Mechanical design and analysis of modular active magnetic bearing test rig

Tässä työssä on tutkittu modulaarisen aktiivimagneettilaakeroidun koelaitteen mekaanista suunnittelua ja analysointia. Suurnopeusroottorin suunnittelun teoria on esitelty. Lisäksi monia analyyttisiä mallinnusmenetelmiä mekaanisten kuormitusten mallintamiseksi on esitelty. Koska kyseessä on suurnopeussähkökone, roottoridynamiikka ja sen soveltuvuus suunnittelussa on esitelty. Magneettilaakerien rakenteeseen ja toimintaan on tutustuttu osana tätä työtä. Kirjallisuuskatsaus nykyisistä koelaitteista esimerkiksi komponenttien ominaisuuksien tunnistamiseen ja roottoridynamiikan tutkimuksiin on esitelty. Työn rajauksena on konseptisuunnittelu muunneltavalle magneettilaakeroidulle (AMB) koelaitteelle ja suunnitteluprosessin dokumentointi. Muunneltavuuteen päädyttiin, koska se mahdollistaa erilaisten komponenttiasetteluiden testaamisen erilaisille magneettilaakerikokoonpanoille ja roottoreille. Pääpaino tässä työssä on suurnopeus induktiokoneen roottorin suunnittelussa ja mallintamisessa. Modulaaristen toimilaitteiden kuten magneettilaakerien ja induktiosähkömoottorin rakenne on esitelty ja modulaarisen rakenteen käytettävyyden hyödyistä koelaitekäytössä on dokumentoitu. Analyyttisiä ja elementtimenetelmään perustuvia tutkimusmenetelmiä on käytetty tutkittaessa suunniteltua suurnopeusroottoria. Suunnittelun ja analysoinnin tulokset on esitelty ja verrattu keskenään eri mallinnusmenetelmien välillä. Lisäksi johtopäätökset sähkömagneettisten osien liittämisen monimutkaisuudesta ja vaatimuksista roottoriin ja toimilaitteisiin sekä mekaanisten että sähkömagneettisten ominaisuuksien optimoimiseksi on dokumentoitu.

