Jahresbericht 2006

Institut für

Grundlagen der Elektrotechnik undElektromagnetische VerträglichkeitIGET

2006 Annual Report

Otto-von-Guericke-Universität MagdeburgFakultät für

Elektrotechnik und Informationstechnik

Jahresbericht 2006

Institut fürGrundlagen der Elektrotechnik undElektromagnetische Verträglichkeit

(IGET)

Geschäftsführender LeiterProf. Dr. rer. nat. habil. Jürgen Nitsch

Magdeburg, Februar 2007

GLIEDERUNG Vorwort

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1. Highlights 2006 5 1.1 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Günter Wollenberg im Ruhestand 5 1.2 Berufung von Dr.-Ing. Marco Leone auf den Lehrstuhl Theoretische Elekt-

rotechnik 7

1.3 Fakultätspreis an Dr.-Ing. Torsten Steinmetz 9 1.4 Habilitation von Dr. rer. nat. Frank Gronwald

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2. Personelle Besetzung des Institutes

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3. Ausstattung des Institutes 16 3.1 Lehrstühle des Institutes 16 3.1.1 Elektromagnetische Verträglichkeit und Theoretische Elektrotechnik 16 3.1.2 Theoretische und Allgemeine Elektrotechnik (bis WS 2006/2007) 16 3.1.3 Theoretische Elektrotechnik (ab WS 2006/2007) 17 3.2 Laboratorien des Institutes 18 3.2.1 Labor Grundlagen der Elektrotechnik 18 3.2.2 Labor Effekte der Elektroenergiewandlung 19 3.2.3 Labor Hochleistungsimpulstechnik 21 3.2.4 Labor Elektrobearbeitungstechnik 22 3.2.5 Labor Numerische Feldberechnung 23 3.2.6 Labor Absorberhalle 28 3.2.7 Labor GTEM-Zelle 30 3.2.8 Labor Modenverwirbelungskammer 31 3.2.9 Labor EMV-Störfestigkeit 32 3.2.10 Labor EMV-Störemission 32 3.2.11 Labor Kabel und Leitungen / Netzwerkanalyse

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4. Lehrveranstaltungen - Vorlesungen, Übungen, Laborpraktika

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5. Forschungsprojekte 39 5.1 Simulation thermisch beeinflusster Oberflächen bei der Funkenerosion 39 5.2 Prozessenergiequelle für kombinierte ED-EC-Bearbeitungsverfahren für die

Lochsenkung 42

5.3 Gepulste elektrochemische Bearbeitung von Blisk 45 5.4 Modellierung und Simulation von 3D-Verbindungsstrukturen mit der Me-

thode der partiellen Elemente 46

5.5 Über die Verbindung von axiomatischer und eichfeldtheoretischer Be-schreibung der klassischen Elektrodynamik

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5.6 Netzwerkdarstellungen von Antennen innerhalb von Resonatoren 50 5.7 Praktische Erfahrungen bei EMV-gerechten Verbesserungsmaßnahmen an

Testobjekten 53

5.8 Messung von Antennenabstrahldiagrammen 57 5.9 Experimentelle Validierung von Übertragungseigenschaften periodischer

Leitungsparameter 59

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5.10 On the theory about a lumped excitation of a vertical half-circular loop

above conducting ground 62

5.11 Macro-Modelling of Nonlinear Effects in the Reverberation Chamber under High-Frequency Excitation

65

5.12 Überprüfung der Verwendbarkeit einer Hallenfläche als Quasi-Freifeld für Messungen

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5.13 Störschwellenuntersuchungen an Einplatinen-Industrierechnern in Moden-verwirbelungskammern

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5.14 Untersuchung des elektrochemischen Abtrags mit einer zylindrischen Elekt-rode ohne Vorschub

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5.15 Quasistatische PEEC-Modelle mit Reluktanz- und Kapazitätsmatrizen zur Reduktion des Simulationsaufwandes für Anwendungen in der Leistungs-elektronik

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6. Publikationen, wissenschaftliche Veranstaltungen, Gastwissenschaftler 78 6.1 Publikationen 78 6.2 EMV–Praxis-Seminar 2006 80 6.3 Teilnahme an Fachkongressen 81 6.3.1 ICPADM 2006 in Bali 26-30 June 81 6.3.2 INSECT 2006 in Dresden 82 6.3.3 MMSS in Krakow 83 6.3.4 AMEREM 2006 in Albuquerque 84 6.3.5 Kleinheubacher Tagung 2006 85 6.3.6 CADFEM User’s Meeting 2006 86 6.4 Gastwissenschaftler 2006

Prof. Obaciu und Prof. Pisarciuc

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7. Laudatio Prof. Günter Wollenberg

Impressum

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VORWORT Sehr geehrte Freunde des Institutes, sehr geehrte Damen und Herren, auch in diesem Jahr möchten wir Sie mit unserem Jahresbe-richt über unsere Arbeit im Jahre 2006 informieren.

Unser Institut, mit zwei Lehrstühlen ausgestattet, kann auf ein sehr ereignisreiches und erfolg-reiches Jahr zurückblicken. Sowohl in der Lehre – hier zeichnet unser Institut verantwortlich für die Studienrichtung „Allgemeine Elektrotechnik“ – als auch in der Forschung haben sich viele Dinge weiter- und neu entwickelt. Der Trend rückläufiger Studienanfängerzahlen für Elektrotechnik und Informationstechnik hat sich erfreulicherweise nicht an unserer Fakultät ausgewirkt. Ihre Anzahl ist recht stabil geblieben und wir erwarten für das kommende Sommersemester einen merklichen Anstieg. Im Wintersemester 2007/2008 sollen an unserer Fakultät erstmals Bachelor Studiengänge mit mehreren Orientierungen beginnen. Die Abkehr von dem Ausbildungsziel „Diplom“ wird von einigen Kollegen, Fakultäten, Universitäten und inzwischen auch teilweise von der Industrie kritisch eingeschätzt. Wir müssen darauf achten, dass diese Anpassung an eine europäische Globalisierung für universitäre Abschlüsse letzten Endes nicht zu einer Absenkung des Aus-bildungsniveaus und Verschulung der Universitäten führt. Unsere institutsübergreifende DFG-Forschergruppe „EMV bei elektrotechnologischen Prozessen mit gepulsten Leistungen“ läuft Ende 2007 aus. Schon jetzt zeigen die vorliegen-den Forschungsergebnisse für den zweiten Förderabschnitt (von 2004/2005 bis 2006/2007), dass wir dieses umfassende DFG-Projekt mit gutem Erfolg abschließen können werden. Aber auch neue Forschungsprojekte konnten in 2006 akquiriert werden: Eine Landesstelle für drei Jahre zum Thema „Stochastische Leitungsführung in komplexen Systemen“, ebenso ein drei-jähriges vom BMVg (WTD 81, Greding) unterstütztes Projekt „Einkopplung in Linearstruktu-ren und generische Körper in Modenverwirbelungskammern“. Erwähnt sei an dieser Stelle auch schon jetzt ein ab Dezember 2006 genehmigtes, größeres BMBF-Verbundprojekt mit Universitäts- und Industriepartnern. Hierüber werden wir ausführlicher im Jahresbericht 2007 berichten. Neben den bereits im letzten Jahresbericht aufgeführten und noch laufenden Industrie-projekten und -studien runden die neu hinzugekommenen Studien mit den Firmen Bosch (Stuttgart), Uniphy Elektromedizin (Henningsdorf) und Aufträge der Deutschen Bundesstif-tung Umwelt (Bauuniversität Weimar) zu Untersuchungen zum Einsatz der Schallimpulszer-kleinerung zum lösungsmittelfreien Aufschluss von Asphalt sowie des BMVg zur Entwick-lung eines Messsystems zur Durchführung von Messungen in Modenverwirbelungskammern unsere zahlreichen Beziehungen zu Forschung und Entwicklung ab. Wesentliche Grundlage für diese breit gefächerten Forschungsbeziehungen stellt nach wie vor unsere hervorragende experimentelle Ausstattung des Institutes dar, die auch in 2006 weiter zu unserer vollen Zufriedenheit erweitert werden konnte.

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Das bereits seit mehreren Jahren durchgeführte EMV-Praxis-Seminar fand wieder im No-vember in der Experimentellen Fabrik statt. Die gute Kooperation zwischen der Universität und Industriepartnern wurde durch die Teilnahme von über einhundert Industrievertretern un-terstrichen. Inzwischen ist unsere, für Universitäten einmalige, Absorberhalle auch über die Grenzen Sachsen-Anhalts hinaus in anderen, vornehmlich neuen Bundesländern, bekannt ge-worden. Obwohl wir nur ein kleines Institut sind, können wir im Jahre 2006 immerhin auf 20 Publikationen verweisen. Besondere Erwähnung verdienen unsere vier Highlights des Jahres 2006. Herr Professor Wol-lenberg ist zum 1. Oktober 2006 in den Ruhestand getreten. Es wird einige Zeit dauern, bis wir uns im Institut an die Abwesenheit dieses einmaligen Forschers, beliebten Lehrers, ange-nehmen Menschen, von allen akzeptierten und geachteten Kollegen und Vorgesetzten ge-wöhnt haben werden. Seine Nachfolge hat nahtlos Herr Kollege Leone von der Siemens AG, München angetreten. Er besetzt jetzt den denominierten Lehrstuhl für „Theoretische Elektro-technik“. Wir heißen Herrn Leone Willkommen und wünschen ihm und seiner Familie ein gu-tes Eingewöhnen in Magdeburg und Erfolg in Lehre und Forschung. Herr Dr.-Ing. Torsten Steinmetz ist für seine Dissertation zum Thema: „Ungleichförmige und zufällig geführte Mehrfachleitungen in komplexen, technischen Systemen“ als bester Doktorand unserer Fakultät in 2006 ausgezeichnet worden. Ebenso soll erwähnt werden, dass Herr Dr. Frank Gronwald eine, an unserer Fakultät sehr selten vorkommende Qualifikation erreicht hat: die Habilitation zum Dr. rer. nat. habil. für „ Theoretische Elektrotechnik“. Seine Habilitationsschrift trägt das Thema: „Antenna Theory in Resonating Systems, Derived from Fundamental Electromagnetics“. Abschließend möchte ich allen MitarbeiterInnen unseres Institutes für ihre im Jahre 2006 ge-leistete Arbeit meinen herzlichen Dank sagen. Gleichermaßen gilt mein Dank allen Freunden und Förderern, die uns mit Projekten, Studien und Aufträgen unterstützt haben. Den Lesern dieses Jahresberichtes wünsche ich alles Gute für 2007 und eine informative und interessante Lektüre. Mit freundlicher Empfehlung

Jürgen Nitsch Magdeburg, Februar 2007

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1 HIGHLIGHTS 2006 1.1 UNIV.- PROF. DR.-ING. GÜNTER WOLLENBERG IM RUHESTAND Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Jürgen Nitsch Am 6. Oktober 2006 verabschiedete sich Herr Professor Wollenberg im Rahmen eines festli-chen Kolloquiums in den Ruhestand, der zum 1. Oktober 2006 wirksam wurde. Der Rektor der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, der Dekan der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik und der Laudator würdigten in ihren Begrüßungen und Reden das langjährige, erfolgreiche Wirken Prof. Wollenbergs in Forschung, Lehre und in der akademi-schen Selbstverwaltung mit großer Hochachtung (siehe auch Laudatio in diesem Jahresbe-richt).

Bild 1: Magnifizenz Prof. Pollmann bei seiner Grußrede an den Jubilar

Bild 2: Prof. Wollenberg nimmt die Glückwünsche von den Mitarbeitern des Institutes und ehemaligen Doktoranden (Dr. R. Zange) entgegen

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Ehemalige Doktoranden und Mitarbeiter von Prof. Wollenberg trugen mit ihren interessanten berufsbezogenen Fachvorträgen zur Gestaltung des Programms bei. Die Gäste - Kollegen der OvGU und aus anderen Städten, der Industrie und Mitarbeiter des Instituts für Grundlagen der Elektrotechnik und Elektromagnetische Verträglichkeit – konnten sich im Anschluss an die Kolloquiumsvorträge bei einem leckeren Imbiss noch ausgiebig in einer angenehmen Atmo-sphäre austauschen.

Bild 3: Das Ehrenkolloquium für Prof. Dr.-Ing. Günter Wollenberg

Mit dem Abschied Professor Wollenbergs aus dem aktiven Berufsleben verlieren die Otto-von-Guericke Universität, unsere Fakultät und unser Institut nicht nur einen außergewöhnlich kompetenten Forscher und engagierten, beliebten und hervorragenden Lehrer, der vor allem während der Umstellungsphase zu Beginn der neunziger Jahre die Weichen für die Lehrgebiete und Lehrinhalte sowie den Auf- und Ausbau unserer Fakultät mitgestaltet hat, sondern auch einen einmaligen Menschen, der durch seine positiven Charaktereigenschaften von allen Kollegen und Mitarbeitern geschätzt und geachtet wurde und wird. Sein ausgewogenes, objektives Verhalten, seine sachbezogene, ruhige Argumentation fand bei allen große Akzeptanz. Sein Rat hatte immer großen Wert. Wir bedauern das Ausscheiden Professor Wollenbergs sehr und wünschen uns, dass er noch lange mit „seinem“ Institut in enger Verbindung bleiben möge. Ihm wünschen wir alle für die bevorstehenden Jahre natürlich vor allem Gesundheit und Glück und Muße, die Dinge zu tun, für die bisher zu wenig Zeit vorhanden war.

