Laakerivirrat kestomagneettitahtikoneissa

Diplomityössä on esitelty ja tutkittu laakerivirtailmiötä sähkökoneissa. Työn pääpaino on suurissa kestomagneettitahtikoneissa, joissa niin sanotut kiertävät laakerivirrat ovat dominoivia. Työssä on lisäksi tarkasteltu staattorin segmentoinnin aiheuttamia matalataajuisia kiertovirtoja. Laakerivirran ja akselijännitteen ehkäisyyn on esitetty sekä testattu mahdollisia ratkaisuja.

Hitsauskoneen kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen

Teollisuuden kasvavien laatuvaatimusten johdosta valmistava teollisuus joutuu tiukentamaan laatuvaatimuksiaan täyttääkseen asiakasvaatimukset. Laatujärjestelmät asettavat valmistajille erilaisia vaatimuksia, kuten valmistuksessa käytettävien laitteistojen huoltodokumentaatioiden tuottaminen. Standardi SFS-EN ISO 3834-2 Metallien sulahitsauksen laatuvaatimukset: Kattavat laatuvaatimukset tuo edellä mainitut vaatimukset myös hitsaustuotantoon. Ennakoivaa kunnossapitoa käytetään monilla teollisuuden aloilla, koska tuotannon yllättävät keskeytymiset halutaan ennaltaehkäistä. Käsinhitsaukseen ei ole ollut toistaiseksi työkaluja, jotka mahdollistaisivat ennakoivan kunnossapidon hitsauskoneille. Kemppi Oy kehittää hitsauksen monitorointiratkaisua, jonka yhtenä päämääränä on kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen hitsauslaitteistolle. Järjestelmä ottaa huomioon myös laatujärjestelmien asettamat vaatimukset hitsauskoneiden huoltodokumentaation tuottamisesta. Diplomityön tavoitteena oli tehdä vaatimusmäärittely hitsauskoneiden kunnonvalvontajärjestelmälle. Tässä diplomityössä perehdyttiin kunnossapidon ja vikaantumisen lajeihin, laatujärjestelmiin sekä hitsauslaitteistoon. Tutkimuksessa syvennyttiin hitsauskoneiden kunnossapidon ja vikaantumistapauksien kautta suunnitteilla olevan järjestelmän tarpeisiin. Haastatteluiden avulla kartoitettiin hitsauslaitteiden kunnonvalvontajärjestelmältä vaadittavia piirteitä, järjestelmälle asetettavia vaatimuksia sekä järjestelmän monitorointikohteita. Tutkimuksen pohjalta laadittuun vaatimusmäärittelyyn saatiin muodostettua toiminnalliset vaatimukset, joista muodostetaan tuotekehityksen aikana tuotteen ominaisuudet. Lisäksi vaatimusmäärittelyyn luotiin käyttäjäryhmät, käyttötapaukset sekä alustavat monitorointikohteet. Vaatimusten täyttämiseksi kunnonvalvontajärjestelmään on suunnitteilla myös laitetietokanta, johon sisällytetään hitsauslaitteille suoritettujen huoltojen ja validointien tiedot. Varsinaisen tuotekehitystyön alkaessa nyt laadittua vaatimusmäärittelyä tullaan käyttämään suuntaviivojen näyttäjänä projektissa.

Luistonestojärjestelmän ja elektronisen tasauspyörästön suunnittelu ja implementointi hybridityökoneympäristöön

Ympäristörasituksen vähentäminen, tiukkenevat päästörajat ja ehtyvät öljyvarat ovat ajaneet kulkuvälineteollisuuden hakemaan uusia vaihtoehtoja ajoneuvojen energiatehokkuuden kehittämiseksi. Hybriditeknologia tarjoaa ratkaisuja kustannustehokkuuden ja ympäristöystävällisyyden parantamiseksi. Hybriditeknologian yleistyessä myös työkoneympäristössä saadaan paitsi kehitettyä energiatehokkaampia ja pienemmillä käyttökustannuksilla olevia työkoneita, niin myös tuotua siviiliajoneuvoista tuttuja turvallisuusominaisuuksia työkoneympäristöön. Perinteisten diesel-moottorien korvaaminen nopeavasteisilla ja tarkasti säädettävillä sähkömoottoreilla tarjoaa mahdollisuuksia toteuttaa tarkempia ja monipuolisempia säätöjärjestelmiä kuin perinteisessä ympäristössä. Tässä diplomityössä suunnitellaan luistonestojärjestelmä ja elektroninen tasauspyörästö hybridityökoneympäristöön. Järjestelmä voi käyttökohteesta riippuen pienentää huomattavasti käyttökustannuksia ja mahdollistaa uusien sovellusten tuomista markkinoille, kuten esimerkiksi kääntymisen avustaminen differentiaalisella ohjauksella.

