Verlagspublikationen

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Methoden und Reglern zur Reduzierung von Schwingungen und Geräuschen von linearen Hybridschrittmotoren (LHSM). Die Ursachen der Schwingungen und Geräusche sind Kraftschwankungen, die elektromagnetisch durch das Antriebsprinzip bedingt sind. Der untersuchte Motor ist ein Prototyp, der von der Firma Pasim Direktantriebe GmbH zur Verfügung gestellt worden ist. Dieser ist durch ein Zusatzspulensystem gekennzeichnet, das eine variable magnetische Erregung ermöglicht. Somit kann der Motor mit einer konstanten magnetischen als auch mit einer sich ändernden magnetischen Erregung betrieben werden. Diese beiden Betriebsmodi werden in dieser Arbeit als Ausgangssituationen verwendet, um damit mögliche Reduzierungen von Schwingungen und Geräuschen zu erzielen. Für den als Standardmotor zu betrachtenden konstant erregten LHSM werden drei Methoden untersucht. Dazu gehören die Lastwinkel-Optimierung, die Rastkraft-Kompensation sowie die Optimierung der Kommutierung. Unter diesen Methoden lassen sich mit der optimierten Kommutierung die Horizontalschwingungen am besten verringern. Wahrnehmbare Lautstärkeänderungen können damit allerdings nicht erreicht werden. Das Ziel des mit variabler Erregung betriebenen LHSM ist ebenfalls eine Reduzierung von Schwingungen und Geräuschen. Zu diesem Zweck werden die sich mit der variablen Erregerkomponente ändernden Eigenschaften des LHSM ausgenutzt, um ein antriebseffizientes und schwingungsreduzierendes Betriebsverhalten zu erhalten. Dafür ist es erforderlich, den variabel erregten LHSM zu modellieren und die dazugehörigen Parameter zu identifizieren. Schließlich wird eine Ansteuerfunktion für die variable Erregerkomponente auf der Grundlage eines Optimierungsproblems entwickelt. Die Ansteuerfunktion wird im positionsgeregelten Betrieb angewendet und zeigt dabei eine Reduzierung der Schwingungen um ein Vielfaches in allen Raumrichtungen. Das führt dazu, dass die wahrgenommene Lautstärke um annähernd die Hälfte gegenüber einem Motor mit konstanter magnetischer Erregung gesenkt werden kann. Zur weiteren Verbesserung der Betriebseigenschaften werden verschiedene Reglerstrategien entwickelt und getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass sich für diesen Zweck ein optimierter PID-Regler mit modellbasierter Vorsteuerung am besten eignet.

Aufgrund ihrer hohen Auflösung in Kombination mit einem großen Messbereich nehmen Interferometer eine Spitzenrolle in der Präzisionslängenmesstechnik ein. Sie müssen stets so angeordnet werden, dass der Messstrahl das Messobjekt auf geradem, unabgeschattetem Weg erreicht. Durch eine Umlenkung und Faltung des Interferometermessstrahls lassen sich Flexibilität des Aufbaus und Zugänglichkeit des Messobjektes verbessern. Diese Arbeit untersucht den Einsatz von Strahlumlenkelementen in interferometrischen Messanordnungen sowie die dadurch entstehenden Messfehler und Möglichkeiten ihrer Kompensation und Korrektur. Zunächst wird das grundlegende Messprinzip von interferometrischen Längenmessungen vorgestellt sowie auf mögliche Fehlerquellen insbesondere im Hinblick auf Strahlumlenkung hingewiesen. Es wird untersucht, wie sich die Änderung von geometrischen und Polarisationseigenschaften des Messstrahls durch ein Umlenkelement auf die interferometrische Messung auswirken. In dieser Arbeit werden verschiedene Modelle vorgestellt, mit denen die Lichtausbreitung und Polarisation sowie das geometrische Übertragungsverhalten von Umlenkelementen untersucht werden können. An Beispielen werden Einflussfaktoren herausgestellt, die auf die Polarisation des Lichtes wirken. Darüber hinaus wird deren Nutzung zur Kompensation von unerwünschten Polarisationsänderungen diskutiert. Eine Übersicht teilt reflektierende und refraktive Umlenkelemente auf Basis von Gemeinsamkeiten in Geometrie und Übertragungsverhalten in Kategorien ein. Der Fokus liegt dabei auf Invarianzachsen für Translation und Rotation der Elemente. Diese erlauben eine Bewegung der Umlenkelemente, ohne dass die untersuchte Funktionsgröße beeinflusst wird. Auf die Existenz und Lage dieser Achsen wird für jede Gruppe von Umlenkelementen hingewiesen. Zusätzlich erfolgt der Nachweis im Experiment, der das qualitative Übertragungsverhalten ausgewählter Umlenkelemente bestätigt. Schließlich werden die Erkenntnisse dieser Arbeit in Gestaltungsrichtlinien zusammengefasst, die den Anwender bei der Auslegung von Umlenkelementen für interferometrische Längenmesssysteme unterstützen.