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1.2 BERUFUNG VON DR.-ING. MARCO LEONE AUF DEN LEHRSTUHL THEORETISCHE ELEKTROTECHNIK

Dr.-Ing. Wolfgang Schätzing Hr. Prof. Leone, geboren 1966 in der Schweiz als Sohn italienischer Eltern, verbrachte einige Jahre seiner Kindheit in Italien und lebt seitdem in Deutschland. Nach seiner Schulzeit, Abi-tur und einer Lehre studierte er Elektrotechnik mit dem Schwerpunkt Allgemeine und Theore-tische Elektrotechnik an der Technischen Universität Berlin. Im Jahr 2000 promovierte er mit Auszeichnung zum Dr.-Ing. an der Technischen Universität Hamburg-Harburg mit einem Thema auf dem Gebiet der elektromagnetischen Feldberechnung bei Prof. Singer, einem in-ternational renommierten Forscher auf diesem Gebiet. Danach ging er in die Industrie, wo er zunächst bei der Siemens AG in Erlangen in der zentralen Forschungsabteilung Corporate Technology als Senior Engineer an der Entwicklung von Analyse- und Simulationsverfahren zur Untersuchung der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) elektronischer Systeme arbeitete.

Danach wechselte er innerhalb des Unternehmens in den operativen Bereich nach München als Teamleiter im Center for Quality Engineering, wo er die Leitung von Entwicklungsprojek-ten bezüglich des EMV-gerechten Designs übernahm. Im Sommer 2006 erhielt er dann den Ruf auf die W3-Professur Theoretische Elektrotechnik an der OvG-Universität Magdeburg und ist seit WS06/07 im Amt. Er ist verantwortlich für die gleichnamige Vorlesung, sowie für Grundlagen der Elektrotech-nik III, die beide für einen großen Teil der Studenten der Elektrotechnik und benachbarter Studiengänge Pflicht sind. Weitere Vorlesungen sind Theorie elektrischer Leitungen, Grund-lagen der numerischen Feldberechnung und EMV-gerechtes Systemdesign. Seine Neigung zur Lehre entdeckte er bereits während seiner Assistentenzeit, in der er für die Übungen zur Vorlesung Theoretische Elektrotechnik zuständig war. Weitere Lehrtätigkeit folgte dann im industriellen Umfeld in Form von Workshops und Seminaren, sowie im Rah-men eines Lehrauftrags an der FH-Nürnberg. Als eine besondere Aufgabe sieht Prof. Leone, die Studenten behutsam und Schritt für Schritt in das spannende Gebiet der elektromagnetischen Felder einzuführen und dabei mathematisch abstrakte und komplexe Sachverhalte möglichst transparent zu vermitteln. Dabei darf bei aller Gründlichkeit in der Theorie der Bezug zur ingenieurmäßigen Anwendung nicht aus den Au-

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gen verloren werden. Hierbei lässt er sich von dem Grundsatz leiten "Anwendung ohne Theo-rie ist blind, Theorie ohne Anwendung ist leer". Schwerpunkt seiner Forschung ist die Weiterführung und der Ausbau seiner bisherigen er-folgreichen Arbeit auf dem Gebiet der elektromagnetischen Analyse und Simulation komple-xer elektronischer Systeme. Insbesondere in bezug auf die Modellierung und die Lösung des Problems der parasitären elektromagnetischen Abstrahlung von elektronischen Baugruppen ist Prof. Leone ein international anerkannter Wissenschaftler. Dieses Fachgebiet ist für zu-künftige Entwicklungen wie z.B. in der Automobil- und Medizinelektronik angesichts stei-gender Verarbeitungsgeschwindigkeiten und Integrationsdichte zunehmend wettbewerbsent-scheidend, da Geräte, die entsprechende gesetzliche Grenzwerte überschreiten, nicht für den Markt zugelassen werden können. Mit heutigen Simulationsverfahren sind zwar Teilaspekte berechenbar, jedoch ist man noch lange nicht in der Lage reale Problemstellungen in ihrer ganzen Komplexität zu behandeln. Seine Vision ist, hier, mittels ganz neuer Ansätze die Grundlagen für künftige Entwicklungswerkzeuge zu schaffen.

Bild 2: Prof. Leone und Prof. Nitsch im Kreise der Mitarbeiter des IGET Prof. Leone ist Autor und Koautor von über 60 Publikationen, wovon mehrere ausgezeichnet wurden. Er ist Senior Member des Institute of Electrical and Electronics Engineers und Mit-glied in der EMC und Advanced Packaging Society. Ferner ist er Mitglied in Kongress- und Zeitschriftenkomitees und aktiv im German EMC-Chapter tätig, wo er die Arbeitsgruppe für numerische Verfahren leiten wird. In seiner wenigen Freizeit widmet er sich seiner Frau und seinen beiden kleinen Kindern (8 und 4 Jahre). Er hört gern klassische Musik, spielt Gitarre, fährt gern Fahrrad und freut sich als Neu-Magdeburger, in der nächsten Zeit mit seiner Familie die nähere Umgebung zu er-kunden.

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1.3 FAKULTÄTSPREIS AN DR.-ING. TORSTEN STEINMETZ Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Jürgen Nitsch Auch in diesem Jahr ging der Fakultätspreis für die beste Promotion an unserer Fakultät an einen wissenschaftlichen Mitarbeiter in unserem Institut. In einem großen akademischen Festakt wurde er in der Johanniskirche am 23. November 2006 an Herrn Dr.-Ing. Torsten Steinmetz verliehen. Gäste aus Wissenschaft, Kultur und Wirtschaft nahmen an dieser Veran-staltung teil. Das Thema der Dissertation lautet: “Ungleichförmige und zufällig geführte Mehrfachleitungen in komplexen, technischen Systemen“.

Bild 1: Der Dekan Prof. Kienle überreicht Dr. Steinmetz die Urkunde und der Rektor beglückwünscht ihn mit einem Blumenstrauß

Herr Steinmetz studierte in der Zeit von 1991 bis 1997 Elektrotechnik an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. Seine Diplomarbeit auf dem Gebiet der „Funkenerosiven Senkarbeit“ schloss er mit der Note „sehr gut“ ab. Sie wurde mit dem Preis des VDE-Bezirksvereins Sachsen-Anhalt „Herausragende Diplomarbeiten 1998“ ausgezeichnet. Wäh-rend seiner Studienzeit absolvierte Herr Steinmetz noch zwei mehrmonatige Praktika: Das erste am Het Oogziekenhuis Rotterdam, das zweite an der PTB in Braunschweig im Labor „Elektromagnetische Felder“. Bereits hier erkennt man, dass Herr Steinmetz sein Ingenieurs-studium recht breit gefächert angelegt hat, so dass ihm der Eintritt in meine Arbeitsgruppe Ende 1997 mit den Forschungsschwerpunktsgebieten „Elektromagnetische Phänomene“ und „Elektromagnetische Verträglichkeit“ keine Schwierigkeit bereitete. Deshalb konnte er auch mit einem ehrgeizigen und schwierigen Problem als Thema für seine Doktorarbeit beginnen: „Ungleichförmige und zufällig geführte Mehrfachleitungen in komplexen technischen Syste-men“. Diese Aufgabe hat er mit Bravour gelöst. Die Ergebnisse werden in der Industrie für die EMV-Analyse eine bedeutende Rolle spielen. Ein „Best Paper Award“ auf dem EMV-Kongress in Düsseldorf unterstreicht diese Aussage.

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In seiner Dissertation entwickelt Herr Steinmetz Methoden, mit denen die Leitungsgleichun-gen für ungleichförmige Mehrfachleitungen effizient gelöst werden und diese Ergebnisse in topologischen Netzwerken von Verkabelungsstrukturen zur Analyse der für die EMV relevanten Ausbreitungsvorgänge eingebaut werden können. Durch die vorgestellten Verfahren und die angegebenen Transformationsvorschriften ist eine ausführliche deterministische Analyse der EMV von komplexen Verbindungsstrukturen möglich. Darüber hinaus wird in der Dissertation eine analytische, stochastische Theorie zur Beschreibung zufällig geführter, ungleichförmiger Mehrfachleitungen entwickelt, die es ermöglicht, statistische Kenngrößen wie Mittelwerte, Varianzen und Kovarianzen vorherzusagen. Die erlangten Ergebnisse werden zukünftig von großer Bedeutung sein, wie z.B. in der Automobilindustrie. In unserem Institut hat Herr Steinmetz sehr praktische, aber auch theoretisch sehr anspruchs-volle Aufgaben bearbeitet und gelöst. Das bezieht sich auf die Herstellung von Sensoren für elektromagnetische Felder im Gigahertz-Bereich, komplizierte Einkopplungsmessungen an realistischen Flugzeugflügeln am WIS in Munster (unter dem EMP Simulator) ebenso wie die statistische und numerische Berechnung von elektromagnetischen Störungen in komplexen Kabelbündeln, die in realen Systemen verlegt sind (CRIPTE Code, MoM, CONCEPT, etc.). Hierbei wurden als Störquellen Hochleistungsmikrowellen-Quellen und Ultra-Breitband-Antennen herangezogen.

Bild 2: Urkunde „Fakultätspreis 2006“ für Dr. Torsten Steinmetz

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Neben der Erweiterung seiner fachlichen Kompetenzen, auch im engen Kontakt mit der Industrie, hat Herr Steinmetz am Lehrstuhl ein sehr leistungsfähiges Großrechnernetz aufge-baut, hat im großen Umfang an weitgefächerten Forschungsarbeiten sehr erfolgreich mitge-wirkt, sich in der Lehre eingesetzt, Studenten in Praktika angeleitet und mehrere Diploman-den wissenschaftlich betreut. Er war bei der Abfassung von Drittmittelanträgen und der Orga-nisation von wissenschaftlichen Partnerschaften wesentlich beteiligt. Herr Steinmetz ist ein hervorragender, initiativer Wissenschaftler, der gleichermaßen Praxis und Theorie miteinan-der zu einem funktionierenden Gesamtergebnis zu verbinden vermag. Er hat sehr originelle Ideen, ein scharfes, kritisches Analysevermögen und eine sehr breitgefächerte und fundierte Ausbildung. Er hat seine Arbeiten stets sehr kooperativ, selbstständig, zielorientiert und ge-radlinig erfolgreich abgeschlossen. Seine Teamfähigkeit und seine herausragenden Fähigkei-ten zur fachlichen Anleitung waren dabei ebenso von entscheidender Bedeutung wie sein Durchsetzungsvermögen und seine Belastbarkeit. Er ist ein besonders angenehmer Mitarbei-ter mit hoher Urteils- und Kommunikationsfähigkeit und war stets äußerst kooperativ und so-zial gegenüber den Mitarbeitern und Studenten eingestellt. Mit Herrn Steinmetz hat uns einer meiner besten Mitarbeiter verlassen, der aufgrund seiner fachlichen Kompetenz und seiner Charaktereigenschaften für die späteren Aufgaben die bes-ten Voraussetzungen besitzt. Für seine Arbeit in der Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr in München wünschen wir ihm viel Erfolg.

