DE2141581A1 - Vorrichtung zur Energiespeicherung - Google Patents

Description

DIPL.-ING. R. LEMCKE Patentanwalt

Stephen F. Post, 1630 Orchard lane, Walnut Creek, California 94595/USA

"Vorrichtung zur Energiespeicherung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung von Trägheitsenergie in mindestens einem Rotor· Die im Rotor gespeicherte Energie wird dabei im allgemeinen durch einen angekuppelten Generator in Form von elektrischer Energie dem Speicher entnommen·

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Fahrzeuge, deren Antriebsenergie einem Speicher für Trägheitsenergie entnommen wird, sind in den Vereinigten Staaten von Amerika bereits getaut und benutzt worden. Bei einem derartigen, im Busverkehr einer Großstadt eingesetzten Fahrzeug lieferte ein 1,5 t schweres Schwungrad von 1,6 m Durchmesser die notwendige Antriebsenergie. Die Reichweite dieses Fahrzeuges betrug bei einmaliger Energieaufnahme etwa 2,5 km, so daß an nahezu jeder Bushaltestelle eine Einrichtung zum Wiederaufladen des Energiespeichers zur Verfügung stehen mußte. Der Aufladevorgang dauerte ca. zwei Hinuten.

In neuerer Zeit ist vorgeschlagen worden, Faserwerkstoffe hoher Zugfestigkeit in Rotoren zur Trägheitsenergiespeicherung einzusetzen, um die Dichte der gespeicherten Energie, d. h. die gespeicherte Energiemenge pro Volumeneinheit der Speichervorrichtung zu erhöhen.

Diese Vorschläge haben bereits zu einer beträchtlichen Zunahme der Energiedichte in Speichervorrichtungen geführt. Jedoch ist man noch weit von solchen " Werten entfernt, bei denen die heute gebräuchlichen, umweltverschmutzenden Brennkraftmaschinen durch Trägheit s energiespeicher verdrängt werden könnten.

Die Notwendigkeit, Energiespeicher mit maximaler

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Energiediehte zu "bauen, ist besonders bei deren Anwendung zum Antrieb von Personenkraftwagen akut, da in diesem Pail jeder zusätzliche P.latzbedarf des Energiespeichers auf Kosten des Fahrgast- bzw. des Laderaumes geht.

Daher liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Torrichtung zur Speicherung von Trägheitsenergie zu schaffen, bei der die erzielbare Energiedichte wesentlich höher ist als bei derartigen, bisher bekannten Energiespeichern. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Speichervorrichtung zum Antrieb von Kraftfahrzeugen geeignet sein und sich durch hohe Sicherheit gegen Unfälle beim Auseinanderbrechen eines Rotors infolge Drehzahlüberschreitung auszeichnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rotor aus zahlreichen konzentrisch angeordneten Ringen verschiedener Durchmesser besteht und daß die mechanischen Eigenschaften des Ringmaterials gemäß folgender Gleichung auf den Radius des jeweiligen Ringes abgestimmt sind:

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wobei E der Elastizitätsmodul des betreffenden Ringes, Q die mittlere Dichte des betreffenden Ringes, C eine Konstante, r der Radius des betreffenden Ringes und η eine Größe ungleich null ist.

Durch die erfindungsgemäße Abstufung der Materialeigenschaften des jeweiligen Ringes in Abhängigkeit von dessen Radius ergibt sich gegenüber den bisher bekannten Speichervorrichtungen mit umlaufenden Rotoren eine Steigerung der Energiedichte um etwa 80 #. Die Distanzänderungen zwischen benachbarten Ringen sind außerordentlich gering, so daß man mit entsprechend kleinen Zwischenräumen auskommt und eine dichtere Ringpackung aufbauen kann, und außerdem unterliegt der zwischen den Ringen befindliche Füllstoff infolge der geringen Distanzänderungen der Ringe einer entsprechend niedrigen Beanspruchung.

Unter normalen Betriebsbedingungen ist es zweckmäßig, für den Exponent η einen konstanten Wert nahe 2 zu wählen. Soll jedoch der Rotor ständig in der Nähe seiner höchstzulässigen Drehzahl betrieben werden, oder bei besonderen Anforderungen an die Energie-P dichte im Speicher, so empfiehlt es sich, für η nicht mehr einen konstanten Wert einzusetzen, sondern ihn in Abhängigkeit des Ringradiuses r zu variieren.

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Die Ringe, die zweckmäßig in einem elastischen Füllstoff eingebettet sind, werden vorteilhafterweise aus Glas oder glasähnlichem Material hergestellt. Daneben hat es sich auch als günstig erwiesen, die Ringe aus in einem Bindemittel eingebetteten Fasern herzustellen, wobei die Fasern vor ihrer Berührung mit dem Bindemittel miteinander verdrillt werden.

Aus schaltungstechnischen Gründen hat es sich ferner als vorteilhaft erwiesen, zwei Rotoren vorzusehen, die in umgekehrten Drehrichtungen umlaufen. Um die Reibungsverluste an den Rotoren gering zu halten, ist das sie aufnehmende Gehäuse evakuiert und aus Sicherheitsgründen in einen flüssigkeitsgefüllten Tank eingetaucht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh— rungsbeispieles anhand einer Zeichnung; darin zeigt:

Fig. 1 den Aufriß einer erfindungsgemäßen Speichervorrichtung ;

Fig. 2 die Teilansicht eines Speicherrotors gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 einen Querschnitt des Speicherrotors längs den Linien 3-3 in Fig. 2.

