Here we propose, for the first time, a new and green ethanol-thermal reaction method to synthesize highquality and pure thiophene–sulfur doped reduced graphene oxide (rGO), which establishes an excellent platform for studying sulfur (S) doping effects on the physical/chemical properties of this material. We have quantitatively demonstrated that the conductivity enhancement of thiophene–S doped rGO is not only caused by the more effective reduction induced by S doping, but also by the doped S atoms, themselves. Furthermore, we demonstrate that the S doping is more effective in enhancing conductivity of rGO than nitrogen (N) doping due to its stronger electron donor ability. Finally, the dye-sensitized solar cell (DSCC) employing the S-doped rGO/TiO₂ photoanode exhibits much better performance than undoped rGO/TiO₂, N-doped rGO/TiO₂ and TiO₂ photoanodes. It therefore seems promising for thiophene–S doped rGO to be widely used in electronic and optoelectronic devices.

The present thesis investigates the grain refinement in solidifying Al-7wt%Si hypoeutectic alloy driven by electric currents. The grain size reduction in alloys generated by electric currents during the solidification has been intensively investigated. However, since various effects of electric currents have the potential to generate the finer equiaxed grains, it is still argued which effect plays the key role in the grain refinement process. In addition, the knowledge about the grain refinement mechanism under the application of electric currents remains fragmentary and inconsistent. Hence, the research objectives of the present thesis focus on the role of electric current effects and the grain refinement mechanism under the application of electric currents. Chapter 1 presents an introduction with respect to the subject of grain refinement in alloys driven by electric current during the solidification process in particular, including the research objectives; the research motivation; a brief review about the research history; a short introduction on the electric currents effects and a review relevant to the research status of grain refinement mechanism. Chapter 2 gives a description of research methods. This chapter shows the employed experiment materials, experimental setup, experimental procedure, the analysis methods of solidified samples, and numerical method, respectively. Chapter 3 focuses on the role of electric current effects in the grain refinement process. A series of solidification experiments are performed under various values of effective electric currents for both, electric current pulse and direct current. The corresponding temperature measurements and flow measurements are carried out with the increase of effective electric current intensity. Meanwhile, numerical simulations are conducted to present the details of the flow structure and the distribution of electric current density and electromagnetic force. Finally, the role of electric current effects is discussed to find the key effect in the grain refinement driven by electric currents. Chapter 4 investigates the grain refinement mechanism driven by electric currents. This chapter mainly focuses on the origin of finer equiaxed grain for grain refinement under the application of electric current on account of the importance of the origin for understanding the grain refinement mechanism. A series of solidification experiments are carried out in Al-7wt%Si alloy and in high purity aluminum. The main origin of equiaxed grain for grain refinement is concluded based on the experiment results. Chapter 5 presents three further investigations based on the achieved knowledge in chapter 3 and 4 about the role of electric current effects and the grain refinement mechanism. According to the insight into the key electric current effect for the grain refinement shown in chapter 3, this chapter presents a potential approach to promote the grain refinement. In addition, the solute distribution under the influence of electric current is examined based on the knowledge about the electric current effects. Moreover, the grain refinement mechanism under application of travelling magnetic field is investigated by performing a series of solidification experiments to compare with the experiments about the grain refinement mechanism driven by electric currents shown in chapter 4. Chapter 6 summarizes the main conclusions from the presented work.:Abstract VII Contents IX List of figures XI List of tables XVII 1. Introduction 1 1.1 Research objectives 1 1.2 Research motivation 2 1.3 Research history 5 1.4 Electric currents effects 9 1.4.1 Some fundamentals 10 1.4.2 Role of electric currents effects in grain refinement 12 1.5 Grain refinement mechanism 13 1.5.1 Nucleation theory 13 1.5.2 Equiaxed grain formation without the application of external fields 18 1.5.3 Grain refinement mechanism under the application of electric currents 23 1.5.4 Grain refinement mechanism under the application of magnetic field 29 2. Research methods 31 2.1 Introduction 31 2.2 Experimental materials 31 2.2.1 Solidification 31 2.2.2 Similarity of GaInSn liquid metal and Al-Si melt 32 2.3 Experimental setup 33 2.3.1 Solidification 33 2.3.2 Flow measurements 35 2.3.3 External energy fields 36 2.4 Experimental procedure 38 2.4.1 Solidification 38 2.4.2 Flow measurements 39 2.5 Metallography 39 2.6 Numerical method 41 2.6.1 Numerical model 41 2.6.2 Numerical domain and boundary conditions 42 3. Role of electric currents effects in the grain refinement 45 3.1 Introduction 45 3.2 Experimental parameter 45 3.3 Results 46 3.3.1 Solidified structure 46 3.3.2 Forced melt flow 50 3.3.3 Temperature distribution 58 3.4 Discussion 61 3.5 Conclusions 67 4. Grain refinement mechanism driven by electric currents 69 4.1 Introduction 69 4.2 Experimental parameter 69 4.3 Results 73 4.3.1 Solidified structure of Al-Si alloy 73 4.3.2 Cooling curves of Al-Si alloy 77 4.3.3 Solidified structure of high purity aluminum 78 4.4 Discussion 80 4.5 Conclusions 83 5. Supplemental investigations 85 5.1 A potential approach to improve the grain refinement 85 5.1.1 Introduction 85 5.1.2 Experimental parameter 86 5.1.3 Results and discussion 87 5.2 Macrosegregation formation 90 5.2.1 Introduction 90 5.2.2 Experimental parameter 91 5.2.3 Results and discussion 92 5.3 Grain refinement driven by TMF 97 5.3.1 Introduction 97 5.3.2 Experimental parameter 97 5.3.3 Results and discussion 98 5.4 Conclusions 102 6. Summary 103 Bibliography 105

