DE102022118103B3

DE102022118103B3 - Schwungrad und ein System zur Verwendung als Energiespeicher und -wandler sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen

Info

Publication number: DE102022118103B3
Application number: DE102022118103.0A
Authority: DE
Inventors: Robert Lüth
Original assignee: Apermalist Light Solutions GmbH
Current assignee: Apermalist Light Solutions GmbH
Priority date: 2022-07-20
Filing date: 2022-07-20
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2042-07-21
Also published as: WO2024017537A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schwungrad, ein System zur Verwendung als Energiespeicher und -wandler sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen. Erfindungsgemäß weist das Schwungrad einen runden Scheibenkörper mit einer ersten und einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite auf, der eine Vielzahl um dessen Mittelpunkt angeordnete konzentrisch umlaufende ringförmige Erhebungen oder Vertiefungen aufweist, wobei die Erhebungen sich vom Scheibenkörper auf der ersten Seite erstrecken und auf der zweiten Seite des Scheibenkörpers eine Vielzahl von Vertiefungen ausbilden, wobei die benachbarten Vertiefungen strömungstechnisch über eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen miteinander verbunden sind, und, wobei die Durchtrittsöffnungen im Bereich der Flanken der Vertiefungen angeordnet sind. Erfindungsgemäß weist der Scheibenkörper in einer bevorzugten Ausgestaltung einen umlaufenden Rand mit einer Vielzahl von Auslassöffnungen aus. Der Scheibenkörper ist mit einem geeigneten Verbindungselement mit einer elektrischen Maschine verbunden (System). Das System wird mit Hilfe einer externen Energiequelle entweder im Elektromotor- und/oder Generatormodus in Betrieb genommen mit dem Ziel einer im Vergleich zum Stand der Technik effizienteren Energieumwandlung und -speicherung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet von Schwungrädern zur Nutzung als Energiespeicher und - wandler.
Schwungräder werden üblicherweise mechanisch durch eine externe Energiequelle, wie etwa einen Elektromotor, auf eine hohe Drehzahl beschleunigt, um die erzeugte Rotationsenergie zwischenzuspeichern. Die zwischengespeicherte Rotationsenergie kann beispielsweise über einen Generator abgeschöpft werden, wodurch die Rotationsenergie auf den Generator übertragen und das Schwungrad abgebremst wird. Dieses Prinzip wird teilweise bereits in der Automobilindustrie angewendet, um die Batterielaufzeit und somit die Reichweite von Kraftfahrzeugen zu erhöhen. Daher weisen Schwungräder ein beträchtliches Potenzial insbesondere für die Fahrzeugindustrie auf.
Das erste Schwungrad geht dabei auf die Zeit 6.000 v. Chr. zurück, wobei das Schwungrad aus einer Steinspindel als Schwungmasseeinheit mit einer zentralen Bohrung bestand. Weiterentwicklungen von Schwungrädern waren Bestandteil in der Entwicklung der Dampfmaschine und ebneten damit den Weg zur industriellen Revolution. Die Verwendung eines Schwungrads als Energiespeichereinheit stellt somit eine Alternative zur konventionellen Energiespeicherung dar.
Schwungradanordnungen des Standes der Technik sind u. a. aus den folgenden Beschreibungen bekannt:

Die JP 2004 - 28 225 A beschreibt einen kleinen elektrischen Schwungradgenerator, der an einem Fahrzeug montiert werden und der Rotationsenergie effektiv in elektrische Energie umwandeln kann, sowie den Effekt des gyroskopischen Moments des Schwungrads auf Null bringt. Dabei sind in einer festen Achse eines kugelförmigen Gehäuses des Schwungrad-Elektrogenerators ein erstes und ein zweites Schwungrad einander gegenüberliegend eingesetzt. Ferner sind drei ringförmige Turbinen angeordnet. Darüber hinaus ist eine Strahldüse vorgesehen. Die (bei der Rotation erzeugte) Druckluft wird in die Ringturbinen eingeleitet und aus dem kugelförmigen Gehäuse nach außen ausgestoßen. Die Rotationsenergie des Schwungrads wird im Vakuumzustand des kugelförmigen Gehäuses gehalten. Dabei ist eine Elektrizität erzeugende Spule, ein Kolben und eine Feder, die aus einer Formgedächtnislegierung besteht, so in das System eingefasst, dass sie in geeigneter Weise vertikal frei verschiebbar ist. Das Schwungrad kann eine gleichmäßige, seitliche und umgekehrte Drehbewegung mit Hilfe eines Kegelradgetriebes ausführen, wobei das gyroskopische Moment unterdrückt wird und mit Hilfe der Feder die Stromerzeugungsvorrichtung so konstruiert werden kann, dass sie effektiv und energiesparend angetrieben wird.

Die US 2020 / 0 132 039 A1 beschreibt ein konzentrisch ausgestaltetes Ringschwungrad, dessen Körper wellenartig geformt und betriebsmäßig so angeordnet ist, dass es elektrischen Strom erzeugt. Das konzentrische Ringschwungrad umfasst eine erste Welle mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende, sowie mehrere Ringe. Der mindestens erste Ring, weist eine erste radial nach innen weisende Fläche auf, die so angeordnet ist, dass sie mit dem Ausgangsende der ersten Welle verbunden ist, und weist ferner eine erste radial nach außen weisende Fläche auf. Zudem kann das konzentrische Ringschwungrad einen zweiten Ring aufweisen, der konzentrisch um den ersten Ring herum angeordnet ist, wobei der zweite Ring eine zweite radial nach innen weisende Fläche und eine zweite radial nach außen weisende Fläche zeigt. Ferner sind ein oder mehrere Kupplungsverbinder, die in einem ersten Raum angeordnet sind, der radial zwischen dem ersten und dem zweiten Ring so positioniert ist, um den zweiten Ring und den ersten Ring nicht drehbar miteinander zu verbinden, sowie eine Wellenenergieeinfangvorrichtung benannt, die betriebsmäßig so angeordnet ist, um die erste Welle zu drehen.
Die CN 2 03 978 739 U bezieht sich auf eine Art von Schwungrad-Schwungkraftmaschine mit einem Schweißstand und einer Unterstützung, sowie einem Druckkugellager mit flachem Sitz, das auf der Unterstützung angebracht ist. Dieser Motor verbraucht keine Kohle, Öl, und entlässt kein Abgas und kann bspw. im Schiffs- und Automobilbau verwendet werden.
Die US 5 012 694 A beschreibt ein Schwungrad für den Betrieb bei hohen Drehzahlen, bestehend aus zwei oder mehreren ringförmigen Komponenten, die in einer beabstandeten konzentrischen Beziehung zur Drehung um eine Achse angeordnet sind, und einer Expansionsvorrichtung, die zwischen den Komponenten angeordnet ist, um die Erhöhung der Radialkräfte auf die Komponenten, das aus dem Betrieb des Schwungrads resultiert, aufzunehmen. Die Ausdehnungsvorrichtung greift in beiden ringförmigen Komponenten ein, wobei die Struktur der Ausdehnungsvorrichtung sicherstellt, dass sie ihren Einfluss auf die Komponenten beibehält. Zusätzlich zu ihrer Fähigkeit, die Ausdehnung aufzunehmen, sorgt die Ausdehnungsvorrichtung auch für die Aufrechterhaltung der Steifigkeit des Schwungrads während des Schwungradbetriebs.
