The growing interest in high speed and RF technologies assert for the importance of reliability characterization beyond the conventional DC methodology. In this work, the influence of bias temperature instability (BTI) stress on RF small signal parameters is shown. The correlation between degradation of DC and RF parameters is established which enables the empirical modelling of stress induced changes. Furthermore, S-Parameters characterization is demonstrated as the tool to qualitatively distinguish between HCI and BTI degradation mechanisms with the help of extracted small signal gate capacitances.

This contribution discusses scaling aspects of individually gated nanowire Schottky junctions which are essential parts of reconfigurable field effect transistors (RFETs). The applicability of the screening (or natural) length theory in relation to the carrier transport is discussed first. Various geometrical parameters of the device were investigated to find the optimal structure in terms of performance. For this purpose, electrostatic properties and the dynamic behavior of the RFET were studied. Finally the increase in performance due to an additional substitution of the silicon by germanium is analyzed.

Mit der zunehmenden Elektrifizierung von Fahrzeugen wächst das Bedürfnis nach zuverlässigen stromführenden Verbindungen. Im Elektroenergieversorgungsnetz sowie im Bordnetz von Elektrofahrzeugen treffen beim stromführenden Verbinden verschiedener Komponenten im Kontakt häufig unterschiedliche Leiter- oder Beschichtungswerkstoffe aufeinander. Dabei wird Aluminium aufgrund seiner geringen Dichte und relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit sowie der Verfügbarkeit und des geringeren Preises gegen-über Kupfer bevorzugt eingesetzt. Für Anwender ist dieser Leichtbauwerkstoff hinsichtlich des Kontakt- und Langzeitverhaltens herausfordernd. In der Vergangenheit wurden intermetallische Phasen zwischen Aluminium und Silber sowie zwischen Aluminium und Kupfer als vorrangige Ursache für auftretende Ausfälle von nicht stoffschlüssigen, stromführenden Verbindungen mit den entsprechenden Werkstoffkombinationen untersucht. Der dabei festgestellte Anstieg des Widerstands lässt sich jedoch nicht vollständig durch die wachsenden Phasen erklären. Das Ziel dieser Arbeit besteht deshalb darin, den Einfluss des Sauerstoffs auf die Alterung von stromführenden Bimetall-Verbindungen zu quantifizieren. Es wurden Schraubenverbindungen mit Stromschienen der Werkstoffkombinationen Ag-Al, Al-Cu, Sn-Al und Ni-Al untersucht. Durch Versuchsreihen in atmosphärischer Luft und in einer N2-Atmosphäre konnten für die jeweilige Werkstoffkombination Unterschiede im Langzeitverhalten aufgezeigt werden, die durch den von außen in die Verbindung eindringenden Sauerstoff entstehen. Die ablaufenden Prozesse unterscheiden sich dabei je nach Werkstoffkombination. Sauerstoff, der nach dem Fügen in die Kontaktebene gelangt, ist bei den Ag-Al- und Al-Cu-Verbindungen ausschlaggebend für das Erhöhen des Verbindungswiderstands. Im Gegensatz dazu reagiert in den Verbindungen mit Kontakten zwischen Zinn und Aluminium der bereits vor dem Fügen auf den Kontaktpartnern vorhandene Sauerstoff zu Al2O3. An den Verbindungen mit Kontakten zwischen Nickel und Alumini-um konnte kein Einfluss des Sauerstoffs festgestellt werden. Neben dem Flächenkontakt der Schraubenverbindung mit Stromschienen wurde der Punktkontakt in einer Modell-Verbindung untersucht. An diesem konnten aufgrund der nahezu konstanten Flächenpressung in der Kontaktebene Berechnungsmodelle für das Langzeitverhalten von Ag-Al- und Al-Cu-Verbindungen aufgestellt werden. Metallographische Untersuchungen wurden an Verbindungen mit Kontakten zwischen Silber und Aluminium sowie Zinn und Aluminium durchgeführt, um die elektrisch bestimmten Phänomene näher zu charakterisieren. Auf dem Kontaktpartner aus Aluminium einer gealterten Verbindung zwischen Zinn und Aluminium konnte mittels Transmissionselektronenmikroskopie eine Al2O3-Schicht sichtbar gemacht werden. Ist eine stromführende Verbindung gasdicht, kann dies bei den untersuchten Werkstoffkombinationen einen großen Einfluss auf das Langzeitverhalten haben. Die Ergebnisse bestehender Berechnungsmodelle zur Gasdichtigkeit von Verbindungen wurden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Als Neuerung wurde ein zusätzliches Kriterium eingeführt, das es ermöglicht, nach 24 h bei Belastungstemperatur zu beurteilen, ob eine stromführende Verbindung gasdicht ist. Anwender aus der Elektroenergie-versorgung und der Automobilindustrie können so nach einer kurzen Belastungsdauer Aussagen zur Langzeitstabilität einer Verbindung ableiten.:1 Einleitung 2 Kontakt- und Langzeitverhalten stromführender Verbindungen 2.1 Allgemeine Kontakttheorie 2.2 Bilden der Mikrokontakte, Berechnen des Kontaktwiderstands 2.3 Alterung stromführender Verbindungen 2.3.1 Kraftabbau 2.3.2 Interdiffusion 2.3.3 Chemische Reaktionen 2.3.4 Weitere Einflüsse 3 Reaktionen zwischen Sauerstoff und Metallen der Elektroenergietechnik 3.1 Oxidation der Oberfläche 3.2 Umbilden von Oxiden an der Oberfläche 3.3 Innere Oxidation 3.4 Reaktionsprodukte des Sauerstoffs mit verschiedenen Metallen 3.4.1 Aluminium 3.4.2 Zinn 3.4.3 Nickel 3.4.4 Silber 3.4.5 Kupfer 3.5 Eindringen des Sauerstoffs 3.5.1 Diffusion von Sauerstoff 3.5.1.1 Modell nach Izmailov 3.5.1.2 Modell nach Dzektser 3.5.2 Berechnen der Gasdichtigkeit 4 Präzisierung der Aufgabenstellung 5 Langzeitversuche an Bimetall-Verbindungen 5.1 Versuchsaufbau und Durchführung 5.1.1 Punktkontakt 5.1.2 Flächenkontakt - Schraubenverbindungen mit Stromschienen 5.2 Versuchsergebnisse im System Ag-Al 5.2.1 Versuche an versilberten Aluminiumblechen 5.2.2 Punktkontakt mit zwei versilberten Kontaktpartnern aus Aluminium 5.2.3 Punktkontakt zwischen einem versilberten Kontaktpartner und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium 5.2.4 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen mit versilberten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.2.5 Diskussion der Ergebnisse 5.2.5.1 Einfluss der IMP 5.2.5.2 Einfluss des Sauerstoffs 5.3 Versuchsergebnisse im System Sn-Al 5.3.1 Punktkontakt mit einem verzinnten Kontaktpartner aus Kupfer und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium 5.3.