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1.4 HABILITATION VON DR. RER. NAT. FRANK GRONWALD Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Jürgen Nitsch Neben Juniorprofessur und industrieller Forschungstätigkeit existiert an deutschen Hochschu-len die Habilitation als postdoktoraler und wissenschaftlicher Qualifizierungsweg. In den in-genieurtechnischen Disziplinen wird dieser Weg, im Vergleich zu anderen Fachdisziplinen, relativ selten beschritten. Entsprechend wurden innerhalb unserer hiesigen Fakultät seit 1990 bisher zwei Habilitationen durchgeführt. Es hat uns sehr gefreut, dass in diesem Jahr unser Mitarbeiter Dr. Frank Gronwald diesen Arbeiten eine dritte Habilitation hinzugefügt hat. Den Weg zu diesem Abschluss wollen wir im Folgenden ein wenig Revue passieren lassen. Nachdem Herr Gronwald innerhalb der Theoretischen Physik auf einem recht abstrakten Ge-biet der Gravitationsphysik bei Herrn Prof. Friedrich W. Hehl an der Universität zu Köln pro-moviert hatte, fand er im Jahre 1998 in Magdeburg an dem damaligen Institut für Elektro-technik und Leistungselektronik (IELE), dem Vorläufer der heutigen Institute IGET und IE-SY, am Lehrstuhl von Herrn Prof. Jürgen Nitsch ein neues wissenschaftliches Zuhause. Dort arbeitete er sich zunächst in die Grundlagen der Elektrotechnik und das Gebiet der Elektro-magnetischen Verträglichkeit (EMV) ein. Erste Arbeiten entstanden im Zusammenhang mit ungleichförmigen Leitungen, in denen elektromagnetische Eigenschaften mit differentialgeo-metrischen Größen verknüpft wurden. Im Rahmen eines Drittmittelprojektes wurde Herr Gronwald dann an das sogenannte Innere Problem der EMV herangeführt. Profitieren konnte er während dieser Zeit von der Zusam-menarbeit mit Herrn Dr. Sergey Tkachenko, der seit 1999 auch am Lehrstuhl von Herrn Prof. Nitsch arbeitet und bereits vorher an dieser Thematik forschte. Eine adäquate Behandlung des Inneren Problems der EMV erfordert tiefgreifende physikalische und mathematische Kennt-nisse und stellt daher für einen gelernten theoretischen Physiker ein dankbares und faszinie-rendes Betätigungsfeld dar. Es werden dort elektromagnetische Kopplungen zwischen Stör-quellen und Störsenken betrachtet, die sich nicht im freien Raum, sondern innerhalb resonie-render Umgebungen ausbilden können. Die hervorragenden Arbeitsbedingungen am IGET haben es Herrn Gronwald stets ermöglicht, wertvolle Kontakte mit in- und ausländischen Wissenschaftlern zu pflegen. Besonders erwäh-nenswert sind dabei zahlreiche Besuche des immer diskussionsbereiten Herrn Prof. Dr. Dr. Carl E. Baum aus Albuquerque, USA, bei uns in Magdeburg. Weitere Impulse gab es von Herrn Prof. Dr. Nikolay Korovkin und Frau Prof. Dr. Elena Solovieva aus St. Petersburg in Russland, die längere Aufenthalte am IGET ermöglichen konnten. Darüber hinaus hat sich Herr Gronwald selber im Rahmen von zahlreichen Konferenzteilnahmen international be-kannt gemacht, bei denen ihm insgesamt drei „Young Scientist Awards“ und zwei „Best Ba-sic Paper Awards“ verliehen wurden. Als besonders schöne Aufgabe hat er es empfunden, ab dem Jahr 2002 als Botschafter für die „European Electromagnetics (EUROEM) Conference“ fungieren zu können, die im Jahre 2004 mit großem Erfolg in Magdeburg veranstaltet wurde. Seine rein wissenschaftlichen Tätigkeiten hat Herr Gronwald durch verschiedene Gremienar-beiten ergänzt. Er ist im IEEE German EMC Chapter als Senior Member im Vorstand aktiv und wurde hierfür mehrfach ausgezeichnet. Darüber hinaus ist er stellvertretender Vorsitzen-der der deutschen Abteilung der International Union of Radio Science (U.R.S.I.), Commission E „Electromagnetic Noise and Interference“ und hat auch einige Jahre als Mitglied unseres Fakultätsrates fungiert.

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Innerhalb der Lehre wurde am IGET durch Herrn Gronwald die Vorlesung „Numerische Me-thoden der Feldberechnung“ etabliert. Diese Vorlesung ist ein Pflichtfach für die Studienrich-tung „Allgemeine Elektrotechnik“, sie wird aber auch von Studentinnen und Studenten ande-rer Studien- und Fachrichtungen gerne gehört. Daneben wurde an unserer Fakultät die wichti-ge Grundlagenausbildung der Elektrotechnik in den vergangenen Jahren von Herrn Gronwald wesentlich durch Vorlesungen, Übungen und Praktika unterstützt. Auf Grundlage von mehr als fünfzig eigenen Publikationen hat Herr Gronwald die englisch-sprachige Habilitationschrift „Antenna Theory in Resonating Systems derived from Funda-mental Electromagnetism“ verfasst. Diese Arbeit kombiniert Konzepte von Antennentheorie und Mikrowellentheorie miteinander, um einen geeigneten Rahmen zur Behandlung des Inne-ren Problems der EMV zu entwerfen. Sie ist ein hervorragendes Beispiel für eine Verbindung zwischen sehr fundamentalen Eigenschaften der klassischen Elektrodynamik und elektrotech-nischer Anwendung.

Bild 1: Ein Ergebnis von achtjähriger Forschungs- und Lehrtätigkeit am IGET:

Die Habilitationsurkunde von Herrn Frank Gronwald

Nach einem Habilitationskolloquium und einer öffentlichen Vorlesung wurde Herrn Gron-wald schließlich die in Bild 1 gezeigte Habilitationsurkunde überreicht. Sie markiert einen hochqualifizierenden und nicht alltäglichen Abschluss. Wir wünschen uns für Herrn Gron-wald, dass er mit diesem Abschluss auch weiterhin mit viel Freude und Enthusiasmus in For-schung und Lehre erfolgreich tätig sein wird.

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2. DIE PERSONELLE BESETZUNG DES INSTITUTES INSTITUTSVORSTAND: Dr. rer. nat. Hans Georg Krauthäuser Univ.-Prof. Dr.-Ing. Marco Leone Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Jürgen Nitsch INSTITUTSLEITER: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Jürgen Nitsch HOCHSCHULLEHRER: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Marco Leone Professur THEORETISCHE ELEKTROTECHNIK

Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Jürgen Nitsch Professur ELEKTROMAGNETISCHE VERTRÄGLICHKEIT UND THEORETISCHE ELEKTROTECHNIK Univ.-Prof. i.R. Dr.-Ing. Günter Wollenberg SEKRETARIAT: Frau Susan Kassebaum

OBERASSISTENTEN: Dr. rer. nat. Hans Georg Krauthäuser Dr.-Ing. Wolfgang Schätzing

Dr.-Ing. Heinz-Peter Scheibe

WISSENSCHAFTLICHE MITARBEITER / MITARBEITERINNEN:

Dr.-Ing. Moawia Al-Hamid Dipl.-Ing. Dirk Borkenhagen1

PD Dr. rer. nat. habil. Frank Gronwald Dipl.-Ing. Petra Knauff Dr.-Ing. Uwe Knauff Dr.-Ing. Sergey V. Kochetov Dipl.-Ing. Sven Plate1 Dr.-Ing. Hans-Jürgen Scheibe Dr.-Ing., Dipl.-Phys. Hans-Peter Schulze Dipl.-Ing. Steffen Schulze Dipl.-Ing. Torsten Steinmetz2 Dipl.-Ing. Sven Thamm Dr. rer. nat. Sergey V. Tkachenko Dipl.-Ing. (FH) Hans-Jürgen Trautmann STIPENDIATEN/FREIBERUFLICHE MITARBEITER Dipl.-Ing. Stephan Burkert Prof. Dr. rer. nat. Elena Solovyeva Dr. –Ing. Wolfgang Weinert TECHNIKER: Dipl.-Ing. Stefan Matzen2 1 im Jahr 2006 eingestellt 2 zeitweise 2006

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WERKSTOFFLABOR/ HS-VIDEOTECHNIK: Dipl.-Ing. Katharina Mecke* LEITERPLATTENLABOR/ RECHNERNETZ: Dipl.-Ing. Uwe Göranson* BIBLIOTHEK/ REPROTECHNIK: Frau Elke Schwarz* ÖKONOMIE: Dipl.-Lehrerin Stephanie Schüßler WERKSTATT: Jens-Uwe Schulz (Meister)* Lothar Griep Ulrich Fruhnert Bernd Hoppe*

Marco Neumann (Auszubildender)

Benjamin Werner (Auszubildender) Thomas Ebert (Auszubildender) Marie Spitschan (Auszubildende) * gemeinsam mit dem Institut für Elektrische Energiesysteme IESY.

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3. DIE AUSSTATTUNG DES INSTITUTES3.1 LEHRSTÜHLE DES INSTITUTES3.1.1 Elektromagnetische Verträglichkeit und Theoretische Elektrotechnik

Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Jürgen Nitsch

- Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) komplexer technischer Systeme (Erweiterung derLeitungstheorie für Mehrfachleitungen unter Einbeziehung der Abstrahlung und inhomogener(realer) Leitungsführungen, Elektromagnetische Topologie: Überführung komplexer Systemein Netzwerkstrukturen, EMV-Messungen an komplexen technischen Systemen)

- Testumgebungen für gestrahlte EMV-Tests (Grenzen und Möglichkeiten des Einsatzes vonModenverwirbelungskammern (MVK), Vergleich von MVK mit Absorberhallen und GTEM-Zellen)

- Numerische Simulation elektromagnetischer Probleme (Integration verschiedener numerischerVerfahren, Entwicklung neuer Verfahren, Untersuchungen zur Parallelisierbarkeit numerischerVerfahren)

- Identifizierung und Klassifizierung von Objekten in homogenen und inhomogenen Dielektrika(Auffinden und Identifizieren vergrabener Objekte, z.B. Landminen, mit Hilfe von GPR(ground penetrating radar) und UWB (ultra wide band radar) sowie Klassifizieren von Flug-fahrzeugen, Weiterentwicklung der Empfangstechnik und der Mustererkennung)

- Wirkung elektromagnetischer Felder auf biologische Systeme (Wirkung der Felder auf im-plantierte Herzschrittmacher, nicht-thermische Wirkungen transienter Felder)

3.1.2 Theoretische und Allgemeine ElektrotechnikUniv.-Prof. Dr.-Ing. Günter Wollenberg (bis WS 2006/2007)

- Technologische Nutzung elektrischer Impulse und Entladungen

Analyse und Modellierung von Energiewandlungsprozessen wie Elektroerosive Bearbeitung(EDM), Elektrochemische Bearbeitung (ECM), Elektrohydraulischer Effekt (EHE), Elekt-romagnetischer Effekt (EME), Partikelseparation auf Basis elektrischer oder magnetischerFelder.

Elektrische, elektronische und steuerungstechnische Komponenten zur Qualifizierung der o.g.Verfahren.

- Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Modellbildung und Analyse von Verbindungsstrukturen – Methode der partiellen Elemente(PEEC) und Kopplung von PEEC und Leitungsmodellen

EMV-Analyse ausgewählter elektrotechnologischer Impulsprozesse – Modellbildung, Simu-lation, Messungen, Maßnahmen zur Sicherstellung der EMV

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3.1.3 Theoretische ElektrotechnikUniv.-Prof. Dr.-Ing. Marco Leone (ab WS 2006/2007)

Weiterentwicklung der Mittel und Methoden der Theoretischen Elektrotechnik zur Modell-bildung, Simulation und Analyse des elektromagnetischen Verhaltens von elektronischenKomponenten und Systemen bei hohen Frequenzen und schnellen Transienten.

Forschungsschwerpunkte

• Analyse und Simulation der Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) von Aufbau- undVerbindungsstrukturen, wie z.B. Ein- und Abstrahlungsphänome, sowie funktionale As-pekte (Signalintegrität, innere EMV)

• Weiterentwicklung der Methode der partiellen Elemente (PEEC): Stabilitätsaspekte,Modellreduktionsverfahren

• Integration von Rechenverfahren auf unterschiedlichen Beschreibungsebenen für diepraktische Simulation komplexer Systeme

• Nichtlinearitäten in elektromagnetischen Feldern und Netzwerke• Innovative technische und technologische Nutzung elektromagnetischer Phänomene

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3.2 LABORATORIEN DES INSTITUTES3.2.1 Labor Grundlagen der Elektrotechnik

Im Labor Grundlagen der Elektrotechnik werden grundlegende praktische Erkenntnisse und Erfah-rungen beim Einsatz moderner Mess-, Simulations- und Auswertetechnik vermittelt. Es stehen imdritten und vierten Semester 19 verschiedene Praktikumsversuche (je 3 Std. Dauer) zur Verfügung.Praktikumsziel ist es, die Kenntnisse zu vertiefen über:

v Messgeräte, Messfehler und Messbereichserweiterungen;v Zusammenhänge und Wirkungsgrade bei der Umformung elektrischer Energie;v das unterschiedliche Strom- Spannungs-Verhalten ausgewählter Zweipole;v Gesetzmäßigkeiten ebener Felder und der bestehenden Analogiebeziehungen zwischen e-

lektrostatischen, magnetostatischen und stationären elektrischen Strömungsfeldern; Prinzipund Leistungsvermögen des elektrolytischen Troges;

v Grundgesetze des magnetischen Kreises und messtechnische Erfassung der Größen mag-netische Feldstärke, magnetischer Fluss und magnetische Flussdichte;

v Aufbau, Wirkungsmechanismen, Beschreibungsmöglichkeiten und Betriebsverhalten desTransformators als Energiewandler bzw. Übertrager;

v Strom-, Spannungs- und Leistungsverhältnisse in Drehstromsystemen;v Brückenschaltungen, ihre Betriebsarten und Anwendungen;v elektrische Resonanzerscheinungen; Ausgleichsvorgänge in linearen Netzwerken bei

Gleich- und Wechselspannungsspeisung; Zweipoltheorie und deren Anwendung; Kon-struktion, Inversion und Anwendung von Ortskurven; lineare passive Vierpole; Behandlungvon Stromkreisen mit nichtlinearen Bauelementen;

Bild 3.1: Labor Grundlagen der Elektrotechnik

Ansprechpartnerin:Dipl.-Ing. Petra KnauffWerner-von-Siemens-Gebäude, 09-231Tel.: 0391-67-12211 e-mail: petra.knauff@et.uni-magdeburg.de

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3.2.2 Labor Effekte der Elektroenergiewandlung

Das Labor Effekte der Elektroenergiewandlung besteht aus Versuchskomplexen, die an Forschungs-anlagen durchgeführt werden bzw. die speziell für dieses Labor konzipiert sind. Die Vorgabe derSemesterwochenstunden für dieses Praktikum erlaubt es, dass vier Versuche je drei Stunden durchdie Studenten und ein Versuch als Demonstrationsversuch mit Kolloquium durchgeführt werden.Der Versuchskomplex zur Funkenerosion (siehe auch Labor Elektrobearbeitungstechnik) kannan drei grundlegenden Anlagen (Senkbearbeitung – exeron 302K, siehe Bild 3.3 , Drahterosion –C510 Hitachi und Mikro-EDM - Eigenbau) erfolgen. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Varia-tion bzw. im Vergleich von Prozessenergiequellen. Für die Studenten des WS 2006/2007 wird eineED-Senkbearbeitung mit statischem Impulsgenerator und Analyse der Prozessstabilität an Hand dergemessenen u- und i-Verläufe durchgeführt.

