Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007.

The use of backfill in underground mining is increasing due to need for systematic backfilling of mine openings and workings to avoid surface damage, increase safety and contribution to sustainable mining. This study is to investigate backfill materials and new methods suited for systematic selection and application of backfill in underground mines. Laboratory tests were carried out on physical, chemical and mechanical properties of different backfill materials and mixtures thereof. Special attention was paid to materials generated as by-products and other cheaply available materials e.g. fly ash and FGD-gypsum from power plants, natural and synthetic anhydrite. The different material mixtures investigated can be used as a technically and economically viable backfill for underground mines. In summary, the systematic selection of backfill materials from by-products, mine waste and tailings from the mineral processing of mining industry and other industries were suited as a backfill material for test field in China coal fires and recommended for underground potash mines in Thailand.

The use of backfill in underground mining is increasing due to need for systematic backfilling of mine openings and workings to avoid surface damage, increase safety and contribution to sustainable mining. This study is to investigate backfill materials and new methods suited for systematic selection and application of backfill in underground mines. Laboratory tests were carried out on physical, chemical and mechanical properties of different backfill materials and mixtures thereof. Special attention was paid to materials generated as by-products and other cheaply available materials e.g. fly ash and FGD-gypsum from power plants, natural and synthetic anhydrite. The different material mixtures investigated can be used as a technically and economically viable backfill for underground mines. In summary, the systematic selection of backfill materials from by-products, mine waste and tailings from the mineral processing of mining industry and other industries were suited as a backfill material for test field in China coal fires and recommended for underground potash mines in Thailand.

The present thesis provides a modularized view on the structure of fast numerical methods for computing Coulomb interactions between charged particles in three-dimensional space. Thereby, the common structure is given in terms of three self-contained algorithmic frameworks that are built on top of each other, namely fast Fourier transform (FFT), nonequispaced fast Fourier transform (NFFT) and NFFT based particle-mesh methods (P²NFFT). For each of these frameworks algorithmic enhancement and parallel implementations are presented with special emphasis on scalability up to hundreds of thousands of parallel processes. In the context of FFT massively parallel algorithms are composed from hardware adaptive low level modules provided by the FFTW software library. The new algorithmic NFFT concepts include pruned NFFT, interlacing, analytic differentiation, and optimized deconvolution in Fourier space with respect to a mean square aliasing error. Enabled by these generalized concepts it is shown that NFFT provides a unified access to particle-mesh methods. Especially, mixed-periodic boundary conditions are handled in a consistent way and interlacing can be incorporated more efficiently. Heuristic approaches for parameter tuning are presented on the basis of thorough error estimates. / Die vorliegende Dissertation beschreibt einen modularisierten Blick auf die Struktur schneller numerischer Methoden für die Berechnung der Coulomb-Wechselwirkungen zwischen Ladungen im dreidimensionalen Raum. Die gemeinsame Struktur ist geprägt durch drei selbstständige und auf einander aufbauenden Algorithmen, nämlich der schnellen Fourier-Transformation (FFT), der nicht äquidistanten schnellen Fourier-Transformation (NFFT) und der NFFT-basierten Teilchen-Gitter-Methode (P²NFFT). Für jeden dieser Algorithmen werden Verbesserungen und parallele Implementierungen vorgestellt mit besonderem Augenmerk auf massiv paralleler Skalierbarkeit. Im Kontext der FFT werden parallele Algorithmen aus den Hardware adaptiven Modulen der FFTW Softwarebibliothek zusammengesetzt. Die neuen NFFT-Konzepte beinhalten abgeschnittene NFFT, Versatz, analytische Differentiation und optimierte Entfaltung im Fourier-Raum bezüglich des mittleren quadratischen Aliasfehlers. Mit Hilfe dieser Verallgemeinerungen bietet die NFFT einen vereinheitlichten Zugang zu Teilchen-Gitter-Methoden. Insbesondere gemischt periodische Randbedingungen werden einheitlich behandelt und Versatz wird effizienter umgesetzt. Heuristiken für die Parameterwahl werden auf Basis sorgfältiger Fehlerabschätzungen angegeben.

