DE102007017342B4

DE102007017342B4 - Energiespeicher für ein Landfahrzeug

Info

Publication number: DE102007017342B4
Application number: DE102007017342A
Authority: DE
Inventors: Dr. Gründl Andreas; Bernhard Hoffmann
Original assignee: Compact Dynamics GmbH
Current assignee: Compact Dynamics GmbH
Priority date: 2007-04-12
Filing date: 2007-04-12
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2027-04-13
Also published as: US20100109451A1; DE102007017342A1; WO2008125251A1

Abstract

Energiespeicher, der in einem Gehäuse (10) angeordnet ist¹[siehe S. 6, Z. 24–25 der ursprünglichen Beschreibung] und
• eine elektrische Maschine (12) mit einem Läufer (14) und einem Ständer (16) aufweist, wobei
• der Ständer (16)
• von dem Läufer (14) durch einen Luftspalt (18) getrennt ist und
• wenigstens eine Ständerspule (20) aufweist, und wobei
• der Läufer (14)
• von dem Ständer (16) umgeben ist,
• einer Schwungmasse (22) zugeordnet ist und
• aus dünnen metallischen Blechscheiben (30) gebildet ist, die
• eine kreisringscheibenförmige Gestalt mit einem äußeren Rand (32) und einem inneren Rand (34) haben, und die
• im unbewegten Zustand
• an ihrem äußeren Rand (32) einer ersten Zugspannung und
• an ihrem inneren Rand (34) einer ersten Schubspannung
• ausgesetzt sind, und
• Energiespeicher, bei dem der Ständer (16) relativ zu dem...

Description

Einleitung
Nachstehend wird ein Energiespeicher beschrieben, der zum Beispiel für einen Einsatz in einem Landfahrzeug geeignet ist. Dabei kann es sich um einen Energiespeicher für Fahrzeuge handeln, die ausschließlich, oder zusätzlich zu einer Brennkraftmaschine, mit wenigstens einer elektrischen Maschine im Antriebsstrang ausgestattet sind. Der beschriebene Energiespeicher ist jedoch auch für einen Einsatz in stationären oder fliegenden Anwendungen geeignet.
Hintergrund
In der Vergangenheit wurde die in Kraftfahrzeugen benötigte elektrische Energie praktisch vollständig aus fossilem Brennstoff (Benzin, Erdgas oder Diesel) erzeugt. Bei elektrisch betriebenen Schienenfahrzeugen gibt es zum Beispiel das Konzept, die beim Bremsen freiwerdende kinetische Energie – anstatt sie in Reibungswärme umzusetzen – wieder in elektrische (potentielle) Energie zurückzuwandeln und in das Versorgungsnetz zurückzuspeisen. Durch entsprechende Regeleinrichtungen soll nun auch in Kraftfahrzeugen bei Bremsphasen zumindest ein Teil der Bremsenergie in elektrische Energie umgewandelt, gespeichert und wieder verwendet werden. In Fahrsituationen, in denen Bremsenergie in elektrische Energie gewandelt wird, kann letztere für spätere Situationen zur Unterstützung oder als Ersatz der Antriebsenergie aus der Brennkraftmaschine gespeichert werden. Auf diese Weise kann etwa 5%–20% oder mehr der Antriebsenergie aus der Brennkraftmaschine ersetzt oder in unterstützender Weise kurzzeitig (zum Beispiel für Überholvorgänge im Straßenverkehr) zusätzlich zur Verfügung stehen. Da Blei-Akkumulatoren schwer sind und nur eine begrenzte Energiedichte haben, wird vermehrt auf andere Energiespeichertypen (sog. Doppelschichtkondensatoren, Ultracaps, etc.) ausgewichen. Sie eignen sich für die kurzzeitige Bereitstellung (< 1 Min) von Energie und das Abdecken von Lastspitzen. Allerdings ist auch deren Energiedichte derzeit auf etwa 4–6 Wh/kg begrenzt.
Stand der Technik
Die DE 24 54 753 A1 zeigt einen Schwungmassenspeicher mit einem Rotor. Der Rotor ist aus sich radial erstreckenden, axial übereinander planen Scheiben gleicher Dicke aufgebaut. Der Rotor weist zum Beispiel Kurzschlussleiter auf und ist von einem Stator umgeben.
Die US 3 368 424 A zeigt ein Schwungrad in laminierter Bauart, bei dem laminierte Platten über ihre ganze Ausdehnung gleichmäßiger beansprucht werden sollen um eine wirtschaftlichere Nutzung des Materials und eine höhere Betriebssicherheit ermöglichen.
