Anchor or Accelerate – A Study on Cancer Cell Adhesion and Motility

Cell migration and adhesion to the extracellular matrix (ECM) are crucial in many biological and pathological processes such as morphogenesis, tissue repair, inflammatory responses, survival, and cancer. Cell-matrix adhesion is mediated by the integrin family of transmembrane receptors, which not only anchor cells to their surroundings, but also transmit bidirectional signalling at the cell surface and couple the ECM to the cytoskeleton. Another group of adhesion receptors are the syndecan proteoglycans, which engage the ECM and possess signalling activity in response to a variety of ligands. Cell migration is a complex process that requires spatial and temporal coordination of adhesion, cell contractility, intracellular traffic of integrins, and matrix turnover by matrix metalloproteinases (MMPs). Thus, integrins and syndecans, as well as MMPs, play essential roles in cancer cell migration and invasion. The understanding of the cooperation of syndecans and integrins was broadened in this thesis study. The results reveal that syndecan-1 functions in concert with 21 integrin in cell adhesion to collagen, whereas syndecan-4 is essential in 21 integrin-mediated matrix contraction. Finally, oncogenic K-Ras was shown to regulate 21 integrin, membrane-type 1 MMP, and syndecan-1 and -4 expression and their cooperation in cell invasion. Epithelial-mesenchymal transition (EMT) is fundamental during embryogenesis and organ development. Activation of EMT processes, including the upregulation of mesenchymal intermediate filament protein vimentin, has also been implicated in the acquisition of a malignant phenotype by epithelial cancer cells. Members of the protein kinase C (PKC) superfamily are involved in cell migration and various integrindependent cellular functions. One aim of this work was to shed light on the role of vimentin in the regulation of integrin traffic and cell motility. In addition, the mechanism by which vimentin participates in EMT was investigated. The results show that integrin recycling and motility are dependent on the PKC–mediated phosphorylation of vimentin. In addition, vimentin was found to be a positive regulator of EMT and regulate the expression of several migratory genes. Specifically, vimentin governs the expression of receptor tyrosine kinase Axl, which is implicated in tumour growth and metastasis. Taken together, the findings described in this thesis reveal novel aspects of the complex interplay between distinct cellular components: integrins, syndecans, and the vimentin cytoskeleton, which all contribute to the regulation of human cancer cell adhesion, migration, and invasion.

Harjateräspulttien tuotannon kehitys eri kustannusympäristöissä

Työssä kartoitettiin eri kierteenvalmistusmenetelmät ja valittiin sopivin vaihtoehto harjateräspulttien kierteiden valmistukseen. Työssä painotettiin etenkin läpimenoaikaa ja työkalukustannuksia. Valitun menetelmän pohjalta suunniteltiin kolme eri automaatiotason tuotantosolua tuotteiden valmistukseen Suomessa ja Slovakiassa sekä laskettiin niiden investointikustannukset ja – hyödyt. Tuotannonsuunnittelussa otettiin huomioon myös muut pultin valmistusvaiheet kierteenvalmistuksen lisäksi sekä selvitettiin nykyisten prosessiparametrien tehokkuus. Työssä löydettiin nykyistä nopeampi ja työkalukustannuksiltaan halvempi menetelmä kierteiden valmistukseen. Myös nykyisiä prosessiparametreja saatiin nopeutettua. Työn pohjalta valittu tuotantosolu päätettiin toteuttaa käytännön testien onnistuessa.

