Techn. Hochsch., Diss., 2004--Aachen.

The report examines the factors which may be a contributing cause to the problems that are present when ferritic stainless steel are eddy current tested in a warm condition. The work is carried out at Fagersta Stainless AB in Fagersta which manufactures stainless steel wire. In the rolling mill there is an eddy current equipment for detection of surface defects on the wire. The ferritic stainless steels cause a noise when testing and this noise complicates the detection of defects.Because of this, a study was made of how the noise related to factors such as steel grade, temperature, size and velocity. By observing the signal and with the possibilities to change the equipment settings the capability to let a signal filter reduce the noise level were evaluated. Theories about the material's physical properties have also been included, mainly the magnetic properties, electrical conductivity and the material's tendency to oxidize.Results from the tests show that a number of factors do not affect the inductive test significantly and to use a filter to reduce the noise level does not seem to be a viable option. The level of noise does not relate to the presence of superficial particles in form of oxides.The ferritic stainless steels showed some difference in noise level. Which noise level there was did match well with the steels probability for a precipitation of a second phase, and precipitation of austenite may in this case contribute to noise when using an eddy current instrument.The noise is probably due to some physical material property that varies within the thread.

A linear, direct drive, scale model prototype generator has been designed at KTH Royal Institute of technology in Sweden. The prototype is based on a scaled down electromagnetic optimization made by researcher Anders Hagnestål. The aim of the project is to verify the calculations experimentally and by using ferrite magnets, there is an opportunity to develop a competitively priced and environmentally friendly generator for wave power plants. Based on the electromagnetic optimization a mechanical design has been developed using computer aided design (CAD). Structural calculations have been made to ensure that the design withstands the large magnetic forces involved. Furthermore, different techniques and challenges appearing in the build of the prototype have been evaluated and explained. A description of the advantages of the design and the basic electromagnetic design is also included. The build is underway and is expected to be finished during 2018. / En linjär direktdriven generatorprototyp har designats på KTH, Kungliga Tekniska högskolan i Sverige. Prototypen är baserad på en nerskalad elektromagnetisk optimering gjord av Anders Hagnestål. Målet med projektet är att verifiera beräkningar experimentellt och genom att använda ferritmagneter finns det en möjlighet att utveckla en konkurrenskraftig och miljövänligare generator för vågkraftverk. Baserat på den elektromagnetiska optimeringen har en mekanisk design tagits fram med hjälp av datorstödd design (CAD). Hållfasthetsberäkningar har gjorts för att säkerställa att designen klarar av de stora magnetiska krafter den utsätts för. Vidare har även olika tekniker och utmaningar som uppstått i byggnationen utvärderats och beskrivits. En beskrivning av designens fördelar och den grundläggande elektromagnetiska designen har även inkluderats. Byggnationen pågår och beräknas vara färdig under 2018.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss von Defekten auf die Eigenschaften von Ferrit-Dünnfilmen untersucht. Die Dünnfilme wurden mit Hilfe von gepulster Laserabscheidung bei verschiedenen Züchtungsparametern hergestellt. Durch Variation der Substrattemperatur und des Sauerstoffpartialdrucks wurden Dünnfilme verschiedener kristalliner Qualität gezüchtet. Diese wurden hinsichtlich ihrer chemischen Komposition mit Hilfe von energie-dispersiver Röntgenspektroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie untersucht. Durch Korrelation der Ergebnisse mit Messungen zum zirkularen magnetischen Röntgendichroismus, konnte eine partielle Inversion der Spinellstruktur nachgewiesen werden. Der Grad der Inversion ist höher für geringe Abscheidetemperaturen. Für diese defektreichen Dünnfilme zeigen Röntgenbeugungsuntersuchungen eine geringere kristalline Ordnung der Dünnfilme. Die strukturellen Defekte haben einen maßgeblichen Einfluss auf die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Ferrit-Dünnfilme. So zeigen die Ferrit-Dünnfilme für geringe Züchtungstemperaturen eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit, während Dünnfilme, die bei hohen Substrattemperaturen gezüchtet wurden, isolierend sind. Die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit kann auf thermisch aktivierte Hopping-Leitung oder die Leitung zwischen Clustern, die in einer Matrix eingebettet sind, zurückgeführt werden. Die magnetischen Eigenschaften von Zinkferrit-Dünnfilmen werden maßgeblich durch Defekte in der Spinellstruktur bestimmt, da es nominell in der normalen Spinellstruktur kristallisiert und daher antiferromagnetisch ist. Die partielle Inversion der Eisen- und Zinkionen führt zu Ferrimagnetismus in den Zinkferrit-Dünnfilmen, der mit Hilfe von SQUID-Messungen in dieser Arbeit eingehend untersucht wurde. Durch Korrelation der Ergebnisse der verschiedenen Untersuchungsmethoden konnten Rückschlüsse auf die dominierenden Defekte in den Ferrit-Dünnfilmen geschlossen werden. So sind zum einen Defekte auf atomarer Skala, wie Antisite-Defekte und divalenten Fe-Ionen für die erhöhte elektrische Leitfähigkeit und die größere Magnetisierung der defektreichen Dünnfilme verantwortlich. Zum anderen können ausgedehnte Defekte, im Speziellen Cluster, die in einer amorphen Matrix eingebettet sind, nicht ausgeschlossen werden.

