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.

Automatic system identification and optimization of centrifugal pump operation

Centrifugal pumps are a notable end-consumer of electrical energy. Typical application of a centrifugal pump is the filling or emptying of a reservoir tank, where the pump is often operated at a constant speed until the process is completed. Installing a frequency converter to control the motor substitutes the traditional fixed-speed pumping system, allows the optimization of rotational speed profile for the pumping tasks and enables the estimation of rotational speed and shaft torque of an induction motor without any additional measurements from the motor shaft. Utilization of variable-speed operation provides the possibility to decrease the overall energy consumption of the pumping task. The static head of the pumping process may change during the pumping task. In such systems, the minimum rotational speed changes during reservoir filling or emptying, and the minimum energy consumption can’t be achieved with a fixed rotational speed. This thesis presents embedded algorithms to automatically identify, optimize and monitor pumping processes between supply and destination reservoirs, and evaluates the changing static head –based optimization method.

Parametrisen kustannusmallin validointi ja implementointi

Parametric cost modeling is a technique, where cost estimating relationships are built to meet products’ parameters. Parameters are directly defined from product features, when it is possible to solve product cost exact before even a single product is manufactured and calculated with general cost accounting. The parametric model can be used in product design, sourcing and comparing product cost of similar products. The model reveals the cost origin more clear than general accounting. The purpose of this thesis was to find out parameters for modeling elevator doors and validate the parameters to meet actual costs. The other target was to simulate cost impact and changes in the cost structure. The results were compared to previous calculations and actual costs and model was tested in new product design. The results of the calculations revealed, that material consumption is the most significant issue in design effectiveness as well as the complexity of the components and structure. To develop the model more research is needed for other continents cost structure and waste calculation principles.

Suurnopeus-turbokoneroottoreiden termodynaaminen ja mekaaninen mallinnus sekä rakenneanalyysi

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan suurnopeustekniikan eri sovelluksissa ilmeneviä roottoreihin liittyviä rakenteellisia vaatimuksia ja haasteita. Tässä yhteydessä suurnopeustekniikalla tarkoitetaan järjestelyä, jossa sähkökone (moottori, generaattori) ja toimilaite (turbiini, kompressori, puhallin) on kytketty ilman vaihdetta suoraan mekaanisesti yhteen ja jossa yhteisen roottorin pyörimisnopeus on selvästi suurempi kuin 50/60 hertsin verkosta syötetyn kaksinapaisen vaihtovirtasähkökoneen tahtinopeus. Tyypillistä suurnopeuskoneen roottorille on suuri tehotiheys ja suuri mekaaninen kuormitus. Siksi esimerkiksi sähkökoneen jäähdytys on entistä haasteellisempaa kasvavien rautahäviöiden ja pienempien lämmönsiirtopinta-alojen vuoksi. Tämän työn tavoitteet voidaan jakaa kolmeen osaan:  Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen tarkastelu, jonka tavoitteena on pienentää lämmönkehitystä ja tehostaa kriittisten kohtien jäähdytystä. Tähän liittyy sähkömagneettisten häviöiden keskittäminen jäähdytyksen kannalta edullisiin kohtiin  Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen tarkastelu kriittisten ominaistaajuuksien kannalta  Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen analysointi lujuustekniseltä kannalta. Tähän liittyvät mm. erilaiset ahdistussovitteet ja niiden säilyminen korkeilla pyörimisnopeuksilla sekä niiden roottoria jäykistävä vaikutus ja lämmön johtuminen kyseisissä liitospinnoissa. Tämän työn tieteellinen uutuusarvo on nimenomaan yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin rakenteen analysointi ottamalla samanaikaisesti huomioon kaikki edellä mainitut näkökohdat: jäähtyminen erityisen kuumissa kohdissa, sähköisten häviöiden alentaminen ja niiden jakautuman huomioon ottaminen, roottorin jäykkyyden maksimointi, lujuusrasitusten hallinta ja rakenteen mekaaninen stabiliteetti sekä lämpöteknisten ylimenovastusten tarkastelu.

