DE10338641A1 - Magnetisch gelagerter Schwungenergiespeicher für Hochstromanwendungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich zunächst auf Schwungenergiespeicher mit vertikaler Achse und deren Verwendung als Energiequelle für Hochstromanwendungen mit Impulsbetrieb. Derartige Speicher werden beispielsweise für elektromagnetische Startvorrichtungen auf Flugzeugträgern benötigt. DOLLAR A Für den verlustarmen Betrieb werden zumeist passive Magnetlager vorgeschlagen, deren magnetisches Mantelfeld bevorzugt über supraleitende Erregerspuklen und mit Hilfe von ferromagnetischen Kernen aufgebaut wird. Die magnetische Lagerung erfolgt immer durch korrespondierende Mantelfeld-Kernelemente, die sich in magnetisch attraktiver Anordnung befinden. DOLLAR A Zur Verringerung von Streuverlusten wird auch die Möglichkeit der Erweiterung des einfachen Mantelfeldes auf ein verzweigtes Mantelfeld gezeigt. Dieses verzweigte Mantelfeld erscheint im Querschnitt in Form einer stehenden oder liegenden 8. Alle Erregerspulen sind nun vom ferriomagnetischen Kern umhüllt, womit eine bessere Ausnutzung und eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit erreicht wird. Mit nur einem einzigen derart verzweigten Mantelfeld-Zwillings-System können zwei Körper berührungsfrei und rotationsfähig aneinander gekoppelt werden.

Description

• Vorbemerkung:
• Der Inhalt der deutschen Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen 102 38 543 „ Passives elektromagnetisches Radiallager mit Mantelfeldstruktur" (zur Zeit noch nicht offengelegt, jedoch schon vorveröffentlicht) und DE 101 64 435 „Flosseenlose Mantelfeld-Homopolarmaschine mit Mantelfeldstruktur) wird ausdrücklich als Bestandteil dieser Anmeldung übernommen und als bekannt vorausgesetzt.
• Ausführliche Anleitungen darüber, wie ein magnetisches Mantelfeld realasiert werden kann, finden sich in der Offenlegungsschrift DE 100 63 230 A1 „Flossenläufer-Homopolarmaschine mit Rückleitung des Läuferstroms über ruhende Reaktionsplatten".
• Die Erfindung bezieht sich vorzugsweise auf vertikal betriebene Schwungenergiespeicher und deren Verwendung als Energiequelle für Hochstromanwendungen mit Impulsbetrieb.
• Elektromagnetische Startvorrichtungen nach dem Prinzip eines homopolaren Linearmotors benötigen kurzzeitig Ströme im Mega-Ampere-Bereich. Eine Möglichkeit, diese ultrahohen Ströme bereitzustellen, ist die Verwendung einer Homopolarmaschine mit Mantelfeldstruktur als Hochstrom-Generator.
• Die Offenlegungsschrift DE 101 64 435 zeigt nicht nur, wie ein Hochstromgenerator effektiv gebaut werden kann, sondern regt auch die Verwendung der Mantelfeldstruktur als Grundlage für passive Magnetlager an. Ein Modul für die magnetische Lagerung liefert die Mantelfeld-Homopolarmaschine gleich kostenlos mit, indem sie nicht nur als Hochstrom-Generator benutzt werden kann, sondern wegen der anziehende Kraft zwischen Stator und Rotor als Baustein für ein komplettes Magnetlagersystems verwendet werden kann, dessen Verwendung für eine derartige Anwendung zweifellos Sinn macht, Der Vertikalbetrieb eines Schwungenergiespeichers bietet gegenüber dem Horizontalbetrieb den Vorteil, dass die Schwungmasse mit wesentlich geringerem Aufwand im Schwebezustand gehalten werden kann. Vorteilhaft wird dabei die Verwendung von schweren Ringkörpern mit großem Durchmesser angesehen. Diese bieten im Vergleich zu den, vor allem in der Raumfahrt bevorzugten, leichten, kompakten Schwungmassen mit geringem Durchmesser den Vorteil, dass man zur Speicherung sehr großer Energiemengen eine niedrigere Winkelgeschwindigkeit benötigt, womit die Kompatibilität mit der zu integrierenden Mantelfeld-Homopolarmaschine gegeben ist, die ohnehin für große Durchmesser konzipiert ist.
• Das Trägheitsmoment eines Rotationskörpers und damit einhergehend dessen Rotationsenergie steigt mit dem Quadrat des Abstands vom Rotationszentrum.
• Ein Rotationskörper dessen Masse in einem mittleren Abstand R1 konzentrisch zum Rotationszentrum gleichmäßig verteilt ist, beinhaltet bei gleicher Winkelgeschwindigkeit die doppelte Rotationsenergie wie eine gleich schwerer Vollzylinder, dessen Masse vom Zentrum bis zum Radius R2 homogen verteilt ist, wobei R2 die äußere Begrenzung des Vollzylinders angibt und R1 gleich groß wie R2 bemessen ist.
• Hinzu kommt als Argument für eine große und schwere Ring- oder Hohlzylinder-Struktur die physikalische Tatsache, dass die auf jedes einzelne Massenelement des Rotationskörpers wirkende Zentrifugalkraft mit zunehmendem Abstand zum Drehzentrum proportional abnimmt.
• Die Grundlagen für Magnetlager mit Mantelfeld-Struktur in attraktiver Anordnung sind in den einbezogenen Schriften bereits gelegt. Allerdings wurden dort noch keine Angaben gemacht, wie ein komplettes System ausreichend unempfindlich für axiale oder radiale Störkräfte gemacht werden kann. Lösungen für diese Aufgabe anzugeben, ist eines der Ziele der nachfolgend beschriebenen Erfindung.
