Dynamic Analysis Model of Spherical Roller Bearings with Defects

Rolling element bearings are essential components of rotating machinery. The spherical roller bearing (SRB) is one variant seeing increasing use, because it is self-aligning and can support high loads. It is becoming increasingly important to understand how the SRB responds dynamically under a variety of conditions. This doctoral dissertation introduces a computationally efficient, three-degree-of-freedom, SRB model that was developed to predict the transient dynamic behaviors of a rotor-SRB system. In the model, bearing forces and deflections were calculated as a function of contact deformation and bearing geometry parameters according to nonlinear Hertzian contact theory. The results reveal how some of the more important parameters; such as diametral clearance, the number of rollers, and osculation number; influence ultimate bearing performance. Distributed defects, such as the waviness of the inner and outer ring, and localized defects, such as inner and outer ring defects, are taken into consideration in the proposed model. Simulation results were verified with results obtained by applying the formula for the spherical roller bearing radial deflection and the commercial bearing analysis software. Following model verification, a numerical simulation was carried out successfully for a full rotor-bearing system to demonstrate the application of this newly developed SRB model in a typical real world analysis. Accuracy of the model was verified by comparing measured to predicted behaviors for equivalent systems.

Influence of Travelling Current Linkage Harmonics on Inductance Variation, Torque Ripple and Sensorless Capability of Tooth-Coil Permanent-Magnet Synchronous Machines

This paper introduces an important source of torque ripple in PMSMs with tooth-coil windings (TC-PMSMs). It is theoretically proven that saturation and cross-saturation phenomena caused by the non-synchronous harmonics of the stator current linkage cause a synchronous inductance variation with a particular periodicity. This, in turn, determines the magnitude of the torque ripple and can also deteriorate the performance of signal-injection-based rotor position estimation algorithms. An improved dq- inductance model is proposed. It can be used in torque ripple reduction control schemes and can enhance the self-sensing capabilities of TC-PMSMs

Estimation of forest canopy cover : a comparison of field measurement techniques

Abstract

Moniensiöinen muuntaja taajuudenmuuttajakäytössä

Suuritehoisissa pumppu- ja puhallinkäytöissä käytetään usein suurnopeusmoottoria,jota syötetään välijännitteellä. Suurjännitetaajuudenmuuttajat ovat kalliita, eikä niitä ole aina edes mahdollista valmistaa. Tutkimuksen kohteena on rinnakkaisilla pienjännitetaajuudenmuuttajilla toteutettu sähkökäyttö, jossa pienjännite nostetaan moniensiöisellä muuntajalla suurjännitteeksi (6,6 kV) ja syötetään edelleen kuormana olevalle suurnopeusmoottorille. Opinnäytetyössä tutkitaan moniensiöisen muuntajan syöttöä rinnakkaisilla taajuudenmuuttajilla sekä niiden aiheuttamia häiriöitä toisilleen. Työssä tutkitaan myös harmonisten yliaaltojen vaikutuksia muuntajan häviöihin ja magnetointiominaisuuksiin. Taajuudenmuuttajan lähtöjännite ja -virta suodatetaan sinisuotimella, jonka parametreja simuloidaan Simulink- ohjelmistolla. Tavoite on löytää optimaaliset parametrit taajuudenmuuttajanlähtösuotimelle käyrämuotojen ja suotimeen jäävän tehon suhteen. Työssä tarkasteltiin sinisuodinta, johon jää 3 prosenttia syöttöjännitteestä. LC-suodin kompensoi sähkökäytön loistehon lähes kokonaan, joten taajuudenmuuttajien antotehon kannalta suotimet ovat perusteltuja. Taajuudenmuuttajan näennäisteho putoaa 22 prosenttia, joten taajuudenmuuttajat voidaan vastaavasti mitoittaa pienemmiksi.

