Externally excited synchronous machine: Testing the automation concept

This bachelor’s thesis is a part of the research project realized in the summer 2011 in Lappeenranta University of Technology. The goal of the project was to develop an automation concept for controlling the externally excited synchronous motor. Thesis concentrates on the testing planning and testing the system. Testing plan was made for three sectors: For the PLC program testing, for the communication testing and for the whole system testing. PLC program was tested with white box and destructive methods. Communication testing was done by switching maximum com-munication speed and checked if communication was reliable. Whole system testing included among other things speed and torque controlling. The system was tested with exploratory testing also. This enabled more reliable and broader testing than with systematical testing only.

Virtual technology and haptic interface solutions for design and control of mobile working machines

Commercially available haptic interfaces are usable for many purposes. However, as generic devices they are not the most suitable for the control of heavy duty mobile working machines like mining machines, container handling equipment and excavators. Alternative mechanical constructions for a haptic controller are presented and analysed. A virtual reality environment (VRE) was built to test the proposed haptic controller mechanisms. Verification of an electric motor emulating a hydraulic pump in the electro-hydraulic system of a mobile working machine is carried out. A real-time simulator using multi-body-dynamics based software with hardware-in-loop (HIL) setup was used for the tests. Recommendations for further development of a haptic controller and emulator electric motor are given.

Hysteresis Losses in Sintered NdFeB Permanent Magnets in Rotating Electrical Machines

Permanent magnet materials are nowadays widely used in the electrical machine manufacturing industry. Eddy current loss models of permanent magnets used in electrical machines are frequently discussed in research papers. In magnetic steel materials we have, in addition to eddy current losses, hysteresis losses when AC or a rotating flux travels through the material. Should a similar phenomenon also be taken into account in calculating the losses of permanent magnets? Actually, every now and then authors seem to assume that some significant hysteresis losses are present in rotating machine PMs. This paper studies the mechanisms of possible hysteresis losses in PMs and their role in PMs when used in rotating electrical machines.

Kaksoiskäämitty hybridibussin kestomagneettiajomoottori

Tämä työ on tehty Lappeenrannan teknilliselle yliopistolle, joka on suunnitellut ja toteuttanut hybridibussin. Hybridibussin ajomoottorissa käytetään kaksoiskäämitystä, joka mahdollistaa bussin ajamisen vikatilanteessa, jossa toinen käämityksistä on epäkunnossa. Työn tavoitteena on selvittää, millainen kaksoiskäämitys toimii parhaiten tämän hybridibussin kestomagneettiajomoottorissa. Työssä tutustutaan ajomoottoreihin ja niiltä vaadittaviin ominaisuuksiin sekä vikasietoisiin sähkömoottoreihin. Tutkimuksessa löydettyihin vikasietoisiin ajomoottoreihin perustuen päädyttiin neljään kaksoiskäämitysvaihtoehtoon. Näitä kaksoiskäämityksiä tutkittiin FE-analyysiä hyödyntäen. Kaksoiskäämitysten toimintaa simuloitiin nimellis- ja vikatilanteessa. Simuloinnin tuloksista selvisi, että kaksoiskäämitys, jossa jokaisessa urassa oli puolet yhtä käämitystä ja puolet toista (kaksoiskäämitys 1), ei toiminut kunnolla nimellistilanteessa eikä vikatilanteessa. Suurin ongelma oli vikatilanteessa aiheutuva suuri oikosulkuvirta. Kaksoiskäämitys, jossa kaksi napaa oli samaa käämitystä (kaksoiskäämitys 2), toimi moitteettomasti nimellistilanteessa. Vikatilanteen toiminnassa kuitenkin havaittiin epäjaksollisuutta magneettivuontiheydessä, mikä on haitallista moottorin käynnille ja vaaraksi roottorille. Kaksoiskäämityksiä, joista ensimmäisessä oli neljäsosa konetta samaa käämitystä (kaksoiskäämitys 3) ja toisessa puolet koneesta samaa käämitystä (kaksoiskäämitys 4), tutkittiin vikatilanteessa vain magneettivuontiheyden osalta. Puolet ja puolet käämityn koneen osalta magneettivuontiheys osottautui epäjaksolliseksi kuten oli odotettu. Neljäsosiksi käämityn koneen magneettivuontiheys oli säännöllisen jaksollinen. Nimellispisteessä kaksoiskäämityksillä 3 ja 4 havaittiin suuri vääntöväre verrattuna kaksoiskäämityksiin 1 ja 2. Johtopäätöksenä kaksoiskäämitys 3 vaikuttaa lupaavalta, mikäli suuri nimellispisteen vääntöväre saadaan hallintaan käyttämällä uravinoutta staattorissa.

