Sähkökäyttöisen konejärjestelmän vuorovaikutteinen simulointi

Työn tavoitteena oli toteuttaa simulointimalli, jolla pystytään tutkimaan kestomagnetoidun tahtikoneen aiheuttaman vääntömomenttivärähtelyn vaikutuksia sähkömoottoriin liitetyssä mekaniikassa. Tarkoitus oli lisäksi selvittää kuinka kyseinen simulointimalli voidaan toteuttaa nykyaikaisia simulointiohjelmia käyttäen. Saatujen simulointitulosten oikeellisuus varmistettiin tätä työtä varten rakennetulla verifiointilaitteistolla. Tutkittava rakenne koostui akselista, johon kiinnitettiin epäkeskotanko. Epäkeskotankoon kiinnitettiin massa, jonka sijaintia voitiin muunnella. Massan asemaa muuttamalla saatiin rakenteelle erilaisia ominaistaajuuksia. Epäkeskotanko mallinnettiin joustavana elementtimenetelmää apuna käyttäen. Mekaniikka mallinnettiin dynamiikan simulointiin tarkoitetussa ADAMS –ohjelmistossa, johon joustavana mallinnettu epäkeskotanko tuotiin ANSYS –elementtimenetelmäohjelmasta. Mekaniikan malli siirrettiin SIMULINK –ohjelmistoon, jossa mallinnettiin myös sähkökäyttö. SIMULINK –ohjelmassa mallinnettiin sähkökäyttö, joka kuvaa kestomagnetoitua tahtikonetta. Kestomagnetoidun tahtikoneen yhtälöt perustuvat lineaarisiin differentiaaliyhtälöihin, joihin hammasvääntömomentin vaikutus on lisätty häiriösignaalina. Sähkökäytön malli tuottaa vääntömomenttia, joka syötetään ADAMS –ohjelmistolla mallinnettuun mekaniikkaan. Mekaniikan mallista otetaan roottorin kulmakiihtyvyyden arvo takaisinkytkentänä sähkömoottorin malliin. Näin saadaan aikaiseksi yhdistetty simulointi, joka koostuu sähkötoimilaitekäytöstä ja mekaniikasta. Tulosten perusteella voidaan todeta, että sähkökäyttöjen ja mekaniikan yhdistetty simulointi on mahdollista toteuttaa valituilla menetelmillä. Simuloimalla saadut tulokset vastaavat hyvin mitattuja tuloksia.

The high-speed induction motor: calculating the effects of solid-rotor material on machine characteristics

A method for the analysis of high-speed solid-rotor induction motors in presented. The analysis is based on a new combination of the three dimensional linear method and the transfer matrix method. Both saturation and finite length effects are taken into account. The active region of the solid rotor is divided into saturated and unsaturated parts. The time dependence is assumed to be sinusoidal and phasor quantities are used in the solution. The method is applied to the calculation of smooth solid rotors manufactured of different materials. Six rotor materials are tested: three construction steels, pure iron, a cobaltiron alloy and an aluminium alloy. The results obtained by the method agree fairly well with the measurement quantities.