Modern gestaltete und leistungsfähige Schwungräder generieren beispielsweise Leistungen von bis zu 800 kW, um eine nutzbare Energie von 4 kWh mit einem Wirkungsgrad von bis 95 % zu erhalten. Nachteilig bei der Verwendung von bereits bekannten Schwungrädern ist deren vergleichsweise komplexer apparativer Aufbau und das daraus resultierende hohe Gewicht. Ferner sind Schwungräder starken Rotationskräften ausgesetzt, weshalb das Material infolge der hohen Rotationsgeschwindigkeiten schneller zerbersten kann, was mit einem erheblichen Wartungsaufwand verbunden ist. Das Zerbersten von Schwungrädern wird durch deren Drehzahlen typischerweise zwischen 15.000 bis 25.000 Umdrehungen pro Minute noch weiter erhöht. Der Wirkungsgrad von Schwungrädern hängt dabei maßgeblich von Reibungsverlusten während der Rotation ab.
Demzufolge stehen reibungsverlustarme und energieeffiziente Schwungradsysteme im Vordergrund der Forschung und Entwicklung.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Nachteil des Standes der Technik zu beseitigen oder zumindest abzumildern. Diese Aufgabe wird durch ein Schwungrad und ein System zur Verwendung als Energiespeicher / -wandler sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Technisch vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnungen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Schwungrad, wobei das Schwungrad einen runden Scheibenkörper aufweist. Der runde Scheibenkörper ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass der runde Scheibenkörper eine erste und eine der ersten Seite abgewandten zweiten Seite aufweist, wobei auf der ersten Seite des runden Scheibenkörpers eine Vielzahl von um dessen Mittelpunkt konzentrisch umlaufende ringförmige Erhebungen und Vertiefungen angeordnet sind. Dementsprechend sind die Erhebungen der ersten Seite auf der zweiten Seite als Vertiefungen und die Vertiefungen der ersten Seite auf der zweiten Seite als Erhebungen ausgeprägt. Die benachbarten Vertiefungen jeweils einer Seite sind strömungstechnisch über eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen miteinander verbunden, wobei die Durchtrittsöffnungen insbesondere im Bereich der Flanken der Vertiefungen und dementsprechend im Bereich der Flanken der Erhebungen auf der jeweils anderen Seite angeordnet sind.
Unter Erhebung und Vertiefung ist im Kontext der vorliegenden Erfindung die Ausprägung eines gleichen Merkmals gemeint, das auf der ersten und der zweiten Seite korrespondierend ausgeprägt ist.
Die Anordnung einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen auf den Flanken der Vertiefungen des runden Scheibenkörpers haben den technischen Effekt, Luft effektiv über die Durchtrittsöffnungen anzusaugen.
Ab einer vordefinierten Rotationsgeschwindigkeit des Schwungrads, wird Luft über die Durchtrittsöffnungen eingesaugt. Um die Strömungsrichtung der angesaugten Luft zu beeinflussen und in eine Vorzugsrichtung zu bewegen, sind die beschriebenen Vertiefungen derart am Scheibenkörper angrenzend angeordnet, dass einander benachbarte Vertiefungen zumindest im Bereich des runden Scheibenkörpers strömungsdicht abschließen. Mit „strömungsdicht abgeschlossen“ ist gemeint, dass die Luft entlang der Innenwand der ersten und/oder der zweiten Seite von innen nach außen beschleunigt wird und ein Wegströmen der angesaugten Luft in andere Raumrichtungen verhindert oder zumindest verringert wird.
Diese Ausgestaltung der Vertiefungen gewährleistet ferner einen aktiven/passiven Luftstrom, um strömungstechnisch vorteilhaft eine Verbindung zwischen den einzelnen Hohlräumen der Vertiefungen bereitzustellen, um die angesaugte Luft in radialer Richtung entlang des Schwungrads zu beschleunigen. Hierbei sind als Hohlräume, mit Luft gefüllte abgeschlossene oder einseitig offene Räume mit Übergang innerhalb der benachbarten Vertiefungen gemeint. Ferner weist das Schwungrad in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung einen umlaufenden Rand auf, der sich auf der ersten Seite des runden Scheibenkörpers von diesem weg erstreckt.
In einer technisch anderen vorteilhaften Ausgestaltung sind die Durchtrittsöffnungen eine Vielzahl insbesondere länglicher Durchtrittsöffnungen, wobei vorzugsweise die Durchtrittsöffnungen benachbarter Erhebungen radial fluchtend oder versetzt zueinander angeordnet sind. Bevorzugt werden längliche Durchtrittsöffnungen verwendet, worunter eine schmale Öffnung mit länglicher Lochform zu verstehen ist. Dies hat beispielsweise den technischen Vorteil, die Luft während der Rotation des erfindungsgemäßen Schwungrads effektiver anzusaugen, was in einer optimierten Rotationsgeschwindigkeit des Schwungrads resultiert. Eine radial fluchtende Anordnung von Durchtrittsöffnungen benachbarter Erhebungen optimiert die Strömungsgeschwindigkeit der angesaugten Luft, damit die durchströmende Luft direkt und ohne Verzögerung der Wegstrecke radial in Richtung des umlaufenden Rands bewegt werden kann. Mit gleichem oder verstärktem Vorteil ist eine versetzte Anordnung der Durchtrittsöffnungen benachbarter Erhebungen vorgesehen. Hierbei werden bevorzugt Rotationsgeschwindigkeiten des erfindungsgemäßen Schwungrads im Bereich von 3.000 bis 4.200 Umdrehungen pro Minute, insbesondere von 3.800 Umdrehungen pro Minute vorausgesetzt, um einen automatischen Ansaugeffekt der Luft über die Durchtrittsöffnungen zu ermöglichen. Der automatische Ansaugeffekt ist dabei abhängig vom Durchmesser des Schwungrades und/oder der Rotationsgeschwindigkeit. Der infolgedessen erzeugte und gerichtete Luftstrom wird nun durch die bei der Rotation wirkenden Zentrifugalkräfte vom Mittelpunkt des erfindungsgemäßen Scheibenkörpers über die Hohlräume der benachbarten Vertiefungen radial in Richtung des Rands beschleunigt, was in einer radialen Stabilisierung des Schwungrads resultiert. Hierdurch wird unter anderem das Risiko von Unwucht bei Rotation des Schwungrads minimiert.
In der gleichen Ausgestaltung liegen die Durchtrittsöffnungen mittig auf den Flanken der Erhebungen oder Vertiefungen des erfindungsgemäßen Schwungrads auf. Alternativ sind Durchtrittsöffnungen beispielsweise mit dreieckiger, quadratischer, rechteckiger, runder, ovaler, trapezförmiger, rhombischer Ausgestaltung und/oder ähnlichen und/oder geeigneten geometrischen Ausgestaltungen vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Durchtrittsöffnungen je eine Breite im Bereich von 0,1 mm bis 8,0 mm, insbesondere von 1,0 mm bis 4,0 mm, und/oder eine Höhe im Bereich von 0,1 mm bis 30,0 mm, bevorzugt von 1,0 mm bis 10,0 mm, bei einem bevorzugten Durchmesser des erfindungsgemäßen Schwungrads von 26 cm auf.
