DE2209353A1 - Trägheitsenergiespeicher und Anlage für seine Anwendung - Google Patents

Description

HICILJRD FRBEIIAH/ POST, Walnut Greek; Oalif./ USA Trägheitsenergiespeicher und Anlage für seine Anwendung

Die air findung bezieht sich auf einen Trägheitsenergiespeicher, bei dem Energie in einem Rotor gespeichert und von diesem durch einen mit ihm gekuppelten elektrischen Generator entnommen wird, und insbesondere auf verbesserte Rotoren zur Verwendung bei einem solchen Gerät und auf eine verbesserte Anlage zur Verwendung solcher Geräte«

Es ist bereits vorgeschlagen worden, ein Fahrzeug durch in einem Schwungrad gespeicherte jänergie zu betreiben. Die bisherigen Vorschläge haben aber nur einen unzureichenden Betriebsbereich für beispielsweise einen Omnibus ergeben, der durch ein 15 ooo kg schweres übliches Schwungrad angetrieben wird und einen Bereich von etwa 800 Meter für Jede Energieladung hat, wobei die 'Jiederladung etwa 2 Minuten beansprucht.

Spätere Vorschläge für einen verbesserten Rotor mit einem diametral gerichteten geraden Seil aus zu&festen anisotropen Materialien, die die Energiespeicherkapazität pro Gewichtseinheit und Volumeneinheit des Rotors verbessern sollen, aber nicht günstig genug mit dem allgemein verwendeten eingebauten Verbrennungskraftmotor verglichen werden können. Je größer die Energiespeicherkapazitat pro Volumeneinheit des Rotors, desto kleiner ist die aufgewendete Energie für den Transport des Rotors.

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Gemäß der Erfindung enthält ein iiiiergiespeicherrotor oder ^Schwungrad eine Anzahl federnd gehaltener und koaxial verteilt angeordneter dünner Ringe oder Rohre.

Zum Verbessern der Snergiespeicherkapazität pro Gewichtseinheit des Rotors soll der Rotor sich bei sehr hohen Geschwindigkeiten drehen. i)ie dünnen Ringe oder Rohre im Rotor nach der Erfindung, die verteilt angeordnet und federnd gehalten werden, sind praktisch nur den Umfängsteanspruchungen unterworfen, die das Verwenden von Materialien erlaubt, die sehr zugfest, aber in anderer Weise schwach sind, um für Ringe verwendet zu werden.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Rotorringe durchgehende Ringe aus zugfestem isotropischen Material, dessen Modul U 3oo Joules pro Gramm überschreitet, wobei

ist. Hierin ist K die äußerste Zugbeanspruchung des IJa-

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terials in Dyn/cm und q ist die mittlere Dichte des

Materials in gr/cm⁹. Ein bevorzugtes Beispiel eines sol chen Materials ist geschmolzener C£uarz, der oberflächen behandelt und vorzugsweise mit einer Schutzschicht versehen ist.

Bei einer anderen Anordnung sind die' Ringe zusammengesetzte Körper mit mehreren langen Pasern, die in eine Matrix von Abbindematerial eingebettet sind. Bevorzugtes Material für die Fasern sind Kohle und .,olfram, von denen der Young-Modul etwa derselbe ist. ö3s kann auch eine Mischung soJeher Fasern verwendet werden, wobei die Mischung für Ringe verschiedener Radien verändert werden kann, so daß vorzugsweise

_V - Cr"¹¹

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ist, worin r der mittlere Hadius eines einzelnen Hinges und die mittlere Dichte, G eine Konstante und η eine Funktion von r ist.

Jjie Erfindung wird anhand eines Beispiels mit Hilfe der Zeichnungen beschrieben. In diesen ist:

Figur 1 eine detaillierte Seitenansicht eines Trägheitsenergiespeichermoduls nach der Erfindung im Schnitt;

Figur 2 eine üchnittseitenansicht des jjnergiespeicherrotors nach der Erfindung;

Figur J ein üchnitt des Rotors der Figur 2 an der Linie 3-3;

Figur 4 eine graphische Darstellung zum Vergleich der ,/erte der Drehenergiekapazität pro Liasseneinheit U der xtotorringmaterialien nach der Erfindung mit denen üblicher ochwungradmaterialien;

Figur 4-a ist ein Teilquerschnitt eines besonderen Energie speicherrotorringes ;

die Figuren 5» 6, 6A und 7 zeigen den aufbau einer Trägheit cenergiespeicherrotorfelge;

die Figuren 3, 9 und 9A zeigen einen anderen Aufbau einer Trägheitsenergiespeicherrotorfelge ;

Figur 1o zeigt einen noch anderen Aufbau dieser Felge;

die Figuren 11 und 11A zeigen einen v/eiteren Aufbau dieser Felge; und

Figur 12 ist ein Diagramm eines Trägheits-^lektro-Fahrzeugantriebssystems mit den iuerkmalen der Erfindung.

Der einzelne rrägheitsenergiespeichermodul 1o nach der ...,rfindunr; er:tsprechend den Figuren 1, 2 und 3 enthält

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zwei Trägheitsenergiespeicherrotoren 12 und 14, die sich in einem evakuierten sphärischen Gehäuse 16 befinden. Das evakuierte Gehäuse 16 befindet sich in einem mit Flüssigkeit gefüllten Tank 18. Die Verwendung eines einzigen solchen Rotors fällt natürlich ebenfalls unter die Erfindung.

Um die Luftreibungsverluste so klein wie möglich zu halten, die Abnutzung des Rotors infolge chemischer Angriffe zu verringern und die Energieabsorption bei Ausfall des Rotors zu erleichtern, kann das sphärische Gehäuse

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16 auf etwa 1o bis 1o Torr evakuiert werden.

Zum Schutz, wenn die Rotoren 12, 14 versehentlich bei Drehgeschwindigkeiten betätigt werden, die größer als ihre maximale Sicherheitsgeschwindigkeit ist, und einer oder beide zu Bruch gehen, wird der Tank 18 mit einer viskosen, hochdichten Flüssigkeit, z.B. Äthylenglykol, gefüllt» In der Wand des Tanks 18 kann eine entsprechende Ausdehnungskammer, beispielsweise wie in flüssigkeitsgefüllten Marine-Magnetkompassen, vorgesehen sein, um die thermische Ausdehnung der Flüssigkeit 2o zu kompensieren.

Als zusätzliches sicherheit snierkmal kann die Flüssigkeit 2o so weit eingefüllt werden, daß sie breiig wird und kleine Partikel 22 aus porösem hoch-vermahlbarem Material enthält, wodurch die energie des der zentrifugal abgeschleuderten Teile eines gebrochenen Rotors absorbier* werden können.

Ein geeignetes Material, aus dem vermahlbare Partikel hergestellt werden können, ist das Material, das als Polyurethanschauia bekannt ist und mit einer geeigneten Schutzschicht versehen werden kann.

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Andere Sicherheitsmerkmale in dem besonderen Energiespeichermodul nach den Figuren 1, 2 und 3 sind folgende:

Der Tank 18 kann ein gegossener oder geschweißter Körper 24 sein, der grundsätzlich aus vier Wänden besteht, die senkrecht zur Ebene der Figur 1 aus verlaufen und an ihren Kanten verbunden sind, die ebenfalls senkrecht zur Ebene der Figur 4 verlaufen. Die V/ände des Guß- oder Schweißkörpers 24 können an ihren gegenüberliegenden Seiten mit Versteifungsrippen 26 versehen sein. Ferner kann der Körper 24 an seinen gegenüberliegenden offenen Enden mit entsprechenden Flanschen 28 und 3o versehen sein, durch die Deckelplatten 32 und 34 flüssigkeitsdicht am Körper 24 befestigt werden können. Die Endplatten 32 und 34 können ebenfalls mit Versteifungsrippen 36 versehen sein. Die Deckelplatten 32 und 34 können an den Flanschen 28 und 3o des Körpers 24 durch Schrauben 38 und Pirnpel 4o befestigt sein, an denen entsprechende Dichtungen 42 vorgesehen sein können.

die Figuren 2 und 3 zeigen, ist die Habe 44 des .Rotors 14 in die Konstruktion eines sechspoligen Wechselstrommotors 46 mit permanentem Magnetfeld eingebettet. Die Ro tor anordnung, die den Rotor 12 und die V/elle, an der er gelagert ist, enthält, ist praktisch mit der Hotoranordnung mit den Rotor 14 und der V/elle, an der die ser gelagert ist, identisch. Die Nabe 48 des Hotors 12 enthält den sechspoligen Wechselstrommotor 5o (nicht dargestellt) mit dem Permanentmagnetfeld, der dem Wechselstrommotor 46 identisch aufgebaut ist. Die vom Wechselstrommotor 46 erzeugte elektrische Energie wird an drei Leitungen 52, 54 und 56 geführt, die bei entsprechender Verkabelung mit 5δ bezeichnet sind. Die vom ./ech^el^troiüiaotor 5o erzeugte elektrische Energie gelangt an die drei Leitungen 6o, 62 und 64, die bei Verkabelung mit 66 bezeichnet sind. Das Kabel 66 ist sau

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Träger der benachbarten jinden der Naben 44 und 48 und an der Wand des Gehäuses 16 mittels geeigneter Schellen 68 befestigt. Die Leitungen ^2_% 54, 56, 6o und 64 gehen , durch die Wand des Gehäuses 16 mittels vakuumdichter hermetischer Dichtungen 7° und durch die Wand des Tanks 18 mittels einer flüssigkeitsdichten Dichtung 72 hindurch. Wie Figur 1 zeigt, sind freie Schleifen oder Haarnadelschleifen an den Leitungen 52, 54, 56, 6o, 62 und 64 zwischen den Dichtungen 7o und 72 vorgesehen. Diese freien Teile der Leitungen dienen zum Bewegen des Gehäuses zum Tank 18, was noch erläutert werden wird.

Die Bewegung des Gehäuses 16 in bezug auf den Tank 18 wird durch die Flüssigkeit 2o gedämpft. Die Dichte der Flüssigkeit 2o ist so gewählt, daß das Gehäuse 16 und sein Inhalt gegenüber der Flüssigkeit 2o einen leicht negativen Auftriebsfaktor besitzen. Das heißt, daß die Flüssigkeit 2o so gewählt ist, daß bei Anwendungen im Fahrzeug eines linergiespeichermoduls 1o das Gehäuse 16 und sein Inhalt den Beschleunigungen des Tanks 18 in gedämpfter Weise folgen, während gleichzeitig das Gehäuse 16 auf dem Boden des Tanks 18 etwas aufliegt, aber durch den Tragerahmen 7^ federnd gehalten wird.

Der Rahmen 74 enthält mehrere Auflager, von denen in Figur 1 nur die mit den Bezeichnungen 76, 78, 8o und gezeigt werden. Diese Auflager sind am Boden des Tanks 18 in einer kreisrunden Anordnung befestigt. jJine der konisch gewickelten Schraubenfedern 84, 86, 88, 9o usw. ist am oberen Ende jedes Auflagers befestigt. Ein Kopf 92, 94, 96 uswo ist am oberen ^nde jeder Feder 82, 84, 86, 88, 9o usw. befestigt. Das obere jSnde eines jeden Kopfes 92, 94, 96 usw. ist mit einer glatten gerundeten Oberfläche versehen, die das Gehäuse 16 berührt und trägt, ohne es zu beschädigen, ^ine einzelne ländliche schraubenfeder 98 geht durch entsprechende Bohrungen in allen

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Köpfen 92, 94-, 96 usw. hindurch, und hält diese gegen nach außen gerichtete Spreizbewegung durch die kleine durch das Gehäuse 16 und ihren Inhalt ausgeübte nach unten gerichtete Kraft. Jie Feder 98 ist so lang und ihre Enden sind so verbunden, daß sie normalerweise eine runde Ausbildung zeigt, und somit berührt sie die '.'/and des Gehäuses 16 nicht. Das Gehäuse 16 ruht dann normalerweise im liahmen 7^- auf den Köpfen 92, 9^Λί-> 96 usw. und seine Bewegung bei Beschleunigung des Tanks 18 (bei Anwendung des Trägheitsenergiespeichermoduls im !Fahrzeug) wird durch die Flüssigkeit gedämpft,

Das Gehäuse 16 wird ferner in seiner jjage im Tank 18 von vier Sätzen von Permanentmagneten loo, 1o2, 1&4₅ lob-, 1o8, 11o, 112 uswp gehalten, wobei {jeder 3ats aus fünf Magneten besteht. Ein einzelner Permanentmagnet (s.B. 112) ist im Innern jeder vertikalen //and des Tanks 18 befestigt. An der ^.ußersei'se -z.es lenäuges Ί6 sind Tier Permanentmagnete angebracht, iie an der "//and dss Tanks 18 befestigt sind und die r;e :nit ainsa -d-3r Peraianenuiaagnete zusammenarbeiten.

'.Vie Figur 1 zeigt, arbeiter, die "ier Permanentmagnets 1o4-, 1o6, 1oS, Ho (':o5 u:id "^Λ: sind lii:v^sr ^!ο4 >-ξτ/, 'ϊο'ί in Figur 1 verdeckt) mit de;; Γΐ-ΓΐΐΕηβ^ιιε,^ηθΐ '^!-'i2. susc.e» men, der an der rech τ en ver~ik;.ls:i ",/an L ds-s j3.:_ka 'i-2 befestigt ist, wie Ji^ur Ί Z5±z~., ZLe ^udiii-snds::. aller Permanentmagnete ^!οο bis '"'d ".:-.r:v;, , -Ί,>, die dJr-d-sn, di~ von den bilden dieser Magnete jv. ::^::'5ΐτ."^:; .sir.d_: dd= s.n ds:? rankwaiid oder az le:.duee "': -f.::r?craoli"; ii::.d, -tivl tc::. derselben map^eOdsohen Pcd;ird"^:;d":^ ~~?.1.£~ζ:-ϊ\Ξ'Ίζ·ί.3-5 Iz'ir^i-.'j. ciie AuBeiieiideii a.^ler Pe rs sei ei."":': i~. jns "5 s ".".o- '.~-_-- "l·;-:· _ls; 112 usw. oüdpoie se.iii., J'err.ej? :ii„i ·:12.9 d£.gr.S'^::'3 -sicss ^b=- den Satzes von Vi^r an ier .'■i-k^:/..".;.ⁱa^T.V£ii-i i.;:.-"5";i-£jLl"5sr·.* ζ. 3. lo^, ^!o&.
pen. an der T^::I

Abstand angeordnet, ΖβΒ. von dem Magneten 112. Somit wird einer Kraft, die das Gehäuse aus seiner senkrechten Lage zu bringen versucht, durch von den beschriebenen Sätzen von vier Magneten erzeugten Kräften entgegengewirkt, wobei jeder Satz mit dem zugeordneten an der Wand des Tanks 18 angebrachten Permanentmagneten zusammenarbeitet. Beispielsweise wird dem Versuch des Gehäuses 16, sich um seine vertikale Achse in Rechtsrichtung zu drehen (unter dem oberen Teil der Figur 1) durch Rückstoßkräfte zwischen den Magneten 1o8 und 11o und dem Magneten 112 begegnet, wie dem auch durch ähnliche Rückstoßkräfte, die von den an den drei anderen vertikalen Tankwänden und jedem ihrer zugeordneten Sätze von vier Permanentmagneten begegnet wird. Die eben beschriebene magnetische Einstelleinrichtung erzeugt auch Kräfte, die dem Kippen der vertikalen Achse des Gehäuses 16 in Tank 18 in bezug auf die horizontalen Tankwände entgegenwirken. iCs kann aber auch jeder satz der fünf zusammenwirkenden Magneten durch eine Schraubenfeder ersetzt werden, die von der Tankwand zum nächsten Punkt des Gehäuses verläuft.

