Bandagen werden seit Jahrhunderten für statisch sowie dynamisch belastete Bauteile eingesetzt. Neben Metallen bietet sich auch die Nutzung von Faserkunststoffverbunden als Bandagenwerkstoff an, da diese über vergleichsweise hohe spezifische Festigkeiten und Steifigkeiten verfügen. Sehr häufig finden Bandagen bei rotationsbelasteten Körpern wie Zentrifugen, Elektromotoren und Schwungrädern Verwendung, da bei diesen aufgrund ihrer Funktionsweise der eigentliche Rotationskörper zumeist nicht aus hochfesten Werkstoffen bestehen kann. Dabei dienen Bandagierungen dazu, den sicher nutzbaren Einsatzbereich weiter zu steigern. In diesen Fällen werden zumeist Umfangsbandagen aus Faserkunststoffverbunden eingesetzt, welche die aus der Zentrifugalkraft resultierenden radialen Kräfte und die zusätzlichen aus der Funktionsweise resultierenden tangentialen oder axialen Kräfte aufnehmen. Ausgehend von rotationssymmetrischen Bauteilen mit über den Umfang homogener rotationssymmetrischer Masseverteilung, rotationssymmetrischem Materialverhalten, etwa isotrop oder polarorthotrop, und zentrischer Drehachse kann idealisiert von einer rein radialen Verformung (Aufweitung) ausgegangen werden. In Abweichung zu den idealisierten Annahmen weisen technische Anwendungen, wie etwa Elektromotoren und Zentrifugen häufig keine homogene rotationssymmetrische Masseverteilung auf. Dies führt zwangsläufig dazu, dass die Aufweitungen dieser Körper unter Rotationslast inhomogen sind. Dadurch werden in applizierten Umfangsbandagen lokale Spannungserhöhungen induziert, welche zu einem vorzeitigen lokalen Materialversagen führen können. Mit der Promotion wurde ein grundlegendes Verständnis für die auftretenden Effekte innerhalb von inhomogen belasteten, dünnwandigen Faserkunststoffverbund-Bandagen – am Beispiel eines Klauenpolrotors für einen Elektromotor – entwickelt. Dabei wurden die Grundlagen für eine effiziente und sichere Auslegung von dünnwandigen Bandagen für Rotoren mit inhomogener Masseverteilung geschaffen. Auf Grundlage aller getätigten Untersuchungen wurden Empfehlungen zur geeigneten Werkstoffcharakterisierung, numerischen Analyse, Wahl geeigneter Versagenskriterien, Fertigung und Prüfung von Faserkunststoffverbund-Bandagen mit duroplastischer Matrix für Elektromotoren abgeleitet.:1 Einleitung 2 Elektromotoren für Elektrofahrzeuge 2.1 Elektromotoren 2.1.1 Aufbau und Wirkungsweise von Asynchronmaschinen 2.1.2 Aufbau und Wirkungsweise von Synchronmaschinen 2.2 Anforderungen des MotorBrain-Projekts an den Motor 2.3 Klauenpolrotoren 2.4 Soft-Magnetic-Composites 2.4.1 Herstellung von SMC-Bauteilen aus Somaloy Pulvern 2.4.2 Materialeigenschaften von SMC-Pressbauteilen 2.4.3 Mechanische Kennwerte von ausgewählten SMC 2.5 Hartferrit-Magnete 2.6 Ausgewählte Werkstoffe für die Rotorbandagierung 2.6.1 Nickelbasis-Legierungen 2.6.2 Edelstahl 2.6.3 Titan 2.6.4 Glasfaserverstärkter Kunststoff 2.6.5 Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff 3 Neuartiger Klauenpolrotor mit axialen Ringmagneten 3.1 Randbedingungen 3.2 Konzepte für neuartige Klauenpolrotoren 3.2.1 Klauenpolgrundkörper aus Soft-Magnetic-Composites 3.2.2 Numerische Analyse der vorgestellten Konzepte 3.2.3 Klauenpolgrundkörper aus Elektroblech mit eingesetzten SMC-Klauen 3.3 Weiterentwicklung des hybriden Klauenpolrotors 4 Versagenskriterien für die Auslegung von dünnwandigen Faser-Kunststoff- Bandagen 4.1 Phänomenologische Unterscheidung der Bruchformen 4.2 Makromechanische Versagenskriterien 4.2.1 Maximalspannungs- und Maximaldehnungshypothesen 4.2.2 Interaktionskriterium nach Hill 4.2.3 Interaktionskriterium nach Tsai-Wu 4.2.4 Kritische Würdigung der makromechanischen Versagenskriterien 4.3 Mesomechanische Kriterien 4.3.1 Versagenskriterium nach Hashin 4.3.2 Versagenskriterium nach Puck 4.3.3 Versagenskriterium nach Langley Research Center – LaRC 05 4.3.4 Versagenskriterium nach Cuntze 4.3.5 Versagenskriterium nach Vogler 4.3.6 Kritische Würdigung der mesomechanischen Versagenskriterien 