-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, eine Maschine oder ein Fahrzeug mit wenigstens einer Lagerung zur Führung gegeneinander bewegter Bauteile und einem Energierückgewinnungssystem.
-
Derartige Vorrichtungen, Maschinen und Fahrzeuge sind im Stand der Technik bereits in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Insbesondere im Hybrid- und Elektrofahrzeugbau ist der Einsatz von Energierückgewinnungssystemen weit verbreitet, der in erster Linie die Fahrzeugreichweite steigern soll. Darüber hinaus lassen sich die Betriebskosten und natürlich auch der CO2-Ausstoß bei der Produktion des Fahrstroms deutlich reduzieren.
-
Bei Fahrzeugen kommen beispielsweise thermoelektrische Generatoren zum Einsatz, die den Peltiereffekt nutzen, um vom Fahrzeug erzeugte Wärme teilweise in elektrische Energie umzuwandeln, die dann in einem Akkumulator gespeichert und anschließend einem elektrischen Verbraucher zugeführt werden kann.
-
Alternativ kommen im Fahrzeugbau Energierückgewinnungssysteme mit einer elektromotorischen Bremse zum Einsatz, die während eines Bremsvorgangs Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Eine moderne Form eines solchen Energierückgewinnungssystems ist das seit dem Jahr 2009 in der Formel 1 zugelassene Bremsenergie-Rückgewinnungssystem KERS („Kinetic Energy Recovery System”). Es umfasst einen elektromechanischen Wandler in Form eines Generators, einen Akkumulator und eine Steuerelektronik. Die mit Hilfe des Generators erzeugte und im Akkumulator gespeicherte Energie kann über kurze Zeitdauern einen zusätzlichen Elektromotor betreiben, dessen Leistung sich in Beschleunigungsphasen ergänzend zum Hauptmotor nutzen lässt.
-
Bei Straßenbahnen werden derzeit Energiespeichereinrichtungen in Form so genannter Doppelschicht-Kondensatoren erprobt, welche die beim Bremsvorgang erzeugte elektrische Energie speichern und beim erneuten Anfahren wieder an den Motor abgeben. Diese Art der Energiezwischenspeicherung hat den Vorteil, dass eine Stromrückspeisung bei Nutzbremsung auch dann möglich ist, wenn das Netz selbst nicht aufnahmefähig ist.
-
Derartige Doppelschicht-Kondensatoren, die auch „Supercars” genannt werden, speichern Ladung in einer elektrischen Doppelschicht zwischen einer Elektrode aus Kohlenstoff mit großer Oberfläche und einem wässrigen Elektrolyten. Diese Doppelschicht an der Elektronenoberfläche entsteht und verschwindet fast augenblicklich. Die zugehörige Zeitkonstante beträgt etwa 10–8 Sekunden. Im Gegensatz dazu liegen die Zeitkonstanten von Speichermedien, welche auf Redoxreaktionen basieren, wie beispielsweise Batterien und Brennstoffzellen, im Bereich von 10–2 bis 10–4 Sekunden. Die Kondensatoren können deshalb im Vergleich zu Akkumulatoren deutlich schneller geladen werden und erhöhen somit die Verfügbarkeitszeit der Geräte. Ein weiterer Vorteil der Doppelschicht-Kondensatoren gegenüber vielen Akkumulatoren ist das sehr einfache Ladeverfahren. Beim Anlegen einer konstanten Spannung ist ein Überladen eines Doppelschicht-Kondensators nicht möglich. Auch Ladestromüberschreitungen sind kaum zu befürchten. Darüber hinaus unterscheiden sich Doppelschicht-Kondensatoren von Batterien und Brennstoffzellen darin, dass das Auf- und Entladen der Doppelschicht aufgrund der kürzeren Zeitkonstanten vollständig reversibel ist, wodurch über eine Million Zyklen realisiert werden können. Bei Batterien ist dies nur bei niedrigen Entladungstiefen möglich, was aber im Widerspruch zu einer großen Fahrzeugreichweite stünde. Somit kann ein Doppelschicht-Kondensatorsystem nicht nur mit höherer Effizienz als ein Batteriesystem betrieben werden, sondern es ist auch leichter, kleiner und hat eine längere Lebensdauer. Die Doppelschicht-Kondensatorsysteme sind hinsichtlich Bauraum, Masse, Zuverlässigkeit, Betriebsdauer und Kosten ideal zur Energierückgewinnung.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung, eine Maschine oder ein Fahrzeug der eingangs genannten Art mit alternativer oder verbesserter Energierückgewinnung zu schaffen.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, eine Maschine oder ein Fahrzeug der eingangs genannten Art, die bzw. das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Energierückgewinnungssystem wenigstens einen an der Lagerung vorgesehenen elektromechanischen Wandler aufweist. Mit anderen Worten besteht ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung darin, die potentielle und/oder kinetische Energie, die während der Rotation der Lagerung durch Walkbewegung fortlaufend Änderungen unterworfen ist, in elektrischen Strom zu wandeln, um diesen einem elektrischen Verbraucher zuführen zu können.
