Design and Material Selection of High-Speed Rotating Electrical Machines

The increasing emphasis on energy efficiency is starting to yield results in the reduction in greenhouse gas emissions; however, the effort is still far from sufficient. Therefore, new technical solutions that will enhance the efficiency of power generation systems are required to maintain the sustainable growth rate, without spoiling the environment. A reduction in greenhouse gas emissions is only possible with new low-carbon technologies, which enable high efficiencies. The role of the rotating electrical machine development is significant in the reduction of global emissions. A high proportion of the produced and consumed electrical energy is related to electrical machines. One of the technical solutions that enables high system efficiency on both the energy production and consumption sides is high-speed electrical machines. This type of electrical machines has a high system overall efficiency, a small footprint, and a high power density compared with conventional machines. Therefore, high-speed electrical machines are favoured by the manufacturers producing, for example, microturbines, compressors, gas compression applications, and air blowers. High-speed machine technology is challenging from the design point of view, and a lot of research is in progress both in academia and industry regarding the solution development. The solid technical basis is of importance in order to make an impact in the industry considering the climate change. This work describes the multidisciplinary design principles and material development in high-speed electrical machines. First, high-speed permanent magnet synchronous machines with six slots, two poles, and tooth-coil windings are discussed in this doctoral dissertation. These machines have unique features, which help in solving rotordynamic problems and reducing the manufacturing costs. Second, the materials for the high-speed machines are discussed in this work. The materials are among the key limiting factors in electrical machines, and to overcome this limit, an in-depth analysis of the material properties and behavior is required. Moreover, high-speed machines are sometimes operating in a harsh environment because they need to be as close as possible to the rotating tool and fully exploit their advantages. This sets extra requirements for the materials applied.

Sähkökoneen staattorikäämityksen kehittäminen

Tämä insinöörityö tehtiin ABB:n Pitäjänmäen konetehtaalle Tahtikoneet-tulosyksikölle. Työssä tutkittiin mahdollisuuksia valmistaa murtovakovyyhtejä kestomagneettituuligeneraattoreihin, joissa vakoluku on alle yhden. Työ tehtiin tutustumalla aluksi Pitäjänmäen konetehtaan käytössä oleviin vyyhden valmistus- ja käämintämenetelmiin. Lisäksi tutkittiin erilaisia mahdollisia murtovakovyyhden valmistusmenetelmiä, joista lupaavimpia myös kokeiltiin. Saatujen kokemusten pohjalta valittiin vyyhden valmistusmenetelmä, jonka mukaan valmistettiin koe-erä. Koe-erälle suoritettiin mittauksia, joilla varmistettiin niiden sähköinen kestävyys Työn tuloksena valitulla valmistusmenetelmällä valmistettiin vyyhdet prototyyppi tuuligeneraattorin.

Impingement jet cooling of end windings in a high-speed electric machine

The rotational speed of high-speed electric machines is over 15 000 rpm. These machines are compact in size when compared to the power rate. As a consequence, the heat fluxes are at a high level and the adequacy of cooling becomes an important design criterion. In the high-speed machines, the air gap between the stator and rotor is a narrow flow channel. The cooling air is produced with a fan and the flow is then directed to the air gap. The flow in the gap does not provide sufficient cooling for the stator end windings, and therefore additional cooling is required. This study investigates the heat transfer and flow fields around the coil end windings when cooling jets are used. As a result, an innovative and new assembly is introduced for the cooling jets, with the benefits of a reduced amount of hot spots, a lower pressure drop, and hence a lower power need for the cooling fan. The gained information can also be applied to improve the cooling of electric machines through geometry modifications. The objective of the research is to determine the locations of the hot spots and to find out induced pressure losses with different jet alternatives. Several possibilities to arrange the extra cooling are considered. In the suggested approach cooling is provided by using a row of air jets. The air jets have three main tasks: to cool the coils effectively by direct impingement jets, to increase and cool down the flow that enters the coil end space through the air gap, and to ensure the correct distribution of the flow by forming an air curtain with additional jets. One important aim of this study is the arrangement of cooling jets in such manner that hot spots can be avoided to wide extent. This enables higher power density in high-speed motors. This cooling system can also be applied to the ordinary electric machines when efficient cooling is needed. The numerical calculations have been performed using a commercial Computational Fluid Dynamics software. Two geometries have been generated: cylindrical for the studied machine and Cartesian for the experimental model. The main parameters include the positions, arrangements and number of jets, the jet diameters, and the jet velocities. The investigated cases have been tested with two widely used turbulence models and using a computational grid of over 500 000 cells. The experimental tests have been made by using a simplified model for the end winding space with cooling jets. In the experiments, an emphasis has been given to flow visualisation. The computational analysis shows good agreement with the experimental results. Modelling of the cooling jet arrangement enables also a better understanding of the complex system of heat transfer at end winding space.

