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.

High-Speed Solid-Rotor Induction Machine – Electromagnetic Calculation and Design

Within the latest decade high-speed motor technology has been increasingly commonly applied within the range of medium and large power. More particularly, applications like such involved with gas movement and compression seem to be the most important area in which high-speed machines are used. In manufacturing the induction motor rotor core of one single piece of steel it is possible to achieve an extremely rigid rotor construction for the high-speed motor. In a mechanical sense, the solid rotor may be the best possible rotor construction. Unfortunately, the electromagnetic properties of a solid rotor are poorer than the properties of the traditional laminated rotor of an induction motor. This thesis analyses methods for improving the electromagnetic properties of a solid-rotor induction machine. The slip of the solid rotor is reduced notably if the solid rotor is axially slitted. The slitting patterns of the solid rotor are examined. It is shown how the slitting parameters affect the produced torque. Methods for decreasing the harmonic eddy currents on the surface of the rotor are also examined. The motivation for this is to improve the efficiency of the motor to reach the efficiency standard of a laminated rotor induction motor. To carry out these research tasks the finite element analysis is used. An analytical calculation of solid rotors based on the multi-layer transfer-matrix method is developed especially for the calculation of axially slitted solid rotors equipped with wellconducting end rings. The calculation results are verified by using the finite element analysis and laboratory measurements. The prototype motors of 250 – 300 kW and 140 Hz were tested to verify the results. Utilization factor data are given for several other prototypes the largest of which delivers 1000 kW at 12000 min-1.

Streptavidin - A Versatile Binding Protein for Solid-Phase Immunoassays

Streptavidin, a tetrameric protein secreted by Streptomyces avidinii, binds tightly to a small growth factor biotin. One of the numerous applications of this high-affinity system comprises the streptavidin-coated surfaces of bioanalytical assays which serve as universal binders for straightforward immobilization of any biotinylated molecule. Proteins can be immobilized with a lower risk of denaturation using streptavidin-biotin technology in contrast to direct passive adsorption. The purpose of this study was to characterize the properties and effects of streptavidin-coated binding surfaces on the performance of solid-phase immunoassays and to investigate the contributions of surface modifications. Various characterization tools and methods established in the study enabled the convenient monitoring and binding capacity determination of streptavidin-coated surfaces. The schematic modeling of the monolayer surface and the quantification of adsorbed streptavidin disclosed the possibilities and the limits of passive adsorption. The defined yield of 250 ng/cm² represented approximately 65 % coverage compared with a modelled complete monolayer, which is consistent with theoretical surface models. Modifications such as polymerization and chemical activation of streptavidin resulted in a close to 10-fold increase in the biotin-binding densities of the surface compared with the regular streptavidin coating. In addition, the stability of the surface against leaching was improved by chemical modification. The increased binding densities and capacities enabled wider high-end dynamic ranges in the solid-phase immunoassays, especially when using the fragments of the capture antibodies instead of intact antibodies for the binding of the antigen. The binding capacity of the streptavidin surface was not, by definition, predictive of the low-end performance of the immunoassays nor the assay sensitivity. Other features such as non-specific binding, variation and leaching turned out to be more relevant. The immunoassays that use a direct surface readout measurement of time-resolved fluorescence from a washed surface are dependent on the density of the labeled antibodies in a defined area on the surface. The binding surface was condensed into a spot by coating streptavidin in liquid droplets into special microtiter wells holding a small circular indentation at the bottom. The condensed binding area enabled a denser packing of the labeled antibodies on the surface. This resulted in a 5 - 6-fold increase in the signal-to-background ratios and an equivalent improvement in the detection limits of the solid-phase immunoassays. This work proved that the properties of the streptavidin-coated surfaces can be modified and that the defined properties of the streptavidin-based immunocapture surfaces contribute to the performance of heterogeneous immunoassays.