The magnetic tunability of ferrites has been studied and applied on many electric components for working in various frequency bands. Filters or resonators loaded by ferrites can thus work for different frequency requirements by tunning external biasing field. However, filters or resonators built by traditional waveguides are large in size. And for tunning with biasing field below the ferroresonance point, dissipation in ferrites will increase rapidly if the working frequency is near the ferroresonance zone. It leads to the drop of Q values of resonators and the tuning range is limited to stay away from ferroresonance. For the filter, remaining high Q values in wide frequency tuning range is the base of good performance and tunability. In industry, demands of cost reduction and integration encourage the miniaturization of electric components. It is always challenging but attractive to find solutions compromising size, performance, and implement ability. In this project, investigation for possible solutions of magnetic bias tunable filter is made and their comparisons are presented. Analysis and simulation are made to a specific ferrites-loaded substrate integrated waveguide resonator. With homogeneous below-resonance biased field, results in the reference are reached again and analyzed. With biasing filed above the ferroresonance, higher Q values and smaller size can be achieved and the drop of Q is avoided. A magnet structure is designed to study how the resonator works in inhomogeneous biasing filed. Biasing of below-resonance field is achieved with the magnets structure, though the performance is not good as homogeneous biasing case. A 3-order filter is then built based on the resonator working in the below-resonance bias. It’s a band-pass filter and tunable. A magnet structure is also built and simulated for the filter to verify its feasibility. / Magnetisk avstämning av ferriter har studerats och applicerats på många elektriska komponenter för arbete i olika frekvensband. Filter eller resonatorer lastade av ferriter kan därmed fungera för olika frekvenskrav genom att tuna externt biasing fält. Filtren eller resonatorerna byggda av traditionella vågledare är dock stora i storlek. Och för tunning med biasing field under ferroresonanspunkten, kommer avledning i ferriter att öka snabbt om arbetsfrekvensen är nära ferroresonanszonen. Det leder till sänkning av Q-värden för resonatorer och inställningsområdet är begränsat för att hålla sig borta från ferroresonans. För filtret är kvarvarande höga Q-värden i brett frekvensinställningsområde grunden för god prestanda och avstämning. Inom industrin uppmuntrar krav på kostnadsminskning och integration till miniatyrisering av elektriska komponenter. Det är alltid utmanande men attraktivt att hitta lösningar som kompromissar med storlek, prestanda och implementerbarhet. I detta projekt undersöks möjliga lösningar av magnetiskt bias tunable filter och deras jämförelser presenteras. Analys och simulering görs till en specifik ferritbelastad substratintegrerad vågledarresonator. Med homogent vinkelfält under resonans nås resultaten i referensen igen och analyseras. Med biasing arkiverad över ferroresonansen, högre Q-värden och mindre storlek kan uppnås och fallet av Q undviks. En magnetstruktur är utformad för att studera hur resonatorn fungerar i inhomogen biasing fil. Biasing av nedanstående resonansfält uppnås med magnetens struktur, men prestandan är inte bra som homogen biasing fall. Ett 3-ordningsfilter byggs sedan baserat på resonatorn som arbetar i nedanstående resonans bias. Det är ett bandpassfilter och kan justeras. En magnetstruktur byggs och simuleras också för filtret för att verifiera dess genomförbarhet.