-
"Lageruny und Energiewandlung bei schnell rotierenden Körpern" 1.
Problematik und Zielsetzung Schnell rotierende Körper werfen die Problematik der
Lagerung und des Antriebs auf. Vielfach ist die Anwendung hoher Umfangsgeschwindi.gkeiten
durch Schwierigkeiten in diesen beiden Bereichen bestimmt. In einigen Anwendungsbereichen
kommt hinzu, daß die elektrische Maschine und die Lager besonders in ihren feststehenden
Teilen gewichtsarm ausgeführt werden müssen. Hinzu kommt, daß größere Schwungmassen
bei hohen Drehzahlen besondere Lagerkonstruktionen erfordern. Hierbei haftet den
bekannten Lösungen der Nachteil hoher Reibungsverluste und eine mit der Umfangsgeschwindigkeit
abnehmende Tragfähigkeit an; Abnützungs-und Lebensdauerfragen werden hierdurch aufgeworfen.
Allen relbungsbehafteten Lagern, einschließlich der Gaslager ist eigentümlich, daß
sie als ganz ungeregelt oder nur unzulänglich regelbar gelten. Regelungstechnische
Eingriffe in die Lagerkräfte sind zur Stabilisierung schnell rotierender Körper
gegen die Wirkung von Massen- bzw. Kreiselkräften notwendig. Da Kreise mit hoher
Umfangsgeschwindigkeit zur Reduktion der Reibungsverluste in einer Atmosphäre sehr
niedriger Dichte rotieren sollten, erscheint eine von der Berührung und vom umgebenden
Medium unabhängige Lagerung und Stabilisierung sinnvolle Der Einsatz magnetischer
Lager ist für diese Zwecke grundsätzlich keineswegs neu. Sie haben sich allerdings
bIsher nur in wenigen speziellen Anwendungen einführen
können.
Insbesondere sind keine magnetischen Lager für gr niere Schwungmassen ausgeführt
worden, was mit dem bisleng notwenw digen hohen elektrischen und regelungstechnischen
Aufwand zusammenhängt, Es hat sich schon in den ersten Anfänaenmagnetischer La£;ortechnik
gezeigt, daß selbst bei stationär gelagerten Schwungmassen eindimensional geregelte
Anordnungen, die in den beiden anderen Dimensionen keine geregelten Rückstellkräfte
und nur eine schwache Dämpfung besitzen, keine befriedigenden Ergebnisse erbringen,
sofern die Umfangsgeschwindigkeit gewisse Werte übersteigc. Die rohrdimensionale
geregelte magnetische Lagerung mit begrenztem Aufwand ist für Körper mit sehr hohen
Umfangsgeschwindigkeiten ein notr;zendiges Entwicklungsziel. So wird z. B. der Einsa-tz
neuer Kunststoffe für den Bau von Schwungenergiespeichern nur dann voll zum Tragen
kommen können, wenn geregelte Lager zur Verfügung stehen, die verlustarm und mit
begrenztem Aufwand ausführbar sind.
-
Eine weitere wichtige Voraussetzung für die Weiterentwicklung der
Gyrotechnik ist die Lösung der Energieein- und -auskopplung. Hinbei muß davon ausgegangen
werden, daß eine Anordnung des Energiewandlers außerhalb der Druckabgrenzung der
Schnsurymasse Durchführungsprobleme aufwirft und die Lagerfragen kompliziert.
-
Es liegt daher nahe, den Energiewandler als elektrische Maschine auszuführen
und möglichst in die Schwungmasse zu integrieren. Elektrische Maschinen lassen den
Energiefluß in zwei Richtungen zu; sie können der Schwungmasse mechanische Energie
zuführen und sie damit im Sinne der Speicherung aufladen, oder die Energie in einen
elektrischen Verbraucher ableiten, wenn sie generatorisch wirken.
