The aim of this research is to increase the current density of electrical machines by improving the heat transfer from the stator. Hence, this research investigates key heat transfer parameters that limit convective and conductive heat transfer. The current density is interdependent on temperature and parameters governing heat transfer. Therefore, thermal analysis of electrical machines is important to design high current density electrical machines. This research starts by investigating the role air-cooled axial flux machines in the context of electric transportation. These are found to suffer from thermal limitations, forcing the propulsive power to be distributed among several wheels. The machine topology is found to play an important role in the heat transfer limits. The internal rotor topology suffers from heat transfer limits from the casing while the internal stator topology suffers from heat transfer in the rotor-stator gap. Addressing the latter is more challenging. This research does this by investigating a novel evaporative cooling mechanism to transport heat from the machine's internal stator to the outer rotor. A proof of concept was experimentally established and the challenges for adopting this mechanism to an electrical machine are investigated. The research focus is turned to direct oil-cooled machines. These do not suffer from the same thermal limits as they use an external radiator to expel heat. However, direct liquid cooled machines suffer from a non-uniform flow distribution, which affects the stator temperature distribution. To investigate this problem, an efficient thermo-fluid model was developed to predict the flow and temperature distribution in an oil-cooled stator. This was compared to CFD models and validated to within 6% of experimental results. The stator temperature distribution is improved by carefully controlling the flow distribution. The hot spot temperature is reduced by 13 K, doubling the insulation lifetime, or for the same hot spot temperature increasing the current density by 7%. The heat transfer coefficient an oil-cooled machine was measured by adapting the double layer thin film heat flux gauge technique. Correlations for the heat transfer coefficient on the pole piece surfaces are established and compared with analytical and CFD predictions. Finally the focus is turned to conductive heat transfer in concentrated windings. These are shown to suffer from a severe temperature gradient. Heat is transferred from one winding layer to the next and a hotspot is formed on the layer with the longest thermal path. The hotspot limits the current density of the machine. A lumped parameter thermal model was developed to predict the value and location of the hotspot in concentrated windings. To shorten the thermal path of the windings, a heat sink was interleaved between the windings. The new construction offers a reduction in hotspot temperature by up to 70 K. For the same maximum temperature the current density is increased by 30%. This thesis revisits flat windings and addresses their manufacturing challenges. Lastly, the relevance of thermal contact resistances is broadened to the general thermal design of electrical machines. This research shows that modeling the thermal resistance at the interface of concentric geometry by a constant parameter is an oversimplification. This was experimentally demonstrates to change with heat flux, contact pressure and material properties.

This work focuses on a better understanding of the behavior of organic light emitting devices (OLEDs) under intense electrical excitation. Attaining high exciton densities in organic semiconductors by electrical excitation is of special interest for the field of organic semiconductor lasers (OSLs). In these devices, the high singlet exciton density needed in the active layer to obtain population inversion is easily created by pulsed optical pumping, but direct electrical pumping has not been achieved yet. First, the steps necessary to achieve stable high current densities in organic semiconductors are discussed. After determining the optimal excitation scheme using single p-doped transport layers, the device complexity is increased up to full p-i-n OLEDs with their power dependent emission spectra. For this purpose, two exemplary emitter systems are chosen: the fluorescent laser dye 