Ein aktueller Trend in der Automobil-Industrie ist die zunehmende Vernetzung interaktiver Systeme inner- und außerhalb des Fahrzeugs. Dies führt zu einem erhöhten Informationsfluss zwischen dem Fahrer, dem Fahrzeug sowie der Umwelt, was die Gefahr erhöht, dass sich der Fahrer von der eigentlichen Fahraufgabe ablenken lässt. Die Benutzungsschnittstelle, über die der Fahrer mit seinem Fahrzeug interagiert, sollte so gestaltet sein, dass die Ablenkung auf ein Minimum reduziert wird. Es existieren Automotive-HMI Richtlinien wie beispielsweise die NHTSA-Guidelines oder die DIN EN ISO 15005, welche herangezogen werden können, um die Benutzerfreundlichkeit interaktiver Systeme und die Ablenkung zu beurteilen. Bei der Analyse fällt jedoch auf, dass diese vielmehr bereits grafische Prototypen und implementierte Systeme fokussieren. Zudem sieht der aktuelle HMI-Entwicklungsprozess innerhalb der Automobilindustrie eine Produkt-Evaluation erst zum Zeitpunkt der HMI-Implementierungsphase vor. Innerhalb der HMI-Konzept und -Designphase findet keine strukturierte Beurteilung statt. Werden HMI-Probleme zu diesem späten Zeitpunkt identifiziert, ist eine Beseitigung kosten- und zeitintensiv. In dieser Dissertation wird ein Vorgehensmodell vorgestellt, welches die Usability von Spezifikationen für Automotive-Informations- und -Kommunikationssysteme bereits zu Beginn der Entwicklung, in der sogenannten HMI-Konzeptphase, beurteilt. So werden spezifische Beurteilungskriterien extrahiert und ein strukturiertes Evaluations-Vorgehen wird definiert. Die Erkenntnisse leiten sich aus umfangreichen empirischen und analytischen Studien ab. Die Betrachtung des Evaluations-Gegenstands innerhalb der darauffolgenden Design- und Implementierungsphase findet nicht statt, da spezifische Beurteilungskriterien entwickelt werden müssen. Die Beurteilungskriterien der HMI-Konzeptphase können nicht für die Design- und Implementierungsphase herangezogen werden. Das Vorgehensmodell ist so entwickelt, dass sowohl Experten als auch methodisch unerfahrene Evaluatoren und Testleiter dieses anwenden können.

Aluminium und Stahl sind Leichtbauwerkstoffe und im Automobilbau nicht mehr wegzudenken. Beide Werkstoffe miteinander zu verbinden, stellt besonders die Fügetechnik vor großen Herausforderungen. Das Fügen mittels Widerstandspunktschweißen oder anderen thermischen Fügeverfahren führt beim Verbinden von Aluminium mit Stahl in der Regel zur Ausbildung von intermetallischen Phasen. Zusätzlich erschweren die unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Werkstoffe den Schweißprozess und damit einen Einsatz im Fahrzeugbau. Aufgrund der hohen Zugfestigkeit höchstfester Stähle gelangen mechanische Fügeverfahren, wie beispielsweise das Halbhohlstanznieten, ebenfalls an ihre Prozessgrenzen. Mit Hilfe eines zusätzlichen Stanzelements wurde ein neuartiger Ansatz zum Widerstandspunktschweißen von Aluminium und Stahl entwickelt und dessen prozesstechnische und werkstoffliche Besonderheiten erforscht. Das Ziel war die Bestimmung der Verbindungsausbildung vom Stanzelementprozess und der Einfluss der Schweißlinsenbildung auf die Charakteristik der Gesamtverbindung. In den Untersuchungen konnte die Buckelhöhe als grundlegende Prozessgröße identifiziert werden. Weiterhin wurde festgestellt, dass die Schmelzenbildung im Stahl beginnt. Die Untersuchungen der Schweißlinsenbildung und deren Einfluss auf die Elementverformung brachte die Erkenntnis, dass die Ausprägung des Stanzelements im Aluminiumsubstrat dominierend durch den Stanzelementprozess gesteuert wird. Eine thermische Belastung innerhalb der Schweißbereichsgrenzen beeinflusst die geometrischen Kennwerte nur geringfügig. Mithilfe einer eigens entwickelten