Eine hohe Vorspannkraftrelaxation in thermisch beanspruchten Schraubenverbindungen ist im Rahmen der Auslegung zu vermeiden. Bisher gibt es in gängigen Auslegungswerken für metrische Schraubenverbindungen maschinenbaulicher Anwendung keinen universellen Ansatz zur analytischen Berechnung der Restvorspannkraft unter Berücksichtigung relevanter Einflussparameter.
In dieser Arbeit wird ein Modell entwickelt, welches die Relaxation einer Einschraubverbindung, aufgeteilt auf die Teilsysteme „Schraube-Mutter“ und „Platte“ nach Richtlinie VDI 2230 Blatt 1, beschreibt. Gewählte Auslegungswerte für Geometrie und Beanspruchung stellen Eingaben dar. Zur Beschreibung der Werkstoffabhängigkeit der Relaxation wird das zeit- und das zeitunabhängige Verhalten der metallischen Komponenten hinterlegt. Als Ausgabegröße ergibt sich für den Anwender die Restvorspannkraft.
Es werden zylindrische Modellverbindungen, bestehend aus einer Stahlschraube mit innentragender ebener Kopfauflagefläche und Stahl- oder Aluminiumbauteilen, mittels ultraschallbasierter Vorspannkraftermittlung untersucht. Durch lokale Betrachtungen zum Kopfauflagenkontakt unter Einsatz der Finite-Elemente-Methode wird ein analytisches Berechnungsmodell für die effektiv belastete Fläche und die gemittelte Druckbeanspruchung in Abhängigkeit vom Schirmungswinkel, von der Montagevorspannkraft und von Bauteilwerkstoffkennwerten entwickelt.
Das entwickelte Relaxationsmodell beinhaltet für die untersuchten Werkstoffkombinationen und Parameterbereiche optimierte Deskriptoren, deren Robustheit untersucht wird. Die Modellvorhersage wird mit dem zugrundeliegenden experimentellen Ergebnis verglichen. Durch unabhängige Versuche wird die Prognosefähigkeit des Modells in Hinblick auf eine Erweiterung des Parameterbereiches bewertet.
Aktualisiert: 2023-05-04
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Die synchrone Reluktanzmaschine besitzt außer der Ankerwicklung keine weitere Felderregung. Mit dem Reluktanzprinzip verknüpft sind eine hohe Drehmomentwelligkeit, ein geringes Drehmoment und ein schmaler Konstantleistungsbereich. Bisherige Untersuchungen befassen sich mit Ganz- und Bruchlochwicklungen, um Einfluss auf diese Leistungsindikatoren zu üben. Ein neuartiger Ansatz stellt der einseitig kurzgeschlossene Statorkäfig dar. Ziel der Arbeit ist es die Anwendung des Statorkäfigs auf synchrone Reluktanzmaschinen zu untersuchen und im Hinblick auf die Eignung als Traktionsantrieb in elektrisch betriebenen Fahrzeugen zu bewerten.
Dazu erfolgt eine umfassende Behandlung der elektromagnetischen Eigenschaften des Statorkäfigs, wie der Änderung der Polpaarzahl über die Phasenverschiebung zwischen den Stäben oder der inhomogenen Stromdichteverteilungen in den massiv ausgeführten Stäben und im Kurzschlussring.
Zur Ableitung allgemeingültiger Ergebnisse wird ein analytisches Modell basierend auf dem linearen magnetischen Kreis entwickelt. Bestehende Ansätze werden auf geometrisch asymmetrische Konfigurationen erweitert und die Ergebnisse anhand von FEM-Simulationen validiert.
Die Polumschaltbarkeit wird anhand diverser Rotorgeometrien erfasst. Untersuchungen zur Bildung zeitlich konstanter Drehmomente erfolgen über die Hauptflussverkettungen. Es werden Reluktanzunterschiede sichtbar, die Orientierungen der Achsen in Richtung der größten und kleinsten Reluktanz identifiziert und Unterschiede hervorgehoben Im Rahmen des elektromagnetischen Entwurfs liegt der Fokus auf der Vereinfachung des Entwurfsprozesses und der Reduktion der Drehmomentwelligkeit ausgehend von der Anzahl an Stäben. Die Bewertung von drei entworfenen Kandidaten erfolgt anhand von Kennlinien und Kennfeldern.