Dieses Schwungrad hat zwei gegenüberliegende Sätze von laminierten Platten. Jeder Satz ist aus ringförmigen Scheiben aufgebaut, die flach an ihrer Peripherie, leicht konisch auf ihrer Hauptfläche und stärker konisch geformt an ihrer zentralen Fläche sind. Die laminierten Platten sind durch den Axialdruck vorgespannt, der auf die stärker konisch geformten Fläche der äußersten Scheiben aufgebracht wird, um die einwärts gewölbten Flächen der Scheiben unter Schubspannung und die flachen peripheren Flächen der Scheibe unter Zugspannung zu setzen. Bei hoher Drehgeschwindigkeit verursachen die Zentrifugalkräfte radiale und tangentiale Zugspannungsbelastungen in den Scheiben, die an der Peripherie am niedrigsten sind aber zum Zentrum der Scheibenfläche hin zunehmen, wo die Belastung normalerweise das kritische Maximum erreicht. Die statische Vorspannung steigert jedoch die Spannung infolge von Zentrifugalkräften in den peripheren Flächen und reduziert die höheren Zugspannungen in den Mittel- und Innenflächen der Scheiben.
Der nachstehend beschriebene Energiespeicher kann eine hohe Energiedichte haben, und/oder eine lange Lebensdauer, in einer für den Einsatz in Serienfahrzeugen geeigneten einfachen Weise aufgebaut sein, und/oder kann eine geringe Fehleranfälligkeit, verbunden mit einem hohen Rekuperationsgrad der Energie.
Kurzfassung
Der Energiespeicher kann eine elektrische Maschine mit einem Läufer und einem Ständer aufweisen, wobei der Ständer von dem Läufer durch einen Luftspalt getrennt ist und wenigstens eine Ständerspule aufweist. Der Läufer kann von dem Ständer umgeben sein. Alternativ dazu kann der Läufer auch den Ständer umgeben. Der Läufer kann außerdem einer Schwungmasse zugeordnet sein und mit dieser zusammen einen rotierenden Körper bilden. Der Läufer oder der rotierende Körper kann aus einer Vielzahl dünnen metallischen Blechscheiben gebildet sein, die eine kreisringscheibenförmige Gestalt mit einem äußeren Rand und einem inneren Rand haben. Diese Blechscheiben sind zumindest im unbewegten Zustand, also bei Stillstand des Läufers, an ihrem äußeren Rand einer ersten Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer ersten Schubspannung ausgesetzt. Unter einer dünnen ebenen Blechscheibe ist dabei verstanden, dass ihre Dicke zwischen etwa 0,1% und etwa 5% des äußeren Durchmessers beträgt, wobei auch jeder zwischen diesen beiden Werten liegende Zwischenwert als hier offenbart gilt. Der Energiespeicher hat einen Ständer, der relativ zum Gehäuse und relativ zum Läufer drehbar gelagert ist.
Eine Möglichkeit, den Blechscheiben im unbewegten Zustand an ihrem äußeren Rand eine Zugspannung und an ihrem inneren Rand eine Schubspannung aufzuprägen, besteht darin, (mechanisch im Wesentlichen spannungsfreie) hohle, im Wesentlichen kreiskegelstumpfförmige Blechteile in eine (zumindest nahezu) flache Gestalt zu pressen. Dadurch wird der äußere Rand der so entstehenden Blechscheiben auf Zugspannung und deren innerer Rand auf Schubspannung beansprucht.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, zwei ebene konzentrische Ringe miteinander zu verbinden (zum Beispiel zu verschweißen oder formschlüssig zu verbinden), wobei der innere Ring unter Schubspannung und der äußere Ring unter Zugspannung steht. Im Ergebnis wird so eine ebene Blechscheibe erhalten, die ebenfalls (im nicht rotierenden Zustand) an ihrem äußeren Rand einer Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer Schubspannung ausgesetzt ist. Da hierbei auch zwei unterschiedliche Materialien, zum Beispiel Metalle verwendet werden können, besteht bei dieser Variante die Möglichkeit, den inneren Ring mit einer höheren Festigkeit zu wählen und den äußeren Ring hinsichtlich seiner magnetischen Eigenschaften zu optimieren. Daraus resultiert eine insgesamt effizientere elektrische Maschine.
Ein solcher Energiespeicher hat zwei Betriebsarten: Ein Generatorbetrieb und ein Motorbetrieb. Im Motorbetrieb oder Ladebetrieb des Energiespeichers werden die Ständerspulen des Energiespeichers mit elektrischem Strom beaufschlagt, der aus einer dem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges zugeordneten elektrischen Maschine kommt. Diese elektrische Maschine ist dabei im Generatorbetrieb und bremst das Kraftfahrzeug ab. Dabei wird der Läufer und mit ihm die Schwungmasse des Energiespeichers in Rotation versetzt.
Im Generatorbetrieb oder Entladebetrieb des Energiespeichers rotiert dessen Läufer mit der Schwungmasse mit hoher Drehzahl, wodurch die Ständerspulen des Energiespeichers elektrische Energie liefern. Diese elektrische Energie wird der im Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges befindlichen elektrischen Maschine eingespeist. Diese elektrische Maschine ist dabei im Motorbetrieb und treibt das Kraftfahrzeug an.
