Field Weakening, Parameters and Operation Range of the Permanent Magnet Traction Motors

The main focus of this thesis is to define the field weakening point of permanent magnet synchronous machine with embedded magnets in traction applications. Along with the thesis a modelling program is made to help the designer to define the field weakening point in practical applications. The thesis utilizes the equations based on the current angle. These equations can be derived from the vector diagram of permanent magnet synchronous machine. The design parameters of the machine are: The maximum rotational speed, saliency ratio, maximum induced voltage and characteristic current. The main result of the thesis is finding out the rated rotational speed, from which the field weakening starts. The action of the machine is estimated at a wide speed range and the changes of machine parameters are examined.

Design of salient pole PM synchronous machines for a vehicle traction application – Analysis and

This doctoral thesis presents a study on the development of a liquid-cooled frame salient pole permanent-magnet-exited traction machine for a four-wheel-driven electric car. The emphasis of the thesis is put on a radial flux machine design in order to achieve a light-weight machine structure for traction applications. The design features combine electromagnetic and thermal design methods, because traction machine operation does not have a strict operating point. Arbitrary load cycles and the flexible supply require special attention in the design process. It is shown that accurate modelling of the machine magnetic state is essential for high-performance operation. The saturation effect related to the cross-saturation has to be taken carefully into account in order to achieve the desired operation. Two prototype machines have been designed and built for testing: one totally enclosed machine with a special magnet module pole arrangement and another through-ventilated machine with a more traditional embedded magnet structure. Both structures are built with magnetically salient structures in order to increase the torque production capability with the reluctance torque component. Both machine structures show potential for traction usage. However, the traditional embedded magnet design turns out to be mechanically the more secure one of these two machine options.

Design of a Traction Motor With Tooth-Coil Windings and Embedded Magnets

Traction motor design significantly differs from industrial machine design. The starting point is the load cycle instead of the steady-state rated operation point. The speed of the motor varies from zero to very high speeds. At low speeds, heavy overloading is used for starting, and the field-weakening region also plays an important role. Finding a suitable fieldweakening point is one of the important design targets. At the lowest speeds, a high torque output is desired, and all current reserves of the supplying converter unit are used to achieve the torque. In this paper, a 110-kW 2.5-p.u. starting torque and a maximum 2.5-p.u. speed permanent-magnet traction motor will be studied. The field-weakening point is altered by varying the number of winding turns of machine. One design is selected for prototyping. Theoretical results are verified by measurements.

Design of traction transmission and suspension systems for an omni-directional mobile robot

This project aims to design and manufacture a mobile robot with two Universal Robot UR10 mainly used indoors. In order to obtain omni-directional maneuverability, the mobile robot is constructed with Mecanum wheels. The Mecanum wheel can move in any direction with a series of rollers attached to itself. These rollers are angled at 45º about the hub’s circumference. This type of wheels can be used in both driving and steering with their any-direction property. This paper is focused on the design of traction system and suspension system, and the velocity control of Mecanum wheels in the close-loop control system. The mechanical design includes selection of bearing housing, couplers which are act as connection between shafts, motor parts, and other needed components. The 3D design software SolidWorks is utilized to assemble all the components in order to get correct tolerance. The driving shaft is designed based on assembled structure via the software as well. The design of suspension system is to compensate the assembly error of Mecanum wheels to guarantee the stability of the robot. The control system of motor drivers is realized through the Robot Operating System (ROS) on Ubuntu Linux. The purpose of inverse kinematics is to obtain the relationship among the movements of all Mecanum wheels. Via programming and interacting with the computer, the robot could move with required speed and direction.

Monitelakalanterin ulosottotelan analysointi ja kehittäminen

Työn tarkoituksena on selvittää uusien ulosottotelaratkaisujen käyttömahdollisuutta sekä levitystelojen tarvetta on-line-monitelakalanterissa. Uusia ratkaisuja tutkitaan teoreettisesti. On-line-konseptissa ajonopeus on suuri. Tällöin paperirata liikkuu sileillä teloilla yleensä ilmafilmialueella. Ilmafilmi paperiradan ja telan välissä mahdollistaa radan ja telan nopeuden riippumattomuuden toisistaan. Ilmafilmikerros toimii liukulaakerin tavoin radan ja telan välissä. Ilmafilmin muodostumiseen vaikuttavat useat muuttujat. Ilmafilmiä, sileän telan pitoa sekä ilmanpainetta radan ja telan välissä mitattiin koeajossa Metso Paper Oy:n Järvenpään WEB3000-tutkimuslaitoksessa. Saatujen teoreettisten tulosten perusteella uudet ulosottotelaratkaisut ovat mahdollisia. Ulosottotelaa voidaan pyörittää tietyissä olosuhteissa paperirataa hitaammin tai ulosottotela voidaan korvata palkkityyppisellä radankääntölaitteella. Samoin levitystelojen poisto alimmista positioista on mahdollista.

