DE3026339A1 - FLYWHEEL ENERGY STORAGE - Google Patents

FLYWHEEL ENERGY STORAGE

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DE3026339A1 DE19803026339 DE3026339A DE3026339A1 DE 3026339 A1 DE3026339 A1 DE 3026339A1 DE 19803026339 DE19803026339 DE 19803026339 DE 3026339 A DE3026339 A DE 3026339A DE 3026339 A1 DE3026339 A1 DE 3026339A1
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Description

302633S302633S

- 4 - 8- 4 - 8

Schwungrad-EnergiespeicherFlywheel energy storage

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwungrad-Energiespeicher mit einem zur Energiewandlung sich extrem schnell drehenden Synchronscheibenrotor und einem Axial- und/oder Radialmagnetlager, bestehend aus einem sich extrem schnell drehenden Rotationskörper zur Erzeugung von axial- und/oder radial wirkenden Magnetkräften.The invention relates to a flywheel energy storage device with an extremely fast rotating one for energy conversion Synchronous disk rotor and an axial and / or radial magnetic bearing, consisting of an extremely fast rotating body of revolution for generating axially and / or radially acting magnetic forces.

Es ist bekannt, daß herkömmliche Energiewandler (Elektromotor/ Generator) zwischen schnell drehendem Schwungrad und dem Energiewandler die Einschaltung von Getrieben erfordern. Solche Getriebe aber verursachen hohe Energieverluste und sind mechanischem Verschleiß unterworfen. Dasselbe trifft in etwa auch auf die mechanische Lagerung dieser Ausführungsformen zu. Außerdem erschweren die Anlagen für Kühlung und Schmierung der vorgenannten Bauteile die Erzeugung eines Vakuums im Schwungradgehäuse. Zu diesen Problemen nimmt die DE-OS 24 30 141 eingehend Stellung, ohne jedoch spezielle Lehren zur praktischen Lösung der Problematik zu geben.It is known that conventional energy converters (electric motor / generator) between the rapidly rotating flywheel and the energy converter require the engagement of gears. Such gears, however, cause high energy losses and are subject to mechanical wear subject. The same applies roughly to the mechanical mounting of these embodiments. Also make it difficult the systems for cooling and lubrication of the aforementioned components generate a vacuum in the flywheel housing. To these problems takes the DE-OS 24 30 141 detailed position, but without to give special lessons for the practical solution of the problem.

In der DE-PS 25 58 422 ist ein Schwungrad-Energiespeicher der eingangs genannten Art beschrieben, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht und ihr die Aufgabe zugrundeliegt, einen Schwungrad-Energiespeicher der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine nahezu verlustfreie Energiewandlung gestattet und einen berührungsfreien Lauf von Schwungrad und Energiewandler im evakuierten Schwungradgehäuse ermöglicht.In DE-PS 25 58 422 a flywheel energy storage device is the initially described type, from which the present invention is based and it is based on the task of a flywheel energy storage device of the type mentioned at the beginning, which allows an almost loss-free energy conversion and a contact-free one The flywheel and energy converter run in the evacuated flywheel housing.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen in optimaler und zuverlässiger Weise gelöst. In der nachfolgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert und in der Zeichnung dargestellt.This object is achieved in an optimal and reliable manner by the measures laid down in the claims. In the following Description of embodiments of the invention are explained and shown in the drawing.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen als Doppelscheibe mit Hohlwelle ausgebildeten Rotor,1 shows a section through a rotor designed as a double disk with a hollow shaft,

130065/0366130065/0366

3Q263393Q26339

- 5 - 8774- 5 - 8774

Flg. 2 einen Schnitt entlang der Linie I-I gemäß Fig. 1,Flg. 2 shows a section along the line I-I according to FIG. 1,

Fig. 3 ein Rechenmodell für die Ermittlung der Spannungsverläufe im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2,3 shows a computational model for determining the voltage curves in the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2,

Fig. 4 ein weiteres Rechenmodell für die Ermittlung der Spannungsverläufe in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 bei Verwendung einer Kohlenstoff-Faser mit hohem Ε-Modul (beispielsweise THORNEL 100),4 shows a further computational model for determining the voltage profiles in the embodiment according to FIG. 1 and 2 when using a high carbon fiber Ε module (e.g. THORNEL 100),

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Doppelscheibenausführung des Faserverbund-Synchronscheibenrotors,5 shows a longitudinal section through a double disk design the fiber composite synchronous disk rotor,

Fig. 6 einen Querschnitt durch den Rotor mit im Kreis angeordneten Erregermagneten,6 shows a cross section through the rotor with arranged in a circle Excitation magnets,

Fig. 7 einen Schnitt durch den Teilkreis der Magnete in der Scheibe des Rotors,7 shows a section through the pitch circle of the magnets in the disk of the rotor,

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel im Querschnitt durch einen Energiewandler mit fremderregten Rotormagneten,Fig. 8 shows an embodiment in cross section through a Energy converter with separately excited rotor magnets,

