Entwicklung einer Webapplikation zum Ergebnisvergleich von Optimierungsproblemen

Bei der Entwicklung von Optimierungsstrategien werden häufig definierte Benchmark-Probleme verwendet, um die Funktionalität der Strategie zu testen. Hierzu ist es sinnvoll, erzielte Ergebnisse zentral zu vergleichen. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Webapplikation zu entwickeln, mit der User ihre Ergebnisse hochladen und vergleichen können. Die Berechnung des Benchmark-Problems muss während des Upload-Prozesses erfolgen. Eine geeignete Darstellung der Ergebnisse (Vergleich von Strategien, Parameter- und Lösungsraum, Darstellung der Paretofront aus allen Lösungen) spielt eine zentrale Rolle in dieser Arbeit.


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Optimierung eines Supraleitenden Magnetischen Energiespeichers (SMES)

Supraleitende Magnetische Energiespeicher werden verwendet, um möglichst rasch hohe Energie speichern und abrufen zu können. Dabei werden zwei konzentrisch angeordnete supraleitende Spule verwendet, in denen Strom in entgegengesetzte Richtung fließt. Durch Variation einiger Parameter (Geometrie und Quellgrößen) soll ein optimales Design gefunden werden, um möglichst hohe Energie zu speichern während gleichzeitig die Streuverluste minimiert werden sollen.

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Diplomarbeit „Electromagnetic track brake optimization“

Schienenbremsen werden eingesetzt, um die gesetzlich definierten Bremswege im Bahnverkehr bei Schnell-, Zwangs- und Notbremsungen einhalten zu können. Bei der elektromagnetischen Schienenbremse entsteht durch das Magnetfeld einer Spule eine Anzugskraft auf die Schienen, die aufgrund von Reibung in einer Bremskraft resultiert. 
Durch Abrieb verändert sich die Polschuh-Höhe und führt damit zu unerwünschten Änderungen des Bremsverhaltens. Mithilfe von Optimierungsstrategien soll das Design der Bremse so verändert werden, dass die Bremskraft möglichst unabhängig von der Polschuh-Höhe ist. Das Simulationsmodell zur Berechnung der Kraft ist bereits vorhanden, der Fokus dieser Arbeit liegt in der Optimierung mit einem Matlab-Framework.  

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Modellierung des Abstrahlverhaltens von Antennenstrukturen durch Multipol-Entwicklungen

Der Einsatz numerischer Simulationswerkzeuge zur Ermittlung des Abstrahlverhaltens von Antennen und Antennensystemen ist Stand der Technik. Aufgrund der Komplexität von modernen Antennenstrukturen, welche beispielsweise bei Mobilfunkgeräten zum Einsatz kommen, ergeben sich auch beim Einsatz leistungsstarken Rechner immer noch lange Rechenzeiten. Soll nun nicht nur eine Antennenstruktur sondern auch die Interaktion mehrerer abstrahlender Strukturen untersucht werden ergeben sich oft praktisch nicht mehr berechenbare Probleme. Die Idee ist nun die wesentlichen Eigenschaften des Abstrahlverhaltens einer Struktur durch einfache Multipol-Darstellungen zu beschreiben um so auch das Verhalten komplexerer System abschätzen zu können.

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Modellierung und numerische Simulation eines DC-Blocks für ein VNA-Messsystem

Die Aufgabe eines DC-Blocks ist das sperren von Gleichstrom bei gleichzeitig möglichst geringer Beeinflussung des zu vermessenden Wechselsignals. Für eine gegebene Vektor-Netzwerk-Analysator (VNA) Messanordnung soll im geforderten Frequenzbereich von 10 kHz bis 2 GHz der DC-Block eine maximale Impedanz von 5 W aufweisen bei gleichzeitig sehr hohen Betriebsspannungen. Die bereits vorliegenden Messergebnisse zum Frequenzverhalten eines Prototypen sollen nun mit Simulationsergebnissen verglichen werden. In weiterer Folge ist es angedacht, auf Basis der Simulationsergebnisse den vorliegenden Messaufbau zu verbessern bzw. den Frequenzbereich auszudehnen.

