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.

Fractional slot permanent magnet synchronous motors for low speed applications

This study compares different rotor structures of permanent magnet motors with fractional slot windings. The surface mounted magnet and the embedded magnet rotor structures are studied. This thesis analyses the characteristics of a concentrated two-layer winding, each coil of which is wound around one tooth and which has a number of slots per pole and per phase less than one (q < 1). Compared to the integer slot winding, the fractional winding (q < 1) has shorter end windings and this, thereby, makes space as well as manufacturing cost saving possible. Several possible ways of winding a fractional slot machine with slots per pole and per phase lessthan one are examined. The winding factor and the winding harmonic components are calculated. The benefits attainable from a machine with concentrated windingsare considered. Rotor structures with surface magnets, radially embedded magnets and embedded magnets in V-position are discussed. The finite element method isused to solve the main values of the motors. The waveform of the induced electro motive force, the no-load and rated load torque ripple as well as the dynamic behavior of the current driven and voltage driven motor are solved. The results obtained from different finite element analyses are given. A simple analytic method to calculate fractional slot machines is introduced and the values are compared to the values obtained with the finite element analysis. Several different fractional slot machines are first designed by using the simple analytical methodand then computed by using the finite element method. All the motors are of thesame 225-frame size, and have an approximately same amount of magnet material, a same rated torque demand and a 400 - 420 rpm speed. An analysis of the computation results gives new information on the character of fractional slot machines.A fractional slot prototype machine with number 0.4 for the slots per pole and per phase, 45 kW output power and 420 rpm speed is constructed to verify the calculations. The measurement and the finite element method results are found to beequal.

Applicability of Power-Line Communications to Data Transfer of On-line Condition Monitoring of Electrical Drives

The research of power-line communications has been concentrated on home automation, broadband indoor communications and broadband data transfer in a low voltage distribution network between home andtransformer station. There has not been carried out much research work that is focused on the high frequency characteristics of industrial low voltage distribution networks. The industrial low voltage distribution network may be utilised as a communication channel to data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors. The advantage of using power-line data transfer is that it does not require the installing of new cables. In the first part of this work, the characteristics of industrial low voltage distribution network components and the pilot distribution network are measured and modelled with respect topower-line communications frequencies up to 30 MHz. The distributed inductances, capacitances and attenuation of MCMK type low voltage power cables are measured in the frequency band 100 kHz - 30 MHz and an attenuation formula for the cables is formed based on the measurements. The input impedances of electric motors (15-250 kW) are measured using several signal couplings and measurement based input impedance model for electric motor with a slotted stator is formed. The model is designed for the frequency band 10 kHz - 30 MHz. Next, the effect of DC (direct current) voltage link inverter on power line data transfer is briefly analysed. Finally, a pilot distribution network is formed and signal attenuation in communication channels in the pilot environment is measured. The results are compared with the simulations that are carried out utilising the developed models and measured parameters for cables and motors. In the second part of this work, a narrowband power-line data transfer system is developed for the data transfer ofon-line condition monitoring of electric motors. It is developed using standardintegrated circuits. The system is tested in the pilot environment and the applicability of the system for the data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors is analysed.

Design and implementation of FPGA-based LQ control of active magnetic bearings

The need for high performance, high precision, and energy saving in rotating machinery demands an alternative solution to traditional bearings. Because of the contactless operation principle, the rotating machines employing active magnetic bearings (AMBs) provide many advantages over the traditional ones. The advantages such as contamination-free operation, low maintenance costs, high rotational speeds, low parasitic losses, programmable stiffness and damping, and vibration insulation come at expense of high cost, and complex technical solution. All these properties make the use of AMBs appropriate primarily for specific and highly demanding applications. High performance and high precision control requires model-based control methods and accurate models of the flexible rotor. In turn, complex models lead to high-order controllers and feature considerable computational burden. Fortunately, in the last few years the advancements in signal processing devices provide new perspective on the real-time control of AMBs. The design and the real-time digital implementation of the high-order LQ controllers, which focus on fast execution times, are the subjects of this work. In particular, the control design and implementation in the field programmable gate array (FPGA) circuits are investigated. The optimal design is guided by the physical constraints of the system for selecting the optimal weighting matrices. The plant model is complemented by augmenting appropriate disturbance models. The compensation of the force-field nonlinearities is proposed for decreasing the uncertainty of the actuator. A disturbance-observer-based unbalance compensation for canceling the magnetic force vibrations or vibrations in the measured positions is presented. The theoretical studies are verified by the practical experiments utilizing a custom-built laboratory test rig. The test rig uses a prototyping control platform developed in the scope of this work. To sum up, the work makes a step in the direction of an embedded single-chip FPGA-based controller of AMBs.

