Electromagnetic Design of a Solid Steel Rotor Motor for Demanding Operation Environments

The solid-rotor induction motor provides a mechanically and thermally reliable solution for demanding environments where other rotor solutions are prohibited or questionable. Solid rotors, which are manufactured of single pieces of ferromagnetic material, are commonly used in motors in which the rotationspeeds exceed substantially the conventional speeds of laminated rotors with squirrel-cage. During the operation of a solid-rotor electrical machine, the rotor core forms a conductor for both the magnetic flux and the electrical current. This causes an increase in the rotor resistance and rotor leakage inductance, which essentially decreases the power factor and the efficiency of the machine. The electromagnetic problems related to the solid-rotor induction motor are mostly associated with the low performance of the rotor. Therefore, the main emphasis in this thesis is put on the solid steel rotor designs. The rotor designs studied in thisthesis are based on the fact that the rotor construction should be extremely robust and reliable to withstand the high mechanical stresses caused by the rotational velocity of the rotor. In addition, the demanding operation environment sets requirements for the applied materials because of the high temperatures and oxidizing acids, which may be present in the cooling fluid. Therefore, the solid rotors analyzed in this thesis are made of a single piece of ferromagnetic material without any additional parts, such as copper end-rings or a squirrel-cage. A pure solid rotor construction is rigid and able to keep its balance over a large speed range. It also may tolerate other environmental stresses such as corroding substances or abrasive particles. In this thesis, the main target is to improve the performance of an induction motor equipped with a solid steel rotor by traditional methods: by axial slitting of the rotor, by selecting a proper rotor core material and by coating the rotor with a high-resistive stainless ferromagnetic material. In the solid steel rotor calculation, the rotor end-effects have a significant effect on the rotor characteristics. Thus, the emphasis is also put on the comparison of different rotor endfactors. In addition, a corrective slip-dependent end-factor is proposed. The rotor designs covered in this thesis are the smooth solid rotor, the axially slitted solid rotor and the slitted rotor having a uniform ferromagnetic coating cylinder. The thesis aims at design rules for multi-megawatt machines. Typically, mega-watt-size solidrotor machines find their applications mainly in the field of electric-motor-gas-compression systems, in steam-turbine applications, and in various types of largepower pump applications, where high operational speeds are required. In this thesis, a 120 kW, 10 000 rpm solid-rotor induction motor is usedas a small-scale model for such megawatt-range solid-rotor machines. The performance of the 120 kW solid-rotor induction motors is determined by experimental measurements and finite element calculations.

Design and analysis of a transversal-flux switched-reluctance-linear-machine pole-pair

The Switched Reluctance technology is probably best suited for industrial low-speed or zerospeed applications where the power can be small but the torque or the force in linear movement cases might be relatively high. Because of its simple structure the SR-motor is an interesting alternative for low power applications where pneumatic or hydraulic linear drives are to be avoided. This study analyses the basic parts of an LSR-motor which are the two mover poles and one stator pole and which form the “basic pole pair” in linear-movement transversal-flux switchedreluctance motors. The static properties of the basic pole pair are modelled and the basic design rules are derived. The models developed are validated with experiments. A one-sided one-polepair transversal-flux switched-reluctance-linear-motor prototype is demonstrated and its static properties are measured. The modelling of the static properties is performed with FEM-calculations. Two-dimensional models are accurate enough to model the static key features for the basic dimensioning of LSRmotors. Three-dimensional models must be used in order to get the most accurate calculation results of the static traction force production. The developed dimensioning and modelling methods, which could be systematically validated by laboratory measurements, are the most significant contributions of this thesis.

