DE1580404A1 - Rotationsenergiespeicher,insbesondere fuer elektrischen Betrieb von Fahrzeugen - Google Patents

Rotationsenergiespeicher,insbesondere fuer elektrischen Betrieb von Fahrzeugen

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DE1580404A1 DE19661580404 DE1580404A DE1580404A1 DE 1580404 A1 DE1580404 A1 DE 1580404A1 DE 19661580404 DE19661580404 DE 19661580404 DE 1580404 A DE1580404 A DE 1580404A DE 1580404 A1 DE1580404 A1 DE 1580404A1
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Description

Maschinenfabrik Oerlikon, Zürich-Oerlikon (Schweiz)
Rotationsenergiespeicher, insbesondere für elektrischen Betrieb
von Fahrzeugen.
Im Schweizerpatent 242 086 ist ein Verfahren zum elektrischen Betrieb eines Fahrzeuges ohne Verwendung von Oberleitungen angegeben, welches die in einem im Fahrzeug vertikalachsig montierten Schwungrad gespeicherte Energie für den Antrieb verwendet. Das Schwungrad wird an den Haltestellen durch Zufuhr von elektrischer Energie aus dem Netz beschleunigt, und gibt während des Fahrens über die jetzt als Generator arbeitendet Maschine Energie an den Fahrmotor wieder ab.
Das Schwungrad, das je nach Grosse des Fahrzeuges ein Gewicht von 200-2000 kg aufweist, läuft mit der elektrischen Maschine in einem gemeinsamen, gasdicht geschlossenen Gehäuse im Vakuum oder einem leichten Gas, wie H2 oder He unter Unterdruck, und die Lagerung erfolgt, um minimale Reibungsverluste zu gewährleisten, in hochwertigen Wälzlagern. Für die in Frage kommenden hohen Tourenzahlen, die im Gebiet von 3000-12 000 T/min liegen, kommen für die Aufnahme des Achsialdruckes des Rotors nur entsprechend ausgebildete Kugellager in Frage.
Die vertikale Achsanordnung der Schwungmasse bietet eine Anzahl Vorteile, die sowohl für die Konstruktion des Fahrzeuges wie für den Betrieb von Bedeutung sind. Vor allem ist die vertikale Achsanordnung für die Kurvenbeweglichkeit des Fahrzeuges
32261
008845/0200 bad original
von Bedeutung, indem beim Kurvenfahren keine gyroskopischen Momente entstehen, die die Lenkfähigkeit des Fahrzeuges beeinträchtigen und die Lager des Speicheraggregates extra belasten.
Es genügt für normale Betriebsbedingungen, das Aggregat derart beweglich im Fahrzeug anzuordnen, dass die im Betrieb vorkommenden Schräglagen von ca. 1:10 ohne grosse Zusatzkräfte aufgenommen werden können.
Bei Strassenfahrzeugen, wie Omnibussen für Stadtverkehr z.B.. können bei vertikaler Rotationsachse des Schwungrades, das oder die Schwungräder platzsparend unter dem Fussboden des Fahrzeuges angeordnet werden.
Eine grosse Anzahl solcher Fahrzeuge wurde in den verschiedensten Betrieben, wie z.B. für Omnibusse, Rangiertraktoren und Minenlokomotiven eingesetzt und haben in jahrelangem Betrieb die praktische Verwendbarkeit des Systems unter Beweis gestellt. Es gelang jedoch nicht, zu Lösungen zu kommen, die in wirtschaftlicher Hinsicht mit den konventionellen Transportmitteln mit Oberleitungsbetrieb oder mit thermischen Motoren in Wettbewerb: treten können. Vor allem waren die Ausrüstungen für eine verlangte Speicherleistung zu schwer und damit auch zu teuer, und die Speicherleistungen zu gering, und der Energeiverbrauch war zu hoch. Dazu kam die Tatsache, dass es nicht gelang, die Lagerung des Schwungrades derart zu gestalten, dass eine für den Betrieb genügende Lebensdauer erreicht wurde. Angesichts der ausschlaggebenden Bedeutung einer völlig sicheren Lagerung für solche Aggregate ist es einleuchtend, dass nur eine entscheidende Verbesserung hier eine Abhilfe schaffen würde und dem Sjötem zum weiteren Durohbruch verhelfuri könnte. 0Q9845/0266
32261 BAD Or.lCINAL
Vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung für solche Schwungräder zur Energiespeicherung insbesondere für den Betrieb von Fahrzeugen, die eine hohe Speicherfähigkeit, verbunden mit günstigem Gewicht, geringen Abmessungen und hohem Wirkungsgrad aufweist, bei gleichzeitig höchster Sicherheit und Lebensdauer der Lagerung des Schwungrades.