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Die in den Fig. 1,2 und 3 dargestellte Speichervorrichtung 10 weist zwei Rotoren 12, 14 zur Speicherung von Trägheitsenergie auf. Die Rotoren 12, 14 sind in einem evakuierten Gehäuse 16 angeordnet, das sich seinerseits in einem flüssigkeitsgefiillten Tank 18 befindet.

Das kugelige Gehäuse 16 weist einen Druck von etwa 10"*^ bis 10""'' Torr auf. Hierdurch sollen Energieverlust t aufgrund der Luftströmung und ihres Widerstandes, Beschädigungen der Rotoren durch chemischen Angriff gering gehalten und die Energieabsorbtion im Falle eines Rotorbruchs erleichtert werden.

Als Vorsichtsmaßnahme gegen einen Rotoarbruch infolge versehentlich Überschreitung der maximal zulässigen Drehzahl ist der Tank 18 mit einem zähflüssigen Medium 20 von hoher Dichte gefüllt, beispielsweise mit A'thylen-Glykol. In einer Wand des Tanks 18 kann eine geeignete Expansionskammer des Typs, der beispielsweise in flüssigkeitsgefüllten Schiffskompassen Anwendung findet, vorgesehen werden, um die thermische Ausdehnung der Füllflüssigkeit 20 zu kompensieren.

Als weitere Sicherheitsmaßnahme kann die Flüssigkeit 20 mit kleinen Partikeln 22 aus porösem, stark quetschfähigem Material gefüllt werden, die zur Energieabsorbtion der nach außen fliegenden Rotorbruch-

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stücke zur Verfugung stehen. Als geeignetes Material für die Partikel 22 kann Polyurethanschaum verwendet werden, das mit einer äußeren Schutzschicht versehen ist.

Auf weitere Sicherheitsmaßnahmen wird nachfolgend noch eingegangen.

Aufgrund der hei der Speicherung von Trägheitsenergie mittels Rotoren erzielbaren hohen Energiedichte ist es möglich, praktisch benötigte Energiemengen auf kleinem Raum zu speichern, so daß ausreichend Platz bleibt, die Speichervorrichtung mit einer Schutzverkleidung zu versehen, die die kinetische Energie eines infolge Drehzahlüberschreitung auseinanderbrechenden Rotors aufnehmen kann. Dabei bleiben die Außenabmessungen der Schutzverkleidung ausreichend gering, um den Einbau der gesamten Speichervorrichtung in kleinere Kraftfahrzeuge zu ermöglichen, ohne daß dabei übermäßige Platzeinbußen im Fahrgast- oder Laderaum in Kauf genommen werden müßten.

Der Tank 18 kann beispielsweise als gegossener oder geschweißter Rahmen 24 mit sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckenden Wandteilen ausgebildet sein. An seinen beiden gegenüberliegenden offenen Seiten ist

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der Rahmen 24 mit entsprechenden Flanschen 28, 30 versehen, an denen Deckplatten 32, 34 mittels Schrauben 38 und Muttern 40 flüssigkeitsdicht befestigt werden können. Der Rahmen 24 kann ebenso wie die Deckplatten 32, 34 mit Versteifungsrippen 26 bzw. 36 versehen sein. Zwischen dem Rahmen 24 und den Deckplatten 32, 34 befindet sich eine Dichtung 42.

Wie Fig. 2 und 3 zeigen, ist in die Nabe 44 des Rotors 14 ein sechspoliger Wechselstrommotor 46 eingell baut. Entsprechend ist auch in der Nabe 48 des Rotors 12 ein nicht gezeigter sechspoliger Wechselstrommotor 50 angeordnet. Die elektrische Energie, die bei Generatorbetrieb des Motors 46 erzeugt wird, gelangt in die Leiter 52, 54» 56, die, wenn sie zusammen verdrillt sind, das gemeinsame Bezugszeichen tragen. Die vom Motor 50 erzeugte elektrische Energie gelangt in die drei Leiter 60, 62, 64» die, wenn sie zusammen verdrillt sind, das gemeinsame Bezugszeichen 66 tragen. Die Befestigung des Kabels 66 am Gehäuse 16 und an seinen Zwischenwänden erfolgt durch Klammern 68. Über ein vakuumdichtes Element 70 passieren die elektrischen Leiter 52, 54, 56, 60, 62 " und 64 die Wand des Gehäuses 16 und von dort über ein flüssigkeitsdichtes Element 72 die Wand des Tanks Wie Fig. 1 zeigt, weisen die elektrischen Leiter zwischen den Dichtelementen 70 und 72 jeweils eine

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Schlinge auf, die eventuelle Relativbewegungen zwischen dem Gehäuse 16 und dem Tank 18 ausgleicht.

Das Gehäuse 16 ist mit seinem Inhalt so auf die Dichte der Flüssigkeit 20 abgestimmt, daß letztere eine dämpfende Wirkung bei Verlagerungen des Gehäuses 16 ausübt, wobei das Gehäuse 16 mit seinem Inhalt einen durch die Flüssigkeit 20 bedingten Auftrieb unterliegt, der etwas geringer als das Gewicht des Gehäuses 16 mit Inhalt ist. Dies bewirkt, daß das Speichergehäuse 16 Beschleunigungen des Tanks 18, wie sie bei der Anwendung des EnergieSpeichers zum Kraftfahrzeugantrieb auftreten, in einer gedämpften Weise nachvollzieht, zumal das Gehäuse 16 mittels eines Stützgestelles 74 elastisch auf dem Boden des Tanks 18 gelagert ist.