Characterization of design of a product for additive manufacturing

The purpose of conducting this thesis is to gather around information about additive manufacturing and to design a product to be additively manufactured. The specific manufacturing method dealt with in this thesis, is powder bed fusion of metals. Therefore when mentioning additive manufacturing in this thesis, it is referred to powder bed fusion of metals. The literature review focuses on the principle of powder bed fusion, the general process chain in additive manufacturing, design rules for additive manufacturing. Examples of success stories in additive manufacturing and reasons for selecting parts to be manufactured with additive manufacturing are also explained in literature review. This knowledge is demanded to understand the experimental part of the thesis. The experimental part of the thesis is divided into two parts. Part A concentrates on finding proper geometry for building self-supporting pipes and proper parameters for support structures of them. Part B of the experimental part concentrates on a case study of designing a product for additive manufacturing. As a result of experimental part A, the design process of self-supporting pipes, results of visual analysis and results of 3D scanning are presented. As a result of experimental part B the design process of the product is presented and compared to the original model.

Product Standardization of Shell and Tube Heat Exchangers

Diplomityön tavoitteena oli selvittää, kuinka kohdeyrityksessä nykyhetkellä pitkältiräätälöitynä tuotetut putkilämmönvaihtimet voitaisiin standardisoida, jotta pystyttäisiin kohdistamaan resursseja oikein ja parantamaan siten yrityksen taloudellista suorituskykyä. Tutkimuksen edetessä määräävimmäksi tekijäksi työn tuloksia ajatellen nousi taloudellinen standardisointiaste, jonka perusteeksi kohdeyrityksen putkilämmönvaihtimissa valittiin standardisoitu suunnitteluohjeisto. Suunnitteluohjeiston lisäksi tuotestandardiin liitettiin ehdotus toimintapojen automatisoimisesta parametrisen valintataulukon sekä sähköisen manuaalin avulla. Työssä tuotestandardisointia tarkastellaan rationalisointi-investointina ja sen kannattavuutta on tarkasteltu investointilaskelmien sekä herkkyys analyysin avulla. Alkuarvot investointilaskelmissa perustuvat työssä yhdelle putkilämmönvaihtimelletoteutettuun tuotestandardisointitapaan, jos tätä tapaa käytettäisiin jatkossa kaikkiin kyseisen yksikön putkilämmönvaihtimiin.

An Assessment ofFatigue Strength of Load Carrying Welded Joints with Lack of Penetration

On yleisesti tiedossa, että väsyttävän kuormituksen alaisena olevat hitsatut rakenteet rikkoutuvat juuri hitsausliitoksista. Täyden tunkeuman hitsausliitoksia sisältävien rakenteiden asiantunteva suunnittelu janykyaikaiset valmistusmenetelmät ovat lähes eliminoineet väsymisvauriot hitsatuissa rakenteissa. Väsymislujuuden parantaminen tiukalla täyden tunkeuman vaatimuksella on kuitenkin epätaloudellinen ratkaisu. Täyden tunkeuman hitsausliitoksille asetettavien laatuvaatimuksien on määriteltävä selkeät tarkastusohjeet ja hylkäämisperusteet. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia geometristen muuttujien vaikutusta kuormaa kantavien hitsausliitosten väsymislujuuteen. Huomio kiinnitettiin pääasiassa suunnittelumuuttujiin, joilla on vaikutusta väsymisvaurioiden syntymiseen hitsauksen juuren puolella. Nykyiset määräykset ja standardit, jotka perustuvat kokeellisiin tuloksiin; antavat melko yleisiä ohjeita hitsausliitosten väsymismitoituksesta. Tämän vuoksi muodostettiin kokonaan uudet parametriset yhtälöt sallitun nimellisen jännityksen kynnysarvon vaihteluvälin, ¿¿th, laskemiseksi, jotta vältettäisiin hitsausliitosten juuren puoleiset väsymisvauriot. Lisäksi, jokaiselle liitostyypille laskettiin hitsin juuren puolen väsymisluokat (FAT), joita verrattiin olemassa olevilla mitoitusohjeilla saavutettuihin tuloksiin. Täydentäviksi referensseiksi suoritettiin useita kolmiulotteisia (3D) analyysejä. Julkaistuja kokeellisiin tuloksiin perustuvia tietoja käytettiin apuna hitsausliitosten väsymiskäyttäytymisen ymmärtämiseksi ja materiaalivakioiden määrittämiseksi. Kuormaa kantavien vajaatunkeumaisten hitsausliitosten väsymislujuus määritettiin käyttämällä elementtimenetelmää. Suurimman pääjännityksen kriteeriä hyödynnettiin murtumiskäyttäytymisen ennakoimiseksi. Valitulle hitsatulle materiaalille ja koeolosuhteille murtumiskäyttäytymistä mallinnettiin särön kasvunopeudella da/dN ja jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälillä, 'K. Paris:n yhtälön numeerinen integrointi suoritettiin FRANC2D/L tietokoneohjelmalla. Saatujen tulosten perusteella voidaan laskea FAT tutkittavassa tapauksessa. ¿¿th laskettiin alkusärön jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälin ja kynnysjännitysintensiteettikertoimen, 'Kth, perusteella. ¿Kth arvoa pienemmällä vaihteluvälillä särö ei kasva. Analyyseissäoletuksena oli hitsattu jälkikäsittelemätön liitos, jossa oli valmis alkusärö hitsin juuressa. Analyysien tulokset ovat hyödyllisiä suunnittelijoille, jotka tekevät päätöksiä koskien geometrisiä parametreja, joilla on vaikutusta hitsausliitosten väsymislujuuteen.