Energiansäästökohteiden kartoitus konepajateollisuuden yrityksessä

Tämän diplomityön tavoitteena on kartoittaa Vaahto Oy:n Hollolan tehtaan energiankulutus ja energiansäästökohteet. Ensin tutkittiin tehtaan energiankulutus ja energiankulutuksen jakautuminen. Tutkimuksessa käytettiin saatavilla olevia kulutustietoja, luettiin konekirjoja sekä haastateltiin tehtaan työntekijöitä. Lisäksi tehdashallien lämmityslaitteiden hyötysuhteet mitattiin. Tutkimuksen päätavoite oli selvittää, miksi tehtaan lämmitysenergiankulutus on kasvanut ja kannattaisiko rakennusten lämmittämiseen käyttää vaihtoehtoista lämmitysmuotoa öljylämmitykselle. Potentiaalisista energiansäästökohteista tehtiin investointilaskelmat ja toimenpide-ehdotukset. Kannattaviksi toimenpiteiksi tutkimuksessa todettiin: lämmityspolttoaineen vaihtaminen maakaasuun, nosto-ovien hankkiminen, paineilmaverkon huolto, paineilmakompressorin lämmöntalteenotto, tehdastilojen sisälämpötilan tarkastus ja työnjohtotilojen ilmanvaihdon käyntiaikojen muutos. Toimenpiteillä arvioidaan vuotuisten energiakustannusten pienenevän noin 34 000 euroa. Toimenpiteiden toteuttamisen arvioidaan maksavan 135 000 ¤, mistä lämmitysjärjestelmän vaihdon osuus on 100 000 ¤.

Evaluation of performance analysis software for Linux computing cluster

Tietokonejärjestelmän osien ja ohjelmistojen suorituskykymittauksista saadaan tietoa,jota voidaan käyttää suorituskyvyn parantamiseen ja laitteistohankintojen päätöksen tukena. Tässä työssä tutustutaan suorituskyvyn mittaamiseen ja mittausohjelmiin eli ns. benchmark-ohjelmistoihin. Työssä etsittiin ja arvioitiin eri tyyppisiä vapaasti saatavilla olevia benchmark-ohjelmia, jotka soveltuvat Linux-laskentaklusterin suorituskyvynanalysointiin. Benchmarkit ryhmiteltiin ja arvioitiin testaamalla niiden ominaisuuksia Linux-klusterissa. Työssä käsitellään myös mittausten tekemisen ja rinnakkaislaskennan haasteita. Benchmarkkeja löytyi moneen tarkoitukseen ja ne osoittautuivat laadultaan ja laajuudeltaan vaihteleviksi. Niitä on myös koottu ohjelmistopaketeiksi, jotta laitteiston suorituskyvystä saisi laajemman kuvan kuin mitä yhdellä ohjelmalla on mahdollista saada. Olennaista on ymmärtää nopeus, jolla dataa saadaan siirretyä prosessorille keskusmuistista, levyjärjestelmistä ja toisista laskentasolmuista. Tyypillinen benchmark-ohjelma sisältää paljon laskentaa tarvitsevan matemaattisen algoritmin, jota käytetään tieteellisissä ohjelmistoissa. Benchmarkista riippuen tulosten ymmärtäminen ja hyödyntäminen voi olla haasteellista.