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen verzinnten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.3.3 Diskussion der Ergebnisse 5.3.3.1 Einfluss der Vorbehandlung 5.3.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft 5.3.3.3 Versagen der Oxidschicht 5.4 Versuchsergebnisse im System Ni-Al 5.4.1 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen vernickelten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.4.2 Diskussion der Ergebnisse 5.5 Versuchsergebnisse im System Al-Cu 5.5.1 Punktkontakt mit einem Kontaktpartner aus Kupfer und einem aus Aluminium 5.5.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen Stromschienen aus Aluminium und Kupfer 5.5.3 Diskussion der Ergebnisse 5.5.3.1 Einfluss der IMP 5.5.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft 5.5.3.3 Einfluss der thermischen Dehnung 5.5.3.4 Einfluss der Montageparameter 6 Modellbildung zur Wirkung von Oxidschichten 6.1 Elektrischer Widerstand bei Alterung durch Oxidation 6.1.1 Punktkontakte zwischen Silber und Aluminium 6.1.2 Punktkontakte zwischen Kupfer und Aluminium 6.2 Gasdichtigkeit der untersuchten Verbindungen 7 Zusammenfassung 8 Ausblick 9 Verzeichnisse 10 Anhang / With the increasing electrification of vehicles, the demand for reliable current-carrying connections grows. In the electrical power grid as well as in the electric grid of an electric vehicle, different material combinations occur frequently, when current-carrying connections are joined. Aluminum is commonly applied due to its lightweight proper-ties and its price advantage compared to copper. For users, this lightweight material is challenging regarding its contact and long-term behavior. In the past, intermetallic compounds between aluminum and silver as well as between aluminum and copper have been investigated as possible cause for the emerging failures of firmly bonded, force-fitted, and force-form-fitted current-carrying connections. The witnessed rise in resistance cannot be explained completely by the growing intermetallic phases. Therefore, the goal of this work is to quantify the influence of oxygen on the aging of bimetallic connections. Bolted joints with busbars of the material combinations Ag-Al, Al-Cu, Sn-Al and Ni-Al were examined. Through test series in atmospheric air and in a N2-atmosphere, differences in the long-term behavior could be shown that result from oxygen entering into the contact interface from the outside. The processes taking place differ depending on the material combination. Oxygen entering into the connection after the joining is responsible for the rise in resistance in Ag-Al- and Al-Cu-connections. In contrast, the oxygen which is already present in the contact interface before the joining reacts to Al2O3 in connections between tin and aluminum. No influence of the oxygen was detected in connections between nickel and aluminum. Beside the flat surface contacts of the bolted joints with busbars, a model geometry with a point contact was examined. Due to the uniform surface pressure over the entire contact surface, a calculation model of the long-term behavior for Ag-Al- and Al-Cu-connections was set up based on these connections. Metallographic investigations were performed on Ag-Al- and Sn-Al-connections for further analysis of the electrically measured phenomena. An Al2O3-layer was visualized by transmission electron microscopy on the aluminum contact member of an aged connection between tin and aluminum. If a current-carrying connection of the examined material combinations is joined in a gas-tight manner, it can have a great effect on the long-term behavior. The results of existing calculation models on gas-tightness were compared to the experimental results. In addition, a novel criterion was introduced. It enables to evaluate after 24 h at loading temperature whether a current-carrying connections is gas-tight. Users in the electrical power system and the automotive industry can thereby derive predictions on a connection’s long-term stability after a short loading time.:1 Einleitung 2 Kontakt- und Langzeitverhalten stromführender Verbindungen 2.1 Allgemeine Kontakttheorie 2.2 Bilden der Mikrokontakte, Berechnen des Kontaktwiderstands 2.3 Alterung stromführender Verbindungen 2.3.1 Kraftabbau 2.3.2 Interdiffusion 2.3.3 Chemische Reaktionen 2.3.4 Weitere Einflüsse 3 Reaktionen zwischen Sauerstoff und Metallen der Elektroenergietechnik 3.1 Oxidation der Oberfläche 3.2 Umbilden von Oxiden an der Oberfläche 3.3 Innere Oxidation 3.4 Reaktionsprodukte des Sauerstoffs mit verschiedenen Metallen 3.4.1 Aluminium 3.4.2 Zinn 3.4.3 Nickel 3.4.4 Silber 3.4.5 Kupfer 3.5 Eindringen des Sauerstoffs 3.5.1 Diffusion von Sauerstoff 3.5.1.1 Modell nach Izmailov 3.5.1.2 Modell nach Dzektser 3.5.2 Berechnen der Gasdichtigkeit 4 Präzisierung der