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Die Erfindung betrifft einen Kraftwagen mit einer Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung, bei welcher ein elektrischer Läufer mit einer Welle des Kraftwagens mechanisch gekoppelt ist und ein Schwungmassenkörper bezüglich des Läufers drehbar in dem Kraftwagen gelagert ist.
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Eine solche Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung ist beispielsweise aus der
DE 299 08 315 U1 bekannt. Demnach ist bekannt, ein Schwungradsystem zum Speichern von kinetischer Energie in einem hybriden Antriebssystem eines Kraftwagens bereitzustellen. Das Schwungradsystem umfasst dabei zwei elektrische Maschinen, die jeweils sowohl als Motor als auch als Generator betrieben werden können. Die beiden elektrischen Maschinen sind mit einem elektrischen Verbindungskabel miteinander elektrisch gekoppelt. Ein Läufer einer der Maschinen ist des Weiteren mit einer Antriebswelle eines Verbrennungsmotors des Kraftwagens mechanisch gekoppelt. Die andere Maschine ist mit einem Schwungrad des Schwungradsystems verbunden.
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Zum Abbremsen des Kraftwagens kann ein Drehmoment von den Rädern des Kraftwagens über dessen Antriebsstrang zu der Antriebswelle geleitet werden. Dann wird der Läufer der ersten elektrischen Maschine angetrieben. Diese Maschine wird dabei im Generatorbetrieb betrieben. Ein so durch das Antreiben des Läufers von der elektrischen Maschine erzeugter Strom wird über das Verbindungskabel zu der zweiten Maschine geleitet, welche als Motor betrieben wird und das Schwungrad antreibt. Dadurch wird die kinetische Energie des Kraftwagens in Rotationsenergie des Schwungrades umgewandelt. Ein derart betriebenes Schwungradsystem wird als rekuperative Bremse bezeichnet.
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Umgekehrt ist es auch möglich, die kinetische Energie des Schwungrades wieder in Bewegungsenergie des Kraftwagens umzuwandeln. Dazu wird die mit dem Schwungrad verbundene elektrische Maschine in den Generatorbetrieb geschaltet, so dass aus der kinetischen Energie des Schwungrades wieder elektrische Energie gewonnen werden kann, die über das Verbindungskabel zu der elektrischen Maschine geleitet wird, die mit der Antriebswelle gekoppelt ist. Diese Maschine ist dann in den Motorbetrieb geschaltet und treibt die Antriebswelle eines Verbrennungsmotors an, wodurch der Kraftwagen beschleunigt wird.
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Bei einer rekuperativen Bremse kann sich speziell bei einer starken Verzögerung des Kraftwagens das Problem ergeben, dass eine große Energiemenge in kürzester Zeit gewandelt und gespeichert werden muss. Wird beispielsweise ein Kraftwagen mit einer Masse von 1500 kg innerhalb von 10 s von einer Geschwindigkeit von 100 km/h zum Stillstand gebracht und dabei mittels einer elektrischen Maschine, die mit einer Antriebswelle des Kraftwagens gekoppelt ist, eine elektrische Spannung von 100 V erzeugt, so fließt im Verlauf der 10 s ein mittlerer Strom von 588 Ampere. Dies ist eine verhältnismäßig große Stromstärke. Elektrische Maschinen und Verbindungskabel, die mit einem so großen Strom betrieben werden können, sind entsprechend aufwändig gestaltet und auch teuer.
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Ein weiterer, wichtiger Aspekt sind Verluste, die beim Wandeln der kinetischen Energie in Rotationsenergie des Schwungrades in dem Schwungradsystem auftreten können. Nimmt man an, dass beim Wandeln ein Prozent der Energie in Form von Wärme verloren geht, so bedeutet dies bei dem eben beschriebenen Beispiel, dass durch die Verluste das Schwungradsystem mit einer Heizleistung von 588 Watt für eine Dauer von 10 s aufgeheizt wird. Entsprechend aufwändige Maßnahmen zum Kühlen der Komponenten sind also notwendig.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Kraftwagen einen Wirkungsgrad einer Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch einen Kraftwagen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Sie wird auch durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftwagens sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Der erfindungsgemäße Kraftwagen weist eine Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung auf, bei welcher ein elektrischer Läufer mit einer Welle des Kraftwagens mechanisch gekoppelt ist. Ein Schwungmassenkörper der Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung ist bezüglich des Läufers drehbar in dem Kraftwagen gelagert. Der Läufer und der Schwungmassenkörper können bei Bedarf magnetisch direkt gekoppelt werden. Mit einem bedarfsweisen Koppeln ist hier natürlich gemeint, dass das Koppeln immer dann stattfindet, wenn Energie in die Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung hinein oder aus hier heraus geleitet werden soll.