Inductive power transmission is very useful, not only for systems where energy transfer should take place in hazardous, humid and wet areas, but also for mobile and very small systems. It finds today a widespread use in several fields, such as industry, automotive, medicine and smart buildings. For a good efficiency and a high-power transmission, the sending and the receiving coils should be perfectly aligned and close to each other. A misalignment between the sender and the receiver becomes unavoidable especially for systems with movable parts. This thesis aims to improve the transmitted power, the mutual inductance, the power at the load, and consequently the power transmission efficiency in case of lateral misalignment between the sending and receiving coils and at large coil-to-coil distance. For this purpose, we adopt a multi input single output (MISO) coil system able to orientate the issued magnetic field to the receiving coil by powering the neighbouring sending coils of the active ones with a weak current in the opposite direction. Furthermore, an analytical model of the used coils and an accurate three-dimensional model of the system have been developed to calculate the induced voltage, the induced current, and the equivalent mutual inductance. Both simulation and experimental results prove that the proposed multi-coil inductive system having an hexagonal arrangement and the sending coils, which have the half diameter of the receiving coil, is able to improve significantly the transmitted power in case of lateral misalignment and big air gap. The novel MISO system reaches better efficiency beginning with an air gap of 50% of the sending coil diameter, and a misalignment of 28% of the sending coil diameter. It reaches the double of the transmitted power of the conventional two-coil inductive system at 50 mm air gap (corresponding to 166% of the sending coil diameter) and at 10 mm lateral misalignment (corresponding to 33% of the sending coil diameter). In order to improve the equivalent mutual inductance between the primary and secondary sides and to avoid energy losses, we propose a receiver detection method using the sending coils themselves as detectors. Thereby, only the sending coils, under the receiver, are activated and the others remain switched off. For that, the peak of the AC current of the sending coils, is measured and then compared to a detection threshold. The excitation strategy of the active sending coils is optimized corresponding to the receiving coil position. The novel excitation strategy increases the mutual inductance by 85% and the induced voltage by 13% at perfect alignment and by 30% and 10% respectively at 10 mm lateral misalignment, in comparison to the MISO system without a receiver detector and coil-excitation strategy. In order to increase the transmitted power by resonance, different system topologies have been investigated, such as series-series SS, series-parallel SP, parallel-series PS, and parallel-parallel PP topologies for different levels of load impedance. The results show that a multi-coil inductive system with parallel-parallel PP topology realizes a higher transmitted power than the other topologies for both high and low load impedance values. The proposed multi-coil inductive system is suitable for low-power systems, such as wireless sensors and biomedical implants, but can be also applied to higher range of power at a flexible position of the receiver. / Die induktive Energieübertragung ist interessant, nicht nur für Systeme, bei denen die Energieübertragung in rauen, feuchten und nassen Bereichen erfolgen soll, sondern auch für mobile und sehr kleine Systeme. Diese Art von Energieübertragung findet heute eine breite Anwendung in verschiedenen Bereichen, wie z.B. Industrie, Automobil, Medizin und intelligente Gebäude. Um eine gute Effizienz und eine hohe Energieübertragungsleistung zu realisieren, sollten die Sende- und Empfangsspulen perfekt ausgerichtet und nahe beieinander sein. Insbesondere bei Systemen mit beweglichen Teilen ist jedoch eine Fehlausrichtung zwischen Sender und Empfänger unvermeidlich. Diese Arbeit zielt darauf ab, die übertragene Leistung, die gegenseitige Induktivität, die Leistung an der Last und damit den Wirkungsgrad der Leistungsübertragung im Falle einer seitlichen Fehlausrichtung zwischen Sende- und Empfangsspule und bei großem Abstand von Spule zu Spule zu verbessern. Zu diesem Zweck wird ein Multi-Input Single-Output (MISO)-Spulensystem vorgeschlagen, das in der Lage ist, das ausgegebene Magnetfeld auf die Empfangsspule auszurichten, indem die benachbarten Spulen der aktiven Sendespulen mit einem schwachen Strom in der entgegengesetzten Richtung versorgt wird. Darüber hinaus wurde ein analytisches Modell für die verwendeten Spulen und ein genaues dreidimensionales Modell für das System entwickelt, um die induzierte Spannung, den induzierten Strom und die äquivalente gegenseitige Induktivität zu berechnen. Sowohl die Simulation als auch die experimentellen Ergebnisse belegen, dass das vorgeschlagene induktive Mehrfachspulensystem mit hexagonaler Anordnung und die Sendespulen, die den halben Durchmesser der Empfangsspule haben, in der Lage sind, die Sendeleistung bei lateraler Fehlausrichtung und großem Luftspalt deutlich zu verbessern. Das neuartige MISO-System erreicht einen besseren Wirkungsgrad, beginnend mit einem Luftspalt von 50% des Sendespulendurchmessers und einer Fehlausrichtung von 28% des Sendespulendurchmessers. Sie erreicht bei 50 mm Luftspalt (entspricht 166% des Sendespulendurchmessers) und bei 10 mm seitlichem Versatz (entspricht 33% des Sendespulendurchmessers) das Doppelte der Sendeleistung des herkömmlichen Zwei-Spulen-Induktivsystems. Um die äquivalente gegenseitige Induktivität zwischen Primär- und Sekundärseite zu verbessern und Energieverluste zu vermeiden, schlagen wir ein Verfahren zur Detektion des Empfängers vor, bei dem die Sendespulen selbst als Detektoren verwendet werden. Dabei werden nur die Sendespulen unter dem Empfänger aktiviert und die anderen bleiben ausgeschaltet. Dazu wird der Scheitelwert des Wechselstroms der Sendespulen gemessen und mit einem vorgegebenem Schwellenwert verglichen. Die Anregungsstrategie der aktiven Spulen wird entsprechend der Position der Empfangsspule optimiert. Die neuartige Anregungsstrategie erhöht die gegenseitige Induktivität um 85% und die induzierte Spannung um 13% bei perfekter Ausrichtung und um 30% bzw. 10% bei 10 mm seitlichem Versatz, im Vergleich zum MISO-System ohne Empfängerdetektor und Spulenanregungsstrategie. Um die übertragene Leistung durch Resonanz zu erhöhen, wurden verschiedene Systemtopologien untersucht, wie z.B. Serien-SS, Serien-Parallel-SP, Parallel-Series-PS und Parallel-Parallel-PP-Topologien für verschiedene Stufen der Lastimpedanz. Die Ergebnisse zeigen, dass ein MISO System mit parallel-paralleler PP-Topologie eine höhere Sendeleistung realisiert als die anderen Topologien für hohe und niedrige Last-Impedanzen. Das vorgeschlagene induktive Mehrspulensystem eignet sich für Systeme mit geringer Leistung, wie drahtlose Sensoren und biomedizinische Implantate, kann aber auch flexibler Position des Empfängers in einen höheren Leistungsbereich angewendet werden.

Inductive power transfer (IPT) systems with tolerance to the lateral misalignment are advantageous for enhancing the transmitted power, usability and security of the system. In this thesis, a misalignment tolerant multi-coil design is proposed to supply stationary and dynamic battery-free wireless devices. A compact architecture composed of individually switchable 3 layers of printed coils arranged with overlap for excellent surface coverage. A hybrid architecture based on three compact AC supply modules reduces the supply circuit complexity on the sending Seite 2 von 4side. It detects the position of the receiver coil quickly, controls the activation of the transmitting coils and estimates the next receiver position. The proposed architecture reduces the circuit footprint by a factor of 62% compared to common architectures. A transmitter coil activation strategy is proposed based on the detection of the transmitting coils voltage and communication between sending side and receiving side to detect devices to supply nature and position and to differentiate them from other conductive objects in the sending area to the supplying security. The experimental results prove that the proposed architecture has a good performance for different trajectories when the device speed does not exceed 15 mm/s. Besides, the maximum detection time for the initial device position is about 1.6 s. The maximal time interval to check the transmitter coils is around 0.7 s.:1. INTRODUCTION 2. THEORETICAL BACKGROUND 3. STATE OF THE ART OF MULTI-COIL IPT SYSTEMS 4. NOVEL DESIGN OF A MULTI-COIL IPT SYSTEM 5. MULTI-COIL ACTIVATION PROCEDURE 6. EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS 7. CONCLUSION