Aufgabenstellung 5 Langzeitversuche an Bimetall-Verbindungen 5.1 Versuchsaufbau und Durchführung 5.1.1 Punktkontakt 5.1.2 Flächenkontakt - Schraubenverbindungen mit Stromschienen 5.2 Versuchsergebnisse im System Ag-Al 5.2.1 Versuche an versilberten Aluminiumblechen 5.2.2 Punktkontakt mit zwei versilberten Kontaktpartnern aus Aluminium 5.2.3 Punktkontakt zwischen einem versilberten Kontaktpartner und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium 5.2.4 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen mit versilberten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.2.5 Diskussion der Ergebnisse 5.2.5.1 Einfluss der IMP 5.2.5.2 Einfluss des Sauerstoffs 5.3 Versuchsergebnisse im System Sn-Al 5.3.1 Punktkontakt mit einem verzinnten Kontaktpartner aus Kupfer und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium 5.3.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen verzinnten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.3.3 Diskussion der Ergebnisse 5.3.3.1 Einfluss der Vorbehandlung 5.3.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft 5.3.3.3 Versagen der Oxidschicht 5.4 Versuchsergebnisse im System Ni-Al 5.4.1 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen vernickelten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.4.2 Diskussion der Ergebnisse 5.5 Versuchsergebnisse im System Al-Cu 5.5.1 Punktkontakt mit einem Kontaktpartner aus Kupfer und einem aus Aluminium 5.5.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen Stromschienen aus Aluminium und Kupfer 5.5.3 Diskussion der Ergebnisse 5.5.3.1 Einfluss der IMP 5.5.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft 5.5.3.3 Einfluss der thermischen Dehnung 5.5.3.4 Einfluss der Montageparameter 6 Modellbildung zur Wirkung von Oxidschichten 6.1 Elektrischer Widerstand bei Alterung durch Oxidation 6.1.1 Punktkontakte zwischen Silber und Aluminium 6.1.2 Punktkontakte zwischen Kupfer und Aluminium 6.2 Gasdichtigkeit der untersuchten Verbindungen 7 Zusammenfassung 8 Ausblick 9 Verzeichnisse 10 Anhang

In this work, a design platform for the modeling, simulation and optimization of fluidic components and their interactions in larger systems is developed. A hydrogel-based stimulus-sensitive microvalve is the core element of the microfluidic toolbox. Essential material properties as swelling-stimuli functions and the cooperative diffusion are extracted from measurements. The results provide necessary input data for finite element simulations in order to extract characteristic properties of the mechanical and fluid domains. Finally, the behavior of the microvalve and other fluidic library elements is implemented in Matlab Simscape for component and system simulations. Case studies and design optimization can be realized in a very short time with high accuracy. The toolbox is suitable for research and development and as software for academic education. The library elements are evaluated for a chemofluidic NAND gate, a chemofluidic decoder and a chemofluidic oscillator.:1 Introduction to Microfluidic Systems 1.1 Chemofluidic Enables Scalable and Logical Microfluidics 1.2 Focus of this Work 2 Fundamentals for Hydrogel-based Lab-on-Chip Systems 2.1 Basic Hydrogel Material Behavior 2.1.1 Basic Swelling Behavior 2.1.2 General Properties of Hydrogels 2.2 Overview of the used Microtechnology 2.2.1 Synthesis of P(NIPAAm-co-SA) 2.2.2 Microfabrication of a Microfluidic Chip 2.3 Introduction to Modeling and Simulation Techniques 2.3.1 Computer-aided Design Methodologies 2.3.2 Model Abstraction Levels for Computer-Aided Design 2.3.3 Modeling Techniques for Microvalves in a Fluidic System 3 Analytical Descriptions of Swelling 3.1 Quasi-Static Description 3.1.1 Physical Static Chemo-Thermal Description 3.1.2 Finite Element Routine for Static Thermo-Elastic Expansion 3.1.3 Static System Level Design for Hydrogel Swelling 3.2 Transient Description 3.2.1 Physical Dynamic Chemo-Thermal Description 3.2.2 Finite Element Routine for Dynamic Thermo-Elastic Expansion 3.2.3 Transient System Level Design for Hydrogel Swelling 3.3 Swelling Hysteresis Effect 3.3.1 Quasi-static Hysteresis 3.3.2 Transient Hysteresis 4 Characterization of Hydrogel 4.1 Data Acquisition through Automated Measurements 4.1.1 Measuring the Swelling of Hydrogels 4.1.2 Contactless Measurement Concept to Determine the Core Stiffness of Hydrogels 4.2 Data Evaluation with Image Recognition 4.3 Data Fitting and Model Adaption 4.3.1 Quasi-static Response 4.3.2 Transient Response 4.3.3 Hysteresis Response 5 Modeling Swelling in Finite Elements 5.1 Validity of the Model and Simulation Approach 5.2 Thermo-Mechanical Model of the Hydrogel Expansion Behavior 5.2.1 Change of the Length by Thermal Expansion 5.2.2 Stress-Strain Relationship for Hydrogels 5.2.3 Thermal Volume Expansion and Parameter Adaptation 5.2.4 Heat Transfer Coefficient 5.3 Volume Phase-Transition of a Hydrogel implemented in ANSYS 5.4 Computational Fluid Dynamics 5.4.1 Analytic Mesh Morphing 5.4.2 One-way Fluid Structure Interaction Modeling 5.4.3 Towards a Two-way Fluid Structure Interaction Model in CFX 6 Lumped Modeling 6.1 The Chemical Volume Phase-transition Transistor Model 6.1.1 Static Hysteresis 6.1.2 Equilibrium Swelling Length – Quasi-static Behavior 6.1.3 Kinematic Swelling Length - Transient Behavior 6.1.4 Stiffness and Maximum Closing Pressure 6.1.5 Calculation of the Fluidic Conductance 6.1.6 Modeling of the Fluid Flow through the Valve 6.2 Circuit Descriptions Analogy for Microfluidic Applications 6.2.1 Advantages and Limitations of Combined