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.

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.

Flexible multibody approach in bone strain estimation during physical activity:

Bone strain plays a major role as the activation signal for the bone (re)modeling process, which is vital for keeping bones healthy. Maintaining high bone mineral density reduces the chances of fracture in the event of an accident. Numerous studies have shown that bones can be strengthened with physical exercise. Several hypotheses have asserted that a stronger osteogenic (bone producing) effect results from dynamic exercise than from static exercise. These previous studies are based on short-term empirical research, which provide the motivation for justifying the experimental results with a solid mathematical background. The computer simulation techniques utilized in this work allow for non-invasive bone strain estimation during physical activity at any bone site within the human skeleton. All models presented in the study are threedimensional and actuated by muscle models to replicate the real conditions accurately. The objective of this work is to determine and present loading-induced bone strain values resulting from physical activity. It includes a comparison of strain resulting from four different gym exercises (knee flexion, knee extension, leg press, and squat) and walking, with the results reported for walking and jogging obtained from in-vivo measurements described in the literature. The objective is realized primarily by carrying out flexible multibody dynamics computer simulations. The dissertation combines the knowledge of finite element analysis and multibody simulations with experimental data and information available from medical field literature. Measured subject-specific motion data was coupled with forward dynamics simulation to provide natural skeletal movement. Bone geometries were defined using a reverse engineering approach based on medical imaging techniques. Both computed tomography and magnetic resonance imaging were utilized to explore modeling differences. The predicted tibia bone strains during walking show good agreement with invivo studies found in the literature. Strain measurements were not available for gym exercises; therefore, the strain results could not be validated. However, the values seem reasonable when compared to available walking and running invivo strain measurements. The results can be used for exercise equipment design aimed at strengthening the bones as well as the muscles during workout. Clinical applications in post fracture recovery exercising programs could also be the target. In addition, the methodology introduced in this study, can be applied to investigate the effect of weightlessness on astronauts, who often suffer bone loss after long time spent in the outer space.

Simulation of structural stress history based on dynamic analysis

Modern machine structures are often fabricated by welding. From a fatigue point of view, the structural details and especially, the welded details are the most prone to fatigue damage and failure. Design against fatigue requires information on the fatigue resistance of a structure’s critical details and the stress loads that act on each detail. Even though, dynamic simulation of flexible bodies is already current method for analyzing structures, obtaining the stress history of a structural detail during dynamic simulation is a challenging task; especially when the detail has a complex geometry. In particular, analyzing the stress history of every structural detail within a single finite element model can be overwhelming since the amount of nodal degrees of freedom needed in the model may require an impractical amount of computational effort. The purpose of computer simulation is to reduce amount of prototypes and speed up the product development process. Also, to take operator influence into account, real time models, i.e. simplified and computationally efficient models are required. This in turn, requires stress computation to be efficient if it will be performed during dynamic simulation. The research looks back at the theoretical background of multibody dynamic simulation and finite element method to find suitable parts to form a new approach for efficient stress calculation. This study proposes that, the problem of stress calculation during dynamic simulation can be greatly simplified by using a combination of floating frame of reference formulation with modal superposition and a sub-modeling approach. In practice, the proposed approach can be used to efficiently generate the relevant fatigue assessment stress history for a structural detail during or after dynamic simulation. In this work numerical examples are presented to demonstrate the proposed approach in practice. The results show that approach is applicable and can be used as proposed.

