Permanent magnet synchronous motor for industrial inverter applications - analysis and design

During the latest few years the need for new motor types has grown, since both high efficiency and an accurate dynamic performance are demanded in industrial applications. For this reason, new effective control systems such as direct torque control (DTC) have been developed. Permanent magnet synchronous motors (PMSM) are well suitable for new adjustable speed AC inverter drives, because their efficiency and power factor are not depending on the pole pair number and speed to the same extent as it is the case in induction motors. Therefore, an induction motor (IM) with a mechanical gearbox can often be replaced with a direct PM motor drive. Space as well as costs will be saved, because the efficiency increases and the cost of maintenance decreases as well. This thesis deals with design criterion, analytical calculation and analysis of the permanent magnet synchronous motor for both sinusoidal air-gap flux density and rectangular air-gapflux density. It is examined how the air-gap flux, flux densities, inductances and torque can be estimated analytically for salient pole and non-salient pole motors. It has been sought by means of analytical calculations for the ultimate construction for machines rotating at relative low 300 rpm to 600 rpm speeds, which are suitable speeds e.g. in Pulp&Paper industry. The calculations are verified by using Finite Element calculations and by measuring of prototype motor. The prototype motor is a 45 kW, 600 rpm PMSM with buried V-magnets, which is a very appropriate construction for high torque motors with a high performance. With the purposebuilt prototype machine it is possible not only to verify the analytical calculations but also to show whether the 600 rpm PMSM can replace the 1500 rpm IM with a gear. It can also be tested if the outer dimensions of the PMSM may be the same as for the IM and if the PMSM in this case can produce a 2.5 fold torque, in consequence of which it may be possible to achieve the same power. The thesis also considers the question how to design a permanent magnet synchronous motor for relatively low speed applications that require a high motor torqueand efficiency as well as bearable costs of permanent magnet materials. It is shown how a selection of different parameters affects the motor properties. Key words: Permanent magnet synchronous motor, PMSM, surface magnets, buried magnets

Comparison of Compound Lean Nozzles and Controlled Flow Nozzles at Off-Design

Turbokoneet ja etenkin höyryturbiinit ovat usein suunniteltu ja optimoitu toimimaan tietyssä toimintapisteessä jossa häviöt on minimoitu ja hyötysuhde maksimoitu. Joissakin tapauksissa on kuitenkin tarpeellista käyttää turbiinia toimintapisteen ulkopuolella. Tällöin turbiinin läpi virtaava massavirta muuttuu ja yleensä heikentää hyötysuhdetta. Turbokoneiden suorituskykyä voidaan parantaa käyttämällä kolmidimensionaalisesti muotoiltuja siipiä. Työssä on vertailtu laskennallisesti kahta kohtuullisesti muotoiltua suutinta (Compound lean ja Controlled flow) niiden suunnitellun toimintapisteen ulkopuolella. Kolmas suutin, ilman kolmidimensionaalista muotoilua on mukana vertailukohteena. Suutinten suorituskykyä tutkitaan laskennallisen virtausmekaniikan avulla olosuhteissa, jotka ovat toimintapisteen ulkopuolella. Virtauksen muutoksia tutkitaan kokonaispainehäviön, isentrooppisen hyötysuhteen ja virtauspinnan yhdenmukaisuuden avulla. Virtauspintoja verrataan ulosvirtauskulman, massavirran ja toisiovirtausvektoreiden jakauman avulla. Erot suutinten suorituskykyvyssä korostavat ylikuormalla. Kun massavirran arvoa on kohotettu eniten, Compound lean suuttimilla hyötysuhde laskee Controlled flow suuttimeen verrattuna vähemmän. Alikuormalla, kun massavirran arvoa lasketaan, erot suuttimien suorituskyvyssä pienenevät ja tutkittujen suuttimien ulosvirtaus on samankaltainen.

1000 V sähkönjakelujärjestelmän teknistaloudellisen kannattavuuden tarkastelu

Tässä työssä tutkitaan 1000 V pienjännitejakelun taloudellista kannattavuutta. Tutkimus perustuu teoreettiseen tarkasteluun, jossa noudatetaan yleisiä verkostosuunnittelun periaatteita. EU-lainsäädäntö mahdollistaa 1000 V pienjänniteportaan sijoittamisen nykyisen keskijänniteverkon ja pienjänniteverkon väliin lisäten kolmannen jakelujänniteportaan nykyään käytettävien 20 kV ja 0,4 kV väliin. Jakeluverkkojen kehittämiseksi on etsittävä ratkaisu, joka on taloudellinen sekä asiakkaiden että verkonhaltijoiden kannalta. Tällaiset ratkaisut pienentävät verkon käytön kokonaiskustannuksia ja parantavat sähkön laatua. Lisättäessä jakeluverkkoon kolmas jänniteporras, keskijänniteverkon johtopituus lyhenee ja varsinkin lyhyiden haarajohtojen määrä vähenee. Tämä vähentää keskijänniteverkossa esiintyvien keskeytysten määrää ja pienentää keskeytyskustannuksia. Kilovoltin järjestelmä on kannattava korvattaessa sillä osa keskijänniteverkkoa, tai estettäessä perinteisellä järjestelmällä tarvittava muuntopiirin jakaminen. Osana varsinaista pienjänniteverkkoa ei kilovoltinjärjestelmä ole kannattava. Tässä työssä kolmijänniteportaista jakeluverkkoa tutkitaan teoreettisilla verkkosuunnitelmilla, joita tehdään muutamille perusverkkotopologioille. Taloudellista kannattavuutta tutkitaan vertaamalla perinteistä kaksijänniteportaista ja kolmijänniteportaista verkkoratkaisua kustannusten suhteen teknisten reunaehtojen puitteissa. 1000 V pienjännitejakelu vaatii uudenlaisia verkostokomponentteja. Näistä on erityisesti käsitelty 1/0,4 kV pienjännitemuuntajaa. Muuntajasuunnittelun lähtökohtana on 1000 V verkon käyttäminen keskijänniteverkon jatkeena maasta erotettuna verkkona.