Märkäosan lisäaineet ja kuituflokit konesihdin ympäristössä

Painelajittelu on yksi yleisimmistä yksikköprosesseista paperin ja sellun valmistuksessa. Suurelta osin lajittimet toimivat niille asetettujen vaatimusten mukaisesti, mutta joissakin tapauksissa lajittimissa saattaa esiintyä ei-toivottavaa kuitujen kasautumista sekä kehräymän muodostusta. Niiden seurauksena lajittimien kapasiteetti alenee ja lajittelutulos heikkenee. Tämän työn tarkoituksena on uutta kuvantamistekniikkaa hyödyntäen selvittää miten kehräymät ja kuitukasaumat syntyvät painelajittimen sihtipinnalla ja miten retentioaineen syöttö sihdin ympäristössä vaikuttaa niiden syntyyn. Työn kirjallisuusosassa tarkastellaan painelajittimen toimintaa, rakennetta sekä lyhyen kierron konesihdin erityispiirteitä. Lisäksi tarkastellaan retentiokemikaalien käyttäytymistä leikkausvoimien alaisuudessa ja kuitukehräymien syntyä painelajittimissa. Kokeellisessa osassa on raportoitu kuvantamisjärjestelmällä saatuja tuloksia sekä esitetään havaintoja kehräymien ja kuitukasaumien synnystä ja niiden vaikutuksista painelajittimen toimintaan. Kuvausten perusteella voidaan sanoa, että kehräymän syntyminen sihdissä vaatii aina jonkinlaisen kuitukasauman olemassaoloa. Tällaista alkukasaumaa tarvitaan, jotta kuidut voivat ankkuroitua siihen kiinni ja johon kiinnittyneenä kuidut alkavat pyöriä virtauksessa muodostaen kehräymää. Kuitukasauman muodostuminen painelajittimessa johtuu pääosin sihdissä olevasta epäjatkuvuuskohdasta, massassa olevista epäpuhtauksista ja kuituflokeista jotka jäävät kiinni sihtipinnan aukkoihin tai lajittimen kapasiteetin ylittymisestä. Kehräymän syntyä kasauman jäljessä voidaan pitää enemmän sääntönä kuin poikkeuksena, mutta kehräytyminen on vähäisempää reikäsihdillä kuin rakosihdillä. Silloituspolymeerillä flokattu massa ei muodosta herkemmin kuitukasaumia sihtipintaan verrattuna flokkaamattomaan massaan. Lajiteltavan massan sakeuden nosto vähentää kuitukasaumien ja kehräymien syntyä. Kuitukasaumien ja kehräymien välttämiseksi on tärkeää, että sihtiä ei ajeta suunniteltua mitoitusaluetta suuremmilla tuotannoilla tai virtauksilla.

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.

Introduction of the T-10 static line parachuting capability to the NH90 helicopter

The purpose of this study was to investigate the suitability of the Finnish Defence Forces’ NH90 helicopter for parachuting operations with the T-10 static line parachute system. The work was based on the Army Command’s need to compensate for the reduction in the outsourced flight hours for the military static line parachuting training. The aim of the research was to find out the procedures and limitations with which the NH90 IOC+ or FOC version helicopter could be used for static line parachutist training with the T-10B/MC1-1C parachutes. The research area was highly complicated and non-linear. Thus analytical methods could not be applied with sufficient confidence, even with present-day computing power. Therefore an empirical research method was selected, concentrating on flight testing supported with literature study and some calculated estimations. During three flights and 4.5 flight hours in Utti, Finland on 1720 September 2012, a total of 44 parachute drops were made. These consisted of 16 dummy drops and 28 paratrooper jumps. The test results showed that when equipped with the floor mounted PASI-1 anchor line, the deflector bar of the NHIndustries’ Parachuting Kit and Patria’s floor protection panels the Finnish NH90 variant could be safely used for T-10B/MC1-1C static line parachuting operations from the right cabin door at airspeed range of 5080 KIAS (90–150 km/h). The ceiling mounted anchor lines of the NHI’s Parachuting Kit were not usable with the T-10 system. This was due to the static lines’ unsafe behaviour in slipstream when connected to the cabin ceiling level. In conclusion, the NH90 helicopter can be used to meet the Army Command’s requirement for an additional platform for T-10 static line parachutist training. Material dropping, the effect of additional equipment and jumping from the rear ramp should be further studied.

