DE2454753A1

DE2454753A1 - Schwungmassenspeicher

Info

Publication number: DE2454753A1
Application number: DE19742454753
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Simon
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1974-11-19
Filing date: 1974-11-19
Publication date: 1976-05-26
Also published as: FR2292155A1; JPS5172852A; GB1522180A; FR2292155B3; DE2454753B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwungmassenspeicher mit einem in einem evakuierten Gehäuse angeordneten Rotor.

Schwungmassensysteme insbesondere mit metallischer Schwungmasse weisen bisher verschiedene Probleme auf, um sie gleichzeitig preiswert und leicht sowohl für Schwungmasse als auch für das Gehäuse auszubilden. Eine gewichtlich optimale metallische Schwungmasse stellt z.B. eine Scheibe gleicher Festigkeit dar, die aber einen großen Außendurchmesser und damit ein großes, schweres und teueres Vakuumgehäuse aufweist. Außerdem ist eine homogene Scheibe gleicher Festigkeit selbst relativ aufwendig, wenn man sie mit höchster spezifischer Festigkeit herstellen will, da hier verhältnismäßig preiswerte Materialien unter Ausnutzung der verfestigenden Kaltverformung schwer anwendbar sind.

Schließlich kann eine homogene Schwungmasse bei einer Zerlegung bombenähnlich wirken, da bei Auftreten des ersten Materialrisses gleich die gesamte Schwungmasse in mehrere zum Teil größere Teile

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zerlegt wird, die eine entsprechend gepanzertes und noch schweres Gehäuse erfordert. Aus diesen Gründen hat man bisher · weitgehend von der Verwendung von Schwungmassenspeiehern abgesehen, da der hohe Preis, insbesondere aber das hohe Gewicht eines einbaufertigen gekapselten Schwungmassenspeichers seine technische Verwendung bisher verhältnismäßig unattraktiv gemacht hat.

Aufgabe der Erfindung ist es, ganz allgemein die eingangs geschilderten Nachteile zumindest zum Teil zu verbessern; insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, einen Schwungmassenspeicher zu finden, der neben einer ganz im allgemeinen kostengünstigeren Ausführung auch insbesondere ein leichteres Gewicht aufweist, als es bisher der Fall war.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rotor aus sich radial erstreckenden, axial übereinander angeordneten Scheiben besteht. Hierdurch wird eine Schwungmasse aus vMen Scheiben gleicher Dicke aufgebaut, die aus kaltverformten Stahlblechen verhältnismäßig preiswert mit höchsten spezifischen Festigkeiten unter Kaltverformung hergestellt und zu einem kompakten Zylinder zusammengesetzt werden können, der nur ein kompaktes leichteres und preiswerteres Gehäuse erfordert, so .daß.;sich bei einer Rißbildung nur eine einzelne Scheibe mit ihrer verhältnis mäßig kleinen Masse zerlegt und das Gehäuse demnach nur für eine geringere Panzerwirkung ausgelegt sein muß. Hierbei wirkt durch ein axiales Verspannen der Scheiben gegeneinander noch die Reibung bremsend auf ein nach außen geschleudertes Teil, so daß

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dessen radiale Geschwindigkeit und somit seine Durchschlagskraft verringert wird.

Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Scheiben am Rand Bohrungen zum axialen Zusammenspannen aufweisen. Das bedeutet, daß mit Ausnahme der axialen Bohrungen in der Scheibe keinerlei sonstige Aussparungen angeordnet sind; tritt ein Riß auf, wird lediglich ein Teil verhältnismäßig geringer Masse abgerissen, das bereits von einer verhältnismäßig leichten Panzerung aufgefangen wird. Wenn man an dieser Stelle in Betracht zieht, daß beispielsweise eine Kleingasturbine selbst nach Verlust von Laufschaufeln der Turbine nicht völlig zerstört wird, sondern vielmehr unter Leistungsabgabe veiterläuft-und die Laufschaufein in den Auspuff hinaus befördert, kann man durchaus erwarten, daß nach Bruch einer einzelnen Scheibe des Rotors der Schwungmassenspeicher zwar Schaden nimmt, aber noch weiterhin im Stande ist, wenn auch mit schlechterem Wirkungsgrad, Energie einzuspeichern und abzugeben. Wird beispielsweise ein derartiger Schwungmassenspeicher als Fahrzeugbremse verwendet,. so mußte bisher zusätzlich zur Schwungmassenbremse ein Bremssystem vorgesehen werden, das nach Rotorbruch, im Stande war, das in Bewegung befindliche Fahrzeug abzubremsen. Da ein vollkommener Absturz eines erfindungsgemäßen Rotors nicht möglich ist, kann somit bei einer Verwendung eines erfindungsgemäßen Schwungmassenspeichers als Fahrzeugbremse auf ein von dieser Bremse unabhängiges, voll leistungsfähiges Bremssystem verzichtet werden. Ferner kann bei Benutzung einas derartigen Schwungmassenspeichers als Fahrzeugantrieb selbst

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nach Rotorbruch das Fahrzeug seine Fahrt noch fortsetzen, beispielsweise um eine Reparaturwerkstätte aufzusuchen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß in den Bohrungen elektrische Leiter angeordnet sind, und daß der Rotor von einer Statorspule umgeben ist. Somit ist der erfindungs-' gemäße Schwungmassenspeicher ein elektrischer Motor bzw. Generator, wobei durch ein Magnetfeld die Schwungmasse beschleunigt und wieder abgebremst wird. Derartige Generatoren können in Sonderfällen, z_e'B. zur Bremsenergiespeicherung oder Schnelladefähigkeit sehr leistungsfähig, schwer und teuer ausgebildet werden, wobei ein derartiger Generator, gegebenenfalls über ein Getriebe, mit einem Schwungmassenspeicher verbunden sein muß. Der erfindungsgemäße Rotor, der periphere Bohrungen aufweist, kann demnach selbst bereits als Generator, bzw. Motor verwendet werden, wobei rund um den Rotor eine Statorspule angeordnet ist, die bei einem etwaigen Bersten einer der Rotorscheiben eine verhältnismäßig nachgiebige Panzerung darstellt, und die eine schwere, sonst notwendige Außenpanzerung unnötig, macht. Hierbei ist es möglich, zusammen mit den für die Wicklung vorgesehenen Kupferdrähten auf Faserwerkstoffe hoher Zugfestigkeit mit in die Wicklung einzuarbeiten, so daß hierdurch eine besondere Festigkeit des Stators bewirkt wird. Schließlich ist es möglich, isolierte Kohlenstoffasern als Wicklungsdrähte zu verwenden, wodurch ein außerordentlich festes Statorgebilde geschaffen wird, daß unter Umständen nicht einmal eine zusätzliche Außenpanzerung benötigt, so daß das eigentliche Gehäuse des Schwungmassenspeichers nur vakuumdicht zu sein braucht.

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Analog können auch die elektrischen Leiter innerhalb des Rotors zum Zusammenhalten der Schwungmassenscheiben herangezogen werden und können entweder innerhalb der Schwungmasse als Kurzschlußleiter zusammengefaßt oder über Schleifkontakte nach außen geführt werden.

Die genannte Integration der elektrischen Leiter in die Schwungmasse erübrigt einen getrennten Generator-Rotor und der elektrische Stator kann in das Schwungmassengehäuse miteinbezogen werden. Außerdem sind.mit dieser Anordnung besondere hohe Leistungen des elektrischen Generators erreichbar.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß zwei gegenläufige Rotoren in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Hierbei findet ein Drehmomentausgleich statt, wodurch es ermöglicht wird, daß der Speicher in kurzer Zeit hohe Leistungen aufnimmt oder wieder abgibt, ohne daß er hierzu eine besonders feste und aufwendige Aufhängung benötigt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß Teile des Gehäuses und/oder des Stators und/oder des Rotors aus Schmelz- und verdampfbarem Material bestehen. Wird durch Bruch einer Schwungmassenscheibe die Auflösung eines aus Scheiben aufgebauten Rotors initiert, dann schleifen die Teile des Rotors am Gehäuse bzw. am Stator, wobei in der Schleifzone eine Bremsschicht angeordnet ist.