Ein zweiter Versuchskomplex umfasst die Hochleistungsimpulstechnik. Mit den Versuchenelektrohydraulischer Effekt (EHE), elektromagnetischer Effekt (EME) und Impulsschallwandlung(ISW, siehe Bild 3.2 ) sind drei Varianten der Praktikumsführung möglich. In Absprache mit demPraktikum Hochspannungstechnik (Versuch EHE) wurde 2006 der Versuch EME durchgeführt.Zum Versuch existiert ein spezielles Vorbereitungsmaterial.

Bild 3.2 : Labor Effekte der Elektroenergiewandlung - Impulsschallwandlung

Der dritte Versuchskomplex beinhaltet die Effekte in Elektrolyten (EIE). Die ausgewähltenVersuche sind dem Inhalt der Vorlesung angepasst und behandeln vorrangig die elektrochemischeBearbeitung, die Galvanik und die Elektrolyse. Der Versuch EIE lässt eine wesentlich größere Varia-tion zu, als im Versuchszeitraum abgearbeitet werden kann, daher die Beschränkung auf die Vorle-sungsschwerpunkte.

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Der vierte Versuchskomplex umfasst die thermoelektrischen Effekte (TEE). Mit der Bestim-mung der Seebeck- und Peltier-Koeffizienten und einem Anwendungsfall als Thermogenerator bzw.Wärmepumpe werden die wesentlichen Grundlagenkenntnisse gefestigt. Der Versuchsaufbau lässtverschiedene Variationen zu, insbesondere für die praktischen Nutzungen. Zum Versuch existiert einspezielles Vorbereitungsmaterial.

Bild 3.3 : Funkenerosion – Mit Singlepuls-Energiequelle anserieller Senkanlage exeron 203K

Der Versuchskomplex fünf, elektrische und magnetische Separationsverfahren (Koro-nawalzenscheider – KWS), wird momentan als Demonstrationsversuch gefahren. Für einen direktenVersuchsablauf mit Kennlinienermittlung ist ein Zeitaufwand von größer vier Stunden notwendig.Der Versuchskomplex sechs, Elektro- und Magnetostriktion – MES, ist momentan im Neu-aufbau, wird aber nicht vor 2008 in die Versuchsauswahl aufgenommen werden können.

Im Wintersemester 2006/2007 wurden die Versuche Funkenerosion, Elektromagnetischer Effekt,Effekte in Elektrolyten, Thermoelektrische Effekte und Koronawalzenscheider angeboten.

Ansprechpartner:Dr.-Ing., Dipl.-Phys. Hans-Peter SchulzeWerner-von-Siemens-Gebäude, 09-218Tel.: 0391-67-12944e-mail: hans-peter.schulze@et.uni-magdeburg.de

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3.2.3 Labor Hochleistungsimpulstechnik

Anhand von Versuchen zu ausgewählten Problemen der technologischen Nutzung von Effekten derUmwandlung elektrischer Energie in andere Energieformen werden Anforderungen an dazu notwen-dige Einrichtungen zur verfahrensspezifischen Energiebereitstellung abgeleitet.

Bild 3.4: Prüfzelle Elektrohydraulischer Effekt

Dabei werden die Bereitstellung hoher Spannungen und hoher Ströme sowie damit verbundener Auf-gabenstellungen der betriebstechnischen Beanspruchung elektrischer Geräte und Anlagen behandelt.Dazu stehen folgende spezielle Laborversuchskomplexe bereit:

v Anlage zur Magnetimpulsbearbeitung (W0 = 10 kJ; .magnp̂ = 80 MPa) (Nutzung des e-lektromagnetischen Effektes zum Fügen durch Umformen)

v Anlage zur Leistungsschallimpulsbearbeitung (W0 = 2 x 5 kJ; p̂ = 240 MPa) (Nutzung deselektrohydraulischen Effektes zum Stoffrecycling mittels Aufschlusszerkleinerung bzw. zurStoffeigenschaftsänderung)

Für messtechnische Aufgaben stehen folgende spezielle Geräteeinheiten zur Verfügung:

v Vierkanaloszilloskope (bis 1 GHz; bis 10 GS/s)v Hochspannungstastköpfe (Û = 40 kV/ 75 MHz; 80 kV / 1 MHz)v Hochstromsonden (bis 500 kA / 1,2 MHz)v Hochdruckmesstechnik (bis 600 MPa / > 240 kHz)v Div. DV-Technik zur automatischen Datenerfassung und –verarbeitung

Ansprechpartner:Dr.-Ing. Heinz-Peter ScheibeWerner-von-Siemens-Gebäude, 09-224Tel.: 0391-67-11086 e-mail: heinz-peter.scheibe@et.uni-magdeburg.de

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3.2.4 Labor Elektrobearbeitungstechnik

Das Labor Elektrobearbeitungstechnik beinhaltet drei wesentliche Verfahren der Materialbearbei-tung, die Funkenerosion/Lichtbogenerosion (EDM, ADM), die elektrochemische Ma-terialbearbeitung (ECM) und die hybriden Verfahren mit den Bestandteilen EDM, ADModer ECM.

Bild 3.5: Versuchsplatz zur Grundlagenforschung hybrider Bearbeitungsverfahren

Die vier Basisanlagen in dem Labor sind eine Senkerosionsanlage exeron 203 K, eine Drahterosi-onsanlage C510 Hitachi, eine Versuchsanlage für Mikrobearbeitung und eine Versuchseinrichtungfür Einzelpulsuntersuchungen und Hochgeschwindigkeitsaufnahmen. Für die Grundlagenuntersuchun-gen in der Forschung und die Laborpraktika in der Lehre stehen die modernsten Prozessenergie-quellen für die obengenannten Bearbeitungsverfahren zur Verfügung. Im Speziellen sind das :

v Prozessenergiequelle mit hoher Stromkonstanz für das ED-Senken (modular 135 A, 250µs, speziell für Bearbeitung elektrisch schlechtleitender Werkstoffe - Keramik) – Umbauneue Prozesssteuerung;

v Bipolare Prozessenergiequelle für das ED-Senken (20 A/50 A, 100 µs, Versuchsanlage

v Nadelpuls-Prozessenergiequelle für Senk- und Drahterosion (modular, bis 400 A, von500 ns, flexible Versuchsanlage für die Grundlagenforschung);

v Nadelpuls-Prozessenergiequelle für Mikrobearbeitung (modular, bis 100 A, von 300 nsbis 3000 ns, Versuchsanlage mit neuen Leistungsstufen);

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v Nadelpuls-Prozessenergiequelle für Mikrobearbeitung (bis 25 A , von 100 ns bis 200ns, spezielle Entwicklung auf einer Leiterkarte inklusive Prozessanalyse, geeignet fürspaltnahe Anordnungen der Energiequelle);

v Hochstrom-Prozessenergiequelle für ED-, EC- und Hybrid-Bearbeitung (bis 400 A, op-timierte Schaltungskonzeption mit industriellen Stromquellenmodulen, zusätzlicheBooster-Einheiten lassen maximale Arbeitsströme bis 1200 A zu);

v Hochstrom-Prozessenergiequelle für hybride ED-/EC-Bearbeitung (bis 1200 A, modu-lar, Pulszeiten 1µs bis 6 s, Anschlussleistung 125 kVA, momentan 400 A nutzbar – IM-TEK Freiburg i. Br.);

v Hybride Prozessenergiequellen für Mikrobearbeitung mit dem hybriden ECDM-Verfahren (50 A, Pulszeiten von 10 µs bis 10000 µs, Arbeitsspannung von 20 bis 99 V)– z.Z. Versuchanlage beim Forschungspartner IOS Krakow;

v Single-Puls-Energiequelle mit Synchronisationsinput (50 A, 500 V, 20 µs) für Grundla-genuntersuchungen mit Einzelimpulsen und definierten Impulsfolgen – im März 2007 ein-setzbar;

v Gepulste EC-Prozessenergiequelle (800 A, 100 V, ab 50 µs) für EC-Präzisionsbearbeitung – z.Z. beim Forschungspartner in Nürnberg (z.Z. in IMTEK Frei-burg i. Br.).

Für die messtechnischen Aufgaben stehen uns folgende Geräte zur Verfügung:

v Zwei- und Vierkanal-Oszilloskope (200 MHz bis 1 GHz; 500 MS/s bis 4GS/s) der Fir-ma Tektronix mit Strommesssystemen von 20 A bis 500 A, Hochspannungsmessprobs,Differentialprobs und eigene entwickelte Strommesssysteme für höhere Frequenzberei-che;

v Wide Band Power Analyser 6100/6200 (Norma);v Digitalkamera;v Stromversorgungseinheiten (Heinzinger PTN 250-10, Lambda EMI ESS 500-20, EA-

400-3, EA-PS 5032-10 Konstantstrom bzw. Konstantspannung)v Arbitrary-Funktionsgenerator;v Digitizer;v Programmier-Kits für PLD und µ-Prozessoren;v Video-Camerasystem (KODAK);v Druckmesssystem, Messsysteme für Temperatur, elektrische Leitfähigkeit, pH-Werte;v Mess-Equipment für Mikrobearbeitung und Einzelpulsentladungen.

Neben den Experimentierfeldern ist ein Teil des Labors ausgestattet mit Arbeitsplätzen zur Schal-tungsentwicklung und Funktionsanalyse mit speziellen Lastwiderständen.In einem dritten Laborteil befindet sich moderne Rechentechnik, mit der Schaltungssimulationen undFEM-Simulationen durchgeführt bzw. Leiterkarten-Layouts entwickelt werden können. Ebenso sindentsprechende Programme zur Messdatenaufbereitung und -auswertung vorhanden, die insbeson-dere durch die studentischen Hilfskräfte genutzt werden.Ein spezieller Laborraum, ausgestattet mit 160 kVA Anschlussleistung, Punktabsaugsysteme, Ver-dunkelung und speziellen Arbeitstischen für µPECM-Forschung ist vorhanden.

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2006 sind insgesamt fünf Forschungsprojekte bearbeitet worden, wobei es sich um eine Teilaufgabeaus der DFG-Forschergruppe 417, LuFoIII-Projekt zur EC-Bearbeitung von Blisks und drei In-dustrieaufträge handelte.

Bild 3.6: Untersuchungen spezieller Arbeitsflüssigkeiten an einer exeron 302K

Themen der Grundlagenforschung sind:

v Die Durchschlagsmechanismen in Dielektrika und Elektrolyten und die Einflüsse ver-schiedener alicyclischer und aromatischer Additive (IEEE, DEIS),

v Die Gasblasenbildung unter verschiedenen Pulsbedingungen bei der Funkenerosion undder elektrochemischen Bearbeitung (IEEE, DEIS),

v Die Impedanzspektroskopie für verschiedene Arbeitsflüssigkeiten und Elektrodenanord-nungen für die Funkenerosion im Frequenzbereich bis 10 MHz (IEEE, IM),

v Die Entwicklung von Messsystemen zur Untersuchung synchronisierter Signale bei elekt-rischen Einzelentladungen (IEEE, DEIS/IM),

v Die Entwicklung von Prozessenergiequellen für die funkenerosiven, die elektrochemi-schen und die hybriden Bearbeitungsverfahren,

v Die Entwicklung von Vorschubsystemen für EDM, ECM und ECDM in Verbindung mitden neuentwickelten Prozessenergiequellen,

v Die Analyse von Prozessphasen und Effekten der EDM, ECM und ECDM zur Verbes-serung der Signalanalyse und der Prozesssteuerung (IEEE, IM),

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v Krater- und Oberflächenmorphology von funkenerosiv, elektrochemisch oder hybrid be-arbeiteten Oberflächen und Rückschlüsse auf die Prozessparameter,

v Die Entwicklung von hybriden Bearbeitungsverfahren für spezielle Anwendungen.