Die Materialfestigkeit der Blechscheiben des Läufers bzw. des rotierenden Körpers stellt dabei einen die Drehzahl begrenzenden Faktor des Energiespeichers dar. Aus der Beziehung E_kin = ½·J·ω², wobei E_kin die kinetische Energie des rotierenden Körpers (Läufer und Schwungmasse), und damit des Energiespeichers in Joule, J das Massenträgheitsmoment in kgm², und ω die Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Körpers in s^–1 ist, ergibt sich, dass sich eine mögliche Steigerung der Drehzahl (Winkelgeschwindigkeit) des rotierenden Körpers quadratisch auf die in dem Körper zu speichernde/dem Körper zu entnehmende Energie auswirkt.
Die Blechscheiben im unbewegten Zustand an ihrem äußeren Rand einer Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer Schubspannung auszusetzen, erlaubt eine höhere Drehzahl des Läufers, als wenn statt dessen – im Übrigen übereinstimmende – Blechscheiben ohne diese Eigenschaften verwendet würden.
Zu dem rotierenden Körper zusammengefügt, also aufeinander gestapelt, können diese, auf eine der beiden vorstehend beschriebenen (oder andere) Weisen erhaltenen Blechscheiben dann auf eine Drehzahl gebracht werden, bei der sie durch die auf sie wirkende Zentrifugalkraft an ihrem äußeren Rand einer höheren als der ersten Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer niedrigeren als der ersten Schubspannung ausgesetzt sind. Diese Drehzahl kann höher sein, als dies angesichts der Festigkeitseigenschaften des/der Materials/ien der Blechscheiben ohne die ihnen aufgeprägten Zug-/Schubspannungen der Fall wäre.
Der Energiespeicher ist zum Beispiel für ein Landfahrzeug mit elektrischem Antrieb geeignet, um bei einer regenerativen Abbremsung mittels wenigstens einer elektrischen Maschine im oder am Antriebsstrang des Fahrzeugs freiwerdende Energie zu speichern. In einer solchen Anordnung ist der Energiespeicher mit der elektrischen Maschine im oder am Antriebsstrang des Fahrzeugs verbunden, wobei die beim Abbremsen des Fahrzeugs in der elektrischen Maschine umgesetzte elektrische Leistung in den Energiespeicher eingespeist wird. Die elektrische Maschine in dem Energiespeicher wird dadurch zusammen mit der dem Läufer zugeordneten Schwungmasse in Rotation versetzt. Mögliche Drehzahlen sind dabei zwischen etwa 150.000 und 220.000 Umdrehungen pro Minute und mehr.
Die beim Abbremsen rekuperierte Energie muss nicht dazu benutzt werden, den Energiespeicher des Kraftfahrzeuges bedingungslos voll zu laden. Vielmehr kann ein Ladezustand des Energiespeichers für einen Standverbrauch und die Startfähigkeit (zum Beispiel im Start-Stopp-Betrieb im Stadtverkehr) des Kraftfahrzeuges in Abhängigkeit von relevanten Umweltbedingungen ermittelt und eingeregelt werden. Ein darüber hinaus gehendes Laden des Energiespeichers kann daher in energetisch günstigen Fahrphasen (= Rekuperationsphasen) erfolgen, in denen dafür kein Kraftstoff verbraucht würde. Sofern der Energiespeicher in diesen Rekuperationsphasen über die Startfähigkeits-/Standverbrauchs-Ladung hinaus geladen würde, steht elektrische Energie zur Verfügung, die direkt ins Bordnetz gespeist werden kann, ohne vom (kraftstoffgetriebenen) Generator aufgebracht werden zu müssen.
Diese Überschusskapazität kann dazu genutzt werden, dem sonst mittels Kraftstoff zu betreibenden Generator weniger oder keine Energie zu entnehmen, was zu geringerem Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeuges führen kann.
Durch diesen Energiespeicher kann das Potential der Energie-Rekuperation bei Landfahrzeugen, bei Kraftfahrzeuges mit Hybridantrieb, oder bei Kraftfahrzeugen mit einem ausreichend dimensionierten, dem Antriebsstrang zugeordneten Startergenerator optimal genutzt werden. Die elektrischen Maschinen können beim Abbremsen des Kraftfahrzeuges möglichst viel Energie zurückgewinnen. Über die regenerative Abbremsung hinausgehende Bremsanforderungen können durch die Reibungsbremse abgedeckt werden.
Der Läufer des Energiespeichers kann zumindest zusammen mit wenigstens einem Teil der Schwungmasse einen rotierenden Körper bilden, der eine im Wesentlichen topfförmige Gestalt mit einem Bodenteil und einem im Wesentlichen ringzylindrischen Wandteil aufweist. Der ringzylindrische Wandteil kann dabei entweder eine im Wesentlichen kreisringzylindrische Gestalt oder eine polygonringförmige Gestalt haben.