Fig. 9 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Synchronscheibenrotors,9 shows a cross section through an exemplary embodiment of a Synchronous disk rotor,

Fig. 10 einen Querschnitt durch ein Magnet-Radiallager , Fig. 11 einen Schnitt entlang der Linie II-II gemäß Fig. 10,10 shows a cross section through a magnetic radial bearing, 11 shows a section along the line II-II according to FIG. 10,

Fig. 12 einen Querschnitt durch ein kombiniertes Axial-Radialmagnetlager, 12 shows a cross section through a combined axial-radial magnetic bearing,

Fig. 13 einen Querschnitt durch ein Axialmagnetlager, Fig. 14 einen Schnitt entlang der Linie III-III gemäß Fig. 13,13 shows a cross section through an axial magnetic bearing, FIG. 14 shows a section along the line III-III according to FIG. 13,

130065/0366130065/0366

30263333026333

- 6 - 877-4- 6 - 877-4

Fig. 15 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel . 15 shows a cross section through a further exemplary embodiment.

Die heute gebräuchlichen Ausführungsformen von Asynchron-, Synchron-, Gleich- und Wechselstrommotoren und Generatoren beschränkenden jeweiligen Energiewandler entweder in der Leistung und im Drehmoment bei hohen bis sehr hohen Drehzahlen oder in der Drehzahl bei hohen Leistungen und Drehmomenten. Die Forderung an den Energiewandler hohe Leistungen zu erbringen und direkt an das schnelldrehende Faserwerkstoff-Schwungrad gekoppelt zu sein, werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt. Kennzeichnend hierfür ist der aus Festigkeitsgründen erfolgte Einbau von zylindrischen permanent- oder spulengewickelten zylindrischen Weicheisenmagneten in entsprechenden Bohrungen einer Metallscheibe, axial und gleichförmig über den Umfang der Scheibe verteilt. Eine typische Ausführungsform mit Permanentmagneten zeigen die Fig. 1 bis 7. Der Metallkörper 1 des Rotors besteht aus einer Welle und einer oder mehreren Scheiben. Im gezeigten Beispiel trägt die Welle zwei Scheiben. In der bzw. den Scheiben sind gleichmäßig auf den Teilkreisradius e verteilt zylindrische Permanentmagnete 2 in Bohrungen 1a eingepreßt oder eingeklebt. Der Metallkörper 1 ist vorzugsweise aus Titanlegierung hergestellt und mit einem Faser- oder Fadenwerkstoff 3 umwickelt. Diese letztgenannten Werkstoffe sollen gegenüber dem Titanwerkstoff einen mindest doppelt so hohen Elastizitätsmodul, eine doppelt so hohe Festigkeit und ein weniger als das 0,5-fache des spezifischen Gewichtes aufweisen. Diesen Forderungen entsprechen zum Beispiel Kohlenstoff- und Karbonfaser verbundwerkstoff e, sowie Borfaden-Verbundwerkstoffe.The embodiments of asynchronous, Restricting synchronous, direct and alternating current motors and generators respective energy converter either in the power and in the torque at high to very high speeds or in the Speed at high powers and torques. The demand on the energy converter to provide high performance and directly on the to be coupled to a high-speed fiber material flywheel met by the present invention. This is characterized by the installation of cylindrical ones for reasons of strength permanent or coil wound cylindrical soft iron magnets in corresponding bores in a metal disc, axially and uniformly distributed over the circumference of the disc. A typical embodiment with permanent magnets is shown in FIGS. 1 to 7. The metal body 1 of the rotor consists of a shaft and one or more disks. In the example shown, the shaft carries two Discs. In the disk or disks, cylindrical permanent magnets 2 are distributed uniformly over the pitch circle radius e in bores 1a pressed in or glued in. The metal body 1 is preferably made of titanium alloy and with a fiber or Thread material 3 wrapped around. These latter materials should a modulus of elasticity that is at least twice as high as that of titanium, have twice the strength and less than 0.5 times the specific weight. These demands correspond, for example, to carbon and carbon fiber composite materials e, as well as burr thread composites.

Die Faser- oder Fadenverbundwerkstoffwicklung 3 ist mit Epoxid-Bindeharz laminiert und verhindert den Bruch des äußeren Ringes der Scheibe aus der Beanspruchung durch die rotierenden Massen der Magnete 2. Ein vorbeschriebenes Ausführungsbeispiel wurde gemäß seiner Berechnungen in dem Rechenmodell der Fig. 3 und H dargestellt. Nachfolgende Materialien und deren Kennwerte etc. wurden der Berechnung zugrundegelegt:The fiber or filament composite winding 3 is connected to epoxy binder resin laminated and preventing breakage of the outer ring of the disc from the stress caused by the rotating masses of the magnets 2. a prescribed embodiment, its calculations was prepared according represented in the calculation model of Fig. 3 and H. The calculation is based on the following materials and their characteristic values, etc.:

IlIl

130065/0366130065/0366

- 7 - 8774- 7 - 8774

Titan-Metallkörper 1 (Element 4) mit E = 1,125 x 10 daN/cm γ = 4,5 g/cm3 Titanium metal body 1 (element 4) with E = 1.125 x 10 daN / cm γ = 4.5 g / cm 3

Magnete (Element 5) mitMagnets (item 5) with

Effektiv = °'2 ETitan X 2'25 X 1^ daN''0^ Effektiv = 7·14 S/Cm3 Rms ° '2 E Titan X 2' X 1 ^ 25 daN '' 0 ^ rms = 7 · 14 S / Cm3

Faserwerkstoffwicklung (Element 6) mit E = 2,5 χ 10 daN/cm Ύ = 1,78 /cm3 Fiber material winding (element 6) with E = 2.5 χ 10 daN / cm Ύ = 1.78 / cm 3

ρ Bruchfestigkeit = 31 000 daN/cmρ breaking strength = 31,000 daN / cm

Bindeharz der Faserwerkstoffwicklung 3 (Element 7) mit E = 60.000 daN/cm2 Ύ = 1,2 g/cm3 Binding resin of the fiber material winding 3 (element 7) with E = 60,000 daN / cm 2 Ύ = 1.2 g / cm 3

Die Elemente 8 dienen als Trennschicht und sind aus Epoxidharz: E = 60.000 da/cm2 γ = 0The elements 8 serve as a separating layer and are made of epoxy resin: E = 60,000 da / cm 2 γ = 0

Für die Rechnungen wurde ein Modell gemäß Fig. 1 und 2 mit folgenden Abmessungen gewählt:A model according to FIGS. 1 and 2 with the following was used for the calculations Dimensions chosen:

Drehzahl: η = 42.000 U/min.Speed: η = 42,000 rpm.

Faserwerkstoff-Außenradius: a = 150 mm Innenradius der Hohlwelle: b = 78,8 mm Titanscheibe-Außenradius : c = 108,8 mm Magnetdurchmesser: d = 18,9 mmFiber material outer radius: a = 150 mm Inner radius of the hollow shaft: b = 78.8 mm Titanium disc outer radius: c = 108.8 mm Magnet diameter: d = 18.9 mm

Magnet-Teilkreisradius: E = 9.7,6 mm.Magnet pitch circle radius: E = 9.6 mm.

Die kritischen Spannungen 9 in Umfangsrichtung würden in den Titanscheiben - wie die Rechnung zeigt - ohne Faserwerkstoffwicklung 3 (Elemente 6 und 7 im Modell) die 3ruchspannung 11 derThe critical stresses 9 in the circumferential direction would be in the Titanium discs - as the calculation shows - without fiber material winding 3 (elements 6 and 7 in the model) the breaking stress 11 of the

130065/0366130065/0366

- 8 - 8774- 8 - 8774

Titanscheibe bei weitern überschreiten. Außerdem würden die Spannungen in Umfangsrichtung 12 und in radialer Richtung 14 in den Magneten und zwischen Magnet und Scheibe möglicherweise die Einpreßspannungen überschreiten. Die Faserwerkstoffwicklung 3 aus Karbonfaser - beispielsweise TORAYCA 300A - senkt die kritische Umfangsspannung der Titanscheibe um ca. 40 % von den Werten der Kurve 9 unter die Bruchspannung von Titan 11 auf die Werte der Kurve 10. Im Magnet 2 bzw. zwischen Magnet und Scheibe 1 werden die Umfangsspannungen 12 auf die Werte der Kurve 13 und die Radialspannungen 14 auf diejenigen der Kurve 15 reduziert. Die Umfangsspannungen (Zugspannungen ) 16 in der Karbonfaser liegen weit unter ihrer Bruchspannung 17, ebenso die Umfangsspannungen im Epoxidharz 18 und die Radialspannungen 19 im unkritischen Druckspannungsbereich 20.Titanium disc by far exceed. In addition, the stresses in the circumferential direction 12 and in the radial direction 14 in the magnets and between the magnet and disk would possibly exceed the press-in stresses. The fiber material winding 3 made of carbon fiber - for example TORAYCA 300A - lowers the critical circumferential stress of the titanium disk by approx. 40% from the values of curve 9 below the breaking stress of titanium 11 to the values of curve 10. In magnet 2 or between magnet and disk 1 the circumferential stresses 12 are reduced to the values of the curve 13 and the radial stresses 14 to those of the curve 15. The circumferential stresses (tensile stresses) 16 in the carbon fiber are far below their breaking stress 17, as are the circumferential stresses in the epoxy resin 18 and the radial stresses 19 in the uncritical compressive stress range 20.

