DE2655006A1 - Vorrichtung zur sicherstellung der magnetischen schwebefaehigkeit und der zentrierung des laeufers einer umlaufenden maschine im staender dieser maschine - Google Patents

Description

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D-1 BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE 68 D-8 MÜNCHEN 22 · WIDENMAYERSTRASSE 49

The Battelle Development Corporatiofife_{RL1N: d}.pl.-inq. r. müller-börner

MÜNCHEN: DIPL.-INS. HANS-HEINRICH WEY DI°L.-INS. EKKEHARO KÖRNER

Berlin, 2. Dezember 1976

Vorrichtung zur Sicherstellung der magnetischen Schwebefähigkeit und der Zentrierung des Läufers einer umlaufenden Maschine im Ständer dieser Maschine

(Schweiz Nr. 15.630/75 vom 02. Dezember 1975) (Schweiz Nr. 1.956/76 vom 18. Februar 1976)

43 Seiten Beschreibung
11 patentansorüche
7 Blatt Zeichnungen

Em - 27 066

/09032/0617

BERLIN: TELEFON (O3O) 8312O88 MÜNCHEN: TELpFON (089) 228585

KABEL: PROPINDUS · TELEX O1 84057 KABEL: PROPINDUS · TELEX O5 24 244

Die mechanische Speicherung von Energie mit Hilfe von mit hoher Drehzahl angetriebenen Schwungrädern, die man bis in die jüngste Zeit auf Grund der hohen Kosten und der geringen Energiemenge pro Masseneinheit, die sich so speichern lässt, für nicht realisierbar hielt, findet zur Zeit erneutes Interesse, hauptsächlich wegen der grossen Portschritte, die auf den Gebieten Maschinenbau und Materialtechnologie zu verzeichnen sind. Dieses Speicherungsverfahren, das im wesentlichen darin besteht, dass man ein Schwungrad mit dem Läufer einer umlaufenden, elektrodynamischen Maschine verbindet, die als Generator oder als Motor betrieben wird, um die Speicherung mechanischer Energie auf elektrischem Wege zu erreichen,und die spätere Rückgewinnung dieser Energie in Form von Elektrizität, weist gegenüber anderen Speicherungsyerfahren den grossen Vorteil auf, dass es sehr günstige Umsetzungszahlen ergibt und eine grosse Anwendungselastizität gestattet (die Energie kann jederzeit und praktisch augenblicklich zurückgewonnen werden).

Es kann jedoch eine Trägheitsenergie-Speicherungsmaschine, die auf diesem Verfahren beruht, nur nach der Lösung von mindestens zwei wesentlichen Problemen gebaut werden, von denen eine Art und Anordnung der Lager betrifft und die andere den Aufbau des Ganzen, der die günstigste Anordnung der Lager, bezogen auf die übrigen Bestandteile der Maschine, und damit eine besonders kompakte Einheit_tergibt.

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Was die Lager angeht, so geht die Tendenz zur Zeit inmer stärker in Richtung auf die Verwendung sogen, "magnetischer" Lager, die für bestimmte Anwendungen gegenüber den herkömmlichen, mechanischen Lagern oder gegenüber Gas- oder Flüssigkeitslagern grosse Vorteile zu bieten vermag.

Bekanntlich treten bei mechanischen Lagern (Kugel-, Rollenlager) , wenn diese auch bei derzeitigen Anwendungen voll befriedigen, auf bestimmten Gebieten Einschränkungen auf, und zwar insbesondere bei mit sehr hoher Geschwindigkeit ablaufenden Drehbewegungen. Dass bei hohen Drehzahlen ein relativ grosses Widerstandsmoment auftritt, ist dafür verantwortlich, dass die Reibungsverluste stark zunehmen,und das bedingt die Zufuhr zusätzlicher Energie zur Aufrechterhaltung der Drehzahl, und ausserdem trägt der sich daraus ergebende mechanische Verschleiss zu Verminderung der Le- bensdauer des Lagers bei. Die vom Prinzip her den mechanischen Lagern eigentümlichen Schwingungen können sich ebenfalls als sehr störend erweisen; schliesslich kann die erforderliche Schmierung dieser Lager die Ursache von Umwelt-Verschmutzungsproblemen sein.

Gas- oder Flüssigkeitslager haben den Vorteil, dass jeder direkte mechanische Kontakt zwischen Ständer und Läufer vermieden wird. Es besteht aber ein indirekter Kontakt, und darüberhinaus sind diese Lager durch eine begrenzte Steifigkeit gekennzeichnet. Die Notwendigkeit,ständig eine Pumpenanlage für das Fluid benutzen zu müssen, trägt ebenfalls dazu bei, ihre Betriebszuverlässigkeit herabzusetzen,

It-

und zu all diesem kommt noch eine teure Zuführ von Energie hinzu.

Magnetlager gibt es in zwei grundlegenden Ausführungen, nämlich einmal passive Magnetlager, die nur Dauermagneten enthalten, die durch Anziehung oder Abstossung wirken und zum anderen die aktiven Magnetlager, die aus Elektromagneten aufgebaut sind, mit denen Lagefühler verbunden sind, die Lage des Läufers durch Modulation des Erregungsstromes des Elektromagneten zu steuern.

Man kennt zur Zeit mehrere Ausführungen von Magnetlagern, die es gestatten, ausser der Drehung eines umlaufenden Teils um seine Achse auch dessen XInbeweglichkeit im Raum sicherzustellen.

Ebenfalls bekannt sind zur Zeit einige Bauformen von Maschinen zur Speicherung von Trägheitsenergi-e, die mit herkömmlichen, mechanischen oder mit Magnetlagern ausgerüstet sind.

Die eigentliche Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine bestimmte Ausführung von Magnetlagern zu erhalten, die es gestattet, den Läufer einer beliebigen umlaufenden Maschine gegenüber dem Ständer in der Schwebe zu halten und zu zentrieren, sowie eine bestimmte Ausführung einer Maschine zur Speicherung von Trägheitsenergie, die es gestattet, die oben erhaltene Ausführung von Magnetlagern in einer besseren Anordnung gegenüber den übrigen Teilen dieser Maschine einzubauen, um eine besonders kompakte Einheit zu erhalten.

Dazu ist der Gegenstand dieser Erfindung eine Vorrichtung zur Sicherstellung der magnetischen Schwebefähigkeit und

der Zentrierung des Läufers einer umlaufenden Maschine gegenüber dem Ständer dieser Maschine, wobei dieser Ständer eine praktisch senkrechte und mit der Drehachse des Läufers identische Symmetrieachse hat und die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie folgendes umfasst: -

- mindestens einen am unteren Teil dieses Läufers angebrachten und in dessen Drehachse zentrierten, ersten Dauermagneten und mindestens einen formschlüssig mit dem Ständer verbundenen, zweiten Dauermagneten, der in der Achse des Ständers zentriert ist und dem ersten Dauermagneten gegenüberstehend angeordnet ist, wobei die gegenüberstehenden Flächen dieser ersten und zweiten Magneten gleiche Polarität haben und auf diese Veise ein passives Magnetlager bilden, das auf den Läufer ständig eine axiale Kraft ausübt,

- eine erste Gruppe von Fühlern, die Translationsverschiebung dieses Läufers in zwei zur Achse des Ständers senkrechten und ^untereinander rechtwinkligen Eichtungen festzustellen vermögen, sowie die Geschwindigkeit dieser Translationsverschiebung,

- eine zweite Gruppe von Fühlern, die Winkelverscheibung dieses Läufers, bezogen auf diese erste und diese zweite Richtung, festzustellen vermögen oder die Geschwindigkeit dieser Winkelverschiebung,

- eine dritte Gruppe von Fühlern, die die Geschwindigkeit jeder Axialverschiebung dieses Läufers festzustellen vermögen ,

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- eine Einheit von formschlüssig mit diesem Läufer verbundenen Elektromagneten, die angrenzend an diesen Läufer so angeordnet ist, dass sie mit demjenigen Teil dieses Läufers zusammenwirken kann, der sich an diesen Elektromagneten vorbeibewegt, wobei mindestens dieser Seil des Läufers aus einem magnetisierbaren Werkstoff gefertigt ist, wobei diese Elektromagneten-Einheit ein erstes Paar von

Elektromagneten einschliesst, die diametral gegenüberstein
hend dieser ersten Richtung angebracht sind, wobei jeder der Elektromagneten dieses ersten Paares auf diesen Läufer eine Anziehungskraft auszuüben vermag, die in dieser ersten Richtung wirkt, ein zweites Paar von Elektromagneten, die diametral gegenüberstehend in dieser zweiten Sichtung angeordnet sind, wobei jeder der Elektromagneten dieses zweiten Paares auf diesen Läufer eine Anziehungskraft auszuüben vermag', die in dieser zweiten Richtung wirkt, ein drittes Paar von Elektromagneten, die diametral gegenüberstehend in dieser ersten Richtung angeordnet sind und ein viertes Paar von Elektromagneten, die diametral gegenüberstehend in dieser zweiten Richtung angeordnet sind, wobei dieses dritte und dieses vierte Paar von Elektromagneten und der an sie angrenzende Teil des Läufers zueinander so angeordnet sind, dass jeder der Elektromagneten dieser Paare auf diesen Läufer eine Anziehungs- kraft auszuüben vermag, die eine zur Achse des Ständers parallele Komponente hat,

- eine erste Gruppe von Einrichtungen zur Veränderung der Erregung der Elektromagneten, des ersten und des zweiten

Paares in Abhängigkeit von Signalen der ersten Gruppe von Fühlern, so dass in dieser ersten und dieser zweiten Richtung radiale Anziehungskräfte erzeugt werden, die veranlassen, dass diese Translationsverschiebungen gegen Null gehen,

- eine zweite Gruppe von Einrichtungen zur Veränderung der Erregung der Elektromagneten des dritten und des vierten Paares in Abhängigkeit von Signalen der zweiten Gruppe von Fühlern zur Achse des Ständers parallele Anziehungskräfte erzeugt werden, die zusammen, bezogen auf diese erste und diese zweite Richtung, Momente erzeugen, die diese Winkelverschiebung gegen Null gehen zu lassen vermögen ,

- eine dritte Gruppe von Einrichtungen zur Veränderung der ^c Erregung der Elektromagneten des dritten und vierten Paares in Abhängigkeit von Signalen der dritten Gruppe von Fühlern, um zur Achse des Ständers parallele Anziehungskräfte zu erzeugen, deren Resultierende diese Axialverschiebung gegen Null gehen zu lassen vermag.