Yhdyskuntalietteen käsittely ennen termistä kuivausta ja polttoa

Työn tavoitteena on kartoittaa yhdyskuntalietteen käsittelyä lietteenpolttolaitoksen tarpeita ajatellen. Lietteen käsittelytekniikoiden ja kuljetusvaihtoehtojen selvittäminen on siis työn keskeinen tavoite. Lisäksi otetaan selvää näiden tekijöiden kustannusrakenteesta. Yhdyskuntalietteen ominaisuuksien sekä käsittelyyn liittyvien ongelmakohtien valottaminen kuuluu samoin työn tavoitteisiin. Työssä tehdään muun ohella case-tarkastelua Kaakkois-Suomen alueeseen liittyen. Tavoitteena on muodostaa tarkoitukseen soveltuva lietteenkäsittelymalli kullekin tapaukselle. Työn alkuosassa tutustutaan yleisesti lietteeseen sekä polttoaineen että jätteen roolissa. Tarkastelu sisältää tietoja lietteen ominaisuuksista ja muodostuvista määristä sekä lietteenkäsittelyssä olennaisista lainsäädännöllisistä seikoista. Samoin katsastetaan hieman jäteve¬denpuhdistusprosessiin sekä näin ollen lietteen syntyyn. Lietteen esikäsittelyä, mekaanista vedenerotusta, termistä kuivausta ja polttoa tarkastellaan yleisessä valossa. Mekaanisen vedenerotuksen osalta myös eritellään ja vertaillaan laitteita. Etenkin linko, mutta myös suotonauhapuristin osoittautuivat erityisen sopiviksi kunnallisen lietteen käsittelyyn. Työn loppupuoliskolla kiinnitetään huomiota lietteen varastointiin sekä syöttö-ja purkumenetelmiin, lyhyen etäisyyden siirtoon ja pidemmän matkan kuljetukseen. Case-tapauksissa pohditaan Kymenlaakson ja Etelä-Karjalan paikallisia lietteenkäsittelymahdollisuuksia. Mekaanisesti kuivattua lietettä käsitellään kyseisissätapauksissa vuosittain 6000 t ja 15 000 t. Lietteen polton tuottama sähkö- ja lämpöteho näyttävät riippuvan voimakkaasti lietteen kuiva-ainepitoisuudesta, eivät niinkään lietteen muista ominaisuuksista. Lietteenkäsittelykustannukset tiivistetystä lietteestä termiseen kuivaukseen soveltuvaksi polttoaineeksi vaihtelevat10-20 \ lietetonnia kohden, riippuen käsittelyvaiheiden määrästä. Kustannuksia syntyy eniten mekaanisesta vedenerotuksesta ja varastoinnista.

Paperikoneen devestoinnin vaikutukset tehtaan infrastruktuuriin

ässä työssä on analysoitu UPM-Kymmene Oyj Voikkaan tehtaalla tapahtuneiden paperikoneiden 16 ja 17 ja SGW- hiomon pysäyttämisten vaikutuksia tehtaan sisäiseen infrastruktuuriin sekä tehdas- ja osastolayoutien uudelleen järjestelytarpeisiin. Diplomityön tavoitteena oli laatia koko tehdasalueen käsittävä, osastojen, laitosten ja laitteistojen lyhyen ja pitkän tähtäimen sijoitussuunnitelma. Suunnitelmassa on huomioitu vanhan tehtaan puolelle jäävien toimintojen siirto lähemmäs käyntiin jääneitä paperikoneita 11 ja 18 sekä PGW-hiomoa. Suunnitelmassa on myös otettu huomioon tiedossa olevat pitemmän tähtäimen kehityssuunnitelmat. Suunnitelman laatimisella tavoitellaan niin ikään pitkän tähtäimen suunnitelmallisuuden lisäämistä koko tehdasympäristössä. Työn teoriaosassa tarkastellaan tehdassuunnittelua yleensä, esitellään tehdasprojektin eri vaiheet sekä tehdassuunnitteluprojektin oleellisimmat päätöksentekovaiheet. Tarkemman tarkastelun kohteena on, minkä tasoista tilasuunnittelua tehdasprojektin eri vaiheissa tehdään. Kokeellisessa osassa tarkastellaan tutkimuskohteiden vaihtoehtoisia sijoituspaikkoja, vaihtoehtojen toteutuskelpoisuutta ja niiden tarkoituksenmukaisuutta. Loppuyhteenvedossa tehdään johtopäätöksiä tehtaan koko layoutin tarkoituksenmukaisuudesta ja verrataan sitä ns. mallitehtaan periaatteelliseen layoutiin sekä tehdään yhteenvetoa siitä, mitkä ovat tehtaan toiminnan kannalta tärkeimmät muutoskohteet.

