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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energie-Akkumulator, insbesondere zur Verwendung in einer Fahrstuhl-Einrichtung oder im Zusammenhang mit anderen diskontinuierlichen oder unterbrochenen „Lasten”, wie beispielsweise Maschinenwerkzeugen.
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Insbesondere betrifft die Erfindung einen Energie-Akkumulator, umfassend:
eine Tragehülle, welche aus einem thermisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall, hergestellt ist, welche enthält:
eine reversible elektrische Maschine, umfassend einen Stator, welcher mit der Hülle verbunden ist, und einen Rotor mit Permanentmagneten, der rotierbar bezüglich des Stators montiert ist, und
eine Schwungrad-Masse, welche zum Rotieren mit dem Rotor der elektrischen Maschine festgelegt ist.
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Eine Fahrstuhl-Einrichtung, welche einen Energie-Akkumulator von diesem Typ umfasst, ist in der internationalen Patentanmeldung
WO 2009/156953 A1 beschrieben.
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Ein solcher Akkumulator ist in der Lage, kinetische Energie zu speichern, die bekannterweise proportional zu dem Trägheitsmoment der Schwungrad-Masse bezüglich der Rotationsachse und dem Quadrat der Winkelgeschwindigkeit ist.
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In verschiedenen Anwendungen, wie beispielsweise Fahrstuhl-Einrichtungen, werden Schwungrad-Akkumulatoren anstelle von Batterien oder Kondensatoren aufgrund ihrer Fähigkeit verwendet, eine große Menge Energie in einer sehr kurzen Zeit abzugeben (sehr hohe spezifische Leistung), und aufgrund des verbesserten Verhältnisses zwischen Energie-Kapazität und Masse, verglichen mit chemischen Batterien.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Energie-Akkumulator des oben beschriebenen Typs mit innovativen Eigenschaften bereitzustellen.
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Diese und andere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch Verwendung eines Energie-Akkumulators des oben definierten Typs gelöst, in dem:
die von dem Rotor der reversiblen elektrischen Maschine und der Schwungrad-Masse gebildete Baugruppe um einen festen Schaft rotierbar ist, der sich innerhalb der Tragehülle erstreckt; und
die Enden des Schafts mit der Tragehülle über jeweilige vibrationsdämpfende Tragevorrichtungen gekoppelt sind, welche jeweils einen inneren ringförmigen Träger aufweisen, welcher wenigstens teilweise aus einem thermisch leitfähigen Material hergestellt ist, welcher in einem äußeren Lagerelement montiert ist, welches aus einem elastischen Material hergestellt ist, welches mit der Hülle verbunden ist;
jedes innere Tragelement thermisch mit der Tragehülle über wenigstens ein Wärmeübertragungs-Element gekoppelt ist, so dass im Betrieb die in der Baugruppe und in dem Trageelement erzeugte Wärme durch das wenigstens eine Übertragungselement zu der Hülle übertragbar ist.
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In einer Ausführungsform ist der Schaft betriebsmäßig horizontal und jede Tragevorrichtung umfasst ein Anschlagelement, gegen welches der zugehörige absteigende innere Träger in dem Fall eines Nachgebens des verbundenen elastischen Lagerelements zum Anschlag gebracht werden kann.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung deutlich, die lediglich als nichteinschränkendes Beispiel gegeben wird und Bezug auf die beiliegenden Figuren nimmt, in denen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Energie-Akkumulators gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine perspektivische Explosionsansicht des Energie-Akkumulators aus 1 ist;
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3 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Energie-Akkumulators aus den vorhergehenden Figuren ist;
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4 eine perspektivische Explosionsansicht eines Teils des in 3 gezeigten Energie-Akkumulators ist;
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5 ein Querschnitt entlang der Linie V-V in 3 ist;
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6 eine perspektivische Explosionsansicht des in 5 gezeigten Teils des Energie-Akkumulators ist;
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7 eine teilweise perspektivische Ansicht des Stators der elektrischen Maschine ist, die in dem Energie-Akkumulator aus den vorhergehenden Figuren verwendet wird;
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8 eine teilweise Explosionsansicht eines Teils der Wicklung des Stators ist, der in 7 gezeigt ist;
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9 eine perspektivische Ansicht der Wicklungsabschnitte in 8 in dem gegenseitig gekoppelten Zustand ist;
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10 eine perspektivische Explosionsansicht eines anderen Teils des Energie-Akkumulators aus den vorhergehenden Figuren ist;
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11 ein Querschnitt entlang der Linie XI-XI in 10 ist;
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12 eine perspektivische Ansicht der durch den Rotor der elektrischen Maschine des Akkumulators und der zugeordneten Schwungrad-Masse gebildeten Baugruppe ist;
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13 ein Querschnitt entlang der Linie XIII-XIII in 12 ist;
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14 ein Querschnitt entlang der Linie XIV-XIV in 1 ist;
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15 eine vergrößerte Ansicht eines Teils aus 14 ist:
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16 eine perspektivische Explosionsansicht einer Tragevorrichtung für den Schaft ist, um den die rotierende Masse des Akkumulators gemäß den vorhergehenden Figuren rotiert;
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17 ein Querschnitt der Tragevorrichtung in 16 ist; und
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18 eine perspektivische Ansicht der Tragevorrichtung aus den 16 und 17 ist.