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss von Defekten auf die Eigenschaften von Ferrit-Dünnfilmen untersucht. Die Dünnfilme wurden mit Hilfe von gepulster Laserabscheidung bei verschiedenen Züchtungsparametern hergestellt. Durch Variation der Substrattemperatur und des Sauerstoffpartialdrucks wurden Dünnfilme verschiedener kristalliner Qualität gezüchtet. Diese wurden hinsichtlich ihrer chemischen Komposition mit Hilfe von energie-dispersiver Röntgenspektroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie untersucht. Durch Korrelation der Ergebnisse mit Messungen zum zirkularen magnetischen Röntgendichroismus, konnte eine partielle Inversion der Spinellstruktur nachgewiesen werden. Der Grad der Inversion ist höher für geringe Abscheidetemperaturen. Für diese defektreichen Dünnfilme zeigen Röntgenbeugungsuntersuchungen eine geringere kristalline Ordnung der Dünnfilme. Die strukturellen Defekte haben einen maßgeblichen Einfluss auf die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Ferrit-Dünnfilme. So zeigen die Ferrit-Dünnfilme für geringe Züchtungstemperaturen eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit, während Dünnfilme, die bei hohen Substrattemperaturen gezüchtet wurden, isolierend sind. Die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit kann auf thermisch aktivierte Hopping-Leitung oder die Leitung zwischen Clustern, die in einer Matrix eingebettet sind, zurückgeführt werden. Die magnetischen Eigenschaften von Zinkferrit-Dünnfilmen werden maßgeblich durch Defekte in der Spinellstruktur bestimmt, da es nominell in der normalen Spinellstruktur kristallisiert und daher antiferromagnetisch ist. Die partielle Inversion der Eisen- und Zinkionen führt zu Ferrimagnetismus in den Zinkferrit-Dünnfilmen, der mit Hilfe von SQUID-Messungen in dieser Arbeit eingehend untersucht wurde. Durch Korrelation der Ergebnisse der verschiedenen Untersuchungsmethoden konnten Rückschlüsse auf die dominierenden Defekte in den Ferrit-Dünnfilmen geschlossen werden. So sind zum einen Defekte auf atomarer Skala, wie Antisite-Defekte und divalenten Fe-Ionen für die erhöhte elektrische Leitfähigkeit und die größere Magnetisierung der defektreichen Dünnfilme verantwortlich. Zum anderen können ausgedehnte Defekte, im Speziellen Cluster, die in einer amorphen Matrix eingebettet sind, nicht ausgeschlossen werden.

Die Arbeit widmet sich dem Fließverhalten von Stählen bei zyklisch inkrementeller Torsion. Dazu werden vergleichend Reineisen und der ferritisch-perlitische Stahl 42CrMo4N bei unterschiedlichen Verformungspfaden betrachtet. Vor allem in zyklischen Torsionsversuchen mit bleibendem Verformungsinkrement je Zyklus werden Fließkurvenverläufe und Verformungsverfestigung analysiert. Die Ergebnisse belegen den Einfluss des lamellaren Zementit auf das Fließverhalten des Stahls 42CrMo4N, während die Eigenschaften des Reineisens von der entstehenden Versetzungszellstruktur bestimmt werden. Die Richtungsabhängigkeit der Fließspannung und die Verläufe der Fließkurven unterscheiden sich für die betrachteten Werkstoffe deutlich. Fließortkurven dienen der quantitativen Beschreibung der Verfestigung. Die Vorgehensweise zu ihrer Ermittlung und ihre Abhängigkeit von den Versuchsbedingungen und den Verformungszuständen werden gezeigt. Bei Reineisen dominieren isotrope, bei dem Stahl 42CrMo4N kinematische Verfestigungsanteile das Fließverhalten. / Ferritic-pearlitic steel 42CrMo4N and pure iron under different strain paths are compared regarding their flow behaviour. Mainly in cyclic torsion tests with resulting strain increment per cycle shear stresses and strain hardening are analysed. The results show, that the cementite lamellae determine the flow behaviour of the steel 42CrMo4N, whereas the properties of pure iron are governed by the evolving dislocation cell structure. The dependency of flow stress on the strain direction is different for the two materials. Yield surfaces describe strain hardening quantitatively. The procedure for yield point detection and the dependency of subsequent yield surfaces on experimental conditions and strain states is shown. For pure iron isotropic hardening, for steel 42CrMo4N kinematic strain hardening dominates the flow behaviour.

