Fakultät für Elektrotechnik

Turbogeneratoren nehmen hinsichtlich der Wandlung und Übertragung elektrischer Leistung eine Schlüsselrolle in der gegenwärtigen und zukünftigen Energiewirtschaft ein. In einer zunehmend elektrifizierten Welt ist ihre Zuverlässigkeit von essenzieller Bedeutung. Die vorliegende Dissertation ist durch eine erhöhte Schadenshäufigkeit des Isoliersystems der Ständerwicklung im Bereich des Blechpaketendes solcher Turbogeneratoren motiviert. Es wird die Arbeitshypothese aufgestellt, dass lokale Heißstellen in diesem besonders betroffenen Bereich maßgeblich zu beschleunigten Alterungsprozessen des Isoliersystems beitragen. Unter Verwendung einer neu entwickelten elektromagnetischen Submodell-Methode für Simulationen mit Finiten-Elementen, werden Wirbelstromverluste in Ständerstäben infolge radial gerichteter magnetischer Endfelder berechnet. Diese Wärmequellen werden in ein thermisches FE-Modell zur Temperaturfeldberechnung übertragen, welches lokal deutlich erhöhte Temperaturen des Ständerstabes im Nutaustrittsbereich ausweist und die Arbeitshypothese bestätigt. Ferner erfolgt die Simulation verschiedener betrieblicher sowie geometrischer Einflussgrößen, wie beispielsweise die der Abtreppungsgeometrie. Der in dieser Dissertation erzielte Wissenserwerb ermöglicht eine Optimierung künftiger elektrischer Maschinen und erhöht deren Zuverlässigkeit, was sich als wertvoller Beitrag für die bevorstehende Elektrifizierung der Zukunft erweist.

Wasserfreier, gasförmiger Fluorwasserstoff ist ein bei diversen industriellen Prozessen freiwerdendes, stark gesundheitsgefährdendes Gas. Zu dessen Nachweis stehen bis dato sehr wenige Sensoren zur Verfügung. Diese Lücke mit Hilfe eines auf der Grundlage der Photoakustik arbeitenden Detektors soweit wie möglich zu schließen, ist das Bestreben dieser Arbeit. Der Analysator sollte seinem Wesen nach einfach und kompakt aufgebaut, günstig in der Anschaffung und im Betrieb, für den mobilen Einsatz geeignet, schnell, selektiv und sensitiv sowie einfach in der Bedienung sein. Die Selektivität wurde über die Wahl des Rotations-Schwingungsüberganges und der Strahlungsquelle bewerkstelligt. Mit Hilfe eines über den Injektionsstrom und die Temperatur in seiner Wellenlänge verstimmbaren Distributed-Feedback-Bragg Diodenlasers wurde der R1-Übergang des HF bei 2475,88 nm optisch angeregt. Im Mittelpunkt der Arbeit stand die Konzeption der Messzelle. Während des Optimierungsprozesses kam Methan als Referenzgas zum Einsatz. Es ist ungefährlicher als Fluorwasserstoff, nicht polar und besitzt Absorptionslinien im Arbeitsbereich des Lasers. Als Zwischenergebnis entstand eine hinsichtlich ihres Signal-zu-Rausch-Verhältnisses optimierte T-Zelle. Der starke polare Charakter des Fluorwasserstoffgases und die sich daraus ergebende Anlagerung der Moleküle an den inneren Oberflächen des Leitungssystems und der Probenkammer bedingten den Übergang vom statischen zum strömenden Betrieb. Dies wiederum machte eine Neuauslegung der Zelle notwendig. Aus den vergleichenden Experimenten zu modular aufgebauten, veränderbaren Zellkonfigurationen kristallisierte sich eine beidseitig um in ihren geometrischen Abmessungen speziell angepasste Zusatzvolumen erweiterte Zylinderzelle als Optimum heraus. Sie unterdrückte nicht nur die Strömungsgeräusche in ausreichendem Maße, sondern erfüllte auch die selbstgestellten Anforderungen an Ausmaß und Gewicht. Der geringste, die Wirkung der Adsorption überwindende Volumenstrom belief sich hierbei auf 400 ml/min. Im Laufe der Untersuchungen fanden zwei verschiedene DFB-Diodenlaser Verwendung. Der schließlich in den Analysator integrierte Laser lieferte bei einem Injektionsstrom von 130 mA und einer Temperatur von 15 °C eine Leistung von 4,77 mW. Er wurde aufgrund seiner dreifach höheren Verstimmbarkeit von 0,06 nm/mA über eine wiederholt durchgefahrene Stromrampe in seiner Wellenlänge moduliert. Die aus den Untersuchungen an Methan für den Sensor kalkulierte Sensitivität für Fluorwasserstoffgas beträgt 10 ppb bei einem Signal-zu-Rauschverhältnis von 1. Am Ende der Arbeit werden adsorptions- und desorptionsbedingte Einschränkungen diskutiert.