Accuracy Analysis of Frequency Converter Estimates in Diagnostic Applications

Transportation of fluids is one of the most common and energy intensive processes in the industrial and HVAC sectors. Pumping systems are frequently subject to engineering malpractice when dimensioned, which can lead to poor operational efficiency. Moreover, pump monitoring requires dedicated measuring equipment, which imply costly investments. Inefficient pump operation and improper maintenance can increase energy costs substantially and even lead to pump failure. A centrifugal pump is commonly driven by an induction motor. Driving the induction motor with a frequency converter can diminish energy consumption in pump drives and provide better control of a process. In addition, induction machine signals can also be estimated by modern frequency converters, dispensing with the use of sensors. If the estimates are accurate enough, a pump can be modelled and integrated into the frequency converter control scheme. This can open the possibility of joint motor and pump monitoring and diagnostics, thereby allowing the detection of reliability-reducing operating states that can lead to additional maintenance costs. The goal of this work is to study the accuracy of rotational speed, torque and shaft power estimates calculated by a frequency converter. Laboratory tests were performed in order to observe estimate behaviour in both steady-state and transient operation. An induction machine driven by a vector-controlled frequency converter, coupled with another induction machine acting as load was used in the tests. The estimated quantities were obtained through the frequency converter’s Trend Recorder software. A high-precision, HBM T12 torque-speed transducer was used to measure the actual values of the aforementioned variables. The effect of the flux optimization energy saving feature on the estimate quality was also studied. A processing function was developed in MATLAB for comparison of the obtained data. The obtained results confirm the suitability of this particular converter to provide accurate enough estimates for pumping applications.

Hissien tasonovien palotestauspalveluiden arviointi.

Elevator landing doors are fire tested to measure their fire resistance. The objective of this master’s thesis was to create a method to evaluate the fire tests and the organizations that provide these testing services. The main focus area was in creating accurate evaluation criteria and weighting the criteria. The thesis was formed by first presenting the reader with the literature review of the closest related theories. The theories which were chosen were systematic decision making, supplier selection, and make or buy and outsourcing theories. In the empirical section the created process of evaluating fire testing is presented, with analysis of the current situation of fire testing processes and evaluation methods. Evaluating fire testing services required two types of criteria to be formed, technical criteria to evaluate the technical requirements, and service criteria to evaluate the organization which was offering the testing service. These criteria formed the core for the evaluation process which consisted of five different phases that were developed based on the literature review. The process was tested to create best practices and to make improvement proposals accordingly. Systematical process for evaluating fire testing helps to recognize the most important technical and service related aspects. The created criteria can be also used in future to benchmark and monitor the situation of fire testing. The results of the process can be used when deciding whether to outsource the service or to keep it in-house.

Maastotyökoneen ajomoottorin hybridisointiin soveltuvan napavaihteiston dynamiikan mallinnus.

Työn tavoitteena oli mallintaa maastotyökoneen ajomoottorin hybridisointiin soveltuvan napavaihteiston dynamiikka. Työ tehtiin osana Saimaan ammattikorkeakoulun tutkimusprojektia, jonka tarkoituksena oli ajomoottorin ja integroidun napavaihteiston kaupallistaminen maastotyökoneisiin. Maastotyökoneena simulointimallissa käytettiin tyypillistä maataloustraktoria, johon kytkettiin vielä peräkärry. Traktorin renkaiden napaan oli kytketty ajomoottorina toimiva sähkömoottori, jonka sisään simuloitu napavaihteisto oli integroitu. Napavaihteiston dynamiikan mallintamiseen käytettiin monikappaledynamiikan simulointiohjelmistoa (Adams). Ohjelmalle määritettiin napavaihteiston komponenttien parametrit, joista voitiin simuloida vaihteiston dynaaminen käyttäytyminen. Simuloidusta mallista saatiin kytkimiin kohdistuvat voimat kytkentätilanteessa sekä sähkömoottorin väännön suunnanvaihtotilanteessa eri akselin pituuksilla, eri kytkinten nopeuseroilla, eri traktorin painoilla ja eri kuormilla ajettaessa. Mallissa simuloitiin myös sähkömoottorin käyttäytyminen vaihteenvaihtotilanteessa eri pyörimisnopeuden säätimen kertoimilla. Työssä huomattiin, että akselin mitoituksella voitiin vaikuttaa vaihteistossa ilmeneviin voimiin kytkimen kytkentähetkellä. Myös kytkimen hammastuksessa olevalla hammasvälyksellä voitiin vaikuttaa kytkimiin kohdistuviin voimiin suunnanvaihtotilanteissa. Vaihteistoon kohdistuvista voimista voidaan jatkossa suunnitella kytkimen ja akselin profiili, jotta vaihteisto kestää siihen kohdistuvat voimat.