Introduction of the T-10 static line parachuting capability to the NH90 helicopter

The purpose of this study was to investigate the suitability of the Finnish Defence Forces’ NH90 helicopter for parachuting operations with the T-10 static line parachute system. The work was based on the Army Command’s need to compensate for the reduction in the outsourced flight hours for the military static line parachuting training. The aim of the research was to find out the procedures and limitations with which the NH90 IOC+ or FOC version helicopter could be used for static line parachutist training with the T- 10B/MC1-1C parachutes. The research area was highly complicated and non-linear. Thus analytical methods could not be applied with sufficient confidence, even with present-day computing power. Therefore an empirical research method was selected, concentrating on flight testing supported with literature study and some calculated estimations. During three flights and 4.5 flight hours in Utti, Finland on 17−20 September 2012, a total of 44 parachute drops were made. These consisted of 16 dummy drops and 28 paratrooper jumps. The test results showed that when equipped with the floor mounted PASI-1 anchor line, the deflector bar of the NHIndustries’ Parachuting Kit and Patria’s floor protection panels the Finnish NH90 variant could be safely used for T-10B/MC1-1C static line parachuting operations from the right cabin door at airspeed range of 50−80 KIAS (∼90–150 km/h). The ceiling mounted anchor lines of the NHI’s Parachuting Kit were not usable with the T-10 system. This was due to the static lines’ unsafe behaviour in slipstream when connected to the cabin ceiling level. In conclusion, the NH90 helicopter can be used to meet the Army Command’s requirement for an additional platform for T-10 static line parachutist training. Material dropping, the effect of additional equipment and jumping from the rear ramp should be further studied.