Die elektrische Maschine kann eine geschaltete Reluktanzmaschine sein, deren Läufer und Ständer stark genutet sind. Der Läufer bzw. der rotierende Körper kann aus zu seiner Rotationsachse axial geschichteten Metallblechlagen, zum Beispiel aus dünnen Eisen-Kohlenstoffhaltigen – Metallblechlagen gebildet sein. Sollte ein Defekt (zum Beispiel des Läufers) auftreten, aufgrund dessen der sich schnell drehende Läufer desintegriert, würden die dünnen Metallblechlagen nur begrenzten Schaden anrichten können.
Der Läufer kann zum Beispiel mittels eines Fluidlagers gegen das Gehäuse drehbar abgestützt sein. Es sind aber auch andere Lagervarianten, zum Beispiel Radialrollenlager oder Wälzlager, Kugellager, Keramiklager oder dergl., als Lagerung des Läufers gegenüber dem Gehäuse bzw. dem Ständer möglich.
Der Energiespeicher hat einen Ständer, der relativ zu dem Gehäuse und relativ zu dem Läufer drehbar gelagert ist. Damit ist der Ständer keine (bezogen auf das Gehäuse) stationäre Baugruppe. Vielmehr drehen beim Bestromen der Ständerspule(n) der Ständer und der Läufer sich in entgegengesetzte Richtungen. Damit kann auch die Masse des Ständers (die einen größeren Drehradius hat als der Läufer) zur Energiespeicherung herangezogen werden. Dies erhöht die Leistungsdichte der Gesamtanordnung des Energiespeichers weiter. Streng genommen wäre bei dieser Anordnung nicht mehr von einem Läufer und einem Ständer zu sprechen; eigentlich handelt es sich dabei um zwei sich gegensinnig drehende Läufer, einen inneren und einen äußeren Läufer.
Hierbei kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die beiden Läufer (also der „sich drehende Ständer” und der Läufer) aus dünnen Blechscheiben mit einem äußeren Rand und einem inneren Rand gebildet sind. Die dünnen Blechscheiben des „sich drehenden Ständers” und des Läufers sind im unbewegten Zustand, also im Stillstand, an ihrem äußeren Rand einer ersten Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer ersten Schubspannung ausgesetzt. Dies erlaubt eine besonders raum- und gewichtseffiziente Energiespeicherung.
Im rotierenden Zustand sind dann auch die Blechscheiben des sich drehenden Ständers an ihrem äußeren Rand einer höheren als der ersten Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer niedrigeren als der ersten Schubspannung ausgesetzt.
Die wenigstens eine Ständerspule kann in diesem Fall über eine Schleifringanordnung elektrisch kontaktiert sein.
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen dieses Energiespeichers werden anhand der nachstehenden Beschreibung verdeutlicht, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 zeigt einen Energiespeicher in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung.
2 zeigt den Energiespeicher in einer schematischen Querschnittsdarstellung.
3a, 3b zeigen eine Variante einer Blechscheibe des Energiespeichers in einer schematischen Draufsicht.
4 zeigt eine weitere Variante einer Blechscheibe des Energiespeichers in einer schematischen Draufsicht.
5 zeigt ein schematisches Spannungsdiagramm einer Blechscheibe des Energiespeichers.
6 zeigt einen Läufer des Energiespeichers in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung.
7 zeigt einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit dem Energiespeicher in einer schematischen Darstellung.
8 zeigt einen weiteren Energiespeicher in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung.
Detailbeschreibung von Ausführungsvarianten des Energiespeichers
In den 1 und 2 ist ein Energiespeicher gezeigt, der in einem geschlossenen, kreiszylindrischen, Schubresistenten Gehäuse 10 angeordnet ist. In dem Gehäuse 10 ist eine elektrische Maschine 12 in Gestalt einer geschalteten Reluktanzmaschine mit einem Läufer 14 und einem Ständer 16 aufgenommen. Details der Reluktanzmaschine sind weiter unten erläutert. Der Ständer 16 ist von dem Läufer 14 durch einen Luftspalt 18 getrennt und hat eine Vielzahl von Ständerspulen 20, die jeweils einem Ständerzahn 16a zugeordnet sind. Der Läufer 14 ist von dem Ständer 16 umgeben und hat eine im Wesentlichen topfförmige Gestalt mit einem Bodenteil 14a und einem im Wesentlichen ringzylindrischen Wandteil 14b. Weiter ist dem Läufer 14 eine Schwungmasse 22 baueinheitlich zugeordnet, die zusammen mit dem Läufer 14 einen rotierenden Körper bildet. Diese Schwungmasse 22 ist im gezeigten Beispiel dadurch gebildet, dass das Bodenteil 14a und das ringzylindrische Wandteil 14b aus nennenswert mehr Material gebildet sind, als für die Funktion der elektrischen Maschine 12 erforderlich wäre. Mit anderen Worten ist der Läufer 14 sowohl in radialer als auch in axialer Richtung 'dicker' (also mit mehr Material) ausgestaltet, als es aus elektrischen/magnetischen Gründen angezeigt ist.