5 Auslegung des Rotors 5.1 Vorstellung des Berechnungsmodells 5.1.1 Versagenskriterien 5.1.2 Materialkennwerte 5.1.3 Vernetzung und Elementtypen 5.1.4 Kontakt-Definition 5.1.5 Lagerung 5.2 Prinzipielles Spannungs-Verformungs-Verhalten 5.2.1 Einfluss der Rotationsgeschwindigkeit auf die Verformung 5.2.2 Einfluss der Rotationsgeschwindigkeit auf die Spannungen 5.3 Untersuchung der Bandagendicke 5.4 Einfluss der Haftreibung 5.5 Einfluss der magnetischen und rotatorischen Kräfte 5.6 Einfluss der Vorspannung sowie der Rotortemperatur 5.7 Einfluss des Bandagenaufbaus 6 Fertigung und Test der Prototypen 6.1 Gestaltung und Fertigung 6.2 Zerstörungsfreie Untersuchung 6.3 Zerstörende Untersuchung 7 Gegenüberstellung der Berechnungs- und Testergebnisse 7.1 Randbedingungen der Simulation 7.2 Einfluss der Modellierung 7.3 Vergleich der Simulationsergebnisse für Testrotor 1 7.4 Vergleich der Simulationsergebnisse für Testrotor 2 7.5 Schlussfolgerungen 8 Empfehlungen 8.1 Materialkennwerte 8.2 Numerische Analyse 8.3 Fertigung 8.4 Experimentelle Untersuchungen 9 Zusammenfassung 10 Literaturverzeichnis 11 Anhang

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der geometrischen Auslegung und Regelung einer vollaktuierten Drohne, die als fliegende Arbeitsplattform für einen Manipulator dienen soll. Dabei werden ausgehend von der geometrischen Beschreibung einer allgemeinen, symmetrischen Drohne mit sechs Rotoren Methoden entwickelt, die den anforderungsbezogenen Entwurf der Geometrie einer vollaktuierten Drohne ermöglichen. Darüber hinaus werden prinzipielle Einflussmechanismen einzelner Geometrieparameter auf die durch die Drohne erzeugbaren Kräfte und Momente aufgezeigt. Zur Charakterisierung des Raums aller erzeugbaren Lasten wird dieser auf sogenannte Stützvektoren reduziert. Als Stützvektoren dienen dabei die für den Schwebeflug nötige Schubkraft, die garantierte Mindestkraft in horizontaler Richtung und das garantierte Mindestmoment um eine beliebige Achse, zu deren Berechnung zusätzlich analytische Formeln hergeleitet werden. Aufbauend auf die Beschreibung durch Stützvektoren wird die Formuliernung von Metriken vorgestellt, die die Bewertung einer Drohnengeometrie durch eine einzige skalare Maßzahl ermöglichen, wodurch die je nach Anwendung optimale Drohnengeometrie ermittelt werden kann. Zur Regelung des Systems aus Drohne und Manipulator wurde ein Regelungskonzept entwickelt, welches durch eine Entkopplung der Bewegungsgleichungen eine virtuelle Verschiebung des Schwerpunkts in das Drohnenzentrum realisiert und so eine präzise Regelung unabhängig von der tatsächlichen Schwerpunktlage ermöglicht. / This thesis’ subject is the geometrical design and control of a fully actuated drone, intended to be used as a flying operating-platform for a manipulator. Starting with the general geometrical description of a symmetric drone with six rotors, methods for the application specific design of a fully actuated drone are developed. Furthermore general influencing principles of geometric parameters on the forces and torques that can be generated by the drone, are pointed out. To characterize the drone's wrench-space, it is reduced to so called support vectors, which are given by the hovering thrust, the minimum guaranteed force in a horizontal direction and the minimum guaranteed torque in any direction. Additionally, analytic formulas are derived for the mentioned support vectors. Based on the description by the support vectors, a formulation of metrics is introduced, to enable the assessment of a specific drone geometry by a single scalar measure, to determine the ideal drone geometry for a specific application. Targeting the issue of controlling the flight system, consisting of the drone and the manipulator, a concept is developed that realizes a virtual dissplacement of the center of mass by decoupling the equations of motion and therby facilitates a precise control, independent of the actual location of the system's center of mass.

