Studienarbeiten Masterarbeiten. Laboratory

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1 5 0 Power A BENT Electronic EUER ANW Systems END UNG Laboratory A BENT EUER ANW END UNG ETH Zürich, ETL H22, Physikstrasse 3, CH-8092 Zürich phone , fax sekretariat@lem.ee.ethz.ch Studienarbeiten Masterarbeiten HS

2 Notizen: Studienarbeiten Masterarbeiten Herbstsemester 2011 Angaben zur Belegung findest du auf unserer Homepage: (unter Aktuell )

3 Entwicklung der Benutzeroberfläche zur Steuerung und Konfiguration eines Kalorimeters [SA/MA, 1] Prüfstand für dynamische Servomotoren [SA/MA, 1-2] Die präzise Messung der Verlustleistung von hocheffizienten leistungselektronischen Konvertern oder von elektrischen Komponenten stellt eine grosse Herausforderung dar. Z.B. in AC/DC-Konverter können geringe Phasenfehler zwischen Strom und Spannung bereits zu erheblichen Messfehlern führen. Ebenfalls bei Verlustmessungen von elektrischen Komponenten, wie z.b. Induktivitäten, können teils nur beschränkte Genauigkeiten erreicht werden. Im Vergleich zu diesen elektrischen Messmethoden kann mit einem kalorimetrischen Messsystem die Verlustleistung äusserst präzise aus der erzeugten Wärme des Konverters bestimmt werden. In dieser Arbeit ist für das bestehende Kalorimeter eine Benutzeroberfläche (GUI) zu entwickeln, welche es erlaubt, das Kalorimeter vom PC aus zu konfigurieren sowie Messdaten abzuspeichern und fortlaufend graphisch darzustellen. Art der Arbeit: 20% Konzept und Design 10% Hardware 50% Software 20% Inbetriebnahme Voraussetzung: Programmierkenntnisse in C++ und Java vorteilhaft, Interesse an Messtechnik und Digitaltechnik Betreuung: Dominik Bortis, ETL I16 Tel.: 044/ Abhängig vom Aufbau der Servomotoren sowie der dabei eingesetzten Controller und Controller- Firmware zeigt die Kraftentwicklung ein von der Geschwindigkeit/Dynamik abhängiges Verhalten. Gegenüber dem Stillstand mit statischen Verhältnissen, treten mit zunehmender Geschwindigkeit und Dynamik zusätzlich Eisenverluste im Motor sowie höhere Verluste durch grössere Ansteuerfehler des Controllers auf. Damit sinkt die Effizienz der Kraftbildung. In dieser Arbeit soll ein Prüfstand realisiert werden, mit welchem bei Servomotoren die Kraftentwicklung bzw. deren Effizienz abhängig von der Geschwindigkeit/Dynamik quantitativ ermittelt werden kann. Die Steuerung des Prüfstandes, die Verarbeitung der Sensor-Messdaten erfolgt PC-basiert auf LabView. Zur Erfassung der Sensorsignale kommt eine DAQ- Karte von National Instruments zum Einsatz. Die Arbeit wird in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner in Spreitenbach durchgeführt. Art der Arbeit: Voraussetzung Betreuung: 60% Software 20% Messtechnik 20% Mechanik Interesse Mechatronik und Messtechnik Dr. Daniel Ausderau Tel.: 056/ und Arda Tüysüz (PES), ETL H13 Tel.: 044/

4 Magnettester [SA, 1-2/ MA, 1] Losses of Nanocrystalline Tape Wound Magnetic Cores [SA, 2/MA,1] Moderne permanenterregte Servomotoren nutzen das magnetische Feld der Erregermagnete auch zur Positionsbestimmung. Dementsprechend werden speziell hohe Anforderungen an die Qualität dieser Komponenten gestellt, welche mit Hilfe üblicher Prüfmittel nicht sichergestellt werden kann. Damit bei der Herstellung die Magnete in Bezug auf die erhöhten Anforderungen geprüft werden können, soll ein entsprechendes Testgerät entwickelt werden. Mithilfe von Hall- und Positionssensoren, einem uc-board und einer geeigneten mechanischen Einrichtung soll das Magnetfeld des Prüflings erfasst, analysiert und der Magnet schliesslich einer Qualitäts-Klasse zugeordnet werden können. Die Erfassung und Verarbeitung der Messdaten sowie die Steuerung des Testers wird auf einem Mikrokontroller (TriCore von Infineon) realisiert (Programmierung in C). Der Tester soll kompakt aufgebaut und einfach in der Handhabung sein. Die Arbeit wird in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner in Spreitenbach durchgeführt. Art der Arbeit: Voraussetzung: Betreuung: 50% Software 50% Hardware Interesse an Mechatronik Messtechnik Dr. Daniel Ausderau Tel.: 056/ und Jonas Mühlethaler, ETL H14 Tel.: 044/ Magnetic components are used in almost all power electronic converters. These converters, which are nowadays present in most of the applications dealing with electrical energy, present a certain size and losses which highly depend on the inductors and/or transformers which are internally used. In order to decrease the size of these components, the use of tape wound cores made from amorphous or nanocrystalline soft magnetic, metallic alloys, is a very good option. However, since this is a relatively new technology for high-frequency operation, several effects are still not well investigated, notably issues related to the magnetic flux paths and thermal behaviour. The aim of this work is to investigate these issues and to formulate precise models for core losses and heat extraction. Also, strategies to reduce and dissipate these losses are to be developed. Simulations using Finite Element Method (FEM) software and measurements in real components are to be done in order to validate all the developed models. Subject area: Type of work: Contact: Power Electronics, Control 10% Theory 20% Simulation 70% Hardware Bernardo Cougo, ETL I14 Tel.: 044/ cougo@lem.ee.ethz.ch