Der Läufer 14 ist aus einem Stapel dünner Eisenblechscheiben 30 gebildet, denen im unbewegten Zustand an ihrem äußeren Rand 32 eine Zugspannung und an ihrem inneren Rand 34 eine Schubspannung aufgeprägt ist. Dies ist auf unterschiedliche Weise zu bewerkstelligen. Eine Variante (siehe 3) verwendet mechanisch spannungsfreie, hohle, im Wesentlichen kreiskegelstumpfförmige Blechteile (siehe 3a), die in eine zumindest nahezu flache Gestalt (siehe 3b) zu pressen sind. Dadurch wird der äußere Rand 32 der so entstehenden Blechscheiben auf Zugspannung und deren innerer Rand 34 auf Schubspannung beansprucht.
Eine andere Möglichkeit Eisenblechscheiben 30 mit dieser Eigenschaft zu erhalten (siehe 4), besteht darin, zwei ebene konzentrische Ringe 30a, 30b entlang einer Verbindungslinie 30c miteinander zu verschweißen, während der innere Ring 30a unter Schubspannung und der äußere Ring 30b unter Zugspannung stehen. So entsteht eine im Wesentlichen ebene Blechscheibe 30, die im nicht rotierenden Zustand an ihrem äußeren Rand 32 unter einer Zugspannung und an ihrem inneren Rand 34 unter einer Schubspannung steht. Da hierbei auch zwei unterschiedliche Metalle verwendet werden können, besteht bei dieser Variante die Möglichkeit, für den inneren Ring 30a ein Material mit einer höheren Festigkeit zu wählen und für den äußeren Ring 30b ein Material mit optimalen magnetischen Eigenschaften einzusetzen. Außerdem kann bei dieser Variante die Form der zwei konzentrischen Ringe 30a, 30b und deren Verbindungslinie 30c so gestaltet sein, dass die Verbindungslinie 30c nahe bei oder genau entlang der neutralen Schicht (Schub- und Zugspannung ist dort gleich Null) der so erhaltenen Scheibe 30 verläuft.
Zu dem rotierenden Körper (Läufer 14 und Schwungmasse 22) aufeinander gestapelt und falls erforderlich durch – in den Fig. nicht veranschaulichte – Boden- und Deckplatten des rotierenden Körpers in ihrer ebenen Form gehalten, können diese Blechscheiben 30 dann auf eine Drehzahl gebracht werden, die kann höher sein, als dies angesichts der Festigkeitseigenschaften der Blechscheiben ohne die ihnen aufgeprägten Zug-/Schubspannungen der Fall wäre.
Bei der höheren Drehzahl sind diese Blechscheiben 30 durch die auf sie wirkende Zentrifugalkraft dann an ihrem äußeren Rand 32 einer höheren als der ersten Zugspannung und an ihrem inneren Rand 34 einer niedrigeren als der ersten Schubspannung ausgesetzt.
Die der Blechscheibe 30 im Ruhezustand aufgeprägten Zug- bzw. Schubspannungen nehmen vom inneren Rand 34 zum äußeren Rand 32 hin zu (negative Spannungen sind Schubspannungen und positive Spannungen sind Zugspannungen). Die bei der Rotation der Blechscheibe 30 durch die Zentrifugalkraft hervorgerufenen Spannungen liegen zwar im positiven Bereich, nehmen jedoch von Innen nach Außen ab. Daraus resultiert ein nivellierteres Spannungsprofil. Außerdem liegt dieses Spannungsprofil betragsmäßig niedriger, als wenn Blechscheiben 30 verwendet werden, denen diese Zug- bzw. Schubspannungen im Ruhezustand nicht aufgeprägt wurden. Mithin sind bei den Blechscheiben 30 mit im Ruhezustand aufgeprägten Zug- bzw. Schubspannungen höhere Drehzahlen zulässig. Dieser Sachverhalt ist in 5 veranschaulicht.
Dabei wird von einer kreisringförmigen Blechscheibe 30, deren innerer Rand 34 einen Radius r_i und deren äußerer Rand 32 einen Radius r_a hat, ausgegangen. Die maximale Materialfestigkeit (die Fließgrenze) der Blechscheibe 30 betrage +1300 N/mm². Dem inneren Rand 34 der Blechscheibe 30 wird im Ruhezustand zum Beispiel eine Schubspannung von –200 N/mm² aufgeprägt. Dem äußeren Rand 32 der Blechscheibe 30 wird im Ruhezustand zum Beispiel eine Zugspannung von +200 N/mm² aufgeprägt. Hieraus resultiert im Ruhezustand näherungsweise ein Spannungsverlauf, wie er durch die Gerade „a” veranschaulicht ist.