Das Stützgestell 74- besteht aus mehreren Stützen, von denen einige, 76, 78, 80, 82 in Fig. 1 dargestellt sind. Diese Stützen sind am Boden des Tanks längs einer Kreisbahn befestigt. An diese Stützen schließen sich Wendelfedern 84, 86, 88, 90 an, die an ihrem oberen Ende jeweils einen Kopf 92, 94, 96 tragen. Das obere Ende eines jeden Kopfes weist eine glatte, abgerundete Oberfläche auf, die am Gehäuse anliegt und dieses gegenüber dem Tank 18 abstützt, ohne es zu beschädigen. Ferner sind die Köpfe 92, 94»

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96 mit Querbohrungen versehen, die gemeinsam τοη einer Zugfeder 98 durchquert werden. Die Zugfeder hat die Aufgabe, die Stützen 76, 78, 80, 82 federnd zusammenzuhalten und der durch das Gewieht des Gehäuses 16 bewirkten Spreizkraft entgegenzuwirken. Die Länge der Zugfeder 98 ist so bemessen, daß sie unter normalen Bedingungen kreisförmige Gestalt aufweist und daher die Wand des Gehäuses 16 nicht berührt, so daß das Gehäuse 16 lediglich auf den Köpfen 92, 94, 96 des Stützgestelles ruht und seine Relativbewegungen bezüglich des !Tanks 18 durch die Flüssigkeit 20 gedämpft werden.

Zur federnden Lagerung des Gehäuses 16 im Tank 18 dienen weiterhin mehrere Dauermagnet· 100, 102, 104, 106, 108, 110 und 112. Auf der Innenfläche einer jeden vertikalen Seitenwand des Tanks 18 sitzt ein einzelner Dauermagnet, mit dem jeweils vier Dauermagneten zusammenarbeiten, die auf der Außenseite des Gehäuses 16 angebracht sind. Wie Pig. 1 zeigt, arbeiten auf diese Weis· die vier Dauermagnet· 104, 106, 108 und 110 (wobei die Magnete 108 und 110 von den Magneten 104 und 106 verdeckt sind) mit dem Dauermagnet 112, der an der rechten Seitenwand de· Tanks 18 angebracht ist, zusammen. Die freien Enden

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aller Dauermagnete 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112 weisen die gleiche magnetische Polarität auf. Nimmt man beispielsweise an, daß alle freien Enden der Dauermagnete Südpole seien und daß die vier an der Gehäusewandung befestigten Magnete 104, 106, 108, 110 äquidistant zu dem mit ihnen zusammenarbeitenden Magnet 112 angeordnet sind, was unter normalen Umständen der Fall ist, so erzeugt jede Kraft, die das Gehäuse 16 aus seiner Normalposition verlagern will, eine entsprechende magnetische Gegenkraft, wobei jeweils vier zusammengehörige, am Gehäuse 16 angeordnete Magnete mit einem am Tank 18 angeordneten Magnet zusammenarbeiten. Gleichermaßen ruft auch eine Drehbewegung des Gehäuses 16 um seine vertikale Achse im Uhrzeigersinn (wenn man von der Oberseite in Pig. 1 nach unten blickt) magnetische Gegenkräfte zwischen den Magneten 108, 110 und Magnet 112 und ebenso zwischen den an den drei anderen Seitenwänden angeordneten Magneten hervor. Auch bei vertikalen Verlagerungen des Gehäuees 16 relativ zum Tank 18 erzeugt die beschriebene magnetische Anordnung entsprechende Gegenkräfte.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die jeweils zusammenarbeitenden Magnete durch Zugfedern zu ersetzen, die sich von ihrer Tankseitenwand zum nächst-

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gelegenen Punkt des Gehäuses 16 erstrecken.

Auf der Unterseite dts Gehäuses 16 sind mehrere Stifte 114f 116 längs einer horizontalen Kreisbahn angebracht, wie dies in Pig. 1 angedeutet ist. Diese Stifte dienen zur Begrenzung möglicher Kippbewegungen des Gehäuses 16, indem sie mit der Zugfeder 98 oder den Köpfen 92, 94, 96 in Anlage kommen.

Als weitere Schutzmaßnahme gegen einen eventuellen P Bruch des Rotors 12 oder 14 dient ein Sicherheitsgtirttl 118, der an der Innenseite des Tanks 18 angebracht ist, wie Fig. 1 zeigt. Als Werkstoff für diesen Gürtel dient beispielsweise earbonisiertes, faserstoffartiges Material, das durch Epoxyd-Bindemitteln zu einer einheitlichen Masse verbunden ist. Bei Anwendung eines solehen Gürtels 118 ist es zweckmäßig, die äußeren Magnete 112 usw an Stegen 120 zu befestigen, deren Enden an den vertikalen Seitenwänden des Tanks 18 angebracht sind. Dadurch werden Durchbrechungen des faserstoffartigen Materials vermieden, und der Gürtel 118 befindet sich in der zu sichernden Zone. Bei kreisförmiger Gestaltung des Gürtels 118 (beispielsweise konzentrisch zu den Eotoren 12 und 14) steht die Dämpfungsflüssigkeit 20

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über eine maximale Berührungsfläche mit den metallischen Wänden des Tanks 18 in Verbindung und gestattet damit einen maximalen Wärmetransport. Wäre der Gürtel 118 dagegen in viereckiger Form entlang den Wänden des Tanks 18 geführt, so würde dadurch viel Wärmeübertragungsfläche verlorengehen.