Highly functional binding surface for miniaturised solid-phase immunoassays. - A spot story -

Several bioaffinity assays are based on the detection of an analyte which is bound on a solid substrate via biochemical interaction. These so called solid phase assays are based on the adhesion of the primary binding partner on a solid surface, which then binds the analyte to be detected. In this thesis work a novel solid phase based assay technology, known as spot technology, was developed. The spot technology is based on combination of high-capacity solid phases, concentrated in a spot format, utilising modified streptavidin molecules and recombinant antibody fragments. The reduction of the solid phase binding surface to a size of a spot enabled denser binding of the target molecules, providing improved signal intensities and signal-to-background ratio when applied in different solid phase immunoassays. Streptavidin-biotin interactions are commonly utilised in numerous different bioaffinity assays and the ultimate nature of streptavidin to bind biotin is among the strongest non-covalent interaction reported between two biomolecules. In this study native core streptavidin was chemically modified to provide polymerised streptavidin molecules with altered adsorption properties. These streptavidin conjugates, when coated onto polystyrene surface, provided enhanced biotin binding capacity and surface stability when compared to a reference coating constructed with native streptavidin. Furthermore, the combination of chemically modified streptavidin, sitespecifically biotinylated antibody fragments and the spot coating technology provided highly dense solid phase coating with improved binding properties. The performance of the spot assay technology was further demonstrated in different immunoassay configurations. Human thyroid stimulating hormone (TSH) and human cardiac troponin I (cTnI) were used as model analytes to show the applicability of the highly sensitive spot-based solid-phase immunoassay for detection of very low levels of analytes. It was demonstrated that the spot technology provided an assay concept with enhanced sensitivity and short turn-around times, characteristics that are highly suitable for point-of-care applications.

Palvelulogistiikan analysointimenetelmän mallinnus ja ideointi ateriapalvelutoiminnoissa

Ateriapalvelujen tuottamiseen sovellettua palvelulogistiikan tutkimustietoa on julkaistu hyvin rajallisesti eikä aihetta ole kovin laajalti tutkittu liiketoiminnan kehittämisen näkökulmasta. Tämän työn tavoitteena on mallintaa konsultointityöhön sopiva ateriapalvelulogistiikan analysointimenetelmä, jolla voidaan havainnoida ominaisuuksiltaan vastaavia tulevaisuuden asiakasprojekteja. Työssä selvitetään ensin kirjallisuustutkimuksen avulla aiheeseen sekä sen käsittelyyn sopivia tieteellisiä tutkimuksia ja julkaisuja. Aihetta tutkitaan arvon muodostumisen, kustannusvaikutusten sekä toimitusketjun kehittämisen näkökulmista. Lisäksi huomioidaan palvelujen ja palveluprosessien osuus palvelulogistiikan kehittämisessä. PALO -projektin suunnitelmassa kuvatulla tuotanto- ja kustannustehokkaalla keskuskeittiömallilla voidaan saavuttaa massaräätälöinnin etujen lisäksi myös nykytilaa ketterämpi tuotantoketju. Uusi palvelulogistiikkaketju vaikuttaa samalla myös arvoverkkoon sekä asiamuodostumiseen. Uudistusten avulla voidaan mahdollisesti säästää varoja ja samalla vapautuvia resursseja voidaan kohdistaa asiakastyytyväisyyttä lisääviin toimenpiteisiin. Mallinnettava menetelmä on osoittautunut havainnoidussa asiakasprojektissa toimivaksi. Menetelmää voidaan toki edelleen kehittää asiakasprojektien vaatimusten mukaan, mutta työssä on onnistuttu kuvaamaan toimiva menetelmän perusmalli.

