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Schwungradspeicher Die wEglicakeit, mechanische Arbeit in einer um
ihren Schwerpunkt rotierenden idasse zu speichern, ist seit langem bekannt und wird
bei zahlreichen Kraft- und Arbeitsmaschinen angewendet. Bei der praktischen Ausführung
rotiert ein schwerer Ring, der durch mehrere Arme oder Speichen mit einer Welle
verbunden ist.
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Die Arbeitsaufnahme oder -Abgabe erfolgt durch Ver änderung, also
Zu- oder Abnahme der Geschwindigkeit der umlaufenden Masse. Derartige Schwungräder
dienen hauptsächlich zur kurz zeitigen Arbeitsaufnalune- und Abgabe, wie dies beim
Betrieb von Kolbenmaschinen gegeben ist, es sind aber auch schon Vorschläge gemacht
und in einzelnen Fällen praktisch realisiert worden, bei welchen die in einem Schwungrad
speicherbare Arbeit zum Antrieb und zur Fortbewegung von Fahrzeugen verwendet worden
ist. Der Nachteil dieser bekannten Schwungradspeicher besteht darin, daß bei ihnen,
selbst wenn sie in der konventionellen AusfUhrung aus Stahl höchster Festigkeit
hergestellt werden, das Gewicht des Schwungrades - bezogen auf die speicherbare
Arbeit - (in m kp) ein mehrfaches größer ist als die anderer Speicher, z.B.
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solche in Form elektrischer Akkumulatoren.
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Verfolgt man die physikalischen Gesetzmäßigkeiten zur Speicherung
von Arbeit in rotierenden Massen, so ist als bekannt festzustellen, daß bei gegebener
Festigkeit und gegebenem spezifischem Gewicht des Materials sich die größte Arbeit
in der Bauform des frei urtr laufenden Ringes speichern'läßt.
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Die im Material eines Ringes mit dem spezifischen Gewicht γ
bei der Umlaufgeschwindigkeit v auftretende Zugbeanspruchung # ist durch die bekannte
Gleichung
gegeben.
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Hierbei bedeutet g die Erdbeschleunigung.
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Die auf das Gewicht eines umlaufenden Ringes bezogene Speicherarbeit
ist mit der ebenfalls bekannten Gleichung festgelegt:
Setzt man nun den Wert der Geschwindigkeit v v aus Gleichung (1) in Gleichung (29
anion, so ergibt sich die auf das Gewicht des rotierenden Ringes bezogene Speicherarbeit
zu
Der auf der rechten Saite der Gleichung (3) stehende Ausdruck (#/#) ist mit dam
besonders in der Textiltechnik verwendeten Begriff der Reißlänge (R) eines Fadens,
also der Länge, die ein aufgehämgter Faden besitzt, bis er unter seinem Eigengewicht
abreißt, identisch.
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Unter Benutzung der bekannten Umrechnungseinheiten kann die Gleichung
(3) auch in der Weise angeschrienen werden, daß die Speicherarbeit a' in der bei
elektrischen Akkumulatoren üblichen Dimension (Wh/kg) sich wie folgt ergibt:
In den Gleichungen (4) und (3 ist die Größe der Speicherarbeit für den praktisch
nicht realisierbaren Fall angegenen, bei welchen der verwendete Werkstoff bis zu
seiner Zerstörung beansprucht und die gespeicherte Arbeit der bewegten Masse von
ihrer Höchstgeschwindigkeit bis zu ihrem Stillstand ausgenutzt sind.
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Die Gleichung für die praktisch erreichbare Speicherarbeit muß deshalb
noch durch zusätzliche Faktoren, die den Ausnützungsgrad kennzeichnen, ergänzt werden.
In der nachfolgenden Gleichung (5) bedeuten der Ausnützungsfaktor 1 die Berücksichtigung
des Sachverhaltes, daß der Werkstoff nur zu einem Bruchteil seiner Reißlänge beansprucht
werden darf, der Ausnützungsfaktor'2, daß die Geschwindigkeit der umlaufenden Massen
nicht bis auf die Geschwindigkeit Null ausgenützt werden kann. Der Auqnützungsfaktort3
berücksichtigt die durch endliche Abmessungen eines Schwungkranzes, gegenüber einem
unendlich dünnen Ring gegebene beschränkte WerkstoffausnUtzung. Schliesslich sollen
mit dem Ausnützungsfaktor»4 die durch Reibung und Leistungsübertragung entstehenden
Verluste berüc3sichtigt sein.