Design of Installation for Transport Measurements

In the present work the aim was to prepare an automatic installation for studies of galvanomagnetic effects in solids and to test it by calibration measurements. As a result required automatic installation was created in this work and test measurements were performed. Created setup automatically provides measurements of the magnetoresistance of the Hall effect with an accuracy of ± 2 µV in the temperature range 2 – 300 K and steady magnetic fields up to 6 T. The test measurements of the glassy carbon samples showed that the setup is reliable, has high sensitivity and is easy to use. The results obtained in the research process are pioneer and will be separately analyzed.

CFD Simulation of Two-phase and Three-phase Flows in Internal-loop Airlift

Airlift reactors are pneumatically agitated reactors that have been widely used in chemical, petrochemical, and bioprocess industries, such as fermentation and wastewater treatment. Computational Fluid Dynamics (CFD) has become more popular approach for design, scale-up and performance evaluation of such reactors. In the present work numerical simulations for internal-loop airlift reactors were performed using the transient Eulerian model with CFD package, ANSYS Fluent 12.1. The turbulence in the liquid phase is described using κ- ε the model. Global hydrodynamic parameters like gas holdup, gas velocity and liquid velocity have been investigated for a range of superficial gas velocities, both with 2D and 3D simulations. Moreover, the study of geometry and scale influence on the reactor have been considered. The results suggest that both, geometry and scale have significant effects on the hydrodynamic parameters, which may have substantial effects on the reactor performance. Grid refinement and time-step size effect have been discussed. Numerical calculations with gas-liquid-solid three-phase flow system have been carried out to investigate the effect of solid loading, solid particle size and solid density on the hydrodynamic characteristics of internal loop airlift reactor with different superficial gas velocities. It was observed that averaged gas holdup is significantly decreased with increasing slurry concentration. Simulations show that the riser gas holdup decreases with increase in solid particle diameter. In addition, it was found that the averaged solid holdup increases in the riser section with the increase of solid density. These produced results reveal that CFD have excellent potential to simulate two-phase and three-phase flow system.

