DE69525861T2

DE69525861T2 - Vorrichtung zum Speichern und Umwandeln von Energie

Info

Publication number: DE69525861T2
Application number: DE69525861T
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Martin Barker; Ian Crombie; David Stephen Hayward; Roger Eric Horner; Colin David Tarrant
Original assignee: Urenco Capenhurst Ltd
Current assignee: Urenco Capenhurst Ltd
Priority date: 1994-08-08
Filing date: 1995-08-02
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2015-08-03
Also published as: DE69525067D1; PL318556A1; EP0821463B1; EP0775382A2; JPH10504439A; EP0821463A2; PT821462E; EP0821462A3; DE69526869T2; JP2004096989A; DE69508406D1; EP0775382B1; AU3183795A; ES2177897T3; ATE214523T1; ATE212157T1; WO1996005646A2; EP0821464A3; DE69525067T2; CN1158674A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Speichern und Umwandeln von Energie und insbesondere auf eine Vorrichtung, in der ein zylindrischer Rotor durch einen Stator innerhalb des Rotors angetrieben wird, um Energie als kinetische Energie des Rotors zu speichern, und in der dem Rotor Energie entzogen werden kann, wenn der Stator und der Rotor als ein Generator wirken.
Die Vorrichtung der vorgenannten Art zum Speichern und Umwandeln wurde bereits in einigen der früheren Patentschriften des vorliegenden Anmelders beschrieben. Bei dem Aufbau einer solchen Vorrichtung ist es notwendig, einen Rotor mit einer bedeutenden Menge an Masse, jedoch auch mit einer ausreichenden Festigkeit vorzusehen, um den zentrifugalen Kräften, die im Betrieb auftreten, zu widerstehen. Die US 5 065 060 A offenbart eine Vorrichtung zum Speichern und Umwandeln von Energie, in der der Rotor aus einem gewickelten Klavierdraht gefertigt ist, es ist jedoch angegeben, dass verstärktes Glas oder Kohlenstofffasern oder hochverschleißfester Stahl auch verwendet werden können. Die US-A-4 860 611 A bespricht geeignete Schwungradmaterialien im Hinblick darauf, radiale und Umfangsspannungen, die durch hohe Drehgeschwindigkeiten erzeugt werden, zu minimieren, und sie empfiehlt die Verwendung einer Kombination von Ringschichten aus verschiedenen Fasern als eine Funktion des Radius. Insbesondere offenbart die US '611 einen Schwungradrotoraufbau, beinhaltend einen doppelt ringförmigen Verbundring, aufweisend einen äußeren Verbundring aus Kohlenstofffaser und einen inneren S2-Glasring.
Der Anmelder hat jedoch seine Vorrichtung zum Speichern und Umwandeln von Energie weiter entwickelt, und als Ergebnis hat er eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung entworfen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Speichern und Umwandeln von Energie zur Verfügung gestellt, aufweisend
ein Containment bzw. eine Einkapselung, das eine Vakuumkammer abgrenzt,
eine im Wesentlichen vertikale Welle innerhalb der Vakuumkammer,
einen Stator auf der Welle, und
einen zylindrischen Rotor, der im Betrieb von dem Stator angetrieben wird, um Energie als kinetische Energie des Rotors zu speichern und der zusammen mit dem Stator als ein Generator wirkt, um Energie freizusetzen,
dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor eine Innenschicht aus Glasfaser und eine Außenschicht aus Kohlenstofffaser aufweist, wobei die Dicke der Innenschicht etwa zwei Drittel der Dicke des gesamten Rotors beträgt.
Stärker bevorzugt ist die Innenschicht ein Glasfaser-Verbundmaterial bzw. -Komposit und die Außenschicht ein Kohlenstofffaser-Verbundmaterial bzw. -Komposit. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Glasfaser-Verbundstoff E- Glas.
