Fractional slot permanent magnet synchronous motors for low speed applications

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

Theoretical Analysis and Simulations of Vertically Vibrated Granular Materials

The dynamical properties ofshaken granular materials are important in many industrial applications where the shaking is used to mix, segregate and transport them. In this work asystematic, large scale simulation study has been performed to investigate the rheology of dense granular media, in the presence of gas, in a three dimensional vertical cylinder filled with glass balls. The base wall of the cylinder is subjected to sinusoidal oscillation in the vertical direction. The viscoelastic behavior of glass balls during a collision, have been studied experimentally using a modified Newton's Cradle device. By analyzing the results of the measurements, using numerical model based on finite element method, the viscous damping coefficient was determinedfor the glass balls. To obtain detailed information about the interparticle interactions in a shaker, a simplified model for collision between particles of a granular material was proposed. In order to simulate the flow of surrounding gas, a formulation of the equations for fluid flow in a porous medium including particle forces was proposed. These equations are solved with Large Eddy Simulation (LES) technique using a subgrid-model originally proposed for compressible turbulent flows. For a pentagonal prism-shaped container under vertical vibrations, the results show that oscillon type structures were formed. Oscillons are highly localized particle-like excitations of the granular layer. This self-sustaining state was named by analogy with its closest large-scale analogy, the soliton, which was first documented by J.S. Russell in 1834. The results which has been reportedbyBordbar and Zamankhan(2005b)also show that slightly revised fluctuation-dissipation theorem might apply to shaken sand, which appears to be asystem far from equilibrium and could exhibit strong spatial and temporal variations in quantities such as density and local particle velocity. In this light, hydrodynamic type continuum equations were presented for describing the deformation and flow of dense gas-particle mixtures. The constitutive equation used for the stress tensor provides an effective viscosity with a liquid-like character at low shear rates and a gaseous-like behavior at high shear rates. The numerical solutions were obtained for the aforementioned hydrodynamic equations for predicting the flow dynamics ofdense mixture of gas and particles in vertical cylindrical containers. For a heptagonal prism shaped container under vertical vibrations, the model results were found to predict bubbling behavior analogous to those observed experimentally. This bubbling behavior may be explained by the unusual gas pressure distribution found in the bed. In addition, oscillon type structures were found to be formed using a vertically vibrated, pentagonal prism shaped container in agreement with computer simulation results. These observations suggest that the pressure distribution plays a key rolein deformation and flow of dense mixtures of gas and particles under vertical vibrations. The present models provide greater insight toward the explanation of poorly understood hydrodynamic phenomena in the field of granular flows and dense gas-particle mixtures. The models can be generalized to investigate the granular material-container wall interactions which would be an issue of high interests in the industrial applications. By following this approach ideal processing conditions and powder transport can be created in industrial systems.

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.

Monitelakalanterin esisuunnitteluaineiston luonti tuotekehitysprojektissa

Työ liittyy uuden sukupolven monitelakalanterin tuotekehitysprojektiin. Työssä tutkittiin uuden monitelakalanterin tuoterakennetta, esisuunnitteluaineistoa ja mahdol- lisuuksia parametriseen 3D-suunnitteluun. Työssä ei suoritettu teknistä laskentaa. Uuden monitelakalanterin modulaarinen tuoterakenne ja esisuunnitteluaineisto pohjautuu markkinoilla olevaan OptiLoad-monitelakalanteriin. Tuoterakenteella ja esisuunnitteluaineistolla ohjataan monitelakalantereiden asiakastoimitusprojekteissa eri kokoluokkien kustannuksia, suunnittelua ja tuotantoa. Modulaarisella tuoterakenteella, jolla on selkeät mitoitusperusteet vaikutetaan oleellisesti asiakastoimitusten luotettavuuteen. Huomioimalla tuotekehitysprojektissa asiakaskohtaiset muutokset modulaarisessa tuoterakenteessa voidaan tehdä alustava esisuunnitteluaineisto. Parametrinen 3D-suunnittelu sekä lopullinen esisuunnitteluaineisto vaatii uuden monitelakalanterin rakenteiden tuotteistusta, standardointia ja elementtimenetelmään perustuvaa lujuuslaskentaa.