Ebenfalls Gegenstand dieser Erfindung ist eine Haschine zur Speicherung von Traghfeitsenergie, die einen Ständerteil mit einer praktisch senkrechten Symmetrieachse umfasst, einen scheibenförmigen Läuferteil, dessen Drehachse mit der Achse dieses Ständerteils identisch ist und bei dem zumindest die Masse nahe dem ringförmigen Rand aus einem magnetisierbaren Werkstoff gefertigt ist, eine Gruppe von Magnetlagern zum Lagern dieses Läuferteils im Ständerteil ohne

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Berührung zwischen den beiden Teilen und eine Einheit eines elektrodynamischen Notors oder Generators zum Speichern von Energie in diesem Rotorteil und zur Wiedergabe dieser Energie nach ausserhalb, wobei diese Maschine dadurch gekennzeichnet ist, dass

- diese elektrodynamische Einheit zur Sicherstellung dieses Energieaustauschs mindestens ein Paar Dauermagneten umfasst, die an der oberen planen Fläche dieses Läuferteils befestigt "sind, und mit den gegenüber diesen Magneten am Ständerteil angeordneten Mehrphasenwicklungen zusammenwirken, wobei diese Magnete in axialer Richtung so • magnetisiert sind, dass sie zur Seite dieses Ständerteils hin einen Ford- bzw. Südpol aufweisen und wobei diese Mehrphasenwicklungen so eingerichtet sind, dass sie ein axiales, kreisförmiges Drehfeld zu erzeugen vermögen,

- dass diese Gruppe von Magnetlagern ein passives Magnetlager umfasst, dasädie Schwebefähigkeit dieses Läuferteils gewährleisten soll, und aus zumindest einem,an der planen Innenseite des Läuferteils befestigten Dauermagneten besteht, der zusammen mit mindestens einem gegenüber diesem Ständerteil angeordneten Dauermagneten eine Abstossung bewirkt, sowie eine Gruppe von aktiven Magnetlagern, die die Zentrierung dieses Läuferteils, bezogen auf seine Gleichgewichtslage, gewährleisten soll, wobei jedes der aktiven Magnetlager mehrere Elektromagneten umfasst, die gegenüber dem aus magnetisierbarem Werkstoff bestehenden, ringförmigen Band dieses Läuferteils angeordnet sind, mehrere

, die Abweichungen des Läuferteils von seiner Gleichgewichtslage festzustellen vermögen und' von diesen Abweichungen abhängige Signale zu erzeugen vermögen, sowie eine Steuerschaltung, die diese Elektromagneten als Funktion dieser Signale so zu erregen vermag, dass die letzteren auf diesen ringförmigen Rand Kräfte ausüben, die diese Abweichungen zu annullieren geeignet sind, wobei diese Gruppe aktiver Magnetlager ein erstes Lager einschliesst, das so eingerichtet ist, dass es auf diesen Rand in zwei zueinander recktwinkligen Richtungen wirkende Radialkräfte ausübt, die geeignet sind * die radialen Verschiebungen dieses Läuferteils aufzuheben, ein zweites Lager, das so'eingerichtet ist, dass es, bezogen auf die beiden rechtwinklig aufeinanderstellenden,Momente ausübt, und zwar auf diesen Rand, die geeignet sind, die radialen Verschiebungen dieses Läuferteils auszugleichen, ein zweites Lager, das so eingerichtet ist, dass es, bezogen auf die beiden rechtwinklig aufeinanderstehenden Richtungen Momente ausübt, und zwar auf diesen Rand, die die Winkel-Verschiebungen dieses- Läuferteils aufzuheben geeignet sind, und ein drittes Lager, das so eingerichtet ist, dass es auf diesen Rand eine axiale Kraft ausübt, die geeignet ist, die Axialverschiebungen dieses Läuferteils aufzuheben.

Im Rahmen dieser Beschreibung bezeichnet der Ausdruck

"umlaufende Maschine" jede Maschine, die einen feststehen-. den Teil oder Ständer umfasst und eine umlaufende Einheit

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oder Läufer, unabhängig davon, ob es sich, um eine elektrodynamische Antriebsmaschine und/oder einen elektrodearischen Generator handelt, oder auch lediglich um eine einfache mechanische Konstruktion wie etwa eine Drehtrommel, eine Zentrifuge oder dergl.

magnetische Wie bereits oben erwähnt, ist die erfindungsgemässe Schwebefähigkeits-Vorrichtung ganz allgemein für sämtliche, bekannte Arten umlaufender Maschinen geeignet, wenn sie vorteilhaft so ausgelegt ist,'dass sie sich speziell für den Einbau in eine Maschine zur Speicherung von Trägheitsenergie, wie oben definiert, eignet, jedoch ist sie keineswegs auf diesen besonderen Maschinentyp beschränkt. Der Einfachheit halber soll jedoch bei der nachstehenden Beschreibung speziell auf eine Maschine dieses besonderen Typs Bezug genommen werden.

Die beigefügte Zeichnung zeigt schematisch und als Beispiele mehrere Ausführungsformen sowie Varianten der den Gegenstand dieser Erfindung bildenden umlaufenden Maschine.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die das der erfindungsgemässen Maschine zugrundeliegende Prinzip verdeutlicht.

Fig. 2 ist eine Vertikalschnittansicht in einer durch den Durchmesser gehenden Ebene einer ersten Ausführungsform dieser Maschine.

Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Linie III-III von Fig. Fig. 4- ist ein Schnitt längs der Linie IV-IV von Fig. 2.

Fig. 5 ist eine vergrössert gezeichnete Teilschnittansicht, die ein Detail von Fiß. 2 zeigt.

Fig. 6 ist eine Schnittansicht längs der Linie TI-VI von Fig. 5-

Fig. 7 ist ein Blockschaltbild einer Schaltung zum Steuern der Lage des Läufers der erfindungsgemässen Maschine.

Fig. 8 ist eine Schnittansicht längs der Linie VIII-VHI von Fig. 2.

Fig. 9 ist eine Schnittansicht längs der Linie IX-IX von Fig. 2.

Fig. IO ist ein Blockschalfbild einer die Maschine von Fig. enthaltenden Anlage.

Fig. 11 ist ein Teil-Blockschaltbild,das eine Variante eines Teils der Schaltung gemäss Fig. 7 zeigt.

Fig. 12 ist eine Vertikalschnittansicht in einer durch den Durchmesser gehenden Ebene einer zweiten Ausführungsforro.

Fig. 15 ist eine Fig. 12 entsprechende Schnittansicht, die eine Variante zeigt.

Fig. 14a und Fig. 14b sind zwei Darstellungen eines Schaltbildes für den Antrieb eines Fahrzeugs unter Verwendung der erfindungsgemässen Maschine während der Energiespeicherungs- bzw. Energieabgabephase.

Bekanntlich hat ein in Bewegung befindlicher, fester Körper sechs Freiheitsgrade,und eine beliebige Verschiebung dieses Körpers, bezogen auf einen durch seinen Schwerpunkt gehenden Bezugstrieder,lässt sich in sechs Elementarverschie- · bungen zerlegen; nämlich drei Translations-Elementarverschiebungen längs der drei Achsen dieses Bezugstrieders und

drei Dreh-Elementarverschiebungen um diese drei Achsen.

Um die Unbeweglichekeit einer umlaufenden Masse im Saum ausser einer Drehung um eine vorgegebene Achse sicherzustellen, muss man also fünf dieser sechs Freiheitsgrade unter Kontrolle haben.

Das im Rahmen dieser Erfindung zur Anwendung kommende Prinzip zur magnetischen Zentrierung des magnetisch aufgehängten Läufers einer umlaufenden Maschine in seinem Ständer ist in der Fig. 1 dargestellt, wo man einen Läufer R (gestrichelt gezeichnet) sieht, dessen Drehachse mit der Achse Oz eines feststehenden Bezugstrieders Oxyz identisch ist und der, abgesehen von seiner Drehung um die Achse Oz, gezwungen wird, bezogen auf diesen Bezugstrieder, fixiert zu bleiben. Dieses Prinzip besteht darin, dass man die Translations- und Rotations-Elementarverschiebungen oder -abweichungen des Läufers R, bezogen auf seine Gleichgewichtslage, feststellt und misst ( die sowohl durch systeminterne als auch systemfremde Störungen hervorgerufen werden können) (nämlich die Transversalabweichungen ά x und £y, die Axialverschiebung Az und die Winkelverschiebungen -Δθ₀ und AQqJ) sowie die Geschwindigkeiten dieser Elementarverschiebungen (nämlich die Transversalgeschwindigkeiten x¹ und y¹, die Axialgeschwindigkeit z¹ und die Winkelgeschwindigkeiten O¹Q_x und O'oy)» ^un<i äass man in Abhängig-

keit der Grosse dieser Abweichungen und ihrer Geschwindigkeit die Erregungsströme von in adäquater V/eise um den Läufer R herum verteilten Elektromagneten so verändert, dass die letzteren Rückstellkr'äfte oder -momenta und/oder

Dämpfungskräfte oder -momente auf den Läufer R ausüben können, die ihn stabil in seine Gleichgewiclitslage zurückzubringen vermögen.

Dass man"dabei ausser den Abweichungen selbst auch die Geschwindigkeiten dieser Abweichungen in Rechnung stellen muss, um den Erregungsstrom der Elektromagneten zu modulieren, ist unbedingt erforderlich, um dank der so erhaltenen Dämpfung eine schnelle Rückkehr des Läufers in seine Gleichgewichtslage sicherzustellen und um längere Schwingungen um diese Gleichgewichtslage zu verhindern.

Die in Pig. 2 bis Fig. 9 dargestellte Maschine zum Speichern von Trägheitsenergie (die im folgenden in ihrer Gesamtheit durch den Buchstaben M bezeichnet werden soll) umfasst einen Ständer 1 in Zylindergehäuse-Form mit einer praktisch senkrechten Symmetrieachse Oz, in dem mit Hilfe einer Anordnung von noch zu beschreibenden Magnetlagern ein Läufer 2 gelagert ist, dessen Drehachse mit der Achse Oz des Ständers übereinstimmt. Um die Erklärung zu erleichtern, wird der Achse Oz im folgenden ein mit dem Ständer 1 verbundener Bezugs-Trieder Oxyz zugeordnet (und damit sind Fig. 2 ein Schnitt längs der Durchmesserebene xOz und Fig. und Fig. 4 Schnitte längs der Querebene xOy parallelen Ebenen) . Der Läufer 2 wird durch ein scheibenförmiges Schwungrad 3 dargestellt, beim dem mindestens der Umfangsteil 4 aus einem magnetisierbar^. Werkstoff hergestellt ist und

wobei dieser Umfangsteil 4 aus zwei Teilen besteht, nämlich ' einem oberen, zylindrischen Teil 4a und einem unteren, kegel-

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stumpfförmigen Teil 4b (mit auf der Zeichnung nach unten, d.h. in Richtung auf den negativen Teil der Achse Oz, gerichteter Verjüngung). In einem formschlüssig mit der unteren planen Fläche des Rades 3 verbundenen Metallelement 5 befindet sich ein erster Dauermagnet in Ringform 6, der in der Drehachse des Rades zentriert ist und parallel zu dieser Achse auch magnetisiert ist. Ausserdem befindet sich am Boden 7 ein zweiter, mit dem ersten Magneten 6 identischer, ringförmiger Dauermagnet 8, der so in der Achse Oz des Ständers zentriert ist, dasl^rdem Magneten 6 gegenübersteht,und der parallel zu dieser Achse Oz (und danit auch. parallel zu der des Magneten 6) magnetisiert ist. Die Ifermetisierungsrichtung der Magneten 6 und 8,ist derart, dass ihre einander gegenüberstehenden Flächen gleichpolig sind, so dass die Magneten 6 und 8 abstossend arbeiten, wobei der Wert ihrer Magnetisierung im übrigen so gewählt ist, dass die abstossende Kraft, die sie erzeugen, grosser ist als das Gesamtgewicht des Läufers 2, damit dieser Läufer im Raum in einigen Millimetern Abstand vom Boden 7 des Ständers "schwimmt". Die Dauermagneten 6 und 8 stellen zusammen ein passives "wellenendemontiertes¹¹ Magnetlager dar, das die Schwebefähigkeit dieses Läufers über dem Boden des Ständers sicherstellt.