Broadband excitation in the system identification of active magnetic bearing rotor systems

One of the targets of the climate and energy package of the European Union is to increase the energy efficiency in order to achieve a 20 percent reduction in primary energy use compared with the projected level by 2020. The energy efficiency can be improved for example by increasing the rotational speed of large electrical drives, because this enables the elimination of gearboxes leading to a compact design with lower losses. The rotational speeds of traditional bearings, such as roller bearings, are limited by mechanical friction. Active magnetic bearings (AMBs), on the other hand, allow very high rotational speeds. Consequently, their use in large medium- and high-speed machines has rapidly increased. An active magnetic bearing rotor system is an inherently unstable, nonlinear multiple-input, multiple-output system. Model-based controller design of AMBs requires an accurate system model. Finite element modeling (FEM) together with the experimental modal analysis provides a very accurate model for the rotor, and a linearized model of the magneticactuators has proven to work well in normal conditions. However, the overall system may suffer from unmodeled dynamics, such as dynamics of foundation or shrink fits. This dynamics can be modeled by system identification. System identification can also be used for on-line diagnostics. In this study, broadband excitation signals are adopted to the identification of an active magnetic bearing rotor system. The broadband excitation enables faster frequency response function measurements when compared with the widely used stepped sine and swept sine excitations. Different broadband excitations are reviewed, and the random phase multisine excitation is chosen for further study. The measurement times using the multisine excitation and the stepped sine excitation are compared. An excitation signal design with an analysis of the harmonics produced by the nonlinear system is presented. The suitability of different frequency response function estimators for an AMB rotor system are also compared. Additionally, analytical modeling of an AMB rotor system, obtaining a parametric model from the nonparametric frequency response functions, and model updating are discussed in brief, as they are key elements in the modeling for a control design. Theoretical methods are tested with a laboratory test rig. The results conclude that an appropriately designed random phase multisine excitation is suitable for the identification of AMB rotor systems.

Design Aspects of Megawatt-Range Direct-Driven Permanent MagnetWind Generators

Direct-driven permanent magnet synchronous generator is one of the most promising topologies for megawatt-range wind power applications. The rotational speed of the direct-driven generator is very low compared with the traditional electrical machines. The low rotational speed requires high torque to produce megawatt-range power. The special features of the direct-driven generators caused by the low speed and high torque are discussed in this doctoral thesis. Low speed and high torque set high demands on the torque quality. The cogging torque and the load torque ripple must be as low as possible to prevent mechanical failures. In this doctoral thesis, various methods to improve the torque quality are compared with each other. The rotor surface shaping, magnet skew, magnet shaping, and the asymmetrical placement of magnets and stator slots are studied not only by means of torque quality, but also the effects on the electromagnetic performance and manufacturability of the machine are discussed. The heat transfer of the direct-driven generator must be designed to handle the copper losses of the stator winding carrying high current density and to keep the temperature of the magnets low enough. The cooling system of the direct-driven generator applying the doubly radial air cooling with numerous radial cooling ducts was modeled with a lumped-parameter-based thermal network. The performance of the cooling system was discussed during the steady and transient states. The effect of the number and width of radial cooling ducts was explored. The large number of radial cooling ducts drastically increases the impact of the stack end area effects, because the stator stack consists of numerous substacks. The effects of the radial cooling ducts on the effective axial length of the machine were studied by analyzing the crosssection of the machine in the axial direction. The method to compensate the magnet end area leakage was considered. The effect of the cooling ducts and the stack end area effects on the no-load voltages and inductances of the machine were explored by using numerical analysis tools based on the three-dimensional finite element method. The electrical efficiency of the permanent magnet machine with different control methods was estimated analytically over the whole speed and torque range. The electrical efficiencies achieved with the most common control methods were compared with each other. The stator voltage increase caused by the armature reaction was analyzed. The effect of inductance saturation as a function of load current was implemented to the analytical efficiency calculation.

