Synthese ferromagnetischer Kernmodelle auf Systemebene für induktive Komponenten in der Leistungselektronik

Das zentrale Thema der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines neuartigen, numerisch stabilen und effizienten Systemmodells im Zeitbereich zur präzisen Beschreibung des Magnetisierungs- und Verlustverhaltens ferromagnetischer Kernmaterialien in induktiven Bauelementen der Leistungselektronik für allgemeine Signalformen sowie für einen großen Amplituden-, Frequenz- und Temperaturbereich. Zu diesem Zweck wird ein operatorbasiertes Modell des Prandtl-Ishlinskii-Typs für die Modellierung der komplexen ratenunabhängigen magnetischen Hysterese unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit in den zugehörigen Verlustterm des Verlustseparationsansatzes nach Bertotti integriert. Daraus geht ein dynamisches Kernmodell in Form einer nichtlinearen Operatordifferentialgleichung hervor, das die effiziente Nachbildung des gedächtnisbehafteten ratenabhängigen magnetischen Verhaltens erlaubt. Zur Vergrößerung des Gültigkeitsbereiches wird dieser Zusammenhang mit einem Schalenmodell verknüpft, wodurch sich auch der Einfluss der Flussverdrängung infolge von klassischen Wirbelströmen im Kernmaterial berücksichtigen lässt. Abschließend werden die operatorbasierten Kernmodelle, die zugehörigen Verlustberechnungsmethoden und ein aus der Kopplung der Kernmodelle mit einfachen Wicklungsmodellen hervorgehendes Systemmodell zur Beschreibung einer induktiven Komponente anhand von Simulations- und Messdaten validiert.The central topic of the present work is the development of a novel, numerically stable and efficient time domain system model that allows accurate simulation of the magnetization and loss behaviour of ferromagnetic core materials in inductive components in power electronics for arbitrary signals as well as a wide range of amplitudes, frequencies and temperatures. For this purpose, an operator-based Prandtl-Ishlinskii approach to model the complex rate-independent magnetic hysteresis is integrated into the corresponding loss term of the loss separation principle by Bertotti with consideration of temperature dependence. As a result of this, a dynamic core model in the form of a nonlinear differential equation containing a hysteresis operator emerges, allowing the efficient modelling of the rate-dependent magnetic behaviour with memory. In order to extend the validity range, this approach is combined with a ladder network model, whereby the influence of the magnetic skin effect due to classical eddy currents in the core material is also taken into account. Finally, the operator-based core models, the associated core loss calculation methods and a system model for an inductive component derived by coupling core and simple winding models are validated by comparison of simulated and measured data

Skript Einführung in die Hochfrequenztechnik

Die Hochfrequenztechnik befasst sich mit dem technischen Nutzen elektromagnetischer Felder hoher Frequenzen. Bislang stand zumeist der Entwurf hochfrequenztechnischer Komponenten im Vordergrund. Ein Blick auf das heutige Berufsbild offenbart jedoch, dass das Zusammenfügen hochfrequenztechnischer Komponenten zu komplexen Systemen und die zumeist digitale Verarbeitung von Signalen aus einer hochfrequenztechnischen Umgebung im Vordergrund der beruflichen Praxis stehen. Ziel des vorliegenden Buchs ist es, das hierzu erforderliche Wissen in kompakter Form darzustellen

Optimierung des dynamischen Verhaltens von linearen Hybridschrittmotoren unter besonderer Betrachtung von Schwingungen und Geräuschen

