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.

Re-usable ASIC integrationverification software architecture

Mikropiirien valmistus- ja suunnittelutekniikoiden kehittyminen mahdollistaa yhä monimutkaisempien mikropiirien valmistamisen. Piirien verifioinnista onkin tullut prosessin aikaa vievin osa,sillä kompleksisuuden kasvaessa kasvaa verifioinnin tarve eksponentiaalisesti. Vaikka erinäisiä strategioita piirien integroinnin verifiointiin on esitetty, mm. verifioinnin jakaminen koko suunnitteluprosessin ajalle, jopa yli puolet koko piirin suunnitteluun ja valmistukseen käytetystä työmäärästä kuluu verifiointiin. Uudelleenkäytettävät komponentit ovat pääosassa piirin suunnittelussa, mutta verifioinnissa uudelleenkäytettävyyttä ei ole otettu kunnolla käyttöön ainakaan verifiointiohjelmistojen osalta. Tämä diplomityö esittelee uudelleenkäytettävän mikropiirien verifiointiohjelmistoarkkitehtuurin, jolla saadaan verifiointitaakkaa vähennettyä poistamalla verifioinnissa käytettävien ohjelmistojen uudelleensuunnittelun ja toteuttamisen tarvetta.

Paalutuskoneen vakavuuslaskennan kehittäminen

Tässä diplomityössä tutkitaan paalutuskoneen stabiliteetti- elivakavuuslaskennan toteuttamista yleisesti käytetyn monikappaledynamiikan ohjelmiston avulla. Vakavuuslaskenta kuuluu olennaisena osana paalutuskoneen suunnitteluun ja siitä saadut tulokset asettavat rajat massoille, joita paalutuskone pystyy turvallisesti käsittelemään. Tutkittavana kohteena oli uudentyyppinen poraavapaalutuskone, josta saatiin myös todellista mittaustietoa työssä laaditun simulointimallin toimivuuden arvioimiseksi. Työssä kokeiltiin erityisesti ohjelmiston tarjoamia keinoja laskentaprosessin yksinkertaistamiseksi jasimulointimallin käytön helpottamiseksi. Koska simulointimalli haluttiin säilyttää mahdollisimman yksinkertaisena, porakoneen komponentit mallinnettiin jäykkinä. Mallin ratkaisussa käytettiin staattista ja kvasistaattista analyysia. Dynaamisten voimien vaikutus porakoneeseen otettiin mallissa huomioon lisäämällä massakeskipisteisiin vastaavat pistevoimat.

Kontekstitietoisen mobiilipelin suunnittelu ja toteutus

Kontekstitietoisuuden katsotaan voivan parantaa sovellusten ja palvelujen käytettävyyttä matkapuhelimissa. Kontekstitietoisuuden tekniikoita voidaan käyttää myös peleissä, joko siksi, että ne mahdollistavat uudenlaisia pelejä, tai siksi, että peleillä voidaan havainnollistaa ja testata eri tekniikoiden toimintaa. Diplomityössä esitellään prototyyppi monen pelaajan kontekstitietoisesta mobiilipelistä, jossa pelivälineinä käytetään kamerapuhelimella luettavia tavallisia viivakoodeja. Viivakoodit on yhdistetty palvelimella sijaitsevan pelimaailman kohteisiin, joiden omistuksesta pelaajat kilpailevat. Peliä on tarkoitus arvioida myöhemmin pelattavuuden ja idean kiinnostavuuden kannalta. Prototyypin toinen tehtävä on havainnollistaa Multi-User Publishing Environment (MUPE) -sovellusalustan tukea kontekstitietoisuudelle. Työ kuvaa pelin suunnittelun, toteutuksen ja arvioinnin alkaen varhaisimmista ideoista ja päättyen osittaiseen prototyyppiin. Prototyypissä on toteutettu osa pelilogiikasta ja käyttöliittymästä, mutta sitä ei ole integroitu kontekstitietoa kerääviin sensoreihin. Pelin suunnittelussa käytettiin apuna heuristista arviointia ja kahta fokusryhmähaastattelua.