Accuracy of modelling and identification of malfunctions in rotor systems: experimental results

The accuracy of modelling of rotor systems composed of rotors, oil film bearings and a flexible foundation, is evaluated and discussed in this paper. The model validation of different models has been done by comparing experimental results with numerical results by means. The experimental data have been obtained with a fully instrumented four oil film bearing, two shafts test rig. The fault models are then used in the frame of a model based malfunction identification procedure, based on a least square fitting approach applied in the frequency domain. The capability of distinguishing different malfunctions has been investigated, even if they can create similar effects (such as unbalance, rotor bow, coupling misalignment and others) from shaft vibrations measured in correspondence of the bearings.

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.

Petri Net approach for modelling system integration in intelligent buildings

In this paper, a Petri Net approach is introduced for modelling and simulation of control strategies in Intelligent Building. In this context, it is claimed that integration with other building systems can be achieved in a more systematic way considering a mechatronic approach (i.e. multidisciplinary concepts applied to the development of systems). The case study is the Ambulatory Building of Medical School Hospital of University of São Paulo. Particularly, the developed methodology is applied to the elevator system and to the HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) system. It is shown that using this approach, the control systems could be integrated, improving performance.

CTQ process flow development and the impact for cost of quality

Tämä työ tehtiin Kone Industrial Oy:lle Major Projects yksikköön, laatuosastolle. Kone Major Projects yksikkö keskittyy erikoisiin ja suuriin hissi- ja liukuporras projekteihin. Työn tavoitteena oli luoda harmonisoitu prosessi hissikomponenttien laaduntarkkailua varten sekä tarkastella ja vertailla kustannussäästöjä, jota tällä uudella prosessilla voidaan saavuttaa. Tavoitteena oli saavuttaa 80-prosentin kustannussäästöt laatukustannuksissa uuden laatuprosessin avulla. Työn taustana ja tutkimusongelmana ovat lisääntyneet erikoisprojektit ja niiden myötä lisääntynyt laaduntarkkailun tarve. Ongelmana laaduntarkkailussa voitiin pitää harmonisoidun ja selkeän prosessin puuttumista C-prosessikomponenttien valmistuksessa. Lisäksi kehitysprosessin aikana luotiin vanhojen työkalujen pohjalta keskeinen laaduntarkkailutyökalu, CTQ-työkalu. Työssä käsitellään ensin Konetta yhtiönä ja selvitetään Koneen keskeisimmät prosessit työn taustaksi. Teoria osuudessa käsitellään prosessin kehitykseen liittyviä teorioita sekä yleisiä laatukäsitteitä ja esitetään teorioita laadun asemasta nykypäivänä. Lopuksi käsitellään COQ eli laatukustannusten teoriaa ja esitellään teoria PAF-analyysille, jota käytetään työssä laatukustannusten vertailuun case esimerkin avulla. Työssä kuvataan CTQ prosessin luominen alusta loppuun ja case esimerkin avulla testataan uutta CTQ prosessia pilottihankkeessa. Tässä case esimerkissä projektin bracket eli johdekiinnitysklipsi tuotetaan uuden laatuprosessin avulla sekä tehdään kustannusvertailu saman projektin toisen bracketin kanssa, joka on tuotettu ennen uuden laatuprosessin implementoimista. Työn lopputuloksena CTQ prosessi saatiin luotua ja sitä pystyttiin testaamaan käytännössä case esimerkin avulla. Tulosten perusteella voidaan sanoa, että CTQ prosessin käyttö vähentää laatukustannuksia huomattavasti ja helpottaa laadunhallintaa C-prosessikomponenttien tuotannossa.

