DE102018206043A1

DE102018206043A1 - Schwungspeichermaschine ohne Antriebswelle und Verfahren zum Betrieb der Schwungspeichermaschine

Info

Publication number: DE102018206043A1
Application number: DE102018206043.6A
Authority: DE
Inventors: Torsten Kübert; Alexander Schmitt; Frank Kaufmann; Roland Keller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2019-10-24
Also published as: JP2019193560A; JP7297509B2

Abstract

Es sind eine Schwungspeichermaschine (10) und ein Verfahren zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern über einen Gleichspannungszwischenkreis (40) bereitgestellt. Die Schwungspeichermaschine (10) umfasst ein Gehäuse (11), eine Welle (12), und eine elektrische Maschine (14, 15), welche zum Antrieb der Welle (12) angeordnet ist, um in der Schwungspeichermaschine (10) kinetische Energie zu speichern, wobei die elektrische Maschine (14; 15) und die Welle (12) in dem Gehäuse (11) gekapselt sind, so dass die Welle (12) nicht von außerhalb des Gehäuses (11) zugänglich ist. Der Einsatz von Hybridlagern mit Nachschmieroption ermöglicht eine deutliche verlängerte Lebensdauer.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schwungspeichermaschine und ein Verfahren zum Betrieb der Schwungspeichermaschine.
Elektrische Maschinen, bei denen Elemente durch mindestens eine Antriebseinrichtung in eine Bewegung versetzt werden, haben einen Energiebedarf, der abhängig von der zu verrichtenden Antriebsarbeit für das Element über der Zeit schwankt. Dadurch wird von den elektrischen Maschinen je nach Bedarf Leistung von einem Energieversorger angefordert. Alternativ kann von den elektrischen Maschinen Leistung an den Energieversorger oder einen Energiespeicher abgegeben werden. Soll die Bewegung des Elements beschleunigt werden, hat die elektrische Maschine zeitweise einen erhöhten Energiebedarf. Soll die Bewegung des Elements verlangsamt werden, kann die elektrische Maschine zeitweise Energie in den Energiespeicher einspeisen. Die elektrische Maschine hat als Antriebseinrichtung beispielsweise mindestens eine Rotationsmaschine oder Linearmaschine, bei welchen ein Rotor relativ zu einem Stator bewegbar ist.
Dadurch entstehen beim Betrieb der elektrischen Maschine durch abwechselndes Beschleunigen oder Verzögern oder durch verschiedene Leistungsanforderungen in einem industriellen Prozess von Zeit zu Zeit Lastspitzen. Die Lastspitzen rufen Spannungsschwankungen für alle elektrischen Verbraucher hervor, die an das zugehörige elektrische Energieversorgungsnetz angeschlossen sind. Dadurch hervorgerufene schwankende Netzleistungen können z.B. zyklisch einspeisend und rückspeisend sein und haben teilweise sehr hohe Überlastfaktoren.
Als Gegenmaßnahme dazu ist es möglich, die elektrische(n) Maschine(n) über einen Gleichspannungszwischenkreis mit elektrischer Energie zu versorgen. In dem Gleichspannungszwischenkreis ist eine vorbestimmte Menge an Energie zum Decken von Lastspitzen zwischengespeichert. Als Energiespeicher für den Gleichspannungszwischenkreis ist ein Kondensator bzw. eine Pufferkapazität oder ein Schwungmassenspeicher bekannt, wie beispielsweise in DE 10 2010 023 536 A1 beschrieben.
Derzeit sind Schwungmassenspeicher recht platzaufwändig und im Hinblick auf einen Schutz gegen Verletzungen aufgrund der rotierenden Teile kostenintensiv aufzubauen. Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösungen ist, dass der Bauraum und der Einbau der Schwungmassenspeicher durch die Schwungmasse und die Antriebswelle eingeschränkt sind.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schwungspeichermaschine und ein Verfahren zum Betrieb der Schwungspeichermaschine bereitzustellen, mit welchen die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere sollen eine Schwungspeichermaschine und ein Verfahren zum Betrieb der Schwungspeichermaschine bereitgestellt werden, die eine kompakte, sichere, an die jeweilige Anwendung flexibel und unaufwändig anpasspare und dadurch kostengünstige Bauweise für die Schwungspeichermaschine realisieren, um eine ausgeglichene Netzanschlussleistung zu erzielen.
Diese Aufgabe wird durch eine Schwungspeichermaschine nach Anspruch 1 gelöst. Die Schwungspeichermaschine umfasst ein Gehäuse, eine Welle, und eine elektrische Maschine, welche zum Antrieb der Welle angeordnet ist, um in der Schwungspeichermaschine kinetische Energie zu speichern, wobei die elektrische Maschine und die Welle in dem Gehäuse gekapselt sind, so dass die Welle nicht von außerhalb des Gehäuses zugänglich ist.
Die Schwungspeichermaschine ist derart konzipiert und aufgebaut, dass keine externe Schwungmassen und auch keine nach außen geführten Antriebswellen vorhanden sind. Durch den Wegfall der externen Antriebswelle besteht die Möglichkeit, einen Motor der Schwungspeichermaschine vertikal direkt auf ein Lager bzw. Lagerschild zu stellen. Als Folge davon wird ein bauraum- und einbauoptimierter Aufbau bzw. Installation der Schwungspeichermaschine erzielt. Ein weiterer Vorteil der Schwungspeichermaschine liegt in einer unkomplizierten Ortsveränderung für die Schwungspeichermaschine, da die Schwungspeichermaschine problemlos an die jeweiligen Anwendungen anpassbar ist.