Wird diese kreisringförmige Blechscheibe 30 um ihre Mittelachse (R in 1) in Rotation versetzt, ruft die Zentrifugalkraft einen von innen nach außen abnehmenden Spannungsverlauf zwischen +1200 N/mm² und +600 N/mm² hervor, wie er näherungsweise durch die Gerade „b” veranschaulicht ist. Diese beiden Spannungsverläufe „a”, „b” überlagern sich zu dem resultierenden Spannungsverlauf „c” mit geringerer (negativer) Steigung als der Spannungsverlauf „b” (siehe 5). Der hieraus resultierende Spannungsverlauf „c” hat ein niedrigeres Spannungsniveau von +1000 N/mm² am inneren Rand, während das Spannungsniveau von +800 N/mm² am äußeren Rand die Fließgrenze des Materials der Blechscheibe ebenfalls noch nicht erreicht hat. Somit kann die Drehzahl noch weiter gesteigert werden, bis die dabei hervorgerufene Zentrifugalkraft eine Spannung auf die Blechscheibe 30 ausübt, die in die Nähe der maximalen Materialfestigkeit (Fließgrenze) der Blechscheibe 30 führt. Diese Drehzahl liegt jedoch höher als die Drehzahl, bei der eine Blechscheibe 30 ohne den Spannungsverlauf „a” aufgeprägt zu haben, in die Nähe der maximalen Materialfestigkeit der Blechscheibe 30 kommt.
Da die maximale Drehzahl des rotierenden Körpers die obere Grenze der Energiespeicherkapazität des Energiespeichers bestimmt, wird durch den der Blechscheibe 30 aufgeprägten Spannungsverlauf „a” diese obere Grenze der Energiespeicherkapazität erhöht.
Die der Blechscheibe 30 aufgeprägte Schubspannung muss nicht – wie im vorstehenden Beispiel – betragsmäßig der der Blechscheibe 30 aufgeprägten Zugspannung entsprechen. Vielmehr kann durch deren Variation der Verlauf/die Steigung des Spannungsverlaufs „a” modelliert werden, um so den resultierenden Spannungsverlauf „c” zu beeinflussen.
Der Ständer 16 und der Läufer 14 sind an ihren jeweiligen einander zugewandten Mantelflächen stark genutet. Der Ständer 16 und der Läufer 14 haben dazu jeweils eine gerade (von einander abweichende) Anzahl von Zähnen 16a bzw. 14j. Die Spulen 20 befinden sich ausschließlich im/am Ständer 16 und haben die Form konzentrierter Wicklungen. Im Ständer 16 sind somit ausgeprägte Polzähne 16a vorhanden.
Um das von der Drehmoment der geschalteten Reluktanzmaschine zu vergleichmäßigen, können unterschiedliche Zahnzahlen in Ständer 16 und Läufer 14 vorgesehen sein. Dabei stehen eine Vielzahl möglicher Kombinationen der Ständerzahnzahl (ZS) und Läuferzahnzahl (ZL) zur Auswahl. Hier ist eine Kombination Ständerzahnzahl (ZS) > Läuferzahnzahl (ZL) bevorzugt.
Bei einer Drehbewegung des Läufers 14 ändert sich die Selbstinduktivität einer Ständerspule 20 periodisch zwischen einem kleinsten Wert und einem größten Wert. Das Drehmoment am Läufer ist dem Quadrat des Stromes durch die Ständerspulen 20 proportional, d. h. die Richtung des Drehmomentes ist unabhängig von der Richtung des Stromes in den Ständerspulen 20. Das Vorzeichen des Drehmomentes ist abhängig vom Vorzeichen der Induktivitätsänderung bei Rotation des Läufers 14. Bei steigender Induktivität wird ein positives Drehmoment (Motorbetrieb), bei fallender Induktivität ein negatives Drehmoment (Generatorbetrieb) erzeugt. Eine große Änderung der Induktivität als Funktion der Läuferstellung bewirkt ein großes Drehmoment.
Die geschaltete Reluktanzmaschine ist für eine hocheffektive Energiewandlung in einem weiten Drehzahlbereich geeignet. Der Läufer 14 kann in relativ wenigen Fertigungsschritten kostengünstig hergestellt werden. Der Ständer 16 kann ausgeprägte Pole 16a haben, auf denen konzentrierte Ständerspulen 20 angeordnet sein können. Die Ständerspulen 20 können entweder als Formspulen aufgeschoben oder in einem Direktwickelverfahren gefertigt werden. Die im Ständer 16 entstehende Verlustwärme lässt sich gut abführen.
