Computational Evaluation of Print Unevenness According to Human Vision

Print quality and the printability of paper are very important attributes when modern printing applications are considered. In prints containing images, high print quality is a basic requirement. Tone unevenness and non uniform glossiness of printed products are the most disturbing factors influencing overall print quality. These defects are caused by non ideal interactions of paper, ink and printing devices in high speed printing processes. Since print quality is a perceptive characteristic, the measurement of unevenness according to human vision is a significant problem. In this thesis, the mottling phenomenon is studied. Mottling is a printing defect characterized by a spotty, non uniform appearance in solid printed areas. Print mottle is usually the result of uneven ink lay down or non uniform ink absorption across the paper surface, especially visible in mid tone imagery or areas of uniform color, such as solids and continuous tone screen builds. By using existing knowledge on visual perception and known methods to quantify print tone variation, a new method for print unevenness evaluation is introduced. The method is compared to previous results in the field and is supported by psychometric experiments. Pilot studies are made to estimate the effect of optical paper characteristics prior to printing, on the unevenness of the printed area after printing. Instrumental methods for print unevenness evaluation have been compared and the results of the comparison indicate that the proposed method produces better results in terms of visual evaluation correspondence. The method has been successfully implemented as ail industrial application and is proved to be a reliable substitute to visual expertise.

Studies in offset ink setting

The offset printing process is complex and involves the meeting of two essentially complex materials, printing ink and paper, upon which the final product is formed. It can therefore be expected that a multitude of chemical and physical interactions and mechanisms take place at the ink-paper interface. Interactions between ink and paper are of interest to both the papermakers and ink producers, as they wish to achieve better quality in the final product. The objective of this work is to clarify the combined influence of paper coating structure, printing ink and fountain solution on ink setting and the problems related to ink setting. A further aim is to identify the mechanisms that influence ink setting problems, and to be able to counteract them by changing properties of the coating layer or by changing the properties of the ink. The work carried out for this thesis included use of many techniques ranging from standard paper and printability tests to advanced optical techniques for detection of ink filaments during ink levelling. Modern imaging methods were applied for assessment of ink filament remain sizes and distribution of ink components inside pigment coating layers. Gravimetric filtration method and assessment of print rub using Ink-Surface-Interaction-Tester (ISIT) were utilized to study the influence of ink properties on ink setting. The chemical interactions were observed with the help of modified thin layer chromatography and contact angle measurements using both conventional and high speed imaging. The results of the papers in this thesis link the press operational parameters to filament sizes and show the influence of these parameters to filament size distribution. The relative importance between the press operation parameters was shown to vary. The size distribution of filaments is important in predicting the ink setting behaviour, which was highlighted by the dynamic gloss and ink setting studies. Prediction of ink setting behaviour was also further improved by use of separate permeability factors for different ink types in connection to filtration equations. The roles of ink components were studied in connection to ink absorption and mechanism of print rub. Total solids content and ratio of linseed oil to mineral oil were found to determine the degree of print rub on coated papers. Wax addition improved print rub resistance, but would not decrease print rub as much as lowering the total solids content in the ink. Linseed oil was shown to absorb into pigment coating pores by mechanism of adsorption to pore walls, which highlights the need for sufficient pore surface area for improved chromatographic separation of ink components. These results should help press operators, suppliers of printing presses, papermakers and suppliers to papermakers, to better understand the material and operating conditions of the press as it relates to various print quality issues. Even though paper is in competition with electronic media, high quality printed products are still in demand. The results should provide useful information for this segment of the industry.

Defining the keyhole modes – the effects on the weld geometry and the molten pool behaviour in high power laser welding of stainless steels

