Literature review on permanent magnet generators design and dynamic behavior

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

A Practical Micro Mechanical Model Based Local Approach Methodology for the Analysis of Ductile Fracture of Welded T-Joints

This thesis concentrates on developing a practical local approach methodology based on micro mechanical models for the analysis of ductile fracture of welded joints. Two major problems involved in the local approach, namely the dilational constitutive relation reflecting the softening behaviour of material, and the failure criterion associated with the constitutive equation, have been studied in detail. Firstly, considerable efforts were made on the numerical integration and computer implementation for the non trivial dilational Gurson Tvergaard model. Considering the weaknesses of the widely used Euler forward integration algorithms, a family of generalized mid point algorithms is proposed for the Gurson Tvergaard model. Correspondingly, based on the decomposition of stresses into hydrostatic and deviatoric parts, an explicit seven parameter expression for the consistent tangent moduli of the algorithms is presented. This explicit formula avoids any matrix inversion during numerical iteration and thus greatly facilitates the computer implementation of the algorithms and increase the efficiency of the code. The accuracy of the proposed algorithms and other conventional algorithms has been assessed in a systematic manner in order to highlight the best algorithm for this study. The accurate and efficient performance of present finite element implementation of the proposed algorithms has been demonstrated by various numerical examples. It has been found that the true mid point algorithm (a = 0.5) is the most accurate one when the deviatoric strain increment is radial to the yield surface and it is very important to use the consistent tangent moduli in the Newton iteration procedure. Secondly, an assessment of the consistency of current local failure criteria for ductile fracture, the critical void growth criterion, the constant critical void volume fraction criterion and Thomason's plastic limit load failure criterion, has been made. Significant differences in the predictions of ductility by the three criteria were found. By assuming the void grows spherically and using the void volume fraction from the Gurson Tvergaard model to calculate the current void matrix geometry, Thomason's failure criterion has been modified and a new failure criterion for the Gurson Tvergaard model is presented. Comparison with Koplik and Needleman's finite element results shows that the new failure criterion is fairly accurate indeed. A novel feature of the new failure criterion is that a mechanism for void coalescence is incorporated into the constitutive model. Hence the material failure is a natural result of the development of macroscopic plastic flow and the microscopic internal necking mechanism. By the new failure criterion, the critical void volume fraction is not a material constant and the initial void volume fraction and/or void nucleation parameters essentially control the material failure. This feature is very desirable and makes the numerical calibration of void nucleation parameters(s) possible and physically sound. Thirdly, a local approach methodology based on the above two major contributions has been built up in ABAQUS via the user material subroutine UMAT and applied to welded T joints. By using the void nucleation parameters calibrated from simple smooth and notched specimens, it was found that the fracture behaviour of the welded T joints can be well predicted using present methodology. This application has shown how the damage parameters of both base material and heat affected zone (HAZ) material can be obtained in a step by step manner and how useful and capable the local approach methodology is in the analysis of fracture behaviour and crack development as well as structural integrity assessment of practical problems where non homogeneous materials are involved. Finally, a procedure for the possible engineering application of the present methodology is suggested and discussed.

Real-Time Simulation of Mobile and Industrial Machines Using the Multibody Simulation Approach

This thesis introduces a real-time simulation environment based on the multibody simulation approach. The environment consists of components that are used in conventional product development, including computer aided drawing, visualization, dynamic simulation and finite element software architecture, data transfer and haptics. These components are combined to perform as a coupled system on one platform. The environment is used to simulate mobile and industrial machines at different stages of a product life time. Consequently, the demands of the simulated scenarios vary. In this thesis, a real-time simulation environment based on the multibody approach is used to study a reel mechanism of a paper machine and a gantry crane. These case systems are used to demonstrate the usability of the real-time simulation environment for fault detection purposes and in the context of a training simulator. In order to describe the dynamical performance of a mobile or industrial machine, the nonlinear equations of motion must be defined. In this thesis, the dynamical behaviour of machines is modelled using the multibody simulation approach. A multibody system may consist of rigid and flexible bodies which are joined using kinematic joint constraints while force components are used to describe the actuators. The strength of multibody dynamics relies upon its ability to describe nonlinearities arising from wearing of the components, friction, large rotations or contact forces in a systematic manner. For this reason, the interfaces between subsystems such as mechanics, hydraulics and control systems of the mechatronic machine can be defined and analyzed in a straightforward manner.