Analysis of the voltage source inverter with small DC-link capacitor

IIn electric drives, frequency converters are used to generatefor the electric motor the AC voltage with variable frequency and amplitude. When considering the annual sale of drives in values of money and units sold, the use of low-performance drives appears to be in predominant. These drives have tobe very cost effective to manufacture and use, while they are also expected to fulfill the harmonic distortion standards. One of the objectives has also been to extend the lifetime of the frequency converter. In a traditional frequency converter, a relatively large electrolytic DC-link capacitor is used. Electrolytic capacitors are large, heavy and rather expensive components. In many cases, the lifetime of the electrolytic capacitor is the main factor limiting the lifetime of the frequency converter. To overcome the problem, the electrolytic capacitor is replaced with a metallized polypropylene film capacitor (MPPF). The MPPF has improved properties when compared to the electrolytic capacitor. By replacing the electrolytic capacitor with a film capacitor the energy storage of the DC-linkwill be decreased. Thus, the instantaneous power supplied to the motor correlates with the instantaneous power taken from the network. This yields a continuousDC-link current fed by the diode rectifier bridge. As a consequence, the line current harmonics clearly decrease. Because of the decreased energy storage, the DC-link voltage fluctuates. This sets additional conditions to the controllers of the frequency converter to compensate the fluctuation from the supplied motor phase voltages. In this work three-phase and single-phase frequency converters with small DC-link capacitor are analyzed. The evaluation is obtained with simulations and laboratory measurements.

Analysis of torque and speed ripple producing non-idealities of frequency converters in electric drives

Electric motors driven by adjustable-frequency converters may produce periodic excitation forces that can cause torque and speed ripple. Interaction with the driven mechanical system may cause undesirable vibrations that affect the system performance and lifetime. Direct drives in sensitive applications, such as elevators or paper machines, emphasize the importance of smooth torque production. This thesis analyses the non-idealities of frequencyconverters that produce speed and torque ripple in electric drives. The origin of low order harmonics in speed and torque is examined. It is shown how different current measurement error types affect the torque. As the application environment, direct torque control (DTC) method is applied to permanent magnet synchronous machines (PMSM). A simulation model to analyse the effect of the frequency converter non-idealities on the performance of the electric drives is created. Themodel enables to identify potential problems causing torque vibrations and possibly damaging oscillations in electrically driven machine systems. The model is capable of coupling with separate simulation software of complex mechanical loads. Furthermore, the simulation model of the frequency converter's control algorithm can be applied to control a real frequency converter. A commercial frequencyconverter with standard software, a permanent magnet axial flux synchronous motor and a DC motor as the load are used to detect the effect of current measurement errors on load torque. A method to reduce the speed and torque ripple by compensating the current measurement errors is introduced. The method is based on analysing the amplitude of a selected harmonic component of speed as a function oftime and selecting a suitable compensation alternative for the current error. The speed can be either measured or estimated, so the compensation method is applicable also for speed sensorless drives. The proposed compensation method is tested with a laboratory drive, which consists of commercial frequency converter hardware with self-made software and a prototype PMSM. The speed and torque rippleof the test drive are reduced by applying the compensation method. In addition to the direct torque controlled PMSM drives, the compensation method can also beapplied to other motor types and control methods.

Experimental insights into deformation dynamics and intermittency in rapid granular shear flows

This work concerns the experimental study of rapid granular shear flows in annular Couette geometry. The flow is induced by continuous driving of the horizontal plate at the top of the granular bed in an annulus. The compressive pressure, driving torque, instantaneous bed height and rotational speed of the shearing plate are measured. Moreover, local stress fluctuations are measured in a medium made of steel spheres 2 and 3 mm in diameter. Both monodisperse packing and bidisperse packing are investigated to reveal the influence of size diversity in intermittent features of granular materials. Experiments are conducted in an annulus that can contain up to 15 kg of spherical steel balls. The shearing granular medium takes place via the rotation of the upper plate which compresses the material loaded inside the annulus. Fluctuations of compressive force are locally measured at the bottom of the annulus using a piezoelectric sensor. Rapid shear flow experiments are pursued at different compressive forces and shear rates and the sensitivity of fluctuations are then investigated by different means through monodisperse and bidisperse packings. Another important feature of rapid granular shear flows is the formation of ordered structures upon shearing. It requires a certain range for the amount of granular material (uniform size distribution) loaded in the system in order to obtain stable flows. This is studied more deeply in this thesis. The results of the current work bring some new insights into deformation dynamics and intermittency in rapid granular shear flows. The experimental apparatus is modified in comparison to earlier investigations. The measurements produce data for various quantities continuously sampled from the start of shearing to the end. Static failure and dynamic shearing ofa granular medium is investigated. The results of this work revealed some important features of failure dynamics and structure formation in the system. Furthermore, some computer simulations are performed in a 2D annulus to examine the nature of kinetic energy dissipation. It is found that turbulent flow models can statistically represent rapid granular flows with high accuracy. In addition to academic outcomes and scientific publications our results have a number of technological applications associated with grinding, mining and massive grain storages.

