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Vorrichtung zur Speicherung kinetischer Energie
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Speicherung kinetischer
Energie, bestehend aus einem um eine Achse drehbar gelagerten, im wesentlichen zylinderförmigen
Rotationskörper, der aus einzelnen Bauelementen zusammengesetzt ist.
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Mechanischer Energiespeicher, deren Speicherwirkung auf der kinetischen
Energie eines um eine ortsfeste Achse rotierenden Körpers beruht, sind seit langem
bekannt.
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Als Energiespeicher wurden Vollscheiben mit oder ohne Bohrung, meist
aus Stahl oder Holz, verwendet.
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In neuerer Zeit wurden ausführliche Untersuchungen in Rahmen der Energieverknappung
und der Umweltbelastung an Schwungrädern durchgeführt. Aufgrund dieser Untersuchungen
wurden spezielle Bauformen für die Schwungräder entwickelt. Dabei hat es sich als
vorteilhaft erwiesen, Schwungradanlagen unter Vakuum zu betreiben, um die Verluste
durch Luftreibung zu unterdrücken. Die Leistungsfähigkeit eines Schwungrades läßt
sich durch das Energiegewicht und das Energievolumen beurteilen. Unter Energiegewicht
ist die pro Gewichtseinheit speicherfähige Energiemenge zu verstehen, wobei bei
der Berechnung des Gewichtes neben dem Schwungradgewcf1t
auch das
Gehäusegewicht mit zu berücksichtigen ist. Das Energievolumen ist als die pro Volumeneinheit
speicherfähige Energiemenge zu definieren, wobei als Volumen das umhüllende Volumen
einzusetzen ist.
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Die in den US-Patentschriften 3 672 241, 3 698 262 und 3 737 694 vorgeschlagenen
Bauformen besitzen wegen ihrer sehr schlechten Volumenfüllung (Verdrängungsvolumen/bestrichenes
Volumen) nur eine geringe Energiespeicherfähigkeit. Ferner weisen diese Bauformen
eine ungünstige Festigkeitsausnutzung auf. Wird der in der US-PS 3 672 241 vorgeschlagene
Balken nach außen zum Körper gleicher Festigkeit verjüngt, so wird zwar die Festigkeitsausnutzung
und damit das radbezogene Energiegewicht verbessert, jedoch verschlechtert sich
damit gleichzeitig das Energievolumen. Die bei diesen Bauformen zur Anwendung gelangenden
Faserwerkstoffe können in ihrer Leistungsfähigkeit wegen der notwendigen Zugabe
von Matrixmaterial,welches eine Massebeladung darstellt, nicht voll genutzt werden.
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Ein kompakter Wickelaufbau mit einer in eine Matrix eingebetteten
Faserstruktur läßt sich zur Herstellung von Schwungrädern nicht verwenden, weil
der Matrixwerkstoff eine sehr begrenzte Fähigkeit hat, die auftretenden Radialspannungen
zu übertragen. Daher treten bei diesen Bauformen vor Erreichen der Festigkeitsgrenze
der Faserwerkstoffe Delaminierungserscheinungen auf. Deshalb wurde vorgeschlagen,
die gewickelten Fasern in eine volumenflexible Matrix einzubetten, beispielsweise
in Schaumgwnmi oder, als Ersatz dafür, gummiumhüllte Faserstränge zu verwenden.
Nachteilig ist bei dieser Anordnung, daß der Gummi eine tote, nicht an dem Festigkeitsverbund
beteiligte Masse ist. Dadurch wird das Energiegewicht verschlechtert.
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In der US-Patentanmeldung Serial - No. 451.923 wird eine Schwungradbauform
beschrieben, die aus einer koaxial zu einer
ortsfesten Achse angeordneten,
im Querschnitt rechteckigen Ringkammer besteht, die mit Speichen an der festen Achse
befestigt ist. In dieser Ringkammer wird der Faserwerkstoff eingebracht. Der Faserwerkstoff
weist eine gewickelte Faserstruktur aus Fadensträngen ohne Querverbund auf. Dadurch
kann sich bei Fliehkraftbelastung jeder einzelne Fadenstrang frei ausdehnen. Nachteilig
wirkt sich bei dieser Konstruktion aus, daß jeder einzelne Fadenstrang - um im Ruhezustand
ausreichend steif zu sein - aus gezwirnten oder geflochtenen Fäden aufgebaut ist,
wodurch seine Festigkeit vermindert wird.