Calculation of the critical crack size for cold form rectangular hollow section tube (CRHS) under bending load at -40º C temperature

To predict the capacity of the structure or the point which is followed by instability, calculation of the critical crack size is important. Structures usually contain several cracks but not necessarily all of these cracks lead to failure or reach the critical size. So, defining the harmful cracks or the crack size which is the most leading one to failure provides criteria for structure’s capacity at elevated temperature. The scope of this thesis was to calculate fracture parameters like stress intensity factor, the J integral and plastic and ultimate capacity of the structure to estimate critical crack size for this specific structure. Several three dimensional (3D) simulations using finite element method by Ansys program and boundary element method by Frank 3D program were carried out to calculate fracture parameters and results with the aid of laboratory tests (loaddisplacement curve, the J resistance curve and yield or ultimate stress) leaded to extract critical size of the crack. Two types of the fracture which is usually affected by temperature, Elastic and Elasti-Plastic fractures were simulated by performing several linear elastic and nonlinear elastic analyses. Geometry details of the weldment; flank angle and toe radius were also studied independently to estimate the location of crack initiation and simulate stress field in early stages of crack extension in structure. In this work also overview of the structure’s capacity in room temperature (20 ºC) was studied. Comparison of the results in different temperature (20 ºC and -40 ºC) provides a threshold of the structure’s behavior within the defined range.

Moottoripyörän rungon muuntelun valvontakriteerit muutoskatsastuksessa

Muutoskatsastusta koskeva lainsäädäntö aiheuttaa tulkintavaikeuksia ja rajoitteita moottoripyöräharrastajille ja alan toimijoille. Nykyinen asetus edellyttää tarvittaessa asiantuntijaselvitystä rakennemuutoksen lujuudesta ja hitsaustyöstä. Moottoripyörän geometria on laissa rajattu akselivälin ja emäputken kulman osalta. Moottoripyörien runkoja valmistetaan hitsaamalla seostamattomista teräksistä ja lämpökäsiteltävistä alumiini- ja terässeoksista. Runkojen muuntelu suoritetaan myös yleisesti hitsaamalla. Turvallisuuden kannalta tärkeiltä hitsausliitoksilta vaaditaan hyvää laatua, joka saavutetaan oikeilla hitsausparametreilla ja -suorituksella. Vaatimukset seostamattomalle teräkselle voidaan täyttää pätevöityneen hitsaajan toimesta. Lämpökäsiteltävät seokset vaativat lisäksi jälkilämpökäsittelyn, mikä edelleen vaikeuttaa runkojen hitsausta. Hitsien laadun merkitystä moottoripyörän rungossa tutkittiin soveltamalla rajoitetun vahingon periaatetta. Vauriotapauksena mallinnettiin satunnaisen rungon hitsausliitoksen murtuminen. Eri kuormitustilanteissa elementtimenetelmää hyödyntäen todettiin chopper-tyyppisten moottoripyörien runkojen olevan osittain vauriosietoisia ja havaittiin kriittiset hitsausliitokset emä- ja vaakaputken alueilla. Moottoripyörien runkojen kriittisiä hitsausliitoksia tarkasteltiin väsymisen kannalta. Soveltamalla tehollista lovijännitystä, vertailtiin emäputken hitsausliitosten väsymiskestävyyttä oletetulla kuormituksella. Tulosten perusteella muunneltu moottoripyörän runko voi olla alkuperäisrunkoa kestävämpi tai heikompi. Moottoripyörän akseliväli tai emäputken kulma eivät määrää kestävyyttä, vaan rakenteen yksityiskohtainen suunnittelu. Kriittisten liitosten väsymiskestävyyksissä havaittiin merkittäviä eroja eri mallien välillä.

