FEM based Virtual Prototyping and Design of Third Harmonic Excitation System for Low Voltage Brushless Alternators

Salient pole brushless alternators coupled to IC engines are extensively used as stand-by power supply units for meeting in- dustrial power demands. Design of such generators demands high power to weight ratio, high e ciency and low cost per KVA out- put. Moreover, the performance characteristics of such machines like voltage regulation and short circuit ratio (SCR) are critical when these machines are put into parallel operation and alterna- tors for critical applications like defence and aerospace demand very low harmonic content in the output voltage. While designing such alternators, accurate prediction of machine characteristics, including total harmonic distortion (THD) is essential to mini- mize development cost and time. Total harmonic distortion in the output voltage of alternators should be as low as possible especially when powering very sophis- ticated and critical applications. The output voltage waveform of a practical AC generator is replica of the space distribution of the ux density in the air gap and several factors such as shape of the rotor pole face, core saturation, slotting and style of coil disposition make the realization of a sinusoidal air gap ux wave impossible. These ux harmonics introduce undesirable e ects on the alternator performance like high neutral current due to triplen harmonics, voltage distortion, noise, vibration, excessive heating and also extra losses resulting in poor e ciency, which in turn necessitate de-rating of the machine especially when connected to non-linear loads. As an important control unit of brushless alternator, the excitation system and its dynamic performance has a direct impact on alternator's stability and reliability. The thesis explores design and implementation of an excitation i system utilizing third harmonic ux in the air gap of brushless al- ternators, using an additional auxiliary winding, wound for 1=3rd pole pitch, embedded into the stator slots and electrically iso- lated from the main winding. In the third harmonic excitation system, the combined e ect of two auxiliary windings, one with 2=3rd pitch and another third harmonic winding with 1=3rd pitch, are used to ensure good voltage regulation without an electronic automatic voltage regulator (AVR) and also reduces the total harmonic content in the output voltage, cost e ectively. The design of the third harmonic winding by analytic methods demands accurate calculation of third harmonic ux density in the air gap of the machine. However, precise estimation of the amplitude of third harmonic ux in the air gap of a machine by conventional design procedures is di cult due to complex geome- try of the machine and non-linear characteristics of the magnetic materials. As such, prediction of the eld parameters by conven- tional design methods is unreliable and hence virtual prototyping of the machine is done to enable accurate design of the third har- monic excitation system. In the design and development cycle of electrical machines, it is recognized that the use of analytical and experimental methods followed by expensive and in exible prototyping is time consum- ing and no longer cost e ective. Due to advancements in com- putational capabilities over recent years, nite element method (FEM) based virtual prototyping has become an attractive al- ternative to well established semi-analytical and empirical design methods as well as to the still popular trial and error approach followed by the costly and time consuming prototyping. Hence, by virtually prototyping the alternator using FEM, the important performance characteristics of the machine are predicted. Design of third harmonic excitation system is done with the help of results obtained from virtual prototype of the machine. Third harmonic excitation (THE) system is implemented in a 45 KVA ii experimental machine and experiments are conducted to validate the simulation results. Simulation and experimental results show that by utilizing third harmonic ux in the air gap of the ma- chine for excitation purposes during loaded conditions, triplen harmonic content in the output phase voltage is signi cantly re- duced. The prototype machine with third harmonic excitation system designed and developed based on FEM analysis proved to be economical due to its simplicity and has the added advan- tage of reduced harmonics in the output phase voltage.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Chemical gas sensors based on functionalized self-actuated piezo-resistive cantilevers

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Anwendung funktionalisierter Mikrocantilever mit integrierter bimorpher Aktuation und piezo-resistiver Detektion als chemische Gassensoren für den schnellen, tragbaren und preisgünstigen Nachweis verschiedener flüchtiger Substanzen. Besondere Beachtung erfährt die Verbesserung der Cantilever-Arbeitsleistung durch den Betrieb in speziellen Modi. Weiterer Schwerpunkt liegt in der Untersuchung von spezifischen Sorptionswechselwirkungen und Anwendung von innovativen Funktionsschichten, die bedeutend auf die Sensorselektivität wirken.