Aktualisiert: 2023-04-13
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Seit der Jahrtausendwende sind elektrische Maschinen mit konzentrierten Wicklungen immer weiter in den Fokus verschiedener Forschungsgruppen gerückt. Dies hängt unter anderem damit zusammen, dass die Fertigung solcher Maschinen hochgradig automatisiert- damit die Ausbringungszahlen erhöht und die Kosten gesenkt- werden kann. Elektrische Maschinen mit konzentrierten Wicklungen sind daher für die Serienproduktion bestens geeignet.
Ein erfolgreicher Einsatz konzentrierter Wicklungen, insbesondere bei Käfigläufermotoren, setzt ein präzises Verständnis der Oberwellenerscheinungen, und ihrer Auswirkungen auf das Betriebsverhalten der Maschine, voraus.
Vor diesem Hintergrund, wird in der vorliegenden Arbeit ein analytisches Modell von Asynchronmaschinen (Käfigläufer) mit konzentrierten Wicklungen, unter Berücksichtigung aller Oberwellenerscheinungen (mehrfache Ankerrückwirkung), entwickelt.
Unterschiede bezüglich der Verschaltung der Statorstränge werden berücksichtigt. Anschließend werden schaltungsartspezifische Spannungsgleichungen aufgestellt sowie Beziehungen zur Berechnung aller (Oberwellen-)Drehmomente hergeleitet.
Die Einbeziehung von Stromverdrängungseffekten wird ausführlich beschrieben. Einfluss der Nut- und der Wickelkopfstreuung wird vernachlässigt, kann aber mittels Streuinduktivitäten berücksichtigt werden.
Abschließend wird das entwickelte analytische Modell mit einem 2D-FEM-Modell eines Käfigläufermotors mit konzentrierter Wicklung verglichen. Die Simulationsergebnisse weisen eine hohe Übereinstimmung auf. Die Dauer der Berechnungen des analytischen Modells ist im Gegensatz zu FEM-Berechnungen vernachläßigbar klein.
Insgesamt ist ein umfangreiches und effizientes Analysewerkzeug für Asynchronmaschinen mit konzentrierter Wicklung entstanden.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNT)-Polymer-Komposite haben ein großes Potential im Bereich sensorischer Anwendungen. Dabei spielen die elektrischen Eigenschaften des Komposits und deren Änderungen unter mechanischer Belastung eine entscheidende Rolle. Einen maßgeblichen Einfluss nimmt dabei das Aspektverhältnis der CNT-Agglomerate sowie der CNTs selbst ein, welches jeweils vom CNT-Desagglomerationsprozess bestimmt wird. Die Dispergierung beeinflusst folglich auch die elektrische Leitfähigkeit und Reproduzierbarkeit des Komposits sowohl im mechanisch unbelasteten als auch belasteten Zustand. Dies wurde anhand von (teil-)analytischen Modellen gezeigt.
Die Dispersionsqualität wird dabei von vielen Faktoren beeinflusst, wobei die Prozessparameter beim Ultraschalldispergieren derzeit nach der Trial-and-Error-Methode bestimmt werden. Im Rahmen der Arbeit wurde eine Dispergiergleichung für zylindrische Partikel, die CNTs näherungsweise sind, erstmals für die Dispergierung von CNTs in Lösungsmitteln entwickelt, angewendet sowie verifiziert. Die Gültigkeit der Gleichung für CNTs wurde durch Variation der Ultraschallparameter Zeit sowie Energie und deren Einfluss auf den Dispergiergrad gezeigt. Die mittels UV-VIS-Spektroskopie gemessene Extinktion diente dabei als indirekte Messgröße des Dispergiergrads. Nach Vorversuchen zur geeigneten Materialauswahl wurden alle relevanten Einflussparameter berechnet oder experimentell bestimmt. Die experimentelle Verifikation erfolgte an CNT-N-Methyl-2-pyrrolidon-Dispersionen, die mittels Ultraschallsonotrode kontrolliert dispergiert wurden. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass die Bestimmung der optimalen Ultraschallparameter möglich ist und die bis dahin übliche Praxis der experimentellen Bestimmung der Dispergierparameter für CNTs ablösen kann. Mithin wurde die Grundlage für die Herstellung elektrisch reproduzierbarer CNT-Polymer-Komposit-basierter Sensoren gelegt.
Darüber hinaus wurde das Anwendungspotential dieses Sensorkonzepts für Einzelsensoren zur punktuellen Druckmessung über eine Druckverteilungsmessung als Sensormatrix bis hin zur Anwendung als Einlegesohle im Schuh zur Überwachung des Drucks gezeigt.
Aktualisiert: 2021-09-10
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