-
In diesem Falle tritt eine Entladung der Schwungenergie ein. Die Druckabgrenzung
wird dabei nur von der elektrischen Energie durchsetzt, so daß Wellendurchführungen
und Lagerprobleme im Zusammenhang mit Kreiselkräften vermeidbar sind. Das Gesamtaggregat
überträgt nach außen nur ein Drehmoment bezüglich der Rotationsachse, ist aber ansonsten
kräftefrei und kann z. B. kardanisch aufgehängt werden.
-
Elektromechanische Speicheracjgregate dieser Art können damit grundsätzlich
auch für mobile Zwecke eingesetzt werden. Allerdings spielt hierbei die Art der
Lösung des Layerproblems eine besonders wichtige Rolle. Nur wenn es gelingt, durch
ein sehr wirksam geregeltes Lager Schwingungs- und Reibungseinflüse, die durch äußere
Anregung bedingt sind, auszuschalten, kann die Aufgabe gelöst werden. Wenn Energiewandlung
und Lageruny mit genügend niedrigem Aufwand und ausreichend verlustarm gestaltet
werden, können rotierende Schwungmassen die Funktion einer hochwirksamen Energiespeicherung
erfüllen.
-
Diese Forderungen lassen sich am besten realisieren, wenn Er.ergiewandler
und geregeltes Lager zu einer Funktionseinheit integriert und mit ihrem umlaufenden
Teil in die Schwungmasse einbezogen werden.
-
2. Beschreibung der Kombination von elektromechanischem Energie wandler
und geregeltem magnctischen Lager 2.1 Das geregelte magnetischeLiacifi-Die elektromagnetische
Energiewandlung und die Aufbringung von Lagerkräften haben die Wirkung eines magnetischen
Feldes zur Voraussetzung. Für eine verlust- und gewichtsarme Gestaltung der Konstruktionsaufgabe
hietet sich die gemeinsame Nutzung des magnetischen Feldes für beide Funktionen
an. Für das magnetische Lager wird dabei von anziehenden Kräften eines magnetischen
Feldes zwischen einer weitgehend ruhenden und einer rotierenden ferromagnetischen
Oberfläche, die durch einen Spalt voneinander getrennt sind, ausgegangen. Diese
anziehenden Kräfte müssen lage und bewegungsabhcingig geregelt werden, damit der
rotierende Körper stabil, d. h. weitgehend ohne Berührung mit feststehenden Teilen
und schwingungsarm gelagert werden kann. Es müssen im allgemeinen Fall Kräfte zur
Ausrichtung der Lagerachse gegenüber der Kreiselachse oder umgekehrt aufgebracht
werden können,
wobei die Bezugsachse selbst zumindest in gewissem
Umfang als veränderlich in ihrer Lage anzusehen ist. Dies bedeutet, daß eine geregelte
Kraft entwicklung in drei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen zu erfolgen
hat. Hiermit gleichbedeutend ist die Forderung, daß Richtungsänderungen der Drehachse
(von Lager oder Kreisel) und Lageverschiebungen innerhalb der Drehachse oder senkrecht
dazu durch stellbare magnetische Kräfte verlangt werden. Dies ist in Bild 1 dargestellt.
Zu berücksichtigen ist hierbei, daß Angriffsrichtung von Kraft und Auslenkung bei
einer Einwirkung auf die Achsrichtung des Kreisels in der durch die Kreiselgesetze
beschriebenen Weise zusammenhängen, die vom Verhalten ruhender Körper abweicht.
Allerdings entsprechen auch unter die sen allgemeinen Bedingungen den 3 Verschiebungsgrößen
3 Kraftkomponenten. Das zu beschreibende magnetische Lager vermag durch getrennte
Reglereingriffe Kräfte in Axialrichtung, in Radialrichtung und Drehmomente zur Neigung
der Rotationsebene aufzubringen.
