DE2752390A1

DE2752390A1 - Sicherheits-schwungrad

Info

Publication number: DE2752390A1
Application number: DE19772752390
Authority: DE
Inventors: Richard T Prof Schneider
Original assignee: LOHNERT GUENTER DR
Current assignee: LOHNERT GUENTER DR
Priority date: 1977-01-17
Filing date: 1977-11-24
Publication date: 1978-07-27
Also published as: US4132130A; IL53387A

Description

Bezeichnung: Sicherheits-Schwungrad

Anmelder: Dr. Günter Lohnert

506 Bensberg Im Bungert 2

Erfinder: Dr. Richard T. Schneider

Gainesville, FL 32605 3550 N.W. 33 RD Place, USA

809630/0594

Flexibles Schwungrad als Energiespeicher a) Gegenwärtiger Stand

Zur Zeit werden große Anstrengungen bei der Suche eines wirkungsvollen Energiespeichers mit langer Lebensdauer unternommen. Apparate, die das Beharrungsvermögen der Masse ausnützen, scheinen günstige Eigenschaften für diese Zwecke zu besitzen.

Eine Voraussetzung aller Apparate, die das Beharrungsvermögen der Masse - wie z. B. das Schwungrad - ausnützen, ist, daß sie eine große Zugfestigkeit besitzen müssen. Die Energie, die in einem Schwungrad gespeichert werden kann, ist nämlich sowohl proportional zur Masse des Schwungrades als auch proportional zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit. Ein derartiges Schwungrad kann in etwa zehnmal soviel Energie speichern wie eine elektrische Batterie mit dem gleichen Gewicht.

Schwungräder, die aus synthetischem Material zusammengesetzt sind, sind wohlbekannt. Es hat sich jedoch erwiesen, daß bei diesen Schwungrädern, die aus mit Bindemitteln zusammengefügten Fasern bestehen, oftmals die Fasern aufbrechen, was dann zu einem katastrophalen Versagen des Schwungrades führt. Dieses Versagen erklärt sich aus den unterschiedlichen Elastizitätseigenschaften von Faser und Binder.

Die US-Patente von Wetherbee (3.602067) und von Reinhart (3296886) beschreiben Schwungräder, die aus geschichtetem Kunststoff hergestellt werden, während das US-Patent

809830/0594

von Call (3496799) von einem Schwungrad aus homogenem metallischen Material ausgeht. All diese Vorschläge machen Gebrauch von einem festen Material, im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung, die ein flexibles Material benötigt. Bei der vorliegenden Erfindung wird die notwendige Starrheit nur durch Zentrifugalkräfte bewerkstelligt. Durch die Verwendung von flexiblem Material und die dadurch mögliche schlaffe Aufhängung werden bei der vorliegenden Erfindung zum großen Teil die Schwingungen reduziert, die sich vom Schwungrad auf die Welle übertragen können. Die mögliche Einsatzzeit des Energiespeichers wird dadurch stark erhöht.

Ein anderer großer Nachteil der aus festem Material gebauten z. Zt. bekannten Schwungräder ist ihre inhärente Neigung zum katastrophalen Versagen. Solch ein katastrophales Versagen wäre besonders schlimm, wenn es sich in einem sich bewegenden Gefährt ereignet. Das plötzliche große Drehmoment, welches dann von dem Gefährt aufgenommen werden müßte, ließe das Gefährt außer Kontrolle geraten.

Im Gegensatz dazu ist die vorliegende Erfindung derart konzipiert, daß ein solches Versagen auszuschließen ist. Das US-Patent von Seelinger (3662619) beschreibt eine rotierende Maschine, bei welcher nach dem "fail-safe"-Prinzip durch vorher bestimmte Sollbruchstellen in dem sich drehenden Teil des Apparates, eine Minimierung der bei Versagen der Maschine freisetzbaren Energie erreicht wird.