Da keine festen metallischen Komponenten in dem Rotor enthalten sind, was im starken Gegensatz zu den meisten Vorrichtungen des Stands der Technik, anders als bei der Vorrichtung des vorliegenden Anmelders, steht, ist die Wahrscheinlichkeit geringer, dass ein Versagen des Rotors und das sich daraus ergebende Herumfliegen von Trümmern bzw. Teilchen zu einem Bruch des Containments der Vorrichtung führt. In der Tat kann durch die Verwendung eines Rotors aus einem Glas-/Kohlenstofffaser-Verbundstoff und die Gestaltung eines Endverschlusses bzw. einer Endkappe bzw. einer Kappe aus Kohlenstofffaser, der sich eng um die zentrale Weile dreht, der Rotor sogar in einer Situation des Aufprallens im Wesentlichen intakt bleiben.
Durch Herstellen eines Rotors, dessen Dicke der Innenschicht etwa zwei Drittel der Dicke des gesamten Rotors beträgt, hat der Rotor eine bedeutende Menge an Masse, die durch den Glasverbundstoff geschaffen wird, und doch wird er während des Drehens des Rotors durch die starke Außenschicht des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs zusammengehalten. Wenn man dies bedenkt, kann sich der Rotor zum Beispiel mit zwischen etwa 1.200 Hz und 1.800 Hz drehen.
Vorzugsweise enthält die Innenschicht des Rotors ein Material, das magnetisiert ist, um im Betrieb eine mehrpolige Magnetisierung zur Wechselbeziehung bzw. -wirkung mit dem Stator zu bilden. Genauer beinhaltet die Innenschicht vorzugsweise einen Ring von alternierenden Nord- und Südpolen, die es dem Stator, der eine Anzahl von Polen aufweist, die durch den Statorkern mit Wicklungen auf diesem erzeugt werden, ermöglichen, den Rotor anzutreiben, um Energie zu speichern.
Des Weiteren kann die Innenschicht des Rotors ein Material aufweisen, das magnetisiert ist, um zumindest eine gleichpolige radiale Magnetisierung zur Wechselwirkung mit einem auf der Welle angebrachten Magneten zu bilden, um ein Lager für den Rotor zu schaffen. Wie oben angegeben, kann eine Anzahl an gleichpoligen radialen Magnetisierungen vorgesehen sein, was zu einem verbesserten Lager führt, das dem Rotor ein Maß an Auftrieb verschafft. Die Anordnung kann auch ein axiales magnetisches Lager bzw. Drucklager beinhalten, das gegen die Bodenfläche des Rotors wirkt, wodurch weiter das Maß an Auftrieb des Rotors verbessert wird.
Das magnetisierte Material ist vorzugsweise ein Pulver, das bei der Herstellung in die Innenschicht des Rotors eingebracht wurde. Das Pulver kann Ferrit oder NdFeB sein. Jedes andere geeignete Material könnte natürlich alternativ verwendet werden.
Die inneren und äußeren Schichten sind vorzugsweise dehn- bzw. spannungsangepaßt, um eine Trennung während des Betriebs zu verhindern.
Das magnetisierte Material erstreckt sich vorzugsweise von der Innenfläche der Innenschicht etwa halb durch die Innenschicht. Die Tiefe des magnetisierten Materials kann natürlich geändert werden, um den Anforderungen einer besonderen Rotor/Stator-Konfiguration zu entsprechen.
Der Rotor kann von der Welle über einen Endverschluss bzw. einer Endkappe bzw. einer Kappe getragen werden, der sich an dem oberen Ende des zylindrischen Rotors befindet, der mit der Welle im Eingriff ist.
Durch Aufhängen des Rotors von der Welle um den Stator ergibt sich eine sehr saubere, kompakte und zuverlässige Vorrichtung zum Speichern und Umwandeln von Energie.
In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet der Endverschluss ein zentrales Zapfenlager, das auf das obere Ende der Welle wirkt. Das Zapfenlager beinhaltet vorzugsweise einen im Wesentlichen kugelförmigen Kopf.
Stärker bevorzugt ist das Zapfenlager ein kugelförmiges, hydrodynamisches Zapfenlager mit spiralförmigen Nuten. Das Zapfenlager kann aus Stahl gebildet sein, wobei die spiralförmige Nut in die Oberfläche des kugelförmigen Kopfes geätzt ist.
