DE102016112753B4

DE102016112753B4 - Schwungrad für einen Schwungrad-Energiespeicher

Info

Publication number: DE102016112753B4
Application number: DE102016112753.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wolf
Original assignee: Gerotor AG
Current assignee: Gerotor De GmbH
Priority date: 2016-07-12
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2036-07-13
Also published as: DE102016112753A1

Abstract

Schwungrad (1) für einen Schwungrad-Energiespeicher, mit einer rotationssymmetrischen Grundform, mit ersten Draht- oder Litzenwicklungen (5) aus Metall, welche bezüglich der Symmetrieachse des Schwungrads (1) im Wesentlichen tangential geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass es zweite Draht- oder Litzenwicklungen (7) aus Kohlefasern oder Keramikfasern oder Kunststofffasern oder einer Kombination dieser Materialien enthält, welche ebenfalls im Wesentlichen tangential zur Symmetrieachse des Schwungrads (1) geführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schwungrad für einen Schwungrad-Energiespeicher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Schwungrad-Energiespeicher, kurz Schwungradspeicher, können sowohl in stationären als auch mobilen Anwendungen zur kurzzeitigen Speicherung von Energie und insbesondere zur Rückgewinnung von kinetischer Energie dienen.
Die Ankopplung des Schwungrades kann entweder unmittelbar mechanisch oder über den Zwischenschritt der Energiekonversion in elektrische Energie erfolgen. Ziel hierbei ist es, kurzfristig hohe Leistungen aufnehmen bzw. wieder abgeben zu können.
Als Anwendungsmöglichkeiten für den stationären Betrieb sind beispielsweise Produktionsanlagen oder Werkzeugmaschinen zu nennen, welche ein sehr dynamisches Lastprofil aufweisen. Beim Abbremsen der Antriebsachsen kann die nun zur Verfügung stehende Energie in einem Schwungradspeicher zwischengespeichert werden und für erneute Beschleunigungsvorgänge genutzt werden. Außerdem können Schwungradspeicher zur Glättung von Leistungsspitzen benutzt werden um entweder für Energieversorger zur Netzstabilisierung zu dienen oder die Anschlussleistung von Maschinen zu reduzieren.
In mobilen Anwendungen, wie etwa bei Bussen oder PKW, kann ein Schwungradspeicher dazu dienen, die beim Bremsen freigesetzte Energie aufzunehmen und beim Wiederanfahren erneut zur Verfügung zu stellen. Im konventionellen Betrieb ohne Schwungradspeicher würde diese Energie schlicht thermisch in der Bremsanlage vernichtet werden. Durch die Nutzung dieser kostenfrei zur Verfügung stehenden Energie kann eine Kraftstoffersparnis erreicht werden, was sich nach einer gewissen Amortisationszeit des Schwungradspeichers für den Kunden/Anwender auch wirtschaftlich rechnet. Außerdem werden so schädliche Emissionen reduziert und Ressourcen bzw. die Umwelt geschont.
Insbesondere im mobilen Einsatz ist eine hohe Energie- bzw. Leistungsdichte sowohl im volumetrischen als auch im gravimetrischen Sinne gewünscht. Gründe hierfür sind, dass einerseits der Bauraum in Fahrzeugen teilweise sehr beschränkt ist, andererseits führt ein hohes Eigengewicht des Schwungradspeicher-Systems zu kontraproduktiven Effekten. Beide Aufgaben werden durch eine Erhöhung der Maximaldrehzahl des Schwungrads gelöst.
Der wirtschaftliche Erfolg von Hochleistungsenergiespeichern basiert also vor allem auf deren Leistungsdichte, deren Energiedichte und dem Preis-Leistungsverhältnis. Dabei ist die Erhöhung der Drehzahl in mehrfacher Hinsicht entscheidend, um die Systeme klein, kompakt, preiswert und leistungsfähig zu machen. Jedoch geht eine Erhöhung der Drehzahl auch mit einer Erhöhung der Materialbelastung - bezogen auf einen gleichen Durchmesser des Schwungrades - einher. Dies macht zunehmend den Einsatz von Hochleistungsmaterialien mit hohen Zugfestigkeiten, wie etwa Kohlefaserverbund, erforderlich. Diese Verbundwerkstoffe sind allerdings sehr teuer und somit ein kostentreibender Faktor für das Gesamtsystem.
Die US 2012/0062154 A1 zeigt einen Schwungradenergiespeicher mit einer Litzenwicklung, welche ausschließlich aus Metall besteht.
Gegenstand der US 4 359 912 A ist ein Rotor für einen Schwungradenergiespeicher mit einer Vielzahl von Speichen, die eine kreisförmige Schwungmasse mit einer Nabe verbinden.
Die US 3 964 341 A hat einen Schwungradenergiespeicher mit einer Vielzahl von Windungen oder Filamenten zum Gegenstand, die miteinander verklebt sind.
Die US 5 285 699 A zeigt ein Sicherheits-Schwungrad mit einem äußeren Ring und einem inneren Zylinder, wobei mit einer Vorspannung gearbeitet wird.
Schließlich zeigt die DE 24 54 425 A1 ein Schwungrad mit mehreren, durch eine nachgiebige Zwischenlage voneinander getrennten, konzentrischen Ringen.
Es besteht daher die Aufgabe, ein Schwungrad für einen Schwungrad-Energiespeicher so auszubilden, dass er bei gleichzeitig geringen Herstellungskosten eine möglichst hohe Energiedichte und Energiespeicherung aufweist und gleichzeitig eine hohe Betriebssicherheit auch bei sehr hohen Drehzahlen aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Drähte und daraus gebildete Litzen, insbesondere Stahldrähte/-Litzen, welche im Schwungrad verbaut sind, erreichen bei sehr kleinen Durchmessern Zugfestigkeiten in der Größenordnung der von Kohlefasern, nämlich bis zu 4000 N/mm². Dabei sind sie erheblich preisgünstiger und einfacher zu beschaffen. Beim Einsatz in einem Schwungrad bieten sich noch weitere Vorteile, nämlich ist die Recyclingfähigkeit von Metallen als Rohstoff deutlich besser und die Dichte von Metallen ist deutlich höher als die von Kohlefaserverbundwerkstoffen.
In machen Anwendungen ist allerdings das resultierende Zusatzgewicht unerwünscht, aber bei Schwungrädern bedeutet die zusätzliche Masse mehr Energieinhalt. Durch den teilweisen oder kompletten Ersatz von Kohlefasern durch Metalldrähte, insbesondere Stahldrähte, ist es somit möglich, die Energiedichte zu erhöhen, die Recyclingfähigkeit zu verbessern und den Preis zu senken.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig.l: Eine im Längsschnitt entlang der Achsenrichtung geteilte Hälfte eines erfindungsgemäßen Schwungrades in perspektivischer Darstellung;
2: Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schwungrades in der Darstellung wie 1;
3: Eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schwungrades in der Darstellung gemäß 1;
4: Eine vergrößerte Darstellung des Details D aus 3;
5: Eine alternative Ausführungsform zu 4:
6: Eine alternative Ausführungsform zu 4 und 5 und;
7: Eine alternative Ausführungsform zu den 4 bis 6.