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In den Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen 1 als Ganzes einen Energie-Akkumulator gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Der Energie-Akkumulator 1 umfasst eine Tragehülle, die als Ganzes unter Verwendung des Bezugszeichens 2 bezeichnet ist. Wie insbesondere in den 1, 2, 14 und 15 gezeigt, umfasst die Tragehülle 2 in der dargestellten Ausführungsform zwei Halbschalen 3 und 4, die aus einem thermisch leitfähigen Material, insbesondere Metall, hergestellt sind, die miteinander unter Verwendung von Bolzen 5 und Muttern 6 verklemmt sind.
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Wie deutlicher in den 3 bis 6 gezeigt, ist die Halbschale 3 insgesamt im Wesentlichen schalenförmig, mit einem/einer im Wesentlichen kreisförmigen Mund/Öffnung, um den/die herum ein Flansch 3a vorliegt, der im Wesentlichen transversal zu der Achse A-A des Akkumulators und dazu eingerichtet ist, frontal mit dem entsprechenden Flansch 4a der Halbschale 4 gekoppelt zu werden (2).
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Die Halbschalen 3 und 4 der Tragehülle 2 weisen geeignete jeweilige Paare von unteren Erweiterungen 3b, 4b auf, die als Fuß zum Anliegen gegen eine im Wesentlichen horizontale Tragefläche dienen.
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Unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 ist der Stator 7 einer reversiblen elektrischen Maschine, d. h. die in der Lage ist, als ein Motor und als ein Generator zu wirken, in der Halbschale 3 der Tragehülle 2 (in einer später detaillierter beschriebenen Weise) montiert. In der gezeigten Ausführungsform ist dieser Stator 7 im Wesentlichen insgesamt ringförmig und ist koaxial mit der lateralen Wand 3c der Halbschale 3 montiert.
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Wie später klargestellt werden wird, weist der Stator 7 eine Wicklung, beispielsweise eine Dreiphasen-Wicklung, auf, deren Anschlüsse mit Verbindungsanschlüssen verbunden sind, die in einer Verbindungsanordnung 8 (4 und 7) bereitgestellt sind, die fest mit selbiger verbunden sind.
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Diese Verbindungsanordnung 8 erstreckt sich abdichtend durch eine entsprechende Öffnung 3d (1 und 2) hindurch und darüber hinaus, die in der hinteren Wand der Halbschale 3 der Tragehülle 2 gebildet ist, wodurch selbige von außerhalb der Hülle 2 zum Verbinden mit einer Einrichtung zugänglich wird, welche den Energie-Akkumulator 1 verwendet, wie beispielsweise eine Fahrstuhl-Einrichtung.
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Insbesondere unter Bezugnahme auf die 2 und 14 ist ein fester Schaft, der mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet ist, zwischen den beiden Halbschalen 3 und 4 der Tragehülle 2 montiert.
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Die Enden 9a des Schafts sind in jeweilige vibrationsdämpfende Tragevorrichtungen 10 eingesetzt, die in jeweilige Sitzen 3e, 4e montiert sind, die in dem zentralen Bereich der hinteren Wände 3f, 4f der Halbschalen 3 und 4 gebildet sind.
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Eine rotierende Masse, die als Ganzes mit dem Bezugszeichen 11 in den 2 und 12 bis 15 bezeichnet ist, ist rotierbar um den Schaft 9 zwischen den beiden Halbschalen 3 und 4 montiert.
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Die rotierende Masse 11 umfasst einen ringförmigen Block 12, der aus Metall hergestellt ist, mit einem zentralen Durchgang 12a, in dem der feste Schaft 9 montiert ist, mit dazwischen eingefügten Lagern 13.