Vääntökuormitetun koteloprofiilipuomin väsymiskestävyys

Tässä työssä tutkittiin vääntökuormitettua hitsattua koteloprofiilipuomia. Vääntökuormitus aiheuttaa koteloprofiiliin vinouttavan voimasysteemin, joka aiheuttaa kotelopalkkiin sekä poikittaisia taivutusjännityksiä että pitkittäisiä jännityksiä. Vinoutumisen aiheuttamia lisära-situksia on tutkittu analyyttisesti BEF-analogian avulla sekä elementtimenetelmää apuna käyttäen. Lisäksi vääntökuormitus aiheuttaa puomiin estetyn väännön jännityksiä. Väsymiskestoikää tutkittiin laboratoriossa suoritettujen väsytyskokeiden avulla sekä las-kennallisesti. Kestoikälaskennassa käytettiin tehollisen lovijännityksen menetelmää hitsin juuren puolen väsymisen arvioinnissa sekä hot spot- jännityksen menetelmää hitsin rajavii-van väsymisen arvioinnissa. Teholliset lovijännitykset sekä hot spot jännitykset ovat määri-tetty elementtimenetelmän avulla. Laboratoriokokeiden ja elementtimenetelmä laskennan perusteella saatiin rakenteen kes-toiän kannalta kriittiset detaljit määritettyä. Kriittiset detaljit sijaitsevat puomin päädyn rakenteissa. Tutkimuksessa saatiin selville, että kriittisten detaljien rakenteellisilla ja valmis-tusteknisillä ratkaisuilla on merkittävä vaikutus lopullisen tuotteen väsymiskestoikään.

Trukkitraktorin rungon suunnittelu ja laskenta

Tässä työssä suunniteltiin lappeenrantalaisen Astex Oy:n tilauksesta liikkuvan työkoneen runkorakenne. Työ tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston teräsrakenteiden laboratoriossa. Suunniteltava rakenne kuului linkkuohjattuun, noin 5000 kg painoiseen trukkitraktoriin. Lähtökohtana rakenteen suunnittelulle olivat tilaajan asettamat rakenteen geometriaan ja suorituskykyyn liittyvät reunaehdot ja rajoitteet. Uuden rakenteen suunnittelussa hyödynnettiin myös tilaajatahon kehittelemää vastaavan tyyppistä prototyyppirakennetta. Rakenteen suunnitteluprosessi koostui neljästä eri vaiheesta. Suunniteltavan rakenteen lähtökohtana olleelle prototyyppirakenteelle suoritettiin koneen käytönaikaisia venymäliuskamittauksia rakenteen kuormitushistorian selvittämiseksi. Mittauksista saatujen tulosten perusteella määritettiin kuormitukset uudelle suunniteltavalle rakenteelle. Määritettyjä kuormituksia hyödyntäen ideoitiin, suunniteltiin ja mallinnettiin uusi tilaajan vaatimuksia vastaava rakenne. Uudelle rakenteelle suoritettiin lujuusanalyysit FE-analyysiä hyödyntäen. Uuden rakenteen suunnittelussa kiinnitettiin huomiota rakenteen hyvään valmistettavuuteen ja suunniteltiin rakenneratkaisut tilaajataholle mahdollisimman optimaalisiksi. Suunnittelu- ja mallinnustyö tehtiin Solidworks 2014 ohjelmistolla. Rakenteen lujuustekniset tarkastelut sisälsivät rakennedetaljien analyyttistä mitoitusta ja laskentaa. FE-laskennalla selvitettiin rakenteen ääri- ja väsymiskestävyys. Laskenta sisälsi koko rakenteen globaaleja tarkasteluja, sekä eri kriittisten rakennedetaljien yksityiskohtaisempia analyysejä. FE-laskennan pääpaino oli rakenteen väsymisanalyyseissä, jotka toteutettiin Hot-Spot- ja särönkasvumenetelmillä. Rakenteen FE-analyysien suorittamisessa käytettiin Femap, NxNastran ja Abaqus-ohjelmistoja.

Distortion and internal warping torsion of a double symmetric hollow section

This thesis is made in cooperation with Laboratory of Steel Structures and the steel company SSAB. Maximization of the benefits of high-strength steel usually requires the usage of thin wall thicknesses. This means the failures related to buckling, distortion and warping stand out. One must be aware of these phenomena to design thin-walled structures stressed with forces such as torsional loading. It is also important to take into account small stress ranges when evaluating the accurate fatigue strength of structures. The objective of this thesis is to clarify the theory of the uniform and non-uniform torsion. This paper focuses on warping due to the non-uniform torsion in double symmetric box girder and structural hollow section. The arisen stress states are explained and researched using the finite element method. Another research target is the distortion in double symmetric box girder due to torsion, and the restraining effect of transverse diaphragms at the load end. Multiple transverse diaphragms are used to study more efficient restraining against warping and distortion than a common one end plate structure.