In 1 ist der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Schwungrades 1 in Gestalt eines Hohlzylinders verdeutlicht. Nicht dargestellt sind die Achse des Schwungrades und die Befestigung innerhalb des Schwungrad-Energiespeichers. Die Darstellung beschränkt sich auf die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Teile des Schwungrads 1, aufweisend eine innere Zylinderwandung 3 und eine äußere Zylinderwandung 4, zwischen denen ein Ringraum 2 eingeschlossen ist.
Bei der alternativen Ausführungsform gemäß 2 hat das Schwungrad 1 die Form einer Scheibe bzw. eines Tellers und weist nur eine äußere Zylinderwandung 4 auf. Der Innenraum ist vollständig mit Material gefüllt.
Bei der weiteren, alternativen Ausführungsform gemäß 3 weist das Schwungsrad 1 eine gegenüber der Ausführungsform aus 2 an den Rändern abgeflachte Ausführungsform, ähnlich der Form eines Diskus, auf. Auch hier ist der Innenraum gefüllt und es geht nur eine äußere Zylinderwandung 4. Die 3 zeigt darüber hinaus ein Detail D, auf welches in den 4-7 Bezug genommen wird und welches in 3 nur exemplarisch eingezeichnet ist. Das gleiche Detail D könnte an entsprechender Stelle auch in den 1 und 2 eingezeichnet sein.
Wie 4 zu entnehmen ist, welche einen vergrößerten Ausschnitt des Details D aus 3 und eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Draht- bzw. Litzenwicklungen zeigt, weist das Schwungrad 1 erste Draht- oder Litzenwicklungen 5 auf, welche bezüglich der Symmetrieachse des Schwungrades 1 im Wesentlichen tangential geführt sind. Diese Draht- oder Litzenwicklungen 5 können entweder aus Metall, z. B. Stahl, oder einer Mischform mit anderen Faserwerkstoffen bestehen. In der folgenden Beschreibung wird der Einfachheit halber auf Stahl Bezug genommen, wobei in alternativen Ausführungsformen die Draht- oder Litzenwicklungen auch aus Keramik- oder Kunststofffasern oder einer Kombination dieser Materialien bestehen können.
Bei der Ausführungsform gemäß 4 wird eine Draht- bzw. Litzenwicklung 5 aus Stahldraht eingesetzt und zwar in einer idealisierten, dichtesten, hexagonalen Packung. Die verbleibenden Freiräume 6 zwischen den Draht- oder Litzenwicklungen 5 sind mit einem Harz oder einem anderen Kleber, beides im Folgenden als Matrix bezeichnet, gefüllt, wie dies aus bekannten Faserverbundwerkstoffen bekannt ist.
Eine alternative erfindungsgemäße Ausführungsform ist in 5 dargestellt. Hier sind die ersten Draht- oder Litzenwicklungen 5 ebenfalls aus Stahl oder Metall ausgebildet und ebenfalls in einer dichtesten Packung gelegt, wobei bei dieser Konfiguration die Zwischenräume mit viel dünneren Fremdfasern, bspw. Carbonfasern 7 gefüllt sind. Zusätzlich können durch die gezielte Wahl der Art und Ausführung der Fremdfasern, z. B. der Carbonfasern 7, die Materialeigenschaften wie Elastizitätsmodul, Dichte und Zugfestigkeit des Gesamtverbundes beeinflusst werden.