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Gegenstand der Erfindung ist der Aufbau eines Sctswungradspeichers,
bei welchen unter Anwendung der vorder läuterten physikalischen Gesetzmäßigkeiten
und Randbedingungen eine besonders große spezifische Speicherarbeit (Wh/kg) gewonnen
wird.
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Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß die ringförmige Masse
des Schwungrades aus thermoplastisch verstrecktem, und dadurch auf ein Vielfaches
(etwa das loo-fache) seiner ursprünglichen Zugfestigkeit ge brachten Kunststoff
besteht; ferner daß verstreckbarer Kunststoff, der vor seiner Verstreckung mit Whyskers
versetzt und dadurch bei erhöhtem spezifischel Gewicht eine ebenso große oder größere
Reißlänge besitzt, zum Aufbau des Schwungrades dient.
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weitere Gegenstände der Erfindung betreffen die praktische Verwirklichung
der vorgenannten allgemeinen Aufgabenlösung und sind wie folgt dadurch gekennzeiclmet,
daß verstreckte Monofile oder Folienbänder zu kreisringförmigen Spulen aufgewickelt
und die einzelnen Spulenwindungen durch Verklebung, Umspritzung oder Umgießung miteinander
verbunden sind; daß beim Aufwicklungsprozess die beiden Enden eines oder mehrerer
Monofile oder Folienbänder, gleichzeitig oder nacheinander zu zwei Spulenkörpern
mit entgegengesetztem wicklungssinn aufgewickelt sind, wobei die Monofile oder Folienbänder
am äußeren Umfang von dem einen zu dem anderen Spulenkörper, also endlos hinüpberwechseln
und die beiden Spulenkörper miteinander durch AleDen, Spritzen oder Gießen verbunden
sind; daß eines oder iiehrere Monofile oder Folienbänder zu einem in sich geschlossenen
Seilring verseilt sind;
daß der Schwungkranz aus einem oder mehreren
gegossenen, gespritzten oder extrudierten Ringen besteht, welche in einem besonderen
Arbeitsprozess bei Deibehaltung ihrer Ringgestalt durch kontinuierliche Vergrößerung
ihres Anfangsdurchmessers verstreckt sind; das der aus einer oder mehreren aufgewickelten
Spulen, Seilringen oder verstreckten Einzelringen bestehende Schwungkranz eine saubere
Umwicklung mit iqonofilen oder Folienbandern besitzt, daß mehrere gewickelte oder
aus einem Stück bestehende verstreckte Ringe verschiedenen Durchmessers radial s@mmetrisch
ineinander mit Zwischenräumen angeordnet sina und die Zwischenräume zwischen den
Rinyen, sowie ein besonders geschaffener Zwischenraum zwischen dem innersten Ring
und der Formwandung, mit Kunststoff ausgespritzt oder ausgegossen,oder ausgefüllt
sind; daß der Schwungring mittels zahlreicher aus verstrecktem Kunststoff bestehenden
Monofilen oder Folienbändern in ForzKl gewickelter, verteilter oder ringförmig ver
streckter, elastischer, endloser Seile oder Bänder mit der Achse des Schwungrades
über eine oder mehrere, mit zvllreichen, der Seilbefestigung dienenden Flanken oder
Aussparungen besitzenden Scheiben verbunden ist; daß die auf der Acilse des Schwungrades
befestigten Schei@en, welche die inden der Schlaufen der den Schwungkranz tragenden
Seilringe aufnehmen, gegeneinander zur vorspannung der die Speichen des Schwungrades
bildenden Seile verdrehbar und anschliessend verriegelbar sind;
daß
das Schwungrad innerhalb eines geschlossenen, weitgehend evakuierten gefäßes angeordnet
ist; daß die Lager des Schwungrades von der Gewicht des Schwungrades magnetisch
entlastet sind, daß die Energiezufuhr und Abfuhr vom Schwungrad einer einen elektrischen
Motor-Generator oder ein Ölmotor-Punpen-Aggregat erfolgt und die letztgenannten,
zur Energieübertragung dienenden Linriciltungen in der Zeit, in welcher dem Schwungrad
weder Energie zugeführt noch von diesen solche entnommen wird, abkuppelbar sind.
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Die Anwendung verstreckter Kunststoffe in der Form von Monofilen,
Folienbändern oder verstreckten Ringen zum Aufbau eines Schwungrades setzt die genaue
Beachtung der gegebenen physikalischen Eigenschaften des verstreckten Kunststoffes
voraus. durch seine Verstreckung wird die Zugfestigkeit des Kunststoffes, und zwar
auch in den Fall, wenn dieser mit Whyskers versetzt ist, nur in Richtung der Verstreckung
ertönt.