Materiaalimallin määrityksestä kylmämuovattujen putkipalkkien K-liitosten FE-analyysissä

Työssä on tutkittu kylmämuovattujen nelikulmaisten putkipalkkien K-liitosten mallinnusta epälineaarisella elementtimenetelmällä. Työn tärkeimpänä tavoitteena on ollut kehittää putkipalkin osien materiaalimalleja siten, että liitosten kestävyyttä voidaan tutkia laboratoriokokeiden ohella luotettavasti myös elementtimenetelmällä. Toisena tavoitteena on ollut tutkia, voidaanko putkipalkkien liitosten mitoitusohjeita turvallisesti soveltaa kylmämuovatuille putkipalkeille, joissa valmistusprosessi aiheuttaa muutoksia materiaaliominaisuuksiin, erityisesti muodonmuutoskykyyn. Työssä tehtyjen laboratoriokokeiden ja elementtianalyysien perusteella elementti-menetelmä on käyttökelpoinen työkalu putkipalkkiliitosten staattista kestävyyttä määritettäessä, kun materiaalimallit on määritetty oikein. Erityisesti liitoksen käyttö-rajatilan mukaisen kestävyyden laskennassa elementtimenetelmällä saadaan hyvin laboratoriokokeita vastaavia tuloksia. Tehdyt laboratoriokokeet osoittavat myös, että Eurocode 3:n mukaisia putkipalkkien liitosten mitoitusohjeita voi turvallisesti käyttää kylmämuovatuille putkipalkeille.

Kylmämuovattujen putkipalkkien X-liitosten äärikestävyyden ja jäykkyyden määrittäminen sekä materiaalimallin kehittäminen

Työssä on tutkittu elementtimenetelmän avulla kylmämuovattujen nelikulmaisten putkipalkkien materiaalimallin kehittämistä ja putkipalkkien X-liitosten jäykkyyden ja äärikestävyyden määrittämistä. Työn tavoitteena on tutkia kylmämuovauksen vaikutuksia putkipalkkiprofiilin materiaaliominaisuuksiin materiaalikokeiden ja elementtianalyysien avulla sekä kehittää putkipalkille anisotrooppista materiaalimallia. Työssä määritettyjä materiaalimalleja on sovellettu X-liitosten elementtimalleihin, joiden käyttäytymistä on verrattu äärikestävyyskokeiden tuloksiin. Tutkimuksen perusteella Eurocode 3:n mitoitusohjeita voidaan turvallisesti soveltaa kylmämuovattujen putkipalkkien X-liitosten laskennassa. Työssä tehtyjen materiaalikokeiden ja elementtianalyysien perusteella materiaalin anisotrooppisuuden vaikutus liitoksen kestävyyteen on vähäistä, ja putkipalkin pituussuuntaista materiaalimallia voidaan soveltaa myös kehäsuuntaisille materiaaliominaisuuksille. Materiaalikokeiden simulointi osoittaa, että elementtimenetelmää voidaan käyttää materiaalimallin määrittämisen apuvälineenä.