Betrachtet man nun das Innere des Gehäuses 16, so zeigt Pig. 1, daß dieses im wesentlichen aus den beiden Rotoren 12 und 14 zur Speicherung von Trägheitsenergie besteht.

Die Rotoren 12 und 14 sind mittels dreier Lagerplatten 130, 132 und 134, von denen lediglich die beiden letztgenannten in der Zeichnung sichtbar sind, in dem Gehäuse 16 gelagert.

Die Lagerplatte 134 ist oberhalb des Rotors 12 angeordnet und trägt dessen oberes Ende. Die Lagerplatten 130, 1.32, 134 können direkt an der Innenfläche des Gehäuses 16 angebracht sein, beispielsweise durch Anschweißen und, wie die Fig. 1 und 2 zeigen, an ihrem äußeren Umfang einen Ring 136 zur besseren Spannungsverteilung aufweisen.

In den Fig. 2 und 3 wird der Aufbau des unteren

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Rotors 14 näher beschrieben, wobei die diesbezüglichen Erläuterungen im wesentlichen auch für den oberen Rotor 12 gelten.

Der Rotor 14 besteht aus einer als breitem Kranz ausgebildeten Felge 140, zahlreichen Speichen 142-1 bis 142-12 und einer Nabe 44. Die Nabe 44 läuft auf einer Achse 144 um.

Die Felge 140 ist aus zahlreichen Ringen 150 zusammengebaut, die aus Material hoher Zugfestigkeit, beispielsweise Glaswerkstoffen, hergestellt sind.

Die Ringe 150 sind innerhalb mehrerer konzentrischer, zylindrischer Schalen angeordnet, die die Bezugszeichen 150-1 bis 150-8 tragen. Wie aus Fig. 2 weiterhin hervorgeht, sind innerhalb jeder zylindrischen Schale fünfzehn Ringe 150 übereinanderliegend angeordnet. Somit enthält die Felge 140 insgesamt 120 Ringe, die auf acht konzentrische, zylindrische Schalen aufgeteilt sind. Die Anzahl der Ringe kann ebenso wie ihr· Querschnittsform den jeweiligen Anforderungen entsprechend abgewandelt werden. In besonderen Fällen kann es beispielsweise zweckmäßig sein» daß jede Schale nur aus einem einzelnen dünnen

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Ring von beträchtlicher axialer ErStreckung besteht. Dabei soll unter dem Begriff "dünner Ring" jeder Ring verstanden werden, dessen radiale Dicke relativ gering bezüglich seines mittleren Radiuses ist, so daß der Einfluß der Zentrifugalkraft im wesentlichen nur Umfangsspannungen hervorruft und alle anderen Spannungsformen vernachlässigbar sind.

Die Ringe 150 sind in einen elastischen Füllstoff 152, der vorzugsweise einen geringen Dampfdruck aufweist, wie beispielsweise Silikongummi, eingebettet.

Der Füllstoff 152 kann seinerseits an einer zylindrischen Innenhülse 154- der Felge befestigt sein. Die Innenhülse 154 weist mehrere Schlitze 156 auf, in welche die äußeren Enden der Speichen 142-1 bis 142-12 hineinragen.

Wie aus einem Vergleich der Fig. 2 und 3 hervorgeht, können die Speichen 142-1 bis 142-12 aus Plattenmaterial, beispielsweise Aluminiumplatten, hergestellt und in leichter Bauweise ausgeführt sein.

Wie Fig. 2 zeigt, verjüngen sich die dünnen, rippenähnlichen Speichen 142-1 bis 142-12 nach außen, um die Radialspannungen innerhalb der Speichen zu vermindern. Diese Verjüngung kann beispielsweise mit

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dem Quadrat des Radiuses erfolgen, wodurch die Radialspannung bei einem bestimmten Radius wesentlich geringer⁷ ist als bei einer nicht verjüngten Speiche.

Mit anderen Worten: Die Speichen 142-1 bis 142-12 haben lediglich die Aufgäbe, die Felge 140 in ihrer Arbeitsstellung bezüglich der Nabe 44 zu halten und die relativ geringen Drehmomente während der !eist ungsaufnähme und -abgabe der Felge HO zu übertragen. Die von den Speichen zu übertragenden Drehmomente sind deshalb relativ gering, weil die Eotoren gemäß der Erfindung bei hohen Betriebsdrehzahlen von 500 bis 2500 Umdrehungen pro Sekunde umlaufen.

Die genauere Beschreibung weiterer Einzelheiten hierzu findet sich in der amerikanisehen Patentanmeldung S.H.118,227 dew Angehörigen des Anmelders, Richard F, Post.

Die Nabe 44 enthält einen Mantel 160 aus hoch zugfestem Material, etwa aus einer Kohlenstoff- bzw. G-lasfaser-Epoxydverbindung (vergleiche "Carbon Fiber Composites for Aerospace Structures, A. C. Ham, Physics Bulletin, (British), Band 20, Seite 444» ¹969; Popular Science magazine, Pebruar- 1969)« Der Mantel ist ro& z-vlindriseher Form und an. seiner Außenfläche mit liiehrGren Benützen 162 verseilen _f in denen ,ieweilc?

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die inneren Enden der Speichen 142-1 bis 142-12 stecken. Wie Mg. 2 zeigt, läuft der Mantel 160 an seinem oberen Ende in einer konischen Spitze 164 aus, deren Funktion nachfolgend erläutert wird.

