Theoretische Elektrotechnik

This dissertation explores innovative advancements within the high-power electromagnetics (HPEM) domain, focusing on the optimization of electromagnetic sources, the development of compact and mechanically efficient systems, the rapid prototyping of advanced sensing techniques, and the conceptualization of effective protection methodologies. It adeptly bridges mechanical engineering and electromagnetics, enhancing conventional approaches and addressing existing challenges in the HPEM field. Key research methods span both computational and experimental modalities. First, a detailed stochastic analysis is conducted to optimize the design of Virtual Cathode Oscillators (Vircator), a type of HPEM source, with findings indicating a 30% increase in peak power output, accompanied by a minor frequency shift. A novel portable, cost-effective, and easily maintained switched oscillator (SWO) system is devised for susceptibility and vulnerability testing, employing mechanical integration and experimental validation. Furthermore, the dissertation employs additive manufacturing techniques to create a compact Luneburg lens, facilitating the design and validation of a portable direction-of-arrival estimation system. This innovative solution is not only more affordable than traditional counterparts, but its manufacturing process is streamlined and efficient. The research concludes with the prototyping of radar absorbing materials for stealth applications, utilizing intelligent rapid prototyping methodologies. This approach allows for enhanced production efficiency, thereby contributing to the field of protection techniques in HPEM. The implications of this thesis span the broad field of HPEM, encompassing electromagnetic sources, sensing, and protection techniques. The findings illuminate potential pathways for improving HPEM applications, integrating mechanical engineering insights, and emphasizing the importance of rapid prototyping methodologies.