Virtuaalitodellisuuslaboratorion laiteympäristön kehittäminen - ohjaimet ja ohjelmistot

Tämä diplomityö on tehty osana HumanICT-projektia, jonka tavoitteena on kehittää uusi, virtuaalitekniikoita hyödyntävä, työkoneiden käyttäjäliityntöjen suunnittelumenetelmä. Työn tarkoituksena oli kehittää VTT:n Tuotteet ja tuotanto tutkimusyksikköön kuluvan Ihminen-kone-turvallisuus ryhmän nykyistä virtuaalitodellisuuslaboratoriota siten, että sitä voidaan käyttää työkoneiden suunnittelussa sekä monipuolisissa ergonomiatarkasteluissa. Itse ympäristön kehittäminen pitää sisällään uuden ohjainjärjestelmän suunnittelun sekä sen implementoinnin nykyisin käytössä olevaan virtuaaliympäristöön. Perinteisesti ohjaamosimulaattorit ovat olleet sovelluskohteisiin räätälöityjä, joten ne ovat kalliita ja niiden konfiguroinnin muuttaminen on vaikeaa, joskus jopa mahdotonta. Tämän työntarkoituksena oli kehittää PC-tietokoneeseen ja yleiseen käyttöjärjestelmään perustuva ohjainjärjestelmä, joka on nopeasti kytkettävissä erilaisiin virtuaaliympäristön sovelluksiin, kuten ohjaamomalleihin. Työssä tarkasteltiin myös tapoja mallintaa fysikaalisia ilmiöitä reaaliaikasovelluksissa, eli on-line simuloinnissa. Tämän tarkastelun perusteella etsittiin ja valittiin jatkokäsittelyyn ohjelmistoja, joiden reaaliaikaisen dynamiikan simulointialgoritmitolivat kaikkein kehittyneimpiä ja monipuolisia.

Development of a simulation tool for torsional vibration of branched power transmission system

In this master's thesis a mechanical model that is driven with variable speed synchronous machine was developed. The developed mechanical model simulates the mechanics of power transmission and its torsional vibrations. The mechanical model was developed for the need of the branched mechanics of a rolling mill and the propulsion system of a tanker. First, the scope of the thesis was to clarify the concepts connected to the mechanical model. The clarified concepts are the variable speed drive, the mechanics of power transmission and the vibrationsin the power transmission. Next, the mechanical model with straight shaft line and twelve moments of inertia that existed in the beginning was developed to be branched considering the case of parallel machines and the case of parallel rolls. Additionally, the model was expanded for the need of moreaccurate simulation to up to thirty moments of inertia. The model was also enhanced to enable three phase short circuit situation of the simulated machine. After that the mechanical model was validated by comparing the results of the developed simulation tool to results of other simulation tools. The compared results are the natural frequencies and mode shapes of torsional vibration, the response of the load torque step and the stress in the mechanical system occurred by the permutation of the magnetic field that is arisen from the three phase short circuit situation. The comparisons were accomplished well and the mechanical model was validated for the compared cases. Further development to be made is to develop the load torque to be time-dependent and to install two frequency converters and two FEM modeled machines to be simulated parallel.

Napakäämityn murtovakokestomagneettitahtikoneen suunnittelu

Diplomityössä tutustutaan napakäämittyihin murtovakokestomagneettitahtikoneisiin sekä syvennytään niiden suunnitteluun analyyttisen laskennanavulla. Analyyttisen laskennan haasteena on perinteisesti käytettyjen kestomagneettitahtikoneiden laskentayhtälöiden sovittaminen murtovakokäämityille kestomagneettitahtikoneille. Työn lopussa analyyttisen laskennan tuloksia verrataan kenttälaskentaohjelmalla saatuihin tuloksiin. Tärkeimmät analyyttiset yhtälöt sekä laskentamallin rakenne on esitetty työssä.