Inductance Calculation of Tooth-Coil Permanent-Magnet Synchronous Machines

Analytical calculation methods for all the major components of the synchronous inductance of tooth-coil permanentmagnet synchronous machines are reevaluated in this paper. The inductance estimation is different in the tooth-coil machine compared with the one in the traditional rotating field winding machine. The accuracy of the analytical torque calculation highly depends on the estimated synchronous inductance. Despite powerful finite element method (FEM) tools, an accurate and fast analytical method is required at an early design stage to find an initialmachine design structure with the desired performance. The results of the analytical inductance calculation are verified and assessed in terms of accuracy with the FEM simulation results and with the prototype measurement results.

Pyörivien koneiden ruuviliitosten mitoitus ja mitoitusohjelman laadinta standardien mukaisesti

Työn tarkoituksena oli löytää pyörivien koneiden ruuviliitosten mitoittamiseen parhaiten soveltuva ja kansainvälisesti tunnettu laskentamenetelmä. Tavoitteena oli laatia luotettava mitoitusohjelma, jota käyttämällä suunnittelijoiden työ nopeutuu ja tulokset ovat yhtenäisiä. Työssä vertaillaan pääasiassa standardien EN 1993-1-8 ja VDI 2230 mukaisia ruuviliitosten mitoitusmenetelmiä. Vertailun perusteella standardin VDI 2230 mukainen systemaattinen laskentamenetelmä soveltuu sähkökoneiden vääntöä välittävien ruuviliitosten mitoittamiseen analyyttisistä menetelmistä parhaiten. Laadittu mitoitusohjelma mitoittaa yksittäisen ruuviliitoksen standardin VDI 2230 mukaisesti, antaen tulokseksi lujuustarkasteluraportin. Lujuustarkasteluraportista käy ilmi projektin tiedot, mitoituksen lähtötiedot, lujuustarkastelut, esikiristysmomentti ja kierteen toiminnallisen osan vähimmäispituus. Kehitetty mitoitusohjelma antaa johdonmukaisia tuloksia, mutta ruuvin nimellisulkohalkaisijan automaattinen valinta ei aina mitoita ruuvia riittävän suureksi, jolloin ruuvin nimellisulkohalkaisija on määritettävä manuaalisesti. Ohjelman käyttäminen on suoraviivaista ja nopeaa kun mitoitetaan pyörähdyssymmetrisiä laippaliitoksia, joihin vaikuttaa ainoastaan vääntömomentti. Jos liitokseen vaikuttaa ruuvien pituusakselien suuntainen voima, on liitoksen pelkistäminen yksittäisestä ruuvista koostuvaksi liitokseksi vaikeampaa ja pelkistämiseen saatetaan tarvita elementti-menetelmää.