An der Außenfläche des Gehäuses sind in horizontaler runder Anordnung mehrere Stifte 114, 116 usw. befestigt. Diese Stifte 114, 116 usw. dienen dazu, starke Abweichungen des Gehäuses 16 bei Anwendung des Trägheitsenergie Speichermoduls in Fahrzeugen durch eine Feder 98 oder die Köpfe 92, 9^·» 96 usw. zu verhindern.

Für einen Bruch des Rotors 12 oder 14 kann ein zusätzlicher Schutz durch Anbringen eines ringförmigen Bandes 118 entsprechenden Materials an der Innenseite des Tanks 18 vorgesehen sein (Figur 1). Ein solches Material kann beispielsweise aus Reihen drahtförmigen karbonisiertem Material hergestellt sein, das in einer einheitlichen Masse mit Epoxy-Zement gebunden ist« Wenn ein solches

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Band 118 aus karbonisiertem ipoxymaterial oder ähnlichem verwendet wird, sollen die äußeren Einstellmagnete 112 uswo an Streifen 12o befestigt werden, deren jjlnden an den vertikalen 7/änden des Tanks 18 unmittelbar außerhalb des Wandgebietes angebracht sind, das von einem Band umfaßt wird (Figur 1). Hierdurch ist es möglich, Brüche der Kohledrahtreihen zu vermeiden, v/ährend gleichzeitig das Halteband 118 sich in seiner Arbeitslage befindet. Die Anordnung des Bandes 118 in Hingform (d_eh. von kreisrundem '4^uerscnnitt) ermöglicht ein- Dämpfen der Flüssigkeit 2o, um die Metallwände des Tanks 18 über ein größtmögliches Gebiet bei größtmöglicher Wärmeableitung zu berühren. Wenn das Band 118 einen quadratischen Querschnitt aufweist und die vertikalen Tankwände durch ihre außenfläche hindurch berührt, wird dadurch eine beachtliche Wärmeableitfläche verloren.

Bei Betrachtung des Gerätes im Gehäuse 16 kann aus Figur 1 entnommen werden, daß der Hauptinhalt des Gehäuses die beiden identischen TrägheitsenergieSpeicherrotoren 12 und 14· sind.

Die Rotoranordnung mit den beiden Rotoren 12 und 14 wird im Gehäuse 16 von drei Tragkreuzen 13o, 132 und 1J4- ge-, halten, von denen nur zwei, nämlich IJo und 1J2, zu sehen sind (das Tragkreuz 134- befindet sich über dem Rotor 12 im oberen Teil des Gehäuses und trägt das obere ^nde des Rotors 12).

Die Tragkreuze 13Oj 152 und 13^ können unmittelbar an der Gehäuseinnenfläche befestigt sein, z,'^, durch ütoßverschweißung, Hartlöten oder ein anderes Terbindungsverfahren, das eine gute thermische Leitfähigkeit ergibt, und kann Außenringe 136 enthalten (Figuren 1 und 2), um die Beanspruchungskräfte zu verteilen und die Wärmeableitung von den Tragkreuzen in das Gehäuse zu

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vergrößern. Der untere Hing 136 kann, wenn solche Rinfce verwendet werden, an seinem Hand mit einer Öffnung für ein Kabel 66 versehen sein.

Die Konstruktion des Rotoraufbaues nach den Figuren 2 und 3 enthält den Rotor 14 und den identisch aufgebauten Rotor 12. Der Rotor 14 enthält einen Rand oder eine Felge 14-O, mehrere Speichen 142-1 bis 142-12 und eine Nabe Die Nabe 44 ist an einer V/elle 144 (Figur 2) gelagert. Die Felge 14o besteht aus mehreren Ringen 15o aus gemäß der Erfindung ausgewähltem Material.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind Ringe 15o in mehreren zylindrischen Gehäusen I50-I bis I50-8 (Figur 2) angeordnet. Jedes zylindrische Gehäuse 150-I bis 150-8 der Ringe 150 besteht aus fünfzehn Ringen I50 (Figur 2). Die Felge 14o des Ausführungsbeispiels nach der Erfindung enthält, wie die Figuren 1, 2 und -j zeigen, einhundertzwanzig Ringe 15o, die in acht konzentrischen zylindrischen Gehäusen I50-I bis I50-8 angeordnet sind. Die Erfindung ist natürlich nicht auf einhundertzwanzig Ringe oder auf die Verwendung von in konzentrischen zylindrischen Gehäusen und auch nicht auf die Verwendung einer gleichen Zahl von Gehäusen beschränkt. In einigen Beispielen kann die Zahl der Ringe beispielsweise eintausend überschreiten. Auch ist die Erfindung nicht auf "üjikerringe" beschränkt, die in den Zeichnungen dargestellt sind und kreisrunden Querschnitt haben aber auch Konstruktionen umfassen, bei denen die Ringe eine toriodale Form aufweisen. In einigen Fällen kann jeder Ring ein einzelner dünner Ring beachtlichen axialen Ausmaßes sein. Der Begriff "dünner Ring" bedeutet hier einen Ring, dessen radiale Dicke zu seinem mittleren Radius so klein ist, daß die ,Virkung der zentrifugalen Kräfte praktisch nur reine Randbeanspruchungen erzeugt, wobei alle anderen Beanspruchungen dagegen

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vernachlässigbar sind.

Die Hinge 1^o der Felgen 14o sind in eine Matrix 1^2 aus einem lüaterial eingebettet, das bei niedrigem Dampfdruck elastisch ist, z»3. oilikoiigummi (andere elastische Matrixanordnungen verkörpern besondere Aspekte der Erfindung und werden noch beschrieben werden),

Die Llatrix 152 selbst kann an einem zylindrischen Kern 154, z.3ο durch Zementieren oder durch eine Stift- und Schlitz-Anordnung entsprechend denen nach den Figuren und 6h. befestigt sein. Der Kern 15·'!- kann mit mehreren Schlitzen 156 versehen sein, die die .Vaiienenden der Speichen 142-1 bis 142-12 aufnehmen können.

Durch Vergleich der figuren 2 und J- ist z~a arkennen, daiä die Speichen 142-1 bis 142-12 aus 3IeGh₅ 3*3. Aluiainiumblech, bestehen und von leichter Bauv/eise sein können.

jis ist zweckmäßig, die dünnen, rippezifcinniger. Speichen 142-1 bis 142-12 nach auien ζλζ verjüngen, um die radialen Beanspruchungen auf einen ajaneh:nbars2i "Jeru 3U vsrzangem. Dieses 7er^aii(cen kann "beispielsweise siah uaigekehri; zum ^uadrat des Hadius veränderr., άτ α durch d.i-3 radiale, durch die Zentrifugalkräfte erzeugte 3-5ar.sprucii^iiig praktisch auf die Beanspruchung verringert Ti:?d, l±i ss selben 2adius in einer nicht verjüngten Spe-lohe a':ft:?9t;8n uürde» Da die Speichen 142-1 eis 1^-2-"12 ::ur aun Jragen der I?elge 14o in ihrer ^rbeitslage sur 17a ce ^A- dia neu und die verhältnismäßig geringen, während les Xrai'taus-üritts aus der Felge und des Krafteintritts in :Lie rj-slge '14c notv/endigen Drehmoments übertragen, kr!nie:: 5ie aus .sehr dünnem Liaterial sein, wem axes aus kciisür^ktiTeii Gründe:: wüjjschenswert ist» iis v/c-rde:: auch r.ur "^rlr.äl^iiiiiiäSig schwache Drehmomente durch üe Speicher. ^-2-I bis '"42-"'2 übertragen, weil die ■3-eschwindigkei~-3r_- 'z-v'L lenen die

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Rotoren der Einrichtung nach der Erfindung betrieben werden sollen, sehr hoch sind. Beispielsweise liegen diese im Bereich von 5ooo bis 25oo Umdrehungen pro Sekunde .

Die Nabe 44 enthält einen Körper 16o hochbelastbaren Materials, z.B. eine Kohlefaserepoxyverbindung (siehe "Carbon Fiber Composite for Aerospace Structures", A.C. Ham, Riysics Bulletin (British), Vol. 2o, Seite 444, 1969; Popular Science, Februar 1969)ι der von zylindrischer Form ist und an seiner Außenfläche mit mehreren Schlitzen 162 versehen ist, wobei jeder der Schlitze 162 zur tragenden Aufnahme des inneren Andes einer der Speichen 142-1 bis 142-12 dient. Der Nabenkörper 16o (Figur 2) ist an seinem oberen Ende mit einem aus einem Ganzen bestehenden konischen Kappenglied 164 versehen.

An der Innenfläche 168 des Nabenkörpers 16o befindet sich ein zylindrischer Hohlraum 166, an dem, d.h. an dem Teil des Hohlraumes 166, der vpn der Achse der Nabe 44 am weitesten entfernt ist, ein zylindrischer magnetischer Nebenschluß 17o vorgesehen ist, der aus magnetischem Weicheisen oder aus magnetischen Stahllamellen hergestellt sein kann, um die Eisenverluste zu verringern. Zum Aufstellen des Nebenschlusses 17o im Hohlraum 166 kann der untere oder Randteil 172 des Nabenkörpers 16o vom zylindrischen Hauptteil des Nabenkörpers gesondert ausgebildet sein. Bei einer solchen Konstruktion kann der magnetische Nebenschluß in den Hohlraum 166 parallel zur Achse des Nabenkörpers eingefügt sein, worauf das Randglied 172 mit dem Hauptteil des Nabenkörpers 16o entlang einer gestrichelt dargestellten Naht 174 (Figur 2) verbunden werden kann. Der Nabenkörper I60, der einen aus einem Ganzen bestehenden Randteil enthält, kann auch um den magnetischen Nebenschluß 170 herumge-

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gössen werden. In jedem Fall, d.h. ob der Nabenkörper 16o aus einem oder aus zwei Stücken besteht, wird der Teil des Nabenkörpers 16o, der unter dem Hohlraum 166 verläuft (Figur 2) im folgenden manchmal als "Rand" bezeichnet.

Im Hohlraum 166 befinden sich auch die Pole 18o-1 bis I80-6 des Permanentfeldes des Wechselstrommotors 46. Die Zwischenkörper 182 (Figur 5) können sich zwischen den Polen I80-I bis I80-6 befinden und aus demselben Material bestehen wie der Nabenkörper I60. Die Pole I80-I bis I80-6 können mit dem magnetischen Nebenschluß 170 in üblicher V/eise verschraubt oder vernietet sein und mit dem Hauptteil des Nabenkörpers 16ö durch Verlängerung durch entsprechende Löcher im Nebenschluß 170 hindurch aus einem Stück hergestellt sein.

Die Permanentmagnete 184-1 und 184-5 sind in die Innenfläche des konischen Kappenteils 164 des Nabenkörpers I60 eingebettet. Die Innenflächen 186-1 und 186-5 äer Permanentmagnete 184-1 und 184-5 sind mit der Innenfläche 188 des konischen Kappenteils 164 ausgerichtet und so geformt, daß dieses in die Kontur der Innenfläche paßt. Ferner sind acht zusätzliche Permanentmagnete derselben Art 184-2 bis 184-4 und 184-6 bis 184-1ο in die Kontur der Innenfläche 188 des konischen Kappenteils des Nabenkörpers I60 eingebettet und eingepaßt. Die Permanentmagnete 184-1 bis 184-1ο sind über die Achse des Nabenkörpers I60 gleichwinkelig verteilt angeordnet, wobei ihre entsprechenden jucken auf Kreisen liegen, deren Ebenen senkrecht zur Achse des Nabenkörpers I60 verlaufen, Alle Innenflächen 186-1 bis 186-1ο der Permanentmagnete 184-1 bis 184-1Ο sind mit der konischen Innenfläche 188 des konischen Kappenteils 164 des Nabenkörpers I60 ausgerichtet.

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Die Permanentmagnete 184-1 bis 184-1ο arbeiten mit mehreren entsprechenden Permanentmagneten 19o-1 bis 19o-1o (Figur 2) zusammen und wirken als periodische Magnetträger zum drehbaren Halten des Rotors 44 beim Drehen um seine Achse 144, wobei die Außenflächen 192-1 bis 192-1ο der Permanentmagnete mit der Außenfläche 194 des konischen oberen lindes der Welle 144 ausgerichtet sind. Die Permanentmagnete 190-I bis I90-I0 sind über die Achse der V/elle 144 gleichwinkelig verteilt angeordnet, wobei die entsprechenden jicken auf Kreisen liegen, deren Ebenen senkrecht zur Achse der Y/elle 144 verlaufen.