Mass transfer and particleinteractions in granular systems and suspension flows

The purpose of this study was to investigate some important features of granular flows and suspension flows by computational simulation methods. Granular materials have been considered as an independent state ofmatter because of their complex behaviors. They sometimes behave like a solid, sometimes like a fluid, and sometimes can contain both phases in equilibrium. The computer simulation of dense shear granular flows of monodisperse, spherical particles shows that the collisional model of contacts yields the coexistence of solid and fluid phases while the frictional model represents a uniform flow of fluid phase. However, a comparison between the stress signals from the simulations and experiments revealed that the collisional model would result a proper match with the experimental evidences. Although the effect of gravity is found to beimportant in sedimentation of solid part, the stick-slip behavior associated with the collisional model looks more similar to that of experiments. The mathematical formulations based on the kinetic theory have been derived for the moderatesolid volume fractions with the assumption of the homogeneity of flow. In orderto make some simulations which can provide such an ideal flow, the simulation of unbounded granular shear flows was performed. Therefore, the homogeneous flow properties could be achieved in the moderate solid volume fractions. A new algorithm, namely the nonequilibrium approach was introduced to show the features of self-diffusion in the granular flows. Using this algorithm a one way flow can beextracted from the entire flow, which not only provides a straightforward calculation of self-diffusion coefficient but also can qualitatively determine the deviation of self-diffusion from the linear law at some regions nearby the wall inbounded flows. Anyhow, the average lateral self-diffusion coefficient, which was calculated by the aforementioned method, showed a desirable agreement with thepredictions of kinetic theory formulation. In the continuation of computer simulation of shear granular flows, some numerical and theoretical investigations were carried out on mass transfer and particle interactions in particulate flows. In this context, the boundary element method and its combination with the spectral method using the special capabilities of wavelets have been introduced as theefficient numerical methods to solve the governing equations of mass transfer in particulate flows. A theoretical formulation of fluid dispersivity in suspension flows revealed that the fluid dispersivity depends upon the fluid properties and particle parameters as well as the fluid-particle and particle-particle interactions.

Vaihtosuuntauksen ja suodatuksen toteuttaminen tasasähkönjakeluverkossa

Pienjännitejakeluverkko Suomessa on toteutettu 400 V:n kolmivaiheisella vaihtosähköllä. Pienestä jännitteestä johtuen 20/0.4 kV:n muuntajat täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa, jotta siirtohäviöt eivät nouse liian suuriksi. Suuremman vaihto- tai tasajännitteen käyttö pienjännitejakelussa kasvattaisi verkon tehonsiirtokapasiteettia ja mahdollistaisi pidempien siirtomatkojen käytön. Käynnissä olevassa tutkimushankkeessa käsitellään vaihtoehtoa, jossa tasajännitettä käytettäisiin 20 kV:n verkon ja kuluttajan välisessä tehonsiirrossa ja kuluttajalla sijaitseva vaihtosuuntaaja muodostaisi tasasähköstä standardien mukaista yksi- tai kolmivaiheista vaihtosähköä. Tässä diplomityössä käsitellään tehoelektroniikan soveltamista kuluttajalle sijoitetussa vaihtosuuntaajassa. Työssä tarkastellaan yksivaiheisia invertteritopologioita, niiden ohjausta ja soveltamista erilaisissa vaihtosuuntaajaratkaisuissa sekä LC- ja LCL-suotimien soveltuvuutta invertterin lähtöjännitteen suodatukseen. Lisäksi esitellään erilaisia rakenneratkaisuja vaihtosuuntauksen toteutukseen ja tarkastellaan näiden järjestelmien vikatilanteita ja sähköturvallisuutta. Lopuksi käsitellään koko järjestelmän häviöitä ja hyötysuhdetta eri suodinkomponenteilla sekä kytkentätaajuuksilla ja esitellään laboratorioprototyyppi. Työssä saatiin selville, että puolisiltainvertteri ei sovellu suurten kondensaattorien vuoksi syöttämään verkkotaajuista kuormaa, vaan joudutaan käyttämään kokosiltainvertteriä. Kokosiltainvertterin ja LC- tai LCL-suotimen käsittävää kokonaisuutta tarkasteltaessa havaittiin, että pienimmät häviöt saavutetaan LC-suotimella 5 %:n ja LCL-suotimella 1 %:n särövaatimuksella. Hyötysuhdekäyrää tarkasteltaessa saatiin sama tulos läpi koko invertterin tehoalueen. Suotimen häviöiden tarkka laskenta on kuitenkin erittäin haasteellista, joten tulokset ovat suuntaa-antavia.