4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran (DCM) doped into Aluminum(III)bis (2-methyl-8-quinolinato)-4-phenylphenolate (Alq3) and the efficient phosphorescent emitter system N,N'-di(naphthalen-1-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine (alpha-NPD) doped by Iridium(III) bis(2-methyl-dibenzo[f,h]quinoxaline)(acetylacetonate) (Ir(MDQ)2(acac)). For pulsed excitation using 50 ns pulses and a repetition rate of 1 kHz, single 100 nm thin p- and n-doped transport layers sustain current densities of over 6 kA/cm2. While the maximum current density decreases with increasing device thickness, the full OLEDs still sustain current densities beyond 800 A/cm2 and exhibit a continuously increasing emission intensity with increasing input power. Next, the time-resolved emission behavior of the singlet and triplet emitter device at high excitation densities is analyzed on the nanosecond scale. Here, the peak emission intensity of the phosphorescent emitter system is found to be more than eight times lower than for the singlet emitter system at comparable current densities. The triplet emitter system exhibits a slow rise of the EL after turn-on which prevents the usage of shorter pulses to enable higher current densities. The singlet emitter system, in contrast, exhibits a fast turn-on and reaches the maximum emission intensity within less than 20 ns. By several additional experiments including streak camera measurements and pump-probe experiments, the strong EL overshoot observed in the first few ns is successfully attributed to a reduced emission intensity in the steady state due to singlet-triplet annihilation. Hence, the separation of singlet emission and singlet-triplet quenching in time domain is demonstrated. At 550 A/cm2 and 10 ns pulse rise time, a peak luminance of 1.5E6 cd/m2 is recorded. Finally, the experimental results are validated by modeling the singlet and triplet population dynamics in the emission layer of the fluorescent system to explain the time-resolved emission characteristics. Using a set of rate equations for the polaron density and the singlet and triplet exciton densities, the overshoot in singlet exciton density at the device turn-on is attributed to the separation of singlet emission and triplet quenching in time domain. Furthermore, by fitting the experimental data, the triplet-triplet annihilation rate in the host guest system is shown to become exciton density dependent at sufficiently high excitation density. / Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem besseren Verständnis des Verhaltens von organischen Leuchtdioden (OLEDs) bei intensiver elektrischer Anregung. Das Erreichen hoher Exzitonendichten in organischen Halbleitern ist insbesondere für organische Halbleiterlaser (organic semiconductor lasers, OSLs) von Interesse. Hierbei werden die für die Inversion benötigten hohen Singulett Exzitonendichten zwar leicht mittels gepulstem optischen Anregen (Pumpen) erreicht, jedoch konnte eine elektrische Anregung bisher noch nicht realisiert werden. Der erste Abschnitt befasst sich mit dem Erreichen von hohen Stromdichten und den dazu nötigen Schritten. Nach dem Ermitteln des optimalen Anregungsschemas an p-dotierten Einzelschichten wird die Komplexität des Systems Schritt für Schritt bis zur kompletten p-i-n OLED erhöht. Hierfür wurden exemplarisch zwei verschiedene Emittersysteme ausgewählt: Aluminum(III)bis (2-methyl-8-quinolinato)-4-phenylphenolate (Alq3) dotiert mit dem fluoreszenten Laserfarbstoff 4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran (DCM) und der effiziente phosphoreszente Emitter Iridium(III)bis(2-methyl-dibenzo[f,h]quinoxaline)(acetylacetonate) (Ir(MDQ)2(acac)) in einer N,N'-di(naphthalen-1-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine (alpha-NPD) Matrix.Bei gepulster Anregung mit einer Pulsweite von 50 ns und einer Wiederholungsrate von 1 kHz sind in 100 nm dünnen p- und n-dotierten Transportschichten Stromdichten von mehr als 6 kA/cm2 möglich. Der Maximalstrom sinkt mit zunehmender Gesamtschichtdicke ab. Die kompletten p-i-n OLEDs ermöglichen eine Stromdichte von über 800 kA/cm2 und weisen eine kontinuierlich mit der Stromdichte steigende Emissionsintensität auf. Anschließend wird die zeitlich aufgelöste Elektrolumineszenz der Singulett- und Triplett-Emitter OLEDs mit Nanosekunden-Auflösung untersucht. Die phosphoreszente OLED weist hierbei, im