-
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die wenigstens eine Lagerung zumindest zwei koaxial zueinander angeordnete und radial voneinander beabstandete Lagerringe auf, die – im Falle von Wälzlagern – durch rollende Körper voneinander getrennt sind, wobei der wenigstens eine elektromechanische Wandler an dem umlaufenden Lagerring vorgesehen bzw. befestigt ist. Eine analoge Anordnung ist bei Gleitlagern vorzusehen, prinzipbedingt ohne Wälzkörper. Entsprechend wird der Wandler bei umlaufendem Lagerring sich fortwährend ändernden mechanischen Belastungen ausgesetzt, die in elektrische Energie gewandelt werden.
-
Bevorzugt sind mehrere elektromechanische Wandler entlang des Umfangs des umlaufenden Lagerrings angeordnet, wodurch die Effizienz entsprechend erhöht wird. Die tatsächliche Anordnung wird im Einzelfall durch die gegebenen Belastungswechsel, z. B. aufgrund der effektiven Achslast, und dem optimalen Arbeitspunkt der elektromechanischen Wandler bestimmt.
-
Alternativ oder zusätzlich können mehrere elektromechanische Wandler in radialer Richtung des umlaufenden Lagerrings übereinander angeordnet sein.
-
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Energiespeichersystem einen mit dem Wandler elektrisch verbundenen Doppelschicht-Kondensator auf. Ein solcher Doppelschicht-Kondensator zeichnet sich insbesondere, wie es eingangs bereits erläutert wurde, durch seine schnelle und einfache Ladbarkeit, durch seine hohe Zyklenfestigkeit beim Auf- und Entladen sowie durch lange Verfügbarkeitszeiten aus. Darüber hinaus sind ein Überladen und eine Ladestromüberschreitung bei Doppelschicht-Kondensatoren nahezu ausgeschlossen.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Energiespeichersystem zumindest einen. mit dem Doppelschicht-Kondensator elektrisch verbundenen Akkumulator auf. Entsprechend kann die im Doppelschicht-Kondensator gespeicherte elektrische Energie wahlweise direkt an einen elektrischen Verbraucher abgegeben oder zur Langzeitspeicherung dem Akkumulator zugeführt werden.
-
Bevorzugt weist das Energierückgewinnungssystem eine Steuerelektronik auf, die zur optimalen Überführung der in dem Doppelschicht-Kondensator zwischengespeicherten elektrischen Energie in den Akkumulator und/oder direkt an einen elektrischen Verbraucher eingerichtet ist. Da die ablaufenden Prozesse durch die Zwischenspeicherung deutlich niedrigere technische Anforderungen an Reaktionszeit und Komplexität der Steuerelektronik erfordern, als dies bei Direkteinspeisung der elektrischen Energie der Fall wäre, kann die Steuerelektronik einen einfachen, preiswerten und wenig störanfälligen Aufbau aufweisen.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Vorrichtung, einer Maschine oder eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich, welche die Anordnung bei Wälzlagern abbildet. Darin ist
-
1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung, einer Maschine oder eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
2 eine schematische Schnittansicht einer Lagerung der Vorrichtung, der in 1 dargestellten Anordnung und
-
3 eine schematische Schnittansicht einer alternativen Lagerung der in 1 dargestellten Anordnung.