Bei der Betrachtung von Auswirkungen elektromagnetischer Felder auf biologisches Gewebe wurden bisher zum größten Teil thermische Effekte, wie z.B. die Verschiebung thermischer Gleichgewichte, wie sie auch bei der Erwärmung von Nahrungsmitteln in einer Mikrowelle auftreten, diskutiert. Die thermische Belastung von biologischem Gewebe wird mit der spezifischen Absorptionsrate als Maß für die aus der Strahlung absorbierte Leistung, bezogen auf die bestrahlte Masse, beschrieben. Die Untersuchung biologischer Auswirkungen infolge nicht thermischer Effekte blieb hingegen bislang auf wenige spezielle Phänomene beschränkt, wie z.B. die sogenannte Elektroporation, bei der die Lipidketten der Zellmembran gegeneinander verschoben werden, so dass das Transmembranpotential (TMP) der Zelle dramatisch fällt und die Zellmembran durchlässig wird. Biologische Zellen können durch ihre frequenzabhängige Polarisierbarkeit in äußeren elektri-schen Wechselfeldern, die sich beispielsweise an der Dispersion (d.h., frequenzabhängigen Änderung) der Permittivität von Zellsuspensionen zeigt, charakterisiert werden. In einem Frequenzbereich von ca. 10 Kilohertz bis 10 Megahertz, wird der Frequenzgang der Permittivität von der mit steigender Frequenz zunehmend unvollständigen elektroquasistatischen Aufladung der schlecht leitfähigen Zellmembran bestimmt [1]. Diese beschriebene Polarisation der Zellmembran kann zu Auswirkungen auf den Zellstoffwechsel einer Zelle, z.B. durch Änderung des TMP, führen. Um den Einfluss elektromagnetischer Felder auf Lebewesen bewerten zu können, werden neben der Betrachtung der vitalen Parameter des Organismus auch Untersuchungen auf mikroskopischer, d.h. auf Zellebene benötigt. Hier hat sich die Simulation biologischer Zellen neben der Forschung an lebenden oder kultivierten Organismen zu einer möglichen Alternative etabliert, da ethische Überlegungen unberücksichtigt bleiben können und der Kosten- und Zeitaufwand im Vergleich zu messtechnischen Methoden geringer ist. Die in der Literatur diskutierten Ansätze zur Simulation elektrischer Eigenschaften biologischer Zellen [z.B. 2,3] führen bereits bei einzelnen Zellen zu sehr großem Rechenaufwand infolge des bereits hier auftretenden Multiskalenproblems. Dieses resultiert daraus, dass bei typischen Zellgrößen in der Größenordnung eines Mikrometers die für Polarisationseffekte entscheidende, elektrisch schlecht leitfähige Zellmembran lediglich eine Größe im einstelligen Nanometerbereich besitzt. Zudem besteht bei denen in der Literatur beschrieben Aspekten nur sehr eingeschränkt die Möglichkeit, Zellbestandteile und Zellformvariationen abzubilden [3]. In fast allen Fällen bezieht sich die aktuelle Forschung in diesem Bereich auf zeitharmonische elektrische Felder und berücksichtigt nicht transiente Zustände oder gepulste Signale. In dieser Arbeit wird zur Lösung des Multiskalenproblems ein Verfahren, basierend auf der Gebietszerlegungsmethode (Domain Decomposition Method, DDM) nach Lions [4], entwickelt, welches Zellinneres, Zellmembran und Zelläußeres einer in Suspension befindlichen Zelle separat diskretisiert. Lösungen, die jeweils auf den Teilnetzen bestimmt werden, werden über ein iteratives Schema miteinander verknüpft, wobei die Kopplung zwischen benachbarten Gebieten über die Kontinuität der elektrischen Flussdichte und des elektrischen Strömungsfeldes erfolgt. Das Verfahren erlaubt insbesondere eine vollständige Parallelisierung aller Rechnungen auf den Teilgebieten. Da die Randwerte zur Gebietskopplung punktweise zu übertragen sind (Balanced DDM), ist die Entwicklung von Techniken erforderlich, um Werte sogenannter „unverschmolzener“ Netze, d.h., von Netzen, die am Koppelrand keine gemeinsamen Knoten aufweisen, ohne signifikanten Genauigkeitsverlust zu ermöglichen. Die zu koppelnden Netze weisen typischerweise stark unterschiedliche Feinheiten auf, da so eine deutliche Reduktion der Freiheitsgrade und somit der Rechenzeit erzielt werden kann. Entsprechende Verfahren werden in dieser Arbeit entwickelt und getestet. Die iterative Kopplung zwischen den einzelnen Gebieten der DDM über Übergangsbedingungen elektrischer Feldgrößen schränkt nicht die Art des auf die Zelle einwirkenden Signals ein, und es werden sowohl zeitharmonische als auch allgemein zeitvariante Felder betrachtet. Die einzelnen, parallel behandelbaren Probleme auf den Zerlegungsgebieten werden jeweils mit einem Finite Elemente Algorithmus für die Maxwellgleichungen in der hier relevanten elektroquasistatischen (EQS) Näherung numerisch gelöst. So kann z.B. das Relaxationsverhalten verschiedenster Zelltypen in einem parallelisierten Prozessablauf berechnet werden. Des Weiteren werden abgeleitet Größen, wie das Transmembranpotential der Zelle und die spezifische Absorptionsrate, diskutiert und die Ergebnisse des verwendeten skalierbaren Simulationsmodells bewertet. Durch eine ausgiebige Verifikation und Validierungen mit 2D und 3D Modellen wird in dieser Arbeit gezeigt, dass sich diese Methode umfangreich und effektiv zur Simulation biologischer Zellsysteme anwenden lässt. Auch eine Erweiterung auf andere EQS-Probleme liegt auf der Hand: So eignet sich die Methode ebenfalls für die Simulation von EQS-Feldern in der Halbleiterelektronik, wo ebenfalls stark unterschiedlich dimensionierte Schichten mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften auftreten, für die Simulation von Varistoren oder allgemein bei EQS-Problemen, bei denen Komponenten auf unterschiedlichen Skalen auftreten und Flächenaufladungsprozesse relevant sind, z.B. im Bereich der Energieüber-tragungstechnik [5]. [1] Hofmann, M.: Integrierte Impedanzspektroskopie aerober Zellkulturen in biotechnologischen Hochdurchsatzscreenings, Dissertation, RWTH-Aachen (2009) [2] Asami, K.: Dielectric dispersion in biologicalcells of complex geometry simulated by the threedimensional finite difference method. J. Phys. D: Appl. Phys. 39, 492 – 499 (2006) [3] Asami, K.: Dielectric properties of microvillous cells simulated by the three-dimensional finite-element method. Bioelectrochemistry81, 28 – 33 (2011) [4] Lions, P.: On the Schwarz Alternating Method III: A Variant for Nonoverlapping Subdo-mains. In: Third Int. Symp. on Domain Decomposition Methods for Partial Differential Equa-tions, Vol. 3, 202 – 231 (1990) [5] Clemens, M., Richter, C., Schmidtäusler, D., Schöps, S., Ye, H.: Aktuelle Entwicklungen zu numerischen Simulationsverfahren in der elektrischen Energieübertragungstechnik. 6. RCC Fachtagung Werkstoffe- Forschung und Entwicklung neuer Technologien zur Anwendung in der elektrischen Energietechnik, 307 – 312 (2015)

The aviation industry pursues the integration of fuel cells (FCs) to reduce pollutant emissions. Their connection to the on-board power supply leads to new requirements for electrical grid protection. The limited short-circuit current of a weight-optimized FC system cannot trip a standard fuse. Hence, in this paper, a new protection device is developed as an under/overvoltage primary protection. The proposed device consists of three basic elements: relay; differential amplifier; and current source. This paper includes a detailed description of the protections design process, which includes a requirement analysis, a detailed robustness consideration, and an experimental validation of a developed prototype. © 1982-2012 IEEE.

