DE2544261A1

DE2544261A1 - Anordnung insbesondere zur speicherung von energie

Info

Publication number: DE2544261A1
Application number: DE19752544261
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Rer Nat Wehde
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1975-10-03
Filing date: 1975-10-03
Publication date: 1977-04-07
Also published as: DE2544261C2

Description

Anordnung insbesondere zur Speicherung
von Energie Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung insbesondere zur Speicherung von Energie enthaltend einen drehbaren Rotor mit einer Schwungmasse. In derartigen Anordn mgen enthält der Rotor im allgemeinen eine als Ring oder Scheibe ausgebildete Schwungmasse, wobei die zu speichernde Energie bekanntlich dem Produkt aus rotierender Masse und dem Quadrat der UmNangsgescharindigkeit propotional ist. Man wählt hierbei die Umfangsgeschwindigkeit so hoch wie möglich, wobei die maximale Umfangsgeschwindigkeit durch die zulässige Festigkeit der verwendeten Werkstoffe vorbestimmt ist. Es ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 441 555 bereits ein sogenanntes Trägheitssteuerrad bekannt geworden, dessen Schwungmasse oder Radkranz mittels einer Hüllstruktur aus einer zusammengesetzten Fasermasse hoher Widerstandsfähigkeit insbesondere Kohlenstoff-Fasern mit einer Radnabe verbunden ist. Derartige Faserwerkstoffe besitzen zwar hohe Festigkeiten, wobei jedoch Material- und Herstellungskosten außergewöhnlich hoch sind. Weiterhin weist das genannte Trägheitssteuerrad eine ungünstige Massenverteilung des Rotors auf, da die Nabe und die Hüllstruktur einen vergleichweise kleinen mittleren Radius aufweisen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde die genannten Nachteile zu vermeiden und eine Anordnung zu schaffen, welche eine optimale Ausnutzung der verwendeten Materialien insbesondere im Hinblick auf die Herstellungskosten und Festigkeitswerte ergibt. Diese Aufgabe wird gemäß dem ersten Patentanspruch dadurch gelöst, daß der im wesentlichen als Ring ausgebildete Rotor aus gewickelten Bändern oder Drähten vorzugsweise aus patentiertem Stahldraht hergestellt ist und vorzugsweise berürungslose magnetische Lagerungen vorgesehen sind.
Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich vor allem aus durch ein Optimum zwischen Herstellungskosten und erreichter Festigkeitswerte, so daß unter Beachtung wirtschaftlicher Gesichtspunkte neue Einsatzgebiete für rotierende Energiespeicher sich ergeben. Die Ausbildung des Rotors als Ring ergibt in vorteilhafter Weise, daß praktisch die gesamte Rotormasse die Schwungmasse darstellt und somit auch ein günstiges Leistungs-Mas s enverhältni s erreicht wird. Die Rerstellung des Rotorringes aus gewickelten Bändern oder Drähten ist auch unter Einhaltung enger Toleranzen ohne besondere Schwierigkeiten durchführbar. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von handelsüblichen patentierten Stahldrähten erwiesen, da diese keine hohen Materialkosten erfordern und dennoch sich durch hohe Festigkeitswerte auszeichnen. Im Hinblick auf geringe Leistungsverluste ist es von Vorteil den Rotor mit einem evakuierten Gehäuse zu umgeben. Wird das Gehäuse ebenfalls als Hohlring bzw. toroidförmig ausgebildet, so können die durch den Umgebungsdruck ausgeübten Kräfte auf ein Minimum reduziert werden. Zur Lagerung des Rotors wird bevorzugt eine berührungsfreie magnetische Anordnung vorgesehen, wobei diese bei vertikaler Drehachse auf den Rotor im wesentlichen nach oben gerichtete axiale Zugkräfte ausübt. Hierzu sind auf dem Rotor axial magnetisierte Permanentmagnetringe und auf dem Gehäuse wenigstens drei ring- oder sektorförmige Spulen angeordnet, deren Ströme in Abhängigkeit von der axialen Position entsprechenden Sensorsignalen geregelt werden, (aktive Axiallagerung).
Die axiale Stabilisierung erfolgt vorzugsweise leistungsarm, wobei auf dem Rotor Permanentmagnetringe und auf dem Stator oder Gehäuse ferromagnetische Ringe vorgesehen sind zum Tragen des Rotorgewichtes. Weiterhin sind denferromagnetischen Ringen Spulen zugeordnet, wobei diese in wenigstens drei Sektoren unterteilt sind und in bekannter Weise von geregelten Strömen durchflossen werden. Die passive Stabilisierung in radialer Richtung erfolgt aufgrund der konzentrischen Spulenkerne bzw. deren Polflächen. Zur aktiven Stabilisierung des Rotors bzw. zur Schwingungsdämpfung sind innerhalb der Spulenkerne Stabilisierungsspulen vorgesehen.
Im Hinblick auf eine hohe Funktionssicherheit ist ein mechanisches Notlager an der Unterseite des Rotors vorgesehen enthaltend eine Profilschiene am Rotor sowie gehäusefeste Rollen. Somit wird in vorteilhafter Weise sowohl eine Zentrierung als auch ein sicheres Tragen des Rotors bzw.