Ultralujasta teräksestä valmistetun henkilönostimen teleskooppipuomin kehittäminen

Tässä työssä kehitettiin palo- ja pelastuskäyttöön tarkoitettuun henkilönostimeen teleskooppipuomin profiilit. Profiilien valmistusmateriaalina oli kuumavalssattu, ultraluja säänkestävä rakenneteräs. Työssä kehitettiin standardien ja ohjeiden pohjalta laskentapohja, jolla voidaan tutkia teleskooppipuomin jaksojen tukireaktioita, taivutus- ja vääntömomentteja ja leikkaus ja normaalivoimia. Laskentapohjassa voidaan varioida eri kuormitusten suuntia, teleskooppipuomin sivusuuntaista ulottumaa ja nostokulmaa. Profiilien alustavassa mitoituksessa hyödynnettiin paikallisen lommahduksen huomioon ottavia standardeja ja suunnitteluohjeita. Eri poikkileikkausten ominaisuuksia verrattiin keskenään ja profiili valittiin yhdessä kohdeyrityksen kanssa. Alustavan mitoituksen yhteydessä muodostettiin apuohjelma valitulle poikkileikkaukselle, jolla voitiin tutkia profiilin eri muuttujien vaikutusta mm. paikalliseen lommahdukseen ja jäykkyyteen. Laskentapohjaan sisällytettiin myös optimointirutiini, jolla voitiin minimoida poikkileikkauksen pinta-ala ja tätä kautta profiilin massa. Lopullinen mitoitus suoritettiin elementtimenetelmällä. Mitoituksessa tutkittiin alustavasti mitoitettujen profiilien paikallista lommahdusta lineaarisen stabiilius- ja epälineaarisen analyysin pohjalta. Profiilien jännityksiä tutkittiin tarkemmin mm. varioimalla kuormituksia ja osittelemalla elementtien normaalijännityksiä. Diplomityössä kehitetyllä ja analysoidulla teleskooppipuomilla voitiin keventää jaksojen painoja 15-30 %. Sivusuuntainen ulottuma parani samalla lähes 20 % ja nimelliskuorma kasvoi 25 %.

Kaksoislaatuisesta rakenneputkesta hitsatun X-liitoksen kestävyys ja muodonmuutoskyky

Rautaruukki Oyj:n uusi Ruukki double grade S420MH/S355J2H -rakenneputki yhdistää putkilajien S420MH ja S355J2H ominaisuudet. Eurocode 3:n suunnitteluohjeiden mukaan Ruukki double graden käyttöön on sovellettava lujuusluokan S420 mukaista hitsien mitoitusta ja rakenneputkiliitosten staattista mitoituskestävyyttä alentavaa varmuuskerrointa, kun halutaan hyödyntää lujuusluokan S420 ominaisuudet Ruukki double gradea käytettäessä. Tässä työssä tutkittiin S420-lujuusluokkaa vastaavien suunnittelumääräysten soveltamistarvetta Ruukki double grade -rakenneputken käyttöön. Työn tavoitteena oli arvioida Ruukki double grade -rakenneputkesta hitsaamalla valmistetun X-liitoksen kestävyyden ja muodonmuutoskyvyn riittävyys, kun hitsit mitoitettiin S355-lujuusluokkaa vastaavien Eurocode 3:n suunnitteluohjeiden mukaisesti. X-liitosten kestävyyttä ja muodonmuutoskykyä tutkittiin kokeellisesti -40 C lämpötilassa suoritettujen laboratoriokokeiden avulla sekä analyyttisen laskennan ja elementtimenetelmän keinoin. Kestävyyden riittävyyttä arvioitiin vertaamalla laboratoriokokeista saatuja liitosten kestävyyksiä Eurocode 3:n ja myötöviivateorian mukaisiin kestävyyksiin. Elementtimenetelmän ja laboratoriokokeen pohjalta piirrettyjä liitoksen voima-siirtymäkuvaajia vertailtiin keskenään, kun elementtimalli analysoitiin eri materiaalimalleilla. Lisäksi verrattiin elementtimallin voima-venymäkuvaajia liitoksen venymäliuskan arvoihin. Kaikki koesarjan S355-lujuusluokan mukaisilla hitsin a-mitoilla valmistetut liitokset täyttivät kestävyydelle ja muodonmuutoskyvylle asetetut vaatimukset. Täten tämän koesarjan perusteella ei ollut tarpeellista soveltaa S420-lujuusluokan mukaista hitsien mitoitusta ja staattista mitoituskestävyyttä alentavaa varmuuslukua Ruukki double grade -rakenneputkeen. Elementtimenetelmästä ja laboratoriokokeesta saadut liitoksen voima-siirtymäkuvaajat vastasivat hyvin toisiaan. Sen sijaan elementtimallin voima-venymä-kuvaajat eivät vastanneet venymäliuskojen mittausdataa kovin hyvin.