Radanohjaimen suunnittelu leveille päällystyskoneille

Radanohjaimia käytetään radan poikkisuuntaiseen paikoitukseen sekä oskillointiin ja ne ovat osa paperinvalmistuslinjojen radanhallintajärjestelmiä. Oikein suunnitellulla ja sijoitetulla radanohjaimella voidaan estää haitallisten ratasiirtymien esiintyminen, pienentää hylkymateriaalin määrää sekä parantaa rullauksen laatua. Ohjausperiaatteet sekä niihin liittyvä laitetekniikka on tunnettu jo vuosikymmenten ajan, joskin todelliset radanohjaustarpeet ja -laitteet ovat tähän asti rajoittuneet paino-, tekstiili- ja metalliteollisuudessa käytössä oleville kapeille radoille. Tämän työn tavoitteena oli selvittää 5… 12 metriä leveälle, modernissa päällystyskoneessa kulkevalle paperiradalle soveltuvat ohjausperiaatteet sekä muodostaa radan todennäköisimpiin vauriomuotoihin perustuvat suunnittelukriteerit kahdelle erityyppiselle ohjainkonstruktiolle. Yksitelainen, taivuttava radanohjain soveltuu kohteisiin, joissa ohjainta edeltää suhteellisen pitkä vapaa ratavienti. Kaksitelainen, taittava radanohjain on puolestaan sijoitettavissa huomattavasti lyhyempään ratavientiin. Radanohjauksen teoria pohjautuu pitävän telan ja radan väliseen kohtisuoran tulokulman periaatteeseen, jonka perusteella mikä tahansa yhdensuuntaisuuspoikkeama kahden telan välillä johtaa radan poikkisuuntaiseen siirtymään. Tämän periaatteen pohjalta voidaan dynaamista ohjaustilannetta approksimoida staattisin menetelmin sekä muodostaa kireysmuutoksiin ja aaltoiluun perustuvat geometrian mitoitusperiaatteet ohjaimen ympäristön ratavienneille. Nopean ohjauksen toteutus edellyttää radanohjaimen liikkeen olevan nivelen ympäri tapahtuvaa yhdistettyä translaatio- ja rotaatioliikettä. Ohjainkonstruktiot suunnitellaan siten, että teorian mukaiset optimaaliset liikeradat toteutuvat vaaditulla ohjausnopeudella. Suunnittelua ohjaavat tuotteille asetetut lujuus- ja värähtelykriteerit sekä aiheeseen liittyvät koneturvallisuusstandardit. Konstruointi suoritetaan järjestelmällisen tuotesuunnitteluprosessin vaiheiden ja menetelmien mukaisesti.

Design and analysis of a transversal-flux switched-reluctance-linear-machine pole-pair

The Switched Reluctance technology is probably best suited for industrial low-speed or zerospeed applications where the power can be small but the torque or the force in linear movement cases might be relatively high. Because of its simple structure the SR-motor is an interesting alternative for low power applications where pneumatic or hydraulic linear drives are to be avoided. This study analyses the basic parts of an LSR-motor which are the two mover poles and one stator pole and which form the “basic pole pair” in linear-movement transversal-flux switchedreluctance motors. The static properties of the basic pole pair are modelled and the basic design rules are derived. The models developed are validated with experiments. A one-sided one-polepair transversal-flux switched-reluctance-linear-motor prototype is demonstrated and its static properties are measured. The modelling of the static properties is performed with FEM-calculations. Two-dimensional models are accurate enough to model the static key features for the basic dimensioning of LSRmotors. Three-dimensional models must be used in order to get the most accurate calculation results of the static traction force production. The developed dimensioning and modelling methods, which could be systematically validated by laboratory measurements, are the most significant contributions of this thesis.