On the Application of Beam on Elastic Foundation Theory to the Analysis of Stiffened Plate Strips

The main objective of this thesis is to show that plate strips subjected to transverse line loads can be analysed by using the beam on elastic foundation (BEF) approach. It is shown that the elastic behaviour of both the centre line section of a semi infinite plate supported along two edges, and the free edge of a cantilever plate strip can be accurately predicted by calculations based on the two parameter BEF theory. The transverse bending stiffness of the plate strip forms the foundation. The foundation modulus is shown, mathematically and physically, to be the zero order term of the fourth order differential equation governing the behaviour of BEF, whereas the torsion rigidity of the plate acts like pre tension in the second order term. Direct equivalence is obtained for harmonic line loading by comparing the differential equations of Levy's method (a simply supported plate) with the BEF method. By equating the second and zero order terms of the semi infinite BEF model for each harmonic component, two parameters are obtained for a simply supported plate of width B: the characteristic length, 1/ λ, and the normalized sum, n, being the effect of axial loading and stiffening resulting from the torsion stiffness, nlin. This procedure gives the following result for the first mode when a uniaxial stress field was assumed (ν = 0): 1/λ = √2B/π and nlin = 1. For constant line loading, which is the superimposition of harmonic components, slightly differing foundation parameters are obtained when the maximum deflection and bending moment values of the theoretical plate, with v = 0, and BEF analysis solutions are equated: 1 /λ= 1.47B/π and nlin. = 0.59 for a simply supported plate; and 1/λ = 0.99B/π and nlin = 0.25 for a fixed plate. The BEF parameters of the plate strip with a free edge are determined based solely on finite element analysis (FEA) results: 1/λ = 1.29B/π and nlin. = 0.65, where B is the double width of the cantilever plate strip. The stress biaxial, v > 0, is shown not to affect the values of the BEF parameters significantly the result of the geometric nonlinearity caused by in plane, axial and biaxial loading is studied theoretically by comparing the differential equations of Levy's method with the BEF approach. The BEF model is generalised to take into account the elastic rotation stiffness of the longitudinal edges. Finally, formulae are presented that take into account the effect of Poisson's ratio, and geometric non linearity, on bending behaviour resulting from axial and transverse inplane loading. It is also shown that the BEF parameters of the semi infinite model are valid for linear elastic analysis of a plate strip of finite length. The BEF model was verified by applying it to the analysis of bending stresses caused by misalignments in a laboratory test panel. In summary, it can be concluded that the advantages of the BEF theory are that it is a simple tool, and that it is accurate enough for specific stress analysis of semi infinite and finite plate bending problems.

Concentrated Winding Multiphase Permanent Magnet Machine Design and Electromagnetic Properties – Case Axial Flux Machine

Concentrated winding permanent magnet machines and their electromagnetic properties are studied in this doctoral thesis. The thesis includes a number of main tasks related to the application of permanent magnets in concentrated winding open slot machines. Suitable analytical methods are required for the first design calculations of a new machine. Concentrated winding machines differ from conventional integral slot winding machines in such a way that adapted analytical calculation methods are needed. A simple analytical model for calculating the concentrated winding axial flux machines is provided. The next three main design tasks are discussed in more detail in the thesis. The magnetic length of the rotor surface magnet machines is studied, and it is shown that the traditional methods have to be modified also in this respect. An important topic in this study has been to evaluate and minimize the rotor permanent magnet Joule losses by using segmented magnets in the calculations and experiments. Determination of the magnetizing and leakage inductances for a concentrated winding machine and the torque production capability of concentrated winding machines with different pole pair numbers are studied, and the results are compared with the corresponding properties of integral slot winding machines. The thesis introduces a new practical permanent magnet motor type for industrial use. The special features of the machine are based on the option of using concentrated winding open slot constructions of permanent magnet synchronous machines in the normal speed ranges of industrial motors, for instance up to 3000 min-1, without excessive rotor losses. By applying the analytical equations and methods introduced in the thesis, a 37 kW 2400 min-1 12-slot 10-pole axial flux machine with rotor-surfacemounted magnets is designed. The performance of the designed motor is determined by experimental measurements and finite element calculations.