Diese elektrische Maschine hat einen sehr einfach aufgebauten, robust zu realisierenden Läufer haben, der auch so gestaltet sein kann, dass er geringe magnetische Verluste hervorruft. Mit einer solchen Maschine sind sehr hohe Drehzahlen (bis zu 200.000 UpM und mehr) realisierbar. Ein weiterer Aspekt ist die elektrische/magnetische Entregbarkeit der geschalteten Reluktanzmaschine. Dies ist für die Speicherfähigkeit der Energie bei geringen (zum Beispiel magnetischen) Verlusten wichtig.
Die in dem Läufer 14 und der zugeordneten Schwungmasse (siehe 6) zu speichernde kinetische Energie E_kin ist etwa nach folgender Beziehung zu ermitteln:
wobei
ω die Winkelgeschwindigkeit des Läufers 14 in s^–1

die Dichte des Materials (zum Beispiel Eisen) des Läufers 14
π die Konstante Pi (3,14....)
h₁ die Höhe des Bodenteil 14a des Läufers 14 in m
h₂ die Höhe des ringzylindrischen Wandteils 14b des Läufers 14 in m
r₁ der Innenradius des Wandteils 14b des Läufers in m
r₂ der Außenradius des Wandteils 14b des Läufers in m
r₃ der Außenradius der Zähne 14j des Läufers in m
ist.
Hierbei ist die Umfangslänge ZL der Zähne 14j des Läufers 14 gleich der Nutlänge NL der Nut zwischen zwei benachbarten Zähnen 14j (siehe 6).
Im Motorbetrieb oder Ladebetrieb des Energiespeichers (siehe 7) werden die Ständerspulen 20 des Energiespeichers – gesteuert von einer elektronischen Leistungsumsteuereinheit ECU – mit elektrischem Strom beaufschlagt, der aus einer im Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges (Verbrennungsmaschine 80, Kupplung 82, Getriebe 84, Differential 86, Räder 88) befindlichen elektrischen Maschine 90 kommt. Diese elektrische Maschine 90 ist dabei im Generatorbetrieb und bremst das Kraftfahrzeug ab. Dadurch wird der Läufer 14 und mit ihm die Schwungmasse 22 des Energiespeichers in Rotation versetzt.
Im Generatorbetrieb oder Entladebetrieb des Energiespeichers (siehe 7) befindet sich dessen Läufer 14 von der Schwungmasse 22 in Rotation versetzt in einer hohen Drehzahl. Dann liefern die Ständerspulen 20 des Energiespeichers elektrische Energie. Diese elektrische Energie wird – gesteuert von der elektronischen Leistungsumsteuereinheit ECU – der im Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges befindlichen elektrischen Maschine 90 eingespeist. Diese elektrische Maschine 90 ist dabei im Motorbetrieb und treibt das Kraftfahrzeug an.
In 8 ist veranschaulicht, dass der Ständer 16 gegenüber dem Gehäuse 10 mittels zweier Wälzlager 48a, 48b ebenfalls um die Rotationsachse R drehbar angeordnet ist. Die Bestromung der Ständerspule(n) 20 erfolgt dabei mittels einer Schleifringanordnung 50, die an der Wand des Gehäuses 10 angeordnet ist und die Ständerspule(n) 20 elektrisch kontaktiert. Der Übersichtlichkeit sind dabei nur zwei Kontakt-Schleifringe 50a, 50b gezeigt; deren Anzahl hängt von der Anzahl der Ständerspulen 20 ab. Dabei kann der mechanische Kontakt (zum Beispiel elektromagnetisch) abhebbar gestaltet sein, so dass die Reibungsverluste verringert sind, wenn keine elektrische Leistung über die Schleifringanordnung 50 transportiert wird. Bei dieser Anordnung drehen der Läufer und der „Ständer” sich in zueinander entgegen gesetzte Richtungen, wenn die Ständerspule(n) 20 bestromt werden. Auf diese Weise kann eine sehr bauraumeffiziente Anordnung eines Energiespeichers bereitgestellt werden. Anstelle der Schleifringanordnung 50 ist es auch möglich, die elektrische Leistung induktiv oder kapazitiv in die Ständerspule(n) 20 einzukoppeln bzw. aus diesen auszukoppeln.
Vorstehend ist davon ausgegangen, dass der sich drehende Körper sowohl Schwungmasse als auch Läufer eines Elektromotors ist, also eine Doppelfunktion hat. Es ist jedoch auch möglich, einen sich drehenden Körper für einen Schwungspeicher in der geschilderten Weise auszugestalten, der mittels einer anderen elektrischen Maschine (und ggf. eines Getriebes) Energie aufnimmt, speichert, und abgibt.
Dazu ist ein Schwungkörper aus dünnen metallischen Blechscheiben gebildet, die eine im Wesentlichen kreisringscheibenförmige Gestalt mit einem äußeren Rand und einem inneren Rand haben, und die im unbewegten Zustand an ihrem äußeren Rand einer ersten Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer ersten Schubspannung ausgesetzt sind.
Die Blechscheiben sind im rotierenden Zustand an ihrem äußeren Rand einer höheren als der ersten Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer niedrigeren als der ersten Schubspannung ausgesetzt.