Savings Calculator for Centrifugal Pumps

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

Early modes of exegesis : ideal figures in Malachi as a test case

Antikens judiska bibeltolkare hade ett annorlunda sätt att läsa Bibeln än den som moderna läsare är vana vid. Dessa tidiga exegeter tänkte att texten som nu finns i den hebreiska Bibeln, de kristnas Gamla Testamente, är helig ordagrant i den form som den fanns i under deras tid, att den inte innehåller några fel, och att Gud har en övergripande plan gällande helheten, så att man vid behov kan förklara ett Bibelställe med hjälp av ett annat. Dessa antaganden reflekteras i det sätt på vilket antikens exegeter läste och tolkade sin Bibel. Det här ser man då man läser deras texter, från 400-talet före vår tideräknings början till de första århundradena enligt vår tideräkning. Ett verktyg som antikens skrifttolkare ofta använde var den så kallade gezera shava -metoden, där de jämförde identiska ord och fraser i Bibeln för att skänka belysning åt oklara textställen. Hebreiskan, särskilt den ovokaliserade konsonanttexten, innehåller många homonyma ord, alltså ord som ser likadana ut men har olika betydelser. De tidiga exegeterna utnyttjade ofta de möjligheter till alternativa tolkningar som uppstår ur denna tvetydighet. Ibland kunde de dock tvärtom också dra paralleller ur kontextuella likheter, alltid efter behov. I denna avhandling står dessa tidiga anonyma bibeltolkare och deras tolkningar i fokus. Malakis bok, som härstammar från ca år 475 f.v.t., kan ses som ett viktigt tidigt exempel på denna tendens till nytolkning av traditioner. Boken själv har dock också blivit föremål till nytolkningar, redan i de tilläggsverser som finns i dess slut, men särskilt i senare judisk litteratur och i Nya Testamentet. I avhandlingen granskas de fem bibliska gestalter som nämns i Malaki: Jakob, Esau, Levi, Mose och Elia. Hur används de i boken och hur har senare traditioner som anknyter till dem influerats av Malaki? ------------------------------------------------ Antiikin juutalaiset raamatunselittäjät lukivat Raamattua eri tavoin kuin moderni lukija. Heidän näkemyksensä mukaan se teksti, joka nykyään löytyy heprealaisesta Raamatusta eli kristittyjen Vanhasta testamentista, oli pyhä juuri sellaisessa muodossa, jossa se oli heille välittynyt. Se oli virheetön, ja Jumalalla oli siitä kokonaisnäkemys, joka voisi selvitä myös tulkitsijalle, kun tämä vain tutkisi tekstiä riittävän tarkkaan. Nämä perusoletukset näkyvät tavassa, jolla antiikin eksegeetit lukivat ja tulkitsivat Raamattuaan. Se voidaan huomata heidän jälkeensä jättämistään teksteistä, alkaen noin 400-luvulta ennen ajanlaskumme alkua ja jatkuen ajanlaskumme ensimmäisiin vuosisatoihin. Antiikin raamatunselittäjät käyttivät yleisesti muun muassa metodia, joka rabbiinisessa kirjallisuudessa tunnetaan nimellä gezera shava. Raamatussa kahdessa tai useammassa kohtaa esiintyviä samoja sanoja ja ilmauksia verrattiin tällöin toisiinsa ja pyrittiin siten saamaan valaistusta epäselvinä pidettyihin tekstinkohtiin. Heprealle, etenkin sen vokalisoimattomassa muodossa, on tyypillistä homonyymisyys. Samannäköiset sanat voivat eri yhteyksissä tarkoittaa eri asioita. Varhaiset eksegeetit päätyivät usein tästä ilmiöstä nouseviin, keskenään vaihtoehtoisiin tulkintoihin. Toisaalta he saattoivat myös tarvittaessa selittää tekstinkohtaa toisella tekstinkohdalla ainoastaan näiden sisällöllisenkin yhtäläisyyden perusteella. Tässä väitöstutkimuksessa tarkastellaan näitä varhaisia, meille nimettömiksi jääneitä raamatunselittäjiä ja heidän tulkintojaan käyttämällä tutkimuksen lähtökohtana Malakian kirjaa. Malakiaa, joka on peräisin noin vuodelta 475 ennen ajanlaskumme alkua, voidaan pitää yhtenä tärkeimmistä ja varhaisimmista teksteistä, joissa traditioita yhdistellään ja kerrotaan uudelleen edellä mainittuihin perusajatuksiin nojaten ja niihin pohjautuvia menetelmiä käyttäen. Toisaalta Malakian kirjaa on myös tulkittu samojen periaatteiden mukaisesti jo sen myöhemmältä ajalta peräisin olevissa loppujakeissa, ja sittemmin muussa varhaisessa juutalaisessa kirjallisuudessa sekä Uudessa testamentissa. Väitöstutkimuksessa tarkastellaan erityisesti niitä viittä henkilöä, jotka mainitaan Malakian kirjassa: Jaakobia, Esauta, Leeviä, Moosesta ja Eliaa. Kirjoittaja tutkii, miten heidän hahmojaan on käytetty Malakian kirjassa, millaisiin heitä koskeviin traditioihin tämä käyttötapa perustuu, ja missä määrin Malakian kirjan vaikutus on havaittavissa myöhemmässä näihin henkilöihin liitetyssä perinteessä.

Venttiilin painehäviön mittaus

Kandidaatintyössä pyritään löytämään mittausjärjestelyt takaiskuventtiilin painehäviön mittaamiseksi laboratorio-olosuhteissa. Käyttöolosuhteissa putkistossa on laboratorio-olosuhteita suuremmat virtausnopeudet ja paineet, mikä vaikuttaa fluidin käyttäytymiseen ja siten mittaustulokseen.

Modeling a Network of Heat Exchangers

This research work addresses the problem of building a mathematical model for the given system of heat exchangers and to determine the temperatures, pressures and velocities at the intermediate positions. Such model could be used in nding an optimal design for such a superstructure. To limit the size and computing time a reduced network model was used. The method can be generalized to larger network structures. A mathematical model which includes a system of non-linear equations has been built and solved according to the Newton-Raphson algorithm. The results obtained by the proposed mathematical model were compared with the results obtained by the Paterson approximation and Chen's Approximation. Results of this research work in collaboration with a current ongoing research at the department will optimize the valve positions and hence, minimize the pumping cost and maximize the heat transfer of the system of heat exchangers.