Identification of the main generator source of longitudinal muscle contraction in the earthworm ventral nerve cord

The main generator source of a longitudinal muscle contraction was identified as an M (mechanical-stimulus-sensitive) circuit composed of a presynaptic M-1 neuron and a postsynaptic M-2 neuron in the ventral nerve cord of the earthworm, Amynthas hawayanus, by simultaneous intracellular response recording and Lucifer Yellow-CH injection with two microelectrodes. Five-peaked responses were evoked in both neurons by a mechanical, but not by an electrical, stimulus to the mechanoreceptor in the shaft of a seta at the opposite side of an epidermis-muscle-nerve-cord preparation. This response was correlated to 84% of the amplitude, 73% of the rising rate and 81% of the duration of a longitudinal muscle contraction recorded by a mechano-electrical transducer after eliminating the other possible generator sources by partitioning the epidermis-muscle piece of this preparation. The pre- and postsynaptic relationship between these two neurons was determined by alternately stimulating and recording with two microelectrodes. Images of the Lucifer Yellow-CH-filled M-1 and M-2 neurons showed that both of them are composed of bundles of longitudinal processes situated on the side of the nerve cord opposite to stimulation. The M-1 neuron has an afferent process (A1) in the first nerve at the stimulated side of this preparation and the M-2 neuron has two efferent processes (E1 and E3) in the first and third nerves at the recording side where their effector muscle cell was identified by a third microelectrode.

Hisseissä käytettävän kulmakorin tuotekehitys ja tuotteistaminen

Diplomityö käsittelee hisseissä erikoistapauksessa käytettävän kulmakorin suunnittelua ja tuotteistamista. Työ suoritetaan KONE Oyj:lle. Diplomityössä luotiin kulmakorille modulaarinen tuotearkkitehtuuri ja määritettiin korin toimitusprosessi. Työn tavoitteena oli saavuttaa 48,12% asiakkaiden mahdollisista vaatimuksista ja vähentää suunnitteluun kuluvaa aikaa aikaisemmasta 24 tunnista neljään tuntiin. Työn tavoite saavutettiin kokeneen tapauskohtaisten kulmakorien suunnittelijan kommenttien perusteella. 48,12% asiakasvaatimuksista sisällytettiin tuotemalliin konfigurointimahdollisuuksina. Työn alussa on esitelty tuotesuunnittelua, laadun hallintaa, parametrista mallinnusta, massakustomointia ja tuotetiedon hallintaa. Sen jälkeen on käsitelty kulmakorin tuotteistamisen kannalta kaikki tärkeimmät muuttujat. Tämän jälkeen kulmakorin tuotemalli suunnitellaan ja mallinnetaan systemaattisesti ylhäältä-alas –mallinnustapaa käyttäen ja luodaan osille ja kokoonpanoille valmistuskuvat. Päätyökaluna työssä käytettiin Pro/ENGINEER-ohjelmistoa. Tällä mallinnettiin parametrinen tuotemalli ja rakenteiden lujuustarkastelussa käytettiin ohjelmistoa Ansys. Työn tavoite saavutettiin analysoimalla massakustomoinnin perusteiden olennaisimmat osat ja seuraamalla analyyttistä ja systemaattista tuotekehitysprosessia. Laatua painottaen tuotearkkitehtuuri validoitiin suorittamalla rajoitettu tuotanto, joka sisälsi kolme tuotemallilla konfiguroitua kulmakoria. Yksi koreista testikasattiin Hyvinkään tehtaalla.