AND OUTLOOK / Induktive Energieübertragungssysteme (IPT) mit Toleranz gegenüber seitlichem Versatz sind vorteilhaft, um die übertragene Leistung, die Nutzbarkeit und die Sicherheit des Systems zu verbessern. In dieser Arbeit wird ein versatztolerantes Multispulen-Design vorgeschlagen, um stationäre und dynamische batterielose drahtlose Geräte zu versorgen. Die kompakte Architektur besteht aus 3 einzeln schaltbaren Schichten gedruckter Spulen, die überlappend angeordnet sind, um eine hervorragende Oberflächenabdeckung zu gewährleisten. Eine hybride Architektur, die auf drei kompakten AC-Versorgungsmodulen basiert, reduziert die Komplexität der Versorgungsschaltung auf der Senderseite. Sie erkennt die Position der Empfängerspule schnell, steuert die Aktivierung der Sendespulen und schätzt die nächste Empfängerposition. Die vorgeschlagene Architektur reduziert den Platzbedarf der Schaltung um einen Faktor von 62 % im Vergleich zu herkömmlichen Architekturen. Es wird eine Aktivierungsstrategie für die Sendespulen vorgeschlagen, die auf der Erkennung der Spannung der Sendespulen und der Kommunikation zwischen Sende- und Empfangsseite basiert, um die Art und Position der zu versorgenden Geräte zu erkennen und sie von anderen leitfähigen Objekten im Sendebereich zu unterscheiden. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Architektur eine gute Leistung für verschiedene Trajektorien hat, wenn die Geschwindigkeit der Geräte 15 mm/s nicht überschreitet. Außerdem beträgt die maximale Erkennungszeit für die anfängliche Geräteposition etwa 1,6 s. Das maximale Zeitintervall für die Überprüfung der Senderspulen beträgt etwa 0,7 s.:1. INTRODUCTION 2. THEORETICAL BACKGROUND 3. STATE OF THE ART OF MULTI-COIL IPT SYSTEMS 4. NOVEL DESIGN OF A MULTI-COIL IPT SYSTEM 5. MULTI-COIL ACTIVATION PROCEDURE 6. EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS 7. CONCLUSION AND OUTLOOK

The present thesis provides a modularized view on the structure of fast numerical methods for computing Coulomb interactions between charged particles in three-dimensional space. Thereby, the common structure is given in terms of three self-contained algorithmic frameworks that are built on top of each other, namely fast Fourier transform (FFT), nonequispaced fast Fourier transform (NFFT) and NFFT based particle-mesh methods (P²NFFT). For each of these frameworks algorithmic enhancement and parallel implementations are presented with special emphasis on scalability up to hundreds of thousands of parallel processes. In the context of FFT massively parallel algorithms are composed from hardware adaptive low level modules provided by the FFTW software library. The new algorithmic NFFT concepts include pruned NFFT, interlacing, analytic differentiation, and optimized deconvolution in Fourier space with respect to a mean square aliasing error. Enabled by these generalized concepts it is shown that NFFT provides a unified access to particle-mesh methods. Especially, mixed-periodic boundary conditions are handled in a consistent way and interlacing can be incorporated more efficiently. Heuristic approaches for parameter tuning are presented on the basis of thorough error estimates. / Die vorliegende Dissertation beschreibt einen modularisierten Blick auf die Struktur schneller numerischer Methoden für die Berechnung der Coulomb-Wechselwirkungen zwischen Ladungen im dreidimensionalen Raum. Die gemeinsame Struktur ist geprägt durch drei selbstständige und auf einander aufbauenden Algorithmen, nämlich der schnellen Fourier-Transformation (FFT), der nicht äquidistanten schnellen Fourier-Transformation (NFFT) und der NFFT-basierten Teilchen-Gitter-Methode (P²NFFT). Für jeden dieser Algorithmen werden Verbesserungen und parallele Implementierungen vorgestellt mit besonderem Augenmerk auf massiv paralleler Skalierbarkeit. Im Kontext der FFT werden parallele Algorithmen aus den Hardware adaptiven Modulen der FFTW Softwarebibliothek zusammengesetzt. Die neuen NFFT-Konzepte beinhalten abgeschnittene NFFT, Versatz, analytische Differentiation und optimierte Entfaltung im Fourier-Raum bezüglich des mittleren quadratischen Aliasfehlers. Mit Hilfe dieser Verallgemeinerungen bietet die NFFT einen vereinheitlichten Zugang zu Teilchen-Gitter-Methoden. Insbesondere gemischt periodische Randbedingungen werden einheitlich behandelt und Versatz wird effizienter umgesetzt. Heuristiken für die Parameterwahl werden auf Basis sorgfältiger Fehlerabschätzungen angegeben.