Durch Verwendung eines kugelförmigen Zapfenlagers mit spiralförmiger Nut können hohe axiale Lasten mit nur sehr geringen Reibungsverlusten aufgenommen werden. Im Gegensatz dazu verwenden normale Vorrichtungen des Stands der Technik zum Speichern und Umwandeln von Energie entweder herkömmliche Rollenlager, was zu hohen Reibungsverlusten führt, oder elektromagnetische Lager, die kompliziert, teuer und möglicherweise nicht zuverlässig sind.
Das Zapfenlager wird vorzugsweise in einer Lagerschale, die in einem Dämpfer am Ende der Welle angebracht ist, aufgenommen. Stärker bevorzugt beinhaltet der Dämpfer Öl, das auch dahingehend wirkt, das Zapfenlager zu schmieren.
Der Endverschluss kann aus einem Verbundmaterial, wie zum Beispiel einem Kohlenstofffaser-Verbundstoff, Aluminium, martensiaushärtbarem Stahl oder irgendeinem anderen geeigneten Material, gebildet sein.
In einer Ausführungsform wird der Endverschluss in dem oberen Ende des zylindrischen Rotors durch einen Reibsitz aufgenommen. Alternativ kann der Endverschluss physikalisch durch jedes geeignete Mittel mit dem zylindrischen Rotor zusammengefügt werden.
Ein Magnetlager wird vorzugsweise zum unteren Ende des Rotors hin vorgesehen, um das Positionieren des Rotors relativ zu dem Stator zu unterstützen. Das Magnetlager ist vorzugsweise eine Dauermagnetlager, das zwischen der Welle und dem Rotor wirkt. Alternativ kann das Magnetlager ein Elektromagnetlager sein.
Wenn ein Dauermagnetlager verwendet wird, werden vorzugsweise kreisförmige Ringe mit Nord- und Südpolen auf der inneren Oberfläche des Rotors und auf der Welle vorgesehen, so dass sich die gegenüberliegenden Pole abstoßen. Wenn eine solche Anordnung verwendet wird, wird der Rotor außer Berührung mit dem Stator gehalten und kann, wenn die Anordnung, die Anzahl und die Position der Pole sorgfältig ausgewählt werden, das Heben des Rotors leicht unterstützen, um den Druck des Zapfenlagers zu verringern.
In einer anderen Ausführungsform kann ein Magnetlager von unten auf das untere Ende des zylindrischen Rotors wirken, um das Heben des Rotors zu unterstützen.
Es kann ein Grundelement vorgesehen sein, wobei das Containment auf dem Grundelement angebracht ist, und wobei die Welle an dem Grundelement angebracht ist, so dass im Fall eines Versagens der Vorrichtung die in dem Rotor gespeicherte Energie vorzugsweise eher zur Welle als zu dem Containment übertragen wird.
Durch Vorsehen einer Vorrichtung dieser Art werden Drehmomentkräfte, die sich aus einem aufprallenden Rotor ergeben, nicht alle auf dem Maschinencontainment auftreffen, wie es in vielen Systemen des Stands der Technik zum Speichern und Umwandeln von Energie mit Schwungrad der Fall ist. Statt dessen werden die Drehmomentkräfte über den Stator auf die zentrale Welle und von der Welle entweder direkt zur Grundplatte der Maschine übertragen oder in einer Reibverbindung auf der Welle verteilt bzw. verbraucht (zum Beispiel zwischen dem Motor/Generator und der Welle). Das Containment kann daher eine verringerte Wanddicke aufweisen, als sie normalerweise nötig ist, um einer so hohen Energiedissipation bzw. -aufnahme zu widerstehen.