Der Seitenteil des Ständers 1 besteht aus einem ringförmigen Block 9i dessen innere Seitenwand 10 eine mit der des Rades 3 gepaarte Form hat, indem sie einen oberen Teil 10a .mit zylindrischer Form und einen unteren Teil 1Oh mit der

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Form eines Kegelstumpfs umfasst. In dieser inneren Seitenwand 10 sind in vier verschiedenen Höhen vier Ringnuten angebracht, nämlich die Nuten 11a und 12a im oberen Teil 10a und die Nuten 11b und 12b im unteren Teil 10b. Wie dies die Eig. 2 zeigt, sind diese Nuten so angeordnet, dass sie fünf ringförmige, aufeinanderfolgende Schenkel abgrenzen, die von einem gemeinsamen Teil des Blocks 9 ausgehen, so dass der Block 9 im Querschnitt die Form eines doppelten E hat, bei dem der untere Schenkel des oberen Ξ gleichzeitig der obere Schenkel des unteren E ist.

Im ringförmigen'Mittelschenkel des oberen E sind ausserdem noch vier Quernuten 14 (I¹Ig. 3) ira gleichen Winkelabstand von_einander und in einem Winkel von 45 zu den Achsen Ox und Oy angebracht. Diese Quernuten 14 unterteilen den Mittelschenkel 13a in vier Teilschenkel, nämlich die Teilschenkel 13a-l und 13a-3 in der Achse Ox und die Teilschenkel 13a-2 und 13a-4 in der Achse Oy (im weiteren Verlauf der Beschreibung werden sämtlichen in der Achse Ox angeordneten Elementen die Indizes 1 bzw. 3 zugeordnet, je nachdem, ob sie sich auf dem positiven oder auf dem negativen Teil dieser Achse befinden) und in gleicher Weise werden auch sämtlichen in der Achse Oy angeordneten Elementen die Indizes 2 bzw. 4 zugeordnet, je nachdem,ob sich diese Elemente auf dem positiven oder auf dem negativen Teil dieser Achse befinden. Auf ^jeden dieser Teilschenkel

sind Spulen 15 aufgewickelt, die im Zusammenwirken mit dem • senkrechten Inker, auf dem sie sitzen, eine erste Gruppe

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von Elektromagneten bilden, die auf den Läufer 2 in praktisch horizontaler Richtung wirkende radiale Anziehungskräfte auszuüben vermögen, wobei diese Gruppe umfasst: -

- ein erstes Paar von Elektromagneten 16-1 und 16-3, <iie in Richtung der Achse Ox (jeweils in der positiven und der negativen Richtung dieser Achse) wirkende Anziehungskräfte auszuüben vermögen,

- und ein zweites Paar von Elektromagneten 16-2 und 16-4-,. die in Richtung der Achse Oy wirkende (jeweils in derpositiven und in der negativen Richtung dieser Ach.se) Anziehungskräfte auszuüben vermögen.

Ita oberen, zylindrischen Teil 4a der Seitenwand 4 des Hadec 3 sind ebenfalls zwei Ringnuten 17 und 18 angebracht, die sich auf gleicher Höhe mit den Nuten 11a und 12a im oberen Teil des Blocks 9 befinden. Diese Nuten 17 und 18 grenzen also auf dem Rad 3 ringförmige Vorsprünge ab, die den freien Enden der Schenkel des oberen Teil-Ε des Ankers der Elektromagneten-Gruppe 16 gegenüberstehen. Der Zweck einer derartigen Anordnung ist der, es diesen Elektrodeg-

2& neten 16 zu ermöglichen, auf den Läufer 2 ausser den oben erwähnten, radialen Kräften auch' noch Rückholaomente auszuüben (nach der Gesetzmässigkeit maximalen Magnetflusses besteht das Bestreben, die feststehenden und beweglichen vorspringenden Teile einander gegenüberzustellen).

Ausserdem sind im ringförmigen Mittelschenkel 13b des unteren E des ringförmigen Blocks 9 acht Quernuten 19 (Fig. angebracht» die winkelmässig so angeordnet sind, dass sie

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den ringförmigen Schenkel 13b in zwei Gruppen von ^e vier Teilschenkeln unterteilen, nämlich eine erste Gruppe mit den i'eilschenkein 13b-l und 13b-3 (Achse Ox) und den Teilschenkeln 13b-2 und 13b-4 (Achse Oy) und eine zweite Gruppe mit den Teilschenkeln 13b-12 und IJb-34- auf der inneren, Halbierenden des rechten Winkels xOy und den Teilschenkeln 13b-23 und 13b-4-l auf der äusseren Halbierenden des Winkels xOy. Auf die erste bzw. zweite Gruppe von Teilschenkein sind die Wicklungen 20 bzw, 21 aufgebracht. Diese Wicklungen bilden zusammen mit den konischen Ankern, auf denen sie angebracht sind, zwei weitere Gruppen 22 und 23 von Elektromagneten, die auf den Läufer 2 Anzxehungskräfte auszuüben vermögen, die mindestens eine senkrecht nach unten gerichtete und damit zur Achse Oz des Ständers 1 parallele Komponente haben, nämlich

- eine zweite Gruppe 22 aus einem ersten Paar von Elektromagneten 22-1 und¹22-3» die senkrechte Kräfte in der Ebene xOz auszuüben vermögen und einem zweiten Paar von Elektromagneten 22-2 und 22-4-, die senkrechte Kräfte in der Ebene yOz auszuüben vermögen,·

- und eine dritte Gruppe 23» bestehend aus einem ersten Paar von Elektromagneten 23-12 und 23-34-» die senkrechte Kräfte in der inneren Halbierungsebene des Flächenwinkels (xOz, yOz) auszuüben vermögen und einem zweiten Paar von Elektromagneten 23-23 und 23-4-1» die senkrechte Kräfte in der äusseren Halbierungsebene des Plächenwinkels (xOz, yOz) auszuüben vermögen.

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Der Mittelteil des Bodens 7 des Ständers 1 umfasst (i-'ig. und Fig. 5) einen kegelstumpfförmigen Block 26, der a^cial nach aussen vorspringt und in dessen planer Innenfläche eine mit der Achse Oz des Ständers konzentrische Ringnut 27 angebracht ist, deren Durchmesser geringer ist als der der; ringförmigen Dauermagneten 8, den dieser Boden 7 trägt. In diese !Tut greift ein formschlüssig mit der. Teil 5 des Läufers 2 verbundener zylindrischer Metallmantel 28 ein, dessen mittlerer Durchmesser gleich dem der Hut 27 ist, der ,jedoch den Boden und die Seitenwände nicht berührt. In dem mit der Ringnut 27 versehenen Block 26 ist eine G-ruppe 25 (Fig. 2, Fig. 5 und Fig. 6) von Fühlern für Lage und Geschwindigkeit angeordnet, die die Elementarverschiebungen (und die Geschwindigkeit, mit der sie erfolgen) des Mantels 28 und damit des Läufers 2, mit dem dieser Mantel formschlüssig verbunden ist, feststellen und messen sollen. Bei diesen Lage- und Geschwindigkeitsfühlern kann es sich um jede beliebige, bekannte Ausführung handeln. So können z.B. die Lagefühler Reluktanzfühler sein, die aus feststehenden Spulen bestehen, deren Reluktanz sich in Abhängigkeit vom Abstand zwischen diesen feststehenden Spulen und dem in der Nähe befindlichen, beweglichen Metallteil ändert, während es sich bei den Geschwindigkeitsfühlern z.B. um Fühler handeln kann, die nach dem Prinzip der "Induktion durch Magnetflussänderung" arbeiten und aus feststehenden Spulen bestehen,^fin denen formschlüssig mit dem beweglichen .!Teil verbundene Dauermagneten Spannungen induzieren, die

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der Verschiebungsgeschwindigkeit dieses beweglichen Teils propotional sind (es sind dies die Lage- und Gecchirindigkeitsfühler, die auf der Zeichnung dargestellt sind).

Diese Gruppe 25. von Lage- und Geschwindigkeitsfühlern schliesst ein -

- eine erste Gruppe 50 von Fühlern für die horizontalen Bewegungen des Läufers in den Richtungen Ox und Cy, bestehend aus einem ersten Paar von Spulen 50-1 und 30-3 und einem zweiten Paar von Spulen 30-2 und 30-^zt-, die an unteren Teil der inneren Seitenwand 27a der Ringnut 27 jeweils in den Richtungen Ox und Oy angeordnet sind. Die Induktanz jeder dieser Spulen 50 ist eine Funktion des Zwischenraumes, der sie von dem beweglichen Hantel ?.8 trennt. Verschiebt sich z.B. der Mantel in der Richtung Ox, so nimmt die Induktanz der einen der Spulen 30-1 oder 30-5 zu, während die Induktanz der anderen geringer wird. Legt man diese Spulen 30-1 bis 30-4- in eine herkömmliche Induktanz-Messbrücke, so kann man am Ausgang dieser Brüclce Signale abnehmen, die der VerschiebungΔx bzw. Ay proportional sind,

- eine zweite Gruppe 31 von Fühlern für die Geschwindigkeit dieser horizontalen Verschiebungen entlang Ox uni Cy, bestehend aus einem ersten Paar von Spulen 51-1 un<3 51-3 und einem zweiten Paar von Spulen 51-2 und 51-^₅ ä-ie ouf der oberen planen Fläche 29a (Fig. 6) des zylindrischen Mittelblocks 29 angeordnet sind, der durch die Ringnut 27 begrenzt wird, und zwar jeweils in der Richtung Ox bzvj.

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In der Sichtung Oy. Ein konzentri sch mit der Achse ies Läufers 2 angeordneter, ringförmiger Dauermagnet 35 ist auf dem formschlüssig mit dem Läufer verbundenen Eler.ent 5 so angeordnet, dass seine senkrechten Kacnetfeldiinien nur teilweise ins Innere der Spulen 31-3 bis 31-4 eindringen. Dadurch wirkt sich jede Ilorizontalverschiebung des Läufers 2 dahingehend aus, dass in den Spulen 31-1 bis 31-4- Spannungen induziert werden, die den Geschwindigkeiten x¹ und y¹ dieser Horizontalvers chiebunQ-en proportional sind,

- eine dritte Gruppe~>32 von Fühlern für die senkrechten Verschiebungen des Läufers 2 in der Ebene xOz bzw. der Ebene yOz, bestehend aus einem ersten Paar Spulen 32-1 und 32-$^; und einem zweiten Paar Spulen 32-2 und 32-4-, die in den

Ip Sichtungen Ox und Oy am Boden 27b der Eingnut 27 angeordnet sind. Diese Spulen 32-1, 32-3, 32-2 und 32-4 geben Signale ab, die der senkrechten Verschiebung A ζ-,, Δ Zpi Äz., ^²Tl ^er entsprechenden Teile 28-1, 28-3» 28-2 und 28-4 des Mantels 28, die sich lotrecht zu diesen Spulen befinden, proportional sind. Die Verarbeitung dieser Signale ermöglicht es, Informationen über die Winkel- und Axialverschiebungen des Läufers 2 zu erhalten. So liefert die Differenz zwischen den durch die Spulen 32-1 und 32-5 (bzw. 32-2 und 32-4) erzeugten Signalen eine Information, die die Winkelverschiebung Δ Qq des Läufers 2, bezogen suf die Achse Oy, darstellt (bzw. die Winkelverschiebung Δ Qq des Läufers, bezogen auf Ox), und zwar unabhängig

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von der Axialverschiebung Az des gesaraten Lauf er s, und ebenso ergibt die Summe dieser Signale eine Information, die die axiale Verschiebung Δ ζ des Läufers in seiner Gesamtheit darstellt, und.zwar unabhängig von den Winkelverschiebungen Δ ©₀ oder Αθ~ ,