Die Arbeit widmet sich dem Fließverhalten von Stählen bei zyklisch inkrementeller Torsion. Dazu werden vergleichend Reineisen und der ferritisch-perlitische Stahl 42CrMo4N bei unterschiedlichen Verformungspfaden betrachtet. Vor allem in zyklischen Torsionsversuchen mit bleibendem Verformungsinkrement je Zyklus werden Fließkurvenverläufe und Verformungsverfestigung analysiert. Die Ergebnisse belegen den Einfluss des lamellaren Zementit auf das Fließverhalten des Stahls 42CrMo4N, während die Eigenschaften des Reineisens von der entstehenden Versetzungszellstruktur bestimmt werden. Die Richtungsabhängigkeit der Fließspannung und die Verläufe der Fließkurven unterscheiden sich für die betrachteten Werkstoffe deutlich. Fließortkurven dienen der quantitativen Beschreibung der Verfestigung. Die Vorgehensweise zu ihrer Ermittlung und ihre Abhängigkeit von den Versuchsbedingungen und den Verformungszuständen werden gezeigt. Bei Reineisen dominieren isotrope, bei dem Stahl 42CrMo4N kinematische Verfestigungsanteile das Fließverhalten. / Ferritic-pearlitic steel 42CrMo4N and pure iron under different strain paths are compared regarding their flow behaviour. Mainly in cyclic torsion tests with resulting strain increment per cycle shear stresses and strain hardening are analysed. The results show, that the cementite lamellae determine the flow behaviour of the steel 42CrMo4N, whereas the properties of pure iron are governed by the evolving dislocation cell structure. The dependency of flow stress on the strain direction is different for the two materials. Yield surfaces describe strain hardening quantitatively. The procedure for yield point detection and the dependency of subsequent yield surfaces on experimental conditions and strain states is shown. For pure iron isotropic hardening, for steel 42CrMo4N kinematic strain hardening dominates the flow behaviour.

This thesis deals with wireless power transfer from an external source to embedded small devices (such as for conditioning monitoring, control etc.) located at different distances from the source. The proposed designs can be used in a variety of applications, including mobile phones, electric cars, unmanned aerial vehicles, robots, etc. where it could be very convenient to transmit power without wires/cables. The wireless charging method which avoids using conventional cables and wires for energizing or charging electrical devices has been one of the fastest developed recent technologies. The inductive coupling technique is one way to transfer power wirelessly and works fairly well over very short distances. For distances greater than the radius of the emitter, however, inductive coupling rapidly declines. An improved approach is to create inductive-capacitive resonance which improves efficiency and transfer distance, which was proposed by Tesla. Other methods using more than two coils have lately been proposed, which improve transfer characteristics even further. Several designs were proposed consisting of two, three and four coil combinations, with different shapes and sizes. A ferrite cored solenoid was also chosen as emitter in some setups over air cored solenoid, for better field enhancement in longitudinal energy transfer applications. To have low resistive high energy transfer, coil-capacitor designs were proposed. Several simulations were performed using COMSOL Multiphysics software to understand the magnetic field distribution and transfer to the adjacent coils in air medium. Based on this power transfer efficiency graphs were plotted for every proposed design. For validation, few simulations were contrasted with lab experiments. The focus was to develop and contribute to the improvement of existing techniques. For this, it is sometimes enough to transfer a small amount of power (e.g., 0.5 W) at different distances and frequencies with different set ups. The results obtained from the simulation and measurements were used to evaluate the impact of frequency and transfer distance on energy transfer in wireless power transfer techinque for proposed design. The analysis was used to suggest the improvements or part of future work in the designs such as use of Litz wire and ferrite concentrators with thin conductive laminates. / Detta examensarbete behandlar trådlös kraftöverföring från en extern källa till inbyggda små enheter (såsom för tillståndsövervakning, kontroll etc.) placerade på olika avstånd från källan. De föreslagna designerna kan användas i en mängd olika applikationer, inklusive mobiltelefoner, elbilar, obemannade flygfordon, robotar, etc. där det kan vara mycket bekvämt att överföra ström utan ledningar/kablar. Den trådlösa laddningsmetoden som undviker att använda konventionella kablar och ledningar för att strömsätta eller ladda elektriska apparater har varit en av de snabbast utvecklade nya teknologierna. Den induktiva kopplingstekniken är ett sätt att överföra ström trådlöst och fungerar ganska bra över mycket korta avstånd. För avstånd större än sändarens radie avtar emellertid den induktiva kopplingen snabbt. Ett förbättrat tillvägagångssätt är att skapa induktiv-kapacitiv resonans som förbättrar effektiviteten och överföringsavståndet, vilket föreslogs av Tesla. Andra metoder som använder mer än två spolar har nyligen föreslagits, vilka förbättrar överföringsegenskaperna ytterligare. Flera konstruktioner föreslogs bestående av två, tre och fyra spolar kombinationer, med olika former och storlekar. En solenoid med ferritkärna valdes också som sändare i vissa inställningar framför solenoid med luftkärna, för bättre fältförstärkning i longitudinella energiöverföringstillämpningar. För att ha låg resistiv hög energiöverföring föreslogs spolkondensatorkonstruktioner. Flera simuleringar utfördes med COMSOL Multiphysics programvara för att förstå magnetfältets distribution och överföring till intilliggande spolar i luftmedium. Baserat på detta ritades grafer för effektöverföringseffektivitet för varje föreslagen design. För validering kontrasterades få simuleringar med labbexperiment. Fokus var att utveckla och bidra till förbättringen av befintliga tekniker. För detta räcker det ibland att överföra en liten mängd effekt (t.ex. 0,5 W) på olika avstånd och frekvenser med olika uppsättningar. Resultaten från simuleringarna och mätningarna användes för att utvärdera effekten av frekvens och överföringsavstånd på energiöverföring i trådlös kraftöverföringsteknik för föreslagen design. Analysen användes för att föreslå förbättringar eller delar av framtida arbete i designen, såsom användning av Litz-tråd och ferritkoncentratorer med tunna ledande laminat.