Vorzugsweise ist der Abstand zwischen dem Rotor und dem Stator auf der Welle im Wesentlichen kleiner als der Abstand zwischen dem Rotor und dem Containment. Durch diese Anordnung wird sichergestellt, dass, wenn ein Rotor versagt, er zunächst eher auf die Stator/Wellen-Einheit als auf die Containmentwand aufprallt. Daher wird Energie sofort nach Versagen der Vorrichtung auf das Grundelement übertragen oder in der Reibverbindung auf der Welle zerstreut bzw. auf dieser verteilt.
Das Grundelement kann eine Ausnehmung beinhalten, um ein Ende der Welle aufzunehmen, wobei die Welle mit einem engen Sitz in der Ausnehmung aufgenommen ist. Andere Arten des Eingriffs der Welle mit dem Grundelement können natürlich alternativ verwendet werden (zum Beispiel eine Reibverbindung zur Energiedissipation).
Vorzugsweise ist die Welle aus einem Aluminium mit hoher Festigkeit gebildet. Jedes andere geeignete Material könnte alternativ verwendet werden.
Vorzugsweise ist die Welle hohl, um ein Zapfenlager zum Tragen des Rotors aufzunehmen. Die Welle kann jedoch einfach eine Ausnehmung in ihrem oberen Ende aufweisen, um das Zapfenlager aufzunehmen, anstatt völlig hohl zu sein.
Das Grundelement ist vorzugsweise so gestaltet, dass es an einem Träger angebracht werden kann, der eine bedeutende Masse aufweist, die zuverlässig Energie von dem Rotor zerstreut, falls nötig.
Obwohl dies für die Verwirklichung der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich ist, beträgt die Länge des Rotors vorzugsweise mindestens zweimal dem Außendurchmesser des Rotors. Wenn diese Erfordernis erfüllt ist, ist jedoch eine hohe, relativ dünne Einheit geschaffen, die eine erhebliche Länge der Welle pro Masse des Rotors beinhaltet. Dadurch kann sich eine sicherere Vorrichtung ergeben. Des Weiteren kann durch Bilden einer hohen, relativ dünnen Einheit eine größere Anzahl an Einheiten in jedem gegebenen Bodenbereich untergebracht werden, als es mit der bekannten Vorrichtung des Stands der Technik der Fall ist.
Wie oben erwähnt, kann ein Endverschluss des Rotors, der vorzugsweise ein Zapfenlager beinhaltet, das Aufhängen des Rotors auf der Welle unterstützen.
Vorteilhafterweise ist eine Vorrichtung zum Speichern und Umwandeln von Energie zur Verfügung gestellt, aufweisend:
eine Vielzahl von Statoren und
eine entsprechende Vielzahl von zylindrischen Rotoren, die so angeordnet sind, dass sie sich um die Statoren drehen,
wobei die Containmentvorrichtung eine Vielzahl von Kammern innerhalb einer einheitlichen Struktur abgrenzt bzw. definiert, in der die Statoren und Rotoren untergebracht sind.
Soweit der Anmelder weiß, wurde nie zuvor eine einzige Struktur, die eine Vielzahl von Vorrichtungseinheiten zum Speichern und Umwandeln von Energie unterbringt, vorgeschlagen.
Die einheitliche Struktur weist vorzugsweise eine Struktur vom wabenförmigen Typ auf, in der eine Vielzahl von zylindrischen Kammern gleichmäßig angeordnet ist.
Vorzugsweise sind in jeder Kammer ein einziger Stator und ein entsprechender Rotor untergebracht. In einer einzigen Kammer können jedoch unter manchen Umständen mehr als eine Stator/Rotor-Einheit untergebracht sein.
Die Vorteile einer solchen wabenförmigen Anordnung in einer einzigen Einheit bestehen darin, dass eine größere Anzahl an Rotoren in dem kleinsten möglichen Bereich untergebracht werden kann, da die Rotoren gemeinsame Containmentwände teilen, und diese Wände, die in der Struktur innen liegen, müssen nicht so dick sein, wie es in einer einzigen Maschine nötig wäre, da ein Bruch von einer Rotorkammer zu einer anderen kein Personal gefährden würde. Des Weiteren reicht die übliche Masse einer einheitlichen Struktur dieser Größe aus, die kinetische Energie eines aufprallenden Rotors ohne spezielle Verbolzungsanordnungen zu absorbieren.