Kernel-Based Ranking. Methods for Learning and Performance Estimation

Machine learning provides tools for automated construction of predictive models in data intensive areas of engineering and science. The family of regularized kernel methods have in the recent years become one of the mainstream approaches to machine learning, due to a number of advantages the methods share. The approach provides theoretically well-founded solutions to the problems of under- and overfitting, allows learning from structured data, and has been empirically demonstrated to yield high predictive performance on a wide range of application domains. Historically, the problems of classification and regression have gained the majority of attention in the field. In this thesis we focus on another type of learning problem, that of learning to rank. In learning to rank, the aim is from a set of past observations to learn a ranking function that can order new objects according to how well they match some underlying criterion of goodness. As an important special case of the setting, we can recover the bipartite ranking problem, corresponding to maximizing the area under the ROC curve (AUC) in binary classification. Ranking applications appear in a large variety of settings, examples encountered in this thesis include document retrieval in web search, recommender systems, information extraction and automated parsing of natural language. We consider the pairwise approach to learning to rank, where ranking models are learned by minimizing the expected probability of ranking any two randomly drawn test examples incorrectly. The development of computationally efficient kernel methods, based on this approach, has in the past proven to be challenging. Moreover, it is not clear what techniques for estimating the predictive performance of learned models are the most reliable in the ranking setting, and how the techniques can be implemented efficiently. The contributions of this thesis are as follows. First, we develop RankRLS, a computationally efficient kernel method for learning to rank, that is based on minimizing a regularized pairwise least-squares loss. In addition to training methods, we introduce a variety of algorithms for tasks such as model selection, multi-output learning, and cross-validation, based on computational shortcuts from matrix algebra. Second, we improve the fastest known training method for the linear version of the RankSVM algorithm, which is one of the most well established methods for learning to rank. Third, we study the combination of the empirical kernel map and reduced set approximation, which allows the large-scale training of kernel machines using linear solvers, and propose computationally efficient solutions to cross-validation when using the approach. Next, we explore the problem of reliable cross-validation when using AUC as a performance criterion, through an extensive simulation study. We demonstrate that the proposed leave-pair-out cross-validation approach leads to more reliable performance estimation than commonly used alternative approaches. Finally, we present a case study on applying machine learning to information extraction from biomedical literature, which combines several of the approaches considered in the thesis. The thesis is divided into two parts. Part I provides the background for the research work and summarizes the most central results, Part II consists of the five original research articles that are the main contribution of this thesis.