Cardan Gear Mechanism versus Slider-Crank Mechanism in Pumps and Engines

In machine design we always want to save space, save energy and produce as much power as possible. We can often reduce accelerations, inertial loads and energy consumption by changing construction. In this study the old cardan gear mechanism (hypocycloid mechanism) has been compared with the conventional slider-crank mechanism in air pumps and four-stroke engines. Comprehensive Newtonian dynamics has been derived for the both mechanisms. First the slidercrank and the cardan gear machines have been studied as lossless systems. Then the friction losses have been added to the calculations. The calculation results show that the cardan gear machines can be more efficient than the slider-crank machines. The smooth running, low mass inertia, high pressures and small frictional power losses make the cardan gear machines clearly better than the slider-crank machines. The dynamic tooth loads of the original cardan gear construction do not rise very high when the tooth clearances are kept tight. On the other hand the half-size crank length causes high bearing forces in the cardan gear machines. The friction losses of the cardan gear machines are generally quite small. The mechanical efficiencies are much higher in the cardan gear machines than in the slider-crank machines in normal use. Crankshaft torques and power needs are smaller in the cardan gear air pumps than in the equal slider-crank air pumps. The mean crankshaft torque and the mean output power are higher in the cardan gear four-stroke engines than in the slider-crank four-stroke engines in normal use. The cardan gear mechanism is at its best, when we want to build a pump or an engine with a long connecting rod (≈ 5⋅crank length) and a thin piston (≈ 1.5⋅crank length) rotating at high angular velocity and intermittently high angular acceleration. The cardan gear machines can be designed also as slide constructions without gears. Suitable applications of the cardan gear machines are three-cylinder half-radial engines for motorcycles, sixcylinder radial engines for airplanes and six-cylinder double half-radial engines for sport cars. The applied equations of Newtonian dynamics, comparative calculations, calculation results (tables, curves and surface plots) and recommendations presented in this study hold novelty value and are unpublished before. They have been made and written by the author first time in this study.

Sähköisen liikkeenohjauskäytön mitoitus, käyttöönoton dokumentointi ja pakkauslinjasovellukset

Frequency converters have started to gain new market areas in the field of motion control applications. The communication and control properties of frequency converters have reached the properties of traditional servo amplifiers during the past few years. In this thesis a motion control system was examined. This particular system consists of frequency converters, permanent magnet synchronous motors and linear belt drives. The properties and prerequisites for packing are discussed. A test setup was build and measurement sets were done to examine the performance of the system. Speed and accuracy measurements were done in all three dimensions. Based on the measurement results applicability of the system for packing industry was evaluated.

On the Analysis and Control of a Linear Synchronous Servomotor with a Flexible Load

Industry's growing need for higher productivity is placing new demands on mechanisms connected with electrical motors, because these can easily lead to vibration problems due to fast dynamics. Furthermore, the nonlinear effects caused by a motor frequently reduce servo stability, which diminishes the controller's ability to predict and maintain speed. Hence, the flexibility of a mechanism and its control has become an important area of research. The basic approach in control system engineering is to assume that the mechanism connected to a motor is rigid, so that vibrations in the tool mechanism, reel, gripper or any apparatus connected to the motor are not taken into account. This might reduce the ability of the machine system to carry out its assignment and shorten the lifetime of the equipment. Nonetheless, it is usually more important to know how the mechanism, or in other words the load on the motor, behaves. A nonlinear load control method for a permanent magnet linear synchronous motor is developed and implemented in the thesis. The purpose of the controller is to track a flexible load to the desired velocity reference as fast as possible and without awkward oscillations. The control method is based on an adaptive backstepping algorithm with its stability ensured by the Lyapunov stability theorem. As a reference controller for the backstepping method, a hybrid neural controller is introduced in which the linear motor itself is controlled by a conventional PI velocity controller and the vibration of the associated flexible mechanism is suppressed from an outer control loop using a compensation signal from a multilayer perceptron network. To avoid the local minimum problem entailed in neural networks, the initial weights are searched for offline by means of a differential evolution algorithm. The states of a mechanical system for controllers are estimated using the Kalman filter. The theoretical results obtained from the control design are validated with the lumped mass model for a mechanism. Generalization of the mechanism allows the methods derived here to be widely implemented in machine automation. The control algorithms are first designed in a specially introduced nonlinear simulation model and then implemented in the physical linear motor using a DSP (Digital Signal Processor) application. The measurements prove that both controllers are capable of suppressing vibration, but that the backstepping method is superior to others due to its accuracy of response and stability properties.

Cooperative motion of intrinsic and actuated semiflexible swimmers

We examine the phenomenon of hydrodynamic-induced cooperativity for pairs of flagellated micro-organism swimmers, of which spermatozoa cells are an example. We consider semiflexible swimmers, where inextensible filaments are driven by an internal intrinsic force and torque-free mechanism (intrinsic swimmers). The velocity gain for swimming cooperatively, which depends on both the geometry and the driving, develops as a result of the near-field coupling of bending and hydrodynamic stresses. We identify the regimes where hydrodynamic cooperativity is advantageous and quantify the change in efficiency. When the filaments' axes are parallel, hydrodynamic interaction induces a directional instability that causes semiflexible swimmers that profit from swimming together to move apart from each other. Biologically, this implies that flagella need to select different synchronized collective states and to compensate for directional instabilities (e.g., by binding) in order to profit from swimming together. By analyzing the cooperative motion of pairs of externally actuated filaments, we assess the impact that stress distribution along the filaments has on their collective displacements.

