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.

AGRICULTURAL MACHINERY AND IMPLEMENTS DESIGN PROCESS: GUIDELINES FOR SMALL AND MID-SIZED BUSINESSES

ABSTRACT This study aims at presenting the process of machine design and agricultural implements by means of a reference model, formulated with the purpose of explaining the development activities of new products, serving as a guideline to coach human resources and to assist in formalizing the process in small and medium-sized businesses (SMB), i.e. up to 500 employees. The methodology used included the process modeling, carried out from case studies in the SMB, and the study of reference models in literature. The modeling formalism used was based on the IDEF0 standard, which identifies the dimensions required for the model detailing: input information; activities; tasks; knowledge domains; mechanisms; controls and information produced. These dimensions were organized in spreadsheets and graphs. As a result, a reference model with 27 activities and 71 tasks was obtained, distributed over four phases of the design process. The evaluation of the model was carried out by the companies participating in the case studies and by experts, who concluded that the model explains the actions needed to develop new products in SMB.

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.

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.

Pintamagneettikoneen magneetin asennustavan ja -työkalun kehittäminen

Työn tavoitteena oli kehitellä uusia ratkaisuita pintamagneettikoneen magneetin asennustapaan ja -työkaluun generaattoreita valmistavalle The Switch Drive Systems:lle. Asiaa lähdettiin lähestymään tekemällä alussa töitä magneetin asennustehtävissä. Tämän jälkeen aloitettiin suunnitteluprosessi, jossa sovellettiin järjestelmällistä koneensuunnittelua sekä konseptisuunnittelua. Työn tulokseksi saatiin useita eri periaatteilla toimivia magneetinasennustyökaluideoita, joiden avulla voidaan tulevaisuudessa siirtyä jatkosuunnitteluun ja työkalun valmistukseen.

Kevyen istutuskoneen suunnittelu puuntaimille

Työssä pyritään suunnittelemaan kevyempi versio jo olemassa olevasta puuntaimien istutuslaitteesta. Työ koostuu kahdesta osasta. Ensimmäisessä teoria osuudessa käydään läpi mekatronisen koneen suunnittelussa huomioitavia seikkoja ja järjestelmällistä tuotekehitysprosessia yleisesti. Toisessa osassa esitellään nykyisten istutuslaitteiden kehityshistoriaa ja nykyisin koneellisessa metsänistutuksessa käytössä olevia laitteita. Loppuratkaisujen aikaan saamisessa pyritään QFD-menetelmää käyttämällä saamaan aikaan kevyen istutuskoneen vaatimusprofiili ja profiilissa ilmi tulleiden vaatimusten ja toiveiden pohjalta kehitettiin ratkaisuja joilla perinteistä koneellista istutus toimintaa voidaan uudistaa. Materiaalinvalinnan avulla optimoitiin kevyttä istutuskonetta pyrkimällä löytämään ympäristöystävälliset materiaalit jotka ovat tuotteen elinkaarta kokonaisuutena ajatellen parhaat mahdolliset. Työssä saatiin aikaan malli jolla on mahdollista jatkokehittelyn jälkeen ja kunnolla tuotteistettuna edistää koneellisen metsänistutuksen yleistymistä. Työn aikana huomattiin, että suurimmat esteet metsän istutuksen koneellistumiselle ovat nykyisten koneiden korkeat hankinta- ja käyttökustannukset sekä koneiden käyttämisen vaatima ammattitaito. Kustannuksia alentamalla ja käyttökynnystä madaltamalla voi edistää koneellisen metsänistutuksen yleistymistä tehostamisen rinnalla.

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.

Replacing Copper with New Carbon Nanomaterials in Electrical Machine Windings

Electrical machines have significant improvement potential. Nevertheless, the field is characterized by incremental innovations. Admittedly, steady improvement has been achieved, but no breakthrough development. Radical development in the field would require the introduction of new elements, such that may change the whole electrical machine industry system. Recent technological advancements in nanomaterials have opened up new horizons for the macroscopic application of carbon nanotube (CNT) fibres. With values of 100 MS/m measured on individual CNTs, CNT fibre materials hold promise for conductivities far beyond those of metals. Highly conductive, lightweight and strong CNT yarn is finally within reach; it could replace copper as a potentially better winding material. Although not yet providing low resistivity, the newest CNT yarn offers attractive perspectives for accelerated efficiency improvement of electrical machines. In this article, the potential for using new CNT materials to replace copper in machine windings is introduced. It does so, firstly, by describing the environment for a change that could revolutionize the industry and, secondly, by presenting the breakthrough results of a prototype construction. In the test motor, which is to our knowledge the first in its kind, the presently most electrically conductive carbon nanotube yarn replaces usual copper in the windings.

Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.

Conceptual design of wastewater treatment plants using multiple objectives

La implementació de la Directiva Europea 91/271/CEE referent a tractament d'aigües residuals urbanes va promoure la construcció de noves instal·lacions al mateix temps que la introducció de noves tecnologies per tractar nutrients en àrees designades com a sensibles. Tant el disseny d'aquestes noves infraestructures com el redisseny de les ja existents es va portar a terme a partir d'aproximacions basades fonamentalment en objectius econòmics degut a la necessitat d'acabar les obres en un període de temps relativament curt. Aquests estudis estaven basats en coneixement heurístic o correlacions numèriques provinents de models determinístics simplificats. Així doncs, moltes de les estacions depuradores d'aigües residuals (EDARs) resultants van estar caracteritzades per una manca de robustesa i flexibilitat, poca controlabilitat, amb freqüents problemes microbiològics de separació de sòlids en el decantador secundari, elevats costos d'operació i eliminació parcial de nutrients allunyant-les de l'òptim de funcionament. Molts d'aquestes problemes van sorgir degut a un disseny inadequat, de manera que la comunitat científica es va adonar de la importància de les etapes inicials de disseny conceptual. Precisament per aquesta raó, els mètodes tradicionals de disseny han d'evolucionar cap a sistemes d'avaluació mes complexos, que tinguin en compte múltiples objectius, assegurant així un millor funcionament de la planta. Tot i la importància del disseny conceptual tenint en compte múltiples objectius, encara hi ha un buit important en la literatura científica tractant aquest camp d'investigació. L'objectiu que persegueix aquesta tesi és el de desenvolupar un mètode de disseny conceptual d'EDARs considerant múltiples objectius, de manera que serveixi d'eina de suport a la presa de decisions al seleccionar la millor alternativa entre diferents opcions de disseny. Aquest treball de recerca contribueix amb un mètode de disseny modular i evolutiu que combina diferent tècniques com: el procés de decisió jeràrquic, anàlisi multicriteri, optimació preliminar multiobjectiu basada en anàlisi de sensibilitat, tècniques d'extracció de coneixement i mineria de dades, anàlisi multivariant i anàlisi d'incertesa a partir de simulacions de Monte Carlo. Això s'ha aconseguit subdividint el mètode de disseny desenvolupat en aquesta tesis en quatre blocs principals: (1) generació jeràrquica i anàlisi multicriteri d'alternatives, (2) anàlisi de decisions crítiques, (3) anàlisi multivariant i (4) anàlisi d'incertesa. El primer dels blocs combina un procés de decisió jeràrquic amb anàlisi multicriteri. El procés de decisió jeràrquic subdivideix el disseny conceptual en una sèrie de qüestions mes fàcilment analitzables i avaluables mentre que l'anàlisi multicriteri permet la consideració de diferent objectius al mateix temps. D'aquesta manera es redueix el nombre d'alternatives a avaluar i fa que el futur disseny i operació de la planta estigui influenciat per aspectes ambientals, econòmics, tècnics i legals. Finalment aquest bloc inclou una anàlisi de sensibilitat dels pesos que proporciona informació de com varien les diferents alternatives al mateix temps que canvia la importància relativa del objectius de disseny. El segon bloc engloba tècniques d'anàlisi de sensibilitat, optimització preliminar multiobjectiu i extracció de coneixement per donar suport al disseny conceptual d'EDAR, seleccionant la millor alternativa un cop s'han identificat decisions crítiques. Les decisions crítiques són aquelles en les que s'ha de seleccionar entre alternatives que compleixen de forma similar els objectius de disseny però amb diferents implicacions pel que respecte a la futura estructura i operació de la planta. Aquest tipus d'anàlisi proporciona una visió més àmplia de l'espai de disseny i permet identificar direccions desitjables (o indesitjables) cap on el procés de disseny pot derivar. El tercer bloc de la tesi proporciona l'anàlisi multivariant de les matrius multicriteri obtingudes durant l'avaluació de les alternatives de disseny. Específicament, les tècniques utilitzades en aquest treball de recerca engloben: 1) anàlisi de conglomerats, 2) anàlisi de components principals/anàlisi factorial i 3) anàlisi discriminant. Com a resultat és possible un millor accés a les dades per realitzar la selecció de les alternatives, proporcionant més informació per a una avaluació mes efectiva, i finalment incrementant el coneixement del procés d'avaluació de les alternatives de disseny generades. En el quart i últim bloc desenvolupat en aquesta tesi, les diferents alternatives de disseny són avaluades amb incertesa. L'objectiu d'aquest bloc és el d'estudiar el canvi en la presa de decisions quan una alternativa és avaluada incloent o no incertesa en els paràmetres dels models que descriuen el seu comportament. La incertesa en el paràmetres del model s'introdueix a partir de funcions de probabilitat. Desprès es porten a terme simulacions Monte Carlo, on d'aquestes distribucions se n'extrauen números aleatoris que es subsisteixen pels paràmetres del model i permeten estudiar com la incertesa es propaga a través del model. Així és possible analitzar la variació en l'acompliment global dels objectius de disseny per a cada una de les alternatives, quines són les contribucions en aquesta variació que hi tenen els aspectes ambientals, legals, econòmics i tècnics, i finalment el canvi en la selecció d'alternatives quan hi ha una variació de la importància relativa dels objectius de disseny. En comparació amb les aproximacions tradicionals de disseny, el mètode desenvolupat en aquesta tesi adreça problemes de disseny/redisseny tenint en compte múltiples objectius i múltiples criteris. Al mateix temps, el procés de presa de decisions mostra de forma objectiva, transparent i sistemàtica el perquè una alternativa és seleccionada en front de les altres, proporcionant l'opció que més bé acompleix els objectius marcats, mostrant els punts forts i febles, les principals correlacions entre objectius i alternatives, i finalment tenint en compte la possible incertesa inherent en els paràmetres del model que es fan servir durant les anàlisis. Les possibilitats del mètode desenvolupat es demostren en aquesta tesi a partir de diferents casos d'estudi: selecció del tipus d'eliminació biològica de nitrogen (cas d'estudi # 1), optimització d'una estratègia de control (cas d'estudi # 2), redisseny d'una planta per aconseguir eliminació simultània de carboni, nitrogen i fòsfor (cas d'estudi # 3) i finalment anàlisi d'estratègies control a nivell de planta (casos d'estudi # 4 i # 5).