Jatkuvatoimisen natriumhypokloriittireaktorin mallinnus

Natriumhypokloriittia voidaan valmistaa kloorista ja lipeästä jatkuvatoimisessa absorberissa. Tässä työssä tutkittiin kokeellisesti, miten kaasun ja nesteen virtausnopeudet vaikuttavat täytekappalekolonnin tulvimiseen ja painehäviöön, kuinka nopeasti kloori absorboituu lipeään ja kuinka suuri hypokloriittiliuoksen kierrätys tarvitaan, ettei hypokloriitti ala hajota. Lisäksi luotiin matemaattinen malli, jolla voidaan mitoittaa jatkuvatoiminen vastavirtaperiaatteella toimiva natriumhypokloriittireaktori. Kloori–lipeäsysteemin havaittiin tulvivan suuremmilla virtausnopeuksilla kuin ilma–vesisysteemin. Tosin osa kloorista absorboituu jo ennen täytekappalekerrosta, minkä vuoksi kaasun todellinen virtausnopeus täytekappalekerroksen alaosassa on pienempi kuin mitattu arvo. Kolonnin painehäviö nousee erittäin jyrkästi tulvimispisteen läheisyydessä. Koska kloori absorboituu lähes täydellisesti ja vain kolonnin alaosa tulvii, voidaan kolonnia painehäviön kannalta operoida lähellä tulvimispistettä. Sekä mallinnuksen että koetulosten perusteella yli 99,99 % kloorista absorboituu koeolosuhteissa kahden metrin täytekappalekerroksessa. Nopea absorptio johtuu erittäin nopeasta, irreversiibelistä kloorin reaktiosta ja prosessille tyypillisestä natriumhydroksidikonversion rajoittamisesta alle 94 %:iin. Jotta varmistetaan, ettei hypokloriitti ala hajota, valmista hypokloriittiliuosta täytyy kierrättää kolonniin vähintään noin 4-kertainen määrä tuoreen lipeän syöttömäärän nähden.

A three dimensional study of heat transfer in a supercritical circulating fluidized bed combustor

From the boiler design point of view, it is imperative to know and understand the operation of the boiler. Since comprehensive measurement of a large furnace is impossible, the furnace can be modeled in order to study its behavior and phenomena. This requires the used model to be validated to correspond with the physical furnace behavior. In this thesis, a three dimensional furnace model is validated to match a bituminous coal utilizing, supercritical once-through circulating fluidized bed combustor based on measurement data. The validated model is used for analyzing the furnace heat transfer. Other heat transfer analysis methods are energy balance method based on tube surface temperature measurements and a method based on measured temperature difference between the tube crest and the fin. The latter method was developed in the thesis using Fluent-software. In the theory part, literature is reviewed and the fundamental aspects of circulating fluidized bed are discussed. These aspects are solid particle behavior in fluidization known as hydrodynamics, behavior of fuel and combustion and heat transfer. Fundamental aspects of modeling are also presented.

Sadevälkkeen mallinnus ilmavalvontatutkajärjestelmää varten

Tutkat muodostavat Suomen rauhanajan ilmavalvonnan rungon. Ilmatilassa on lentokoneiden lisäksi paljon muitakin kohteita, jotka ilmavalvontatutka havaitsee. Naita ei toivottuja kaikuja kutsutaan välkkeeksi. Sadevälke on tilavuusvälkettä. Tämän työn tarkoituksena on löytää menetelmä tai malli, jolla voitaisiin mallintaa sadevälkkeen vaikutus ilmavalvontatutkassa. Toisaalta myös sadevälkkeen suodatus on työn keskeinen tavoite. Käytettyjä suodatusmenetelmiä olivat adaptiivinen suodatus ja doppler-suodatus. Suodinpankkiin eli doppler-suodatukseen lisättiin vielä CFAR Työn tuloksena voi todeta, että sadevälkkeen suodatus onnistui hyvin mutta itse sadevälkkeen mallintamista tulee kehittää edelleen. Työssä käytetyt menetelmät on esitetty algoritmimuodossa. Mittausaineiston keräys suoritettiin keskivalvontatutkalla ja SP-testerillä. Varsinaiset suodatuskokeet ja mallin testaus tehtiin Matlab-ohjelmistolla.