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Ein elektrischer Läufer zeichnet sich durch die folgenden Eigenschaften aus. Wenn der Läufer in einem Magnetfeld angeordnet wird, dass von einem anderen Gegenstand als dem Läufer selbst erzeugt wird, und der Läufer in diesem äußeren Magnetfeld gedreht wird, so bewirkt die Drehung, dass eine Kraft auf den Läufer und den anderen Gegenstand ausgeübt wird. Zum Erzeugen einer solchen Wechselwirkung können in dem Läufer beispielsweise Permanentmagnete untergebracht sein. Es ist aber auch möglich, in dem Läufer Spulen anzuordnen. Durch Drehen des Läufers in dem Magnetfeld wird in den Spulen dann ein Strom induziert, welcher in den Spulen wiederum ein weiteres Magnetfeld erzeugt. Dieses Läufer-Magnetfeld wirkt dann mit dem äußeren Magnetfeld in der Weise zusammen, dass auf den Gegenstand, welcher das äußere Magnetfeld erzeugt, eine Kraft wirkt. Im Unterschied zu einer vollständigen elektrischen Maschine mit Stator und Läufer, wie sie bei einem Schwungradsystem aus dem Stand der Technik verwendet wird, sind bei einer ausschließlichen Verwendung eines Läufers keine weiteren, aufwändigen elektrischen Komponenten nötig. Der gegebenenfalls in einer Spule eines Läufers induzierte Strom kann zudem bedeutend geringer sein als der Strom, welcher über ein Verbindungskabel des bekannten Schwungradsystems übertragen werden muss: Über das Verbindungskabel muss die gesamte Energie übertragen werden, die als Rotationsenergie in dem Schwungrad gespeichert werden soll; bei dem erfindungsgemäßen Kraftwagen muss der Spulenstrom des Läufers nur so groß sein, dass ein ausreichend großes mechanisches Drehmoment von dem Läufer auf den Schwungmassenkörper wirkt.
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Das direkte magnetische Koppeln des Läufers mit dem Schwungmassenkörper, also z. B. einem Schwungrad, kann beispielsweise durch ein Magnetfeld bewirkt werden, dass von dem Schwungmassenkörper erzeugt wird. Dreht man den Läufer in diesem äußeren Magnetfeld, indem man die Welle mit einem Drehmoment beaufschlagt, so wird dieses Drehmoment von dem Läufer auf den Schwungmassenkörper zumindest teilweise übertragen. Der Schwungmassenkörper ist drehbar gelagert und wird deshalb durch das übertragende Drehmoment beschleunigt. Genau so ist es natürlich möglich, mittels des Schwungmassenkörpers, wenn er einmal rotiert, ein Drehmoment von dem Schwungmassenkörper auf den Läufer zu übertragen. Dieses kann dann dazu genutzt werden, die Welle des Kraftwagens anzutreiben.
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Durch die direkte magnetische Koppelung von Läufer und Schwungmassenkörper ergibt sich der Vorteil, dass zum Übertragen von Energie in die Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung kein Strom mittels eines Generators erzeugt werden muss, der dann über ein Verbindungskabel zu einem Motor zum Antreiben des Schwungmassenkörpers übertragen werden müsste. Ein auf die Welle des Kraftwagens wirkendes Drehmoment wird durch die direkte magnetische Koppelung unmittelbar zum Beschleunigen des Schwungmassenkörpers verwendet. Entsprechendes gilt auch für die Entnahme von Energie aus der Speichereinrichtung. Insgesamt entfallen damit teure elektrische Komponenten, wie z. B. Frequenzumrichter.
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Indem kinetische Energie nicht erst vollständig in elektrische Energie umgewandelt wird, die dann zum Betreiben eines Motor zum Antreiben des Schwungmassenkörpers verwendet wird, wird auch weniger Verlustleistung umgesetzt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass bei dem erfindungsgemäßen Kraftwagen eine besonders effiziente Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung bereitgestellt ist.
