DE1116810B

DE1116810B - Electromechanical energy storage

Info

Publication number: DE1116810B
Application number: DEL35984A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing E H Otto Mayr
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1960-04-23
Filing date: 1960-04-23
Publication date: 1961-11-09

Description

Elektromechanischer Energiespeicher Die Erfindung bezieht sich auf einen nach dem Prinzip der Unipolarmaschine gebauten elektromechanischen Energiespeicher zur Erzeugung kurzzeitiger elektrischer Impulse sehr hoher Energie.Electromechanical Energy Storage The invention relates to an electromechanical energy storage device built according to the principle of the unipolar machine for generating short-term electrical impulses of very high energy.

Für physikalische Versuche und in derTechnik werden häufig kurzzeitige elektrische Impulse sehr hoher Energie benötigt. Man verwendet zu diesem Zweck neben Kondensatoren rotierende Maschinen, welche aus der in den Schwungmassen oder den besonderen Schwungrädern gespeicherten kinetischen Energie durch kurzzeitige Abbremsung hohe elektrische Energie abgeben können. Die Leistung solcher Maschinen ist durch das Produkt aus der Umfangsgeschwindigkeit, aus der auf die Flächeneinheit bezogenen, am Umfang wirksamen magnetischen Kraft und aus der Oberfläche des Läufers gegeben. Da man aus Festigkeitsgründen bzw. wegen der Sättigung des Eisens die Umfangsgeschwindigkeit bzw. die magnetische Feldstärke nicht beliebig steigern kann, stellt sich die Leistung im wesentlichen als eine Funktion der Oberfläche des Läufers dar. Sehr unangenehm wirken sich bei solchen Maschinen auch die hohen Bremsmomente aus, welche sehr teure Fundamente zur Folge haben. Gelegentlich sind auch zur Erregung kurzzeitiger elektrischer Impulse Unipolarmaschinen verwendet worden, mit denen sich jedoch nur geringe Spannungen erreichen ließen und bei denen die Stromabnahme von den rotierenden Scheiben mit Schleifkontakten oder mit Strornübertragung durch flüssige Metalle große Schwierigkeiten bereitete.For physical experiments and in technology, short-term electrical impulses of very high energy are required. One used for this purpose besides Condensers rotating machines, which from the in the flywheels or the special flywheels stored kinetic energy through brief braking can emit high electrical energy. The performance of such machines is through the product of the circumferential speed, based on the unit of area, at the circumference effective magnetic force and given from the surface of the rotor. Because for reasons of strength or because of the saturation of the iron, the circumferential speed or the magnetic field strength cannot increase at will, the power arises essentially as a function of the surface area of the runner. Very uncomfortable The high braking torques, which are very expensive, also have an effect on such machines Result in foundations. Occasionally there are also short-term electrical excitations Impulse unipolar machines have been used, with which, however, only low voltages and in which the current decrease from the rotating disks with Sliding contacts or with current transmission through liquid metals great difficulties prepared.

Die genannten Nachteile werden nach der Erfindung dadurch vermieden, daß elektrisch leitende kreisrunde Scheiben oder Scheibenringe durch zwischen ihnen an verschiedenen Radien angeordnete Kugeln derart gelagert und elektrisch verbunden sind, daß die einzelnen Scheiben in einem axial zu ihnen gerichteten Magnetfeld um ihre Achse drehbar sind, wobei der Drehsinn von Scheibe zu Scheibe wechselt.The disadvantages mentioned are avoided according to the invention by that electrically conductive circular disks or disk rings through between them Balls arranged at different radii are mounted and electrically connected in this way are that the individual disks in a magnetic field directed axially towards them are rotatable about their axis, the direction of rotation changing from disk to disk.

Zur Erreichung eines starken Magnetfeldes sind diese Scheiben mit einer Erregerwicklung und einem magnetischen Rückschluß umgeben.To achieve a strong magnetic field, these disks are with surrounded by an excitation winding and a magnetic return path.

Zweckmäßigerweise befindet sich die Scheibenanordnung in einem Gehäuse, das vakuum- oder gasdicht abgeschlossen ist. Mit dem Gehäuse ist die Erregerwicklung und der magnetische Rückschluß mechanisch fest verbunden.The disk arrangement is expediently located in a housing, which is vacuum- or gas-tight. With the housing is the excitation winding and the magnetic return path mechanically firmly connected.