Paineventtiilien hitsauksen laadunhallinnan kehittäminen

Diplomityössä tarkastellaan keinoja Temet Oy:n valmistamien paineventtiilien hitsauksen laadunhallinnan kehittämiseen. Työn avulla hitsauksen laadunhallinta on tarkoitus saada vastaamaan paremmin yrityksen asiakkaiden vaatimuksia sekä samalla parantaa yrityksen kilpailukykyä. Työn alkupuolella perehdytään laatuun ja laadunhallintaan, erityisesti hitsauksen näkökulmasta. Lisäksi tutustutaan laadunhallinnan työkaluihin, ISO 9001- ja ISO 3834 -standardeihin sekä tarkemmin jälkimmäisen vaatimuksiin. Lisäksi työhön sisältyy kahden erityyppisen paineventtiilin hitseille tehtävä makrohietutkimus. Työssä haetaan myös paineventtiilien valmistukselle vaatimuksia antavia viranomaismääräyksiä tai standardeja. Oleellinen osa hitsauksen laadunhallinnan kehitystyötä on yrityksen hitsaustoiminnan nykytilanteen kartoittaminen ja tarvittavien kehitystoimien suunnittelu tehtyihin selvityksiin perustuen. Työn valmistuttua yrityksellä on ehdotus siitä, miten toteuttaa ISO 3834-2 kattavien laatuvaatimusten mukaisen hitsauksen laadunhallintajärjestelmä paineventtiilien hitsaukseen. Yrityksellä on myös laadunhallintajärjestelmän kannalta oleelliset asiakirjat ja ehdotus siitä, miten hitsauksen laadunhallinnan kehitystyötä kannattaisi tulevaisuudessa jatkaa.

Optimizing the Performance of a Heat Exchanger Network

This research is the continuation and a joint work with a master thesis that has been done in this department recently by Hemamali Chathurangani Yashika Jayathunga. The mathematical system of the equations in the designed Heat Exchanger Network synthesis has been extended by adding a number of equipment; such as heat exchangers, mixers and dividers. The solutions of the system is obtained and the optimal setting of the valves (Each divider contains a valve) is calculated by introducing grid-based optimization. Finding the best position of the valves will lead to maximization of the transferred heat in the hot stream and minimization of the pressure drop in the cold stream. The aim of the following thesis will be achieved by practicing the cost optimization to model an optimized network.

Experimentation on Wind Powered Hydraulic Heating System

It is common knowledge of the world’s dependency on fossil fuel for energy, its unsustainability on the long run and the changing trend towards renewable energy as an alternative energy source. This aims to cut down greenhouse gas emission and its impact on the rate of ecological and climatic change. Quite remarkably, wind energy has been one of many focus areas of renewable energy sources and has attracted lots of investment and technological advancement. The objective of this research is to explore wind energy and its application in household heating. This research aims at applying experimental approach in real time to study and verify a virtually simulated wind powered hydraulic house heating system. The hardware components comprise of an integrated hydraulic pump, flow control valve, hydraulic fluid and other hydraulic components. The system design and control applies hardware in-the-loop (HIL) simulation setup. Output signal from the semi-empirical turbine modelling controls the integrated motor to generate flow. Throttling the volume flow creates pressure drop across the valve and subsequently thermal power in the system to be outputted using a heat exchanger. Maximum thermal power is achieved by regulating valve orifice to achieve optimum system parameter. Savonius rotor is preferred for its low inertia, high starting torque and ease of design and maintenance characteristics, but lags in power efficiency. A prototype turbine design is used; with power output in range of practical Savonius turbine. The physical mechanism of the prototype turbine’s augmentation design is not known and will not be a focus in this study.

Vaakatasossa toimivan modulaarisen pakkausyksikön prässin suunnittelu kartonkipakkauksille

Kartonkivuokien käyttö elintarviketeollisuudessa on kasvanut vuosi vuodelta ja kuluttajat ovat löytäneet kartonkipakkaukset niiden ekologisuuden, graafisen ulkoasun sekä turvallisuuden ansiosta. Vuokien valmistus mekaanisella prässäyksellä kehittyy jatkuvasti ja uusi teknologia mahdollistaa täysin uudentyyppisten prässien valmistuksen. Työn tavoitteena on tutkia voidaanko mekaaninen prässäys toteuttaa vaakatasossa uutta teknologiaa hyödyntämällä kustannustehokkaasti. Lisäksi tavoitteena on selvittää, millä voimantuottomenetelmällä prässiltä vaadittava voimantuotto on edullisinta toteuttaa. Suunnittelussa otetaan huomioon olemassa olevat työkalut, modulaarisuus, EU:n elintarvikelainsäädäntö sekä muut kriittiset tekijät. Työssä sovelletaan metodisen konstruoinnin mukaisesti systemaattista ongelmanratkaisua (VDI 2221). Lisäksi työssä käydään läpi kilpaileva menetelmä arvoanalyysi. Suunnittelua ja komponenttivalintoja analysoidaan SWOT- sekä pisteanalyysien avulla. Suunnittelussa syntyneiden ratkaisujen lujuusominaisuuksia tarkastellaan FEM-analyysillä. Tuloksista havaittiin, että vaakatasossa suoritettava prässäyksen voimantuotto on edullisinta ja yksinkertaisinta toteuttaa sähkömekaniikalla, että halutut ominaisuudet voidaan saavuttaa ja rakenne pitää mahdollisimman kompaktina. Kustannustehokkuuden saavuttamiseksi hankinnat on syytä kilpailuttaa huolellisesti. Työn lopussa esitetään mahdollisia jatkokehityskohteita, joita syntyi tämän diplomityön aikana.