Für denselben Zweck wie die beschriebene periodische magnetische Halterung besteht eine zweite periodische Halterung aus mehreren Permanentmagneten 2oo-1 bis 200-I0, die mit einer entsprechenden Zahl Permanentmagnete 2o1-1 bis 2o1-1o zusammenarbeiten, die in die Basis 2o4 der Welle 144 eingebettet ist. Die freien Flächen der Permanentmagnete 2oo-1 bis 2oo-1o sind mit der Innenfläche 2o6 des Randes 172 ausgerichtet und der Kontur der Innenfläche des Randes 172 angepaßt. In ähnlicher V/eise sind die freien Flächen der Permanentmagnete 2o2-1 bis 2o2~1o mit der konischen Außenfläche 2o8 der Basis 2o4 ausgerichtet und ihrer Kontur angepaßt.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung nach den Figuren 1 bis 5 haben die benachb_arten, geformten Flächen 186-1 bis I86-I0 und 192-1 bis 192-Io der oberen Haltemagnete 184-1 bis 184-3 und 190-I bis 19o-3 durchweg dieselbe Polarität. Auch die benachbarten geformten Flächen aller unteren Haltesegmente 2oo-1 bis 2oo-1o und 2o2-1 bis 2o2-1o haben dieselbe Polarität. Entsprechende Haltemagnete 184-1 bis 184-1o, I90-I bis I90-I0, 2oo-1 bis 200-I0 und 2o2-1 bis 2o2-1o vorzusehen, ist dem Fachmann geläufig. Wenn zum Beispiel das

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Gesamtgewicht des Rotors 14 (einschließlich der Nabe 16o, der Speichen 142, der Magnetfelder 18o und der Haltemagnete 184, 2oo) etwa 2o kg ist und ferner angenommen wird, daß das Gesamtgebiet der Haltemagnete 184, 2oo, wie sie an einer horizontalen Fläche herausragen, 2o cm beträgt, folgt, daß die notwendige Feldstärke der Haltemagnete etwa 5ooo Gauß betragen würde» Solche Feldstärker werden gewöhnlich bei der Permanentmagnetherstellung erzielt. Abweichungen in der Konstruktion, wie größere Weite der unteren Haltemagnete zum Terringern der notwendigen Magnetfeldstärke oder zum Torsehen zusätzlicher Rotortragekräfte sind ebenfalls dem Fachmann geläufig, wie auch, daß es bei Verwendung bestimmter Arten von Permanentmagneten aus wirtschaftlichen, Herstellungs- oder anderen Gründen wünschenswert ist, magnetische Nebenschlußringe vorzusehen, um magnetische Rückführungen mit niedriger Reluktanz zu erhalten. Solche magnetischen Nebenschlußringe können die j?oria von Kegelstümpfen solcher Höhe, spitzen Winkel und 3adien annehmen, um die Flächen aller Haltemagnete eines Satzes (z.B. 184) zu berühren, die von ihren aktiven "Flächen (z.B. 186) entfernt sind, _Lin magnetischer ITebenschlußring 185 (nicht dargestellt) kann somit vom Fachmann vorgesehen werden, der in die Kappe 164 eingebettet ?;erden und alle großen Flächen der Haiteniagneutri !64 eng berühren kann, die selbst in der Kappe '!64 eingebettet sind. Jiese großen Rückseiten der MaiOemagnete 184 können selbst die Innenfläche des magnetischen ITebensehiueringes 185 enger berühren. Für ähnliches "iisamineiiarbeitei mit den anderen drei Haltemagne-csätzen 19c _} Zco "and 2o2 können ähnliche magnetische Webenschlußrir^r-s rc^geseilen sein. Bei manchen ^usfiüiriui^sc ei spielen löiinsii dis benachbarten Haitemästete ei:ies reden. Satzes selnder Polarität sein. Periodische haben die Eigenschaft, aa.t sie s
bei Winkelgesctiwir..dxgkei.':e:i ;l.:er

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malgeschwindigkeit ergeben, die durch die Konstruktion und die Anordnung der Haltemagnete und ihrer Polflächen gegeben ist. Die kritischen minimalen Winkelgeschwindigkeiten für stabiles Zentrieren der beschriebenen periodischen Magnethalterung, die die erforderliche Feldstärke geben, liegen in der Größenordnung von zehn Umdrehungen pro Sekunde oder weniger, die aber ein kleiner Teil der beabsichtigten Arbeitsgeschwindigkeit der Rotoren nach der Erfindung ist. Wie in Verbindung mit Figur 12 beschrieben wird, ist bei bestimmten Ausführungsbeispielen nach der nirfindung eine Einrichtung vorgesehen, durch die die Rotoren des ijjnergiespeicheriaoduls, der bei diesen Beispielen verwendet wird, niemals bei Geschwindigkeiten betrieben, die so niedrig wie die minimalen kritischen Geschwindigkeiten ihrer periodischen Magnethalterungen sind, nachdem sie zunächst auf diese Geschwindigkeit gebracht worden sind.

Zusatzlich zu den magnetischen Halterungen, von denen der xiotor 14 während des Arbeitens des Energiespeichermoduls gehalten wird, sind obere und untere Reib-Ausbauhai terungen zum drehbaren Tragen des Rotors 14 vorgesehen, wenn der Rotor still steht oder sich bei niedrigen Geschwindigkeiten dreht, bevor er eine solche Geschwindigkeit erreicht, daß die periodischen magnetischen Halterungen voll wirksam werden.

Das obere Ausbaulager 21ο besteht aus einer entsprechenden Selbstschmierbuchse 212, die z.B. aus Teflon besteht und in eine Öffnung im mittleren Teil des Tragekreuzes 132 dicht eingepaßt ist und durch eine Scheibe 214 in ihrer Lage gehalten wird, die selbst an der unteren Fläche des Tragekreuzes 132 befestigt ist. Der nach außen vorspringende Flansch 218 des zylindrischen Gliedes 22o ist an der oberen Flache der Buchse 212 gelagert, wobei das zylindrische Glied 22o selbst am konischen oberen

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uin.de 164 des ilabenkörpers 16o durch einen Kückhalter und eine Schraube 228 befestigt ist.

Das untere Ausbaulager 23o besteht aus einem Metallspurglied 232, das in die konische obere Fläche des Basisgliedes 2o4 eingebettet ist und mit dessen Fläche ausgerichtet ist. Das andere größere Glied der unteren üusbauhalterung 2Jo ist das ringförmige Spurglied 234-, das in die konische Innenfläche des H_aiid.es 172 eingebettet ist. Die kreisrunde Spur 232 kann beispielsweise aus einem hitzebeständigen Metall bestehen, während das Spurglied 234 beispielsweise aus mit einem Schmiermittel wie Molybdän Disulfid imprägniertem Sintermetall bestehen kann. Das Schmiermittel arbeitet ohne Beeinträchtigung des Vakuums im Gehäuse 16. Da der Hotor 14 durch den V/echselstrommotor 46 sehr rasch auf seine hohe Betriebsgeschwindigkeit (z.3. 5oo bis 2500 Uffldr./sek.) gebracht wird, wird (Figur 2) bewirkt, daß die Spur 232 die Spur 234 nur unterbrochen während einer sehr kurzen Betriebszeit, d.h. während des Bringens des liotors 14 in seinen Betriebsgeschwiridigkeitsbereich, berühren. Trotz der verhältnismäßig großen jurchinesser der Spuren 232 und 234 können diese auf solche ./eise hergestellt werden, daß sie unter den xi.rbeitsbedingungen ci.es beschriebenen EnergieSpeichermoduls eine entsprechend lange Lebensdauer haben.

ijie Konstruktion der V/elle 144 wird anhand der Figuren 2 und 3 beschrieben.

iJie „/eile 144 enthält die Basis 2o4, die Kappe 24a und den Statorteil 241 des ,/echselstrommotors 46. Die Basis 2o4 und die Kappe 24o können aus demselben Material bestehen wie der Habenkörper I60.

Die Permanentmagnete I90-I bis 190-I0 der oberen magne-

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tischen Halterungen sind in die Kappe 24o eingebettet, wobei ihre freien Flächen mit der konischen Außenfläche 194 der Kappe 24o ausgerichtet sind. Die Kappe 24o ist ferner mit mehreren konischen Löchern 242 versehen, die zur Aufnahme und zum Halten der Gewindeenden der länglichen Schraubenbolzen 244 dienen (Figur 2). Die Schraubenbolzen 244 gehen zunächst durch Löcher in der Basis 2o4 und dann durch Löcher in den magnetischen Stahlblechen 246 hindurch, bevor sie in die konischen Gewinde in die Löcher 242 in der Kappe 24o eingreifen. V/enn das Material der Kappe 24o ein Gewinde ausreichender Stärke nicht halten kann, können dafür entsprechende Buchsen in die Kappe 24o eingegossen werden, die mit entsprechenden konischen Löchern für das Zusammenwirken mit den Gewindeenden der Schrauben 242 versehen sind. Die Y/elle 242 besteht somit aus der Basis 24o, einem Stapel magnetischer Stahlbleche 246 und der Kappe 24o, die alle durch lange Schrauben 244 miteinander verbunden sind.

Um die Wärmeableitung zu unterstützen, können die Schrauben 244 aus einem Material bestehen, das durch gute thermische Leitfähigkeit gekennzeichnet ist. Zusätzlich kann zur weiteren Unterstützung der V/ärmeableitung ein "Teller" aus leitendem Material vorgesehen sein, der in den Hohlraum im Boden der Basis 2o4 hineinpaßt und mit öffnungen zur Aufnahme der Schäfte der Schrauben 244 und der Kabel 52, 54 und 56 sowie mit einem planaren Flansch versehen ist, der zwischen dem Boden der Basis 2o4 und dein Tragkreuz 130 bei gutem thermischen Kontakt mit diesem eingeschlossen ist und die ./arme von den ochraubän 244 gut an das Tragkreuz IJo abführt, j^in ähnlicher Teller kann auch im Hohlraum der Basis vorgesehen sein, in dem sich der tfotor 12 befindet.

Die Bleche 246 sind, wie Figur 3 zeigt, so geformt, daß sie bei gestapelter Verbindung sechs vertikale Schlitze

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248 ergeben, in denen sich, mehrere ,/indungen 25o befinden, die so angeordnet und so mit den Leitungen 52, 5^ und 56 verbunden sind, wenn sie durch periodische Änderungen im iüagnetischen Fluß bedingt durch Drehen des Rotors 14 um die Welle 144 erregt werden» Konstruktion und Anordnung solcher sich abv/echselnder ,/indungen, 31 eehe, Feldstrukturen usw. ist dem Fachmann bekannt und brauchen deshalb nicht besonders beschrieben zu wer den. Beispielsweise sind die Innenflächen der magnetischen Pole 18o von abv/echselnder Polarität. Die entsprechenden Statorwicklungen des ,Wechselstrommotors 5o sind so angeordnet, daß der Hotor 12 sich sum Hotor 14 gegenläufig dreht, wenn dieselben I)rehphasenspamiungen an den Leitungen 52, 54, 56 und 6o, 62, 64 liegen.

Die Basis 2o4 ist, wie Figur 2 zeigt, am Mittelteil des Tragkreuzes 13o durch entsprechende Schrauben 252 und 254 befestigt.

Die üinrichtuiig nach den Zeichnungen kann für mobile Tevwen^un -;, .vie zu» Liefern von. Leistung „ώ lan. „ntrieb von .iutoüooilan für private ?aLrgäsue_} Ia:-:is, schnelle

usw. wie auch zu stationären Zwecken

Die „echseisTi-oi.i-.iotore in len !Taten der Motoren 12 und 14 können auch abwechselnd für andere Arbeix-sfrequensen oder für K-Phasenbetrieb geschaltet sein, τ/obei Π eine andere Zahl als 3 ist, ohne you der „.-rfInnung absuv/eicLen.

Ge::iä:i einem Hauptmerkmal ier Erfindung bes-uehe-a die Hotorenringe aus !."ateriälien., die durch ",/erte des Moduls U ge ken: zeichnet sino., ier 3 x 1o'' d-rg prc 3-rar.Uii 3°° Joules pro Srainm) überschrc-itei;. wobei

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BAD ORIGINAL

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ist. Hierin ist K die maximale Zugfestigkeit eines ein-

P
zelnen Materials in Dyn/cm und f. die Dichte dieses Materials in gr/cnr.

Materialien für einen bevorzugten Rotorring nach der jirfindung haben die gemeinsame Eigenschaft, daß sie praktisch nicht festgelegt werden, d.h. Arten dieser Materialien, die durch eine Kraft, die kleiner als diejenige ist, die einen Bruch der Art bewirkt, belastet worden sind, in ihre ursprüngliche Länge zurückkehren, wenn die Belastung aufhört. Dagegen sind Materialien für den bevorzugten Rotorring nach der Erfindung Materialien, die bei kurzer Belastung bis zur Bruchlast keine permanente Belastung aufnehmen. Solche Materialien zeigen gewöhnlich eine hohe obere Widerstandsfähigkeit gegen Fehler wegen mechanischer Ermüdung im Vergleich zu Metallen oder anderen biegsamen Materialien.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel nach Figur 4 bezieht sich auf mindestens zwei Gruppen von Materialien mit

Modulen U , die als "Gläser" bezeichnet sind. Der hier ο'

benutzte Ausdruck "Gläser" bezieht sich nicht nur auf das Beispiel nach Figur 4, d.h. geschmolzene Quarze, sondern auch auf andere Gläser und auf Zusammensetzungen von Gläsern (z.B. Gläser nach der Tabelle I der Unterlagen der deutschen Patentanmeldung P 21 41 581 ο 6 vom 19. August 1971). Die Worte "Glas" und "Gläser" werden hier im weitesten Sinne gebraucht und umfassen auch Quarz-Glas, Flintglas| Kalk-Soda-Glas, Mondglas, Borosilikat-Glas, geschmolzenen i^uarz und eine zugfeste isotrope Substanz, deren Modul U 5oo Joules pro Gramm nicht überschreitet.

Die Module U_Q solcher Gläser sind nach Figur 4- typisch, um so mehr, als sie zehn- bis fünfzehnmal so groß sind wie die Module U₀ der bisher grundsätzlichen Schwung-

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radmaterialien, z.B. Stahl. Die Höhe des Vorteils, der sich aus der starken Erhöhung des Moduls U nach der Erfindung ergibt, kann an einem besonderen Beispiel voll erkannt werden.