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Durch die hohe Reibungsenergieaufnahme spielen sich in der. Schleifschicht Schmelz- und Verdampfungsvorgänge ab, durch die gleichzeitig im Gehäuse, in dem zunächst ein Vakuum herrscht, ein Überdruck aufgebaut wird, der eine Abbremsung der Schwungmasse und eine Energievernichtung unterstützt. Hierbei ist es beispielsweise möglich, den Stator innerhalb des Rotors anzuordnen, so daß dann am Gehäuse rund um den Rotor eine genügend dicke Schicht verdampfbaren Materials angeorndet werden kann.

Ein erfindungsgemäßer Schwungmassenspeicher kann universell eingesetzt werden, beispielsweise als transportabler Schweißgenerator, der vor Arbeitsbeginn aufgeladen wird und der an der Arbeitsstelle' Strom zum Schweißen abgibt.

Erfindungsgemäß liegt aber eine besonders zweckmäßige Anwendung des Schwungmassenspeichers in seiner Verwendung zum Speichern und Wiederabgeben der Bremsenergie eines Fahrzeuges. Beim Abbremsen eines Fahrzeuges fallen in kurzer Zeit verhältnismäßig hohe Energiemengen an, die in bisherigen Speichereinrichtungen nicht eingespeichert werden konnten, ohne daß hohe Verluste in Kauf genommen werden mußten. Erst der Schwungmassenspeicher ist imstande, unter einem guten Wirkungsgrad Energie einzuspeichern. Man geht davon aus, daß bei einem Omnibus beispielsweise der Schwungmassenspeicher etwa die dreifache kinetische Energie des mit voller Geschwindigkeit fahrenden Fahrzeugs aufzunehmen imstande sein muß. Der erfindungsgemäße Schwungmassenspeicher kann hierbei zu einem her-

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kömmlichen Antriebssystem des Motors zusätzlich angeordnet werden, wobei er imstande ist, Leistungsspitzen aufzubringen^ wie sie etwa beim Beschleunigen oder Anfahren nötig sind. Hierdurch wird es möglich, beispielsweise bei Verwenden eines Dieselmotors als Fahrzeugantrieb, diesen Motor wesentlich kleiner auszulegen, als es sonst nötig wäre, da der Motor im wesentlichen nur noch die durchschnittliche Fahrleistung aufzubringen hat, nicht dagegen die im Bedarfsfall nötige Spitzenleistung.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung noch näher erläutert:

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Schviungmassenspeicher darge- · stellt, dessen Rotor aus einzelnen Scheiben zusammengepackt ist. Am Chassis des Fahrzeugs 1 ist mittels eines Kardanbügels 2 ein vakuumdichtes Gehäuse 3 angeordnet, das etwa tonnenförmig ausgebildet ist, und längs dessen zylindrisch verlaufenden Teils ein elektrischer Drehfeldstator 4 angeordnet ist. Im Inneren des Gehäuses 3> ist ein Hotor 5 gelagert, der aus aufeinander geschichteten Scheiben besteht, die periphere, axial verlaufende Bohrungen aufweist, die einen elektrischen Kurzschlußläufer 6 bilden.

