Effects of Obesity and Weight Loss Following Bariatric Surgery on Brain Function, Structural Integrity and Metabolism

Obesity is one of the key challenges to health care system worldwide and its prevalence is estimated to rise to pandemic proportions. Numerous adverse health effects follow with increasing body weight, including increased risk of hypertension, diabetes, hypercholesterolemia, musculoskeletal pain and cancer. Current evidence suggests that obesity is associated with altered cerebral reward circuit functioning and decreased inhibitory control over appetitive food cues. Furthermore, obesity causes adverse shifts in metabolism and loss of structural integrity within the brain. Prior cross-sectional studies do not allow delineating which of these cerebral changes are recoverable after weight loss. We compared morbidly obese subjects with healthy controls to unravel brain changes associated with obesity. Bariatric surgery was used as an intervention to study which cerebral changes are recoverable after weight loss. In Study I we employed functional magnetic resonance imaging (fMRI) to detect the brain basis of volitional appetite control and its alterations in obesity. In Studies II-III we used diffusion tensor imaging (DTI) and voxel-based morphometry (VBM) to quantify the effects of obesity and the effects of weight loss on structural integrity of the brain. In study IV we used positron emission tomography (PET) with [18F]-FDG in fasting state and during euglycemic hyperinsulinemia to quantify effects of obesity and weight loss on brain glucose uptake. The fMRI experiment revealed that a fronto-parietal network is involved in volitional appetite control. Obese subjects had lower medial frontal and dorsal striatal brain activity during cognitive appetite control and increased functional connectivity within the appetite control circuit. Obese subjects had initially lower grey matter and white matter densities than healthy controls in VBM analysis and loss of integrity in white matter tracts as measured by DTI. They also had initially elevated glucose metabolism under insulin stimulation but not in fasting state. After the weight loss following bariatric surgery, obese individuals’ brain volumes recovered and the insulin-induced increase in glucose metabolism was attenuated. In conclusion, obesity is associated with altered brain function, coupled with loss of structural integrity and elevated glucose metabolism, which are likely signs of adverse health effects to the brain. These changes are reversed by weight loss after bariatric surgery, implicating that weight loss has a causal role on these adverse cerebral changes. Altogether these findings suggest that weight loss also promotes brain health.Key words: brain, obesity, bariatric surgery, appetite control, structural magnetic resonance

Energy and raw material consumption analysis of powder bed fusion: case study: CNC machining and laser additive manufacturing

Laser additive manufacturing (LAM), known also as 3D printing, is a powder bed fusion (PBF) type of additive manufacturing (AM) technology used to manufacture metal parts layer by layer by assist of laser beam. The development of the technology from building just prototype parts to functional parts is due to design flexibility. And also possibility to manufacture tailored and optimised components in terms of performance and strength to weight ratio of final parts. The study of energy and raw material consumption in LAM is essential as it might facilitate the adoption and usage of the technique in manufacturing industries. The objective this thesis was find the impact of LAM on environmental and economic aspects and to conduct life cycle inventory of CNC machining and LAM in terms of energy and raw material consumption at production phases. Literature overview in this thesis include sustainability issues in manufacturing industries with focus on environmental and economic aspects. Also life cycle assessment and its applicability in manufacturing industry were studied. UPLCI-CO2PE! Initiative was identified as mostly applied exiting methodology to conduct LCI analysis in discrete manufacturing process like LAM. Many of the reviewed literature had focused to PBF of polymeric material and only few had considered metallic materials. The studies that had included metallic materials had only measured input and output energy or materials of the process and compared to different AM systems without comparing to any competitive process. Neither did any include effect of process variation when building metallic parts with LAM. Experimental testing were carried out to make dissimilar samples with CNC machining and LAM in this thesis. Test samples were designed to include part complexity and weight reductions. PUMA 2500Y lathe machine was used in the CNC machining whereas a modified research machine representing EOSINT M-series was used for the LAM. The raw material used for making the test pieces were stainless steel 316L bar (CNC machined parts) and stainless steel 316L powder (LAM built parts). An analysis of power, time, and the energy consumed in each of the manufacturing processes on production phase showed that LAM utilises more energy than CNC machining. The high energy consumption was as result of duration of production. Energy consumption profiles in CNC machining showed fluctuations with high and low power ranges. LAM energy usage within specific mode (standby, heating, process, sawing) remained relatively constant through the production. CNC machining was limited in terms of manufacturing freedom as it was not possible to manufacture all the designed sample by machining. And the one which was possible was aided with large amount of material removed as waste. Planning phase in LAM was shorter than in CNC machining as the latter required many preparation steps. Specific energy consumption (SEC) were estimated in LAM based on the practical results and assumed platform utilisation. The estimated platform utilisation showed SEC could reduce when more parts were placed in one build than it was in with the empirical results in this thesis (six parts).