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Methoden zur Reduzierung von Schwingungen und Geräuschen von linearen Hybridschrittmotoren (LHSM). Die Ursachen der Schwingungen und Geräusche sind Kraftschwankungen, die elektromagnetisch durch das Antriebsprinzip bedingt sind. Zunächst werden Methoden für einen herkömmlichen LHSM entwickelt und ausgewertet. Gegenstand der weiteren Untersuchungen ist ein Motor mit variabler magnetischer Erregung, dessen Systemverhalten durch ein physikalisches Modell nachgebildet wird. Dieses Modell dient dann dazu, eine Ansteuerfunktion hinsichtlich eines antriebseffizienten und geräuschreduzierenden Betriebs zu optimieren. Die Ansteuerfunktion wird im positionsgeregelten Betrieb angewendet und zeigt dabei eine Reduzierung der Schwingungen um ein Vielfaches, was zu einer Halbierung der wahrgenommenen Lautstärke führt. Zur weiteren Verbesserung der Betriebseigenschaften werden verschiedene Reglerstrategien entworfen, getestet und diskutiert.This work addresses the development of methods and controllers to reduce vibrations and noise of a linear hybrid stepper motor (LHSM). The causes of vibrations and noise are force fluctuations resulting from the electromagnetic drive principle. The investigated actuator is a prototype provided by Pasim Direktantriebe GmbH. It is characterized by an additional coil system that allows variable magnetic excitation. This means that the motor can be operated with a constant magnetic excitation as well as with a changing magnetic excitation. These two operating modes are used as a basis for this work in order to achieve possible reductions in vibrations and noise. Three methods are investigated for the constantly excited LHSM, which is to be considered as a standard motor. These include load angle optimization, cogging force compensation and optimization of commutation. Among these methods, the best results, concerning horizontal vibrations of the carriage, can be attained with the optimized commutation. However, a noticeable reduction in noise cannot be achieved using this method. The aim of the variably excited LHSM is to reduce vibrations and noise. For this purpose, the properties of the LHSM that vary with the variable excitation component are exploited to achieve drive-efficient and vibration-reducing operating behavior. This requires modelling of the variably excited LHSM and identification of the associated parameters. Finally, a control function for the variable excitation component is developed on the basis of an optimization problem. The control function is applied in position-controlled operation and shows a multiple reduction of vibrations in all spatial directions. This means that the perceived noise level can be reduced by almost half compared to a motor operated with constant magnetic excitation. In order to further improve the operating characteristics, various controller strategies are developed and tested. For this purpose, the results show that an optimized PID controller with model-based feedforward control is most suitable.iese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Methoden und Reglern zur Reduzierung von Schwingungen und Geräuschen von linearen Hybridschrittmotoren (LHSM). Die Ursachen der Schwingungen und Geräusche sind Kraftschwankungen, die elektromagnetisch durch das Antriebsprinzip bedingt sind. Der untersuchte Motor ist ein Prototyp, der von der Firma Pasim Direktantriebe GmbH zur Verfügung gestellt worden ist. Dieser ist durch ein Zusatzspulensystem gekennzeichnet, das eine variable magnetische Erregung ermöglicht. Somit kann der Motor mit einer konstanten magnetischen als auch mit einer sich ändernden magnetischen Erregung betrieben werden. Diese beiden Betriebsmodi werden in dieser Arbeit als Ausgangssituationen verwendet, um damit mögliche Reduzierungen von Schwingungen und Geräuschen zu erzielen. Für den als Standardmotor zu betrachtenden konstant erregten LHSM werden drei Methoden untersucht. Dazu gehören die Lastwinkel-Optimierung, die Rastkraft-Kompensation sowie die Optimierung der Kommutierung. Unter diesen Methoden lassen sich mit der optimierten Kommutierung die Horizontalschwingungen am besten verringern. Wahrnehmbare Lautstärkeänderungen können damit allerdings nicht erreicht werden. Das Ziel des mit variabler Erregung betriebenen LHSM ist ebenfalls eine Reduzierung von Schwingungen und Geräuschen. Zu diesem Zweck werden die sich mit der variablen Erregerkomponente ändernden Eigenschaften des LHSM ausgenutzt, um ein antriebseffizientes und schwingungsreduzierendes Betriebsverhalten zu erhalten. Dafür ist es erforderlich, den variabel erregten LHSM zu modellieren und die dazugehörigen Parameter zu identifizieren. Schließlich wird eine Ansteuerfunktion für die variable Erregerkomponente auf der Grundlage eines Optimierungsproblems entwickelt. Die Ansteuerfunktion wird im positionsgeregelten Betrieb angewendet und zeigt dabei eine Reduzierung der Schwingungen um ein Vielfaches in allen Raumrichtungen. Das führt dazu, dass die wahrgenommene Lautstärke um annähernd die Hälfte gegenüber einem Motor mit konstanter magnetischer Erregung gesenkt werden kann. Zur weiteren Verbesserung der Betriebseigenschaften werden verschiedene Reglerstrategien entwickelt und getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass sich für diesen Zweck ein optimierter PID-Regler mit modellbasierter Vorsteuerung am besten eignet

Ein zirkular polarisierter Breitbandstrahler für den Einsatz in planaren Gruppenantennen

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Modellierung und Simulation des Verhaltens von durchströmten schaltbaren Membranen

