Concentrated Winding Multiphase Permanent Magnet Machine Design and Electromagnetic Properties – Case Axial Flux Machine

Concentrated winding permanent magnet machines and their electromagnetic properties are studied in this doctoral thesis. The thesis includes a number of main tasks related to the application of permanent magnets in concentrated winding open slot machines. Suitable analytical methods are required for the first design calculations of a new machine. Concentrated winding machines differ from conventional integral slot winding machines in such a way that adapted analytical calculation methods are needed. A simple analytical model for calculating the concentrated winding axial flux machines is provided. The next three main design tasks are discussed in more detail in the thesis. The magnetic length of the rotor surface magnet machines is studied, and it is shown that the traditional methods have to be modified also in this respect. An important topic in this study has been to evaluate and minimize the rotor permanent magnet Joule losses by using segmented magnets in the calculations and experiments. Determination of the magnetizing and leakage inductances for a concentrated winding machine and the torque production capability of concentrated winding machines with different pole pair numbers are studied, and the results are compared with the corresponding properties of integral slot winding machines. The thesis introduces a new practical permanent magnet motor type for industrial use. The special features of the machine are based on the option of using concentrated winding open slot constructions of permanent magnet synchronous machines in the normal speed ranges of industrial motors, for instance up to 3000 min-1, without excessive rotor losses. By applying the analytical equations and methods introduced in the thesis, a 37 kW 2400 min-1 12-slot 10-pole axial flux machine with rotor-surfacemounted magnets is designed. The performance of the designed motor is determined by experimental measurements and finite element calculations.

Tooth-Coil Permanent Magnet Synchronous Machine Design for Special Applications

This doctoral thesis presents a study on the design of tooth-coil permanent magnet synchronous machines. The electromagnetic properties of concentrated non-overlapping winding permanent magnet synchronous machines, or simply tooth-coil permanent magnet synchronous machines (TC-PMSMs), are studied in details. It is shown that current linkage harmonics play the deterministic role in the behavior of this type of machines. Important contributions are presented as regards of calculation of parameters of TC-PMSMs,particularly the estimation of inductances. The current linkage harmonics essentially define the air-gap harmonic leakage inductance, rotor losses and localized temporal inductance variation. It is proven by FEM analysis that inductance variation caused by the local temporal harmonic saturation results in considerable torque ripple, and can influence on sensorless control capabilities. Example case studies an integrated application of TC-IPMSMs in hybrid off-highway working vehicles. A methodology for increasing the efficiency of working vehicles is introduced. It comprises several approaches – hybridization, working operations optimization, component optimization and integration. As a result of component optimization and integration, a novel integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) for off-highway working vehicles is designed. The IEHEC can considerably increase the operational efficiency of a hybrid working vehicle. The energy converter consists of an axial-piston hydraulic machine and an integrated TCIPMSM being built on the same shaft. The compact assembly of the electrical and hydraulic machines enhances the ability to find applications for such a device in the mobile environment of working vehicles.Usage of hydraulic fluid, typically used in working actuators, enables direct-immersion oil cooling of designed electrical machine, and further increases the torque- and power- densities of the whole device.

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 %.

Pinoamislaitteen suunnittelu vetokoneen jälkeiselle linjalle

Työn tavoitteena oli suunnitella vetokoneen linjalle pinoamislaite. Laitteen tehtävänä on pinota yksittäin vetokoneelta tulevista tuotteista asiakasvaatimusten mukaisia pinoja. Laitteen suunnittelu toteutettiin käyttämällä systemaattisen koneensuunnittelun metodia. Diplomityö rajattiin koskemaan laitteen mekaanisten ratkaisujen suunnittelua. Suunnittelussa huomioitiin linjan asettamat vaatimukset, jotka koskevat sekä tuotantomäärää että tilojen käyttöä. Laitteen suunnittelussa ja mallinnuksessa käytettiin Solidworksin 3D-mallinnusohjelmaa. Mallinnettuja ratkaisuvaihtoehtoja verrattiin keskenään. Parhaiten vaatimusluettelossa esitetyt vaatimukset täyttänyt ratkaisumalli valittiin kehitettäväksi. Suunnitellusta laitteesta valmistettiin työpiirustukset sekä kokoonpanokuvat.