-
In Bild 2 ist ein Schnitt durch einen rotierenden Körper 1 gezeichnet,
dessen ferromagnetischer Mittelteil auf der Oberseite um einen Winkel von beispielsweise
45° angeschrägt ist. Der äußere Teil des Schwungkörpers wird - wenn hohe Energien
je Gewichtseinheit zu speichern sind - aus Material hoher Zerreißfestigkeit und
niedrigem spezifischen Gewichts bestehen. Durch die dem Schwungkörper-Mittelteil
gegenübergestellten Erregerteile El und E2 wird in den oberen und unteren Spaltbereichen
ein magnetisches Feld erzeugt. Im stationären Gleichgewicht bei vertikaler Rotationsachse
und gleichen Spaltflächen bei El und E2, ist die Differenz B2 sin -B2 dem Gewicht
der Schwungmasse proportional.
-
Hierbei bedeutet B1, B2 die jeweilige magnetische Induktion und den
Anschrägungswinkel. Bei gleicher Spaltlänge muß für diesen Fall die das magnetische
Feld erzeugende elektrische Durchflutung im Bereich E2 größer sein als diejenige
des Bereiches El,
Beide Durchflutungen werden durch Spulen der Windungszahlen
N1 und N aufgebracht. Sie können mit konstanter Spannung in 2 Reihenschaltung gespeist
werden, wenn durch zusätzliche Steuerspulen W1 und W2 deren Windungszahlen sich
wie N2:N1 verhalten und in Zu- und Gegenschaltung betrieben werden, die lageabhängige
Stabilisierung in Richtung der Rotationsachse vorgenommen wird.
-
Dies hat den Vorteil, daß keine induktive Kopplung zur EIauptwicklung
besteht, so daß nur kleine Zeitkonstanten im Regelkreis wirksam sind und damit auch
kleine Leistungsendstufen zur Regelung ausreichen. Die Steuerwicklungen W1 und W2
führen nur Strom, wenn Abweichungen vom stationären Verhalten auszuregeln sind;
sie sind elektrisch in Reihe geschaltet. Der Wicklungsquerschnitt beträgt nur einen
Bruchteilder Hauptwicklung.
-
Das Kräftediagramm -Bild 3a- zeigt ausgezogen den Fall des Ruhezustandes
und punktiert den Fall verstärkter Axialkraft der durch eine Zusatz erregung von
W2 zu N2 und durch eine Gegenerregungvon W1 zu N1 erreicht wird.Eine Umkehrung des
Stromes in den Steuerwicklungen W1, W2 verkleinert die Axialkraft gegenüber dem
Wert des Ruhezustandes. Bei Aussteuerung der Wicklungen N und W ergeben sich hinsichtlich
der Radialkräfte symmetrische Verhältnisse.
-
Die Ausbildung des Rotors im Bereich des Luftspaltfeldes ergibt stabilisierend
wirkende Radialkräfte, die allerdings bei sehr großen Störungen nicht mehr ausreichen,
um zu einer Zentrierung zu führen. In den Erregerteilen E1 und E2 werden deshalb
je eine weitere Steuerwicklung S1 und S2 angeordnet, die z. B. innerhalb eines Sektors
von ungefähr 90° jeweils den äußeren Schenkel des flußführenden Eisenkreises umschließt
und je Seite damit z. B.
-
4 Teilspulen umfaßt. Je zwei diametral auf der gleichen Rotorseite
(oben oder unten) angeordnete Spulen, die mit gleicher Windungszahl ausgeführt sind,
werden in Zu- und Gegenschaltung betrieben.
-
Auch hierbei entsteht keine induktive Kopplung zur Mauptwic}clung,
so daß sehr günstige Regelverhältnisse vorliegen. In der Verbindungslinie der ausgesteuerten
Spulen lassen sich Radialkräfte bei
konstanter Tragkraft erzielen.
Eine Aussteuerung der oberen Steuerspulen S2 führt zu einer Verschiebung der Größe
der e.nander entgegenwirkenden Radialkraftkomponenten und damit zu einer freien
Seitenkraft. Da gleichzeitig ungleiche KraftkomLDonenter in vertikaler Richtung
entstehen, die zu einen Drehmoment führen, muß durch zusätzliche Aussteuerung der
unteren Steuerspulen Si eine Kompensation dieses Drehmoments herbeigeführt werden.