Keyhole welding, meaning that the laser beam forms a vapour cavity inside the steel, is one of the two types of laser welding processes and currently it is used in few industrial applications. Modern high power solid state lasers are becoming more used generally, but not all process fundamentals and phenomena of the process are well known and understanding of these helps to improve quality of final products. This study concentrates on the process fundamentals and the behaviour of the keyhole welding process by the means of real time high speed x-ray videography. One of the problem areas in laser welding has been mixing of the filler wire into the weld; the phenomena are explained and also one possible solution for this problem is presented in this study. The argument of this thesis is that the keyhole laser welding process has three keyhole modes that behave differently. These modes are trap, cylinder and kaleidoscope. Two of these have sub-modes, in which the keyhole behaves similarly but the molten pool changes behaviour and geometry of the resulting weld is different. X-ray videography was used to visualize the actual keyhole side view profile during the welding process. Several methods were applied to analyse and compile high speed x-ray video data to achieve a clearer image of the keyhole side view. Averaging was used to measure the keyhole side view outline, which was used to reconstruct a 3D-model of the actual keyhole. This 3D-model was taken as basis for calculation of the vapour volume inside of the keyhole for each laser parameter combination and joint geometry. Four different joint geometries were tested, partial penetration bead on plate and I-butt joint and full penetration bead on plate and I-butt joint. The comparison was performed with selected pairs and also compared all combinations together.

Local Binary Patterns in Focal-Plane Processing. Analysis and Applications

Feature extraction is the part of pattern recognition, where the sensor data is transformed into a more suitable form for the machine to interpret. The purpose of this step is also to reduce the amount of information passed to the next stages of the system, and to preserve the essential information in the view of discriminating the data into different classes. For instance, in the case of image analysis the actual image intensities are vulnerable to various environmental effects, such as lighting changes and the feature extraction can be used as means for detecting features, which are invariant to certain types of illumination changes. Finally, classification tries to make decisions based on the previously transformed data. The main focus of this thesis is on developing new methods for the embedded feature extraction based on local non-parametric image descriptors. Also, feature analysis is carried out for the selected image features. Low-level Local Binary Pattern (LBP) based features are in a main role in the analysis. In the embedded domain, the pattern recognition system must usually meet strict performance constraints, such as high speed, compact size and low power consumption. The characteristics of the final system can be seen as a trade-off between these metrics, which is largely affected by the decisions made during the implementation phase. The implementation alternatives of the LBP based feature extraction are explored in the embedded domain in the context of focal-plane vision processors. In particular, the thesis demonstrates the LBP extraction with MIPA4k massively parallel focal-plane processor IC. Also higher level processing is incorporated to this framework, by means of a framework for implementing a single chip face recognition system. Furthermore, a new method for determining optical flow based on LBPs, designed in particular to the embedded domain is presented. Inspired by some of the principles observed through the feature analysis of the Local Binary Patterns, an extension to the well known non-parametric rank transform is proposed, and its performance is evaluated in face recognition experiments with a standard dataset. Finally, an a priori model where the LBPs are seen as combinations of n-tuples is also presented

Suurnopeuskuvaustekniikan soveltaminen hitsausvalokaaren tutkimuksessa

Työn tavoitteena oli suurnopeuskuvaustekniikan ottaminen osaksi Kemppi Oy:n tuotekehitystä. Työn teoriaosa sisältää hitsausvalokaaren ja lisäaineensiirtymisen teoriaa,sekä perehtymisen suurnopeuskuvaustekniikkaan ja siihen vaadittaviin laitteistoihin. Teoriassa tarkastellaan myös MIG/MAG -päittäisliitoksen olemassa oleviin pohjapalon hitsausprosesseihin. Kokeellisen osan tuloksena syntyi suurnopeuskuvaustekniikkaan pohjautuva tutkimusmenetelmä. Rakennetulla järjestelmällä nähtiin hyvin teoriassa esitetyt MIG/MAG -hitsauksen kaarityypit ja lisäaineensiirtymisen muodot. Kuvattuja tuloksia kyettiin analysoimaan ja vertaamaan teoriaan. Päittäisliitoksen pohjapalon hitsaukseen soveltuvan prosessin kehitys oli osa käytännön osuutta. Tehdyillä kuvauksilla onnistuttiin havainnoimaan kehitetyn valokaaren ja aineensiirtymisen ilmiöitä. Näiden ymmärtäminen helpottui kuvauksien ansiosta ja tämä nopeutti ja mahdollisti tuotekehitystyötä. Tuloksena valmistui uusi pulssitettu lyhytkaariprosessi. Työn tuloksena syntyi uusi suurnopeuskuvaustekniikkaan nojautuva tuotekehitysprosessi, jossa uusi tekniikka kyetään liittämäänosaksi tutkimus- ja kehitystyötä. Tuloksia voidaan käyttää myös markkinoinnin ja myynnin edistämiseen.