In einer alternativen Ausgestaltung können die Durchtrittsöffnungen unterschiedliche Werte und/oder Wertebereiche für die Breite und/oder die Höhe der Durchtrittsöffnungen in Abhängigkeit des Durchmessers des runden Scheibenkörpers aufweisen. Alternativ können die Werte und/oder Wertebereiche unabhängig vom Durchmesser des erfindungsgemäßen Schwungrades sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Durchmesser des Schwungrads einen Wertebereich zwischen 5,0 cm bis 10,0 m. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Durchmesser des Schwungrads Werte zwischen 26,0 cm bis 1,0 m.
Ferner nimmt in einer bevorzugten Ausgestaltung die Größe und/oder die Anzahl der Durchtrittsöffnungen ausgehend vom Mittelpunkt des erfindungsgemäßen Scheibenkörpers in Richtung des umlaufenden Rands ab. Dies bietet den technischen Vorteil, dass die angesaugte Luft in radialer Richtung ausgehend vom Mittelpunkt energieverlustärmer beschleunigt wird als in anderer Ausgestaltung. Alternativ nehmen die Größe und/oder die Anzahl der Durchtrittsöffnungen zu. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung bleibt die Größe und/oder die Anzahl der Durchtrittsöffnungen des erfindungsgemäßen Schwungrads gleich.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung variiert die Höhe und/oder die Breite und/oder die Anzahl der Durchtrittsöffnungen auf den jeweiligen Erhebungen und Vertiefungen und kann zudem gleicher und/oder unterschiedlicher Anordnung sein.
Durch die verschiedene Wahl und Kombination der Wertbereiche von Höhe, Breite und Anzahl der Durchtrittsöffnungen des erfindungsgemäßen Schwungrads ist der Ansaug- und Ausströmungseffekt der Luft und somit die Beschleunigung des Schwungrads gezielt einstellbar.
Ferner bilden in einer weiter bevorzugten Ausgestaltung die konzentrisch umlaufenden ringförmigen Erhebungen und Vertiefungen des erfindungsgemäßen Schwungrads ein wellenförmiges Flächenprofil aus. Mit anderen Worten bildet ein Querschnitt des Schwungrads entlang des Durchmessers Erhebungen und Vertiefungen aus, die einen periodischen Verlauf einnehmen. Hierdurch wird die Strömung der Luft in eine Vorzugsrichtung geleitet, die die Luft entlang des Scheibenkörpers passieren lässt und nach dem Prinzip des Auftriebs auf der ersten oder zweiten Seite des erfindungsgemäßen Schwungrads, die Drehbewegung durch Anströmung der Oberfläche antreibt. Alternativ mit gleichem Vorteil weist der Querschnitt des Flächenprofils die Form eines Sägezahns und/oder Rechtecks und/oder anderen geeigneten Form auf.
In einer weiteren Ausgestaltung weisen die konzentrisch umlaufenden ringförmigen Erhebungen je eine Breite im Bereich von 0,01 cm bis 3 cm, insbesondere von 0,1 cm bis 2,5 cm, eine Höhe im Bereich von 0,01 cm bis 3 cm, bevorzugt von 0,1 cm bis 2,5 cm und einen Gradienten im Bereich von Null bis 90 Grad, insbesondere im Bereich von 20 bis 60 Grad, auf, wobei die Wertebereiche bevorzugt bei einem Durchmesser des erfindungsgemäßen Schwungrads von 26 cm gelten. Unter einem Gradienten ist hier eine Oberflächenänderung des Verlaufs beispielsweise in Form eines Gefälles oder Anstiegs der Erhebungen oder Vertiefungen auf dem runden Scheibenkörper zu verstehen.
In einer alternativen Ausgestaltung weisen die konzentrisch umlaufenden ringförmigen Erhebungen unterschiedliche Wertebereiche für die Breite und/oder die Höhe und/ oder den Gradienten in Abhängigkeit vom Durchmesser des runden Scheibenkörpers auf.
In einer alternativen Ausgestaltung weisen die konzentrisch umlaufenden ringförmigen Erhebungen unterschiedliche Wertebereiche für die Breite und/oder die Höhe und/oder den Gradienten unabhängig vom Durchmesser des runden Scheibenkörpers auf.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Anzahl der Erhebungen in Kombination mit den Wertebereichen für Breite und/oder Höhe und/oder dem Gradienten und/oder der Anzahl der Durchtrittsöffnungen und/oder der Wertebereiche der Durchtrittsöffnungen verschieden kombinierbar und können abhängig und/oder unabhängig einer Korrelation zum Durchmesser zueinander beziffert sein.
In einer weiter alternativen Ausgestaltung ist die Anzahl der Erhebungen und/oder die Anzahl der Durchtrittsöffnungen mit den Wertebereichen für die Breite und/oder die Höhe und/oder den Gradienten des erfindungsgemäßen Schwungrads kombinierbar. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Strömungsdynamik des Luftstroms gezielt eingestellt werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der umlaufende Rand einen Rand auf, der abgerundet und/oder gebogen oder alternativ geeignet gewinkelt ausgestaltet ist. Der umlaufende Rand des erfindungsgemäßen Schwungrads umfasst Winkel zwischen 0° bis 90°, bevorzugt zwischen 30° bis 60°, insbesondere zwischen 50° bis 80°. Diese Ausgestaltung des umlaufenden Rands verstärkt den Effekt des Herausströmens der vom Mittelpunkt des Schwungrads in radialer Richtung beschleunigten Luft.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung weist der umlaufende Rand eine Vielzahl von Auslassöffnungen auf, um den insbesondere aktiv/passiv geleiteten Luftstrom strömungstechnisch radial aus dem System herauszuführen. Unter „Vielzahl“ ist eine Menge von mindestens zwei Auslassöffnungen gemeint, wobei die Anzahl von Auslassöffnungen bevorzugt Werte zwischen 20 bis 80, insbesondere zwischen 30 bis 50, annimmt, wenn ein Durchmesser des Scheibenkörpers von 26 cm angenommen wird. Die Anzahl von Auslassöffnungen des erfindungsgemäßen Schwungrads können auch unterschiedliche Werte annehmen, je nachdem, ob der Durchmesser des Scheibenkörpers kleiner 26 cm oder größer 26 cm beträgt. Steigt der Durchmesser des Scheibenkörpers an, resultiert hieraus eine höhere Anzahl von Auslassöffnungen. Sinkt der Durchmesser des Scheibenkörpers resultiert hieraus eine geringere Anzahl von Auslassöffnungen.