Differential evolution based classification with pool of distances and aggregation operators

The objective of this thesis is to develop and generalize further the differential evolution based data classification method. For many years, evolutionary algorithms have been successfully applied to many classification tasks. Evolution algorithms are population based, stochastic search algorithms that mimic natural selection and genetics. Differential evolution is an evolutionary algorithm that has gained popularity because of its simplicity and good observed performance. In this thesis a differential evolution classifier with pool of distances is proposed, demonstrated and initially evaluated. The differential evolution classifier is a nearest prototype vector based classifier that applies a global optimization algorithm, differential evolution, to determine the optimal values for all free parameters of the classifier model during the training phase of the classifier. The differential evolution classifier applies the individually optimized distance measure for each new data set to be classified is generalized to cover a pool of distances. Instead of optimizing a single distance measure for the given data set, the selection of the optimal distance measure from a predefined pool of alternative measures is attempted systematically and automatically. Furthermore, instead of only selecting the optimal distance measure from a set of alternatives, an attempt is made to optimize the values of the possible control parameters related with the selected distance measure. Specifically, a pool of alternative distance measures is first created and then the differential evolution algorithm is applied to select the optimal distance measure that yields the highest classification accuracy with the current data. After determining the optimal distance measures for the given data set together with their optimal parameters, all determined distance measures are aggregated to form a single total distance measure. The total distance measure is applied to the final classification decisions. The actual classification process is still based on the nearest prototype vector principle; a sample belongs to the class represented by the nearest prototype vector when measured with the optimized total distance measure. During the training process the differential evolution algorithm determines the optimal class vectors, selects optimal distance metrics, and determines the optimal values for the free parameters of each selected distance measure. The results obtained with the above method confirm that the choice of distance measure is one of the most crucial factors for obtaining higher classification accuracy. The results also demonstrate that it is possible to build a classifier that is able to select the optimal distance measure for the given data set automatically and systematically. After finding optimal distance measures together with optimal parameters from the particular distance measure results are then aggregated to form a total distance, which will be used to form the deviation between the class vectors and samples and thus classify the samples. This thesis also discusses two types of aggregation operators, namely, ordered weighted averaging (OWA) based multi-distances and generalized ordered weighted averaging (GOWA). These aggregation operators were applied in this work to the aggregation of the normalized distance values. The results demonstrate that a proper combination of aggregation operator and weight generation scheme play an important role in obtaining good classification accuracy. The main outcomes of the work are the six new generalized versions of previous method called differential evolution classifier. All these DE classifier demonstrated good results in the classification tasks.

Sedentary behaviour and health with special reference to obesity and fatty liver in early midlife. The Cardiovascular risk in Young Finns Study

Background: Physical inactivity and positive energy balance pose a risk to health. They increase the risk of obesity and associated non-communicable diseases. Recently, also sedentary behaviour has been associated with obesity and non-communicable diseases. Nevertheless, it has been unclear which type of sedentary behaviour is the most harmful. It is also unknown whether the relationship of sedentary behaviour with obesity is truly independent of other factors, for example physical activity and diet. Longitudinal data are limited, and the direction of causality and the mechanism of action are still unknown. Aims: The aim of this study was 1) to identify the type of sedentary behaviour having the strongest association with obesity, 2) to explore the causal relationship of sedentary behaviour and weight increase, and 3) to additionally, investigate the relationship of sedentary behaviour with fatty liver. These were studied in cross-sectional and/or longitudinal settings using data from the Cardiovascular Risk in Young Finns Study. Special emphasis was put on the evaluation of a wide range of other lifestyle factors and risks for obesity and fatty liver. Subjects: 2,060 subjects (aged 33-50 years in 2011, of which 55 % were female) from the Cardiovascular Risk in Young Finns Study participating in follow-ups in 2001, 2007, and 2011. Measures: Self-reported time spent in various types of sedentary behaviour (I), or TV viewing time (I-III). Measured body weight, height and waist circumference (I-III), and genetic variants for high BMI (I). Fasting plasma concentrations of gamma-glutamyltransferase enzyme and triglyceride, calculated Fatty Liver Index (based on gamma-glutamyltransferase and triglyceride concentration, BMI and waist circumference), and the amount of intrahepatic fat measured with ultrasound (III). Self-reported leisure-time physical activity and active commuting, occupational physical activity, energy intake, diet, alcohol consumption, smoking, socioeconomic status, and sleep duration as possible confounders were considered (I-III). Results: TV viewing is the sedentary behaviour type that has the strongest association with obesity. Sedentary behaviour (TV viewing) precedes weight increase, and not the other way around. Sedentary behaviour (TV viewing) is associated with increased risk of fatty liver. Conclusions: Sedentary behaviour (especially high TV viewing time) is associated with increased risks of obesity and fatty liver. Intervention studies are needed to assess whether reduction of TV time would prevent obesity and fatty liver.

