DE242016C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 242016 KLASSE 21 d. GRUPPE

PAUL MORTIER in LYON.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 9. Februar 1910 ab.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aufspeicherung von Energie an Wechselstrommotoren, bei denen Stator und Rotor je für sich drehbar ist und welche derart eingerichtet sind, daß die relative Umdrehungszahl zwischen Stator und Rotor immer gleich bleibt, so daß also der Rotor unter gewöhnlichen Bedingungen, bei feststehendem Stator, mit gleichförmiger Geschwindigkeit

ίο laufen würde. Bei der Einrichtung nach vorliegender Erfindung ist der Rotor des Motors das Antriebsorgan, während der ebenfalls be-' wegliche Stator dauernd mit einem umkehrbaren, die Energie aufspeichernden Luftkompressor verbunden ist.

In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist zu diesem Zwecke ein synchroner Wechselstrommotor derart konstruiert, daß Rotor und Stator sich drehen können. Die Geschwindigkeit des Stators bzw. Rotors kann dann innerhalb jeder beliebigen Grenze verändert werden, natürlich nur unter der Voraussetzung, daß die relative Umdrehungszahl zwischen Stator und Rotor immer den gleichen durch den Synchronismus gegebenen Betrag beibehält.

Die Anordnung läßt sich vergleichen mit einem Differentialgetriebe, welches aus zwei miteinander kinematisch durch ein Zwischenrad verbundenen Wellen besteht, wobei das Rad sich um eine dritte Achse dreht.

Sofern man die Geschwindigkeit des Rotors erhöhen will, muß man in Berücksichtigung des Synchronismus die Geschwindigkeit des sich entgegengesetzt drehenden Stators verringern. Dies könnte man z. B. dadurch erreichen, daß man am Stator eine regulierbare Reibungsbremse anbringt, während die Welle des Rotors mit einem Schwungrad versehen wird. Bei der von der Bremse aufgenommenen Energie, der Größe der wechselseitigen elektrodynamischen Drehmomente und dem Trägheitsmoment der rotierenden Massen würde der Stator mehr oder weniger zum Halten gebracht, während die Geschwindigkeit des Rotors bis zu der durch den Synchronismus gegebenen Grenze hinauf beschleunigt würde.

Anstatt nun die Verzögerung des Stators durch eine nutzlose Reibung zu erzielen, wird sie nach vorliegender Erfindung nützlich verwendet durch Erzeugung von komprimierter Luft ο. dgl. Die so geschaffene pneumatische Energie kann dann für eine spätere Verwendung aufgespeichert werden.

Die Figuren zeigen schematisch zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. In Fig. ι trägt der Stator A des Synchronmotors die Phasenwicklungen B, die durch die Bürsten C vom dreiphasigen Wechselstromverteilungsnetz D der Zentrale gespeist werden. Die Welle E des Stators ist bei e gekröpft und treibt dort einen umkehrbaren, doppelt wirkenden Luftkompressor .F an.

In der schematischen Zeichnung des Kompressors sind die Verteilungs- und Umkehrorgane nicht angegeben. Diese gestatten, durch Umschaltung die Vorrichtung entweder als einen die Welle belastenden Kompressor

oder als einen die Welle entlastenden Druckluftmotor zu benutzen. Die Welle E trägt schließlich noch ein kleines Schwungrad G. Der Rotor H sitzt auf der Welle I und trägt die Magnetfeldspulen /, die im Innern des Gehäuses der Phasenwicklungen B sich drehen und durch die Bürsten K Gleichstrom zu ihrer Erregung vom Netze L erhalten. Die Welle I des Rotors trägt außerdem noch ein schweres Schwungrad M.

Die durch den Stator gewonnene kompri"' mierte Luft wird in einen Behälter N gepumpt, um aus diesem wieder in den nun als Druckluftmotor arbeitenden Kompressor F zurückzukehren, wenn die Verteilungsorgane umgestellt werden.

Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß man in einem Schwungrad mechanische, durch einen Wechselstrommotor erzeugte Energie aufspeichern kann, unter der Voraussetzung, daß

1. der Wechselstrommotor derart ausgebildet ist, daß sich sein Stator und sein Rotor nach entgegengesetzten Richtungen um Achsen drehen können, die geometrisch zusammenfallen;

2. daß das Schwungrad mit dem Rotorteil gekuppelt ist;

3. daß auf den Stator ein verzögerndes Drehmoment einwirkt, welches beispielsweise durch die Reibung einer Bremse erzeugt wird.