Micronization of Pharmaceuticals and Food Ingredients using Supercritical Fluid Techniques

Micronization techniques based on supercritical fluids (SCFs) are promising for the production of particles with controlled size and distribution. The interest of the pharmaceutical field in the development of SCF techniques is increasing due to the need for clean processes, reduced consumption of energy, and to their several possible applications. The food field is still far from the application of SCF micronization techniques, but there is increasing interest mainly for the processing of products with high added value. The aim of this study is to use SCF micronization techniques for the production of particles of pharmaceuticals and food ingredients with controlled particle size and morphology, and to look at their production on semi-industrial scale. The results obtained are also used to understand the processes from the perspective of broader application within the pharmaceutical and food industries. Certain pharmaceuticals, a biopolymer and a food ingredient have been tested using supercritical antisolvent micronization (SAS) or supercritical assisted atomization (SAA) techniques. The reproducibility of the SAS technique has been studied using physically different apparatuses and on both laboratory and semi-industrial scale. Moreover, a comparison between semi-continuous and batch mode has been performed. The behaviour of the system during the SAS process has been observed using a windowed precipitation vessel. The micronized powders have been characterized by particle size and distribution, morphology and crystallinity. Several analyses have been performed to verify if the SCF process modified the structure of the compound or caused degradation or contamination of the product. The different powder morphologies obtained have been linked to the position of the process operating point with respect to the vapour-liquid equilibrium (VLE) of the systems studied, that is, mainly to the position of the mixture critical point (MCP) of the mixture. Spherical micro, submicro- and nanoparticles, expanded microparticles (balloons) and crystals were obtained by SAS. The obtained particles were amorphous or with different degrees of crystallinity and, in some cases, had different pseudo-polymorphic or polymorphic forms. A compound that could not be processed using SAS was micronized by SAA, and amorphous particles were obtained, stable in vials at room temperature. The SCF micronization techniques studied proved to be effective and versatile for the production of particles for several uses. Furthermore, the findings of this study and the acquired knowledge of the proposed processes can allow a more conscious application of SCF techniques to obtain products with the desired characteristics and enable the use of their principles for broader applications.

The Dynamics of Force Fluctuations in Shear Granular Flows

Tämän työn tavoitteena oli tutkia rakeisen materiaalin kinematiikkaa ja rakentaa koelaitteisto rakeisen materiaalin leikkausjännitysvirtauksien tutkimiseen. Kokeellisessa osassa on keskitytty sisäisiin voimaheilahteluihin ja niiden ymmärtämiseen. Teoriaosassa on käyty läpi rakeisen materiaalin yleisiä ominaisuuksia ja lisäksi on esitetty kaksi eri tapaa mallintaa fysikaalisien ominaisuuksien heilahteluja rakeisessa materiaalissa. Nämä kaksi esitettyä mallinnusmenetelmää ovat skalaarinen q-malli ja simulointi. Skalaarinen q-malli määrittelee jokaiseen yksittäiseen rakeeseen kohdistuvan jännityksen, rakeen ollessa osa 2- tai 3-dimensionaalista asetelmaa. Tämän mallin perusidea on kuvata jännityksien epähomogeenisuutta, joka johtuu rakeiden satunnaisasettelusta. Simulointimallinnus perustuu event-driven algoritmiin, missä systeemin dynamiikkaa kuvataan yksittäisillä partikkelien törmäyksillä. Törmäyksien vaiheet ratkaistiin käyttämällä liikemääräyhtälöitä ja restituution määritelmää. Teoriaosuudessa käytiin vielä pieniltä osin läpi syitä jännitysheilahteluihin ja rakeisen materiaalin lukkiintumiseen. Tutkimuslaitteistolla tutkittiin rakeisen materiaalin käyttäytymistä rengasmaisessa leikkausjännitysvirtauksessa. Tutkimusosuuden päätavoitteena oli mitata partikkelien kosketuksista ja törmäyksistä johtuvia hetkellisiä voimaheilahteluja rengastilavuuden pohjalta. Rakeisena materiaalina tutkimuksessa käytettiin teräskuulia. Jännityssignaali ajan funktiona osoittaa suurta heilahtelua, joka voi olla jopa kertalukua keskiarvosta suurempaa. Tällainen suuren amplitudin omaava heilahtelu on merkittävä haittapuoli yleisesti rakeisissa materiaaleissa käytettyjen jatkuvuusmallien kanssa. Tällainen heilahtelu tekee käytetyt jatkuvuusmallit epäpäteviksi. Yleisellä tasolla jännityksien todennäköisyysjakauma on yhtäpitävä skalaarisen q-mallin tuloksien kanssa. Molemmissa tapauksissa todennäköisyysjakaumalla on eksponentiaalinen muoto.