Kehä V -opastuksen ja viitoituksen esisuunnitelma

Kehä V:ksi kutsutaan valtatie 25:n ja kantatie 55:n muodostamaa kehämäistä yhteyttä Hangosta Porvooseen. Tämä työ pohjautuu Kehä V - hankkeeseen, jonka tarkoituksena on nostaa tieyhteyden profiilia ja korostaa sen asemaa yhtenä laajentuvan pääkaupunkiseudun kehäväylistä. Tämän työn tarkoitus on selvittää viitotuksen uusimisen toteuttamisedellytyksiä ja muutoksen aiheuttamia kustannuksia. Työ on esisuunnittelua, jossa esitetään teemakarttamuodossa ehdotukset viitoitettavista kohteista. Työn yhteydessä tehtiin maastokäynti, jossa inventointiin viitoituksen nykytila, sekä toteutettiin työpaja eli workshop, jossa Kehä V:n lähialueiden kuntien, kauppakamarien ja maakuntaliittojen edustajien kanssa ideoitiin viitoitusperusteita. Nykyisin opastettavia kohteita on tieyhteydellä useita perustuen viitoituskohdeluetteloon. Opasteissa käytetään pääasiassa vain kaukokohteita. Kaukokohteet vaihtuvat sijainnin mukaan samoin kuin opastettavien kohteiden lukumäärä viitoissa. Samantyyppisissäkin liittymissä voidaan käyttää erilaista viitoitusperiaatetta ja viitoitettavat kohteet voivat vaihdella sen mukaan, mistä suunnasta liittymää lähestytään. Suuriinkin teollisuus- ja logistiikkakeskittymiin opastetaan vasta ihan kohteen lähellä. Muita kulkumuotoja, kuten rautateitä, ei ole nykyisin huomioitu viitoituksessa. Muuttuvia opasteita reitin varrella on vain muutamia ja niistäkään osa ei ollut käytössä maastokäynnin ajankohtana. Työssä ehdotetaan nykyisten kehäväylien opastusperiaatteiden soveltamista myös Kehä V:llä. Tällöin saapumissuunnista opastetaan kylteillä ”Kehä V itään/länteen” sekä seuraavan lähi- tai kaukokohteen nimellä. Opastettaviksi kohteiksi valittiin Hanko, Lohja, Hyvinkää, Mäntsälä ja Porvoo. Hanko ja Porvoo ovat tieosuuden päätepisteet ja välikohteet tukevat solmukohtaopastusta sijaitessaan pääteiden liittymissä. Lisäksi ehdotettiin opastusta Hangon satamaan ja Porvoon öljysatamaan sekä Hyvinkään rautatieasemalle jo pääteiltä alkaen. Työn yhteydessä syntyi paljon ideoita muiden kuin kiinteiden opasteiden käytöstä. Workshopin yhteydessä tuli esille idea Kehä V -internetportaalista. Internetsivusto toimisi ikään kuin virtuaaliväylänä. Sivustolta voisi hakea reittitietoja Kehä V:n alueelta sekä mm. sopivia pysähdys- tai levähdyspaikkoja ja suunnitella näin matkaa etukäteen. Kehä V:n internetportaalin yhteyteen voisi kehittää palvelun, jonka avulla navigaattoriin voi ladata erilaisia teemoja, kuten teollisuus- ja yritysalueita. Myös infopisteitä voisi hyödyntää aiempaa enemmän. Infopisteet voisivat helposti tarjota laajempaakin karttamateriaalia, kuten teollisuus-, ja yritysalueiden opaskartat. Yhtenäisen ilmeen luominen koko Kehä V:n tieympäristövarusteille on ollut esillä jo aiemmissakin projektin vaiheissa. Tällä tavoin pystytään vaikuttamaan laadukkaan mielikuvan syntymiseen tien käyttöympäristössä. Laadukas mielikuva liitettäisiin sitä kautta myös väylän varrella oleviin paikkakuntiin, yrityksiin ja väylähankkeeseen ylipäätään. Tieympäristövarustuksen design olisi keino erottua muista kehäväylistä, koska sitä ei ole liiaksi käytetty. Projektista voisi saada pilottihankkeen, joka pidemmällä tähtäimellä hyödyttäisi koko Suomen väyläilmeen ja laadukkaampien liikenteenohjaustuotteiden kehittymistä.

Computational studies for the design of process equipment with complex geometries

This study combines several projects related to the flows in vessels with complex shapes representing different chemical apparata. Three major cases were studied. The first one is a two-phase plate reactor with a complex structure of intersecting micro channels engraved on one plate which is covered by another plain plate. The second case is a tubular microreactor, consisting of two subcases. The first subcase is a multi-channel two-component commercial micromixer (slit interdigital) used to mix two liquid reagents before they enter the reactor. The second subcase is a micro-tube, where the distribution of the heat generated by the reaction was studied. The third case is a conventionally packed column. However, flow, reactions or mass transfer were not modeled. Instead, the research focused on how to describe mathematically the realistic geometry of the column packing, which is rather random and can not be created using conventional computeraided design or engineering (CAD/CAE) methods. Several modeling approaches were used to describe the performance of the processes in the considered vessels. Computational fluid dynamics (CFD) was used to describe the details of the flow in the plate microreactor and micromixer. A space-averaged mass transfer model based on Fick’s law was used to describe the exchange of the species through the gas-liquid interface in the microreactor. This model utilized data, namely the values of the interfacial area, obtained by the corresponding CFD model. A common heat transfer model was used to find the heat distribution in the micro-tube. To generate the column packing, an additional multibody dynamic model was implemented. Auxiliary simulation was carried out to determine the position and orientation of every packing element in the column. This data was then exported into a CAD system to generate desirable geometry, which could further be used for CFD simulations. The results demonstrated that the CFD model of the microreactor could predict the flow pattern well enough and agreed with experiments. The mass transfer model allowed to estimate the mass transfer coefficient. Modeling for the second case showed that the flow in the micromixer and the heat transfer in the tube could be excluded from the larger model which describes the chemical kinetics in the reactor. Results of the third case demonstrated that the auxiliary simulation could successfully generate complex random packing not only for the column but also for other similar cases.

Analysis of Phase Separator Design Criteria Using Computational Fluid Dynamics

Gravitational phase separation is a common unit operation found in most large-scale chemical processes. The need for phase separation can arise e.g. from product purification or protection of downstream equipment. In gravitational phase separation, the phases separate without the application of an external force. This is achieved in vessels where the flow velocity is lowered substantially compared to pipe flow. If the velocity is low enough, the denser phase settles towards the bottom of the vessel while the lighter phase rises. To find optimal configurations for gravitational phase separator vessels, several different geometrical and internal design features were evaluated based on simulations using OpenFOAM computational fluid dynamics (CFD) software. The studied features included inlet distributors, vessel dimensions, demister configurations and gas phase outlet configurations. Simulations were conducted as single phase steady state calculations. For comparison, additional simulations were performed as dynamic single and two-phase calculations. The steady state single phase calculations provided indications on preferred configurations for most above mentioned features. The results of the dynamic simulations supported the utilization of the computationally faster steady state model as a practical engineering tool. However, the two-phase model provides more truthful results especially with flows where a single phase does not determine the flow characteristics.