Methodik zur Bewertung und Entwicklung plasmagespritzter Schichten zur elektrischen Isolation

Olesch, Elisa; Bobzin, Kirsten; Tillmann, Wolfgang

doi:10.18154/RWTH-2024-11131

Methodik zur Bewertung und Entwicklung plasmagespritzter Schichten zur elektrischen Isolation = Methodology for the evaluation and development of plasma-sprayed coatings for electrical insulation

Olesch, Elisa^RWTH*

2024 & 2025

VerantwortlichkeitsangabeElisa Olesch

ImpressumDüren : Shaker Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-8440-9727-6

ReiheSchriftenreihe Oberflächentechnik ; 81

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Bobzin, Kirsten (Thesis advisor)^RWTH* ; Tillmann, Wolfgang (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-09-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-11131
DOI: 10.2370/9783844098273
10.2370/9783844098273
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/997190/files/997190.pdf
URL: https://www.shaker.de/de/site/content/shop/index.asp?lang=de&ID=8&ISBN=978-3-8440-9727-6

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Oberflächentechnik im Maschinenbau (419010)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
E-mobility (frei) ; bearings (frei) ; ceramics (frei) ; coating (frei) ; electrical insulation (frei) ; surface engineering (frei) ; thermal spraying (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Wälzlager in umrichtergespeisten Motoren versagen trotz vorhandener Schutzvorkehrungen frühzeitig aufgrund hoher elektrischer Belastung. Die Applikation von Al₂O₃-Schutzschichtenmit dem Thermischen Spritzen stellt ein etabliertes Verfahren zum Schutz der Lager vor Stromdurchgängen dar. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Schichtentwicklung durchgeführt, um die Isolationsschutzschichtenmit alternativen Werkstoffkonzepten zu verbessern. Die Schichtentwicklung wird von einem neuartigen methodischen Vorgehen begleitet. Dabei werden freistehende Schichten sowie beschichtete Flachproben mit einem neu konstruierten Impedanzmessaufbau untersucht. Die Impedanzspektroskopie wird für die genannten Probenarten validiert und geprüft. Es werden Kurvensimulationen und Fittings von Impedanzkurven angewandt, um das Zieleiner verbesserten elektrischen Isolation des Schichtverbunds zu erreichen. Im letzten Schrittwerden drei ausgewählte neuentwickelte Schichtverbundsysteme auf Lagerringe appliziert und in einem Demonstrator geprüft. Mit der dargestellten Methodik sowie der Impedanzspektroskopie konnte gezeigt werden, dass Mullit eine Verbesserung der elektrischen Isolation im Vergleich zu Al₂O₃ als Referenzwerkstoffdarstellt. Insbesondere bei Feuchtigkeit aus der Umgebung zeigt Al₂O₃ eine langsamere Rekonditionierung. Mullit hingegen wird geringfügiger durch die umgebene Luftfeuchtigkeit beeinflusst und stellt damit einen Vorteil für die Anwendung dar. Im Demonstrator konnte gezeigt werden, dass der neuentwickelte Schichtverbund aus Mullit und neuartigem Versiegler eine geeignete Alternative zu der Al₂O₃-Referenz für den Einsatz als Schutzschicht vor elektrischen Stromdurchgängen darstellt. Die Anzahl der Stromdurchgänge der kritischen Stromstärken konnte in den Demonstratorprüfungen, im Vergleich zum kommerziell erhältlichen Referenzlager, um etwa 50 % reduziert werden. Die Reduktion der kritischen Stromdurchgänge korreliert mit einer Steigerung der Lagerlebensdauer. Ausgehend von der erfolgreichen Schichtentwicklung wird eingeschätzt, dass Kosten und Ressourceneingespart werden können.

Rolling bearings in inverter-fed motors experience premature failure due to high electrical load despite existing protective measures. The application of Al₂O₃ protective coatings using thermal spraying is already an established method for protecting bearings against current flow. The aim of this work is to improve the insulation protection coatings with alternative coating concepts. The coating development carried out is accompanied by a new methodological approach. Free-standing coatings and coated flat samples are examined using a newly designed impedance measurement setup. The impedance spectroscopy is validated and tested for the sample types mentioned. Plot simulations and fittings of impedance curves are carried out in order to achieve the goal of improved electrical insulation. In the final step, three selected newly developed composite coating systems are tested on bearing rings in a demonstrator. Using the methodology described and impedance spectroscopy, it was possible to show that mullite represents a significant improvement in electrical insulation compared to Al₂O₃. In particular, Al₂O₃ reconditions more slowly when exposed to moisture from the environment. Mullite on the other hand is less affected by the surrounding humidity and therefore represents a fundamental advantage for the adressed application. The demonstrator was able to show that the newly developed coating composite consisting of mullite and a new type of sealant is a suitable alternative to the Al₂O₃ reference for use as a protective coating against electrical current. Based on the demonstrator tests, it was possible to reduce the number of critical current density by about 50 % compared to the commercially available reference bearing. The reduction in critical current passes correlates with an increase in bearing service life. In addition, it is estimated that costs and resources can be saved due tothe improved insulation performance based on the successful coating development.