In this work, the effects of epitaxial strain and film thickness on the lattice structure, microstructure, magnetization and electrical conduction of La1-xSrxCoO3 (LSCO) (x = 0.18 and 0.30) thin films have been studied using thickness-dependent film series on several types of single-crystalline substrates. Alternatively, the direct effect of strain has been probed using a piezoelectric substrate. La0.7Sr0.3CoO3 is a ferromagnetic metal, whereas La0.82Sr0.18CoO3 is at the phase boundary between the ferromagnetic metal and an insulating spin glass phase. Epitaxial biaxial strain in La1-xSrxCoO3 (x = 0.18-0.3) films is known to reduce the ferromagnetic double exchange interactions. It has further been suggested for the control of the crystal field splitting of the Co ions which may be utilized to manipulate the spin state. The LSCO (x = 0.18 and 0.30) films have been grown by pulsed laser deposition (PLD) on substrates of LaAlO3, SrTiO3, (PbMg1/3Nb2/3O3)0.72(PbTiO3)0.28 (PMN-PT) and (LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7 (LSAT), which provide different strain states and, in the case of PMN-PT, a reversibly controllable strain. Thickness-dependent series of La0.82Sr0.18CoO3 on SrTiO3 and LaAlO3 as well as of La0.7Sr0.3CoO3 on LSAT have been studied. The lattice parameters of the epitaxially grown films were determined from X-ray diffraction measurements (Bragg-Brentano method and reciprocal space mapping). Large tensile strains of 2% can be achieved in thicker films of up to 100 nm. On the other hand, the films under larger tensile strain have cracks and reveal ordered superstructures in HRTEM images which are tentatively attributed to ordered oxygen vacancies. The Curie temperature and the magnetic moment of the x = 0.18 films increases towards larger film thickness in qualitative agreement with the joined effects of strain relaxation and finite thickness on magnetic ordering. In order to separate the direct strain effect from the thickness effect, the Curie temperature, the magnetic moment and the (rather large) coercivity of the films have been investigated in two electrically controlled strain states for a film on PMN-PT. Non-cracked, sufficiently thick x = 0.18 films show metallic behaviour with large magnetoresistance. The crack-free x = 0.3 films on LSAT undergo an insulator-to-metal transition with increasing thickness and also show large magnetoresistance, both consistent with a percolative transport behaviour. The spin state of the Co ions appears to remain unchanged in the investigated doping range.

Multiphase flow denotes the simultaneous flow of two or more physically distinct and immiscible substances and it can be widely found in several engineering applications, for instance, power generation, chemical engineering and crude oil extraction and processing. In many of those applications, multiphase flows determine safety and efficiency aspects of processes and plants where they occur. Therefore, the measurement and imaging of multiphase flows has received much attention in recent years, largely driven by a need of many industry branches to accurately quantify, predict and control the flow of multiphase mixtures. Moreover, multiphase flow measurements also form the basis in which models and simulations can be developed and validated. In this work, the use of electrical impedance techniques for multiphase flow measurement has been investigated. Three different impedance sensor systems to quantify and monitor multiphase flows have been developed, implemented and metrologically evaluated. The first one is a complex permittivity needle probe which can detect the phases of a multiphase flow at its probe tip by simultaneous measurement of the electrical conductivity and permittivity at up to 20 kHz repetition rate. Two-dimensional images of the phase distribution in pipe cross section can be obtained by the newly developed capacitance wire-mesh sensor. The sensor is able to discriminate fluids with different relative permittivity (dielectric constant) values in a multiphase flow and achieves frame frequencies of up to 10 000 frames per second. The third sensor introduced in this thesis is a planar array sensor which can be employed to visualize fluid distributions along the surface of objects and near-wall flows. The planar sensor can be mounted onto the wall of pipes or vessels and thus has a minimal influence on the flow. It can be operated by a conductivity-based as well as permittivity-based electronics at imaging speeds of up to 10 000 frames/s. All three sensor modalities have been employed in different flow applications which are discussed in this thesis. The main contribution of this research work to the field of multiphase flow measurement technology is therefore the development, characterization and application of new sensors based on electrical impedance measurement. All sensors present high-speed capability and two of them allow for imaging phase fraction distributions. The sensors are furthermore very robust and can thus easily be employed in a number of multiphase flow applications in research and industry.