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Indem der Läufer und der Schwungmassenkörper nur bei Bedarf miteinander magnetisch gekoppelt werden, ist es ermöglich, die beiden Komponenten unabhängig voneinander rotieren zu lassen. Dadurch kann eine Rotationsenergie in dem Schwungmassenkörper gespeichert werden, ohne dass dabei ein Drehmoment auf den Läufer wirkt.
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Der erfindungsgemäße Kraftwagen wird in vorteilhafter Weise weitergebildet, wenn der Schwungmassenkörper eine Einrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Feldes für den Läufer aufweist. Mit einem magnetischen Feld für den Läufer ist dabei gemeint, dass ein bezüglich des Läufers äußeres magnetisches Feld durch die Einrichtung erzeugt wird. Wird der Läufer dann in dem magnetischen Feld durch Beaufschlagung mit einem Drehmoment gedreht, so überträgt der Läufer dieses Drehmoment auf den Schwungmassenkörper. Wird dagegen der Schwungmassenkörper mit seiner Einrichtung zum Erzeugen des magnetischen Feldes schneller als der Läufers gedreht, so dreht sich das Feld auch bezüglich des Läufers entsprechend schnell. Der Läufer wird dann mit einem Drehmoment beaufschlagt, welches den Läufer beschleunigt. Durch bereitstellen der Einrichtung zum Erzeugen des magnetischen Feldes seitens des Schwungmassenkörpers ergibt sich dabei der Vorteil, dass der Läufer besonders leicht und klein ausgestaltet sein kann.
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Bezüglich der beschriebenen Einrichtung zum Erzeugen des magnetischen Feldes ergibt sich eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftwagens, wenn die Einrichtung eine Spule umfasst. Dadurch ergeben sich zwei Vorteile. Zum Einen lässt sich durch Einstellen eines Spulenstroms die Stärke des magnetischen Feldes festlegen. Dadurch kann mittels der Spule die magnetische Koppelung bedarfsweise eingestellt werden. Zum anderen kann die Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung auch als Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie verwendet werden.
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Der Läufer ist bevorzugt als Asynchronläufer ausgebildet. Dadurch wird eine Übertragung eines konstanten Drehmoments auch bei unterschiedlichen Drehzahlen von Läufer und Schwungmassenkörper ermöglicht. Zudem sind Asynchronläufer besonders robust und können auch sehr kompakt gebaut sein. Spulen eines Asynchronläufers können als Läuferkäfig bereitgestellt sein.
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Zum bedarfsweisen magnetischen Koppeln ist in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftwagens vorgesehen, eine Reluktanz zwischen dem Läufer und dem Schwungmassenkörper zu verändern. Durch Verringern einer Reluktanz zwischen diesen beiden Komponenten erhöht sich eine Kraftwirkung, die von einer der Komponenten auf die andere übertragbar ist.
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Veränderbar ist eine Reluktanz beispielsweise durch Verändern eines Spaltmaßes eines Spalts zwischen dem Läufer und dem Schwungmassenkörper. Dazu ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Abstand des Schwungmassenkörpers zu dem Läufer einstellbar ist.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn ein Trägheitsmoment des Schwungmassenkörpers veränderbar ist, indem bei dem Schwungmassenkörper ein Abstand eines Elements desselben von einer Rotationsachse des Schwungmassenkörpers veränderbar ist. Der Abstand kann dabei direkt einstellbar sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Abstand auch abhängig von einer Rotationsgeschwindigkeit des Schwungmassenkörpers veränderbar sein. Durch direktes Einstellen des Abstands des Elements von der Rotationsachse ist in vorteilhafter Weise eine Drehzahlregulierung des Schwungmassenkörpers ermöglicht. Ist der Abstand des Elements dagegen von der Rotationsgeschwindigkeit abhängig, lässt sich ein Drehmoment, mittels welchem der Schwungmassenkörper zu beschleunigen ist, dahingehend anpassen, dass beim Koppeln des Läufers mit dem Schwungrad keine ruckartigen Veränderungen des Drehmoments verursacht werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wandeln von Bewegungsenergie eines Kraftwagens in Rotationsenergie eines Schwungmassenkörpers, welcher drehbar in dem Kraftwagen gelagert ist. Mit Bewegungsenergie ist hierbei diejenige kinetische Energie gemeint, die der Wagen bei einer translatorischen Bewegung aufweist, wenn er beispielsweise über eine Fahrbahn rollt. Bei dem Verfahren wird eine direkte magnetische Kopplung eines elektrischen Läufers mit dem Schwungmassenkörper bereitgestellt. Mittels der Bewegungsenergie des Kraftwagens wird der Läufer angetrieben. Ein beim Antreiben des Läufers auf diesen wirkendes Drehmoment wird dann auf den Schwungmassenkörper übertragen.