Die Synchronrotorscheiben nach der Erfindung können noch leistungsfähiger ausgeführt werden, wenn - wie in Fig. 4 gezeigt - eine Koh]enstoff-Faser mit wesentlich höherem Elastizitätsmodul verwendet wird. 41s Beisoiel hierfür £sei senannt die Faser THORMEL 100 - mit den Werten:The synchronous rotor disks according to the invention can be even more powerful be carried out when - as shown in Fig. 4 - a Carbon fiber with a significantly higher modulus of elasticity is used will. 41 An example of this is the fiber THORMEL 100 - with the values:

E = 6,8 9 χ 10 daN/cm"E = 6.8 9 χ 10 daN / cm "

γ = 1,94 g/cmγ = 1.94 g / cm

Bruchsoannune = 34 000 daM/cmBreakage soannune = 34,000 daM / cm

Die Rotor scheiben wurden um den Faktor 1,333 größer dimensioniert und erhielten die Werte:The rotor disks were made larger by a factor of 1.333 and received the values:

a = 200 mma = 200 mm

b = 105 mmb = 105 mm

c = 145 mm
d = 25,2 mm
c = 145 mm
d = 25.2 mm

e = 130 mme = 130 mm

Alle übrigen Werte einschließlich der Drehzahl von 42000 U/min wurden aus dem Beispiel gemäß Fig. 3 entnommen. Die Umfangsspannung 21 in der Titanscheibe liegt wieder unter der Bruchspannung von Titan 22. Die Umfangsspannung 24 und die Radialspannung 23 im Magnet und im Bereich Magnet/Titanscheibe liegen in zulässigen Grenzen.All other values including the speed of 42,000 rpm were taken from the example according to FIG. 3. The hoop stress 21 in the titanium disk is again below the breaking stress of titanium 22. The circumferential stress 24 and the radial stress 23 im Magnet and in the magnet / titanium disc area are within permissible limits.

130065/0366 /9130065/0366 / 9

- 9 - 3774- 9 - 3774

Die Verhinderung der Dehnung der Titanscheibe durch einen hohen Ε-Modul der Kohlenstoff-Faser erzeugt hohe Urnfangsspannungen 25 und einen steilen Anstieg der Umfangsspannungen zum Innendurchmesser c der Faserwicklung. Die max. Umfangsspannung bzw. die Zugspannung erreicht die Bruchspannung 26 der gewählten Faser. Die Radialdruckspannung 27 im Harz steigt ebenfalls stark an und verursacht Druckspannungen 28 im Harz in Umfangsrichtung. Radial- und Tangentialdruckspannungen 27,28 liegen jedoch innerhalb der Bruch-Druckspannung 29 des Epoxidharzes.The prevention of the expansion of the titanium disk by a high Ε modulus of the carbon fiber generates high internal stresses 25 and a steep increase in the circumferential stresses to the inside diameter c of the fiber winding. The maximum hoop stress or the tensile stress reaches the breaking stress 26 of the selected fiber. The radial compressive stress 27 in the resin also increases sharply and causes compressive stresses 28 in the resin in the circumferential direction. However, radial and tangential compressive stresses 27, 28 are within the fracture compressive stress 29 of the epoxy resin.

Die Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch eine Doppelscheibenausführung des vorgeschlagenen Rotors mit Hohlwelle und Scheiben 1, den Magneten 2 und die Umwicklung der Scheiben mit Karbonfaser oder Borfaden 3. Die beiden Scheiben mit den Magneten werden von den E-förmigen Erregermagneten 30 umfaßt. Die Erregung der Magneten erfolgt durch die Spulen 31 (mit B gekennzeichnete Magnetfeldlinien) .Fig. 5 shows a longitudinal section through a double disk design of the proposed rotor with hollow shaft and disks 1, the magnet 2 and the wrapping of the disks with carbon fiber or boron thread 3. The two disks with the magnets are made of the E-shaped excitation magnet 30 includes. The excitation of the magnets takes place through the coils 31 (magnetic field lines marked with B) .

Die Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch den vor beschriebenen Rotor mit den gleichförmig im Teilkreis angeordneten Erregermagneten 30 .Fig. 6 shows a cross section through the described before Rotor with the exciter magnets arranged uniformly in the pitch circle 30th

Die Spulen 31 der Erregermagnete werden von Drehstrom mit den drei Phasen R,S,T durchflossen. Je vier der zwölf Erregermagnete werden symmetrisch εη eine Phase angeschlossen. Die Beispiele gemäß Fig. 2 und 5 zeigen 12 Erregermagnete und 12 Magnete in der Rotorscheibe. Ausführungen mit 6 oder 24,48 etc. Magnetpaaren sind aufgrund der Scheibengrößen und -ausgestaltung möglich. Die Halterung und Zentrierung der Erregermagnete 30 erfolgt durch die Teile 32 bzw. 33. Die Fig. 7 veranschaulicht in einem Teilschnitt durch den Teilkreis der Magnete 2 in der Scheibe 1 die allgemein bekannte Wirkungsweise eines Synchron-Elektromotors und G enerators.The coils 31 of the exciter magnets are of three-phase current with the three Phases R, S, T flowed through. Four of the twelve excitation magnets are each symmetrically εη one phase connected. The examples according to Figs. 2 and 5 show 12 excitation magnets and 12 magnets in the rotor disk. Versions with 6 or 24, 48 etc. magnet pairs are due the pane sizes and design possible. The excitation magnets 30 are held and centered by the parts 32 and 33. Fig. 7 illustrates in a partial section through the pitch circle of the magnets 2 in the disc 1 the well-known operation of a synchronous electric motor and Generators.