In einer alternativen Ausgestaltung kann die Anzahl der Auslassöffnungen unabhängig vom Durchmesser sein. Zudem weist das erfindungsgemäße Schwungrad bevorzugt einen umlaufenden Rand auf, der eine Vielzahl radial in einem Winkel kleiner oder gleich 90° zum Rand ausgerichteter Auslassöffnungen aufweist.
Die Ausgestaltung der radialen Ausrichtung der Auslassöffnungen mit definierten Winkeln bietet den Vorteil, die Luftströmung effektiv über den Rand des Scheibenkörpers zu leiten, um somit das Strömungsverhalten des Schwungrads zu optimieren.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass am umlaufenden Rand des erfindungsgemäßen Schwungrads Auslassöffnungen beispielsweise als Düsen ausgebildet und, bevorzugt in einem Winkel im Bereich von 0° bis 90 °, insbesondere im Bereich von 0° bis 45°, zum umlaufenden Rand angeordnet sind. Dabei ist unter einer Düse ein sich stetig verengende Auslassöffnung zu verstehen, durch das ein Fluid, insbesondere Luft, geführt wird, damit diese seine Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Somit ist der technische Vorteil der Verwendung von Düsen als Auslassöffnungen darin zu sehen, eine Beschleunigung eines gerichteten Luftstroms zu erreichen, um somit den Antrieb des Schwungrads bei der Rotation effizienter zu gestalten. Alternativ kann eine andere Ausgestaltung ein vom Durchmesser gleichbleibende Auslassöffnung ohne Verengung bereitstellen.
In einer weiteren Ausgestaltung können die Düsen beispielsweise als Nasen ausgebildet sein, wobei als Nase ein vorspringendes Bauelement zu verstehen ist. Ferner kann in einer weiteren Ausgestaltung die Düse rund, eckig, gezackt und/oder anders geometrisch geeignet ausgeformt sein.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung sind die Düsen entgegengesetzt der Rotationsrichtung des erfindungsgemäßen Schwungrads geöffnet, wobei die Düsen bevorzugt radial in einem Winkel kleiner 90° in Bezug auf den umlaufenden Rand ausgerichtet sind. Hierdurch wird die Rotationrichtung und -geschwindigkeit des Schwungrads durch die Ausrichtung der Düsen am umlaufenden Rand maßgeblich beeinflusst.
In einer weiter alternativen Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Schwungrad keinen umlaufenden Rand und/oder keine Düsen als Auslassöffnungen auf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die insbesondere vom umlaufenden Rand begrenzte Seite formschlüssig durch einen Verschluss, beispielsweise in Form eines Deckels, verschließbar. Zusätzlich weist der Deckel eine Vielzahl von Einlassöffnungen auf. Dies bietet den technischen Vorteil, die eingesaugte Luft effizienter über die im Schwungrad positionierten Durchtrittsöffnungen zu leiten, um somit die radiale Stabilität während der Rotation des erfindungsgemäßen Schwungrads zu gewährleisten.
In einer alternativen Ausgestaltung hat der Deckel keine Einlassöffnungen.
Reibungsverluste während der Rotation des erfindungsgemäßen Schwungrads infolge von beispielsweise Luftströmung können durch das Gewicht des Schwungrads und die Verwendung von reibungsreduzierenden Materialien weitestgehend minimiert werden. In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der runde Scheibenkörper des erfindungsgemäßen Schwungrads zu mindestens 90 Gewichtsprozent, bevorzugt zu mindestens 98 Gewichtsprozent, nur aus einem Werkstoff gefertigt, da dies den Fertigungsprozess des Schwungrads vereinfacht und die Betriebslebensdauer des Schwungrads optimiert. Bevorzugt sind als Werkstoffe, die den reibungsreduzierenden Materialien zugeordnet werden, korrosionsbeständige Metalle, bevorzugt auszuwählen aus Kupfer und/oder Titan, Metalllegierungen, temperaturbeständige Polymere und/oder Verbundwerkstoffe aus Kohle-, Glas- und Aramidfasern und/oder Kombinationen aus Verbundwerkstoffen und/oder anderen geeigneten Materialien vorgesehen.
Ferner umfasst, in einer weiteren Ausgestaltung, das erfindungsgemäße Schwungrad eine oder mehrere reibungsreduzierende Beschichtungen. Vorliegend ist als „reibungsreduzierend“ eine Beschichtung zu verstehen, die den Strömungswiderstand der Luft während der Rotation des Schwungrads reduziert. Die infolge durch mechanischen Widerstand erzeugte Reibung resultiert aus der Rotationsbewegung des Schwungrads und kann durch reibungsreduzierende Beschichtungen abgemildert werden. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Schwungrads optimiert. Als reibungsreduzierende Beschichtung ist/sind eine oder mehrere Stoffkomponenten oder ein -gemisch bevorzugt, die eine bewegliche Rillenstruktur aufweisen, die aufgrund Ihrer Oberflächenbeschaffenheit und den daraus resultierenden Materialeigenschaften, z. B. einer Haifischhaut, nachempfunden sind. Somit können Rotationsgeschwindigkeiten des runden Scheibenkörpers im Bereich von beispielsweise 60.000 bis zu 120.000 Umdrehungen pro Minute und mehr auch bei geringerer Energiezufuhr ermöglicht werden. Es können alternativ Rotationsgeschwindigkeiten des runden Scheibenkörpers mit Werten unterhalb 60.000 Umdrehungen pro Minute oder Werten oberhalb 120.000 Umdrehungen pro Minute eingenommen werden, wobei die Rotationsgeschwindigkeiten maßgeblich von der Leistung der elektrischen Maschine abhängen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein System zur Verwendung als Energiespeicher und -wandler, wobei das System eine elektrische Maschine und mindestens einem mit der elektrischen Maschine verbundenes Schwungrad umfasst. Die elektrische Maschine weist einen Rotor auf, wobei das erfindungsgemäße Schwungrad und der Rotor mittig über Durchgangsöffnungen des Schwungrads mit einem Verbindungselement verbunden sind. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, eine stabile und sichere Rotation des erfindungsgemäßen Schwungrads zu ermöglichen, ohne dabei das Risiko einer Unwucht während der Rotation des Schwungrads einzugehen.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße System mindestens ein mit dem Rotor verbundenes Schwungrad auf, das insbesondere mit mindestens einem und/oder mehreren Kraftwerken wirkverbunden ist. Unter einem Kraftwerk ist ein Energieumwandlungssystem zu verstehen, das nichtelektrische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die im erfindungsgemäßen Schwungrad zwischengespeicherte kinetische Energie kann bei Bedarf freigesetzt und an elektrische und/oder mechanische Komponenten oder Ähnliches des Kraftwerks übertragen werden. Als elektrische Komponenten des Kraftwerks können beispielsweise Schaltungen installiert werden, die mindestens zwei elektrische Maschinen miteinander funktionstechnisch verbinden, um einen Betriebswechsel zwischen zwei elektrischen Maschinen zu gewährleisten. Alternativ oder zusätzlich wird die zwischengespeicherte Energie des erfindungsgemäßen Schwungrads auf eine mechanische Komponente übertragen, vorzugsweise durch eine Kraftübertragungseinheit, beispielsweise in Form eines Keilriemens oder Ähnliches, welche wiederum mit einem Kraftstoffmotor mit direkter oder indirekter Verbindung zu Getrieben, Zahnrädern und/oder Kupplungen oder Ähnlichem verbunden sind.
