Electrical machine in a Hybrid Electrical Vehicle

Hybrid electric vehicles (HEV) have attracted very much attention during the latest years. Increasing environmental concern and an increase in fuel prices are key factors for the growing interest towards the HEV. In a hybrid electric vehicle the power train consists of both a mechanical power system and an electric power transmission system. The major subsystems in the mechanical power system are the internal combustion engine which powers the vehicle; electric power transmission including an energy storage, power electronic inverter, hybrid control system; the electric motor drive that runs either in the generating mode or in the motoring mode to process the power flow between the energy storage and the electrical machine. This research includes two advanced electric motors for a parallel hybrid: induction machine and permanent magnets synchronous machine. In the thesis an induction motor and a permanent magnet motor are compared as propulsion motors. Electric energy storages are also studied.

Kehittyneiden hitsausprosessien soveltuvuus alumiinin ja hiiliterästen hitsaukseen

Diplomityössä tutkitaan hitsausprosessien kehitystä. Työn kirjallisen osan alku kuvaa hitsauksen nykypäivää ja tulevaisuutta sekä millainen on hitsaava Suomi. Kehittyneiden hitsausprosessien tarkastelu on jaettu hiiliterästen ja alumiinien hitsausprosesseihin. Hiiliteräksien hitsauksen osalta työssä esitellään kitkahitsaus pyörivällä työkalulla, muunnettu lyhytkaarihitsaus, laserhitsaus, laser-hybridihitsaus ja kapearailohitsaus. Alumiinien hitsauksen osalta työssä esitellään laserhitsaus, muunnettu lyhytkaarihitsaus, kitkahitsaus pyörivällä työkalulla ja vaihtovirta MIG hitsaus. Diplomityön käytännönosuudessa todennettiin hitsausprosessien kehitys. Ensimmäisissä hitsauskokeissa hitsattiin merialumiinia eri kaarityypeillä. Vertailua tehdään pulssihitsauksen, lankapulssihitsauksen sekä CMT-kaarihitsauksen välillä. Koehitsaukset osoittavat CMT-hitsauksen tuottavan MIG-pulssihitsausta pienemmät hitsausmuodonmuutokset. CMT-hitsauksessa alumiinin oksidikerros aiheuttaa MIGpulssihitsausta vähemmän ongelmia, sillä kaari syttyy varmemmin suurillakin hitsausnopeuksilla, eikä hitsiin synny huokosia. Hitsausnopeudella 40 cm/min lankapulssihitsauksella ja MIG-pulssihitsauksella päittäisliitoksena hitsattujen vesileikattujen alumiinikappaleiden hitseihin ei syntynyt huokosia. Kokeen perusteella voidaan todeta, ettei oksidikerroksella ollut vaikutusta hitsin onnistumiseen. Hitsauskokeiden toinen osio tutkii hiilimangaaniteräksisen T-palkin kuitulaserhitsausta. Viiden kilowatin laserteholla hitsattiin onnistuneesti viisi metriä pitkiä T-palkkeja hitsausnopeudella 2 m/min. Takymetrimittauksella ja Tritop 3D-koordinaattimittauksella todennettiin laserhitsatun T-palkin hitsausmuodonmuutosten olevan huomattavasti Twin-jauhekaarihitsauksella hitsattua T-palkkia pienemmät.

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.

Tutorials for MeVEA Simulation Software

The objective of the thesis was to create three tutorials for MeVEA Simulation Software to instruct the new users to the modeling methodology used in the MeVEA Simulation Software. MeVEA Simulation Software is a real-time simulation software based on multibody dynamics. The simulation software is designed to create simulation models of complete mechatronical system. The thesis begins with a more detail description of the MeVEA Simulation Software and its components. The thesis presents the three simulation models and written theory of the steps of model creation. The first tutorial introduces the basic features which are used in most simulation models. The basic features include bodies, constrains, forces, basic hydraulics and motors. The second tutorial introduces the power transmission components, tyres and user input definitions for the different components in power transmission systems. The third tutorial introduces the definitions of two different types of collisions and collision graphics used in MeVEA Simulation Software.