Simulink-Simscape Models 6.2.2 Requirements for Microfluidic Circuits 6.2.3 Graphical User Interfaces and Library Element Management 6.3 Modeling Techniques for the Chemical Volume Phase-transition Transistor (CVPT) 6.3.1 Network Description of CVPT 6.3.2 Signal Flow Description of CVPT 6.3.3 Mixed Signal Flow and Network Model for CVPT 7 Micro-Fluidic Toolbox 7.1 Microfluidic Components 7.1.1 Fluid Sources and Stimuli Sources 7.1.2 Fluidic Resistor with Bidirectional Stimulus Transport 7.1.3 Junctions 7.1.4 Chemical Volume Phase-transition Transistor 7.2 Microfluidic Matlab Toolbox 7.3 Modeling Chemofluidic Logic Circuits 7.3.1 Chemofluidic NAND Gate 7.3.2 Chemofluidic Decoder Application 7.3.3 Chemo-Fluidic Oscillator 7.4 Layout Synthesis 8 Summary and Outlook Appendix A 2D Thermo-Mechanical Solid Element for the Finite Element Method B Thermal Expansion Equation for ANSYS C Linear Regression of the Thermal Expansion Equation for ANSYS D Comparing different Mechanical Strain Definitions E Supporting Documents E.1 Analytic Static Swelling E.2 FEM - Matrix Method E.3 8 Node Finite Element Routine E.4 FEM - Script to create the CTEX table data E.5 Comparison of Solid Mechanics / In dieser Arbeit wird eine Entwurfsplattform für die Modellierung, Simulation und Optimierung von fluidischen Komponenten und deren Wechselwirkungen in größeren Systemen entwickelt. Ein Mikroventil auf der Basis von stimuli-sensitiven Hydrogelen ist das Kernelement des Entwurfstools. Wesentliche Materialeigenschaften wie das Quellverhalten und der kooperative Diffusionskoeffizient werden zu Beginn mit Messungen ermittelt. Mit Finite-Elemente-Simulationen werden aus diesen Daten charakteristische Kennwerte für das mechanische und fluidische Verhalten bestimmt. Sie bilden die Basis für komplexe Systemmodelle in Matlab Simscape, welche das Mikroventil und weitere fluidische Grundelemente in ihrem Zusammenwirken beschreiben. Verschiedene Konzepte können in kurzer Zeit und mit hoher Genauigkeit analysiert, optimiert und verglichen werden. Die Toolbox eignet sich für die Forschung und Entwicklung sowie als Software für die akademische Ausbildung. Sie wurde für den Entwurf eines chemofluidischen NAND-Gatters, für einen chemofluidischen Decoder und für einen chemofluidischen Oszillator eingesetzt.:1 Introduction to Microfluidic Systems 1.1 Chemofluidic Enables Scalable and Logical Microfluidics 1.2 Focus of this Work 2 Fundamentals for Hydrogel-based Lab-on-Chip Systems 2.1 Basic Hydrogel Material Behavior 2.1.1 Basic Swelling Behavior 2.1.2 General Properties of Hydrogels 2.2 Overview of the used Microtechnology 2.2.1 Synthesis of P(NIPAAm-co-SA) 2.2.2 Microfabrication of a Microfluidic Chip 2.3 Introduction to Modeling and Simulation Techniques 2.3.1 Computer-aided Design Methodologies 2.3.2 Model Abstraction Levels for Computer-Aided Design 2.3.3 Modeling Techniques for Microvalves in a Fluidic System 3 Analytical Descriptions of Swelling 3.1 Quasi-Static Description 3.1.1 Physical Static Chemo-Thermal Description 3.1.2 Finite Element Routine for Static Thermo-Elastic Expansion 3.1.3 Static System Level Design for Hydrogel Swelling 3.2 Transient Description 3.2.1 Physical Dynamic Chemo-Thermal Description 3.2.2 Finite Element Routine for Dynamic Thermo-Elastic Expansion 3.2.3 Transient System Level Design for Hydrogel Swelling 3.3 Swelling Hysteresis Effect 3.3.1 Quasi-static Hysteresis 3.3.2 Transient Hysteresis 4 Characterization of Hydrogel 4.1 Data Acquisition through Automated Measurements 4.1.1 Measuring the Swelling of Hydrogels 4.1.2 Contactless Measurement Concept to Determine the Core Stiffness of Hydrogels 4.2 Data Evaluation with Image Recognition 4.3 Data Fitting and Model Adaption 4.3.1 Quasi-static Response 4.3.2 Transient Response 4.3.3 Hysteresis Response 5 Modeling Swelling in Finite Elements 5.1 Validity of the Model and Simulation Approach 5.2 Thermo-Mechanical Model of the Hydrogel Expansion Behavior 5.2.1 Change of the Length by Thermal Expansion 5.2.2 Stress-Strain Relationship for Hydrogels 5.2.3 Thermal Volume Expansion and Parameter Adaptation 5.2.4 Heat Transfer Coefficient 5.3 Volume Phase-Transition of a Hydrogel implemented in ANSYS 5.4 Computational Fluid Dynamics 5.4.1 Analytic Mesh Morphing 5.4.2 One-way Fluid Structure Interaction Modeling 5.4.3 Towards a Two-way Fluid Structure Interaction Model in CFX 6 Lumped Modeling 6.1 The Chemical Volume Phase-transition Transistor Model 6.1.1 Static Hysteresis 6.1.2 Equilibrium Swelling Length – Quasi-static Behavior 6.1.3 Kinematic Swelling Length - Transient Behavior 6.1.4 Stiffness and Maximum Closing Pressure 6.1.5 Calculation of the Fluidic Conductance 6.1.6 Modeling of the Fluid Flow through the Valve 6.2 Circuit Descriptions Analogy for Microfluidic Applications 6.2.1 Advantages and Limitations of Combined Simulink-Simscape Models 6.2.2 Requirements for Microfluidic Circuits 6.2.3 Graphical User Interfaces and Library Element Management 6.3 Modeling Techniques for the Chemical Volume Phase-transition Transistor (CVPT) 6.3.1 Network Description of CVPT 6.3.2 Signal Flow Description of CVPT 6.3.3 Mixed Signal Flow and Network Model for CVPT 7 Micro-Fluidic Toolbox 7.1 Microfluidic Components 7.1.1 Fluid Sources and Stimuli Sources 7.1.2 Fluidic Resistor with Bidirectional Stimulus Transport 7.1.3 Junctions 7.1.4 Chemical Volume Phase-transition Transistor 7.2 Microfluidic Matlab Toolbox 7.3 Modeling Chemofluidic Logic Circuits 7.3.1 Chemofluidic NAND Gate 7.3.2 Chemofluidic Decoder Application 7.3.3 Chemo-Fluidic Oscillator 7.4 Layout Synthesis 8 Summary and Outlook Appendix A 2D Thermo-Mechanical Solid Element for the Finite Element Method B Thermal Expansion Equation for ANSYS C Linear Regression of the Thermal Expansion Equation for ANSYS D Comparing different Mechanical Strain Definitions E Supporting Documents E.1 Analytic Static Swelling E.2 FEM - Matrix Method E.3 8 Node Finite Element Routine E.4 FEM - Script to create the CTEX table data E.5 Comparison of Solid Mechanics