Kuristettujen isotermisen vesivirtausten kolmidimensionaalinen mallintaminen

Työssä on tutkittu CFX ja Fluent virtauslaskentaohjelmien soveltavuutta kuristet-tujen isotermisten vesivirtausten kolmidimensionaaliseen mallintamiseen. Teoriaosassa on esitelty virtausta hallitsevat perusyhtälöt sekä eri kavitaatioteori-oita kavitaatiokuplan syntymisestä tuhoutumiseen. Laskennallisessa osassa esitellään käytetyt virtauslaskentaohjelmat ja laskentatapaukset sekä verrataan saatuja tuloksia aiemmin suoritettuihin mittauksiin. Työn pääpaino oli tutkia käytettyjen virtauslaskentaohjelmien soveltuvuutta kuris-tettujen virtauksien mallinnukseen.

Sisäisten donorien vaikutus Polypropeeni Ziegler-Natta katalyytissä

Tässä työssä tutkittiin erilaisten sisäisten donorien vaikutusta polypropeenin ominaisuuksiin käytettäessä Ziegler-Natta-katalyyttiä, joka valmistettiin Borealiksen aiemmin kehittämällä kaksifaasimenetelmällä. Tällä uudella menetelmällä katalyytti voidaan valmistaa ilman lisättyä sisäistä donoria ja kantajaa. Katalyyttihiukkaset saadaan kaksifaasisysteemin ansiosta muodoltaan pyöreiksi. Työn kokeellisessa osassa valmistettiin erilaisia Mg-komplekseja, jossa sisäinen donori muodostuu in-situ alkoholin ja karboksyylihappokloridin reagoidessa keskenään. Katalyyttisynteesissä Mg-kompleksi reagoi TiCl4:n kanssa. Saatujen katalyyttien ominaisuuksia testattiin polymeroimalla niillä propeenia 70 °C:ssa tunnin ajan. Polymeerien ominaisuuksia tutkittiin useiden eri karakterisointimenetelmien avulla. Lisäksi tutkittiin mahdollisuutta valmistaa katalyytti, joka ei sisältäisi ftalaattia. Työssä havaittiin, että katalyytin valmistusmenetelmä on käyttökelpoinen myös muilla sisäisillä donoreilla kuin referenssinä käytetyllä DOP:lla. Kaksiliuosfaasi-systeemi saatiin aikaan myös kahdella muulla työssä tutkitulla sisäisellä donorilla. Lisäksi faasitasapainokokeissa kahden liuosfaasin systeemi saatiin aikaan sisäisellä donorilla, joka ei sisältänyt ftalaattia. Kyseisellä katalyytillä havaittiin olevan muista katalyyteistä poikkeavia ominaisuuksia. Esimerkiksi se antoi matalamman isotaktisuuden kuin referenssikatalyytti ja se saattaisikin soveltua matalan isotaktisuuden pehmeille tuotteille. Työssä kokeiltiin yhdellä uudella katalyytillä myös eteenin polymerointia, sillä katalyytin donoripitoisuus oli hyvin matala. Katalyytin aktiivisuus eteenipolymeroinnissa oli varsin hyvä.