Luistonestojärjestelmän ja elektronisen tasauspyörästön suunnittelu ja implementointi hybridityökoneympäristöön

Ympäristörasituksen vähentäminen, tiukkenevat päästörajat ja ehtyvät öljyvarat ovat ajaneet kulkuvälineteollisuuden hakemaan uusia vaihtoehtoja ajoneuvojen energiatehokkuuden kehittämiseksi. Hybriditeknologia tarjoaa ratkaisuja kustannustehokkuuden ja ympäristöystävällisyyden parantamiseksi. Hybriditeknologian yleistyessä myös työkoneympäristössä saadaan paitsi kehitettyä energiatehokkaampia ja pienemmillä käyttökustannuksilla olevia työkoneita, niin myös tuotua siviiliajoneuvoista tuttuja turvallisuusominaisuuksia työkoneympäristöön. Perinteisten diesel-moottorien korvaaminen nopeavasteisilla ja tarkasti säädettävillä sähkömoottoreilla tarjoaa mahdollisuuksia toteuttaa tarkempia ja monipuolisempia säätöjärjestelmiä kuin perinteisessä ympäristössä. Tässä diplomityössä suunnitellaan luistonestojärjestelmä ja elektroninen tasauspyörästö hybridityökoneympäristöön. Järjestelmä voi käyttökohteesta riippuen pienentää huomattavasti käyttökustannuksia ja mahdollistaa uusien sovellusten tuomista markkinoille, kuten esimerkiksi kääntymisen avustaminen differentiaalisella ohjauksella.

Luistonestojärjestelmän ja elektronisen tasauspyörästön testaus ja implementointi hybridityökoneympäristöön

Työssä toteutettiin C-kielellä luistonestojärjestelmä ja elektroninen tasauspyörästö Simulinkmallien pohjalta hybridityökoneeseen. Hybridityökoneen sähkökäytöt mahdollistavat tarkan vääntömomentin säädön, joka mahdollistaa työssä kuvatun kaltaisen järjestelmän toteuttamisen. Toteutettua järjestelmää simuloitiin MeVEA Oy:n ajoneuvomallinnukseen kehitetyssä simulaattorissa. Lisäksi järjestelmästä kehitettiin Visedo Oy:n sähkökäyttösimulaattoriin sopiva versio, jota testattiin Visedon sähkökäyttöjä simuloivan ohjelman kanssa. Simulointituloksien mukaan luistonesto estää vetäviä pyöriä luistamasta liukkaalla alustalla eikä toisaalta vähennä aiheetta kuljettajan asettamaa vääntömomenttia. Myös sähköinen tasauspyörästö toimi kuten oli suunniteltu. Työssä kehitetty luistonesto tarvitsee toimiakseen tiedon ajoneuvon kokonaismassasta, joten työssä kehitettiin myös tapa ajoneuvon massan estimoimiseksi ajoneuvon kiihdyttäessä. Massan estimointia testattiin pitävällä ja liukkaalla alustalla. Massan estimointi toimi simulaattoriympäristössä hyvällä tarkkuudella.