Genauer gesagt ist es so, daß ein zylindrisches Schwungrad, welches auf einer Motorwelle sitzt, aus eng aufeinander liegenden Scheiben besteht, die alle eine verschiedene Zugfestigkeit besitzen und die somit nicht alle gleich-

809830/0594

zeitig versagen können. Sollte irgendeine Scheibe brechen, so würden die Bruchstücke durch die Zentrifugalkräfte weggeschleudert werden. Diese weggeschleuderten Stücke würden dann die Drehung des Motors mit voller Kraft abbremsen, da sie sich in den Raum zwischen Schwungrad und Gehäuse einklemmen würden. Solch ein katastrophales Versagen könnte jedoch zu schweren Schaden führen nicht nur beim verbleibenden Teil des Schwungrades, sondern - was vielleicht noch schwerwiegender ist - bei dem Elektromotor selbst.

Bei der vorliegenden Erfindung hat ein Teil des flexiblen Materials, aus dem das Schwungrad besteht, eine geringere Zugfestigkeit als das übrige Material. Z. B. könnte nur eine Litze eines Seiles oder nur ein Teil des Seiles, eine geringere Zugfestigkeit besitzen als der Rest. Das Element mit geringerer Zugfestigkeit wird nur als Sonde benützt und besitzt nur einen geringfügigen Massenanteil des Schwungrades. Noch bevor ein katastrophales Versagen des ganzen Schwungrades erfolgt, wird das Sondenelement ansprechen; sein Versagen wird jedoch nicht ein katastrophales Versagen des ganzen Apparates auslösen, sondern es wird einer Bremsflüssigkeit den Weg öffnen zum Einfließen in die Vakuum-Kammer, in der sich das Schwungrad befindet. Somit wird durch die Bremswirkung der Flüssigkeit ein katastrophales Versagen des gesamten Schwungrades verhindert. Demgegenüber versucht Seelinger nur die Konsequenzen des katastrophalen Versagens so gering wie möglich zu halten, nachdem sich das Versagen schon ereignet hat.

Energiespeicher nach dem Schwungradprinzip sind darüber hinaus in den US-Patenten 3208303 (Durouchoux) und 3368624 (Clerk) beschrieben.

809830/0594

b) Zusammenfassende Beschreibung der Erfindung

Ein Ziel der gegenwärtigen Erfindung ist es, ein katastrophales Versagen des Schwungrades zu verhindern. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß das Schwungrad aus einem flexiblen Material - wie z. B. einem Seil - besteht, welches wiederum zumindest ein Element besitzt, das eine kleinere Zugfestigkeit hat als die übrigen Elemente. Sollte eines oder wenige dieser schwächeren Elemente versagen, wird es eine Glasröhre durch Bruch öffnen. Damit kann sich dann der flüssige Inhalt eines Tankes in das Gehäuse des Schwungrades ergießen. Dies führt dann zu einer langsamen und nicht zu einer katastrophalen schnellen Abbremsung des Schwungrades.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, Schwingungen und Instabilitäten zu verhindern, die beide zur Zerstörung des Schwungrades führen können. Dies wird dadurch erreicht, daß man das Schwungrad nicht aus einem festen Körper, sondern aus einem flexiblen Material, wie z. B. einem Seil, herstellt und darüberhinaus das Schwungrad derart aufhängt, daß die übertragung der Schwingungen auf die Welle vermieden wird.

Ein zusätzlich anderes Ziel der Erfindung ist es, einen Energiespeicher mit hohem Wirkungsgrad herzustellen.

c) Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Abbildung zeigt einen Energiespeicher nach dem Trägheitsprinzip 10 mit einem Schwungrad 12, welches aus Ringen von endlosen Litzen hergestellt wird. Das Schwungrad ist durch ein Aufhängungsnetz 16 über ein Kugellager 20