Verkkokäyttöisten tahtimoottorien käynnistyshäiriön tutkiminen

Diplomityössä tutkitaan verkkokäyttöisten harjattomasti magnetoitujen tahtimoottorien käynnistyshäiriötä, jossa moottori magnetoituu vasta useiden sekuntien kuluttua magnetoinnin kytkemisestä magnetointilaitteiston normaalista toiminnasta huolimatta. Syy magnetoitumisen viivästymiseen on magnetointikoneen oikosulkeutuminen roottorin ylijännitesuojana toimivan tyristorihaaran kautta siitä huolimatta, että tyristorihaaran tyristorien on tarkoitus olla johtamattomassa tilassa magnetointikoneen alkaessa syöttää magnetointivirtaa. Syitä tyristorien johtavana pysymiseen magnetoinnin kytkennän jälkeen etsitään tahtimoottorin käynnistyskokeista saatujen mittaustulosten sekä SMT- ja FCSMEK-laskentaohjelmilla tehtyjen käynnistyssimulointien avulla. Samalla arvioidaan ohjelmien käyttökelpoisuutta käynnistyshäiriön ennakoimisessa. Diplomityössä esitetään syyt kahden esimerkkikoneen magnetoitumisen viivästymiseen sekä muutoksia roottoripiiriin ja käynnistysproseduuriin, joiden avulla tutkittu käynnistyshäiriö voitaisiin tulevaisuudessa todennäköisesti välttää.