Der Betrieb dieses Speichers geht so vor sich, daß die Scheiben nach dem Einschalten der Erregerwicklung zunächst durch einen von außen zugeführten Strom in Umdrehung versetzt werden. Der Speicher wird so mit einer Leistung N, in der Zeit t, auf die Energie N, - t, aufgeladen. Bei der Entladung in der kürzeren Zeit t, wird die kinetische Energie der Scheiben (ebenso wie in einem Generator) in elektrische Energie zurückverwandelt. Dadurch, daß man die Zeit t. für die Entladung sehr viel kleiner wählt als die Zeit t, erreicht man die viel größere Entladeleistung t, = 0,1 sec, so erreicht man eine Leistungsverstärkung N, Wird z. B. t, = 100 sec gewählt und von 1 zu 1000. This memory is operated in such a way that, after the excitation winding has been switched on, the disks are initially set in rotation by an externally supplied current. The storage device is charged with a power N, in the time t, to the energy N, - t. When discharging in the shorter time t, the kinetic energy of the disks (just like in a generator) is converted back into electrical energy. By having the time t. Chooses a much smaller discharge for the discharge than the time t, if the much greater discharge power t = 0.1 sec is reached, a power gain is achieved N, e.g. B. t, = 100 sec selected and from 1 to 1000.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht insbesondere in der Größe der wirksamen Oberfläche der bewegten Scheiben. Mit einem bisher üblichen Trommelläufer von 2 m Durchmesser und 2 m Länge läßt sich beispielsweise eine wirksame Oberfläche des Trommelmantels von etwa 12,5 m2 erreichen. Ordnet man auf der gleichen Länge 100 Scheiben von je 1 cm Stärke und 1 cm Abstand an, welche den gleichen Durchmesser haben und mit der gleichen Drehzahl umlaufen, so ergibt sich für diese Scheiben, wenn man jeweils nur eine ihrer Seiten einrechnet, eine Oberfläche von 314 m-. Berücksichtigt man, daß die Umfangsgeschwindigkeit dieser Scheiben jeweils dem Radius proportional ist, und integriert man über die entsprechenden Flächenelemente, so ergibt sich immer noch eine reduzierte Oberfläche von - gleich angenähert 100 m', d. h. achtmal soviel wie bei dem Trommelläufer.The advantage of this arrangement is in particular the size of the effective surface of the moving disks. With a drum rotor of 2 m diameter and 2 m length, which has been customary up to now, for example, an effective surface area of the drum shell of about 12.5 m2 can be achieved. If 100 disks each 1 cm thick and 1 cm apart, which have the same diameter and rotate at the same speed, are arranged over the same length, this results in a surface area of these disks, if only one of their sides is included in each case 314 m-. If one takes into account that the circumferential speed of these disks is proportional to the radius, and if one integrates over the corresponding surface elements, the result is still a reduced surface of - equal to approximately 100 m ', i.e. H. eight times as much as with the drum runner.

Da sich die zwischen den Scheiben wirkenden Bremsmomente gegenseitig aufheben, werden an das Fundament des Energiespeichers nur äußerst geringe Ansprüche gestellt. Dadurch, daß sich die Scheiben im entgegengesetzten Drehsinn mit gleicher Geschwindigkeit drehen, rollen die dazwischen gelagerten Kugeln nur um ihre eigene Achse, bewegen sich jedoch nicht in azimutaler Richtung und sind somit auch keinen Fliehkräften ausgesetzt. Durch die vielfache Unterteilung der bewegten Masse in dünne Scheiben gemäß der Erfindung erreicht man eine relativ hohe Spannung und einen mäßigen Strom, welcher mit den Kugelkontakten übertragbar ist.Because the braking torques acting between the discs are mutually exclusive cancel, only extremely low demands are made on the foundation of the energy storage system posed. The fact that the discs rotate in the opposite direction with the same Turning speed, the balls in between only roll around their own Axis, but do not move in the azimuthal direction and are therefore not either Exposed to centrifugal forces. Because of the multiple subdivisions the moving By mass in thin slices according to the invention, a relatively high voltage is achieved and a moderate current that can be transmitted with the ball contacts.

Sollen besonders hohe Stromstärken erreicht werden, so kann die Zahl der Kugeln -nach Bedarf verändert werden. Aus mechanischen Gründen kann es zweckmäßig sein, die Scheiben in ihrer Mitte etwa bis zum Durchmesser der inneren Ku-elreihen zu durchbohren.If particularly high currents are to be achieved, the number the balls can be changed as required. For mechanical reasons it can be useful the discs in their middle up to about the diameter of the inner rows of spheres to pierce.