Noch dazu ist durch den Wegfall der externen Antriebswelle und die dadurch mögliche Kapselung der Schwungspeichermaschine eine höhere IP- Schutzart realisierbar, gemäß welcher eine höhere Abdichtung der Schwungspeichermaschine gegen Staub und/oder Flüssigkeit gewährleistet wird.
Die Schwungspeichermaschine kann die Spitzenleistungen im Netz reduzieren und die Anschlussleistung minimieren. Außerdem trägt die Schwungspeichermaschine mit dazu bei, eine ausgeglichene Netzanschlußleistung zu bewirken. Zudem ist mit der Schwungspeichermaschine eine Netzausfallpufferung für den Netzausfall möglich.
Die genannten Eigenschaften der Schwungspeichermaschine bieten Kostenvorteile in Hinblick auf die Herstellung und den Betrieb der Maschine. Hierbei kann durch entsprechende Ausgestaltung der Lager der Welle der Schwungspeichermaschine noch dazu der Verschleiß der Schwungspeichermaschine optimiert werden, um die Lebensdauer der Schwungspeichermaschine zu maximieren.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Schwungspeichermaschine sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat die Schwungspeichermaschine zudem eine Schwungmasse, die in dem Gehäuse an der Welle befestigt ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Rotor der elektrischen Maschine an der Welle neben der Schwungmasse befestigt. Vorteilhaft ist, wenn die Schwungmasse mit einer ringförmigen Befestigungseinrichtung an die Welle geklemmt ist.
Möglicherweise sind zudem Lager vorgesehen, die zum Lagern der Enden der Welle an Lagerdeckeln des Gehäuses ausgestaltet sind.
Denkbar ist, dass die Lager als Hybridlager mit keramischen Wälzkörpern ausgestaltet sind, wobei in den Lagerdeckeln Kanäle zum Zuführen eines Schmiermittels von außerhalb des Gehäuses zu den keramischen Wälzkörpern angeordnet sind. Hierbei kann zudem an jedem der Lager ein Reservoir zur Aufnahme von Alt-Schmiermittel vorgesehen sein.
Zusätzlich oder alternativ hat die Schwungspeichermaschine zudem einen Maschinengeber zur Erfassung einer Position der Welle relativ zu einem Stator der elektrischen Maschine und zur Ausgabe der erfassten Position an eine Steuereinrichtung zur Steuerung der elektrischen Maschine.
Möglich ist, dass die elektrische Maschine als flüssigkeitsgekühlter permanenterregter Synchronmotor ausgestaltet ist, oder dass die elektrische Maschine als Asynchronmotor, oder dass die elektrische Maschine als ein mit natürlicher Konvektion gekühlter permanenterregter Servomotor ausgestaltet ist.
Die zuvor beschriebene Schwungspeichermaschine kann Teil eines System sein, das zudem einen Wechselrichter zur Zuführung eines für die elektrische Maschine der Schwungspeichermaschine geeigneten elektrischen Stroms, und eine Steuereinrichtung aufweist, die zur Steuerung des elektrischen Stroms ausgestaltet ist, so dass in der Schwungspeichermaschine entweder elektrische Energie gespeichert wird oder die in der Schwungspeichermaschine gespeicherte elektrische Energie an einen Gleichspannungs-Zwischenkreis abgegeben wird.
Das System kann in einem Fahrzeug oder einem Transportsystem einer industriellen Anlage eingebaut sein.
Die zuvor beschriebene Aufgabe wird zudem von einem Verfahren zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis nach Anspruch 12 gelöst. In den Gleichspannungs-Zwischenkreis ist eine zuvor beschriebene Schwungspeichermaschine eingebunden, so dass die Schwungspeichermaschine je nach Anforderung von elektrischer Leistung durch eine Last als elektrischer Verbraucher elektrische Energie in den Gleichspannungs-Zwischenkreis einspeist oder aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis bezieht.
Das Verfahren erzielt die gleichen Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf die Schwungspeichermaschine genannt sind.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich des Ausführungsbeispiels beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Systems mit einer Schwungspeichermaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine Ansicht einer Befestigungseinrichtung für eine optionale Schwungmasse des Schwungspeichers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel; und
3 eine weitere Ansicht der Befestigungseinrichtung für eine optionale Schwungmasse des Schwungspeichers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
4 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer Verschaltung des Schwungspeichers in einem Gleichspannungs-Zwischenkreis gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein System 1 mit einer Schwungspeichermaschine 10 und einer Steuereinrichtung 20, die zur Steuerung einer elektrischen Maschine der Schwungspeichermaschine 10 vorgesehen und ausgestaltet ist. Die Schwungspeichermaschine 10 wird unter Steuerung der Steuereinrichtung 20 von einem Wechselrichter 30 mit einem elektrischen Strom I1 versorgt oder kann in den Wechselrichter einen elektrischen Strom I2 einspeisen.