- eine vierte Gruppe 33 von Fühlern für die Geschwindigkeit dieser Vertikalverschiebungen, bestehend cup, einen ersten Paar Spulen 33-1 und 33-3 und einem zweiten Paar Spulen 33~2 und 33-4» die am oberen Teil der inneren Seitenwand 27a der Hut 27 in den jeweiligen Richtungen Ox und Oy angeordnet sind. An der Innenwand des Mantels 28 ist ein ringförmiger Dauermagnet 39 angebracht und, bezogen auf die Spulen 33»so angeordnet, dass seine senkrechten Feldlinien nur teilweise in das Innere dieser Spulen eindringen. Auf diese Weise induziert jede senkrechte Verschiebung des Läufers 2 in diesen Spulen 33-1? 33-3» 33-2 und 33-4- Signale, die den senkrechten Geschwindigkeiten z¹,, ζ'-, ζ¹ρ und ζ ¹^ der entsprechenden Läuferteile proportional sind. Die Verarbeitung dieser Signale gestattet es, Informationen -über die Winkel- und Axialgeschwindigkeiten des Läufers 2 zu erhalten. So ergibt die Differenz zwischen den von den Spulen 33-1 und 33-3 (bzw. 33-2 und 33-4) erzeugten Signal'en eine Information, die die Winkelgeschwindigkeit 0'q des Läufers 2, bezogen auf Oy, darstellt (bzw. die Winkelgeschwindigkeit 9Ox ^^es Käufers, bezogen auf Ox), während die Summe dieser Signale eine Information liefert, die die Ax ialgeschwindigkeit z' des gesamten Lau-

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Die verschiedenen, von der Gesamtheit der Fühler 25 erzeugten Signale werden in eine Steuerschaltung eingespeist, die den Läufer 2 durch Modulieren der Erregung der verschiedenen Elektromagnete in Abhängigkeit von diesen Signalen in seiner Gleichgewichtslage halten soll.

Diese Steuerschaltung kann in zwei gleiche Teilschaltungen unterteilt werden, nämlich eine erste Teilsteuerschaltung für die Elektromagneten und Fühler, die in der Ebene xGz angeordnet sind, sowie für das eine Paar der Gruppe -23 von Elektromagneten (z.B. das Paar 23-12 und 23-34-) und die damit verbundenen Fühler und eine zweite Teilsteuerschaltung für die Elektromagneten und Fühler, die in der Ebene yOz angeordnet sind, sowie für das andere Paar der dritten Elektromagneten-Gruppe 23 (z.B. das Paar 23-23 und 23-4-1) und die damit verbundenen Fühler.

Die erste Teilsteuerschaltung ist in Fig. 7 dargestellt (wobei die nicht in der Ebene xOz angeordneten Elektromag;-nete 23-12 und 23-34- in dieser Figur gestrichelt dargestellt sind). Diese erste Teilsteuerschaltung umfasst jeweils ein erstes Messorgan 40, dessen Eingänge jeweils mit den Fühlern 30-1 und 30-3 verbunden sind und dessen Ausgang mit einer ersten Logikschaltung 46 verbunden ist, ein zweites Messorgan 4-1, dessen Eingänge jeweils mit den Fühlern Jl-I und 31-3 verbunden sind und dessen Ausgang ebenfalls mit der ersten Logikschaltung 4-6 verbunden ist, ein drittes Messorgan 4-2, dessen Eingänge Jeweils mit den Fühlern 32-1 und 32-3 verbunden sind und dessen Ausgang

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mit einer dritten Logikschaltung 53 verbunden ist. Öle erste Logikschaltung 46 ist mit ihren beiden Ausgängen jeweils mit den Elektromagneten 16-1 und 16-3 verbunden, während die zweite Logikschaltung 52 mit ihren beiden Ausgangen jeweils an die Elektromagneten 22-1 und 22-3 angeschlossen ist und die dritte Logikschaltung 53 mit ihrem einzigen Ausgang mit den Elektromagneten 23-12 und 23-24 verbunden ist.

Die Funktion des Messorgans 40 besteht darin, ein Signal zu erzeugen, das der Horizontalverschiebung Δ χ des Läufers proportional ist, während die Funktion des Messorgans 41 darin besteht, ein Signal zu erzeugen, das der Geschwindigkeit x¹ dieser Hörizontalverschiebung proportional ist.

Das Messorgan 42 hat die Punktion, ein Signal zu erzeugen, das der Winkelverschiebung ά Qq des Läufers, bezogen auf die Achse Oy,proportional ist. Dazu umfasst dieses Organ 42 ein erstes Teil-Messorgan 42-1, das ein Signal liefert, las der senkrechten Verschiebung Δ ζ, proportional ist und ein zweites Teil-Messorgan 42-3t das ein Signal liefert, das der senkrechten Verschiebung Δ ζ-, proportional ist, wobei diese beiden Teilorgane 42-1 und 42-3 jeweils mit einem von zwei Eingängen eines Subtraktionswerks 44 so verbunden sind. dass man am Ausgang des Subtraktionswerks 44 ein Δ Oq proportionales Signal erhält.

Das Messorgan 43 hat die Funktion, ein Signal zu erzeugen, das der Geschwindigkeit der Axialverschiebung z' des gesamten Läufers 2 proportional ist. Dazu umfasst dieses

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Organ 4-3 ein. erstes Teil-Messorgan 4-3-1, das ein der Vertikalgeschwindigkeit z¹, proportionales Signal liefert und ein zweites Teil-Messorgan 4J-J, das ein der Vertikalgeschwindigkeit' ζ ¹^ proportionales Signal liefert, wobei man diese beiden Teil-Organe 4-3-1 und 4-3-3 an jeweils einen von zwei Eingängen eines Addierwerkes 45 angeschlossen hat.

Die erste Logikschaltung'46 hat die Funktion, den Erregungsstrora der Elektromagneten 16-1 und 16-3 als Funktion der Signale x¹ und Δ χ so zu verändern, dass diese Elektromag-* neten auf den Läufer Anziehungskräfte ausüben, die geeignet sind, die Abweichung Δ χ aufzuheben. Da die Logikschaltung ausser der Abweichung Δ χ selbst deren Geschwindigkeit x¹ ebenfalls berücksichtigt, üben diese Anziehungskräfte auf die Querbewegung des Rotors ausser der eigentlichen ßückholwirkung auch noch eine Dämpfungswirkung aus.

Die zweite Logikschaltung 52 hat die Aufgabe, den Erregungsstrom der Elektromagneten 22-1 und 22-3 in Abhängigkeit vom Signal Δ ö_Q so zu modulieren, dass diese Elektromagneten auf den Läufer asymmetrische Vertikalkräfte ausüben, deren Resultierende ein Moment ist, das geeignet ist, die Abweichung Δ¹ G_Q aufzuheben.

Die dritte Logikschaltung 53 hat die Aufgabe, den Erregungcstrota der Elektromagneten 23-12 und 23-24 (sowie den des anderes Paares 23-23 und 23-4-1) in Abhängigkeit vom Signal z¹ so zu modulieren, dass diese Elektromagneten auf den "Läufer gleichgrosse Vertikalkräfte ausüben, deren Resultierende eine z¹ proportionale Axialkraft ist, die geeignet

ist, die axialen Bewegungen des Läufers zu dämpfen.

Die zweite Teilsteuerschaltung für die Elektromagneten und Fühler, die in der Ebene yOz angeordnet sind, sowie für das zweite Paar der dritten Elektromagnetengruppe 23 (nämlieh das Paar 23-23 und 23-4-1) ist in jeder Hinsicht ebenso wie die vorstehend beschriebene, erste Teilsteuerschaltung aufgebaut, so dass nicht erforderlich ist, sie eingehend zu beschreiben und auf einer neuen Figur darzustellen. Um diese zweite Teilschaltung zu erhalten, braucht man in der vorstehenden Beschreibung und in Fig. 7 nur die Indizes "1" und ^M3" der Bezugsz'eichen für die Elektromagneten und Fühler durch die Indizes "2" und "4" zu ersetzen (oder die Indizes "12" und "34" durch die Indizes "23" und "41") und bei den Bezugszeichen für die Messorgane 40 und 43 und die Logikschaltungen 46, 52 und 53 einen Index "κ") hinzuzufügen.

Beim vorstehend beschriebenen Magnetlagersystem können sämtliche am ringförmigen Block 9 angebrachten Elektromagneten im Abwesenheit einer Abweichung des Läufers von seiner Gleichgewichtslage entweder nicht erregt werden oder bereits einer konstanten Vorerregung unterworfen sein.

Das scheibenförmige Schwungrad 3» das den Läufer der oben beschriebenen Maschine M darstellt - und von dem gesagt wurde, dass mindestens sein Umfangteil 4 aus einem magnetisierbaren Werkstoff bestehen muss - kann aus jedem beliebigen Material gefertigt sein, das über mechanische Eigenschaften •verfügt, die ausreichen, um die starken Beanspruchungen ' auszuhalten, die sich aus den auftretenden Zentrifugalkräf-

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ten ergeben. Ein besonders vorteilhaftes Material für tee Schwungrad 3 ist z.B. ein verstärktes Verbundmaterial in der Art des in der Schweizerischen Patentanmeldung 3091/76 beschriebenen Materials.

UtD die Speicherung von Trägheitsenergie in: Sad J ouf elektrischem Wege und die spätere Sückgewinnung diener Energie in Form einer Ausgangs-Wechselspannung mit veränderlicher Frequenz sicherzustellen, umfasst der obere Teil der ober, beschriebenen Maschine M eine elektrodynamische "Flnch"-Einheit 551 die sowohl in der Betriebsart "Motor" eis auch in der Betriebsart "Generator"zu arbeiten vermag und konzentrisch auf der Achse dieser Maschine sitzt. Diese elektrodynamische Einheit 55 besteht im wesentlichen aac einem Ständerteil 56 in einer zylindrischen Aussparung 57, die in der oberen, planen Fläche des Ständers 1 angebracht ist, und aus einem Läuferteil 58, der in einer zylindrischen Aussparung; 59 untergebracht ist, die in der oberen planen Fische des Rades 3 angebracht ist. Der Ständerteil 56 besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Kranz 60 (Fig. 8), der aus einem Paket koaxialer, kreisrunder Bleche 6A- besteht, die sich in Kontakt miteinander befinden und aus einem magnetisierbaren Material bestehen (wobei dieser Kranz als Variante auch aus einem einzigen spiralförmig aufgerollten Blech bestehen kann). In der unteren horizontalen Fläche dieses Kranzes- 60 sind radiale Nuten 65 angebracht, in denen mehrere leitende Drähte 66 (von denen auf der Zeichnung . nur ein Teil dargestellt ist) untergebracht sind.

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Diese Leiterdrähte 66 sind in bekannter Weise so miteinander verbunden, dass sie Mehrphasenwicklungen 61 bilden, die nach Anschliessen an eine geeignete Mehrphacen-Spannungsquelle ein umlaufendes Magnetfeld zu erzeugen vermögen, das einen mit der Achse des Ständers 1 konzentrischen Kreis beschreibt und dessen Richtung parallel zu dieser Achse "bleibt (und damit parallel zur Ebene der Bleche 64-, aus denen der zylindrische Kranz zusammengesetzt ist), d.h. ein axiales und kreisrundes Drehfeld. Man kann sich die beschriebene Anordnung darstellen, indem man sich einen Ständer eines herkömmlichen Synchronmotors vorstellt, bei dem Ständer und Läufer einen Kegel bilden, dessen Achse die Drehachse der Maschine ist und dessen Spitzenwinkel gleich 2π ist, oder auch, indem man sich einen Linear-Synchronmotor vorstellt, den man in der Ebene so verformt, dass sich die beiden Enden des Motors vereinigen, um einen Kreis zu bilden.