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Modellierung und numerische Simulation von konischen Spulen für breitbandige Anwendungen

Sogenannte “Bias Tees“ bestehend aus typ. einem Kondensator und einer Induktivität haben beispielsweise die Aufgabe die Zuführung einer DC-Versorgungsspannung zu einer aktiven Antenne zu gewährleisten und gleichzeitig die DC-Quelle vom AC-Signal zu isolieren. Die Induktivität (hier oft auch als “Bias Choke“ bezeichnet) soll bei breitbandigen Anwendungen ein möglichst konstantes Verhalten (konstante Induktivität) über den betrachteten Frequenzbereich besitzen. Eine Möglichkeit dies zu gewährleisten ist der Einsatz konischer Induktivitäten. In der vorliegenden Arbeit sollen grundlegenden Untersuchungen zu solchen konischen Spulen auf Basis numerischer Simulationen angestellt werden.

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Berechnen des Fernfeldverhaltens von Antennen anhand des Nahfeldes

Die sogenannte "Nearfield (NF) to Farfield (FF) transformation" ist eine Technik um vom Nahfeldverhalten um Antennen auf das Fernfeld zu schließen. Speziell in Messkammern kann aufgrund der beschränkten Platzverhältnisse oft das Fernfeldverhalten nicht einfach bestimmt werden, wodurch dies mit Näherungen aus Nahfeldmessungen geschieht. In dieser Arbeit sollen diese Techniken auf die numerische Simulation überführt werden um bei der Modellierung und Berechnung des Luftgebietes um Antennen wertvolle Rechenzeit zu sparen.
 

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Untersuchungen zu reaktiv geladenen Yagi-Uda-Antennen zur kontrollieren Steuerung des Abstrahlverhaltens

Yagi-Uda Antennen sind Antennen deren Abstrahlverhalten durch die geometrische Anordnung von typischerweise einem aktiven Antennenelement und mehreren passiven Elementen (sog. Reflektor und Direktoren) bestimmt werden. Die Längen der jeweiligen Elemente sowie deren Position ist hierbei maßgeblich für das Fernfeldverhalten der Antenne. Das hauptsächliche Einsatzgebiet solcher Antennen war bis dato in der terrestrischen Rundfunkübertragung sowie in der Radartechnik. Neuerdings werden jedoch auch hybride Konzepte im Bereich der RFID sowie von 5G-Anwendungen eingesetzt.
In der gegenständlichen Arbeit soll der Einfluss reaktiver Lasten an den passiven Elementen und deren Einfluss auf das Abstrahlverhalten untersucht werden.
 

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Optimierung von NFC-Antennen unter Berücksichtigung nichtlinearer Lastfälle

NFC (Near-Field-Communication) ist ein auf der RFID-Technik basierender Übertragungsstandard zum kontaktlosen Austausch von Daten. Der Datenaustauch bei NFC-Systemen funktioniert mittels elektromagnetischer Induktion zweier lose gekoppelter Spulen über Strecken von wenigen Zentimetern. Limitierungen bezüglich der Antennenfläche sowie parasitäre Effekte wie metallische Gegenstände nahe der NFC-Antenne erschweren das Design eben dieser. Ziel dieser Arbeit ist es, das Gesamtsystem bestehend aus Antenne und passiven als auch nichtlinearen aktiven elektrischen Netzwerkelementen,  für einen gegebenen Anwendungsfall standardkonform zu optimieren.
 

Kontakt: Thomas Bauernfeind

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Implementierung/Erweiterung eines Optimierframeworks in MATLAB© oder Python

Das IGTE betreibt ein Framework zur numerischen Optimierung von technischen Systemen. Dieses Framework wird in der Forschung verwendet und laufend weiterentwickelt. Für die Erweiterung und Benchmarks dieses  Frameworks sind laufend studentische Arbeiten erwünscht. 
 

Kontakt: Thomas Bauernfeind

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Meta-Optimierung von Optimierverfahren für physikalische Probleme

Auch numerische Optimierverfahren müssen parametrisiert werden. Parametrisiert man diese Verfahren richtig, kann man sehr viel Rechenzeit sparen. Die Aufgabe dieser Arbeit ist das Optimieren der Optimiererparameter (Metaoptimierung) für technische Probleme. Da die meisten Optimierverfahren stochastischen Hintergrund aufweisen, müssen diese Ergebnisse mit sehr einfachen statistischen Mitteln ausgewertet und interpretiert werden.
 