• Eine der Ursprungsversion DE 101 64 435 („Flossenlose Mantelfeld-Homopolarmaschine mit integriertem Magnetlager") nachempfundene, modifizierte Mantelfeld-Homopolarmaschine (vgl. Anmerkung im nächsten Absatz) bildet das Kernstück der Maschine und wird hier bevorzugt als Hochstromgenerator eingesetzt. Sie kann leicht in das Gesamtsystem integriert werden. Bevorzugt wird eine Betriebsart der Maschine, welche die äußere Mantelfeld-Kernhälfte als Teil des Stators und die innere Kernhälfte als Teil des Rotors benutzt, wobei sich die Kernhälften im Idealfall auf gleicher axialer Höhe an einem zur Drehachse konzentrischen Luftspalt gegenüberstehen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, geeignete Module anzugeben, die in das Magnetlagersystem integriert werden können, um diesen Idealfall zu erzwingen.
• Die Modifikationen, welche an der Ursprungsversion der Homopolarmaschine vorzunehmen sind, gelten der Verbesserung des feldfreien Raums im Bereich der Bürsten durch Angleichung der Bauform an die in DE 102 38 543 gezeigte Spulenanordnung in Verbindung mit der im Querschnitt mehr quadratischen Mantelfeldstruktur (die auch abgerundete Ecken zur Minderung von Streuverlusten aufweisen kann). Darüber hinaus sind noch Modifikationen an der Homopolarmaschine notwendig, die dem Impulsbetrieb und dem reibungsfreien Betrieb im Hochfahr-Modus gerecht werden sollen:
  Beim Hochfahren der Machine auf sehr hohe Drehzahlen, ist ein ständiger Kontakt der Generator-Bürsten mit den zugehörigen Schleifringen nicht sinnvoll, da sie eine Bremswirkung auf den Rotor ausüben und einem unnötigen Verschleiß ausgesetzt sind. Demzufolge ist die Verwendung von Aktuatoren, welche diesen An- und Abschaltvorgang ermöglichen, vorzusehen. Über eingebaute Sensoren kann mittels der gleichen Aktuatoren, welche die Bürstenhalter von den Schleifringen weg oder an diese heran führen, der Anpressdruck der Bürsten gesteuert werden.
• Der Ladevorgang des Schwungenergiespeichers durch Beschleunigen des Rotors auf die erforderliche Höchstgeschwindigkeit wird bevorzugt durch ein Modul ausgeführt, welches besser als die Hochstrom-Homopolarmaschine geeignet ist, den Schwungenergiespeicher auf eine ausreichend hohe Drehgeschwindigkeit zu beschleunigen.
• In der DE 101 64 435 wird auch eine Ausführungsvariante für ein Magnetlager vorgeschlagen mit der Möglichkeit, dass der Luftspalt nicht nur achsenparallel, sondern auch konisch ausgeführt sein kann, also einen Winkel zur Drehachse einnehmend, der sich von 0° unterscheidet.
• Für den Einsatz in dem jetzt zu komponierenden Schwungenergiespeicher ist ein Modul vorgesehen bei dem dieser Winkel mit 90° festgelegt wird. Verwendet man die obere Mantelfeld-Kernhälfte als Stator und die untere Kernhälfte als Rotor ist zunächst ein Axial-Radiallager-Modul geschaffen, welches für sich allein betrachtet zwar als passives magnetisches Radiallager und als magnetisches Entlastungslager taugt, aber noch keine stabile Lagerung in vertikaler Richtung ermöglicht. Auch wenn man durch ein zweites Radiallager eine Einhaltung der konzentrischen Anordnung erzwingt und eine Kippung des Rotors verhindert, erfolgt ein Zusammenklappen der beiden „Hälften", sobald die Haltekraft des Magneten die Gewichtskraft des Rotors überschreitet. Unterschreitet die Magnetkraft die Gewichtskraft, fällt die untere Hälfte des Mantelfeld-Kerns zu Boden. Auch die alleinige Kombination mit dem integrierten magnetischen Axiallager des Generator-Moduls ergibt möglicherweise noch keine ausreichend stabile axiale Lagerung. Deshalb wurde das eben beschriebene Grundkonzept in dieser Erfindung zu einem Axial-Radial-Lager-Modul weiterentwickelt, welches in 1 illustriert ist.
• Es kann wie folgt beschrieben werden: Am oberen Ende des Stators ist eine Mantelfeld-Kernhälfte so positioniert, dass die Polenden dieser Kernhälfte nach unten gerichtet und jeweils in einer Ebene liegen, deren Soll-Lage orthogonal zur Drehachse ausgerichtet ist. Die Polflächen bilden mit der Symmetrieachse einen Winkel von 90°. Zur Erläuterung: Innerer Pol und äußerer Pol befinden sich dabei bevorzugt auf der gleichen axialen Höhe, können aber auch auf verschiedenen, axial versetzten Höhen liegen.