Die einheitliche Struktur kann so hergestellt werden, dass sie irgendeine Anzahl von Rotoren beinhaltet, und zwar abhängig von den Erfordernissen der gesamten Energiespeicherung der Anwendung. Die für Erläuterungszwecke gezeigte Anordnung enthält 37 Kammern.
Die einheitliche Struktur kann aus einer Vielzahl von Extrusionserzeugnissen gebildet sein, die auf Länge geschnitten und miteinander verschweißt wurden. Wenn die einheitliche Struktur auf diese Weise gebildet wird, wird vorzugsweise eine Mindestanzahl an verschieden geformten Extrusionserzeugnissen verwendet, um die gesamte einheitliche Struktur zu erzeugen. Beispielhaft ist eine Struktur erläutert, die nur drei verschiedene Extrusionstypen verwendet.
Vorzugsweise wird jede Kammer von einem Endflansch, der ein Einwegventil inkorporiert, verschlossen. Obwohl jede Kammer mit einer separaten Vakuumpumpe versehen sein kann, ist es vorzuziehen, dass die einheitliche Struktur in einer gemeinsamen Vakuumkammer ummantelt ist, so dass die gemeinsame Vakuumkammer ausgepumpt werden kann, was dazu führt, dass in jeder Rotorkammer ein Vakuum erzeugt wird. Im Fall eines Aufpralls eines einzigen Rotors in der einheitlichen Struktur verursacht die sofortige Freisetzung von leichten Gasen von dem Rotormaterial und der anschließende Druckanstieg in der Rotorkammer das Schließen des Einwegventils, wodurch diese Kammer von den anderen Kammern in der Struktur isoliert wird und die Unversehrtheit der verbleibenden Rotoren erhalten bleibt.
Obwohl die einheitliche Struktur aus Aluminium gefertigt werden kann, kann natürlich jedes andere geeignete Material alternativ verwendet werden.
Ein gemeinsames Kühlsystem kann für alle Statoren und Rotoren der gesamten Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Dies wird im Gegensatz zu separaten Kühlsystemen für jede Stator/Rotor-Einheit klar bevorzugt.
Vorzugsweise beinhaltet die Containmentvorrichtung ein Getter zum Entfernen von Gas aus den Kammern, um das Vakuum zu verbessern. Getters auf Basis von Silizium oder Kohlenstoff sind die bevorzugte Wahl hierfür.
Jede Stator- und Rotoreinheit kann vorzugsweise bis zu 20 kWh (kWhr), stärker bevorzugt etwa 5 kWh (kWhr), Energie speichern.
Obwohl dies bisher nicht spezifisch angegeben wurde, sollte klar sein, dass jedes der Merkmale der verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung, die hier beschrieben wird, mit jedem anderen Aspekt kombiniert werden kann, um eine Vorrichtung zum Speichern und Umwandeln von Energie herzustellen, die sowohl neuartig als auch erfinderisch gegenüber des bekannten Stands der Technik ist.
Des Weiteren kann in einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Speichern und Umwandeln von Energie ein äußerer Kreislauf vorgesehen sein, durch den Gase in dem Containment durch einen Druckunterschied angetrieben bzw. mitgenommen werden, wobei der äußere Kreislauf eine Vorrichtung zum Entfernen von Gas beinhaltet, wodurch das Vakuum innerhalb des Containment verbessert wird.
Außerdem kann die Geschwindigkeit eines Rotors gemessen werden, um eine Ausgabe zu schaffen, die die in dem Rotor gespeicherte Energie anzeigt. Stärker bevorzugt ist eine sichtbare Ausgabe vorgesehen, die die von der Vorrichtung erhältliche Energie in Echtzeit angibt.
In einer besonderen Ausführungsform kann die Geschwindigkeit des Rotors gemessen werden, indem die Umschaltfrequenz der Motor/Generator-Leistungselektronik überwacht wird.
Spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Speichern und Umwandeln von Energie ist,
Fig. 2 eine schematische seitliche Querschnittsansicht der Innenschicht eines Rotors ist, der etwas verkürzt ist und der in einer Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, verwendet werden könnte;
Fig. 3 eine Ansicht in Richtung A-A des Rotors von Fig. 2 ist;
Fig. 4 die gleiche Ansicht wie in Fig. 3 ist, in der jedoch Wicklungen einer magnetisierenden Vorrichtung zum Magnetisieren des Rotors gezeigt sind;
Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Containment zum Unterbringen einer Vielzahl von Stator/Rotor-Einheiten ist;
Fig. 6A eine schematische Seitenansicht einer Wartungsglocke für einen Gettergehäuseaufbau ist, die an einer Seite einer Containmentwand einer Vorrichtung zum Speichern und Umwandeln von Energie angebracht ist;
Fig. 6B eine vergrößerte Seitenansicht des Gettergehäuseaufbaus ist, die in der Wartungsglocke von Fig. 6A gezeigt ist; und
Fig. 7 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Speichern und Umwandeln von Energie ist, die einen äußeren Kreislauf zum Entfernen von Gas aus der Vakuumkammer der Vorrichtung inkorporiert.
In Bezug auf Fig. 1 weist eine Vorrichtung 1 zum Speichern und Umwandeln von Energie ein Grundelement 3, eine Verkapselung bzw. ein Containment 5, das auf dem Grundelement 3 angebracht ist und eine Vakuumkammer 7 abgrenzt, eine im Wesentlichen vertikale Welle 9 innerhalb der Vakuumkammer 7, einen Stator 11, der an der Welle 9 angebracht ist, und einen zylindrischen Rotor 13 auf, der im Betrieb von dem Stator 11 angetrieben wird, um Energie als kinetische Energie des Rotors 13 zu speichern, und mit dem Stator 11 als ein Generator wirkt, um Energie freizusetzen. Die elektrischen Kontakte zum Stator 11 (zum An- bzw. Erregen des Stators 11 zum Antreiben des Rotors 13) sind in den beigefügten Zeichnungen nicht gezeigt, können jedoch entlang der Hohlbohrung 9a der Welle 9 geführt werden.
Der Stator 11 ist in Fig. 1 nicht im Einzelnen gezeigt, kann jedoch von jeder angemessenen Art sein, die einen Kern inkorporiert, der eine Vielzahl von Polen abgrenzt, wie zum Beispiel 4 Pole, und um den Windungen bzw. Spulen gewickelt sind, um einen Magnetfluss zu erzeugen, der von den Polflächen in Richtung auf den Rotor 13 gelenkt wird, um den Rotor 13 zu veranlassen, sich zu drehen. Auf diese Weise kann Energie als kinetische Energie des Rotors 13 gespeichert werden. Der Rotor 13 und der Stator 11 können umgekehrt als ein Generator oder Generator, wenn Energie von der Vorrichtung 1 abgezogen werden soll, um eine elektrische Ausgabe über die Leistungselektronik (nicht gezeigt) der Vorrichtung zu erzeugen, wirken.
Das Grundelement 3 der Vorrichtung 1 hat wegen seiner Dicke und dem Material, aus dem es gefertigt ist, das zum Beispiel Aluminium sein kann, eine signifikante Festigkeit. Es sind Löcher 15 durch das Grundelement 3 zum Aufnehmen von Bolzen 17 zum Sichern des Grundelements 3 an einem Boden 19 oder dergleichen mit erheblicher Masse und Festigkeit gezeigt. Daraus ergibt sich, dass die Vorrichtung 1 zum Speichern und Umwandeln von Energie fest in Position gehalten wird, auch wenn die Vorrichtung 1 versagt.