The supermassive binary black hole system OJ287

Abstract This doctoral thesis concerns the active galactic nucleus (AGN) most often referred to with the catalogue number OJ287. The publications in the thesis present new discoveries of the system in the context of a supermassive binary black hole model. In addition, the introduction discusses general characteristics of the OJ287 system and the physical fundamentals behind these characteristics. The place of OJ287 in the hierarchy of known types of AGN is also discussed. The introduction presents a large selection of fundamental physics required to have a basic understanding of active galactic nuclei, binary black holes, relativistic jets and accretion disks. Particularly the general relativistic nature of the orbits of close binaries of supermassive black holes is explored with some detail. Analytic estimates of some of the general relativistic effects in such a binary are presented, as well as numerical methods to calculate the effects more precisely. It is also shown how these results can be applied to the OJ287 system. The binary orbit model forms the basis for models of the recurring optical outbursts in the OJ287 system. In the introduction, two physical outburst models are presented in some detail and compared. The radiation hydrodynamics of the outbursts are discussed and optical light curve predictions are derived. The precursor outbursts studied in Paper III are also presented, and tied into the model of OJ287. To complete the discussion of the observable features of OJ287, the nature of the relativistic jets in the system, and in active galactic nuclei in general, is discussed. Basic physics of relativistic jets are presented, with additional detail added in the form of helical jet models. The results of Papers II, IV and V concerning the jet of OJ287 are presented, and their relation to other facets of the binary black hole model is discussed. As a whole, the introduction serves as a guide, though terse, for the physics and numerical methods required to successfully understand and simulate a close binary of supermassive black holes. For this purpose, the introduction necessarily combines a large number of both fundamental and specific results from broad disciplines like general relativity and radiation hydrodynamics. With the material included in the introduction, the publications of the thesis, which present new results with a much narrower focus, can be readily understood. Of the publications, Paper I presents newly discovered optical data points for OJ287, detected on archival astronomical plates from the Harvard College Observatory. These data points show the 1900 outburst of OJ287 for the first time. In addition, new data points covering the 1913 outburst allowed the determination of the start of the outburst with more precision than was possible before. These outbursts were then successfully numerically modelled with an N-body simulation of the OJ287 binary and accretion disc. In Paper II, mechanisms for the spin-up of the secondary black hole in OJ287 via interaction with the primary accretion disc and the magnetic fields in the system are discussed. Timescales for spin-up and alignment via both processes are estimated. It is found that the secondary black hole likely has a high spin. Paper III reports a new outburst of OJ287 in March 2013. The outburst was found to be rather similar to the ones reported in 1993 and 2004. All these outbursts happened just before the main outburst season, and are called precursor outbursts. In this paper, a mechanism was proposed for the precursor outbursts, where the secondary black hole collides with a gas cloud in the primary accretion disc corona. From this, estimates of brightness and timescales for the precursor were derived, as well as a prediction of the timing of the next precursor outburst. In Paper IV, observations from the 2004–2006 OJ287 observing program are used to investigate the existence of short periodicities in OJ287. The existence of a _50 day quasiperiodic component is confirmed. In addition, statistically significant 250 day and 3.5 day periods are found. Primary black hole accretion of a spiral density wave in the accretion disc is proposed as the source of the 50 day period, with numerical simulations supporting these results. Lorentz contracted jet re-emission is then proposed as the reason for the 3.5 day timescale. Paper V fits optical observations and mm and cm radio observations of OJ287 with a helical jet model. The jet is found to have a spine–sheath structure, with the sheath having a much lower Lorentz gamma factor than the spine. The sheath opening angle and Lorentz factor, as well as the helical wavelength of the jet are reported for the first time. Tiivistelmä Tässä väitöskirjatutkimuksessa on keskitytty tutkimaan aktiivista