Reluktanssiverkkomalli kestomagneettitahtikoneen staattisen ilmavälivuontiheyden mallinnukseen

Kaikissa pyörivissä sähkömoottoreissa vääntömomentin tuoton kannalta olennainen magneettivuo kulkee staattorin ja roottorin välillä ilmavälin kautta. Ilmaväli mallinnetaan koneensuunnittelun yhteydessä tämän vuoksi tarkasti. Elementtimenetelmällä voidaan analysoida moottoreita varsin tarkasti, mutta menetelmän käyttö vie paljon aikaa ja sovittaminen muihin laskentaympäristöihin on usein hankalaa. Tämän vuoksi voidaan käyttää riittävän tarkkuuden omaavia analyyttisiä laskentamenetelmiä, joiden sovittaminen muihin ohjelmaympäristöihin on helpompaa kuin elementtimenetelmää käytettäessä. Diplomityössä kehitetään reluktanssiverkkomalli kestomagneettien aikaansaaman ilmavälivuontiheyden mallintamiseen kestomagneettitahtikoneille, joissa on pinta-asennetut kestomagneetit. Kehitetyn reluktanssiverkkomallin toimivuutta vertaillaan muihin ilmavälivuontiheyden laskentamenetelmiin.

Materiaalimallin määrityksestä kylmämuovattujen putkipalkkien K-liitosten FE-analyysissä

Työssä on tutkittu kylmämuovattujen nelikulmaisten putkipalkkien K-liitosten mallinnusta epälineaarisella elementtimenetelmällä. Työn tärkeimpänä tavoitteena on ollut kehittää putkipalkin osien materiaalimalleja siten, että liitosten kestävyyttä voidaan tutkia laboratoriokokeiden ohella luotettavasti myös elementtimenetelmällä. Toisena tavoitteena on ollut tutkia, voidaanko putkipalkkien liitosten mitoitusohjeita turvallisesti soveltaa kylmämuovatuille putkipalkeille, joissa valmistusprosessi aiheuttaa muutoksia materiaaliominaisuuksiin, erityisesti muodonmuutoskykyyn. Työssä tehtyjen laboratoriokokeiden ja elementtianalyysien perusteella elementti-menetelmä on käyttökelpoinen työkalu putkipalkkiliitosten staattista kestävyyttä määritettäessä, kun materiaalimallit on määritetty oikein. Erityisesti liitoksen käyttö-rajatilan mukaisen kestävyyden laskennassa elementtimenetelmällä saadaan hyvin laboratoriokokeita vastaavia tuloksia. Tehdyt laboratoriokokeet osoittavat myös, että Eurocode 3:n mukaisia putkipalkkien liitosten mitoitusohjeita voi turvallisesti käyttää kylmämuovatuille putkipalkeille.

Tuulikuormien vaikutus teleskooppimaston toimintaan

Tämä diplomityö on tehty Patria Vehicles Oy:n toimeksiannosta. Patria Vehicles Oy:n tuotantoon kuuluvat vaativiin maasto-olosuhteisiin soveltuvat sotilasajoneuvot sekä teleskooppimastot. Tutkimuksen tarkoituksena oli mallintaa mastoperävaunusta joustava malli, johon vaikuttavat tuulikuormat. Mallin avulla voidaan tutkia maston siirtymiä, kallistumia sekä kiertymiä. Tutkimuksessa on käytetty ADAMS-simulointiohjelmistoa sekä I-DEAS- FEM ohjelmistoa. Dynaamisten ongelmien ratkaisemiseksi on ymmärrettävä rakenteiden käyttäytymistä. Tuulikuormien mallintamisen edellytyksenä on tuulikuormien syntymisen ymmärtäminen. Tämän työn peruslähtökohtana on mallintaa kaikki maston jäykkyyteen vaikuttavat komponentit joustavina FE-menetelmän avulla. Luodaan superelementit Craig-Bamptonin ominaismuotojen superponointimenetelmällä. Nämä superelementit liitetään toisiinsa ja asetetaan niille tuulikuormat. Luodaan kosketukset puomien, sekä maan ja maston välille. Pienennetään joustavien osien ominaismuotojen määrää, jotta saataisiin nopeammat analyysit. Parametrisoidaan malli, jolloin voidaan analysoida mallilla useampia tapauksia. Verifioidaan malli varmistaaksemme sen oikeellisuuden. Taulukoidaan tulokset.