Eine weitere Ausführungsform ist in 6 dargestellt. Dort werden zwischen den ersten Draht- oder Litzenwicklungen aus Metall Abstände belassen, so dass sich diese nicht unmittelbar berühren, d. h es wird absichtlich nicht versucht, die erste Draht- oder Litzenwicklung 5 aus Metall in einer dichtest möglichen Packung zu führen, so dass ein größerer Raum für Fremdfasern, z. B. die eingezeichneten Karbonfasern 7 besteht. Diese trennen somit auch benachbarte Draht- bzw. Litzenwicklungen 5.
Eine weitere alternative Ausführungsform zeigt 7. Hier ist dargestellt, dass das Verhältnis zwischen den ersten Draht- oder Litzenwicklungen 5 aus Stahl und den zweiten Draht- oder Litzenwicklungen 7 aus Carbonfasern, welche exemplarisch die Räume zwischen den ersten Draht- oder Litzenwicklungen 5 ausfüllen, in radialer Richtung nicht konstant ist. So kann sich bspw. in radialer Richtung weiter innen anteilig mehr erste Draht- oder Litzenwicklung 5 aus Metall befinden als außen oder umgekehrt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Fall dargestellt. Auch ein bestimmtes Profil des Verhältnisses von erster Draht- oder Litzenwicklung 5 aus Metall zu Carbonfasern oder anderen Füllstoffen, etwa in Form einer Gauß-Kurve in radialer Richtung, kann bei bestimmten Anwendungen, abhängig von dem Belastungsprofil innerhalb der Schwungmasse, zweckmäßig sein und realisiert werden.
Gegenüber bekannten Schwungrädern weisen die erfindungsgemäßen Ausführungsformen des Schwungrads den Vorteil auf, dass durch die Ausgestaltung des Materials, insbesondere des Stahldrahts in Form einer Litzen- oder Drahtwicklung 5 weitaus höhere Festigkeitswerte erzielt werden als bei einem Vollmaterial. Die Zugfestigkeit einer ersten Draht- oder Litzenwicklung 5 ist wesentlich höher als die Zugfestigkeit eines Vollmaterials gleichen Gewichts, so dass bei gleichem Gewicht des Schwungrades erheblich höhere Drehzahlen zu realisieren sind, ohne dass das Schwungrad hierbei zerstört wird. Durch die Kombination mit anderen Materialien wie Kohlefasern oder Keramikfasern oder Kunststofffasern ergeben sich zusätzliche Festigkeitsvorteile.
Zusammenfassend zielt die Erfindung darauf ab, einen Großteil an teuren Karbonfasern durch wesentlich günstigeren Metalldraht (hauptsächlich Stahldraht) zu ersetzen. Hierbei wird ausgenutzt, dass mit Abnahme des Drahtdurchmessers die Zugfestigkeit zunimmt und im Vergleich zu Vollmaterial um ein Vielfaches höher ist. Durch gezielte Beimengungen an Fremdfasern, z. B. Kohle-, Keramik- oder Aramitfasern können zusätzlich wesentliche Materialeigenschaften des Gesamtverbundes beeinflusst werden und dies auch in einer anisotropen Art und Weise. Auch das gutartige Berstverhalten eines Faserverbundwerkstoffen kann durch die Verwendung von dünnen Metalldrähten beibehalten werden, wobei diese beim Bersten zerfasern, delaminieren und pulverisiert werden. Im Gegensatz dazu tendieren Schwungmassen aus Vollmaterial dazu, in drei oder mehr gleich große Teile zu zerreißen.
Ein letzter Vorteil in der Verwendung von Metalldrähten besteht in der erhöhten Recyclingfähigkeit derselben. Während ein Bauteil aus kohlefaserverstärktem Kunststoff im Schadensfall nur noch einen gewissen Heizwert besitzt, kann der metallische Rohstoff durch Aufschmelzen zurückgenommen und der Produktion neuer Güter zugeführt werden.

