The Institute for Machine Elements and System Development researches the fundamental structural and tribological behavior of machine elements and maps this behavior through experimentally validated model descriptions. These model descriptions are used to analyze and design the functional performance, energy losses, and acoustic behavior of complete technical systems, with a focus on drivetrain technology. In addition, the developed models serve as a basis for researching and developing methods for Model-Based Systems Engineering (MBSE) as a central element in future industrial product development processes.
The oil flow in rolling bearings is influenced by numerous geometric, physical, and operational parameters. A full CFO simulation is highly computationally intensive and therefore unsuitable for system-level simulations. Consequently, there is a need for a simplified, yet physically sound surrogate model that can efficiently describe the input-output behavior of the oil flow.
In this work, a theoretical investigation is conducted to identify the key parameters that significantly affect the oil flow in rolling bearings and to determine how these can be combined into dimensionless numbers. Using the Buckingham n theorem, the relevant influencing factors are grouped into dimensionless parameters.
Based on this, physically motivated equations are derived to describe the inputoutput behavior. Finally, the study examines how this physical model structure can be complemented or trained using machine learning methods to develop a hybrid surrogate model.
Tasks:
- Literature review on oil flow in rolling bearings and dimensionless analysis (Buckingham TI theorem).
- Identification of relevant influencing parameters (e.g., rotational speed, oil viscosity, geometric parameters).
- Application of the Buckingham TI theorem to derive dimensionless groups.
- Development of physical equations describing the input-output behavior.
- Integration of the physical model with data-driven methods (e.g., POD, machine learning).
Requirements:
- Basic knowledge of fluid mechanics
- Mathematical fundamentals, especially dimensional analysis and the Buckingham TI theorem
- Understanding of flow characteristics in rolling bearings is desirable but not mandatory
- Initial knowledge of data-driven methods (e.g., machine learning) is desirable but not mandatory
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- Flexible focus areas within the thesis/project
- Possibility of rapid completion
- Intensive supervision
- Immediate start or by arrangement
- Excellent working atmosphere
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Amirreza Niazmehr, M. Sc. RWTH
Institut für Maschinenelemente und Systementwicklung
Schinkelstraße 10, 52062 Aachen
amirreza.niazmehr@imse.rwth-aachen.de
Bachelor/Master Thesis: Development of efficient gearbox models to analyse wind turbine dynamics
The Institute for Machine Elements and Systems Engineering (iMSE) together with the Chair for Wind Power Drives researches the behaviour of drive systems in modern multi-megawatt wind turbines. The research objectives are to increase the availability, robustness and energy efficiency of wind turbines and to reduce the energy costs. For this experiment’s with software simulation tools and modern test benches are combined.
In order to reduce the electricity generation costs of modern wind turbines, an increase in the power density of the planetary gears in wind turbines is desired. The use of compact planetary gears with journal bearings is becoming common. Therefore, research is being carried out at CWD on the journal bearing of planetary gears in wind turbine gearboxes.
This thesis offers an exciting chance to help improve wind energy technology. The project involves creating and testing gearbox simulation models for wind turbines using available experimental data. Different gearbox models will be built, each with varying levels of detail, and their accuracy and performance in calculations will be evaluated.
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Math Lucassen, M. Sc.
Chair for Wind Power Drives
Campus-Boulevard 61, 52074 Aachen
math.lucassen@imse.rwth-aachen.de
Masterarbeit: Simulation des dynamischen Verhaltens des Generators einer Windenergieanlage zur Identifikation von Ursachen für überhöhte Anregungen
Der Chair for Wind Power Drives erforscht das Verhalten von Antriebssystemen in modernen Multimegawatt-Windenergieanlagen. Forschungsziele sind die Steigerung der Verfügbarkeit, der Robustheit und der Energieeffizienz der Windenergieanlagen sowie die Senkung der Stromgestehungskosten. Hierzu werden Software-Entwicklungswerkzeuge und moderne Systemprüfstände im Verbund eingesetzt.