Towards a carbon free society the IHI group is committed to provide products, technologies and services in line with ecological and economical sustainability. Storage and transportation of green energy are major challenges related to the global transition from fossil fuels towards 100% renewables. IHI is active in various areas ranging from SOFC technology via ammonia combustion to smart community demonstrator projects. With respect to mobility hydrogen fuel cell technology is identified as one major pillar for CO2-neutral vehicular propulsion – especially for higher payloads and extended driving distances. Since more than 20 years IHI is providing charging systems for stationary fuel cell applications and since 2004 also for mobile fuel cell applications. IHI´s oil free turbocharger for fuel cell applications is providing state-of-the-art boosting technology to enable emission free propulsion systems. It comprises a turbine, a compressor and, on the same shaft, an electric motor as well as air foil bearings to support the rotor. The turbine utilizes the enthalpy from the stack exhaust to lower the required electric power for driving the compressor. It can provide up to 40% of the needed compressor power and hence substantially increases the system efficiency. Compressor and turbine are optimized for operating conditions in fuel cell systems regarding specified airflow and pressure ratio, which is typically in the range of 3.0.

Bearing currents are not all the same. Under certain circumstances and special use cases classic bearing insulations are not sufficient anymore to prevent bearing currents due to the operation of frequency converters. Additional corrective measures have to be implemented to reduce the source of bearing currents the common mode current. The usage of nanocrystalline tape wound cores shows high effectiveness. As part of a big field study with more than 50 large drive trains in the primary industry, the damaging mechanics of bearing currents are examined under real conditions. Of exceptional high interest is the influence of disturbances which can hardly be simulated in the laboratory. Additional to the shielded motor cable parallel installed functional potential equalization cables applied multiple times have almost no effect in regard to reducing the bearing current. With an optimal installed functional potential equalization system more than 95 percent of the common mode current can flow back through the motor cable shield to the converter. The disturbance impact in the field can influence the voltage over the bearing that breakthroughs are favored but also reduced.

Für Anwendungen mit niedrigen Drehzahlen und großen Drehmomentanforderungen wie z. B. Windenergiegeneratoren, Aufzugs-, Lüfter- und Radnabenmotoren werden häufig elektrische Direktantriebe in Außenläuferbauweise eingesetzt. Im Vergleich zur Innenläuferausführung ist die Abführung der Statorverluste aufgrund der schlechteren Konvektionsbedingungen im Luftspalt und an den Wicklungsköpfen sowie des geringen Wärmedurchganges in den Lagern erschwert. Die Anbindung des Stators an eine große Konvektionsoberfläche fehlt. Im Hinblick auf die maximal zulässige Wicklungstemperatur ist eine Einschränkung der elektromagnetischen Ausnutzung notwendig und bei Luftkühlung liegen erreichbare Ausnutzungsziffern meist im Bereich C < 2 kVA·min/m^3. Eine Alternative bietet die Methode der Statorrohrinnenkühlung, wobei ca. 80 % der Statorverluste über ein im innenliegenden Bauraum des Stators integriertes Kühlsystem abgeführt werden. Im Vergleich zur herkömmlichen Bauweise sind durch die intensivierte Luftkühlung Ausnutzungsziffern C > 3 kVA·min/m^3 realisierbar. Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Ableitung von Auslegungskriterien für Außenläufermaschinen mit einer intensivierten Statorrohrinnenkühlung, wobei als Anwendungsbeispiel ein Kleinwindenergiegenerator, der eine geöffnete Rotornabe besitzt und durch die natürliche Windströmung gekühlt wird, dient. Aus der hochpoligen Ausführung der permanentmagneterregten Synchronmaschine ergeben sich geringere magnetische Flüsse pro Pol und der innere Bauraum kann aufgrund der geringeren Rückenhöhe zur Kühlung genutzt werden. Für die Festlegung der Abmessungen des Aktiv- und des Kühlsystemvolumens der Maschine ist eine gekoppelte Erwärmungsberechnung erforderlich. Diesbezüglich wird die Erstellung eines elektromagnetisch-strömungsmechanisch-thermisch gekoppelten Berechnungsmodells, das auf analytischen Ersatznetzwerken basiert und durch die Daten numerischer Teilmodelle gestützt wird, vorgestellt. Dabei sind die Schwerpunkte die Berechnungen des Arbeitspunktes des magnetischen Kreises, der Belastungskennlinien des Generators im Inselbetrieb, der lokalen Verlustverteilung, des Kühlluftvolumenstromes im Arbeitspunkt des Kühlsystems und der stationären Erwärmung der Maschine. Die Berechnung der Kühlsystemerwärmung erfolgt mit einem Subwärmequellennetz, wodurch der lokale konvektive Wärmeübergang und die Wärmeleitung im Kühlkörper berücksichtigt werden. Weitere Schwerpunkte der thermischen Modellierung sind u. a. die Berechnung der Wärmeübergänge im Luftspalt und in den Wicklungskopfbereichen, die Bestimmung der spezifischen Ersatzwärmeleitfähigkeiten der orthotropen Wärmeleitgebiete der Wicklung und des Elektroblechpaketes sowie die Berücksichtigung von Isolationsschichten, Füge- und Klebespalten. Experimentelle Untersuchungen in Form von Maschinenprüfungen an einem Prototyp des Kleinwindenergiegenerators sowie Windkanalmessungen an einem Strömungsmodell dienen der Verifikation der Berechnungen. Ausgehend von den Ergebnissen durchgeführter Parameterstudien zur Magnetkreis- und Wicklungsausführung in Kombination mit der Kühlsystemauslegung werden Schlussfolgerungen für die Projektierung der Außenläufermaschine mit intensivierter Statorrohrinnenkühlung zusammengefasst.:Kurzfassung Abstract Nomenklatur Verzeichnis der Formelzeichen und Indizes Abkürzungsverzeichnis 1 Einführung 1.1 Motivation 1.2 Aufgaben- und Zielstellung 1.3 Einordnung in der Fachliteratur 1.4 Struktur der Dissertation 2 Elektromagnetische und thermische Modellierung 2.1 Kopplung der physikalischen Modellebenen 2.2 Elektromagnetisches Modell und Betriebsverhalten 2.2.1 Experimentelle Prototypuntersuchung 2.2.2 Analytisches elektromagnetisches Modell 2.2.3 Ersatzschaltbildparameter, Zeigerbild und Belastungskennlinie 2.2.4 Numerisches elektromagnetisches Modell 2.3 Komponenten des Verlustmodells 2.3.1 Unterteilung der Verlustanteile 2.3.2 Verluste im Leerlaufbetrieb des Generators 2.3.3 Verluste im Belastungsbetrieb des Generators 2.4 Verifikation der Berechnungsergebnisse 2.5 Elektromagnetische Ausnutzung und Erwärmungsmodell 2.5.1 Analyse der elektromagnetischen Ausnutzung von Außenläufermaschinen 2.5.2 Stand der Technik in Bezug auf die Kühlung von Außenläufermaschinen 2.5.3 Erwärmungsmodell von Außenläufermaschinen mit Statorrohrinnenkühlung 2.5.4 Schlussfolgerungen für die Steigerung der elektromagnetischen Ausnutzung 3 Mechanismen des Wärmetransportes 3.1 Wärmeleitung 3.2 Wärmeübergang durch Konvektion 3.2.1 Beschreibung des konvektiven Wärmeüberganges 3.2.2 Stoffeigenschaften und Ähnlichkeitskennzahlen 3.2.3 Grundgleichungen der Strömungsmechanik 3.2.4 Turbulenzmodellierung 3.2.5 Wärmeübertragungsmodellierung 3.2.6 Wandeffekte und Berechnung der Grenzschicht 3.3 Wärmeübergang durch Strahlung 4 Wärmeübergang im Luftspalt 4.1 Analyse der Fachliteratur 4.1.1 Unterscheidung der Strömungsform 4.1.2 Untersuchung des Wärmeüberganges 4.2 Modellierung des glatten Luftspaltes 4.2.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.2.2 Ergebnisauswertung und Ableitung empirischer Beziehungen 4.3 Modellierung des Luftspaltes mit Nutschlitzen oder Pollücken 4.3.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.3.2 Ergebnisauswertung und Ableitung eines Korrekturfaktors 4.4 Modellierung des Luftspaltes mit Nutschlitzen und Pollücken 4.4.