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Seine Zug- und Druckfestigkeit quer zur Verstreckungsrichtung, ebenso
sein Elastizitätsmodul andern sich dagegen praktisch nicht und bleiben somit ihrer
Größe nach den entsprechenden Werten des unverstreckten Kunst stoffes gleichwertig.
Auf die Festigkeitspro@leme eines umlaufenden Ringes angewendet, bedeutet dies,
daß verstreckte kunststoffe wohl in der Lage sind, größere Kräfte in Tangentialrichtung
aufzunehmen, eine Möglicnkeit zur gleichzeitigen Aufnahme radialer Kräfte auch nur
annähernd ähnlicher Größenordnung aber nicht gegeben ist.
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Da nun ein praktisch brauchbarer Schwungkranz endliche Abmessungen
besitzen muß, so ergehen sicn bei i.reis ringen verschiedenen Durchmessers durch
die l?liehkraft verschieden hohe Tangential Beanspruchungen. Diese verschieden hohen
Tangentialbeanspruchungen, die mit den Durchmesser des jeweiligen Ringes im quadrat
zu oder abnehmen, verursachen infolge gleichbleibenden Elastizitäts-Moduls unterschiedliche
Langenänderungen.
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So würden sich z.L.bei einem Schwungkranz, der aus Finzelringen verschiedenen
Durchmessers zusammengesetzt ist, bei beanspruchung des ganzes durch Pliehkräfte
die einzelnen Ringe dadurch voneinander lösen, daß sie infolge verschiedener Beanspruchung
auch verschiedene Längenänderungen, also Umfangs längen erfahren.
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Ein Schwungring mit derartigen Migenschaften ist aber praktisch unbrauchbar,
da dem Ring der innere Zusammenhalt fehlt und er diesen auch dann verlieren würde,
wenn er aus einem einzigen Stück bestünde, da seine festigkeit und Beanspruchbarkeit
in radialer Richtung größenordnungsmäßig nur 1/100-stel der FestigKeit in tangentialer
Richtung beträgt.
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Gemäß der Erfindung gibt es drei verschiedene Wege zur Beseitigung
der vorgenannten Schwierigkeiten.
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Der erste Weg besteht darin, daß Monofile oder Foliebänder zu einem
in sich geschlossenen Seilring miteinander verseilt werden.
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Der zweite Weg besteilt in der Ausführungsform, daß einzeln aufgewickelte
Spulenkörper oder extrudierte Ringe nach ihrer Zusammenfügung zu einem Schwungring
eine äußere Umwicklung in radialer Richtung ernalten, und diese Wicklung in einer
solchen Schichtstärke mit zugfesten Monofilen oder Folienbändern erfolgt, daß sie
zur Aufnahme der auftretenden radialen Kräfte befänigt ist.
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Schliesslich besteht ein weiterer Weg darin, daß mehrere aufgewickelte
oder aus einem Stück bestehende verstreckte Ringe verschiedenen Durchmessers radialsymmetrisch
ineinander mit Zwischenräumen verschiedener Stärke angeordnet sind, die mit unverstrecktem
Kunststoff ausgefüllt, ausgespritzt oder ausgegossen sind und auch der innerste
Ring eine solche i-uflage aus unverstrecktem Kunststoff erhält. Die Zwischenschichten
aus unverstecktem Kunststoff sowie die innerste Auflageschicht fellen dabei in einer
solchen Dicke ausgeführt, daß durch !ie Fliehkraft dieser praktisch nicht tragenden
Zwischen schichten alle Ringe unabhängig von ihrem Durchmesser die gleiche Tarigentialbeanspruchung
k3ei der Rotation des Schwungrades erfahren.
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Bei voller Ausnutzung der zulässigen Beanspruchung warm verstreckter
Monofile erreicht das Schwungrad Umfangsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von
mehreren 100 m/s.
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Diese Geschwindigkeit ist so hoch, daß sowohl im freien Raum wie auch
in einem geschlossenen Gefäß, welches mit einem Gas von atmosphärischem Druck gefüllt
ist, so hohe Reibungsverluste auftreten, daß die im Schwungrad ge'-speicherte Eneryie
nach relativ kurzer Zeit aufgezehrt wäre. In einen geschlossenen Gefäß würde sich
überdies die Oberfläche des Schwungrades so stark erwärmen, daß es bald zerstört
wäre, da die Festigkeit der Kunststoff-Monofile mit steigender Temperatur rasch
abfällt. Gemäß der Erfindung wird daher das Schwungrad in einem weitgehend evakuierten
Gefäß untergebracht, wodurch die Reibungsverluste sich praktisch auf die Lagerverluste
vermindern.