5 Reducing Copper Losses in High - Performance High-frequency Magnetic Components [SA, 2/MA, 1] Current Distribution in Power Semiconductor [MA, 1] Nowadays, Power Electronic devices are required in most of the applications dealing with electrical energy. Magnetic components such as inductors and transformers are one of the main components related to an energy converter. In order to decrease the size of these components, converters switching at higher frequencies are a good option. However, high-frequency effects in magnetic components may limit their volume reduction, notably skin and proximity effects in conductors. Having precise models for these high-frequency effects is a key element to a reliable and precise design of magnetic components. The aim of this work is to investigate these highfrequency effects and to formulate precise models and strategies to reduce copper losses. Simulations using Finite Element Method (FEM) softwares and measurements in real components are to be done in order to validate all the developed analysis. Subject area: Type of work: Contact: Power Electronics, Control 10% Theory 20% Simulation 70% Hardware Bernardo Cougo, ETL I14 Tel.: 044/ cougo@lem.ee.ethz.ch The Bombardier Transportation competence centre of High Power Propulsion (HPP) and Control is located in Zurich and has global responsibility for development and testing of converters and for the propulsion systems on locomotives and power heads. Current imbalance in semiconductor subsystems can lead to overstress IGBT/Diode chips. To avoid current imbalance in semiconductor systems the current sharing has to be investigated. The current sharing is assembly and geometrically dependent. A simulation model of HPP converter module has to be developed and new measurements have to be conducted. In addition calculation rules (e.g. derating factors) have to be defined and an improved assembly solution should be proposed, if required. Phase 1: Theoretical study 60 % - Analysis of the standard HPP converter module - Modelling and simulation of converter module including semiconductor - Simulation upgrade to parallel operation (up to 6 semiconductors) Phase 2: Practical part 40 % - Measurements on converter module level - Simulation and measurements comparison - Semiconductor dependency of current sharing - Result evaluation - Proposals for current sharing improvement - Documentation Knowledge of MATLAB/SIMULINK and/or SIMPLORER are preferable Type of work: 10% VHDL&DSP Programming 90% Hardware Contact: Martin Bohac, Tel.: 044/ martin.bohac@ch.transport.bombardie r.com und Yanick Lobsiger, ETL I16 Tel.: 044/ lobsiger@lem.ee.ethz.ch

6 Optimierung eines Prüfstands für Turbomaschinen [SA 2, MA 1-2] GeckoEMC Comparative Study [SA, 1] An der Professur für Leistungselektronische Systeme und Messtechnik werden in Zusammenarbeit mit der Industrie axiale Turbomaschinen entwickelt, deren Leistungsfähigkeit mit einem speziellen Prüfstand bestimmt wird. In dieser Arbeit soll die Messtechnik für Massenfluss, Strömungsgeschwindigkeit und Druck analysiert und verbessert werden. Weiters ist die Effizienz und Ergonomie zu verbessern, um die Anlage längerfristig betreiben zu können. Schliesslich sind die Messungen zu validieren und mit Kurven existierender Maschinen zu vergleichen. Industrie betreut. EMI Analysis is an important stage of the design of power electronic systems. The Partial Element Equivalent Circuit (PEEC) method has proven to be a fast and accurate simulation method for calculating parasitic layout effects of power electronic converters. The GeckoEMC PEEC based EMC simulator ( has been extended to enable PEEC-modelling of toroidal magnetic inductors in frequency domain taking into account both parasitic and mutual coupling effects. Integration of magnetic materials into the GeckoEMC is performed via the magnetic current approach i.e. by replacing the magnetic regions with an equivalent distribution of fictitious magnetic currents. To assess the performance of the GeckoEMC Tool, a comparative study between different EMC solvers (Maxwell 3D, Inca3D) has to be done. The aim is to evaluate the GeckoEMC results for a set of EM examples that should be finally integrated into a GeckoEMC examples library. Tasks: 1. GeckoEMC vs. Inca3D vs Maxwell3D: comparative study 2. Examples Library Art der Arbeit: 20% Design 40% Hardware 20% Software 20% Inbetriebnahme Voraussetzung: Interesse an praxisorientierter Arbeit und ein Flair für Strömungsmaschinen Betreuung: Claudius Zingerli, PFA F23 Tel.: 044/ zingerli@lem.ee.ethz.ch Thomas Nussbaumer, PFA E44 Tel.: 044/ nussbaumer@levitronix.com Subject area: Power Electronics, Simulation and Modelling. Type of work: 10% Theory 60% Simulation 10 % Measurements 20% Documentation Contact: Ivana Kovacevic, ETL H18.1 Tel.: 044/ kovacevic@lem.ee.ethz.ch