Die Reinigung und Strukturierung empfindlicher Oberflächen wie die von Polymeren ist aufwendig und stark ressourcenbindend. Zumeist werden nasschemische, thermische oder mechanische Verfahren eingesetzt, die jedoch problematisch oder gar ungeeignet für den Einsatz an empfindliche Oberflächen wie die von Kleingeräten, elektronischen, optischen Komponenten, Kunstwerken etc. sind. Demgegenüber wird hier mittels Excimerlaserstrahlung ein masseloses Medium eingesetzt, mit dem ein berührungsloser, schonender Reinigungs- oder definierter Strukturierungsprozess durch Ablation zur realisieren ist. Im Falle der Reinigung ist zu gewährleisten, dass kein Oberflächenabtrag bzw. keine Zerstörung vorliegt. --- Für die effiziente und zugleich schonende, definierte Oberflächenreinigung und -strukturierung wird ein technisches System (Gerät) auf Basis von Excimerlaserstrahlung entwickelt und realisiert. Unter Berücksichtigung der dominanten Partikelhaftkräfte an Oberflächen erfolgt die Gegenüberstellung optionaler Lasertypen bezüglich deren Strahlungseigenschaften und physikalischen Wirkungen (optische und thermische Eindringtiefe). Hier erweist sich der Excimerlaser als besonders passend für eine empfindliche, dünnschichtige Ablation, so dass das Gerät für dessen UV-Strahlung konzipiert wird. Zur Realisierung werden unterschiedliche Konzepte und Methoden erarbeitet und bezüglich ihrer Eignung untersucht bzw. optimiert: --- - Optimale Versatzstrategie der Laserstrahlung relativ zum Objekt (minimale Versatzzahl, geringster Aufwand, schnellste Bearbeitung) - Versatz des Objektes relativ zum raumfesten Laserstrahl, Versatz und Bestrahlung sequentiell (statisch) oder zeitgleich (dynamisch) - Versatz des Laserstrahls: Lichtführung durch flexible Lichtwellenleiter Analyse von Einkoppelbarkeit und Transmissionsverhalten von Quarzglas- und Flüssigkeitsfasern, Analyse möglicher Kernflüssigkeiten - Versatz des Laserstrahls: Lichtführung durch Gelenkarmsysteme - Versatz des Laserstrahls: Lichtführung durch Galvanometrische Scanner --- Wesentlich für eine gleichförmige, definierte Bestrahlung und Realisierung einer homogenen Flächenbearbeitung ist eine ebenso homogene Intensitätsverteilung (TopHat) über dem Strahlenprofil. Diesbezüglich werden folgende Homogenisierungsverfahren analysiert: --- - Starre Lichtwellenleiter Quarz-Vollglasstäbe (Mantelfläche poliert/unpoliert), Spiegelhohlleiterkanäle - Diffraktive optische Elemente (DOE) - Zylinderlinsenhomogenisierer 1-Array (konvex und konkav), 2-Array (quadratisch und rechteckförmig variabel)--- Anhand der aus den Untersuchungen ermittelten, optimalen Lösungen wird ein Gerät Namens SELCU (Scaning Excimer Laser Cleaning Unit) realisiert, dass eine automatisierte, definierte, reproduzierbare und schnelle (Flächenrate ca. 4 cm2/s) Oberflächenbearbeitung ermöglicht. Zur Steigerung des Automatisierungsgrades