Sähkömoottorin rakenteen analysointi tärisevässä käytössä

Tämän työn tavoitteena oli suunnitella esimerkkirakenne vaikeisiin olosuhteisiin tarkoitetusta sähkömoottorista. Ensisijaisesti tarkasteltavia osia sähkömoottorin rakenteessa olivat roottoriakseli, laakerointi sekä laakerikilvet. Laakeroinnista tarkasteltiin laakerivaurioiden syntymistä, tarvittavaa esijännitysvoimaa sekä jälkivoitelua. Lisäksi momenttiakselista tarkasteltiin sen vääntövärähtelyominaisuuksia sekä rungosta ja laakerikilvistä niiden jännityksiä B5-kiinnitysasennossa, eli laippakiinnityksessä. Työstä pyrittiin tekemään suunnitteluohje vastaavanlaisiin suunnittelutehtäviin. Tämän työn kirjallisessa osassa tarkasteltiin oikosulkumoottorin rakennetta ja laakerointia, josta perehdyttiin erityisesti erilaisiin kuormitustilanteisiin, voiteluun sekä kestoiänlaskentaan. Lisäksi tarkasteltiin roottoridynamiikkaa ja ominaismuotojen laskentaa. Kokonaisen roottorin, sisältäen roottoriakselin, –levypaketin, laakeroinnin ja ylikuormitussuojan, pienimmäksi ominaistaajuudeksi saatiin 62,1 Hz:ä, joka oli kuitenkin lähes kaksinkertainen verrattaessa roottorin käyntinopeuteen (33,3 Hz:ä). On siis varmaa, että roottorin kestoikä ei heikkene sen ominaistaajuuksien aiheuttamasta resonanssista. Pelkän roottoriakselin pienimmäksi ominaistaajuudeksi saatiin 448,0 Hz:ä. Verrattaessa tätä taajuutta roottorin käyntinopeuteen nähtiin, että roottoriakselin ominaistaajuuksien puolesta rakenne oli selvästi alikriittinen. Tarkasteltaessa roottoriakselin vääntövärähtelyn ominaistaajuutta 12,6 Hz:ä nähtiin, että se oli pienempi kuin moottorin pyörimisnopeus. Tämä ei kuitenkaan ollut moottorin kestoiän kannalta vakavaa. Koska todellisista sähkömoottorin käyttöolosuhteista ei ollut tarkkaa tietoa, tutkittiin laakeroinnin kestoikää kahdessa ääriolosuhteessa, joko moottoriin kohdistuva tärinä oli kokoajan suurin mahdollinen tunnettu tai tärinää ei ollut ollenkaan. Todellinen tilanne on jossakin näiden kahden ääriolosuhteen välissä. Oli kuitenkin varmaa, että tarkasteltava rakenne kestää halutun kestoiän eli 10000 tuntia laakeroinnin puolesta. Laakerikilpien ominaistaajuudet olivat korkeita eikä niillä ollut vaikutusta rakenteen kestoikään. Laakerikilpien korkeat ominaistaajuudet johtuivat niiden jäykästä rakenteesta ja suuresta materiaalipaksuudesta. Tarkasteltaessa momenttiakselin vääntövärähtelyn ominaistaajuutta 7,2 Hz:ä nähtiin, että se oli pienempi kuin moottorin pyörimisnopeus. Tämä ei kuitenkaan ollut moottorin kestoiän kannalta vakavaa, jos ominaistaajuus ja sen kerrannaiset ohitettaisiin sähkömoottorin käytössä hetkellisesti eikä moottoria käytettäisi vääntövärähtelyn taajuudella. Tarkasteltaessa B5-asennon jännityksiä nähdään, että ne kasvoivat rungon ja laakerikilven välisissä kiinnitysruuveissa yllättävän suuriksi. Normaalin ruuvin murtoraja on 640 MPa:a, kun jännitys rungon ja laakerikilven välisissä kiinnitysruuveissa oli suurimmillaan 400 MPa:a. Rakenne oli kuitenkin varmalla puolella kestävyyden suhteen, koska keskimääräinen vetojännitys ruuveissa oli noin 200 MPa:a. Ruuvien jännityksiä voidaan pienentää lisäämällä kiinnitys-ruuvien lukumäärää tai kasvattamalla niiden kokoa. Koko moottorin kiinnitysruuveissa jännitys oli vain 4 MPa:a, koska osan kuormituksesta kantoi laakerikilven olakkeet.

Lajittelun laadun hallinta

Tässä diplomityössä tarkastellaan kuumahierteen lajittimien akseptimassan laadun hallintaan vaikuttavia tekijöitä. Tarkastelussa keskitytään pääasiassa roottorin pyörintänopeuden ja syöttösakeuden vaikutukseen lajittimien lajittelutuloksiin. Lisäksi työssä tarkastellaan lajittimen roottorin pyörintänopeuden muuttamiseen perustuvaa akseptimassan freeness-säädön toimintaa ja sen käyttökelpoisuutta akseptimassan freeness-tason hallitsemiseksi. Tulosten perusteella painelajittimien roottorin pyörintänopeudella on vaikutusta aksepti- ja rejektimassan laatuominaisuuksiin. Roottorin pyörintänopeuden muuttamiseen perustuva akseptimassan freeness-tason säätö on periaatteeltaan toimiva. Säätö toimii parhaiten tilanteissa, joissa lajittimen syöttömassan freeness nousee. Tarkastelujakson aikana roottorin pyörintänopeussäätö oli uusi, lisäksi lajittelussa tehtiin muutakin säätökehitystä, joten se miten paljon säädöstä on hyötyä freeness-huojunnan tasaajana, jäi selvittämättä. Työssä osoitettiin myös se, että syöttösakeudella voidaan vaikuttaa akseptimassan freeness-tasoon. Vaikutus ei ole kuitenkaan yhtä selkeä kuin roottorin pyörintänopeussäädön.