Diet and Probiotics during Pregnancy - Endorsing developmental Programming

Maternal obesity has been shown to increase the risk for adverse reproductive health outcomes such as gestational diabetes, hypertension, and preeclampsia. Moreover, several studies have indicated that overnutrition and maternal obesity adversely program the development of offspring by predisposing them to obesity and other chronic diseases later in life. The exact molecular mechanisms leading to developmental programming are not known, but it has recently been suggested that obesity-related low-grade inflammation, gut microbiota and epigenetic gene regulation (in particularly DNA methylation) participate in the developmental programming phenomenon. The aim of this thesis was to evaluate the effect of diet, dietary counseling and probiotic intervention during pregnancy in endorsing favorable developmental programming. The study population consisted of 256 mother-child pairs participating in a prospective, double-blinded dietary counselling and probiotic intervention (Lactobacillus rhamnosus GG and Bifidobacterium lactis Bb12) NAMI (Nutrition, Allergy, Mucosal immunology and Intestinal microbiota) study. Further overweight women were recruited from maternal welfare clinics in the area of Southwest Finland and from the prenatal outpatient clinic at Turku University Hospital. Dietary counseling was aimed to modify women’s dietary intake to comply with the recommended intake for pregnant women. Specifically, counseling aimed to affect the type of fat consumed and to increase the amount of fiber in the women’s diets. Leptin concentration was used as a marker for obesity-related low-grade inflammation, antioxidant vitamin status as an efficiency marker for dietary counselling and epigenetic DNA methylation of obesity related genes as a marker for probiotics influence. Results revealed that dietary intake may modify obesity-associated low-grade inflammation as measured by serum leptin concentration. Specifically, dietary fiber intake may lower leptin concentration in women, whereas the intakes of saturated fatty acids and sucrose have an opposite effect. Neither dietary counselling nor probiotic intervention modified leptin concentration in women, but probiotics tended to increase children’s leptin concentration. Dietary counseling was an efficient tool for improving antioxidant vitamin intake in women, which was reflected in the breast milk vitamin concentration. Probiotic intervention affected DNA methylation of dozens of obesity and weight gain related genes both in women and their children. Altogether these results indicate that dietary components, dietary counseling and probiotic supplementation during pregnancy may modify the intrauterine environment towards favorable developmental programming.

Verkkoliiketoiminnan tehokkuusmittauksen ohjausvaikutusten analysointijärjestelmä

Tässä diplomityössä oli tavoitteena suunnitella ja toteuttaa verkkoliiketoiminnan tehokkuusmittauksen ohjausvaikutusten analysointijärjestelmä. Verkkoliiketoiminta on monopoliasemassa olevaa liiketoimintaa, jossa ei ole kilpailusta johtuvaa pakotetta pitää liiketoimintaa tehokkaana ja hintoja alhaisina. Tämän vuoksi verkkoliiketoiminnan hinnoittelua ja toiminnan tehokkuutta tulee valvoa viranomaisen toimesta. Tehokkuusmittauksessa käytettäväksi menetelmäksi on valittu DEA-menetelmä (Data Envelopment Analysis). Tässä työssä on esitelty DEA-menetelmän teoreettiset perusteet sekä verkkoliiketoiminnan tehokkuusmittauksessa havaitut ongelmat. Näiden perusteella on määritelty analysointijärjestelmältä vaadittavat ominaisuudet sekä kehitetty kyseinen järjestelmä. Tärkeimmiksi järjestelmän ominaisuuksiksi osoittautuivat herkkyysanalyysin tekeminen ja etenkin sitä kautta suoritettava keskeytysten hinnan laskeminen sekä mahdollisuudet painokertoimien rajoittamiselle. Työn loppuosassa on esitelty järjestelmästä saatavia konkreettisia tuloksia, joiden avulla on pyritty havainnollistamaan järjestelmän käyttömahdollisuuksia.