Organic field-effect transistors (OFETs) are essential devices for the realization of novel electronic applications based on organic materials. Recent years have brought tremendous improvements regarding the organic semiconductor (OSC) with charge carrier mobilities around 10 cm²/Vs. Yet, several challenges are needed to be addressed in order to enable technologies of the future that are based on high-performance organic transistors. In this work, C8-BTBT, a high-mobility material that has gained increasing interest in the last few years, is used to prepare films with state-of-the art charge-carrier mobility and above. For this purpose, the solution-shearing method—a meniscus-guided technique that is capable to produce highly aligned, crystalline films—is applied. Based on these charge-transport layers with an estimated intrinsic mobility of up to 12 cm²/Vs, several strategies towards their exploitation for high-performance organic transistors are investigated. Among the relevant parameter, channel length, contact resistance and gate dielectric capacitance are the three aspects that are addressed. The solution-shearing method is further applied to the realization of solution-deposited polymer dielectrics. High-capacitance films with maximum values of about 280 nF/cm² are fabricated and used to produce low-voltage OFETs that can operate at -1V. In order to increase the devices’ transconductance, a novel patterning methodology to achieve sub-micrometre channel lengths is investigated. Using this technique, working devices with a channel length of 500 nm are shown. The compatibility of this process with the solution-shearing method for the fabrication of high-performance semiconducting and gate dielectric films is one of its major advantages. One of the limiting device parameters is the contact resistance as is clearly observable by the restricted current scaling that is observed for lower channel length. Hence, the interface of OSC and source/drain contacts is investigated. Even though an ultimate solution for very low contact resistance remains to be developed, important aspects for its further enhancement are deduced in this work. As an important first experimental result, this thesis describes a short-channel device architecture that is compatible with solution-shearing of high-performance films with its full potential yet to be explored in future work. / Organische Feld-Effekt Transistoren (OFETs) sind grundlegende Bestandteile für die Entwicklung neuerartiger Technologien auf der Basis von organischen Halbleitermaterialien. Insbesondere während der letzten Jahre haben diese Materialien einschlägige Verbesserungen erfahren und erreichen heute Ladungsträgermobilitäten um die 10 cm²/Vs. Um dies für die Umsetzung neuartiger Technologien zu nutzen, müssen jedoch noch einige Herausforderungen überwunden werden. Diese Arbeit leistet einen Beitrag in diese Richtung. Unter Anwendung eines der wohl populärsten Halbleitermaterialien der letzen Jahre mit der chemischen Bezeichnung C8-BTBT, wird die Herstellung von hochqualitativen Halbleiterfilmen mittels Flüssigprozessierung gezeigt. Mit der sogenannten „Solution-Shearing“ Methode – eine Abscheidetechnik, die über die Kontrolle eines trocknenden Meniskus hochkristalline und ausgerichtete Schichten erzeugen kann – ist es möglich Dünnschichtbauelemente mit abgeschätzten, intrinsischen Ladungsträgermobilitäten von bis zu 12 cm²/Vs zu erzeugen. Um diese hoch-qualitativen Filme für die Herstellung von leistungsfähigen Transistoren zu nutzen, werden mehrere relevante Parameter betrachtet, darunter die Kanallänge, der Kontaktwiderstand und das Gate-Dielektrikum. Im Speziellen wird die Abscheidung des Dielektrikums mittels der „Solution-Shearing“ Methode untersucht. Es kann gezeigt werden, dass dies für die Herstellung von qualitativ hochwertigen Filmen mit Kapazitäten bis zu 280 nF/cm² genutzt werden kann. Angewendet in OFETs erlauben diese Schichten den Betrieb bei sehr geringen Spannungen von -1V. Um die Transkonduktanz der Transistoren zu erhöhen wird zudem eine mit der „Solution-Shearing“ Methode kompatible Source/Drain-Strukturierungsmethode untersucht. Diese ermöglicht Kanallängen unter einem Mikrometer und konnte hier für die Herstellung von funktionierenden Transistoren mit einer Kanallänge bis zu nur 500 nm angewendet werden. Eine der limitierenden Transistorkenngrößen ist der Kontaktwiderstand, wie durch die abweichende Skalierung des Stromes mit verringerter Kanallänge deutlich wird. Aus diesem Grund wurde auch die Grenzfläche zwischen Halbleiter und Source/Drain-Kontakten näher untersucht. Allerdings verbleibt die Entwicklung einer effektiven Methode zur Reduzierung des Kontaktwiderstandes ein Projekt für zukünftige Untersuchungen, auch wenn die vorliegende Arbeit einige wichtige Anhaltpunkte für mögliche Strategien liefert. Als wichtiges erstes Resultat liefert die vorliegende Arbeit eine Beschreibung zur Herstellung funktionsfähiger Kurzkanal-OFETs mittels „Solution-Shearing“, deren volles Potential aber in der Zukunft weiter untersucht werden muss.