Ferner umfasst das erfindungsgemäße System eine Mehrzahl von elektrischen Maschinen, die mit einem oder einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Schwungräder und/oder untereinander wirkverbunden sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist die elektrische Maschine ein Elektromotor, welcher beispielsweise mit Gleich-, Wechsel- oder Drehstrom betreibbar ist, der elektrische Leistung in mechanische Leistung umwandelt.
Ist die elektrische Maschine alternativ oder zusätzlich ein Generator, wird zudem mechanische Leistung in elektrische Leistung umgewandelt. Der Betrieb des Generators basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die elektrische Maschine sowohl ein Elektromotor als auch ein Generator, wobei die Komponente des Elektromotors elektrische Leistung in mechanische Leistung und die Komponente des Generators mechanische Leistung in elektrische Leistung umwandelt. Der Elektromotor, der Generator oder die Kombination aus beiden kann mit Kugellagern und/oder Magnetlagern betrieben werden. Magnetlager in elektrischen Maschinen bieten im Gegensatz zu Kugellagern den Vorteil weniger Reibungsverluste während der Rotation eines Schwungrads zu generieren.
Ferner ist der Betrieb von Generatoren beispielsweise mit Gleich- und/oder Wechselstrom sowie als Synchron- und/oder Asynchrongenerator möglich. Elektromotoren und Generatoren oder die Kombination aus beiden gehören zu der Gruppe der rotierenden elektrischen Maschinen. Mit anderen Worten sind Generatoren und Elektromotoren sowie deren Kombinationen zur simultanen Verwendung beider elektrischer Maschinen Stand der Technik, insofern wird auf eine detaillierte Diskussion hinsichtlich des Aufbaus und der Funktionsweise von Elektromotoren und Generatoren sowie derer Kombination in der vorliegenden Erfindung verzichtet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das System die elektrische Maschine und das Schwungrad, die über ein, insbesondere einstückiges, Verbindungselement miteinander verbunden sind. Der technische Vorteil des einstückigen Verbindungselements besteht in der geringeren Verschleißneigung und dem damit verbundenen geringeren Wartungsaufwand.
Die Verbindung zwischen elektrischer Maschine und Schwungrad kann beispielweise mithilfe eines Justierelements, wie etwa einer Schraube, und einem passenden Gegenstück erfolgen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Verbindungselement zu mindestens 90 Gewichtsprozent, bevorzugt zu mindestens 98 Gewichtsprozent, nur aus einem Werkstoff gefertigt, da dies eine vereinfachte Herstellung des Verbindungselements ermöglicht. Bevorzugt sind als Werkstoffe korrosionsbeständige Metalle, bevorzugt auszuwählen aus Kupfer und/oder Titan, Metalllegierungen, temperaturbeständige Polymere und/oder Verbundwerkstoffe aus Kohle-, Glas- und Aramidfasern und/oder Kombinationen aus benannten Verbundwerkstoffen oder anderen geeigneten Werkstoffen vorgesehen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die elektrische Maschine zwischen einem Generator- und einem Elektromotormodus schaltbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die elektrische Maschine gleichzeitig als Elektromotor und Generator verwendet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die elektrische Maschine entweder als Elektromotor oder Generator verwendet.
Somit betrifft ein letzter Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Systems, wobei das System als solches eine Inbetriebnahme der elektrischen Maschine durch eine externe geeignete Energiequelle umfasst. Eine externe Energiequelle meint z. B. eine Stromquelle, beispielweise ein konventionelles Stromnetz und/oder eine konventionelle Batterie, zur bestimmungsgemäßen Steuerung und Versorgung der Bauelemente des erfindungsgemäßen Systems, um eine effiziente Übertragung und Verteilung elektrischer Energie auf das System zu ermöglichen. Die Übertragung der elektrischen Leistung der elektrischen Maschine auf das erfindungsgemäße Schwungrad resultiert in einer Rotation des Schwungrads durch Umwandlung der elektrischen Leistung in mechanische Leistung, wobei die elektrische Maschine ab einer vordefinierten Drehzahl im Bereich von 2.000 bis 8.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere ab 3.800 Umdrehungen pro Minute des erfindungsgemäßen Schwungrads, in den Generatormodus schaltet. Das Schalten der elektrischen Maschine in den Generatormodus ist jedoch auch unterhalb von 2.000 Umdrehungen pro Minute oder oberhalb von 8.000 Umdrehungen pro Minute möglich.
Ferner schaltet die elektrische Maschine des erfindungsgemäßen Systems in den Elektromotormodus, wenn eine Mindestdrehzahl im Bereich von 1.500 bis 4.000 Umdrehungen pro Minute des erfindungsgemäßen Schwungrads unterschritten wird. Das Schalten der elektrischen Maschine in den Elektromotormodus ist jedoch auch unterhalb von 1.500 Umdrehungen pro Minute oder oberhalb von 4.000 Umdrehungen pro Minute möglich.
Dabei kann die Rotationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Durchmesser des Schwungrades oder alternativ unabhängig vom Durchmesser des Schwungrads variieren. Somit besteht der technische Vorteil der Schaltung zwischen Elektromotor- und Generatormodus des erfindungsgemäßen Systems darin, ein einfach zu bedienendes System bereitzustellen, welches die Vorteile von Elektromotoren und Generatoren miteinander kombiniert sowie optimiert. Somit ist über die elektrische Leistung der elektrischen Maschine die Rotationsgeschwindigkeit des erfindungsgemäßen Schwungrads einstell- und variierbar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die elektrische Maschine des erfindungsgemäßen Systems von der externen Energiequelle getrennt, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Schwungrads einen Bereich von 110.000 bis 180.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere von 120.000 bis 140.000 Umdrehungen pro Minute übersteigt, und damit als Bremse verwendet wird. Die angegebenen Rotationsgeschwindigkeiten zwischen 110.000 bis 180.000 Umdrehungen pro Minute des Schwungrads können jedoch auch Werte unterhalb oder oberhalb des Bereichs 110.000 bis 180.000 Umdrehungen pro Minute annehmen, und werden durch die Leistungsparameter der elektrischen Maschine bestimmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die elektrische Maschine mit dem Stromnetz, einer Batterie oder anderen geeigneten Energiequelle verbunden, um den Elektromotor zu betreiben und zugleich über den Generator erzeugte Energie abzugreifen. Dabei läuft die elektrische Maschine sowohl im Elektromotor- als auch im Generatormodus.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung wird zum Abbremsen des erfindungsgemäßen Schwungrads ein aktives und/oder passives Fanglager verwendet. Dies bietet den technischen Vorteil, im Fall einer Störung des Kugel- und/oder Magnetlagersystems oder beim Erreichen einer über die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine hinausgehenden Rotationsgeschwindigkeit, das erfindungsgemäße System betriebssicher abzubremsen, um eine Berührung der Lagerkomponenten mit der drehenden Welle zu vermeiden. Es wird somit einer Beschädigung oder einer vollständigen Zerstörung des erfindungsgemäßen Systems vorgebeugt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung fungiert die elektrische Maschine zur Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Systems als Elektromotor, wobei die elektrische Maschine nach einer Rotationsgeschwindigkeit im Bereich von 2.000 bis 8.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere ab 3.800 Umdrehungen pro Minute, als Generator fungiert. Das Schalten der elektrischen Maschine in den Generatormodus ist jedoch auch unterhalb von 2.000 Umdrehungen pro Minute oder oberhalb von 8.000 Umdrehungen pro Minute möglich.