Cost Reduction of Permanent Magnet Synchronous Machines

Electrical machine drives are the most electrical energy-consuming systems worldwide. The largest proportion of drives is found in industrial applications. There are, however many other applications that are also based on the use of electrical machines, because they have a relatively high efficiency, a low noise level, and do not produce local pollution. Electrical machines can be classified into several categories. One of the most commonly used electrical machine types (especially in the industry) is induction motors, also known as asynchronous machines. They have a mature production process and a robust rotor construction. However, in the world pursuing higher energy efficiency with reasonable investments not every application receives the advantage of using this type of motor drives. The main drawback of induction motors is the fact that they need slipcaused and thus loss-generating current in the rotor, and additional stator current for magnetic field production along with the torque-producing current. This can reduce the electric motor drive efficiency, especially in low-speed, low-power applications. Often, when high torque density is required together with low losses, it is desirable to apply permanent magnet technology, because in this case there is no need to use current to produce the basic excitation of the machine. This promotes the effectiveness of copper use in the stator, and further, there is no rotor current in these machines. Again, if permanent magnets with a high remanent flux density are used, the air gap flux density can be higher than in conventional induction motors. These advantages have raised the popularity of PMSMs in some challenging applications, such as hybrid electric vehicles (HEV), wind turbines, and home appliances. Usually, a correctly designed PMSM has a higher efficiency and consequently lower losses than its induction machine counterparts. Therefore, the use of these electrical machines reduces the energy consumption of the whole system to some extent, which can provide good motivation to apply permanent magnet technology to electrical machines. However, the cost of high performance rare earth permanent magnets in these machines may not be affordable in many industrial applications, because the tight competition between the manufacturers dictates the rules of low-cost and highly robust solutions, where asynchronous machines seem to be more feasible at the moment. Two main electromagnetic components of an electrical machine are the stator and the rotor. In the case of a conventional radial flux PMSM, the stator contains magnetic circuit lamination and stator winding, and the rotor consists of rotor steel (laminated or solid) and permanent magnets. The lamination itself does not significantly influence the total cost of the machine, even though it can considerably increase the construction complexity, as it requires a special assembly arrangement. However, thin metal sheet processing methods are very effective and economically feasible. Therefore, the cost of the machine is mainly affected by the stator winding and the permanent magnets. The work proposed in this doctoral dissertation comprises a description and analysis of two approaches of PMSM cost reduction: one on the rotor side and the other on the stator side. The first approach on the rotor side includes the use of low-cost and abundant ferrite magnets together with a tooth-coil winding topology and an outer rotor construction. The second approach on the stator side exploits the use of a modular stator structure instead of a monolithic one. PMSMs with the proposed structures were thoroughly analysed by finite element method based tools (FEM). It was found out that by implementing the described principles, some favourable characteristics of the machine (mainly concerning the machine size) will inevitable be compromised. However, the main target of the proposed approaches is not to compete with conventional rare earth PMSMs, but to reduce the price at which they can be implemented in industrial applications, keeping their dimensions at the same level or lower than those of a typical electrical machine used in the industry at the moment. The measurement results of the prototypes show that the main performance characteristics of these machines are at an acceptable level. It is shown that with certain specific actions it is possible to achieve a desirable efficiency level of the machine with the proposed cost reduction methods.

Sekaelementit absoluuttisten solmukoordinaattien menetelmässä

Tässä lisensiaatintyössä käsitellään sekaelementtien sovellusmahdollisuuksia absoluuttisten solmukoordinaattien menetelmässä. Absoluuttisten solmukoordinaattien menetelmä on uudentyyppinen lähestymistapa elementtimenetelmän elementtien koordinaattien määrittämiseksi ja sen yhtenä tavoitteena on tehostaa suuria siirtymiä tai kiertymiä sisältävien elementtien laskentatehokkuutta. Tässä työssä absoluuttisten solmukoordinaattien menetelmä esitellään pääpiirteittäin sekä annetaan esimerkkejä muutamista tyypillisimmistä elementeistä lausuttuna edellä mainittujen koordinaattien perusteella. Sekaelementeiksi kutsutaan elementtityyppejä, missä tuntemattomien muuttujien joukkoja on aina enemmän kuin yksi. Sekaelementit erottavat redusoitumattomista elementeistä siirtymäkentän sisältyminen muuttujaryhmään ja hybridielementeistä muuttujien identtiset ulottuvuudet. Sekaelementtejä käytetään esimerkiksi kokoonpuristumattomien materiaalien rakenneanalyyseissä, alentamaan elementiltä vaadittavia jatkuvuusehtoja tai mallintamaan ilmiöitä, missä fysikaaliset ominaisuudet ovat jostain syystä voimakkaasti toisistaan riippuvaisia. Tämän lisensiaatintyön kirjoittamiseksi on tehty tutkimusta sekaelementtien mahdollisuuksista toimia absoluuttisten solmukoordinaattien menetelmässä. Tutkimuksen tuloksena on saatu aikaan kaksi tässä työssä esiteltävää, varsin rajatun toimintakyvyn omaavaa sekaelementtityyppiä, joiden siirtymäkentät on määritelty globaalien koordinaattien suhteen sisältäen myös orientaatiotermit. Tutkimusaihe vaatii kuitenkin vielä paljon lisätyötä, ennen kuin sekaelementtityyppejä voidaan kauttaaltaan soveltaa absoluuttisten solmukoordinaattien menetelmällä toteutetuissa rakenneanalyyseissä.