7 PEEC Modelling of EMI Filter Components [SA, 1] Lagerloser Motor als Lautsprecher Störgrössen im hörbaren Frequenzbereich [SA, 2/MA, 1] EMI Analysis is an important stage of the design of power electronic systems. The Partial Element Equivalent Circuit (PEEC) method has proven to be a fast and accurate simulation method for calculating parasitic layout effects of power electronic converters. As equivalent circuits, PEEC models can be integrated easily into standard circuit solvers. However, in the standard PEEC model, magnetic materials have not been included yet. Integration of magnetic materials into the GeckoEMC software is performed via the magnetic current approach i.e. by replacing the magnetic regions with an equivalent distribution of fictitious magnetic currents. The first step is the PEEC modelling of toroidal inductors taking into account both parasitic and mutual coupling effects. The influence of these effects on EMI behaviour of the overall system has to be examined in advance to final hardware decisions. The main task of the project is an extension of the PEEC method to enable EM simulation of the mutual coupling effects between inductors, capacitors and PCB tracks of EMI filters. The applied mathematics is based on the electromagnetic theory and Maxwell s equations and the final product of the semester work should be a JAVA implementation and experimental verification of a GeckoEMC software tool for analyzing practical EMI filter components and structures. Tasks: 1. Automatic Design of Filter Capacitors 2. Verification of Different Filter Topologies Subject area: Power Electronics, Simulation and Modelling. Type of work: 20% Theory 30% -50% JAVA 40%-20 % Measurements 10% Documentation Contact: Ivana Kovacevic, ETL H18.1 Tel. 044/ kovacevic@lem.ee.ethz.ch Um die Wirkungsweise eines magnetgelagerten Antriebs einem breiten Publikum anschaulich zu machen, soll ein derartiger Antrieb durch ein Musiksignal beeinflusst, d.h. ein bestehendes System so adaptiert werden, dass Signale ab einem mp3-player oder PC als Steuergrösse in den Regler einfliessen, der demgemäss eine Kraft oder Positionsänderung vornimmt und so einen hörbaren Ton erzeugt. Dass die Regelstrecke frequenzabhängig und nichtlinear ist, soll bei der Signalverarbeitung beachtet und zur Maximierung des Hörerlebnisses kompensiert werden. Art der Arbeit: 15% Design, 20% Hardware 40% Software 25% Inbetriebnahme Voraussetzung: Interesse an Leistungselektronik und praxisorientierter Arbeit Betreuung: Claudius Zingerli, PFA F23 Tel.: 044/ zingerli@lem.ee.ethz.ch Thomas Nussbaumer, PFA E44 Tel.: 044/ nussbaumer@levitronix.com