Pyörivän palopään suunnittelu

Työssä suunniteltiin pienten kiinteistöjen keskuslämmityksen käyttöön kiinteää polttoainetta käyttävä palopää, jossa palopään pyörimisliike sekoittaa polttoainetta palamisen aikana. Polttoaineen sekoittamisella pyritään parantamaan palamisen hyötysuhdetta ja vähentämään haitallisia päästöjä. Laitteen suunnittelu toteutettiin systemaattista koneensuunnittelun metodia mukaillen. Työn aihe rajattiin koskemaan ainoastaan palopään mekaniikan suunnittelua ja mitoitusta. Suunnittelussa pyrittiin huomioimaan valmistusystävällisyys ja minimoimaan kustannukset. Laitteen suunnittelussa käytettiin SolidWorks 2014 – ohjelmaa.

Design of flywheel generator for a diesel hybrid working machine

The aim of this work is to design a flywheel generator for a diesel hybrid working machine. In this work we perform detailed design of a generator. Mobile machines are commonly used in industry: road building machines, three harvesting machines, boring machines, trucks and other equipment. These machines work with a hydraulic drive system. This system provides good service property and high technical level. Manufacturers of mobile machines tend to satisfy all requirements of customers and modernized drive system. In this work also a description of the frequency inverter is present. Power electronics system is one of the basic parts for structures perform in the project.

Design and Control of Permanent Magnet Synchronous Machine for Hybrid Electric Vehicle

This master’s thesis mainly focuses on the design requirements of an Electric drive for Hybrid car application and its control strategy to achieve a wide speed range. It also emphasises how the control and performance requirements are transformed into its design variables. A parallel hybrid topology is considered where an IC engine and an electric drive share a common crank shaft. A permanent magnet synchronous machine (PMSM) is used as an electric drive machine. Performance requirements are converted into Machine design variables using the vector model of PMSM. Main dimensions of the machine are arrived using analytical approach and Finite Element Analysis (FEA) is used to verify the design and performance. Vector control algorithm was used to control the machine. The control algorithm was tested in a low power PMSM using an embedded controller. A prototype of 10 kW PMSM was built according to the design values. The prototype was tested in the laboratory using a high power converter. Tests were carried out to verify different operating modes. The results were in agreement with the calculations.

Development of support and drive systems for defiberization drum

Diplomityön tarkoituksena oli kuidutusrumpulaitteiston käytön- ja kannatuksen kehittä-minen. Työ rajattiin laajuutensa vuoksi koskemaan tuotesarjan viittä pienintä kokoa. Työn alkuosassa käsitellään kuidutuksen teoriaa ja siihen soveltuvia laitteistoja. Käytön suunnittelun kannalta olennaista käynnistystehon tarvetta on tarkasteltu lähtökohdaisesti fysiikan avulla. Perustietoja teorialle on haettu aiemmista tutkimuksista sekä kirjallisuu-desta. Tarkastelun tuloksena teoriaa on kehitty ja se on saatu vastaamaan todellisuutta aiempaa paremmin. Kannatuksen ja käytön toteuttamisvaihtoja etsittäessä on käytetty systemaattisen koneen-suunnittelun keinoja. Saatuja ideoita on arvioitu teknillis-taloudellisin perustein ja näistä on valittu parhaat vaihtoehdot jatkokehitykseen. Jatkokehitysvaiheessa ratkaisuvaihto-ehtoja on tarkasteltu komponenttitasolla ja näistä on tehty yksityiskohtaiset kustannus-laskelmat. Työn tuloksena on esitetty kannatuksen ja käytön toteutusvaihtoehto, jonka avulla voidaan saavuttaa merkittäviä kustannussäästöjä. Korkea, 30 prosentin kustannussäästö-tavoite saavutettiin.

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.

Designing a new type of support for rotary kilns

Lime kiln is used as a part of the modern kraft pulp process in order to produce burnt lime from lime mud. This rotating kiln is supported by support rollers, which are traditionally supported by journal bearings. Since the continuous growth in the production of pulp mills requires larger lime kilns, the traditional bearing construction has become unreliable. The main problem especially involves the running-in phase of the bearings. In the present thesis, a new type of support roller was developed by using the systematic approach of machine design. Structural analysis was conducted on the critical parts of the selected structure by the finite element method. The operation of hydrodynamic bearings was examined by analytical methods. As a result of this work, a new type of support for rotating kilns was designed, which is more reliable and easier to service. A new support roller geometry is described, which pro¬vides for significant cost savings.

