DE102013208856A1 - Läufer eines Schwungmassenspeichers - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Läufer (01) eines Schwungmassenspeichers umfassend einen axialen Stapel aus einer Vielzahl von Blechscheiben (02), wobei die Blechscheiben (02) eine Vielzahl von gleichmäßig über dem Umfang verteilte Bohrungen (05) zur Aufnahme von Zugankern (07) zum axialen Verspannen der Blechscheiben (02) zu einem Blechpaket (03) aufweisen, wobei die Bohrungen (05) bezogen auf die Mitte der Blechscheiben (02) radial zum Rand der Blechscheiben (02) hin versetzt angeordnet sind. Der erfindungsgemäße Läufer (01) zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Blechscheiben (02) gleichmäßig über dem Umfang verteilte Entlastungsbohrungen (08) aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Läufer eines Schwungmassenspeichers umfassend einen axialen Stapel aus einer Vielzahl von Blechscheiben, die eine Vielzahl von gleichmäßig über den Umfang verteilte Bohrungen zur Aufnahme von Zugankern zum axialen Verspannen der Blechscheiben zu einem Blechpaket aufweisen, wobei die Bohrungen bezogen auf die Mitte der Blechscheiben radial zum Rand der Blechscheiben hin versetzt angeordnet sind. Der Läufer ist Bestandteil eines Elektromotors, welcher als elektrisch betriebener Schwungmassenspeicher zum Antreiben und Abbremsen einer Schwungmasse dient, wobei der Läufer die Schwungmasse verkörpert. Als Elektromotor wird vorzugsweise eine Drehfeldreluktanzmaschine verwendet.
  • Dem vorbekannten Stand der Technik kann der Einsatz von vorgespannten Metallblechen oder von Läufern aus alternativen Werkstoffen, wie Kohlefaser mit eingebundenen magnetischen Elementen, entnommen werden. Bei diesen Lösungen werden die Läufer zumeist mit zentrischen Bohrungen und darin befindlichen Bolzen versehen.
  • Die DE 10 2007 017 342 B4 befasst sich mit einem Schwungmassenspeicher mit einem Läufer umfassend eine Vielzahl dünner metallischer Blechscheiben. Diese Blechscheiben sind bei Stillstand des Läufers an ihrem äußeren Rand einer ersten Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer ersten Schubspannung ausgesetzt.
  • Läufer aus vorgespannten Metallblechen bergen nur ein begrenztes Potenzial zur Drehzahlerhöhung bzw. zur Durchmesservergrößerung bei gleichbleibender Drehzahl, da es aufgrund der Mittelbohrung zu Materialspannungen kommt, welche höhere Drehzahlen oder größere Durchmesser nicht zulassen. Läufer aus kohlefaserverstärkten Werkstoffen besitzen zwar ein weitaus größeres Potenzial zur Drehzahlerhöhung bzw. zur Durchmesservergrößerung, sind aber in der Herstellung sehr komplex und teuer.
  • Bei elektrisch angetriebenen Schwungmassenspeichern kann die Funktion des Läufers des Elektromotors in die Funktion der Schwungmasse integriert werden. Um einen kompakten und wirtschaftlichen Schwungmassenspeicher zu erzeugen, sollte die radiale Baugröße der Schwungmasse so gering wie möglich gehalten werden. Aus der Beziehung Ekin = 1 / 2J·ω2 mit
    • Ekin
    kinetische Energie des rotierenden Körpers (Läufer und Schwungmasse) und damit des Energiespeichers in Joule,
    J
    Massenträgheitsmoment in kgm2,
    ω
    Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Körpers in s–1,

    ergibt sich, dass sich eine mögliche Steigerung der Drehzahl (Winkelgeschwindigkeit) des rotierenden Körpers quadratisch auf die in dem Körper zu speichernde bzw. dem Körper zu entnehmende Energie auswirkt. Das bedeutet, wenn der Radius kleiner wird, muss die Drehzahl um denselben Faktor zum Quadrat größer werden. Diese quadratische Drehzahlsteigerung führt schnell dazu, dass die physikalischen Grenzen des Läufermaterials überschritten werden. Die hauptsächlich durch die Fliehkräfte induzierten Eigenspannungen im Material überschreiten schnell die Zugfestigkeit des Materials.