In der Fig. 8 ist ein Energiewandler nach dem Prinzip der vorliegenden Erfindung mit fremderregten Rotormagneten gezeigt. Anstelle der Permanentmagneten 2 sind Weicheisenmagmete mit Kern 35 und Erregerspule 36 eingebaut. Der Erregerstrom für die8 shows an energy converter based on the principle of the present invention Invention shown with separately excited rotor magnets. Instead of the permanent magnets 2, soft iron magnets are provided Core 35 and excitation coil 36 installed. The excitation current for the

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- 10 - 8774- 10 - 8774

Spulen 36 wird durch einen Generator 40 mit dem Rotormagneten 41 und dem Erregermagneten 42 erzeugt. Der Erregergenerator 40 auf dem Wellenstumpf des Rotorkörpers 1 arbeitet nach demselben Prinzip wie der Rotor im Generatorbetrieb.Coils 36 are generated by a generator 40 with the rotor magnet 41 and the excitation magnet 42 is generated. The exciter generator 40 on the stub shaft of the rotor body 1 works on the same principle like the rotor in generator mode.

Vom Generator 40 wird der Erregerwechselstrom über den Leiter 43 zur Gleichrichtereinheit 44 geführt. Der gleichgerichtete Erregerstrom fließt über den Leiter 39 zu den Spulen 36.The alternating excitation current is supplied by the generator 40 via the conductor 43 to rectifier unit 44. The rectified excitation current flows to the coils 36 via the conductor 39.

In der Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem der Metallkörper des Rotors 1 aus einer Vollscheibe 45 besteht, die als hyperbolische Scheibe ausgeführt ist. Durch diese Ausgestaltung weist sie eine hohe Energiedichte auf. Bei so einer Scheibe ist die Radialzugspannung gleich der Tangentialzugspannung. In solcherweise ausgestalteten Scheiben 45 sind wiederum gleichmäßig am Umfang verteilt Magnete 2 eingesetzt und Kohlefaserwicklungen aufgebracht. Bei hyperbolischen Vollscheiben sind neben Titanlegierungen auch hochfeste Aluminiumlegierungen geeignet für den Metallkörper 45 in Verbindung mit der Kohlefaserwicklung 3.In Fig. 9, an embodiment is shown in which the Metal body of the rotor 1 consists of a solid disk 45, which is designed as a hyperbolic disk. Through this design it has a high energy density. With such a disk, the radial tensile stress is equal to the tangential tensile stress. In Such disks 45 are in turn evenly distributed around the circumference magnets 2 and carbon fiber windings are used upset. In the case of hyperbolic solid disks, high-strength aluminum alloys are also suitable for the in addition to titanium alloys Metal body 45 in connection with the carbon fiber winding 3.

Bei einer hyperbolischen Vollscheibe aus Stahl muß die Faserwerkstoffwicklung 3 aus einer Kohlefaser- oder Borfadenwicklung mit dem doppelten Ε-Modul von Stahl bestehen.. Die Rotormagnete selbst sind in nichteisenhaltigen, hochdruckfesten Buchsen 55 zu lagern, um einen Magnetfluß in die Stahlscheibe zu verhindern.In the case of a hyperbolic solid disk made of steel, the fiber material winding must 3 consist of a carbon fiber or burr thread winding with the double Ε module of steel. The rotor magnets themselves are to be stored in non-ferrous, high-pressure-resistant sockets 55, to prevent magnetic flux into the steel disc.

Zwei Scheiben mit dem E-förmigen Statormagneten 56 und der Wicklung 57 können sowohl eine Energiewandlereinheit als auch gleichzeitig durch das hohe Energiespeicher vermögen der hyperbolischen Vollscheiben 45 eine Energiespeichereinheit darstellen. Die Verbindung der Scheiben 45 erfolgt durch die Bolzen 54 und die Zentrier- und Bolzenaufnahmeringe 48,49. Die Kohlefaserwicklungen 50,51 verhindern einen Bruch der Titanringe 48,49. Der Raum über diesen Ringen kann für zusätzliche Energiespeicherung - wie durch die Kohlefaserwicklungen 52,53 dargestellt - ausgenützt werden.Two disks with the E-shaped stator magnet 56 and the winding 57 can be both an energy converter unit and at the same time due to the high energy storage capacity of the hyperbolic Solid disks 45 represent an energy storage unit. The connection of the disks 45 is made by the bolts 54 and the centering and bolt receiving rings 48,49. Prevent the carbon fiber windings 50.51 a breakage of the titanium rings 48,49. The space above these rings can be used for additional energy storage - such as through that Carbon fiber windings 52,53 shown - are exploited.