Potkurilaitteen ohjausputken laserpinnoitus

Laserpinnoitus on additiivinen prosessi, jossa lasertehon avulla sulatetaan pinnoitusainetta pinnoitettavan kappaleen pintaan. Laserpinnoituksella on mahdollista aikaansaada tiivis sekä kova, kulutusta ja korroosiota kestävä pinnoite kappaleen pintaan. Tässä työssä kohteena oli potkurilaitteen ohjausputken laserpinnoitus. Kyseisessä kohteessa pinnoitteelta vaaditaan hyvää korroosion- ja kulumisen kestoa. Työn tavoitteena oli lisätä tietoisuutta laserpinnoitusprosessista ja siinä vaikuttavista tekijöistä. Myös materiaaliominaisuuksien vaikutuksia sekä pinnoitus- että pinnoitettavien aineiden osalta selvitettiin. Työhön sisältyi myös kokeellinen osuus, jossa tavoitteena oli löytää kustannustehokkain pinnoiteaine tutkittuun kohteeseen. Kokeissa ohjausputki- sekä levyaihioon tehtiin koepinnoituksia. Kokeiden ja edelleen materiaalitutkimuksien avulla tutkittiin neljää eri pinnoitusainetta, jotka olivat Stellitti 21, Inconel 625, AISI 316L ja AISI 431. Kovuus- ja taivutuskokeiden perusteella kyseisistä aineista vain Stelliitti 21 täytti ohjausputken pinnoitteelle asetetut vaatimukset. Näin ollen Stelliitti 21 valikoitui kustannustehokkaimmaksi pinnoitusaineeksi ohjausputkien laserpinnoitukseen.

Reaaliaikaisen PMU-mittaustiedon hyödyntäminen voimajärjestelmän valvonnassa

Tämä työ on tehty Fingrid Oyj:lle. Työn tavoitteena oli tutkia, miten reaaliaikaista PMU-mittaustietoa voidaan hyödyntää voimajärjestelmän valvonnassa. Voimajärjestelmän dynaamisia ilmiöitä ovat jännite- ja kulmastabiilius. Työssä tutkittiin voimajärjestelmän kulmastabiiliutta PSS/E-ohjelmalla simuloitujen mittaustulosten perusteella. Fouriermuunnoksen tulokset osoittavat, että huonoiten vaimeneva taajuuskomponentti on 0,3 Hz taajuus. Lisäksi tiedetään, että huonosti vaimeneva taajuuskomponentti rajoittaa siirtokapasiteettia. Voimajärjestelmän stabiiliutta voidaan esittää Wide Area Monitoring -järjestelmien (WAMS) avulla. WAMS perustuu Phasor Measurement -laitteen (PMU) reaaliaikaiseen mittaustekniikkaan. Jännitteen vaihekulman mittaaminen mahdollistaa voimajärjestelmän tilan määrittämisen reaaliajassa. Työssä on esitelty Fingridin käytössä oleva WAMS ja lisäksi esitelty kolmen eri laitetoimittajan WAMS:n rakennetta ja operaattorin käyttöön tarkoitettuja käyttöliittymiä. WAMS:n rakenteet ovat pääpiirteittäin samanlaisia, mutta stabiiliuden visuaalisessa esittämisessä on eroja. PMU -mittaustietoja on mahdollista tuoda käytönvalvontajärjestelmään erillisellä tiedonsiirtoprotokollalla. PMU-mittaustiedon hyödyntäminen käytönvalvontajärjestelmän toimintaaluenäytöllä mahdollistaa verkon tilan esittämisen reaaliajassa. Roottorin kulmastabiilius esitetään Fingridin käytönvalvontajärjestelmässä vaihekulmaerojen avulla ja työssä on esitetty, kuinka vaihekulmaeron arvolla on vaikutus tehonsiirtoon. Vaihekulmaeron arvo kuvaa vian jälkeisen tehoheilahtelun voimakkuutta. PMU-mittaustiedon esittäminen antaa operaattorille selkeämmän kuvan ylläpitää tehonsiirto turvallisella tasolla ja epästabiilin heilahtelun havainnoiminen vähentää suurhäiriön riskiä. Tulevaisuudessa siirtoverkon kehittyessä tarvitaan operaattorin käyttöön myös nopeita stabiilisuutta esittäviä työkaluja.

Identification of flexural stiffness parameters of beams

A three degree of freedom model of the dynamic mass at the middle of a test sample, resembling a Stockbridge neutraliser, is introduced. This model is used to identify the hereby called equivalent complex cross section flexural stiffness (ECFS) of the beam element which is part of the whole test sample. This ECFS, once identified, gives the effective cross section flexural stiffness of the beam as well as its effective damping, measured as the loss factor of an equivalent viscoelastic beam. The beam element of the test sample may be of any complexity, such as a segment of stranded cable of the ACSR type. These data are important parameters for the design of overhead power transmission lines and other cable structures. A cost function is defined and used in the identification of the ECFS. An experiment, designed to measure the dynamic masses of two test samples, is described. Experimental and identified results are presented and discussed.