  • Ein Schwungmassenspeicher wird zyklisch zwischen der maximalen Drehzahl und der minimalen Drehzahl betrieben. Folglich wird das Material des Läufers zyklisch zwischen maximaler und minimaler Spannungsamplitude belastet. Die Spanne zwischen der maximalen und der minimalen Spannungsamplitude ist ausschlaggebend für die dynamische Dauerfestigkeit des Läufers. Die Geometrie und das Material des Läufers müssen demzufolge hinsichtlich der Festigkeit so ausgelegt werden, dass unter vorgegebenen Energieinhalt der Schwungmasse die Materialkennwerte nicht überschritten werden.
  • Die WO 02/29278 A1 zeigt ein Schwungrad für einen Energiespeicher, welches einen axialen Stapel aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen Stahlscheiben umfasst. Die Stahlscheiben sind frei von axialen Durchgangslöchern und entsprechend vergütet, um eine hohe Festigkeit und Härte zu erreichen. Die Stahlscheiben sind an ihrem Außendurchmesser durch Schweißen oder Löten miteinander verbunden. Alternativ können benachbarte Stahlscheiben über einen an einer der beiden Scheiben befindlichen Vorsprung, der in eine Aussparung der anderen Scheibe zur Realisierung einer Presspassung eingreift, verbunden sein.
  • Die DE 24 54 753 A1 beschreibt einen Schwungmassenspeicher mit einem Läufer. Der Läufer ist aus sich radial erstreckenden, axial übereinander angeordneten Scheiben gleicher Dicke aufgebaut. Die Scheiben weisen am Rand Bohrungen zum axialen Zusammenspannen auf. In den Bohrungen sind vorzugsweise elektrische Leiter angeordnet und der Läufer ist von einer Statorspule umgeben. Die elektrischen Leiter können als Kurzschlussleiter zusammengefasst sein oder über Schleifkontakte nach außen geführt sein.
  • Die US 4,538,079 zeigt ein Schwungrad mit einer Vielzahl von Scheiben, die axial aufeinander gestapelt sind und durch zahlreiche Spannbolzen miteinander verbunden sind.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Läufer eines Schwungmassenspeichers zur Verfügung zu stellen, dessen Geometrie und Material hinsichtlich der Festigkeit so ausgelegt ist, dass unter vorgegebenen Energieinhalt der Schwungmasse die Materialkennwerte nicht überschritten werden, wobei sicherzustellen ist, dass der Läufer weiterhin alle notwendigen elektromagnetischen Eigenschaften des Läufers eines Elektromotors aufweist.
  • Zur Lösung der Aufgabe dient ein Läufer nach Anspruch 1.
  • Die Blechscheiben des erfindungsgemäßen Läufers weisen Entlastungsbohrungen auf, die vorzugsweise gleichmäßig über dem Umfang verteilt sind. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass die zusätzlich in die Blechscheiben eingebrachten Entlastungsbohrungen die maximal auftretenden Spannungen in den Blechscheiben weiter senken. Dementsprechend wird die Spanne der maximalen und der minimalen Spannungsamplitude auf ein Minimum reduziert.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist jede Entlastungsbohrung zwischen zwei Bohrungen zur Aufnahme der Zuganker angeordnet. Eine derartige Positionierung der Entlastungsbohrungen hat sich als besonders günstig erwiesen. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Entlastungsbohrungen in mehreren Blechscheiben gleichartig angebracht sind, sodass sich bei zusammengesetztem Blechpaket durchgehende Entlastungsbohrungen ergeben. Alternativ können die Entlastungsbohrungen aber auch versetzt zwischen den einzelnen Blechscheiben angeordnet sind, sodass sich keine achsparallel durchgehenden Entlastungsbohrungen im Blechpaket ergeben.
  • Als Material für die Blechscheiben wird vorzugsweise ein hochfester Stahl verwendet, welcher im Vergleich zu handelsüblichen hochfesten Stählen einen erhöhten elektrischen Widerstand sowie eine gute magnetische Leitfähigkeit aufweist. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Blechscheiben zumindest an einer ihrer Oberflächen eine isolierende Beschichtung auf. Diese Beschichtung dient zur Minimierung der Wirbelstromverluste, die im Betrieb der elektrischen Maschine entstehen.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführungsform besitzen die Blechscheiben am Außendurchmesser eine Zahnstruktur. Diese Zahnstruktur stellt die elektromagnetisch aktive Komponente dar und gewährleistet somit die motorische/generatorische Funktion der elektrischen Maschine. Die Zahntiefe, d. h. die Differenz von großem und kleinem Durchmesser, beträgt vorzugsweise zwischen 3 mm und 8 mm.
  • Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn zwischen den Zugankern und den Bohrungen zur Aufnahme der Zuganker ein Spalt besteht. Dieser Spalt ermöglicht eine aufwandsarme Montage der Zuganker. Der Spalt beträgt vorzugsweise 0,01 mm bis 0,05 mm. Nach der Montage sollte der Spalt vorzugsweise mittels Kleber verschlossen werden, um den Zuganker in seiner Position zu fixieren. Zum Einbringen des Klebers hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Zuganker in ihren Endbereichen mit einer axialen Bohrung zu versehen, welche in einer radialen Durchgangsbohrung endet.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Blechpaket beidseitig von Endscheiben begrenzt, wobei die Endscheiben mit den Bohrungen der Blechscheiben fluchtende Bohrungen zum Einführen der Zuganker aufweisen. Die Endscheiben bestehen vorzugsweise aus hochfestem Material. Der Querschnitt der Endscheiben ist entsprechend angepasst, so dass die unter Fliehkraft entstehende radiale elastische Verformung eine vergleichbare Größenordnung wie die Verformung des Blechpakets erreicht. Hierdurch kann eine Relativbewegung zwischen den Endscheiben und dem Blechpaket verhindert werden.
  • Die Zuganker weisen an ihren Enden einen Gewindeabschnitt auf, wobei in den Gewindeabschnitt jeweils eine Mutter eingreift. Durch die Muttern kann eine axiale Vorspannung des Blechpakets gehalten werden. Die Muttern sind vorzugsweise versenkt in den Endscheiben angebracht. Hierdurch ist die gesamte Mantelfläche der Mutter in der hierfür vorgesehenen Bohrung der Endscheibe fixiert. Für den Außendurchmesser der Mutter und den Innendurchmesser der Bohrung sollte vorteilhafterweise eine entsprechende Passung vorgesehen sein. Somit kann einer Ovalisierung der Mutter und eines hierdurch verursachten Vorspannungsverlustes durch auftretende Fliehkräfte entgegengewirkt werden.
  • Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
  • 1: eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Läufers;
  • 2: eine Blechscheibe des erfindungsgemäßen Läufers;
  • 3: eine Detaildarstellung einer Verbindungsstelle von Endscheibe und Blechpaket;
  • 4: eine Schnittdarstellung eines Zugankers;
  • 5: eine Mutter in einer perspektivischen Darstellung.
  • 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Läufers 01 eines Schwungmassenspeichers, welcher vorzugsweise Bestandteil einer Drehfeldreluktanzmaschine ist. Der erfindungsgemäße Läufer 01 umfasst eine Vielzahl von Blechscheiben 02, welche ein Blechpaket 03 bilden. Das Blechpaket weist vorzugsweise eine Höhe von 90% bis 110% des Durchmessers des Blechpakets auf. Das Verhältnis des Massenträgheitsmoments des Läufers 01 um seine Längsachse zum Massenträgheitsmoment des Läufers 01 um seine Querachse durch den Schwerpunkt beträgt bevorzugt <= 0,75. Die Blechscheiben 02 bestehen aus einem hochfesten Stahl, vorzugsweise einem Vergütungsstahl mit einer Streckgrenze Rp > 900 MPa bis 1400 MPa. Mögliche Vergütungsstähle sind beispielsweise C75S, C67S, 50CrV4, 60CrSi7 oder 71Si7.
  • Die Dicke der Blechscheiben 02 entscheidet über die Größenordnung der im Läufer 01 entstehenden Eisenverluste. Um die Eisenverluste im Läufer 01 auf ein Minimum zu reduzieren, ist es zweckmäßig die Dicke der Blechscheiben 02 so gering wie möglich zu halten. Unter Berücksichtigung fertigungstechnischer Aspekte hat sich eine Blechscheibendicke von 0,1 mm bis 0,3 mm als günstig erwiesen. Die Blechscheiben 02 besitzen vorzugsweise eine isolierende Beschichtung (schichtbildende Dicke < 4 µm, nicht schichtbildende Dicke < 2,5 µm), welche einseitig oder beidseitig durch Brünieren nach DIN 50938 oder Phosphatieren nach EN 12476 aufgebracht wird. Diese Beschichtung dient zur Minimierung der Wirbelstromverluste im Läufer 01.