Das System 1 mit der Schwungspeichermaschine 10, der Steuereinrichtung 20 und dem Wechselrichter 30 ist für Antriebssysteme einsetzbar, wie sie beispielsweise bei Pressenanlagen und/oder Pressentransfer und/oder Werkzeugmaschinen und/oder Kunststoffmaschinen und/oder Handhabungssystemen, die auch Handlingsysteme genannt werden, mit Energiemanagement zur netzseitigen Spitzenleistungsreduktion und/oder Energiemanagement und Netzausfallpufferung verwendbar sind.
Die Schwungspeichermaschine 10 von 1 hat ein Gehäuse 11, eine Welle 12, Lager 13 zum Lagern der Welle 12 an dem Gehäuse 11, einen Rotor 14, einen Stator 15 und einen Maschinengeber 18. Optional ist auch eine Schwungmasse 16 und eine Befestigungseinrichtung 17 für die Schwungmasse 16 vorhanden.
Das Gehäuse 11 schließt die Schwungspeichermaschine 10 zusammen mit Lagerdeckeln 111, 112 für die Lager 13, mit Abdeckelementen 113, 114 für die Welle 12 und mit Deckeln 115, 116 nach außen ab. Dadurch hat die Schwungspeichermaschine 10 keine externe Schwungmasse und auch keine nach außen geführte Antriebswelle. Somit befinden sich keine rotierenden Teile, wie beispielsweise die Welle 12, und keine rotierenden Massen außerhalb der Schwungspeichermaschine 10. Die elektrische Maschine 14, 15 und die Welle 12 sind in dem Gehäuse 11 gekapselt, wobei die Welle 12 nicht von außerhalb des Gehäuses 11 zugänglich ist. Als Folge davon ist auch kein Schutz erforderlich, um rotierende Teile oder Massen zum Schutz vor Verletzungen entsprechend abzudecken. Dadurch ergibt sich zudem der Vorteil, dass der Bauraum und der Einbau der Schwungspeichermaschine 10 nicht durch eine außen liegende Schwungmasse oder Welle oder deren Abdeckung eingeschränkt sind.
Die Welle 12 ist an ihren beiden Enden mit den Lagern 13 um eine Drehachse 121 drehbar gelagert. In den Lager 13 sind Wälzkörper vorgesehen, die in einem Schmiermittel, wie Fett oder Öl, usw., bewegbar sind. Die Wälzkörper sind insbesondere als Kugeln ausgeführt. Insbesondere sind die Lager 13 als Hybridlager ausgeführt, die Wälzkörper aus Keramik aufweisen. Im Falle des Hybridlagers als Lager 13 sind an den beiden Enden der Welle 12 in den Lagerdeckeln 111, 112 Kanäle 131, 132 vorgesehen, die von einem Nippel 133, 134 außen an der Schwungspeichermaschine 10 verschließbar sind. An ihrem anderen Ende münden die Kanäle 131, 132 bei den Wälzkörpern der Lager 13. Somit führen die Kanäle 131, 132 jeweils zu den Lagern 13, um Schmiermittel zuzuführen. Die Kanäle 131, 132 stellen so eine Nachschmiermöglichkeit mit Schmiermittel für das jeweilige Lager 13 sicher. Dadurch ist die Standzeit der Lager 13 und damit der Schwungspeichermaschine 10 maximierbar. Zudem ist bei jedem Lager 13 ein Reservoir 135, 136 für Alt-Schmiermittel vorgesehen. Dadurch können die Wartungsintervalle maximiert werden.
An den beiden Enden der Welle 12 sind in den Lagerdeckeln 111, 112 Kanäle 131, 132 vorgesehen, die von einem Nippel 133, 134 außen an der Schwungspeichermaschine 10 verschließbar sind. Die Kanäle 131, 132 führen jeweils zu den Lagern 13 und stellen so eine Nachschmiermöglichkeit mit Schmiermittel für das jeweilige Lager 13 sicher. Zudem ist bei jedem Lager 13 ein Reservoir 135, 136 für Alt-Schmiermittel vorgesehen.
An der Welle 12 sind der Rotor 14 und die Schwungmasse 16 drehfest befestigt. Zudem ist der Rotor 14 relativ zu dem statisch am Gehäuse 11 angeordneten Stator 15 drehbar. Hierfür ist zwischen dem Stator 15 und dem Rotor 14 ein Luftspalt vorhanden, so dass sich der Rotor 14 und der Stator 15 relativ zueinander bewegen können, wenn der Stator 15 mit dem elektrischen Strom I1 oder I2 durchflossen wird. Die elektrischen Ströme I1 oder I2 können auch als Maschinenströme bezeichnet werden. Der Rotor 14 und der Stator 15 bilden die elektrische Maschine 14, 15 der Schwungspeichermaschine 10.
Der Stator 15 ist als Motor- bzw. Generatorwicklung der elektrischen Maschine 14, 15 ausgestaltet. Der Stator 15 hat Wickelköpfe 151 und einen aus dem Gehäuse 11 nach außen geführten Stromanschluss 152 zur Einspeisung des elektrischen Stroms I1 in die Motor- bzw. Generatorwicklung bzw. den Stator 15 der elektrischen Maschine 14, 15 oder zur Abgabe des elektrischen Stroms 12. Der Stator 15 ist als standardisierte Wicklung ausführbar.