Azimuth thrusterin rungon lujuustekninen tarkastelu

Työssä perehdyttiin azimuth potkurilaitteen rakenteelliseen kestävyyteen vaikuttaviin seikkoihin. Työn tavoitteena oli tutkia eri rakenneratkaisuja ja yksityiskohtia sekä niiden vaikutusta koko potkurilaitteen toimintaan. Potkurilaitteiden lujuustekninen tarkastelu sisälsi rakenteen eheyden tarkistuksen mekaanisten kuormitusten alla kuin myös värähtelykäyttäytymisen tutkimisen. Tarkastelun pääsääntöinen kohde oli potkurilaitteen alarunko, eli laivan ulkopuolelle jäävä osa. Diplomityö oli osa kahden uuden potkurilaitteen kehitysprojektia. Projektissa esiin tulleita rakennemuutoksia vertailtiin vanhoihin, jo toteutettuihin rakenneyksityiskohtiin. Lisäksi tutkittiin olemassa olevien rakenneratkaisujen hyödyntämistä uusissa laitteissa. Huomiota kiinnitettiin myös hitsien muotoiluun ja näiden mitoituskäytäntöihin. Rungon ehyyttä koskevat laskelman ovat hyvin pitkälti suoritettu elementtimenetelmää apuna käyttäen. Elementtimenetelmää varten luotiin useita malleja kattaen kokonaisia potkurilaittee runkoja kuin myös sen yksittäisiä osia. Elementtimenetelmän avulla saatuja tuloksia vertailtiin käytettävissä oleviin mittaustuloksiin. Työssä havaittiin potkurilaitteen rungon mitoittavaksi tekijäksi staattisessa tilanteessa muodostuvan voimansiirtolinja ja siinä sijaitsevien hammaspyörien siirtymät. Tämän seurauksena rungon taipumat ovat määräävämpiä geometrian kannalta kuin materiaalien sallitut jännitykset.

Kestomagneettigeneraattorin staattorin mekaanisen rakenteen analysointi ja kehitys

Työssä tutkittiin kestomagneettigeneraattorin staattoriytimen aksiaalisen puristamisen ja lämpötilan vaikutuksia staattorin jännityksiin ja muodonmuutoksiin. Lisäksi tutkittiin aksiaalisen puristusjännityksen vaikutusta staattorin aksiaalisuuntaisen ominaismuodon taajuuteen. Rakenteesta tehtiin elementtimalli, jonka avulla laskettiin rakenteen siirtymät, jännitykset ja ominaistaajuudet. Rakenteen jännityksiä ja siirtymiä tutkittiin myös yksinkertaisella jousikuvauksella, jonka tuloksia verrattiin elementtimallilla saatuihin tuloksiin. Työn tavoitteena oli kehittää uusi staattorirakenne. Elementtimenetelmän tulosten perusteella staattorirakennetta voidaan yksinkertaistaa poistamalla nyt käytetty puristusrengas, jolloin rakenteesta tulee yksinkertaisempi ja kustannustehokkaampi.

Polymeeripinnoitteen aiheuttamat itseherätteiset värähtelyt nipillisessä telasysteemissä

Lukuisissa teollisuussovelluksissa materiaalien, kuten paperin ja teräslevyjen, muokkaamiseen käytettävät pyörivät nippitelat kärsivät aina erilaisten herätteiden synnyttämistä mekaanisista värähtelyistä, jotka voivat aiheuttaa virheitä valmistettaviin tuotteisiin. Tässä työssä tutkittiin viskoelastisia polymeerejä ja polymeeripinnoitteen nipilliseen telasysteemiin synnyttämiä haitallisia itseherätteisiä värähtelyjä. Työn polymeerejä käsittelevässä kirjallisuusosassa luotiin katsaus amorfisten polymeerien fysikaalisiin ominaisuuksiin. Kokeellisessa osuudessa tutkittiin tarkemmin kahden amorfisen telapinnoitepolymeerin termoreologisia ja mekaanisia ominaisuuksia suoritettujen DMTA-mittausten perusteella. Sovittamalla toisen polymeerin master-käyrään yleistetty lineaarisen standardiaineen malli saatiin selville polymeerin mekaaniset parametrit ja approksimaatio sen relaksaatiospektrille. Telapinnoitteen nipilliseen systeemiin synnyttämiä itseherätteisiä värähtelyjä ja niiden seurauksia tarkasteltiin kahdelle telalle ja polymeeripinnoitteelle kehitetyn analyyttisen mallin ja numeeristen laskujen avulla. Pinnoite mallinnettiin lineaarisen standardiaineen mukaisesti. Telasysteemin parametrit määritettiin DMTA-mittaustuloksista ja systeemiä vastaavasta koelaitteesta kokeellisella moodianalyysillä ja elementtimenetelmällä. Numeerisesta stabiilisuusanalyysistä ja liikeyhtälöiden integroinneista saadut tulokset kertovat telapinnoitteen aaltomaisista deformaatiomuodoista ja niiden synnyttämistä taajuusalueittain esiintyvistä epästabiileista värähtelyistä. Telasysteemi on epästabiili pinnoitedeformaatiokuvion systeemiin aiheuttaman herätevoiman taajuuden ollessa lähellä systeemin korkeampaa ominaistaajuutta. Numeerisista tuloksista voitiin ennustaa nopean ja hitaan barringin olemassaolo.