Vergleich zur fluoreszenten OLED bei vergleichbarer Stromdichte, eine mehr als achtmal geringere Emissionsintensität auf. Des Weiteren steigt die Emissionsintensität nur langsam an, die maximale Intensität wird erst nach 120 ns erreicht. Dies steht im Widerspruch zum Erreichen höherer Stromdichten mittels kürzerer Pulse. Die fluoreszente OLED hingegen zeigt ein schnelles Ansteigen der Emissionsintensität, die maximale Intensität wird nach weniger als 20 ns erreicht. Anhand von zusätzlichen Untersuchungen kann das beobachtete starke Überschießen der Elektrolumineszenz innerhalb der ersten Nanosekunden einer durch Singulett-Triplett Annihilation reduzierten Emission im Gleichgewichtszustand zugeordnet werden. Diese Experimente dokumentieren somit die zeitliche Trennung von Fluoreszenz und Singulett-Triplett Annihilation. Bei einer Stromdichte von 550 A/cm2 und 10 ns Flankenanstiegszeit wird eine maximale Lumineszenz von 1.5E6 cd/m2 gemessen. Der letzte Abschnitt befasst sich mit der Bestätigung der experimentellen Ergebnisse durch die Simulation der Dynamik von Singulett- und Triplett-Exzitonendichte in der Emissionsschicht. Mit Hilfe eines Satzes von gekoppelten Differenzialgleichungen für die Dichte der Polaronen, Singulett Exzitonen und Triplett Exzitonen lässt sich das Überschießen der Elektrolumineszenz der fluoreszenten OLED eindeutig der zeitlichen Trennung von Singulett Emission und Singulett-Triplett Annihilation zuordnen. Außerdem kann durch das Fitten der experimentellen Daten dargestellt werden, dass die Triplett-Triplett Annihilationsrate in dem untersuchten fluoreszenten Emittersystem bei ausreichend hohen Anregungsdichten eine starke Abhängigkeit von der Dichte der Triplett Exzitonen aufweist.

This work focuses on a better understanding of the behavior of organic light emitting devices (OLEDs) under intense electrical excitation. Attaining high exciton densities in organic semiconductors by electrical excitation is of special interest for the field of organic semiconductor lasers (OSLs). In these devices, the high singlet exciton density needed in the active layer to obtain population inversion is easily created by pulsed optical pumping, but direct electrical pumping has not been achieved yet. First, the steps necessary to achieve stable high current densities in organic semiconductors are discussed. After determining the optimal excitation scheme using single p-doped transport layers, the device complexity is increased up to full p-i-n OLEDs with their power dependent emission spectra. For this purpose, two exemplary emitter systems are chosen: the fluorescent laser dye 4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran (DCM) doped into Aluminum(III)bis (2-methyl-8-quinolinato)-4-phenylphenolate (Alq3) and the efficient phosphorescent emitter system N,N'-di(naphthalen-1-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine (alpha-NPD) doped by Iridium(III) bis(2-methyl-dibenzo[f,h]quinoxaline)(acetylacetonate) (Ir(MDQ)2(acac)). For pulsed excitation using 50 ns pulses and a repetition rate of 1 kHz, single 100 nm thin p- and n-doped transport layers sustain current densities of over 6 kA/cm2. While the maximum current density decreases with increasing device thickness, the full OLEDs still sustain current densities beyond 800 A/cm2 and exhibit a continuously increasing emission intensity with increasing input power. Next, the time-resolved emission behavior of the singlet and triplet emitter device at high excitation densities is analyzed on the nanosecond scale. Here, the peak emission intensity of the phosphorescent emitter system is found to be more than eight times lower than for the singlet emitter system at comparable current densities. The triplet emitter system exhibits a slow rise of the EL after turn-on which prevents the usage of shorter pulses to enable higher current densities. The singlet emitter system, in contrast, exhibits a fast turn-on and reaches the maximum emission intensity within less than 20 ns. By several additional experiments including streak camera measurements and pump-probe experiments, the strong EL overshoot observed in the first few ns is successfully attributed to a reduced emission intensity in the steady state due to singlet-triplet annihilation. Hence, the separation of singlet emission and singlet-triplet quenching in time domain is demonstrated. At 