Calculate the Pareto frontier with minimum arm energy ripple and conduction loss of an MMC when the second and fourth harmonic of the circulating current is used as free parameters. ParetoMMC attempts to solve min F(X, lambda), X where F(X, lambda) = E_ripple(X)*lambda + P_loss*(1 - lambda). X denotes the amplitudes and phases of the second and fourth harmonic of the circulating current. lambda is the weighting scalar in the range 0 <= lamda <= 1. The MMC dc side is connected to a dc voltage source, while the ac side is a symmetric three phase voltage with isolated star point. A third harmonic in the common mode voltage is assumed.:ParetoMMC.m F_eval.m LICENSE.GNU_AGPLv3

Model-based design is a common methodology in the development of embedded complex control systems. Control system engineers typically prefer to use MATLAB® Simulink® and suitable automatic code generators for the development and deployment of software. Embedded systems are subject to random hardware faults; bit-flips, for example, may affect random access memory (RAM) cells and central processing unit (CPU) registers and cause data errors that may propagate to critical system outputs and result in system failures. From a dependability perspective, the design space of control systems includes the selection of a suitable (reliable) implementation of a control algorithm. Such algorithm can be implemented with model-based software development frameworks, such as Simulink using different, but functionally equivalent implementations. However, these functional equivalents may exhibit completely different reliability properties. This thesis proposes an analytical method for the evaluation of the reliability properties of control systems that are designed with Simulink models. The method is based on a transformation of the assembly code, which is generated from the Simulink model, into a formal stochastic error propagation model as well as its quantification through underlying Markov chain models and state-of-the-art probabilistic model-checking techniques. The application of the method to the functionally equivalent implementations can determine which one is less vulnerable to data errors due to random hardware faults. Fault tolerance is significant to dependable system design. Control systems can be protected with fault tolerance mechanisms to increase the reliability. Redundancy is the key underlying concept for achieving fault tolerance that is usually implemented at the hardware or software level. In the case of model-based development, redundancy mechanisms are preferable for direct application at the model level (Simulink model level). This thesis introduces a systematic classification of fault-tolerant design patterns. Such patterns can be applied to the Simulink model to tolerate random hardware faults, and taken into account during the control system design. In addition, it is more transparent and convenient for control system engineers to directly protect vulnerable parts with fault tolerance mechanisms at the model level. The rigorous reliability assessment of the embedded control systems must be conducted at the assembly level based on the modeling of data errors that occurred in RAM and CPU. However, the scalability of the assembly-level assessment method is challenging and even problematic in view of the state space explosion (SSE) problem of the underlying Markov chain models. The computational complexity may increase exponentially as the assembly code size increases. Moreover, the transformation from the Simulink models to the assembly code is a complicated procedure. It is also more convenient for control engineers to already be able to estimate reliability properties and implement possible reliability improvements at the model level in the early design phase, when the model-based design is actually applied. Therefore, this thesis proposes a model-level reliability evaluation of Simulink models to address the aforementioned problems. The efficiency of the proposed modellevel evaluation is verified by a comparison of the reliability properties that are assessed at the assembly and model levels.:1. Introduction 2. Preliminaries 3. Reliability evaluation of control algorithm implementations at the assembly level 4. Fault-tolerant design patterns 5. MORE: MOdel-based REdundancy for Simulink models 6. Model-level assessment of Simulink models 7. Conclusion

NH-Sicherungseinsätze (Niederspannungs-Hochleistungs-Sicherungseinsätze) für allgemeine Anwendung (gG) werden in der Niederspannungstechnik in großer Stückzahl in Schaltgeräten wie Schalter-Sicherungs-Einheiten oder Sicherungslasttrennschaltern eingesetzt und dienen dem Schutz von Betriebsmitteln vor Fehlerströmen. Die Sicherungseinsätze besitzen einen Schmelzleiter, der im Normalbetrieb den Betriebsstrom zuverlässig und verlustarm führen und im Fehlerfall durch ein rasches Aufschmelzen Fehlerströme sicher unterbrechen soll. Langzeit- und Betriebsverhalten der Schmelzleiter hängen dabei stark von der Temperatur ab. Aus der Literatur ist bisher nicht bekannt, inwieweit die Temperatur der Schmelzleiter im Normalbetrieb erhöht werden kann, ohne die Zuverlässigkeit des gesamten NH-Sicherungseinsatzes zu beeinträchtigen. In der vorliegenden Arbeit wurde daher das Langzeitverhalten von Schmelzleitern experimentell untersucht. Es wurden Schmelzleiter