Biologisessa jätteenkäsittelyssä syntyvän lopputuotteen terminen kuivaus

Biologisessa jätteenkäsittelyssä syntyvää humusmassaa voidaan käyttää maanparannusaineena ja yleisenä lannoitusaineena. Termisellä kuivauksella saadaan humuksen kuiva-ainepitoisuutta nostettua mekaanisen kuivauksen jälkeen, jolloin sen tuotteistettavuus ja kuljetettavuus paranevat pienentyneen painon ja tilavuuden myötä. Kirjallisuusosassa on esitetty yleisiä termisen kuivauksen periaatteita sekä käsitelty lähemmin humuksen kuivausta. Lisäksi termisen kuivauksen hygienisoivaa vaikutusta on esitelty kirjallisuusosan lopussa. Tutkimusosassa luotiin tietokonepohjainen malli MK Protech Oy:n kehittämälle Traypack-kuivaimelle. Mallin luomisessa käytettiin apuna suoritettujen pilot-ajojen tuloksia sekä kirjallisuudesta saatuja tietoja. Malli sisältää kuivauksen aine- ja energiataseet sekä kuivaimen ja sen apulaitteiden mitoituksen. Sen lisäksi malli tulostaa erillisinä kokonaisuuksina prosessin laiteluettelon, investointikustannuslaskelman ja elinkaarianalyysin. Lisäksi tutkimusosassa laskettiin mallin avulla Rayongin kaupunkiin Thaimaahan rakenteilla olevan jätteenkäsittelylaitoksen tarpeeseen soveltuvan kuivaimen mitoitus- ja käyttötiedot sekä tarkasteltiin kuivaimen taloudellista kannattavuutta. Laitoksessa kuivataan 2080 kg/h kuiva-ainepitoisuudeltaan 30 % humusta loppukuiva-ainepitoisuuteen 50 %. Tarvittavaksi lämpötehoksi kuivaimeen saatiin 3,9 MW. Tästä 2,0 MW tarvitaan uutta systeemiin tuotavaa kuivauskaasua. Tällöin laitoksen investointikustannuksiksi saatiin 359 000 EUR. Laitoksen käyttökustannuksiksi saatiin 40 440 EUR vuodessa.

Pesulaitteen horisontaalisen harjan nostomekanismin kehittäminen

Työssä on pyritty löytämään ratkaisuvaihtoehtoja pesulaitteen horisontaalisen harjan nostomekanismin parantamiseksi. Nostomekanismia pyrittiin kehittämään vähemmän huoltoa vaativaksi, toimintavarmemmaksi sekä kustannuksiltaan halvemmaksi. Uusia vaihtoehtoja mekanismille pyrittiin löytämään järjestelmällisen ideoinnin avulla, käyttäen hyödyksi alan kirjallisuutta, käytössä olevia pesulaitteita sekä jokapäiväisessä elämässä eteen tulleita havaintoja. Korroosiota aiheuttavat olosuhteet, horisontaalisen harjakokoonpanon pitkä liikerata sekä paino asettavat erityisvaatimuksia uudelle mekanismille. Lisäksi mekanismin täytyy liikuttaa harjaa vertikaalisessa suunnassa vakiona pysyvällä nopeudella. Valittuja ratkaisuvaihtoehtoja tarkasteltiin pistearvioinnin avulla ennen jatkokehittelyn aloittamista. Alustavassa komponenttien mitoituksessa pyrittiin mekanismin komponenteille löytämään oikea valmistusmateriaali sekä komponenttien geometriset mitat. Mekanismin valmistuskustannuksia eri valmistusmenetelmien kesken kartoitettiin yhteydenotoilla eri konepajojen kanssa. Alustavien kustannuslaskelmien perusteella jatkokehittelyyn otetun mekanismin kustannukset on 70 prosenttia pienemmät kuin nykyisen mekanismin kustannukset. Osien vähyys sekä mekanismin yksinkertaisuus lisää nostomekanismin luotettavuutta sekä vähentää tarvittavia huoltotoimenpiteitä.