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Für hohe Festigkeiten ist eine Fadenmatrix erforderlich, was zu runden
Fadenquerschnitten führt, die eine Minderung der Volumenfüllung bedingen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Speicherung kinetischer
Energie unter Verwendung von Faserwerkstoffen zu schaffen, die ein ringförmiges
Delaminieren vor Erreichen der Festigkeitsgrenze des Faserwerkstoffes vermeidet.
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Die Lösung der Aufgabe ist gekennzeichnet durch einen im wesentlichen
zylindrischen Rotationskörper, der aus einer Anzahl formschlüssig hintereinander
angeordneter profilierter Scheiben zusammengesetzt ist. Als Profilformen werden
der gerade Kegelstumpf, die ebene Scheibe mit kegelförmig überhöhtem Rand und die
Wellenmembranscheibe bevorzugt.
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Als Alternativlösung kann anstelle eines aus Scheibenpaketen aufgebauten
Rotationskörper ein aus einzelnen koaxial zur Rotationsachse angeordneten geraden
Hohlzylindern aufgebauter Rotationskörper Verwendung finden, wobei zwischen den
Hohlzylindern ein Spalt besteht und die Hohlzylinder an ihren Stirnseiten durch
elastische, ringförmige Wulste verbunden werden.
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Diese Ringwulste können dabei an jeder Stirnseite der Hohlzylinder
angeordnet sein oder - wie in einer vorteilhaften Weiterbildung
der
Erfindung vorgeschlagen - wechselweise an den Stirnseiten der einzelnen Hohlzylinder
befestigt sein.
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Aufgrund dieser Ausbildungsform ist es möglich, homogen gewickelte
Faser-Matrix-Strukturen als Werkstoff zu verwenden, ohne daß Delaminierungsprobleme
auftreten. Als Matrix können beispielsweise Epoxiharze verwendet werden, da aufgrund
der Scheibenprofile bzw. der Anordnung der einzelnen Rinqlacren nur geringe Schub-,
Zug- und Biegespannungen an den einzelnen Faserelementen angreifen. Durch den erfindungswesentlichen
Aufbau der Rotationskörper kann bei Fliehkraftbelaastung jedes Faserelement auf
einen größeren Durchmesser auswandern, der seiner Tangentialspannung zugeordnet
ist.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß aus Scheibenpaketen aufgebauten
Rotationskörper ist darin zu sehen, daß sich die einzelnen Bauelemente relativ einfach
ohne großen maschinentechnischen Aufwand herstellen lassen. Da von der Wandstärke
der einzelnen Scheiben bzw. Lagen die Größe der auftretenden Biegespannung abhängt,
ist es vorteilhaft, die einzelnen Bauelemente mit einer qeringen Wandstärke zu versehen.
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Dadurch lassen sich sowohl eine hohe Festigkeitsausnutzung erreichen,
als auch wegen der geringen Wandstärke eine gute Kontrolle der Werkstückqualität.
Ebenso besitzen die so hergestellten Rotationskörper eine hohe Sicherheit a.egen
Zerstörung durch Bruch während des Betriebes, da die Uberprüfung auf Materialfehler
wesentlich intensiver vorgenommen werden kann. Aufgrund der vorteilhaften Zusammensetzung
einzelner Bauelemente zu einem Schwungrad lassen sich diese Schwungräder an unterschiedliche
Größen- und Leistungsanforderungen feinstufig anpassen.
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Die erfindungsgemäßen Schwungräder besitzen ein hohes Energiegewicht
und Energievolumen. Sie sind sowohl zum Einsatz in mobilen als auch in ortsfesten
Anlagen geeignet.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es stellen dar: Fig. 1a: ein aus Kegelscheiben aufgebautes Schwungrad
mit gewickelter Faserstruktur im Längsschnitt; Fig. 1b: eine schematisierte Darstellung
der eintretenden Verformung der in Fig. 1 gezeigten Lamellen; Fog. 2-5: unterschiedliche
Bauformen der Schwungräder gemäß der Erfindung.
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In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein Schwungrad gemäß der Erfindung
dargestellt. Dabei wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Schraffur bei
den Paketen 3 und 3' verzichtet. Bei dem Schwungrad in Fig. 1 sind zwischen den
beiden Wellenzapfen 1 und 2 zwei Pakete 3 und 3' und ein Formblock 4 eingespannt.
Jedes Paket ist aus einer Anzahl gleichsinnig hintereinander geschalteter, profilierter,
scheibenförmiger Lamellen 5 aufgebaut. Die einzelnen Lamellen 5 sind aus spiralförmig
gewickelten Faserelementen 6 (Fig. 1b) aufgebaut, deren Verbund durch einen Matrixwerkstoff,
beispielsweise Epoxiharz, erreicht wird.