Adaptive Real-time Anomaly-based Intrusion Detection using Data Mining and Machine Learning Techniques

Die zunehmende Vernetzung der Informations- und Kommunikationssysteme führt zu einer weiteren Erhöhung der Komplexität und damit auch zu einer weiteren Zunahme von Sicherheitslücken. Klassische Schutzmechanismen wie Firewall-Systeme und Anti-Malware-Lösungen bieten schon lange keinen Schutz mehr vor Eindringversuchen in IT-Infrastrukturen. Als ein sehr wirkungsvolles Instrument zum Schutz gegenüber Cyber-Attacken haben sich hierbei die Intrusion Detection Systeme (IDS) etabliert. Solche Systeme sammeln und analysieren Informationen von Netzwerkkomponenten und Rechnern, um ungewöhnliches Verhalten und Sicherheitsverletzungen automatisiert festzustellen. Während signatur-basierte Ansätze nur bereits bekannte Angriffsmuster detektieren können, sind anomalie-basierte IDS auch in der Lage, neue bisher unbekannte Angriffe (Zero-Day-Attacks) frühzeitig zu erkennen. Das Kernproblem von Intrusion Detection Systeme besteht jedoch in der optimalen Verarbeitung der gewaltigen Netzdaten und der Entwicklung eines in Echtzeit arbeitenden adaptiven Erkennungsmodells. Um diese Herausforderungen lösen zu können, stellt diese Dissertation ein Framework bereit, das aus zwei Hauptteilen besteht. Der erste Teil, OptiFilter genannt, verwendet ein dynamisches "Queuing Concept", um die zahlreich anfallenden Netzdaten weiter zu verarbeiten, baut fortlaufend Netzverbindungen auf, und exportiert strukturierte Input-Daten für das IDS. Den zweiten Teil stellt ein adaptiver Klassifikator dar, der ein Klassifikator-Modell basierend auf "Enhanced Growing Hierarchical Self Organizing Map" (EGHSOM), ein Modell für Netzwerk Normalzustand (NNB) und ein "Update Model" umfasst. In dem OptiFilter werden Tcpdump und SNMP traps benutzt, um die Netzwerkpakete und Hostereignisse fortlaufend zu aggregieren. Diese aggregierten Netzwerkpackete und Hostereignisse werden weiter analysiert und in Verbindungsvektoren umgewandelt. Zur Verbesserung der Erkennungsrate des adaptiven Klassifikators wird das künstliche neuronale Netz GHSOM intensiv untersucht und wesentlich weiterentwickelt. In dieser Dissertation werden unterschiedliche Ansätze vorgeschlagen und diskutiert. So wird eine classification-confidence margin threshold definiert, um die unbekannten bösartigen Verbindungen aufzudecken, die Stabilität der Wachstumstopologie durch neuartige Ansätze für die Initialisierung der Gewichtvektoren und durch die Stärkung der Winner Neuronen erhöht, und ein selbst-adaptives Verfahren eingeführt, um das Modell ständig aktualisieren zu können. Darüber hinaus besteht die Hauptaufgabe des NNB-Modells in der weiteren Untersuchung der erkannten unbekannten Verbindungen von der EGHSOM und der Überprüfung, ob sie normal sind. Jedoch, ändern sich die Netzverkehrsdaten wegen des Concept drif Phänomens ständig, was in Echtzeit zur Erzeugung nicht stationärer Netzdaten führt. Dieses Phänomen wird von dem Update-Modell besser kontrolliert. Das EGHSOM-Modell kann die neuen Anomalien effektiv erkennen und das NNB-Model passt die Änderungen in Netzdaten optimal an. Bei den experimentellen Untersuchungen hat das Framework erfolgversprechende Ergebnisse gezeigt. Im ersten Experiment wurde das Framework in Offline-Betriebsmodus evaluiert. Der OptiFilter wurde mit offline-, synthetischen- und realistischen Daten ausgewertet. Der adaptive Klassifikator wurde mit dem 10-Fold Cross Validation Verfahren evaluiert, um dessen Genauigkeit abzuschätzen. Im zweiten Experiment wurde das Framework auf einer 1 bis 10 GB Netzwerkstrecke installiert und im Online-Betriebsmodus in Echtzeit ausgewertet. Der OptiFilter hat erfolgreich die gewaltige Menge von Netzdaten in die strukturierten Verbindungsvektoren umgewandelt und der adaptive Klassifikator hat sie präzise klassifiziert. Die Vergleichsstudie zwischen dem entwickelten Framework und anderen bekannten IDS-Ansätzen zeigt, dass der vorgeschlagene IDSFramework alle anderen Ansätze übertrifft. Dies lässt sich auf folgende Kernpunkte zurückführen: Bearbeitung der gesammelten Netzdaten, Erreichung der besten Performanz (wie die Gesamtgenauigkeit), Detektieren unbekannter Verbindungen und Entwicklung des in Echtzeit arbeitenden Erkennungsmodells von Eindringversuchen.