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.4.2 Ergebnisauswertung und Ableitung eines Korrekturfaktors 4.4.3 Berechnung für ausgewählte Anwendungen 4.5 Schlussfolgerungen für die analytische Berechnung 5 Statorrohrinnenkühlung von Außenläufermaschinen 5.1 Beschreibung der Kühlsystemkonfigurationen 5.2 Strömungsmechanisches Berechnungsmodell des Kühlsystems 5.2.1 Berechnung des Kühlluftvolumenstromes im Gesamtmodell 5.2.2 Berechnung des Kühlluftvolumenstromes aus aktivem und passivem Modell 5.2.3 Experimentelle Untersuchung des strömungsmechanischen Verhaltens 5.2.4 Abhängigkeiten des Kühlluftvolumenstromes 5.3 Gekoppeltes thermisches Berechnungsmodell des Kühlsystems 5.3.1 Berechnung des Wärmeüberganges bei Rohrströmung 5.3.2 Berechnung der Kühlsystemerwärmung 5.3.3 Experimentelle Untersuchung des thermischen Verhaltens 5.3.4 Abhängigkeiten des Erwärmungsverhaltens 5.4 Schlussfolgerungen für die Projektierung des Kühlsystems 6 Erwärmungsberechnung und Auslegungskriterien statorrohrgekühlter Außenläufermaschinen 6.1 Analytisches thermisches Modell 6.1.1 Wärmeübergänge an den Wicklungsköpfen und der Innenseite der Lagerschilde 6.1.2 Wärmeübergänge am Rotorjoch und der Außenseite der Lagerschilde 6.1.3 Orthotrope Wärmeleitung in der Wicklung 6.1.4 Orthotrope Wärmeleitung im Blechpaket 6.1.5 Wärmedurchgang in den Lagern 6.1.6 Berücksichtigung von Isolationsschichten, Füge- und Klebespalten 6.2 Gekoppelte Erwärmungsberechnung 6.2.1 Analytische Berechnung der Temperaturverteilung und der Wärmeströme 6.2.2 Numerische Berechnung der stationären Enderwärmung des Stators 6.3 Elektromagnetische und kühltechnische Optimierung des KWEGs 6.3.1 Analytische Variantenrechnung zur elektromagnetischen Optimierung 6.3.2 Analytische Variantenrechnung zur kühltechnischen Optimierung 6.3.3 Numerische Nachrechnung der Neuauslegung des KWEGs 6.3.4 Anwendung des KWEGs in einer Kleinwindenergieanlage im Inselbetrieb 6.4 Schlussfolgerungen für die Projektierung einer Außenläufermaschine mit intensivierter Statorrohrinnenkühlung 7 Fazit und Ausblick 7.1 Zusammenfassung der wissenschaftlichen Ergebnisse 7.2 Ausblick auf weiterführende Entwicklungsarbeiten Anhang A Konvergenz- und Berechnungsgitteranalyse der numerischen Berechnungen am Beispiel des Luftspaltwärmeüberganges B Simulationsumfang des Luftspaltkonvektionswiderstandes von Außenläufern mit Nutschlitzen oder Pollücken C Experimentelle Prototypuntersuchung des KWEGs im Inselbetrieb bei Variation der Belastungsart D Auswahlkriterien zur Auslegung der Zweischicht-Zahnspulenwicklung E Schnittzeichnung des Kleinwindenergiegenerators Literaturverzeichnis / Electrical direct drives with outer rotor construction are often used for applications with low rotational speed and high torque requirements such as wind energy generators, elevators, fans and wheel hub motors. Compared to the internal rotor construction, it is more difficult to dissipate the stator losses due to the unfavorable convection conditions in the air gap and at the end windings and the low heat transfer in the bearings. The stator lacks contact to a large convection surface. The maximum permissible winding temperature necessitates reducing electromagnetic utilization, with air cooling the achievable utilization numbers are usually in the range C < 2 kVA∙min/m^3. An alternative method is stator tube inner cooling, whereby approx. 