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Auch die letzteren lassen sich noch erheblich dadurch verringern,
daß die Lager vom Gewicht des Schwungrades durch einen kreisringförmigen Tragmagneten
entlastet werden.
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Die Erfindung werde anhand der Abbildungen näher erläutert; In Fig.
1 ist in perspektivischer Darstellung das Wickelschema wiedergegeben, nach welchem
gleichzeitig zwei Spulen aufgewickelt werden. Von dem verstreckten Monofil ist nur
die Mittellinie in der Zeichnung dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die beiden
Enden des Monofils in jeder der beiden Spulen innen liegen und an der Außenseite
das Monofil von der einen Spule zur anderen übergeht.
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In Fig. 2 sind in einer Ansicht die nach Fig. 1 fertig gewickelten
und zusamengeklebten Spulen (1> und (2) dargestellt, wobei das bandförmige oder
aus vielen Einzel fäden bestehende Monofil (3) von einer zur anderen Wicklung tbergeht.
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Fig. 3 zeigt in Ansicht und Schnitt einen gegossenen, gespritzten
oder extrudierten Ring (4), der anschliessend auf die im Schnitt dargestellten Abmessungen
(5) durch Warmverstreckung gebracht ist.
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Fig. 4 stellt in Ansicht einen aufgeschnittenen Seilring (6) dar,
der aus einem oder mehreren ttnofilen (7) auf einer besonderen Verseilmaschine gewickelt
ist.
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Der Verlauf der Wicklung ist aus der Fig. 4 mit der Einzeichnung der
Mittellinie des Monofils (7) dargestellt.
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In Pig. 5 ist der Schnitt durch einen Schwungkranz, bestehend aus
zahlreichen wickelkörpern nach Fig. 2 undXoder FSg. 3, die zusammengefaßt den kreisförmigen
Querschnitt (8) besitzen, gezeigt. Der aus zahlreichen einzelnen Ringen bestehende
gesamte Ringquerschnitt (8) ist durch die Umwicklung (9} zusammengehalten.
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Fig. 6 zeigt einen Schwungkranz aus mehreren nach Fig. 3 verstreckten
Ringen (10), (ll) und (12>, die ringförmige Auflagen (13), (14) und (15) verschiedener
Dicke aus Kunststoff besitzen. Diese, die verstreckten Ringe (10), (11) und (12)
verbindenden Kunststoffauflagen, deren Zugfestigkeit etwa loo mal kleiner ist als
die Zugfestigkeit der Ringe (10), (11) und (12), bewirken bei der Fliehkraftbeanspruchung
des Schwungkranzes eine gleichmäßige Beanspruchung der hochfest verstreckten Ringe
(10), (11) und (12>.
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In der Fig. 7 ist die Aufhängung und Befestigung eines Schwungringes
an einer Welle (16) mittels aus verstreckten Monofilen bestehenden endlosen Seilringen
(17) gezeigt. Die Seilringe (17) sind an Ha-ken (18) der Scheiben (19) und (20)
eingehängt und werden durch Verdrehen der Scheiben (19> und (20) gegeneinander
gespannt.
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Nach erfolgter Spannung werden die Scheiben (19> und (20) in ihrer
Lage zur Weile (16) durch Verriegelung festgehalten.
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In Fig. 8 ist im Schnitt die Anordnung eines Schwungkranzes innerhalb
eines evakuierten Gefäßes (21) gezeigt. Die Welle (22> des Schwungkranzes ist
in den Lagern (23) und (24> gelagert, wobei die das evakuierte Gefäß nach außen
durchdringende Welle (22) mittels einer in einem ölbad umlaufenden Schleifringes
abgedichtet ist. Über ein im Gehäuse fest eingebauten Tragmagneten (25) und dem
auf der Welle (22) befestigten, kreisringförmigen Scheibe (26) lassen sich die Lager
von dem Eigengewicht des Schwungkranzes entlasten. Mittels der Kupplung (27) wird
über das mechanische oder elektrische Antriebsaggregat (28) des Schwungrad Energie
zugeführt oder von diesem entnommen Fig. 9 seit eine Draufsicht auf das Gefäß (21)
und das zur Energie zufuhr und Energieentnahiae dienende Aggregat (28).