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Beitrag zur methodischen Auslegung von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellensystemen
No full textIn der vorliegenden Arbeit wird eine Synthese-Vorauslegungsmethode beschrieben, mit der für individuelle Anforderungsprofile in einem frühen Entwicklungsprozess eine methodische Generierung von Lösungsvarianten für Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen-Stacks erfolgt. Hierzu werden Parametervariationen auf Basis Kanalquerschnitts- und Flussfeldmodellen durchgeführt. Weiterhin werden Berechnungsmodule genutzt, um individuelle konstruktive und verfahrenstechnische Kennwerte der jeweiligen Lösungsvarianten zu bestimmen, unter anderem hinsichtlich GDL-Intrusionseffekten, hydraulischer Druckabfälle, der Umformschädigung metallischer Kanalstrukturen sowie der Berechnung der Flussfeldüberdeckungsbereiche zweier kombinierter Flussfelder. Auf Basis der Variantenkennwerte erfolgen wichtungsbasierte Bewertungsprozesse, aus denen gesamtheitliche Vorzugslösungen resultieren. In einem Beispielszenario wird die Anwendung der präsentierten Synthese-Vorauslegungsmethode exemplarisch dargestellt sowie die experimentellen Ergebnisse zur Charakterisierung der real umgesetzten Vorzugslösung aufgezeigt.:1 Einleitung und Motivation
2 Stand der Wissenschaft und Technik
3 Grundlagen von PEM-BZ
4 Synthese-Auslegungsmethode
5 Berechnungsmodule
6 Anwendung der Synthese-Methode
7 Schlussbetrachtunge
3D-Toleranzanalyse – Einfluss von physikalischen Größen
Get PDFWie könnte man 3D-Toleranzanalysen berechnen, wenn äußere Einwirkungen, die zu einer Verformung des Modelles führen, eine große Rolle spielen?
In diesem Vortrag werde ich Ansätze für die Handhabung von Toleranzanalysen unter Berücksichtigung dieser Umwelteffekte zeigen. Resultierende Verformungen in den zu bewertenden Modellen treten in Folge von einwirkenden physikalischen Größen auf. Diese sind Temperaturen sowie Kräfte und Momente im Betrieb, in der Montage oder auch in der Fertigung. Hinzu kommen Verzugseffekte aus der Fertigung (z. B. im Kunststoffspritzgussprozess).
3D-TOLERANZANALYSEN setzen sich aus den Variablen zusammen, die sich aus einer Bemaßung mit Toleranzfeld ergeben. Darüber hinaus sind im Besonderen in der Toleranzanalyse von Baugruppen funktionalkinematische Effekte in den Schnittstellen zu berücksichtigen. Die herkömmliche Bezeichnung einer Toleranzkette kann dieses Zusammenspiel der verschiedenen Abhängigkeiten nur bedingt darstellen und so beschränken sich gerade tabellenkalkulierte Analysen (z. B. mit MS-Excel) nur auf die direkten einflussbasierenden Maße selbst. Zur Vereinfachung wird darüber hinaus i.d.R. nur in 1D- oder maximal in 2D-Analysen simuliert.
Als wäre es nicht schon komplex genug, dies zu beherrschen, kommen noch STATISTISCHE AUSWERTUNGEN hinzu, um die Standartabweichung, die Prozessfähigkeit, den Ausschuss und die Qualität in der Analyse für ein Prüfmaß zu bewerten und vorherzusagen. All das kann sich unter Einwirkung von physikalischen Größen von außen (Temperatur, Verformung durch Kräfte und Momente aus Betrieb, Fertigungsprozess und Montage) nochmals deutlich ändern.
