DE2454753B2

DE2454753B2 - Schwungmassenspeicher

Info

Publication number: DE2454753B2
Application number: DE2454753A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Simon
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1974-11-19
Filing date: 1974-11-19
Publication date: 1979-03-15
Also published as: FR2292155B3; GB1522180A; JPS5172852A; FR2292155A1; DE2454753A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwungmassenspeicher mit einem aus sich radial erstreckenden, axial übereinander angeordneten Scheiben bestehenden Rotor, an desst/. Perpherie durch die Scheiben führende Bohrungen vorgesehen find.

Schwungmassensysteme insbesondere mit metalli- J5 scher Schwungmasse weisen -Ssher 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 zerlegt wird, die ein entsprechend gepanzertes und schwereres Gehäuse erfordert. Aus diesen Gründen hat man bisher weitgehend von der Verwendung von Schwungmassenspeichern abgesehen, da der hohe Preis, insbesondere aber das hohe Gewicht eines einbaufertigen gekapselten Schwungmassenspeichers seine technische Verwendung bisher verhältnismäßig unattraktiv gemacht hat.

Um eine Speichervorrichtung mit möglichst hoher erzielbarer Energiedichte zu erreichen, hat man in einem bekanntgewordenen System die Schwungmasse in zwei Rotoren aufgetrennt, die durch gegenläufiges Laufen einen Drehmomentausgleich bewirken. Diese beiden Rotoren sind jedoch massiv und unterliegen den oben geschilderten Gefahren.

Es ist ferner bekanntgeworden, einen Rotor aus sich

radial erstreckenden, axial übereinander angeordneten Scheiben herzustellen. Diese Schwungmasse besieht aus vielen Scheiben, die mit durch die Scheiben führende Schrauben zu einem kompakten Zylinder zusammengesetzt und verbunden werden. Hierdurch wird bei einer Rißbildung nur eine einzelne Scheibe mit ihrer verhältnismäßig kleinen Masse zerlegt.

Es ist auch bekannt, eine aus Scheiben zusammengesetzte Schwungmasse mit einer Antriebsvorrichtung zu kombinieren, um die Bremsenergie zu speichern und für einen anschließenden Beschleunigungsvorgarrg wieder abgeben zu können. Bei der bekannten Anlage ist das Schwungrad an der Antriebswelle der Maschine befestigt- Eine derartige Antriebs-Schwungmassenspeicher-Kombination ist jedoch sehr kostspielig und bedarf eines großen Bauraums.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwungmassenspeicher der eingangs genannten Art zu entwickeln, der unter Beibehaltung des Sicherheitsgrades in fertigungstechnisch einfacher Art mit einem Elektromotor kombiniert werden kann.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rotor in einem evakuierten Gehäuse angeordnet ist, daß in den Bohrungen elektrische Leiter und Mittel zum axialen Zusammenspannen der Scheiben angeordnet sind und daß der Rotor von einer Statorspule umgeben ist

Somit ist der Schwungmassenspeicber gleichzeitig ein elektrischer Motor bzw. Generator, wobei durch ein Magnetfeld die Schwungmasse beschleunigt und wieder abgebremst wird. Auf diese Weise ist mit ganz einfachen Mitteln eine Kombination geschaffen, die die bekannten schwer und teuer auszubildenden Generatoren mit angekoppelten Schwungmassenspeichern ersetzen können. Die Statorspule kann außerdem bei einem etwaigen Bersten einer der Rotorscheiben eine verhältnismäßig nachgiebige Panzerung darstellen, die eine schwere, sonst notwendige Außenpanzerung unnötigt macht. Hierbei ist es möglich, zusammen mit den für die Wicklung vorgesehenen Kupferdrähten auch Faserwerkstoffe hoher Zugfestigkeit art 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, das unter Umständen nicht einmal eine zusätzliche Außenpanzerung benötigt, so daß das eigentliche Gehäuse des Schwungmassenspeichers nur vakuumdicht zu sein braucht.

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 besonders 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 initiiert, dann schleifen die Teile des Rotors am Gehäuse bzw. am Stator, wobei in der Schleifzone eine Bremsschicht angeordnet ist.

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 t-jnd um den Rotor eine genügend dicke Schicht verdampfbaren Materials angeordnet 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 bisherige 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 herkömmlichen Antriebssystem des Motors zusätzlich angeordnet werden, wobei er imstand. 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 erfinJungsgemäßer Schwungmassenspeicher dargestellt, 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 Rotor 5 gelagert, der aus aufeinander geschichteten Scheiben besteht, die periphere, axial verlaufende

D Bohrungen aufweist, die einen elektrischen Kurzschlußläufer 6 bilden.

in Fig.2 ist ein doppelrotoriger Schwungmassenspeicher gemäß der Erfindung dargestellt; auch er besteht aus einem Vakuumgehäuse 3, das über

ίο Kardanzapfen 7 in einem nicht dargestellten Kardanbügel aufgehängt ist Längs des zylindrischen Abschnitts des im wesentlichen tonnenförmigen Gehäuses 3 ist eine poröse und getränkte Notbremsmasse 8 vorgesehen, die bei einem berstenden Rotor zu heftiger Gasentwicklung

Ii führt. Der eigentliche Rotor 5 stellt eine innere Rotormasse dar, die als Kurzschlußläufer ausgebildet ist. Der eigentliche Rotor 5 ist von einer Außenschicht aus glasfaserverstärktem Kunststoff umgeben.

Im Inneren des Rotors, der über Magnetlager 10 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 Verbinduii^ mit dem Rotor hergestellt wird.

In F i g. 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 Schwungmassenspei-

jo eher 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 13 oder die Batterie 14 die Erregerwicklung des zentrischen Stators 15 über den Schalter 16 hinweggespeist und erregt Gleichzeitig wird dem Schwungmasscnspeichersystem z. B. über Schleifringkontakte 17 aus dem Kurzschlußläufer 18 zwei- oder dreiphasiger Leistungsstrom entnommen und über den Umrichter 19 dem Antriebsmotor 20 z. B. als Gleichstrom zugeführt, wobei dessen Erregerfeld z. B. über die Schalter 22 parallel geschaltet wird. Hierbei gibt der Energiespeicher 23 seine Energie an den Antriebsmotor 20 ab.

Wahlweise kann auch der Energiespeicher 23 zwei elektrische Kreise, einen Kurzschlußläufer 18 und Erregerwicklung 15 aufweisen. In diespm 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 dsm Fahrtregler 25 wird jeweils das Kommando für die einzelne Betriebsart, wie beispielsweise »Beschleunigen«, gegeben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schwungmassenspeicher mit einem aus sich radial erstreckenden, axial übereinander angeordneten Scheiben bestehenden Rotor, an dessen Periphe- rie durch die Scheiben führende Bohrungen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (5) in einem evakuierten Gehäuse angeordnet ist, daß in den Bohrungen elektrische Leiter (6) und Mittel zum axialen Zusammenspannen der Scheiben angeordnet sind und daß der Rotor (5) von einer Statorspule (4) umgeben ist.

2. Schwungmassenspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegenläufige Rotoren (5) in einem gemeinsamen Gehäuse (3) angeordnet sind.

3. Schwungmassenspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Teile des Gehäuses (3) und/oder des Stators (4) und/oder des Rotors (5) aus schmelz- und verdampfbarem Material (8) bestehen.

4. Schwungmassenspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch seine Verwendung zum Speichern und Wiederabgeben der Bremsenergie eines Fahrzeugs.