Es wird angenommen, daß ein Fahrgastautomobil, das besonders für den Antrieb durch eine Trägheits-Elektro-Anlage bestimmt ist, etwa 9°o kg wiegt und ein Trägheitsenergiespeichergerät erfordert, das eine Energie

von 1o Joules speichern kann. Die Speicherung dieser Energie könnte beispielsweise in vier Speicherrotoren nach der Erfindung erfolgen, wobei jeder Rotor eine ^uarzringfelge (Packfaktor ο,75) mit einem Außendurchmesser von 35 cm, einem Innendurchmesser von 1o cm, eine Achslänge von 17 cm, einem Gewicht von 25 kg und einer maximalen Drehzahl von 18oo pro Sekunde besitzt. Diese vier Rotoren würden sich vorzugsweise in zwei Energiespeichermodulen der beschriebenen Art befinden und ein Gesamtvolumen von etwa 6o mal 6o cm einnehmen. Das Gesamtgewicht der Felge würde etwa 1oo kg betragen und wäre klein genug, damit das Gesamtgewicht der Module geringer als 18o bis 2j5o kg ist, was das Gesamtgewicht des Verbrennungsmotors in den heute üblichen Kraftfahrzeugen ist.

Die große Überlegenheit des zugfesten isotropen Ringmaterials der Energiespeicher nach der Erfindung als Antrieb für Fahrzeuge kann durch Vergleich der beschriebenen Zweimodulenergiequelle als Prototyp eines Trägheits-Elektro-Passagierautomobiles mit bisherigen Schwungrädern und Speicherbatterien klar erkannt werden.

Wenn beispielsweise Schwungräder aus einer Aluminiumlegierung als Energiequelle für dieses Prototyp-Fahrzeug benutzt werden, würde die Absicht vielleicht fallen gelassen werden, nachdem eine Vorkalkulation angestellt

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worden ist, da solche Berechnungen zeigen würden, daß Rotoren aus Aluminiumlegierungen für solche Fahrzeuge ein Gewicht von etwa 11oo kg haben würden, das mehr ist, als das angenommene Ladegewicht des ganzen Fahrzeugs ist und somit die ursprüngliche Annahme zunichte wird, daß die erforderliche Snergiespeicherkapazität in dem gewünschten Bereich liegt.

Aus den Vorberechnungen und der Figur 1 kann ferner in einfacher Weise geschlossen werden, daß zum Erreichen eines gleichen Schutzes bei Rotorfehlern im Vergleich mit den Trägheitsenergiespeichermodulen nach der Erfindung die genannten Rotoren aus Aluminiumlegierungen sich in Modulen befinden wurden, deren Gesamtvolumen etwa 1775 Liter betragen würde. Dann würde offensichtlich die Verwendung von üblichen Rotoren aus Aluminiumlegierung als Energiespeichereinrichtungen zum Antrieb von anderen als Kurzbereich-Passagierfahrzeugen vollkommen unzweckmäßig sein, sowohl hinsichtlich des Gewichts als auch hinsichtlich des Volumens. Dies würde sich auch nicht ändern, wenn anstelle einer Aluminiumlegierung hochwertiger Stahl verwendet würde.

Dagegen wurden, wie bereits erwähnt, die erforderlichen Trägheitsenergiespeichermodule nach der Erfindung zum Antreiben des erwähnten Prototypfahrzeugs im Vergleich gleich oder günstiger gegenüber Benzinaggregaten (einschließlich der Getriebe und der Brennstofftanks) sein, sowohl hinsichtlich Gewicht als auch hinsichtlich des Volumens.

Beim Vergleich der Trägheitsenergiespeichergeräte nach der Erfindung mit Speicherbatterien als Energiequellen für Fahrzeugantriebe würde eine vorläufige Analyse den Wegfall von Nickel-Kadmium-Batterien ergeben, weil deren Kosten hoch sind und der Lade-Entlade-Wirkungsgrad nur etwa 5o bis 60 % beträgt.

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Eine weitere Analyse würde zeigen, daß die Blei-Säure-Batterie wohl die am meisten erwünschten Charakteristiken der jetzt verfügbaren Batterien als Energiequelle für Fahrzeugantriebe aufweist. (Dies ergibt sich beispielsweise aus der 197o erschienenen Veröffentlichung der Intercontinental Clean Air Car Race, in der die Blei-öäure-Batterien als die am meisten verwendeten genannt sindc) Die EnergieSpeicherkapazität von BIe i-Säure-Batterien beträgt pro Einheitsmasse etwa 1oo Joules pro Gramm. Die angenommenen Erfordernisse bei Energiespeichern des erwähnten Prototyps eines Trägheits-Elektro-Fahrzeugs würde etwa 1ooo kg wiegen und würde die ursprünglichen Annahmen hinsichtlich Gewicht, Aktionsradius und Energiebedarf zunichte machen.

Es folgt, daß nicht nur das Energiespeichergerät nach der Erfindung den verfügbaren Speicherbatterien weit überlegen ist, sondern auch, daß diese wegen des Gewichts, des Volumens und des Lade-jjjitlade-Y/irkungsgrades für die Verwendung als Energiequelle V?im Betrieb von gewöhnlichen Fahrgastautomobilen unzweckmäßig sind, während bevorzugte Ausführungsbeispiele des Energiespeichergerätes nach der Erfindung gleich, wenn nicht so^r günstiger im Vergleich mit Benzinmotorantrieben sind.

Während der vorstehende Vergleich zwischen dem Trägheitsenergie speichergerät nach der Erfindung und den häufigsten bisherigen Fahrzeugantrieben auf den Rotorausführungen mit dem bevorzugten isotropischen Material ("Glas") basierte, sind auch Ringe aus anisotropem Material nach der Erfindung den Speicherbatterien als Energiequellen für nicht umweltverschmutzende Fahrzeuge, besonders solche nach der genannten deutschen Patentanmeldung P 21 41 581, überlegen.

Ein Trägheitsenergiespeicher mit einem anisotropischen

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Ring nach den Lehren der genannten Patentanmeldung könnte mit folgenden Parametern übereinstimmen: Rotorenzahl 2; Außendurchmesser jedes Rotors 5o cm; Innendurchmesser jedes Rotors 2o cm; Achslänge jeden Rotors 4o cm. Gesamtgewicht 16o kg; Gesamtabmessungen 9o χ 9o χ 9o cm. Beispiele entsprechender Materialien für die Ringe sind auf den Seiten 98 bis 1oo und 2o2 von "Popular Science" Februar 1969 in einem Artikel von Dr. Wernher von Braun mit der Bezeichnung "Leichter als Aluminium... fester als Stahl" beschrieben.

Die im vorhergehenden Absatz beschriebenen Speichermo-

dule können eine Energie von 1o Joule speichern und ein Fahrgastfahrzeug optimal über 25o km antreiben (Gewicht etwa 11oo kg einschl. der beiden Rotoren). Dagegen kann ein Fahrzeug, das von einer gut konstruierten Speicherbatterie betrieben wird, einen Aktionsradius von 2bö km unter optimalen Bedingungen haben und würde 24oo kg schwer sein.

Die Vorteile der Trägheitsenergiespeicher nach der Erfindung können somit durch Vergleich der erfindungsgemäßen mit bisherigen bekannten Energiespeichern, die für den Antrieb nicht-verschmutzender Fahrzeuge benutzt werden, nicht voll gewürdigt werden. Dabei müssen auch die Wirtschaftlichkeit der nationalen Energiereserven und die individuellen Betriebskosten für den Fahrzeughalter in Betracht gezogen werden, die entstehen, wenn die Erfindung allgemein für Autobahnen gewählt wird.

Der Brennstoffverbrauch von etwa 1oo Millionen motorbetriebenen Fahrzeugen beträgt in den Vereinigten Staaten von Amerika etwa 24o Milliarden Liter pro Jahr. Die gesamte Brennstoffenergie dieses jährlichen Benzinverbrauchs ist etwa 1o ° Joule (bei 1ο' Joule pro kg, wenn die Energie sich auf die Verbrennung von Benzin be-zieht).

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Dagegen kann dieselbe Anzahl von Fahrzeugen, die nach der Erfindung optimal mit sehr hohem zweiseitigen Umwandlungswirkungsgrad ausgerüstet ist, eine Energie von nur etwa 5 . 1o ' Joule erfordern und dabei den nationalen jährlichen Energieverbrauch bei Autobahntransport um den Faktor 2o verringern,,

5 χ 1o ' Joule ergeben etwa Λ^ο Milliarden Kilowattstunden. Dies ist 1o ^C,O der jährlichen Erzeugung elektrischer Energie in den USa. 3s kann somit angenommen werden, daß die zum Laden von Trägheitsenergiespeichern jährlich erforderliche Energie für diese Fahrzeuge leicht von den bestehenden Elektrizitätswerken der USA gedeckt werden kann, insbesondere, da mehr von dieser Forderung außerhalb der Spitzenbelastung (d.h. für den größten Teil der Fahrzeuge während der Hacht) geliefert v/erden kann. Die Kosten für das elektrische Laden dieser Fahrzeuge werden vorsichtig auf 7 Pfennig pro Kilowattstunde geschätzt und die Betriebskosten pro Kilometer dürften bei etwa o,7 Pfennig bei einer Geschwindigkeit von etwa 1oo km/std liegen gegenüber den Kosten von etwa 7 Pfennig pro Kilometer bei den jetzigen Fahrzeugen mit benzinbetriebenen Verbrennungskraftmotoren.

Es ist also zu erkennen, daß die Folgen einer weit gestreuten Anwendung auf in den USiI benutzte Fahrzeuge nach der Erfindung unter anderem sowohl der Abfluß nationaler Energiereserven und die Betriebskosten für die Fahrzeuge auf Autobahnen fühlbar gesenkt werden können.

Wenn gemäß der Erfindung optimale Ausführungen von Trägheitsenergiespeichermodulen nach der Erfindung in Verbindung mit festen Zfrkloumformern (die üblicherweise einen Wirkungsgrad von 99 % haben) verwendet werden, können die sich ergebenden Fahrzeugantriebe der Kriterien einer Hochenergiespeicherkapazität pro Masseneinheit und

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auch der für die Wirtschaftlichkeit und die nationalen Energiereserven notwendige hohe doppelseitige Umwandlung swirkungsgrad und die Fahrzeugbetriebskosten angenähert und durchgeführt werden.

Die Zugfestigkeit K von Hotorringen aus geschmolzenem i^uarz (150 in Figur 2) wird vorzugsweise durch entsprechende Oberflächenbehandlung und nachfolgende Oberflächenschutzbeschichtung erhöht und dadurch steigt die Drehenergiespeicherkapazität pro Masseneinheit U wesentlich an.

Es ist seit langem bekannt, daß dünne Fasern geschmolzenen .Quarzes (geschmolzene Kieselerde) eine sehr hohe

Zugfestigkeit (o,9 x 1o¹¹ Dyn/cm², d.h. etwa 8,4 lfl.llΙο
onen Dyn/cm bei Fasern von 1,5 M Durchmesser) haben siehe beispielsweise Smithsonian Physical Tables, 9 te rev. Ausgabe Seite 354·)·

Bis vor kurzem hat man geglaubt, daß diese hohe Festigkeit bei Fasern aus geschmolzenem <£iarz mit wesentlich größeren Durchmessern oder bei Stangen aus geschmolzenem quarz nicht möglich ist.

Neuere Forschungen haben aber gezeigt, daß die Flächenzustände, d.h. das Vorliegen oder Fehlen von Flächenfehlern und das Vorliegen oder Fehlen von Wasserdampf eine beherrschende Rolle beim Bestimmen der Zugfestigkeit von Prüflingen aus geschmolzenem Quarz spielen (Irocter, Whitney und Johnson, Proceedings Royal Society A 297, Seite 534 von 1967). Die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens von Flächenfehlern pro Längeneinheit bei Feindrähten ist geringer als bei größeren Durchmessern, wie die früheren Beobachtungen hoher Festigkeit bei dünnen Fasern aus geschmolzenem «Juarz zeigen. In der erwähnten Arbeit von Proctor et al. wurde festgestellt, daß bei

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guter Feuerpolierung (Flächenscnmelzen und Heißbehandlung) und mit sorgfältigem Ausschließen einer Berührung mit Wasserdampf nach einer solchen Feuerpolitur

1Ί 2 gemessene Zugfestigkeiten bis zu 1,4 χ 1o Dyn/crn erreicht werden, unabhängig vom Durchmesser des Prüflings.

Um hohe Werte von U zum Herstellen der Rotorringe zu erhalten, werden diese aus geschmolzenem i^uarz oder ähn lichen brüchigen Materialien, wobei die Flächenwirkungen das Bestimmen der Zugfestigkeit regeln, durch ein Verfahren mit dem Behandeln der Hinge zum Erzeugen des notwendigen Perfektionsgrades der Oberfläche (1) und mit einer Einrichtung zum Schützen der so behandelten Ringflächen zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen, Berührung mit Wasserdampf usw. (2) während der nachfolgenden Prüfung und dem Einbau in die Rotorenanordnung erhalten.

Beispielsweise ergeben die folgenden Schritte ein Verfahren zur Vorbereitung eines Hotors aus geschmolzenem nach der Erfindung:

1. Vorbereiten des Hinges durch Gießen geschmolzenen Quarzes (Temperatur über 17oo° O) in einer nicht-reaktiven feuerfesten Form bekannter Art mit gewöhnlicher Technik;

2. Reinigen der Oberfläche des Ringes und Entfernen von Unreinheiten, z.B. durch chemisches Äfcfcßn in hydrofluorischer Säure oder durch Schleifen;

5. Setzen des Ringes auf die horizontale, nicht reaktive Oberfläche (z.B. feuerfestes Metall oder Keramik) und Flammpolieren der Ringfläche durch eine Gasflamme (die notwendige Erhitzung der Ringfläche kann auch durch thermische Bestrahlung oder durch besonderes Bombardement tn einer geregelten Atmosphäre oder im Vakuum er-

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folgen)

M-. den Ring an der horizontalen, nicht reaktiven Oberfläche lassen, den freien, oberen Teil des Ringes mit einem dünnen Film nicht-reaktiven Materials, z.Bo Platin im Vakuum oder durch thermochemische Äuftragung beschichten (das BeSchichtungsmaterial muß einen entsprechend hohen Schmelzpunkt und niedrigen Dampfdruck bei erhöhten Temperaturen besitzen, um seine Dissipation während, der nachfolgenden Wärmebehandlung der unteren (nicht freigelegten) Oberfläche des Ringes zu verhindern) ;

5. Umdrehen des Ringes, so daß die verbleibende unbeschichtete Oberfläche nach oben zeigt, wobei der Ring an der horizontalen nicht-reaktiven Oberfläche bläibt;

6. den Ring wieder erhitzen wie bei Schritt 5 zum Flammpolieren des unbeschichteten Teils der Ringoberfläche;

7. Beschichten des Ringes wie bei Schritt 4;

8. den Ring nach dem Abkühlen aus der horizontalen, nicht-reaktiven Oberfläche bringen;

9. gemäß der Erfindung kann eine zusätzliche Schutzschicht, z.3. dünne Lagen von elastischem Plastik- oder gummiähnlichem Material aufgetragen werden, die einen zusätzlichen Flächenschutz vor der weiteren Behandlung und dem Zusammenbau ergibt (Figur 4-a).