Identification of Flexural Stiffness Parameters of Beams

A three degree of freedom model of the dynamic mass at the middle of a test sample, resembling a Stockbridge neutraliser, is introduced. This model is used to identify the hereby called equivalent complex cross section flexural stiffness (ECFS) of the beam element which is part of the whole test sample. This ECFS, once identified, gives the effective cross section flexural stiffness of the beam as well as its effective damping, measured as the loss factor of an equivalent viscoelastic beam. The beam element of the test sample may be of any complexity, such as a segment of stranded cable of the ACSR type. These data are important parameters for the design of overhead power transmission lines and other cable structures. A cost function is defined and used in the identification of the ECFS. An experiment, designed to measure the dynamic masses of two test samples, is described. Experimental and identified results are presented and discussed.

Baltian maiden sähkömarkkinat

Tässä kandidaatintutkielmassa on tarkoituksena selvittää Baltian maiden sähkömarkkinoi- den kehittymistä ja avautumista kilpailulle. Baltian maiden sähkömarkkinoiden kehittymis- tä on vauhdittanut EU:n energiapolitiikka, jolla pyritään edistämään toimivien yhteiseu- rooppalaisten sähkömarkkinoiden kehittymistä. Baltian maista tullaankin lähitulevaisuu- dessa rakentamaan lisäsiirtoyhteyksiä Pohjoismaihin ja Eurooppaan. Työssä tutkitaan myös Baltian maiden sähköntuotantorakenteen muodostumista ja sähkönsiirtoverkon ra- kennetta. Suomen ja Venäjän välisessä sähkökaupassa on tapahtunut merkittäviä muutok- sia syksyn 2011 jälkeen. Tutkitaan myös Venäjän ja Baltian maiden välistä sähkönsiirtoa.

Weldability of powder bed fusion fabricated stainless steel 316L sheets to cold rolled sheet metal

Weldability of powder bed fusion (PBF) fabricated components has come to discussion in past two years due to resent developments in the PBF technology and limited size of the machines used in the fabrication process. This study concentrated on effects of energy input of welding on mechanical properties and microstructural features of welds between PBF fabricated stainless steel 316L sheets and cold rolled sheet metal of same composition by the means of destructive testing and microscopic analysis. Optical fiber diameter, laser power and welding speed were varied during the experiments that were executed following one variable at a time (OVAT) method. One of the problems of welded PBF fabricated components has been lower elongations at break comparing to conventionally manufactured components. Decreasing energy input of the laser keyhole welding decreased elongations at break of the welded specimens. Ultimate tensile strengths were not affected significantly by the energy input of the welding, but fracturing of the specimens welded using high energy input occurred from the weld metal. Fracturing of the lower energy input welds occurred from the PBF fabricated base metal. Energy input was found to be critical factor for mechanical properties of the welds. Multioriented grain growth and formation of neck at fusion zone boundary on the cold rolled side of the weld was detected and suspected to be result from weld pool flows caused by differences in molten weld pool behaviour between the PBF fabricated and cold rolled sides of the welds.

Optical and photoelectric properties of dry bacteriorhodopsin sensors

In this thesis, bacteriorhodopsin (BR) photosensor’s optical and electrical properties were studied. The BR sensor consisted of a dry film with BR in polyvinyl alcohol and covered with transparent conductors. In the experiments the BR photocycle was started with two lasers. The characteristics of the BR sensor were measured in two ways. The first approach was theoretical and it required knowing the laser parameters. The second way required assembling a measurement setup for the optical response measurements. However, no measurable results were obtained due to low laser power. The photoelectric response was measured in the experiments with two laser systems and the amplifier was tested. In the experiment with a Cavitar laser, the photoelectric response was obtained. In the experiment with FemtoFiber Pro laser, the photoelectric response was not measured. The expected amplitude of the response was obtained. The experimental data was analyzed and possible solutions for reducing the interference were given.

Monitoring Directed Energy Deposition Processes in Additive Manufacturing

The purpose of this study is to find out how laser based Directed Energy Deposition processes can benefit from different types of monitoring. DED is a type of additive manufacturing process, where parts are manufactured in layers by using metallic powder or metallic wire. DED processes can be used to manufacture parts that are not possible to manufacture with conventional manufacturing processes, when adding new geometries to existing parts or when wanting to minimize the scrap material that would result from machining the part. The aim of this study is to find out why laser based DED-processes are monitored, how they are monitored and what devices are used for monitoring. This study has been done in the form of a literature review. During the manufacturing process, the DED-process is highly sensitive to different disturbances such as fluctuations in laser absorption, powder feed rate, temperature, humidity or the reflectivity of the melt pool. These fluctuations can cause fluctuations in the size of the melt pool or its temperature. The variations in the size of the melt pool have an effect on the thickness of individual layers, which have a direct impact on the final surface quality and dimensional accuracy of the parts. By collecting data from these fluctuations and adjusting the laser power in real-time, the size of the melt pool and its temperature can be kept within a specified range that leads to significant improvements in the manufacturing quality. The main areas of monitoring can be divided into the monitoring of the powder feed rate, the temperature of the melt pool, the height of the melt pool and the geometry of the melt pool. Monitoring the powder feed rate is important when depositing different material compositions. Monitoring the temperature of the melt pool can give information about the microstructure and mechanical properties of the part. Monitoring the height and the geometry of the melt pool is an important factor in achieving the desired dimensional accuracy of the part. By combining multiple different monitoring devices, the amount of fluctuations that can be controlled will be increased. In addition, by combining additive manufacturing with machining, the benefits of both processes could be utilized.