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Wie bei dem erfindungsgemäßen Kraftwagen ergibt sich auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Vorteil, dass ein direktes Wandeln der Bewegungsenergie des Kraftwagens in Rotationsenergie des Schwungmassenkörpers ermöglicht ist, ohne dass dabei zunächst ein großer Strom von einem Generator erzeugt werden müsste, der dann in einem elektrischen Motor wieder zu einem Drehmoment zum Antreiben des Schwungmassenkörpers umgewandelt werden müsste.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen näher erläutert. Dazu zeigt:
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1 Eine schematische Darstellung einer Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung eines Personenkraftwagens gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftwagens, wobei bei der Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung ein Asynchronläufer und ein Schwungrad magnetisch miteinander gekoppelt sind;
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2 Die Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung aus 1, wobei der Asynchronläufer und das Schwungrad magnetisch entkoppelt sind;
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3 eine schematische Darstellung einer weiteren Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftwagens, wobei ein Schwungmassenkörper eine Spule zum Erzeugen eines magnetischen Felds für einen Läufer aufweist;
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4 eine schematische Darstellung einer weiteren Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftwagens, wobei ein Schwungrad ein Feder-Masse-System aufweist, durch welches ein Trägheitsmoment des Schwungrades abhängig von einer Rotationsgeschwindigkeit desselben verändert wird; und
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5 die Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung von 4, wobei eine Stellung des Feder-Masse-Systems bei einer hohen Drehzahl gezeigt ist.
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Die Beispiele stellen Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung für bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftwagens dar.
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In 1 ist eine Ansicht einer Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung 10 in einem Längsschnitt gezeigt. In einem Gehäuse 12 befinden sich ein Schwungrad 14 und ein Asynchronläufer 16. Beide sind auf eine Welle 18 aufgesteckt. Das Schwungrad 14 und der Läufer 16 sind jeweils rotationssymmetrische Körper, deren Achsen in diesem Beispiel mit einer Achse der Welle 18 übereinstimmen. Das Schwungrad 14 ist ein Schwungmassenkörper.
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Die Welle 18 ist in dem Gehäuse 12 durch zwei Lager 20 drehbar gelagert. Der Asynchronläufer 16 ist fest mit der Welle 18 verbunden. Das Schwungrad 14 ist derart durch eine Lagerung 22 auf der Welle 18 gehalten, dass es sich frei bezüglich der Welle 18 und damit auch bezüglich des Asynchronläufers 16 drehen kann. Durch die Lagerung 22 ist es auch ermöglicht, dass das Schwungrad 14 entlang von Schubrichtungen 24 auf der Welle 18 verschoben werden kann. Eine Lage des Schwungrads 14 auf der Welle 18 entlang der Schubrichtungen 24 kann dabei durch einen in 1 nicht dargestellten Mechanismus eingestellt werden. Es kann auch vorgesehen sein, anstelle des Schwungrades 14 den Asynchronläufer 16 derart in dem Gehäuse 12 zu lagern, dass er entlang der Schubrichtungen 24 bezüglich des Schwungrades 14 auf der Welle 18 verschoben werden kann.
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In dem Schwungrad 14 sind Permanentmagnete eingebaut. In der in 1 gezeigten Lage des Schwungrads 14 befindet sich ein magnetischer Nordpol N unterhalb der Welle 18 und ein magnetischer Südpol S oberhalb derselben. Zu dem Schwungrad 14 gehört auch ein Ring 28, welcher die Permanentmagnete 26 umgibt. Der Ring 28 kann aus einem weichmagnetischen Material gefertigt sein. Ein Verlauf des Magnetfelds, das von den Permanentmagneten 26 erzeugt wird, ist durch den Ring 28 derart umgeleitet, dass es im Wesentlichen auf einen Bereich innerhalb des Ringes 28 beschränkt ist. Dort verläuft es als äußeres Magnetfeld 30 in einem Luftspalt zwischen dem Ring 28 und dem Asynchronläufer 16. In 1 sind Feldlinien des äußeren Magnetsfelds 30 durch Pfeile symbolisiert.