Um dies in Beispielen anschaulich darstellen zu können, werde ich hierzu 2 Fallunterscheidungen treffen:
FALL 1: Auswirkungen der toleranzbedingen Varianz auf physikalische Größen
FALL 2: Einfluss der physikalischen Größen auf die toleranzbedingte Varianz
Alle Beispiele stehen exemplarisch vereinfacht für einen Anwendungsfall und wurden aus der CAD-Baugruppe direkt mit der Toleranzsimulationssoftware CETOL gerechnet. Sinngemäß kann das auch mit anderen Werkzeugen und in einfachen Fällen auch mit MS-Excel gerechnet werden
A Novel Inexpensive Camera-based Photoelectric Barrier System for Accurate Flying Sprint Time Measurement
Get PDFElectronic photoelectric barriers are established devices to time subjects in experiments or athletes in sports. The systems are reliable and precise, but also expensive. We propose a novel, affordable photoelectric barrier system based on consumer grade camera hardware and show how to build such a system with common electronic components and a smartphone. In two experiments with track and field athletes, we show that our novel system has similar accuracy than a professional photoelectric barrier system, but for a fraction of the costs.:1. Introduction
1.1 Motivation
1.2 Commercial Photoelectric Barriers
1.3 Image-based Change Detection
1.4 Existing Camera-based Systems
2. Novel Photoelectric Virtual Barriers System
2.1 Virtual Image-based Photoelectric Barriers
2.2 Mobile Image-based Photoelectric Virtual Barrier System
3. Experiments
4. Conclusion & Future Wor
Untersuchung der Wärmeübergangsintensivierung mit Hilfe statischer Mischer in wassergekühlten Werkzeugen
Get PDFIn diesem Beitrag wird die Wirksamkeit statischer Mischer in verschiedenen Anordnungen und Strömungskonfigurationen untersucht. Auf Grundlage umfangreicher numerischer Untersuchungen werden die Anwendungsgrenzen von spiralförmigen statischen Mischern zur Verbesserung des Wärmeübergangs in Kühlkanälen von Werkzeugmaschinen aufgezeigt. Die numerischen Simulationen wurden mit der kommerziellen Computational-Fluid-Dynamics (CFD)-Software, ANSYS Fluent 2020 R2, durchgeführt. Diese Studie zeigt, dass es einen optimalen Anwendungsbereich für statische Mischer als Wärmeaustauschverstärker in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit, dem übertragenen Wärmestrom und der Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugs gibt. Die Untersuchungen in diesem Beitrag beschränken sich auf einphasige Strömungen in kreisförmigen Querschnitten und geraden Kanalgeometrien. Als repräsentatives Anwendungsbeispiel für eine Werkzeugmaschine wird die Kühlung eines einfachen Spritzgießwerkzeugs untersucht. Die durchgeführten Analysen zeigen, dass der Einsatz von statischer Mischelemente zur Verbesserung der Wärmeübertragung sehr effektiv ist, insbesondere bei Strömungen mit niedrigen bis mittleren Reynoldszahlen, konturnaher Kühlung, hohen Wärmestromwerten sowie hoher Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugmaterials.In this contribution, the effectiveness of helical static mixers in different arrangements and flow configurations/regimes is explored. By means of a thorough numerical analysis the application limits of helical static mixers for the heat transfer enhancement inside
cooling channels of machine tools is provided. The numerical simulations were processed with the commercial finite volume Computational Fluid Dynamics (CFD) code, ANSYS Fluent 2020 R2. This study shows that there exists an optimal range of application for static
mixers as heat exchange intensifier depending on the flow speed, the transmitted heat flow and the thermal conductivity of the tool. The investigations of this contribution are restricted to single-phase flow in circular cross-sections and straight channel geometries. As a representative application example for a machine tooling, the cooling of a simple injection mould is investigated. The research carried out reveals that the application of
static mixing elements for enhancement of heat transfer is very effective, particularly for fluid flow with low to medium Reynolds numbers, close-contour cooling, high values of heat fluxes as well as high thermal conductivity of the tooling material
NaturalWalk: An Anatomy-based Synthesizer for Human Walking Motions
Get PDFWe present a novel data-driven approach for synthesizing human gait motions with individual style characteristics and natural appearance. Our approach is based on the concept of a motion signature that captures the essential characteristic of an individual walking motion. For each joint angle our motion model consists of a shape template and feature functions that describe the variation of that shape with the stride length. For the synthesis of a walking motion, the feature functions are evaluated for a desired stride length. Then the templates are adapted to match the computed features and used as progressions for the joint angles of the skeleton. We demonstrate our data driven approach using motion data captured from 12 individuals. We report on an experiment showing that the synthesized motions have a natural appearance and maintain the individual style.:1. Introduction
2. Related Work
3. Preliminaries
3.1 Mathematics of motion
3.2 Walking motions
4. Data acquisition and analysis
5. Shape templates and feature functions
5.1 Definition of template functions
5.2 Continuous representation of template functions
5.3 Building the feature functions
6. Motion Generation
6.1 Adaption of template functions
6.2 Computing the poses
7 Experimental Results
7.1 Numerical Evaluation
7.2 User Study
Acknowledgment
Reference
Visual Place Recognition in Changing Environments using Additional Data-Inherent Knowledge
No full textVisual place recognition is the task of finding same places in a set of database images for a given set of query images. This becomes particularly challenging for long-term applications when the environmental condition changes between or within the database and query set, e.g., from day to night. Visual place recognition in changing environments can be used if global position data like GPS is not available or very inaccurate, or for redundancy. It is required for tasks like loop closure detection in SLAM, candidate selection for global localization, or multi-robot/multi-session mapping and map merging.