Développement et caractérisation d’une méthode photonique pour créer des distributions spatiales de protéines

Les cellules sont capables de détecter les distributions spatiales de protéines et ainsi de migrer ou s’étendre dans la direction appropriée. Une compréhension de la réponse cellulaire aux modifications de ces distributions spatiales de protéines est essentielle pour l’avancement des connaissances dans plusieurs domaines de recherches tels que le développement, l’immunologie ou l’oncologie. Un exemple particulièrement complexe est le guidage d’axones se déroulant pendant le développement du système nerveux. Ce dernier nécessite la présence de plusieurs distributions de molécules de guidages étant attractives ou répulsives pour connecter correctement ce réseau complexe qu’est le système nerveux. Puisque plusieurs indices de guidage collaborent, il est particulièrement difficile d’identifier la contribution individuelle ou la voie de signalisation qui est déclenchée in vivo, il est donc nécessaire d’utiliser des méthodes pour reproduire ces distributions de protéines in vitro. Plusieurs méthodes existent pour produire des gradients de protéines solubles ou liées aux substrats. Quelques méthodes pour produire des gradients solubles sont déjà couramment utilisées dans plusieurs laboratoires, mais elles limitent l’étude aux distributions de protéines qui sont normalement sécrétées in vivo. Les méthodes permettant de produire des distributions liées au substrat sont particulièrement complexes, ce qui restreint leur utilisation à quelques laboratoires. Premièrement, nous présentons une méthode simple qui exploite le photoblanchiment de molécules fluorescentes pour créer des motifs de protéines liées au substrat : Laser-assisted protein adsorption by photobleaching (LAPAP). Cette méthode permet de produire des motifs de protéines complexes d’une résolution micrométrique et d’une grande portée dynamique. Une caractérisation de la technique a été faite et en tant que preuve de fonctionnalité, des axones de neurones du ganglion spinal ont été guidés sur des gradients d’un peptide provenant de la laminine. Deuxièmement, LAPAP a été amélioré de manière à pouvoir fabriquer des motifs avec plusieurs composantes grâce à l’utilisation de lasers à différentes longueurs d’onde et d’anticorps conjugués à des fluorophores correspondants à ces longueurs d’onde. De plus, pour accélérer et simplifier le processus de fabrication, nous avons développé LAPAP à illumination à champ large qui utilise un modulateur spatial de lumière, une diode électroluminescente et un microscope standard pour imprimer directement un motif de protéines. Cette méthode est particulièrement simple comparativement à la version originale de LAPAP puisqu’elle n’implique pas le contrôle de la puissance laser et de platines motorisées, mais seulement d’envoyer l’image du motif désiré au modulateur spatial. Finalement, nous avons utilisé LAPAP pour démontrer que notre technique peut être utilisée dans des analyses de haut contenu pour quantifier les changements morphologiques résultant de la croissance neuronale sur des gradients de protéines de guidage. Nous avons produit des milliers de gradients de laminin-1 ayant différentes pentes et analysé les variations au niveau du guidage de neurites provenant d’une lignée cellulaire neuronale (RGC-5). Un algorithme pour analyser les images des cellules sur les gradients a été développé pour détecter chaque cellule et quantifier la position du centroïde du soma ainsi que les angles d’initiation, final et de braquage de chaque neurite. Ces données ont démontré que les gradients de laminine influencent l’angle d’initiation des neurites des RGC-5, mais n’influencent pas leur braquage. Nous croyons que les résultats présentés dans cette thèse faciliteront l’utilisation de motifs de protéines liées au substrat dans les laboratoires des sciences de la vie, puisque LAPAP peut être effectué à l’aide d’un microscope confocal ou d’un microscope standard légèrement modifié. Cela pourrait contribuer à l’augmentation du nombre de laboratoires travaillant sur le guidage avec des gradients liés au substrat afin d’atteindre la masse critique nécessaire à des percées majeures en neuroscience.

Analyse par spectrométrie de masse d’hormones stéroïdiennes dans les eaux usées et abattement par oxydation chimique

Thèse réalisée en cotutelle avec Michèle Prévost (Ph.D), Professeure titulaire au département des génies civil, géologique et des mines de l'École Polytechnique de Montréal.