8 Echtzeit Datenerfassung via Ethernet [SA, 2/MA, 2] Implementierung einer drahtlosen Kommunikation und Trigger- Funktionalität zwischen mehreren Messeinheiten und einem PC via IEEE Standard [SA, 1] Ethernet ist als Kommunikationsschnittstelle im industriellen Umfeld im Kommen. Vorteile sind die hohe Bandbreite, grosse Verbreitung und günstige Komponenten. Mittels dem auf Ethernet aufbauenden Precision Time Protocol können Systeme exakt synchronisiert und so verteilte Messungen und Steuerungen realisiert werden. Diese Arbeit hat das Ziel, ein solches Messsystem am Beispiel der Positionserfassung eines magnetgelagerten Rotors zu realisieren. Dabei sollen beliebige Parameter via Matlab oder Labview aus dem laufenden System extrahiert sowie in dieses implantiert werden können. Art der Arbeit: 20% Design 30% Hardware 50% Software (Embedded, Matlab) Voraussetzung: Interesse und Erfahrungen im Bereich Embedded Systems, Hardund Softwareentwicklung. Betreuung: Claudius Zingerli, PFA F23 Tel.: 044/ Thomas Nussbaumer, PFA E44 Tel.: 044/ Am PES wurde ein Prototyp eines Wireless- Tastkopfes zur drahtlosen Spannungsmessung entwickelt, wobei das Messsignal auf Bezugspotential digitalisiert, zwischengespeichert und anschliessend drahtlos via Bluetooth Verbindung an einen PC übertragen wird. Zukünftig sollen mehrere dieser Messeinheiten gleichzeitig betrieben werden, wobei jede Einheit eine individuelle Spannung misst. Essentiell dabei ist die zeitgleiche Aktivierung/Triggerung der Spannungsmessungen bzw. eine zeitliche Synchronisation der einzelnen Messsignale. Hier sollte eine Umsetzung der Kommunikation mittels IEEE Standard zielführend sein, da im Gegensatz zu Bluetooth eine Rundsendung von einem Knoten hin zu mehreren weiteren Knoten durchgeführt werden kann. Das Ziel dieser Arbeit ist die Implementierung der Kommunikation zwischen dem PC und den einzelnen Messeinrichtungen sowie die Synchronisation der Messsignale mittels eines drahtlosen Triggers zwischen allen Messgeräten in Hard- und Software. Art der Arbeit: 20% Konzept 20% Hardware 40% Software 20% Inbetriebnahme Voraussetzung: Programmierkenntnisse in VHDL vorteilhaft, Interesse an Digitalund Kommunikationstechnik Betreuung: Yanick Lobsiger, ETL I16 Tel.: 044 / lobsiger@lem.ee.ethz.ch

9 Kommunikation und Regelung von parallelgeschalteten Flyback- Konvertern [SA, 1-2] Aufbau und Inbetriebnahme einer Sensorelektronik für einen 50 Nm / 2.5 KW lagerlosen Mixermotor [SA, 2/MA, 1-2] Ultraflache Gleichrichtersysteme mit sinusförmigem Eingangsstrom gewinnen in modernen Applikationen, wie beispielsweise OLED-Beleuchtungen, mobilen elektronischen Geräten oder Flachbildschirm-Stromversorgungen, immer mehr an Bedeutung. Um ein 200W Gleichrichtersystem mit einer Dicke von nur 1mm realisieren zu können, müssen mehrere Konvertermodule parallel betrieben werden. In dieser Arbeit soll eine Kommunikation und Regelung zwischen den parallelen Konvertermodulen in einem Signalprozessor implementiert werden, sodass der Eingangsstromrippel des Gleichrichters minimiert wird. Ausserdem soll eine intelligente Strategie entwickelt werden, sodass die einzelnen Zellen im Teillastbereich möglichst effizient betrieben werden. In dieser Arbeit können programmier-begeisterte Studenten ihre Ideen direkt an der Hardware ausprobieren und dabei einen Einblick in ein sehr interessantes Gebiet der Leistungselektronik gewinnen. Art der Arbeit: 20% Theorie 60% Software 20% Hardware Voraussetzung: Interesse an Leistungselektronik und der Programmierung von Signalprozessoren und FPGAs Betreuung: Christoph Marxgut, ETL H12 Tel.: 044/ marxgut@lem.ee.ethz.ch Die Professur für Leistungselektronik und Messtechnik forscht in Zusammenarbeit mit der Firma Levitronix an lagerlosen Aussenläufermotoren für hochreine Mixer-Anwendungen. Um den Motor in einem Edelstahltank verwenden zu können, muss eine Positionssensorik, basierend auf Hallsensoren, implementiert werden. In dieser Arbeit soll ein geeignetes Sensorkonzept erarbeitet werden. Anschliessend ist ein kompaktes Schaltungslayout der Sensorelektronik zu entwerfen. Abschliessend werden Elektronik und Sensoren im Prototyp verbaut und im Betrieb ausführlich getestet. Art der Arbeit: 10 % Theorie 40 % Schaltungslayout 40 % Praktischer Aufbau 10 % Verifikation, Messung Voraussetzung: Interesse an Schaltungstechnik, Platinen-Layout und experimenteller Analyse elektronischer Schaltungen. Betreuung: Bernhard Warberger, PFA F25 Tel.: 044/ warberger@lem.ee.ethz.ch Dr. Thomas Nussbaumer, Levitronix