Kontakt: Thomas Bauernfeind

Kontakt: Paul Baumgartner

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3D Full-Wave Modellierung und Simulation von Kondensatoren für EMC-Anwendungen

Die elektromagnetische Verträglichkeit (electromagnetic compatibility EMC) elektronischer Geräte/Systeme ist ein wesentlicher Aspekt für die Zulassung dieser auf den Markt. Stand der Technik ist die messtechnische Überprüfung des EMC-Verhaltens anhand eines Prototypen. In Zukunft soll das EMC-Verhalten eines elektronischen Systems jedoch bereits in der Designphase anhand „digitaler Zwillinge“ der einzelnen Komponenten abgeschätzt werden können. Dazu ist es notwendig, das elektromagnetische Verhalten aller Komponenten zu bestimmen bzw. in Modellen abzubilden. In einem ersten Schritt sollen diese Untersuchungen an Kondensatoren ausgeführt werden.
 

Kontakt: Thomas Bauernfeind

Kontakt: Paul Baumgartner

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Evaluierung frei verfügbarer elektromagnetischer Solver

In dieser Arbeit sollen frei verfügbare elektromagnetische Simulationstools evaluiert und getestet werden. Diese sollten dann mittels exemplarischer Beispiele untereinander verglichen und der Einsatz in Forschung und Lehre evaluiert werden. 
 

Kontakt: Thomas Bauernfeind

Kontakt: Paul Baumgartner

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Genaue Untersuchungen bezüglich des Energieflusses um grundlegende Antennenstrukturen

Der Großteil der Literatur bezüglich Antennen befasst sich mit der Wirkung der Antenne im Fernfeld (Feld in sehr großer Distanz von der Antenne). Um das Verständnis bezüglich der Abstrahlmuster von Antennen genauer zu verstehen ist der Energiefluss im Nahbereich von entscheidender Bedeutung. Daher wird in dieser Arbeit der Fluss der Wirk- und Blindleistung genauer untersucht um die Abgrenzung der Feldregionen und die Entstehung des Abstrahlverhaltens besser zu verstehen. 
 

Kontakt: Thomas Bauernfeind

Kontakt: Paul Baumgartner

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Automated Construction of Equivalent Electrical Circuit Models based on FEM Simulations

The description of electromagnetic components and systems by electrical circuit models is indispensable for a wide range of applications, especially in the field of Electromagnetic Compatibility (EMC).
 

Kontakt: Manfred Kaltenbacher

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Extraktion von R/L/C Parametern aus Finite Elemente Feldmodellen

Die Finite Elemente Simulation von elektronischen Komponenten (aktiv als auch passiv) stellt an sich schon große Herausforderungen dar. Möchte man nun eine mehrere Komponenten im Verbund (z.B. IC‘s) simulieren und deren Wirkung untereinander, ist der Finite Elemente Ansatz oft nicht zielführend. Stattdessen möchte man z.B. aus einer FEM Simulation bestimmte Parameter extrahieren, um dann mit einem anderen Modell (z.B. Netzwerkmodell) weiterzurechnen.
In dieser Arbeit sollen Methoden erarbeitet werden, um anhand eines einfachen FEM Modells, die RLC Größen zu bestimmen. In weiterer Folge sollen diese Methoden auch in der Software openCFS angewandt werden.
 

Kontakt: Klaus Roppert

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Behandlung nichtlinearer ODEs im Frequenzbereich

Manche Problemstellungen können durch nichtlineare Übertragungsfunktionen beschrieben werden, im einfachsten Fall durch Potenzreihen. Oft ist man jedoch nur an Lösungen in einem (quasi)stationären Zustand interessiert, weshalb die Differenzialgleichung vorteilhafterweise im Frequenz- oder einem anderen Bildbereich gelöst werden soll.
Im Zuge dieser Arbeit soll die systemtheoretische Methode der Verwendung von „gedächtnisbehafteten“ Volterra Reihen GFRF (Generalized Frequency Response Functions) erarbeitet werden.
 