Erfindungsgemäss wird bei Speicheraggregaten, die mit einer elektrischen Maschine in einem gasdichten Gehäuse unter Unterdruck arbeiten, und die in Wälzlagern mit geringsten Verlusten gelagert sind, das Schwungrad mit horizontaler Rotationsachse angeordnet bei gleichzeitiger Verwendung von max. Umdrehungszahlen im Gebiete vorzugsweise zwischen 6000 und 12 000 T/min., wobei, insbesondere bei Verwendung für Fahrzeuge, das Aggregat um eine vertikale Achse drehbar angeordnet wird. Die Drehachse ist seitlich elastisch gelagert, um Relativbewegungen von ca. - 10 % zur Vertikälachse zu erlauben.
Das Speicheraggregat wird symmetrisch zur Schwungradmitte ausgeführt, so dass beide Lager gleich hoch belastet werden. Bei dieser Anordnung werden mit Vorteil zwei elektrische Maschinen, eine auf jeder Seite des Schwungrades, angeordnet, was die Kühlung der im Vakuum arbeitenden Maschinen erleichtert.
Die Maschinen werden als homopolare Synchronmaschinen mit feststehender Erregerwicklung ausgeführt, ohne Wicklungen auf dem Rotor, wobei die im Schweizerpatent 24^759 angegebene Speisung der Motoren aus einer Gleichstromquelle über einen Ventilwechselrichter erfolgen kann und die Energieabgabe an die Fahrmotoren Über Gleichrichter erfolgt.
BAD 0RH3INAL 009845/0266
Diese Anordnung erlaubt auch die Energierückgewinnung beim Bremsen oder im Gefälle, wie es im Patent 242 086 angegeben ist.
Es werden Mittel eingesetzt, um die magnetische Streuung der Erregermagnete über die Lagerpartien und an das Schwungrad zu verhindern. Als solche Mittel sind magnetische Abschirmungen, Teile hoher magnetischer Widerstände, magnetische Nebenschlüsse und Flux-Ablenkspulen genannt, und das Gehäuse wird aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt.
Die Abmessung über die beiden Weilenenden werden mit Vorteil gleich oder kleiner als der Schwungraddurchmesser gewählt, so dass die geometrische Umgrenzung des Aggregates im Betrieb durch eine gedachte Kugelschale gleichen Durchmessers wie das Schwungradgehäuse ausgebildet wird.
Das Gehäuse des Aggregates kann Kugelform erhalten, was hohe Festigkeit mit kleinstem Gewicht vereinigt. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das kugelförmige Aggregat in einer im Fahrzeug angebrachten Halb-Kugelschale unter Zwischenlegung reibungshindernder Elemente allseitig drehbar angeordnet.
Das Schwungrad und die beiden seitlichen Wellenzapfen werden in einem Stück geschmiedet, was eine grosse Anzahl Vorteile für die Ausnützung des Materials, die Kontrolle und die Bearbeitung derselben, sowie die Stabilität im Betrieb und den vibrationsfreien Lauf ergibt.
erhöhten
Das Rad wird bei einem Verfahren zur^Ausnützung des Erfindungsgegenstandes zum Abbau von Spannungsspitzen bei den Proben bis über die Streokgrenze geschleudert. 32261 00 9 84 5/0286 . ^0 original
_ ^ - ' UWW7W7.
Es kommen für Aufgaben der Nah-Transportmittel Schwungradgewichte in der Grössenordnung von 500-2000 kg in Frage, wo vorzugsweise Schwungräder von ca. 1000 kg mit Aussendurchmessern von 800-1200 mm für die Erfindung geeignet sind, damit der erhöhte Raumbedarf der horizontalachsigen Bauweise für die Fahrzeuge tragbar ist.