10 Thermische Charakterisierung eines magnetisch gelagerten Mixermotors mittels CFD-Simulationen [SA, 2] Optimierung ultra-flacher magnetischer Bauteile mit PCBintegrierten Kernen [SA, 1-2] Die Professur für Leistungselektronik und Messtechnik forscht in Zusammenarbeit mit der Firma Levitronix an lagerlosen Aussenläufermotoren mit hohem Drehmoment für hochreine Mixer- Anwendungen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Temperaturentwicklung in einem lagerlosen Mixermotor mithilfe von FE- Simulationen zu untersuchen. Vorab sollen die Wärmequellen in den einzelnen Motorteilen (Kupfer-, Wirbelstrom- und Hystereseverluste) bestimmt und quantifiziert werden. Die Untersuchung des Wärmeaustausches zwischen dem Motor und dem Fluid im Tank bildet einen Schwerpunkt der Arbeit. Im speziellen soll hier die Kühlung durch natürliche und forcierte Konvektion untersucht werden. Art der Arbeit: 30 % Analytische Berechnung 50 % Simulationen 20 % Messungen und Tests Voraussetzung: Interesse an FE-Simulationen und Messtechnik Betreuung: Bernhard Warberger, PFA F25 Tel.: 044/ warberger@lem.ee.ethz.ch Dr. Thomas Nussbaumer, Levitronix Die Entwicklung mobiler elektronischer Applikationen erfordert immer kompaktere Geräte, wobei die Integration der Energieversorgung eine besondere Herausforderung darstellt. Eine Möglichkeit bietet hier die Realisierung ultra-flacher Konverter mit Bauhöhen im Bereich ~1mm, welche in der Bodenplatte eines Gerätes untergebracht werden können. Fortschrittliche Verfahren des Design und der Optimierung ultra-flacher magnetischen Komponenten, deren Kern z.b. in einer Leiterplatte integriert ist, stellen hiefür eine Grundvoraussetzung dar. In dieser Arbeit soll eine bereits bestehende Optimierung von PCB-integrierten Spulen und Transformatoren erweitert werden, wobei besonders die Hochfrequenzverluste in den Windungen zu modellieren sind. Ausserdem soll durch Optimierung aus verschiedenen Kerngeometrien die optimale Bauform ermitteln. Die Resultate werden mit Simulationen und durch Messungen an Prototypen verifiziert. Die interessante Arbeit bietet Studenten die Möglichkeit, wertvolle Erfahrungen für die spätere industrielle Praxis zu sammeln. Art der Arbeit: 40% Modellierung 30% Optimierung 20% Simulation 10% Hardware Voraussetzung: Interesse am Design und der Optimierung leistungselektronischer Komponenten Betreuung: Christoph Marxgut, ETL H12 Tel.: 044/ marxgut@lem.ee.ethz.ch

11 Reduktion der Lärmemission von magnetischen Komponenten [MA, 1/2] Untersuchung verschiedener Flügelradvarianten für einen lagerlosen Mixermotor [SA, 2] Lärmemission induktiver Komponenten sind einerseits durch magnetische Kräfte auf Windungen und den Kern bedingt, welche die mechanischen Schwingungen dieser Teile anregen und damit zu Schallaussendung führen. Andererseits verändert sich die Dimension von Magnetkernen in Abhängigkeit der magnetischen Induktion aufgrund von Magnetostriktion, entsprechend werden zusätzliche Schallwellen emittiert. In vielen Anwendungen befindet sich das Spektrum der resultierenden Lärmemission in dem vom Menschen hörbaren Bereich. Dieses Betriebsgeräusch kann äusserst störend sein - Verfahren welcher diesen Lärmpegel tief halten, sind daher äusserst gefragt. In dieser Masterarbeit soll zuerst ein Überblick über vorhandene Ansätze der Lärmreduktion erarbeitet werden, um dann ein neuartiges Verfahren zu überlegen, welches Verbesserungen bezüglich bestehender Verfahren aufzeigt. Das Verfahren soll durch akustische Messungen an Prototypen magn. Komponenten verifiziert werden. Es handelt sich um eine spannende Arbeit, welche sehr viel Freiraum für kreative und vielleicht bahnbrechende Ansätze erlaubt. Eine Lösung des Problems würde industriell grosse Relevanz besitzt. Art der Arbeit: 30% Theorie 70% Implementation S/W und H/W Voraussetzung: Interesse an Leistungselektronik und Messtechnik Betreuung: Jonas Mühlethaler, ETL H14 Tel.: 044/ muehlethaler@lem.ee.ethz.ch Die Professur für Leistungselektronik und Messtechnik forscht in Zusammenarbeit mit der Firma Levitronix an lagerlosen Aussenläufermotoren für hochreine Mixer-Anwendungen. In dieser Arbeit sollen verschiedene Mixerflügelrad- Designs evaluiert werden. Im Besonderen soll untersucht werden, welches Design eine optimale Durchmischung bei möglichst geringer Rückwirkung auf den Motor (hinsichtlich Moment, Verkippung und Axialschub) ermöglicht. Die Designvarianten sollen mit Hilfe von CFD-Simulationen optimiert und verglichen werden. Anschliessend sollen einige vielversprechende Flügelradvarianten im Rapid- Prototyping-Verfahren hergestellt und in einem vorhandenen Versuchsaufbau unter Praxisbedingungen getestet werden. Art der Arbeit: 10 % Theorie 40 % CFD-Simulation 40 % praktischer Aufbau 10 % Messtechnik Voraussetzung: Interesse an CFD-Simulationen und CAD-Konstruktion Betreuung: Bernhard Warberger, PFA F25 Tel.: 044/ warberger@lem.ee.ethz.ch Dr. Thomas Nussbaumer, Levitronix