Palvelun mallinnus apuna ikääntyneiden palveluiden hankinnassa

Palvelun mallinnus on kehitetty uusien ja jo olemassa olevien palveluiden innovointiin ja kehittämiseen. Sen tarkoituksena on luoda palvelusta visuaalinen kuvaus, eli palvelukartta. Tutkielman tavoitteena on tutkia palvelun mallinnusta apuna ikääntyneiden palveluiden hankinnassa ja päätutkimuskysymyksenä on, miten ikääntyneiden palveluasumista voidaan mallintaa ja voidaanko mallinnuksen avulla verrata palvelua tarjouspyynnössä vaadittuun. Ikääntyneiden palveluista tutkittavaksi on valittu tehostettu palveluasuminen. Tutkimuskohteena on Espoon kaupunki ja sen tehostettua palveluasumista tarjoava palveluntuottaja, hoivakoti Villa Lauriina. Palveluntuottajan toiminnasta luodaan tutkielmassa palvelukartat, joita verrataan Espoon kaupungin palvelukonseptiin. Aineisto tutkielmaan on kerätty haastatteluilla sekä kyselytutkimuksella. Analysoinnin perusteella palvelun mallinnusta ei voi suoraan käyttää apuvälineenä palvelun vertaamisessa tarjouspyyntöön, tosin tuloksia ei voi yleistää, sillä kyselytutkimusta ei toteutettu tarpeeksi laajasti. Palvelun mallinnus on kuitenkin hyvä apuväline asiakas-lähtöisyyden korostamisessa palveluiden kehittämisessä ja hankinnassa.

Kestomagneettigeneraattorin lämmönsiirron mallinnus tuulivoimakäytössä

Pyörivien sähkökoneiden suunnittelussa terminen suunnittelu on yhtä tärkeää kuin sähköinen ja mekaaninen suunnittelukin. Tässä diplomityössä tarkoituksena on kehittää ilmajäähdytteisten kestomagneettigeneraattorien laskentaan soveltuva lämmönsiirtymismalli, jolla staattorin lämpötilajakauma voitaisiin selvittää. Kehitetty lämmönsiirtymismalli perustuu kolmiulotteiseen äärellisen erotuksen (finite difference) menetelmään. Malli ottaa huomioon lämmönjohtumisen staattorin aktiiviosissa ja konvektion jäähdytysilmavirtaan. Mallissa on myös yksinkertainen painehäviölaskenta jäähdytysjärjestelmän komponenttien mitoittamista varten. Laskentamallilla lasketaan esimerkkitapauksena 4,3 MW:n kestomagneettigeneraattorin jäähdytystä eri toimintapisteissä. Tuloksia verrataan CFD-mallinnuksen antamiin tuloksiin sekä kokeellisten mittausten antamiin tuloksiin.

LVDC-tiedonsiirtokanavan mallinnus

Yleisesti sähkönjakelussa käytettyä vaihtosähköä ollaan korvaamassa tasasähköllä pienjänniteverkoissa. Vaihtojännitteeseen verrattuna tasajännitteen käyttö mahdollistaa korkeampien jännitetasojen käytön ja paremman sähkönlaadun ja sitä kautta paremman käyttövarmuuden. Sähköverkossa käytettävien muuntajien ja suuntaajien osalta tarvitaan uudenlaisia rakenteita ja kehitystä, että tasajännitejakelun käyttöönotto olisi mahdollista. Oikeiden ratkaisujen löytämiseksi on tehty jo paljon tutkimusta, mutta valmiita järjestelmiä ei vielä ole laajemmin otettu käyttöön. Tasajänniteverkot tarvitsevat myös ohjauksen, säädön ja valvonnan takia tiedonsiirto-ominaisuuksia. Tietoa on mahdollista siirtää samassa kaapelissa, jota käytetään myös sähkön siirtoon. Haasteita asettavat mm. kaapeliin kytketyminen ja tiedonsiirtokanavassa esiintyvät häiriöt. Työssä muodostetaan malli tiedonsiirtokanavasta, jonka avulla voidaan mallintaa verkon käyttäytymistä eri taajuuksilla sekä simuloida sähköverkkoon muodostettavia tiedonsiirtokanavia.

Biomassan termisen konversion ja palamisen mallinnus leijupetikattilassa

Tässä tutkimusraportissa käsitellään eri biopolttoaineiden ominaisuuksia sekä biomassan termistä konversiota ja palamista. Erityisesti tutkimuksessa keskitytään edellä mainittuja prosesseja kuvaaviin malleihin. Tutkimuksessa käydään lyhyesti läpi myös biopolttoaineiden palamisesta syntyviin päästöihin sekä polton seurauksena aiheutuviin ongelmiin liittyviä ilmiöitä. Tavoitteena on tiivistää ja tuoda esille olennaisimpia biomassan palamiseen liittyviä prosesseja. Työssä keskitytään vain tiettyihin, kohdassa 2.3 esiteltyihin biopolttoaineisiin. Sen lisäksi tarkastelu kohdistetaan erityisesti leijupetikattiloihin, joiden on koetulosten perusteella osoitettu soveltuvan hyvin erilaisten biomassojen polttoon.

