Univ., Diss.--Hannover, 2001.

Berlin, Techn. University, Diss., 2006.

Zugl.: Hamburg, Techn. Univ., Diss., 2007

Zugl.: Hamburg, Techn. Univ., Diss., 2007

Mit dem aktuell und zukünftig steigenden Bedarf an Elektromotoren werden Fragestellungen zu deren ressourcenschonenden Herstellung und auch effizienteren Betrieb immer zentraler. Eine wichtige Stellgröße ist dabei die Vergrößerung des sogenannten Nutfüllfaktors. Zum einen können dadurch Maschinen kleiner dimensioniert oder bei gleicher Baugröße leistungsfähiger werden. Verschiedene Fertigungsmethoden können zur Herstellung von Spulen mit hohen Nutfüllfaktoren zur Anwendung kommen, bergen jedoch verschiedene Nachteile wie geringe Produktivität, hohen Energie- und Ressourcenbedarf sowie Einschränkungen in der geometrischen Gestaltungsfreiheit der Einzelwindungen. In der vorliegenden Arbeit wird eine Prozesskette zur umformtechnischen Herstellung von Spulen mit trapezförmiger Querschnittsgeometrie im Nutbereich entwickelt und analysiert. Ausgehend vom Stand der Technik und Wissenschaft werden die für die Funktion der Spule notwendigen Randbedingungen herausgestellt und verschiedene Herstellungsvarianten abgeleitet und bewertet. Nach Auswahl der Vorzugsvariante werden die Einzelprozessschritte durch FE-Umformsimulationen abgebildet und charakterisiert. Die Erkenntnisse fließen in die Konstruktion und Modifikation von Werkzeugen ein, mit welchen im Anschluss experimentelle Untersuchungen durchgeführt werden. Mit der Herstellung von Demonstratorspulen jeweils aus Kupfer und Aluminium werden die Umsetzbarkeit der entwickelten Prozesskette belegt und Gestaltungshinweise für Prozess und Werkzeuge abgeleitet.:Abbildungsverzeichnis IX Formelverzeichnis XIX Abkürzungsverzeichnis XXIII Tabellenverzeichnis XXV 1 Einführung und Motivation 1 2 Stand der Technik 5 2.1 Begriffe zur Spulentechnik 5 2.1.1 Allgemeine Erläuterungen zum Aufbau elektrischer Spulen 5 2.1.2 Elektrotechnische Kenngrößen 8 2.1.3 Nutfüllfaktor 11 2.1.4 Stromverdrängung und Wechselstromverluste 15 2.1.5 Restriktionen für den Statoraufbau 19 2.2 Relevante Herstellungsverfahren für Elektrospulen 23 2.2.1 Urformen 24 2.2.2 Umformen 26 2.2.3 Trennen 34 2.2.4 Fügen 35 2.2.5 Beschichten 39 2.2.6 Bewertung der Fertigungsverfahren und Fazit 40 2.3 Umformtechnische Prozessvarianten zur Erhöhung des Nutfüllfaktors 42 2.3.1 Grundlegendes 42 2.3.2 Verdichtung vorgewickelter Spulen 42 2.3.3 Formgebung von Einzeldrähten mit anschließender Wicklungserzeugung 51 2.4 Zusammenfassung des Standes der Technik 59 3 Zielsetzung 61 4 Geometrisch-technologische Auslegungssystematik 63 4.1 Notwendige Herstellungsschritte 63 4.2 Mögliche Prozessketten und Auswahl einer Vorzugsvariante 64 4.3 Auslegung der Spulengeometrie via CoilCalculator 66 4.4 Geometrische Analyse ausgewählter Herstellungsschritte 71 4.5 Werkstoffphysikalische Einordnung 78 5 Numerische Simulation und Anpassung der Fertigungsfolge 83 5.1 Werkstoffcharakterisierung 83 5.2 FE-Analyse der gewählten Prozesskette 89 5.2.1 Sequenzielles Pressen 89 5.2.2 Biegen 101 5.2.3 Kalibrieren des Wicklungskopfes 106 5.3 Zwischenfazit der Simulationsergebnisse 120 6 Experimentelle Untersuchungen 123 6.1 Vorversuche 123 6.2 Sequenzielles Pressen 127 6.3 Biegen 139 6.4 Kalibrieren des Wicklungskopfes 143 6.5 Zwischenfazit der experimentellen Untersuchungen 150 7 Zusammenfassung und Ausblick 153 Literaturverzeichnis 157 Anlagenverzeichnis 173

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Analyse und den Entwurf eines vollintegrierten Empfängers im UHF-Bereich mit dem Ziel, für die Verwendung im Mobilfunkstandard der vierten Generation geeignet zu sein, aber auch eine Einschätzung bezüglich der Anwendbarkeit eines solchen Empfängers für Geräte der fünften Generation vorzunehmen. Bei dem Empfängerkonzept handelt es sich um einen direkt digitalisierenden Empfänger, d.h. das Empfangssignal wird direkt mittels Analog-Digital-Umsetzer digitalisiert und vorher nicht auf eine niedrigere Trägerfrequenz abwärtsgemischt. Der Analogteil eines direkt digitalisierenden Empfängers besteht also nur aus einem LNA und einem ADU. Diese Empfängertopologie stellt hohe Anforderungen an den ADU und bildet deshalb den Fokus dieser Arbeit. Für die Untersuchungen des Empfängerkonzepts wurde sich auf eine Implementierung für niedrige Mobilfunkfrequenzbänder beschränkt, weshalb für den Entwurf festgelegt wurde, eine Trägerfrequenz von 750MHz mit einer Signalbandbreite von 20MHz empfangen und verarbeiten zu können. Der Entwurf erfolgte in einer 28nm CMOS Technologie, sollte flächen- und stromsparend sein, sich aber auch für zukünftige Technologieknoten mit noch höherer Integrationsdichte eignen, ohne die analogen Schaltblöcke gesondert bei der Technologiewahl berücksichtigen zu müssen. Somit konnten integrierte Spulen in der Empfängerkette nicht verwendet werden. Zugleich muss im Empfänger der Alias-Effekt unterdrückt werden. Um diese strengen Rahmenbedingungen ohne exorbitante Stromaufnahme zu erfüllen, kommt als ADU-Topologie nur ein zeitkontinuierlicher Sigma-Delta-Modulator in Frage. Dazu musste das Schleifenfilter des Sigma-Delta-Modulators komplett neu entworfen werden, was u.a. den Entwurf einer einstellbaren hochgütigen aktiven Spule erforderte. Das Empfängerkonzept konnte erfolgreich an der gefertigten Schaltung verifiziert werden, der gemessene dynamische Bereich blieb jedoch weit hinter dem ursprünglich anvisierten Ziel von 84dB zurück. Es konnte lediglich ein dynamischer Bereich von 59dB bei einer Leistungsaufnahme von 36,4mW und einer maximalen Auflösung von 4,5 Bit erreicht werden. Nachfolgende Untersuchungen des Konzepts zeigen aber Lösungsansätze auf, mit denen die Auflösung auf 8,7 Bit und der Dynamikbereich auf 69dB gesteigert werden kann.