Bild 3.7: Impedanzmessung in Abhängigkeit von der Temperatur fürn-Dodekan und einer parallelen Zylinderanordnung der Elektroden

Zum Labor gehört auch ein Teil von PC-Arbeitsplätzen, an denen verschiedenste Simulationen zuden Forschungs- und Lehraufgaben durchgeführt werden können. In speziellen Forschungsaufgabenwerden Simulationen zur thermisch-beeinflussten Oberfläche erodierter Proben oder zur Spaltausbil-dung bei elektrochemischer Bearbeitung durchgeführt.

Im Labor finden auch Demonstrationsversuche für Schüler und andere Interessierte statt. Die festenTermine waren der Tag der offenen Universitätstür, die Nacht der Wissenschaften (mehr als 200Besucher) und der Tag der offenen Fakultätstür. Ansonsten können Klassen in Absprache mit demLaborleiter Dr. H.-P. Schulze eigene Demonstrationen durchführen lassen, was vorrangig in Verbin-dung mit dem GET-Schnupperpraktikum geschieht.

Ansprechpartner:Dr.-Ing., Dipl.-Phys. Hans-Peter SchulzeWerner-von-Siemens-Gebäude, 09-218Tel.: 0391-67-12944e-mail: hans-peter.schulze@et.uni-magdeburg.de

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3.2.5 Labor Numerische Feldberechnungen

1. CONCEPT / pCONCEPT• Lösung der Integralgleichung des elektrischen (EFIE), magnetischen Feldes (MFIE)

bzw. beider Felder (CFIE) mit Hilfe der Momentenmethode• Anwendung für die Berechnung von Strömen, Ladungen und Spannungen die sich

aufgrund einer speziellen Anregung auf metallischen Drahtstrukturen oder Flächenbzw. dielektrischen sowie magnetischen Körpern ausbilden. Bestimmung der elekt-romagnetischen Felder, die von den Quellen des Problems ausgehen im Nah- alsauch Fernfeld.

• Beschränkung auf lineare isotrope bzw. abschnittsweise homogene Medien• Die Berechnung erfolgt im Frequenzbereich.• pCONCEPT ist eine parallele Implementierung.

2. ANSYS• Lösung mit Hilfe der Finiten Elemente Methode• Anwendung für die Strukturanalyse, Temperatur- und Strömungsfeldberechnung,

Berechnung elektrischer, magnetischer und elektromagnetischer Felder sowie Analy-se gekoppelter Felder

3. PAMCEM / CEM3D• Lösung von 3D-Problemen mit Hilfe der FDTD-Methode und der Finiten Elemente

Methode• Die Berechnung erfolgt im Zeitbereich.

4. FloEMC• Lösung von 3D-Problemen mit Hilfe der Transmission Line Matrix-Methode• Die Berechnung erfolgt im Zeitbereich. Die Ergebnisse werden durch FFT in den

Frequenzbereich transformiert und ausgewertet. Ermöglicht so schnelle Simulation li-nearer Strukturen für viele Frequenzpunkte.

5. MEFiSTo• Lösung von 2D-Problemen mit Hilfe der Transmission Line Matrix-Methode• Einsatz vorwiegend zur Lehre, da sehr intuitiv zu bedienen

6. LC

• Lösung von elektromagnetischen Problemen mit Hilfe der FDTD-Methode

• Die Berechnung erfolgt im Zeitbereich.• Eine Kopplung mit SPICE zur Berücksichtigung nichtlinearer Netzwerke ist möglich.

7. Sonnet

• Lösung von Integralgleichungen mit Hilfe der Momentenmethode unter Be-rücksicht igung geschichteter dielektrischer Medien.

• Einsatz für 2,5-D Probleme (z.B. Leiterplatten)

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8. Empire

• Lösung von elektromagnetischen Problemen mit Hilfe der FDTD-Methode

• Die Berechnung erfolgt im Zeitbereich.

9. CRIPTE

• Programmpaket zur Behandlung komplexer Systeme und ausgedehnter Kabel-netzwerke mit Hilfe der EM-Topologie und Leitungstheorie

10. CableMod

• Programmpaket zur Berechnung von Kabeln und Leitungen

Ansprechpartner:Dr.-Ing. Wolfgang SchätzingWerner-von-Siemens-Gebäude, 09-224Tel.: 0391-67-18591e-mail: wolfgang.schaetzing@et.uni-magdeburg.de

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3.2.6 Labor Absorberhalle

Im Gebäude der Experimentellen Fabrik Magdeburg (http://www.exfa.de) steht dem Institut einegroße EMV-Absorberhalle zur Verfügung.Die Absorberhalle ist die Standard-Prüfumgebung für gestrahlte EMV-Tests, d.h. für solche Tests,bei denen der Prüfling mit elektromagnetischen Wellen bestrahlt wird, um seine Störfestigkeit zu -berprüfen oder bei denen die elektromagnetische Abstrahlung des Prüflings gemessen wird.

Die Magdeburger EMV-Absorberhalle ist die einzige in Sachsen-Anhalt, die größte in den neuenBundesländern und die einzige mit einer – für viele Messungen vorgeschriebenen – 10 Meter Mess-strecke an einer deutschen Forschungseinrichtung.

In der Forschung wird die Halle in erster Linie als Referenzumgebung bei der Erforschung neuartigerPrüfumgebungen (GTEM, Modenverwirbelungskammer) eingesetzt (insbesondere im Rahmen derDFG Forschergruppe 417; http://www.uni-magdeburg.de/FOR417/).

Darüber hinaus steht die Halle Firmen der Region für EMV-Messungen an ihren Produkten in Ko-operation mit der Universität zur Verfügung. Dieses Angebot wird gut angenommen.

Es besteht bereits ein Forscherverbund mit den Universitäten Dresden und Braunschweig mit meh-reren Forschungsprojekten aus Industrie, Bund und Ländern, die als notwendige Testumgebung dieMagdeburger EMV-Halle benötigen.

Bild 3.8: Absorberhalle in der Experimentellen Fabrik Magdeburg

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Ansprechpartner:Dr. rer. nat. Hans Georg KrauthäuserWerner-von-Siemens-Gebäude, 09-223Tel.: 0391-67-12195e-mail: hgk@et.uni-magdeburg.de

Interessante Daten und Fakten zur Absorberhalle

Baubeginn September 2000

Übergabe (Halle) März 2001

Größe der Schirmung (Fa-radayscher Käfig)

21 m x 13 m x 9 m

Schirmmaterial 2 mm feuerverzinktes Stahlblech, Einzelpaneele, ver-schraubt mit ca. 32.000 Schrauben

Schirmdämpfung Je nach Frequenz (10 kHz – 18 GHz): 75 – 145 dB(1:32.000.000 – 1:316.000.000.000.000 der Leistung)

Absorberauskleidung Pyramidenabsorber, nichtbrennbar, ca. 2000 Stück

Absorbertechnologie Mesoskopische Folienabsorber (Pyramiden mit aufge-klebter leitfähiger Folie)

Absorbergröße Grundfläche: 58 cm x 58 cmLänge: 200 cm (Wände), 220 cm (Decke)

Frequenzbereich 30 MHz – 18 GHz

Messtechnik (Inbetrieb-nahme 11/01)

Störfestigkeit bis 4,2 GHz, 36 V/m unmoduliertStöremission bis 18 GHz

Bodenbelastbarkeit 3 t/m2

Drehscheibe 4 m Durchmesser, 3 t/m2 Belastbarkeit

Prüflingsversorgung Bis 300 A Drehstrom, Druckluft, Kühlwasser, Abgasab-saugung

Kosten ca. 1,6 Millionen €

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3.2.7 Labor GTEM- Zelle

Bild 3.9: GTEM-Zelle und Messplatz

Die GTEM-Zelle (GTEM = Gigahertz transversal elektromagnetisch) ist ein sich pyramidenförmigaufweitender Wellenleiter mit rechteckigem Querschnitt und einem flachen, aus der Mitte verschobe-nen Innenleiter. An der Spitze geht der Wellenleiter in ein Koaxialkabel über. An der anderen Seiteerfolgt ein reflexionsarmer Abschluss durch Kombination eines mit diskreten Widerständen realisier-ten 50 Ω Widerstandes und Pyramidenabsorbern. Der Frequenzbereich der Zelle ist DC bis 18GHz. Der in Magdeburg vorhandene GTEM-Zellentyp ist mit einer Innenleiterhöhe von 1,75 m imPrüfvolumen die größte in Serie hergestellte GTEM-Zelle. Das Prüfvolumen beträgt etwa 1 m³.

Die Zelle ist geeignet für EMV-Störfestigkeits- und Störemissionsuntersuchungen nach IEC 61000-4-20. Darüber hinaus ist die GTEM-Zelle neben der Absorberhalle eine Referenzumgebung bei denUntersuchungen komplexer technischer Systeme in der Magdeburger Modenverwirbelungskammer.

Ansprechpartner:Dr.-Ing. Hans-Jürgen ScheibeWerner-von-Siemens-Gebäude, 09-232Tel.: 0391-67-12803e-mail: hans-juergen.scheibe@et.uni-magdeburg.de

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3.2.8 Labor Modenverwirbelungskammer

Die Modenverwirbelungskammer ist eine Testumgebung für gestrahlte EMV-Störfestigkeits- undStöremissionsuntersuchungen. Im Gegensatz zu einer Absorberhalle oder einer GTEM-Zelle wirdhier eine sehr hohe Güte (>10000) angestrebt, wodurch sehr hohe Feldstärken bei moderaten Ver-stärkerleistungen realisiert werden können. Die Magdeburger Modenverwirbelungskammer hat eineGröße von etwa 7,90 m x 6,50 m x 3,45 m und ist mit einem vertikal im Raum stehenden Moden-rührer ausgerüstet. Dieser mechanische Modenrührer variiert die elektromagnetischen Randbedin-gungen periodisch und führt so zu einer Verringerung der Feldinhomogenität (< ± 4 dB oberhalb vonetwa 200 MHz). Die prinzipiell unterste Frequenzgrenze für den Einsatz einer Modenverwirbelungs-kammer ist die Frequenz der ersten Raumresonanz (hier etwa 30 MHz). Tatsächlich ist jedoch einegewisse Modendichte erforderlich, damit durch den Einsatz des Rührers hinreichende Feldbedingun-gen geschaffen werden können. Bei der Magdeburger Modenverwirbelungskammer ist dies ab etwa150 MHz der Fall.

Bild 3.10: Labor Modenverwirbelungskammer

v Signalgeneratoren bis 20 GHz,v Leistungsverstärker 100 Watt bis 4,2 GHz,v Leistungsmesser, Antennen, Spektrumanalysator bis 13 GHz,v Störmessempfänger bis 2,75 GHz,v Feldsonden (passiv, aktiv-gleichrichtend, aktiv-analog) bis 5 GHz,v Netzwerkanalysator, schnelles Echtzeitoszilloskop),

erlaubt Messungen nach dem Normenentwurf IEC 61000-4-21 bis zu Feldstärken von 1000 V/m(Ensemble-Maximum). Mindestens den gleichen Stellenwert haben die vergleichenden Untersuchun-gen zur Störfestigkeit komplexer technischer Systeme in der Modenverwirbelungskammer und denetablierten Testumgebungen GTEM-Zelle und Absorberhalle.

Ansprechpartner:Dr. rer. nat. Hans Georg KrauthäuserWerner-von-Siemens-Gebäude, 09-223Tel.: 0391-67-12195e-mail: hgk@et.uni-magdeburg.de

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3.2.9 Labor EMV-Störfestigkeit (leitungsgebunden)

Die technische Ausrüstung des Labors gestattet die Durchführung folgender Prüfungen:

v Störfestigkeit gegen die Entladung statischer Elektrizität (DIN EN 61000-4-2);

v Störfestigkeit gegen schnelle transiente Störgrößen, Burst (DIN EN 61000-4-4);Prüflevel bis 4,4 kV; Spikefrequenz bis 1000 kHz; Koppelnetzwerk für Stromversorgungs-leitungen ein- und dreiphasig, kapazitive Koppelzange für Signal- und Datenleitungen;

v Störfestigkeit gegen Stoßspannungen, Surge (DIN EN 61000-4-5);Spannung 160 – 4000 V, 2/50 µs; Strom bis 2000 A, 8/20 µs; Koppelnetzwerk ein- unddreiphasig;

v Störfestigkeit gegen leitungsgeführte Störgrößen, induziert durch hochfrequenteFelder (DIN EN 61000-4-6);Prüflevel 1 – 30 V/75 W; Frequenz 9 kHZ – 230 MHz; Koppelnetzwerke; Strominjek-tionszangen;

v Störfestigkeit gegen Spannungseinbrüche, Kurzzeitunterbrechungen undSpannungsschwankungen (DIN EN 61000-4-11); ein- und dreiphasig;

v Störfestigkeit auf Platinenebene;Simulation realer Pulsstör-Belastungen durch Direkteinspeisung, Impulsdichteverfahren, aktiveund passive Messsonden, Anwendung von E- und B-Feldquellen zur Lokalisierung vonSchwachstellen.