Tiehankkeiden suunnittelu - Ympäristön tilan selvitys ja ympäristövaikutusten arviointi

Tämä diplomityö on tehty ohjeeksi väyläsuunnittelijoille, tiehankkeiden suunnittelussa tehtävään ympäristön tilan selvittämiseen sekä ympäristövaikutusten arviointiin.Työn toimeksiantajana on Tieliikelaitoksen Konsultoinnin Suunnittelupalvelut. Tutkimusongelmaa lähestyttiin selvittämällä aikaisemmin suunnittelussa käytettyjätyöskentelytapoja ja -menetelmiä sekä tarkastelemalla aiemmin tehtyjä tiensuunnittelun asiakirjoja. Selvitys keskittyi Tieliikelaitoksen ja sitä edeltäneen Tielaitoksen toimintaan, mutta työssä tarkasteltiin myös muiden asiantuntijoiden laatimia suunnitelmia. Työn lähtökohtana oli laatia ohje, jonkaavulla suunnittelijat voivat tehdä suunnitelmaan kuuluvan ympäristötiedon käsittelyn itsenäisesti. Hankkeissa, joissa näin toimitaan, oletetaan ympäristövaikutusten jäävän melko vähäisiksi eikä niissä vaadita YVA-lain mukaista menettelyä. Laaditun ohjeen myötä eri suunnittelijoiden laatimat tiehankkeiden suunnitelmat yhtenäistyvät ympäristötiedon käsittelyn osalta, sillä aiemmin yhtenäistä käytäntöä ei ole ollut. Suunnitelmien laatu paranee ja ympäristövaikutusten arviointi helpottuu samaan ohjeeseen kootun tiedon avulla. Ohjeen aikaansaaman suunnittelutoiminnan kehittyminen näkyy vasta, kun ohjetta on sovellettukäytännössä hankkeiden suunnitteluun.

Asiakaslähtöinentilaus-toimitus-prosessin kehittäminen räätälöivässä yrityksessä

Tapa, jolla yritys vastaa sen räätälöityvien tuotteiden kysyntään, määrittää yrityksen menestymisen. Sen on ymmärrettävä mikä arvo asiakkaalle syntyy, kun sen yksilökohtaiset tarpeet otetaan huomioon tuotetta räätälöitäessä. Toisaalta, yrityksen on ymmärrettävä kustannus, joka näiden tarpeiden huomioon ottamimisesta syntyy. Yhdistämällä nämä tiedot oikein tilaus-toimitus-prosessin suunnittelussa ja valinnassa voidaan kutakin valittua asiakasta tai asiakasryhmää palvella kannattavasti. Tämän diplomityöntavoite on kehittää tutkimuksen toimeksiantajan Vahterus Oy:n tilaus-toimitus-prosessia. Perusteena ovat kolmen tärkeimmän asiakasryhmän tarpeet sekä tieto nykyisestä prosessista. Tutkimuksen teoreettinen perusta luodaan tutustumalla kirjallisuuteen räätälöinnistä, asiakaslähtöisyydestä sekä toimitus-prosessien eriyttämisestä. Order-winner ja order-qualifier kriteerien selvittäminen ja niiden käyttö oikean prosessin valinnassa muodostaa tutkimuksen teoreettisen ytimen. Empiriaosassa analysoitiin case-yrityksen nykyisen tilaus-toimitus-prosessin toiminta. Prosessin kehittämistyön pohjaksi selvitetettiin case-yrityksen kolmen tärkeimmän asiakasryhmän erityispiirteet ja tarpeet haastattelututkimuksella. tilaus-toimitus-prosessin analyysissä havaittiin huomattavaa asiakasryhmäkohtaista vaihtelua läpimenoajoissa. Tämä johtui tilatun tuotteen tyypistä sekä asiakkaiden erityisvaatimuksista. Haastattelututkimuksessa vahvistuinäkemys asiakasryhmien tilaus-toimitus-prosessille asettamien vaatimuksien selkeistä eroista. Johtopäätöksenä esitetään erilaisia toimitusstrategioita eri asiakasryhmille. Kustannus-tehokkuutta ja nopeutta vaativalle asiakasryhmälle prosessia tehostetaan suunnitteluprosessin automatisoinnilla. Joustavuutta vaativaa, korkeampia kustannuksia sallivaa asiakasryhmää palvellaan paremmin kehittämällä projektihallinnan ja myynnin työkaluja sekä henkilökunnan osaamista. Tutkimuksen tärkein kontribuutio yritykselle oli asiakasryhmien erojen tiedostaminen ja niiden huomioon ottaminen toimitustrategioiden ja organisaation jatkuvassa kehittämisessä.