der Schwungmasse bei Störungen der magnetischen Lagerung oder bei Inbetriebnahme der Anordnung gewährleistet. Die Energieübertragung auf oder von den Rotor erfolgt mittels einer bürstenlosen Notor-Generatoreinheit. Diese enthält wenigstens eine vorzugsweise mehrphasige, eisenlose Statorwicklung sowie auf dem Rotor angeordnete Permanentmagnete mit in Umfangsrichtung abwechselnder Polarität. Die genannte Einheit ist bevorzugt in wenigstens zwei Teile aufgeteilt, welche an der Ober- und Unterseite des Rotors angeordnet sind, so daß insbesondere im Generatorbetrieb bei phasenungenauer Anteuerung der Wicklungen auftretende axiale Kräfte den Rotor zumindest näherungsweise stabilisieren.
Anhand des in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung nachfolgend erläutert. Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Anordnung enthaltend einen ringförmigen Rotor 1, welcher um eine vertikale Drehachse 2 drehbar gelagert ist. Der Rotor 1 ist im wesentlichen als ein Ring aus gewickeltem, dünnem Stahldraht 4 mit rechteckigem oder quadratischen Querschnitt ausgebildet, wobei vorzugsweise ein handelsüblicher patentierter Stahldraht verwendet wird.
Der Rotorring ist von einem zweiteiligen Gehäuse 5, 6 umgeben, welches zur Vermeidung von Luftreibungsverlusten weitgehend evakuiert ist. Zur berührungsfreien Lagerung des Rotors sind auf der oberen Rotoraußenfläche axial magnetisierte Permanentmagnete 7, 8 vorgesehen, welche sich in den Magnetfelaernvon stromdurchflossenen Spulen 9, 10 des Gehäuses bzw. Stators befinden. Uber den Umfang sind vier solcher Spulenpaare angeordnet, welche sich ringförmig oder sektorförmig jeweils über 900 erstrecken. Mittels der genannten Spulen werden in Abhängigkeit von Sensorsignalen, welche dem axialen Abstand zwischen Rotor und Stator entsprechen, über bekannte Regeleinrichtungen (nicht dargestellt) in den ferromagnetischen Spulenkernen 11, 12 axial gerichtete magnetische Flüsse, bzw. Magnetfelder derart erzeugt, daß in Zusammenwirkung mit den genannten Nagnetringen 7, 8 eine aktive magnetische Lagerung des Rotors in axialer Richtung erfolgt. Aufgrund der ringförmigen Ausbildung der Magnetringe 7, 8 sowie der genannten Kerne 11, 12 ergibt sich auch eine passive Stabilisierung in radialer Richtung also quer zur Drehachse 2. Zwischen den geteilten und sich etwa über jeweils qOO in Umfangsrichtung erstreckenden Spulenkerne 11, 12, welche einen U-förmigen Querschnitt aufweisen, ist eine Stabilisierungsspule 15 angeordnet, insbesondere zur Dämpfung von radialen Schwingungen. Jede dieser vier Stabilisierungsspulen wird in Abhängigkeit von Sensorsignalen, welche der radialen Position des Rotors oder dessen radialen Bewegungen entsprechen, über geeignete Regeleinrichtungen von Strom durchflossen. Es wird somit in den Spulenkernen 11, 12 ein zusätzlicher, dem obengenannten magnetischen Fluß überlagerter magnetischer Fluß erzeugt, welcher auf die Magnetringe 7, 8 bzw. den Rotor im Sinne einer Erhöhung oder Verringerung der medialen Kräfte bzw. der Steifigkeit in radialer Richtung einwirkt.
Es ist ersichtlich, daß anstelle der genaaE etren vier über den Umfang verteilten Spulenpaare auch eine/Anzahl vorgesehen sein kann, wobei jedoch zur vollständigen Stabilisierung wenigstens drei Spulenpaare vorhanden sein müssen. Da aufgrund von elastischen Formänderungen Ausweitungen des Rotorringes mit zunehmender Drehzahl erfolgen, wird die Geometrie der Magnetringe 7, 8 derart gewählt, daß etwa im Bereich der halben Nenndrehzahl, die Magnetringe den Spulenkernen 11, 12 exakt gegeüberstehen. Unterhalb des Rotors ist eine ringförmige Profilschiene 19 angeordnet, welche zusammen mit gehäusefesten Rollen 16 als Notlauflager ausgebildet sind, d.h. bei normaler Funktion der beschriebenen magnetischen Lagerung nicht im Eingriff sind. Mittels der Profilschienen 19, welche ein ähnliches Profil wie eine Eisenbahnschiene aufweist, wird außer der axialen Lagerung des Rotors auch gleichzeitig die Zenrierung des Rotors gewährleistet, so daß bei Fehlern in der magnetischen Anordnung oder auch beim Hochlaufen des Rotors auf die Nenndrehzahl der Rotor das Gehäuse nicht berühren wird. Die Rollen 16 sind um radial angeordnete Achsen drehbar, besitzen konische Laufachsen 17 sowie radial außen liegende Ansätze 18, welche eine radiale Auswanderung des Rotors mit Sicherheit verhindern. Auf der Oberseite und Unterseite des Rotors sind weiterhin axial magnetisierte Permanentmagnete 20 vorgesehen, wobei in Umfangsrichtung betrachtet den Statorwicklungen 21 abwechselnd Nord- und Südpole gegenüberstehen. Zum Antreiben bzw. Beschleunigen des Rotors, d.h. zur Energieaufnahme werden die mehrphasigen Statorwicklungen nach Art eines bürstenlosen Gleichstrommotors angesteuert, wobei kein mechanischer Kontakt zwischen Rotor und Stator erfolgt. Die Statorwicklungen sind eisenlos ausgebildet und auf einem Keramik-oder Kunststoffkörper 22 angeordnet, so daß durch die vorbeidrehenden Permanentmagnete in diesem auch keine Eisen-Wirbelstrom- oder Eystereseverluste entstehen können. Die Aufteilung der Statorwicklungen auf Ober- und Unterseite ergibt den nicht zu unterschätzenden Vorteil, daß im Generatorbetrieb (Energieabgabe) auch bei phasenungenauer Ansteuerung der Statorwicklungen die hierbei auftretenden axialen Kräfte den Rotor in etwa in der Mitte stabilisieren.
- Patentansprüche - Leerseite