galaksiydintä OJ287. Väitöskirjan osana olevat tieteelliset julkaisut esittelevät OJ287-systeemistä saatuja uusia tuloksia kaksoismusta-aukkomallin kontekstissa. Väitöskirjan johdannossa käsitellään OJ287:n yleisiä ominaisuuksia ja niitä fysikaalisia perusilmiöitä, jotka näiden ominaisuuksien taustalla vaikuttavat. Johdanto selvittää myös OJ287-järjestelmän sijoittumisen aktiivisten galaksiytimien hierarkiassa. Johdannossa käydään läpi joitakin perusfysiikan tuloksia, jotka ovat tarpeen aktiivisten galaksiydinten, mustien aukkojen binäärien, relativististen suihkujen ja kertymäkiekkojen ymmärtämiseksi. Kahden toisiaan kiertävän mustan aukon keskinäisen radan suhteellisuusteoreettiset perusteet käydään läpi yksityiskohtaisemmin. Johdannossa esitetään joitakin analyyttisiä tuloksia tällaisessa binäärissä havaittavista suhteellisuusteoreettisista ilmiöistä. Myös numeerisia menetelmiä näiden ilmiöiden tarkempaan laskemiseen esitellään. Tuloksia sovelletaan OJ287-systeemiin, ja verrataan havaintoihin. OJ287:n mustien aukkojen ratamalli muodostaa pohjan systeemin toistuvien optisten purkausten malleille. Johdannossa esitellään yksityiskohtaisemmin kaksi fysikaalista purkausmallia, ja vertaillaan niitä. Purkausten säteilyhydrodynamiikka käydään läpi, ja myös ennusteet purkausten valokäyrille johdetaan. Johdannossa esitellään myös Julkaisussa III johdettu prekursoripurkausten malli, ja osoitetaan sen sopivan yhteen OJ287:n binäärimallin kanssa. Johdanto esittelee myös relativististen suihkujen fysiikkaa sekä OJ287- systeemiin liittyen että aktiivisten galaksiydinten kontekstissa yleisesti. Relativististen suihkujen perusfysiikka esitellään, kuten myös malleja kierteisistä suihkuista. Julkaisujen II, IV ja V OJ287-systeemin suihkuja koskevat tulokset esitellään binäärimallin kontekstissa. Kokonaisuutena johdanto palvelee suppeana oppaana, joka esittelee tarvittavan fysiikan ja tarpeelliset numeeriset menetelmät mustien aukkojen binäärijärjestelmän ymmärtämiseen ja simulointiin. Tätä tarkoitusta varten johdanto yhdistää sekä perustuloksia että joitakin syvällisempiä tuloksia laajoilta fysiikan osa-alueilta kuten suhteellisuusteoriasta ja säteilyhydrodynamiikasta. Johdannon sisältämän materiaalin avulla väitöskirjan julkaisut, ja niiden esittämät tulokset, ovat hyvin ymmärrettävissä. Väitöskirjan julkaisuista ensimmäinen esittelee uusia OJ287-systeemistä saatuja havaintopisteitä, jotka on paikallistettu Harvardin yliopiston observatorion arkiston valokuvauslevyiltä. OJ287:n vuonna 1900 tapahtunut purkaus nähdään ensimmäistä kertaa näissä havaintopisteissä. Uudet havaintopisteet mahdollistivat myös vuoden 1913 purkauksen alun ajoittamisen tarkemmin kuin aiemmin oli mahdollista. Havaitut purkaukset mallinnettiin onnistuneesti simuloimalla OJ287-järjestelmän mustien aukkojen paria ja kertymäkiekkoa. Julkaisussa II käsitellään mekanismeja OJ287:n sekundäärisen mustan aukon spinin kasvamiseen vuorovaikutuksessa primäärin kertymäkiekon ja systeemin magneettikenttien kanssa. Julkaisussa arvioidaan maksimispinin saavuttamisen ja spinin suunnan vakiintumisen aikaskaalat kummallakin mekanismilla. Tutkimuksessa havaitaan sekundäärin spinin olevan todennäköisesti suuri. Julkaisu III esittelee OJ287-systeemissä maaliskuussa 2013 tapahtuneen purkauksen. Purkauksen havaittiin muistuttavan vuosina 1993 ja 2004 tapahtuneita purkauksia, joita kutsutaan yhteisnimityksellä prekursoripurkaus (precursor outburst). Julkaisussa esitellään purkauksen synnylle mekanismi, jossa OJ287-systeemin sekundäärinen musta aukko osuu primäärisen mustan aukon kertymäkiekon koronassa olevaan kaasupilveen. Mekanismin avulla johdetaan arviot prekursoripurkausten kirkkaudelle ja aikaskaalalle. Julkaisussa johdetaan myös ennuste seuraavan prekursoripurkauksen ajankohdalle. Julkaisussa IV käytetään vuosina 2004–2006 kerättyjä havaintoja OJ287- systeemistä lyhyiden jaksollisuuksien etsintään. Julkaisussa varmennetaan systeemissä esiintyvä n. 50 päivän kvasiperiodisuus. Lisäksi tilastollisesti merkittävät 250 päivän ja 3,5 päivän jaksollisuudet havaitaan. Julkaisussa esitetään malli, jossa primäärisen mustan aukon kertymäkiekossa oleva spiraalitiheysaalto aiheuttaa 50 päivän jaksollisuuden. Mallista tehty numeerinen simulaatio tukee tulosta. Systeemin relativistisen suihkun emittoima aikadilatoitunut säteily esitetään aiheuttajaksi 3,5 päivän jaksollisuusaikaskaalalle. Julkaisussa V sovitetaan kierresuihkumalli OJ287-systeemistä tehtyihin optisiin havaintoihin ja millimetri- sekä senttimetriaallonpituuden radiohavaintoihin. Suihkun rakenteen havaitaan olevan kaksijakoinen ja koostuvan ytimestä ja kuoresta. Suihkun kuorella on merkittävästi pienempi Lorentzin gamma-tekijä kuin suihkun ytimellä. Kuoren avautumiskulma ja Lorentztekijä sekä suihkun kierteen aallonpituus raportoidaan julkaisussa ensimmäistä kertaa.