Dies ist im Bild 3b dargestellt, Durch zwei miteinanacr einen Winkel von 90° einschließende
Spulensätze können radiale Kraftwirkun£-c-n in jeder beliebigen Richtung ausgeübt
werden.
-
Um Drehmomente zur Beeinflussung der Lage der Rotationsachse zu erzeugen,
genügt eine Aussteuerung der Steuerwicklung-paare S1.
-
Entsprechend Bild 3c entsteht ein freies Kräftepaar in der Ebene der
Spulenachse, wobei die Stromrichtung die Wirkungsrichtung der Kraft festlegt. Auch
hierbei kann durch die um 900 versetzten Spulenpaare jede beliebige Lag für das
Drehmoment eingestellt werden.
-
Die Auslegung der gesteuerten und ungesteuerten Wicklungen läßt sich
in Anbetracht der hohen Regelgeschwindigkeit und des demzufolge kleinen notwendigen
Spaltes so vornehmen, daß die Verlustleistung der Wicklungen gering ist. Bei einem
Betrieb ohne äußere Störungen - wie er bei stationären Anlagen gegeben ist - kann
ein kleinerer Spalt als bei mobilen Kreiseln verwirklicht werden.
-
Um eine Amplitudenbegrenzung bei außerordentlichen Beschleunigungen
- wie sie beim Betrieb von Kraftfahrzeugen in Ausnahmesituatis onen vorkommen können
- nicht voll von der Lageregelung aufnehmen zu müssen, sind verschiedene Maßnahmen
denkbar. Hierzu gehört die Aufhängung des Gefäßes für die Druckabgrenzung, die als
Sekundärfederungssystem ausgebildet werden kann. Weiterhin ist auch die Anwendung
von Absetz- und Anlaufbelägen innerhalb des Lagers möglich, wie in Bild 2 dargestellt
ist. Sie liegen jeweils im Bereich kleiner Umfangsgeschwindigkeiten, so daß die
umgesetzte Arbeit verhältnismäßig klein ist.
-
Der Einsatz von Reibbelägen mit niedrigen Reibungskoeffizienten kann
die Bremswirkung weiter herabsetzen. Es kann im übrigen davon ausgegangen werden,
daß Störungen dieser Art nur Impulscharakter haben und die magnetischen Lagerkräfte
nach einem kurzen Kontakt wieder die berührungsfreie Lagerung sicherstellen. Die
beiden Erregerteile E1 und E2 können jeweils getrennt mit dem Druckabgrenzungsgefäß
oder zweckmäßig miteinander über eine we)-lenÄrnliche Konstruktion verbunden sein.
-
2.2 Der Enerewandler Im Hinblick auf die Kombination mit dem magnetischen
Lager und die Beachtung mechanischer Forderungen, erscheint eine elektri--sche Maschine
hornopolarer Bauart des Synchrontyps, deren Rotorausbildung eine Feldmodulation
bewirkt, eine sehr geeignete Grundlage. Die Erregerwicklung des magnetischen Lagers
erzeugt das nur bei Aussteuerung der Zusatzwicklungen geringfügig schwankende Feld.
Wird der Rotor - wie in Bild 2 angedeutet -bereichsweise mit größerem Spalt ausgeführt,
so entsteht dort eine kleinere magnetische Induktion als im Bereich kleinen Spaltes.
Die etwa der Spaltlänge umgekehrt zugeordnete Induktionsverteilung läuft mit dem
Rotor um. Die in der Felddichteverteilung vorhandene räumlich sinusförmige Grundkomponente
mit einer Periodenzahl gleich der Zahl der Spaltvertiefungen (Nuten) ist dabei der
für die Energiewandlung verwertbare Feldanteil.