• Unterhalb der statorseitigen MF-Hälfte befindet sich die das Mantelfeld ergänzende Kernhälfte des Rotors. Diese Kernhälfte ist in 1 mit dem Bezugszeichen 1 versehen, Die sich gegenüber stehenden Pole des Stators und Rotors haben den gleichen radialen Abstand zur Drehachse und befinden sich in der Normallage koaxial zur Drehachse. Unter Bildung eines trennenden Spaltes, an dem sich die korrespondierenden Polflächen des Rotors und des Stators in der Normlage entlang des gesamten Umfangs äquidistant gegenüberstehen, bildet die rotorseitige Mantelfeld-Kernhälfte zusammen mit der statorseitigen Kern-Hälfte ein zirkulares Mantelfeld aus. Die elektrische Erregung des Mantelfeldes erfolgt bevorzugt statorseitig durch mindestens eine innere 3 und mindestens eine äußere Erregerspule 4, welche konzentrisch übereinander angeordnet sind. Dabei umgreift der ferromagnetische Mantelfeld-Kern die untere der beiden Erregerspulen in der Form eines halbierten Ringrohres, mit vertikal nach unten zeigenden Polflächen. Innere und äußere Erregerspule werden im Betrieb von gegensinnig gerichteten Strömen durchflossen. (Diese Ströme sind bevorzugt konstante Gleichströme, könnten theoretisch aber auch Wechselströme sein. Dabei sind bei Verwendung einer einphasigen Wechselstromquelle innere und äußere Erregerspule in Serie geschaltet. Der mögliche Betrieb mit Wechselstrom legt eine Verschmelzung der Mantelfeld-Technologie mit dem Prinzip des Transversalfluss-Motors nahe!)
• Wird am unteren Ende des Systems ein passives magnetisches Mantelfeld-Axiallager gemäß 2 installiert, welches dem verwendeten Mantelfeld-Radiallager nachempfunden ist, kann man die axiale Steifigkeit noch mehr verbessern. Ein derartiges Lager verbessert nebenbei auch noch die Kippsteifigkeit des Systems!
• Alternativ oder ergänzend zu dem eben genannten Modul könnte ein Axiallagermodul gemäß 3 installiert werden (Abweichend von der Illustration kann der Rotor auch ohne Enegerspulen ausgeführt sein und nur aus ferromagnetischem Material bestehen). Dieses entspricht in seiner Magnetlagerwirkung einem passiven Axiallager gemäß DE 101 64 435 A1 , bei dem Konstruktionsprinzipien aus DE 102 38 543 übernommen wurden. Dieses Axiallager besteht zunächst einmal aus zwei in etwa gleich gestalteten Mantelfeld-Kernhälften 1, die sich am ausreichend groß bemessenen Luftspalt gegenüberstehen und auf Grund ihrer massiven, mechanischen Struktur nicht annähern können, wenn eine geeignete Lagerung dafür sorgt, dass die zwei Kernhälften innerhalb der Toleranzgrenzen konzentrisch bleiben. Dies ohne mechanische Hilfsmittel oder ohne aktiv geregelte Elektromagneten sicher zu stellen, ist die Aufgabe der bevorzugt zu verwendenden passiven, magnetischen Mantelfeld-Radiallager. Mantelfeld-Radiallager sind deshalb zu bevorzugen, da sie unter anderem den bisher ungekannten Vorteil bieten, dass sie diese Zentrierung selbsttätig ohne Regelungsbedarf leisten können ohne in axialer Richtung destabilisierend zu wirken. Der gleiche Vorteil findet sich bei dem in 2 oder 3 dargestellten Axiallager. Dort wird die axiale Stabilisierung jeweils ohne nennenswerte Destabilisierung der Radiallager erreicht.
• Als Maschine zum Hochfahren des Schwungenergiespeichers ist der Einsatz einer Gleichstrom-Homopolarmaschine, wie sie auf der Internetseite www.homopolar.de beschrieben wird, zu erwägen. Diese dort als „Version 1994" bezeichnete Version ist für hohe Drehgeschwindigkeiten konzipiert, benutzt ebenfalls eine Mantelfeld-Struktur, bedient sich jedoch einer oder mehrerer Flossen, die den Läuferstrom über mäanderförmige Stromführung in einem angepassten Luftspalt des Mantelfeldkerns mit dem Mantelfeld wechselwirken lassen. Neben einer Version, die darauf abzielt, die Lorentzkraft selektiv durch Abschirmung zu unterdrücken, wird in der zugehörigen Patentanmeldung DE 44 45 409 A1 („Gleichstrom-Motor mit Ringscheiben-Läufer") im Anspruch 2 eine Version als Alternative genannt, welche sich eine alternierenden Anordnung von hochpermeablen und niedrigpermeablen Sektoren zunutze macht, die der Läuferstrom auf der Wirkzone mäanderförmig durchläuft, womit eine selektive Lorentzkraft-Verstärkung zur Beschleunigung des Rotors ausgenutzt wird. Auch diese Version beinhaltet potentielle Ansätze für integrierte axiale und radiale Magnetlagerfunktionen, die mit Hilfe der technische Lehre der Anmeldung DE 102 38 543 erkannt und genutzt werden können. Diese Antriebsfunktion kann in eines der Mantelfeld-Radiallager des Gesamtsystems durch entsprechende Gestaltung der magnetisch eingebundenen Ringkörper integriert werden. Der Ringkörper ist dann freilich nur noch hinsichtlich seiner äußeren Kontur rotationssymmetrisch und nicht mehr hinsichtlich seiner inneren Struktur. Der innere Aufbau des eingebundenen Ringkörper ist dann wesentlich komplizierter und erfordert bei den anvisierten Drehgeschwindigkeiten zur Aufnahme der Fliehkräfte die Installation eines zusätzlichen Stützrings an der vom Drehzentrum abgewandten Seite. Dieser Stützring ist dann natürlich aus unmagnetischem Material anzufertigen.