On Modelling, System Identification and Control of Servo-Systems with a Flexible Load

The present study was done with two different servo-systems. In the first system, a servo-hydraulic system was identified and then controlled by a fuzzy gainscheduling controller. The second servo-system, an electro-magnetic linear motor in suppressing the mechanical vibration and position tracking of a reference model are studied by using a neural network and an adaptive backstepping controller respectively. Followings are some descriptions of research methods. Electro Hydraulic Servo Systems (EHSS) are commonly used in industry. These kinds of systems are nonlinearin nature and their dynamic equations have several unknown parameters.System identification is a prerequisite to analysis of a dynamic system. One of the most promising novel evolutionary algorithms is the Differential Evolution (DE) for solving global optimization problems. In the study, the DE algorithm is proposed for handling nonlinear constraint functionswith boundary limits of variables to find the best parameters of a servo-hydraulic system with flexible load. The DE guarantees fast speed convergence and accurate solutions regardless the initial conditions of parameters. The control of hydraulic servo-systems has been the focus ofintense research over the past decades. These kinds of systems are nonlinear in nature and generally difficult to control. Since changing system parameters using the same gains will cause overshoot or even loss of system stability. The highly non-linear behaviour of these devices makes them ideal subjects for applying different types of sophisticated controllers. The study is concerned with a second order model reference to positioning control of a flexible load servo-hydraulic system using fuzzy gainscheduling. In the present research, to compensate the lack of dampingin a hydraulic system, an acceleration feedback was used. To compare the results, a pcontroller with feed-forward acceleration and different gains in extension and retraction is used. The design procedure for the controller and experimental results are discussed. The results suggest that using the fuzzy gain-scheduling controller decrease the error of position reference tracking. The second part of research was done on a PermanentMagnet Linear Synchronous Motor (PMLSM). In this study, a recurrent neural network compensator for suppressing mechanical vibration in PMLSM with a flexible load is studied. The linear motor is controlled by a conventional PI velocity controller, and the vibration of the flexible mechanism is suppressed by using a hybrid recurrent neural network. The differential evolution strategy and Kalman filter method are used to avoid the local minimum problem, and estimate the states of system respectively. The proposed control method is firstly designed by using non-linear simulation model built in Matlab Simulink and then implemented in practical test rig. The proposed method works satisfactorily and suppresses the vibration successfully. In the last part of research, a nonlinear load control method is developed and implemented for a PMLSM with a flexible load. The purpose of the controller is to track a flexible load to the desired position reference as fast as possible and without awkward oscillation. The control method is based on an adaptive backstepping algorithm whose stability is ensured by the Lyapunov stability theorem. The states of the system needed in the controller are estimated by using the Kalman filter. The proposed controller is implemented and tested in a linear motor test drive and responses are presented.

Verkkokäyttöisten tahtimoottorien käynnistyshäiriön tutkiminen

Diplomityössä tutkitaan verkkokäyttöisten harjattomasti magnetoitujen tahtimoottorien käynnistyshäiriötä, jossa moottori magnetoituu vasta useiden sekuntien kuluttua magnetoinnin kytkemisestä magnetointilaitteiston normaalista toiminnasta huolimatta. Syy magnetoitumisen viivästymiseen on magnetointikoneen oikosulkeutuminen roottorin ylijännitesuojana toimivan tyristorihaaran kautta siitä huolimatta, että tyristorihaaran tyristorien on tarkoitus olla johtamattomassa tilassa magnetointikoneen alkaessa syöttää magnetointivirtaa. Syitä tyristorien johtavana pysymiseen magnetoinnin kytkennän jälkeen etsitään tahtimoottorin käynnistyskokeista saatujen mittaustulosten sekä SMT- ja FCSMEK-laskentaohjelmilla tehtyjen käynnistyssimulointien avulla. Samalla arvioidaan ohjelmien käyttökelpoisuutta käynnistyshäiriön ennakoimisessa. Diplomityössä esitetään syyt kahden esimerkkikoneen magnetoitumisen viivästymiseen sekä muutoksia roottoripiiriin ja käynnistysproseduuriin, joiden avulla tutkittu käynnistyshäiriö voitaisiin tulevaisuudessa todennäköisesti välttää.