Logistics of North-West Russia and Rail Baltica: Standpoints of Private Sector

The main aims of the present report are to describe the current state of railway transport in Russia, and to gather standpoints of Russian private transportation logistics sector towards the development of new railway connection called Rail Baltica Growth Corridor, connecting North-West Russia with Germany through the Baltic States and Poland. North-West Russia plays important role not only in Russian logistics, but also wider European markets as in container sea ports handling is approx. 2.5 mill. TEU p.a. and handling volume in all terminals is above 190 million tons p.a. The whole transportation logistics sector is shortly described as an operational environment for railways – this is done through technical and economic angles. Transportation development is always going in line with economics of the country, so the analysis on economical development is also presented. Logistics integration of the country is strongly influenced by its engagement in the international trade. Although, raw material handling at sea ports and container transports (imports) are blossoming, domestic transportation market is barely growing (in long-term perspective). Thus, recent entrance of Russia into World Trade Organization (WTO) is analyzed theme in this research, as the WTO is an important regulator of the foreign trade and enabler of volume growth in foreign trade related transportation logistics. However, WTO membership can influence negatively the development of Russia’s own industry and its volumes (these have been uncompetitive in global markets for decades). Data gathering in empirical part was accomplished by semi-structured case study interviews among North-West Russian logistics sector actors (private). These were conducted during years 2012-2013, and research compiles findings out of ten case company interviews. Although, there was no sea port involved in the study, most of the interviewed companies relied in European Logistics within significant parts in short sea shipping and truck combined transportation chains (in Russian part also using railways). As the results of the study, it could be concluded that Rail Baltica is seen as possible transport corridor in most of the interviewed companies, if there is enough cargo available. However, interviewees are a bit sceptical, because major and large-scale infrastructural improvements are needed. Delivery time, frequency and price level are three main factors influencing the attractiveness of Rail Baltica route. Price level is the most important feature, but if RB can offer other advantages such as higher frequency, shorter lead times or more developed set of value-added services, then some flexibility is possible for the price level. Environmental issues are not the main criteria of today, but are recognized and discussed among customers. Great uncertainty exists among respondents e.g. on forthcoming sulphur oxide ban on Baltic Sea shipping (whether or not it is going to be implemented in Russia). Rather surprisingly, transportation routes to Eastern Europe and Mediterranean area are having higher value and price space than those to Germany/Central Europe. Border crossing operations (traction monopoly at rails and customs), gauge widths as well as unclear decision-making processes (in Russia), are named as hindering factors. Performance standards for European connected logistics among Russian logistics sector representatives are less demanding as compared to neighbourhood countries belonging to EU.

Altmetrics in practice: How are institutional repositories using altmetrics today?

Workshop at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

Liquid cooling solutions for rotating permanent magnet synchronous machines

In the design of electrical machines, efficiency improvements have become very important. However, there are at least two significant cases in which the compactness of electrical machines is critical and the tolerance of extremely high losses is valued: vehicle traction, where very high torque density is desired at least temporarily; and direct-drive wind turbine generators, whose mass should be acceptably low. As ever higher torque density and ever more compact electrical machines are developed for these purposes, thermal issues, i.e. avoidance of over-temperatures and damage in conditions of high heat losses, are becoming of utmost importance. The excessive temperatures of critical machine components, such as insulation and permanent magnets, easily cause failures of the whole electrical equipment. In electrical machines with excitation systems based on permanent magnets, special attention must be paid to the rotor temperature because of the temperature-sensitive properties of permanent magnets. The allowable temperature of NdFeB magnets is usually significantly less than 150 ˚C. The practical problem is that the part of the machine where the permanent magnets are located should stay cooler than the copper windings, which can easily tolerate temperatures of 155 ˚C or 180 ˚C. Therefore, new cooling solutions should be developed in order to cool permanent magnet electrical machines with high torque density and because of it with high concentrated losses in stators. In this doctoral dissertation, direct and indirect liquid cooling techniques for permanent magnet synchronous electrical machines (PMSM) with high torque density are presented and discussed. The aim of this research is to analyse thermal behaviours of the machines using the most applicable and accurate thermal analysis methods and to propose new, practical machine designs based on these analyses. The Computational Fluid Dynamics (CFD) thermal simulations of the heat transfer inside the machines and lumped parameter thermal network (LPTN) simulations both presented herein are used for the analyses. Detailed descriptions of the simulated thermal models are also presented. Most of the theoretical considerations and simulations have been verified via experimental measurements on a copper tooth-coil (motorette) and on various prototypes of electrical machines. The indirect liquid cooling systems of a 100 kW axial flux (AF) PMSM and a 110 kW radial flux (RF) PMSM are analysed here by means of simplified 3D CFD conjugate thermal models of the parts of both machines. In terms of results, a significant temperature drop of 40 ̊C in the stator winding and 28 ̊C in the rotor of the AF PMSM was achieved with the addition of highly thermally conductive materials into the machine: copper bars inserted in the teeth, and potting material around the end windings. In the RF PMSM, the potting material resulted in a temperature decrease of 6 ̊C in the stator winding, and in a decrease of 10 ̊C in the rotor embedded-permanentmagnets. Two types of unique direct liquid cooling systems for low power machines are analysed herein to demonstrate the effectiveness of the cooling systems in conditions of highly concentrated heat losses. LPTN analysis and CFD thermal analysis (the latter being particularly useful for unique design) were applied to simulate the temperature distribution within the machine models. Oil-immersion cooling provided good cooling capability for a 26.6 kW PMSM of a hybrid vehicle. A direct liquid cooling system for the copper winding with inner stainless steel tubes was designed for an 8 MW directdrive PM synchronous generator. The design principles of this cooling solution are described in detail in this thesis. The thermal analyses demonstrate that the stator winding and the rotor magnet temperatures are kept significantly below their critical temperatures with demineralized water flow. A comparison study of the coolant agents indicates that propylene glycol is more effective than ethylene glycol in arctic conditions.