Zur Ertragssteigerung an modernen Windenergieanlagen (WEA) wird eine Reduktion der Schallabstrahlung von WEA-Triebsträngen angestrebt, da starke Schall-Emissionen häufig zu einer Drosselung der Anlagenleistung (schallreduzierter Betrieb) führen. Eine potentielle Quelle solcher Schwingungen gilt der Generator einer WEA. Durch die gezielte Analyse von Schwingungsursachen am Generator können Abhilfemaßnahmen entwickelt und damit das dynamische Verhalten des Generators verbessert werden. Ziel dieser Arbeit ist daher die Untersuchung des dynamischen Verhaltens eines Generators in einem WEA-Triebstrang mithilfe eines bestehenden Simulationsmodells.
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Thomas Decker, M. Sc. RWTH
Chair for Wind Power Drives
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Masterarbeit: Validierung einer Mehrkörpersimulation zur Untersuchung des strukturdynamischen Verhaltens von Generatoren in Windenergieanlagen
Der Chair for Wind Power Drives erforscht das Verhalten von Antriebssystemen in modernen Multimegawatt-Windenergieanlagen. Forschungsziele sind die Steigerung der Verfügbarkeit, der Robustheit und der Energieeffizienz der Windenergieanlagen sowie die Senkung der Stromgestehungskosten. Hierzu werden Software-Entwicklungswerkzeuge und moderne Systemprüfstände im Verbund eingesetzt.
Zur Ertragssteigerung an modernen Windenergieanlagen (WEA) wird eine Reduktion der Schallabstrahlung von WEA-Triebsträngen angestrebt, da starke Schall-Emissionen häufig zu einer Drosselung der Anlagenleistung (schallreduzierter Betrieb) führen. Eine potentielle Quelle solcher Schwingungen gilt der Generator einer WEA. Durch die gezielte Analyse von Schwingungsursachen am Generator können Abhilfemaßnahmen entwickelt und damit das dynamische Verhalten des Generators verbessert werden.
Ziel dieser Arbeit ist daher die Untersuchung des dynamischen Verhaltens eines Generators in einem WEA-Triebstrang mithilfe eines bestehenden Simulationsmodells. Hierfür soll zunächst das Modell validiert werden. Die Validierung erfolgt anhand von bereits existierenden Schwingungsmessdaten.
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Thomas Decker, M. Sc. RWTH
Chair for Wind Power Drives
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Bachelor- / Masterarbeit: Literaturrecherche: White-Etching Cracks und Anschmierung in Kegelrollenlagern von WEA-Getrieben
Der Chair for Wind Power Drives erforscht das Verhalten von Triebsträngen in modernen Windenergieanlagen (WEA). Forschungsziele sind die Steigerung der Verfügbarkeit, der Robustheit und der Energieeffizienz der WEA sowie die Senkung der Stromgestehungskosten.
Wälzlager in WEA fallen häufig aufgrund vorzeitiger Schäden aus. Typische Schadensbilder sind White-Etching-Cracks (WEC) und Anschmierung. Bei WEC handelt es sich um Rissnetzwerken unterhalb der Lauffläche, die zu Axialrissen und anschließend zum Ausfall des Wälzlagers führen. Die genauen Ursachen hierfür sind bis heute nicht geklärt. Unstrittig ist, dass Wasserstoff ein wesentlicher Treiber ist, welcher durch hohen Energieeintrag im Wälzkontakt eingebracht werden kann. Anschmierung ist adhäsiver Verschleiß, bei der die Oberflächen kurzzeitig miteinander verschmelzen. Hierfür ist wie bei WEC ebenfalls ein hoher Energieeintrag notwendig. Wie hoch dieser Energieeintrag sein muss, ist jedoch insbesondere für Kegelrollenlager ungeklärt.
Daher soll im Rahmen dieser Arbeit eine umfassende Literaturrecherche zu White-Etching-Cracks und Anschmierung in Bezug auf Kegelrollenlagern durchgeführt werden.
Die genaue Aufgabenstellung und Zielsetzung können gemeinsam aus-gearbeitet werden.