• Mit dem Vorhandensein eines derartigen Moduls ist auch die Möglichkeit gegeben, dem Schwungenergiespeicher die gespeicherte Energie wieder in Form von Hochspannungsgleichstrom zu entnehmen. Daraus ergibt sich weiterhin der Grundgedanke, dass die Maschine auch als Gleichstrom-Transformator benutzt werden kann.
• Indem die Funktionen zwischen Motor-Modul und Generator-Modul einfach getauscht werden, können niedrige Gleichspannungen in hohe umgewandelt werden. Wenn also der Antrieb über das Hochstrom-Modul erfolgt und über das Hochspannungsmodul dem Schwungenergiespeicher als hochgespannter Gleichstrom wieder entnommen wird. Was natürlich auch auf direktem Weg erfolgen kann ohne Zwischenspeichern in Form von Rotationsenergie. Bei dieser Betriebsart sollte man dann wohl besser von einem Gleichstrom-Transformator sprechen.
• Prinzipiell könnte natürlich auch das analoge Axiallager als Hochspannungs-Modul umgestaltet werden und über verschieden große Lagermoduldurchmesser zusammen mit entsprechend unterschiedlichen integrierten wirksamen Läuferstrompfaden verschieden hohe Gleichspannungen eingespeist und entnommen werden.
• Bisher wurde bei den aus DE 102 38 543 übernommenen Mantelfeld-Radiallagern immer ein passend eingebundener ferromagnetischer Ringkörper angenommen, dessen radiale Begrenzungen innen und außen in der störkraftfreien Normposition mit den durch den Mantelfeld-Kern des Stators aufgespannten Begrenzungsflächen zusammenfallen.
• Mit dem Ziel, dem Radiallager noch mehr Steifigkeit zu verleihen, ist eine Anordnung des eingebundenen Ringkörpers im Luftspalt denkbar, die den Ringkörper im Querschnitt zum Rotationszentrum hin versetzt erscheinen lässt (Dies wird dadurch erreicht, dass der mittlere Radius des Ringkörpers gegenüber der oben erwähnten ursprünglichen Ausführung gekürzt wird). Durch dieses Merkmal erscheinen die magnetischen Feldlinien des zirkularen Mantelfeldes zur Drehachse hin gedehnt. Dieser Eindruck entspricht auch dem realen Sachverhalt, der sich durch einen Vergleich mit gespannten Gitarrensaiten illustrieren lässt, die sich mit zunehmender Auslenkung aus der Ruhelage immer schwerer dehnen lassen. Das Radiallager widersetzt sich beim Auftreten einer radial wirkenden Störkraft einer weiteren Steigerung dieser Vorspannung. Die Gegenkraft, welche das System einer weiteren radialen Verschiebung in Richtung Drehzentrum aus dieser vorgespannten Ausgangsposition heraus entgegensetzt, ist größer als die auf der Gegenseite wirkende Kraft in Richtung Mantelfeldkern. Durch diese Maßnahme wird auch der physikalische Sachverhalt berücksichtigt, dass innerhalb des Mantelfeldkerns möglicherweise stärkere Streufelder auftreten als außerhalb und dadurch der Ringkörper geneigt sein könnte sich „lieber" in Richtung radial nach außen also in den Hohlraum des Mantelfeldes hinein zu bewegen, als zur Drehachse hin. Wie stark diese Vorspannung gewählt werden muss, kann rechnerisch und experimentell ermittelt werden.
• In analoger Weise kann die Vorspannung am unteren Axiallager (2) vorgenommen werden, dessen Parameter hauptsächlich mit den Einstellungen des oberen Axiallagers gemäß 1 abgestimmt sind. Die Vorspannung kann so eingestellt werden, dass der Konstantstrom durch die Spule C1 so gewählt wird, dass der eingebundene ferromagnetische Ringkörper des unteren Axiallagers geringfügig vertikal nach oben aus dem Luftspalt heraus verschoben ist. Werden die beiden Axiallager optimal eingestellt, wird die zusätzliche Regelung der axialen Position des Stators über die Hilfsspule C2 nur noch äußerst selten nötig sein.
• Zusatzanmerkungen:
• Für die angestrebte Größenordnung des Lagers mit einem Rotordurchmesser in der Größenordnung von einigen Metern, bei der tonnenschwere Rotationskörper möglichst berührungsfrei gelagert werden sollen, ist der Einsatz von Hochtemperatur-Supraleitern für die Erregerwicklungen fast zwingend, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen.
• Die Zeichen N und S bezeichnen die Polarität der Polflächen des Mantelfeldkerns, die sich am Luftspalt gegenüberstehen. Diese Polarität wird bei der elektromagnetischen Variante erzwungen, indem die Elementarmagnete des ferromagnetischen Mantelfeldkerns über mindestens eine innere und mindestens eine äußere Spule so angeregt werden, dass dieser Feldverlauf in einer gewünschten zirkularen Richtung erzielt wird. Für die grafisch dargestellten Ausführungsbeispiele, die das Mantelfeld mit Hilfe von inneren und äußeren Erregerspulen bereitstellen, ist normalerweise kein Einsatz von Permanentmagneten im Mantelfeld-Kern vorgesehen. Eine derartige Kombination ist gleichwohl denkbar.
• Im Luftspalt können mit den derzeit verfügbaren Werkstoffen maximale Feldstärken bis über 2 Tesla induziert werden, womit gegenüber einem Lager, dessen Luftspaltinduktion nur 0,7 Tesla beträgt, eine sieben mal größere Haltekraft erreicht werden! Die Haltekraft ist proportional zum Quadrat der magnetischen Feldstärke im Luftspalt.
• Die hier offenbarten Magnetlager-Module können universell in allen Anwendungen verwendet werden, wo der Einsatz von Magnetlagern gegenüber mechanischen Lagern Vorteile bietet.