Taloudellinen ja läpimenoajaltaan lyhyt ruiskupuristusmuotin valmistusprosessi

Tämän diplomityön tavoitteena oli löytää Perlos Tools Joensuun tehtaalle sopiva taloudellinen ja läpimenoajaltaan lyhyt ruiskupuristusmuotin valmistusprosessi. Kirjallisuusosiossa tarkastellaan valmistuksen prosessimalleja, esitellään tärkeimmät muotinvalmistuksen menetelmät, sekä nykytilan ja tulevaisuuden haasteet. Lisäksi tarkastellaan muotinvalmistuksen työajan ja kulujen jakaantumista, tärkeimpiä investointilaskelmia, sekä investointien perustelemista simulointien avulla. Tutkimusosiossa simuloidaan erilaisia prosessimalleja, selvitetään valmistusmenetelmienja koneiden vaikutusta muotinvalmistuksen läpimenoaikaan, sekä lasketaan investointien ja valmistuskoneiden vaikutukset takaisinmaksuaikoihin. Simulaation tavoitteena on asiaankuuluvien mallien, sopivien kysymysten sekä prosessimallien kehittämisen kautta tuottaa analysoitua informaatiota päätöksenteon tueksi. Tutkimustulosten perusteella ruiskupuristusmuotin valmistusprosessi on optimoitu. Optimoinnin tuloksena tarkasteltavalla yrityksellä on käytössään taloudellinen ja läpimenoajaltaan lyhyt ruiskupuristusmuotin valmistusprosessi.

Moniensiöinen muuntaja taajuudenmuuttajakäytössä

Suuritehoisissa pumppu- ja puhallinkäytöissä käytetään usein suurnopeusmoottoria,jota syötetään välijännitteellä. Suurjännitetaajuudenmuuttajat ovat kalliita, eikä niitä ole aina edes mahdollista valmistaa. Tutkimuksen kohteena on rinnakkaisilla pienjännitetaajuudenmuuttajilla toteutettu sähkökäyttö, jossa pienjännite nostetaan moniensiöisellä muuntajalla suurjännitteeksi (6,6 kV) ja syötetään edelleen kuormana olevalle suurnopeusmoottorille. Opinnäytetyössä tutkitaan moniensiöisen muuntajan syöttöä rinnakkaisilla taajuudenmuuttajilla sekä niiden aiheuttamia häiriöitä toisilleen. Työssä tutkitaan myös harmonisten yliaaltojen vaikutuksia muuntajan häviöihin ja magnetointiominaisuuksiin. Taajuudenmuuttajan lähtöjännite ja -virta suodatetaan sinisuotimella, jonka parametreja simuloidaan Simulink- ohjelmistolla. Tavoite on löytää optimaaliset parametrit taajuudenmuuttajanlähtösuotimelle käyrämuotojen ja suotimeen jäävän tehon suhteen. Työssä tarkasteltiin sinisuodinta, johon jää 3 prosenttia syöttöjännitteestä. LC-suodin kompensoi sähkökäytön loistehon lähes kokonaan, joten taajuudenmuuttajien antotehon kannalta suotimet ovat perusteltuja. Taajuudenmuuttajan näennäisteho putoaa 22 prosenttia, joten taajuudenmuuttajat voidaan vastaavasti mitoittaa pienemmiksi.