Paperikoneen toimituskonseptin muutos strategisena kilpailutekijänä

2000-luvulla paperikoneiden kustannuskilpailukykyä on parannettu jatkuvasti, mutta se ei ole ollut riittävää. Tarve muutoksiin havaitaan kilpailukyvyn puutteena vuosina 2007–2008. Eräänä hankkeena on paperikoneen suunnitteleminen ja valmistaminen kopiokonseptikoneena, jossa toimitusmoduulina on paperikone perälaatikolta rullaimelle. Moduulikonsepti on toimintatapa, jossa paperikone tuotteistetaan rakenneryhmien ja laitteiden osalta tietyn ominaisuuden mukaan koko paperikonelinjassa. Paperikone rakentuisi sovituista moduulipalikoista. Moduulikonseptitavassa paperikone suunnitellaan ja toteutetaan aina malliaineiston pohjalta kaikissa rakenneryhmissä. Työssä on tarkoitus vertailla kopiokonsepti- ja moduulikonseptimallia. Kaksi tutkimustyön pääkysymystä käsittelee ulkoista kilpailukykyä ja yrityksen sisäistä tehokkuutta valmistaa paperi- ja kartonkikoneita kopiokonsepti- tai moduulikonseptimallilla näkökulmana pitkäaikainen kilpailuetu. Tutkimustulokset selvitettiin Kamenskyn kehittämällä yrityksen strategisen arkkitehtuurin mallilla. Sisäiset ja ulkoiset toiminnot analysoitiin. Ulkoisen ja sisäisen analyysin pohjalta muodostettiin yhdistetty näkemys, synteesianalyysi, joka vastaa työn tavoitteisiin, kahteen pääkysymykseen sekä alakysymyksiin. Kopiokonsepti ei ole ratkaisu pitkäaikaiseen kilpailukykyyn, koska jokainen paperilaji ja konekoko tarvitsevat oman kopiomallinsa. Nykyiset henkilöresurssit eivät tule riittämään näihin koneisiin tarvittavien dokumenttien luomiseen ja ylläpitoon. Suunnittelun perustehtävä muuttuisi projektisuunnittelusta kopiomallien suunnitteluksi. Moduulikonseptilla saavutetaan kaikki ne edut, joita kopiokonseptilla on tavoiteltu, mukaan lukien nimikkeiden uudelleenkäyttö. Moduulikonseptilla voidaan toteuttaa kaikki nykyiset ja tulevat paperikoneet ja paperilajit. Vuosittain saatavissa oleva määrä on 1,5–2,5 kopiokonseptipaperikonetta. Moduulikonseptimallia on saatavissa sama määrä.

Evaluation of alternative containers to determining the working width of fertilizer spreaders

Farmers have difficult of determining the evenness of transverse distribution and the working width, due the tests with this aim require equipments and complex methodologies. So, this study evaluates some alternative containers with the aim to allow a more accessible adjustment of the full width of the solid fertilizer spreaders. Four different containers were tested: i) standard container constructed in accordance with ISO 5690/1; ii) container of polyethylene (plastic trays) with screen shading to prevent the ricochet of material; iii) containers composed by boxes of long-life milk, and iv) containers composed by flowerpots (number 3.5). Also, three different spreaders were used for the tests. Alternative containers showed greater retention of particles than the standardized containers. The full width of work obtained for the coefficients of variation of 12.5; 15; 17.5 and 20%, ranged due the containers in the different pathways. The flowerpots of polyethylene showed similar results to the standardized containers. The heights of the containers were more important for its efficiency than its area of collection.

Seeder-fertilizer machine: energetic demand as a function of vegetal covering handling and manure deposition shank depth in no-tillage system

The purpose of this work was evaluating the energetic demand of a seeder-fertilizer machine as a function of the type and handling of vegetal covering culture and of the fertilizer deposition shank depth. A Valtra BM100 tractor was used implemented to pull a high precision seeder-fertilizer machine with four ranks of seeding, spaced 0.9 m for maize culture. Experiment was conducted with design in randomized blocks in factorial plots, in the Laboratory of Machines and Agricultural Mechanization experimental area (LAMMA) of UNESP-Jaboticabal, using two covering cultures (black-mucuna and crotalaria), three handlings of this covering, two mechanical (straw crusher and roller knife) and one chemical (pulverization of herbicide), performed 120 days after seeding of covering cultures and three depths of fertilizer deposition shank, completing 18 treatments, with four repetitions, totaling 72 observations. Parameters of displacement speed, gliding, force on traction bar, peak force, power on pulling bar and fuel consumption were evaluated. It was possible to conclude that force on traction bar was less for depths of 0.11 and 0.14 m of fertilizer plough shank, the same occurring for peak force, power on traction bar and volumetric consumption. The specific consumption was lower at a depth of 0.17 m of fertilizer plough shank. Covering cultures and their handlings did not interfere in the performance of machines under inquiry.