  • Eine einzelne Blechscheibe 02 ist in 2 dargestellt. Die Blechscheibe 02 weist an ihrem Außendurchmesser eine analog zur Anzahl der Pole der Drehfeldreluktanzmaschine gleichmäßig angeordnete Zahnstruktur 04 auf, wobei die Anzahl der Zahnprofile der Anzahl der Pole der Drehfeldreluktanzmaschine entspricht. Vorzugsweise 1/3 des Umfangs des Blechpakets 03 ist gleichmäßig durch die Zahnstruktur 04 besetzt. Die Tiefe der Zahnstruktur 04 beträgt bevorzugt 1% bis 3% des Durchmessers des Blechpakets 03.
  • Jede Blechscheibe 02 weist eine Vielzahl von gleichmäßig über ihrem Umfang verteilte Bohrungen 05 zur Aufnahme von Zugankern 07 auf. Die Zuganker 07 dienen zum axialen Verspannen der Blechscheiben 02. Dadurch, dass die Zuganker 07 über dem Umfang verteilt angeordnet sind, können die durch Fliehkräfte verursachten Materialspannungen minimiert werden. Zwischen den Zugankern 07 und den Bohrungen 05 zur Aufnahme der Zuganker 07 besteht ein Spalt von vorzugsweise 0,05 mm bis 0,1 mm, welcher nach der Montage der Zuganker 07 vorzugsweise mittels Kleber verschlossen wird. Der Teilkreis der am Umfang verteilten Bohrungen 05 beträgt bevorzugt 70% bis 80% des Durchmessers des Blechpakets 03. Der Durchmesser der Bohrungen 05 beträgt vorzugsweise 2,7% bis 5,7% des Durchmessers des Blechpakets 03. Die Anzahl der Bohrungen 05 steht zweckmäßigerweise im Verhältnis 2:1 zur Anzahl der Zahnprofile. Bei einer vorteilhaften Ausführung ist jede zweite Bohrung 05 direkt unter einem Zahnprofil angeordnet.
  • Die Blechscheiben 02 weisen gleichmäßig über ihrem Umfang verteilte Entlastungsbohrungen 08 zur homogenen Verteilung der Spannungen in den Blechscheiben 02 auf. Jede Entlastungsbohrung 08 ist vorzugsweise zwischen zwei Bohrungen 05 zur Aufnahme der Zuganker 07 angeordnet. Der Teilkreis der am Umfang verteilten Entlastungsbohrungen 08 beträgt bevorzugt 77% bis 87% des Durchmessers des Blechpakets 03. Der Durchmesser der Entlastungsbohrungen 08 beträgt vorzugsweise 1% bis 4% des Durchmessers des Blechpakets 03. Die Anzahl der Entlastungsbohrungen 09 steht vorteilhafterweise im Verhältnis 2:1 zur Anzahl der Zahnprofile.
  • Das Blechpaket 03 ist beidseitig von Endscheiben 09 begrenzt. Die Endscheiben 09 weisen mit den Bohrungen 05 der Blechscheiben 02 fluchtende Bohrungen 10 zum Einführen der Zuganker 07 auf. Sie sind ohne Mittenbohrung ausgeführt, wodurch zusätzliche Materialspannungen vermieden werden können. Auf den Endscheiben 09 befinden sich Wellenstummel 12. Die Endscheiben 09 sind annähernd als Scheiben mit konstanter Dicke ausgeführt. Die Dicke der Endscheiben 09 beträgt vorzugsweise zwischen 3% bis 5% des Durchmessers des Blechpakets 03. Der Gewichtsanteil der Endscheiben 09 liegt bevorzugt zwischen 7,6% bis 10% der Gesamtmasse des Läufers 01. Die Endscheiben 09 bestehen vorzugsweise aus hochfestem Material mit einer Streckgrenze Rp > 900 MPa bis 1400 MPa, wie beispielsweise 42CrMo4.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführung weisen die Endscheiben 09 einen integrierten Encoder für die Drehzahlerfassung auf. Des Weiteren umfassen die Endscheiben 09 vorzugsweise einen integrierten Metallring zur Anbringung eines ringförmigen Dauermagneten.
  • 3 zeigt eine Detaildarstellung einer Verbindungsstelle von Endscheibe 09 und Blechpaket 03. Durch die Bohrung 10 in der Endscheibe 09 ist der Zuganker 07 eingeführt.