Es ist zwar die Herstellung eines einzelnen Rotorringes nach der Erfindung beschrieben worden, es ist aber offensichtlich, daß bei der Herstellung der Speichermodule nach der Erfindung alle ito torringe nach diesem Verfahren hergestellt werden können. Bei der Herstellung nach diesem Verfahren ist jeder liotorring durch einen hohen Wert von U gekennzeichnet und kann während der Herstellung behandelt und der Umgebungsluft ausgesetzt

werden, ohne daß sein hohes U verloren geht.

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Der Hotorring wird zwar aus geschmolzenem ^uarz gefertigt, es kann aber auch anderes isotropes Material im selben Verfahren verwendet werden.

Die hier verwendeten Ausdrücke "Matrix" und "Matrixeinrichtung" sind dem Sinn nach nicht auf die in den Figuren 1 bis 3 dargestellte und beschriebene Matrix 152 beschränkt»

Die Ausdrücke "Matrix" und "Matrixeinrichtung" und deren Äquivalente "Eformant" und "Formanteinrichtung" werden in ihrem breitesten Sinn verwendet, um eine Einrichtung anzugeben, die zum Halten der Hinge der Hotorfeige nach der Erfindung in arbeitsmäßiger nebeneinanderstellung' verwendet wird und dadurch der Rotorfelge ihre Form gibt. Diese Ausdrücke umfassen außerdem die Matrixkonstruktion 152 der Figuren 1 bis 3» die nun in Verbindung mit den Figuren 5 bis 11 beschrieben werden.

Die Figuren 5> 6, 6A und 7 zeigen eine Trägheitsenergiespeicherrotorfelge nach der Erfindung.

Die Felge 258 enthält mehrere Hotorringe 26o aus einem Material mit einer hohen Rotationsenergiekapazität pro Masseneinheit U und einen Kern 262.

Die Ringe 26o der Felge 258 werden in arbeitsmäßiger Hebeneinanderanordnung zueinander und zum Kern 262 durch eine Matrix 264 gehalten, die aus sechs identischen Matrixgliedern 264.1 bis 264»6 besteht, die alle mindestens teilweise in Figur 5 zu sehen sind» Jedes Matrixglied 264 ist eine Zusammenfassung elastischer Segmente, die gegenseitig ineinandergreifen und auch dicht die zugehörigen Hotorringe 26o umfassen. Da die Figuren 6 und 7 nur Teilansichten eines 12o Ring-Hotors sind, ist nur ein Teil der Segmente in den Figuren 6 und Jf^-,

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dargestellt, die das Matrixglied 264.1 bilden.

Die meisten elastischen Segmente, aus denen jedes der Matrixglieder 264.1, 264.2 usw. aufgebaut ist, sind von der Art des mit 266 bezeichneten und in Figur 6 im Längsschnitt gezeigten. Jedes Segment 266 ist mit acht nach oben und sieben nach unten gerichteten Fingern versehen. Diese Finger sind im querschnitt ungleich. Jeder Finger verläuft von einer ersten planaren Fläche seines Segments 266 zu einer zweiten planaren Fläche und beide Flächen sind parallel zur Fläche der Figur 6. Die Flächen der Finger können bei der Herstellung leicht gekrümmt sein, um sich der entsprechenden Kurve der Rotorringe 26o anzupassen, die dadurch umfaßt v/erden. Jedes Segment 266 verläuft von der unteren Fläche des Kerns 262 zum Ring mit dem größten Durchmesser, den er teilweise umfaßt.

Die obersten Ringe 26o der Felge 258 werden in elastischen Segmenten 268 und 27o gehalten, die, wie Figur 6 zeigt, sich von den genannten elastischen Segmenten unterscheiden. Das elastische Segment 268 ist den elastischen Segmenten 266 im allgemeinen gleich, aber seine nach oben verlaufenden Finger sind kürzer als die entsprechenden Finger der Segmente 266. An der Figur 6 oben ist zu erkennen, daß die aufwärts gerichteten Finger des Segments 268 nur leicht über der Jibene der Mitten der oberen Ringe 26o verlaufen. Zum Ausfüllen des Raumes zwischen den Außenkanten der Ringe 26o und den anschließenden Innenflächen der aufrechten Finger des Segments 268 sind sieben elastische Ringe 2?o vorgesehen, die aus demselben Material wie die Segmente 266 und 268 sind. Die besonderen Segmente 27o können auch einen Teil des Segments 268 bilden. Besondere Segmente dienen auch zum Umfassen der untersten Ringe 26o der Felge 258. Die 12o Ringe 26o der Felge 258 werden somit

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in ihrer arbeitsmäßigen Nebeneinanderstellung durch mehrere Matrixglieder 264 gehalten, von denen jedes mehrere elastische Segmente 266, 268, 27o usw, enthält Alle diese Segmente eines einzelnen Matrixgliedes 264 sind so einander und allen Hingen 26o angepaßt, daß jedes Matrixglied 264 praktisch aus einem einzigen Block aus elastischem Material bestellte

Die Segmente 266 und 268 sind, wie Figur 6 zeigt, gemäß der Erfindung so beschaffen, daß sie Kräfte aufnehmen, die weitgehend Druckkräfte sind und somit zu keinem Bruch der Matrix durch Zugbeanspruchung führen. Die S'egmente 266 und 268 greifen so ineinander, daß jeder aufrechte Finger durch den Hing 26o gegen Zentrifugalbeanspruchung gehalten wird, der seine nach außen gekrümmte Oberfläche trägt, und gleichzeitig wird jeder nach unten gerichtete Finger der Segmente 266 und 268 gegen Zentrifugö.lbeanspruchunr; durch den benachbarten nach oben gerichteten Finger gehalten, an dem er anliegt.

Entsprechend der Beschränkung der Diclie der Segmente und 268 und ihrer Finger wird das Volumen des beim Beispiel der Figur 6 verwendeten elastischen Materials zu dem der Ringe sehr klein gehalten, sowohl zum Vergrößern der gesamten Rotationsenergiedichte des Rotors als auch zum Beseitigen unnötiger Beanspruchungen in der Matrix und der Hinge 26o.

Alle Segmente 266, 268, 27o usw. aller Matrixglieder werden vorzugsv/eise aus bei niedrigem Dampfdruck elastischem Material, z„B. üilikongummi, hergestellt. Ferner sind bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel alle elastischen Segmente eines jeden Matrixgliedes 264 zementiert oder vulkanisiert oder in anderer Weise miteinander vereinigt.

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In manchen Ausführungsbeispielen erfolgt der Abgleich des Rotors durch winkeliges Verschieben der Lagen der Matrixglieder um die Achse der Felge 258 in bezug auf deren mittlere oder Soll-Lagen, wie Figur 5 zeigt, durch geringes Verschieben der Segmente 27o und deren entsprechender Segmente am Boden der Matrixglieder 264 in bezug auf die übrigen Segmente oder durch andere Einrichtungen, die in der einschlägigen Technik bekannt sind.

Die Matrixglieder 264 und der Kern 262 greifen durch Vor_ sprünge oder Anschläge 272 ineinander, die in die inneren Enden mindestens der Segmente 266 eingegossen sind. An der Außenfläche des Kerns 262 befinden sich Rillen oder Keilnuten 274, von denen sich eine an den Anschlag 272 der Innenfläche jeden Matrixgliedes anpaßt. Jede Rille 274- endet nahe der Unterkante des Kerns 262 und gibt eine Wand 276 frei, wie Figur 6A zeigt. Die unteren Anschläge 272 jeden Matrixgliedes, die an ihren entsprechenden V/änden 276 (Figur 6A) gelagert sind, dienen zum Halten der Anordnung aus den Ringen 26o und den Matrixgliedern 264_t wobei ihr oberes linde mit dem oberen Ende des Kerns 262 und ihr unteres Ende mit dem unteren Ende des Kerns 262 ausgerichtet ist. Wegen der hohen Betriebs-Umlaufgeschwindigkeitsn des Rotors des Energiespeichers nach der Erfindung reichen die Anschläge 272 aus, die volle Arbeitskraft in die Anordnung von Ringen 26o und Matrixgliedern 264 und aus ihnen heraus zu bringen.

Bei einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel nach der Erfindung werden die Rotorringe 28o einer Rotorfelge 282 durch mehrere dünne Metallklammern 288 nebeneinander und an einem zylindrischen Kern 286 gehalten, wie die Figuren 8, 9 und 9A zeigen. Die Klammern, die notwendig sind, um der Rotorfelge ihre Form zu geben, sind zusammengefaßt und werden im folgenden als die "Matrix" bezeichnet , obwohl sie nicht unmittelbar untereinander

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verbunden sind.

Außer den Klammern 288 gibt es auch Klammern 29o einer zweiten Art, die dem mechanischen Kuppeln der Anordnung von Ringen 28o und Klammern 288 an den Kern 286 dienen.

Jede der Klammern 282 besteht, wie Figur 9 zeigt, aus vier Teilen, einem Fuß 292, zwei Schenkeln 294- und 296 und einem Kopf 298. Jedes dieser Teile wird gesondert aus einem Federvorrat leichtesten Kalibers hergestellt, der einen Service ermöglicht. Die abmessungen aller Teile 292, 294, 296 und 298, die senkrecht zur Sbene der Figur 9 verlaufen, sind im wesentlichen dieselben und sind so klein, wie es der Service zuläßt. Das heißt, jede Klammer 288 ist so leicht, wie es die beabsichtigte Verwendung zuläßt. Alle Teile 292, 294, 296 und 298 können beispielsweise aus Stahlrippen oder Stahlband bestehen, das so eng ist, wie es die beabsichtigte Verwendung zuläßt, und wird dann, wenn nötig, behandelt, um die notwendigen mechanischen Eigenschaften, wie Steifigkeit und Elastizität zu behalten oder zu erhalten«

Jede Klammer 29o der zweiten Art besteht, wie Figur 9 zeigt, aus drei Teilen, einem Fuß 3oo, einem ersten Schenkel Jo2 und einem zweiten Schenkel 3o4. Die Klammern 29o bestehen aus demselben Material wie die Klammern 288 der ersten Art. Die Schenkel 3o2 der Klammern 29o sind im wesentlichen dieselben wie die Schenkel 294 und 296 der Klammern 288. Die geraden Schenkel 3o4 der Klammern 29o sind charakteristische Kennzeichen der Klammern 29o und es gibt keinen entsprechenden Teil bei den Klammern 288. Es gibt auch keine den Köpfen 298 der Klammern 288 entsprechenden Teile bei den Klammern 29o. Vielmehr greifen die vorspringenden Enden der geraden Schenkel 3o4 der Klammern 29o in Schlitze in der Außenfläche des Kerns 286 ein und kuppeln dadurch die An-

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Ordnung von Rotorringen 288 und Klammern 288 und 29o an den Kern 282.

Die Klammern 288 und 29o dienen, wie Figur 9 zeigt, zum differentiellen radialen Dehnen der Rotorringe 28o (durch Biegen der radial innersten gekrümmten Teile der Klammernschenkel 294 j 296 und 3o2 und der Klaiamerköpfe 298) und gleichzeitig zum stabilen Tragen an ihren Außenenden durch den Druck ihrer Füße 292 und 3oo gegen einen Rotorring 28o.

Infolge der sehr hohen Zentrifugalkräfte, die jede Klammer bei üblichen Betriebsgeschwindigkeiten (z.B. 23oo Umdrehungen pro Sekunde) beeinflussen, müssen die Klammern ebenfalls so leicht wie möglich sein. '„Venn beispielsweise eine Klammer 282 sich an einem Radius von 15 cm in einem sich mit 23oo Umdrehungen pro Sekunde umlaufenden Rotor befindet und eine Masse von o,o3 gr auf-

weist, würde die nach außen wirkende Kraft von etwa 1o Dyn (I00 kg) besitzen. Wenn in diesem Beispiel neun dieser o,o3 gr schweren Klammern gleichwinkelig um die Achse des Rotors verteilt angeordnet sind, würde bei einem Radius von 15 cm die gesamte nach außen wirkende Kraft, die durch diese Klammern an den Ringen 28o ausgeübt wird, gegen die ihre Füße 292 anliegen, etwa 9 x 1o Dyn (9oo kg) betragen. Wenn dieser Ring jedoch ein Ankerring aus geschmolzenem ^uarz und einem Durchmesser von 5 ist, würde die äußerste Zugbeanspruchung an 2",7 x 1o Dyn, d.h. etwa 25 000 kg herankommen oder an die dreißigfache Randkraft, die sich zur Masse der neun Klammern hinzufügen würde. Die Innenringe 28o würden bei kleineren Radien allgemein niedrigere Klammerkräfte ergeben, je nach der Zahl der verwendeten Klammern. Es könnte somit sein, daß, während zwölf Außenklammern 282 in Figur 5 zu sehen sind

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Besonders bei höchsten Arbeitsgeschwindigkeiten will man aber die Zahl der Klammern, die zwischen dem Außengehäuse der Hinge 28o liegen, verringern. Beispielsweise kann bei der Konstruktion bestimmter Ausführungen nach der Erfindung die Zahl der Klammern 282, die gegen jeden der äußersten Ringe 28o stößt, auf drei verringert werden.

Die besonderen Teile aller Klammern 288 und 29o sind durch bekannte Techniken, z.Bc Punktschweißen, verbunden, wonach sie so wärmebehandelt werden, daß sie, wenn nötig, ihre Elastizität erhalten.