Puomiankkurin uudelleensuunnittelu ja valmistus

Tämän diplomityön tavoitteena on ollut suunnitella uusi öljyntorjunnassa käytettävä puomiankkuri. Nykyisin käytössä olevat ankkurit ovat painavia, paljon tilaa vieviä, jäykkiä rakenteeltaan ja hankalia käyttää. Työn tavoitteena on ollut suunnitella rakenne, jossa muotoilun avulla pyritään korvaamaan ankkurin painoa ja saavuttaa hyvä tunkeutuminen eri pohjalaaduissa. Ankkurin suunnitteluun kuuluu merkittävänä osana materiaalinvalintaprosessi, jonka perusteella materiaaliksi valittiin kulutusteräs. Kulutusteräksen korkea lujuus ja hyvä kulumiskestävyys mahdollistavat ohuemman materiaalin käytön rakenteessa, jonka seurauksena rakenteen painoa saatiin vähennettyä merkittävästi. Ankkurin rakenteen suunnittelussa käytettiin hyväksi nykyisiä ankkurin rakenteita, joiden pohjalta hahmoteltiin eri variaatioita ankkureista. Suunnittelutyössä käytettiin hyväksi tyypillisiä ankkurirakenteita hyvien puolien kannalta, joita pyrittiin toteuttamaan uudessa ankkuri- rakenteessa. Ankkurin suunnittelu toteutettiin järjestelmällisen suunnittelun avulla, jossa ensin laadittiin ankkurille vaatimuslista. Tämän jälkeen laadittiin ankkurille toimintorakenne ja jakaminen osatoimintoihin. Ankkurin rakenteista toteutettiin kaksi eri versiota: sisävesillä ja merialueilla käytettävät ankkurit, joille laadittiin mitoitus. Työssä suunnitellun terävän tunkeutumisosan ja optimaalisen tunkeutumiskulman avulla ankkureiden painoa saatiin huomattavasti alhaisemmaksi, jonka seurauksena ankkurille saatiin kevyempi rakenne ja materiaalikustannukset pienenivät merkittävästi. Uusien ankkurien rakenne on pienemmän koon ja painon ansiosta käyttäjäystävällisempi.

Puomiankkurin uudelleensuunnittelu ja valmistus

Tämän diplomityön tavoitteena on ollut suunnitella uusi öljyntorjunnassa käytettävä puomiankkuri. Nykyisin käytössä olevat ankkurit ovat painavia, paljon tilaa vieviä, jäykkiä rakenteeltaan ja hankalia käyttää. Työn tavoitteena on ollut suunnitella rakenne, jossa muotoilun avulla pyritään korvaamaan ankkurin painoa ja saavuttaa hyvä tunkeutuminen eri pohjalaaduissa. Ankkurin suunnitteluun kuuluu merkittävänä osana materiaalinvalintaprosessi, jonka perusteella materiaaliksi valittiin kulutusteräs. Kulutusteräksen korkea lujuus ja hyvä kulumiskestävyys mahdollistavat ohuemman materiaalin käytön rakenteessa, jonka seurauksena rakenteen painoa saatiin vähennettyä merkittävästi. Ankkurin rakenteen suunnittelussa käytettiin hyväksi nykyisiä ankkurin rakenteita, joiden pohjalta hahmoteltiin eri variaatioita ankkureista. Suunnittelutyössä käytettiin hyväksi tyypillisiä ankkurirakenteita hyvien puolien kannalta, joita pyrittiin toteuttamaan uudessa ankkuri- rakenteessa. Ankkurin suunnittelu toteutettiin järjestelmällisen suunnittelun avulla, jossa ensin laadittiin ankkurille vaatimuslista. Tämän jälkeen laadittiin ankkurille toimintorakenne ja jakaminen osatoimintoihin. Ankkurin rakenteista toteutettiin kaksi eri versiota: sisävesillä ja merialueilla käytettävät ankkurit, joille laadittiin mitoitus. Työssä suunnitellun terävän tunkeutumisosan ja optimaalisen tunkeutumiskulman avulla ankkureiden painoa saatiin huomattavasti alhaisemmaksi, jonka seurauksena ankkurille saatiin kevyempi rakenne ja materiaalikustannukset pienenivät merkittävästi. Uusien ankkurien rakenne on pienemmän koon ja painon ansiosta käyttäjäystävällisempi.