Der entsprechende Hohlraum kann auch zur Führung des Stromes durch einen zentralen Kupferleiter benutzt werden. Während bei der Stromführung längs der Innenwandung des Scheibengehäuses das bei der Belastung der Maschine auftretende azimutale Magnetfeld die Scheiben zusammenpreßt, werden die Scheiben bei einer Stromzuführung durch die Drehachse der Scheiben durch das entsprechende ins Innere verlagerte azimutale Magnetfeld auseinandergepreßt. Durch eine geeignet kombinierte Zuleitung des Stromes auf der Innen- und auf der Außenseite der Scheiben kann man erreichen, daß sich diese Kräfte gegenseitig aufheben. Die kombinierte Anordnung hat ferner den Vorteil, daß der Strom bei sehr schnellen Vorgängen mit seinem Magnetfeld von beiden Seiten in die Scheiben eindringen kann. Die sich aus dem Skiri-Effekt ergebenden Zusatzverluste werden dadurch gegenüber den nichtkombinierten Anordnungen um 75 0/, verringert.The corresponding cavity can also be used to guide the current through a central copper conductor. While the azimuthal magnetic field occurring when the machine is loaded compresses the disks when power is routed along the inner wall of the disk housing, the disks are pressed apart when power is supplied through the axis of rotation of the disks by the corresponding azimuthal magnetic field displaced inside. By means of a suitably combined supply of the current on the inside and outside of the panes, it is possible to achieve that these forces cancel each other out. The combined arrangement also has the advantage that the current can penetrate the panes from both sides with its magnetic field during very fast processes. The additional losses resulting from the Skiri effect are thereby reduced by 75% compared to the non-combined arrangements.

Falls es erforderlich ist, den Stapel der rotierenden Scheiben in radialer Richtung zu stützen, um sein Durchknicken zu vermeiden, so können in der Mitte des Stapels feststehende Scheiben zwischengebaut werden. Zur Regelung des Auflagedruckes der Kugeln kann eine in axialer Richtung wirkende Spannvorrichtung vorgesehen werden. Dabei kann auch die Elastizität der Scheiben selbst nutzbar gemacht werden.If necessary, the stack of rotating disks in radial direction to avoid buckling, so can in the Fixed panes are built in between the middle of the stack. To regulate the Contact pressure of the balls can be a clamping device acting in the axial direction are provided. The elasticity of the panes themselves can also be used here will.

Zur Verminderung der Luftreibungsverluste zwischen den mit großer Geschwindigkeit gegeneinander rotierenden Scheiben kann die Luft im Inneren des Speichers verdünnt werden. Um eine Oxydation der Kontaktflächen bei etwaigen Funkenbildungen zu vermeiden, kann man zweckmäßig ein sauerstofffreies Gas verwenden. Bei sehr häufigem Betrieb des Speichers kann auch Wasserstoff wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit verwendet werden. Da der Speicher nach allen Seiten hermetisch abgeschlossen ist und keine sich drehenden Achsen nach außen durchgeführt werden müssen, läßt sich die Evakuierung des Innenraumes oder seine Füllung mit Wasserstoff verhältnismäßig leicht durchführen.To reduce the air friction losses between the large Speed against each other rotating discs can move the air inside the Memory to be diluted. To avoid oxidation of the contact surfaces in the event of sparks To avoid it, it is advisable to use an oxygen-free gas. With very frequent Operation of the storage tank can also be hydrogen because of its good thermal conductivity be used. Because the memory is hermetically sealed on all sides and no rotating axes have to be carried out to the outside, can the evacuation of the interior or its filling with hydrogen proportionally easily perform.

Für die Scheiben selbst kann nach Bedarf Stahl, Kupfer oder eine Kupfer-Beryllium-Legierung verwendet werden.For the disks themselves, steel, copper or a copper-beryllium alloy can be used as required be used.

Beim Aufladen des Speichers wird die Erregung und damit auch die Betriebsspannung zweckmäßig noch nicht auf ihren vollen Wert einreguliert. Man erreicht dadurch, daß die Erregerwicklung nicht unnötig warm wird und daß sich der Speicher mit relativ niedriger Spannung z. B. aus einer Akkumulatorenbatterie aufladen läßt. Erst wenige Sekunden vor der Entladung wird dann der Erregerstrom auf seine volle Stärke gebracht. Die dazu benötigte Energie kann entweder dem Netz entnommen werden oder aber, um eine Stoßbelastung des Netzes zu vermeiden, aus der Energie des zu diesem Zeitpunkt auf Selbsterregung umgeschalteten Speiehers.When the memory is charged, the excitation and thus also the operating voltage expediently not yet adjusted to their full value. One achieves thereby, that the excitation winding is not unnecessarily warm and that the memory is relatively low voltage e.g. B. can be charged from an accumulator battery. Only a few Seconds before the discharge, the excitation current is then brought to its full strength. The energy required for this can either be taken from the network or in order to to avoid shock loading of the network from the energy of the at that time Speiehers switched to self-excitement.