Capacity of an I-beam made of S960 QC based on Eurocode 3

The capacity of beams is a very important factor in the study of durability of structures and structural members. The capacity of a high-strength steel I-beam made of S960 QC was investigated in this study. The investigation included assessment of the service limits and ultimate limits of the steel beam. The thesis was done according to European standards for steel structures, Eurocode 3. An analytical method was used to determine the throat thickness, deformation, elastic and plastic moment capacities as well as the fatigue life of the beam. The results of the analytical method were compared with those obtained by Finite Element Analysis (FEA). Elastic moment capacity obtained by the analytical method was 172 kNm. FEA and the analytical method predicted the maximum lateral-torsional buckling (LTB) capacity in the range of 90-93 kNm and the probability of failure as a result of LTB is estimated to be 50%. The lateral buckling capacity meant that the I-beam can carry a safe load of 300 kN instead of the initial load of 600 kN. The beam is liable to fail shortly after exceeding the elastic moment capacity. Based on results in of the different approaches, it was noted that FEA predicted higher deformation values on the load-deformation curve than the analytical results. However, both FEA and the analytical methods predicted identical results for nominal stress range and moment capacities. Fatigue life was estimated to be in the range of 53000-64000 cycles for bending stress range using crack propagation equation and strength-life approach. As Eurocode 3 is limited to steel grades up to S690, results for S960 must be verified with experimental data and appropriate design rules.

Laserhitsattavan tuotteen suunnittelu

Tässä työssä tarkastellaan laserhitsattavan tuotteen suunnittelua ja sen tuotekehitykseen liittyviä tekijöitä. Tuotteen suunnittelua käsitellään valmistuksellisesta näkökulmasta, eli siitä, kuinka tuotteen suunnittelussa voidaan ottaa huomioon tuotteen valmistus- ja kokoonpanoystävällisyys. Laserhitsattavan tuotteen suunnittelua käsitellään myös tuotteen ominaisuuksien kannalta, eli kuinka lopullisesta tuotteesta saadaan mahdollisimman laadukas ja kilpailukykyinen. Suomen kaarihitsausosaaminen on kansainvälisesti korkealuokkaista, mutta laserhitsaus eroaa perinteisistä kaarihitsausprosesseista paljon. Kun laserilla hitsattavaa tuotetta suunnitellaan, ovat menetelmäkohtaiset suunnittelusäännöt erilaiset kuin kaarihitsauksessa. Laserhitsaus vaatii teknisesti pajalta enemmän, mutta se myös avaa uusia ovia tuotesuunnittelulle ja mahdollistaa tuotteita, jotka olisivat perinteisillä menetelmillä hankalia tai mahdottomia valmistaa. Oikein käyttöönotettuna laserhitsauksella voidaan päästä matalampiin valmistuskustannuksiin. Kustannustehokkaaseen tuotantoon päästäkseen täytyy kuitenkin ymmärtää tuotteen kustannusrakenne. Työn lopussa tarkastellaan ja vertaillaan perinteisen ja laserhitsatun tuotteen kustannuksia ja kustannusrakennetta.