Der Läuferteil 58 der elektrodynamischen Einheit 55 besteht (Fig. 9) aus mehreren Dauermagneten 62 in itorm von Kreissegtaenten, die in Richtung ihrer Dicke magnetisiert sind. Diese Magneten 62, deren Anzahl so gewählt wird, dass ganze Polpaare entstehen, sind in kreisförmiger Anordnung so in der zylindrischen Vertiefung 59 angeordnet, dass abwechselnd ihr Nord- und ihr Südpol den Mehrphasen-Ständerwicklungen 61 zugekehrt ist (diese Magneten 62 sind also

so angeordnet, dass ihre Magnetisierung axial, d.h. parallel • zum Drehfeld, das die Wicklungen 61 zu erzeugen vermögen,

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gerichtet ist). Die Anzahl der Magnetenpaare, aus denen der Läuferteil 58 besteht, kann beliebig sein, wobei auf der Zeichnung als Beispiel drei Paare Magnete 62 dargestellt worden sind. Es könnte aber als Variante genausogut ein einziges Paar Magnete sein, mit z.B. Halbkreisform. Im übrigen können die Magnete 62 aus jedem geeigneten ferromagnetischen Werkstoff gefertigt werden, wie z.B. "Ticonal II 1500" oder "Sm Co₅ ¹¹.

Schliesslich wird der in Gehäuseform ausgeführte Ständer 1 gasdicht gestaltet, um ein Inertgas unter vermindertem Druck aufnehmen zu können, das gute thermische und dynamische Eigenschaften hat, wie etwa Wasserstoff oder Helium.

Das Blockschaltbild von Fig, 10 stellt eine Anlage zur Durchführung der oben erwähnten Energieaustauschvorgänge dar. Die hier dargestellte Anlage besteht aus der Maschine M zur Speicherung von Trägheitsenergie, die mit ihrer elektrodynamischen Generator- oder Motoreinheit 55 und ihrer Gruppe von Ilagnetlagern (die in ihrer Gesamtheit in folgenden mit dem Bezugsseichen B bezeichnet werden) ausgerüstet ist, und aus einem ruhenden Umformer 67, dessen Aufgabe en ist, die elektrische Energie umzuformen (in Spannung und frequenz), die zwischen der elektrodynamischen Einheit 55 und einem Energienetz 68 oder einem Verbraucherkreis 69 ausgetauscht wird. Bei diesem ruhenden Umformer kann es sich z.B. um einen selbstgesteuerten, ruhenden Umformer mit Gleich.-

z'ichter/Wechselrichter oder auch um einen Frequenzumformer ' handeln.

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Die Arbeitsweise einer derartigen Anlage ist die folgende:

Wenn Energie in der Maschine M gespeichert werden soll (auf der Zeichnung dargestellte Betriebsart), so legt; taan das Energienetz 68 (konstante Wechselspannung mit der Hetzfrequenz 50 oder 60 Hz) an den Umformer 67, der die konstante Wechselspannung mit Netzfrequenz dieses Netzes in eine veränderliche Spannung mit veränderlicher, höherer Frequenz umwandelt, die in die Mehrphasen-WicklunGen 61 der elektrodynamischen Einheit 55 (die dann als Kotor erbeitet) eingespeist werden kann, so dass diese Wicklungen Cl ein axiales und kreisrundes Drehfeld erzeugen, das das Sad 3 der Maschine M durch die magnetische Kopplung antreibt, die sich zwischen diesem Feld und den Dauermagneten 62 des Läuferteils 58 ausbildet, so dass das Rad 3, indem es progressiv an Geschwindigkeit gewinnt, Energie in mechanischer Form speichert.-Will man dann die so gespeicherte Energie wieder in den Verbraucherkreis 69 einspeisen, so schaltet man das Netz 68 ab und verbindet den Umformer 67 mit dem Verbraucherkreis 69· Der mit hoher Drehzahl angetriebene Läuferteil 58 induziert dann in den Mehrphasenwicklungen 61 eine Wechselspannung mit veränderlichee Frequenz (wobei die elektrodynamische Einheit 55 als Generator arbeitet),und der in umgekehrtem Sinne arbeitende Umformer 67 wandelt diese veränderliche Spannung in eine konstante Wechselspannung mit 50 oder 60 Hz um, die dann an den Verbraucherkreis 69 gelegt wird.

Sowohl während der Phase der Energiespeicherung als auch

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während der Phase der Energierückgewinnung werden die Aufhängung und die Zentrierung des Läufers 2 der Maschine, bezogen auf den Ständer 1, stets durch des vorstehend beschriebene Magnetlagersystera B gewährleistet.

^ Dabei wird jede Querverschiebung des LHufers 2 (d.h. jede Verschiebung in der Ebene xOy) durch zwei identische Systeme überwacht, von denen das eine entlang Ox und das zweite entlang Oy wirkt. Das erste System entlang Ox umfasst die Lagefühler JO-I und 30-5 ₅ die Geschwindigkeitsfühler 31-1 und 31-3i die Messorgane 40 und 41, die Logikschaltung 46 und das Paar Elektromagneten 16-1 und 16-3, während das zweite System entlang Oy die Lagefühler 30-2 und 30-4, die G-eschwindigkeitsfühler 31-2 und 31-4, die Iiessorr;ane 40 und 41 , die Logikschaltung 46 und das Paar Elektrons^~ nelen 16-2 und 16-4 umfasst.

Ebenso wird jede Vinkelverschiebung de? Läufers 2, besoden auf die Ebene xOy,durch zwei identische Syster.e überwacht, von denen das erste um die Achse Oy herum und das zv?eite utr die Achse Ox herum wirkt, Das erste System um die Achse Oy herum umfasst die Lagefühler 32-1 und 32-31 das Messergan 42, die Logikrxhaltung 52 und das Paar Elektromagneten 22-1 und 22-5, während das zweite System um die Achse Ox hsrir. die Lagefühler 32-2 und 32-4-, das Ilessorgan 42* , die Lo^i':- schsltung 52^ und das Paar Elektromagneten 22-2 uik": 22-A-

2> umfasst. Zu den durch diese beiden Paare Elektronagneten

22-1 und 22-3, 22-2 und 22-4 erzeugten Eücldiol^o-jienter. l:c ·.-' nen noch zwei andere Arten von Rückholmomenten hinzu, die

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Jeweils durch die erste Elektromagnetengruppe 16 bzv;. das passive Magnetlager (das aus den Dauermagneten 6 und besteht) erzeugt werden. Die erste Elektronafcnetenoruppe 16 und der entsprechende Teil 4a des Läufern sind zueinander so angeordnet (wie bereits weiter oben erläutert), dass diese Elektromagnetengruppe 16 zusätzlich zu den bereits erwähnten radialen Kräften SückholmoTnente auf den Läufer ausübt. Ausserdem sind die Dauermagneten 6 und 8 zueinander so angeordnet, dass such diese Dauermagneten zusätzlich zu ihrer Abstossungskraft fiückholmomente auf den Läufer ausüben, wenn sie sich nicht mehr in parallelen Ebenen befinden, wobei dann die Abstossungskraft auf der Seite grosser ist, auf der die Spaltbreite zunimmt und umgekehrt.

Axiale Verschiebungen des Läufers 2 schliesslich werden durch das System überwacht, das die Geschwindigkeitsfühler 33-1 und 33-3, 33-2 und 53-4, die Messorgane 43 und 4-3* , die Logikschaltungen 53 und 53 und die Elektromagneten 23-12 und 23-34- und 23-23 und 23-41 umfasst. Hier kommt zu der durch die Elektromagneten 23 erzeugten Axialkraft noch eine Axialkraft ander-er Art hinzu, die vom passiven Magnetlager erzeugt wird. Die Abstossungskraft zwischen den Dauermagneten 6 und 8, aus denen dieses passive Lager besteht, ist eine Funktion der Dicke des Luftspalts zwischen diesen Magneten, und eine abnehmende axiale Verschiebung des Läufers 2 führt zu einer Erhöhung dieser Abstossungskraft . und umgekehrt.

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Zu diesem oben erwähnten axialen Uberwachungscysteri ist :· noch zu sagen, dass es in der Hauptsache die Sorge uc eine
klsre Beschreibung war, die uns dazu geführt hat, anzunehmen, dass dieses System aus zwei identischen Teilsystemen
(4-5» 4-5 und 53 bzw. 4-3^ 4-5* und 53* ) besteht, ικη vollstän- ' dige Analogie mit den andei'en Überwchungssystetnen für Quer- j

ί und für Winkelverschiebungen zu bewahren. Da ,jedoch die

Arialverschiebung im Gegensatz zur Quer- und zur ./:nl;elve.'-schiebung auf nur eine Richtung beschränkt ist, genügt es, ' den vier Elektromagneten 23 ein und denselben Befehl zu erteilen, um diese Verschiebung zu korrigieren. Damit ist es
in der Praxis möglich, das oben beschriebene Axia!überwachungο- j system dadurch zu vereinfachen, dass man die Verwendung nur
eines einzigen Addierwerkes 4-5 mit vier Eingängen vorsieht, ' an die jeweils die vier Fühler 31-1 bis 31-4· angeschlossen I werden, sowie einer einzigen Logikschaltung 53» clie ein ein- ι

ι ziges, den vier Elektromagneten 23-12 bis 23-4-1 gemeinsames ,

Signal erzeugt. j

Die erfindungsgemässe Maschine zur Speicherung von Trägheits- , energie weist den grossen Vorzug auf, dass sie eine besondere [ kompakte Ganzheit bildet. Diese Eigenschaft der Kourcaktheit i

ist das Ergebnis des besonderen Aufbaus, der es ermöglicht, i

I den den Läufer der Maschine umgebenden Raum optimal auszu- j

I nutzen. Es sei daran erinnert, dass dieser besondere Aufbau , { das Resultat der folgenden Kennzeichen ist: - )

- Verwendung eines Schwungrades in Scheibenform, '

- Benutzung des oberen Teils dieses Rades für den Energie- I

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austausch mit aussen mit Hilfe einer als Motor oder als Generator einsetzbaren, elektrodynamischen Einheit in I¹Iachausführung,

- Benutzung des Unterteils zur Sicherst ellung der Schv/ebefähigkeit des Rades mit Hilfe eines mit Abstor.nung arbeitenden, passiven Magnetlagers,

- Benutzung des Umfängsteils zur Sicherstellung der Zentrierung des Rades mit Hilfe dreier aktiver Magnetlager (die so ausgelegt sind, dass sie Quer- bzw. V/inkel- bzw. Axialverschiebungen dieses Rades aufzuheben vermögen) .

Es sind verschiedene Varianten der vorstehend beschriebenen Aufhängungs- und Zentriervorrichtungen denkbar. Man kann z.ii., was die dritte Elektromagnetengruppe 23 betrifft, diese Gruppe über der zweiten Elektroraagnetengruppe 22 anordnen, indem nan die Teilschenkel 13b-12 und 13b-41 wegfallen lär-nt und die Spulen 21, aus denen diese dritte Gruppe besteht, auf die Teilschenkel 13b-l und 13b-4- wickelt, die bereits die Spulen 20 der zweiten Elektroraagnetengruppe tragen. Man

2C könnte die dritte Elektromagnetengruppe 23 sogar gänslich wegfallen lassen und dann die von den Logikcch·}!turnen 53 und 55* ausgehenden Befehle direkt zu den Elektromagnet;en 22 schicken, und zwar parallel zu den anderen Befehlen, äie

diese letzteren bereits von den Logikschaltungen 52 und erhalten.