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- 11 - 8774- 11 - 8774

In der Fig. 10 ist ein Magnetradiallager dargestellt. Der Lagerrotor aus den Teilen 60,61,62,63 dreht berührungslos zwischen den Statormagneten 64,65. Um die Wirbelstromverluste klein zu halten, besteht der Rotor aus den Eisenlamellen 61, die durch den Titanring 60 zentriert und durch die Isolation 62 voneinander getrennt sind. Zum Erreichen der erforderlichen Magnetkräfte oder um auch die Magnetkräfte möglichst klein zu halten, ist eine entsprechend große Umlauffläche der Lamellen 61 notwendig. Die im hochdrehenden Rotor zwischen den Lamellen auftretenden Tangentialkräfte werden durch die Faserwicklung 63 aus Kohlenstoff oder Borfaden aufgenommen.A magnetic radial bearing is shown in FIG. 10. The bearing rotor from the parts 60,61,62,63 rotates without contact between the stator magnets 64,65. To make the eddy current losses small too hold, the rotor consists of the iron lamellas 61, which are centered by the titanium ring 60 and by the insulation 62 from each other are separated. To achieve the required magnetic forces or in order to keep the magnetic forces as small as possible, a correspondingly large circumferential surface of the lamellae 61 is necessary. the Tangential forces occurring in the high-speed rotor between the lamellae are taken up by the fiber winding 63 made of carbon or boron thread.

Die Fig. 11 zeigt einen Schnitt durch den Rotor nach Fig. 10. In den Fig. 12 und 13 werden kombinierte Axial-Radialmagnetlager sowie Axialmagnetlager gezeigt. Für diese Ausführungsformen ist ein Aufbau der Wicklung aus einem dünnen Weicheisenband und einem Kohlefaser- bzw. Borfadenwerkstoffband kennzeichnend, die gemeinsam auf dem Ring 66 bzw. 71 aufgewickelt sind. Die vorgenannten Bänder isolieren das Weicheisenband und nehmen zusätzlich die Tangentialkräfte aus den rotierenden Massen des Weicheisenbandes und des Faser- bzw. Fadenwerkstoffs auf.11 shows a section through the rotor according to FIG. 10. In FIGS. 12 and 13, combined axial-radial magnetic bearings as well as axial magnetic bearings are shown. For these embodiments is a structure of the winding from a thin soft iron strip and a carbon fiber or boron thread material strip characterizing the common are wound on the ring 66 and 71, respectively. The aforementioned bands isolate the soft iron band and take additional the tangential forces from the rotating masses of the soft iron strip and the fiber or thread material.

Beim kombinierten Axial-Radiallager sind zwei Weicheisenbandwicklungen 67 aufgebracht, die durch eine Faserwerkstoffwicklung oder einen Luftspalt 69 getrennt sind, wodurch ein Magnetfluß vom Magneten 70 zum gegenüberliegenden Magneten 70 unterbunden wird.The combined axial-radial bearing has two soft iron strip windings 67 applied, which are separated by a fiber material winding or an air gap 69, whereby a magnetic flux from Magnet 70 to the opposing magnet 70 is prevented.

Beim Axiallager nehmen die Deckscheiben 74 die Biegespannungen aus den Axialmagnetkräften auf. Die Deckscheiben aus Titanlegierung weisen zur Aufnahme der Biegemomente und Spannungen aus Rotation eine hyperbolische Außenkontur auf.In the case of the axial bearing, the cover disks 74 take the bending stresses from the axial magnetic forces. The cover disks made of titanium alloy have a hyperbolic outer contour to absorb the bending moments and stresses from rotation.

In der Fig. 14 ist außerdem die Induktion B1 im Magnet 75 und die InduktiiIn FIG. 14 there is also the induction B 1 in the magnet 75 and the induction

stellt.represents.

Induktion B im Weicheisenband der Wicklungen 67 bzw. 72 darge-Induction B in the soft iron strip of windings 67 and 72 shown

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- 12 - ' 877^- 12 - '877 ^

Eine Übertragung der Erfindung auf eine Energiewandlereinheit in Form einer Schwungradhohlwalze 81 zeigt die Fig. 15, wobei der Einbau des Rotors 82 nach der Erfindung gezeigt ist. Der E-förraige Statormagnet 84 ist in einem mit Kühlrippen versehenen Gehäuse gelagert. Eine Abdeckung 92 ermöglicht die Führung von Kühlluft oder Kühlflüssigkeit in den Ringkanälen 93- Die Rotationskörper 81, 82 sind in berührungsfreien Radialmagnetlagern 83 gelagert. Die Radialmagnetkräfte werden durch den Magneten 85 erzeugt. Durch die Ausführung der Lamellen 83 und der zusätzlichen Erregermagnete 86 dient das Radiallager auch als Axiallager.A transfer of the invention to an energy converter unit in The form of a flywheel hollow roller 81 is shown in FIG. 15, the installation of the rotor 82 according to the invention being shown. The E-shaped Stator magnet 84 is in a housing provided with cooling fins stored. A cover 92 enables cooling air or cooling liquid to be guided in the annular channels 93 - the rotating bodies 81, 82 are mounted in contact-free radial magnetic bearings 83. the Radial magnetic forces are generated by the magnet 85. Due to the design of the lamellae 83 and the additional exciter magnets 86, the radial bearing also serves as an axial bearing.