Ultrakevyen rahtialuksen kansiluukkujen sekä luukkujen siirto- ja varastointijärjestelmän suunnittelu hyödyntäen kevytrakennekonsepteja

Tämän työn tarkoituksena oli tutkia miten rahtialuksen kansiluukut voitaisiin valmistaa mahdollisimman kevyiksi. Katettavan ruuman pinta-ala on n. 10 m x 40 m. Luukkujen suuresta jännevälistä johtuen, rakenteelta vaaditaan suurta jäykkyyttä. Erilaisina vaihtoehtoina tutkittiin vaahtomaista alumiinia, alumiinisia kennorakenteita ja polyuretaanisia sandwich-rakenteita. Työssä vertailtiin myös erilaisia geometrisia ratkaisuja, joilla kansiluukkujen jäykkyyttä pyrittiin lisäämään ja sitä kautta pääsemään pienempään materiaalin tarpeeseen. Geometriaa suunniteltaessa huomioitiin myös vaikutukset ruuman tilavuuteen ja lainsäädännön asettamat reunaehdot. Lainsäädännöstä saatiin esimerkiksi turvakaiteiden minimikorkeus, joka vaikuttaa suoraan ruuman tilavuuteen, kun aluksen korkeimmaksi kohdaksi on valittu laivan keskilinja ja tämä korkeus on annettu suunnittelun lähtötietona. Tietokoneavusteisen lujuuslaskennan avulla eri vaihtoehdoista muodostettiin elementtimallit. Malleja varioimalla ja tuloksia vertailemalla saatiin selville kevyin mahdollinen rakenne ja geometria. Malleista saatiin selville myös luukkujen tukireaktiovoimat, eli voimat, jotka luukut kohdistavat aluksen muihin rakenteisiin. Lisäksi työssä mietittiin erilaisia tapoja ruuman avaamiseen ja avaamistavan vaikutusta kansiluukkujen painoon, geometriaan ja ruuman tilavuuteen.

Kokeellisen moodianalyysin jälkikäsittely ominaismuotojen visuaaliseksi tarkastelemiseksi

Kokeellinen moodianalyysi on kokeellinen menetelmä, jolla voidaan selvittää rakenteille ominaista värähtelyä. Työssä oli kolme tavoitetta, jotka pyrittiin saavuttamaan. Ensimmäinen tavoite oli ohjeistuksen luominen rakenteiden ominaismuotojen visuaaliseksi tarkastelemiseksi Lappeenrannan teknillisellä yliopistolla käytettävissä olevilla laitteistoilla ja ohjelmilla. Ohjeistuksen perustana on ajatus siitä, että kokeellinen moodianalyysi saataisiin tehokkaampaan käyttöön koneensuunnittelun opetuksessa. Ohjeistus tehtiin pääasiassa kuvien ja kuvia tukevien selitysten avulla. Työn toisena tavoitteena oli verrata rakenteen ominaisvärähtelyä, kun se oli tuettu vapaasti ja kun se oli tuettu kiinteästi sen luonnolliseen ympäristöön. Taajuuksia verrattaessa huomattiin, että eri tavoin tuetut rakenteet käyttäytyvät eri tavalla, mikä on otettava huomioon, kun tutkitaan kriittisiä värähtelyjä. Ominaisvärähtelyjä voidaan selvittää myös matemaattisesti esimerkiksi äärellisten elementtien menetelmällä. Työn kolmantena tavoitteena oli verrata elementtimenetelmällä ja kokeellisesti saatuja ominaisvärähtelyn arvoja. Elementtimallia pyrittiin tarkentamaan eri parametrejä muuttamalla niin, että ominaistaajuuksien arvot vastaavat mahdollisimman hyvin toisiaan. Tavoite saavutettiin.