Der Rotor 14 ist als Synchron- oder Asynchronausführung ausgestaltbar. Insbesondere weist der Rotor 14 zumindest einen Permanentmagnet auf. Der Rotor 14 ist an der drehbar gelagerten Welle 12 derart angebracht, dass die Lagerdeckel 111, 112 und die darin jeweils vorgesehenen Lager 13 an den beiden Enden des Gehäuses 11 angeordnet sind. Die Welle 12 dient lediglich zur Lagerung des Rotors 14 und realisiert keine zusätzliche Antriebsfunktion, wie beispielsweise eine Drehmomentübertragung nach außen. Somit ist die Welle 12 in Richtung der Drehachse 121 nur so lang ausgeführt, dass der Rotor 14 über die beiden in den jeweiligen Lagerdeckeln 111, 112 eingesetzten Lager 13 aufgenommen und somit sowohl axial als auch radial abgestützt wird.
Der Rotor 14 hat aufgrund seiner Masse m1 und/oder seines Durchmessers D1 in radialer Richtung der Welle 12 und/oder seiner Breite B1 in axialer Richtung der Welle 12 ein vorbestimmtes Massenträgheitsmoment J1. Der Rotor 14 bildet eine Schwungmasse des Schwungspeichermaschine 10. Die optional zusätzlich vorhandene Schwungmasse 16 bzw. Masse m2 hat einen Durchmesser D2 in radialer Richtung der Welle 12 und ein vorbestimmtes Massenträgheitsmoment J2.
Das Massenträgheitsmoment J1 wird umso größer, je größer der Durchmesser D1 des Rotors 14 in radialer Richtung der Welle 12 wird und/oder je größer die Masse m1 des Rotors 14 ist. Das Massenträgheitsmoment J2 der optionalen Schwungmasse 16 wird umso größer, je größer der Durchmesser D2 der Schwungmasse 16 in radialer Richtung der Welle 12 wird und/oder je größer die Masse m2 der Schwungmasse 16 ist.
Die Lager 13 und die Lagerdeckel 111, 112 sind für die Lagerung der Welle 12 ausgelegt, an welcher der Rotor 14, gegebenenfalls die Schwungmasse 16, und der Maschinengeber 18 befestigt sind. Die Masse des Maschinengebers 18 ist in der Regel im Vergleich zu der Masse m1 des Rotors 14 und/oder der Masse m2 der optional vorhandenen Schwungmasse 16 vernachlässigbar. Somit sind die Lager 13 auf das Gesamtsystem der Schwungspeichermaschine 10 ausgelegt. Hierbei sind die Lager 13 optional für eine hohe Dauerlaufdrehzahl n_D ausgelegt, wie beispielsweise je nach Montageart des Rotors 14 an der Welle 12 in einem Bereich von um die 6000 Umdrehungen pro Minute oder höher.
Die in der Schwungspeichermaschine 10 gespeicherte elektrische Energie E berechnet sich als $E = \frac{1}{2} * (J 1 + J2) * w^{2}$
wobei w die Drehgeschwindigkeit der Welle 11 bzw. des mechatronischen kinetischen Energiespeichers 10 ist. Je nach Bedarf kann die Schwungspeichermaschine 10 in der jeweils benötigten Größe gebaut werden. Beispielsweise kann der Rotor 14 ein Massenträgheitsmoment J1 von 0,31 kg m² aufweisen und die Schwungmasse 16 ein Massenträgheitsmoment J2 von 0,435 kg m² aufweisen, woraus sich ein Gesamtmassenträgheitsmoment Jges von 0,746 kg m² ergibt. Bei einer mittleren Drehzahl n von beispielsweise 6000 Umdrehungen pro Minute berechnet sich die in der Schwungspeichermaschine 10 gespeicherte elektrische Energie E als 147 kWs. Je nach den Abmessungen, wie Radius bzw. Durchmesser D1 oder Breite B1 des Rotors 14 und Radius bzw. Durchmesser D2 oder Breite der Schwungmasse 16 in Richtung der Achse 121, sowie der Masse des Rotors 14 und der Masse der Schwungmasse 16 ergeben sich andere Werte für die Massenträgheitsmomente J1, J2.
Ist keine Schwungmasse vorhanden, ist das Massenträgheitsmoment J2 = 0. In diesem Fall kann auch die Welle 12 in Richtung der Drehachse 121 um die Baulänge verkürzt werden, die bei der Maschine 10 für die Schwungmasse 16 benötigt wird.
Durch eine deutliche Erhöhung der Gesamtträgheit lässt sich die mittlere Drehzahl n zugunsten einer verlängerten Lagerlebensdauer absenken.
Um eine möglichst große Energie zu speichern, ist der Rotor 14 mit möglichst hohem Massenträgheitsmoment J1 ausgestattet, also großem Durchmesser D1 und schwerer Ausführung. Optional können rotorintern noch zusätzliche Massenträgheitsmomente bzw. Massen angebracht werden, um das Massenträgheitsmoment J1 des Rotors 14 weiter zu erhöhen.
Aufgrund der beschriebenen Konstruktion der Schwungspeichermaschine 10 kann die Schwungspeichermaschine 10 und damit ihre elektrische Maschine sowohl vertikal als auch horizontal auf die Lagerdeckel 111, 112 aufgestellt werden. Die Schwungspeichermaschine 10 ist jedoch nicht darauf beschränkt sondern kann jede andere Montagelage einnehmen.