Taloudellinen ja läpimenoajaltaan lyhyt ruiskupuristusmuotin valmistusprosessi

Tämän diplomityön tavoitteena oli löytää Perlos Tools Joensuun tehtaalle sopiva taloudellinen ja läpimenoajaltaan lyhyt ruiskupuristusmuotin valmistusprosessi. Kirjallisuusosiossa tarkastellaan valmistuksen prosessimalleja, esitellään tärkeimmät muotinvalmistuksen menetelmät, sekä nykytilan ja tulevaisuuden haasteet. Lisäksi tarkastellaan muotinvalmistuksen työajan ja kulujen jakaantumista, tärkeimpiä investointilaskelmia, sekä investointien perustelemista simulointien avulla. Tutkimusosiossa simuloidaan erilaisia prosessimalleja, selvitetään valmistusmenetelmienja koneiden vaikutusta muotinvalmistuksen läpimenoaikaan, sekä lasketaan investointien ja valmistuskoneiden vaikutukset takaisinmaksuaikoihin. Simulaation tavoitteena on asiaankuuluvien mallien, sopivien kysymysten sekä prosessimallien kehittämisen kautta tuottaa analysoitua informaatiota päätöksenteon tueksi. Tutkimustulosten perusteella ruiskupuristusmuotin valmistusprosessi on optimoitu. Optimoinnin tuloksena tarkasteltavalla yrityksellä on käytössään taloudellinen ja läpimenoajaltaan lyhyt ruiskupuristusmuotin valmistusprosessi.

Laatujärjestelmän käyttöönotto pienessä alkoholitehtaassa

Diplomityö on tehty pienelle alkoholijuomia valmistavalle yritykselle, joka on toiminut alalla 18vuotta. Yrityksellä on takanaan mittavat investoinnit uusiin koneisiin ja laitteisiin. Yrityksen suunnitelmissa on kasvattaa tuotantoaan laajentamalla vientiin. Työssä tarkastellaan sitä, mikä laadunhallintajärjestelmä ISO 9001:2000 on, miten laadunhallintajärjestelmä on kehittynyt, miten se toimii sekä miksi yritykset ovat ottaneet laatujärjestelmän käyttöön. Työssä on läpikäyty Pk-sektorin yritysten luokitteluperusteet, tarkasteltu Pk-yritysten ominaispiirteitä alan tutkimuksen mukaan sekä Pk-yritysten lukumäärääja niiden suhteellista osuutta kaikista yrityksistä. Diplomityössä tarkastellaan standardin vaatimuksia ja tarkoitusta sekä avataan niitä käytännön toimenpiteitä, joita standardien käyttöönotto vaatii organisaatiolta. Työn teoreettisena perustana on käytetty alan kirjallisuuden ja tutkimustulosten suosituksia siitä, miten laadunhallintajärjestelmä tulisi rakentaa ja ottaa käyttöön. Käytännön osuuden työstä muodostaa sertifioidun laadunhallintajärjestelmä ISO 9001:2000 rakentaminen kyseiseen yritykseen. Koska yrityksen lähtötilanne laadun osalta oli erittäin hyvä, standardin vaatimukset oli kohtuullisen helppo täyttää, eivätkä ne aiheuttaneet toimintaan mainittavia muutoksia. Työssä on käsitelty ne standardin vaatimusten täyttämiseksi tehdyt toimenpiteet ja päätökset, joilla yritys saavutti vaatimustenmukaisuuden. Laadunhallintajärjestelmän rakentamisessa tehtyjä toimenpiteitä, päätöksiä ja havaintoja on verrattu alan kirjallisuuden ja tutkimuksen tuloksiin. Tekijä esittää lisäksi omia huomioitaan siitä, kuinka standardin eri vaatimusten kohdalla kannattaa menetellä.