Drying of Ink in Inkjet Printing

Tämän diplomityön tavoitteena oli saada perustietoa tekijöistä, jotka vaikuttavat musteen kuivumiseen erilaisilla paperipinnoilla inkjet tulostuksessa. Tavoitteena oli saada tietoa erilaisista musteista, joita käytetään yleisimmissä inkjet tulostustekniikoissa, miten paperit vaikuttavat musteen kuivumiseen ja minkälaisia menetelmiä on olemassa musteen kuivumistekijöiden määrittämiseen. Lisäksi tarkoituksena oli varmistaa, voidaanko inkjetmusteiden absorptioajan määrittämiseen käytettävää DIGAT-laitetta käyttää määrittämään ja ennustamaan erilaisten musteiden kuivumista erilaisilla paperipinnoilla sekä etsiä korrelaatioita musteen absorptioajan ja teknisten paperiominaisuuksien sekä inkjet tulostuksen laadun välillä. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin erilaisia inkjet tulostusmenetelmiä, niissä käytettäviä musteita ja musteiden koostumuksia. Tutkittiin myös paperin ja musteen välisiä vuorovaikutuksia sekä inkjet tulostuksen laatua. Kokeellisessa osassa tutkittiin musteenabsorboitumista paperiin DIGAT-laitteen avulla. kuudella eri musteella. Paperinäytteistä määritettiin teknisiä paperiominaisuuksia sekä ominaisuuksia, jotka liittyvät inkjet tulostuksen laatuun. Inkjet tulostuksen laatua tarkasteltiin tulostamalla testikuva kolmella eri tulostimella, jotka olivat Canon Bubble Jet i950, HP DeskJet Cxi970 ja Epson Stylus C46. Havaittiin, että DIGAT-laite ei sovellu määrittämään musteen absorptioaikoja kiiltäville näytteille.Tässä tutkimuksessa näyte, jonka kiilto oli 65 %, oli liian kiiltävä mitattavaksi DIGAT-laitteella. Lisäksi absorptiomäärityksissä havaittiin, että erilaiset musteet asettuvat erilailla paperin pintaan ja että pigmenttipohjaisella musteella asettumisaika oli kaikista pisin. Musteiden absorptioajat olivat nopeimpia erikoisinkjetpaperilla ja hitaimpia päällystetyillä, tiiviillä papereilla. Musteen absorptioajan ja teknisten paperiominaisuuksien ja inkjet tulostuksen laadun välisiä korrelaatioita oli vaikea havaita. Voidaan sanoa, että tulokset olivat muste- ja printterikohtaisia. Havaittiin vain muutamia teknisiä paperiominaisuuksia, jotka korreloivat hyvin musteen absorboitumisen kanssa. Nämäolivat Gurley-Hill huokoisuus, paperin tuhka- sekä kalsiumkarbonaattipitoisuus ja K&N värinabsorptio. Myöskään inkjet tulostuksen laadun ja musteen absorption välisiä korrelaatioita ei löytynyt kuin muutama; densiteetti, mottling sekä bleeding. Tämän tutkimuksen perusteella voidaan todeta DIGAT-laitteen soveltuvan hyvin kuvaamaan inkjet tulostuksen laatuominaisuuksista densiteettia, mottlingia sekä bleedingiä. DIGAT-laitetta voidaan siis käyttää avuksi ennustettaessa kuivumisaikaa ja sen vaikutusta edellä mainittuihin ominaisuuksiin. Läpipainatusominaisuuksia DIGAT-laitteen avulla ei voida tutkia, sillä ne ovat enemmän riippuvaisia paperin neliömassasta, paksuudesta ja huokoisuudesta kuinmusteen absorptioajasta. Teknisistä paperiominaisuuksista Gurley-Hill huokoisuus, paperin tuhka-sekä CaCO3-pitoisuus ja K&N värinabsorptio kuvaavat hyvin musteen imeytymisaikaa paperiin, kun taas ominaisuudet Cobb, HST ja polaari- sekädispersiokomponentit eivät kuvaa. Näyttää siltä, että testikuva, joka on tällä hetkellä käytössä UPM Tutkimus-keskuksessa, ei sovellu suurtehotulostuksen laadun tarkkailuun. Testikuva toimii hyvin pöytätulostimilla ja perinteisillä kopiopapereilla ja inkjetpapereilla, jotka on tarkoitettu tulostettaviksi hitaasti. Tulostusnopeuden ja musteen kuivumisnopeuden välisiä ilmiöitä seei tuo esille, joten se ei sovellu kuvaamaan suurtehotulostusta.