Die Außenfläche des Kerns 286 ist, wie Figur 9 zeigt, mit mehreren lullen oder Keilnuten 274- wie im Beispiel nach Figur 6 versehen. Die oberen ahnden dieser Nuten verlaufen zum oberen jiinde des Kerns 286. '.Vie andererseits Figur 9 zeigt, verlaufen die ifuten nicht zum Boden des Kerns 286. Die Böden, die die Endwände der Rillen oder Keilnuten Jo6 bestimmen, sind mit Jo8 Taezeichnet.

Der Zusammenbau der iSnergiespeicherrotorfelge 282 kann durch Zusammenstellen der aufeinander folgenden "Wände" der Ringe rund um den Kern 282 erfolgen. Die Klammern 29o und 288 wie auch die aufeinander folgenden "Wände" werden um den Kern 282 herum in winkelig versetzt angeordneter Weise aufgebaut, wie die Figuren 8 und 9 zeigen. Bei diesem Beispiel der Erfindung können die unabhängigen Klammern 288 in bezug auf ihre einheitlichen SollStellungen winkelig so verschoben sein, daß die Rotorfelge in hohem Grade abgeglichen ist. Im besonderen kann die Felge 282 an einem entsprechenden Prüfgerät, nachdem jede "Wand" von Ringen und der zugehörige Klammernsatz hinzugefügt worden ist, durch geringes Verschieben des dann zuletzt eingesetzten Klammernsatzes

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abgeglichen werden, wodurch ein hoher Abgleichgrad über die Masse des Rotors erreicht wird, was bei hohen Umlaufgeschwindigkeiten entsprechend der Erfindung höchst wünschenswert ist.

Bei dem eben beschriebenen Verfahren und besonders, wenn jede "Wand" von Rotorringen nacheinander abgeglichen wird, sollen Ringe mit doppelten Schutzschichten verwendet werden, wie Figur 4A zeigt.

Nach dem Zusammenbau kann die Rotorfelge "eingefaßt" werden, d.h. mit elastischem Material im flüssigen Zustand imprägniert werden, das darauf vulkanisiert oder in anderer Weise gefestigt wird. Nach einem bevorzugten Verfahren zum Ausführen dieses "Einfassens" wird der zusammengebaute Rotor in einem entsprechenden hohlzylindrischen Gehäuse versponnen, in das das flüssige elastische Material gebracht wird, und dadurch werden Zentrifugalkräfte zum Erzeugen einer dichten Masse elastischen Materials von geeigneter Form und frei von Lücken rund um den Aufbau von Ringen und Klammern herum benutzt. Jiese dichte Masse elastischen Materials kann dann durch die Einwendung: von Hitze durch "Einweichen" in einem sauberen Ofen gefestigt-werden, der, wenn nötig, eine entsprechende Atmosphäre oder eine andere umgebende atmosphärische Luft enthält.

Nachdem alle Her.stellungsschritte ausgeführt sind, kann die Rotorfelge 282, ähnlich wie die Felge 2^8, an tipeichen 14-2 nach Figur 2 zusammengebaut und somit an die otelle der Rotorfelge nu<Jh Figur 2 gesetzt werden.

,Vie durch Vergleich der Figuren 6 und 9 zu erkennen ist, wird bei der Rotorfelge 282 ein größerer Packun'gsfaktor erzielt als bei der Rotorfelge 25*J. Das heißt, daß die benachbarten Ringe 2Bo dichter angeordnet sind als die Ringe 26o.

209844/0680 8ad original ~^>?~

jus soll der höchstmögliche Packungsfaktor des Rotorringes erzielt werden, da dadurch die höchsten Trägheitsenergiekapazitätswerte pro Volumeneinheit des fertigen Speichermoduls U»_T erreicht werden können. Y/enn man das

IU

Kriterium des maximalen Packungsfaktors oder das maximale U₁,, in Betracht zieht, kann, man bei der Betrachtung

Ivi

der Figur 9 sehen, daß der maximale Packungsfaktor, der bei einer Rotorfelge 282 erreicht werden kann, durch die notwendige Dicke der Teile der Klammern 288 und 29o bestimmt wird.

Der Packungsfaktor der Rotorfelge 258 kann andererseits über den in Figur 6 gezeigten dadurch vergrößert werden, daß die Teile der Segmente 266, 268 und 27ο dünner gemacht werden, als im querschnitt in Figur 6 gezeigt wird, ohne daß sich die Y/eite der JJatrixglieder 264 ändert (Figur 5) (die ^uerschnittsdicke der Segmente 266, 268 und 27o ist der besseren Darstellung wegen übertrieben dargestellt). Die Vergrößerung des Packungsfaktors ist durch Verringern der ^uerschnittsdicke der elastischen Segmente 266, 268 und 27o der Rotorfelge 258 jedoch entsprechend dadurch beschränkt, daß diese Segmente von unzureichender o^uerschnittsdicke (Figur 6) für den Zusammenbau nicht starr genug sind.

Ein Teilquerschnitt der Rotorenkonstruktion, durch den ein hoher Packungsfaktor und ein ho:
kann, wird in Figur 1o gezeigt.

hoher Packungsfaktor und ein hohes U., erzielt werden

Die Rotorfelge 3o9 enthält 12o Rotorringe 31 ο nach der Erfindung. Die Rotorringe '$Λο werden in koaxialer, - zylindrischer und gleichzeitig paralleler planarer Anordnung gehalten (Figur 2), sind aber so dicht angeordnet, wie es ihre Schutzschichten 312 zulassen. Zwischen den Ringen 31 ο befinden sich Streifen aus elastischem oder federndem Material 314. Das Material 314 kann beispielsweise durch

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bekannte Verfahren extruiert werden, wobei der .querschnitt der iSxtrusion so bemessen ist, daß sie den Raum zwischen vier benachbarten Rotorringen 31 ο einnimmt oder etwas größer ist, so daß das extruierte Material beim Einbau in die Rotorfelge 3o9 etwas zusammengedrückt wird. Zum mechanischen Kuppeln der Zusammenfassung von Rotorringen 3I0 und iixtrusionen 314- mit dem Kern 32o der Rotorfelge 3o9 können besondere Innenflächenextrusionen 316 vorgesehen werden, die von halbem Querschnitt der Extrusion 314· sind und mit Anschlägen 318 zur Aufnahme in Rillen oder Keilnuten 322 im Kern 32o versehen und auch wie die Anschläge 272 der üegmente der Rotorfelge 258 in Rillen oder Keilnuten 274 in der Außenfläche des Kerns 262 aufgenommen sind. Der Zusammenbau von Rotorringen 31 ο und dazwischen liegenden Extrusionen 314-kann an den Kern 32o der Rotorfelge 3o9 angekuppelt und dort gehalten werden.

Durch Verwenden der Konstruktion nach Figur 1o kann die Rotorfelge schichtweise auf den Kern 32o aufgetragen werden, wobei jede ochicht beim auflegen wie durch .,Mit fern en kleiner Teile der iüxtrusionen 314- oder durch Verwenden von nicht vollen Randteilen der Sxtrusionen 314- und Verschieben dieser Teile um die .achse der Rotorfelge beim Zusammenbau abgeglichen wird.

Nach dem Zusammenbau einer vollständigen Rotorfelge soll diese einem "Aufweichen", d.h. einer l/ärme behandlung bei niedriger Temperatur, unterworfen werden, um die Außenschichten der Rotorringe 3I0 und der Extrusionen 314- und 3I6 in einer einzigen Masse zu vereinigen, Ss können aber auch entsprechende Zemente zum Vereinigen der Außenschichten der Ringe 3I0 und der Extrusionen 314- und 3I6 verwendet werden.

Die Extrusionen aus elastischem Material, ähnlich dein

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elastischen Llaterial 314-, aber von verschiedenem Querschnitt, kann zum Aufnehmen anderer nebeneinander liegender anordnungen der Rotorringe vorgesehen sein. Beispielsweise können entsprechende Extrusionen vorgesehen werden, durch die die Ringe der Rotorfelge wie in Figur 9 angeordnet sind, aber optimal dicht nebeneinander liegen.

Das Verfahren und die Extrusionen nach Figur 1o oder die jäxtrusionen eines abweichenden Querschnitts können, wie vorstehend beschrieben, verwendet werden, um Paare von Rotoren zu erhalten, deren Außenflächen mit der Innenfläche des sphärischen Gehäuses 16 (Figur 1) übereinstimmen und dadurch die Rotationsenergiekapazität pro Moduleinheitvolumen oder bestimmter ,.,peichermodule nach der iirfiiiäuii'' erhöhen.

Die Figuren 11 und 11,,. zeigen Querschnitte eines besonderen ^iUGführuiigübeispiels der Erfindung, bei eiern das Llaterial der Rouorringe 323 eine Zusammensetzung oder ein anisotropes Llaterial ist (s. die Zusammensetzungen in Fi Tür 4 ).

Bei uiese.a ^usTührun^sbeispiel der Lrfij.iu.dng nelimen Rotorringe 323 >-ie Form mehrerer dünner Zylinder an. se Zj/liiider 323 werden durch mehrei^e Matrixglieder 324, die ein IMerkmal der Erfindung sind, in ihrer arbeitsmäßigen I^ebeneinanderstellung gehalten. Die IJatrixglieder 324 dienen auch zum Befestigen der Rotorfelge am Kern 325· Dieser i^ern ist analog dem Kern 154- nach Figur 2 aui're^aui und arbeitet wie dieser.

Jie üatrix^lieder 324 bestehen aus elastischem Llaterial wie bilikonguuiui. Jedes Liatrixglied 324 ist länglich und verläuft parallel zur ,iChse des Hotors. \jas obere £aiae eir.os jeden ...atrixgliedes 324 befindet sich dicht an den

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oberen Enden der zylindrischen Gehäuse 323 > aber unter diesen. Das untere Ende jedes Matrixgliedes 324 befindet sich dicht an den unteren Enden des zylindrischen Gehäuses 323 und unter ihnen. Es tritt somit kein Matrixglied 324 über die Enden der Gehäuse 323 aus nicht sich festigendem Material heraus, auch wenn der i-totor sich bei Maximalgeschwindigkeit dreht.

Die Form der Matrixglieder 324 nach den Figuren 11 und 11A ist eine Idealdarstellung der Form, die durch diese Glieder angenommen wird, wenn sie durch hohe Zentrifugalkräfte, bedingt durch die Maximalumlaufgeschwindigkeit des Rotors (z.B. 23oo Umdr./sec) betätigt werden.

Durch Vergleich der Figuren 11 und 11A ist zu erkennen, daß jedes Matrixglied 324 einen Hohlraum oder eine Kammer 326 ergibt. Jede Kammer bzw. jeder Hohlraum wird vollständig mit einer Flüssigkeit 327 gefüllt und abgedichtet, um ein Austreten der Flüssigkeit zu verhindern.

Die Flüssigkeit 327 ist so gewählt, daß sie sich mit dem Material der Matrixglieder 324 verträgt, d.h. daß es diese nicht chemisch angreift oder altert oder in anderer V/eise zerstört oder abträgt. Ferner soll die Flüssigkeit nur wenig zusammengedrückt werden können und eine im Vergleich mit der Dichte des elastischen Materials der Matrixglieder 324 geringe Dichte aufweisen. Eine besonders bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 11 und 11A benutzte Flüssigkeit ist Methylalkohol. Es können in bestimmten Fällen auch Gase verwendet werden.

Das obere Ende der Kammer 326 in jedem Matrixglied 324 läuft in einen Hohlraum 328 aus (Figur 11). Das untere Ende jeder Kammer 326 läuft in einen ähnlichen Hohlraum 328' aus (nicht dargestellt).

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Die Außenwände 324«2 und 324.3 der Kammer 326, die keinen Ring 323 berühren, sind verhältnismäßig dick im Vergleich zur Außenwand 324.1.

Die Innenwand 324.1 der Kammer 326 enthält einen verhältnismäßig dicken Teil 329 und zwei verhältnismäßig dünne Teile 329'· iJer dicke Teil 329 ist von den dünnen Teilen 329' durch zwei Rippen 324»5 und 324.6 getrennt. Die 7/andteile 329 und 329' sind praktisch gleich lang (d.h. senkrecht zur Ebene der Figur 11n).

Die Bereiche und Dicken der Y/andteile 329 und 329' sind gemäß der Erfindung so gewählt, daß der hydrostatische Druck an jedem V/andteil 329' _? der durch die nach außen gerichtete Bewegung des .Yandteils 329 infolge der Zentrifugalkraft erzeugt wird, die entsprechende Zentrifugalkraft an der Masse desselben ".Yandteils 329' überschreitet. Die Randteile 329' sind somit stark gegen die Außenwände der Ringe 323 gedrückt, und zwar mehr, als sie durch die Wirkung der Zentrifugalkraft von dort zurückgezogen werden. Das heißt, daß die Matrixglieder 324 mit den Kammern 326 und den V/andteil en 329 und 329' so proportioniert sind und dabei die Dichte und andere mechanische Eigenschaften des Materials der Matrixglieder und der Flüssigkeit 327 in Rechnung stellen, daß sich die Matrixglieder 324 radial entsprechend der Zentrifugalkraft ausdehnen und somit den vergrößerten Gehäuse-Zwischenraum kompensieren, der durch die Zentrifugalkraft herumgelegt worden ist.

Die zementierten Verbindungen zwischen den Wänden 324.1 und 329' der Matrixglieder 324 und die entsprechenden ,/andteile der benachbarten Ringe 323 werden somit vor Bruch infolge der Zentrifugalkraft geschützt, was ohne die Kammer 326 und die Flüssigkeit 327 die Matrixglieder 3^4 und teilweise diese Verbindungen zusammendrücken

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würde. Es kann aber auch der Zement zwischen den Eatrixgliedern 324· und den Gehäusen 323 weggelassen werden und dafür diese an den dazwischen liegenden Reibungskräften abstützen.