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Die Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung 10 ist in einem nicht näher dargestellten Personenkraftwagen eingebaut. Die Welle 18 ist mit einem Getriebe des Personenkraftwagens gekoppelt. Für das Beispiel sei angenommen, dass der Personenkraftwagen mit einer Geschwindigkeit von 100 km/h auf einer Straße rollt. Zum Abbremsen des Wagens wird mittels des Getriebes ein Drehmoment 32 von Rädern des Kraftwagens auf die Welle 18 übertragen. Dadurch werden die Welle 18 und der Asynchronläufer 16 gedreht. Für das Schwungrad 14 sei angenommen, dass es zunächst nicht rotiert. Die Drehung des Asynchronläufers 16 bezüglich des äußeren Magnetfelds 30 bewirkt, dass von dem Drehmoment 32 ein Teil auf das Schwungrad 14 übertragen wird. Dieser Effekt ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Durch das übertragene Drehmoment wird auch das Schwungrad 14 in Rotation versetzt.
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Durch die direkte magnetische Kopplung des Läufers 16 mit dem Schwungrad 14 sind keine elektrischen Wandler, wie z. B. ein Frequenzumrichter, oder mechanische Getriebe in der Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung 10 nötig. Dies verbessert den Wirkungsgrad im Vergleich zu einer entsprechenden Speichereinrichtung aus dem Stand der Technik.
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In 2 ist die Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung 10 von 1 noch einmal dargestellt. Gezeigt ist eine Stellung des Schwungrades 14 nach Beendigung des Bremsvorganges, wie er im Zusammenhang mit 1 beschrieben ist. Das Schwungrad 14 wurde mittels des im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Mechanismus auf der Welle 18 verschoben, wie dies durch die Lagerung 22 ermöglicht ist. Dadurch ist eine Reluktanz zwischen dem Schwungrad 14 und dem Läufer 16 vergrößert.
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Das Schwungrad 14 rotiert um die Welle 18. Eine Rotationsenergie, die es dabei innehat, entspricht einem Teil der kinetischen Energie, welche der Personenkraftwagen beim Rollen auf der Straße vor dem Abbremsen innehatte. Durch das Verschieben des Schwungrades 14 auf der Welle 18 ist ein Abstand des Schwungrades 14 von dem Läufer 16 vergrößert worden. Der Läufer 16 ist deshalb nicht mehr in nennenswerter Weise von dem äußeren Magnetfeld 30 umgeben. Das Schwungrad 14 und der Läufer 16 sind dadurch magnetisch entkoppelt. Die Drehbewegung des Schwungrads 14 oder auch eine Drehbewegung des Läufers 16 erzeugt deshalb keine magnetische Wechselwirkung zwischen diesen beiden Teilen. Der in das Schwungrad 14 übertragene Teil der Bremsenergie des Personenkraftwagens bleibt deshalb als Rotationsenergie in dem Schwungrad 14 gespeichert.
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Die in dem Schwungrad 14 gespeicherte Rotationsenergie kann wieder zum Beschleunigen des Personenkraftwagens genutzt werden. Dazu muss die Welle 18 über das Getriebe mit dem Antriebsstrang des Personenkraftwagens gekoppelt werden. Mittels des Mechanismus zum Verschieben des Schwungrades 14 auf der Welle 18 wird das rotierende Schwungrad 14 wieder in Richtung des Asynchronläufers 16 geschoben, bis es die in 1 gezeigte Stellung erreicht. Dann sind das Schwungrades 14 und der Asynchronläufer 16 wieder magnetisch gekoppelt. Der Asynchronläufer 16 dreht sich bei langsamer Fahrt des Personenkraftwagens langsamer als das Schwungrad 14. Eine Orientierung des äußeren Magnetfelds 30 bezüglich des Asynchronläufers 16 ändert sich dadurch kontinuierlich in der Weise, dass das äußere Manetfeld 30 einer Drehlage des Läufers 16 vorauseilt und so von dem Schwungrad 14 auf den Asynchronläufer 16 ein Drehmoment übertragen wird, welches den Läufer 16 beschleunigt. Das Drehmoment wird über die Welle 18, das Getriebe des Personenkraftwagens und den Antriebsstrang auf die Räder des Fahrzeugs geleitet und hierdurch der Personenkraftwagen beschleunigt.