Loistehon tuottaminen painehiomon tahtimoottoreilla

Tämän työn tavoitteena on selvittää, millaisia häviöitä loistehon tuottaminen Stora Enson Anjalankosken tehtaiden hiomorakennuksessa sijaitsevilla kuudella 14 MW tahtimoottorilla aiheuttaa. Lähtötietoina käytettiin moottoreiden valmistajalta saatuja rkistotietoja ja niiden perusteella laadittiin äivitetty akselitehon ja loistehotuotannon ilaa kuvaava PQ-diagrammi digitaaliseen muotoon. Saatujen tulosten avulla on mahdollista suunnitella kustannustehokas tapa käyttää painehiomon tahtimoottoreita koko tehdasalueen loistehon säätöön.

Study of a vapor-compression air-conditioning system for jetliners

Most modern passenger aeroplanes use air cycle cooling. A high-speed air cycle is a reliable and light option, but not very efficient. This thesis presents research work done to design a novel vapour cooling cycle for aeroplanes. Due to advancements in high-speed permanent magnet motors, the vapour cycle is seen as a competitive option for the air cycle in aeroplanes. The aerospace industry places tighter demands on the weight, reliability and environmental effects of the machinery than those met by conventional chillers, and thus modifications to conventional design are needed. The thesis is divided into four parts: the initial screening of the working fluid, 1-D design and performance values of the compressor, 1-D off-design value predictions of the compressor and the 3-D design of the compressor. The R245fa was selected as the working fluid based the study. The off-design range of the compressor was predicted to be wide and suitable for the application. The air-conditioning system developed is considerably smaller than previous designs using centrifugal compressors.

Kestomagneettigeneraattorin staattorin mekaanisen rakenteen analysointi ja kehitys

Työssä tutkittiin kestomagneettigeneraattorin staattoriytimen aksiaalisen puristamisen ja lämpötilan vaikutuksia staattorin jännityksiin ja muodonmuutoksiin. Lisäksi tutkittiin aksiaalisen puristusjännityksen vaikutusta staattorin aksiaalisuuntaisen ominaismuodon taajuuteen. Rakenteesta tehtiin elementtimalli, jonka avulla laskettiin rakenteen siirtymät, jännitykset ja ominaistaajuudet. Rakenteen jännityksiä ja siirtymiä tutkittiin myös yksinkertaisella jousikuvauksella, jonka tuloksia verrattiin elementtimallilla saatuihin tuloksiin. Työn tavoitteena oli kehittää uusi staattorirakenne. Elementtimenetelmän tulosten perusteella staattorirakennetta voidaan yksinkertaistaa poistamalla nyt käytetty puristusrengas, jolloin rakenteesta tulee yksinkertaisempi ja kustannustehokkaampi.

Kestomagneettigeneraattorin lämmönsiirron mallinnus tuulivoimakäytössä

Pyörivien sähkökoneiden suunnittelussa terminen suunnittelu on yhtä tärkeää kuin sähköinen ja mekaaninen suunnittelukin. Tässä diplomityössä tarkoituksena on kehittää ilmajäähdytteisten kestomagneettigeneraattorien laskentaan soveltuva lämmönsiirtymismalli, jolla staattorin lämpötilajakauma voitaisiin selvittää. Kehitetty lämmönsiirtymismalli perustuu kolmiulotteiseen äärellisen erotuksen (finite difference) menetelmään. Malli ottaa huomioon lämmönjohtumisen staattorin aktiiviosissa ja konvektion jäähdytysilmavirtaan. Mallissa on myös yksinkertainen painehäviölaskenta jäähdytysjärjestelmän komponenttien mitoittamista varten. Laskentamallilla lasketaan esimerkkitapauksena 4,3 MW:n kestomagneettigeneraattorin jäähdytystä eri toimintapisteissä. Tuloksia verrataan CFD-mallinnuksen antamiin tuloksiin sekä kokeellisten mittausten antamiin tuloksiin.