Ausserdem könnte man die konischen Elektromagneten 22 und 23, 'die um den konischen Teil.4b des Rades 3 herum angeordnet

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sind, durch ringförmige, horizontale Elektromagnete ersetzen, die unter dem Umfangsteil der unteren planen Fläche des Rades 3 angeordnet werden, so dass diese Elektromagneten parallel zur Achse Oz abnehmende Anziehungskräfte auf das Rad 3 ausüben.

Auch bei der Steuerschaltung für die Elektromagneten sind verschiedene Varianten möglich. So kann z.B. der Teil der Schaltung, der die Elektromagneten 22 steuert (d.h. der aus dem Messorgan 42 und der Logikschaltung 52 bestehende Teil) durch die Teilschaltung nach Fig. 11 ersetzt werden. Diese Teilschaltung besteht aus einem Messorgan 47, dessen Eingänge mit den Vertikalgeschwindigkeits-Fühlern 35-1 ιιπώ 53-3 verbunden sind und dessen Ausgang mit einer Logikschaltung 49 verbunden ist, die ihrerseits über ihre beiden Aus-

I^ gänge mit den Elektromagneten 22-1 und 22-3 verbunden ist. Die Funktion des Hessorgans 47 bestellt darin, ein der Geschwindigkeit θ ¹Q des Läufers proportionales Signal zu erzeugen. Dazu umfasst dieses Organ 47 die beiden Teiiorgane 43-I und 43-3 (oben bereits beschrieben), die den Geschwindigkeiten z¹-, und z^%·, proportionale Signale erzeugen und jeweils mit einem der beiden Eingänge eines Subtraktionswerkes 48 verbunden sind, wobei man am Ausgang des Subtraktionswerkes 48 ein θ'_ο proportionales Signal erhält. Die Aufgabe der Logikschaltung 49 besteht darin, den Erregungsstrom der Elektromagneten 22-1 und 22-3 in Abhängigkeit vom Signal O¹Qy ^{so zu} modulieren, dass auf den Läufer 2 ein Moment ausgeübt wird, das- geeignet ist, die Winkelverschiebung ^Öq_v zu dämpfen.

Τ ~³⁵~

Die zweite, in Fig. 12 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten, in den Figuren 2 bis 9 dargestellten Ausführungsform durch die Tatsache, dass der ringförmige Block 9? der die Elektromagneteneinheit trägt, in deren Innerem sich der scheibenförmige Läufer 2 dreht, hier durch einen Zentralblock 71 ersetzt worden ist, um den sich ein Laufer in Form des zylindrischen Kranzes 72 dreht.

Dieser Zentralblock besteht aus einem zylindrischen, praktisch senkrechten Oberteil 73» aus einem kegelstumpfförmigen, mit Teil 73 koaxialen Mittelteil 74- und aus einem praktisch horizontalen, scheibenförmigen Unterteil 75» der, bezogen auf die Achse der Teile 73 und 74-»radial angeordnet ist. An diesem horizontalen Teil 75 und am entsprechenden Teil des Läufers 72 istr je ein ringförmiger Dauermagnet 76 bzw. 78 befestigt, die sich gegenüberstehen und in Abstossung arbeiten, so dass sie ein passives Magnetlager für den Läufer 72 darstellen. Im zylindrischen Teil 73 sitzt ausserdem eine Elektromagnetengruppe 81, ähnlich der ersten Elelctromagnetengruppe 16 von Fig. 2 und Fig. 3» während im kegelstrurvpfförmigen Teil 74 eine zweite Gruppe 82 und eine dritte Elektromagnet engruppe 83 angeordnet sind, die der zweiten Gruppe 22 und der dritten Gruppe 23 von Elektromagneten der Fig. 2 und 4- ähnlich sind. Der an den Zentralblock 71 angrenzende Teil 72a des Läufers 72 besteht aus einem magneti^sier-

baren Werkstoff. Der Läufer 72 selbst ist in das Innere ei-• nes dichten Gehäuses 85 eingeschlossen, das man evakuiert.

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Auf dem Oberteil dieses Gehäuses 85 befindet sich die elektromagnetische Schnittstelle 55·

Die erfxndungsgeraässe Kaschine zum Speichern von Trägheitsenergie kann sowohl in einer stationären Anlage eingesetzt werden (z.B. als Pufferorgan in Verbindung axt einem Aussen-Energienetz, wobei dann diese Maschine zeitweilig die Hetzenergie wiederherstellt,, wenn dieses Netz ausfällt) als auch in beweglichen Anwendungen (z.B. kann die Maschine an Bord eines Fahrzeugs montiert sein, und als Energiequelle zum Antreiben des Fahrzeugs dienen). Eine derartige Montage an Bord eines Fahrzeugs zeigt die Fig. 13, wo man eine ähnliche Maschine wie die von Fig. 12 über eine sphärische Kupplung 87, die im Schwerpunkt der Maschine in einer axialen Vertiefung des Zentralblocks 71 angebracht ist, am Chassis 86 eines Fahrzeuges befestigt sieht.

Das in Fig. 14a und Fig. 14b dargestellte Schaltbild zeist eine an Bord eines Fahrzeugs montierte Anlage zur Speisung des Traktionsmotors 114 dieses Fahrzeugs. Diese Anlage umfasst im wesentlichen eine Maschine M zur Speicherung von Trägheitsenergie, analog der vorstehend beschriebenen, und einen selbststeuernden ruhenden Umformer 115 mit Gleichrichter und Wechselrichter, der die Energieaustauschvorgänge zwischen der Maschine M und einem Aussen-Energienetz 113 oder dem Traktionsmotor 114 des Fahrzeugs bewerkstelligt.

Der ruhende Umformer 115 umfasst in bekannter ¥eise einen ,Gleichrichter 116, einen Begrenzer 117? eine Selbstinduktionsspule 118 und einen Wechselrichter 119, die hinter-

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einandergeschaltet sind (die Funktion dieser verschiedenen Elemente soll mehr im Detail in nachstehenden Text erläutert werden). Die Speicherungsmaschine M, der Traktionsmctor 114- und das Energienetz 115 sind als Beispiel auf der Zeichnung sämtlich als dreiphasig dargestellt, es dürfte jeaoch klar sein, dass das Prinzip der beschriebenen Anlage auch für sämtliche mehrphasigen Maschinen gültig "bleibt und unabhängig davon, welcher Art das Energienetz ist (Gleichstrom, Wechselstrom, einphasig oder mehrphasig).

Der Traktionsmotor 114 des Fahrzeugs gehört zum Dauermagnetentyp, wobei sein Läufer mit Dreiphasenwicklungen 123 ausgerüstet ist, die mit Dauermagneten 126 zusammenwirken, die an seinem Ständer befestigt sind.

Das Energienetz 113 oder der Traktionsmotor 114· können an den mit der Speicherungsmaschine M verbundenen Umformer 115 gelegt oder auch von diesem getrennt werden und zwar über drei dreiphasige Umschalter 120 121 und 122. Die Klemmen der Ständerwicklungen der Maschine M sind mit den Kitteipunkten 120a eines ersten dreiphasigen Umschalters 120 verbunden, während die anderen Klemmen 120b und 120c dieses Umschalters 120 mit den Klemmen 121b und 122c des zweiten bzw. dritten Umschalters 121 und 122 verbunden sind. Die Klemmen 121c des zweiten Umschalters 121 sind mit den Klemmen der Ständerwicklungen 123 des Traktionsmotors 114- verbunden, während die Klemmen 122b des dritten Umschalters 122 mit dem Netz 113 verbunden werden können. Die Mittel- ■punkte 122a dieses dritten Umschalters. 112 schliesslich

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sind mit den Eingangsklemnien 115a (Seite des Gleichrichters 116) des Umformers 115 verbunden, während die Mittelpunkte 121a des zweiten Umschalters 121 mit den Aunjsnccklemmen 115b (Seite des Wechselrichters 119) dieses Umformers verbunden sind.

Die Maschine M ist ausserdem mit einem Läuferlage-Messfühler 112 ausgerüstet (der z.B. am Messblock 25 dieser Maschine Il befestigt sein kann), währßnd der Traktionsnotor 114 ebenfalls mit einem Läuferlage-Messfühler 127 ausgerüstet ist.

Die Ausgänge der jeweiligen Läuferlsge-Messfühler 112 bzw. 127 sind mit den Klemmen eines einfachen Umschalters 128 verbunden, dessen Mittelpunkt mit dem Eingang einer Gleichlaufeinrichtung 129 verbunden ist. Der Ausgang dieser Gleichlaufeinrichtung, deren Solle später erklärt v/erden soll, ist mit einem Steuereingang des Wechselrichters 119 des Umformers 115 verbunden.

Die Arbeitsweise der oben beschriebenen Anlage ist die folgende : -

Will man mechanische Energie im Schwungrad 3 der Maschine M speichern (Fig· 14a), so verbindez man das Netz 11J mit den Eingangsklemmen 115a des ruhenden Umformers 115, indem man den Umschalter 1122 betätigt,und dann verbindet man den Ausgang 115b dieses Umformers mit den Ständerwicklungen der Maschine M, indem man die Umschalter 121 und betätigt und man den Läuferlage-Messfühler 112 dieser

, Maschine M mit dem Umschalter 128 mit dem Eingang der Gleichlaufeinrichtung 129 zur Steuerung des Wechselrichters 119 des Umformers verbindet·

Der vom Netz 113 gelieferte Strom durchfliesst zunächst den Gleichrichter 116, dann den Begrenzer 117» der in bekannter Weise für die Überwachung des Wertes der Gleichspannung des gl-eichgerichteten Stroms sorgt, und gelangt dann nach Durchfliessen der Selbstinduktion 118 an den Eingang des Wechselrichters 119· Ein Wechselrichter hat bekanntlich die Funktion, unter der Steuerung einer Steuerfrequenz f eine Wirkleistung, die ihm in Gleichstromfora zugeführt wird, in eine Wirkleistung in Form eines mehrphasigen Wechselstroms umzuwandeln.

Diese Umwandlung erfolgt im allgemeinen durch die Umschaltung von im Wechselrichter enthaltenen Thyristoren. Bei der beschriebenen Ausführungsform (Fig. 14) wird die Steuerfrequenz f des Wechselrichters 119 von der Gleichlaufeinrichtung 129 geliefert,und der Wechselrichter 119 empfängt als Input eine Wirkleistung in Gleichstromform, die die Einheit Gleichrichter 116 + Begrenzer 117 + Selbstinduktion 118 liefert, so dass diese Einheit die Solle eines Gleichstromspeiseblocks für den Wechselrichter spielt. Die vom Wechselrichter 119 in die Form eines mehrphasigen Vechsel-. Stroms umgewandelte Wirkleistung wird dann über die Um- !, schalter 121 und 120 an die Klemmen der Ständerwicklungen 61 der Maschine gelegt. Der durch ein periodisches Signal mit der Frequenz f gesteuerte Wechselrichter 119 gewährleistet die Kommutierung des Stroms an den Klemmen der Ständerwicklungen 61, so dass die letzteren ein Drehfeld mit der Frequenz f erzeugen, das durch magnetische Koppe-

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lung das Rad J antreibt. Damit arbeitet die Maschine Ii als Motor,und das Rad speichert im Verlaufe seiner Drehung mechanische Energie.