Die technische Ausstattung des Labors gestattet bei einigen Prüf- bzw. Messverfahren die Einstellungvon Parameterbereichen, die über die entsprechenden Normen hinausgehen.

3.2.10 Labor EMV-Störemission (leitungsgebunden)

Folgende Messverfahren können realisiert werden:

v Messen von Funkstörspannungen nach DIN VDE 0877-1; Messen von HF-Strömen;Störmessempfänger; 4Leiter-V-Netznachbildung für 32 A; HF-Strommesszangen;

v Messen von Funkstörleistungen auf Leitungen nach DIN VDE 0877-3;Absorptionsmesswandlerzange nach CISPR 16-1; Zangenbahn;

v Messen von Funkstörungen im Nahfeld;Elektrische und magnetische Nahfeldsonden, rauscharmer Vorverstärker, Störmess-

v Messen von magnetischer Störstrahlungsfeldstärke mit Dreifachrahmen-Antenne nachDIN EN 55014;Antenne und Kalibrierdipol nach CISPR 16-1; Bediengerät.

Ansprechpartner für beide Laboratorien:Dr. rer. nat. Hans Georg KrauthäuserWerner-von-Siemens-Gebäude, 09-223Tel.: 0391-67-12195e-mail: hgk@et.uni-magdeburg.de

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3.2.11 Labor Kabel und Leitungen / Netzwerkanalyse

Kabel und Leitungen als die Verbindungselemente zwischen elektrischen und elektronischen Bau-gruppen spielen bei der Beurteilung des EMV-Verhaltens von Systemen eine außerordentlich wichti-ge Rolle. Deshalb bietet dieses Labor vielfältige Möglichkeiten zur Untersuchung dieser Verbin-dungsstrukturen. Hierbei liegt besonderes Augenmerk auf der Bestimmung der Übertragungseigen-schaften von ungleichförmig geführten Leitungen sowie der Bestimmung von Kenngrößen zur Be-schreibung von Feldeinkopplung in Kabel und der Bewertung von Strahlungseffekten. Weiterhin wirddas Labor genutzt, um theoretische Erkenntnisse in der Verallgemeinerung der Leitungstheorie mitMessungen zu hinterlegen.

Für die Messungen steht eine von unten begehbare Experimentierplattform (ein 2.40 m x 4.20 mgroßer Tisch, ca. 1.50 m hoch, versehen mit einer Kupferschicht) zur Verfügung. Damit sind Expe-rimente möglich, die eine definierte Verlegung der Leitung über einer leitenden Ebene notwendigmachen. Weiterhin eignet sich diese Vorrichtung zum Aufbau einer Messanordnung zur Bestimmungder Kabeltransfergrößen (Transferadmittanz, Transferimpedanz). Das Labor verfügt außerdem überAbsorptionsmesswandlerzangen, mit denen die Koppeldämpfung/Schirmdämpfung, als Maß für dieabgestrahlte Leistung, von symmetrischen/unsymmetrischen Kabeln bestimmt werden kann.

Für Messungen an Netzwerken im Zeitbereich stehen ein Zeitbereichsreflektometer sowie diverseOszillographen und Signalgeneratoren zur Verfügung, für Messungen im Frequenzbereich besteht dieMöglichkeit des Einsatzes eines Netzwerkanalysators zur Bestimmung der Streuparameter derNetzwerke.

Ansprechpartner:Dr.-Ing. Hans-Jürgen ScheibeWerner-von-Siemens-Gebäude, 09-232Tel.: 0391-67-12803e-mail: hans-juergen.scheibe@et.uni-magdeburg.de

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4. LEHRE VORLESUNGEN, ÜBUNGEN UND LABORPRAKTIKA

Vorkurs Dr. rer. nat. H. G. Krauthäuser Mathematische Methoden für die Elektrotechnik:

WS Blockveranstaltung vor dem Vorlesungsbeginn 20V 20Ü Zahlenmengen, komplexe Zahlen, Funktionen, Ortskurven, trigonometrische Funktionen, Differentialrechnung, Integralrechnung, komplexe Exponentialfunktion, Vektoren, Matrizen, lineare Gleichungssysteme, gewöhnliche Differentialgleichungen

Grundlagen der Elektrotechnik I: Prof. Dr. rer. nat. habil. J. Nitsch Dr.-Ing. U. Knauff

WS SWS 3V SWS 2Ü

Grundbegriffe und Elemente elektrischer Stromkreise; Elektrische Netzwerke im Überblick; Berechnung resistiver Netzwerke (lineare und nichtlineare resistive Netzwerke, Grundlagen der Vierpoltheorie)

Grundlagen der Elektrotechnik II: Prof. Dr. rer nat. habil. J. Nitsch Dr.-Ing. U. Knauff

SS : SWS 3V SWS 2Ü

Lineare Netzwerke bei harmonischer Erregung (komplexe Wechselstromrechnung, Leistungen bei Wechselstrom, Ortskurven, duale und äquivalente Schaltungen, 2-Tor-Schaltungen bei Wechselstrom, Wechselstromschaltungen mit technischer Bedeutung, Mehrphasensysteme); Netzwerke mit nichtsinusförmiger periodischer Erregung; Ausgleichsvorgänge in Netzwerken.

Grundlagen der Elektrotechnik III: Prof. Dr.-Ing. M. Leone Dr.-Ing. W. Schätzing

WS : SWS 2V SWS 2Ü

Das Hauptziel der Lehrveranstaltung ist eine Einführung in das umfassende Gebiet der elektrischen und magnetischen Felder in integraler Darstellung. Im Einzelnen werden behandelt:

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Stationäres elektrisches Strömungsfeld; Elektrostatisches Feld; Magnetisches Feld (Durchflutungsgesetz, Induktionsgesetz, Kräfte und Energie); Elektromagnetische Felder (Maxwellsche Gleichungen in Integraldarstellung, Skineffekt)

Laborpraktikum Grundlagen der Elektrotechnik: Prof. Dr. rer. nat. habil. J. Nitsch Prof. Dr.-Ing. M. Leone Prof. Dr.-Ing. G. Wollenberg Dipl.-Ing. P. Knauff

SS : SWS 2P WS : SWS 2P

Vermittlung grundlegender praktischer Erkenntnisse und Erfahrungen beim Einsatz moderner Mess-, Simulations und Auswertetechnik; Laborpraktische Untersuchungen von Gleich- und Wechselstromkreisen (auch Mehrphasensysteme), von magnetischen Kreisen und Transformatoren, von ebenen Feldern und Energieumwandlungsprozessen.

Theoretische Elektrotechnik: Prof. Dr.-Ing. G. Wollenberg Dr.-Ing., Dipl.-Phys. H.-P. Schulze

WS : SWS 4V SWS 2Ü

Mathematische Grundlagen (Koordinatensysteme, Vektoranalysis, Integralsätze), System der Maxwellschen Gleichungen, Systematik der Felder; Elektrostatische Felder (Methoden der Feldberechnung, Eindeutigkeit der Lösung der Randwertaufgabe, Kraft und Energie); Stationäre elektrische Strömungsfelder (Grundgleichungen, Berechnung ausgewählter Felder); Stationäre Magnetfelder (Skalar- und Vektorpotential, Berechnung, Kraft und Energie); Quasistationäre elektromagnetische Felder (Strom- und Flussverdrängung im leitenden Halbraum und in zylindrischen Leitern); Schnell veränderliche elektromagnetische Felder (ebene Wellen, Reflexion, Hertzscher Dipol, retardierte Potenziale)

Effekte der Elektroenergiewandlung: Dr.-Ing., Dipl.-Phys. H.-P. Schulze Dr.-Ing. W. Schätzing

SS : SWS 2V SWS 1Ü

Anhand der Stromleitungsmechanismen im Vakuum, in Gasen, in Flüssigkeiten und in Festkörpern werden die Effekte der Umwandlung elektrischer Energie in andere Energieformen und die Wirkung der Effekte in ausgewählten Anwendungen mit dem Ziel behandelt, Anforderungen an die Stromquellen und die Prozesssteuerungen für technisch nutzbare Effekte abzuleiten.

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Laborpraktikum Effekte der Elektroenergiewandlung: Dr.-Ing., Dipl.-Phys. H.-P. Schulze

WS : SWS 1P

Anhand von ausgewählten Laborversuchen werden die Effekte der Elektroenergiewandlung in praktischen Anwendungen aufgezeigt. Im Mittelpunkt des Praktikums stehen messtechnische Versuche zum Effektnachweis und Zuordnung technologischer Abhängigkeiten von Effektanteilen zur Gestaltung von elektrotechnologischen Anlagen.

Laborpraktikum Komplexpraktikum: Prof. Dr.-Ing. G. Wollenberg Prof. Dr. rer. nat. habil. J. Nitsch Dr.-Ing. W. Schätzing

SS : SWS 2P

- Digitale Simulation; - Berechnung elektrischer und magnetischer Felder; - Elektromagnetische Verträglichkeit; - Stationäre und nichtstationäre Vorgänge auf Leitungen

Numerische Methoden der Feldberechnung: Dr. rer. nat. F. Gronwald

SS : SWS 2V SWS 1Ü

Elektromagnetische Randwertprobleme können nur in ausgewählten Fällen analytisch gelöst werden. Daher sind zur Berechnung von elektromagnetischen Feldern bei konkreten Problemstellungen sehr häufig numerische Methoden notwendig. In der Vorlesung werden die heutzutage hierzu verwendeten Verfahren (Finite Differenzen, Momentenmethode, Finite-Elemente usw.) auf Grundlage der klassischen Elektrodynamik erläutert. Unverzichtbarer Bestandteil der Vorlesung sind die Übungen. Neben dem Vertiefen der theoretischen Grundlagen stehen dort die Vermittlung von sowohl programmiertechnischen Fähigkeiten als auch der Umgang mit verbreiteten, kommerziellen Programmpaketen im Mittelpunkt.

Theorie elektrischer Leitungen: Prof. Dr.-Ing. G. Wollenberg

SS : SWS 2V

SWS 1Ü

Leitungsgleichungen, -ersatzschaltbilder, -konstanten, -arten; Stationärer Betriebszustand von Leitungen (Reflexionen, Widerstandstransformation, Smith-Diagramm, Kettenleiter); Nichtstationärer Betriebszustand von Leitungen (Zeit- und Bildbereich, Mehrfachreflexionen, Bergeron-Verfahren, nichtlineare Leitungsabschlüsse, Kettenschaltung von Leitungen, Störstellen, Wellenfahrplan); Mehrfachleitungen (Wellenmoden, Leitungskopplungen); Modellierung in Verbindung mit Leitungen, Analogien zu anderen Ausbreitungsvorgängen

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Elektromagnetische Verträglichkeit: Prof. Dr. rer. nat. habil. J. Nitsch Dr. rer. nat. H. G. Krauthäuser

WS : SWS 2V SWS 1Ü

Einführung in die Elektromagnetische Verträglichkeit; EMV-relevante Störquellen; Koppelmechanismen und Gegenmaßnahmen; Theorie der Schirmdämpfung (Diffusion elektromagnetischer Felder durch Schirme; Kopplung durch Aperturen); Mehrfachleitungen und Unterdrückung von leitungsgebundenen Störungen; Netzwerksimulation mit nichtlinearen Schutzelementen; EMV-Messtechnik (Emissionsmesstechnik, Störfestigkeitsmesstechnik)

EMV-Messtechnik: Dr. rer. nat. H. G. Krauthäuser

WS : SWS 2V SWS 1Ü

Ergänzung zur Vorlesung EMV; Messgenauigkeiten, Rückführbarkeit; wichtige Geräte: Spektrumanalysatoren, EMI-Empfänger, Netzwerkanalysatoren, Generatoren, HF-Verstärker; EMV-Messaufbauten bzw. Messumgebungen; EMV-Normung;

ANSYS in der Elektrotechnik: Dr.-Ing. W. Schätzing

SS : SWS 1V SWS 1Ü

Einsatz des Finite-Elemente-Programms ANSYS zur Berechnung von stationären elektrischen Strömungsfeldern, elektrostatischen Feldern, Magnetfeldern und Wellenfeldern einschließlich der Kopplung untereinander und mit nichtelektrischen Feldern (Temperatur, Spannung u.ä.). Die Handhabung des Programms wird durch Übungen am Rechner gefestigt.