80 % of the stator losses are dissipated via a cooling system integrated in the internal volume of the stator. Compared to the conventional machine design, utilization numbers C > 3 kVA∙min/m^3 are feasible for the intensified air-cooling. This thesis aims to derive design criteria for outer rotor machines with intensified stator tube inner cooling. A small wind energy generator with an open rotor hub, cooled by the natural wind flow, serves as an application example. The high-pole design of the permanent magnet synchronous machine results in lower magnetic fluxes per pole, and the internal volume can be utilized for cooling due to the thinner back-iron. A coupled heating calculation is required to determine the dimensions of the active volume and the cooling system volume. The realization of an electromagnetic-fluid-mechanical-thermal coupled calculation model is presented. The model is based on analytical equivalent networks and is supported by the data of numerical sub-models. The key aspects are the calculations of the operating point of the magnetic circuit, the load characteristics of the generator in isolated operation mode, the local loss distribution, the cooling air volume flow in the operating point of the cooling system and the stationary heating of the machine. The cooling system heating is calculated with a sub-heat source network, whereby the local convective heat transfer and the heat conduction in the heat sink are considered. Additional key aspects of thermal modelling include calculating heat transfer in the air gap and in the end winding regions, determining the specific equivalent thermal conductivities of the orthotropic heat conduction areas of the winding and the laminated core and considering insulating layers, joint gaps and glue gaps. Experimental investigations in the form of machine testing on a prototype of the small wind turbine generator and wind tunnel measurements on a flow model verify the calculations. Based on the results of parameter studies on the magnetic circuit and winding design in combination with the cooling system configuration, conclusions for the design of the outer rotor machine with intensified stator tube inner cooling are summarized.:Kurzfassung Abstract Nomenklatur Verzeichnis der Formelzeichen und Indizes Abkürzungsverzeichnis 1 Einführung 1.1 Motivation 1.2 Aufgaben- und Zielstellung 1.3 Einordnung in der Fachliteratur 1.4 Struktur der Dissertation 2 Elektromagnetische und thermische Modellierung 2.1 Kopplung der physikalischen Modellebenen 2.2 Elektromagnetisches Modell und Betriebsverhalten 2.2.1 Experimentelle Prototypuntersuchung 2.2.2 Analytisches elektromagnetisches Modell 2.2.3 Ersatzschaltbildparameter, Zeigerbild und Belastungskennlinie 2.2.4 Numerisches elektromagnetisches Modell 2.3 Komponenten des Verlustmodells 2.3.1 Unterteilung der Verlustanteile 2.3.2 Verluste im Leerlaufbetrieb des Generators 2.3.3 Verluste im Belastungsbetrieb des Generators 2.4 Verifikation der Berechnungsergebnisse 2.5 Elektromagnetische Ausnutzung und Erwärmungsmodell 2.5.1 Analyse der elektromagnetischen Ausnutzung von Außenläufermaschinen 2.5.2 Stand der Technik in Bezug auf die Kühlung von Außenläufermaschinen 2.5.3 Erwärmungsmodell von Außenläufermaschinen mit Statorrohrinnenkühlung 2.5.4 Schlussfolgerungen für die Steigerung der elektromagnetischen Ausnutzung 3 Mechanismen des Wärmetransportes 3.1 Wärmeleitung 3.2 Wärmeübergang durch Konvektion 3.2.1 Beschreibung des konvektiven Wärmeüberganges 3.2.2 Stoffeigenschaften und Ähnlichkeitskennzahlen 3.2.3 Grundgleichungen der Strömungsmechanik 3.2.4 Turbulenzmodellierung 3.2.5 Wärmeübertragungsmodellierung 3.2.6 Wandeffekte und Berechnung der Grenzschicht 3.3 Wärmeübergang durch Strahlung 4 Wärmeübergang im Luftspalt 4.1 Analyse der Fachliteratur 4.1.1 Unterscheidung der Strömungsform 4.1.2 Untersuchung des Wärmeüberganges 4.2 Modellierung des glatten Luftspaltes 4.2.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.2.2 Ergebnisauswertung und Ableitung empirischer Beziehungen 4.3 Modellierung des Luftspaltes mit Nutschlitzen oder Pollücken 4.3.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.3.2 Ergebnisauswertung und Ableitung eines Korrekturfaktors 4.4 Modellierung des Luftspaltes mit Nutschlitzen und Pollücken 4.4.