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Die Gesamtform des Blocks 12 ist im Wesentlichen zylindrisch und die Endflächen davon weisen jeweilige kreisringförmige Nuten 12a und 12b auf.
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Es liegt ein ringförmiger Raum, der unter Verwendung des Bezugszeichens 14 in den Zeichnungen bezeichnet ist, zwischen dem Ring von Permanentmagneten 43 und der radial innersten Wand der Nut 12a vor.
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Wie in 14 gezeigt, erstreckt sich der Stator 7 innerhalb des ringförmigen Raums 14, wodurch ein dünner minimalradialer Luftspalt mit den Magneten 43 definiert wird.
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Wie insbesondere in 14 gezeigt, ist die Nut 12b flacher als die Nut 12a. Die Nut 12b muss nicht so groß wie die Nut 12a sein, da letztere teilweise durch die Magnete 43 gefüllt ist, um die korrekte Balance der rotierenden Masse sicherzustellen (und insbesondere der Lasten auf die Lager 13).
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Unter Bezugnahme auf die 2, 10 und 11 umfasst der Flansch 4a der Halbschale 4 eine ringförmige Nut 4g, die einen torusförmigen Dichtungsring 15 enthält, der gegen den Flansch 3a der Halbschale 3 gehalten ist. In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 16 eine Scheibe, die beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem Elastomer hergestellt ist, die in einer leichten Ausnehmung in der hinteren Wand 4f der Halbschale 4 der Tragehülle positioniert ist.
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Die Scheibe 16 weist eine zentrale Öffnung 16a auf, die in der gezeigten beispielhaften Ausführungsform kreisförmig ist. Eine Mehrzahl von im Wesentlichen radialen und in Winkelrichtung gleich beabstandeten Kerben 16b, von denen in der gezeigten Ausführungsform vier vorliegen, erstrecken sich von dieser Öffnung 16 (siehe insbesondere 10).
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Einige Aspekte und Komponenten des Energie-Akkumulators 1, der oben beschrieben worden ist, werden im Folgenden detaillierter beschrieben.
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Unter Bezugnahme auf die 3 bis 9 und insbesondere auf 7 umfasst der Stator 7 eine ringförmige Lagerstruktur 17, die beispielsweise aus einem gegossenen Kunststoff hergestellt ist.
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Diese Struktur umfasst im Wesentlichen einen hinteren Ring 17a (6), der sich in einer Ebene im Wesentlichen transversal zu der Achse A-A des Akkumulators 1 erstreckt.
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An der Seite, die in Richtung der Halbschale 4 orientiert ist, erstrecken sich ein äußerer Ring 17b und ein innerer Ring 17c (6 und 7), die im montierten Zustand koaxial zueinander und zu der Achse A-A sind, in einer Richtung parallel zu der Achse A-A von dem hinteren Ring 17a der Struktur 17.
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In der gezeigten Ausführungsform sind die Ringe 17b und 17c im Wesentlichen zylindrisch und die axiale Länge des zweiten Rings 17c ist größer als die axiale Länge des ersten Rings 17b.
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Es liegt ein ringförmiger Sitz zwischen dem hinteren Ring 17a und den Ringen 17b und 17c in der Lagerstruktur 17 vor, in dem zwei Ringe von Spulen 18A und 18B, innere bzw. äußere, teilweise in einer axialen Richtung eingesetzt sind, um die die Wicklungen des Stators 7 gewickelt sind.
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Die radial inneren Spulen 18A erstrecken sich entlang der äußeren Fläche des zylindrischen Rings 17c.
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Die radial äußersten Spulen 18B erstrecken sich außerhalb der Spulen 18A, die vorzugsweise mechanisch in der unten unter Bezugnahme auf die 8 und 9 beschriebenen Weise gekoppelt sind.
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Jede innere Spule 18A weist in der mittleren Umfangszone davon zwei Paare von Vorsprüngen 18a auf, die axial zusammen in Paaren ausgerichtet sind (siehe insbesondere 8).
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Die Anordnung ist derart, dass die Vorsprünge 18a der inneren Spule 18A in die benachbarten Hohlräume 18b zweier benachbarter Spulen 18B eingesetzt werden können. Die beispielhaft gezeigte Anordnung ist derart, dass sobald sie montiert sind, die inneren Spulen 18A um einen halben Abstand bezüglich den äußeren Spulen 18B versetzt sind. Der Versatz zwischen den äußeren Spulen und den inneren Spulen kann weiterhin von einem halben Abstand verschieden sein.
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Vorzugsweise ist die Anzahl von Spulen 18A (18B) in jeder Schicht gleich 3/4 der Anzahl von Permanentmagneten 43.