Virtuaaliprototyypin käyttö roottorin dynamiikan analysoinnissa

Työn tavoitteena oli selvittää kaupallisen dynamiikansimulointiohjelmiston soveltuvuus roottoridynamiikan analysointiin. Työssä keskityttiin erityisesti roottorin dynamiikkaan vaikuttavien epäideaalisuuksien mallintamiseen. Simulointitulosten tarkkuutta selvitettiin mittauksilla. Lisäksi vertailtiin yleiskäyttöisen dynamiikan simulointiohjelmiston ja roottoridynamiikan erikoisohjelmiston teoriaa. Tutkittava roottori oli paperikoneen putkitela. Telan joustavuus kuvattiin elementtimenetelmällä ratkaistujen moodien avulla. Elementtimallissa huomioitiin telan vaipan seinämänpaksuusvaihtelu, joka vaikuttaa telan massa- ja jäykkyysjakaumaan. Dynamiikkaohjelmistossa mallinnettiin telan tuennasta tulevat herätteet. Dynamiikkaohjelmistona käytettiin ADAMS:ia ja FEM-ohjelmana ANSYS:stä. Tuloksista havaittiin käytetyn menetelmän soveltuvan roottoridynamiikan analysointiin ja roottorin epäideaalisuuksien mallintamiseen. Simulointimallilla saatiin esille murtolukukriittiset pyörimisnopeudet ja telan kriittinen pyörimisnopeus vastasi hyvin mittaustuloksia.

Pyörivän magneettivuon aiheuttamien tehohäviöiden mittaus sähköteräslevystä.

Kiertomagnetoinnin, eli pyörivän magneettivuon, on havaittu aiheuttavan sähkökoneiden rautapiireissä käytetyissä sähköteräslevyissä merkittävästi vaihtovuota suuremman tehohäviön. Sähkökoneet suunnitellaan käyttäen vaihtovuomittaukseen perustuvia levymateriaalin tehohäviöarvoja, vaikka pyörivien sähkökoneiden rautapiireissä on alueita, joissa esiintyy pyörivä vuontiheysjakauma. Tämän johdosta rautahäviöiden tarkka laskeminen on vaikeaa. Työssä käsitellään rautaa magneettisena materiaalina, siinä muodostuvia tehohäviöitä vaihtovuolla sekä pyörivällä magneettivuolla sekä esitetään pyörivän magneettivuon aiheuttamien tehohäviöiden mittaukseen soveltuvat mittalaitteet ja laitteiden toiminnan perusta. Pyörivän magneettivuon aiheuttamat tehohäviöt määritetään sähkö- ja magneettikentänvoimakkuuden mittaukseen perustuvalla laitteistolla, joka suunniteltiin ja valmistettiin työn yhteydessä. Mittaukset suoritettiin kidesuuntaamattomille sähköteräksille M350-50A, M600-50A ja M800-50A. Mittaustulosten perusteella laitteistoa voidaan pitää toimivana.