Unter diesen Voraussetzungen zerlegt sich tatsächlich die von der Umsetzung elektrischer Energie herrührende mechanische Arbeit in zwei Teile: Die Kraft des einen Teiles besteht in der Rückwirkung des Stators auf den Rotor und der Weg dieses Energieteiles in der von dem letzteren zurückgelegten Winkelgesch windigkeit; der andere Energieteil hat als Kraft die gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Rückwirkung wie der erste Teil und als die Winkelgeschwindigkeit die des Stators. Der erste Teil der mechanischen Arbeit findet Anwendung zur Winkelbeschleunigung des Schwungrades, die dadurch ermöglicht wird, daß die Notwendigkeit der Einhaltung des Synchronismus nicht für die absolute Geschwindigkeit des Rotors, sondern für die algebraische Differenz zwischen den beiden Geschwindigkeiten des Stators und des Rotors besteht. Der andere Teil der mechanischen Arbeit wird durch das Bremsmoment vernichtet.

Die beiden Teile der Gesamtarbeit, denen gleich große Kräfte zugrunde liegen, sind somit proportional den Bewegungen der beiden Maschinenteile, d. h. proportional deren Winkelgeschwindigkeiten. Der nutzlose Verbrauch durch das Bremsmoment kann einen sehr geringen Bruchteil des zur Ausnutzung gelangenden Schwungraddrehmomentes bilden, wenn die Gegendrehung des Stators stets gering bleibt in Vergleich zu der Drehung des Rotors. Wenn beispielsweise die relative Geschwindigkeit der beiden Arbeitssysteme beim Synchronismus 1000 Umdrehungen gegeneinander beträgt und wenn die Geschwindigkeit des¹ Schwungrades zwischen 800 und 1000 Umdrehungen schwankt, so schwankt die Rückdrehung des Stators zwischen 200 und Null Umdrehungen. Die mittlere Geschwindigkeit der Rotorschwungradgruppe der Maschine beträgt während seiner Beschleunigungsperiode demnach 900 Umdrehungen und diejenige des Stators während der entsprechenden Verzögerung 50 Umdrehungen. Wenn man die abnehmende lebendige Kraft des Stators, die bei derartigen Geschwindigkeiten stets klein ist, vernachlässigt, so ist der Verlust durch das Bremsmoment in Vergleich zu dem Nutzverbrauch am Schwungrad gleich ·

' Aber auch dieser Verlust kann zum mindesten teilweise leicht wiedergewonnen werden. Zu diesem Zwecke braucht die Reibungsbremse nur durch einen Energieerzeuger, beispielsweise einen Luftkompressor, ersetzt zu werden.

Wie bereits erwähnt, kann die elektromechanische Maschinengruppe Stator-Rotor-Schwungrad elektrische Energie lediglich durch die Verzögerung des Schwungrades liefern, wenn man auf das System Rotorschwungrad ein verzögerndes Drehmoment einwirken läßt. Die der Trägheitsarbeit entsprechende mechanische Energie teilt sich in zwei Teile. Der eine dient dazu, den Widerstand der Bremse zu überwinden, während der andere sich in elektrische Energie umwandelt, die in das Netz zurückgesandt wird. Die relative Größe dieser beiden Teile wird durch dasselbe Geschwindigkeitsverhältnis geregelt, das soeben bereits erwähnt worden ist. Diese Energierückgewinnung des Schwungrades kann jedoch auch anstatt durch ein verzögerndes, auf die Rotorschwungradgruppe einwirkendes Drehmoment hervorgerufen werden, durch ein auf den Stator wirkendes beschleunigendes Drehmoment, beispielsweise durch einen mit Druckluft arbeitenden Antriebsmotor, der durch einen Kompressor erzeugte Druckluft als Kraftquelle besitzt.