In contrast to pure image retrieval, visual place recognition can often build upon additional information and data for improvements in performance, runtime, or memory usage. This includes additional data-inherent knowledge about information that is contained in the image sets themselves because of the way they were recorded. Using data-inherent knowledge avoids the dependency on other sensors, which increases the generality of methods for an integration into many existing place recognition pipelines.
This thesis focuses on the usage of additional data-inherent knowledge. After the discussion of basics about visual place recognition, the thesis gives a systematic overview of existing data-inherent knowledge and corresponding methods. Subsequently, the thesis concentrates on a deeper consideration and exploitation of four different types of additional data-inherent knowledge. This includes 1) sequences, i.e., the database and query set are recorded as spatio-temporal sequences so that consecutive images are also adjacent in the world, 2) knowledge of whether the environmental conditions within the database and query set are constant or continuously changing, 3) intra-database similarities between the database images, and 4) intra-query similarities between the query images. Except for sequences, all types have received only little attention in the literature so far.
For the exploitation of knowledge about constant conditions within the database and query set (e.g., database: summer, query: winter), the thesis evaluates different descriptor standardization techniques. For the alternative scenario of continuous condition changes (e.g., database: sunny to rainy, query: sunny to cloudy), the thesis first investigates the qualitative and quantitative impact on the performance of image descriptors. It then proposes and evaluates four unsupervised learning methods, including our novel clustering-based descriptor standardization method K-STD and three PCA-based methods from the literature. To address the high computational effort of descriptor comparisons during place recognition, our novel method EPR for efficient place recognition is proposed. Given a query descriptor, EPR uses sequence information and intra-database similarities to identify nearly all matching descriptors in the database. For a structured combination of several sources of additional knowledge in a single graph, the thesis presents our novel graphical framework for place recognition. After the minimization of the graph's error with our proposed ICM-based optimization, the place recognition performance can be significantly improved. For an extensive experimental evaluation of all methods in this thesis and beyond, a benchmark for visual place recognition in changing environments is presented, which is composed of six datasets with thirty sequence combinations
Development of a Control System and Microcontroller Implementation for an Advanced Rotor Technology Demonstrator
No full textThe original idea of the thesis was realized to control the electric drive of the rotor with a special feature. Without using a complex mechanism, the angle of each blade of the rotor can be controlled individually. The blades are fixed independently to a permanent magnet and the housing encompassing the rotor contains coils. By powering the coils, the whole rotor turns into a permanent magnet motor and by using a control algorithm, each blade can be separately driven.
In the first chapter, the introduction to the main idea of the research project is described along with working principle of rotor blade. The basic concept of blade angle is introduced.
The second chapter is the state of Technique. In this chapter, the working principle and basics of permanent magnet synchronous machine and brushless motor with
mathematical model is described. Also, space vector pulse width modulation and double acting piezoelectric actuator model for helicopter rotor are explained.
The third chapter is the overall description of the initial status of the research project.
This part includes the basic principle of the control system, sensorless field-oriented control of Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM). Also, the motor
parameters calculated from the python script of motor design are listed in tabular form.
The fourth chapter focuses on control strategy implementation. First of all, the criteria for selecting the microcontroller are described. After that, the structure of the program with a flow chart was explained. Also, a short description is mentioned of how space vector pulse width modulation is applied. The main function of the position and speed controller with block diagram is explained. Moreover, back-EMF based observer and EKF-based observer are described.