Die Drehgeschwindigkeit w ist mit Hilfe eines Erfassungsergebnisses des Maschinengebers 18 ermittelbar. Hierfür erfasst der Maschinengeber 18 die Position des Rotors 14 relativ zu dem Stator 15 und gibt sein Erfassungsergebnis an die Steuereinrichtung 20 aus. Die Steuereinrichtung 20 kann die Position des Rotors 14 zur Steuerung oder Regelung von Drehzahl n und Lage bzw. Position der Welle 12 verwenden. Der Maschinengeber 18 ist bei dem Beispiel von 1 als eigenständige Baugruppe in die Schwungspeichermaschine 10 integriert.
Hierfür kann der Maschinengeber 18 eine Leiterkarte aufweisen, an welcher Sensorik für die Erfassung von physikalischen Größen angeordnet ist, die im Betrieb der elektrischen Maschine 1 erfassbar bzw. messbar sind. Derartige physikalische Größen sind beispielsweise die Position der Welle 12 bzw. des Rotors 14 relativ zu dem Stator 15, die Anzahl N der von der Welle 12 bzw. dem Rotor 14 durchgeführten Drehungen um die Drehachse 121 der Welle 12, usw. Hierfür hat der Maschinengeber 18 einen Positionssensor 181 und eine Steuereinheit 182. Mit dem Positionssensor 181 wird beispielsweise ein mit der Welle 12 verbundener Magnet 185 abgetastet. Die sich daraus ergebende physikalische Größe wird als Position der Welle 12 in dem Speicher der Steuereinheit 182 gespeichert. Die Abtastung erfolgt entweder kontinuierlich, insbesondere mit einer kontinuierlichen Erfassung des Maschinengebers 18, also ununterbrochen oder permanent, oder mit einer vorbestimmten Abtastrate. Die Abtastrate kann derart gewählt sein, dass die Abtastung bzw. Erfassung insbesondere in Echtzeit erfolgt und dadurch als permanente Abtastung bzw. Erfassung erscheint.
Zumindest Teile des Maschinengebers 18 und/oder seiner Steuereinheit 182 sind mit Software ausführbar. Die Steuereinheit 182 hat zur Ausführung der Software eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) und mindestens einen Arbeitsspeicher. In einem weiteren Speicher der Steuereinheit 182 sind die erfassten physikalischen Größen und optional Auswerteergebnisse, die nachfolgend noch genauer beschrieben sind, zumindest zeitweise speicherbar. Zudem ist die Steuereinheit 182 mit der Steuereinrichtung 20 der elektrischen Maschine 14, 15 verbindbar. Dadurch können die Steuereinheit 182 und die ihr übergeordnete Steuereinrichtung 20 Daten 180, beispielsweise die erfassten physikalischen Größen und optional die Auswerteergebnisse, austauschen.
Ebenso erfolgt die Steuerung der Steuereinrichtung 20 entweder kontinuierlich, insbesondere mit einer kontinuierlichen Erfassung des Maschinengebers 18, also ununterbrochen oder permanent, oder mit einer vorbestimmten Abtastrate. Die Abtastrate kann derart gewählt sein, dass die Steuerung insbesondere in Echtzeit erfolgt.
Bei dem Beispiel von 1 sind die Schwungmasse 16 in Richtung der Drehachse 121 mit Hilfe der Befestigungseinrichtung 17 axial geklemmt. Hierbei ist der Rotor 14 gegen eine Wellenschulter gedrückt und somit axial geklemmt. Zudem wird die Schwungmasse 16 gegen die Befestigungseinrichtung 17 gedrückt.
2 zeigt die Befestigungseinrichtung 17 genauer. Die Befestigungseinrichtung 17 hat einen Klemmring 171, der auf die Welle 12 montiert, genauer gesagt geklemmt, ist. Zudem ist ein Zahnrad 172 auf die Welle 12 montiert und an einem Lagerschild 173 fixiert. Der Klemmring 171 ist am Innendurchmesser des Zahnrads 172 in einer Aussparung 1721 aufgenommen. Der Klemmring 171 ist in der Aussparung des Zahnrads 172 mit Hilfe des Lagerschilds 173 und Befestigungselementen 174 der Befestigungseinrichtung 17 fixiert. Das Zahnrad 172 hat eine Vielzahl von Zähnen 1722, von denen der Übersichtlichkeit halber in 2 nicht alle mit einem Bezugszeichen versehen sind. Das Zahnrad 172 greift beispielsweise mit seinen Zähnen 1722 in den Lagerdeckel 112.
Wie in 3 noch genauer gezeigt, ist der Klemmring 171 als Scheibenkranz ausgestaltet, der in seinem Außenrand eine Vielzahl von Einkerbungen 1711 aufweist, die jeweils in radialer Richtung des Klemmrings 171 angeordnet und ausgerichtet sind. Die Einkerbungen 1711 sind jeweils äquidistant am Umfang des Klemmrings 171 angeordnet. Zudem weist der Klemmring 171 an seinem Innenrand eine Vielzahl von Einkerbungen 1712 auf, die ebenfalls jeweils in radialer Richtung des Klemmrings 171 angeordnet und ausgerichtet sind. Die Einkerbungen 1712 sind jeweils äquidistant am Umfang des Klemmrings 171 angeordnet. Auch die Einkerbungen 1711, 1712 sind der Übersichtlichkeit halber in 2 nicht alle mit einem Bezugszeichen versehen. Die Reihe der Einkerbungen 1711 am Außenrand des Klemmrings 171 ist zu der Reihe der Einkerbungen 1712 am Innenrand des Klemmrings 171 in Umfangsrichtung des Klemmrings 171 versetzt. Dadurch hat der Klemmring 171 eine kettenförmige Verbindung von Hohlzähnen in einem Ring oder eine Hohlzahnringform, wie in 3 veranschaulicht.