Kopfzugmethode konnte der Nachweis erbracht werden, dass die Vorbelastung des Stanzelements einen Einfluss auf das Versagensverhalten hat. Zudem war es mit dieser Prüfung möglich, die Verbindungsfestigkeiten sowohl nach dem Primär- als auch nach dem Sekundärprozess zu bestimmen. Der Vergleich der Kopfzugkräfte ergab eine festigkeitsmindernde Wirkung des Schweißprozesses. Untersuchungen des Aluminiumsubstrates zeigten Erholungs- und Rekristallisationsvorgänge entlang der Prozesskette, welche als Ursache für die festigkeitsmindernde Wirkung identifiziert wurde. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Verbindungsfestigkeit konnte durch eine nachträgliche Ausscheidungshärtung des Aluminiummaterials erreicht werden.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Erforschung, Verifikation und Validierung von Methoden zur automatischen Lokalisierung von Störlichtbögen im Photovoltaiksystem. Von besonderem Interesse ist hierfür das Verhalten der Brennspannung von Störlichtbögen in Photovoltaik- (PV-) Anlagen bei variablen Umgebungsbedingungen. Es wurden systematisch die hochfrequenten Signalanteile der Brennspannung von Gleichstrom-Lichtbögen im Frequenzbereich von 1 . . . 500 kHz untersucht und dabei realistische Umgebungsbedingungen gewählt, wie sie in Photovoltaikanlagen vorherrschen. Der Strom im Lichtbogen wurde von 2 . . . 17 A, der Elektrodenabstand von 0,2 . . . 4 mm variiert und als Elektrodenmaterialien wurden Kupfer, Aluminium und ein unlegierter Baustahl eingesetzt. Dabei wurde ein von der Literatur abweichender Verlauf des Leistungsdichtespektrums beobachtet, welcher meist für Lichtbögen mit höheren Strömen beschrieben wird. Durch Experimente mit Lichtbögen bei variabler Lastimpedanz konnte gezeigt werden, dass sich der Lichtbogen als hochfrequente Spannungsquelle beschreiben lässt. Basierend auf Charakterisierungsmessungen wurden Ersatzschaltbilder der Bestandteile eines Photovoltaiksystems bei verschiedenen Arbeitspunkten parametrisiert und damit eine reale PV-Anlage als Netzwerk modelliert. Die Simulation von seriellen Störlichtbögen im Photovoltaiksystem mit PSpice zeigte wie sich das Leistungsdichtespektrum des PV-Stroms bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und Anlagenkonfigurationen verhält. Anhand von Simulationsergebnissen wurden verschiedene Konzepte zur automatischen Lokalisierung von Störlichtbögen in Photovoltaikanlagen bewertet. Das zielführendste Konzept wurde als Prototyp realisiert und einem Praxistest unterzogen. Dieses System war in der Lage, in einer realen Photovoltaikanlage alle dort gezündeten Lichtbögen korrekt zu lokalisieren. Im Rahmen der Forschungsarbeiten entstand ein Konferenzbeitrag (reviewed) zur "27th International Conference on Electrical Contacts" (ICEC) 2014 in Dresden: "HF Characterization of Low Current DC Arcs at Alterable Conditions" [142] Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen wurden folgende Erfindungen zum Patent angemeldet: 1. DE 102014226999 A1: Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines Lichtbogens in einer Fotovoltaikanlage [141] 2. DE 102015204376 A1: Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines Lichtbogens [144] 3. DE 102013219490 A1: Verfahren und Vorrichtung zum Lokalisieren eines Lichtbogens in einem Strompfad einer Fotovoltaikanlage [140] 4. DE 102013219494 A1: Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Modultemperatur eines Photovoltaikmoduls [139] 5. DE 102012217878 A1: Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen zumindest einer aktiven Bypassdiode in einem Photovoltaiksystem [90] 6. DE 102014223593 A1: Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Degradationszustandes eines Fotovoltaikmoduls [143].