Critical frequencies at which electromagnetic fields couple into an electronic device can be identified by comparing the power dissipation of a loaded electromagnetic reverberation chamber to that of an unloaded one. However, working conditions that ensure the required statistical electromagnetic field distribution may also imply a bad signal-to-noise ratio for the measured dissipated power. The purpose of this work is to discuss a measurement procedure and methods for data processing that, nevertheless, allow for gaining significant information from a power spectral analysis in a reverberation chamber. This comprises methods that are based on a fit of suited parametric models for the power absorption of uni- or multi-modal resonators. Their validity has been proven by simple DUTs with previously known characteristics.

In this work two methods for virtual process design in the context of coupled quasi-static electromagnetic impulse sheet metal forming applications are introduced. The first half of this thesis is concerned with solving the two main parameter identification problems arising when simulating and designing such a forming process: The identification of the employed material model and the identification of optimal process parameters. For both problems a similar black box framework based on LS-DYNA FEM/BEM simulations and IPOPT, an implementation of the inner point method is used. A thermodynamically consistent material model developed by Vladimirov et al. (2014), which is tailored for the efficient numerical treatment of anisotropic hyperelasticplastic materials is considered. This model is capable of representing rate dependent viscoplastic as well as rate independent elastoplastic materials. To account for material failure it is coupled to a scalar Lemaitre-type damage model. A framework for the reliable identification of the model’s parameters for the simulation of the behavior of the aluminum alloy EN AW-5083 at various strain rates based on uniaxial tensile tests and a corresponding LS-DYNA simulation coupled to IPOPT is introduced. For the comparison of data obtained by simulation and data coming from experiments a distance measure based on the L2????distance of functions is used. To this end an Akima spline developed by Akima (1970) is adapted to the experimental data. These special splines have the advantage of producing smooth interpolates, that are just as smooth as the according experimental curves, as long as no damage occurs. It is hence possible to interpolate the experimental data at every point needed and thus compare it efficiently to the data from simulation. It will be shown how a set of parameters suitable for the modeling of the high-speed situation can be derived from data obtained by quasi-static experiments via a linear extrapolation of the damage threshold parameter. The identified parameter set is suitable to represent a coupled forming process very precisely, as is shown in Kiliclar et al. (2016). The developed method for material parameter identification is adapted to perform a process parameter identification in a coupled sheet metal forming process. The task is to find a set of parameters describing a double exponential current pulse yielding a sharp cup radius. Double exponential pulses are used as a prototype for general monodirectional pulses. The material’s behavior is simulated by the previously identified material model, thus constraints for the damage can be employed efficiently. In contrast to the usual optimal shape determination, an objective function completely independent of the geometry parametrization is derived. It will turn out that a maximization of the major strain in the area of question can be traced back to a lower cup radius, thus yielding a sharper form. The subsequent application of electromagnetic forming reduces the drawing radius by roughly 5mm, compared to quasi-static deep drawing alone. The presented method can be seen as an extension to previous approaches by Taebi et al. (2012), since it uses a unified simulation framework and exploits a material model that incorporates damage. The second part of this work is concerned with treating the identification of process parameters as a PDE constrained optimization problems and deriving a fitting SAND formulation. The solution of the PDE, modeling the physical behavior, is seen as a state, and the parameters of the process are seen as controls. The first discretize, then optimize approach, is pursued in this work. Regularization methods keeping the controls in check can be avoided in this particular case, since the process parameters are already represented as a real valued finite dimensional vector. A class of problems mimicking a sheet metal forming problem in the linear elastic regime is introduced. This simplification is picked, because the required FEM can easily be implemented but the insights gained are useful for the development of a general optimization scheme for those types of technologically relevant problems. In the course of this work an efficient FEM solver for MATLAB, oFEM, was developed by Dudzinski et al. (2016) to provide the necessary discretizations of the PDEs. With oFEM and IPOPT the family of problems is thoroughly numerically analyzed. The derived SAND formulation is compared to a black box optimization problem based on earlier works by Taebi et al. (2012) and Rozgic et al. (2012). Compared to this so called NAND approach the SAND approach shows a potential gain in efficiency by two orders of magnitude.