Einer der Vorteile dieser Anordnung besteht darin, daü der nach außen gerichtete Druck infolge der sich radial ausdehnenden Matrixglieder 324- einer Tendenz entgegenstellt, am Teil der Gehäuse 323 auseinander zu gehen, d.h. an einem Kreis oder Zylinder gelegenen stelle infolge der niedrigen radialen Festigkeit des nicht gebundenen Materials der Ringe 323 und der Unterschiede der Randbeanspruchung zwischen den inneren und äußeren Teilen der Gehäuse 323 zu brechen. Zum Erhöhen dieser begegnenden Wirkung können die Matrixglieder die Form fortlaufender zylindrischer Gehäuse haben und mehrere Kammern aufweisen, was besser ist als bei der Form unabhängiger Glieder, wie Figur 11a zeigt. Bei einer weiteren Abänderung werden die unabhängigen Kammern 325 untereinander verbunden oder eine einzelne zylindrische Kammer 326 wird bei einer bleibenden Abänderung der dicken Jandglieder analog zu 329 und der dünnen Wandglieder analog zu 329' als Innenwand verwendet.

Die Matrixglieder nach Figur 11a haben den Vorteil, daß sie am Umfang zu in gleichem Winkel angeordneten Lagen verschoben werden können, um den Abgleich des Rotors als Ganzes zu unterstützen, \7enn aber besondere Glieder 324-, wie in Figur 11A, vorgesehen sind, müssen die üeitenwände 324.2 und 324·.3 dick genug sein, um eine Störung durch die durch die Zentrifugalkräfte am Randteil 329 bedingten hydrostatischen Drücke zu vermeiden.

Ferner müssen Maßnahmen ergriffen werden, um die ./irkung des hydrostatischen Druckes der Flüssigkeit 327 an der oberen Wand 324.7 (Figur 11) des Matrixgliedes 324 und

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an der Bodenwand 324«7 (nicht dargestellt) eines jeden Matrixgliedes 324 .zu kompensieren«

Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 11 und 11A geschieht dies durch die bereits beschriebenen Kammern 328 und 328'. Der Hohlraum 328 verläuft quer zum oberen Ende des Matrixgliedes 324. V/eder die Rippe 324«, 5 noch die Rippe 324«, 6 verläuft nach oben in den Hohlraum 328. Dieser ist mit einem dünnen V/andteil 329' versehen, der eine Dicke besitzt, die etwa dieselbe ist, wie die des 7/andteils 329' ist. Während der Drehung des Rotors drückt somit der hydrostatische Druck in der Flüssigkeit 327» der durch die Auswärtsbewegung des V/andteils 329 unter der Y/irkung der Zentrifugalkraft erzeugt wird, den Wandteil 329" nach innen gegen den Kern 325 oder gegen eines der Gehäuse 323' und ergibt somit ein Verklemmen, das die obere Wand 324.7 des Matrixgliedes 324 gegen den hydrostatischen Druck der Flüssigkeit an seinem Platz hält. Die Dicke der oberen Wand 324.7 reicht aus, um ein "Ballonen" durch den hydrostatischen Druck der Flüssigkeit zu verhindern (Figur 11).

Der Hohlraum 328' an der unteren Wand 324.8 besitzt eine ähnliche dünne Wand 329" und arbeitet in derselben Weise, um ein Ballonen der Bodenwand 324.8 aus dem Raum zwischen dem Kern 325 und dem Gehäuse 323 zu verhindern.

Zwischen der Außenwand des Kerns 325 und dem mittleren Teil der Innenwand des Matrixgliedes 324 befindet sich ein Hohlraum 324_β9· Die Form des Matrixgliedes 324 nach den Figuren 11 und 11A ist eine ideale Darstellung ihrer Form, die sie unter der Zentrifugalkraft bei voller Betriebsgeschwindigkeit und der Flüssigkeit in der Kammer 326 annimmt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist dann der Hohlraum 324.9 derjenige, der durch die Zentrifugalkraft erzeugt ist, wobei sich die Innenwand 324.4 des Matrix-

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gliedes mit der Außenwand des Kerns.325 oder eines Gehäuses 32J durchweg in Kontakt befindet, wenn der Rotor noch steht oder sich noch nicht dreht. Bei bestimmten Ausführungen der Erfindung soll ein Hohlraum 324.9 auch bei stehendem Rotor vorhanden sein, um den Wandteil 329 richtig aufzustellen und ihn dadurch einer höheren Zentrifugalkraft als den V/andteil 329' zu unterwerfen. Auch eine solche Konstruktion fällt unter die Erfindung.

Die einzelnen dünnen Zylinder oder Ringe 323 können aus zusammengesetzten Materialien wie Kohlefaser-Epoxy unter Anwenden bekannter Verfahren bestehen.

Beispielsweise können dünne zylindrische Gehäuse aus Kohlefaserepoxy durch Aufbauen aufeinander folgender Schichten aus Fasergespinsten vorbereitet werden, die um eine zylindrische Form gewickelt und dann mit Epoxy-Harz getränkt werden, worauf an die zylindrische Form ein entsprechender Auslösewirkstoff gegeben wird. Für die Herstellung jedes der dünnen zylindrischen Gehäuse 323 ist eine andere Form geeigneten Durchmessers notwendig. Das Epoxy-Harz kann auch während des Wickeins der Fasergespinste niedergeschlagen werden, was besser ist als nach der Fertigstellung der Gespinste einer einzelnen Lage.

Nach dem Aufbau der gewünschten Dicke kann das Gehäuse von der zylindrischen Form entfernt, auf genaue Abmessungen und Festigkeit, geprüft und danach an anderen zylindrischen Gehäusen 323 usw. zu einer Rotorfelge nach dem Beispiel der Figuren 11 und 11A zusammengebaut werden.

Ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einem beidseitigen hohen Umwandlungswirkungsgrad ergibt die Kombination eines hohen Wirkungsgrades, beidseitiger statischer Frequenzwandler (oder Zyklowandler) mit einem Trägheitsenergiespeicher und Fahrzeugradmotoren in solcher Weise,

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daß die Energie des Speichers nicht nur an die Radmotore bei'hohem .Virkungsgrad geliefert, sondern auch von den Radmotoren |C£±±k:£kk± zurückgewonnen und im Energiespeicher bei hohem Wirkungsgrad gespeichert wird, wenn das Fahrzeug gebremst wird oder bergab fährt.

Ein besonderes Fahrzeugantriebssystem nach der Erfindung mit einer Rotoranordnung 35o, die einen oder mehrere Speichermodule nach der Erfindung enthalten kann, wird in Figur 12 gezeigt.

Die Anordnung der elektrischen Mo tore 35o wird vom konverter 332 über elektrische Leitungen 33^· und 336 gespeist (die ausgezogenen Linien stellen natürlich nicht einzelne Drähte oder Kabel, vielmehr Verbindungen von Speisekabeln mit Steckern usw© dar). Wenn beispielsweise die Rotoreinheit 33o vier Speichermodule nach den Figuren 1 bis 3 enthalten würde, würden die Leitungen 334- und 336 vier Sätze Modulleitungen 52, 54-, 56, 6o, 62 und 64 (Figur 1) Kabel oder Stromschienen zum gegenseitigen Verbinden der Modulleitungen als eine einzelne Dreiphasenquelle darstellen und drei Stromschienen oder verkabelte Drähte würden von den Motorstromschienen oder Kabeln an die Eingangsklemmen des Zyklokonverters 332 verlaufen.

Die anderen elektrischen und hydraulischen Verbindungen nach Figur 12 werden in ähnlicher Weise erläutert.

Der Zyklokonverteranordnung 332 kann beispielsweise drei handelsübliche Zyklokonverter oder statische Frequenzwandler mit geringem Gewicht der Firma Lear Siegler, Inc., Cleveland/Ohio, Modell 41128-000 (siehe auch deren Broschüre B2693 LSA, 1966, Ausgabe 6o55) enthalten. Die Arbeitsweise und Anwendung dieser Zyklokonverter sind in einem Aufsatz von Georg P. Pinter der Lear Siegler,

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Inc., mit der Bezeichnung "The Cycloconverter Adjustable Speed Drive, auf Seite 15o vom 23. Juni 1966 der Ausgabe von "Machine Design", herausgegeben von der Penton Publishing Company, Cleveland/Ohio, beschrieben.

Bei einer Zyklokonverteranordnung mit drei statischen Frequenzwandlern des Modells Nr. 41128-000 kann beispielsweise die Rotoranordnung 33o mehrere ijiergiespeichermodule nach den Figuren 1 bis 3 enthalten, wobei die Rotoren dieser Speichermodule so konstruiert und angeordnet sind, daß die an den xOisgangssammel schienen der Anordnung 33o auftretenden Dreiphasenspannungen eine verhältnismäßig hohe Frequenz, z.B. 2ooo Hz und eine .unplitude von 11o Volt aufweisen. Bei Verwendung einer solchen Hotorenanordnung kann der notwendige ^in^ang mit einer Spannung von 44o Volt zwischen den Leitungen zum statischen Frequenzwandler Uo. 41128-000 durch einen entsprechenden Dreiphasentransformator an den Leitungen 334 und 336 gespeist werden, wobei die Wicklungen des Transformators vorzugsweise aus Litzendraht gewickelt ist, um die Wirbelstromverluste so klein wie möglich zu halten.

Die Leitungen 338, 34o, 342 und 344, die die Speiseleitungen zwischen der Zyklokonverteranordnung und den Radmotoren 346, 348, 35o und 352 darstellen, bedeuten nicht einzelne besondere Kabel oder Schienen, sondern entsprechende Verbindungen.

Jeder Radmotor 346, 348f 35o und 352 kann beispielsweise dem im Aufsatz "Now They've Put Motors Inside Every Wheel" von Stephenson Bacon, ab Seite 86 vom August 1966 der Ausgabe von "Popular Science" entsprechen. (Solche bekannten Radmotorenanordnungen werden außerdem in dem bereits erwähnten Aufsatz "The Cycloconverter Adjustable Speed Drive" beschrieben.)

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Es können aber auch andere als diese Radmotorenanordnungen für den Fahrzeugantrieb nach Figur 12 benutzt werden.

Diese Systeme unterscheiden sich stark voneinander. Das System nach dem .aufsatz von Bacon ist unilateral und kommt deshalb hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und der nationalen Energiereserven sowie der j?ahrzeugkosten nicht in Frage, während das System nach der Erfindung nach Figur 12 einen hohen bilateralen Umwandlungswirkungsgrad besitzt und somit aus wirtschaftlichen Gründen sehr geeignet ist.

Die Energie der Radmotore des Lastwagens nach dem Aufsatz von Bacon wird zum Speicher nicht zurückgeführt, sondern durch 'Järmeabgabe vergeudet. Bei der Anordnung nach der Erfindung, wie sie in Figur 12 gezeigt wird, fließt die Energie dagegen beim Bergabfahren und beim Bremsen von den Radmotoren 34-6, 34-8, 35o und 352 über die Leitungen 338, 34-O, 34-2 und 344 in den zugehörigen Zyklokonverter 332 und von dort über die Leitungen 334- und 336 in die Rotoranordnung 33o» wo sie als Rotationsenergie in den einzelnen Rotoren gespeichert wird.

Die Frequenz der elektrischen Energie, die vom verter 332 den Llotoren der Rotoranordnungen zurückgeführt wird, führt die momentane Umlaufgeschwindigkeit der Rotoren durch die Schlupffrequenz, die zum Liefern des größtmöglichen Beschleunigungsdrehmoments notwendig ist, an die Rotoren. Die entsprechenden Schaltungen hierfür sind bekannt, da auch der Lastwagen nach dem Aufsatz von Bacon mit einer solchen Schlupffrequenzregelung versehen ist, die mit dem Beschleunigungspedal arbeitet, um die gewünschte Geschwindigkeit proportional dem Druck auf das Pedal zu halten. Zum Regeln des Zurückführens der Energie von den Radmotoren zu den Rotoranordnungen ist es nur notwendig, die Frequenz des

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ISyklokonverters auf die Frequenz des elektrischen Ausgangs der Rotoranordnung zu "versklaven", was besser ist als ein willkürliches Signal, das dem Grad des Drucks auf das Beschleunigungspedal entspricht.

Eine Einrichtung zum Anzeigen und Begrenzen der Rotorgeschwindigkeit ist ebenfalls vorgesehen. Die Ausgangsspannung der Rotoranordnung 33o wird über die Leitung 35^ geprüft, die beispielsweise einen Meßtransformator oder dgl. enthalten kann und an einen Frequenzmesser 356 führt, der in bekannter Weise in Rotorgeschwindigkeiten geeicht ist. Außerdem wird die geprüfte Ausgangsspannung der Rotüranordnung 33o über eine entsprechende Instrumentenleitung 358 einem Bandfilter zugeführt und von dort über eine zweite Instruiaentenleitung 362 an den Zyklokonverter 332. Die Arbeitsvorspannung des gesteuerten Silikongleichrichters des l^yklokonverters 332 wird vom Signal an einem oteuerkabel 362 aus dem Bandfilter 36o so gesteuert, daß der Energiefluß durch den ^yklokon-. verter (in jeder Richtung) gesperrt wird, wenn die Frequenz der Ausgangsspannung der Rotoranordnung außerhalb der des Bandfilters 36o liegt. Dadurch wird sichergestellt, daß die Rotoranordnung 33o nicht "überladen" werden kann, d.h. daß die. Rotoren über ihre Grenzgeschwindigkeit beschleunigt werden, noch "unterladen" werden, d.h. daß sie unter Geschwindigkeiten entladen werden, bei denen die magnetischen Halterungen, die die Rotoren tragen, voll wirksam sind. In manchen Fahrzeug_antrieben nach der Erfindung soll" das Signal an der Leitung 362 zum Betätigen eines Leistungsrelais verwendet werden und dadurch die Arbeitsvorspannung des Silikongleichrichters des Zyklokonverters 332 regeln. Diese beiden Mittel wie auch alle anderen bekannten Mittel fallen unter die Erfindung.

Figur 12 zeigt einen Fahrzeugantrieb mit entsprechenden

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Ladeklemmen 364 und Ladekabel 366, durch die die Rotoranordnung geladen wird, d.h. die .Rotoren werden an einer Straßenservicestation oder in der Garage des Fahrzeughalters durch elektrische Energie über Haent auf ihre Betriebshöchstgeschwindigkeit gebracht. Die Leitung 354 kann ebenfalls an eine entsprechende Klemme gelegt werden, um eine Regelspannung zum Regeln der Frequenz der Ladequelle zu erhalten.

Die Frequenz der vom Zyklokonverter 332 an die Rotoranordnung 33o gelieferten Energie wird gemäß der Erfindung entsprechend der momentanen Rotorgeschwindigkeit gesteuert, wodurch sichergestellt wird, daß die Frequenz der vom Zyklokonverter 332 an die Rotorenanordnung gelieferten elektrischen Energie so groß ist, daß während der Ladung der Rotoranordnung 33o durch den Zyklokonverter den Rotoren das größtmögliche Drehmoment erteilt wird.