550 A/cm2 and 10 ns pulse rise time, a peak luminance of 1.5E6 cd/m2 is recorded. Finally, the experimental results are validated by modeling the singlet and triplet population dynamics in the emission layer of the fluorescent system to explain the time-resolved emission characteristics. Using a set of rate equations for the polaron density and the singlet and triplet exciton densities, the overshoot in singlet exciton density at the device turn-on is attributed to the separation of singlet emission and triplet quenching in time domain. Furthermore, by fitting the experimental data, the triplet-triplet annihilation rate in the host guest system is shown to become exciton density dependent at sufficiently high excitation density. / Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem besseren Verständnis des Verhaltens von organischen Leuchtdioden (OLEDs) bei intensiver elektrischer Anregung. Das Erreichen hoher Exzitonendichten in organischen Halbleitern ist insbesondere für organische Halbleiterlaser (organic semiconductor lasers, OSLs) von Interesse. Hierbei werden die für die Inversion benötigten hohen Singulett Exzitonendichten zwar leicht mittels gepulstem optischen Anregen (Pumpen) erreicht, jedoch konnte eine elektrische Anregung bisher noch nicht realisiert werden. Der erste Abschnitt befasst sich mit dem Erreichen von hohen Stromdichten und den dazu nötigen Schritten. Nach dem Ermitteln des optimalen Anregungsschemas an p-dotierten Einzelschichten wird die Komplexität des Systems Schritt für Schritt bis zur kompletten p-i-n OLED erhöht. Hierfür wurden exemplarisch zwei verschiedene Emittersysteme ausgewählt: Aluminum(III)bis (2-methyl-8-quinolinato)-4-phenylphenolate (Alq3) dotiert mit dem fluoreszenten Laserfarbstoff 4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran (DCM) und der effiziente phosphoreszente Emitter Iridium(III)bis(2-methyl-dibenzo[f,h]quinoxaline)(acetylacetonate) (Ir(MDQ)2(acac)) in einer N,N'-di(naphthalen-1-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine (alpha-NPD) Matrix.Bei gepulster Anregung mit einer Pulsweite von 50 ns und einer Wiederholungsrate von 1 kHz sind in 100 nm dünnen p- und n-dotierten Transportschichten Stromdichten von mehr als 6 kA/cm2 möglich. Der Maximalstrom sinkt mit zunehmender Gesamtschichtdicke ab. Die kompletten p-i-n OLEDs ermöglichen eine Stromdichte von über 800 kA/cm2 und weisen eine kontinuierlich mit der Stromdichte steigende Emissionsintensität auf. Anschließend wird die zeitlich aufgelöste Elektrolumineszenz der Singulett- und Triplett-Emitter OLEDs mit Nanosekunden-Auflösung untersucht. Die phosphoreszente OLED weist hierbei, im Vergleich zur fluoreszenten OLED bei vergleichbarer Stromdichte, eine mehr als achtmal geringere Emissionsintensität auf. Des Weiteren steigt die Emissionsintensität nur langsam an, die maximale Intensität wird erst nach 120 ns erreicht. Dies steht im Widerspruch zum Erreichen höherer Stromdichten mittels kürzerer Pulse. Die fluoreszente OLED hingegen zeigt ein schnelles Ansteigen der Emissionsintensität, die maximale Intensität wird nach weniger als 20 ns erreicht. Anhand von zusätzlichen Untersuchungen kann das beobachtete starke Überschießen der Elektrolumineszenz innerhalb der ersten Nanosekunden einer durch Singulett-Triplett Annihilation reduzierten Emission im Gleichgewichtszustand zugeordnet werden. Diese Experimente dokumentieren somit die zeitliche Trennung von Fluoreszenz und Singulett-Triplett Annihilation. Bei einer Stromdichte von 550 A/cm2 und 10 ns Flankenanstiegszeit wird eine maximale Lumineszenz von 1.5E6 cd/m2 gemessen. Der letzte Abschnitt befasst sich mit der Bestätigung der experimentellen Ergebnisse durch die Simulation der Dynamik von Singulett- und Triplett-Exzitonendichte in der Emissionsschicht. Mit Hilfe eines Satzes von gekoppelten Differenzialgleichungen für die Dichte der Polaronen, Singulett Exzitonen und Triplett Exzitonen lässt sich das Überschießen der Elektrolumineszenz der fluoreszenten OLED eindeutig der zeitlichen Trennung von Singulett Emission und Singulett-Triplett Annihilation zuordnen. Außerdem kann durch das Fitten der experimentellen Daten dargestellt werden, dass die Triplett-Triplett Annihilationsrate in dem untersuchten fluoreszenten Emittersystem bei ausreichend hohen Anregungsdichten eine starke Abhängigkeit von der Dichte der Triplett Exzitonen aufweist.