Design of a state observer using decay rate LMI constraints for fault detection in mechanical systems

Nowadays, one of the most important concerns for many companies is to maintain the operation of their systems without sudden equipment break down. Because of this, new techniques for fault detection and location in mechanical systems subject to dynamic loads have been developed. This paper studies of the influence of the decay rate in the design of state observers using LMI for fault detection in mechanical systems. This influence is analyzed by the performance index proposed by Huh and Stein for the condition of a state observer. An example is presented to illustrate the methodology discussed.

Use of myoelectric signals to command mobile entertainment robot by disabled children: Design and control architecture

Severely disabled children have little chance of environmental and social exploration and discovery. This lack of interaction and independency may lead to an idea that they are unable to do anything by themselves. In an attempt to help children in this situation, educational robotics can offer and aid, once it can provide them a certain degree of independency in the exploration of environment. The system developed in this work allows the child to transmit the commands to a robot through myoelectric and movement sensors. The sensors are placed on the child's body so they can obtain information from the body inclination and muscle contraction, thus allowing commanding, through a wireless communication, the mobile entertainment robot to carry out tasks such as play with objects and draw. In this paper, the details of the robot design and control architecture are presented and discussed. With this system, disabled children get a better cognitive development and social interaction, balancing in a certain way, the negative effects of their disabilities. © 2012 IEEE.