Evaluation of five sugar cane planters

Brazil is the world biggest producer of sugar cane with an area of 7x10(6) hectares. Mainly the system used for planting is the semi-mechanized one, which consists in opening the furrows with a machine, manually allocating the fractioned stalks and then covering the furrows done by the machines. The great amount of human labor used in the semi-mechanized system is becoming harder to find and also more expensive, indicating the need of a fully mechanized operation. Currently in Brazil these agriculture machines industries offers six different types of fully mechanized sugar cane planters (two types of whole stalks for planting and four using mechanized harvested stalks known as billets). All of them plant in two furrows simultaneously in 1.5 m row spacing. This study analyzed five different machines and the following variables: Working Speed (km h-1); Effective Capacity (ha h-1), Drawbar Force (kgf), Draw Bar Power (in HP), Fuel Consumption (L h-1) and Costs (US$ ha-1) comparing them with the semi-mechanized system. This research also characterized the stalks for planting as viable gems number (%), non viable gems number (%) and billet length (m). And lastly the mechanized planting system is cheaper than the conventional one and none of the machines has an adequate mechanism for placing the right amount of sugar cane seed.

Computational methods for tactical simulations

Tämä taktiikan tutkimus keskittyy tietokoneavusteisen simuloinnin laskennallisiin menetelmiin, joita voidaan käyttää taktisen tason sotapeleissä. Työn tärkeimmät tuotokset ovat laskennalliset mallit todennäköisyyspohjaisen analyysin mahdollistaviin taktisen tason taistelusimulaattoreihin, joita voidaan käyttää vertailevaan analyysiin joukkue-prikaatitason tarkastelutilanteissa. Laskentamallit keskittyvät vaikuttamiseen. Mallit liittyvät vahingoittavan osuman todennäköisyyteen, jonka perusteella vaikutus joukossa on mallinnettu tilakoneina ja Markovin ketjuina. Edelleen näiden tulokset siirretään tapahtumapuuanalyysiin operaation onnistumisen todennäköisyyden osalta. Pienimmän laskentayksikön mallinnustaso on joukkue- tai ryhmätasolla, jotta laskenta-aika prikaatitason sotapelitarkasteluissa pysyisi riittävän lyhyenä samalla, kun tulokset ovat riittävän tarkkoja suomalaiseen maastoon. Joukkueiden mies- ja asejärjestelmävahvuudet ovat jakaumamuodossa, eivätkä yksittäisiä lukuja. Simuloinnin integroinnissa voidaan käyttää asejärjestelmäkohtaisia predictor corrector –parametreja, mikä mahdollistaa aika-askelta lyhytaikaisempien taistelukentän ilmiöiden mallintamisen. Asemallien pohjana ovat aiemmat tutkimukset ja kenttäkokeet, joista osa kuuluu tähän väitöstutkimukseen. Laskentamallien ohjelmoitavuus ja käytettävyys osana simulointityökalua on osoitettu tekijän johtaman tutkijaryhmän ohjelmoiman ”Sandis”- taistelusimulointiohjelmiston avulla, jota on kehitetty ja käytetty Puolustusvoimien Teknillisessä Tutkimuslaitoksessa. Sandikseen on ohjelmoitu karttakäyttöliittymä ja taistelun kulkua simuloivia laskennallisia malleja. Käyttäjä tai käyttäjäryhmä tekee taktiset päätökset ja syöttää nämä karttakäyttöliittymän avulla simulointiin, jonka tuloksena saadaan kunkin joukkuetason peliyksikön tappioiden jakauma, keskimääräisten tappioiden osalta kunkin asejärjestelmän aiheuttamat tappiot kuhunkin maaliin, ammuskulutus ja radioyhteydet ja niiden tila sekä haavoittuneiden evakuointi-tilanne joukkuetasolta evakuointisairaalaan asti. Tutkimuksen keskeisiä tuloksia (kontribuutio) ovat 1) uusi prikaatitason sotapelitilanteiden laskentamalli, jonka pienin yksikkö on joukkue tai ryhmä; 2) joukon murtumispisteen määritys tappioiden ja haavoittuneiden evakuointiin sitoutuvien taistelijoiden avulla; 3) todennäköisyyspohjaisen riskianalyysin käyttömahdollisuus vertailevassa tutkimuksessa sekä 4) kokeellisesti testatut tulen vaikutusmallit ja 5) toimivat integrointiratkaisut. Työ rajataan maavoimien taistelun joukkuetason todennäköisyysjakaumat luovaan laskentamalliin, kenttälääkinnän malliin ja epäsuoran tulen malliin integrointimenetelmineen sekä niiden antamien tulosten sovellettavuuteen. Ilmasta ja mereltä maahan -asevaikutusta voidaan tarkastella, mutta ei ilma- ja meritaistelua. Menetelmiä soveltavan Sandis -ohjelmiston malleja, käyttötapaa ja ohjelmistotekniikkaa kehitetään edelleen. Merkittäviä jatkotutkimuskohteita mallinnukseen osalta ovat muun muassa kaupunkitaistelu, vaunujen kaksintaistelu ja maaston vaikutus tykistön tuleen sekä materiaalikulutuksen arviointi.