In the fourth chapter, the initial problem of the research project is discussed. To overcome this problem, a set of experiments is carried out.
In the last chapter, the result of the experiment with proper explanation is summarized. Further on the future work to solve the problem is listed
Numerical Simulation of Short Fibre Reinforced Composites
No full textLightweight structures became more and more important over the last years. One
special class of such structures are short fibre reinforced composites, produced by injection moulding. To avoid expensive experiments for testing the mechanical behaviour of these composites proper material models are needed. Thereby, the stochastic nature of the fibre orientation is the main problem.
In this thesis it is looked onto the simulation of such materials in a linear thermoelastic
setting. This means the material is described by its heat conduction tensor κ(p), its
thermal expansion tensor T(p), and its stiffness tensor C(p). Due to the production
process the internal fibre orientation p has to been understood as random variable. As
a consequence the previously mentioned material quantities also become random.
The classical approach is to average these quantities and solve the linear hermoelastic deformation problem with the averaged expressions. Within this thesis the incorpora-
tion of this approach in a time and memory efficient manner in an existing finite element software is shown. Especially for the time and memory efficient improvement several implementation aspects of the underlying software are highlighted. For both - the classical material simulation as well as the time efficient improvement of the software - numerical results are shown.
Furthermore, the aforementioned classical approach is extended within this thesis for
the simulation of the thermal stresses by using the stochastic nature of the heat conduc
tion. This is done by developing it into a series w.r.t. the underlying stochastic. For this
series known results from uncertainty quantification are applied. With the help of these
results the temperature is developed in a Taylor series. For this Taylor series a suitable
expansion point is chosen. Afterwards, this series is incorporated into the computation of the thermal stresses. The advantage of this approach is shown in numerical experiments
Methods and Results of Power Cycling Tests for Semiconductor Power Devices
Get PDFThis work intends to enhance the state of the research in power cycling tests with statements on achievable measurement accuracy, proposed test bench topologies and recommendations on improved test strategies for various types of semiconductor power devices.
Chapters 1 and 2 describe the current state of the power cycling tests in the context of design for reliability comprising applicable standards and lifetime models.
Measurement methods in power cycling tests for the essential physical parameters are explained in chapter 3. The dynamic and static measurement accuracy of voltage, current and temperature are discussed. The feasibly achievable measurement delay tmd of the maximal junction temperature Tjmax, its consequences on accuracy and methods to extrapolate to the time point of the turn-off event are explained. A method to characterize the thermal path of devices to the heatsink via measurements of the thermal impedance Zth is explained.
Test bench topologies starting from standard setups, single to multi leg DC benches are discussed in chapter 4. Three application-closer setups implemented by the author are explained. For tests on thyristors a test concept with truncated sinusoidal current waveforms and online temperature measurement is introduced. An inverter-like topology with actively switching IGBTs is presented. In contrast to standard setups, there the devices under test prove switching capability until reaching the end-of-life criteria. Finally, a high frequency switching topology with low DC-link voltage and switching losses contributing significantly to the overall power losses is presented providing new degrees of freedom for setting test conditions.
The particularities of semiconductor power devices in power cycling tests are thematized in chapter 5. The first part describes standard packages and addressed failure mechanisms in power cycling. For all relevant power electronic devices in silicon and silicon carbide, the devices’ characteristics, methods for power cycling and their consequences for test results are explained.
The work is concluded and suggestions for future work are given in chapter 6.:Abstract 1
Kurzfassung 3
Acknowledgements 5
Nomenclature 10
Abbreviations 10
Symbols 12
1 Introduction 19
2 Applicable Standards and Lifetime Models 25
3 Measurement parameters in power cycling tests 53
4 Test Bench Topologies 121
5 Semiconductor Power Devices in Power Cycling 158
6 Conclusion and Outlook 229
References 235
List of Publications 253
Theses 257Diese Arbeit bereichert den Stand der Wissenschaft auf dem Gebiet von Lastwechseltests mit Beiträgen zu verbesserter Messgenauigkeit, vorgeschlagenen Teststandstopologien und verbesserten Teststrategien für verschiedene Arten von leistungselektronischen Bauelementen. Kurzgefasst der Methodik von Lastwechseltests.