In einer alternativen Ausgestaltung fungiert die elektrische Maschine zur Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Systems sowohl als Elektromotor als auch Generator.
In einer alternativen Ausgestaltung fungiert die elektrische Maschine zur Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Systems entweder als Elektromotor oder als Generator.
Die beschriebenen Ausgestaltungen sind, soweit im Detail nicht anders beschrieben, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme von Figuren anhand bevorzugter Ausführungsformen exemplarisch beschrieben.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen:

1A, B, C: eine schematische Zeichnung eines erfindungsgemäßen Schwungrads 10 in einer bevorzugten Ausführungsform in Frontalansichten (1A, 1B) und schräger Aufsicht (1C)
2A, B, C: eine schematische Zeichnung eines erfindungsgemäßen Schwungrads 10 in einer bevorzugten Ausführungsform in Profilansicht (2A) und schrägen Aufsichten (2B, 2C)
3A, B: eine schematische Zeichnung eines erfindungsgemäßen Schwungrads 10 in einer bevorzugten Ausführungsform in schräger Aufsicht mit (3B) und ohne Verbindungselement 23 (3A)
4A, B, C: eine schematische Zeichnung eines erfindungsgemäßen Schwungrads 10 in einer bevorzugten Ausführungsform in halbseitig geöffneter schräger Aufsicht (4A, 4B) und halbseitig geöffneter Profilansicht (4C)
5A, B: eine schematische Zeichnung der Durchtrittsöffnungen 16 eines erfindungsgemäßen Schwungrads 10 in einer bevorzugten Ausführungsform in schräger Aufsicht (5A) und Frontalansicht (5B)
6A, B, C: eine schematische Zeichnung der Auslassöffnungen 17 eines erfindungsgemäßen Schwungrads 10 in einer bevorzugten Ausführungsform in schräger Aufsicht (6A) und in zwei Profilansichten (6B, 6C)
7A, B: eine schematische Zeichnung der Auslassöffnungen 17 eines erfindungsgemäßen Schwungrads 10 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in schräger Aufsicht (7B) und Profilansicht (7A)
8A, B: eine schematische Zeichnung des Systems 20 in einer bevorzugten Ausführungsform in Seitenansicht mit Magnetlagerung (8A) und/oder mit Kugellagerung (8B)
9A, B: eine schematische Zeichnung des Systems 20 in einer bevorzugten Ausführungsform in schräger Aufsicht mit Innenleben der Magnetlagerung ( 9A) und/oder mit Innenleben der Kugellagerung (9B)
10A, B, C: eine schematische Zeichnung des Verbindungselements 23 zwischen dem erfindungsgemäßen Schwungrad 10 und der elektrischen Maschine 21 in einer bevorzugten Ausführungsform in Hinteransicht (10A) und schrägen Aufsichten (10B, 10C)
11A, B, C: eine schematische Zeichnung des Verbindungselements 23 zwischen dem erfindungsgemäßen Schwungrad 10 und der elektrischen Maschine 21 und entsprechender Justierelemente 27 in einer bevorzugten Ausführungsform in Profilansicht (11A), schräger Aufsicht (11B) und Frontalansicht ( 11C)

Die vorliegenden elf Figuren zeigen je eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwungrads und des Systems zur Verwendung als solches, wobei sich die elf Figuren jeweils in der perspektivischen Ansicht des erfindungsgemäßen Gegenstands der vorliegenden Erfindung unterscheiden.
Die 1 bis 4 zeigen das erfindungsgemäße Schwungrad 10 in einer bevorzugten Ausführungsform, wobei das Schwungrad einen Körper 11 aufweist, der durch den runden Scheibenkörper 11 ausgestaltet ist. Das erfindungsgemäße Schwungrad 10 bildet somit eine erste Seite 18 und eine zweite Seite 19 des runden Scheibenkörpers 11, wobei die erste Seite 18 und die zweite Seite 19 insbesondere mittig eine und/oder mehrere Durchgangsöffnungen 12 zur Aufnahme von Justierelementen 27 aufweisen.
Die Justierelemente 27 können beispielsweise eine oder mehrere Schrauben mit insbesondere selbstsichernden Gegenstücken, wie beispielsweise einstückige Verbindungselemente umfassen, damit eine direkte Verbindung zwischen dem erfindungsgemäßen Schwungrad 10 und der elektrischen Maschine 21 hergestellt wird. Das erfindungsgemäße Schwungrad 10 und die elektrische Maschine 21 stehen in direkter oder indirekter Wirkverbindung zueinander.
Ferner weist das erfindungsgemäße Schwungrad 10 bevorzugt einen umlaufenden Rand 13 des runden Scheibenkörpers 11 auf, der sich auf einer Seite von diesem weg erstreckt. Zudem weist der runde Scheibenkörper 11 des erfindungsgemäßen Schwungrads 10 eine Vielzahl von umlaufenden Erhebungen 14 auf, die konzentrisch und ringförmig um den Mittelpunkt des runden Scheibenkörpers 11 angeordnet sind. Die konzentrisch und ringförmig um den Mittelpunkt des Scheibenkörpers 11 angeordneten Erhebungen 14 erstrecken sich dabei auf der ersten Seite 18 wie der umlaufende Rand 13, wobei sich auf einer ersten Seite 18 abgewandten zweiten Seite 19 des Scheibenkörpers 11 eine Vielzahl von Vertiefungen 15 ausbilden.
Die konzentrisch umlaufenden ringförmigen Erhebungen 14 und Vertiefungen 15 des erfindungsgemäßen Schwungrads 10 bilden bevorzugt ein wellenförmiges Flächenprofil aus. Die benachbarten Vertiefungen 15 sind strömungstechnisch miteinander verbunden, wobei die Vertiefungen 15 derart am Scheibenkörper 11 ausgebildet sind, dass einander benachbarte Vertiefungen 15 zumindest im Bereich des Scheibenkörpers 11 strömungsdicht abschließen.
In 5 ist das erfindungsgemäße Schwungrad aus den 1 bis 4 gezeigt, wobei die zueinander benachbarten Vertiefungen 15 strömungstechnisch miteinander verbundene Durchtrittsöffnungen 16 aufweisen. Die Durchtrittsöffnungen 16 weisen eine Vielzahl länglicher Durchtrittsöffnungen auf. Die Durchtrittsöffnungen 16 des erfindungsgemäßen Schwungrads 10 sind bevorzugt in Form von Luftschlitzen ausgebildet und erstrecken sich, insbesondere mittig liegend auf der Flanke, entlang einer Erhebung/Vertiefung 14, 15.