Der Klemmring 171 ist relativ zu der Welle 12 derart dimensioniert, dass der Klemmring 171 bei der Montage auf der Welle 12 entlang des gesamten Umfangs radiale Kräfte F_R in Richtung der Drehachse 121 der Welle 12 ausübt, die in 3 als dicker Blockpfeil dargestellt ist. Zudem werden von dem Klemmring 171 entlang des gesamten Umfangs der Welle 12 Querkräfte F_Q auf die Welle 12 ausgeübt, die in 3 als dicker Blockpfeil dargestellt sind. Die Querkräfte F_Q wirken quer zu den radialen Kräften F_R .
Für den Fall, dass eine Schwungmasse 16 vorzusehen ist, realisiert die Befestigungseinrichtung 17 auf die beschriebene Weise eine radiale und axiale Klemmung und dadurch eine einfache Montage der Schwungmasse 16 an der Welle 12 bzw. Demontage der Schwungmasse 16 von der Welle 12.
Durch den beschriebenen Aufbau ist die Schwungspeichermaschine 10 sehr robust bzw. verschleißresistent.
4 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel eine Anwendung der Schwungspeichermaschine 10 bei einer Regelung, die zu einer ausgeglichenen Netzanschlussleistung beim Anschluss und Betrieb einer Last 50 an einem Energieversorgungsnetz 5 führt, Spitzenleistungen im Netz reduziert und die Anschlussleistung der elektrischen Maschine 14, 15 minimiert. Zudem kann eine Netzausfallpufferung für den Netzausfall durchgeführt werden.
Hierfür ist die Schwungspeichermaschine 10 bei einem Gleichspannungs-Zwischenkreis 40 betrieben, der über einen Gleichrichter 7 an das Energieversorgungsnetz 5 angeschlossen ist. In dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 40 ist ein Pufferkondensator 41 zur Speicherung von elektrischer Energie vorgesehen. Der Stator 15 der Schwungspeichermaschine 10 bezieht je nach Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 20, wie zuvor beschrieben, eine elektrische Energie in Form des elektrischen Stroms I1 aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 40 oder speist einen elektrischen Strom I2 in den Gleichspannungs-Zwischenkreis 40. Der elektrische Strom I1 ist mit Hilfe des Wechselrichters 30 für den Betrieb der elektrischen Maschine 14, 15 geeignet wechselgerichtet. Zudem bezieht die Last 50, gegebenenfalls über einen nicht dargestellten Wechselrichter einen elektrischen Strom I3 aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 40. Der elektrische Strom I3 schwankt je nach Betriebsfall der Last 50. Die Schwungspeichermaschine 10 und die Last 50 sind elektrische Verbraucher im Energieversorgungsnetz 5, wenn sie elektrische Energie aus dem Energieversorgungsnetz 5 beziehen.
Die Steuereinrichtung 20 steuert die Schwungspeichermaschine 10 unter Verwendung des Lastprofils der Last 50 beziehungsweise des von der Last 50 angeforderten elektrischen Strom I3 derart, dass die aus dem Zwischenspeicher 40 entnommene elektrische Leistung und damit die von dem Energieversorgungsnetz 5 bezogene Leistung in etwa konstant ist.
Hierfür bezieht die Steuereinrichtung 20 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aktuelle Leistungsdaten 55 der Last 50 und berechnet damit Sollwerte 25 für eine Steuerung der Schwungspeichermaschine 10. Somit realisiert die Steuereinrichtung 20 einen Sollwerteingang zur Leistungsteuerung der Schwungspeichermaschine 10. Die aktuellen Leistungsdaten der Last 50 und/oder der Schwungspeichermaschine 10 sind insbesondere aus der Drehgeschwindigkeit w der Welle 12 mit Hilfe des Maschinengebers 18 von 1 und/oder der elektrischen Leistungsaufnahme des Stators 15 und/oder der elektrischen Leistungsabgabe des Stators 15 und/oder der Drehgeschwindigkeit w einer Welle der Last 50 und/oder der elektrischen Leistungsaufnahme der Last 50 ermittelbar.
Infolgedessen bezieht die Last 50 bei einer Lastspitze, insbesondere einer schnellen Beschleunigung oder Volllast der Last 50, elektrische Energie aus dem Zwischenspeicher 40 und/oder kinetische Energie der Schwungspeichermaschine 10 in Form des elektrischen Stroms 12. In diesem Fall wird die Welle 12 der Schwungspeichermaschine 10 und somit die elektrische Maschine 14, 15 und die optional vorhandene Schwungmasse 16 verlangsamt.
Bezieht dagegen die Last 50 beispielsweise beim Bremsen oder im Leerlauf keine oder bei Teillast nur wenig elektrische Energie in Form des elektrischen Stroms I3 aus dem Zwischenspeicher 40, kann Energie aus dem Zwischenspeicher 40 an die Schwungspeichermaschine 10 in Form des elektrischen Stroms I1 abgegeben werden. In diesem Fall wird die Welle 12 der Schwungspeichermaschine 10 und somit die elektrische Maschine 14, 15 und die optional vorhandene Schwungmasse 16 beschleunigt.
