Attila Gonda

• With the expansion of the electromobility and wind energy, the number of frequency inverter-controlled electric motors and generators is increasing. In parallel, the number of the rolling bearing failures caused by inverter-induced parasitic currents also shows an increasing trend. In order to determine the electrical state of the rolling bearing, to develop preventive measures against damages caused by parasitic currents and to support system-level calculations, electrical rolling bearing models have been developed. The models are based on the electrical insulating ability of the lubricant film that develops in the rolling contacts. For the capacitance calculation of the rolling contacts, different correction factors were developed to simplify the complex tribological and electrical interactions of this region. The state-of-the-art correction factors vary widely, and their validity range also differ significantly, which leads to uncertainty in their general application and to the demand for further investigations of this field. In the present work, a combined simulation method is developed that can determine the rolling bearing capacitance of axially loaded rolling bearings. The simulation consists of an electrically extended EHL simulation for calculating the capacitance of the rolling contact, and an electrical FEM simulation for the capacitance calculation of the non-contact regions. With the combination of the resulted capacitance values of the two simulation methods, the total rolling bearing capacitance can be determined with high accuracy and without using correction factors. In addition, due to experimental investigations, the different capacitance sources of the rolling bearing are identified. After the validation of the combined simulation method, it can be applied for the investigation of the different capacitance sources, i.e., to determine their significance compared to the total rolling bearing capacitance. The developed simulation method allows a detailed analysis of the rolling bearing capacitances, taking into account influencing factors that could not be considered before (e.g., oil quantity in the environment of the rolling bearing). As a result, the accurate calculation of the rolling bearing capacitance can improve the prediction of the harmful parasitic currents and help to develop preventive measures against them.
• Mit dem Ausbau der Elektromobilität und der Windenergie steigt die Zahl der umrichtergesteuerten Elektromotoren und Generatoren. Parallel dazu steigt auch die Zahl der Wälzlagerausfälle, die durch umrichterinduzierte parasitäre Ströme verursacht werden. Um den elektrischen Zustand von Wälzlagern zu bestimmen, vorbeugende Maßnahmen gegen Schäden durch parasitäre Ströme zu entwickeln und elektrische Berechnungen auf Systemebene zu unterstützen, wurden elektrische Wälzlagermodelle entwickelt. Die Modelle beruhen auf der elektrischen Isolierfähigkeit des Schmierfilms, der sich in den Wälzkontakten ausbildet. Für die Berechnung der Wälzlagerkapazität wurden verschiedene Korrekturfaktoren entwickelt, um die komplexen tribologischen und elektrischen Wechselwirkungen in diesem Bereich zu vereinfachen. Die aktuellen Korrekturfaktoren und ihre Gültigkeitsbereiche variieren deutlich, was zu Unsicherheiten in deren allgemeinen Anwendung führen kann und weitere Untersuchungen auf diesem Gebiet erfordert. In der vorliegenden Arbeit wurde ein kombiniertes Simulationsverfahren entwickelt, mit dem die Wälzlagerkapazität von axial belasteten Wälzlagern berechnet werden kann. Die Simulation besteht aus einer elektrisch erweiterten EHD Simulation zur Berechnung der Kapazität des Wälzkontakts und einer elektrischen FEM Simulation zur Kapazitätsberechnung der weiteren Bereiche. Durch die Kombination der resultierenden Kapazitätswerte der beiden Simulationsverfahren kann die gesamte Wälzlagerkapazität mit hoher Genauigkeit und ohne Verwendung von Korrekturfaktoren berechnet werden. Darüber hinaus werden durch experimentelle Untersuchungen die verschiedenen Kapazitätsquellen des Wälzlagers identifiziert. Nach der Validierung der kombinierten Simulationsmethode kann diese zur Untersuchung der verschiedenen Kapazitätsquellen eingesetzt werden, d.h. um deren Bedeutung im Vergleich zur gesamten Wälzlagerkapazität zu ermitteln. Die entwickelte Simulationsmethode ermöglicht eine detaillierte Analyse der Wälzlagerkapazitäten unter Berücksichtigung von Einflussfaktoren, die bisher nicht berücksichtigt werden konnten (z.B. Ölmenge in der lagernahen Umgebung). Durch die genaue Berechnung der Wälzlagerkapazitäten können schädliche parasitäre Ströme besser vorhergesagt und Präventivmaßnahmen dagegen entwickelt werden.