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der geometrischen Auslegung und Regelung einer vollaktuierten Drohne, die als fliegende Arbeitsplattform für einen Manipulator dienen soll. Dabei werden ausgehend von der geometrischen Beschreibung einer allgemeinen, symmetrischen Drohne mit sechs Rotoren Methoden entwickelt, die den anforderungsbezogenen Entwurf der Geometrie einer vollaktuierten Drohne ermöglichen. Darüber hinaus werden prinzipielle Einflussmechanismen einzelner Geometrieparameter auf die durch die Drohne erzeugbaren Kräfte und Momente aufgezeigt. Zur Charakterisierung des Raums aller erzeugbaren Lasten wird dieser auf sogenannte Stützvektoren reduziert. Als Stützvektoren dienen dabei die für den Schwebeflug nötige Schubkraft, die garantierte Mindestkraft in horizontaler Richtung und das garantierte Mindestmoment um eine beliebige Achse, zu deren Berechnung zusätzlich analytische Formeln hergeleitet werden. Aufbauend auf die Beschreibung durch Stützvektoren wird die Formuliernung von Metriken vorgestellt, die die Bewertung einer Drohnengeometrie durch eine einzige skalare Maßzahl ermöglichen, wodurch die je nach Anwendung optimale Drohnengeometrie ermittelt werden kann. Zur Regelung des Systems aus Drohne und Manipulator wurde ein Regelungskonzept entwickelt, welches durch eine Entkopplung der Bewegungsgleichungen eine virtuelle Verschiebung des Schwerpunkts in das Drohnenzentrum realisiert und so eine präzise Regelung unabhängig von der tatsächlichen Schwerpunktlage ermöglicht. / This thesis’ subject is the geometrical design and control of a fully actuated drone, intended to be used as a flying operating-platform for a manipulator. Starting with the general geometrical description of a symmetric drone with six rotors, methods for the application specific design of a fully actuated drone are developed. Furthermore general influencing principles of geometric parameters on the forces and torques that can be generated by the drone, are pointed out. To characterize the drone's wrench-space, it is reduced to so called support vectors, which are given by the hovering thrust, the minimum guaranteed force in a horizontal direction and the minimum guaranteed torque in any direction. Additionally, analytic formulas are derived for the mentioned support vectors. Based on the description by the support vectors, a formulation of metrics is introduced, to enable the assessment of a specific drone geometry by a single scalar measure, to determine the ideal drone geometry for a specific application. Targeting the issue of controlling the flight system, consisting of the drone and the manipulator, a concept is developed that realizes a virtual dissplacement of the center of mass by decoupling the equations of motion and therby facilitates a precise control, independent of the actual location of the system's center of mass.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit, wird ein neuartiges Markierungsschema für die Festkörper-NMR-Spektroskopie vorgestellt, das sogenannte Reduced Adjoining Protonation (RAP) Schema, welches die Protonendetektion sämtlicher Aliphaten erlaubt. Hochaufgelöste, 1H-detektierte 1H,13C Korrelationsspektren wurden erhalten. Des Weiteren wurde der Vorteil von hohen MAS-Frequenzen untersucht. 