• Der Mantelfeld-Kern lässt sich auch mit Permanentmagneten bilden. Idealerweise besteht dann der Kern des Mantelfeldes vollständig aus formmagnetisiertem permanentmagnetischen Material, oder ist mit handelsüblichen Ringmagneten und verbindenden Eisenteilen nachgebildet, wobei etwa ein Stapel axial magnetisierter Ringmagnete die dem Luftspalt gegenüberliegende Kernwand bildet. Bei der Produktion dieser Wand in einem Guss, kann die Magnetisierung leicht mit Hilfe mindestens einer inneren und mindestens einer äußeren Schalungswicklung erfolgen, deren Anordnung etwa den Spulen der hier gezeigten elektromagnetischen Mantelfeld-Magnetlager entsprechen kann. Werden mittlere Durchmesser benötigt, für die es keine Ringmagnete gibt, kann man auch kleinere Segmente in der Art eines Mauerwerks zusammenfügen. Dies kann an den Polflächen selbst und/oder an irgendwelchen anderen Querschnittsebenen des Mantelfeldkreises erfolgen. Kleinere Mantelfeldkern-Kernhälften lassen sich im Formgussverfahren aus geeignetem Rohmaterial herstellen (soweit erforderlich in montagefreundliche Teilen segmentiert) und mit Hilfe passender Schalenwicklungen können schließlich die gewünschten Feldverläufe permanent eingeprägt werden.
• Vorbemerkungen zu den Patentansprüchen:
• alle Merkmale bezeichnen, wenn nicht extra erläutert, den bevorzugten Betriebszustand der Bauteile. Bei der Beschreibung wird ein zu beachtendes Gravitationsfeld berücksichtigt. Die Ausrichtung der Rotorachse ist in ihrer Normlage vertikal.
• Die Erregerspulen werden bevorzugt mit Gleichstrom betrieben. Denkbar sind auch Lager mit Wechselströmen oder Ausführungen bei denen ein Gleichfeld von einem Wechselfeld überlagert wird. In diesem Fall müsste dann logischerweise auch wieder die Bedingung erfüllt sein, dass innere und äußere Stromrichtung gegensinnig verlaufen. Dieser Ansatz kann als Grundgedanke für schnell laufende Mantelfeld-Magnetlager dienen, bei denen eine Antriebs- oder Generatorfunktion integriert werden soll.
• Da keine Wirbelströme induziert werden, sind alle flussführenden Teile aus massivem, hochpermeablem Material hergestellt.
• Die Darstellung beschränkt sich auf erfindungswesentliche Teile.
• Auch bei den rein ferromagnetischen MF-Kernhälften wird von magnetischen Polen oder Polflächen gesprochen, auch wenn die Polarisierung nur indirekt über die elektrisch oder permanent erregte Gegenhälfte des Mantelfeldkerns erfolgt.
• Sofern eine Kombination einzelner Lager vorgeschlagen wird, erfolgt diese Kombination immer durch konzentrische Anordnung an einer gemeinsamen Welle, die als Hohlwelle ausgebildet sein kann. „ Konzentrisch " meint hier das Vorhandensein einer gemeinsamen Symmetrieachse. Alle Funktionselemente sind im Wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut, sofern nicht anders angegeben.
• Maßnahmen, welche für einen Lagertyp als mögliche Verbesserung vorgeschlagen werden, gelten gleichzeitig auch als Lösungsvarianten für ein analoges Merkmal eines anderen Typs. (Beispiel. konische Gestaltung der Mantelkern – Polenden oder Erregerspulen an rotierenden Mantelfeld-Kernhälften.)
• Statt ferromagnetischer Reluktanzkörper ist immer auch eine geeignete permanentmagnetische Variante zu erwägen. Dies gilt auch rückblickend für den ferromagnetischen Ringkörper der Patentanmeldung 102 38 543, die zum Zeitpunkt der jetzigen Patentanmeldung noch nicht offengelegt ist.
• Die in dieser Patentanmeldung genannten Magnetlager wurden zwar mit Blick auf schwere Schwungenergiespeicher erfunden, das bedeutet jedoch nicht, dass sich ihre Verwendung darauf beschränken muss. Durch die einfache Bauart, die nur wenige Teile und wenn überhaupt nur wenig Regelelektronik benötigt, wird sich die Zahl der Anwendungen drastisch vergrößern. Vakuumpumpen, Zentrifugen, schnell laufende Turbinen, Drallräder für Satelliten, Diskettenlaufwerke, Blutpumpen können mit einzelnen Modulen der Erfindung ausgestattet werden.
• Besonders kleine und kompakte Lager können mit Hilfe kunststoffgebundener Magnetmaterialien im Spritzgussverfahren hergestellt werden.
• Die Integration der Mantelfeld-Magnetlagertechnologie in andere bereits bestehende elektrische Antriebsmaschinen, insbesondere in Transversalflussmaschinen sollte kein großes Problem darstellen.