Laajakaistayhteyksien vertailua käyttäjän ja rakennuttajan näkökulmasta

Diplomityön tarkoituksena on selvittää eri laajakaistatekniikoiden ominaisuuksia, ja verrata niitä käyttäjien ja rakennuttajien näkökulmaan. Miten käyttäjätsuhtautuvat tekniikan kehittymiseen, ja mitä he ovat valmiita maksamaan siitä. Ovatko näkemykset rakentajien kanssa samansuuntaisia, vai onko tekniikka edellä käyttäjiä? Näihin kysymyksiin pyrittiin saamaan vastaus tässä diplomityössä haastattelemalla molempia osapuolia ja vertailemalla vastauksia. Laajakaistayhteydet ovat lähes kaikkien saatavilla nykypäivänä. Suurin osa yhteyksistä on toteutettu kuparitekniikoilla, joista ADSL on yleisin kaapeli-TV ratkaisun kanssa. Harvemmin asutuilla tai muuten hankalasti tavoitettavilla alueilla laajakaistayhteydet ovat toteutettu langattomin ratkaisuin WiMAX- tai @450-tekniikoilla. Laajakaistayhteyksien kriteerinä on ollut 256 kbit/s nopeus, mutta nykyään käyttäjien keskiarvo on noussut 2 Mbit/s nopeuteen. Nopeudet vaikuttavat sovelluksiin, mitä voidaan käyttää. Nykyään Internetin kautta on saatavilla monipuolisesti erilaisia sovelluksia ja viestintätapoja. Vaatimukset laajakaistayhteyksiltä ovat erilaisia; toiset vaativat reaaliaikaisuutta ja suurta nopeutta ja samalla toiset tyytyvät vähempään. Kaikille yhteyksille on kuitenkin yhteistä se, että niiden käyttövaatimukset ovat kasvaneet jatkuvasti. Tulevaisuutta onpyritty kartoittamaan tekniikoiden mahdollisesta kehitysnäkökulmasta, sekä sillä, miten muualla maailmassa edetään laajakaistatekniikoiden kanssa. Oman vivahteen kehitykseen tuovat kansalliset tarpeet ja resurssit.

Numerical Modelling of Combustion and Emission Formation in a Diesel Engine with Different Fuel Injection Characteristics

Päästöjen vähentäminen on ollut viime vuosina tärkeässä osassa polttomoottoreita kehitettäessä.Monet viralliset tahot asettavat uusia tiukempia päästörajoituksia. Päästörajatovat tyypillisesti olleet tiukimmat autoteollisuuden valmistamille pienille nopeakäyntisille diesel-moottoreille, mutta viime aikoina paineita on kohdistunut myös suurempiin keskinopeisiin ja hidaskäyntisiin diesel-moottoreihin. Päästörajat ovat erilaisia riippuen moottorin tyypistä, käytetystä polttoaineesta ja paikasta missä moottoria käytetään johtuen erilaisista paikallisista laeista ja asetuksista. Eniten huomiota diesel-moottorin päästöissä täytyy kohdistaa typen oksideihin, savun muodostukseen sekä partikkeleihin. Laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) avulla on hyvät mahdollisuudet tutkia diesel-moottorin sylinterissä tapahtuvia ilmiöitä palamisen aikana. CFD on hyödyllinen työkalu arvioitaessa moottorin suorituskykyä ja päästöjen muodostumista. CFD:llä on mahdollista testata erilaisten parametrien ja geometrioiden vaikutusta ilman kalliita moottorinkoeajoja. CFD:tä voidaan käyttää myös opetustarkoituksessa lisäämään paloprosessin tuntemusta. Tulevaisuudessa palamissimuloinnit CFD:llä tulevat epäilemättä olemaan tärkeä osa moottorin kehityksessä. Tässä diplomityössä on tehty palamissimuloinnit kahteen erilaisilla poittoaineenruiskutuslaitteistoilla varustettuun Wärtsilän keskinopeaan diesel-moottoriin. W46 moottorin ruiskutuslaitteisto on perinteinen mekaanisesti ohjattu pumppusuutin ja W46-CR moottorissa on elektronisesti ohjattu 'common rail' ruiskutuslaitteisto. Näiden moottorien ja käytössä olevien ruiskutusprofiilien lisäksi on simuloinneilla testattu erilaisia uusia ruiskutusprofiileja, jotta erityyppisten profiilien hyvät ja huonot ominaisuudet tulisivat selville. Matalalla kuormalla kiinnostuksen kohteena on nokipäästöjen muodostus ja täydellä kuormalla NOx-päästöjen muodostus ja polttoaineen kulutus. Simulointien tulokset osoittivat, että noen muodostusta matalalla kuormalla voidaan selvästi vähentää monivaiheisella ruiskutuksella, jossa yksi ruiskutusjakso jaetaan kahteen tai useampaan jaksoon. Erityisen tehokas noen vähentämisessä vaikuttaa olevan ns. jälkiruiskutus (post injection). Matalat NOx-päästöt ja hyvä polttoaineen kulutus täydellä kuormalla on mahdollista saavuttaaasteittain nostettavalla ruiskutusnopeudella.