-
Die 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform einer Vorrichtung, einer Maschine oder eines Fahrzeugs 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, beispielsweise in Form einer Windkraftanlage, einer Arbeitsmaschine, eines Hybridfahrzeugs oder dergleichen. Die Vorrichtung, die Maschine bzw. das Fahrzeug 10 umfasst wenigstens eine Lagerung 12 zur Führung gegeneinander bewegter Bauteile, einen elektrischen Verbraucher 14 und ein Energierückgewinnungssystem 16, über das der elektrische Verbraucher 14 zumindest teilweise mit elektrischer Energie gespeist wird.
-
Die Lagerung 12, die in vergrößerter Ansicht in 2 dargestellt ist, umfasst zwei koaxial zueinander angeordnete und radial voneinander beabstandete Lagerringe 18 und 20, die durch rollende Körper 22 voneinander getrennt sind. Der innere Lagerring 18 ist fest an einer in Richtung des Pfeils 24 umlaufenden Welle 26 gehalten, so dass er sich zusammen mit der Welle 26 dreht. Der äußere Lagerring 20 ist hingegen ortsfest positioniert, so dass er nicht zusammen mit der Welle 26 und dem inneren Lagerring 18 umläuft. Zwischen dem inneren Lagerring 18 und der Welle 26 sind mehrere elektromechanische Wandler 28 entlang des Innenumfangs des inneren Lagerringes 18 angeordnet, die einen Teil des Energierückgewinnungssystems 16 bilden und bei denen es sich vorliegend um piezoelektrische Wandler handelt.
-
Die Lagerschalen 18 und 20 können die Lagerschalen eines handelsüblichen Wälzlagers sein. Die Kraftübertragung auf die elektromechanischen Wandler 28 erfolgt durch die lokale Verformung aufgrund der Flächenpressung der Wälzkörper auf der Lagerschale. Eine optimierte Ausführung integriert die elektromechanischen Wandler in die Lagerschale, um einen möglichst direkten und ungedämpften Kraftfluss vom Wälzlager zum elektromechanischen Wandler zu ermöglichen.
-
Neben den elektromechanischen Wandlern 18 umfasst das Energierückgewinnungssystem 16 wenigstens einen mit den Wandlern 28 über eine Leitung 30 verbundenen Doppelschichtkondensator sowie wenigstens einen mit dem Doppelschichtkondensator 32 über eine Leitung 34 verbundenen Akkumulator 36. Sowohl der Doppelschichtkondensator 32 als auch der Akkumulator 36 sind über weitere Leitungen 38 und 40 mit dem elektrischen Verbraucher 14 verbunden. Das Energierückgewinnungssystem 16 wird automatisch mit Hilfe einer Steuerung 42 gesteuert.
-
Während des Betriebs wechselt jeder elektromechanische Wandler 28 bei jeder Umdrehung der Welle 26 seinen Zustand zwischen spannungslos und einer anliegenden Spannung, die der auf die Lagerung 12 wirkenden Last entspricht. Handelt es sich bei der Vorrichtung, der Maschine oder dem Fahrzeug 10 beispielsweise um ein Automobil mit vier Rädern, so entspricht die anliegende Spannung der Radlast, also näherungsweise einem Viertel der Gesamtfahrzeugmasse. Zusätzlich wird das Eigengewicht des Automobils noch durch dynamische Belastungen überlagert, wie sie beispielsweise durch Fahrbahnunebenheiten verursacht werden.