Das zylindrische Gehäuse 89, welches die im Vakuum laufende Schwungrad-Hohlwalze 81 aufnimmt, besteht aus hochfester Alu-Legierung mit Integralrippen, um ausreichende Stabilität gegen Außen-druck bei minimalem Gewicht zu gewährleisten.The cylindrical housing 89, which accommodates the flywheel hollow roller 81 running in a vacuum, is made of high-strength aluminum alloy with integral ribs to ensure sufficient stability against external pressure with minimal weight.

Die Schulterrollenlager 87 dienen als Notauflager bei einem evtl. Ausfall der Magnetlager. Die Lagerbuchsen mit dem Federdämpfungselement 88 aus Gummi müssen so aufgelegt sein, daß sich das System fast ausschließlich im überkritischen Drehzahlbereich befindet.The shoulder roller bearings 87 serve as emergency supports in the event of a possible Failure of the magnetic bearings. The bearing bushes with the spring damping element 88 made of rubber must be placed in such a way that the system is almost exclusively in the supercritical speed range.

Die extrem hohe Leistung, die der vorgeschlagene Energiewandler bei Höchstdrehzahlen aufweist, erschließt ihm neuartige Anwendungsmöglichkeiten sowohljauf dem zivilen als auch auf dem militärischen Sektor. Hochleistungsstoßgeneratoren nach dem hier vorgeschlagenen Prinzip können aufgrund ihres hohen Energie/Gewicht- und Leistung/Gewicht-Verhältnisses Anwendung auf dem Gebiet der Kernfusion und der Laserwaffentechnik finden. Als Antriebssystem für Fahrzeuge ist es Batterieantrieben hinsichtlich Leistung bei Energieaufnahme und Abgabe weit überlegen.The extremely high performance that the proposed energy converter has at maximum speeds opens up new application possibilities for it in both the civil and military sectors. High-performance surge generators according to the one proposed here Principle can, due to their high energy / weight and power / weight ratio, be used in the field of Find nuclear fusion and laser weapon technology. As a drive system for vehicles it is battery drives in terms of performance Energy absorption and output far superior.

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Claims (1)