Claims

Schwungrad (1) für einen Schwungrad-Energiespeicher, mit einer rotationssymmetrischen Grundform, mit ersten Draht- oder Litzenwicklungen (5) aus Metall, welche bezüglich der Symmetrieachse des Schwungrads (1) im Wesentlichen tangential geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass es zweite Draht- oder Litzenwicklungen (7) aus Kohlefasern oder Keramikfasern oder Kunststofffasern oder einer Kombination dieser Materialien enthält, welche ebenfalls im Wesentlichen tangential zur Symmetrieachse des Schwungrads (1) geführt sind.
Schwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die ersten und zweiten Draht- oder Litzenwicklungen (5, 7), betrachtet von der Symmetrieachse, von innen nach außen abwechseln.
Schwungrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, betrachtet von der Symmetrieachse, innen anteilig mehr erste Draht- oder Litzenwicklungen (5) und weiter außen anteilig mehr zweite Draht- oder Litzenwicklungen (7) angeordnet sind.
Schwungrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Stahl ist.
Schwungrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine hohlzylindrische Grundform aufweist, wobei die Schwungmasse in einem Ringraum (2) zwischen äußerer und innerer Zylinderwandung (3, 4) angeordnet ist.
Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es eine scheibenförmige Grundform aufweist, wobei die Schwungmasse entlang der Scheibe angeordnet ist.
Schwungrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Draht- oder Litzenwicklungen (5, 7) durch eine Matrix aus einem Kunstharz oder Klebstoff miteinander verbunden sind.
Schwungrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenräume zwischen den Draht- oder Litzenwicklungen (5) mit dünneren Fremdfasern, insbesondere Carbonfasern (7), gefüllt sind.
Schwungrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Draht- oder Litzenwicklungen (5, 7) Abstände verbleiben.
Schwungrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände benachbarter Draht- oder Litzenwicklungen (5, 7) in radialer Richtung zur Außenseite des Schwungrads hin zunehmen.