Fig. 1 zeigt den Erfindungsgegenstand Im Schnitt: 1 ist das zentral angeordnete Schwungrad mit den beiden Wellenzapfen 2,3, die in den Wälzlagern 4,5 horizontal gelagert sind, 6 ,7 sind die beiden elektrischen Maschinen, die hier als
Homopolar-Synchronmaschinen gezeigt sind. 8,9 sind die Statoren mit den Arbeitswicklungen 10,11 und den feststehenden Erregerwicklungen 12,15. 14,15 sind die beiden wicklungslosen Rotoren der Homopolarmaschinen. l6 ist das kugelförmige Aggregat., das allseitig beweglich in der Halbkugelschale 17 gelagert 1st, wobei 17 mittels der Tatzen 19 im Fahrzeug fest angeordnet ist. 18 ist die Veitikalachse, um welche sich das Aggregat beim Kurvenfahren dreht. Es können auch Asynchronmaschinen, Reluktanzmaschinen oder Synchronmaschinen mit rotierenden Wicklungen zur Verwendung gelangen.
Um die mit den obengenannten Massnahmen erreichten Vorteile in Bezug auf Erhöhung der Speicherfähigkeit kinetischer Energiespeicher bei gleichzeitiger Reduktion von Gewicht und Platzbedarf und Erhöhung der Sicherheit und Lebensdauer der Lagerungen beurteilen zu können, ist es notwendig, einige Grundlagen für die Berechnung solcher Speicheraggregate kurz zu erläutern: a) Die Speicherfähigkeit eines Schwungrades aus einem bestimmten Material hängt auseer vom Gewicht und der Formgebung nur von der Umfangsgeechwlndigktit Ιϊ.λη m/β ab, Wird ein optimales
Speicherschwungrad, bestehend aus einer inneren Scheibe gleicher Festigkeit und einem äusseren Kranz verwendet, ergibt sich bei gegebener maximal zulässiger Materialbeanspruchung $ in
kg/cm für eine steigende Umfangsgeschwindigkeit eine steigende
spezifische Speicherfähigkeit S in §-^~ in Punktion der Umfangogeschwindigkeit. Flg. 2 zeigt die Formgebung solcher Räder, vom freitragenden Ring bis zur Scheibe gleicher Festigkeit mit schmalem Kranz für verschiedene Umfangsgeschwindigkeiten bei
- 2
<5 = j5QOQ kg/cm . Theoretische Untersuchungen zeigen, dass die
maximal erreichbare spezifische Speicherfähigkeit bei gegebenem spez. Gewicht /kg/m^ für einen legierten Stahl mit /=
smax ■ 1^ 3■%■ beträgt·
ir.
Diese Speicherfähigkeit wird bei ψ = 101^ m/sec erreicht, wobei eine weitere Steigerung der Umfangsgeschwindigkeit keine wesentliche Steigerung der spezifischen Speicherfähigkeit mit sich bringt.
Fig. 3 zeigt den Verlauf der spez. Speicherfähigkeit in F (ff ) für den mit heutigen Stählen zulässigen Wert von Ij 5OOO kg/cm2.
Die Kurve der spezifischen Speicherfähigkeit in Funktion der Umfangsgeschwindigkeit verläuft jetzt vom Punkt A, das der Speicherfähigkeit des freitragenden Ringes SR = 0,6 $ r-^- und mit V - 3,5~ni m/s entspricht, bis zum Punkt B, das der praktisch max. erreichbaren Speicherhöhe entspricht (S ). Wird die Kurve nach unten verlängert, schneidet sie die Nullinie bei
BAD 0RK3IMAL 3226I
009845/0266
Die für jeden Werte von 1Ϊ erreichbare spezifische Speicherfähigkeit kann bei Einsetzen der aus obigen Angaben ermittelten Werte von S^ . Vm*v und ^fl mit guter Genauigkeit durch die Formel s m s . (l _ )2) kgm/kg
max « max" ^min ausgedrückt werden. .
Man sieht hier, dass ein Gebiet von 2ζ = 400 - βΟΟ m/s für
den Bau von kinetischen Energiespeichern am vorteilhaftesten ist, gegenüber den früher im Schweizerpatent 242086 erwähnten Werten von I5O-3OO m/sek.
Erfindungsgemäss wird der Energiespeicher aus Stahl mit
T= 8350 kg/m für einen Wert von
S= i+ 20 % (S in m, l· in kg/cm2)
ausgelegt, wobei die höheren Werte von S grösseren Umfangsgeschwindigkeiten entsprechen und der tiefere Wert entsprechend tieferen Wert en.