Visual measurement of laser-arc hybrid welding

Tässä työssä raportoidaan hybridihitsauksesta otettujen suurnopeuskuvasarjojen automaattisen analyysijärjestelmän kehittäminen.Järjestelmän tarkoitus oli tuottaa tietoa, joka avustaisi analysoijaa arvioimaan kuvatun hitsausprosessin laatua. Tutkimus keskittyi valokaaren taajuuden säännöllisyyden ja lisäainepisaroiden lentosuuntien mittaamiseen. Valokaaria havaittiin kuvasarjoista sumean c-means-klusterointimenetelmän avullaja perättäisten valokaarien välistä aikaväliä käytettiin valokaaren taajuuden säännöllisyyden mittarina. Pisaroita paikannettiin menetelmällä, jossa yhdistyi pääkomponenttianalyysi ja tukivektoriluokitin. Kalman-suodinta käytettiin tuottamaan arvioita pisaroiden lentosuunnista ja nopeuksista. Lentosuunnanmääritysmenetelmä luokitteli pisarat niiden arvioitujen lentosuuntien perusteella. Järjestelmän kehittämiseen käytettävissä olleet kuvasarjat poikkesivat merkittävästi toisistaan kuvanlaadun ja pisaroiden ulkomuodon osalta, johtuen eroista kuvaus- ja hitsausprosesseissa. Analyysijärjestelmä kehitettiin toimimaan pienellä osajoukolla kuvasarjoja, joissa oli tietynlainen kuvaus- ja hitsausprosessi ja joiden kuvanlaatu ja pisaroiden ulkomuoto olivat samankaltaisia, mutta järjestelmää testattiin myös osajoukon ulkopuolisilla kuvasarjoilla. Testitulokset osoittivat, että lentosuunnanmääritystarkkuus oli kohtuullisen suuri osajoukonsisällä ja pieni muissa kuvasarjoissa. Valokaaren taajuuden säännöllisyyden määritys oli tarkka useammassa kuvasarjassa.

Suitability of Ultra Wideband for Mobile Devices

Mobiililaitteet ovat kehittyneet merkittävästi viimeisen vuosikymmenen aikana. Ne eivät enää ole pelkästään puhelimia tai kämmentietokoneita, vaan multimediatietokoneita, jotka pystyvät tuottamaan korkealaatuisia elämyksiä käyttäjälleen.Sisällön laadun paraneminen johtaa väistämättä myös siirrettävän tietomäärän kasvamiseen. Siksi uusia, nopeampia tiedonsiirtomenetelmiä on otettava käyttöön. Ultra Wideband (UWB) on uusi radioaaltotekniikka, jokamahdollistaa korkeat tiedonsiirtonopeudet lyhyillä etäisyyksillä. Tekniikka operoi erittäin leveällä 3.1 - 10.6 gigahertsin taajuuskaistalla.UWB on suunnattu nopeaan, langattomaan tiedonsiirtoon personal area networkin (PAN) laitteiden välillä. Tämän diplomityön tarkoituksena on arvioida UWBn soveltuvuutta mobiililaitteisiin. Arviointi tehdään teoreettiselta pohjalta, sillä UWBtä ei vielä ole implementoitu kaupallisiin laitteisiin. Ensin esitellään UWBn tekniikka ja ominaisuudet, jonka jälkeen sen soveltuvuutta arvioidaan esimerkkikäyttötapausten valossa. Esimerkkikäyttötapauksiksi on valittu kolme tyypillistä mutta erilaista toimintoa, jotka mahdollisimman hyvin kuvaavat mobiililaitteiden käyttöä.

Aktiivisten magneettilaakereiden tilasäädön mallinnus ja simulointi

Aktiivisten magneettilaakereiden avulla on mahdollista kannatella ferromagneettisia kappaleita, kuten sähkökoneiden roottoreita, ilman fyysistä kontaktia. Magneettilaakerit tarjoavat monia etuja, kuten esimerkiksi kitkattomuuden, verrattuina perinteisiin mekaanisiin laakereihin. Nämä edut vielä korostuvat suurnopeuskäytöissä, jotka ovat magneettilaakereiden pääasiallisia käyttökohteita. Tässä työssä esitellään magneettilaakereihin liittyvät erusteoriat ja niiden sovellustavat. Tämän jälkeen tarkastellaanmagneettilaakereiden kanssa käytettäviä säätöratkaisuja ja esitetään niille soveltuvat viritysmenetelmät. Teorioiden pohjalta rakennetaan täydellinen magneettilaakerijärjestelmän simulointimalli säätöratkaisuineen ja suoritetaan järjestelmän toimintaa kuvaavia simulointeja. Simuloinneissa saadut tulokset pyritään vielä varmentamaan suorittamalla mittauksia koelaitteistolla ja vertaamalla saatuja tuloksia keskenään.