Kylmämuovattujen putkipalkkien X-liitosten äärikestävyyden ja jäykkyyden määrittäminen sekä materiaalimallin kehittäminen

Työssä on tutkittu elementtimenetelmän avulla kylmämuovattujen nelikulmaisten putkipalkkien materiaalimallin kehittämistä ja putkipalkkien X-liitosten jäykkyyden ja äärikestävyyden määrittämistä. Työn tavoitteena on tutkia kylmämuovauksen vaikutuksia putkipalkkiprofiilin materiaaliominaisuuksiin materiaalikokeiden ja elementtianalyysien avulla sekä kehittää putkipalkille anisotrooppista materiaalimallia. Työssä määritettyjä materiaalimalleja on sovellettu X-liitosten elementtimalleihin, joiden käyttäytymistä on verrattu äärikestävyyskokeiden tuloksiin. Tutkimuksen perusteella Eurocode 3:n mitoitusohjeita voidaan turvallisesti soveltaa kylmämuovattujen putkipalkkien X-liitosten laskennassa. Työssä tehtyjen materiaalikokeiden ja elementtianalyysien perusteella materiaalin anisotrooppisuuden vaikutus liitoksen kestävyyteen on vähäistä, ja putkipalkin pituussuuntaista materiaalimallia voidaan soveltaa myös kehäsuuntaisille materiaaliominaisuuksille. Materiaalikokeiden simulointi osoittaa, että elementtimenetelmää voidaan käyttää materiaalimallin määrittämisen apuvälineenä.

Flexible Multibody Simulation Approach in the Dynamic Analysis of Bone Strains Activity

The objective of this study is to show that bone strains due to dynamic mechanical loading during physical activity can be analysed using the flexible multibody simulation approach. Strains within the bone tissue play a major role in bone (re)modeling. Based on previous studies, it has been shown that dynamic loading seems to be more important for bone (re)modeling than static loading. The finite element method has been used previously to assess bone strains. However, the finite element method may be limited to static analysis of bone strains due to the expensive computation required for dynamic analysis, especially for a biomechanical system consisting of several bodies. Further, in vivo implementation of strain gauges on the surfaces of bone has been used previously in order to quantify the mechanical loading environment of the skeleton. However, in vivo strain measurement requires invasive methodology, which is challenging and limited to certain regions of superficial bones only, such as the anterior surface of the tibia. In this study, an alternative numerical approach to analyzing in vivo strains, based on the flexible multibody simulation approach, is proposed. In order to investigate the reliability of the proposed approach, three 3-dimensional musculoskeletal models where the right tibia is assumed to be flexible, are used as demonstration examples. The models are employed in a forward dynamics simulation in order to predict the tibial strains during walking on a level exercise. The flexible tibial model is developed using the actual geometry of the subject’s tibia, which is obtained from 3 dimensional reconstruction of Magnetic Resonance Images. Inverse dynamics simulation based on motion capture data obtained from walking at a constant velocity is used to calculate the desired contraction trajectory for each muscle. In the forward dynamics simulation, a proportional derivative servo controller is used to calculate each muscle force required to reproduce the motion, based on the desired muscle contraction trajectory obtained from the inverse dynamics simulation. Experimental measurements are used to verify the models and check the accuracy of the models in replicating the realistic mechanical loading environment measured from the walking test. The predicted strain results by the models show consistency with literature-based in vivo strain measurements. In conclusion, the non-invasive flexible multibody simulation approach may be used as a surrogate for experimental bone strain measurement, and thus be of use in detailed strain estimation of bones in different applications. Consequently, the information obtained from the present approach might be useful in clinical applications, including optimizing implant design and devising exercises to prevent bone fragility, accelerate fracture healing and reduce osteoporotic bone loss.