Auf der Innenseite des Nabenmantels 160 ist eine zylindrische Ausnehmung 166 vorgesehen. In ihr befindet sich ein zylindrischer Magnetkörper 170, der entweder aus magnetischem Weicheisen oder, um die Eisenverluste zu vermindern, aus magnetischen Stahllamellen hergestellt sein kann. TJm den Magnetkörper 170 in die zylindrische Ausnehmung 166 einzubauen, ist deren unterer Teil, der Sockel 172, als selbständiges, vom Mantel 160 getrenntes Element ausgebildet. Bei dieser Konstruktionsweise kann der Magnetkörper 170 in achsparalleler Richtung in die zylindrische Ausnehmung 166 eingeschoben und danach der Sockel 172 auf den Mantel 160 aufgesteckt werden, wobei die Trennungsfuge mit den gestrichelten Linien 174 in Fig. 2 dargestellt ist. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, den Mantel 160 mit seinem Sockel 172 als einstückiges Teil auszuführen, indem es beispielsweise um den Magnetkörper 170 herumgegossen wird»

In der Ausnehmung 166 sind außerdem die Magnetfeld-

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pole 180-1 Ms 180-6 des Wechselstrommotors 46 untergebracht» Wie Fig. 3 zeigt, befinden sich zwischen den Polen 180-1 bis 180-6 Zwischenstücke 182, die aus demselben Material wie der Mantel 160 hergestellt sind. Sie Pole sind in üblicher Weise mit dem Magnetkörper 170 verbunden, während die Zwischenstücke durch entsprechende Öffnungen im Magnetkörper 170 hindurch direkt mit dem Mantel 160 verbunden seih können.

Wie Fig. 2 zeigt, sind weitere Dauermagnete 184-1 und 184-5 in der Innenwand der konischen Spitze des Mantels 160 eingebaut. Die nach innen ragenden Magnetflächen 186-1 und 186-5 fluchten mit der inneren Oberfläche 188 der konischen Spitze 164. In der Innenfläche 188 sind acht zusätzliche Dauermagnete 184-2 bis 184-4 und 184-6 bis 184-10 untergebracht. All diese Dauermagnete 184-1 bis 184-10 sind gleichmäßig um die Symmetrieachse des Mantels 160 verteilt und bilden einen Kreis, dessen Ebene senkrecht auf dieser Symmetrieachse steht. Ihre inneren Magnetflächen 186-1 bis 186-10 fluchten jeweils mit der Innenfläche der konischen Spitze 164» Diese Dauermagnete arbeiten mit einer entsprechenden Reihe von in der Achse befindlichen Dauermagneteja 190-1 bis 190-10 zusammen

und bilden eine reibungsarme Magnetlagerring für den Rotor .14.... Selbstverständlich sind auch die Magnetflachen 192-1 bis 192-10 fluchtend mit der konischen Oberfläche der Achse 144 angeordnet.

Eine zweite, demselben Zweck dienende Magnetlagerung befindet sich am Säckel 172 des Mantels 160 und besteht aus einer Reihe von Dauermagneten 200-1 bis 200-10, die in den Sockel eingebaut sind und mit einer entsprechenden Reihe von in der Basis 204 der Achse 144 angeordneten Dauermagneten 202-1 bis 202-10 zusammenarbeiten. Auch hier sind wiederum die' Außenflächen der Magnete fluchtend in der Oberfläche'206 des Sockels 172 bzw. in der Oberfläche 208 der Basis 204 eingebaut.

Zusätzlich zu der vorbeschriebenen Magnetlagerung sind noch ein oberes und ein unteres Gleitlager zur Fixierung des Rotors 14 vorgesehen. Diese Gleitlager dienen jedoch nur dann zur Führung des Rotors, wenn dieser stillsteht oder bei niedrigen Drehzahlen umläuft oder wenn der Rotor bei Anwendung des Energiespeichers zum Kraftfahrzeugantrieb scharfen Beschleunigungen oder Verzögerungen unterworfen wird. Bei höheren Drehzahlen entfaltet die Magnetlagerung ihre volle Wirkung und entlastet dadurch die Gleitlager«.

Das obere Gleitlager 210 besteht- aus einer selbst-

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schmierenden Buchse 212, beispielsweise aus Teflon, die in einer Öffnung der Lagerplatte 132 sitzt und durch eine Scheibe 214·, die ihrerseits an der Unterseite dieser lagerplatte befestigt ist, gehalten wird. In der Buchse 212 läuft ein zylindrischer Bolzen 220, der an seinem oberen Ende einen nach außen ragenden Absatz 218 aufweist, der von der oberen Stirnfläche der Buchse 212 getragen wird. Mittels einer Haltescheibe 222 und einer Schraube 228 ist der Bolzen an der konischen Spitze 164 des Mantels 160 befestigt.