Im Fall eines Ausfalls des Energieversorgungsnetzes 5 kann mit der Schwungspeichermaschine 10 eine Netzausfallpufferung durchgeführt werden. In diesem Fall bezieht die Last 50 nur elektrische Energie in Form des elektrischen Stroms I2 aus der Schwungspeichermaschine 10.
Dadurch wird je nach Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 20 von der Schwungspeichermaschine 10 Energie aufgenommen oder abgegeben. Die Aufnahme oder Abgabe der Energie, genauer gesagt die Menge der Aufnahme oder Abgabe der Energie richtet sich je nach dem Bedarf der Anwendung.
Die Schwungspeichermaschine 10 hat dabei den sehr kompakten, robusten, flexibel montierbaren und einfachen Aufbau, wie zuvor beschrieben.
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Maschine 14, 15 als flüssigkeitsgekühlter permanenterregter Synchronmotor ausgeführt.
Hier hat die elektrische Maschine 14, 15 an dem Außenumfang des Stators 15, also zwischen Gehäuse 11 und Stator 15 eine Kühleinrichtung, die als Kühlmantel und/oder mindestens ein Kühlrohr ausgeführt ist, zur Kühlung der elektrischen Maschine 14, 15. Die Kühleinrichtung kann die elektrische Maschine 14, 15 im Betrieb derart kühlen, dass die elektrische Maschine 14, 15 nicht überhitzt. An der Kühleinrichtung ist beispielsweise eine Spiralnut vorgesehen, die ein Kühlmittel, wie eine Kühlflüssigkeit, insbesondere Öl, Wasser, usw., oder ein Kühlgas, insbesondere Luft, usw., zwischen dem Gehäuse 11 und dem Stator 15 führt. Zusätzlich oder alternativ kann zwischen dem Gehäuse 11 und dem Stator 15 eine Konvektion von Luft vorgesehen sein. Für die Kühlung sind im Kühlmantel zudem Leckagenuten vorgesehen, die mit O-Ringen abdichtbar sind.
Bei der genannten Konstruktionsart der elektrischen Maschine 14, 15 sind bei dem Rotor 14 Permanentmagnete auf eine Hülse montiert, insbesondere geklebt, wobei die Hülse auf die Welle 12 montiert wird.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann der Rotor 14 an die Welle 12 mit Stufenpreßverband der Hülse montiert sein. Der Stufenpreßverband ist als kraftschlüssiger Preßverband ausgeführt. Der Stufenpreßverband verursacht keine Spannungen, welche die Laufgenauigkeit der Welle 12 und dadurch des Energiespeichers 10 beeinträchtigen.
Ansonsten ist das Speichersystem 1 auf die gleiche Weise aufgebaut und bei einem Gleichspannungs-Zwischenkreis 40 einsetzbar, wie zuvor in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel beschrieben.
Auch auf diese Weise kann ein sehr kompakter, robuster und einfacher Aufbau des Speichersystems 1 und dessen Schwungspeichermaschine 10 realisiert werden. Die Flüssigkeitskühlung erlaubt hierbei eine sehr kompakte und platzsparende Einhausung und Kapselung der Schwungspeichermaschine sowie eine deutlich bessere Wärmeabfuhr.
Dadurch ergibt sich auch der weitere große Vorteil für den Anwender, dass die Einhausung und Kapselung den Lärmpegel der Schwungspeichermaschine 10 gegenüber bisherigen Lösungen deutlich reduziert. Dies ist insbesondere bei Anwendungen von Vorteil, bei welchen der Maschinenbediener in unmittelbarer Nähe der Schwungspeichermaschine arbeitet, wie dies beispielsweise bei Kunststoff- oder Verpackungsmaschinen der Fall ist.
In einer Modifikation des vorangehenden Ausführungsbeispiels ist die elektrische Maschine 14, 15 als ein mit natürlicher Konvektion gekühlter permanenterregter Servomotor ausgeführt.
Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Maschine 14, 15 mit elektronischem Typenschild ausgestaltet. Hierfür weist die Steuereinrichtung 20 eine Ermittlungseinheit auf, die während der Inbetriebnahme der Schwungspeichermaschine 10 den Typ der Schwungspeichermaschine 10 und damit die Eigenschaften der Schwungspeichermaschine 10 automatisch erkennt und auf dieser Grundlage die Schwungspeichermaschine 10 automatisch in Betrieb nimmt.
Gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel führt die Steuereinrichtung 20 eine Berechnung der Lagerlebensdauer auf Basis von Drehzahlprofilen der Welle 12 bzw. des Rotors 15 bzw. der Schwungmasse 16 aus. Auf diese Weise kann der beste Zeitpunkt oder Zeitraum für eine Wartung der Lager 13 und/oder der gesamten Schwungspeichermaschine 10 im Voraus ermittelt werden. Dies kann auch als Predictive Maintenance bezeichnet werden.
Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen des Systems 1, der Schwungspeichermaschine 10, und des mit dem System 1 und/oder der Schwungspeichermaschine 10 ausgeführten Verfahrens können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale und/oder Funktionen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert werden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch dargestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.
Auch wenn die elektrische Maschine 14, 15 als Innenläufermaschine beschrieben ist, bei welcher der Rotor 14 in dem Stator 15 angeordnet ist, ist die elektrische Maschine 14, 15 alternativ als Außenläufermaschine ausgestaltbar, bei welcher der Rotor 14 um den Stator 15 herum angeordnet ist.