  • 4 kann eine bevorzugte Ausführung des Zugankers 07 entnommen werden. Der Zuganker 07 weist an seinen Endbereichen jeweils eine axiale Bohrung 13 auf, welche in einer radialen Durchgangsbohrung 14 endet. Der Durchmesser der axialen Bohrung 13 beträgt vorzugsweise 15% bis 20% des Durchmessers des Zugankers 07. Die radiale Durchgangsbohrung 14 weist bevorzugt den gleichen Durchmesser wie die axiale Bohrung 13 auf. Über die axiale Bohrung 13 und die radiale Durchgangsbohrung 14 kann nach der Montage der Zuganker 07 Kleber eingebracht werden, um die Zuganker 07 in ihrer Position zu fixieren.
  • Der Zuganker 07 besteht vorzugsweise aus randschichtgehärtetem Material. An seinen beiden Enden besitzt der Zuganker 07 einen Gewindeabschnitt, in welchen eine Mutter 15 eingreift.
  • 5 zeigt die Mutter 15 in einer perspektivischen Darstellung. Mittels der Muttern 15 kann eine axiale Vorspannung des Blechpakets 03 gehalten werden. Die Muttern 15 weisen ein auf der Stirnfläche angebrachtes Schlüsselmaß auf. Sie sind versenkt in der Endscheibe 09, mit einer Spielpassung am Außendurchmesser zum Innendurchmesser der Endscheibe 09 angebracht. Hierdurch erfolgt eine Fesselung der Kontur der Mutter 15 in der zur Aufnahme der Mutter 15 dienenden Bohrung der Endscheibe 09, um eine Ovalisierung der Mutter 15 unter Fliehkrafteinfluss und einer damit möglichen Verringerung der Vorspannung der Gewindeverbindung entgegenzuwirken.
  • Bezugszeichenliste
    • 01
    Läufer
    02
    Blechscheiben
    03
    Blechpaket
    04
    Zahnstruktur
    05
    Bohrungen für Zuganker
    06
    07
    Zuganker
    08
    Entlastungsbohrungen
    09
    Endscheibe
    10
    Bohrungen in der Endscheibe für Zuganker
    11
    12
    Wellenstummel
    13
    axiale Bohrung im Zuganker
    14
    radiale Durchgangsbohrung im Zuganker
    15
    Mutter
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007017342 B4 [0003]
    • WO 02/29278 A1 [0007]
    • DE 2454753 A1 [0008]
    • US 4538079 [0009]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN 50938 [0026]
    • EN 12476 [0026]

Claims (10)

  1. Läufer (01) eines Schwungmassenspeichers umfassend einen axialen Stapel aus einer Vielzahl von Blechscheiben (02), wobei die Blechscheiben (02) eine Vielzahl von gleichmäßig über dem Umfang verteilte Bohrungen (05) zur Aufnahme von Zugankern (07) zum axialen Verspannen der Blechscheiben (02) zu einem Blechpaket (03) aufweisen, wobei die Bohrungen (05) bezogen auf die Mitte der Blechscheiben (02) radial zum Rand der Blechscheiben (02) hin versetzt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechscheiben (02) über dem Umfang verteilte Entlastungsbohrungen (08) aufweisen.
  2. Läufer (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Entlastungsbohrung (08) zwischen zwei Bohrungen (05) zur Aufnahme der Zuganker (07) angeordnet ist.
  3. Läufer (01) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechscheiben (02) zumindest an einer ihrer Oberflächen eine isolierende Beschichtung aufweisen.
  4. Läufer (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechscheiben (02) am Außendurchmesser eine Zahnstruktur (04) aufweisen.
  5. Läufer (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Zugankern (07) und den Bohrungen (05) zur Aufnahme der Zuganker (07) ein Spalt besteht.
  6. Läufer (01) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt mit Kleber befüllt ist.
  7. Läufer (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechpaket (03) beidseitig von Endscheiben (09) begrenzt ist, wobei die Endscheiben (09) mit den Bohrungen (05) der Blechscheiben (02) fluchtende Bohrungen (10) zum Einführen der Zuganker (07) aufweisen.
  8. Läufer (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuganker (07) an ihren Enden einen Gewindeabschnitt aufweisen, wobei in den Gewindeabschnitt eine Mutter (15) eingreift.
  9. Läufer (01) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Muttern (15) in den Endscheiben (09) versenkt angebracht sind.
  10. Läufer (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuganker (07) in ihren Endbereichen jeweils eine axiale Bohrung (13) aufweisen, dass die axiale Bohrung (13) in einer radialen Durchgangsbohrung (14) endet.
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