Claims

Patentansprüche 1. Anordnung insbesondere zur Speicherung von Energie enthaltend einen drehbaren Rotor mit einer Schwungmasse, dadurch zekennzeichnet, daß der im wesentlichen als Ring ausgebildete Rotor aus gewickelten Bändern oder Drähten vorzugsweise aus patentiertem Stahldraht hergestellt ist und vorzugsweise berührungslosemagnetische Lagerungen vorgesehen sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Stahldrähte des Ringes in mehreren Windungen axial nebeneinader und in radialer Richtung in mehreren Lagen übereinander angeordnet sind, wobei die Querschnitte der Drähte vorzugsweise rechteckig oder quadratisch sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse des Rotors mit dessen Rauptträgheits achse übereinstimmt.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorring von einem toroidförmigen evakuierbaremGehäuse umgeben ist.
5. Anordnung insbesondere nach einem dervorhergehenden Ansprüche, wobei die Drehachse des Rotors im wesentlichen vertikal steht, dadurch gekennzeichnet, daß seine axiale Lage mittels magnetischen Lagerungen vorzugsweise aktiv und seine radiale Lage passiv stabilisiert wird.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Stabilisierung Patentansprüche weitgehend leistungsarm erfolgt, wobei mittels eines Nagnetfeldes, welches sich zwischen rotorseitig angeordneten, konzentrischen Permanentmagnetringen und statorseitig angebrachten ferromagnetischen konzentrischen Ringen ausbildet, im wesentlichen das Rotorgewicht getragen wird.-
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die statorseitig angeordneten Ringe und/oder diesen zugeordnete Spulen in wenigstens drei Sektoren unterteilt sind, wobei die Spulen von geregelten Strömen durchflossen werden.
8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die statorseitig angeordneten Ringe und/oder Spulenkerne in Umfangsrichtung verlaufende Nuten aufweisen undg oder als zwei ineinander gesetzte Teile mit U-förmigen Querschnitt ausgebildet sind, wobei zwischen den genannten Teilen oder in den Nuten Spulen angeordnet sind, zur Erzeugung von axialen und radialen Kräften auf den Rotor.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein mechanisches Notlager enthaltend eine an der unteren Außenfläche des Rotors angeordnete ringförmige Profilschiene und eine Anzahl von gehäusefesten Lagerrollen mit konischen Laufflächen und außen liegenden Ansätzen.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine bürstenlose Motor-Generatoreinheit, enthaltend auf dem Rotor angeordnete vorzugsweise axial magnetisierte Permanentmagnete mit in Umfangsrichtung abwechselnder Polarität, sowie diesen gegenüber auf dem Stator angeordnete, mehrphasige Wicklungen.
Patentansprüche 11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Motor-Generatoreinheit in wenigstens zwei im wesentlichen gleich ausgebildete Teile unterteilt ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklungen eisenlos ausgebildet und vorzugsweise auf einem Kunststoff-oder Eeramikkörper angeordnet sind.