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Der Formkörper 4 in Fig. 1a dient nur zur besseren Volumenfüllung,
da sonst das Energievolumen zu ungünstigen Werten hin verschoben würde. Selbstverständlich
ist es auch möalich, in Fig. 1a das Scheibenpaket 3' und den Formkörper 4 fortzulassen.
Die Anzahl der einzelnen Scheiben richtet sich nach der verlangten Leistung des
Schwunqrades.
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Wird nun diese Vorrichtung in Rotation versetzt, so wird jedes Faserelement
6 entsprechend seines Abstandes von der Rotationsachse mehr oder weniger stark der
Fliehkraftbelastung
ausgesetzt. Diese Belastung bewirkt, daß das
Element auf einen größeren Durchmesser auswandert, wie in Fig. 1b skizziert. Die
Scheibe wdlbt sich also auf, wobei der sich einstellende Durchmesser eine Funktion
der Drehzahl ist. Insbesondere wenn die Lamellen so ausgelegt sind, daß sie sich
bei Betriebsdrehzahl der Vorrichtung im Zustand der geringsten Spannung befinden,
ist nur ein geringer Belastungsanstieg innerhalb des Matrixwerkstoffes festzustellen.
Dieser Belastungsanstieg ist dabei so gering, daß der Matrixwerkstoff ihn ohne weiteres
aufnehmen kann, ohne das Delaminierungserscheinungen an den Fügestellen zwischen
Matrix und Faserelement auftreten.
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In Fig. 2 und 3 sind Alternativen dieses Bauprinzips angegeben. Die
einzelnen Lamellen 22 in Fig. 2 sind genauso wie die Lamellen 5 in Fig. 1a aufgebaut.
Das gleiche gilt für die in Fig. 3 dargestellten Lamellen 33. In beiden Fällen ist
bei Betriebsdrehzahl ebenfalls eine Durchmesseraufweitung festzustellen.
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Die Formen der in Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Schwungräder werden
durch spiralförmiges Wickeln von Faserelementen erzeugt, deren Verbund durch Epoxiharz
gewährleistet wird.
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Die Form und die Größe der Lamellen wird während des Wickelns bzw.Gießens
des Harzes erzeugt. Jeder weitere nachträgliche Formgebung der Lamellen - sei sie
spanend oder spanlos - ist nicht möglich, da sonst während des Betriebes der Vorrichtung
durch die bei der nachträglichen Formgebung entstandenen Spannungen Delaminierungserscheinungen
auftreten.
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In Fig. 4 und 5 ist eine andere Ausbildungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dargestellt. Dabei werden nun nicht mehr einzelne, axial aneinander
gereihte Lamellen verwendet, sondern ineinandergeschachtelte Rotationskörper, vorzugsweise
kreisförmige
Hohlzylinder. Die Rotationsachse liegt in der Achse
der Welle 7 bzw. 7', die - im Gegensatz zu Fig. 1 bis 3 -nicht geteilt ist. Die
Befestigung des inneren Hohlzylinder 44 bzw. 55 an der Welle 7 bzw. 7' kann durch
Schrumpfung oder andere, beliebige Befestigungsarten vorgenommen werden.
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Die einzelnen Zylinder 44 bis 44 "" '' bzw. 55 bis 55'''''' sind dabei
in einem radialen Abstand koaxial zur Rotationsachse angeordnet. Der radiale Abstand
kann beispielsweise dadurch gewahrt werden, daß die Zylinder mit dünnwandigem Material,
z. B. Folie umwickelt werden,dadurch läßt sich auch das Energievolumen erhöhen.
Der Zusammenhalt der einzelnen Zylinder wird in Fig. 4 durch wechselweise an den
Stirnseiten angeordnete Ringwulste 45 erreicht. Die Ringwulste 45 sind dabei so
auszubilden, daß sie im Bereich ihrer stärksten Krümmung möglichst dünnwandig sind,
um die auftretenden Spannungen aufnehmen zu können. Wird das Schwungrad gemäß Fig.
4 in Rotation versetzt, so wandern die einzelnen Hohlzylinder entsprechend ihres
Abstandes von der Rotationsachse auf einen größeren Durchmesser aus. Dabei wird
die Krümmung der Ringwulste verringert.
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In Fig. 5 sind im Gegensatz zu Fig. 4 die Ringwulste 56 beidseitig
an den Stirnseiten der Hohlzylinder 55 befestigt. Hier müssen ebenfalls die Ringwulste
im Bereich ihrer stärksten Krümmung wegen der aufzunehmenden Spannungen eine relativ
dünne Wandstärke aufweisen.