bei verschiedenen Temperaturen für eine Zeit von 10.000 h thermisch beansprucht und anschließend das Erwärmungs- und Schaltverhalten der Schmelzleiter ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass bereits eine dauerhaft hohe thermische Beanspruchung im festen Zustand des Lotes besonders das Schaltverhalten im Bereich kleiner Überströme beeinträchtigen kann. Die Auswirkungen auf den Normalbertrieb der Schmelzleiter sind in der Regel vernachlässigbar. Das Langzeitverhalten wird wesentlich von der Alterung der Schmelzleiter durch Interdiffusion im Normalbetrieb bestimmt. Es wurde ein Zusammenhang zwischen dem Wachstum intermetallischer Phasen an der Grenzfläche zwischen Schmelzleiter und Lot und der Schmelzzeit im Bereich kleiner Überströme hergestellt. Auf Basis der Ergebnisse wurden Grenztemperaturen für einen langzeitstabilen Betrieb der untersuchten Schmelzleiter hergeleitet. Die Temperatur des Schmelzleiters kann in der Praxis nicht zerstörungsfrei gemessen werden. Stellvertretend wird häufig die Temperatur des Sicherungsmessers als alternatives Bewertungskriterium empfohlen. Um den Zusammenhang zwischen der Erwärmung des Schmelzleiters und des Sicherungsmessers zu untersuchen, wurde das thermische Verhalten der Sicherungseinsätze mit der Wärmenetzmethode berechnet und verifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass die Temperaturdifferenz zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser eine charakteristische Kenngröße eines Sicherungseinsatzes ist. Es wurden die Einflussparameter auf die Temperaturdifferenz im Betrieb untersucht und empirische Gleichungen entwickelt, mit denen Grenztemperaturen der Sicherungsmesser für unterschiedliche Einbausituationen berechnet werden können. Die ermittelten Grenztemperaturen sind belastungsabhängig und werden insbesondere von der individuellen Dimensionierung des Sicherungseinsatzes bestimmt.:1 Einleitung 2 Das NH-Sicherungssystem 2.1 Aufbau und Einteilung 2.2 Funktion im Normalbetrieb und Überstrombereich 3 NH-Sicherungseinsätze der Betriebsklasse gG 3.1 Normen für die Anwendung von NH-Sicherungseinsätzen 3.2 Thermisches Verhalten von NH-Sicherungseinsätzen im Normalbetrieb 3.2.1 Aktuelle Randbedingungen im Praxiseinsatz 3.2.2 Die Erwärmung bei stationärer Belastung 3.3 Langzeitverhalten von Schmelzleitern 3.3.1 Alterung durch Interdiffusion 3.3.2 Alterung durch Oxidation 3.4 Untersuchte Sicherungseinsätze und Schmelzleiter 4 Präzisierte Aufgabenstellung 5 Langzeitverhalten von Schmelzleitern im Normalbetrieb und im Bereich kleiner Überströme 5.1 Vorbetrachtungen 5.1.1 Der elektrische Widerstand des Schmelzleiters im Bereich der Engstelle mit Lotdepot 5.1.2 Die Temperatur im Bereich der Engstelle mit Lotdepot 5.2 Einfluss hoher thermischer Beanspruchung auf die Alterung des Schmelzleiters im Normalbetrieb 5.2.1 Versuchsaufbau und –durchführung 5.2.2 Ergebnisse der Versuche im Wärmeschrank 5.2.3 Ergebnisse der Versuche bei Strombelastung in unterschiedlichen Atmosphären 5.3 Einfluss der Alterung auf die Funktion im Normalbetrieb und im Bereich kleiner Überströme 5.3.1 Versuchsaufbau 5.3.2 Versuchsdurchführung, Randbedingungen und Bewertungskriterien 5.3.3 Versuchsergebnisse 5.4 Vergleichende Langzeitversuche an NH-Sicherungseinsätzen bei hoher thermischer Beanspruchung im Normalbetrieb 5.4.1 Versuchsaufbau 5.4.2 Versuchsergebnisse 5.5 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Langzeitverhalten von Schmelzleitern 6 Berechnen des thermischen Verhaltens von NH Sicherungseinsätzen bei stationärer Belastung 6.1 Grundlagen der Erwärmungsberechnung mit Wärmenetzen 6.2 Aufbau von Berechnungsmodellen für NH-Sicherungseinsätze in verschiedenen Einbausituationen 6.2.1 Wärmenetzmodelle der NH-Sicherungseinsätze 6.2.2 Berechnungsmodell für die Einbausituation frei in Luft 6.2.3 Berechnungsmodell für die Einbausituation in einer NH-Sicherungs-Lastschaltleiste 6.3 Die Temperaturdifferenz  zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser 6.3.1 Einfluss der Temperatur der Anschlüsse der Sicherung 6.3.2 Einfluss der Umgebungstemperatur des Sicherungseinsatzes 6.3.3 Einfluss des Belastungsstromes durch den Sicherungseinsatz 6.3.4 Berechnen der Temperaturdifferenz  zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser in der Einbausituation 6.4 Die Temperatur der Sicherungsmesser als Kriterium zum Bewerten der zulässigen thermischen Beanspruchung im Betrieb 7 Zusammenfassung 8 Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Bildverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis Anhang / In low-voltage power systems, NH fuse-links for general use (gG) are widely used to protect electrical devices in case of overloads or short-circuit currents. Mainly they are installed in switchgears like fuse-combination units or fuse-switch-disconnetors. The fuse-links are equipped with a fuse element, which, in normal operation, should conduct the load current reliably and with low losses and, in the event of a fault, should interrupt the current by melting quickly. Thereby, the long-term and operational behaviour of the fuse elements depends strongly on the temperature. It is not yet known from the literature to what extent the temperature of the fuse element can be increased during normal operation without impairing the reliability of the whole NH fuse-link. Therefore, the long-term behaviour