Der elektrische Energiebedarf an den Motorklemmen im Kurzstreckenverkehr für einen Autobus mit optimal ausgelegtem elektrischem Antrieb, d.h. Anfahrt ohne Verluste in Anfahrwiderständen und Rekuperationsbremsung bei ungünstigen Verhältnissen liegt
. , lOOWh
bei max. -γ^·
Für einen Stadtomni-^bus in beladenem Gewicht von 15 T wird somit im Kurzstreckenverkehr mit vielen Anhalten ca. 1,5 kWh/km benötigt. Wird alle 5 km eine Aufladestelle für Schnellaufladung vorgesehen, muss der Energiespeicher 7*5 kWh pro Entladung abgeben können.Bei Ausnutzung von 86 % der maximal speicherbaren mechanisehen Energie (n=100 % bis n= 40$ der max.Tourenzahl) und einem elektrischen Wirkungsgrad von 87 % inkl. Reibungsverlusten,ergibt dies eine benötigte max. gespeicherte mechanische Energie von 10 kWh oder 3,68 * 10 mkg, um die gestellte Bedingung erfüllen zu können. Wählen wir jetzt den optimalen Wert von S= #mkg/kg,
009845/0266 BAD ordinal
d.h. im vorliegenden Falle S - 5000 tt-j ergibt sich ein benötig^tes aktives Schwungradgewicht von
"=5 68 1O^
G = 5000 " (yb KS
und eine Geschwindigkeit von ly = 420 m/s, entsprechend Punkt C in der Kurve in Fig..3. Wird mit ca. 25Ο kg Gewicht der beiden Rotoren und dem Wellenanteil gerechnet, ersieht man, dass für die Bemessung der 'Lager mit einem Rotorgewicht von 1000 kg zu rechnen
Sucht man aus den Angaben der führenden Lagerhersteller die
dazu geeigneten Lager aus, die eine Lebensdauer von 20 000 Std. (ca. 3 Jahre) gewährleisten, kommt man zum Resultat, dass für ein Aggregat mit vertikaler Achse und ein axiales Kugellager als Traglager die max. Tourenzahl von η = 3000 T/min gewählt werden kann, währenddem bei horizontaler Lagerung gemäss der Erfindung mit Rollenlagern mit η = 8000 T/min gearbeitet werden
Fig. 4 zeigt die Kurven der Tragfähigkeit von Wälzlagern
in Funktion der Tourenzahl, wobei Kurve 1 für Kugellager für Axiallast und Kurve 2 für Rollenlager gilt.
Mit Ϋ = 420 m/s und η = 3000 T/min ergibt sich bei
vertikaler Lagerung ein Raddurchmesser von 420
D = ?Q00 r m 2,67 m
60
währenddem sich bei horizontaler Lagerung und bei 8000 T/min ein Durchmesser von
420
D = »OOP ** - 1,00 m oO
ergibt.
Wird für die vertikale Anordnung der Achse ein Lager gewählt,
das lOOO kg Axiallast bei 8000 T/min tragen müsste, ist' die
009845/0266 BAD ordinal
Lebensdauer eines solchen Lagers nur ca. 100 Std., was die Unmöglichkeit dieser Lösung zeigt.
Andere Lagerbauarten, wie z.B. Doppelkegelrollenlager,· eignen sich für diese Tourenzahl und diese Belastung nicht, da erstens sehr hohe Verluste auftreten, verglichen mit einfachen Zylinderrollenlagern und zweitens eine sehr aufwendige Schmierung und Kühlung benötigt wird, die für den Einbau in ein geschlos- ' senes Gehäuse unter Vakuum ungeeignet sind.
Das Beispiel zeigt deutlich, welche überraschende Reduktion der Dimensionen und Gewichte und Verbesserung der Lagerlebens-! dauer durch die Anordnung gemäss der Erfindung erreicht wird.
Durch die Anordnung gemäss der Erfindung ist es insbesondere möglich, den elektrischen Betrieb von Transportmitteln ohne Oberleitung zu verwirklichen, wobei sowohl betriebliche wie wirtschaftliche Resultate erreicht werden können, die einen Wettbewerb mit konventionellen Betriebsmitteln mit Oberleitung oder mit thermischen Motoren ermöglichen.
Angesicht der sich immer mehr verschlechternden Luft der Städte infolge der Abgase der Verkehrsmittel kommt dieser Entwicklung grösste Bedeutung zu.