Das erste Themengebiet in Kapitel 1 und Kapitel 2 beschreibt den aktuellen Stand zu Lastwechseltests im Kontext von Design für Zuverlässigkeit, welcher in anzuwendenden Standards und publizierten Lebensdauermodellen dokumentiert ist.
Messmethoden für relevante physikalische Parameter in Lastwechseltests sind in Kapitel 3. erläutert. Zunächst werden dynamische und statische Messgenauigkeit für Spannung, Strom und Temperaturen diskutiert. Die tatsächlich erreichbare Messverzögerung tMD der maximalen Sperrschichttemperatur Tjmax und deren Auswirkung auf die Messgenauigkeit der Lastwechselfestigkeit wird dargelegt. Danach werden Methoden zur Rückextrapolation zum Zeitpunkt des Abschaltvorgangs des Laststroms diskutiert. Schließlich wird die Charakterisierung des Wärmepfads vom Bauelement zur Wärmesenke mittels Messung der thermischen Impedanz Zth behandelt.
In Kapitel 4 werden Teststandstopologien beginnend mit standardmäßig genutzten ein- und mehrsträngigen DC-Testständen vorgestellt. Drei vom Autor umgesetzte anwendungsnahe Topologien werden erklärt. Für Tests mit Thyristoren wird ein Testkonzept mit angeschnittenem sinusförmigem Strom und in situ Messung der Sperrschichttemperatur eingeführt. Eine umrichterähnliche Topologie mit aktiv schaltenden IGBTs wird vorgestellt. Zuletzt wird eine Topologie mit hoch frequent schaltenden Prüflingen an niedriger Gleichspannung bei der Schaltverluste signifikant zur Erwärmung der Prüflinge beitragen vorgestellt. Dies ermöglicht neue Freiheitsgrade um Testbedingungen zu wählen.
Die Besonderheiten von leistungselektronischen Bauelementen werden in Kapitel 5 thematisiert. Der erste Teil beschreibt Gehäusetypen und adressierte Fehlermechanismen in Lastwechseltests. Für alle untersuchten Bauelementtypen in Silizium und Siliziumkarbid werden Charakteristiken, empfohlene Methoden für Lastwechseltests und Einflüsse auf Testergebnisse erklärt.
Die Arbeit wird in Kapitel 6 zusammengefasst und Vorschläge zu künftigen Arbeiten werden unterbreitet.:Abstract 1
Kurzfassung 3
Acknowledgements 5
Nomenclature 10
Abbreviations 10
Symbols 12
1 Introduction 19
2 Applicable Standards and Lifetime Models 25
3 Measurement parameters in power cycling tests 53
4 Test Bench Topologies 121
5 Semiconductor Power Devices in Power Cycling 158
6 Conclusion and Outlook 229
References 235
List of Publications 253
Theses 25
Schnittstelle zur Datenakquise von Daten des Lernmanagementsystems unter Berücksichtigung bestehender Datenschutzrichtlinien
Get PDFDie Digitalisierung des Bildungswesens ist seit Jahren ein wichtiges Thema in Deutschland und wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt. Ein Beispiel ist das Forschungsprojekt tech4comp, welches das Ziel verfolgt, die Lehre an Hochschulen und Universitäten zu individualisieren und zu verbessern, indem ein digital gestütztes Mentoring-System entwickelt wird. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes findet die Entwicklung einer Schnittstelle für die automatisierte Datenakquise von Daten des Lernmanagementsystems statt. Die Schnittstelle dient dem Ziel, die manuelle Datenverarbeitung zu ersetzen, indem Vorgänge wie die Datenbeschaffung, die Datenverarbeitung sowie das Schreiben der Daten auf die Datenbanken automatisiert werden. Aufgrund der Verarbeitung von personenbezogenen Daten muss die Schnittstelle zur Datenakquise Anforderungen betreffend der Funktionsfähigkeit, der Robustheit und des Datenschutzes erfüllen. Schließlich erfolgte anhand entsprechender Modultests der Nachweis, dass die Schnittstelle allen Anforderungen gerecht wird, sodass diese Einsatz finden kann