Claims (25)

1. Schwung-Energie-Speicher (kurz SES), bestehend aus einem Mantelfeld-Axial-Radiallagermodul am oberen Ende des SES, mindestens einem weiteren magnetischem Mantelfeld-Axiallagermodul, mindestens einer schnelllaufenden Antriebsmaschine, mindestens einem Gleichstromgenerator, und mindestens einem zusätzlichem Radiallager
2. SES nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelfeld-Axial-Radiallagermodul am oberen Ende des SES wie folgt beschrieben werden kann: Das obere Ende des dieses Moduls bildet eine feststehende Mantelfeld-Kernhälfte, deren Polenden nach unten gerichtet und jeweils in einer Ebene liegen, deren Soll-Lage orthogonal zur Drehachse ausgerichtet ist. Die Polflächen bilden mit der Symmetrieachse einen Winkel von 90°. Innerer Pol und äußerer Pol befinden sich dabei bevorzugt auf der gleichen axialen Höhe, können aber auch auf verschiedenen, axial versetzten Höhen liegen. Unterhalb der statorseitigen MF-Hälfte befindet sich die das Mantelfeld ergänzende Kernhälfte des Rotors. Die sich gegenüber stehenden Pole des Stators und Rotors haben den gleichen radialen Abstand zur Drehachse und befinden sich in der Normallage koaxial zur Drehachse. Unter Bildung eines trennenden Spaltes, an dem sich die korrespondierenden Polflächen des Rotors und des Stators in der Normlage entlang des gesamten Umfangs äquidistant gegenüberstehen, bildet die rotorseitige Mantelfeld-Kernhälfte zusammen mit der statorseitigen Kern-Hälfte ein zirkulares Mantelfeld aus. Die elektrische Erregung des Mantelfeldes erfolgt bevorzugt statorseitig durch mindestens eine innere und mindestens eine äußere Erregerspule, welche konzentrisch übereinander angeordnet sind. Dabei umgreift der ferromagnetische Mantelfeld-Kern die untere der beiden Erregerspulen in der Form eines halbierten Ringrohres mit vertikal nach unten zeigenden Polflächen. Innere und äußere Erregerspule werden im Betrieb von gegensinnig gerichteten Strömen durchflossen. Hinweis: Das in Anspruch 2 beschriebene Magnetlager erfüllt gleichzeitig zwei Funktionen. Neben der Axiallagerfunktion wirkt es nebenbei als Radiallager, so dass eventuell nur noch ein zusätzliches Radiallager im Bereich des unteren Wellenendes angeordnet sein muss. 2.1 Der Betrieb des Moduls nach Anspruch 2 erfolgt bevorzugt mit Gleichstrom konstanter Stärke. Die Stromstärke ist dabei so berechnet, dass die Gewichtskraft des gesamten Rotors durch die magnetische Anziehungskraft zwischen den MF-Kernhälften einigermaßen genau kompensiert wird. 2.2 Der Betrieb des Magnetlagermoduls nach Anspruch 2 erfolgt mit aktiv geregeltem Gleichstrom, dessen Stromstärken zwischen Null und einem Maximalwert variieren. 2.3 Der Betrieb des Magnetlagermoduls nach Anspruch 2 erfolgt mit Wechselstrom (theoretische Alternative zum favorisierten Gleichstrombetrieb). 2.4 Das Modul 1 ist versehen mit einem weiteren Spulenpaar (in 1 mit C2 und C2' symbolisiert), welches sich in der Funktion vom ersten Spulenpaar dadurch unterscheidet, dass die Stromstärke nicht konstant ist, sondern zwischen Null und einem Maximalwert variieren lässt, und welches wie das erste Spulenpaar am Mantelfeldkern installiert ist (eine Spule innerhalb, eine außerhalb) Die Stromstärke in diesen Regelspulen wird so geregelt, dass die Luftspaltbreite dem Sollwert entspricht. (mit Luftspaltbreite ist der Abstand zwischen statorseitigen und rotorseitigen Polflächen gemeint).
3. SES nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Axiallager am unteren Ende des SES wie folgt beschrieben werden kann: Unterhalb des vertikal angeordneten Rotors befinden sich im Stator eine Mantelfeldkernhälfte, die zwei übereinander angeordnete, konzentrisch zur Symmetrieachse des Lagers angeordnete Erregerspulen enthält, welche bevorzugt von konstanten Gleichströmen gegensinnig durchflossen werden. Die obere der beiden Spulen (= innere Erregerspule) wird torusförmig vom ferromagnetischen Mantelfeldkern umhüllt. Der Mantelfeldkern umschließt auch noch einen Freiraum oberhalb eines Stützkörpers, welcher in Form einer Ringscheibe in den Hohlraum des Mantelfeldkerns zur Verhinderung einer Kontraktion eingearbeitet ist. Rotorseitig schließt sich der Mantelfeldkern unter Freilassung eines Arbeitsluftspalts, in dem ein ferromagnetischer Ringkörper magnetisch eingebunden ist. An diesem Ringkörper, dessen Geometrie so gewählt ist, dass er berührungsfrei im Luftspalt rotieren kann und den magnetischen Widerstand (Reluktanz) im Mantelfeldkreis herabsetzt und zwar derart, dass eine axiale Verschiebung aus der Solllage nach oben (vom Mantelfeldkern weg) oder nach unten (in den Freiraum des Mantelfeldkerns hinein) eine möglichst große Reluktanzänderung bedeutet. Der eingebundene Ringkörper ist streng rotationssymmetrisch hinsichtlich Geometrie und Beschaffenheit, so dass mögliche Inhomogenitäten im Mantelfeldkern und damit einhergehende Unterschiede in der Flussdichte für die Rotation des Rotors bedeutungslos bleiben. Diese Bedingung ist besonders für Ausführungen von Bedeutung, bei denen der Mantelfeldkern ganz oder teilweise permanentmagnetisch dargestellt ist. Die Dimensionierung und die Stromstärke der einzelnen Spulen, sowie die Geometrie des Mantelfeld-Kerns ist darauf abgestimmt, dass innerhalb des Mantelfeldhohlraums im Bereich zwischen Stützkörper und Luftspalt und natürlich auch der Bereich oberhalb des Luftspalts (rotorseitig) weitgehend feldfrei bleibt oder zumindest im Vergleich zur Feldstärke im Mantelfeldkern nur schwache Streufelder in diesen Bereichen resultieren.