Literature review on permanent magnet generators design and dynamic behavior

This paper is a literature review which describes the construction of state of the art of permanent magnet generators and motors constructing and discusses the current and possible application of these machines in industry. Permanent magnet machines are a well-know class of rotating and linear electric machines used for many years in industrial applications. A particular interest for permanent magnet generators is connected with wind mills, which seem to be becoming increasingly popular nowadays. Geared and direct-driven permanent magnet generators are described. A classification of direct-driven permanent magnet generators is given. Design aspects of permanent magnet generators are presented. Permanent magnet generators for wind turbines designs are highlighted. Dynamics and vibration problems of permanent magnet generators covered in literature are presented. The application of the Finite Element Method for mechanical problems solution in the field of permanent magnet generators is discussed.

Azimuth thrusterin rungon lujuustekninen tarkastelu

Työssä perehdyttiin azimuth potkurilaitteen rakenteelliseen kestävyyteen vaikuttaviin seikkoihin. Työn tavoitteena oli tutkia eri rakenneratkaisuja ja yksityiskohtia sekä niiden vaikutusta koko potkurilaitteen toimintaan. Potkurilaitteiden lujuustekninen tarkastelu sisälsi rakenteen eheyden tarkistuksen mekaanisten kuormitusten alla kuin myös värähtelykäyttäytymisen tutkimisen. Tarkastelun pääsääntöinen kohde oli potkurilaitteen alarunko, eli laivan ulkopuolelle jäävä osa. Diplomityö oli osa kahden uuden potkurilaitteen kehitysprojektia. Projektissa esiin tulleita rakennemuutoksia vertailtiin vanhoihin, jo toteutettuihin rakenneyksityiskohtiin. Lisäksi tutkittiin olemassa olevien rakenneratkaisujen hyödyntämistä uusissa laitteissa. Huomiota kiinnitettiin myös hitsien muotoiluun ja näiden mitoituskäytäntöihin. Rungon ehyyttä koskevat laskelman ovat hyvin pitkälti suoritettu elementtimenetelmää apuna käyttäen. Elementtimenetelmää varten luotiin useita malleja kattaen kokonaisia potkurilaittee runkoja kuin myös sen yksittäisiä osia. Elementtimenetelmän avulla saatuja tuloksia vertailtiin käytettävissä oleviin mittaustuloksiin. Työssä havaittiin potkurilaitteen rungon mitoittavaksi tekijäksi staattisessa tilanteessa muodostuvan voimansiirtolinja ja siinä sijaitsevien hammaspyörien siirtymät. Tämän seurauksena rungon taipumat ovat määräävämpiä geometrian kannalta kuin materiaalien sallitut jännitykset.

Henkilöauton korin mallintaminen virtuaalitestejä varten

Nykyään auton korien tuotekehitysprosessissa jää hyvin vähän aikaa korin rakenteiden optimointiin. Rakenteiden optimointi tehdään virtuaalitestauksen avulla siten, että yhdellä elementtimallilla tehdään erilaisia testejä ja optimoidaan useita omaisuuksia samanaikaisesti. Tässä tutkimuksessa tavoitteena on kehittää auton korin FEM-malli, jolla voidaan suorittaa mahdollisimman monta erilaista virtuaalitestiä. Rakennetun mallin toimivuutta testattiin tekemällä sille ympäriajoturvallisuustesti ja saatuja tuloksia verrattiin oikean auton testiin.

Induction Motor Drive Energy Efficiency - Simulation and Analysis

A coupled system simulator, based on analytical circuit equations and a finite element method (FEM) model of the motor has been developed and it is used to analyse a frequency-converterfed industrial squirrel-cage induction motor. Two control systems that emulate the behaviour of commercial direct-torque-controlled (DTC) and vector-controlled industrial frequency converters have been studied, implemented in the simulation software and verified by extensive laboratory tests. Numerous factors that affect the operation of a variable speed drive (VSD) and its energy efficiency have been investigated, and their significance in the simulation of the VSD results has been studied. The dependency of the frequency converter, induction motor and system losses on the switching frequency is investigated by simulations and measurements at different speeds for both the vector control and the DTC. Intensive laboratory measurements have been carried out to verify the simulation results.