809830/0594

rotationssymmetrisch an die ruhende Welle 18 angebunden. Die Zentrierungsfäden 14 wie die überdimensionierten Lager 36 dienen als begrenzende Führung für den Fall, daß durch Bruch einzelner Litzen eine große Unwucht entsteht. Das Lager 36 ist nicht mit der Welle 18 verbunden, da im Normalfall zwischen Lager und Welle ein Abstand bleibt. Wenn das Schwungrad nicht ganz ausgewuchtet ist, wird es sich zusammen mit dem Lager 36 um eine Achse drehen, die nicht vollständig parallel zur Wellenachse ist. Dies ist möglich, da sich zwischen Welle und Lager 36 ein Freiraum befindet. Diese Konstruktion verhindert somit die Übertragung von Schwingungen des Schwungrades über das Lager 36 auf die Welle. Über das Aufhängungsnetz 16 und Lager 20 könnten sich Schwingungen auf die Welle übertragen, da jedoch das Aufhängungsnetz 16 nicht starr ist, wird dieser Effekt klein sein. Das Lager 36 berührt die Welle nur bei großer Unwucht und verhindert dann, daß das Schwungrad mit dem Gehäuse 22 in Berührung kommt.

Alle oben erwähnten Teile sind in ein vakuumdichtes Gehäuse 22 eingeschlossen. Der Tank 24 für die Bremsflüssigkeit ist auf das Gehäuse 22 montiert. Die abgedichteten Glasröhren 26 verbinden den Bremsflüssigkeitstank 24 mit dem vakuumdichten Gehäuse 22. Das Gehäuse 22 ist über das Lager 30 drehfähig mit dem festen Sockel 28 verbunden. Die Drehbremse 32, die aus einem sich abreibenden Bremsmaterial hergestellt wird, befindet sich in engem Kontakt zwischen dem Gehäuse 22 und dem Sockel 28, und sorgt zusätzlich zur Bremswirkung der Bremsflüssigkeit für eine darüberhinausgehende Bremswirkung.

Das Schwungrad 12 wird vorzugsweise aus endlosen Nylonlitzen, Dacronlitzen oder Fasern aus ähnlichem Material

809830/0594

ΛΑ

hergestellt, wobei die Litzen wie bei der üblichen Seilherstellung umeinander geschlungen oder miteinander verwoben werden. Z. B. wird eine Litze, die wiederum aus vielen einzelnen Fasern bestehen kann, mit einer anderen gleichen Litze verwoben, wobei die dadurch entstehende größere Litze nun wiederum selbst mit anderen größeren Litzen verwoben wird. Dies wird so lange fortgesetzt, bis die erwünschte Größe des Schwungrades fertiggestellt ist. Vorzugsweise wird das Schwungrad derart hergestellt, daß jede der kleineren Litzen zumindest einmal an die äußere Oberfläche des Schwungrades gelangt.

Damit kein katastrophales Versagen des Schwungrades auftreten kann, wird eine oder mehrere Litzen oder nur Teile einer Litze aus einem Material hergestellt, welches eine wesentlich geringere Zugfestigkeit besitzt als die überwiegende Mehrheit der anderen Litzen. Dies führt dann dazu, daß diese schwächeren Litzen im Falle der Überschreitung der zulässigen sicheren Drehgeschwindigkeit wesentlich vorher als die anderen Litzen versagen.

Eine oder mehrere der gebrochenen schwächeren Litzen oder Fasern wird sich aus dem Schwungrad nur sehr langsam herauslösen, da sie mit den anderen Litzen fest verwoben sind. Das peitschenmäßige Verhalten der gebrochenen Litzen wird jedoch die abgedichteten Glasröhren 26 zertrümmern und somit der Bremsflüssigkeit im Tank 24 erlauben, die vakuumdichte Kammer zu fluten. Das Vakuum im Gehäuse 22 saugt dabei die Bremsflüssigkeit in dieses Gehäuse 22 hinein.

Zusätzlich wird in der Drehbremse 32 Rotationsenergie in Wärme übergeführt. Die Drehbremse 32 bringt dabei in vertretbaren Raten den Drehimpuls in den Sockel 28 ein.