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Wie in den 8 und 9 gezeigt, sind die inneren Spulen 18A geeignet mit jeweiligen Paaren von Hohlräumen oder Ausnehmungen 18c in ihren radial innersten Seiten davon bereitgestellt. Wenn der Rotor 7 montiert ist, sind die entsprechenden äußeren Haltevorsprünge 17e des zylindrischen Rings 17c in den Hohlräumen oder Ausnehmungen 18c im Eingriff.
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In der Ausführungsform werden die inneren und äußeren Spulen 18A, 18B, die bereits mit jeweiligen Wicklungen aus isoliertem elektrischen Draht versehen und unter Verwendung bekannter Mittel verbunden sind, an der ringförmigen Lagerstruktur 17 montiert, wie in 7 gezeigt.
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Ein elektrisch isolierendes Harz wird unter Verwendung einer geeigneten Form auf die Spulen 18A, 18B und auf die äußere Fläche des zylindrischen Rings 17c und in die zwischen den Spulen und dem äußeren Ring 17b gebildeten Spalte gegossen oder injiziert, um so eine feste ringförmige Struktur 19 in der Baugruppe zu bilden (3 bis 6).
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Der derart gebildete Stator 7 wird dann an die hintere Wand 3f der Halbschale 3 der Tragehülle des Akkumulators angebracht, beispielsweise unter Verwendung von Schrauben 20 und zugehörigen Unterlegscheiben 21, wobei letztere vorzugsweise aus einem flexiblen Material hergestellt sind (siehe auch 3).
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Unter Bezugnahme auf die 14 bis 18 weist jede Tragevorrichtung 10 für die Enden 9a des Schafts 9 einen inneren ringförmigen Träger 30 auf, der aus einem thermisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall, hergestellt ist, in dem ein im Wesentlichen zylindrischer Sitz 30a für das zugehörige Ende des Schafts 9 gebildet ist.
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In der gezeigten Ausführungsform (siehe insbesondere 16), weist der innere ringförmige Träger 30 einen Spalt 30b auf, der sich in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Achse des zylindrischen Sitzes 30a erstreckt. Dieser Spalt 30b veranlasst den inneren Träger 30 dazu, zwei Zweige oder Zinken 30c und 30d zu bilden, die einander benachbart, jedoch getrennt voneinander sind.
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Der innere ringförmige Träger 30 von jeder Tragevorrichtung 10 ist in einen passenden Sitz 31a eingesetzt, der in einem äußeren Trageelement 31 gebildet ist, das geeignet aus einem elastischen Material hergestellt ist, beispielsweise einem Elastomer.
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In der gezeigten Ausführungsform, ist die äußere Form des inneren ringförmigen Trägers 30 im Wesentlichen viereckig. Dementsprechend ist der Sitz 31a des äußeren Trageelements 31 ebenfalls im Wesentlichen viereckig.
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In der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsform ist die äußere Form des Elements 31 ebenfalls im Wesentlichen viereckig.
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Unter besonderer Bezugnahme auf die 16 und 18 sind Wärmeübertragungs-Elemente 33 und 34 unter Verwendung von Schrauben 32 an den flachen oberen Flächen der Zinken 30c und 30d angebracht.
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In der gezeigten Ausführungsform sind die Übertragungselemente 33 und 34 im Wesentlichen in der Form von Metallgurten, die sobald sie an den Zinken 30c und 30d des inneren ringförmigen Trägers 30 montiert sind (beispielsweise unter Verwendung von Schrauben), sich durch entsprechende Ausnehmungen 31b erstrecken, die in der oberen Seite des Sitzes 31a des entsprechenden äußeren Trageelements 31 gebildet sind, das aus einem elastischen Material hergestellt ist.
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Wenn der Energie-Akkumulator 1 montiert ist, sind die Wärmeübertragungs-Elemente 33, 34 der Tragevorrichtungen 10 in engem Kontakt mit den hinteren Wänden der Halbschalen 3 und 4 der Tragehülle 2, so dass die durch den Betrieb der rotierenden Masse 11 sowie in dem Schaft 9 erzeugte Wärme tendenziell durch die Übertragungselemente 33, 34 an die Tragehülle 2 übertragen wird, um anschließend in der Umgebung verteilt zu werden.
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Wie noch deutlicher in den 16 und 17 gezeigt, ist ein im Wesentlichen vertikales Durchgangsloch 31d in dem unteren horizontalen Zweig 31c von jedem äußeren Trageelement 31 gebildet. Ein aus einem steifen Material, beispielsweise einem Metall, hergestellter Stab 35 ist in dem Loch 31d platziert (siehe ebenfalls die 14 und 15).