Competitor comparison: variable speed drives in pumping applications

As the world’s energy demand is increasing, a durable solution to control it is to improve the energy efficiency of the processes. It has been estimated that pumping applications have a significant potential for energy savings trough equipment or control system changes. For many pumping application the use of a variable speed drive as a process control element is the most energy efficient solution. The main target of this study is to examine the energy efficiency of a drive system that moves the pump. In a larger scale the purpose of this study is to examine how the different manufacturers’ variable speed drives are functioning as a control device of a pumping process. The idea is to compare the drives from a normal pump user’s point of view. The things that are mattering for the pump user are the efficiency gained in the process and the easiness of the use of the VSD. So some thought is given also on valuating the user-friendliness of the VSDs. The VSDs are compared to each other also on the basis of their life cycle energy costs in different kind of pumping cases. The comparison is made between ACS800 from ABB, VLT AQUA Drive from Danfoss, NX-drive from Vacon and Micromaster 430 from Siemens. The efficiencies are measured in power electronics laboratory in the Lappeenranta University of Technology with a system that consists of a variable speed drive, an induction motor with dc-machine, two power analyzers and a torque transducer. The efficiencies are measured as a function of a load at different frequencies. According to measurement results the differences between the measured system efficiencies on the actual working area of pumping are on average few percent units. When examining efficiencies at the whole range of different loads and frequencies, the differences get bigger. At low frequencies and loads the differences between the most efficient and the least efficient systems are at the most about ten percent units. At the most of the tested points ABB’s drive seem to have slightly better efficiencies than the other drives.

Uusi Mazda2 ja lehdistö

Tämä insinöörityö on tehty Inchcape Motors Finland Oy:lle. Se on useassa maassa toimiva autoalan yritys ja toimii Suomessa muun muassa Mazda-autojen maahantuojana. Työssä selvitetään, miten suomalainen lehdistö on ottanut uuden Mazdan B-segmentin mallin Mazda2:n vastaan ja miten auton liittyvä tiedottaminen on onnistunut. Mazda2 on edistyksellinen auto, koska sen paino on laskenut edelliseen malliin verrattuna. Uudessa mallissa on myös kiinnitetty erityistä huomiota erilaisiin ympäristötekijöihin, kuten kulutukseen ja päästöihin. Ensimmäiseksi työssä tutkitaan uudesta mallista julkaistut tiedotteet ja referoidaan ne. Tämän jälkeen tutkitaan ja referoidaan puolen vuoden ajalta lehdistön kirjoittamat artikkelit. Artikkeleita myös tutkitaan siitä näkökulmasta, onko tiedotteissa ja lanseerauksessa kerrottu haluttu viesti mennyt läpi. Työn lopputuloksena saatiin kattava kuvaus siitä, mihin asioihin lehdistö on kiinnittänyt huomiota ja mitä asioita tiedottamisessa voisi jatkossa parantaa. Tiedottamisen merkitys markkinoinnissa on erittäin suuri ja niillä saatu huomio on edullista esimerkiksi mainontaan verrattuna.

Creativitat i ciència.