Terässiilojen mitoitusohjelman kehittäminen

Siiloja käytetään jauhemaisten ja rakeisten aineiden varastointiin ja annosteluun maataloudessa sekä mm. lasi-, laasti- ja tasoiteteollisuudessa. Tällaiset laitokset toimitetaan usein kokonaistoimituksina, joissa tavanomaisten teräsrakenteiden kustannusvaikutus voi olla jopa 30 % koko toimituksen arvosta. Niinpä osaltaan siilojen tehokkaalla mitoituksella ja erilaisiarakenneratkaisuja vertailemalla voidaan alentaa toimitusten kokonaiskustannuksia. Tässä diplomityössä perehdyttiin siilojen rakenteisiin ja niiden lujuustekniseen mitoitukseen etenkin tuentaratkaisujen osalta. Mitoituksen osalta työssä perehdyttiin pääasiassa uusiin Eurooppalaisiin standardeihin SFS-EN 1991-4 ja SFS-EN 1993-4-1. Niiden mukaan määritetään mitoituskuormat sekä tehdään lujuustekninen mitoitus. Työn tuloksena laadittiin Microsoft Excel -pohjainen mitoitusohjelma, jolla voidaan nopeasti mitoittaa siilojen olennaisimmat teräsrakenteet. Ohjelmalla voidaan määrittää mitoitus koskien siilon lieriön ja kartion seinämiä sekä tuentaratkaisuja. Ohjelma nopeuttaa erityisesti tarjousvaiheen suunnittelua ja antaa pohjan varsinaiselle siilojen yksityiskohtaiselle mitoittamiselle ja suunnittelulle.

Prosessimainen toiminta yrityksen kilpailuedun lähteenä

Prosessijohtaminen eli liiketoimintaprosessien uudelleenjärjestely on liiketoiminnan kehittämismuoto. Prosessijohtamisen perusideana on, että perinteisen organisaatiorakenteen päälle rakennetaan organisaatiorajat ylittäviä toimintaprosesseja, joiden mukaan yritys toimii. Prosessista vastuussaovat prosessitiimit, jotka kootaan yrityksen organisationaalisista yksiköistä. Prosessitiimiä johtaa prosessinomistaja. Oikein implementoituna prosessimainen toiminta voi parantaa dramaattisesti laatua, lyhentää läpimenoaikoja, vähentää kustannuksia ja tuoda näin ollen kilpailuetua. Prosessien suorituskykyä voidaan mitata perinteisillä talouden mittareilla, kuten läpimenoajoilla, virheprosenteilla ja tuottavuudella. Prosessijohtamisen impelementointi on hankalaa ja monet yritykset ovat epäonnistuneet siinä. Menestyksellinen prosessijohtamisen käyttöönotto vaatii mm. johdon ja työntekijöiden sitoutumista, prosessien syvällistä ymmärtämistä ja yrityksen IT-järjestelmän kytkemistä BPR:ään

Lujan teräksen hyödyntäminen taittopuomissa

Työn päätavoitteena on ennakkoluulottomasti etsiä uudenlaista ratkaisua Mantsinen -lastausnosturin taittopuomiin ja pyrkiä löytämään kevyempi tarkoitukseen sopiva rakenne hyödyntämällä lujia teräksiä. Työ painottuu eri ratkaisuvaihtoehtojen kartoittamiseen ja niiden arviointiin elementtimenetelmää hyödyntäen. Arvioinnissa painotettiin tarkoituksen mukaisuutta ja väsymiskestävyyttä. Tutkimus suoritetaan vertailemalla vanhaa ja uutta ratkaisua keskenään. Työssä havaittiin, että ottamalla huomioon hitsattujen lujien terästen väsymisominaisuudet jo suunnittelussa, voidaan saada aikaan kevyempiä ja väsymisen kannalta kestävämpiä ratkaisuja.

Kiinteistösähköverkkojen laskentaohjelmiston valinta.