of fuse elements was experimentally investigated in this thesis. Fuse elements were subjected to constant thermal stress at various temperatures for a period of 10,000 h and then the temperature rise performance and the tripping behaviour were determined. It could be shown that even a high thermal stress in the solid state of the solder can impair the tripping behaviour in the range of small over-current. The effects on the normal operation of the fuse elements are usually negligible. The long-term behaviour is essentially determined by the ageing of the fuse elements due to interdiffusion in normal operation. A correlation was established between the growth of intermetallic compounds at the interface between the fuse element and the solder and the melting time in the range of small over-current. Based on these results limiting temperatures were derived for a long-term stable operation of the investigated fuse elements. The temperature of the fuse element cannot be measured non-destructively in practice. The temperature of the blade contact is often recommended as an alternative evaluation criterion. In order to investigate the correlation between the temperature rise of the fuse element and the blade contact, the thermal behaviour of the fuse-links was calculated using the thermal network method. It could be shown that the temperature difference between the fuse element and the blade contact is a characteristic parameter of a fuse-link. The influencing parameters on the temperature difference were investigated and empirical equations were developed with which limiting temperatures of the blade contacts for different assembly situations can be calculated. The limiting temperatures are load-dependent and are determined in particular by the individual dimensioning of the fuse-link.:1 Einleitung 2 Das NH-Sicherungssystem 2.1 Aufbau und Einteilung 2.2 Funktion im Normalbetrieb und Überstrombereich 3 NH-Sicherungseinsätze der Betriebsklasse gG 3.1 Normen für die Anwendung von NH-Sicherungseinsätzen 3.2 Thermisches Verhalten von NH-Sicherungseinsätzen im Normalbetrieb 3.2.1 Aktuelle Randbedingungen im Praxiseinsatz 3.2.2 Die Erwärmung bei stationärer Belastung 3.3 Langzeitverhalten von Schmelzleitern 3.3.1 Alterung durch Interdiffusion 3.3.2 Alterung durch Oxidation 3.4 Untersuchte Sicherungseinsätze und Schmelzleiter 4 Präzisierte Aufgabenstellung 5 Langzeitverhalten von Schmelzleitern im Normalbetrieb und im Bereich kleiner Überströme 5.1 Vorbetrachtungen 5.1.1 Der elektrische Widerstand des Schmelzleiters im Bereich der Engstelle mit Lotdepot 5.1.2 Die Temperatur im Bereich der Engstelle mit Lotdepot 5.2 Einfluss hoher thermischer Beanspruchung auf die Alterung des Schmelzleiters im Normalbetrieb 5.2.1 Versuchsaufbau und –durchführung 5.2.2 Ergebnisse der Versuche im Wärmeschrank 5.2.3 Ergebnisse der Versuche bei Strombelastung in unterschiedlichen Atmosphären 5.3 Einfluss der Alterung auf die Funktion im Normalbetrieb und im Bereich kleiner Überströme 5.3.1 Versuchsaufbau 5.3.2 Versuchsdurchführung, Randbedingungen und Bewertungskriterien 5.3.3 Versuchsergebnisse 5.4 Vergleichende Langzeitversuche an NH-Sicherungseinsätzen bei hoher thermischer Beanspruchung im Normalbetrieb 5.4.1 Versuchsaufbau 5.4.2 Versuchsergebnisse 5.5 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Langzeitverhalten von Schmelzleitern 6 Berechnen des thermischen Verhaltens von NH Sicherungseinsätzen bei stationärer Belastung 6.1 Grundlagen der Erwärmungsberechnung mit Wärmenetzen 6.2 Aufbau von Berechnungsmodellen für NH-Sicherungseinsätze in verschiedenen Einbausituationen 6.2.1 Wärmenetzmodelle der NH-Sicherungseinsätze 6.2.2 Berechnungsmodell für die Einbausituation frei in Luft 6.2.3 Berechnungsmodell für die Einbausituation in einer NH-Sicherungs-Lastschaltleiste 6.3 Die Temperaturdifferenz  zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser 6.3.1 Einfluss der Temperatur der Anschlüsse der Sicherung 6.3.2 Einfluss der Umgebungstemperatur des Sicherungseinsatzes 6.3.3 Einfluss des Belastungsstromes durch den Sicherungseinsatz 6.3.4 Berechnen der Temperaturdifferenz  zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser in der Einbausituation 6.4 Die Temperatur der Sicherungsmesser als Kriterium zum Bewerten der zulässigen thermischen Beanspruchung im Betrieb 7 Zusammenfassung 8 Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Bildverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis Anhang

This paper presents the design and characterization of a 28GHz integrated super-regenerative amplifier (SRA) in a 45 nm silicon on insulator (SOI) technology. The circuit is based on a complementary cross-coupled oscillator topology. The fabricated integrated circuit (IC) occupies an area of 0.67 mm 2 , and operates in a frequency range from 28.07GHz to 29.35 GHz. Characterization results show the minimum input sensitivity of the circuit, as -85 dBm and the input power level corresponding to the linear to logarithmic mode transition as -66.3 dBm. The measured output power delivered into a 100 Ω differential load is 1.1 dBm. The DC power consumption of the circuit is 10.6 mW. To the knowledge of the authors, the circuit has the best reported combined sensitivity and output power for an FMCW radar reflector implementation in CMOS.

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