Making home rules for mother tongues : the legal implications of linguistic diversity in the design of autonomy regimes

Principen om nationalismen där det politiska och det nationella är samspelt kan vara av markant betydelse för uppbyggande av autonomiska regimer. Likaså tillåter decentralicering och delegering av befogenheter för språk och utbildning (officiellt erkännande av språk, standardisering av språk, undervisningsspråk och relaterade läroplaner) formning av identiteter inom dessa autonomiska regimer. Resultatet är en ofullkomlig cirkulär relation där språk, samfund och politiska institutioner ömsesidigt och kontinuerligt formar varandra: lingvistiskt mångfald prägar och formger autonomiska ordningar och vice-versa. De juridiska implikationerna av territoriella och icke-territoriella former av autonomi är dock av en annan art. Emedan territoriell autonomi bygger på idéen om ett eventuellt inkluderande hemland för lingvistiska grupper, vars vistelseort är avgörande, förstärker den icke-territoriella autonomin idéen om ett exclusivt samfund bestående av själv-identifierade medlemmar som är kapabla till självstyre oavsett territoriella gränser. Denna avhandling utgör an analys av sådana juridiska implikationer genom komparativa och institutionella analyser. Avhandlingen föreslår som resultat en serie av normativa och pragmatiska rekommendationer inriktade på att främja demokratiseringsprocesser i linje med principer om multikulturalism.

Product information management system design framework for production oriented company

Diplomityössä luodaan viitekehys tuotetiedonhallintajärjestelmän esisuunnittelua varten. Siinä on kolme ulottuvuutta: lisäarvontuotto-, toiminnallisuus- ja ohjelmistoulottuvuus. Viitekehys auttaa- tunnistamaan lisäarvontuottokomponentit, joihin voidaan vaikuttaa tiettyjen ohjelmistoluokkien tarjoamilla tuotetiedonhallintatoiminnallisuuksilla. Viitekehyksen järjestelmäsuunnittelullista näkökulmaa hyödynnetään tutkittavissa yritystapauksissa perustuen laskentamatriisin muotoon mallinnettuihin ulottuvuuksien välisiin suhteisiin. Matriisiin syötetään lisäarvontuotto- ja toiminnallisuuskomponenttien saamat tärkeydet kohdeyrityksessä suoritetussa haastattelututkimuksessa. Matriisin tuotos on tietyn ohjelmiston soveltuvuus kyseisen yrityksen tapauksessa. Soveltuvuus on joukko tunnuslukuja, jotka analysoidaan tulostenkäsittelyvaiheessa. Soveltuvuustulokset avustavat kohdeyritystä sen valitessa lähestymistapaansa tuotetiedonhallintaan - ja kuvaavat esisuunnitellun tuotetiedonhallintajärjestelmän. Viitekehyksen rakentaminen vaatii perinpohjaisen lähestymistavan merkityksellisten lisäarvontuotto- ja toiminnallisuuskomponenttien sekä ohjelmistoluokkien määrittämiseen. Määritystyö perustuu työssä yksityiskohtaisesti laadittujen menetelmien ja komponenttiryhmitysten hyödyntämiselle. Kunkin alueen analysointi mahdollistaa viitekehyksen ja laskentamatriisin rakentamisen yhdenmukaisten määritysten perusteella. Viitekehykselle on ominaista sen muunneltavuus. Nykymuodossaan se soveltuu elektroniikka- ja high-tech yrityksille. Viitekehystä voidaan hyödyntää myös muilla toimialoilla muokkaamalla lisäarvontuottokomponentteja kunkin toimialan intressien mukaisesti. Vastaavasti analysoitava ohjelmisto voidaan valita tapauskohtaisesti. Laskentamatriisi on kuitenkin ensin päivitettävä valitun ohjelmiston kyvykkyyksillä, minkä jälkeen viitekehys voi tuottaa soveltuvuustuloksia kyseiseen yritystapaukseen perustuen

The Design of Forest Taxation: A Synthesis with New Directions

Summary