Tuulivoimalan staattoripakan puristusrakenteen kehittäminen

Diplomityössä tutkittiin voidaanko tuulivoimalan generaattorin staattoripakan puristamisessa hyödyntää komposiittista rakenneratkaisua. Tyypillisesti generaattorissa staattorin teräslevyt puristetaan erilaisilla teräsrakenteilla toisiaan vasten. Tavoitteena oli selvittää, voidaanko puristavan komposiittirakenteen osana hyödyntää liimaliitosta tai laminoitua liitosta. Tarkoitus oli etsiä rakenteeseen soveltuva liima ja liimaliitoksen arvot tai laminoitu rakenne ja sille soveltuvat materiaalit ja suoritustapa. Työssä on perehdytty erilaisiin tuulivoimalatyyppeihin, sekä niissä käytettäviin kesto- ja vierasmagnetoituihin generaattorityyppeihin. Tämän lisäksi on tarkasteltu niissä käytettävien staattorien valmistusvaihtoehtoja ja syitä miksi niissä olevat teräslevyt on puristettava toisiaan vasten. Samalla on luotu katsaus nykyisin käytössä oleviin rakenteisiin, joilla puristus voidaan toteuttaa. Liimauksesta on käsitelty perusteoriaa, sekä seikkoja jotka vaikuttavat liimaliitoksen kestoon. Työssä tutkittavaan liitokseen soveltuvien liimojen ominaisuuksia on käsitelty. Myös laminoituun liitokseen jo aiemmin kovettuneeseen komposiittiin on perehdytty. Tutkittavaan rakenteeseen soveltuvia hartsi- ja lasikuitutyyppejä on esitelty. Komposiittien mekaaniseen liittämiseen on lyhyesti perehdytty. Työssä suoritettiin useita vetokokeita, joilla selvitettiin puristusrakenteen tutkimista varten valmistettujen koekappaleiden suurin vetokuormankesto. Vetokokeiden perusteella voitiin valita soveltuvin rakenne staattorin puristamiseksi.

Tuulivoimageneraattorin konseptisuunnittelu

Tämä diplomityö käsittelee tuulivoimageneraattorin konseptisuunnittelua. Työssä käydään läpi tuulivoimateollisuuden, -markkinoiden ja -turbiinien historiaa, nykyhetkeä ja tulevaisuuden ennusteita. Tuulivoimaturbiineista esitellään yleisimmät tyypit ja teknologiat, joita vertaillaan keskenään. Lisäksi selvitetään tarkemmin suoravetoisten tuuliturbiinigeneraattoreiden teknologiaa ja teknisiä rakenteita joita myös vertaillaan keskenään. Työn pääasiallisena tarkoituksena on luoda selkeä konseptisuunnitteluprojektin toimintamalli, jota noudattamalla projekti voidaan hoitaa johdonmukaisesti läpi. Lopuksi työssä vielä käydään läpi suoravetoisen kestomagneettigeneraattorin todellinen konseptisuunnitteluprojekti, jossa ei ole ollut käytössä selkeää toimintamallia.

Kestomagnetoidun roottorin mekaniikkasuunnittelu ja -analysointi

Työssä kehitettiin suurnopeuskäyttöön soveltuva kestomagnetoitu roottori olemassa olevan induktiokoneen staattorirunkoon. Kehitystyön tarkoituksena oli selvittää roottorin mekaaniset raja-arvot, kuten maksimi kehänopeus. Samalla otettiin kantaa myös tarvittaviin analysointi- ja mitoitusmenetelmiin. Maksimi kehänopeuden, laakeroinnin ja roottorin skaalattavuuden selvittäminen edellytti myös tarkkaa materiaaliselvitystä ja optimointia. Tästä syystä työn aikana tehtiin tiivistä yhteistyötä materiaalitoimittajien kanssa. Työn tuloksena syntyi uusi menetelmä toteuttaa radiaalisen magneettivuon luova kestomagneettiroottori 200 m/s kehänopeudelle. Suunniteltua roottoriratkaisua käytetään testausroottorina, jolla selvitetään valmistuksen, kokoonpanon ja sähkötehon rajoitteet käytännössä. Suunnittelutyö edellyttikin jatkuvaa iterointia sähkösuunnittelun ja roottorin osien valmistajien kanssa, jotta löydettiin paras kompromissiratkaisu roottorin prototyyppiin. Tämän seurauksena saatiin luotua varsin tarkat suunnittelu- ja analysointiraja-arvot kestomagneettiroottorin tuotteistettavia versioita varten.