Periodic inspection of sprayers: diagnostic to the northern of Paraná

To optimize the use of pesticides, several countries have carried out periodic inspections in agricultural sprayers. In Brazil, knowing the conditions of this machinery canguide researches and investments in guidelines for its use and maintenance. The objective of this study was to verify the state of sprayer maintenance used in the North of the state of Paraná, in Brazil. Several sprayer items were evaluated, such as: presence, status and scale of the manometer, status of the hose, status of the anti-drip component, presence of leaks, status of the bar, status of the filters, state of the spraying nozzles and errors in the targeted flow rate. Machines were named as approved when there was no failure in any item evaluated. The factor that caused the biggest level of reprove among the machines was incorrect scale of manometers, which reproved 84.55% of the machines evaluated. Other outstanding factor was the incorrect flow rate in 75.5% of the tested machines. Only one unit was approved from the total of 110 evaluated sprayers.

Mechanical properties of castor beans subject to different drying temperatures aiming to disrupt the bean coat

In castor oil extraction process, the bean coat is abrasive to the equipment and releases substances that modify the oil color, reducing its quality. A potential solution would be to run the extraction by compressing only the endosperm. Due to lack of information, the objective of this study was to evaluate the influence of forced air drying at 40, 60, 80 and 100 ºC and farmyard drying, in the mechanical properties of the beans, aiming to break the bean coat. Castor beans were subjected to compression tests, in two perpendicular directions, at a strain rate of 0.6 mm.s-1. Average values of force, deformation energy, strain, all at rupture, and stiffness were used to evaluate the effects of dehydration. It was observed that the heat treatments did not alter the mechanical properties of castor beans, the strain and stiffness values discriminate the differences between the directions and had the lowest coefficients of variation. It was concluded that forced air drying, more costly than farmyard drying, does not bring benefits to the decortication. However, regardless the heat treatment used, the mechanical stress lengthwise is the most suitable to promote decortication.

Economic analysis for sizing of sugarcane (Saccharum spp.) mechanized harvesting

Sugarcane has a significant role on Brazilian agribusiness economy. The harvesting cane is considered as one of the most important operations of the process for it has to attend the raw material demanded by the sugar mill in quality and a competitive cost. The objective of this work it is it of analyzing, of systemic way, the variables influence on economical and operational performance in sugarcane mechanized harvesting process for sizing of machines. For this purpose a model called "ColheCana", was developed in a spreadsheet and in a programming language. The results showed that the field efficiency and harvester´s initial value are variables of great impact in the cost and that there is a maximum area that one equipment can attend and for this area the cost is minimum.

Static tests of constructive tires using hydraulic press on the soil

ABSTRACT The power consumption and load capacity of agricultural machines have grown and the effects of pressure on the soil by tires have been still little investigated. In concern with sustainable development, the relationship machine-tire-soil must be in balance to give more consistency on the best use of tires for a given load. This study aimed to evaluate four tires of two constructive types, the bias belted tires and radial tires, both with respective rim diameters of 22.5 and 26.5 inches with variables measuring the footprint, elastic deformation, sinkage and resistance to penetration. A hydraulic press with an attachment shaft for tire mounting and a box of soil in which the tire has been imposed on a load of 53.00 kN using nominal pressures recommended by the tire manufacturer. The radial construction tire with rim diameter of 26.5 inches obtained less sinkage and resistance to penetration; however, greater elastic deformation and footprint compared to other tires. The bias-belted tire with 22.5-inch rim presented the highest resistance to penetration and the lowest elastic deformation.