1H- und 13C-detektierte 3D Zuordnungsexperimente wurden implementiert, welche uns die Zuordnung von 90% aller aliphatischen Resonanzen von alpha-Spektrin SH3 erlaubten. Da die chemische Verschiebung abhängt vom Strukturmotiv, kann sie verwendet werden, um Sekundärstruktur-Informationen abzuleiten. Darüber hinaus wurde ein 1H-detektiertes H(H)CH 3D Experiment entwickelt, um weitreichende 1H,1H Kontakte zu ermitteln, welche für die Bestimmung der Tertiärstruktur genutzt werden können. Um artefaktfreie Relaxationsdaten zu erhalten, wurde das RAP-Markierungsschema modifiziert, um 1H- und 13C-verdünnte Proben zu erhalten, in denen Spindiffusion unterdrückt ist. Für die Untersuchung von Sub-Mikrosekunden-Dynamik werden Experimente vorgestellt zur Bestimmung von 13C T1 Relaxationszeiten und 1H,13C dipolaren Kopplungstensoren für Rückgrat- und Seitenketten-Resonanzen. Des weiteren zeigen wir, dass das RAP-Markierungsschema auf nicht-kristalline Systeme, wie Amyloidfibrillen des Abeta1-40 Peptids der Alzheimer-Krankheit, angewendet werden kann. Unter Verwendung von 1H-Detektion, erhielten wir hochaufgelöste 1H,13C Korrelationsspektren. Schließlich wurde der Perdeuterierungsansatz auf den L7Ae-box C/D Protein-RNA Komplex aus P. furiosus angewendet. Wir erhielten hochaufgelöste, 1H-detektierte 1H,15N, sowie 13C,13C Korrelationsspektren des Protein-RNA Komplexes. Weiterhin haben wir eine Methode zur Bestimmung genauer Abstands- und Winkelinformationen für die Protein-RNA Schnittstelle etabliert und schlagen Ansätze vor, für die Zuordnung der chemischen Verschiebungen von RNA-Resonanzen. / In this thesis, a novel labeling scheme for solid-state NMR spectroscopy, the Reduced Adjoining Protonation (RAP) scheme, is introduced, which allows proton detection of all aliphatic sites, as shown for the microcrystalline SH3 domain of alpha-spectrin. These samples yield high-resolution, 1H-detected 1H,13C correlation spectra. In addition, the benefit of high MAS frequencies was investigated. 1H- and 13C-detected 3D assignment experiments are implemented, which allowed us to assign 90% of all aliphatic resonances of alpha-spectrin SH3. As the chemical shift is dependent on the structural motif, it can be employed to derive secondary structure information. Furthermore, a 1H-detected H(H)CH 3D experiment is introduced, to obtain long-range 1H,1H contacts, which can be used for the determination of the tertiary structure. To obtain artifact-free relaxation data, the RAP labeling scheme was modified to obtain sparsely proton labeled, 13C dilute samples, in which spin diffusion is suppressed. To probe sub-microsecond dynamics, we report experiments to determine 13C T1 relaxation times and 1H,13C dipolar coupling tensors for backbone and side chain resonances, respectively. Furthermore, we show, that the RAP labeling scheme can be applied to non-crystalline systems, such as amyloid fibrils of the Alzheimer’s disease peptide Abeta1-40. Using 1H-detection, we obtained high-resolution 1H,13C correlation spectra. Finally, we applied the perdeuteration approach to the L7Ae-box C/D protein-RNA complex from P. furiosus. We obtained high-resolution, 1H-detected 1H,15N, as well as 13C,13C correlation spectra of the protein-RNA complex. In addition, we established a methodology to determine accurate distance and angular restraints for the protein-RNA interface and propose approaches for the chemical shift assignment of RNA resonances.