-
Die in den elektromechanischen Wandlern 28 entstehende Spannung erzeugt einen elektrischen Strom, der berührungslos, durch Schleifkontakte oder in sonstiger Art und Weise abgegriffen und über die Leitung 30 dem Doppelschichtkondensator 32 zugeführt wird. Die in dem Doppelschichtkondensator 32 zwischengespeicherte elektrische Energie wird mittels der Steuerung 42 und über die entsprechenden Leitungen 34 und 38 wahlweise an den Akkumulator 36 und/oder direkt an den elektrischen Verbraucher 14 überführt. In dem Akkumulator 36 wird die elektrische Energie zwischengespeichert und kann dann zu einem späteren Zeitpunkt an den elektrischen Verbraucher 14 abgegeben werden.
-
Die in den 1 und 2 dargestellte Anordnung ist dahingehend von Vorteil, dass aus den auf die Lagerung 12 einwirkenden Lasten elektrische Energie zurück gewonnen wird, die unmittelbar oder zeitlich versetzt einem oder mehreren elektrischen Verbrauchern zugeführt werden kann. Dies geht mit einer entsprechenden Energieersparnis einher. Der wenigstens eine Doppelschichtkondensator 32 zeichnet sich insbesondere durch seine schnelle und einfache Ladbarkeit, durch seine hohe Zyklenfestigkeit beim Auf- und Entladen sowie durch lange Verfügbarkeitszeiten aus. Darüber hinaus sind ein Überladen und eine Ladestromüberschreitung bei Doppelschichtkondensatoren nahezu ausgeschlossen. Die Kombination des Doppelschichtkondensators 32 und des Akkumulators 36 ist dahingehend von Vorteil, dass die zurück gewonnene elektrische Energie auch über längere Zeiträume mit Hilfe des Akkumulators gespeichert werden kann, um diese dann zeitversetzt an einen oder mehrere elektrische Verbraucher abzugeben. Da die ablaufenden Prozesse durch die Zwischenspeicherung deutlich niedrigere technische Anforderungen an Reaktionszeit und Komplexität der Steuerelektronik stellen, als dies bei Direkteinspeisung der elektrischen Energie der Fall wäre, kann die Steuerelektronik mit der Steuerung 42 einen einfachen, preiswerten und wenig störanfälligen Aufbau aufweisen.
-
3 zeigt eine alternative Lagerung 50, die in der Vorrichtung, der Maschine oder in dem Fahrzeug 10 gemäß 1 eingesetzt werden kann. Die Lagerung 50 umfasst einen inneren Lagerring 52 und einen äußeren Lagerring 54, die koaxial zueinander angeordnet und radial voneinander beabstandet sind. Die Lagerringe 52 und 54 sind durch rollende Körper 56 voneinander getrennt. Der äußere Lagerring 54 ist fest mit einer umlaufenden ringförmigen Komponente 58 verbunden, so dass der äußere Lagerring 54 und die Komponente 58 Drehbewegungen in Richtung des Pfeils 59 gemeinsam ausführen. Der innere Lagerring 52 ist hingegen fest an einer ortsfesten Achse 60 gehalten. Zwischen dem äußeren Lagerring 54 und der umlaufenden Komponente 58 sind entlang des Außenumfangs des äußeren Lagerringes 54 eine Vielzahl elektromechanische Wandler 62 gehalten, wobei jeweils mehrere elektromechanische Wandler 62 in radialer Richtung des äußeren Lagerrings 54 übereinander angeordnet sind.
-
Während des Betriebs wechselt jeder elektromechanische Wandler 62 bei jeder Umdrehung der umlaufenden Komponente 58 seinen Zustand zwischen spannungslos und einer anliegenden Spannung, die der auf die Lagerung 50 wirkenden Last entspricht. Die in dem elektromechanischen Wandler 62 entstehende Spannung erzeugt einen elektrischen Strom, der berührungslos, durch Schleifkontakte oder in sonstiger Art und Weise abgegriffen und dann dem in 1 gezeigten Doppelschichtkondensator 32 zugeführt werden kann.
