SIMULATION OF AMB SUPPORTED ROTOR DURING DROP ON RETAINER BEARINGS

The active magnetic bearings present a new technology which has many advantages compared to traditional bearing designs. Active magnetic bearings, however, require retainer bearings order to prevent damages in the event of a component, power or a control loop failure. In the dropdown situation, when the rotor drops from the magnetic bearings to the retainer bearings, the design parameters of the retainer bearings have a significant influence on the behaviour of the rotor. In this study, the dynamics of an active magnetic bearings supported electric motor during rotor drop on retainer bearings is studied using a multibody simulation approach. Various design parameters of retainer bearings are studied using a simulation model while results are compared with those found in literature. The retainer bearings are modelled using a detailed ball bearing model, which accounts damping and stiffness properties, oil film and friction between races and rolling elements. The model of the ball bearings includes inertia description of rollingelements. The model of the magnetic bearing system contains unbalances of the rotor and stiffness and damping properties of support. In this study, a computationally efficient contact model between the rotor and the retainer bearings is proposed. In addition, this work introduces information for the design of physicalprototype and its retainer bearings.

Dynamic Simulations of Rotors during Drop on Retainer Bearings

The active magnetic bearings have recently been intensively developed because of noncontact support having several advantages compared to conventional bearings. Due to improved materials, strategies of control, and electrical components, the performance and reliability of the active magnetic bearings are improving. However, additional bearings, retainer bearings, still have a vital role in the applications of the active magnetic bearings. The most crucial moment when the retainer bearings are needed is when the rotor drops from the active magnetic bearings on the retainer bearings due to component or power failure. Without appropriate knowledge of the retainer bearings, there is a chance that an active magnetic bearing supported rotor system will be fatal in a drop-down situation. This study introduces a detailed simulation model of a rotor system in order to describe a rotor drop-down situation on the retainer bearings. The introduced simulation model couples a finite element model with component mode synthesis and detailed bearing models. In this study, electrical components and electromechanical forces are not in the focus. The research looks at the theoretical background of the finite element method with component mode synthesis that can be used in the dynamic analysis of flexible rotors. The retainer bearings are described by using two ball bearing models, which include damping and stiffness properties, oil film, inertia of rolling elements and friction between races and rolling elements. Thefirst bearing model assumes that the cage of the bearing is ideal and that the cage holds the balls in their predefined positions precisely. The second bearing model is an extension of the first model and describes the behavior of the cageless bearing. In the bearing model, each ball is described by using two degrees of freedom. The models introduced in this study are verified with a corresponding actual structure. By using verified bearing models, the effects of the parameters of the rotor system onits dynamics during emergency stops are examined. As shown in this study, the misalignment of the retainer bearings has a significant influence on the behavior of the rotor system in a drop-down situation. In this study, a stability map of the rotor system as a function of rotational speed of the rotor and the misalignment of the retainer bearings is presented. In addition, the effects of parameters of the simulation procedure and the rotor system on the dynamics of system are studied.

Ball Bearing Model Performance on Various Sized Rotors with and without Centrifugal and Gyroscopic Forces

Bearing performance signi cantly a ects the dynamic behaviors and estimated working life of a rotating system. A common bearing type is the ball bearing, which has been under investigation in numerous published studies. The complexity of the ball bearing models described in the literature varies. Naturally, model complexity is related to computational burden. In particular, the inclusion of centrifugal forces and gyroscopic moments signi cantly increases the system degrees of freedom and lengthens solution time. On the other hand, for low or moderate rotating speeds, these e ects can be neglected without signi cant loss of accuracy. The objective of this paper is to present guidelines for the appropriate selection of a suitable bearing model for three case studies. To this end, two ball bearing models were implemented. One considers high-speed forces, and the other neglects them. Both models were used to study a three structures, and the simulation results were.

Design and Simulation of High-Speed Rotating Electrical Machinery

Global energy consumption has been increasing yearly and a big portion of it is used in rotating electrical machineries. It is clear that in these machines energy should be used efficiently. In this dissertation the aim is to improve the design process of high-speed electrical machines especially from the mechanical engineering perspective in order to achieve more reliable and efficient machines. The design process of high-speed machines is challenging due to high demands and several interactions between different engineering disciplines such as mechanical, electrical and energy engineering. A multidisciplinary design flow chart for a specific type of high-speed machine in which computer simulation is utilized is proposed. In addition to utilizing simulation parallel with the design process, two simulation studies are presented. The first is used to find the limits of two ball bearing models. The second is used to study the improvement of machine load capacity in a compressor application to exceed the limits of current machinery. The proposed flow chart and simulation studies show clearly that improvements in the high-speed machinery design process can be achieved. Engineers designing in high-speed machines can utilize the flow chart and simulation results as a guideline during the design phase to achieve more reliable and efficient machines that use energy efficiently in required different operation conditions.