El segle XX ha estat un segle de contrastos durant el qual s¿ha produït la més gran contribució del coneixement científic a la solució de problemes de tota la història de la humanitat. Seguint en aquesta línia, la cultura científico-tècnica serà clau al segle XXI, per la qual cosa la capacitat intel·lectual, la imaginació, la invenció i la innovació esdevindran, cada cop més, els eixos motors de la competitivitat dels països. La riquesa de les nacions es basarà en la riquesa de les nocions. La salut intel·lectual i la prosperitat de la nostra nació, i amb ella, el que és més important, el benestar dels seus habitants, dependran de què sapiguem impregnar tots els sectors socials de la cultura de la innovació. I la innovació s'ha d'assolir des del foment sòlid de la creativitat

Energiaa säästävä uusi viemäriveden pumppausteknologia

Pumppaaminen kuluttaa teollisuudessa huomattavan osan energiasta, joten siellä on myös merkittäviä säästömahdollisuuksia. Maailmanlaajuisesti pumppaus kuluttaa noin viidenneksen sähkömoottorien energiantarpeesta, ja tietyillä teollisuudentoimialoilla jopa yli 50%. Jätevedenpumppaus perustuu edelleenkin pääosin 50- ja 60- luvuilla kehitettyyn tekniikkaan, merkittäviä energiansäästöjä on mahdollista saavuttaa suhteellisen pienillä investoinneilla. Työn teoriaosassa käsitellään perusteet jätevedenkäsittelystä, ja viemäriputkiston rakenteesta. Pumppuja, sähkömoottoreita ja taajuusmuuttajia käsitellään laajemmin keskittyen niiden toimintaan ja toimintaa ohjaaviin teorioihin. Empiirisessä osassa tutkitaan uuden teknologian energiansäästöpotentiaalia erilaisilla mittauksilla, sekä mittausten pohjalta tehdyillä case-analyyseillä. Näitä analyysejä varten työn aikana kehiteltiin laskin, jolla voidaan arvioida energian kulutusta tunnetulle pumpulle, kun tiedetään haluttu toimintapiste. Työssä käsitelty uusi teknologia on mahdollisesti merkittävin uudistus viemäriveden pumppausteknologiaan taajuusmuuttajien käyttöönoton jälkeen. Teknologialla päästään eroon imukaivoista liki täysin, ja sitä kautta saadaan paremmin hallittua monia ongelmia kuten hajuhaittoja. Teknologian merkittävin hyöty on kuitenkin energiansäästö. Perinteisessä teknologiassa taajuusmuuttajat ovat olleet kannattavia, mikäli geodeettisen nostokorkeuden osuus on mahdollisimman pieni. Tyypillisessä uuden teknologian sovelluskohteissa geodeettinen nostokorkeus tulee yleensä olemaan pieni, joten uuden teknologian käyttöönoton kannattavuus on näissä kohteissa erityisen hyvä.

Tratamientos ortopodológicos en pacientes que presentan transtornos del equilibrio estático y dinámico.

Centrándonos en la exploración del paciente que ha sufrido o sufre caídas frecuentes, presentamos unas pruebas específicas para valorar el alcance de las alteraciones que provocan pérdidas de equilibrio. Exposición de varios casos clínicos que presentan afecciones podológicas que alteran la estabilidad, y ofreceremos una alternativa de Tratamiento Ortopodológico demostrando su acción en favor del mantenimiento del equilibrio. Conclusiones referidas al diagnóstico y expectativas de Tratamientos Ortopodológicos en los pacientes ancianos.

Effects of modern variable frequency drive on the reliability of an old crane induction motor

The work aims to analyze the possibilities of utilizing old crane driving AC induction motors in modern pulse-width-modulated variable frequency drives. Bearing currents and voltage stresses are the two main problems associated with modern IGBT inverters, and they may cause premature failure of an old induction motor. The origins of these two problems are studied. An analysis of the mechanism of bearing failure is proposed. Certain types of bearing currents are considered in detail. The most effective and economical means are chosen for bearing currents mitigation. Transient phenomena of cables and mechanism of over voltages occurring at motor terminals are studied in the work. The weakest places of the stator winding insulation system are shown and recommendations are given considering the mitigation of voltage stresses. Only the most appropriate and cost effective preventative methods are chosen for old motor drives. Rewinding of old motors is also considered.