Kaksoislaatuisesta rakenneputkesta hitsatun X-liitoksen kestävyys ja muodonmuutoskyky

Rautaruukki Oyj:n uusi Ruukki double grade S420MH/S355J2H -rakenneputki yhdistää putkilajien S420MH ja S355J2H ominaisuudet. Eurocode 3:n suunnitteluohjeiden mukaan Ruukki double graden käyttöön on sovellettava lujuusluokan S420 mukaista hitsien mitoitusta ja rakenneputkiliitosten staattista mitoituskestävyyttä alentavaa varmuuskerrointa, kun halutaan hyödyntää lujuusluokan S420 ominaisuudet Ruukki double gradea käytettäessä. Tässä työssä tutkittiin S420-lujuusluokkaa vastaavien suunnittelumääräysten soveltamistarvetta Ruukki double grade -rakenneputken käyttöön. Työn tavoitteena oli arvioida Ruukki double grade -rakenneputkesta hitsaamalla valmistetun X-liitoksen kestävyyden ja muodonmuutoskyvyn riittävyys, kun hitsit mitoitettiin S355-lujuusluokkaa vastaavien Eurocode 3:n suunnitteluohjeiden mukaisesti. X-liitosten kestävyyttä ja muodonmuutoskykyä tutkittiin kokeellisesti -40 C lämpötilassa suoritettujen laboratoriokokeiden avulla sekä analyyttisen laskennan ja elementtimenetelmän keinoin. Kestävyyden riittävyyttä arvioitiin vertaamalla laboratoriokokeista saatuja liitosten kestävyyksiä Eurocode 3:n ja myötöviivateorian mukaisiin kestävyyksiin. Elementtimenetelmän ja laboratoriokokeen pohjalta piirrettyjä liitoksen voima-siirtymäkuvaajia vertailtiin keskenään, kun elementtimalli analysoitiin eri materiaalimalleilla. Lisäksi verrattiin elementtimallin voima-venymäkuvaajia liitoksen venymäliuskan arvoihin. Kaikki koesarjan S355-lujuusluokan mukaisilla hitsin a-mitoilla valmistetut liitokset täyttivät kestävyydelle ja muodonmuutoskyvylle asetetut vaatimukset. Täten tämän koesarjan perusteella ei ollut tarpeellista soveltaa S420-lujuusluokan mukaista hitsien mitoitusta ja staattista mitoituskestävyyttä alentavaa varmuuslukua Ruukki double grade -rakenneputkeen. Elementtimenetelmästä ja laboratoriokokeesta saadut liitoksen voima-siirtymäkuvaajat vastasivat hyvin toisiaan. Sen sijaan elementtimallin voima-venymä-kuvaajat eivät vastanneet venymäliuskojen mittausdataa kovin hyvin.

Metsäkoneen kouran ja hakkuupään pikavaihdon kehittäminen

Yhdistelmämetsäkone on metsäkone, jota voidaan käyttää sekä hakkuukoneena että kuormatraktorina. Konetta voidaan käyttää sekä puiden kaatamiseen, karsimiseen ja katkomiseen että puiden kuormaamiseen ja kuljettamiseen. Tässä diplomityössä suunnitellaan uusi kouran ja hakkuupään pikalukitusmekanismi yhdistelmämetsäkoneen kuormaimeen. Suunnittelutyössä edetään vaiheittain järjestelmällisen tuotesuunnittelun periaatteiden mukaisesti. Tärkeimpänä tavoitteena suunnittelutyönsä on nopeuttaa kouran vaihtoa ja helpottaa kuljettajan työtä. Suunnittelutyön alkuvaiheessa etsitään lukitusmekanismille useita eri ratkaisuvaihtoehtoja, joista valitaan paras jatkokehitykseen. Valittua ratkaisuvaihtoehtoa kehitetään simulointia ja elementtimenetelmälaskentaa apuna käyttäen.