Kunnossapitopalveluiden arvopohjaisen elinkaarimallin kehittäminen

Tutkimuksen päätavoitteena on luoda yleispätevä elinkaarimalli, jota voidaan hyö-dyntää laitetason kunnossapitoon liittyvissä päätöksentekotilanteissa eri teollisuu-denaloilla. Elinkaarimalliin yhdistettiin arvoajattelu, jonka pohjalta mallin käyttäjät voivat valita ja painottaa omien näkemyksiensä mukaan arvoa luovat elementit sekä nähdä muille verkostojäsenille arvoa lisäävät tekijät. Aiemmissa elinkaarimalleissa on keskitytty pääasiassa yhteen tarkastelunäkökulmaan, joten verkostotason työkalulle on selkeä tarve. Myöskään arvoajattelua ei ole aiemmin yhdistetty elinkaarilaskentaa soveltaviin malleihin. Työn osalta käytettiin konstruktiivista tutkimusotetta. Elinkaarimallia kehitettiin ja testattiin kaivosteollisuuden yritysverkostoon kuuluvien kahden case-tapauksen avulla. Tutkimuksen teoreettinen osa pohjautui työn oleellisempiin osa-alueisiin, kuten kunnossapitoon, arvoelementteihin ja elinkaarilaskentaan. Työn empiirisessä osiossa hyödynnettiin verkostoon kuuluvien yritysedustajien haastatteluita sekä yritysten tietojärjestelmästä saatuja tietoja. Arvoelementtien muodostuksessa käy-tettiin hyväksi myös muiden teollisuusyritysten ajatuksia ja näkökulmia. Työn merkittävin tulos on ensimmäisen version kehittäminen arvopohjaisesta elinkaarimallista. Elinkaarimalli antaa tuloksina jokaisen verkostojäsenen osalta laitteen kunnossapidon kustannukset ja tuotot vuositasolla sekä kumulatiivisesti koko elinkaaren ajalta niin reaali- kuin nykyarvonakin. Mallin tuloksena saadaan myös yhteistyön myötä kasvaneen lisäarvon suuruus ja jakautuminen verkoston toimijoiden välillä heidän valitsemiensa arvoelementtien mukaisesti. Näin ollen mallia voidaan käyttää tulevaisuuden ennustamisen lisäksi menneiden kustannusten ja tuottojen seurantamallina. Kokonaisuudessaan arvopohjaisen elinkaarimallin tuloksia voidaan hyödyntää laitetason kunnossapitoon liittyvissä sopimusneuvotte-luissa niin arvoa luovien elementtien kuin kustannus- ja tuottotekijöidenkin osalta. Kokonaisuudessaan arvoajattelun yhdistäminen ja hyödyntäminen elinkaarilas-kennassa on vielä alkuvaiheessa, joten kyseinen osa-alue onkin varsin järkevä jat-kotutkimuskohde. Avoimen ja tiiviin yritysyhteistyön kautta saadaan arvopohjai-sesta elinkaarimallista jatkokehitettyä erittäin hyödyllinen työkalu yritysverkosto-jen käytettäväksi. Kiristyvässä kilpailussa verkoston kokonaisarvon kasvu ja ja-kautuminen ovat tulevaisuudessa erittäin keskeisiä aihealueita, joten tämäntyylisten verkostotyökalujen hyödyntäminen nostanee ehdottomasti suosiotaan.

Wind Turbine Direct-Drive Permanent-Magnet Generator with Direct Liquid Cooling for Mass Reduction