Wie Figur 12 zeigt, wird die ",/irkung des Zyklokonverters 332 von einem Beschleunigungspedal 368 (über die Steuerleitungen 37o) und von einem Bremspedal 372 (über die Steuerleitungen 374) geregelt. Das Beschleunigungspedal 368 entspricht im allgemeinen dem entsprechenden Pedal des Lastwagens nach dem Aufsatz von Bacon, während das Bremspedal 372 ebenso wie das dort beschriebene beschaffen ist, ausgenommen, daß das Bremsen bei der Anlage nach der Erfindung (Figur 12) durch Zurückführen der Bremsenergie an den Speicher in den Rotoren erfolgt und nicht in Widerständen vernichtet wird.

Bei einem oder mehreren Reserverotoranordnungen können entsprechende Schalter zum Abschalten entladener Rotoren und zum Anschalten anderer Rotoren an die Radmotoren vorgesehen werden. Dies kann entsprechend dem Zustand der Ladung der Energiespeichermodule automatisch erfolgen,

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d.h. entsprechend dem Vorliegen oder Fehlen eines Signals an der Leitung 362 aus dem Bandfilterausgang.

Zum Umkehren der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs mit dem Antriebssystem nach der ürfindung (Figur 12) dient ein Vorwärts-Rückwärtsschalter 376, der über ein Üteuerkabel 378 mit dem ^yklokonverter 332 elektrisch gekoppelt ist.

Die Arbeltsweise vom Beschleunigungspedal 368 und Bremspedal 378 ist wie folgt:

tfenn der Schalter 376 aus seiner btellung "ITeutral" vorwärts oder rückwärts bewegt wird, läßt das gedrückte Beschleunigungspedal 368 Energie von der Hotüranordnung an die Radmotoren 34-6, 3^8, 35o und 352 in einem tlaße fließen, das durch den Grad des Drucks auf das Pedal 368 bestimmt ist.

Wie gewöhnlich wird dann das Fahrzeug sich beschleunigen, bis es eine durch den Druck auf das Beschleuiiigungspedal und durch die ßtraßenverhältnisse gegebene Geschwindigkeit erreicht. V/enn der Fahrer den Druck auf das Pedal 368 verringert, hört der Energiefluß auf, und wenn das Pedal 368 unter dem Druck der zugehörigen Feder ausreichend angehoben wird, kehrt sich der Leistungsfluß um, d.h. vom Radmotor fließt über den ^yklokonverter 33o Leistung in die Rotoranordnung 33o und somit verlangsamt sich das Fahrzeug und simuliert die Verlangsamung unter "Kompression" eines gewöhnlichen Benzinmotors.

Wenn das Bremspedal 372 gedrückt wird, steigt der Fluß negativer oder umgekehrter Leistung weiter auf einen Y/ert an, der durch den Druck des Fußes auf das Bremspedal 372 bestimmt ist.

Bei "panischem Anhalten", d.h. bei Pedaldrücken über

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einen gegebenen Miniiaalwert hinaus, wird eine hydraulisch oder mechanisch betätigte Bremse in Betrieb genommen, die die Energie für die Sicherheitsbremse und für andere Verbraucher abschaltet.

Nach der genannten deutschen Patentanmeldung P2141 581 e6 kann die Kapazität der Energiespeicherung pro Volumeneinheit und V/iderstandsfähigkeit gegen Zentrifugalkräfte der Rotoren nach der Erfindung durch Abstufen der mechanischen Eigenschaften der Rotorringe so erhöht v/erden, daß sie der Gleichung -~- » Grⁿ^^r' genügt. Diese

Gleichung wird im folgenden als "Gleichung A" bezeichnet. In ihr ist

r der mittlere Radius eines einzelnen Ringes,

Y der Young-Modul des entsprechenden Ringes, d.h. der Young-Modul eines linearen Prüflings des Materials des Ringes, der auf dieselbe Y/eise hergestellt ist wie dieser Ring und auch dessen Querschnitt besitzt,

Q die mittlere Dichte des Ringes,

C eine empirisch ermittelte Konstante und

n(r) enthält konstante 7/erte, d.h. Werte, die für alle Ringe eines Rotors dieselben sind.

Nach einem anderen besonderen Merkmal der deutschen Patentanmeldung P 21 41 581.6 sind bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel die Young-Module aller Ringe eines Rotors, die der Gleichung A entsprechen, praktisch gleich. Der Xoung-Modul jedes Ringes ist somit praktisch gleich dem Young-Modul aller anderen Ringe eines Rotors, während die mittleren Dichten der Ringe mit ihren Radien gemäß der Gleichung A variieren.

Solche Rotorringe können aus neuartigem, aus eingebetteten Fasern bestehendem Material mit Kohle- und V/olfram-

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fasern, die in eine Matrix aus Plastik oder Metall, z.B. Epoxy, eingebettet sind, hergestellt werden. Gemäß der Erfindung wird der /oung-Modul aller Kohlefasern aller Ringe praktisch gleich dem Young-Modul von Wilframfasern geinacht.

£s ist bekannt, daii der iounp:-Modul von Kohlefasern über

1? 2 12

einen J3ereich von etwa 1 χ 1o Dyn/crn bis 4- χ 1o Dyn/ cn durch .Värraebehandlung geregelt werden kann (s. Garbon Piber Gomposites for Aerospace structures" von A.G.Ham, Physics Bulletin, 2o,222, 196y). Jer xoung-Liodul von Wolfram (3,5 x 1o Dyn/cm ) fällt in diesen Bereich. Es ist somit durch wärmebehandlung möglich, Kohlefasern zu erzeugen, deren ioung-I.Iodul dem Young-Modul von V/olfram angefaßt istο

Die Zugfestigkeit von Kohlefasern ist bei v/ärmebehandlung etwa 2 χ 1o^° bis 5 χ 1o Dyn/cm , was mit der Zugfestigkeit von V/olframfasern (4- χ 1o ° Hyn/cm ) vergleichbar ist und somit können die neuen Materialien nach der Erfindung so beschaffen sein, daß sie Zugfestigkeiten besitzen, die dicht an die Zugfestigkeiten der bekannten Kohlefaser-Epoxy-Materialien auch bei hohen Anteilen von Wolframfasern herankommen.

Da der Young-Modul von Wolfram- und von Kohlefasern praktisch gleich ist, können die Volumenanteile von Kohle- und Wolframfasern in jedem Hing, die zum Erhalten von der Gleichung A entsprechenden Ringdichten bei einem beasonderen Ausführungsbeispiel dieses erfindungsgeinäßen Merkmals durch das folgende Beispiel bestimmt werden.

Ein Energiespeicherrotor nach diesem Merkmal kann beispielsweise in seiner Felge sieben dünne zylindrische Gehäuse S1 bis S7 aus dem neuen Material enthalten; die konzentrisch angeordnet sind.

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Es wird angenommen, daß der Volumenanteil des Matrixmaterials (Epoxy) in allen Gehäusen 4o % beträgt.

Die Dichte der Kohlefasern, die zum erhalten eines "ioung-Moduls behandelt sind, und praktisch gleich dem von

ο 5

Wolfram (bei etwa 2ooo G) ist, ist etwa 2 gr/cnr. Wenn diese Fasern in eine Epoxy-Matrix eingebettet werden, so daß der Anteil des Volumens des Matrixmaterials 4o ';Ό beträgt, ist die Dichte der resultierenden Faser etwa 1,6 gr/cm . Die Dichte von Wolframfasern ist etwa 19 gr/ cm. Die Dichte zusammengesetzter Fasern aus 6o % Wolframfasern und 4o yi> Epoxy in Volumenanteilen ist etwa 11,8 gr/cnr⁵.

Wenn der Volumenanteil von Epoxy-Matrixmaterial zu 4o % angenommen wird, kann die Dichte der neuen Materialien zv/ischen 1,6 gr/cnr und 11,8 gr/cnr variiert werden, was in der nachstehenden Tabelle gezeigt wird:

Volumen^ Kohle	Volumen^ Wolfram	Dichte der Zusam
		mensetzung
6o,o	O1O	1,6 gr/cmJ
5o	1o	3,3
4o	2o	5,ο
3o	3o	6,7
2o	4o	8,4
1o	5o	1o,4
O	6o	11,8

Hieraus ist zu entnehmen, daß bei einem konstanten Toung-Modul L die Gleichung A so lange genügt, wie der mittlere Durchmesser des kleinsten Hotorgehäuses mindestens 37 % des mittleren Durchmessers des größten Rotorringes ist. In diesem Beispiel kann dann mit der Zahl und Anordnung der Ringe und den Volumenanteilen von Epoxy-Matrixmaterial nach vorstehender Aufstellung und bei einem ange-

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nomiaenen Durchmesser des kleinsten Hinges von 4o % des Durchmessers des größten Hinges der Voluiaenanteil von Kohle- und ;/olframfasern in jeder der genannten Gehäuse S1 bis ü7 aus der nachstehenden Tabelle bestimmt werden:

Gehäuse	Radius (;o)	Volumen^	Volumen'^
		Kohlefaser	V/olfraiiifaser
S-1	4o	11	49
S-2	5o	32	28
S-3	60	43,5	16,5
S-4	7o	5o,5	9,5
ß-5	80	54,6	5,4
S-6	9o	58	2
Br-7	I00	60	0,0

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Claims (18)

1. 2 4. FEB. 197Z

   FK&SLIAHIT K)ST, Jalnut Greek/Calif. Patentansprüche

   M^)Energiespeicherrotor für die Verwendung in einer Trägheitsenergiespeicheranlage, gekennzeichnet durch mehrere federnd gehaltene, koaxial mit Abstand angeordnete dünne Ringe oder Rohre (136).
2. 2. iinergiespeicherrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige ,Ringe (136) geschlossene Ringe aus zugfestem isotropen Material sind, dessen LIodul U 3oo Joule pro gr nicht überschreitet, wobei

   U - ^-
   ο 2 (Γ.

   ist, worin K die äußerste Zugfestigkeit des Materials in Dyn/cm"" und $> die mittlere Dichte des Ilaterials in gr/cnr ist.
3. 3· .üinergiespeicberrotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zugfeste isotrope L'aterial geschmolzener ,uarz ist.
4. 4. Energiespeicherrotor nach Anspruch 2 oder 3j dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ring (136) aus zugfestem isotropen Material mit mindestens einem Schutzüberzug versehen ist.
5. 5· Energiespeicherrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Ringe (136) zusammengesetzte Körper mit mehreren langen in eine LIatrix aus Bindematerial eingebetteten Fasern ist.
6. 6. Energiespeicherrotor nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der zusammengesetzten

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   Körper Fasern verschiedener Materialien enthalten.
7. 7· Energiespeicherrotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die loung-Module der verschiedenen Materialien praktisch gleich und die mittleren Dichten dio„er Materialien nicht gleich sind.
8. 8. Energiespeicherrotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Dichte der Ringe gemäß der Gleichung

   Sc= Gn-ⁿ

   variiert, wobei, wenn r der mittlere Radius eines Rinf^es» P ^-Ie mittlere Dichte dieses .hinges, C eine Konstante und η eine Konstante anders als Null ist.
9. 9· .-]nergiespeicherrotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß η eine Funktion von r ist.
10. 10. Energiespeicherrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien Kohle und V/olfram sind.
11. 11. Energiespeicherrotor nach einein der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (136) eine Felge (14o) ergeben, die von mehreren Speichen (142), von denen jede nach außen konisch verläuft, an einer Nabe (14-o) gehalten wird.
12. 12. Energiespeicherrotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere konzentrische dünne Rohre (1J6) durch eine federnde zwischen ihnen liegende Einrichtung gehalten werden, die so beschaffen und angeordnet ist, daß sie sich mit der aus der Rotordrehung herrührenden Zentrifugalkraft dehnt.

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13. 13. ■ üuiergiespeicherrotor nach ^iispruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Trageinrichtung folgende Seile enthält: mit Flüssigkeit gefüllte dichte Zellen (15o_o1 bis 1^0.8), deren der .achse des jiotors (12, 14) nächsten ,yände dicke verschiebbare Teile und dünne Teile enthalten, die so gewählt sinü, daß die an den dicken ./andteilen wirkende Zentrifugalkraft, durch die Flüssigkeit hindurch übertragen, die dünnen 7/andteile zur Achse des .Rotors drückt und somit die gesamte radiale Dicke der Halteeinrichtung mindestens so vergrößert wird, daß sie die entsprechende Vergrößerung des Abstandes zwischen den Ringen kompensiert, die durch die Zentrifugalkraft herbeigeführt ist.
14. 14. iinergie speichersystem mit einem Energie Speicherrotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicherrot;or (12, 14) durch von mindestens einer periodischen magnetischen Halterung an einer V/eile (144) gelagert ist.
15. 15· Energiespeichersystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der EnergieSpeicherrotor in die Rotorkonstruktion eines ./ecnselstrommotors eingebaut ist, dessen Stator an der V/elle befestigt ist.
16. 16. Snergiespeichersysteui nach .Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Jinergiespeicherrotor in einer mindestens teilweise evakuierten Kammer angeordnet ist und die Kammer sich in einem Brei von brechbaren Teilchen in einem flüssigen i.iedium befindet.
17. 17. Energiespeichersystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Jichte des Jreies so beschaffen it/t, daß der Auftriebsfaktor der Kammer au diesem leicht negativ ist.

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18. 18. Antriebssystem für Fahrzeuge mit einem Energiespeicher sy stern mit einem Energiespeicherrotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche sowie mit einem oder mehreren mit diesem gekuppelten Elektro-Motorgeneratoren, dadurch gekennzeichnet, daiS ein fester Zyklokonverter zum Umwandeln der von den angekuppelten Motorgeneratoren gelieferten elektrischen "üinergie in Rotationsenergie veränderbarer Frequenz zum Antreiben der Motorgeneratoren und zum Umwandeln der von diesen erhaltenen elektrischen iCnergie in elektrische energie entsprechender Frequenz zum eintreiben des Haupt-1.Io torgenerators und somit zur Abgabe von Jtot&oiorjsenergie an den Rotor vorgesehen ist. /

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