Die schaltbare Filtration mithilfe von Hydrogel'=Verbundmembranen zeigt großes Potential zur Lösung einer der grundlegenden Aufgaben in der Humanmedizin: der unkomplizierten und schnellen Analyse von Blutproben zur Erkennung von Unregelmäßigkeiten, wie zum Beispiel zirkulierenden Tumorzellen. In der vorliegenden Arbeit wird ein solches System diskutiert und mithilfe von Methoden des Maschinenwesens -- Modellierung und Simulation -- untersucht. Das betrachtete System besteht aus einer aktiven Hydrogelschicht, welche auf einer passiven Polymerschicht aufgebracht ist und damit eine schaltbare Verbundmembran bildet. Die Arbeit folgt zwei Hauptpfaden: Im festkörpermechanischen Teil werden die mechanischen Aspekte von Verbundmembranen dargestellt, während im fluidmechanischen Teil die Permittivität und Selektivität von Membranen näher beleuchtet werden. Im Folgenden werden Modelle zur Schaltbarkeit ausgehend von aus der Literatur bekannten Ansätzen entwickelt. Diese werden dann im Rahmen von Simulationen -- sowohl im kommerziellen Finite-Elemente-Programm Abaqus, als auch in selbst geschriebenen Matlab-Codes -- umgesetzt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass ein schaltbares System zur Analyse von Zellgrößenprofilen realisierbar und durch Modellierung und Simulation in einem Maß beschreibbar ist, sodass der experimentellen Realisierung nichts mehr im Wege steht.Switchable filtration with hydrogel composite membranes shows great potential to solve one of the basic challenges in life sciences: the fast and easy analysis of blood samples to detect abnormal cells like e.g. circulating tumor cells. In the present work, a system providing these features is discussed using tools provided by engineering: modeling and simulation. The system consists of an active hydrogel composite membrane in combination with a passive polymeric membrane that provides mechanical stability. This forms a switchable composite membrane. The work follows two main paths: In the solid mechanics path, the composition of membranes and their mechanical aspects are discussed. The fluid mechanics path focuses on permittivity and selectivity for particle flows. Originating from the basic concepts of membrane permeation in literature, models for switchability are developed and simulations -- both in the commercial finite-element tool Abaqus and in Matlab scripts -- are performed. The present work proves that the concept of cell-size detection with switchable membranes is suitable for the task. Through the performed simulations, the corresponding processes can be described and designed so that the microfluidic analysis system can be experimentally realized

Elektroaktive Hybridmaterialien auf der Basis von Metalloxidpartikeln und leitfähigen Polymerschichten

Ausgangspunkt dieser Arbeit war die Frage, inwieweit die zur Herstellung von Compositmaterialien aus leitfähigen Polymerfilmen (Polythiophen, Polypyrrol) und Metalloxidschichten (anodisch oxidiertes Titan, chemisch oxidiertes Silicium bzw. Aluminium) entwickelte Präparationsmethode auf die Herstellung hybrider Core - Shell - Partikel (Core: Metalloxidpartikel; Shell: leitfähiges Polymer) übertragbar ist. Die erfolgreiche Beschichtung dispergierter Oxidpartikel mit leitfähigen Poly- meren zeigte, dass nicht nur eine analoge Verfahrensweise (Adsorption des Monomers auf der Substratoberfläche und anschließende Zugabe des Oxidationsmittels) verwendet werden konnte, sondern dass bei der Pulverbeschichtung infolge der großen spezifischen Oberfläche der Materialien auch ohne Einsatz spezieller Haftvermittler, hervorragende Schichtqualitäten (hohe Haftfestigkeit, hoher Be- deckungsgrad) erreicht wurden, und die auf diesem Wege hergestellten Verbundmaterialien in Pulverform in beliebiger Menge, Partikelgröße und Zusam-mensetzung verfügbar waren. Der durch die Verkapselung der Oxidteilchen mit intrinsich leitfähigen Polymeren bewirkte enge Kontakt zwischen Polymer- und Oxidphase und die auf diesem Wege realisierte Oberflächenmodifizierung führte zu einem im Vergleich zu den reinen Komponenten wesentlich veränderten Eigenschaftsspektrum. Durch die Herstellung von Compositen waren die leitfähigen Polymere leichter dispergierbar, und konnten kathaphoretisch in guter Qualität, auch auf großen Substratflächen abgeschieden werden.Starting with the question about the possibility of producing composites based on conducting polymer films (polythiophene, polypyrrole) and metal oxide layers (anodically oxidized titanium, chemical oxidized silicon or aluminium) it was the goal of this work to transfer and modify this method for the preparation of hybrid core - shell - particles (core: metal oxide particle; shell: conducting polymer). By the successfully covering of dispersed oxide particles it was shown, that not only an analogous procedure (adsorption of the monomer on the substrate surface and the following addition of an oxidant) can be used, but that in the case of powder covering because of the high specific surface area of the oxide powders, outstanding layer qualities without using adhesion promotors can be produced. Following this way, powder-like compound materials can be ordered and designed in any quantity, particle size and composition. Through the encapsulation of the oxide particles with intrinsic conducting polymers a narrow contact between the polymer and the oxide phase and a surface modification were made by a very simple way. By this surface modification a totally different behaviour of the composites, compared to their components was realized. The producing of composites allowes a better dispersibility of conducting polymers and their cathaphoretically deposition with a good quality, also on larger substrate surfaces