Today’s electrical machine technology allows increasing the wind turbine output power by an order of magnitude from the technology that existed only ten years ago. However, it is sometimes argued that high-power direct-drive wind turbine generators will prove to be of limited practical importance because of their relatively large size and weight. The limited space for the generator in a wind turbine application together with the growing use of wind energy pose a challenge for the design engineers who are trying to increase torque without making the generator larger. When it comes to high torque density, the limiting factor in every electrical machine is heat, and if the electrical machine parts exceed their maximum allowable continuous operating temperature, even for a short time, they can suffer permanent damage. Therefore, highly efficient thermal design or cooling methods is needed. One of the promising solutions to enhance heat transfer performances of high-power, low-speed electrical machines is the direct cooling of the windings. This doctoral dissertation proposes a rotor-surface-magnet synchronous generator with a fractional slot nonoverlapping stator winding made of hollow conductors, through which liquid coolant can be passed directly during the application of current in order to increase the convective heat transfer capabilities and reduce the generator mass. This doctoral dissertation focuses on the electromagnetic design of a liquid-cooled direct-drive permanent-magnet synchronous generator (LC DD-PMSG) for a directdrive wind turbine application. The analytical calculation of the magnetic field distribution is carried out with the ambition of fast and accurate predicting of the main dimensions of the machine and especially the thickness of the permanent magnets; the generator electromagnetic parameters as well as the design optimization. The focus is on the generator design with a fractional slot non-overlapping winding placed into open stator slots. This is an a priori selection to guarantee easy manufacturing of the LC winding. A thermal analysis of the LC DD-PMSG based on a lumped parameter thermal model takes place with the ambition of evaluating the generator thermal performance. The thermal model was adapted to take into account the uneven copper loss distribution resulting from the skin effect as well as the effect of temperature on the copper winding resistance and the thermophysical properties of the coolant. The developed lumpedparameter thermal model and the analytical calculation of the magnetic field distribution can both be integrated with the presented algorithm to optimize an LC DD-PMSG design. Based on an instrumented small prototype with liquid-cooled tooth-coils, the following targets have been achieved: experimental determination of the performance of the direct liquid cooling of the stator winding and validating the temperatures predicted by an analytical thermal model; proving the feasibility of manufacturing the liquid-cooled tooth-coil winding; moreover, demonstration of the objectives of the project to potential customers.

Double grade – rakenneputkien puristuskestävyys

Double grade S420MH/S355J2H – rakenneputki on Ruukin kylmämuovattujen rakenneputkien vakioteräslaji. Se voidaan mitoittaa joko lujuusluokan S355 tai S420 mukaisesti. Teräslajin S355 mukaisesti mitoitettaessa on suunnittelu yksinkertaista. Painonsäästöä ja pidennettyjä jännevälejä haluttaessa käytetään lujuusluokan S420 mukaista mitoitusta. Työn tavoitteena oli selvittää kylmämuovattujen teräsrakenneputkien todellinen puristuskestävyys. Eurocode 3:n mukaan kylmämuovatut teräsrakenneputket kuuluvat nurjahduskäyrälle c. Tutkimukseen valittiin viisi eri profiilia olevaa rakenneputkea, joiden poikkileikkausluokat olivat 1, 2, 3 ja 4. Käytettäessä rakenneputkia puristussauvoina, on teräksen käyttö tehokkainta poikkileikkausluokassa 3, lähellä poikkileikkausluokkaa 4. Rakenneputkista laskettiin muunnetun hoikkuuden arvoilla 0.1, 0.5, 1.0 ja 1.5 koesauvojen pituudet kaikille profiileille. Valmistettiin kolme samanlaista koesauvaa jokaisesta koosta ja puristuskokeita suoritettiin yhteensä 57 kappaletta. Koesauvojen todelliset pituudet, alkukäyryydet ja poikkileikkaukset mitattiin. Ainestodistuksista saatiin materiaalin todelliset lujuudet. Laskettiin Eurocode 3:n mukaisesti kestävyydet nurjahduskäyrille a, b ja c. Laskennallisia kestävyyksiä verrattiin puristuskokeiden tuloksiin. Puristuskokeiden tulosten perusteella voidaan b-käyrää pitää oikeana profiileille 100x100x3, 150,150x5 ja 200x200x6. Profiili 150x150x5 kuuluu poikkileikkausluokkaan 2. Profiilit 100x100x3 ja 200x200x6 kuuluvat poikkileikkausluokkaan 4. Profiili 50x50x2 kuuluu nurjahduskäyrälle c. Profiilin poikkileikkausluokka on 1 ja aiemmat tutkimukset tukevat nurjahduskäyrän c käyttöä. Profiilista 300x300x8.8 ei saatu testattua täyttä sarjaa sen suuren kapasiteetin rikottua testilaitteiston, mutta puristuskokeiden perusteella se kuuluu nurjahduskäyrälle b. Profiili kuuluu poikkileikkausluokkaan 4.