4. SES nach Anspruch 1, bei dem das passive Axiallager am unteren Ende des SES aus konzentrisch ineinanderliegenden Mantelfeldkernhälften besteht, die sich an einem achsenparallelem Luftspalt auf gleicher axialer Höhe gegenüberstehen. Dabei können die Mantelfeldkernhälften entweder nur statorseitig mit Erregerspulen ausgestattet sein oder stator- und rotorseitig.
5. SES nach Anspruch 1, dessen integrierter Gleichstromgenerator aus DE 101 64 435 unter Berücksichtigung von DE 102 38 543 abgeleitet wurde. Der Mantelfeldkern ist nun nicht mehr rein zirkular, sondern im Querschnitt eher rechteckig mit abgerundeten Übergängen an den Ecken. Dieses Modul kann gleichzeitig als Homopolarmotor und/oder Homopolargenerator verwendet werden. Die Schleifkontakte (Bürsten) der Homopolarmaschine können mit Aktuatoren versehen sein. (durch die Aktuatoren können die Bürsten mechanisch von den zugehörigen Schleifringen getrennt werden. Die Aktuatoren mit den Bürsten befinden sich bevorzugt im stehenden Teil der Maschine. Wird über die Homopolarmaschine Strom aus der Schwungenergie zurückgewonnen, kann die Stromstärke durch Variation des Erregerstroms der Homopolarmaschine reguliert werden. Wird die Schwungenergie bei maximaler Erregung der Homopolarmaschine und hoher Drehgeschwindigkeit durch Einschalten der Bürsten über niedrigohmige Verbraucher „kurz geschlossen", können sehr hohe Spitzenströme entnommen werden.
6. SES nach Anspruch 1, dessen Antrieb über eine Mantelfeld-Homopolarmaschine erfolgt, die erfindungswesentliche Merkmale aus DE 44 45 409 A1 enthält. Die dort beschriebene Ausführung in der Version mit den ferromagnetischen Segmenten und der mäanderförmigen Stromführung kann mit einem Mantelfeld-Radiallager oder dem in Anspruch 3 vorgestellten Axiallager kombiniert werden. Dabei ist noch genauer als bei den übrigen Ausführungen zu beachten, dass die Feldhomogenität des Mantelfeldes entlang des Umfangs möglichst perfekt ist, da der in den Luftspalt eingeschlossene Rotor nun ausnahmsweise nicht streng rotationssymmetrisch ist, sondern entlang des Umlaufs abwechselnd ferromagnetische und unmagnetische Segmente aufweist.
7. SES nach Anspruch 1, bei dem die radiale Stabilisierung zumindest teilweise durch mechanische Lager erfolgt.
8. SES nach Anspruch 1, dessen Antrieb über eine schnelllaufende getriebelose Verbrennungsmaschine, vorzugsweise über tangential installierte Rückstoßdüsen erfolgt.
9. SES nach Anspruch 1, dessen radiale Stabilisierung in Ergänzung zu dem in Anspruch 2 genannten Modul über ein Mantelfeld-Radiallager am unteren Systemende erfolgt. Dessen Installation kann dann entweder oberhalb des untersten Axiallagers erfolgen, sofern dieses dem Anspruch 3 entspricht, oder unterhalb des untersten Axiallagers, wenn dieses eine Bauart gemäß Anspruch 4 aufweist.
10. SES nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei verschiedene Module auf gleicher axialer Höhe ineinander verschachtelt angeordnet sind, wobei deren Statorteile mit den übrigen Statorelementen und Rotorteile mit anderen Rotorelementen drehfest verbunden sind. Mit einer solchen Konstruktion können das unterste Axiallager nach Anspruch 3 und das unterste Mantelfeld-Radiallager gemeinsam den unteren Abschluss des SES bilden.
11. SES nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor als Hohlwelle ausgeführt ist und ein Kühlsystem im Rotor integriert beinhaltet. (Dieses ist eventuell bei supraleitender Ausführung rotorseitiger Wicklungen zur Aufrechterhaltung der Supraleitung nötig).
12. SES gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der integrierten Module Erregerwicklungen aus supraleitendem, insbesondere HTSL-Material verwendet.
13. SES nach Anspruch 1, bei dem am Rotor in der Nähe der Drehachse Schleifringe oder Bürsten in konzentrischer Anordnung für die Stromversorgung von außen angebracht sind. Diese sind gegebenfalls nötig für rotorseitig vorhandene Erregerspulen oder für den im Anspruch 8 bereitzustellenden Läuferstrom.
14. SES nach einem der genannten Ansprüche, dessen Mantelfeld-Module zumindest teilweise Polenden aufweisen, welche stator- und rotorseitig zum Zwecke der Flusskonzentration im Luftspalt einen geringeren Querschnitt als das restliche Kernmaterial besitzen. Die gegenüberliegenden Pole können im Extremfall messerscharf ausgebildet sein und aus einem anderen Magnetwerkstoff bestehen als der übrige Kern.
15. SES nach einem der hier genannten Ansprüche, Mantelfeld-Radiallager enthaltend gemäß 102 38 543 , die jedoch abweichend dadurch gekennzeichnet sind, dass der ferromagnetische Ringkörper einen Außenradius aufweist, welcher geringfügig kleiner ist als der Abstand der zugehörigen Luftspalt-Innenkanten zur Haupt-Symmetrieachse. (wobei sich „innen" hier auf das Innere des magnetischen Mantelfeldes bezieht. Im Querschnitt erscheint der Ringkörper aus dem Luftspalt zur Hauptsymmetrieachse hin verschoben.