909830/0594

Energie kann sowohl direkt aus dem Schwungrad entnommen werden als auch indirekt in der Form von Elektrizität, die über die Drehbremse 32 und Stator 34 von dem Motor-Generator erzeugt wird.

Darüber hinaus ist es denkbar, in einer geeigneten Weise metallische Litzen in den Seilring einzuweben und somit die Möglichkeit zu schaffen, durch elektromagnetische Induktion Energie aus dem Seilring herauszuführen bzw. Energie in denselben einzuspeisen. 809830/0594

Claims

d) Schutzansprüche

1. Eine Vorrichtung zur Energiespeicherung nach dem Träg- ^ heitsprinzip, dadurch gekennzeichnet, daß sie zumindest aus einem aus flexiblem Material hergestellten Schwungrad besteht.

2. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Material ein Element beinhaltet, welches schon vor dem Versagen des ganzen Materials bricht.

3. Eine Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zerbrechbare Einrichtungen dergestalt enthält, daß diese nach Zerbrechen das Schwungrad abbremsen und daß obiges Element so ausgeführt ist, daß es die zerbrechbaren Einrichtungen nach seinem eigenen Versagen zerbricht.

4. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad aus verwobenen Litzen besteht.

v. 4/1.

80**30 * 05<W

5. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad aus umeinander verdrehten Litzen besteht.

6. Eine Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Litzen so miteinander verwoben sind, daß jede Litze zumindest einmal an der Oberfläche des Schwungrades erscheint.

7. Eine Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Litzen so umeinander verdreht sind, daß jede Litze zumindest einmal an der Oberfläche des Schwungrades erscheint.

8. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, derart gekennzeichnet, daß sie eine Welle enthält, auf die das Schwungrad mit flexiblem Material so drehbar aufgehängt ist, daß die {Jbertrao.;::.g von Schwingungen des Schwungrades auf die Welle minimiert wird.

9. Eine Vorrichtung nach Anspruch 8, derart gekennzeichnet, daß das Schwungrad mit Seilen aufgehängt ist.

10. Eine Vorrichtung zur Energiespeicherung nach dem Trägheitsprinzip, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes enthält:

- ein Gehäuse

- eine Welle in diesem Gehäuse

- ein Schwungrad, welches auf dieser Welle drehbar aufgehängt ist und aus flexiblem Material besteht, welches zumindest aus einem Element besteht, das schon vor dem Versagen des ganzen Materials bricht

3 0/0594

- einen Tank für Bremsflüssigkeit

- zerbrechbare Vorrichtungen, die diesen Tank mit dem Inneren des Gehäuses verbinden

- obiges Element, das so gestaltet ist, daß es nach Versagen obige zerbrechbare Vorrichtung zerbricht, und damit der Bremsflüssigkeit den Weg öffnet, das Gehäuse zu fluten und somit das Schwungrad abzubremsen.

11. Eine Vorrichtung nach Anspruch 10, dauurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad aus Litzen besteht und mit flexiblem Material aufgehängt wird.

12. Eine Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ruhenden Sockel enthält, auf dem das Gehäuse drehbar befestigt und daß eine Drehbremse in enger Berührung zwischen Gehäuse und Sockel vorhanden ist.

13. Eine Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß metallische Litzen in das Schwungrad eingewoben sind und daß damit ermöglicht wird, durch elektromagnetische Induktion Energie aus dem Schwungrad herauszuführen bzw. Energie in dasselbe einzuspeisen .

14. Eine Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das vakuumdichte Gehäuse unter Vakuum steht und somit die Bremsflüssigkeit in das Gehäuse gesaugt wird, nachdem die obige zerbrechbare Vorrichtung zerbrochen wurde.

809830/0594

15. Eine Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Zentrierungslager enthält, welches im wesentlichen koaxial mit der Welle, jedoch von dieser räumlich getrennt ist, und daß sie Zentrierungslitzen besitzt, die zur axialen Führung des Schwungrades dienen und sich zwischen Zentrierungslager und Schwungrad befinden.

809830/0594