Kestomagneettiavusteisen synkronireluktanssikoneen soveltuvuus autokäyttöihin

Työn tavoitteena on tehdä kirjallisuuskatsaus kestomagneettiavusteisesta synkronireluktanssikoneesta ja tarkastella sen soveltuvuutta sähköauton voimantuottoon. Lisäksi työssä tehdään katsaus tämänhetkisiin sähköautoihin ja niissä esiintyviin koneratkaisuihin ja esitetään esimerkkilaskelma moottorin voimantarpeesta auton eri toiminta-alueilla. Tarkasteluissa selvisi, että kestomagneettiavusteinen synkronireluktanssikone on varteenotettava moottoriratkaisu sähköautoissa. Tämänhetkisissä sähköautoissa pääosin esiintyviin epätahtikoneeseen ja kestomagneettitahtikoneeseen verrattuna kestomagneettiavusteisella synkronireluktanssikoneella on muutamia ominaisuuksia, jotka autokäytössä ovat erityisesti sen vahvuuksia. Epätahtikoneeseen verrattuna kestomagneettiavusteisella synkronireluktanssikoneella on etuina huomattavasti pienempi paino ja synkronisuus ja kestomagneettitahtikoneeseen verrattuna sillä on paremmat kentänheikennysominaisuudet ja näin laajempi nopeusalue käytettävissä.

Design and Drive-Cycle Based Analysis of Direct-Driven Permanent Magnet Synchronous Machine for a Small Urban Use Electric Vehicle

A direct-driven permanent magnet synchronous machine for a small urban use electric vehicle is presented. The measured performance of the machine at the test bench as well as the performance over the modified New European Drive Cycle will be given. The effect of optimal current components, maximizing the efficiency and taking into account the iron loss, is compared with the simple id=0 – control. The machine currents and losses during the drive cycle are calculated and compared with each other.

Hardware design of a multiconverter for hybrid vehicle applications

Hybridiajoneuvosovellukset vaativat usein sekä korkea- että matalajännitejärjestelmän. Korkeajännitejärjestelmä sisältää yleensä energiavaraston, joka on joko superkondansaattori tai korkeajänniteakusto, dieselgeneraattorin tai range extenderin ja ajokäytön. Korkeajännitejärjestelmään liitetään usein myös erilaisia apukäyttöjä kuten kompressoreita ja hydraulipumppuja. Matalajännitejärjelmä koostuu yleensä ohjausyksiköistä, ajovaloista, yms. laitteista. Perinteisesti matalajännitejärjestelmää on syötetty dieselmoottorin laturista, mutta korkeajännitejärjestelmien myötä DC/DC-hakkurin käyttäminen korkea- ja matalajännitejärjestelmien välillä on herättänyt kiinnostusta, koska tällöin laturin voisi poistaa ja matalajänniteakustoa pienentää. Tässä työssä kuvatun monilähöisen tehonmuokkaimen invertterisilta soveltuu apukäyttöjen ajamiseen, ja erotettu DC/DC-hakkuri matalajännitejärjestelmän syöttämiseen. Tässä työssä käydään läpi edellä mainitun tehonmuokkaimen suunnittelu, keskittyen eritoten laitteen korkeajänniteosien mitoitukseen ja termiseen suunniteluun. DC/DC-hakkurin osalta perinteisiä piistä valmistettuja IGBT transistoreja vertaillaan piikarbidi MOSFET transistoreihin. Lämpömallilaskujen paikkaansapitävyyttä tutkitaan suorittamalla prototyyppilaitteelle hyötysuhdemittaus, jonka tuloksia verrataan laskettuihin tuloksiin. Lämpömallin parannusmahdollisuuksia käsitellään myös hyötysuhdemittauksen tulosten perusteella.