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.4.2 Ergebnisauswertung und Ableitung eines Korrekturfaktors 4.4.3 Berechnung für ausgewählte Anwendungen 4.5 Schlussfolgerungen für die analytische Berechnung 5 Statorrohrinnenkühlung von Außenläufermaschinen 5.1 Beschreibung der Kühlsystemkonfigurationen 5.2 Strömungsmechanisches Berechnungsmodell des Kühlsystems 5.2.1 Berechnung des Kühlluftvolumenstromes im Gesamtmodell 5.2.2 Berechnung des Kühlluftvolumenstromes aus aktivem und passivem Modell 5.2.3 Experimentelle Untersuchung des strömungsmechanischen Verhaltens 5.2.4 Abhängigkeiten des Kühlluftvolumenstromes 5.3 Gekoppeltes thermisches Berechnungsmodell des Kühlsystems 5.3.1 Berechnung des Wärmeüberganges bei Rohrströmung 5.3.2 Berechnung der Kühlsystemerwärmung 5.3.3 Experimentelle Untersuchung des thermischen Verhaltens 5.3.4 Abhängigkeiten des Erwärmungsverhaltens 5.4 Schlussfolgerungen für die Projektierung des Kühlsystems 6 Erwärmungsberechnung und Auslegungskriterien statorrohrgekühlter Außenläufermaschinen 6.1 Analytisches thermisches Modell 6.1.1 Wärmeübergänge an den Wicklungsköpfen und der Innenseite der Lagerschilde 6.1.2 Wärmeübergänge am Rotorjoch und der Außenseite der Lagerschilde 6.1.3 Orthotrope Wärmeleitung in der Wicklung 6.1.4 Orthotrope Wärmeleitung im Blechpaket 6.1.5 Wärmedurchgang in den Lagern 6.1.6 Berücksichtigung von Isolationsschichten, Füge- und Klebespalten 6.2 Gekoppelte Erwärmungsberechnung 6.2.1 Analytische Berechnung der Temperaturverteilung und der Wärmeströme 6.2.2 Numerische Berechnung der stationären Enderwärmung des Stators 6.3 Elektromagnetische und kühltechnische Optimierung des KWEGs 6.3.1 Analytische Variantenrechnung zur elektromagnetischen Optimierung 6.3.2 Analytische Variantenrechnung zur kühltechnischen Optimierung 6.3.3 Numerische Nachrechnung der Neuauslegung des KWEGs 6.3.4 Anwendung des KWEGs in einer Kleinwindenergieanlage im Inselbetrieb 6.4 Schlussfolgerungen für die Projektierung einer Außenläufermaschine mit intensivierter Statorrohrinnenkühlung 7 Fazit und Ausblick 7.1 Zusammenfassung der wissenschaftlichen Ergebnisse 7.2 Ausblick auf weiterführende Entwicklungsarbeiten Anhang A Konvergenz- und Berechnungsgitteranalyse der numerischen Berechnungen am Beispiel des Luftspaltwärmeüberganges B Simulationsumfang des Luftspaltkonvektionswiderstandes von Außenläufern mit Nutschlitzen oder Pollücken C Experimentelle Prototypuntersuchung des KWEGs im Inselbetrieb bei Variation der Belastungsart D Auswahlkriterien zur Auslegung der Zweischicht-Zahnspulenwicklung E Schnittzeichnung des Kleinwindenergiegenerators Literaturverzeichnis

The increasing propagation of power electronics technologies and the related operational equipment such as inverter-fed drives and solid-state transformers in electrical grids lead to growing harmonic distortion of the voltage waveform. Harmonics modify the shape of a voltage waveform but also affect the peak voltage despite constant RMS voltage. Resulting from this, it was previously found that harmonics not only have an influence on the partial discharge patterns and characteristics but also the lifetime of model insulations. The epoxy-mica main wall insulation of rotating electrical machines is partial discharge-resistant to certain extent. Nonetheless, severe production faults should be detected by partial discharge measurements as they may lead to accelerated ageing. The purpose of this contribution is to investigate the impact of harmonics on the partial discharge characteristics of the insulation system of rotating electrical machines in general and especially on a test object with an artificial void fault. An assessment of the partial discharge pattern and apparent charge measurement is given by analyzing the characteristics to harmonic waveform parameters that incoporate peak alteration and shape modification. It is shown that the voltage shape and gradients play a subordinate role compared to the voltage peak altering effect of harmonics. The effects are more pronounced with the test object with an artificially introduced fault.