Kontakt: Klaus Roppert

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Nichtkonforme Finite Elemente Formulierung für rotierende Systeme

Den größten Zeitaufwand einer Finite Elemente Simulation stellt in den meisten Fällen die Netzgenerierung dar. Das Netz soll nur so fein sein wie nötig und so grob wie möglich. Speziell die Vernetzung von elektrischen Maschinen stellt oft ein Problem dar, da sich Stator und Rotor relativ zueinander bewegen.
Ziel dieser Arbeit ist es eine bereits vorhandene Formulierung für Nichtkonforme FEM derart anzupassen, dass eine rotatorische Relativbewegung zwischen zwei Netzen ermöglicht wird.
 

Kontakt: Klaus Roppert

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Modellierung von Eisenverlusten in Elektroblechen: Von der Empirik zur Physik

Diese Arbeit ist als Literaturrecherche angedacht, um einen allgemeinen Überblick über die Modellierung von Eisenverlusten in Elektroblechen zu bekommen. Diesbezüglich gibt es eine große Mannigfaltigkeit an formelmäßigen Modellen, welche von einfachen empirischen Modellen zu fundiert physikalisch begründeten reichen. Ziel dieser Arbeit ist es, ein „optimales“ Modell zu finden, mit welchem die Eisenverluste eines geschichteten Transformatorkerns möglichst realitätsnah abgeschätzt werden können.
 

Kontakt: Klaus Roppert

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Erarbeitung von Hysteresemodellen für den Frequenzbereich

Hysteresemodelle als Materialmodell in Finite Elemente Simulationen sind immens rechenintensiv, weshalb sie zurzeit noch
nicht für praktisch relevante Probleme verwendet werden können. In dieser Arbeit sollen Methoden erarbeitet werden, um
Hysteresemodelle in den Frequenzbereich überführen zu können. Diese Methoden könnten einen entscheidenden
Performance-Gewinn darstellen und den Einsatz in Anwendungen ermöglichen.

Kontakt: Klaus Roppert

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Finite Elemente Simulation von Dreiphasentransformatoren

Basierend auf dem periodischen Halbmodell eines Dreiphasentransformators, sollen effizienzsteigernde Maßnahmen (geringere Verluste) untersucht und simuliert werden. Einige dieser Möglichkeiten sind z.B. Veränderung des T-Stoß Winkels, Überlappungsbreite oder die Einführung von Schlitzen in den Blechen.
Ziel dieser Arbeit ist es, verschiedene Maßnahmen in der In-House FEM Software openCFS zu simulieren und die vielversprechendsten Maßnahmen auszuwählen, die einer genaueren Untersuchung unterzogen werden.
 

Kontakt: Klaus Roppert

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Optimization of nonlinear functions subject to nonlinear constraints

Im allgemeinen liegen bei vielen praktischen Optimierungsaufgaben Probleme vor, bei denen der optimale Punkt einer nichtlinearen Funktion unter Beachtung nichtlinearer Nebenbedingungen gefunden werden muss. Dafür werden oft fertige Funktionen aus Bibliotheken verwendet, deren grundsätzliche, komplexe Funktionsweise in dieser Arbeit beschrieben werden soll.
 

Kontakt: Christian Magele

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Entwicklung eines Netzwerkmodells zur Untersuchung von verschiedenen Methoden zum Lösen von inversen Problemen

Ein inverses Probleme liegt vor, wenn man von einer beobachteten Wirkung (z.B. Messwerte) auf die Ursache (z.B. Werte
der einzelnen Widerstände) zurückschließen will. Um ein solches inverses Problem lösen zu können, muss ein Modell zur
Berechnung des sogenannten Vorwärtsproblems existieren (z.B. Widerstandsnetzwerk). Anwendungen sind vor allem in
der Geophysik und der Medizintechnik zu finden. Ziel dieser Arbeit ist, ein Test-Setup zu entwickeln, an dem Methoden zur
Lösung von inversen Problemen getestet werden können.

Kontakt: Alice Reinbacher-Köstinger

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MSc - Berechnung eines nichtlinearen Netzwerkmodells

Die Verknüpfung eines elektrischen Schaltkreises mit einem nichtlinearen magnetischen Netzwerk soll näher untersucht werden. Die Eigenschaften der nichtlinearen Netzwerkelemente durch analytische Beziehungen sind gegeben. Methoden zur Lösung des nichtlinearen Problems sollen verglichen werden.
 

Kontakt: Werner Renhart

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