Zusätzlich sind die Durchtrittsöffnungen 16 in einer bevorzugten Ausführungsform in benachbarten Erhebungen 14 radial fluchtend angeordnet. Alternativ können die in den benachbarten Erhebungen 14 längserstreckten Durchtrittsöffnungen 16 auch versetzt zueinander angeordnet sein. Die Höhe, die Breite und die Anzahl der länglichen Durchtrittsöffnungen 16 ausgehend vom Mittelpunkt des runden Scheibenkörpers 11 in Richtung des umlaufenden Rands 13 bleiben in einer bevorzugten Ausführungsform gleich. Alternativ kann die Höhe und/oder die Breite und/oder die Anzahl der Durchtrittsöffnungen 16 ausgehend vom Mittelpunkt des runden Scheibenkörpers 11 in radialer Richtung zum umlaufenden Rand 13 des erfindungsgemäßen Schwungrads 10 zunehmen oder abnehmen oder in Kombination der jeweiligen Ausgestaltung vorliegen.
In den 6 und 7 ist das erfindungsgemäße Schwungrad 10 aus den 1 bis 4 mit bevorzugten Ausführungsformen gezeigt, wobei der umlaufende Rand 13 eine Vielzahl radial in einem Winkel im Bereich von 0 bis 90°, insbesondere im Bereich von 0 bis 45° ausgerichteter Auslassöffnungen 17 aufweist. Derartige am umlaufenden Rand 13 positionierte Auslassöffnungen 17 sind bevorzugt als Düsen 17 ausgebildet, wobei vorzugsweise die Düse 17 rund und/oder eckig ausgeformt ist, wobei jegliche andere geeignete Geometrie die Form und die Gestalt der Düse 17 bestimmen können. Zudem sind in den 6 und 7 gezeigten Auslassöffnungen 17 vorzugsweise entgegengesetzt der Rotationsrichtung des erfindungsgemäßen Schwungrads 10 geöffnet, wobei die Auslassöffnungen 17 vorzugsweise tangential in Bezug auf dem umlaufenden Rand 13 ausgerichtet sind.
In der 8 ist das System 20, das das beschriebene erfindungsgemäße Schwungrad 10 aus den 1 bis 4 aufweist, gezeigt. Das System 20 umfasst eine elektrische Maschine 21, welches über ein mit der Rotorachse 22 der elektrischen Maschine 21 verbundenes erfindungsgemäßes Schwungrad 10 in Wirkverbindung steht. Die Wirkverbindung zwischen elektrischer Maschine 21 und dem erfindungsgemäßen Schwungrad 10 wird über ein formschlüssiges Verbindungselement 23 realisiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Maschine 21 des Systems 20 zwischen einem Elektromotor und einem Generator schaltbar, welcher zum einen ein Kugellager und/oder ein Magnetlager aufweist.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine 21 des Systems 20 sowohl einen Elektromotor als auch einen Generator, welcher ein Kugellager und/oder ein Magnetlager aufweist.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine 21 des Systems 20 entweder einen Elektromotor oder einen Generator, welcher ein Kugellager und/oder ein Magnetlager aufweist.
Die elektrische Maschine 21 wird von einer externen Stromquelle oder anderen geeigneten Energiequelle, beispielsweise mittels einer Batterie, angetrieben, was zur Entladung der verwendeten Batterie führt. Wird die elektrische Maschine als Generator verwendet, kann gegebenenfalls der bei der Rotation des erfindungsgemäßen Schwungrads 10 überschüssig generierte Strom beispielsweise wieder zum Laden der Batterie genutzt werden. Alternativ kann die überschüssige Energie des Schwungrads in ein und/oder mehrere Kraftwerke eingespeist werden.
In 9 ist exemplarisch das Innenleben der elektrischen Maschine 21, vorzugsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators, aus der 8 gezeigt, wobei ein Kugel- und/oder ein Magnetlager (24, 25) in der elektrischen Maschine 21 Verwendung finden kann. Die Bauelemente der kugelgelagerten und magnetgelagerten elektrischen Maschinen (24, 25) entsprechen vom Aufbau her konventionellen rotierenden elektrischen Maschinen.
In einem bevorzugten ersten Ausführungsbeispiel weist die elektrische Maschine 21 ringförmige Magnetlager auf, wobei die Magnetlager vorzugsweise aus einem Elektromagneten bestehen. Elektromagnete werden u. a. sowohl mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom betrieben.
Der in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem Permanentmagneten bestehende zylinderförmige Rotor 22 kann somit kontaktfrei innerhalb des Magnetlagers rotationssymmetrisch nach dem Prinzip eines Elektromotors und/oder eines Generators rotieren. Die Magnetlager der elektrischen Maschine 25 sind entlang des Rotors 22 bevorzugt derart positioniert, dass die Magnetlager an einem vorderen und einem hinteren Ende des Rotors 22 kontaktlos diesen umschließen. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind Kupferspulen, eingebettet in Eisenkerne, vorzugsweise zylindrisch, um die auf dem Rotor angebrachten Permanentmagneten, mit beziffertem Abstand, angeordnet.
In einem bevorzugten zweiten Ausführungsbeispiel weist die elektrische Maschine 24 ein Kugellager auf und kann bevorzugt nach dem Prinzip eines Elektromotors und/oder eines Generators betrieben werden. Magnetgelagerte elektrische Maschinen 25 werden bevorzugt verwendet, da diese weniger Reibungsverluste infolge des Rotationsbetriebs aufweisen und zudem eine radiale Stabilisierung des Rotors 22 bei Drehzahlen beispielsweise von 60.000 Umdrehungen pro Minute und mehr ermöglichen.
Um eine Wirkverbindung/-beziehung zwischen der elektrischen Maschine 21 und dem erfindungsgemäßen Schwungrad 10 herzustellen, weist das Schwungrad 10 bevorzugt mittig angeordnete Durchgangsöffnungen 12 auf, die zur Aufnahme eines Justierelements beispielweise in Form einer oder mehrerer Schrauben befähigt. Als Gegenstück wird bevorzugt ein einstückiges Verbindungselement 23 bereitgestellt.
Die 10 und 11 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines zylindrisch ausgebildeten Verbindungselements 23, um das erfindungsgemäße Schwungrad 10 aus den 1 bis 7 und die in der 9 gezeigte elektrische Maschine 21 rotationssymmetrisch miteinander zu verbinden.
In 10 und 11 wird ein bevorzugtes einstückiges Verbindungselement 23 in Hinter- und Frontalansicht sowie schräger Aufsicht gezeigt, wobei das Verbindungselement 23 eine zylindrisch ausgeformte Aussparung 26 mit einer oder mehrerer Durchgangsöffnungen 12 zur Aufnahme einer oder mehrerer Justierelemente 27 aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verbindungselement 23 an einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite des erfindungsgemäßen Schwungrads 10 bevorzugt sieben Durchgangsöffnungen 12 zur Aufnahme von Justierelementen 27 auf. Bevorzugt sind als Justierelemente 27 Sechskantschrauben oder andere geeignete Justierelemente, die das erfindungsgemäße Schwungrad 10 mit dem Endstück des Rotors 22 der elektrischen Maschine 21 verbinden.