Effect of loading type on the fatigue strength of symmetric and asymmetric welded joints made of ultra high strength steel

In this study, finite element analyses and experimental tests are carried out in order to investigate the effect of loading type and symmetry on the fatigue strength of three different non-load carrying welded joints. The current codes and recommendations do not give explicit instructions how to consider degree of bending in loading and the effect of symmetry in the fatigue assessment of welded joints. The fatigue assessment is done by using effective notch stress method and linear elastic fracture mechanics. Transverse attachment and cover plate joints are analyzed by using 2D plane strain element models in FEMAP/NxNastran and Franc2D software and longitudinal gusset case is analyzed by using solid element models in Abaqus and Abaqus/XFEM software. By means of the evaluated effective notch stress range and stress intensity factor range, the nominal fatigue strength is assessed. Experimental tests consist of the fatigue tests of transverse attachment joints with total amount of 12 specimens. In the tests, the effect of both loading type and symmetry on the fatigue strength is studied. Finite element analyses showed that the fatigue strength of asymmetric joint is higher in tensile loading and the fatigue strength of symmetric joint is higher in bending loading in terms of nominal and hot spot stress methods. Linear elastic fracture mechanics indicated that bending reduces stress intensity factors when the crack size is relatively large since the normal stress decreases at the crack tip due to the stress gradient. Under tensile loading, experimental tests corresponded with finite element analyzes. Still, the fatigue tested joints subjected to bending showed the bending increased the fatigue strength of non-load carrying welded joints and the fatigue test results did not fully agree with the fatigue assessment. According to the results, it can be concluded that in tensile loading, the symmetry of joint distinctly affects on the fatigue strength. The fatigue life assessment of bending loaded joints is challenging since it depends on whether the crack initiation or propagation is predominant.

Keskipakoispuhaltimen siipipyörän lujuusteknisen mitoituksen kehittäminen

Tässä työssä on tutkittu prosessipuhaltimena käytettävän keskipakoispuhaltimen lujuusteknistä mitoitusta. Työn tavoitteena on ollut luoda analyyttisiä laskentakaavoja Koja Oy:n käyttöön tulevaisuuden tuotekehityksen tueksi. Tavoitteena on ollut tutkia myös siipien ja etu- ja takalevyn kiinnityshitsejä ja antaa työkaluja siipipyörän väsymismitoitukseen. Kirjallisuuskatkauksessa löytyi muutamia raportoituja tapauksia, jossa keskipakoispuhallin on vaurioitunut käytön aikana. Yhtenäisenä tekijänä kaikille tapauksille on ollut hitsausliitoksen väsyminen. Väsyttävän kuormituksen raportoiduissa tapauksissa on aiheuttanut siipipyörän värähtely. Väsyminen on alkanut siiven kiinnitysliitoksista hitsin rajaviivalta, siipipyörän ulkokehältä. Siipipyörän analysointiin on käytetty analyyttisiä laskentakaavoja ja elementtimenetelmää. Analyyttisten laskentakaavojen tuottaminen on muuten monimutkaiselle rakenteelle hyvin työlästä ja aikaa vievää. Staattisessa tarkastelussa elementtimenetelmällä siipipyörän mallintamiseen on käytetty keskipintamallia. Lisäksi laskentatiedostojen kokoa on pystytty rajaamaan syklisesti symmetrisen rakenteen ansiosta. Siipipyörän väsymistarkastelu on suoritettu tehollisen lovijännityksen menetelmällä, jossa tarkasteltavan hitsin rajaviivoille ja juureen on elementtimenetelmässä mallinnettu r=1 mm suuruinen lovi, josta jännityksen on luettu. Elementtimenetelmässä laskentaohjelmistona on käytetty Abaqus 6.14.1 -laskentaohjelmistoa. Analyyttisten laskentakaavojen kehityksessä on päästy hyvin lähelle elementtimenetelmästä saatuja vastaavia tuloksia. Analyyttisten kaavojen antamat tulokset eroavat kuitenkin sen verran virhettä, että varsinainen tarkka laskenta on syytä suorittaa ennen lopullisen konstruktion määrittämistä. Tehollisella lovijännitysmenetelmällä on saatu määritettyä rakenteen kriittisin kohta, jonka kestoikä on 36 400 sykliä. Tutkimuksen pohjalta Koja Oy on saanut hyvät edellytykset jatkaa tutkimusta lopun tuoteperheen parantamiseen.