An Hand der Figuren soll der Gegenstand der Erfindung näher erläutert werden. In Fig. 1 befinden sich die zwischen den Kugeln 1 gelagerten Scheiben 2 in einem vakuum- und gasdichten Gehäuse 5, das gleichzeitig zur Stromführung benutzt wird. Dies Gehäuse wird von der Erregerwicklung 4 umgeben, welche ihrerseits wiederum von dem magnetischen Rückschluß 3 umschlossen wird. Der Stromkreis schließt sich von dem Gehäuse 5 über die Kugeln 1, die Platte 2 sowie über eine zylindrische Durchführung 6, welche durch das Isolierstück 7 gegen das Gehäuse 5 isoliert ist.The subject matter of the invention is to be explained in more detail with reference to the figures. In Fig. 1 , the disks 2 mounted between the balls 1 are in a vacuum- and gas-tight housing 5, which is used at the same time to conduct electricity. This housing is surrounded by the excitation winding 4, which in turn is enclosed by the magnetic yoke 3. The circuit closes from the housing 5 via the balls 1, the plate 2 and via a cylindrical bushing 6 which is isolated from the housing 5 by the insulating piece 7.

In Fig. 2 sind entsprechende Scheibenringe dargestellt.Corresponding disk rings are shown in FIG.

Die Fig. 3 zeigt, wie der bei den Scheibenringen vorhandene Innenraum zur Stromführung benutzt werden kann. 3 shows how the interior space present in the disk rings can be used to conduct electricity.

Fig. 4 zeigt die Kombination der in Fig. 1 und Fig. 3 dargestellten Stromführungen.FIG. 4 shows the combination of the current guides shown in FIGS. 1 and 3.

In Fig. 5 befindet sich beispielsweise eine zwischen dem Stapel der Scheiben 2 mit dem Gehäuse 5 fest und isoliert verbundene Scheibe 9. Durch 8 ist die Isolierung zum Gehäuse angedeutet.In FIG. 5 there is, for example, a disk 9 which is firmly and insulatedly connected to the housing 5 between the stack of disks 2. The insulation to the housing is indicated by 8.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Electromechanical energy storage for generating short-term electrical pulses of high energy, characterized in that electrically conductive circular disks or disk rings are mounted and electrically connected by balls arranged between them at different radii in such a way that the individual disks are in an axially directed magnetic field are rotatable about their axis, the direction of rotation changing from disk to disk.

2. Electromechanical energy store according to claim 1, characterized in that the discs or disc rings are arranged in a vacuum- or gas-tight housing..i 3. Electromechanical energy store according to claim 2, characterized in that the housing is fixed with an excitation winding and a magnetic yoke connected is. 4. Electromechanical energy store according to claim 3, characterized in that the inner wall of the housing is used for conducting current. 5. Electromechanical energy store according to claim 3, characterized in that a current conductor leads through the central bores of the disks along the common axis to the stationary base plate of the housing, which has the spacing required for insulation from the disk rings. 6. Electromechanical energy store according to claim 3, characterized in that the power supply leads both along the inner wall of the housing and along the common axis of the disk rings isolated from these to the stationary base plate of the housing. 7. Electromechanical energy store according to claim 1 or 6, characterized in that the balls located between the discs are guided through grooves or cages. 8. Electromechanical energy store according to claim 1 or 7, characterized in that the raceways of the balls are tempered on the disk surfaces. 9. Electromechanical energy store according to claim 1 or 8, characterized in that between the stack of discs one or more fixed and insulated connected to the housing Scheib.-n are arranged. 10. Electromechanical energy store according to claim 1 or 9, characterized in that a disk clamping device connected to the housing and acting in the axial direction is provided. 11. Electromechanical energy store according to claim 1 or 10, characterized in that the housing is filled with an oxygen-free gas. 12. Electromechanical Energiespeic4er according to claim 1 or 11, characterized in that the discs are made of steel, copper or a copper-beryllium alloy.