Jotta kiinteistösähköverkkojen laskentaohjelmia voidaan vertailla mielekkäästi keskenään, on tunnettava suunnitteluprosessin vaiheet ja tarvittavat laskelmat. Sähköverkon mitoituksessa tärkeitä tietoja ovat verkon oikosulkuteho, kuormitukset ja vikavirrat, joiden avulla määritellään tarvittavat suojaukset, johtojen poikkipinnat ja jännitteenalenemat. Tällä hetkellä markkinoilla olevia ohjelmia ovat esimerkiksi Ecodial, NolaWi, DOCWin, EDSA ja KUBS+. Kun painotetaan ohjelman hintaa, kieltä, verkon rakentamista, komponenttikirjastojen kokoa, solmupisteiden määrää, suojauksen selektiivisyyden tarkastamista ja kosketusjännitesuojauksen toiminnan toteamista sekä tuloksien esitystä niin ohjelmista parhaiten pärjäävät Ecodial ja DOCWin. Vertailun tuloksena ehdotetaan suunnittelutyöhön valittavaksi ohjelmaksi ABB:n DOCWin:a, joka täyttää parhaiten halutut ominaisuudet ja on lisäksi käyttökustannuksiltaan edullinen.

Älykkäiden ohjausjärjestelmien käyttö puutavarakuormaimen väsymiskestoiän parantamisessa

Työn tavoitteena oli tutkia älykkäiden ohjausjärjestelmien käyttöä mekatronisen koneen väsymiskeston parantamisessa. Älykkäiden järjestelmien osalta työssä keskityttiin lähinnä neuroverkkojen ja sumean logiikan mahdollisuuksien tutkimiseen. Tämän lisäksi työssä kehitettiin väsymiskestoikää lisäävä älykkäisiin järjestelmiin perustuva ohjausalgoritmi. Ohjausalgoritmi liitettiin osaksi puutavarakuormaimen ohjausta. Ohjaimen kehittely suoritettiin aluksi simulointimallien avulla. Laajemmat ohjaimen testaukset suoritettiin laboratoriossa fyysisen prototyypin avulla. Tuloksena puutavarakuormaimen puomin väsymiskestoikäennuste saatiin moninkertaistettua. Väsymiskestoiän parantumisen lisäksi ohjainalgoritmi myös vaimentaa kuormaimen värähtelyä.

Mekatronisten koneiden reaaliaikainen simulointi Linux-ympäristössä

Työn tavoitteena oli selvittää mahdollisuuksia käyttää Linux-ympäristöä mekatronisten koneiden reaaliaikaisessa simuloinnissa. Työssä tutkittiin C-kielellä tehdyn reaaliaikaisen simulointimallin ratkaisua Linux-käyttöjärjestelmässä RTLinux-reaaliaikalaajennuksen avulla. Reaaliaikainen simulointi onnistui RTLinuxin avulla tehokkaasti ja mallinnusmenetelmien rajoissa tarkasti. I/O-toimintojen lisäämistä erillisten I/O-korttien avulla ei tarkasteltu tässä työssä. Reaaliaikaista Linuxia ei ole aikaisemmin käytetty mekatronisten koneiden simulointiin. Tämän vuoksi valmiita työkaluja ei ole olemassa. Linux-ympäristö ei näin ollen sovellu kovin hyvin yleiseen koneensuunnitteluun mallintamisen työläyden vuoksi.

Sellupesurin sisäiset vaiheet erottavien komponenttien kehittäminen

Kilpailukyvyn säilyttämiseen tarvitaan jatkuvaa tuotekehitystä ja kustannusten hallintaa. Tietyssä vaiheessa tuotteen elinkaaressa rakenteeseen on tehtävä suuria muutoksia, jotta tuotteesta aiheutuvat elinkaarikustannukset saadaan alhaisemmiksi, niin valmistus- kuin kunnossapitokustannustenkin osalta. Tämä diplomityö käsittelee sellupesurin sisäisiä vaiheita erottavaa tiiviste-elementtiä ja sen kehittämistä. Työssä on pyritty löytämään uusi, elinkaarikustannuksiltaan alhaisempi ratkaisu entisen rakenteen tilalle. Alkuvaiheessa uudelle ratkaisulle ei asetettu juuri minkäänlaisia rajoitteita. Tällä pyrittiin siihen, että myös kaikista innovatiivisimmatkin ideat tulisivat esille ja huomioiduksi. Uusien rakenneratkaisujen ideoinnissa, vertailussa ja valinnassa hyödynnettiin järjestelmällistä koneensuunnitteluprosessia. Työn tuloksena saatiin kehitettyä uusi, kevyempi ja elinkaarikustannuksiltaan edullisempi rakenne. Uuden rakenteen osien määrä saatiin vähennettyä noin kymmenesosaan verrattuna entiseen rakenteeseen ja elinkaarikustannukset saatiin alenemaan noin 32–35 % materiaalista riippuen. Elinkaarikustannuksista tuotteen valmistuskustannukset materiaaleineen pienenivät noin 23–25 % ja kunnossapitokustannukset noin 46–52 %.