Tubular Organization of SnO₂ Nanocrystallites for Improved Lithium Ion Battery Anode Performance

Porous tin oxide nanotubes were obtained by vacuum infiltration of tin oxide nanoparticles into porous aluminum oxide membranes, followed by calcination. The porous tin oxide nanotube arrays so prepared were characterized by FE-SEM, TEM, HRTEM, and XRD. The nanotubes are open-ended, highly ordered with uniform cross-sections, diameters and wall thickness. The tin oxide nanotubes were evaluated as a substitute anode material for the lithium ion batteries. The tin oxide nanotube anode could be charged and discharged repeatedly, retaining a specific capacity of 525 mAh/g after 80 cycles. This capacity is significantly higher than the theoretical capacity of commercial graphite anode (372 mAh/g) and the cyclability is outstanding for a tin based electrode. The cyclability and capacities of the tin oxide nanotubes were also higher than their building blocks of solid tin oxide nanoparticles. A few factors accounting for the good cycling performance and high capacity of tin oxide nanotubes are suggested.

Flexure based mounts for sensitive payloads : a management and engineering study

by Daniel K. Moon.

A mixed H2/H∞-based semiactive control for vibration mitigation in flexible structures

In this paper, we address this problem through the design of a semiactive controller based on the mixed H2/H∞ control theory. The vibrations caused by the seismic motions are mitigated by a semiactive damper installed in the bottom of the structure. It is meant by semiactive damper, a device that absorbs but cannot inject energy into the system. Sufficient conditions for the design of a desired control are given in terms of linear matrix inequalities (LMIs). A controller that guarantees asymptotic stability and a mixed H2/H∞ performance is then developed. An algorithm is proposed to handle the semiactive nature of the actuator. The performance of the controller is experimentally evaluated in a real-time hybrid testing facility that consists of a physical specimen (a small-scale magnetorheological damper) and a numerical model (a large-scale three-story building)

Nine years of Project-Based Learning in Engineering.

Monográfico con el título: 'Aprendizaje basado en problemas'.Resumen tomado de la publicación

A study of hearing aid user satisfaction based on the hearing aid performance inventory

This paper discusses a study to determine the effectiveness of the Hearing Aid Performance Inventory (HAPI) on hearing aid outcomes.

Effect of breed, gender, housing system and dietary crude protein content on performance of finishing beef cattle fed maize-silage-based diets

Maize silage-based diets with three dietary crude protein (CP) supplements were offered to 96 finishing cattle of contrasting breed (Holstein Friesian (HF) v. Simmental x HF (SHF)) and gender (bull v. steer) housed in two types of feeding system (group fed v. individually fed). The three protein supplements differed either in CP or protein degradability (degradable (LUDP) v. rumen undegradable (HUDP)) and provided CP concentrations of 142 (Con), 175 (LUDP) and 179 (HUDP) g/kg dry matter (DM) respectively, with ratios of degradable to undegradable of 3.0, 1.4 and 0.9:1 for diets Con, LOP and HUDP respectively. DM intakes were marginally higher (P = 0. 102) for LOP when compared with Con and HOP Rates of daily live-weight gain (DLWG) were higher (P = 0.005) in LUDP and HOP when compared with Con. HF had higher DM intakes than SHF although this did not result in any improvement in HF DLWG. Bulls had significantly better DM intakes, DLWG and feed conversion efficiency than steers. Conformation scores were better in SHF than HF (P < 0.001) and fat scores lower in bulls than steers (p < 0.001). There was a number of first order interactions established between dietary treatment, breed, gender and housing system with respect to rates of gain and carcass fat scores.

Investigation into the performance of an algorithm for deriving concise descriptions of optic flow fields for real-time control

This paper describes a region-based algorithm for deriving a concise description of a first order optical flow field. The algorithm described achieves performance improvements over existing algorithms without compromising the accuracy of the flow field values calculated. These improvements are brought about by not computing the entire flow field between two consecutive images, but by considering only the flow vectors of a selected subset of the images. The algorithm is presented in the context of a project to balance a bipedal robot using visual information.

A comparative study of multilayered and single layered neural network based predictive controllers

The authors compare the performance of two types of controllers one based on the multilayered network and the other based on the single layered CMAC network (cerebellar model articulator controller). The neurons (information processing units) in the multi-layered network use Gaussian activation functions. The control scheme which is considered is a predictive control algorithm, along the lines used by Willis et al. (1991), Kambhampati and Warwick (1991). The process selected as a test bed is a continuous stirred tank reactor. The reaction taking place is an irreversible exothermic reaction in a constant volume reactor cooled by a single coolant stream. This reactor is a simplified version of the first tank in the two tank system given by Henson and Seborg (1989).