12 Entwurf und Aufbau eines magnetgelagerten Mixermotors mit hoher Verkippungssteifigkeit [SA, 2/MA, 1] Thermische Modellierung von induktiven Komponenten [SA, 1/2] Die Forschungsgruppe Magnetic Levitation / Bearingless Motors des PES forscht an lagerlosen Aussenläufermotoren mit hohem Drehmoment. Diese Motoren sollen in hochreinen Mischersystemen für die Pharma- und Lebensmittelindustrie zum Einsatz kommen. Aufbauend auf Voruntersuchungen soll in dieser Arbeit ein Prototyp eines Mixermotors mit hohem Drehmoment und hoher Verkippungssteifigkeit bei geringem Rotordurchmesser realisiert werden. Neben der mechanischen Konstruktion des Motoraufbaus muss auch das Ansteuerkonzept, die Leistungselektronik sowie die Sensorik an die neue Topologie angepasst werden. Abschliessend soll der Prototyp in einem Versuchstank umfassend getestet werden. Art der Arbeit: 10 % Theorie 10 % FE-Simulationen 50 % Hardware, Schaltungstechnik 30 % Inbetriebnahme und Messung Voraussetzung: Interesse an Schaltungstechnik, mechanischen Aufbauten Betreuung: Bernhard Warberger, PFA F25 Tel.: 044/ warberger@lem.ee.ethz.ch Dr. Thomas Nussbaumer, Levitronix Verluste in magnetischen Komponenten beeinträchtigen deren Effizienz und limitieren deren Leistungsdichte. Für eine genaue Verlustberechnung sind u.a. thermische Modelle sehr wichtig, da die Verlustmechanismen eine Temperaturabhängigkeit aufweisen und die Temperatur damit eine wesentliche Modellgrösse darstellt. Hierdurch kann auch in der Designphase eine Überhitzung der magnetischen Bauelemente vermieden werden. Die Berechnung des thermischen Verhaltens stellt allerdings ein bisher noch nicht vollständig gelöstes Problem dar, z.b. ist die Bestimmung des Wärmeleitverhaltens von Litzendraht, laminierten Eisenkerne, usw. nicht trivial. In dieser Semesterarbeit soll zuerst ein Überblick über vorhandene Ansätze der thermischen Modellierung von magnetischen Bauelementen erarbeitet werden, um dann ein - vielleicht neuartiges - thermisches Modell zu konzipieren und implementieren. Das Modell soll durch Messungen an Prototypen magn. Komponenten verifiziert werden. Es handelt sich um eine spannende Arbeit, welche ein tiefes Verständnis eines wichtigen Bereiches der Leistungselektronik vermittelt, der auch industriell grosse Relevanz besitzt. Art der Arbeit: 70% Theorie 30% Messungen Voraussetzung: Interesse an Leistungselektronik und Messtechnik Betreuung: Jonas Mühlethaler, ETL H14 Tel.: 044/ muehlethaler@lem.ee.ethz.ch