Die Arbeit untersucht das Orientierungsverhalten von niedermolekularen thermotropen nematischen Flüssigkristallen in externen elektrischen und magnetischen Feldern. Mit einer Kombination von Protonen- und Fluor-NMR-Experimenten und Orientierungsexperimenten in elektrischen Feldern wird eine Vielzahl von dynamischen Prozessen in einem Zeitbereich von 100 ms bis 100 us untersucht. Der erste Teil der Arbeit enthält eine Beschreibung des experimentellen Aufbaus für eine elektrische Steuerung von Orientierungsexperimenten im Magnetfeld eines NMR-Spektrometers. Die verschiedenen Komponenten zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, zur Automatisierung des Meßablaufs und zur Synchronisation mit dem NMR-Spektrometer werden vorgestellt. Dabei wird auf die Schwierigkeiten bei NMR-Messungen an dünnen Kondensatorproben eingegangen. Im zweiten Teil der Arbeit folgt eine Untersuchung verschiedener dynamischer Prozesse in nematischen Flüssigkristallen. Durch die Kombination von elektrisch induzierten Prozessen mit unterschiedlichen Spannungsimpulsen kann ein sehr weiter Zeitbereich, der sich bis zu minimalen Orientierungszeiten von etwa 50 us erstreckt, erfaßt werden. Eine Analyse dieser Experimente erlaubt Rückschlüsse auf die Natur des dynamischen Prozesses wie z. B. den Übergang von homogenen zu inhomogenen Prozessen und ergibt eine Reihe von Materialparametern. Die zeitaufgelöste Messung der Orientierungsprozesse erfolgt mit verschiedenen, speziell für die Anwendung in elektrischen Feldern entwickelten NMR-Techniken. In einer Reihe von Protonen- und Fluor-Messungen werden die dipolare Dublettaufspaltung und die chemische Verschiebung als Funktionen des Winkels zwischen dem nematischen Direktor und dem Magnetfeld untersucht. Dabei nimmt die Linienbreite der Protonen-Spektren von ca. 30 kHz auf unter 300 Hz ab, und die Position der Fluor chemischen Verschiebung variiert in einem Bereich von etwa 10 kHz. / Electrically Induced Dynamic Processes in Liquid Crystals Investigated by Means of NMR --------------------------------------------------------- Within the thesis reorientation processes of thermotropic low molar mass nematic liquid crystals are described. Dynamic processes in external electric and magnetic fields are investigated by means of proton and fluorine NMR. A combination of different reorientation experiments with NMR methods allows the direct observation of the director dynamics on a timescale from 100 milliseconds to 100 microseconds. The first part provides a detailed description of the experimental setup. The reorientation experiments in the magnetic field of the NMR spectrometer are induced by high voltage pulses. The different parts of the high voltage supply are specified together with the synchronisation with the NMR experiment and several automation techniques. Some difficulties related to the usage of thin capacitor cells as NMR samples are discussed. The second part deals with different types of dynamic processes in nematic liquid crystals. The reorientation dynamics can be changed in a wide range by varying the electric excitation. Reorientation times down to 50 us are possible. Special time resolved NMR techniques provide the dipolar splitting and the chemical shift as a function of the orientational state. The proton linewidth changes in such an experiment from approx. 30 kHz to less than 300 Hz, the position of the fluorine chemical shift varies within a range of 10 kHz. These results yield a multitude of material parameters and provide information about the underlying dynamic process which may be e.g. homogeneous or inhomogeneous.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der elektrischen Polarisation auf Eigenschaften freier Träger in ZnO basierten Halbleiterheterostrukturen. Dabei werden insbesondere Transporteigenschaften freier Träger sowie deren Rekombinationsdynamik untersucht. Die Arbeit behandelt vier inhaltliche Schwerpunkte. Der erste Schwerpunkt liegt auf den physikalischen Eigenschaften der verwendeten Materialen, hier wird der Zusammenhang der Bandlücke und der Gitterkonstanten von MgZnO Dünnfilmen und deren Magnesiumgehalt beschrieben. Weiterhin wird die Morphologie solcher Filme diskutiert. Auf unterschiedliche Substrate und Abscheidebedingungen wird dabei detailliert eingegangen. Der zweite Schwerpunkt behandelt die Eigenschaften undotierter und phosphordotierter ZnO und MgZnO Dünnfilme. Die strukturellen, Transport- und Lumineszenzeigenschaften werden hier verglichen und Rückschlüsse auf die Züchtungsbedingungen gezogen. Im dritten Schwerpunkt werden Quanteneffekte an ZnO/MgZnO Grenzflaechen behandelt. Hierbei wird insbesondere auf den Einfluss der elektrischen Polarisation eingegangen. Die Präsenz eines zweidimensionalen Elektronengases wird nachgewiesen, und die notwendigen Bedingungen zur Entstehung des sogenannten qunatum confined Stark-effects werden dargelegt. Insbesondere wird hier auf züchtungsrelevante Parameter eingegangen. Den vierten Schwerpunkt stellen Kopplungsphänomene in ZnO/BaTiO3 Heterostrukturen dar. Dabei werden zuerst die experimentell beobachten Eigenschaften verschiedener Heterostrukturen die auf unterschiedlichen Substraten gezüchtet wurden aufgezeigt. Hier stehen strukturelle und Transporteigenschaften im Vordergrund. Ein Modell zur Beschreibung der Ausbildung von Raumladungszonen in derartigen Heterostrukturen wird eingeführt und zur Beschreibung der experimentellen Ergebnisse angewandt. Die Nutzbarkeit der ferroelektrischen Eigenschaften des Materials BaTiO3 in Kombination mit halbleitendem ZnO wurden untersucht. Hierzu wurden ferroelektrische Feldeffekttransistoren unter Verwendung beider Materialien hergestellt. Die prinzipielle Eignung der Bauelemente als nichtflüchtige Speicherelemente wurde nachgewiesen.