The aim of this master thesis is to design and analyse a FSCW PMaSynRM (Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Motor) for industrial applications. The design process includes analytical calculations (initial design and PM amount minimization) and nite element method (FEM) based design optimization. An overcompensated design is proved to be advantageous for a 10-pole reluctance motor. A comparative analysis with other rotor topologies was made, where motor performance, temperature e ects and production costs are taken into account. Detailed curves which describe eciency, power factor and current with respect to ambient temperature are studied for the proposed motor designs at di erent working points. The demagnetization risk is also taken into account and the safe working temperature ranges have been dened for all the considered motors. The results show that the initial motor design with 10 poles/12 slots PMaSynRM with NdFeB magnets has poor performance in terms of eciency and power factor, with huge amount of PM inserted. This is mainly due to the lack of reluctance torque for this relatively higher number of poles solution. Moreover, it has been found in literature and conrmed in this investigation that this negative e ect for the 10-pole motor is amplied due to the presence of the concentrated winding. Indeed, it is shown by simulations that the motor performance is improved by employing 8 poles/12 slots PMaSynRM conguration with a relatively lower NdFeB magnet amount, thanks to the improved rotor anisotropy. The 10 poles/12 slots interior permanent magnet (IPM) and surface mounted permanent magnet (SMPM) topologies present higher performance due to the e ective utilization of PM, mainly or completely producing the torque. Hence, IPM and SMPM do not su er the lack of anisotropy. / Syftet med detta examensarbete ar att utforma och analysera en FSCW PMaSynRM (Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Motor) for industriella applikationer. Designprocessen omfattar analytiska berakningar (ursprungliga konstruktion och PM belopp minimering) och nita elementmetoden (FEM) baserad design optimering. En overkompenserad design visat sig vara fordelaktigt for en 10-polig reluktansmotor. En jamforande analys med andra rotor topologier gjordes, dar motor prestanda, temperature ekter och produktionskostnader beaktas. Detaljerade kurvor som beskriver e ektivitet, e ektfaktor och strom med avseende pa omgivningstemperatur studeras for de foreslagna motorn for vid olika arbetspunkter. Den avmagnetisering risken ocksa beaktas och sakerhetstemperaturomraden har denierats for alla ansag motorerna. Resultaten visar att den initiala motordesign med 10-polig/12 spar PMaSynRM med NdFeB magneter har daliga e ektivitet och e ektfaktor, med enorma mangder PM insatt. Detta ar framst pa grund av bristen pa reluktansvridmomentet for denna relativt hogre poltal losning. Dessutom har man funnit i litteraturen och bekraftat i denna unders okning att denna negativa e ekt for 10-polig motorn forstarks pa grund av narvaron av den koncentrerade lindningen. Faktum ar att det framgar av simuleringar att motorprestanda forbattras med en 8-polig/12 spar PMaSynRM konguration med en relativt lagre NdFeB magnet belopp, tack vare den forbattrade rotor anisotropi. Den 10-polig/12 spar interior permanentmagnet (IPM) och ytmonterade permanent magnet (SMPM) topologier presentera hogre prestanda tack vare ett e ektivt utnyttjande av PM och deras produktion vridmoment, huvudsakligen eller helt anfortrotts PM effekten.