Cuticular and Suberin Polymers of Edible Plants. Analysis by Gas Chromatographic-Mass Spectrometric and Solid State Spectroscopic Methods

Cutin and suberin are structural and protective polymers of plant surfaces. The epidermal cells of the aerial parts of plants are covered with an extracellular cuticular layer, which consists of polyester cutin, highly resistant cutan, cuticular waxes and polysaccharides which link the layer to the epidermal cells. A similar protective layer is formed by a polyaromatic-polyaliphatic biopolymer suberin, which is present particularly in the cell walls of the phellem layer of periderm of the underground parts of plants (e.g. roots and tubers) and the bark of trees. In addition, suberization is also a major factor in wound healing and wound periderm formation regardless of the plants’ tissue. Knowledge of the composition and functions of cuticular and suberin polymers is important for understanding the physiological properties for the plants and for nutritional quality when these plants are consumed as foods. The aims of the practical work were to assess the chemical composition of cuticular polymers of several northern berries and seeds and suberin of two varieties of potatoes. Cutin and suberin were studied as isolated polymers and further after depolymerization as soluble monomers and solid residues. Chemical and enzymatic depolymerization techniques were compared and a new chemical depolymerization method was developed. Gas chromatographic analysis with mass spectrometric detection (GC-MS) was used to assess the monomer compositions. Polymer investigations were conducted with solid state carbon-13 cross polarization magic angle spinning nuclear magnetic resonance spectroscopy (13C CP-MAS NMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and microscopic analysis. Furthermore, the development of suberin over one year of post-harvest storage was investigated and the cuticular layers from berries grown in the North and South of Finland were compared. The results show that the amounts of isolated cuticular layers and cutin monomers, as well as monomeric compositions vary greatly between the berries. The monomer composition of seeds was found to differ from the corresponding berry peel monomers. The berry cutin monomers were composed mostly of long-chain aliphatic ω-hydroxy acids, with various mid-chain functionalities (double-bonds, epoxy, hydroxy and keto groups). Substituted α,ω-diacids predominated over ω-hydroxy acids in potato suberin monomers and slight differences were found between the varieties. The newly-developed closed tube chemical method was found to be suitable for cutin and suberin analysis and preferred over the solvent-consuming and laborious reflux method. Enzymatic hydrolysis with cutinase was less effective than chemical methanolysis and showed specificity towards α,ω-diacid bonds. According to ₁₃C CP-MAS NMR and FTIR, the depolymerization residues contained significant amounts of aromatic structures, polysaccharides and possible cutan-type aliphatic moieties. Cultivation location seems to have effect on cuticular composition. The materials studied contained significant amounts of different types of biopolymers that could be utilized for several purposes with or without further processing. The importance of the so-called waste material from industrial processes of berries and potatoes as a source of either dietary fiber or specialty chemicals should be further investigated in detail. The evident impact of cuticular and suberin polymers, among other fiber components, on human health should be investigated in clinical trials. These by-product materials may be used as value-added fiber fractions in the food industry and as raw materials for specialty chemicals such as lubricants and emulsifiers, or as building blocks for novel polymers.

Investigation of Oxygen Cutting Process in Solid-State Welding

The oxygen cutting is a thermal cutting process, in which metal is heated locally up to its ignition temperature and burnt off by oxygen blast. Oxygen cutting can be used to remove upset metal of a hollow bar occurred due to solid-state welding process. The main goal of this research was to establish a connection between oxygen blasts and mass of metal removed and relate findings to production to suggest improvements to the current process. This master´s thesis describes the designing and building of a test rig for oxygen blowing measurements. It also contains all executed tests and test results, which were carried out. There are different cutting parameters which were studied as well as their effect on cutting process. The oxygen cutting process, used in solid-state welding process, can be improved by the test results.