BEZUGSZEICHENLISTE

10: Schwungrad
11: (runder) Scheibenkörper
12: Durchgangsöffnung(en)
13: umlaufender Rand
14: Erhebung(en)
15: Vertiefung(en)
16: Durchtrittsöffnung(en) bzw. Schlitz(e)
17: Auslassöffnung(en) bzw. Düse(n)
18: erste Seite
19: zweite Seite
20: System
21: elektrische Maschine
22: Rotorendstück des/r Rotor(achse) und Verbindungselement
23: (einstückiges) Verbindungselement
24: Kugelgelagerte elektrische Maschine als Elektromotor und/oder Generator
25: Magnetlagerte elektrische Maschine als Elektromotor und/oder Generator
26: Aussparung
27: Justierelement(e) als Sechskantschraube(n

Claims

Schwungrad (10) aufweisend - einen runden Scheibenkörper (11) mit einer ersten Seite (18) und einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite (19), wobei der runde Scheibenkörper (11) auf der ersten Seite (18) eine Vielzahl von um dessen Mittelpunkt angeordnete konzentrisch umlaufende ringförmige Erhebungen (14) und Vertiefungen (15) aufweist, wobei die Erhebungen (14) der ersten Seite (18) auf der zweiten Seite (19) als Vertiefungen (15) und die Vertiefungen (15) der ersten Seite (18) auf der zweiten Seite (19) als Erhebungen (14) ausgebildet sind, wobei die benachbarten Vertiefungen (15) jeweils einer Seite (18, 19) strömungstechnisch über eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (16) miteinander verbunden sind, wobei die Durchtrittsöffnungen (16) im Bereich der Flanken der Vertiefungen (15) angeordnet sind.
Schwungrad (10) nach Anspruch 1, aufweisend einen umlaufenden Rand (13) des Scheibenkörpers (11), der sich auf der ersten Seite (18) des runden Scheibenkörpers (11) von diesem weg erstreckt.
Schwungrad (10) nach Anspruch 1, wobei die Vertiefungen (15) derart am Scheibenkörper (11) angrenzen, dass einander benachbarte Vertiefungen (15) zumindest im Bereich des Scheibenkörpers (11) strömungsdicht abgeschlossen sind.
Schwungrad (10) nach Anspruch 1, wobei die konzentrisch umlaufenden ringförmigen Erhebungen (14) und Vertiefungen (15) ein wellenförmiges Flächenprofil bilden.
Schwungrad (10) nach Anspruch 2 aufweisend einen umlaufenden Rand (13), wobei am umlaufenden Rand (13) eine Vielzahl von Auslassöffnungen (17) angeordnet sind.
Schwungrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auslassöffnungen (17) als Düsen ausgebildet und insbesondere in einem Winkel im Bereich von 0 bis 90 °, insbesondere im Bereich von 0 bis 45° zum umlaufenden Rand (13) angeordnet sind.
Schwungrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Durchtrittsöffnungen (16) eine Vielzahl länglicher Durchtrittsöffnungen (16) sind, wobei die Durchtrittsöffnungen (16) benachbarter Erhebungen (14) radial fluchtend oder versetzt zueinander angeordnet sind.
Schwungrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Größe und/oder die Anzahl der Durchtrittsöffnungen (16) ausgehend vom Mittelpunkt des Scheibenkörpers (11) in Richtung des umlaufenden Rands (13) zunimmt oder abnimmt oder gleichbleibt oder jeweils unterschiedlich ausgestaltet und beziffert ist.
Schwungrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die konzentrisch umlaufenden ringförmigen Erhebungen (14) oder Vertiefungen (15) des runden Scheibenkörpers (11) je eine Breite im Bereich von 0,01 cm bis 3 cm, insbesondere von 0,1 cm bis 2,5 cm und/oder eine Höhe im Bereich von 0,01 cm bis 3 cm, bevorzugt von 0,1 cm bis 2,5 cm und/oder einen Gradienten im Bereich von Null bis 90 Grad, insbesondere im Bereich von 20 bis 60 Grad aufweisen.
Schwungrad (10) nach Anspruch 1, wobei die erste Seite (18) des runden Scheibenkörpers (11) mit einem Deckel formschlüssig abschließt.
System (20) zur Verwendung als Energiespeicher und - wandler, umfassend: - eine elektrische Maschine (21), aufweisend einen Rotor (22), und - mindestens ein mit dem Rotor (22) verbundenes Schwungrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (22) der elektrischen Maschine (21) mit dem Schwungrad (10) mittig über Durchgangsöffnungen (12) mit einem Verbindungselement (23) wirkverbunden sind.
System (20) nach Anspruch 11, wobei die elektrische Maschine (21) und das Schwungrad (10) über ein Verbindungselement (23) miteinander verbunden sind.
System (20) nach Anspruch 11, wobei die elektrische Maschine (21) zwischen einem Generator- und einem Elektromotormodus schaltbar ist oder auch gleichzeitig als Generator und Motor oder nur als Generator oder Motor verwendet werden kann.
Verfahren zum Betreiben eines Systems nach Anspruch 11, umfassend: - Inbetriebnahme der elektrischen Maschine (21) durch eine geeignete externe Energiequelle, wobei eine elektrische Leistung der elektrischen Maschine (21) in einer Rotation des Schwungrads (10) durch Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Leistung resultiert, wobei die elektrische Maschine (21) ab einer vordefinierten Drehzahl des Schwungrads (10) in einen Generatormodus nach Anspruch 13 schaltet, so dass eine mechanische Leistung des Schwungrads (10) in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die elektrische Maschine (21) in den Elektromotormodus nach Anspruch 13 schaltet, wenn eine Mindestdrehzahl des Schwungrads (10) unterschritten wird.
Verfahren zum Betreiben eines Systems nach Anspruch 11, umfassend: - Inbetriebnahme der elektrischen Maschine (21) durch eine geeignete externe Energiequelle, wobei eine elektrische Leistung der elektrischen Maschine (21) in einer Rotation des Schwungrads (10) durch Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Leistung resultiert, wobei die elektrische Maschine (21) nach Anspruch 13 von Beginn an als Motor und auch Generator oder nur als Motor oder Generator fungiert.
Verfahren nach Anspruch 14 und nach Anspruch 15, wobei die elektrische Maschine (21) von der externen Energiequelle getrennt wird, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Schwungrads (10) eine Drehzahl erreicht, die den Leistungsbereich der elektrischen Maschine (21) übersteigt, und als Bremse verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die elektrische Maschine (21) bei Inbetriebnahme des Systems (20) abwechselnd schaltbar als Elektromotor oder Generator fungiert.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die elektrische Maschine (21) bei Inbetriebnahme des Systems (20) als Elektromotor und Generator oder nur als Motor oder Generator fungiert.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die elektrische Maschine (21) nach Erreichen einer Rotationsgeschwindigkeit im Bereich von 2.000 bis 8.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere ab 3.800 Umdrehungen pro Minute als Generator fungiert.