On the Properties and Cosmology of Q-balls

The properties and cosmological importance of a class of non-topological solitons, Q-balls, are studied. Aspects of Q-ball solutions and Q-ball cosmology discussed in the literature are reviewed. Q-balls are particularly considered in the Minimal Supersymmetric Standard Model with supersymmetry broken by a hidden sector mechanism mediated by either gravity or gauge interactions. Q-ball profiles, charge-energy relations and evaporation rates for realistic Q-ball profiles are calculated for general polynomial potentials and for the gravity mediated scenario. In all of the cases, the evaporation rates are found to increase with decreasing charge. Q-ball collisions are studied by numerical means in the two supersymmetry breaking scenarios. It is noted that the collision processes can be divided into three types: fusion, charge transfer and elastic scattering. Cross-sections are calculated for the different types of processes in the different scenarios. The formation of Q-balls from the fragmentation of the Aflieck-Dine -condensate is studied by numerical and analytical means. The charge distribution is found to depend strongly on the initial energy-charge ratio of the condensate. The final state is typically noted to consist of Q- and anti-Q-balls in a state of maximum entropy. By studying the relaxation of excited Q-balls the rate at which excess energy can be emitted is calculated in the gravity mediated scenario. The Q-ball is also found to withstand excess energy well without significant charge loss. The possible cosmological consequences of these Q-ball properties are discussed.

Development of a simulation tool for torsional vibration of branched power transmission system

In this master's thesis a mechanical model that is driven with variable speed synchronous machine was developed. The developed mechanical model simulates the mechanics of power transmission and its torsional vibrations. The mechanical model was developed for the need of the branched mechanics of a rolling mill and the propulsion system of a tanker. First, the scope of the thesis was to clarify the concepts connected to the mechanical model. The clarified concepts are the variable speed drive, the mechanics of power transmission and the vibrationsin the power transmission. Next, the mechanical model with straight shaft line and twelve moments of inertia that existed in the beginning was developed to be branched considering the case of parallel machines and the case of parallel rolls. Additionally, the model was expanded for the need of moreaccurate simulation to up to thirty moments of inertia. The model was also enhanced to enable three phase short circuit situation of the simulated machine. After that the mechanical model was validated by comparing the results of the developed simulation tool to results of other simulation tools. The compared results are the natural frequencies and mode shapes of torsional vibration, the response of the load torque step and the stress in the mechanical system occurred by the permutation of the magnetic field that is arisen from the three phase short circuit situation. The comparisons were accomplished well and the mechanical model was validated for the compared cases. Further development to be made is to develop the load torque to be time-dependent and to install two frequency converters and two FEM modeled machines to be simulated parallel.

Monitoimipystysorvin NC- ohjelmoinnin kehittäminen CAM käyttöönotolla

Diplomityön tavoitteena oli tehostaa venttiilipesien koneistuksessa käytettävän monitoimipystysorvin NC - ohjelmointia CAM - ohjelman käyttöönotolla. Tutkimus on osa laajempaa kokonaisuutta liittyen koneistusalihankinnan kehittämiseen ja yrityksen kilpailukyvyn ylläpitoon ja parantamiseen liiketoiminta-alueella, jolla on tällä hetkellä hyvät kasvunäkymät. Tavoite rajattiin yritykseen jo aiemmin hankitun WinCAM - ohjelman päivittämiseen ja hyödyntämiseen monitoimipystysorvin NC - ohjelmoinnissa. Tutkimuksen käytännön tavoitteena oli selvittää CAM - ohjelmoinnin käyttömahdollisuudet, sekä luoda CAM - ohjelmistoon pohjautuva, räätälöity NC - ohjelmointikonsepti pilottikohteeseen. Tutkimuksen kokeellisen osuuden muodostivat tällöin nykyisen tuotannon ongelmakohtien löytäminen, koneen ohjelmointitarpeiden kartoitus,sekä menetelmäkehitys. Tutkimuksen päämääränä oli tuotannon tasolla käytettävä järjestelmä, jolla koneen ohjelmointi olisi mahdollista myös vähemmällä konekohtaisella kokemuksella. Nykyisen toimintatavan ongelmina olivat yhtenäisen NC - ohjelmointikäytännön puute, niin valmiiden ohjelmien käytössä kuin uusienkin ohjelmien tekemisessä. Tähän olivat syynä NC - ohjauksen heikko käytettävyys erityisesti sorvauksen osalta. Nämä tekijät yhdistettynä monitoimityöstökoneessa tarvittavaan koordinaatiston hallintaan vaikeuttivat ohjelmointia. Työntekijäkohtaiset erot NC - ohjelmien käytössä, sekä laadultaan vaihtelevat valuaihiot aiheuttivat tuotannon läpäisyaikaan merkittävää vaihtelua. Siten myös koneen kuormituksen säätely oli vaikeaa. Uuden ohjelmointikonseptin toteutuksessa pidettiin etusijalla hyvää käytettävyyttä, sekä uuden menetelmän aukotonta liittymistä olemassa oleviin tuotantojärjestelmiin. Ohjelmointikonseptin toteutuksessa, osaperheestä haettiin selkeästi parametroitaviksi soveltuvat työvaiheet, jotka voitiin hallita yleiskäyttöisillä aliohjelmilla. Tuotteiden muidengeometrioiden hallintaan laadittiin geometriakirjasto, jota voitiin käyttää tavanomaisen graafisen ohjelmoinnin pohjana. Vanhaa toimintatapaa ja diplomityön aikana kehitettyä CAM - ohjelmointijärjestelmää vertailtiin perustuen NC - ohjelmien tehokkuuteen, jota tarkasteltiin saman työvaiheen työstöaikaan perustuen. Tämän lisäksi tärkeän tuloksen muodostavat myös kvalitatiivisetseikat, jotka liittyvät ohjelmointiympäristön käytettävyyteen. CAM - ohjelmoinnin kehittäminen ja käyttöönotto pilottikohteessa sujui pääosin hyvin ja laaditunsuunnitelman mukaisesti. Aiemmin hankalasti ohjelmoitavat työvaiheet, kuten erilaisten laippatasopintojen ja reikäpiirien ohjelmointi muutettiin makrokäyttöön soveltuviksi. Sorvauksessa ongelmia aiheuttaneen tiivistelilan koneistukseen sovellettiin graafista ohjelmointia. Koko tuotannon mittakaavassa NC - ohjelmoinninosuus oli kuitenkin vähäinen, mistä johtuen koneen tuottavuuteen ei tutkimuksenajanjaksolla voitu vaikuttaa. Sen sijaan tuotannon sujuvuuteen oleellisesti vaikuttavaa työtekijöiden 'hiljaisen tiedon' määrää voitiin vähentää vakioimalla ohjelmointia ja siirtämällä tehokkaiksi havaitut menetelmät ohjelmointijärjestelmään.