Modellierung und Simulation: Dr.-Ing. W. Schätzing

WS : SWS 2V SWS 1Ü

Modelltheorie; Digitale Simulation kontinuierlicher Systeme; Simulation diskreter Prozesse; Modellierung von Feldern

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Vielfachleitungen und Anwendungen: Prof. Dr. rer. nat. habil. J. Nitsch Dipl.-Ing. T. Steinmetz Dipl.-Ing. H. Haase

SS : SWS 2V SWS 1Ü

Gleichförmige Vielfachleitungen, Lösungen in der Wellendarstellung; Verlustlose Leiter im verlustbehafteten, gleichförmigen und isotropen Medium, Leiter mit Verlusten im verlustfreien Medium; Fundamentallösungen ungleichförmiger Vielfachleiter in der Supermatrixdarstellung; Zyklische Leiteranordnungen; Störungslösungen für das volle Vielfachleitungsproblem, Herleitung der BTL-Gleichung, Anwendungen unter besonderer Einbeziehung von Experimenten zur Messung der Streu- und Transferimpedanzmatrizen; EM-Topologie komplexer Systeme.

Abkürzungen: SWS - Semesterwochenstunde V - - Vorlesung Ü - rechnerische Übung P - - Laborpraktikum SS - Sommersemester WS - Wintersemester

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5.1 SIMULATION THERMISCH-BEEINFLUSSTER OBERFLÄCHEN BEI DERFUNKENEROSION

Berichterstatter: Dr.-Ing., Dipl.-Phys. Hans-Peter SchulzeDr.-Ing. W. SchätzingOliver Kröning

Motivation

Die Simulation des funkenerosiven Abtragprozesses gliedert sich in verschiedene lokale und tem-porale Phasen. Die lokalen Anteile sind die thermischen Beeinflussungen des Entladekanals auf dieElektrodenoberflächen (Anode und Katode) und auf das dielektrische Arbeitsmedium (Kohlenwasser-stoff bzw. deionisiertes Wasser). Ein nicht unwesentlicher Anteil der Pulsenergie ist notwendig, umden Entladekanal aufzubauen und stabil zu halten. Die temporalen Phasen werden durch die Zielste l-lung der Simulation bestimmt. Im Wesentlichen können dabei die einzelnen Prozessphasen betrachtetwerden oder vereinfachte Einzelpulse. In der Literatur ist man in den letzten Jahren verstärkt interes-siert, die Wirkung von Pulssequenzen zu analysieren.

Im Rahmen der Entwicklung von Prozessenergiequellen interessiert im Besonderen die thermischeBeeinflussung der Werkstückelektrode durch die Formung des Strompulses. Für diese Simulation istam IGET ein ANSYS-Programm entwickelt worden, mit dem gute Analysen von Nadelpulsen undRechteckpulsen möglich sind. Da in diesem Programm die zeitliche Ausdehnung der Plasmakanalfu -punkte mit berücksichtigt wird, mussten verschiedene Ansätze dieser Funktion rpch (t) = f(u(t), i(t),HdF(T)) analysiert werden. Ziel der Untersuchungen war es, an Einzelpulsen zu zeigen, welchen Ein-fluss die Pulsformung auf die einzelnen Prozessphasen hat. Die Simulation ist besonders dann wichtig,wenn Nadelpulse auf einen Grundstrompuls verschoben werden.

Plasmakanalausdehnung

In den bisherigen Programmmodulen wurde die radiale Ausdehnung des Plasmakanals durch line-arisierte Funktionsabschnitte beschrieben, die den vorgegebenen Stromanstiegen angepasst werdenmussten. In Bild 1 wird eine veränderte Herangehensweise beschrieben, wie die Radiusausbreitungaus dem Leistungsverlauf des Pulses und den Dielektrikumseigenschaften bestimmt werden kann.

Ausgangspunkt der Betrachtungen ist die Verdampfung eines zylindrischen Volumens (Dielektri-kum) in der Zeit ∆t, ausgehend davon, dass ein Teil ζ1 der Pulsenergie ε i für den Plasmakanal ver-braucht wird.

Bild 1: Modellbildung für den Plasmakanal einer Funkenentladung [03]

40

Mit dieser neuen Berechnungsvariante des Plasmaradius geht der Stromanstieg direkt in die Be-rechnung ein und es muss keine Anpassung der drpch/dt erfolgen. Die einzigen veränderlichen Para-meter sind noch der Anfangsradius rpch0 und der Wichtungsfaktor ζ1. Zwei andere Untersuchungs-schwerpunkte sind die Zersetzungsprodukte des Dielektrikums ζdi und die veränderten Druckbedin-gungen.

Bild 2: Funktion des Plasmakanalradius in Abhängigkeit von der Zeit für verschiedene Endtemperaturen

Bild 2 zeigt die größte Plasmaausbreitung, wenn die Endtemperatur gleich der Siedetemperatur gesetztwird, wobei die Verdampfungsenthalpie mit berücksichtigt wurde. Im Vergleich zu den gemessenenKraterradien ist dieser Radius zu groß. Mit der kritischen Temperatur wird die Endtemperatur defi-niert, die sich unter veränderten Druckbedingungen einstellt.

( )( ) ( ) ( )

2n

Fl

0f

V0S

201

0S0S

1S01

1n,ni11n r

MHh

TTTTTT

2ccTTc)T(

tr +

∆+∆+

−−

−−⋅−

+−⋅⋅ρ⋅⋅π

ε⋅ζ= ++

l

Die Radiusausbreitung reduziert sich weiter, wenn die Bindungsenergien des Dielektrikums be-rücksichtigt werden. Für das betrachtete Beispiel verringerte sich der Endradius von 65 µm auf 33µm, was den Vergleichswerten der Kraterausmessung sehr nahe kommt. Diese Änderung des Plasma-kanalradius lässt sich nach obiger Gleichung von rn+1 berechnen. Eine wichtige Schlussfolgerung ausden Verläufen in Bild 2 ist die große Einflussnahme der Bindungsenthalpie auf das Ergebnis, d.h. fürSimulationen mit größeren zulässigen Fehlergrenzen kann vereinfacht mit der Siedetemperatur desDielektrikums gerechnet werden.

Einfluss der Wärmeleitfähigkeit

Ein weiterer Untersuchungsschwerpunkt war der Einfluss der Temperaturabhängigkeit der Wärmeleit-fähigkeit λ(T) für verschiedene Materialien. Die Problematik dieser Untersuchungen liegt darin, dassdie notwendigen Abhängigkeiten aus nicht volumenäquivalenten Messungen ermittelt werden. In Bild

41

3a sind einige λ(T) für verschiedene Stahlsorten dargestellt. An dieser Stelle möchten wir uns bei Prof.Groß von der TU Freiberg für seine Unterstützung bei der Datenbeschaffung bedanken.Prinzipiell muss nach Bild 3b von drei unterschiedlichen Charakteristiken ausgegangen werden. Einekonstante Wärmeleitfähigkeit kann angenommen werden, wenn keine Analyse zeitlicher Phasen desPulses erfolgen soll, d.h. einzig der Endstatus der thermischen Beeinflussung eine Bedeutung hat. Füreine lineare Ausgleichsfunktion kommt man den meisten realen Bedingungen sehr nahe. Die Simula-

Bild 3: Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit (a) ausgewählter Stahlsorten,(b) Näherungsfunktionen für die Simulation

tionsbeispiele in Bild 4 zeigen ähnliche Ergebnisse bei Nutzung einer realen bzw. linearen λ(T)-Funktion. Diese Erkenntnis ist von großer Bedeutung, weil durch Druckeinflüsse sich die Solid- unddie Liquidus-Linie entsprechend den Isothermen verschieben. Diese Näherungsfunktionen sind vorerstunabhängig davon betrachtet, dass die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Materialien (Elektrodenmate-rial) einen ansteigenden, einen abfallenden oder einen wechselnden Verlauf haben kann. Eine Zusam-menstellung verschiedener Stahlsorten (Bild 3a) zeigt auch, dass im Bereich größer 1100 K fast ähnli-che Verläufe angenommen werden können.

Bild 4: Simulierte thermische Beeinflussung durch eine Funkenentladung unter Annahme verschiedenerWärmeleitfähigkeiten nach Bild 3b

Weitere Anfragen an:Dr.-Ing., Dipl.-Phys. Hans-Peter Schulzeemail: hans-peter.schulze@et.uni-magdeburg.deTel.: ++49-391-67-12944, Fax: ++49-391-11236

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5.2 PROZESSENERGIEQUELLE FÜR KOMBINIERTE ED-EC-BEARBEI-TUNGSVERFAHREN FÜR DIE LOCHSENKUNG

Berichterstatter: Dr.-Ing., Dipl.-Phys. Hans-Peter SchulzeProf. Dr.-Ing. i.R. Günter WollenbergDipl.-Ing. Stephan BurkertDipl.-Ing. Hans-Jürgen Trautmann

Wissenschaftliche Zusammenarbeit mit dem IAMT Krakow (Prof. Ruszaj) und The Univer-sity Edinburgh (Prof. McGeough)

Motivation

Im Rahmen eines EU-Projektes wurde eine Prozessenergiequelle entwickelt, die eine an den Kombi-nationsprozess angepasste u-i-Charakteristik besitzt. Durch diese Energiequelle kann eine vereinfachteAnalyse der Teilprozesse Funkenerosion (EDM) und Elektrochemische Bearbeitung (ECM) vorge-nommen werden. Zielstellung der Diplomarbeit von Herrn Stephan Burkert war es, eine Optimierungder einzelnen Module der Energiequelle vorzunehmen [01]. Dadurch wurde die Sicherheit der Quellegegen kritische Störfälle verbessert und die interne Regelung für einen größeren Parameterbereichstabilisiert. Diese Verbesserungen waren notwendig, weil die Prozesssteuerung für den hybriden Be-arbeitungsprozess von EDM und ECM in einem sehr schmalen Parameterbereich erfolgen muss.

Die Module der Prozessenergiequelle

In Bild 1 ist das Schema der Prozessenergiequelle aufgezeigt. Nach den Erkenntnissen des EU-Projektes wurden die Module Stromquelle, Pulseinheit, Puffernetzwerk und Spannungssenke opti-miert.

Bild 1: Funktionsblöcke der Prozessenergiequelle (PES), 1-Netzeinspeisung, Absicherung, Ladeschaltung,2-Drehstromtrenntransformator, 3-Drehstromgleichrichterbrücke, 4-Spannungszwischenkreis, 5-

Tiefsetzsteller, 6-Filterinduktivität, 7-Pulseinheit, 8-Arbeitsspalt(extern), 9-Puffer, 10-Hochsetzsteller(Rückspeisung) [02]

Die Stromquelle wurde in der Form so verbessert, dass der konstante Gleichstrom über einen vergrö-ßerten Pulsparameterbereich eine geringere Stromwelligkeit besitzt. Die Aufgabe der Regelung ist essomit, den ILoad (Laststrom) durch Stellung von vT (Tastverhältnis) konstant zu halten. Störgrößen hier-bei sind Änderungen in UCzk (Spannung über der Zwischenkreiskapazität) und RS (parasitärer Wider-stand).Eine verbesserte Pulseinheit (Version II in Bild 2) wurde bereits in der Studienarbeit [02] konzipiert,aufgebaut und getestet. Der entscheidende Vorteil der verbesserten Version besteht darin, dass außer-halb der Pulsdauer kein Strom durch den Arbeitsspalt fließt bzw. der Pulsstrom in einer minimalenVerzögerungszeit auf den Wert Null abfällt. Dadurch kann in der Pausendauer eine optimale Regene-ration der Arbeitsspaltparameter erfolgen.Das Puffernetzwerk hat die Aufgabe, die vorgewählte maximale Spannung der u-i-Charakteristik kon-stant zu halten (siehe Bild 3). Mit der Spannungssenke wird diese Grenzspannung ulim (Spannung überder Pufferkapazität) eingestellt und für die Pulsdauer konstant gehalten.

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Version I Version II

Bild 2: Versionen der Pulseinheit für eine Prozessenergiequelle für ED-EC-Kombinationsprozesse

Cur

rent

i

Voltage u

Gap characteristic

itotal

iEC

Source characteristic

ubv

OPEDM

OPECM

ulim0

iedm

iecm

Bild 3: u-i-Charakteristik der Prozessenergiequelle für das ED-EC-Kombinationsverfahren

Technologisches Ergebnis der Lochsenkung mit dem ED-EC-Verfahren

Die entwickelte ED-EC-Prozessenergiequelle kann prinzipiell für die einzelnen Verfahren EDM undECM genutzt werden. Als Energiequelle des hybriden Verfahrens (ELESIN) sind ganz spezifischeRandbedingungen einzuhalten. Diese Parameter werden in erster Linie durch das verwendete Arbeits-medium bestimmt. Aus den technologischen Untersuchungen ergaben sich typische spezifische elekt-rische Leitwerte von 0,5 bis 2 mS/cm. Dabei zeigte der passivierende Elektrolyt mit NaNO3 deutlichbessere Lochkonturen und eine steuerbare Oberflächentopologie in den Seitenspalten. Wegen der Pas-sivierung muss aber mit Stromdichten gearbeitet werden, die im transpassiven Bereich der j-ϕ-Charakteristik liegen.In Bild 4 ist erkennbar, dass ohne Prozessanalyse sich die Oberflächenintegrität mit der Einsenktiefesehr stark verändern kann. Die erste Einsenkung von 16 mm bei einem Lochdurchmesser von 1 mmbeginnt (rechts) mit einer EC-Bearbeitung und einer blanken Oberfläche. Nach ca. 60 % der Einsen-kung verschlechtert sich die Oberfläche in der Form, dass im Seitenspalt Funkenentladungen auftreten.In vereinzelten Bereichen sind Grafitablagerungen erkennbar, was die Oberflächenintegrität weiterverschlechtert. Die am linken Ausgang erkennbare EC-Bearbeitung tritt daher auf, weil die verjüngteSpitze der Werkzeugelektrode einen Durchstoß erzeugt, der die Spülbedingungen wieder deutlichverbessert.