Henkilöauton korin mallintaminen virtuaalitestejä varten

Nykyään auton korien tuotekehitysprosessissa jää hyvin vähän aikaa korin rakenteiden optimointiin. Rakenteiden optimointi tehdään virtuaalitestauksen avulla siten, että yhdellä elementtimallilla tehdään erilaisia testejä ja optimoidaan useita omaisuuksia samanaikaisesti. Tässä tutkimuksessa tavoitteena on kehittää auton korin FEM-malli, jolla voidaan suorittaa mahdollisimman monta erilaista virtuaalitestiä. Rakennetun mallin toimivuutta testattiin tekemällä sille ympäriajoturvallisuustesti ja saatuja tuloksia verrattiin oikean auton testiin.

Ultralujasta teräksestä valmistetun liitoksen pienahitsin staattinen kestävyys

Ultralujat teräkset ovat teräksiä, joiden lujuus on reilusti suurempi verrattuna perinteisiin rakenneteräksiin. Niiden ominaisuuksia hyödynnetään eniten nosto- ja kuljetusvälinete¬ollisuudessa. Ultralujien terästen käyttö avaa suunnittelijalle uusia mahdollisuuksia suun¬nitella ulottuvampia ja kevyempiä rakenteita, jolloin voidaan saavuttaa säästöjä niin val¬mistus- kuin polttoainekustannuksissakin. Ultralujille teräksille ei kuitenkaan ole ole¬massa niitä vastaavia suunnitteluohjeita tai standardeja. Teräsrakenteiden liitosten suun¬nitteluun mitoitusohjeita antava standardi SFS-EN 1993-1-8 ei huomioi teräksiä, joiden myötölujuus on yli 460 MPa. SFS-EN 1993-1-12 on 1993-1-8:n laajennus, joka on voi¬massa myötölujuuteen 700 MPa asti. Tässä diplomityössä tutkittiin ultralujista teräksistä valmistettujen pienahitsiliitosten käyttäytymistä vetokokeiden ja elementtimenetelmän avulla. Tulosten avulla voitiin mää¬rittää matalalujuuksisten terästen mitoitusohjeiden soveltuvuutta ultralujille teräksille. Kokeissa käytetty teräs oli Ruukin valmistama Optim 960 QC.

Permanent Magnet Synchronous Machine for Parallel Hybrid Vehicle

The aim of this thesis is to describe hybrid drive design problems, the advantages and difficulties related to the drive. A review of possible hybrid constructions, benefits of parallel, series and series-parallel hybrids is done. In the thesis analytical and finite element calculations of permanent magnet synchronous machines with embedded magnets were done. The finite element calculations were done using Cedrat’s Flux 2D software. This machine is planned to be used as a motor-generator in a low power parallel hybrid vehicle. The boundary conditions for the design were found from Lucas-TVS Ltd., India. Design Requirements, briefly: • The system DC voltage level is 120 V, which implies Uphase = 49 V (RMS) in a three phase system. • The power output of 10 kW at base speed 1500 rpm (Torque of 65 Nm) is desired. • The maximum outer diameter should not be more than 250 mm, and the maximum core length should not exceed 40 mm. The main difficulties which the author met were the dimensional restrictions. After having designed and analyzed several possible constructions they were compared and the final design selected. Dimensioned and detailed design is performed. Effects of different parameters, such as the number of poles, number of turns and magnetic geometry are discussed. The best modification offers considerable reduction of volume.