Das untere Gleitlager 230 besteht aus einem metallischen Gleitring 232, der in die konische Oberfläche der Basis 204 fluchtend eingebettet ist. Der Gleitring 232 arbeitet mit einem ähnlichen Gleitring 234 zusammen, der in dem konischen Sockel 172 des Mantels 160 fluchtend eingebaut ist. Der Gleitring 232 kann beispielsweise aus wärmefestem Metall hergestellt sein, während Gleitring 234 zweckmäßig aus einem mit Molybdändisulfid getränkten Sintermetall besteht. Bei einer derartigen Werkstoffauswahl wird das im Gehäuse 16 herrschende Vakuuum nicht nennenswert beeinträchtigt. Da der Rotor 14 sehr rasch von dem Wechselstrommotor 46 auf seine hohe Betriebsdrehzahl Ton 500 bis 2500 Umdrehungen pro Sekunde gebracht wird, sind die beiden Gleitringe 232 und 234 ebenso wie die Gleitflächen des oberen Gleitlagers

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nur relativ kurze Zeit miteinander in Berührung, so daß "beide Gleitlager eine hohe lebensdauer aufweisen.

In Verbindung mit den Fig. 2 und 3 folgt nun die Beschreibung der Achskonstruktion. Die Achse 144 besteht aus ihrer Basis 204, ihrer Abschlußkappe 240 und dem Stator 241 des Wechselstrommotors 46. Die Basis 204 und die Abschlußftappe 240 können aus dem gleichen Material wie der Mantel 160 hergestellt sein.

Wie bereits weiter oben beschrieben wurde, sind die Dauermagnete 190-1 bis 190-10 der oberen Magnetlagerung in die Abschlußkippe 240 fluchtend eingebettet. Weiterhin sind in der Abschlußkappe 240 mehrere Gewindebohrungen 242 angebracht, die, wie aus Fig. 2 hervorgeht, zur Aufnahme von Schrauben 244 dienen. Diese Schrauben 244 durchqueren zunächst Bohrungen in der Basis 204 und in den magnetischen Blechlamellen 246, bevor sie in die Gewindebohrungen 242 eingeschraubt werden können. Falls das Material der Abschlußkappe 240 nicht geeignet ist, mit Gewindegängen ausreichender Stärke versehen zu werden, so können Buchsen aus geeignetem Werkstoff in die Abschlußkappe eingesetzt werden. Die Spindel 242 besteht somit aus ihrer Basis 204, einem Paket von magnetischen Blechlamellen 246 und der Abschlußkappe 240 und wird durch Schrauben 244 zusammengehalten.

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Wie aus Fig. 3 hervorgeht, weisen die Blechlamellen sechs vertikal verlaufende Schlitze 248 auf. Diese Schlitze sind mit zahlreichen Windungen 250 ausgefüllt, die über die elektrischen Leiter 52, 54 und 56 so zusammengeschaltet sind, daß in diesen eine Dreiphasen-Wechselspannung entsteht, sobald es bei einer Drehung des Rotors 14 um die Achse 1444 zu einem periodischen Wechsel des magnetischen Flusses kommt. Die korrespondierenden Statorwicklungen des darüber befindlichen Wechselstrommotores 50 sind so angeschlossen, daß der Rotor 12 im entgegengesetzten Drehsinn wie der Rotor 14 umläuft, wenn die gleiche Dreiphasen-Antriebsspannung an die Leiter 52, 54, und 60, 62, 64 angelegt wird.

Wie aus Fig. 3 weiter hervorgeht, ist die Basis 204 mit Schrauben 252 und 254 an der Lagerplatte 130 befestigt.

Der vorbeschriebene Trägheitsenergie-Speieher kann beispielsweise in einen Fahrzeugtyp eingesetzt werden, der in dem Heft "Machine Design", 23. Juni 1966, Seite 150 ff und in dem Heft "Popular Science", August 1966, Seite 86 ff, beschrieben ist.

Wie aus dem genannten Artikel in "Machine Design" hervorgeht, besteht für den darin erwähnten Zyklokonverter keine Begrenzung der maximalen Eingangsfrequenz,

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sondern es wird lediglich die Form der Konverter-Ausgangswellen mit zunehmendem Frequenzverhältnis verbessert. Dies bedeutet, daß die in den elektrischen Leitern 52, 54» 56 und 60, 62, 64- erzeugten Spannungen in einfacher Weise auf den für das anzutreibende Fahrzeug geeigneten Spannungswert eingeregelt werden können.

Selbstverständlich ist der Anmeldungsgegenstand genausogut zum Antrieb anderer (Schienen·^·)Fahrzeuge oder für den stationären Betrieb geeignet. .

Die Energie, mit der der Speicher aufgeladen werden muß, d. h. mit der die Rotoren 12 und 14 auf ihre Betriebsdrehzahl zu bringen sind, kann von einer frequenzvariablen Drehspannungsquelle, wie sie allgemein in dem genannten Artikel in "Machine Design" beschrieben ist, geliefert werden. Außerdem kann dae Aufladen auch mittels eines statischen Frequenzumformers und einer Gleichstromquelle erfolgen.

Selbstverständlich können die Wechselstrommotoren in den Naben der Rotoren 12 und 14 auch für andere Betriebsfrequenzen oder für N-Phasenbetrieb, wobei N ungleich 3 ist, gewickelt werden.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal des Anmeldungegegenstandes ist der Werkstoff des Rings 150 derart auf

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seinen Radius abgestimmt, daß folgende Gleichung erfüllt wird:

Darin ist

r der mittlere Radius des jeweiligen Ringes,

E der Elastizitätsmodul des jeweiligen Ringes; d. h. der Elastizitätsmodul eines linearen Musters, das auf dieselbe Weise und aus demselben Material wie dieser Ring hergestellt ist und dieselbe Querschnittsfläche aufweist,

Q die mittlere Dichte des jeweiligen Ringes, C eine empirisch bestimmte Konstante und

n(r) ein Exponent, der konstante Werte einschließt, d. h. die für sämtliche Ringe eines Rotors konstant sind.