Sellun jälkilajittelun kehittäminen

Työn tavoitteena oli löytää painelajittimen roottorin keskeiset muuttujat ja ajoparametrit, kun pyritään jälkilajittelemaan valkaistua sellumassaa korkeassa sakeudessa, sekä näiden vaikutukset. Tavoitteena oli teknisesti onnistunut lajittelu korkeassa sakeudessa siten, että laitteen puhdistustehokkuus on hyvä, ominaisenergian kulutus on pieni ja kapasiteetti on korkea. Ensin tarkasteltiin kuitenkin teoreettisesti valkaistun sellumassan painelajittelun ongelmakenttää, keskeisten epäpuhtauksien poistoa jälkilajittelussa ja vertailtiin korkea- ja matalasakeuslajittelua. Lisäksi esiteltiin yleisellä tasolla koesuunnittelumenetelmien periaatteita ja menetelmiä sekä analyysiä so. mallinnus. Tätä taustaa vasten haluttiin myös kartoittaa ja esitellä painelajittimen keskeinen muuttujakenttä. Tämän jälkeen selvitettiin kokeellisesti miten ajettavan valkaistun mäntysellumassan sakeus, roottorin kehänopeus ja roottorin rakenteen muutokset vaikuttavat painelajittimen kapasiteettiin, rejektin sakeutumiskertoimeen, ominaisenergian kulutukseen ja puhdistustehokkuuteen. Vaikutusten ja parhaan roottorirakenteen sekä ajosuureiden määritys suoritettiin mallintamalla mittaustulokset lineaarisella regressioanalyysilla. Saatiin tärkeimmät vasteisiin vaikuttavat riippumattomat muuttujat ja niiden matemaattiset esityk-set, malliyhtälöt. Mallinnusta hyväksi käyttäen tarkasteltiin vielä erikseen yhden roottorin ajoa. Tärkeimpinä tuloksina saatiin selville, että puhdistustehokkuus on lähes vakio tietyllä roottorirakenteella riippumatta sakeudesta ja roottorin kehänopeudesta. Edullista puhdistustehokkuuden kannalta on käyttää ensisijaisesti isoa roottorin palaelementin korkeutta ja välystä suhteessa sihtirumpuun. Jälkilajittelu painelajittimella korkeassa sakeudessa kannattaa suorittaa pienellä roottorin kehänopeudella, runko- ja palaelementtivälyksellä suhteessa sihtirumpuun sekä suurella palaelementin korkeudella. Tällöin saavutetaan hyvä kompromissi ominaisenergian kulutuksen ja laitteen ajettavuuden osalta. Iso elementin korkeus ja pieni elementtivälys eivät aja massaa tehokkaasti laitteen alaosaan. Tällöin ei pyöritetä myöskään suurta massamäärää. Pieni elementtivälys mahdollistaa myös massan tehokkaamman leikkauksen, joka parantaa fluidisoitumista. Kitkavoimat ovat luonnollisesti ko. olosuhteissa suuremmat, joten ominais-energian kulutus kasvaa jonkin verran. Ratkaisevinta ominaisenergian kulutuksen kannalta on kuitenkin ajaa laitetta pienellä kehänopeudella.

Keskinopeusalueella toimivan induktiomoottori - puhallinkäytön suorituskyvyn mittaus alipainekäytössä

Keskinopeusalueella toimivaa massiiviroottorista epätahtimoottoria voidaan käyttää teollisissa puhaltimissa, joissa on tärkeää saavuttaa normaalia korkeampi pyörimisnopeus ja paine-ero. Usein tällaisella puhaltimella saavutetaan parempi hyötysuhde ja säädettävyys kuin vanhoilla volumetrisilla pumpuilla. Paperikoneiden vedenpoistossa käytetty alipaineen tuotto muodostaa erään sovelluskohteen tällaiselle puhallinkäytölle. Työssä esitellään tällaiseen sovelluskohteeseen suunnitellun puhaltimen ja sitä käyttävän massiiviroottorisen epätahtikoneen testausmenetelmät niiden ominaisuuksien määrittämiseksi, sekä siihen tarvittavan mittalaitteiston vaatimukset. Puhaltimen osalta esitetään täydellinen laskenta perustuen LTKK:ssa 20.10.2000 - 27.10.2000 välisenä aikana suoritettuun puhaltimen testiajoon.