Järjestelmäintegroinnin vaatimukset dokumenttien hallinnan sovelluspalvelussa ja palvelualustan suunnittelu

Työssä on selvitetty soveltuvatko maailman johtavien ECM (Enterprise Content Management)-toimittajien järjestelmät palvelualustaksi dokumenttien hallinnan sovelluspalvelulle. Sovelluspalvelulla tarkoitetaan palvelutoimittajan (Application Service Provider, ASP) tiloissa toimivia sovelluksia, joita tarjotaan palveluna asiakkaille tietoverkon yli. Selvitystä varten työssä on kerätty tärkeimmät palvelualustaan kohdistuvat vaatimukset. Integrointivaatimusten tunnistaminen oli työn tärkein tavoite. Integroitavuuden lisäksi työssä on tutkittu sovelluspalvelumallista syntyviä erityisvaatimuksia. Vaatimusten keruu ja vaatimusten pohjalta tehty ominaisuuskartoitus ovat osa palvelualustan suunnittelua. Ominaisuuskartoituksessa vaatimuksista on laadittu laaja kyselylomake ja pyydetty valituilta toimittajilta siihen vastaukset. Saatuja vastauksia on peilattu asetettuihin vaatimuksiin. Tehtyjen havaintojen pohjalta on esitetty soveltuvuusarvio tutkittujen järjestelmien soveltuvuudesta tarpeita vastaavaksi sovelluspalvelualustaksi. Lopputuloksena on todettu, että useimpien järjestelmien soveltuvuus perustasolla on hyvä. Yksittäisiä selkeitä puutteita kuitenkin tunnistettiin. Integrointivaatimukset täyttyvät pääosin hyvin, mutta erityisesti tietoturvassa havaittiin puutteita.

Robots and robotic systems for the electronics and telecommunication industry

Tämä diplomityö tutkii elektroniikka- ja telekommunikaatioteollisuutta sekä siihen läheisesti liittyviä robotteja ja robottijärjestelmiä. Tavoitteena on määrittää E&T-teollisuuden prosesseihin soveltuvien robottien testausmenetelmä. Tavoitteena on myös selvittää kahden ABB:n robotin soveltuvuutta E&T-teollisuuden tarpeisiin. Muutamia systemaattisia valmistusjärjestelmien suunnitteluun soveltuvia menetelmiä ja apuvälineitä on myös käsitelty. Alussa työ keskittyy elektroniikka- ja telekommunikaatioteollisuuden nykytilan tutkimiseen sekä siellä vallitsevien ja ennustettujen trendien kartoitukseen. Kohdat “Collaborative manufacturing” ja E&T-teollisuuden valmistusjärjestelmille asettamat vaatimukset käydään yksityiskohtaisesti läpi. Tutkimuksen pääkohteina ovat robotit, erityisesti ABB:n IRB 140 ja IRB 340 sekä robottien testausmenetelmän määrittäminen. Työssä käydään läpi IRB 340:llä suoritetut testit, jotka tehtiin sekä konenäköjärjestelmää apuna käyttäen että ilman. Myös TTKK:lla suoritetut robottitestit on käyty läpi. Robottien testituloksia on analysoitu ja vertailtu muihin robotteihin. Testausmenetelmät perustuvat ISO 9283 standardiin. Viimeinen osa työstä esittelee robottijärjestelmien systemaattiseen suunnitteluun soveltuvia menetelmiä ja apuvälineitä. Esillä ovat mm. Modular function deployment (MFD) ja The system design method (SDM).