Wird für n(r) solch ein konstanter Wert (z. B. 2) angenommen, so erhält Gleichung A die Form:

= Cr¹¹

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Selbstverständlich umfaßt der Anmeldungsgegenstand auch solche Speicherrotoren, deren Hinge entweder Gleichung A allein oder die Gleichungen A und B gemeinsam erfüllen, jedoch nicht solche Speicher, deren Ringe die Gleichung B nur dann erfüllen, wenn η = null ist.

Das wesentliche Anwendungsgebiet der Erfindung'betrifft den Bereich, für den der Exponent η in Gleichung B gleich 2 ist, kurz genannt bei ⁿn2"-Ausführungen. Bei diesen unterliegen alle Hinge 150 bei konstanter Rotordrehzahl der gleichen Relativdehnung und somit sind die radialen Abstände zwischen benachbarten Ringen im wesentlichen proportional zur Rotordrehzahl. Daraus ergibt sich, daß bei geringen radialen Zwischenräumen zwischen den Ringen 150 in ^-Ausführungen, der Füllstoff 152 über einen weiten Drehzahlbereich keinen Zug- oder Druckbeanspruchungen unterliegt. Daher ist der Wert η = 2 in Gleichung B eine geeignete Basis für Entwurfszwecke.

In einigen Fällen, besonders wenn extrem hohe Wert· für die Energiediehte im Speicher gewünscht werden, und wenn die Rotoren bei der höchstmöglichen Geschwindigkeit umlaufen sollen, kann es jedoch vorkommen, daß bei Rotoren, die nach der n2-Form von Gleichung B entworfen worden sind, zu starke Beanspruchungen im

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Füllstoff 152 zwischen benachbarten Ringen I50 hervorgerufen werden. In solchen Fällen kann es zweckmäßig sein, einen Neuentwurf des Rotors vorzusehen unter Zugrundelegung der Gleichung <B mit einem anderen Wert für η als 2 oder unter Zugrundelegung der Gleichung A, in der n(r) nicht konstant ist, um auf diese Weise die Beanspruchungen in dem zwischen benachbarten Ringen I50 liegenden Füllstoff 152 zu vermindern. In solch einem Fall kann beispielsweise ein n3-Rotor vorteilhaft sein, d. h. ein Rotor, der auf Gleichung B mit dem Exponent η = 3 abgestimmt ist.

Einem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung sei ein Rotor zugrunde gelegt, dessen Ringe in sieben konzentrischen Schalen angeordnet sind. Diese Schalen sind mit S-1 bis S-7 bezeichnet, wobei S-1 die innere Schal· darstellt, entsprechend der Schale 150-1 in Fig. 2.

Die Ringe dieses Ausführungsbeispieles sollen aus Bleiglas hergestellt sein, das feuerpoliert und mit einer Oberflächenschutzschicht aus aufgespritztem Metall versehen ist. Die Zusammensetzung des Glases aller zu einer bestimmten Schale gehörigen Ringe ergibt sich unter Anwendung des Erfindungsgedankens aus der folgenden Tabelle:

Tabelle I

Schale	Radius (#)	Blei (*)	SiO« (SO
S-1	100	15,0	85,0
S-2	110	13,0	87,0
S-3	120	10,0	90,0
S-4	130	8,4	91.6
S-5	140	5,5	94,5
S-6	150	2,9	97,1
S-7	160	0,0	100,0

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~²⁷ "' 2U1581

Während die in der obigen Tabelle angegebenen Glassorten vollkommen aus Blei und Silikondioxid oder Silikondioxid allein zusammengesetzt sind, umfaßt die vorliegende Anmeldung selbstverständlich auch solche Glaszusammensetzungen, bei denen eine gewisse Menge anderer Zusatzstoffe - möglicherweise als Ersatz für Blei, Silikondioxid oder beides - hinzugefügt ist.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, bei dem die Speicherringe wiederum in nur sieben konzentrischen Schalen angeordnet und mit S-1 bis S-7 bezeichnet sind, wird als Werkstoff für die Ringe ein Faserverbundwerkstoff angewendet, der aus Kohlenstoff- und Wolframfasern besteht, die in einer Kunststoff- oder Metallmasse eingebettet sind, beispielsweise in einem Epoxyd-Harz. In diesem Fall können die Volumenprozentsätze der Kohlenstoff- und Wolframfasern in den Ringen einer jeden Schale aus der folgenden Tabelle entnommen werden, wobei für den Volumenanteil des Epoxyd-Kunststoffes ein Prozentsatz von gleichbleibend 40 io in allen Ringen zugrunde gelegt worden ist.

	Radis	Tabelle II	Vol.# WoIf-
Schale		(#7 Vol.# Kohlen	ranfasern
	40	stoff as ern	49
S-1	50	11	28
S-2	60	32	16,5
S-3	70	43,5	9,5
S-4	80	50,5	5,4
S-5	90	54,6	2
S-6	100	58	0,0
S-7	60

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In diesem Ausführungsbeispiel ist der Elastizitätsmodul konstant gehalten, d. h., alle Ringe weisen denselben Elastizitätsmodul auf, wohingegen die mittlere Dichte der Ringe sich von Schale zu Sehale ändert, und zwar umgekehrt proportional zum Quadrat des jeweiligen Ringradiuses - entsprechend der n2-Form von Gleichung B. Hierin liegt der Unterschied zu der Ausführung gemäß Tabelle I , in der beide Größen, der Elastizitätsmodul und die mittlere Dichte sich von Schale zu Schale ändern.