Ekologisen kuorilevyn valmistaminen puunjalostusteollisuuden sivutuotteista

Puunjalostusteollisuudessa syntyy huomattavia määriä sivutuotteita, joiden hyödyntäminen on vielä vajavaista. Sahajauhon ja puukuoren pääasiallinen käyttö rajoittuu energiantuotantoon eli polttamiseen voimalaitoksissa. Selostettavassa tutkimustyössä, joka on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston puunjalostustekniikan levylaboratoriossa, on pyritty selvittämään kotimaisten kuusi-, mänty- ja koivukuorten käyttömahdollisuuksia raaka-aineina lastulevyn tapaan ns. ekologisen kuorilevyn valmistamisessa, mutta ilman liimaa. Tutkimusmateriaalina käytettiin puunjalostusteollisuudesta hankittua tuoretta kuusen ja männyn rumpukuorintajätettä sekä koivun roottorikuorintajätettä, joista kukin raaka-aine pienennettiin kahteen eri partikkelikokoon käyttäen oksasilppuria ja vasaramyllyä. Raaka-ainemäärät mitattiin ja kaadettiin viiran päällä olevaan puusta valmistettuun muottiin ja muotin poisnostamisen jälkeen levyaihio puristettiin 1-välikuumapuristimessa sykleittäin. Valmistetut kuorilevyt olivat 1 -kerroksisia. Koelevyistä tutkittiin kosteuspitoisuus, tilavuuspaino, taivutuslujuus ja Brinell -kovuus.Saadut tulokset osoittavat, että kuusen, männyn ja koivun kuoresta voidaan valmistaa kuorilevyä ilman liima-ainetta, sillä puukuoren sisältämät omat liimaavuutta parantavat uuteaineet antavat riittävän vaikutuksen kuorilevyn rakenteen stabiloimiseksi. Tällaisen kuorilevyn taivutuslujuus on kuitenkin huomattavasti heikompi kuin puulastulevyllä. Kaikki jauhetusta raaka-aineesta sekä pelkästään silputusta koivuraaka-aineesta valmistetut kuorilevyt täyttävät taivutuslujuuden osalta kuitenkin huokoiselle, A-lujuusluokan standardi-kuitulevylle asetetut vaatimukset. Tarkasteltaessa eri raaka-aineista valmistettujen levyjen ominaisuuksia, voidaan todeta, että tilavuuspainoltaan suurinta sekä kovuudeltaan ja taivutuslujuudeltaan parasta levyä saadaan valmistettua jauhetusta koivukuoresta. Jokaisen valmistetun kuorilevyn kovuusarvo ylittää Suomen johtavan lastulevyn valmistajan lastulevyn kovuusarvon lukuun ottamatta pelkästään silputuista kuusi- ja mäntykuorista valmistettuja levyjä.Vaikka tulokset ovat suuntaa-antavia, osoittavat ne selvästi millaisia mahdollisuuksia tarjoaa puun kuoren tai sahajauhon käyttäminen lastulevyn tapaan valmistettavien levyjen raaka-aineena. Koko tutkimuskenttä on tässä käsiteltävänä olevalla alueella varsin laaja, ja tässä tutkimuksessa selvitetyt asiat ovat siitä vain pieni osa antaen kuitenkin suunnan useille tärkeille jatkossa selvitettäville asioille. Näistä mainittakoon mm. ekologisen levyn jatkojalostus ja tuotesuunnittelu, levyn valmistuksen taloudellisuus ja tuotteiden markkinointi, kuorilevyn valmistusprosessin kehittäminen sekä eri raaka-aineyhdistelmien kokeilu kuorilevyn raaka-aineena.

Sähkökäyttöisen konejärjestelmän vuorovaikutteinen simulointi

Työn tavoitteena oli toteuttaa simulointimalli, jolla pystytään tutkimaan kestomagnetoidun tahtikoneen aiheuttaman vääntömomenttivärähtelyn vaikutuksia sähkömoottoriin liitetyssä mekaniikassa. Tarkoitus oli lisäksi selvittää kuinka kyseinen simulointimalli voidaan toteuttaa nykyaikaisia simulointiohjelmia käyttäen. Saatujen simulointitulosten oikeellisuus varmistettiin tätä työtä varten rakennetulla verifiointilaitteistolla. Tutkittava rakenne koostui akselista, johon kiinnitettiin epäkeskotanko. Epäkeskotankoon kiinnitettiin massa, jonka sijaintia voitiin muunnella. Massan asemaa muuttamalla saatiin rakenteelle erilaisia ominaistaajuuksia. Epäkeskotanko mallinnettiin joustavana elementtimenetelmää apuna käyttäen. Mekaniikka mallinnettiin dynamiikan simulointiin tarkoitetussa ADAMS –ohjelmistossa, johon joustavana mallinnettu epäkeskotanko tuotiin ANSYS –elementtimenetelmäohjelmasta. Mekaniikan malli siirrettiin SIMULINK –ohjelmistoon, jossa mallinnettiin myös sähkökäyttö. SIMULINK –ohjelmassa mallinnettiin sähkökäyttö, joka kuvaa kestomagnetoitua tahtikonetta. Kestomagnetoidun tahtikoneen yhtälöt perustuvat lineaarisiin differentiaaliyhtälöihin, joihin hammasvääntömomentin vaikutus on lisätty häiriösignaalina. Sähkökäytön malli tuottaa vääntömomenttia, joka syötetään ADAMS –ohjelmistolla mallinnettuun mekaniikkaan. Mekaniikan mallista otetaan roottorin kulmakiihtyvyyden arvo takaisinkytkentänä sähkömoottorin malliin. Näin saadaan aikaiseksi yhdistetty simulointi, joka koostuu sähkötoimilaitekäytöstä ja mekaniikasta. Tulosten perusteella voidaan todeta, että sähkökäyttöjen ja mekaniikan yhdistetty simulointi on mahdollista toteuttaa valituilla menetelmillä. Simuloimalla saadut tulokset vastaavat hyvin mitattuja tuloksia.