wird ein Ablationssensor nach dem Prinzip der differentiellen Lasertriangulation sowie eine integrierte Echtzeit-Intensitätsregelung entworfen. --- Anwendung des Excimerlaser-Reinigungsgerätes und Wechselwirkungsuntersuchungen Mit dem SELCU-Gerät werden die Wirkungen gepulster Excimerlaserstrahlung an Polymeroberflächen bzw. die Effizienz der Partikeldekontamination untersucht. Über analytische Betrachtungen der Wechselwirkungsvorgänge werden modellhafte Prozessbeschreibungen formuliert. Dieses sind insbesondere die photothermischen und –chemischen Reaktionsabläufe, der Einfluss der Plasmabildung sowie die nichtlineare Mehrphotonenabsorption. --- Die experimentellen Ablationsanalysen erfolgen an Polymerlackschichten für die Kunststoffgruppen Elastomer, Duromer und Plastomer sowie explizit für Polyurethan. Für diese werden die Ablationsmodelle verifiziert und deren Parameter über Regressionsanalysen determiniert. Des Weiteren wird die qualitative Oberflächenwirkung und die Plasmaausbildung untersucht sowie ein Modell für das spezifische Partikelabströmverhalten formuliert. --- Zur Analyse der Partikeldekontamintation wird mittels des Isotops Europium152m eine künstliche, definierte Kontamination hergestellt. Dessen Vorkommen (Masse) auf Polyurethanträgern wird über die Neutronenaktivierungsanalyse und y-Spektroskopie bestimmt. Der Bearbeitungserfolg ergibt sich durch die Vorher-Nachher-Analyse. Von besonderer Relevanz ist dabei der Einfluss der signifikanten Strahlenparameter sowie der Effizienz der indirekten, feuchtigkeitsgestützen Wirkung. Ebenso wie für die Polymerablation wird über die Regressionsanalyse eine modellhafte Beschreibung des Dekontaminationsverhaltens erarbeitet. --- Das Reinigungsvermögen des SELCU-Gerätes wird an realen Objekten verifiziert, die je nach Einsatz unterschiedliche, natürliche Kontaminationen aufweisen. Dabei ergibt sich für die Laserreinigung von Rasterdruckwalzen eine gute Funktionalität. Mit der Entwicklung eines Verfahrens zur Luminanzanalyse von Aufnahmen der relevanten Oberflächen vor/nach der Lasereinwirkung existiert eine zuverlässige Messmethode zur Quantifizierung des Reinigungserfolges. Diese Methode wird ebenso erfolgreich bei der Laserreinigung von Ölgemälden eingesetzt. Hierdurch ergibt sich eine zuverlässige, homogene, schnelle und neutrale Objektrestaurierung. --- Eine weitere Anwendung besteht in der Reinigung von Glaslinsen (Scheinwerferlinsen). Während des Herstellungsprozesses werden sie durch Öle und Fette kontaminiert und werden nasschemisch gereinigt. Die Bearbeitung mit dem SELCU-Gerät ermöglicht dagegen eine schnelle und schonende Reinigung. Die Wirksamkeit wird dabei durch Auftrag eines Alkoholfilms (Ethanol) oder fester Filmbildner (Kunstharzlacke) gesteigert. Hierdurch ergibt sich schon mit geringen Pulszahlen und Pulsfluenzen eine vollständige, zuverlässige Reinigung.