Somit läßt sich der Erfindungsgedanke auf drei verschiedene Verfahrensweisen verwirklichen, nämlich Variierung des Elastizitätsmoduls und der Dichte (Tabelle I), Variierung der Dichte bei konstantem Elastizitätsmodul (Tabelle II) und Variierung des Elastizitätsmoduls bei konstanter Dichte.

Bezüglich der Ringe gemäß Tabelle II, die entsprechend weiterer Einzelheiten gemäß der bereits erwähnten amerikanischen Patentanmeldung S.N.118,227 hergestellt werden können, ist noch zu erwähnen, daß der Elastizitätsmodul der Kohlenstoffasern aller Ringe an den Elastizitätsmodul der Wolframfasern angeglichen wird, indem eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, die in dem Artikel "Carbon Fiber Composites for Aerospace Structures¹¹ von A. C. Ham in "Physics Bulletin" (British) 1969, Band 20, Seite 444 beschrieben ist.

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2H1581

Hierdurch läßt sich der Elastizitätsmodul der Kohlenstoff- wie auch der Wolframfasern genau auf den gtwiinschten Wert einstellen, und der Erfindungsgedanke läßt sich somit durch einfache Änderung der Ringzusammensetzung, d. h. der Anteile an Kohlenstoff- und Wolframfasern gemäß Tabelle.II verwirklichen.

Von den obigen Beispielen ausgehend bestehen für den Durchschnittsfachmann keine Schwierigkeiten, andere Werkstoffkombinationen zu finden, die sich mit den gewünschten Abstufungen des Elastizitätsmoduls und/oder der Dichte herstellen lassen.

Die Vorteile eines Rotors mit der erfindungsgemäßen radiusabhängigen Abstufung des Ringmaterials, etwa nach der n2-Form der Gleichung B gegenüber einem Rotor, der gemäß der n-=-0-Form, also nicht gemäß der Erfindung, entworfen wurde, liegen nicht nur in der geringeren Beanspruchung des zwischen den Ringen befindlichen Füllstoffes, sondern vor allem auch in der Tatsache, daß sich in einem Rotor mit abgestuftem Ringmaterial wesentlich mehr Energie bei gleichem Rotorvolumen speichern läßt. Die Energiediehte kann hierdurch um etwa 80 # erhöht werden.

Ein anderer Aspekt der Erfindung liegt darin, die

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~³⁰' 2U1581

äußere Schale des Rotors (150-8 in Pig. 2) so auszubilden, daß bei versehentlicher Überschreitung der Höchstdrehzahl lediglich die Hinge dieser äußeren Schale auseinanderbrechen. Dadurch wird die Menge des herausgeschleuderten Materials und damit auch die Unfallgefahr und der Instandsetzungsaufwand wesentlich geringer gehalten, als wenn sich der Bruch eines Rotors von innen heraus fortpflanzen und dabei alle weiter außen liegenden Ringe mitbeschädigen würde. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, lediglich einen der Ringe in der äußeren Schale 150-8 derart abzuändern, daß er bei Drehzahlüberschreitung als erster Ring bricht. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß dieser Ring mit einer Kerbe oder einem Stück schwächeren Materials versehen wird, so daß eine Sollbruchstelle entsteht. Zwar mag dieser Ring beim Auseinanderbrechen infolge Drehzahlüberschreitung das Gehäuse 16, jedoch nicht mehr den Tank 18 durchbohren. Aufgrund des im Gehäuse 16 herrschenden Unterdruckee füllt sich dieses rasch mit der Füllflüssigkeit 20, wodurch die in den Rotoren 12 und 14 gespeicherte Energie rasch in ungefährlicher Weise verbraucht wird.

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Claims (10)

1. - ³¹ " 2U1581

   Patentansprüche

   ( 1 .JVorrichtung zur Speicherung von Trägheitsenergie in mindestens einem Rotor,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß dieser Rotor (12, H) aus zahlreichen konzentrisch angeordneten Ringen (150) verschiedener Durchmesser "besteht, und daß die mechanischen Eigenschaften des Ringmaterials gemäß folgender Gleichung auf den Radius des jeweiligen Ringes abgestimmt sind:

   E
   = C rⁿ,

   E der Elastizitätsmodul des betreffenden Ringes,

   ξ die mittlere Dichte des betreffenden Ringes, C eine Konstante,

   r der Radius des betreffenden Ringes und

   η eine Größe ungleich null
   ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Exponent η eine Punktion von r ist.

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   ~³²~ 2U1581
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Ring derart ausgebildet ist, daß er bei einer niedrigeren Rotor-Drehzahl bricht als die übrigen Ringe.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Ring mindestens so groß ist wie der größte der übrigen Ringe.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (150) in

   W einem elastischen Füllstoff (152) eingebettet sind.
6. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (150) aus Glas oder glasähnlichem Material hergestellt sind.
7. 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (150) aus in einem Bindemittel eingebetteten Fasern hergestellt sind.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich- ^ net, daß die Fasern miteinander verdrillt sind.
9. 9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Rotoren (12, 14)

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   ~³³" 2U1581

   angeordnet sind, die in umgekehrten Drehrichtungen umlaufen.
10. 10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die _f Rotoren in einem evakuierten Gehäuse (16) umlaufen, das in einem flüssigkeitsgefüllten Tank (18) eingetaucht ist.

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