PATENTANSPRÜCHEPATENT CLAIMS Schwungrad-Energiespeicher mit einem zur Energiewandlung sich extrem schnell drehenden Synchronscheibenrotor und einem Axial- und/oder Radialmagnetlager, bestehend aus einem sich extrem schnell drehenden Rotationskörper zur Erzeugung von axial und/oder radial wirkenden Magnetkräften, dadurch gekennzeichnet , daß zylindrische Permanentmagnete (2) oder Weicheisenmagnete (35) mit Erregerspule (36) in gleichmäßig über den Umfang von Metallscheiben M) verteilte axiale Bohrungen (1a) eingepreßt sind, wobei die MetalIscheibe(η) (1) am Umfang mit einer Wicklung (3) aus Faserverbundwerkstoff versehen ist und das oder die Magnetlager (100,101,102) mit Faserverbundwerkstoff-Wicklungen (63, 68, 73) versehen sind.Flywheel energy storage device with an extremely fast rotating synchronous disk rotor for energy conversion and an axial and / or radial magnetic bearing, consisting of an extremely fast rotating body of revolution for generating of axially and / or radially acting magnetic forces, characterized in that cylindrical permanent magnets (2) or soft iron magnets (35) with excitation coil (36) pressed into axial bores (1a) evenly distributed over the circumference of metal disks M) are, the metal disc (η) (1) on the circumference with a Winding (3) made of fiber composite material is provided and that or the magnetic bearings (100,101,102) with fiber composite material windings (63, 68, 73) are provided. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß der Werkstoff der Scheibe (1) des Synchronscheibenrotors aus Titanlegierungen und die Wicklungen (3) der Scheiben aus Kohlenstoff-Fasern oder Borfäden bestehen.Energy storage device according to claim 1, characterized in that g e k e η η ζ e i c h η e t that the material of the disc (1) des Synchronous disc rotor made of titanium alloys and the Windings (3) of the discs made of carbon fibers or Boring threads exist. 1212th 130065/0366130065/0366 NACHOEREICHTSUBMITTED 30263333026333 - 2 - ; 8774- 2 -; 8774 3. Energiespeicher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß bei Einscheibenausführung des Synchronscheibenrotors U- bzw. C-förmige und bei Doppelscheibenausführung E-förmige Weicheisenmagnete (30) mit Erregerspule (31) die Scheiben (1) mit Faserwerkstoffwicklung (3) und Magneten (2,35) umfassen.3. Energy storage device according to Claims 1 and 2, characterized in that the single-pane design of the synchronous disk rotor U- or C-shaped and, in the case of double-disk design, E-shaped soft iron magnets (30) with the excitation coil (31) the discs (1) with fiber material winding (3) and magnets (2.35). 4. Energiespeicher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Synchronscheibenrotor bei Motorbetrieb als Rotor eines Elektrosynchronmotors arbeitet, wobei mit Hilfe der Wechselstromsynthese durch Leistungstransistoren ein mit dem Rotor synchron laufendes Magnetfeld in den Erregermagneten (39) erzeugt wird und bei Generatorbetrieb die umlaufenden Magnete (2,35) eine elektrische Spannung in den Spulen (31) der Weicheisenmagnete (39) erzeugen.4. Energy store according to claims 1 to 3, characterized in that the synchronizing disk rotor works as the rotor of an electric synchronous motor when the motor is running, with the help of alternating current synthesis Power transistors a magnetic field running synchronously with the rotor is generated in the exciter magnet (39) and at The rotating magnets (2.35) are operated as a generator generate electrical voltage in the coils (31) of the soft iron magnets (39). 5. Energiespeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Scheibe (1) des Rotors als Vollscheibe (45) mit hyperbolischer Kontur ausgebildet ist.5. Energy store according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the disk (1) of the rotor is a solid disk (45) with a hyperbolic contour is trained. 6. Energiespeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Vollscheiben (45) zu einem Scheibenpaar zusammengefaßt sind und durch die mit Faser- oder Fadenwerkstoffwicklungen (50,51) versehenen Scheibenzentrier- und Bolzenaufnahmeringe (48,49) verbunden sind.6. Energy store according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that two solid disks (45) are combined to form a pair of disks and due to the fiber or thread material windings (50,51) provided washer centering and bolt receiving rings (48,49) are connected. 130065/0366130065/0366 Energiespeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Rotationskörper des Radial-Magnetlagers (100) aus Weicheisenlamellen (61) besteht, welche radial um eine Nichtmetallbuchse (60) angeordnet und durch isolierende Epoxidharz getränkte Glasoder Kohlestoff-Faserprepregplatten (62) verbunden und mit einer Faser- oder Fadenwerkstoffwicklung (63) versehen sind.Energy store according to one or more of Claims 1 to 6, characterized in that the rotary body of the radial magnetic bearing (100) made of soft iron lamellas (61), which is arranged radially around a non-metal bushing (60) and is impregnated with insulating epoxy resin or glass Carbon fiber prepreg sheets (62) connected and with a fiber or thread material winding (63) are provided. Energiespeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet , daß bei einem kombinierten Axial- und Radialmagnetlager (1C1) ein Weicheisenband zusammen mit einem Kohlefaser- oder Borfadenband und Epoxidharzkleber in zwei gleiche Wicklungen (67) getrennt durch einen Luftspalt oder eine Isolier faser- oder Fadenwicklung (69) auf die Metallbuchse (66) aufgebracht und mit einer Abschlußwicklung (68) aus Kohlefaser- oder Borfadenband versehen wird und die beiden Wicklungen (67) seitlich mit symmetrischen Phasen zur Erzielung der gewünschten Magnetkraft und Kraftrichtung versehen sind.Energy store according to one or more of Claims 1 to 7, characterized in that in a combined Axial and radial magnetic bearings (1C1) a soft iron tape together with a carbon fiber or boron thread tape and epoxy resin adhesive in two identical windings (67) separated by an air gap or an insulating fiber or thread winding (69) applied to the metal sleeve (66) and with a final winding (68) is made of carbon fiber or burr thread tape and the two windings (67) laterally with symmetrical Phases to achieve the desired magnetic force and direction of force are provided. Energiespeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 8 , dadurch gekennzeichnet , daß bei einem Axial-Magnetlager (102) eine Wicklung (72) aus einem Kohlefaseroder Borfadenband mit Epoxidharzkleber auf die Buchse (71) aufgebracht und mit einer Abschlußwicklung (73) aus den gleichen Materialien versehen wird und auf die parallelen Seitenflächen Scheiben (71O mit hyperbolischer Außenkontur aus Titanlegierung mit Epoxidharz aufgeklebt sind.Energy storage device according to one or more of Claims 1 - 8, characterized in that, in the case of an axial magnetic bearing (102), a winding (72) made of a carbon fiber or boron thread tape with epoxy resin adhesive is applied to the socket (71) and with a final winding (73) from the The same materials are provided and discs (7 1 O with a hyperbolic outer contour made of titanium alloy with epoxy resin are glued to the parallel side surfaces. 130065/0366130065/0366
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