Real-time simulation of multibody systems with applications for working mobile vehicles

This dissertation describes an approach for developing a real-time simulation for working mobile vehicles based on multibody modeling. The use of multibody modeling allows comprehensive description of the constrained motion of the mechanical systems involved and permits real-time solving of the equations of motion. By carefully selecting the multibody formulation method to be used, it is possible to increase the accuracy of the multibody model while at the same time solving equations of motion in real-time. In this study, a multibody procedure based on semi-recursive and augmented Lagrangian methods for real-time dynamic simulation application is studied in detail. In the semirecursive approach, a velocity transformation matrix is introduced to describe the dependent coordinates into relative (joint) coordinates, which reduces the size of the generalized coordinates. The augmented Lagrangian method is based on usage of global coordinates and, in that method, constraints are accounted using an iterative process. A multibody system can be modelled as either rigid or flexible bodies. When using flexible bodies, the system can be described using a floating frame of reference formulation. In this method, the deformation mode needed can be obtained from the finite element model. As the finite element model typically involves large number of degrees of freedom, reduced number of deformation modes can be obtained by employing model order reduction method such as Guyan reduction, Craig-Bampton method and Krylov subspace as shown in this study The constrained motion of the working mobile vehicles is actuated by the force from the hydraulic actuator. In this study, the hydraulic system is modeled using lumped fluid theory, in which the hydraulic circuit is divided into volumes. In this approach, the pressure wave propagation in the hoses and pipes is neglected. The contact modeling is divided into two stages: contact detection and contact response. Contact detection determines when and where the contact occurs, and contact response provides the force acting at the collision point. The friction between tire and ground is modelled using the LuGre friction model, which describes the frictional force between two surfaces. Typically, the equations of motion are solved in the full matrices format, where the sparsity of the matrices is not considered. Increasing the number of bodies and constraint equations leads to the system matrices becoming large and sparse in structure. To increase the computational efficiency, a technique for solution of sparse matrices is proposed in this dissertation and its implementation demonstrated. To assess the computing efficiency, augmented Lagrangian and semi-recursive methods are implemented employing a sparse matrix technique. From the numerical example, the results show that the proposed approach is applicable and produced appropriate results within the real-time period.

Sähkömekaanisen turvalaakerirakenteen suunnittelu

Turvalaakereita käytetään suojaamaan aktiivisia magneettilaakereita vikatilanteiden tapahtuessa. Tässä kandidaatintyössä suunniteltiin erilaisia ratkaisuja toteuttaa turvalaakerin toiminta sähkömekaanisella toimilaitteella. Työn tarkoituksena oli löytää uusia tapoja toteuttaa turvalaakerin rakenne. Uusilla ratkaisuilla poistettiin turvalaakereille ominaisia ongelmia. Suunnittelussa käytettiin perinteisiä koneensuunnittelun menetelmiä. Menetelmien tarkoitus oli mahdollistaa järjestelmällinen suunnittelu. Tässä työssä myös kirjallisuuskatsaus toimi yhtenä suunnittelun vaiheena. Tuloksiksi saatiin hahmotelmia ja 3D-malleja. Tulokset poikkesivat tavanomaisista turvalaakereiden rakenteista. Tuloksissa huomioitiin, että tässä työssä ei suunnitella valmista tuotetta. Suunniteltujen turvalaakereiden toiminta perustui mekanismeihin, jotka toivat mukanaan uusia ominaisuuksia. Sähkömekaanisen toimilaitteen sijoittaminen mekanismeihin oli kuitenkin vaikeaa. Työn tulokset avasivat uusia näkökulmia turvalaakerirakenteiden jatkokehittämiseen.