13 Pressure ratio (-) Air Implementierung einer Strompfad- Visualisierung für GeckoCIRCUITS [SA, 1] Die am PES entwickelte Simulationssoftware Gecko- CIRCUITS wird in der Lehre und Forschung sehr erfolgreich eingesetzt. Um die Funktionsweise leistungselektronischer Schaltungen zu veranschaulichen, soll nun im Rahmen dieser Semesterarbeit der Schaltungssimulator erweitert werden, so dass stromführende Bauelemente und Leitungsverbindungen direkt im Schaltplan hervorgehoben werden und die Stromflussrichtung erkennbar ist. Hierbei sind folgende Punkte zu beachten: Die Simulationsgeschwindigkeit sollte durch das Abspeichern eines Schaltungszustandes nur unwesentlich verlängert werden. Der durch diese Funktion zusätzlich benötigte Arbeitsspeicher muss auf ein Minimum reduziert werden. Die Visualisierung sollte einfach bedienbar sein, schnell auf Benutzereingaben reagieren, und ästhetisch ansprechend sein. Die fertig implementierte Strompfad-Visualisierung soll schliesslich mit vorhandenen Simulationsmodellen getestet werden, so dass die online verfügbare Beispielsammlung zu den Übungen der Leistungselektronik-Vorlesungen mit der neuen Funktionalität ergänzt werden kann. Art der Arbeit: 10% Theorie 70% Software (Java) 10% Testen der Funktionalität 10% Dokumentation Voraussetzung: Gute Kenntnisse in der Programmiersprache Java Betreuung: Andreas Müsing, ETL H18.1 Tel.: 044/ muesing@lem.ee.ethz.ch Leistungs- und Wirkungsgradmessung für hochdrehende krpm 150 krpm 200 krpm Antriebssysteme [SA, 2/MA, 1] Mass flow (g/s) krpm 300 krpm 350 krpm 400 krpm Hochdrehende elektrische Antriebssysteme ermöglichen die Realisierung neuer Anwendungen, wie z.b. schnelldrehender Spindeln für die Mikromaterialbearbeitung und hochkompakter Miniaturkompressoren für zukünftige Elektroautos und Wärmepumpen. Dabei ist exakte Leistungs- und Wirkungsgradmessung entscheidend für die Überprüfung der Auslegung von Umrichter, Motor und Anwendung. Anwendungsseitig wird die Leistungsmessung z.b. mittels Druck- und Durchflussmessung bei Kompressoren oder Drehmoment- und Drehzahlmessung bei Materialbearbeitungsspindeln durchgeführt. Zwischen Umrichter und Motor ist eine genaue Leistungsmessung nicht trivial, da handelsübliche Power-Analyzer nicht in Frage kommen. Einerseits weisen Ströme und Spannungen wegen der speziellen Modulation hochfrequente Anteile auf. Andererseits sollen zur direkten Berechnung der Wirkungsgrade die elektrischen Leistungsmessungen ins gleiche Messsystem eingebunden werden können wie die anwendungsseitigen Messungen. In dieser Arbeit soll daher in einem ersten Schritt ein Messkonzept für die verschiedenen Leistungen und Wirkungsgrade im Antriebssystem erstellt werden. Dies beinhaltet die Spezifizierung der benötigten Bandbreite und Genauigkeit der Messungen mit Hilfe von Berechnungen und Simulationen und den Vergleich mit bisherigen Lösungen in Theorie und Praxis. Danach soll das System in Hardware aufgebaut sowie die Auswertung auf einem DSP und auf einem PC programmiert werden. Abschliessend wird die realisierte Hardware mit einem realen Antriebssystem verifiziert. Die Arbeit wird bei der PES Spin-Off Firma CELEROTON im industriellen Umfeld im Technopark Zürich durchgeführt. Art der Arbeit: Betreuung: 20% Antriebstechnik 40% Hardware 40% Software (DSP, PC) Arda Tüysüz, ETL H13 Tel.: 044/ tuysuz@lem.ee.ethz.ch Christof Zwyssig, CELEROTON christof.zwyssig@celeroton.com