-
Zwei Perioden oder 4 Pole werden durch zwei Nuten bzw. zwei Zähne
am Umfang erreicht. Größere Zahlen erhöhen die mechanische und magnetische Symmetrie
der Beanspruchungen am Rotorumfang. Dieser Feldmodulation entsprechend ist die ebenfalls
im ruhenden Teil untergebrachte Drehfeldwicklung D1, D2 auszulegen. Ihre Ströme
bilden mit den Wanderfeldanteilen des ]trregerfedes die Umfangskraft, die bei motorischem
Betrieb die Schwunymassebeschleunigt und bei generatorischem Betrieb abbremst. Hierbei
addieren sich die Wirkungen der Systeme D1 und D2.
-
Die Steuerung der elektrischen Maschine wird durch einen Frequenzumrichter
vorgenommen. Da die elektrische Maschine mit im Vergleich zur Erregerwicklung kleinen
Durchflutungender Wicklungen D1 und D2 arbeitet, ist der Einfluß auf die Lagerkräfte
sehr klein. Auch die am Umfang vorhandene Variation der Spaltlänge beeinträchtigt
die Symmetrie der Lagerkräfte nicht. Um Induktionsschwankungen in den Steuerspulen
S1, S2 bei deren 90°-Anordnung zu vermeiden, kann z. B. eine Nut-Zahn-Kombination
von ebenfalls 90° gewählt werden. Dies entspricht einer 8-poligen Synchronmaschine.
-
Um die Drehwelle des magnetischen Flusses bei kleinen Verlusten in
Umfangsrichtung führen zu können, empfiehlt sich die Anordnung eines geblechten
Eisenkreises, der auch vorteilhaft im Hinblick auf die Regelungseigenschaften des
magnetischen Lagers ist.
-
Zumindest teilweise muß dabei eine Lamellierung in Umfangsrichtung
erfolgen. Außer den durch die Drehfeldwelle verursachten Eisen- und den Stromwärmeverlusten
der Mehrphasenwicklung entstehen für den Energiewandler kaum Verluste. Die Rotorverluste
bestehen in geringfügigen Obervellenverlusten. Für die Konstruktion hochtouriger
Schwungmassen, die in einer Atmosphäre sehr niedrigen Druckes rotieren, ist ein
nahezu verlustloser Rotor eine wichtige Voraussetzung, da das Problem der Wärmeabgabe
bei hohen Wärmestromdichten schwer lösbar ist.
-
2.3 Mögliche Abwandlungen der Kombination von Lager und Energiewandler
Wie Bild 4 zeigt, kann durch eine Anordnung mit zwei festverbundenen Schwungmassen
und eine Zusammenlegung der Erregeranordnungen E1 und E2 eine sehr vorteilhafte
Konstruktion erreicht werden. Dies ist die zu Bild 2 duale Konfiguration. Sie zeichnet
sich durch eine kompaktere Erregeranordnung, die einfacher herzustellen ist, aus
und bietet für die Notlagerung größere abstützende
Flächen. Hinsichtlich
der t- :-ktrischen und magnetischen Funktionen besteht zu Bild 2 vollkomm@ne Übereinstimmung.
Durch das Verschmelzen der beiden magnetischen Kreise von Ei und E2 resultiert eine
Gewichtsersparnis für den stationären Teil Um die Wirkungen der Kreiselkräfte nach
außen - d. h. bezogen atif das Gesamtsystem - aufzuheben, werdenauch gegenlaufende
Schwuna-* körper gleicher Abmessungen verwendet. In diesem Fall sind die Lager für
die Aufnahme der intern wirksamen Reaktionen zu bemessen. Bild 5 gibt einen Eindruck
von einer Anordnung,bei der die gegenlauf enden Schwungkörper magnetisch gelagert
und mit integrierten Energiewandlern versehen sind. Im Gegensatz zur Konstruktion
des Bildes 4 werden bei Bild 5 die beiden Schwungkörper durch autarke Lagersysteme
einzeln im Gleichgewicht gehalten. Je zwei der vorhandenen 4 elektrischen Systeme
bilden zusammen mit je einem Schwungkörper eine selbständige Funktionseinheit.