Lajittumisen dynamiikka epäpuhtauksien ja kuitujen painelajittelussa

Viimevuosina kuvantamistekniikat ovat kehittyneet huomattavasti. Näiden uusien tekniikoiden avulla voidaan tarkastella erilaisia prosesseja aiempaa tarkemmin. Painelajittelun teoriat perustuvat pääasiassa makrotason mittauksien pohjalta tehtyihin matemaattisiin malleihin, ja itse lajittumistapahtumaa ei ole aiemmin päästy kovinkaan tarkasti havainnoimaan. Tämän työn tavoitteena olikin selvittää lajittumistapahtumaa uuden kuvantamistekniikan avulla. Työn kirjallisuusosassa esiteltiin lyhyesti painelajitin ja sen toiminta. Myös painelajittelun perusteoriat käytiin lyhyesti läpi. Teoriaosan pääpaino oli lajittumistapahtumassa ja siihen vaikuttavissa tekijöissä. Lisäksi teoriaosassa esiteltiin teollisen painelajittelun nykytilannetta, työtä varten tehdyn esiselvityksen pohjalta. Lajitinsimulaattorikoeajoissa selvitettiin kuitujen ja roskapartikkelien käyttäyty-mistä painelajittimessa kuvantamisen avulla. Kuvauksissa keskityttiin rakosihdin raon tapahtumiin, sekä sihtipinnan tapahtumiin. Kuvamateriaalista laskettiin kuitujen ja roskien liikenopeuksia lankasihtiprofiilin raossa, sekä sihdin pinnalla. Lisäksi tutkittiin kehänopeuden, tuotannon ja sakeuden vaikutusta liike-nopeuksiin. Kuvamateriaalista pyrittiin myös havainnoimaan mahdollista kuitujen takaisinvirtausta. Kuvantamisella saatiin uutta tietoa kuitujen ja roskapartikkelien liikkeestä painelajittimessa. Tuloksista kävi muun muassa ilmi, että roottorin elementin pienimmän välyksen kohdalla akseptoituu huomattava määrä massaa. Tämä selittyy sillä, että pienimmän välyksen kohta tuottaa huomattavan positiivisen painepulssin. Kuitujen ja roskapartikkelien nopeudet raossa noudattelivat muutenkin hyvin selkeästi elementin tuottamaa painepulssia. Lisäksi kuvamateriaalista havaittiin, että sihdin raon suulle kertyy profiilin korkuinen kuituflokki. Koko sihdin peittävää kuitumattoa ei havaittu.

Effects of modern variable frequency drive on the reliability of an old crane induction motor

The work aims to analyze the possibilities of utilizing old crane driving AC induction motors in modern pulse-width-modulated variable frequency drives. Bearing currents and voltage stresses are the two main problems associated with modern IGBT inverters, and they may cause premature failure of an old induction motor. The origins of these two problems are studied. An analysis of the mechanism of bearing failure is proposed. Certain types of bearing currents are considered in detail. The most effective and economical means are chosen for bearing currents mitigation. Transient phenomena of cables and mechanism of over voltages occurring at motor terminals are studied in the work. The weakest places of the stator winding insulation system are shown and recommendations are given considering the mitigation of voltage stresses. Only the most appropriate and cost effective preventative methods are chosen for old motor drives. Rewinding of old motors is also considered.