Das Verhalten dieses Motors M, das sich von dem eines Synchronmotors unterscheidet, obwohl er dessen Aufbau hat, wird durch die Art bestimmt, in der die Steuerfrequenz f erzeugt wird. Im vorliegenden Falle liefert der Motor M die Steuerfrequenz mit Hilfe des Läuferlage-Messfühlers und der Gleichlaufeinrichtung 129 selbst, und die Steuerfrequenz f wird durch die Drehzahl des Motors festgelegt. Der Wechselrichter wird als "selbstgesteuert" bezeichnet und arbeitet dank der Reaktionsenergie des Motors mit natürlicher Stromwendung.

Eingehender beschrieben ist die besondere Arbeitsweise dieser Einheit Motor M - Umformer 115 die folgende: -

Der Wechselrichter wird durch den Motor so gesteuert, dass das von der Ständerwicklung erzeugte Drehfeld dem Läuferfeld stets um einen bestimmten mittleren Winkel voraus ist, und demgemäss ist das auf den Läufer wirkende Moment dem Ständerstrom proportional. Treibt der Motor eine Last mit konstantem Widerstandsmoment an, so stellt sich die Gleichgewichtsdrehzahl folgendennassen ein: Ist das Widerstandsmoment kleiner als das Antriebsmoment, so steigt die Drehzahl, bis die induzierte Spannung gleich der Speisespannung ist, indem ein Ständerstrom fliesst, der dem Motor ein Moment verleiht, das gleich dem Widerstandsmoment ist. Man kann die Gleichgewichtsdrehzahl des Motors variieren, indem man

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die Speisespannung reguliert, d.h. durch Verstellen des Begrenzers 117· Bei gegebenem Widerstandsmoment ist die maximale Gleichgewichtsdrehzahl durch die maximale Speisespannung festgelegt. Man sieht also, dass die Betriebseigenschaften eines derartigen Motors weitgehend denen eines Gleichstrommotors mit konstanter Erregung entsprechen.

Zum Anla^ssen eines derartigen Motors muss man einen Kunstgriff anwenden. Weil nämlich eine Koinmutation nur dank der Eeaktionsenergie des Motors stattfinden kann, d.h. nur dann, wenn die Drehung der Lauermagneten des Läufers eine Gegen-EMK in der Ständerwicklung erzeugt, läuft ein derartiger Motor nicht von selbst an. Erfindungsgemäss wird daher beim Anlassen eine -nicht dargestellte- Anlasslogikschaltung benutzt, die aufeinanderfolgende Impulse an die verschiedenen Klemmen der Ständerwicklungen 61 legt, um den Läufer 5 anzutreiben, bis die Reaktionsenergie ausreicht, rna den normalen 'Betrieb bei natürlicher Koramutation zu ermöglichen.

Im Falle der Speicherung.mechanischer Energie im Rad hängt die maximale Drehzahl des Rades und damit die Energiemenge, die man darin speichern kann, von den mechanischen Eigenschaften des letzteren ab. Diese Aufladung erfolgt in optimaler Weise dann, wenn man den Ständerstrom auf seinem Nennwert hält und die mittlere Verschiebung des Läufers gegenüber dem Ständerfeld konstant hält, denn unter diesen Bedingungen ist das Motormoment, das von der mittleren Ver—

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Schiebung und vom Ständerstrom abhängt, ebenfalls 'constant.

ITach beendeter Aufladung schaltet man das Speisenets 113 ab. Wegen der grossen Menge gespeicherter kinetischer Energie läuft das Rad 3 weiter,und die Maschine M arbeitet als Generator; es erscheint eine induzierte EHK an den Klemmen ihres Ständers.

Will man dem Traktionsmotor 114· des !Fahrzeugs die in Rad gespeicherte mechanische Energie in Eorm von Elektrizität wieder zuführen (Fig. 14b), so verbindet man mit Hilfe der umschalter 120 und 122 die Klemmen der Ständerwicklun~ der Maschine M mit den Eingangsklemmen des Umformers 11? und gleichzeitig mit Hilfe des Umschalters 121 die Ausgangsklemmen 115b des U_mformers 115 mit den Klemmen 123 der Ständerwicklung des Motors 114,und den Ausgang des Läuferlage-Messfühlers 127 cles Motors 114 verbindet can durch Betätigen des Umschalters 12 8 mit dem Eingang der den Wechselrichter 119 steuernden Gleichlaufeinrichtung 129·

i)ie Leistung, die die Maschine M liefert, wird dann mit dem Gleichrichter 116 des Umformers 115 in Gleichstrom uiagewandelt, mit dem Wechselrichter 119 wieder in Mehrphasenwechselstrom zurückverwandelt und vom Motor 114 aufgenommen. Die Arbeitsweise dieses Motors 114 ist analog der oben beschriebenen Arbeitsweise der Maschine M, wenn diese als Motor arbeitet. Die Kommutation des Wechselrichters wird ebenfalls selbstgesteuert, wobei die Steuerfrequenz f· über den Begrenzer 112 durch die Drehzahl festgelegt ist.

Wenn tnan den ruhenden, selbstgesteuerten Umformer II5 zwischen

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Maschine M und Motor 114 schaltet, kann man jede Wechselwirkung zwischen den Spannungs- und Frequenzschwankungen der Maschine M und den Spannungs- und Frequenzschwankungen des Motors 114 verhindern. ·

Bei einer Schaltung dieser Art ist eine Bremsung durch Stromrückgewinnung möglich, indem man den Traktionsmotor als Magnet-Wechselstromgenerator arbeiten lässt und das Rad 3 als Motor, wobei das Speicherrad teilweise wieder aufgeladen wird.

Es soll unterstrichen werden, dass die beschriebene Anwendungsart deshalb besonders einfach ist, weil zum Übergang von der Speicherungsphase zur Phase der Rückgewinnung der Energie nur das gleichze Itige Auslösen von vier Umschaltern erforderlich ist und weil man ein und denselben ruhenden Umformer während der gesamten Dauer der Vorgänge benutzt, wobei dieser Umformer während der Speicherung als Schnittstelle zwischen dem Netz und dem Rad dient und während der Nutzbarmachung als Schnittstelle zwischen dem Rad und dem Motor.

Die beschriebene Schaltung ermöglicht es auch, das Speisenetz, die Antriebsvorrichtung des Rades und den Motor unter Ausnutzung der Energie des Rades bei unabhängigen Frequenzen arbeiten zu lassen. Das verleiht ihr eine grosse Elastizität im Betrieb und ermöglicht eine sehr grosse Gründlichkeit der Energieausspeicherung.

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Patentansprüche: Ku/ 27 066

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-kk-

S*.

Leerseite

Claims (1)

1. UE

   magnetischen

   1. Vorrichtung zur Sicherstellung der 3ch-.\'ebeiähi;~::ei t und der Zentrierung des Läufers einer umlaufenden iioschiric im Ständer dieser Maschine, wobei dieser Ständer eine praktisch senkrechte und mit der Drehachse des Läufers identische Symmetrieachse hat und wobei diese Vorrichturi^ isdurc/. gekennzeichnet ist, dass sie umfasst -

   - mindestens einen am unteren Teil dieses Läufers befestigten und konzentrisch mit seiner Drehachse angeordneten, ersten Dauermagneten und mindestens einen mit dieser. S:.-:ir.-(ler formschlüssig verbundenen und konzentrisch rr.ir, <-~er Achse dieses Ständers angeordneten, zweiten Jruier-is^neteri. v;übei sich gleichpolige flächen dieser.: ersten un^ dier.ee: zweiten Dauermagneten so gegenüberstehen, daoS oie eic passives Magnetlager bilden, das geeignet ist, auf diesen Läufer ständig eine Axialkraft auszuüben,

   - eine erste Gruppe Fühler, die Translatiünsverr.cr.-i ebunr;en dieses Läufers in einer ersten und in einer a v/ei ten Sichtung festzustellen vermögen, wobei diese beiaen 'Richtungen senkrecht zur Achse dieses Ständers verlaufen und miteinander einen rechten Winkel bilden, und wobei diese Köhler auch die Geschwindigkeit dieser Translationsverschiebungen festzustellen vermögen,

   - eine zweite Gruppe Fühler, die Vinkelverr chi counter, dieses Läufers, bezogen auf diese erste und diese zv/eite Richtung,oder die Geschwindigkeit dieser WinkelverseV?bungen festzustellen vermögen,

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   ORf_G/NAL

   eine Gesamtheit von mit euerem Ständer fortnachlür-cir ν .-.·:.■-buridenen Elektromagneten, die angrenzend sn den Läufer so angeordnet sind, dass sie mit demjenigen '!'eil des Läufers zusammenwirken können, der an diesen Elektromagneten vorbeiläuft und wobei zumindest dieser Teil des Läufers aus einem magnetisierbaren Material gefertigt ist, v/o bei diese Gesamtheit von Elektromagneten besteht aus einem ersten Paar Elektromagneten, die diametral gegenüberstehen-': längs dieser ersten Richtung angeordnet sind und von ceneri jeder geeignet ist, eine in dieser ersten Richtung wirkende

   Anziehungskraft auf den Läufer auszuüben, aus einen zweiten Paar Elektromagneten, die diametral gegenüberstehend längs dieser zweiten Richtung angeordnet sind, und von denen Jeder geeignet ist, eine in dieser zweiten Ricntung wirkende Anziehungskraft auf den Läufer auszuüben, aus einem dritten Paar Elektromagneten, die diametral p-eger.iiber— stehend längs dieser ersten Richtung angeordnet sind,und aus einem vierten Paar Elektromagneten, die dio^etx^val gegenüberstehend längs dieser zweiten Richtung angeordnet sind, wobei das dritte und das vierte Paar Elektromagneten und der an sie angrenzende Läuferteil zueinander so angeordnet sind, dass jeder Elektromagnet dieser Paare geeignet ist, auf diesen Läufer eine Kraft auszuüben, die eine parallel zur Achse des Ständers gerichtete Komponente hat,

   eine erste Gesamtheit von Einrichtungen zur Veränderung der Erregung der Elektromagneten des ersten und des zweiten Paares in Abhängigkeit von den Signalen dieser ersten

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   BAD ORIGINAL

   Gruppe Fühler in der Weise, dass in der ernten unä ir. der zweiten Richtung wirkende radiale Anziehungskräfte erzeugt werden, die diese Translat: onsverschiebungen gegen Null gehen zu lassen vermögen,

   - eine zweite Gesamtheit von Einrichtungen zur Veränderung der Erregung der Elektromagneten des dritten und des vierten Paares in Abhängigkeit von den Signalen der zweiten Gruppe Fühler in der Weise, dass parallel zur Ständerachse gerichtete Anziehungskräfte erzeugt werden, die zusätzen, bezogen auf die erste und die zweite Richtung, Ko^er.:.e bilden, die die VinkelverSchiebungen gegen ITuI] gehen ^r:u !arsen vermögen,

   - eine dritre Gesamtheit von Einrichtungen, die in k'o\-Ä-:%-;i ;_l.e: von den Signalen der dritten Gruppe !fühler -\ie ^-π-,.γ».'.-; ct.r SIektrrringp.eten der, dritten und vierten χΊ,ΐ-.scr ::\~. vo:·- riv.-lern vermögen, um parallel zur Lj'cj'viaernohrr- "or-1 xtc-o Arr.iehiin7.^rjkräEe zu erzeugen, die zurar.v.en cine s:-:ir_:le lie— r.ul tierencie ergeben, die die Arialverscbn eb'inr re'/en liulj. gehcn zu la£,3en verrnögon.