Kestomagneettitahtikoneen lämpömallinnus

Sähkökoneenterminen suunnittelu on yhtä tärkeätä kuin koneen sähköisten piirien ja magneettipiirin mitoitus, koska koneen lämpenemä määrää koneesta saatavan tehon. Pääosasähkökoneista suunnitellaan edelleen ns. perimätiedon avulla, jossa tukeudutaanvalmiiksi koeteltuihin ratkaisuihin ja kokemusperäiseen tietoon tiettyjen rakenteiden toimivuudesta. Perinteisin menetelmin uusia konerakenteita suunniteltaessa ei pystytä saamaan luotettavaa tietoa uusien ratkaisuiden toimivuudesta. Etenkin hitaasti pyörivien ja suuren vääntötiheyden omaavien kestomagneettitahtikoneiden jäähdytyksen mitoitus on ongelmallista. Siten tarve kehittää analyyttisiä työkaluja lämpenemän mallinnukseen on perusteltua. Tässä työssäperehdytään suuren tehotiheyden omaavien kestomagneettikoneiden urakoon ja virrantiheyden valintaan termisen mitoituksen kannalta. Työn tavoitteena on laatia yksinkertainen analyyttinen työkalu urakoon ja virrantiheyden valintaan. Työkaluavoidaan hyödyntää jo koneensuunnittelun alkuvaiheessa.

Jäänhoitokoneen voimansiirron kehittäminen

Diplomityön tavoitteena oli tutkia jäänhoitokoneen nykyisen voimanlähteen mahdollista korvaamista eri tekniikkaan perustuvilla voimanlähteillä. Teoriaosassa tutustutaan jäänhoidon historiaan eli mistä tarve jäänhoitokoneiden suunnitteluun ja valmistukseen on syntynyt. Samoin esitellään jäähoidon koko prosessi ja eri käyttövoimanlähteet mitä maailmalla jäänhoitokoneissa on käytössä. Käytännön osuus keskittyy aluksi esittelemään jäänhoitokoneen nykyisen toimintaperiaatteen, siinä käytetyt komponentit sekä kartoittaa koko järjestelmän heikkoudet ja vahvuudet. Osuudessa selvitetään myös kahden nykyisestä poikkeavien voimanlähteiden toimintaperiaatteet sekä niiden mahdollisuudesta korvata jäänhoitokoneen nykyinen järjestelmä. Näiden osalta selvitetään myös vaihtoehtoisten tekniikoiden heikkoudet ja vahvuudet. Työn tuloksena selvisi, että uudet korvaavat voimanlähteet ovat vielä kehitysvaiheessa eikä siis vielä tarpeeksi valmiita, suorituskykyisiä tai saasteettomia korvaamaan nykyistä 0-päästöistä sähkömoottorijärjestelmää. Sen sijaan kehitysehdotuksena syntyi idea nykyisen järjestelmän optimoimisesta paremman hyötysuhteen ja sitä mukaa akkujen eliniän parantamiseksi.

EU:n uuden kemikaaliasetuksen ja REACH järjestelmän vaikutukset ABB Oy, Sähkökoneisiin

EU on valmistelemassa uutta kemikaaliasetusta joka sisältää myös nk. REACH järjestelmän. Uusi asetus tulee voimaan vuonna2006 tai 2007. Uudella asetuksella pyritään mm. parantamaan ihmisten terveyden ja luonnon suojelua, sekä selventämään nykyään hyvin sekavaa EU:n kemikaalilainsäädäntöä. Kemikaaliasetus koskee kemikaalien valmistusta, maahantuontia ja käyttöä valmistusprosesseissa. Tässä diplomityössä tarkastellaan uuden kemikaaliasetuksen ja REACH järjestelmän aiheuttamia vaikutuksia sähkömoottoreiden ja -generaattoreiden valmistukseen ABB Oy, Sähkökoneiden kannalta. Työssä on tarkasteltu uuden kemikaaliasetuksen tuomia muutoksia kemikaaliturvallisuuden hallintaan ja kemikaalikustannuksiin. Työssä tarkastellaan ABB Oy, Sähkökoneiden roolia jatkokäyttäjänä. Työssä on tarkastellut myös mitä vaikutuksia aineiden mahdollisilla poistumisilla markkinoilta olisi tuotantoprosessiin. Vaikutukset näkyvät pääasiassakemikaalikustannusten nousuna ja muutoksina kemikaali turvallisuuden hallinnassa, lisäksi markkinoilta saattaa poistua valmistuksen kannalta tärkeitä kemikaaleja. Asetuksen voimaantulon aiheuttamien lopullisten kustannusten määrään vaikuttaa suuresti se kuinka paljon aineita poistuu markkinoilta ja kuinka paljon tämän takia joudutaan tekemään muutoksia valmistusprosessissa.