wind turbine generators, whose mass should be acceptably low. As ever higher torque density and ever more compact electrical machines are developed for these purposes, thermal issues, i.e. avoidance of over-temperatures and damage in conditions of high heat losses, are becoming of utmost importance. The excessive temperatures of critical machine components, such as insulation and permanent magnets, easily cause failures of the whole electrical equipment. In electrical machines with excitation systems based on permanent magnets, special attention must be paid to the rotor temperature because of the temperature-sensitive properties of permanent magnets. The allowable temperature of NdFeB magnets is usually significantly less than 150 ˚C. The practical problem is that the part of the machine where the permanent magnets are located should stay cooler than the copper windings, which can easily tolerate temperatures of 155 ˚C or 180 ˚C. Therefore, new cooling solutions should be developed in order to cool permanent magnet electrical machines with high torque density and because of it with high concentrated losses in stators. In this doctoral dissertation, direct and indirect liquid cooling techniques for permanent magnet synchronous electrical machines (PMSM) with high torque density are presented and discussed. The aim of this research is to analyse thermal behaviours of the machines using the most applicable and accurate thermal analysis methods and to propose new, practical machine designs based on these analyses. The Computational Fluid Dynamics (CFD) thermal simulations of the heat transfer inside the machines and lumped parameter thermal network (LPTN) simulations both presented herein are used for the analyses. Detailed descriptions of the simulated thermal models are also presented. Most of the theoretical considerations and simulations have been verified via experimental measurements on a copper tooth-coil (motorette) and on various prototypes of electrical machines. The indirect liquid cooling systems of a 100 kW axial flux (AF) PMSM and a 110 kW radial flux (RF) PMSM are analysed here by means of simplified 3D CFD conjugate thermal models of the parts of both machines. In terms of results, a significant temperature drop of 40 ̊C in the stator winding and 28 ̊C in the rotor of the AF PMSM was achieved with the addition of highly thermally conductive materials into the machine: copper bars inserted in the teeth, and potting material around the end windings. In the RF PMSM, the potting material resulted in a temperature decrease of 6 ̊C in the stator winding, and in a decrease of 10 ̊C in the rotor embedded-permanentmagnets. Two types of unique direct liquid cooling systems for low power machines are analysed herein to demonstrate the effectiveness of the cooling systems in conditions of highly concentrated heat losses. LPTN analysis and CFD thermal analysis (the latter being particularly useful for unique design) were applied to simulate the temperature distribution within the machine models. Oil-immersion cooling provided good cooling capability for a 26.6 kW PMSM of a hybrid vehicle. A direct liquid cooling system for the copper winding with inner stainless steel tubes was designed for an 8 MW directdrive PM synchronous generator. The design principles of this cooling solution are described in detail in this thesis. The thermal analyses demonstrate that the stator winding and the rotor magnet temperatures are kept significantly below their critical temperatures with demineralized water flow. A comparison study of the coolant agents indicates that propylene glycol is more effective than ethylene glycol in arctic conditions.

Minimizing Circulating Current in Parallel-Connected Photovoltaic Inverters

Parallel-connected photovoltaic inverters are required in large solar plants where it is not economically or technically reasonable to use a single inverter. Currently, parallel inverters require individual isolating transformers to cut the path for the circulating current. In this doctoral dissertation, the problem is approached by attempting to minimize the generated circulating current. The circulating current is a function of the generated common-mode voltages of the parallel inverters and can be minimized by synchronizing the inverters. The synchronization has previously been achieved by a communication link. However, in photovoltaic systems the inverters may be located far apart from each other. Thus, a control free of communication is desired. It is shown in this doctoral dissertation that the circulating current can also be obtained by a common-mode voltage measurement. A control method based on a short-time switching frequency transition is developed and tested with an actual photovoltaic environment of two parallel inverters connected to two 5 kW solar arrays. Controls based on the measurement of the circulating current and the common-mode voltage are generated and tested. A communication-free method of controlling the circulating current between parallelconnected inverters is developed and verified.

Design of a Traction Motor With Tooth-Coil Windings and Embedded Magnets

Traction motor design significantly differs from industrial machine design. The starting point is the load cycle instead of the steady-state rated operation point. The speed of the motor varies from zero to very high speeds. At low speeds, heavy overloading is used for starting, and the field-weakening region also plays an important role. Finding a suitable fieldweakening point is one of the important design targets. At the lowest speeds, a high torque output is desired, and all current reserves of the supplying converter unit are used to achieve the torque. In this paper, a 110-kW 2.5-p.u. starting torque and a maximum 2.5-p.u. speed permanent-magnet traction motor will be studied. The field-weakening point is altered by varying the number of winding turns of machine. One design is selected for prototyping. Theoretical results are verified by measurements.