Taajuusmuuttajan verkkovirran yliaallot pienitehoisissa kolmivaihekäytöissä

Pienitehoisessa taajuusmuuttajassa verkkojännite tasasuunnataan yleisesti diodisillalla. Taajuusmuuttajaa kuormitettaessa diodisilta aiheuttaa sen, että verkosta otettava virta on epäsinimuotoista ja sisältää runsaasti eri kertalukujen yliaaltoja. Tällainen virta vääristää verkon jännitettä sekä aiheuttaa häviöitä, resonansseja ja toimintaepävarmuutta sähkönjakeluverkkoon liitetyissä laitteissa ja komponenteissa. Työssä on tarkasteltu pienitehoisen kolmivaiheisen taajuusmuuttajan tulovirrassa esiintyviä yliaaltoja ja keinoja niiden rajoittamiseksi. Laitevalmistajien osalta syynä aiheen tutkimiseen ja kiinnostavuuteen ovat lähinnä uudet yliaaltoja käsittelevät standardit. Työssä onkin tutustuttu tarvittavin osin standardoinnin nykytilaan sekä seurattu standardeja valmistelevien työryhmien työtä ja tätä kautta perehdytty alaa käsittelevien standardien tulevaisuudennäkymiin Euroopan Unionin alueella. Käsittely on kohdistettu kolmivaiheisiin laitteisiin. Standardi IEC 61000-3-2 asettaa yliaaltorajat ammattikäyttöön tarkoitetuille laitteille, kun laitteen tuloteho on korkeintaan 1 kW. Tällä tehoalueella riittää kolmivaihelaitteille kuristimilla suoritettu passiivinen suodatus täyttämään asetetut viranomaisvaatimukset. Tähän liittyen on suunniteltu kolmivaihekuristin, joka on tarkoitettu käytettäväksi taajuusmuuttajasarjan lisävarusteena tehoalueella 0.12…2.2 kW.

DTC-induktiomoottorikäytön soveltaminen keskitaajuusalueelle

Työssä tarkastellaan olemassa olevan suoraa vääntömomentin säätöä käyttävän taajuudenmuuttajan soveltamista keskitaajuusalueella toimiviin induktiomoottorikäyttöihin. Keskinopeusalueen sovellusten pyörimisnopeudet ovat tyypillisesti 6000…30000rpm. Tällöin invertterin lähtötaajuuden on nelinapaista moottoria ohjattaessa ulotuttava 1000Hz:iin. ABB:n ACS600 taajuudenmuuttajan nykyinen syöttötaajuus ulottuu noin 400Hz:iin ja sen keskimääräinen kytkentätaajuus on luokkaa 3kHz. Taajuudenmuuttajan keskimääräistä kytkentätaajuutta ei haluta tästä merkittävästi nostaa, koska tällöin pääteasteen mitoitusta ja rakennetta on muutettava. Tarkastelussa keskitytään täten jännitemodulointiin, joka määrittelee invertterin lähtöjännitteen käyrämuodon ja pääteasteen tehokytkimien kytkentätaajuuden. Työssä esitetään suoran käämivuon säädön periaatetta soveltava 30-kulmainen modulointimenetelmä (30-modulointi), jolla moottorin syöttövirrasta voidaan eliminoida 5. ja 7. yliharmoninen komponentti. Yliharmonisten komponenttien eliminointi mahdollistaa passiivisilla komponenteilla toteutetun alipäästösuodattimen asentamisen invertterin lähtöön, jolloin moottorissa tapahtuvat tehohäviöt saadaan pieniksi. 30-moduloinnin ohjaukseen ja säätöön esitetään menetelmät, jotka mahdollistavat sen toteuttamisen nykyiseen taajuudenmuuttajaan ohjelmallisesti ilman suuria laitteistomuutoksia. 30-moduloinnin ominaisuuksia tarkastellaan analyyttisin menetelmin ja sen toimintaa testataan esitettyjen teorioiden perusteella simuloimalla. 30-moduloinnin ohjelmallinen implementointi nykyiseen ACS600:een mahdollistaa periaatteessa noin 600Hz:n syöttötaajuuden saavuttamisen. Tällöin invertterin keskimääräinen kytkentätaajuus voidaan säätää koko pyörimisnopeusalueella alle 4kHz:n tasolle.