Auf diese Weise kann ein und dasselbe Maschinenaggegrat vom Leitungsnetz gelieferte elektrische Energie verbrauchen und sie in Form von kinetischer Energie in dem Schwungrade aufspeichern, und hierauf die in dem Schwungrad aufgespeicherte kinetische Energie in Form von elektrischer Energie unter zwei Möglichkeiten wieder in das Netz zurücksenden, nämlich:

ι. dann, wenn während der Periode der j Aufspeicherung eine verhältnismäßig kleine Energiemenge dem Statorsystem entnommen und beispielsweise in Druckluft aufgespeichert wird, und

2. dann, wenn dem Statorsystem während der Periode seiner Kraftabgabe eine verhältnismäßig geringe mechanische Arbeit, beispielsweise mittels eines kleinen Druckluftmotors zugeführt wird.

Diese zweifache Arbeitsweise kann mit demselben nach Belieben umkehrbar arbeitenden Apparat vorgenommen werden, beispielsweise dadurch, daß durch Umstellung seiner Steuerung die Maschine bald als Druckluftkompressor, bald als durch Druckluft angetriebene Arbeitsmaschine läuft. Natürlich wird zweckmäßig ein Behälter für die Druckluft mit diesem umkehrbaren Kompressor verbunden.

Es muß noch bemerkt werden; daß der Druckluftbehälter N zur Erzeugung der Verzögerung der Schwungradgeschwindigkeit bis zu einer geringeren Geschwindigkeit mehr Luft zu liefern hätte, als er während der Kompressionsperiode zur Erzeugung einer Beschleunigung von der zweiten Geschwindigkeit auf die erste zugeführt erhält; denn zwischen den mechanischen Arbeiten besteht zwar eine Gleichheit, aber nicht zwischen den in der Druckluft enthaltenen druckluftdynamischen Energiemengen. Die aufeinanderfolgenden Arbeitsweisen der Aufspeicherung und der Abgabe der Druckluft hätten schließlich die Wirkung, den Druckluftbehälter vollkommen zu entleeren, wenn er nicht zusätzlich von anderer Seite ' durch eine Verbindung mit einem vorhandenen Druckluftnetz oder durch einen kleinen, nicht umkehrbaren Luftkompressor O gespeist würde, der beispielsweise durch einen unabhängigen Motor P angetrieben wird.

Die Betriebsart durch einen einzigen umkehrbaren, mit dem Stator verbundenen Kompressor ist besonders vorteilhaft, denn die normale Antriebsgeschwindigkeit von Kompressoren entspricht sehr gut der Rückdrehgeschwindigkeit, welche der Stator annehmen muß, um dem Schwungrad die in der Praxis verlangten Geschwindigkeitsänderungen von 20 bis 30 Prozent zu erteilen.

Es besteht jedoch noch ein weiterer Vorteil: Während der Periode der Energieaufspeicherung kann die durch den Kompressor, welcher als Luftdruckbremse wirkt, erzeugte Druckluft unmittelbar von einer mit dieser Druckluft gespeisten Arbeitsmaschine verbraucht werden (Fig. 2), welche ihre Energie helfend während, der Beschleunigungsperiode der Rotorschwungradgruppe zuführt. Umgekehrt kann während der Periode der Verzögerung (und Rückgewinnung) die für den als Arbeitsmaschine wirkenden Druckluftmotor erforderliche Druckluft von der Maschine hergegeben werden, welche mit der Rotorschwungradgruppe mechanisch zusammenhängt. Aus diesem Betrieb erklärt sich die in der Fig. 2 dargestellte symmetrische Anordnung, bei welcher der Stator A und der Rotor H abwechselnd mit ihren Wellen E und I zwei gleiche umkehrbare Luftkompressoren F und F¹ antreiben (oder von ihnen getrieben werden), die ihrerseits durch eine Druckluftleitung F ² miteinander verbunden sind und abwechselnd als Druckluftkompressor oder als durch Druckluft gespeiste Arbeitsmaschine wirken.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch: .

   Vorrichtung zur Aufspeicherung von Energie an Wechselstrommotoren, bei denen Stator und Rotor je für sich drehbar ist und welche derart eingerichtet sind, daß die relative Umdrehungszahl zwischen Stator und Rotor immer gleich bleibt, so daß also der Rotor unter gewöhnlichen Bedingungen, bei feststehendem Stator, mit synchi'oner Geschwindigkeit laufen würde, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator dauernd mit einem umkehrbaren, die Energie aufspeichernden Luftkompressor verbunden ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.