Modellierung und Entwicklung autonomer Mikrogeneratoren zur Anwendung in Gasen mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten:
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2012
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INHALTSVERZEICHNIS
1. E I N L E I T U N G 1
1.1. FORSCHUNGSBEDARF 1
1.2. GLIEDERUNG U N D ZIELSETZUNG 2
2. S T A N D D E R TECHNIK 4
2.1. PHYSIKALISCHE EFFEKTE U N D KONZEPTE 4
2.1.1. TRANSLATORISCHE ELEKTROMAGNETISCHE KONVERTIERUNG 5
2.1.2. KAPAZITIVE KONVERTIERUNG 8
2.1.3. PIEZOELEKTRISCHE KONVERTIERUNG 10
2.2. AUSWAHL U N D VERGLEICH VON ENERGIEGENERATOREN 12
2.2.1. TRANSLATORISCHE KONVERTIERUNG 13
2.2.2. KAPAZITIVE KONVERTIERUNG 14
2.2.3. PIEZOELEKTRISCHE KONVERTIERUNG 15
2.3. SKALIERUNGEN 16
2.4. MARKTPRAESENZ 18
2.4.1. FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 18
2.4.2. KOMMERZIELLE PRODUKTE 21
TRANSLATORISCHE KONVERTIERUNG 21
PIEZOELEKTRISCH 22
3. M O D E L L B I L D U N G U N D B E S C H R E I B U N G D E S S Y S T
E M S 2 3
3.1. MODELL DES GENERATORS ALS GASKOLBENMASCHINE 23
3.2. KOPPLUNG ZWISCHEN MECHANISCHEN U N D ELEKTRISCHEN KOMPONENTEN . 24
3.3. VERKETTETER FLUSS 28
3.4. MODELL DES MAGNETEN ALS LANGE SPULE 30
3.5. ERSATZSCHALTBILD 32
3.6. SIMULATION MIT MODELICA 39
3.6.1. EINFUEHRUNG IN MODELICA 40
3.6.2. SUBMODELLE U N D IHRE WECHSELWIRKUNGEN 42
STOFFMODELL 43
EIN- U N D AUSSTROEMVORGANG 45
ELEKTRISCHE KOPPLUNG U N D ELEKTRISCHER SCHALTKREIS 47
PNEUMATISCHES VOLUMEN 47
3.7. OPTIMIERUNG U N D OPTIMIERUNGSALGORITHMEN 49
3.7.1. GENETISCHE ALGORITHMEN 50
3.7.2. GRADIENTENVERFAHREN 53
4. D E R E X P E R I M E N T E L L E A U F B A U 5 4
4.1. FLUIDGENERATOR 55
4.2. DRUCKSENSOREN 56
V
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IMAGE 2
4.3. GLEICHRICHTERSCHALTUNGEN 57
4.3.1. GRAETE-SCHALTUNG 58
4.3.2. .DE/ON-SCHALTUNG 59
5. S I M U L A T I O N S E R G E B N I S S E 6 1
5.1. FINITE-ELEMENTE-BERECHNUNGEN 61
5.2. GESAMT VERHALTEN ZU EINEM AUSGEWAEHLTEN PARAMETERSATZ 65
5.3. SIMULATIVE PARAMETER STUDIEN 71
5.3.1. DRUCK 71
5.3.2. VOLUMEN 72
5.3.3. KOPPLUNGSKONSTANTE 73
5.3.4. FEDER KONSTANTE 75
5.3.5. KOLBENMASSE 75
5.3.6. OEFFNUNGEN 77
5.3.7. WIRKUNGSGRAD 79
5.3.8. SPULENLAENGE 81
5.3.9. ARBEITSPUNKT DES MAGNETEN 82
6. O P T I M I E R U N G 8 6
6.1. ANALYTISCHE BERECHNUNG DER GESAMTSPANNUNG 86
6.2. GESAMTOPTIMIERUNG MIT MATLAB* 88
6.2.1. ZIELFUNKTION 88
6.2.2. OPTIMIERUNG MIT GENETISCHEN ALGORITHMEN 91
6.2.3. OPTIMIERUNG MIT GRADIENTENVERFAHREN 94
7. E X P E R I M E N T E L L E E R G E B N I S S E U N D VERGLEICH M I T
D E M M O D E L L 9 7
7.1. SPANNUNGSABHAENGIGKEIT VON VERSCHIEDENEN PARAMETERN 97
7.1.1. FEDERKONSTANTE 97
7.1.2. FREQUENZVER HALTEN 98
7.1.3. SPULENPOSITION 100
7.2. DRUCKVERLAUF WAEHREND DES BETRIEBES 101
7.3. VERGLEICH DER GLEICHRICHTERSCHALTUNGEN 102
7.3.1. DIE ELEKTRISCHE SPANNUNG 102
7.3.2. LEISTUNG 103
7.4. VERGLEICH DER EXPERIMENTE MIT DEM MODELL 104
7.4.1. ZEIT-SPANNUNGS-KENNLINIEN 104
7.4.2. ZEIT-DRUCK-KENNLINIEN 105
7.4.3. POSITION-SPANNUNGS-KENNLINIEN 106
7.4.4. FREQUENZVERSCHIEBUNGEH 107
7.4.5. AMPLITUDE DER KOLBENSCHWINGUNG 108
8. Z U S A M M E N F A S S U N G U N D A U S B L I C K 110
A . T A B E L L E N U N D M E S S W E R T E I
A.L. SIMULATION I
A . L . L . SIMULATIONSPARAMETER I
IMAGE 3
INHALTSVERZEICHNIS VII
A.1.2. SIMULATIONSAUFBAU IN OPENMODELICA II
A.1.3. LECKAGE III
A.2. ANALYTISCHE LOESUNG DER FLUSSBERECHNUNG IV
A.3. MESSERGEBNISSE IV
A.3.1. ARBEITSPUNKTVERSCHIEBUNG IV
A.3.2. DRUCKMESSUNG V
A.4. FEHLERBETRACHTUNGEN VIII
A.5. OPTIMIERUNGSERGEBNISSE MIT HILFE VON GENETISCHEN ALGORITHMEN . . IX
B . K U G E L F L AE C H E N F U N K T I O N E N X I
LITERATUR X I V
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