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In 3 ist ein Energiespeicher 34 im Längsschnitt dargestellt. Der Energiespeicher 34 funktioniert nach demselben Prinzip wie die Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung 10. Aus diesem Grund sind in 3 Elemente des Energiespeichers 34, die in ihrer Funktion mit entsprechenden Elementen der Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung 10 in den 1 und 2 vergleichbar sind, mit entsprechenden Referenznummern in gestrichener Form bezeichnet.
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Bei dem Energiespeicher 34 kann über eine Welle 18' ein Asynchronläufer 16' angetrieben werden. Genauso ist es möglich, dass der Läufer 16' über die Welle 18' ein Drehmoment beispielsweise auf ein Getriebe eines Kraftwagens ausübt. Bei dem Energiespeicher 34 ist ein Schwungrad 14' drehbar bezüglich des Asynchronläufers 16' gelagert. Durch das Schwungrad 14' wird ein Magnetfeld 30' erzeugt, in welchem sich der Asynchronläufer 16' befindet. Dadurch ist eine magnetische Kopplung des Asynchronläufers 16' mit dem Schwungrad 14' bewirkt.
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Im Unterschied zu der Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung 10 wird das äußere Magnetfeld 30' bei dem Energiespeicher 34 durch Spulen 36 erzeugt. Die Spulen 36 befinden sich in einer Scheibe 38 des Schwungrads 14'. Die Scheibe 38 besteht zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Material. Eine Lagerung 22', durch welche das Schwungrad 14' drehbar auf der Welle 18' gelagert ist, weist Schleifringe 40 auf, über welche Windungen der Spulen 36 mit elektrischen Anschlüssen 42 des Energiespeichers 34 elektrisch verbunden sind. Über die Anschlüsse 42 wird ein Strom in die Spulen 36 geleitet, die dadurch das äußere Magnetfeld 30' erzeugen.
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Durch Unterbrechen des Stromes in den Spulen 36 kann bewirkt werden, dass kein äußeres Magnetfeld 30' erzeugt wird. Dann sind der Asynchronläufer 16' und das Schwungrad 14' magnetisch entkoppelt. Das Schwungrad 14' und der Asynchronläufer 16' können sich dann gegeneinander drehen, ohne dass dadurch ein Drehmoment von einer der Komponenten auf die andere durch Magnetkraft übertragen würde. Zum magnetischen Entkoppeln muss also das Schwungrad 14', anders als bei der Schwungmassen-Energiespeichereinrichtung 10, nicht auf der Welle 18' verschoben werden.
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Indem das Schwungrad 14' zum magnetischen Entkoppeln nicht auf der Welle 18' verschoben werden muss, kann ein Gehäuse 12' des Energiespeichers 34 kleiner als das Gehäuse 12 ausgestaltet sein. Des Weiteren ist auch kein Mechanismus zum Verschieben des Schwungrades 14' nötig.
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Es kann auch ermöglich sein, dass eine in dem Schwungrad 14' gespeicherte Rotationsenergie mittels der Spulen 36 in elektrische Energie umgewandelt wird, die dann über die Anschlüsse 42 beispielsweise in ein Bordnetz des Kraftwagens geleitet werden kann.
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In 4 ist ein Energiespeicher 44 im Längsschnitt gezeigt. Ein Aufbau des Energiespeichers 44 ist mit dem Aufbau des Energiespeichers 34 vergleichbar. Daher werden Elemente des Energiespeichers 44, deren Funktion mit entsprechenden Elementen des Energiespeichers 34 vergleichbar ist, im Zusammenhang mit 4 nicht noch einmal erläutert. In 4 ist eine Spule eines Schwungrades 46 nicht dargestellt, um eine Übersicht der Darstellung zu verbessern.