Vibrations in Rotating Machinery Arising from Minor Imperfections in Component Geometries

Vibrations in machines can cause noise, decrease the performance, or even damage the machine. Vibrations appear if there is a source of vibration that excites the system. In the worst case scenario, the excitation frequency coincides with the natural frequency of the machine causing resonance. Rotating machines are a machine type, where the excitation arises from the machine itself. The excitation originates from the mass imbalance in the rotating shaft, which always exists in machines that are manufactured using conventional methods. The excitation has a frequency that is dependent on the rotational speed of the machine. The rotating machines in industrial use are usually designed to rotate at a constant rotational speed, the case where the resonances can be easily avoided. However, the machines that have a varying operational speed are more problematic due to a wider range of frequencies that have to be avoided. Vibrations, which frequencies equal to rotational speed frequency of the machine are widely studied and considered in the typical machine design process. This study concentrates on vibrations, which arise from the excitations having frequencies that are multiples of the rotational speed frequency. These vibrations take place when there are two or more excitation components in a revolution of a rotating shaft. The dissertation introduces four studies where three kinds of machines are experiencing vibrations caused by different excitations. The first studied case is a directly driven permanent magnet generator used in a wind power plant. The electromagnetic properties of the generator cause harmonic excitations in the system. The dynamic responses of the generator are studied using the multibody dynamics formulation. In another study, the finite element method is used to study the vibrations of a magnetic gear due to excitations, which frequencies equal to the rotational speed frequency. The objective is to study the effects of manufacturing and assembling inaccuracies. Particularly, the eccentricity of the rotating part with respect to non-rotating part is studied since the eccentric operation causes a force component in the direction of the shortest air gap. The third machine type is a tube roll of a paper machine, which is studied while the tube roll is supported using two different structures. These cases are studied using different formulations. In the first case, the tube roll is supported by spherical roller bearings, which have some wavinesses on the rolling surfaces. Wavinesses cause excitations to the tube roll, which starts to resonate at the frequency that is a half of the first natural frequency. The frequency is in the range where the machine normally operates. The tube roll is modeled using the finite element method and the bearings are modeled as nonlinear forces between the tube roll and the pedestals. In the second case studied, the tube roll is supported by freely rotating discs, which wavinesses are also measured. The above described phenomenon is captured as well in this case, but the simulation methodology is based on the flexible multibody dynamics formulation. The simulation models that are used in both of the last two cases studied are verified by measuring the actual devices and comparing the simulated and measured results. The results show good agreement.

Assembly Methods of Permanent Magnets for Synchronous Generators

This thesis examines and explains the procedure used to redesign the attachment of permanent magnets to the surface of the rotor of a synchronous generator. The methodology followed to go from the actual assembly to converge to the final purposed innovation was based on the systematic approach design. This meant that first a series of steps had to be predefined as a frame of reference later to be used to compare and select proposals, and finally to obtain the innovation that was sought. Firstly, a series of patents was used as the background for the upcoming ideas. To this end, several different patented assemblies had been found and categorized according the main element onto which this thesis if focused, meaning the attachment element or method. After establishing the technological frame of reference, a brainstorm was performed to obtain as many ideas as possible. Then these ideas were classified, regardless of their degree of complexity or usability, since at this time the quantity of the ideas was the important issue. Subsequently, they were compared and evaluated from different points of view. The comparison and evaluation in this case was based on the use of a requirement list, which established the main needs that the design had to fulfill. Then the selection could be done by grading each idea in accordance with these requirements. In this way, one was able to obtain the idea or ideas that best fulfilled these requirements. Once all of the ideas were compared and evaluated, the best or most suitable idea or ideas were separated. Finally, the selected idea or ideas was/were analyzed in extension and a number of improvements were made. Consequently, a final idea was refined and made more suitable at its performance, manufacture, and life cycle assessment. Therefore, in the end, the design process gave a solution to the problem pointed out at the beginning.