Kuparituotetehtaan tuoterakenteen ja logistisen tehokkuuden kehittäminen

Tässä tutkimuksessa on keskitytty tutkimaan kuparituotetehtaan tuoterakennetta ja tilausten kohdistumispisteitä sekä esittämäänparannusehdotuksia näiden suhteen. Valssaamon prosessivarasto on kokenut huomattavan pienennyksen ja tavoitteena on, että tästä huolimatta tuotantoa pystyttäisiin ohjaamaan vähemmin resurssein, materiaalipulasta kärsimättä ja nopeammin läpimenoajoin. Lisäksi työssä esitetään muita tuotantoprosessiin liittyviä kehitysehdotuksia, jotka tukevat tuotannon virtaviivaistamista ja varastosaldojen vähentämistä. Teoriaosuudessa selitetään Lean-tuotannon toimivuuttavalssaamon kaltaisessa toimintaympäristössä. Teoriaosuudessa on käsitelty Lean-tuotannon lisäksi myös Agile- ja Leagile-teorioita, koska myös näiden teorioidenyhteensopivuus valssaamon tuotantoon on merkittävä. Empiirisessä osassa on kuvattu tuotantoprosessin ja tuoterakenteen nykytila sekä esitetty kehitysehdotuksianäiden kehittämiseen esiteltyjen teorioiden pohjalta. Tutkimuksen perusteella esitetään muutoksia tämänhetkiseen tuoterakenteeseen, koska nykyisen kaltainen tuoterakenne on jäänyt osittain turhaksi varastojen siirryttyä tuotannon alkupäähän. Lisäksi ehdotetaan kuumavalssaussuunnitelmasta luopumista ja kuumavalssaimen ohjaussyklin lyhentämistä vuorokauden mittaiseksi, sekä esitetään, miten tuotantoon tulisi välittää nykyistä tarkempaa tietoa tilauksien valmistumisajankohdista.

Puunkäsittelykoneen simulointi ja mekaaniset häviöt

Diplomityö on osa Savonia-amk:n koneosaston TOVI-projektia, jossa metsä-konevalmistaja Ponsse Oyj on mukana. Työssä tutkittiin Ponsse Oyj:n metsäkoneen harvesteripäätä. Tavoitteena oli harvesteripään puun syöttöliikkeessä syntyvien mekaanisten häviöiden selvittäminen. Mekaanisilla häviöillä tarkoitamme karsintaterien kitkavoimia ja syöttörullien vierintävastusta.Edellisten lisäksi tavoitteena oli tutkia puun syöttöliikkeen simuloitavuutta monikappaledynamiikkaan perustuvalla simu-lointiohjelmistolla. Työ toteutettiin mittaamalla harvesteripään hydraulisten toimilaitteiden paineita, puun syötön aikana. Mittasimme myös puun ja harvesteripään välistä liikematkaa, nopeutta, kiihtyvyyttä, sekä puun paksuutta. Mittausten lisäksi harvesteripäästä rakennettiin simulointimalli. Mitattujen paineiden avulla laskettiin vastaavien toimilaitteiden synnyttämät voimat ja momentit. Simulointimallilla toistettiin mittaustapahtumat, käyttäen mittausten avulla laskettuja voimia ja momentteja. Mallin kitkakertoimien ja vierintävastusten avulla simuloidut ja mitatut liikematkat haettiin yhteneviksi. Toisin sanoen, simulointimalli verifioitiin todellisuutta vastaavaksi, jolloin simulointimallista voitiin lukea syntyneet häviöt.