In Fig. 2 ist ein doppelrotoriger Schviungmassenspeicher gemäß der Erfindung dargestellt; auch er besteht aus einem-Vakuumgehäuse j>, das über Kardanzapfen 7 in einem nicht dargestellten Kardanbügel aufgehängt ist. Längs des zylindrischen Abschnitts des im wesent- ·

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lichen tonnenförmigen Gehäuses 3 ist eine poröse und getränkte Notbremsmasse 8 vorgesehen, die bei einem berstenden Rotor zu heftiger Gasentwicklung führt. Der eigentliche Rotor 5 stellt eine innere Rotormasse dar, die als Kurzschlußläufer ausgebildet ist. Der eigentliche Rotor 5 1st von einer Außenschicht aus glasfaserverstärkten Kunststoff umgeben.

Im Inneren des Rotors, der über Magnetlager Io drehbar angeordnet ist, ist ein Stator 4 angeordnet. Vom Stator 4 sowie vom Kurzschlußläufer im Läufer 5 führen Stromdurchführungen 11 nach außen, wobei über Schleifkontakte 12 die Verbindung mit dem Rotor hergestellt wird.

In Pig". 3 ist ein Schaltplan für ein Schwungmassensystem dargestellt. Dieser Schaltplan gilt entweder für einen Schwungmassenspeicher, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, oder für einen der beiden Rotoren, die zusammen einen gegenläufigen Schwungmassenspeicher nach Fig. 2 bilden.

Der Schaltplan wurde mit der Schaltstellung für den Zustand "Fahrzeug beschleunigen" dargestellt, bei dem die Schwungmassenelektrik als Generator arbeitet. Zunächst wird über den Regler oder die Batterie 14 die Erregerwicklung des zentrischen Stators über den Schalter 16 hinweggespeist und erregt. Gleichzeitig wird dem Schwungmassenspeichersystem z.B. über Schleifringkontakte 17 aus dem Kurzschlußläufer 18 zwei- oder dreiphasiger Leistungsstrom

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entnommen und über den Umrichter 19 dem Antriebsmotor 2o z.B. als Gleichstrom zugeführt, wobei dessen Erregerfeld z.B. über die Schalter 22 parallel geschaltet wird. Hierbei gibt der Energiespeicher 25 seine Energie an den Antriebsmotor 2o ab.

Wahlweise kann auch der Energiespeicher 2J> zwei elektrische Kreise, einen Kurzschlußläufer l8 und Erregerwicklung 15 aufweisen. In diesem Fall kann der Leistungsstrom dem Stator ohne Schleifringkontakte statisch entnommen werden, während nur der Erregerstrom des Rotors über die Schleifringkontakte 24 zugeführt werden muß. Die elektrische Einspeisung dieser rotierenden Erregerfeldwicklung würde z.B. wie im erstgenannten Fall mit Gleichstrom aus dem Regler 13 bzw. der Hilfsbatterie 14 erfolgen können. Mit dein Fahrtregler 25 wird jeweils das Kommando für die einzelne Betriebsart, wie beispielsweise "Beschleunigen", gegeben.

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Claims

MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRMBERü
Aktiengesellschaft

München, den 14. November

• A-

Patentansprüche

W Schwungmassenspeicher mit einem in einem evakuierten Gehäuse angeordneten Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (5) aus sich radial erstreckenden, axial übereinander angeordneten Scheiben besteht.
2. Schwungmassenspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben am Rand Bohrungen zum axialen Zusammenspannen aufweisen.
3. Schwungmassenspeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Bohrungen elektrische Leiter (6) angeordnet sind, und daß der Rotor (5) von einer Statorspule (4) umgeben ist.
4. Schwungmassenspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis J5> dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegenläufige Rotoren (5) in. einem gemeinsamen Gehäuse (jü) angeordnet sind.

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*■ U-

5. Schwungmassenspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Teile des Gehäuses (j5) und/oder des Stators (4) und/oder des Rotors (5) aus Schmelz- und verdampfbarem Material (8) bestehen.

6. Schwungmassenspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5* gekennzeichnet durch seine Verwendung zum Speichern und Wiederabgeben der Bremsenergie eines Fahrzeugs.

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