Kolmen vapausasteen akseliston ohjaaminen mikroprosessorilla

Diplomityön tavoitteena on tehdä lasertyöasemalle liikkuva kolmen vapausasteen akselisto liikuttamaan laser-laitteiston skanneripäätä. Liikkeen tarkkuus ja tarkka toistettavuus ovat tärkeitä. Moottoreiden liikkeen nopeus sekä kiihdytys- ja jarrutusparametrien täytyy olla määriteltävissä jokaiselle moottorille erikseen. Kolmen vapausasteen akselisto muodostetaan käyttäen kolmea askelmoottoria ja lineaarivaihteistoa. Akselisto liikkuu vaaka-, pysty-, ja syvyyssuunnassa. Työssä kehitetään C-kielinen ohjelma käytettävälle prosessorille ja suunnitellaan ohjainkortti lopullista prototyyppiä varten. Moottoreiden ohjaus ja hallinta toteutetaan AT91S256-prosessorilla, jota ohjataan tietokoneen avulla RS-232 -väylää käyttäen. Vaatimuksena on myös mahdollisuus ohjata askelmoottorin sijasta servomoottoreita samalla ohjelmalla. Tietokoneen käyttöliittymä suunnitellaan erikseen.

Manipulador robótico con visión artificial

En los tiempos que corren la robótica forma uno de los pilares más importantes en la industria y una gran noticia para los ingenieros es la referente a las ventas de estos, ya que en 2013, unos 179.000 robots industriales se vendieron en todo el mundo, de nuevo un máximo histórico y un 12% más que en 2012 según datos de la IFR (International Federation of Robotics). Junto a esta noticia, la robótica colaborativa entra en juego en el momento que los robots y los seres humanos deben compartir el lugar de trabajo sin que nos veamos excluidos por las maquinas, por lo tanto lo que se intenta es que los robots mejoren la calidad del trabajo al hacerse cargo de los trabajos peligrosos, tediosos y sucios que no son posibles o seguros para los seres humanos. Otro concepto muy importante y directamente relacionado con lo anterior que está muy en boga y se escucha desde hace relativamente poco tiempo es el de la fabrica del futuro o “Factory Of The Future” la cual intenta que los operarios y los robots encuentren la sintonía en el entorno laboral y que los robots se consideren como maquinaria colaborativa y no como sustitutiva, considerándose como uno de los grandes nichos productivos en plena expansión. Dejando a un lado estos conceptos técnicos que nunca debemos olvidar si nuestra carrera profesional va enfocada en este ámbito industrial, el tema central de este proyecto está basado, como no podía ser de otro modo, en la robótica, que junto con la visión artificial, el resultado de esta fusión, ha dado un manipulador robótico al que se le ha dotado de cierta “inteligencia”. Se ha planteado un sencillo pero posible proceso de producción el cual es capaz de almacenar piezas de diferente forma y color de una forma autónoma solamente guiado por la imagen capturada con una webcam integrada en el equipo. El sistema consiste en una estructura soporte delimitada por una zona de trabajo en la cual se superponen unas piezas diseñadas al efecto las cuales deben ser almacenadas en su lugar correspondiente por el manipulador robótico. Dicho manipulador de cinemática paralela está basado en la tecnología de cables, comandado por cuatro motores que le dan tres grados de libertad (±X, ±Y, ±Z) donde el efector se encuentra suspendido sobre la zona de trabajo moviéndose de forma que es capaz de identificar las características de las piezas en situación, color y forma para ser almacenadas de una forma ordenada según unas premisas iníciales.

Literature review on permanent magnet generators design and dynamic behavior

This paper is a literature review which describes the construction of state of the art of permanent magnet generators and motors constructing and discusses the current and possible application of these machines in industry. Permanent magnet machines are a well-know class of rotating and linear electric machines used for many years in industrial applications. A particular interest for permanent magnet generators is connected with wind mills, which seem to be becoming increasingly popular nowadays. Geared and direct-driven permanent magnet generators are described. A classification of direct-driven permanent magnet generators is given. Design aspects of permanent magnet generators are presented. Permanent magnet generators for wind turbines designs are highlighted. Dynamics and vibration problems of permanent magnet generators covered in literature are presented. The application of the Finite Element Method for mechanical problems solution in the field of permanent magnet generators is discussed.