Eristekourujen ponttauslaitteen suunnittelu

Diplomityössä suunnitellaan eristekourujen ponttauslaite, jolla pystytään ponttaamaan eristekouruja. Pontattavien eristekourujen pituus ja halkaisija muuttuvat. Suunnittelun lähtökohtana on nykyisin käytössä olevien ponttauslaitteiden ergonomia- ja työturvallisuusongelmat. Työssä käydään läpi erilaisia mahdollisuuksia ponttauslaitteen toteutukseen ja kehitellään kaksi periaatteellista ratkaisua toimiviksi kokoonpanoiksi. Kokoonpanoista valitaan perustellusti parempi vaihtoehto jatkokehitykseen ja se kehitellään valmiiksi ponttauslaitteeksi. Työ käsittää laitteen mekaniikkasuunnittelun, automaatiosuunnittelu rajataan työn ulkopuolelle. Työn eteneminen seuraa järjestelmällisen koneensuunnitteluprosessin vaiheita. Lopputuloksena suunniteltiin laite, joka toteuttaa sille asetetut suoritusvaatimukset. Suunniteltu laite on turvallinen ja ergonomiset vaatimukset täyttävä. Lisäksi laitteen rungolle tehtiin värähtelytarkasteluja, joiden perusteella analysoitiin ominais- ja herätetaajuuksien suhteita sekä rungon jäykistämisen vaikutuksia.

Statistical Optimum Design of Heat Exchangers

The optimal design of a heat exchanger system is based on given model parameters together with given standard ranges for machine design variables. The goals set for minimizing the Life Cycle Cost (LCC) function which represents the price of the saved energy, for maximizing the momentary heat recovery output with given constraints satisfied and taking into account the uncertainty in the models were successfully done. Nondominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II) for the design optimization of a system is presented and implemented inMatlab environment. Markov ChainMonte Carlo (MCMC) methods are also used to take into account the uncertainty in themodels. Results show that the price of saved energy can be optimized. A wet heat exchanger is found to be more efficient and beneficial than a dry heat exchanger even though its construction is expensive (160 EUR/m2) compared to the construction of a dry heat exchanger (50 EUR/m2). It has been found that the longer lifetime weights higher CAPEX and lower OPEX and vice versa, and the effect of the uncertainty in the models has been identified in a simplified case of minimizing the area of a dry heat exchanger.

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.

Tulevaisuuden joustavan pakkauslinjaston muodonantolaitteen alaosan suunnittelu

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan muodonantolaitteen alaosan rakennetta osana tulevaisuuden pakkauslinjastoa. Työn tarkoituksena on suunnitella muodonantoprässin vastinkappale kaikkine mekanismeineen ja toimilaitteineen käyttäen hyväksi systemaattisen koneensuunnittelun periaatteita sekä huomioiden koko pakkauslinjaston lähtökohdat.

High-speed solid-rotor induction machine – calculation program

The aim of this thesis is to utilize the technology developed at LUT and to provide an easy tool for high-speed solid-rotor induction machine preliminary design. Computer aided design tool MathCAD has been chosen as the environment for realizing the calculation program. Four versions of the design program have been made depending on the motor rotor type. The first rotor type is an axially slitted solid-rotor with steel end rings. The next one is an axially slitted solid-rotor with copper end rings. The third machine type is a solid rotor with deep, rectangular copper bars and end rings (squirrel cage). And the last one is a solid-rotor with round copper bars and end rings (squirrel cage). Each type of rotor has its own specialties but a general thread of design is common. This paper follows the structure of the calculating program and explains some features and formulas. The attention is concentrated on the difference between laminated and solid-rotor machine design principles. There is no deep analysis of the calculation ways are presented. References for all solution methods appearing during the design procedure are given for more detailed studying. This thesis pays respect to the latest innovations in solid-rotor machines theory. Rotor ends’ analytical calculation follows the latest knowledge in this field. Correction factor for adjusting the rotor impedance is implemented. The purpose of the created design program is to calculate the preliminary dimensions of the machine according to initial data. Obtained results are not recommended for exact machine development. Further more detailed design should be done in a finite element method application. Hence, this thesis is a practical tool for the prior evaluating of the high-speed machine with different solid-rotor types parameters.