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Emircan Yazici, M. Sc. RWTH
Chair for Wind Power Drives
Campus-Boulevard 61, 52074 Aachen
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Bachelor- / Masterarbeit: Entwicklung eines physikalisch fundierten Modells für die Ölströmung in Wälzlagern mittels Dimensionsanalyse (Buckingham-n-Theorem)
Das Institut für Maschinenelemente und Systementwicklung erforscht das grundlegende strukturelle und tribologische Verhalten von Maschinenelementen und bildet dieses in experimentell validierten Modellbeschreibungen ab. Diese Modellbeschreibungen werden genutzt, um das Funktions-, Verlust- und Geräuschverhalten gesamthafter technischer Systeme mit Fokus auf die Antriebstechnik zu analysieren und zu gestalten. Die entwickelten Modelle dienen zudem der Erforschung und Entwicklung von Methoden des Model Based Systems Engineering als zentrales Element künftiger, industrieller Produktentstehungsprozesse. Die Ölströmung in Wälzlagern wird von zahlreichen geometrischen, physikalischen und betrieblichen Parametern beeinflusst. Eine vollständige CFD-Simulation ist sehr rechenintensiv und für Systemsimulationen ungeeignet. Daher besteht Bedarf an einem vereinfachten, physikalisch fundierten Ersatzmodell, das das Ein-/ Ausgangsverhalten der Ölströmung effizient beschreibt. In dieser Arbeit soll theoretisch untersucht werden, welche Parameter die Ölströmung im Wälzlager maßgeblich beeinflussen und wie sich diese zu dimensionslosen Kennzahlen kombinieren lassen. Mithilfe des Buckingham-n-Theorems werden die relevanten Einflussgrößen zu dimensionslosen Gruppen zusammengefasst.
Auf dieser Basis sollen physikalisch begründete Gleichungen zur Beschreibung des Input-Output-Verhaltens abgeleitet werden.
Anschließend wird überprüft, wie diese physikalische Modellstruktur durch Machine-Learning-Methoden ergänzt oder trainiert werden kann, um ein hybrides Ersatzmodell zu entwickeln.
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Amirreza Niazmehr, M. Sc. RWTH
Institut für Maschinenelemente und Systementwicklung
Schinkelstraße 10, 52062 Aachen
amirreza.niazmehr@imse.rwth-aachen.de
Bachelor- / Masterarbeit: Development of a Physically Based Model for the Oil Flow in Rolling Bearings Using Dimensional Analysis (Buckingham-n Theorem)
The Institute for Machine Elements and System Development researches the fundamental structural and tribological behavior of machine elements and maps this behavior through experimentally validated model descriptions. These model descriptions are used to analyze and design the functional performance, energy losses, and acoustic behavior of complete technical systems, with a focus on drivetrain technology. In addition, the developed models serve as a basis for researching and developing methods for Model-Based Systems Engineering (MBSE) as a central element in future industrial product development processes.
The oil flow in rolling bearings is influenced by numerous geometric, physical, and operational parameters. A full CFO simulation is highly computationally intensive and therefore unsuitable for system-level simulations. Consequently, there is a need for a simplified, yet physically sound surrogate model that can efficiently describe the input-output behavior of the oil flow.
In this work, a theoretical investigation is conducted to identify the key parameters that significantly affect the oil flow in rolling bearings and to determine how these can be combined into dimensionless numbers. Using the Buckingham n theorem, the relevant influencing factors are grouped into dimensionless parameters.
Based on this, physically motivated equations are derived to describe the inputoutput behavior. Finally, the study examines how this physical model structure can be complemented or trained using machine learning methods to develop a hybrid surrogate model.
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Amirreza Niazmehr, M. Sc. RWTH
Institut für Maschinenelemente und Systementwicklung
Schinkelstraße 10, 52062 Aachen
amirreza.niazmehr@imse.rwth-aachen.de
Bachelor- / Masterarbeit: Identifikation von Schadenskritischen Lastfällen in Windenergieanlagen
Das Institut für Maschinenelemente und Systementwicklung (iMSE) erforscht zusammen mit dem Chair for Wind Power Drives (CWD) das Verhalten von Antriebssystemen in modernen Multimegawatt-Windenergieanlagen. Forschungsziele sind die Steigerung der Verfügbarkeit, der Robustheit und der Energieeffizienz der Windenergieanlagen sowie die Senkung der Stromentstehungskosten.
Eines der wirtsch. Hauptprobleme bei Windenergieanlagen ist der Ausfall des Getriebes. Ursächlich dafür sind in 76 % aller Fälle Schäden an den verbauten Wälzlagern. Dabei tritt ein Großteil dieser Schädigungen bereits bei 1 – 20 % der errechneten Lagerlebensdauer auf. Ursachen für die Frühausfälle werden in mechanischen, elektrischen und chemischen Lasten bzw. deren Kombination vermutet.