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Wie insbesondere in 15 gezeigt, weist das obere Ende von jedem steifen Stab 35 zu dem zugehörigen Träger 30 und ist um einen vorbestimmten Abstand von diesem getrennt.
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Die Stäbe 35 sind vorzugsweise dazu vorgesehen, als Anschlagelemente zu dienen, gegen die die Träger 30 tendenziell anschlagen, in dem Fall, dass das elastische Element 31 unter der Wirkung des Gewichts des Schafts 9 und der rotierenden Masse 11 als Ganzes nachgibt.
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Die Länge der steifen Stäbe 35 ist in der Tat derart bestimmt, dass der Akkumulator 1 in jedem Fall akzeptabel arbeiten kann, selbst nach einem Nachgeben der elastischen Lagerelemente 31, wenngleich ohne die Dämpfungswirkung der letzteren, die diese unter normalen Umständen bereitstellen können.
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Die vertikalen Dicken der horizontalen Zweige der elastischen Lagerelemente 31 können praktischerweise derart dimensioniert sein, dass wenn der Energie-Akkumulator 1 zunächst kommissioniert wird, die Achse des Schafts 9 und der zugehörigen rotierenden Masse 11 sich vertikal über die optimale Auslegungshöhe hinaus erstrecken, mit der Absicht, dass sie wenigstens teilweise im Voraus den nachfolgenden „Abstieg” dieser Komponenten aufgrund eines fortschreitenden Nachgebens (insbesondere der unteren horizontalen Zweige) des elastischen Lagerelements 31 unter der Wirkung des darauf wirkenden Gewichts ausgleichen.
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Praktischerweise können Mittel zum Erfassen der Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden Masse 11, beispielsweise drei Halleffekt-Sensoren, die in der Lage sind, den Durchgang der Permanentmagnete 43 des Rotors 11–13 zu detektieren, in der Verbindungsanordnung 8 montiert sein (1 und 2).
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Erneut unter Bezugnahme auf 15, ist ein rohrförmiges Element 40, das zum Rotieren mit der rotierenden Masse 11 festgelegt ist, geeignet zwischen den Lagern 13 angeordnet.
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Die Enden dieses Elements 40, die in Richtung der Lager 13 orientiert sind, weisen jeweilige im Wesentlichen abgeschrägte Flächen 40a auf, die in Richtung der Achse A-A weg von den Halbschalen 3 und 4 der Hülle des Akkumulators konvergieren.
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Ferner sind geformte Ringe 42 in axial gegenüberliegenden Positionen und unter Verwendung von Schrauben 41 in dem Block 12 der rotierenden Masse 11 angebracht. Diese Ringe erstrecken sich wenigstens teilweise neben den Lagern 13 an gegenüberliegenden Seiten bezüglich den Enden des rohrförmigen Elements 40.
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Die geformten Ringe 42 definieren insbesondere jeweilige im Wesentlichen abgeschrägte Flächen 42a, die in Richtung der Achse A-A und der Halbschalen 3 und 4 der Hülle des Akkumulators 1 konvergieren.
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Die abgeschrägten Flächen 40a und 42a, die derart an den Seiten jedes Lagers 13 gebildet sind, ermöglichen es Tropfen von Schmierfett oder einem anderen Schmiermittel, die Vorrichtungen zu erreichen, für die sie vorgesehen sind, wobei das Schmiermittel dazu tendiert, im Betrieb unter der Wirkung der Rotation mit hoher Winkelgeschwindigkeit der rotierenden Masse 11 „zentrifugiert” zu werden.
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Im Betrieb erzeugt der Energie-Akkumulator gemäß der vorliegenden Erfindung ein akustisches Geräusch mit niedriger Intensität. Ein vollständiges Eliminieren dieses erzeugten Geräuschs kann erreicht werden, wenn der Energie-Akkumulator in einem Behälter oder einem Loch montiert ist, der/das mit Sand oder einem anderen schalldämpfenden Material gefüllt ist.
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Selbstverständlich können, ungeachtet des Erfindungsprinzips, die Mittel zum Ausführen und die spezifischen Ausführungsformen stark von den hierin lediglich mittels eines nicht-einschränkenden Beispiels beschriebenen und dargestellten abweichen, ohne dass hierdurch der Umfangs der Einfindung, wie er von den beiliegenden Ansprüchen definiert wird, verlassen wird.