16. SES nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch Installationen am Rotor (gemeint sind hier sowohl rotorseitig wie statorseitig befindliche Elemente), welche geeignet sind, dem Rotor von außen kontaktlos Energie zuzuführen.
17. Verwendung des Schwungenergiespeichers als Gleichstrom-Transformator. Womit auch die Möglichkeit gemeint ist, die Maschine ausschließlich zu diesem Zweck zu gebrauchen. (ohne Zwischenspeicherung)
18. SES nach einem der hier genannten Ansprüche, mit dem Merkmal, dass die Rotorwelle als Hohlwelle ausgebildet ist, welche einen oder mehrere Vorratstank(s) für Betriebsmittel enthält, welche konzentrisch eingearbeitet sind.
19. SES nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Gestaltung des oberen Rotorendes (bevorzugt im Drehzentrum) derart, dass der Rotor zur Aufnahme von Betriebsmittel während des Betriebs befähigt ist. (z.B. Kühlmittel für Supraleitung, Treibstoff).
20. SES nach Anspruch 1, Mantelfeld-Magnetlagermodule enthaltend, deren Kern ganz oder teilweise aus permanent magnetisierten Segmenten besteht, welchen eine geeignete Magnetisierungsrichtung eingeprägt ist. Hinweise wie die Magnetisierung eines Mantelfeldkerns erfolgen kann, findet man in DE 100 63 230
21. Die analoge Verwendung eines hier erstmals genannten Merkmals zur Ausgestaltung erfindungsfremder Gegenstände soll, soweit dieses Merkmal hier zum ersten Mal genannt wird, in den Schutzbereich des Patents fallen.
22. SES nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der eingebundene ferromagnetische Ringkörper über das im Anspruch 2 genannte oberste Lager im störkraftfreien Betrieb, also in der Sollposition geringfügig aus dem Bereich zwischen den Polflächen herausgehoben ist und so eine Vorspannung bezogen auf das untere Axiallager eingestellt ist.
23. Mantelfeld-Radiallager, welches sich ergibt, wenn man den zwischen innerer und äußerer Erregerwicklung befindlichen Mantelfeldkern der 4 (diese entspricht dem Mantelfeld-Radiallager, welches aus DE 102 38 543 bekannt ist) verstärkt ausführt und ihn nicht nur die innere Erregerspule umgreifen lässt, sondern in gleicher Weise zusätzlich auch noch die äußere Erregerspule. Schließt man den ferromagnetischen Kern außen in gleicher Weise wie innen unter Aussparung eines Luftspalts, so erhält man dadurch die Basis für ein zweites Mantelfeldradiallager, welches wie ein siamesischer Zwilling mit dem ersten verbunden ist. Wird im Zwillingslager ein gleichartiger Ringkörper magnetisch eingebunden wie im ersten und verbindet diesen mit einem gemeinsamen Rotor, dessen Material natürlich mit Ausnahme der eingebundenen Ringkörper unmagnetisch ist, so hat man gegenüber der Ausgangslösung DE 102 38 543 folgende Vorteile: 1. insgesamt eine bessere Ausnutzung des Erregerstroms 2. die äußere Erregerspule ist jetzt auch mit ferromagnetischem Material ummantelt, womit die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert ist. 3. innere und äußere Erregerspule befinden sich jetzt in beinahe identischer Umgebung. Die äußere Erregerspule liegt nun nicht mehr „außen" im Bezug auf das Mantelfeld, sonder nur noch weiter außen in Bezug auf die Hauptsymmetrieachse des Systems.
24. Mantelfeld-Axiallager, welches sich ergibt, wenn man die in Anspruch 23 beschriebene Zwillingslösung auf das analoge Axiallager aus Anspruch 3 in analoger Weise überträgt. Dort kommt man dann wirklich vollkommen zu symmetrischen Verhältnissen. Die Erregerspulen liegen dann nicht mehr in unterschiedlichen Entfernungen zur Hauptsymmetrieachse, sondern übereinander in gleichem Abstand zur Symmetrieachse und können ebenso wie der verzweigte Kern oben wie unten vollkommen spiegelbildlich ausgeführt werden (gespiegelt an der eingefassten Kernscheibe).
25. mit Hilfe der verzweigten Flussführung kann aus dem Axiallager gemäß Anspruch 2 (dargestellt in 1) und einem passiven Axiallager nach Anspruch 3 (dargestellt in 2) ein magnetisches Lager konstruiert werden, welches drei verschiedene Wirkmechanismen vereint. Erläuterung: Der ferromagnetische Kern umgreift dann nicht nur die unteren Spulen C1 und C2, sondern auch die oberen C1' und C2', schließt sich wie in 2 unter Aussparung eines konzentrischen Luftspalts und bindet dort einen ferromagnetischen Ringkörper magnetisch ein, welcher mechanisch mit dem unmagnetischen Rotor über unmagnetisches Material verbunden ist. Denkbar wäre auch, dass die in 1 dargestellte elektrisch erregte Mantelfeld-Kernhälfte über das fusionierte passive obere Axiallager in einem weiteren stehenden oder rotierendem Bezugssystem drehbar und berührungsfrei eingebunden ist. Mit diesem weiteren Bezugssystem ist dann selbstverständlich der entsprechende ferromagnetische Ringkörper des addierten Lagers fest verbunden.