Die elektrische Maschine 14, 15 ist von einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) als Steuereinrichtung 20 steuerbar. Alternativ ist die elektrische Maschine 14, 15 von einer CNC-Steuerung (Computerized Numerical Control = rechnergestützte numerische Steuerung) als Steuereinrichtung 20 steuerbar.
Die Schwungspeichermaschine 10, gegebenenfalls mit dem zugehörigen System 1, ist als zumindest ein Teil des Antriebssystems in einem Fahrzeug oder einem Transportsystem einer industriellen Anlage einbaubar und verwendbar. Hierbei ist ein Transportsystem einer industriellen Anlage als ein System zu verstehen, das eine beliebige Bewegung im Raum bewirkt. Alternativ ist es möglich, dass die Schwungspeichermaschine 10, gegebenenfalls mit dem zugehörigen System 1, als zumindest ein Teil einer Kunststoff- und/oder Verpackungsmaschine eingebaut ist oder verwendet wird. Alternativ kann die Schwungspeichermaschine 10, gegebenenfalls mit dem zugehörigen System 1, als zumindest ein Teil bzw. zumindest teilweise ein Teil einer Pressenanlage sein oder für diese Verwendung finden. Generell ist die Schwungspeichermaschine 10, gegebenenfalls mit dem zugehörigen System 1, überall dort verwendbar, wo Energie zwischengespeichert oder abgerufen werden soll, um unterschiedliche Lastzustände im Laufe der Zeit bedienen zu können ohne große Netzschwankungen zu verursachen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010023536 A1 [0004]

Claims

Schwungspeichermaschine (10), mit einem Gehäuse (11), einer Welle (12), und einer elektrischen Maschine (14, 15), welche zum Antrieb der Welle (12) angeordnet ist, um in der Schwungspeichermaschine (10) kinetische Energie zu speichern, wobei die elektrische Maschine (14; 15) und die Welle (12) in dem Gehäuse (11) gekapselt sind, so dass die Welle (12) nicht von außerhalb des Gehäuses (11) zugänglich ist.
Schwungspeichermaschine (10) nach Anspruch 1, zudem mit einer Schwungmasse (16), die in dem Gehäuse (11) an der Welle (12) befestigt ist.
Schwungspeichermaschine (10) nach Anspruch 2, wobei ein Rotor (14) der elektrischen Maschine (14, 15) an der Welle (12) neben der Schwungmasse (16) befestigt ist.
Schwungspeichermaschine (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Schwungmasse (16) mit einer ringförmigen Befestigungseinrichtung (17) an die Welle (12) geklemmt ist.
Schwungspeichermaschine (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, zudem mit Lagern (13), die zum Lagern der Enden der Welle (12) an Lagerdeckeln (111), 112) des Gehäuses (11) ausgestaltet ist.
Schwungspeichermaschine (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Lager (13) als Hybridlager mit keramischen Wälzkörpern ausgestaltet sind, und wobei in den Lagerdeckeln (111, 112) Kanäle (131, 132) zum Zuführen eines Schmiermittels von außerhalb des Gehäuses (11) zu den keramischen Wälzkörpern angeordnet sind.
Schwungspeichermaschine (10) nach Anspruch 6, zudem mit einem Reservoir (135, 136) an jedem der Lager (13) zur Aufnahme von Alt-Schmiermittel.
Schwungspeichermaschine (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, zudem mit einem Maschinengeber (18) zur Erfassung einer Position der Welle (12) relativ zu einem Stator (15) der elektrischen Maschine (14, 15) und zur Ausgabe der erfassten Position an eine Steuereinrichtung (20) zur Steuerung der elektrischen Maschine (14, 15).
Schwungspeichermaschine (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (14, 15) als flüssigkeitsgekühlter permanenterregter Synchronmotor ausgestaltet ist, oder wobei die elektrische Maschine (14, 15) als Asynchronmotor ausgestaltet ist, oder wobei die elektrische Maschine (14, 15) als ein mit natürlicher Konvektion gekühlter permanenterregter Servomotor ausgestaltet ist.
System (1), mit einer Schwungspeichermaschine (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, einem Wechselrichter (30) zur Zuführung eines für die elektrische Maschine (14, 15) der Schwungspeichermaschine (10) geeigneten elektrischen Stroms (11), und einer Steuereinrichtung (20), die zur Steuerung des elektrischen Stroms (I1) ausgestaltet ist, so dass in der Schwungspeichermaschine (10) entweder elektrische Energie gespeichert wird oder die in der Schwungspeichermaschine (10) gespeicherte elektrische Energie an einen Gleichspannungs-Zwischenkreis (40) abgegeben wird.
System (1) nach Anspruch 10, wobei das System (1) in einem Fahrzeug oder einem Transportsystem einer industriellen Anlage eingebaut ist oder in einer Kunststoff- und/oder Verpackungsmaschine oder in einer Pressenanwendung eingebaut ist.
Verfahren zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis (40), in den eine Schwungspeichermaschine (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche eingebunden ist, so dass die Schwungspeichermaschine (10) je nach Anforderung von elektrischer Leistung durch eine Last (50) als elektrischer Verbraucher elektrische Energie in den Gleichspannungs-Zwischenkreis (40) einspeist oder aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (40) bezieht.