Werde auch Du Teil der Problemlösung!
Um einen zuverlässigen Betrieb der Windenergieanlagen zu gewährleisten, ist es essenziell, kritische Betriebsbedingungen zu identifizieren. In deiner Abschlussarbeit simulierst du daher verschiedene Betriebszustände (Böen, Not-Aus etc.) und identifizierst kritische Lastfälle für die Wälzlager im Planetengetriebe. Diese Betrachtung wird durch die Berücksichtigung der auftretenden elektrischen Belastung und der entstehenden Verunreinigungen im Getriebeschmierstoff (z. B. erhöhter Verschleiß) abgerundet.
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Jörn Christian Harling, M. Sc. RWTH
Chair for Wind Power Drives
Campus-Boulevard 61, 52074 Aachen
joern.harling@imse.rwth-aachen.de
Projektarbeit: Entwicklung eines Sensorikkonzepts für die Erfassung der Einflussgrößen von Komponentenschäden im Triebstrang einer Gezeitenenergieanlage
Der Chair for Wind Power Drives erforscht neben dem Verhalten von Antriebssystemen in Windenergieanlagen auch das Verhalten von Gezeitenenergieanlagen. Forschungsziele sind die Steigerung von Verfügbarkeit und Robustheit der Gezeitenenergieanlagen sowie die Senkung der Stromgestehungskosten. Hierzu werden Software-Entwicklungswerkzeuge und moderne Systemprüfstände im Verbund eingesetzt.
Gezeitenenergieanlagen befinden sich noch in der Prototypenphase und die Kenntnis über Komponentenschäden und resultierende Ausfälle ist entsprechend gering. Am CWD wird daher ein simulationsbasierter digitaler Zwilling entwickelt, mit dem der Zustand der Triebstrangkomponenten überwacht werden kann. Parallel dazu werden Prüfstandversuche durchgeführt, um die Robustheit der Anlage zu verifizieren und den digitalen Zwilling zu validieren. Welche Schadensmechanismen im digitalen Zwilling betrachtet werden können, hängt somit davon ab, welche Einflussgrößen der Schadensmechanismen am Prüfstand messtechnisch erfasst werden können.
Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Literaturrecherche zu möglichen Komponentenschäden im Triebstrang durchgeführt werden. Die Einflussgrößen der Schadensmechanismen sollen identifiziert werden und es soll ein Konzept zur messtechnischen Erfassung dieser Größen am Prüfstand entwickelt werden.
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Jakob Roth, M. Sc. RWTH
Chair for Wind Power Drives
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jakob.roth@cwd.rwth-aachen.de
Master Thesis: Connected development off the Einstein Telescope by applying MBSE
Description:
To detect gravitational waves, work is currently underway on the development of a large underground detector. The so-called Einstein telescope is intended to enable research into black holes and neutron stars.
Due to the size of the telescope (10x10km) and the required accuracy, an extremely precise coordination of all necessary subsystems is required. To achieve this, the MSE isresearching the processes and methods required to develop the Einstein Telescope (ET). The focus of the work is the application of Model-Based Systems Engineering (MBSE). An important component of MBSE is architecture models, which provide information about the system structure. These must be linked with requirements and simulation models. The methods required for this linkage must be developed and tested.
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Frederik Moers, M. Sc. RWTH
Institute for Machine Elements and Systems Engineering
Eilfschornsteinsttr. 18, 52062 Aachen
frederik.moers@imse.rwth-aachen.de
Master Thesis: Capture and analysis of product knowledge stored in simulation models for the application of MBSE
Model-Based Systems Engineering (MBSE) makes it possible to store all information about a product in models and to link these to create a central system model, thereby accelerating the product development process and making it more efficient. However, transferring existing simulation models into MBSE system models is very time-consuming, as these models describe different aspects and parts of the product and sometimes overlap. Previous work has already investigated how simulation models can be analyzed regarding their product architecture. As part of a master’s thesis, this procedure is to be applied to analyze an electric motor regarding its structure and thus enable the transfer to an MBSE system model. The method must be developed further.
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Frederik Moers, M. Sc. RWTH
Institute for Machine Elements and Systems Engineering
Eilfschornsteinsttr. 18, 52062 Aachen
frederik.moers@imse.rwth-aachen.de