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Die zweite Lochsenkung im Bild 4 wurde mit leicht veränderten Pulsparametern durchgeführt. In die-sem Bearbeitungsregime wird bei einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit über die gesamte Ein-senktiefe die geforderte Qualität im Seitenspalt erreicht.

ELESIN-Lochsenkungmit unangepassten Parametern

Einsenkrichtung ELESIN-Lochsenkungmit angepassten Parametern

Bild 4: ELESIN-Lochsenkung mit unterschiedlichen Pulsparametern und verschiedenerOberflächenintegrität in der lateralen Lochwand.

Der Grund für den sehr schmalen Bereich der Pulsparameter für das hybride Bearbeitungsverfahren(ELESIN) liegt darin, dass die ED-Bedingungen im frontalen Arbeitsspalt durch die Bildung der Gas-blasen bei der EC-Bearbeitung bestimmt werden. Tritt eine vollständige Verdampfung des Elektroly-ten auf, dann sind primär Funkenentladungen im Gas zu erwarten, d.h. ein verteilter Abtrag mit guterAbbildungsgenauigkeit aber reduziertem Abtragsvolumen. Auch im lateralen Arbeitsspalt könnenFunkenentladungen auftreten. Für kleinere Pulsenergien wird die Gasblasenbildung reduziert auf klei-nere Gasblasen, denen man in der Pulspause keine Gelegenheit zum Kollabieren gibt.

Schlussfolgerungen für eine Prozesssteuerung

Die Versuchsserie hat ergeben, dass die Lochsenkungen bei geringen Änderungen der Pulsparameterbereits deutliche Unterschiede in der Qualität der Durchmesserabweichung und der Genauigkeit desLoches bei der Einsenkung ergeben. Die charakteristischen Unterschiede sind in den Bildern 5a und5b erkennbar. In Bild 5a ist der Rand des Einsenkloches verschlechtert durch Entladungen, die außer-halb des eigentlichen Lochdurchmessers kleine Erosionskrater bilden. Die Ursache für diese Randero-sion ist primär die Vibration der Werkzeugelektrode zu Beginn der Senkerosion. Eine weitere Ursacheist eine zu geringe Vorschubgeschwindigkeit, verursacht durch eine sehr geringe Leitfähigkeit desArbeitsmediums und daraus folgend eine lange Positionierung der Werkzeugelektrode oberhalb derLochsenkfläche. Wenn die Lochrandzone eine starke elektrochemische Bearbeitung aufweist, dann istdie elektrische Leitfähigkeit des Arbeitsmediums zu groß, d.h. der elektrochemische Abtrag findetbereits bei Arbeitsspaltweiten von mehreren 100 µm statt.

a) b)Bild 5: Lochsenkung mit verstärkter Oberflächenerosion (a) und elektrochemischer Randbeeinflussung

Die Prozesssteuerung für das kombinierte ED-EC-Verfahren muss deshalb sehr genau auf die optima-len Bearbeitungsparameter eingestellt werden, d.h. es dürfen insbesondere im Startbereich der Loch-senkung keine größeren Störeffekte zugelassen werden.

Referenz:[01] Burkert, St.: Optimierte Prozessenergiequelle für das kombinierte Senkverfahren Funkenerosion – Elektrochemi-

sche Bearbeitung, Diplomarbeit, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg 2006.[02] Burkert, St.: Baugruppenoptimierung einer hybriden Prozessenergiequelle, Studienarbeit, Otto-von-Guericke-

Universität Magdeburg 2005.

Weitere Anfragen an:Dr.-Ing., Dipl.-Phys. Hans-Peter Schulzeemail: hans-peter.schulze@et.uni-magdeburg.de, Tel.: ++49-391-67-12944, Fax: ++49-391-11236

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5.3 GEPULSTE ELEKTROCHEMISCHE BEARBEITUNG VON BLISK

Berichterstatter: Dr.-Ing., Dipl.-Phys. Hans-Peter SchulzeProf. Dr.-Ing. i.R. Günter WollenbergDipl.-Ing. Dirk BorkenhagenDipl.-Ing. Stephan BurkertDipl.-Ing. Hans-Jürgen Trautmann

Partner: Rolls Royce Deutschland Ltd & Co KGAlbert-Ludwigs-Universität Freiburg, IMTEKLeistritz Turbomaschinen Technik GmbH Nürnberg

gefördert durch LuFo III

Im laufenden Projektjahr wurden die ersten Versuche mit einer 800 A- Prozessenergiequelle in derFirma Leistritz Nürnberg durchgeführt. Dabei konnten noch einige wesentliche Erkenntnisse gewon-nen werden, die beim Aufbau der 2400 A – Anlage Berücksichtigung finden konnten.Eine entscheidende Frage stellte sich nach den Versuchen mit der kleineren Energiequelle Warumstellen sich Oberflächenstrukturen ein, die nicht die Qualität einer Endbearbeitung nachweisen kön-nen? Die Überlegungen zu verschiedensten Oberflächenstrukturen des Titans (von Oxidation bis zurBildung von Titan-Wasserstoffverbindungen) wurden angestellt. Die Lösung zeigte sich in einer deut-lich einfacheren Form. Die Stromdichte muss einen kritischen Wert überschreiten und dann kann einehervorragende Oberflächenstruktur gewährleistet werden.

Bild 1: Prozessenergie 2400 A gepulste ECM (Versuchsanlage)

Im Jahr 2006 sind dazu die notwendigen Vorversuche gelaufen, die auch Erkenntnisse bezüglich derProzesssteuerung erbrachten. Diese werden Anfang 2007 in die Anlagentechnik integriert, um dieweiteren Versuche in vereinfachter Form durchführen zu können.Die außergewöhnlichen Ergebnisse dieser Forschungskooperation werden im April 2007 auf dem XVISEM (International Symposium on Electromachining) in Pittsburgh (PA, USA) vorgestellt.

Weitere Anfragen an:Dr.-Ing., Dipl.-Phys. Hans-Peter Schulzeemail: hans-peter.schulze@et.uni-magdeburg.deTel.: ++49-391-67-12944, Fax: ++49-391-11236

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5.4 MODELLIERUNG UND SIMULATION VON 3D-VERBINDUNGSSTRUKTURENMIT DER METHODE DER PARTIELLEN ELEMENTE –STABILE UND EFFEKTIVE MODELLIERUNG IM ZEITBEREICH DURCH DAS FSCM-PEEC-MODELL

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. G. Wollenberg

Berichterstatter: Dr.-Ing. S. V. Kochetov

gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft

Die Bedeutung von Zeitbereichsmethoden bei der Behandlung elektrodynamischer Probleme wächst(schnelle Transienten, Nichtlinearitäten). Frequenzbereichsmethoden erfordern bei extrem breiten Fre-quenzspektren einen hohen Rechenaufwand, um durch Rücktransformation Zeitbereichslösungen mit hin-reichender Genauigkeit zu erhalten. Im Falle von Nichtlinearitäten sind ohnehin Zeitbereichsmethodenerforderlich. Ein entscheidender Mangel aller Zeitbereichsmethoden für die Behandlung elektrodynami-scher Probleme ist die so genannte „late time instability“ der Lösung. Dies gilt sowohl für die Lösung derder Momentenmethode zugrunde liegenden elektrischen Feldintegralgleichung im Zeitbereich (TD-EFIE)mit der Marching-on in time (MOT)-Methode als auch für die Methode der partiellen Elemente (PartialElement Equivalent Circuit, PEEC).

Die Methode der partiellen Elemente ist ein universelles, numerisches Verfahren zur Modellierung vonVerbindungsstrukturen im Zeitbereich auch bei Vorhandensein nichtlinearer Abschlüsse. Die PEEC-Methode beruht auf einer Mixed Potential Integral Equation (MPIE) und der Anwendung der Galerkin-Methode. Charakteristisch ist die Netzwerkinterpretation der Full-Wave-PEEC-Modelle als lineare RLC-Netzwerke mit gesteuerten Quellen, deren Steuergrößen (Ströme, Spannungen) zeitlich retardiert sind.Dies ermöglicht in natürlicher Weise die Berücksichtigung der Schaltungsumgebung, insbesondere auchnichtlinearer Elemente, sowie die Behandlung mit Netzwerksolvern im Zeit- und Frequenzbereich.Für die Instabilität der Lösung der üblichen Full-Wave-PEEC-Modelle gibt es grundsätzlich zwei Ursa-chen. Einerseits führen die Full-Wave-PEEC-Modelle aufgrund der gesteuerten Quellen mit Retardierungauf gewöhnliche Differentialgleichungssysteme mit Verzögerung (Ordinary Delayed Differential Equati-ons, ODDE), die grundsätzlich instabile Lösungen erzeugen können (obwohl die modellierte physikali-sche Struktur passiv ist!). Andererseits können durch die zur numerischen Integration des ODDE-Systems(d. h. zu dessen Überführung in ein Differenzengleichungssystem) in den Netzwerksolvern benutztenMethoden ebenfalls Instabilitäten erzeugt werden.

In [1,2,3] haben die Autoren die Ergebnisse ihrer Untersuchungen zur Stabilität von Full-Wave-PEEC-Modellen dargelegt. Dabei wurde erstmals die Ursache der Instabilität aufgedeckt. Diese liegt in der Nä-herung, die bei der Ableitung des PEEC-Modells eingeführt wird. Dabei werden Raumfaltungsintegraleüber die dynamische Greensche Funktion durch Raumfaltungsintegrale über die statische GreenscheFunktion und eine diskrete Retardierung (Laufzeit zwischen den Zentren zweier Zellen) ersetzt. Damitgeht eine frequenzabhängige Dämpfung im System verloren, so dass sich Frequenzen erregen können, dieUrsache der Instabilität sind. Die Schaffung stabiler PEEC-Modelle erfordert deshalb eine effektive Mo-dellierung der frequenzabhängigen Raumfaltungsintegrale im Zeitbereich. Ein solches modifiziertesPEEC-Modell wurde erstmals in [3] vorgestellt. Stabilität und Genauigkeit wurden nachgewiesen. Diesemüssen jedoch gegenüber Standard-PEEC mit einem erhöhten Rechenaufwand durch Einführung zusätz-licher Variabler und notwendiger Reduzierung des Rechenschrittes erkauft werden.

Mit der Hilfe der neuen Full-Spektrum Faltungsintegral Makromodellierung (Full-Spectrum ConvolutionMacromodeling) wird eine neue analytische Lösung zur Modellierung der Frequenzabhängigkeit derRaumfaltungsintegrale im Zeitbereich entwickelt. Mit dieser Lösung werden weder zusätzliche Variableneingeführt, noch reduziert sich der Zeitschritt. Damit steht eine modifizierte PEEC-Methode zur Verfü-

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gung (nachfolgend bezeichnet als FSCM-PEEC), mit der es gelingt, stabile Lösungen im Zeitbereich beiRechenzeiten zu erzeugen, die vergleichbar mit der Standard-PEEC-Methode sind.

Es wird eine Patch-Antenne für drahtlose Kommunikation (s. Bild 1) modelliert. Die flächenhafteStruktur erfordert eine zweidimensionale Diskretisierung mit großer Zellenzahl. Das übliche Full-Wave-PEEC-Modell der Patch-Antenne erzeugt selbst dann instabile Lösungen, wenn die Diskretisierung sehrfein ist.

10 20 30 40 50 60 70 80

10

20

30

40

50

60

x (mm)

y (mm)

z (mm)

z

05

10

15

10

14 66

feeding wire

6

coax

ground

Bild 1: Patch-Antenne für drahtlose Kommunikation

0 2 4 6 8 10-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

time (ns)

Cur

rent

(mA)

MoMFSCM-PEEC

Bild 2: Der Strom im Einspeisungspunkt berechnet mit FSCM-PEEC und Momentenmethode

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Number of delayed sources

Tim

e pe

r ste

p (s

) FSCM-PEECstandard-PEEC

105 106

10-2

10-1

100

Bild 3: Die Simulationszeit unter Nutzung eines üblichen Full-Wave-PEEC Modells und von FSCM-PEEC

Das FSCM-PEEC-Modell liefert eine stabile Lösung (s. Bild 2). Die Simulationszeiten der FSCM- undder üblichen PEEC-Methode wurden bei unterschiedlichen Genauigkeiten der Diskretisierung verglichen(s. Bild 3). Das Verhältnis der Simulationszeiten von FSCM-PEEC und üblic