Diese ebenen Blechscheiben sind dadurch gebildet, dass mechanisch im Wesentlichen spannungsfreie kreiskegelstumpfmantelförmige Blechteile in eine im Wesentlichen flache Gestalt gepresst sind, wodurch wird der äußere Rand der Blechscheiben auf Zugspannung und der innere Rand der Blechscheiben auf Schubspannung beansprucht ist.
Diese ebenen Blechscheiben können auch dadurch gebildet sein, dass zwei, ein innerer und ein äußerer, ebene konzentrische Ringe miteinander verbunden sind, wobei der innere Ring unter Schubspannung steht und der äußere Ring unter Zugspannung steht, wodurch die Blechscheibe im nicht rotierenden Zustand an ihrem äußeren Rand einer Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer Schubspannung ausgesetzt ist.
Dabei kann der innere Ring und der äußere Ring aus zwei unterschiedlichen Materialien gebildet sein, wobei vorzugsweise der innere Ring eine höhere Festigkeit hat und der äußere Ring hinsichtlich seiner magnetischen Eigenschaften zu optimieren ist.

Claims

Energiespeicher, der in einem Gehäuse (10) angeordnet ist¹[siehe S. 6, Z. 24–25 der ursprünglichen Beschreibung] und • eine elektrische Maschine (12) mit einem Läufer (14) und einem Ständer (16) aufweist, wobei • der Ständer (16) • von dem Läufer (14) durch einen Luftspalt (18) getrennt ist und • wenigstens eine Ständerspule (20) aufweist, und wobei • der Läufer (14) • von dem Ständer (16) umgeben ist, • einer Schwungmasse (22) zugeordnet ist und • aus dünnen metallischen Blechscheiben (30) gebildet ist, die • eine kreisringscheibenförmige Gestalt mit einem äußeren Rand (32) und einem inneren Rand (34) haben, und die • im unbewegten Zustand • an ihrem äußeren Rand (32) einer ersten Zugspannung und • an ihrem inneren Rand (34) einer ersten Schubspannung • ausgesetzt sind, und • Energiespeicher, bei dem der Ständer (16) relativ zu dem Gehäuse (10) und relativ zu dem Läufer (14) drehbar gelagert ist
Energiespeicher nach Anspruch 1, bei dem die Blechscheiben (30) im rotierenden Zustand • an ihrem äußeren Rand (32) einer höheren als der ersten Zugspannung und • an ihrem inneren Rand (34) einer niedrigeren als der ersten Schubspannung ausgesetzt sind.
Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die ebenen Blechscheiben (30) dadurch gebildet sind, dass mechanisch spannungsfreie kreiskegelstumpfmantelförmige Blechteile in eine flache Gestalt gepresst sind, wodurch wird der äußere Rand (32) der Blechscheiben (30) auf Zugspannung und der innere Rand (34) der Blechscheiben (30) auf Schubspannung beansprucht ist.
Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die ebenen Blechscheiben (30) dadurch gebildet sind, dass zwei, ein innerer und ein äußerer, ebene konzentrische Ringe (30a, 30b) miteinander verbunden sind, wobei der innere Ring (30a) unter Schubspannung steht und der äußere Ring (30b) unter Zugspannung steht, wodurch die Blechscheibe (30) im nicht rotierenden Zustand an ihrem äußeren Rand (32) einer Zugspannung und an ihrem inneren Rand (34) einer Schubspannung ausgesetzt ist.
Energiespeicher nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der innere Ring (30a) und der äußere Ring (30b) aus zwei unterschiedlichen Materialien gebildet sind, wobei der innere Ring (30a) eine höhere Festigkeit hat und der äußere Ring (30b) hinsichtlich seiner magnetischen Eigenschaften zu optimieren ist.
Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Gehäuse (10) druckfestausgestaltet ist, wobei darin ein Druck von weniger als 1 bar herrscht.
Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Läufer (14) eine topfförmige Gestalt mit • einem Bodenteil (14a) und • einem ringzylindrischen Wandteil (14b) aufweist.
Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die elektrische Maschine (12) eine geschaltete Reluktanzmaschine ist, deren Läufer (14) und Ständer (16) genutet sind.
Energiespeicher nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der Läufer (14) aus Eisen-Kohlenstoff-haltigen – Metallblechen gebildet ist.
Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Läufer (14) mittels eines Gleit-, Wälz-, oder Fluidlagers gegen das Gehäuse (10) drehbar abgestützt ist.
Energiespeicher nach dem Anspruch 1, bei dem der Ständer (16) aus dünnen Blechscheiben gebildet sind, die im unbewegten Zustand an ihrem äußeren Rand einer ersten Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer ersten Schubspannung ausgesetzt sind.
Energiespeicher nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die wenigstens eine Ständerspule (20) über eine Schleifringanordnung (50) elektrisch kontaktiert ist.