Damit das Geräusch der hochtourigen Maschine die Fahrgäste nicht stört, wird das Aggregat mit einem geräuschdämpfenden Mantel umhüllt und gleichzeitig werden die Verluste mittels Flüssigkeitskühlung abgeführt.
BAD ORIGINAL
801841/121·

Claims (1)

  1. Patentanspruches
    Rotationsenergiespeieher, insbesondere für Antrieb von Fahrzeugen, mit in einem gasdicht geschlossenen Gehäuse, dessen Gasvolumen unter Unterdruck steht, eingebauten Schwungrad und mit diesem vereinigter elektrischer Maschine, auf Wälzlagern lagernd, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwungrad mit horizontaler Achse intxRadxKXKKg angeordnet ist, bei gleichzeitiger Verwendung von Umdrehungszahlen vorzugsweise im Gebiet von 6000 - 12 000 U/min, wobei das Speieheraggregat um eine vertikale Achse drehbar ÜSXSäESööüiSig angeordnet ist.
    %, Rotationsenergiespeieher nach Patentanspruch T, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Schwungrad zusammengebaute elektrische Maschine als Homopolar-Synchronmaschine mit feststehender Erregerwicklung und wicklungslosem Rotor ausgeführt wird.
    •2. Rotationsenergiespeicher nach Patentanspruch £, dadurch gekennzeichnet, dass geeignete magnetische Abschirmungen und Ablenkungen vorgesehen sind, um die Streuflüsse der Erregerwicklungen von den Lagerpartien der Maschine und vom Schwungrad fern zu halten.
    H 1
    5L. Rotationsenergiespeicher nach Patentanspruch 5-, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus nichtmagnetischem Material hergestellt ist.
    •i
    S. Rotationsenergiespeicher nach Patentanspruch i, dadurch gekennzeichnet, dass die Verluste des Aggregats mittels Flüssigkeitskühlung abgeführt werden und gleichzeitig das Gehäuse mit einem geräuschdämpfenden Mantel umhüllt wird.
    BAD ORiGfNAL
    .32261 009845/0266
    J580404
    5· Rotationsenergiespeicher nach Patentanspruch Ϊ-, dadurch gekennzeichnet, dass das Aggregat symmetrisch zur Schwungradmitte ausgebildet ist, bei gleichzeitiger Anordnung von je einer elektrischen Maschine auf jeder Seite des Schwungrades.
    1U. Rotationsenergiespeieher nach Patentanspruch i-, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung über die beiden Wellenenden gleich oder kleiner als der Sch^ungraddurchmesser ist, wobei die geometrische Umgrenzung des Aggregates im Betrieb durch eine gedachte Kugelschale gleichen Durchmessers wie der Schwungraddurchmesser erfolgt,
    UU h
    fr. Rotationsenergiespeieher nach -ttoteiianspruch fr, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse desselben als Kugelschale ausgebildet ist.
    Palud
    O. Rotationsenergiespeieher nach Ufi£-ei>&nspruch $~, dadurch gekennzeichnet, dass das Aggregat in einer an einem Fahrzeug fest montierten Halbkugelschale unter Zwischenlegung reibungshindernder Elemente allseitig drehbar angeordnet ist.
    iQT. Rotationsenergiespeieher nach Patentanspruch ±-, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwungrad und die beiden Wellenzapfen aus einem Stück geschmiedet sind.
    ■f/,-ΐθ·. Rotationsenergiespeieher nach Patentanspruch £·, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Erreichen optimaler Ausnützung der Speichermöglichkeiten ein Rad, bestehend aus einer Scheibe gleicher Festigkeit mit Kranz verwendet wird, das so dimensioniert ist, dass die spezifische Speicherfähigkeit in γ®^~
    kg
    zahlenmässig gleich wird der Beanspruchung in kg/cm , wobei Abweichungen nach oben und unten von ca. 20 % zulässig sind.
    009845/0266
    32263/
    t Verfahren zur erhöhten Ausnützung des Rotationsenergie-
    4
    Speichers nach Patentanspruch SL, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwungrad zwecks Abbau von Spannungsspitzen im Material bei der Schleuderprobe mit Ueberdrehzahlen betrieben wird, die eine Beanspruchung erzeugen, die über der Pliessgrenze des Materials liegt.
    MASCHINENFABRIK OERLIKON
    BAD ORIGINAL
    009845/0266
    Leerseite
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