14 Prüfstand mit weitem Drehmoment- und Drehzahlbereich für elektrische Maschinen [SA, 1-2] Optimierung von Reglerstrukturen in GeckoCIRCUITS [MA, 1] Für verschiedene gegenwärtige und zukünftige Antriebsanwendungen, z.b. für die Mikromaterialbearbeitung und Bohrer im Medizinalbereich, werden Antriebe mit weitem Drehzahlbereich dynamischer Drehzahlregelung benötigt, idealerweise von Stillstand bis zu einigen hunderttausend Umdrehungen pro Minute. In der Forschungszusammenarbeit der Professur für Leistungselektronik mit einem Industriepartner werden solche Antriebssysteme erforscht. Um Maschinenauslegung und Regelung durch den Umrichter zu verifizieren, wird ein Prüfstand benötigt der erlaubt, eine Maschine mit verschiedenen Lastprofilen zu bremsen und dabei die elektrische wie auch mechanische Leistung zu messen. Die Herausforderung ist die Abdeckung eines möglichst grossen Drehzahl- und Drehmomentbereichs sowie von Lastmomentsprüngen. In dieser Arbeit sollen die Lastprofile theoretisch hergeleitet, daraus ein Konzept für einen Prüfstand erarbeitet und benötigte Komponenten wie Lastmaschine, Umrichter, Kupplungen, und Sensoren definiert werden. Zur Arbeit gehört auch ein Teil der CAD Konstruktion des Prüfstandes und Implementierung der Ansteuerung der Lastmaschine. Im Anschluss wird der gesamte Prüfstand im Rahmen der Arbeit aufgebaut. Den Abschluss bildet das Ausmessen verschiedener Motoren. Die Arbeit wird bei der PES Spin-Off Firma CELEROTON im Technopark Zürich durchgeführt. Art der Arbeit: Betreuung: 20% Antriebstechnik 20% CAD Konstruktion 20% Software (DSP, PC) 40% Messtechnik Arda Tüysüz, ETL H13 Tel.: 044/ Tel.: 044/ Christof Zwyssig, CELEROTON Die am PES entwickelte Software GeckoCIRCUITS ist für leistungselektronische Systeme optimiert und weist deshalb eine sehr hohe Simulationsgeschwindigkeit auf. Komplexe Regelungen können hier entweder in Form von Java-Sourcecode eingebunden oder durch diskrete Regelblöcke aufgebaut werden. In dieser Masterarbeit soll die rechenzeitintensive sequentielle Abarbeitung der diskreten Regelblöcke optimiert werden, so dass sich die Simulationsgeschwindigkeit von GeckoCIRCUITS weiter verbessert. Im Rahmen dieser Arbeit soll hierfür ein Algorithmus implementiert werden, welcher diskret aufgebaute Regelblöcke automatisiert in Java-Sourcecode übersetzt, welche dann vor einem Simulationslauf kompiliert werden, wodurch eine wesentliche Leistungssteigerung des Solvers zu erwarten ist. Diese neue Funktionalität soll schliesslich anhand mehrerer Beispiel-Modelle getestet werden, so dass die Korrektheit und Leistungsfähigkeit des neuen Ansatzes sichergestellt ist. Art der Arbeit: 20% Theorie 50% Software (Java) 20% Testen der Funktionalität 10% Dokumentation Voraussetzung: Gute Kenntnisse in der Programmiersprache Java Betreuung: Andreas Müsing, ETL H18.1 Tel.: 044/

15 Messaufbau zur Lagerkraft- und Drehmomentbestimmung eines lagerlosen Motors [SA, 2/MA, 1-2] Resonanzanalyse eines lagerlosen Mixers zur Verbesserung der Positionsstabilität [SA, 2/MA, 1-2] Die Forschungsgruppe Magnetic Levitation/ Bearingless Motors des PES forscht an einem lagerlosen Rührwerk für höchstreine Mixer- Anwendungen im Pharma- und Chemiebereich. Während des Mischvorganges wirken starke Kräfte auf den Rotor, welche das Magnetlager kompensieren muss, um den Rotor möglichst stabil zu halten. In dieser Arbeit sollen diese auftretenden Kräfte und das Drehmoment genau gemessen werden und es soll aufgezeigt werden, in welchen Betriebssituationen die Lagerstabilität grenzkritisch wird. Dazu soll eine geeignete Messvorrichtung implementiert werden, mit der sowohl die Rotorposition wie auch die am Rotor angreifenden Kräfte während dem Mischen bestimmt werden können. Art der Arbeit: 20% Theorie 20% Simulation 60% Messtechnik & Aufbau Voraussetzung: Interesse an Mechatronik und praxisorientierter Arbeit Betreuung: Thomas Reichert PFA F21 Tel.: 044/ Bernhard Warberger, PFA F23 Tel.: 044/ Dr. Thomas Nussbaumer, Levitronix Zurzeit wird in der Forschungsgruppe Magnetic Levitation / Bearingless Motors des PES an einem lagerlosen Motor mit hohem Drehmoment für Anwendungen im Bereich der Biotechnologie (Bioreaktoren) geforscht. Der zu untersuchende lagerlose Aussenläufermotor kann über einen grossen Drehzahlbereich stabil betrieben werden. Allerdings ist der Motor anfällig gegenüber systemimmanenten Eigenschwingungen, die zu starken Rotorvibrationen und zur Destabilisierung des Magnetlagers führen können. In dieser Arbeit sollen daher die auftretenden Resonanzen analysiert werden. Anschliessend sollen die Möglichkeiten zur aktiven Dämpfung dieser Eigenschwingungen, z. B. mittels Aufschaltung von (harmonischen) Korrektursignalen auf die Reglersollwerte, untersucht werden. Art der Arbeit: 20% Theorie 20 % Simulation 20% Messtechnik 40% Software Voraussetzung: Interesse an Mechatronik und praxisorientierter Arbeit Betreuung: Thomas Reichert PFA F21 Tel.: 044/ reichert@lem.ee.ethz.ch Dr. Thomas Nussbaumer, Levitronix Prof. Dr. J. W. Kolar Prof. Dr. J. W. Kolar