Numerical and ExperimentalModelling of Gas Flow and Heat Transfer in the Air Gap of An Electric Machine

This work deals with the cooling of high-speed electric machines, such as motors and generators, through an air gap. It consists of numerical and experimental modelling of gas flow and heat transfer in an annular channel. Velocity and temperature profiles are modelled in the air gap of a high-speed testmachine. Local and mean heat transfer coefficients and total friction coefficients are attained for a smooth rotor-stator combination at a large velocity range. The aim is to solve the heat transfer numerically and experimentally. The FINFLO software, developed at Helsinki University of Technology, has been used in the flow solution, and the commercial IGG and Field view programs for the grid generation and post processing. The annular channel is discretized as a sector mesh. Calculation is performed with constant mass flow rate on six rotational speeds. The effect of turbulence is calculated using three turbulence models. The friction coefficient and velocity factor are attained via total friction power. The first part of experimental section consists of finding the proper sensors and calibrating them in a straight pipe. After preliminary tests, a RdF-sensor is glued on the walls of stator and rotor surfaces. Telemetry is needed to be able to measure the heat transfer coefficients at the rotor. The mean heat transfer coefficients are measured in a test machine on four cooling air mass flow rates at a wide Couette Reynolds number range. The calculated values concerning the friction and heat transfer coefficients are compared with measured and semi-empirical data. Heat is transferred from the hotter stator and rotor surfaces to the coolerair flow in the air gap, not from the rotor to the stator via the air gap, althought the stator temperature is lower than the rotor temperature. The calculatedfriction coefficients fits well with the semi-empirical equations and precedingmeasurements. On constant mass flow rate the rotor heat transfer coefficient attains a saturation point at a higher rotational speed, while the heat transfer coefficient of the stator grows uniformly. The magnitudes of the heat transfer coefficients are almost constant with different turbulence models. The calibrationof sensors in a straight pipe is only an advisory step in the selection process. Telemetry is tested in the pipe conditions and compared to the same measurements with a plain sensor. The magnitudes of the measured data and the data from the semi-empirical equation are higher for the heat transfer coefficients than thenumerical data considered on the velocity range. Friction and heat transfer coefficients are presented in a large velocity range in the report. The goals are reached acceptably using numerical and experimental research. The next challenge is to achieve results for grooved stator-rotor combinations. The work contains also results for an air gap with a grooved stator with 36 slots. The velocity field by the numerical method does not match in every respect the estimated flow mode. The absence of secondary Taylor vortices is evident when using time averagednumerical simulation.

Modeling dynamic behavior in tilting pad gas journal bearings

Thisresearch deals with the dynamic modeling of gas lubricated tilting pad journal bearings provided with spring supported pads, including experimental verification of the computation. On the basis of a mathematical model of a film bearing, a computer program has been developed, which can be used for the simulation of a special type of tilting pad gas journal bearing supported by a rotary spring under different loading conditions time dependently (transient running conditions due to geometry variations in time externally imposed). On the basis of literature, different transformations have been used in the model to achieve simpler calculation. The numerical simulation is used to solve a non-stationary case of a gasfilm. The simulation results were compared with literature results in a stationary case (steady running conditions) and they were found to be equal. In addition to this, comparisons were made with a number of stationary and non-stationary bearing tests, which were performed at Lappeenranta University of Technology using bearings designed with the simulation program. A study was also made using numerical simulation and literature to establish the influence of the different bearing parameters on the stability of the bearing. Comparison work was done with literature on tilting pad gas bearings. This bearing type is rarely used. One literature reference has studied the same bearing type as that used in LUT. A new design of tilting pad gas bearing is introduced. It is based on a stainless steel body and electron beam welding of the bearing parts. It has good operation characteristics and is easier to tune and faster to manufacture than traditional constructions. It is also suitable for large serial production.