Sijoittajien käyttäytyminen matalassa korkomarkkinassa

Tämän Pro gradu –tutkielman aiheena on tutkia sijoittajien käyttäytymistä matalassa korkomarkkinassa. Työssä tutkitaan, ovatko Kymenlaakson Osuuspankin Private –asiakkaat käyttäytyneet rahoituksen klassisen teorian mukaan rationaalisesti. Lisäksi tutkielmassa tutkitaan, ovat asiakkaat nostaneet sijoituksiensa riskitasojaan saadakseen korkeampia tuottoja riskittömän koron ollessa matalalla. Tutkielmassa tutkitaan myös, onko sijoittajien ankkurina riskitaso vai tuottotaso sekä onko naisten ja miesten välillä eroja. Tutkielman teoriapohjana käytetään perinteisiä rahoituksen teorioita, kuten CAPM-mallia, SML-käyrää, riskitöntä korkokantaa, markkinatehokkuutta sekä behavioristista taloustiedettä. Tutkimus on kvalitatiivinen ja sen empiirinen on kerätty haastattelulomakkeella Kymenlaakson Osuuspankin Private –asiakkailta. Johtopäätöksenä voidaan sanoa, etteivät tutkimukseen osallistuneet henkilöt olleet käyttäytyneet rationaalisesti. Sijoituksien riskitasoa oli nostettu ja miehet olivat nostaneet sijoituksien riskitasoa enemmän. Päätöksenteossa naisille oli hieman merkittävämpää sijoituksien riskitaso, kun taas miehille tärkeämpää oli tuottotaso. Kaikista vastaajista 51,8%:lle tuottotaso oli merkittävämpi tekijä.

Lightweight, liquid-cooled, direct-drive generator for highpower wind turbines: motivation, concept, and performance

Thesis: A liquid-cooled, direct-drive, permanent-magnet, synchronous generator with helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit offers an excellent combination of attributes to reliably provide economic wind power for the coming generation of wind turbines with power ratings between 5 and 20MW. A generator based on the liquid-cooled architecture proposed here will be reliable and cost effective. Its smaller size and mass will reduce build, transport, and installation costs. Summary: Converting wind energy into electricity and transmitting it to an electrical power grid to supply consumers is a relatively new and rapidly developing method of electricity generation. In the most recent decade, the increase in wind energy’s share of overall energy production has been remarkable. Thousands of land-based and offshore wind turbines have been commissioned around the globe, and thousands more are being planned. The technologies have evolved rapidly and are continuing to evolve, and wind turbine sizes and power ratings are continually increasing. Many of the newer wind turbine designs feature drivetrains based on Direct-Drive, Permanent-Magnet, Synchronous Generators (DD-PMSGs). Being low-speed high-torque machines, the diameters of air-cooled DD-PMSGs become very large to generate higher levels of power. The largest direct-drive wind turbine generator in operation today, rated just below 8MW, is 12m in diameter and approximately 220 tonne. To generate higher powers, traditional DD-PMSGs would need to become extraordinarily large. A 15MW air-cooled direct-drive generator would be of colossal size and tremendous mass and no longer economically viable. One alternative to increasing diameter is instead to increase torque density. In a permanent magnet machine, this is best done by increasing the linear current density of the stator windings. However, greater linear current density results in more Joule heating, and the additional heat cannot be removed practically using a traditional air-cooling approach. Direct liquid cooling is more effective, and when applied directly to the stator windings, higher linear current densities can be sustained leading to substantial increases in torque density. The higher torque density, in turn, makes possible significant reductions in DD-PMSG size. Over the past five years, a multidisciplinary team of researchers has applied a holistic approach to explore the application of liquid cooling to permanent-magnet wind turbine generator design. The approach has considered wind energy markets and the economics of wind power, system reliability, electromagnetic behaviors and design, thermal design and performance, mechanical architecture and behaviors, and the performance modeling of installed wind turbines. This dissertation is based on seven publications that chronicle the work. The primary outcomes are the proposal of a novel generator architecture, a multidisciplinary set of analyses to predict the behaviors, and experimentation to demonstrate some of the key principles and validate the analyses. The proposed generator concept is a direct-drive, surface-magnet, synchronous generator with fractional-slot, duplex-helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit to accommodate liquid coolant flow. The novel liquid-cooling architecture is referred to as LC DD-PMSG. The first of the seven publications summarized in this dissertation discusses the technological and economic benefits and limitations of DD-PMSGs as applied to wind energy. The second publication addresses the long-term reliability of the proposed LC DD-PMSG design. Publication 3 examines the machine’s electromagnetic design, and Publication 4 introduces an optimization tool developed to quickly define basic machine parameters. The static and harmonic behaviors of the stator and rotor wheel structures are the subject of Publication 5. And finally, Publications 6 and 7 examine steady-state and transient thermal behaviors. There have been a number of ancillary concrete outcomes associated with the work including the following. X Intellectual Property (IP) for direct liquid cooling of stator windings via an embedded coaxial coolant conduit, IP for a lightweight wheel structure for lowspeed, high-torque electrical machinery, and IP for numerous other details of the LC DD-PMSG design X Analytical demonstrations of the equivalent reliability of the LC DD-PMSG; validated electromagnetic, thermal, structural, and dynamic prediction models; and an analytical demonstration of the superior partial load efficiency and annual energy output of an LC DD-PMSG design X A set of LC DD-PMSG design guidelines and an analytical tool to establish optimal geometries quickly and early on X Proposed 8 MW LC DD-PMSG concepts for both inner and outer rotor configurations Furthermore, three technologies introduced could be relevant across a broader spectrum of applications. 1) The cost optimization methodology developed as part of this work could be further improved to produce a simple tool to establish base geometries for various electromagnetic machine types. 2) The layered sheet-steel element construction technology used for the LC DD-PMSG stator and rotor wheel structures has potential for a wide range of applications. And finally, 3) the direct liquid-cooling technology could be beneficial in higher speed electromotive applications such as vehicular electric drives.