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Bei dem Energiespeicher 44 befinden sich im Inneren des Schwungrades 46 beweglich gelagerte Körper 48. Die Körper 48 sind Elemente, die sich bezüglich einer Rotationsachse 50 des Schwungrades 46 radial verlagern lassen. Die Körper 46 werden durch Federn 52 mit einer Kraft in Richtung zur Rotationsachse 50 hin beaufschlagt. In
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4 ist eine Lage der Körper 48 bezüglich der Rotationsachse 50 gezeigt, wie sie eingenommen wird, wenn das Schwungrad 46 nicht um seine Rotationsachse 50 rotiert. Die Körper 48 befinden sich dann verhältnismäßig nahe an der Rotationsachse 50. Dadurch ist ein Trägheitsmoment des Schwungrades 46 verhältnismäßig gering. Mittels eines Asynchronläufers 16' des Energiespeichers 44 lässt sich dann das Schwungrad 46 mit einem vergleichsweise geringen Drehmoment, das von dem Asynchronläufer 16' auf das Schwungrad 46 über eine magnetische Kopplung übertragbar ist, in Rotation versetzen.
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In 5 ist der Energiespeicher 44 noch einmal dargestellt. Dabei sei für die 5 angenommen, dass das Schwungrad 46 um die Rotationsachse 50 rotiert. Eine deshalb auf die Körper 48 wirkende Zentrifugalkraft wirkt der Kraft der Federn 52 entgegen. Dadurch sind die Körper 48 in radiale Richtungen 54 bzw. 54' verschoben, so dass ein Abstand der Körper 48 von der Rotationsachse 50 im Vergleich zu der in 4 gezeigten Situation vergrößert ist. Insgesamt befindet sich somit ein größerer Anteil der Masse des Schwungrads 46 in einem größeren Abstand zu der Rotationsachse 50. Entsprechend ist ein Trägheitsmoment des Schwungrades 46 vergrößert.
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Um eine bestimmte Menge an Rotationsenergie in dem Schwungrad zu speichern, muss das Schwungrad 46 mit einer geringeren Drehzahl rotieren, wenn die Körper 48 die in 5 gezeigte Lage anstatt die in 4 gezeigte Lage einnehmen. Durch das von den Körpern 48 und den Federn 52 gebildete Feder-Masse-System wird deshalb eine Drehzahl des Schwungrades 46 während eines Abgebens von Rotationsenergie verhältnismäßig konstant gehalten.
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Mittels eines Elektromotors und einer Spindel kann auch ermöglicht werden, in einem Schwungrad Körper, wie die Körper 48, radial zu verschieben, um damit bei einer gegebenen Rotationsenergie des Schwungrades eine Drehzahl desselben zu regulieren.
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Durch die Beispiele ist gezeigt wie durch kürzestmögliche Wege Energie aus einem Rotations-Speicher in einen Läufer zum Abgeben eines Drehmoments übertragen werden kann. Genauso kann das Drehmoment von dem Läufer entsprechend effizient in den Rotations-Speicher übertragen werden. Dadurch entstehen sehr wenig Verluste, so dass ein Wirkungsgrad der gezeigten Energiespeicher verhältnismäßig hoch ist. Außerdem lassen sich die Energiespeicher sehr kompakt bauen, da keine Leistungselektronik oder Kabel nötig sind. Der Asynchronläufer und das Schwungrad bilden eine im gleichen Gehäuse liegende Einheit.
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Beim Antreiben einer Welle mittels des Schwungmassen-Energiespeichers des erfindungsgemäßen Wagens wird die Energie zur Drehmomentübertragung aus dem Rotationsmassenspeicher direkt über den magnetischen Fluss dem Läufer zugeführt. Eine elektrische Wandlung der Energie als Zwischenschritt entfällt. Somit auch die Kabelwege und Leistungselektronik. Dadurch kann die Energiespeichereinheit mit verhältnismäßig geringen Kosten hergestellt werden. Durch Veränderung der Reluktanz kann der Energieaustausch zwischen den rotierenden Teilen eingestellt werden. Alternativ zum Verändern der Reluktanz kann auch ein Spulenstrom gesteuert werden.
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Bei magnetischer Kopplung gibt das schneller drehende Element Energie an das langsam drehendere Element ab. Durch die im Zusammenhang mit 4 und 5 erläuterten Beispiele ist gezeigt, wie durch Massenverschiebung von außen nach innen die Rotationsgeschwindigkeit eines Schwungrades erhöht werden kann, um so mit einem Schwungrad ein magnetisches Drehfeld bereitstellen zu können, welches sich schneller als ein Asynchronläufer dreht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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