Wissenschaftliche Veröffentlichungen

A pendulum with an attached permanent magnet swinging in the vicinity of a conductor is a typical experiment for the demonstration of electromagnetic braking and Lenz law of induction. When the conductor itself moves, it can transfer energy to the pendulum. An exact analytical model of such an electromagnetic interaction is possible for a flat conducting plate. The eddy currents induced in the plate by a moving magnetic dipole and the resulting force and torque are known analytically in the quasistatic limit, i.e., when the magnetic diffusivity is sufficiently high to ensure an equilibrium of magnetic field advection and diffusion. This allows us to study a simple pendulum with a magnetic dipole moment in the presence of a horizontal plate oscillating in vertical direction. Equilibrium of the pendulum in the vertical position can be realized in three cases considered, i.e., when the magnetic moment is parallel to the rotation axis, or otherwise, its projection onto the plane of motion is either horizontal or vertical. The stability problem is described by a differential equation of Mathieu type with a damping term. Instability is only possible when the vibration amplitude and the distance between plate and magnet satisfy certain constraints related to the simultaneous excitation and damping effects of the plate. The nonlinear motion is studied numerically for the case when the magnetic moment and rotation axis are parallel. Chaotic behavior is found when the eigenfrequency is sufficiently small compared to the excitation frequency. The plate oscillation typically has a stabilizing effect on the inverted pendulum.

Die zerstörungsfreie Prüfung ist von besonderer Bedeutung im Lebenszyklus technischer Produkte. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Komponenten in Flugzeugen, Zügen, Pipelines oder Kraftwerken helfen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, Qualitätsmängel bereits während des Herstellungsprozesses oder in regelmäßigen Wartungskontrollen zu erkennen, ohne deren Funktion zu beeinträchtigen. Heute erfordern steigende Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen sowie die Entwicklung neuer Materialien für moderne Leichtbaukonstruktionen immer zuverlässigere Prüfverfahren, um den ordnungsgemäßen Betrieb von Bauteilen und technischen Anlagen zu gewährleisten. Für die Untersuchung von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen kommen häufig Wirbelstromprüfverfahren zum Einsatz. Im Gegensatz zu klassischen Induktionsverfahren werden die Wirbelströme bei der bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfung durch die Relativbewegung zwischen einer Magnetfeldquelle und einem elektrisch leitfähigen Prüfkörper hervorgerufen. Die dabei auftretenden physikalischen Effekte ermöglichen die Detektion von Fehlern im Prüfkörper. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Prinzips für ein portables System zur bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfung, welches für den Einsatz als handgeführtes Prüfgerät zur Untersuchung von Bauteilen an ihrem Einsatzort geeignet ist. Nach einer Einführung in die zerstörungsfreie Prüfung und die in der Industrie am häufigsten eingesetzten Prüfverfahren, werden die bekannten Verfahren der bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfung vorgestellt. Basierend auf den Erkenntnissen vorangegangener Studien im Bereich der bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfung, erfolgt die Präzisierung der Anforderungen an das zu entwickelnde Sensorsystem und die Diskussion möglicher Lösungsvarianten. Im Rahmen dieser Ideenfindung werden zwei favorisierte Lösungsvarianten beschrieben, für die jeweils ein Messsystem zur experimentellen Validierung entwickelt und aufgebaut wird. Außerdem werden die angewendeten Verfahren der Messdatenauswertung erläutert. Das für den Anwendungszweck besser geeignete Prinzip wird anhand eines Variantenvergleichs ermittelt. Weiterführende Experimente mit dem ausgewählten Sensorsystem dienen dazu, Handlungsempfehlungen für dessen Einsatz als handgeführtes Prüfgerät abzuleiten. Darüber hinaus werden verschiedene Möglichkeiten zur Darstellung und Interpretation von Prüfergebnissen aufgezeigt.