Öljy-vesiemulsioiden erottumisen tehostaminen erilaisten geometrioiden avulla

Työn kirjallisuusosassa selvitettiin neste-nestedispersioiden ja emulsioiden pisarakokojakauman määrittämiseen soveltuvia menetelmiä. Kirjallisuusosa painottuu emulsioiden stabiliteettiin liittyvään teoriaan ja menetelmiin, joilla voidaan tutkia pisarakokojakaumia suoraan prosessista. Erillisnäytteiden analysointiin perustuvista menetelmistä on esitettynä mikroskooppianalyysi sekä lasersäteen sirontaan perustuva mittaus, joita molempia käytettiin tämän työn kokeellisessa osassa. Kokeellisessa osassa pyrittiin selvittämään, vaikuttavatko kaksi erimuotoista ruuvi-kapaletta eri tavalla öljy-vesiemulsion pisarakokojakaumaan, kun emulsio virtasi ruuvin vuorovaikutusalueen läpi. Tätä tutkittiin määrittämällä ennen vuorovaikutusaluetta ja vuorovaikutusalueen jälkeen kerättyjen emulsionäytteiden pisarakokojakaumat lasersäteen sirontamittauksilla. Mitattujen pisarakokojakaumien perusteella ei voitu tehdä varmaa johtopäätöstä, vaikuttivatko ruuvit pisarakokojakaumaan vai eivät. Syynä tähän on pisarakokojakaumien vaihtelu rinnakkaisnäytteissä. Rinnakkaismittauksissa havaittu vaihtelu johtui arvaamattomasti muuttuneista virtausolosuhteista, mikä aiheutti edelleen öljypitoisuuden muutoksia. Muita mahdollisia syitä ovat veden ionivahvuuden, pH:n ja lämpötilan vaihtelu.