   Z. Vorrichtung zur· Sichersteilung der nagnetlicher* Schv.oboiiiai-.,keil· und Zentrierung üer, Läufers einer urjla'Jier.'lei: IIö£.cLlne ixn Ständer dieser Maschine, wobei dieser Stür^-O·::· »-!ne praktisch senkrechte und mil· der Drehachse des Läuiferr; zusa^raenfeilende Symmetrieachse hat, dadurch gekennzeichnet, aass die Vorrichtung umfasst -

   - mindestens einen am unteren Teil des Läufers befestigten und konzentrisch mit seiner Drehachse angeordneten, ersten Dauermagneten, und mindestens einen formschlüssig

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   mit dem Ständer verbundenen und konzentrisch mit der Achse des Ständers und gegenüber dem ersten Dauermagneten angeordneten zweiten Dauermagneten, wobei die einander gegenüberstehenden Flächen des ersten und des zweiten Dauermagneten gleichpolig sind, so dass diese Magneten ein passives Magnetlager darstellen, das geeignet ist, auf den Läufer ständig eine Axialkraft auszuüben, eine erste Gruppe Fühler, die Translationsverschiebungen des Läufers in einer ersten und in einer zweiten Richtung festzustellen vermögen, die senkrecht zur Ständerachse verlaufen und miteinander einen rechten Winkel bilden, wobei diese Fühler auch die Geschwindigkeit dieser Translationsverschiebungen feststellen können, eine zweite Gruppe Fühler, die Winkelveeschiebungen des Läufers, bezogen auf diese erste und diese zweite Richtung, festzustellen vermögen oder die Geschwindigkeit dieser Vinkelverschiebungen,

   eine dritte Gruppe Fühler, die die Geschwindigkeit jeder Axialverschiebung des Läufers festzustellen vermögen, eine formschlüssig mit dem Ständer verbundene Gesamtheit von Elektromagneten, die angrenzend an den Läufer so angeordnet sind, dass sie mit demjenigen Teil des Läufers zusammenwirken können, der an diesen Elektromagneten vorbeiläuft, wobei zumindest dieser Teil des Läufers aus einem magnetisierbaren Werkstoff gefertigt ist und diese Gesamtheit von Elektromagneten besteht aus einem ersten Paar Elektromagneten, die diametral gegenüberstehend in

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   dieser ersten Richtung angeordnet sind und von denen jeder eine in dieser ersten Richtung wirkende Anziehungskraft auf den Läufer auszuüben vermag, aus einem zweiten Paar Elektromagneten, die diametral gegenüberstehend in dieser zweiten Richtung angeordnet sind und von denen jeder eine in dieser zweiten Richtung wirkende Anziehungskraft 'auf den Läufer auszuüben vermag, aus einem dritten Paar Elektromagneten, die diametral gegenüberstehend in dieser ersten Richtung angeordnet sind, aus einem vierten Paar Elektromagneten, die diametral gegenüberstehend in dieser zweiten Richtung angeordnet sind, wobei dieses dritte und dieses vierte Paar Elektromagneten und der an sie angrenzende Teil des Läufers zueinander so angeordnet sindi dass jeder Elektromagnet dieser Paare auf den Läufer eine Anziehungskraft auszuüben vermag, die eine parallel zur Ständerachse gerichtete Komponente hat, und aus einem fünften und sechsten Paar Elektromagneten, die diametral gegenüberstehend angeordnet sind, wobei dieses fünfte und dieses sechste Paar und der an sie angrenzende Teil des Läufers zueinander so angeordnet sind, dass jeder der Elektromagneten dieser Paare auf den Läufer eine Anziehungskraft auszuüben vermag, die eine parallel zur Ständerachse gerichtete Komponente hat,

   - eine erste :Gesamtheit von Einrichtungen zur Veränderung der Erregung der Elektromagneten des ersten und des zweiten Paares in Abhängigkeit von Signalen dieser ersten Gruppe Kühler in der Weise, dass in dieser ersten und in

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   dieser zweiten Richtung wirkende radiale Anziehungskräfte erzeugt werden, die geeignet sind, die Translationsverschiebungen gegen Null gehen zu lassen,

   - eine zweite Gesamtheit von Einrichtung zur Veränderung der Erregung der Elektromagneten des dritten und des vierten Paares in Abhängigkeit von Signalen der zweiten Gruppe Fühler in der Weise, dass parallel zur Ständerschse gerichtete Anziehungskräfte erzeugt werden, die zusammen, bezogen auf die erste und die zweite Sichtung, Momente bilden, die geeignet sind, die Winkelverschiebungen gegen Null gehen zu lassen,

   - eine dritte Gesamtheit von Einrichtungen zur Veränderung der Erregung der Elektromagneten des fünften und sechsten Paares in Abhängigkeit von Signalen der dritten Gruppe Fühler in der Weise, dass parallel zur Ständerachse gerichtete Anziehungskräfte erzeugt werden, die eine axiale Resultierende haben, die geeignet ist, die Axialverschiebung gegen Null gehen zu lassen.

   3- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass 3'ede dieser Gruppe Fühler mehrere, um die Ständerachse herum verteilte Fühler umfasst.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dasc sie Reluktanz-Fühler zur Feststellung von Verschiebungen zwischen Läufer und Ständer umfasst und nach dem Prinzip der Magnetflussanderung arbeitende Induktionsfühler zur Feststellung der Geschwindigkeit dieser Verschiebungen einschliesst.

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   5. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet,

   dass der seitliche Teil des Läufers eine untere, kegelstumpfförmige Zone aufweist, deren Verjüngung nach unten weist, der gegenüber das dritte und das vierte Paar Elektromagneten angeordnet sind.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der seitliche Teil des Läufers eine untere, kegelstumpfförmige Zone aufweist, der gegenüber das dritte, vierte, fünfte und sechste Paar Elektromagneten angeordnet sind.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gruppe Fühler aus einen: ersten und einem zweiten Paar Fühler besteht, die diametral gegenüberstehend in dieser ersten und dieser zweiten Richtung angeordnet sind und Axialverschiebungen der entsprechenden Teile des Läufers oder die Geschwindigkeit dieser Axialverschiebungen festzustellen vermögen, wobei die Fühler dieses ersten und dieses zweiten Paares an einen der Ausgänge des ersten und des zweiten Subtraktionswerks so angeschlossen sind, dass die Ausgänge dieser Subtraktionswerke Signale liefern, die den Winkelverschiebungen des Läufers, bezogen auf diese erste und diese zweite Richtung oder die Geschwindigkeit dieser Winkelverschiebungen,proportional sind.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Gruppe Fühler aus einem er-

   • sten und einem zweiten Paar Fühle» besteht, die jeweils diametral gegenüberstehend in der ersten und der zweiten

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   Richtung angeordnet sind und die Geschwindigkeit der Axialverschiebung en der entsprechenden Teile des Läufers festzustellen vermögen, wobei die Fühler dieser Paare mit den Eingängen eines Addierwerkes verbunden sind, an dessen Ausgang ein der Geschwindigkeit dieser Axialverschiebung des Läufers proportionales Signal erscheint.

   9. Maschine zur Speicherung von Trägheitsenergie, bestehend aus einem Ständerteil mit praktisch senkrechter Symmetrieachse, aus einem scheibenförmigen Läuferteil, dessen Drehachse mit der Achse des Ständerteils zusammenfällt und bei dem mindestens die Masse" nahe dem ringförmigen Rsnd aus einem magnetisierbaren Werkstoff besteht, aus einer Gesamtheit von Magnetlagern, die den Läuferteil im Ständerteil ohne Berührung zwischen den beiden Teilen zu tragen vermögen und aus einer als Motor oder als Generator schaltbaren, elektrodynamischen Einheit zur Durchführung der Speicherung von Energie in diesem Läuferteil und der Wiederabgabe dieser Energie nach aussen, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine -

   - als elektrodynamische Einheit zur Durchführung dieser Energieaustauschvorgänge mindestens ein Paar Dauermagnete umfasst, die auf der oberen planen Fläche des Läuferteils angebracht sind und mit mehrphasigen Wicklungen zusammenwirken, die gegenüber diesen Magneten am Ständerteil angebracht sind, wobei diese Magnete in axialer Richtung so magnetisiert sind, dass sie diesem Ständerteil einen Nordpol bzw. einen Südpol zukehren, und wobei diese mehrphasigen

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   Wicklungen so angeordnet sind, dass ein axiales, kreisrundes Drehfeld zu erzeugen ermöglicht wird, und dass diese Gesamtheit von Magnetlagern besteht aus jeweils einem-passiven Magnetlager zur Sicherstellung der Schwebefähigkeit des Läuferteils, das durch mindestens einen an der unteren, planen Fläche des Läuferteils befestigten Dauermagneten dargestellt wird, der zusammen mit mindestens einem gegenüberstehend am Ständerteil angeordneten Dauermagneten eine Abstossung bewirkt, und aus einer Gesamtheit aktiver Magnetlager zur Sicherstellung der Zentrierung des Läuferteils, bezogen auf seine Gleichgewichtslage, wobei jedes aktive Magnetlager dieser Gesamtheit mehrere Elektromagneten umfasst, die gegenüber äets aus magnetisierbarem Material bestehenden, ringförcigen Rand des Läuferteils angeordnet sind, mehrere ]?ühler, die die Abweichungen des Läuferteils aus seiner Gleichgewichtslage messen können und in Abhängigkeit von diesen Abweichungen Signale erzeugen können, sowie eine Steuerschaltung, die diese Elektromagneten durch diese Signale gesteuert so zu erregen vermag, da^s sie auf diesen ringförmigen Rand Kräfte ausüben, die geeignet sind, diese Abweichungen aufzuheben und wobei diese 'Gesamtheit von aktiven Magnetlagern ein erstes Lager umfasst, das so angeordnet ist, dass es auf diesen Rand radiale, in zwei miteinander einen rechten Winkel bildenden Richtungen wirkende Kräfte ausübt, die geeignet sind, die radialen Abweichungen des Läuferteils aufzuheben, ein zweites Lager, das so angeordnet ist, dass es, bezogen auf diese beiden,

   -JTi -AO

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   'miteinander einen rechten Winkel bildenden Richtungen, Momente auf diesen Rand ausübt, die geeignet sind, die Winkelverschiebungen dieses Läuferteils aufzuheben, und ein drittes Lager, das so angeordnet ist, dass es auf diesen Rand eine Axialkraft ausübt, die geeignet ist, die Axialverschiebungen des Läuferteils aufzuheben.

   10. Maschine zur Speicherung von Trägheitsenergie nach Anspruch 9i dadurch gekennzeichnet, dass dieser Läuferteil als Vollscheibe ausgeführt ist und dass die aktiven Magnetlager am Umfang dieser Scheibe gegenüber ihrem ringförmigen, seitlichen Aussenrand angeordnet sind.

   11. Maschine zur Speicherung von Trägheitsenergie nach Anspruch 9ϊ dadurch gekennzeichnet, dass der Läuferteil als

   eine in der Mitte durchbrochene Scheibe ausgeführt ist und dass diese aktiven Magnetlager in dieser Zentraldurchbrechung gegenüber dem ringförmigen, seitlichen Innenrand dieser Scheibe angeordnet sind.

   Ku - 27 066