Im Fall eines Versagens der Vorrichtung 1 wird verhindert, dass die in dem Rotor 13 gespeicherte Energie das Containment 5 zerstört, da die Welle 9 fest an dem Grundelement 3 angebracht ist. Genauer wird das untere Ende 21 der Welle 9 in einer Ausnehmung 23 in dem Grundelement 3 in einem engen Sitz aufgenommen. Eine Einrichtung (nicht gezeigt) zum Verstärken der Verbindungsstelle zwischen der Welle 9 und dem Grundelement 3 kann auch verwendet werden. Des Weiteren ist die Welle 9 aus einem Material mit hoher Festigkeit, wie zum Beispiel Aluminium, gefertigt, so dass Drehmomentkräfte und eine von dem Rotor 13 verliehene Energie während eines Versagens der Vorrichtung 1 über die Welle 9 auf das Grundelement 3 und somit auf die feste Auflagerung 19 übertragen werden.
Es sei auch angemerkt, dass der Rotor 13 eine Länge aufweist, die mindestens zweimal seinen Außendurchmesser beträgt, so dass sich eine hohe, relativ dünne Vorrichtung 1 ergibt. Diese Anordnung bedeutet auch, dass die Welle 9 eine signifikante Länge aufweist, um im Fall eines Versagens der Vorrichtung 1 Drehmomentkräfte und Energie von dem Rotor 13 aufzunehmen bzw. zu absorbieren. Eine sicherere Vorrichtung 1 wird daher zur Verfügung gestellt und das Containment 5 benötigt keine besonders große Wanddicke. In der Praxis wäre das Containment 5 natürlich so gestaltet, dass es eine signifikante Abschirmung gegen ein Rotorversagen bieten würde.
Wie in Fig. 1 gesehen werden kann, ist der Rotor 13 mit einer Innenschicht 25 aus E-Glas und einer Außenschicht 27 aus Kohlenstofffaserkomposit gebildet. Andere geeignete Materialien könnten jedoch alternativ verwendet werden, vorausgesetzt, dass sie die erforderlichen Eigenschaften für den Rotor bieten. In dieser Hinsicht ist die Innenschicht 25 aus E-Glas relativ günstig und schafft eine angemessene Menge an Masse für den Rotor 13. Das E-Glas kann auch zwischen den Fasern oder Strängen der Glasfaser in dem E-Glas magnetisierbares Material aufnehmen, und zwar in Form von Partikeln oder Pulver. Wie aus Fig. 2, die nur die Innenschicht 25 des Rotors 13 zeigt, ersichtlich ist, wird das magnetisierbare Material vorzugsweise nur in die innere Hälfte 25a der Innenschicht 25 des Rotors 13 eingebracht. Die Außenschicht 27 des Rotors 13 wird in erster Linie eingeschlossen, um die Innenschicht 25 zu stützen, und ist daher aus einem Material mit einer signifikanten Festigkeit beim Drehen mit einer hohen Geschwindigkeit, wie zum Beispiel 1.200-1.800 Hz, gebildet. Kohlenstofffaserkomposite sind hierfür besonders geeignet.
Der Rotor 13 beinhaltet einen End- bzw. Kappenverschluss 29 aus martensiaushärtbarem Stahl, Aluminium oder Kohlenstofffaserkomposit, der ein Zapfenlager 31, wie in Fig. 1 gezeigt, festspannt bzw. befestigt. Das Zapfenlager weist eine Welle 33 auf, die eine sphärische Kugel 35 an ihrem freien Ende trägt. Die sphärische Kugel 35 wird bei der Herstellung geätzt, so dass spiralförmige Nuten in ihrer Oberfläche gebildet werden. Die sphärische Kugel 35, oder der Kopf, des Zapfenlagers 31 wird in einer in einem Dämpfer 39, der sich am Ende der Welle 9 befindet, angebrachten Manschette bzw. Schale 37 aufgenommen. Der Dämpfer 39 erstreckt sich in die Bohrung 9a der Welle und wird darin mittels Seitenflanschen 41 gehalten, die an dem oberen Ende der Welle 9 angrenzen bzw. anliegen. Der Dämpfer 39 führt Öl, das dahingehend wirkt, die radiale und axiale Bewegung der Schale 37 zu dämpfen, wenn sich der Rotor 13 bewegt, was zu einem Dämpfen der gesamten Vorrichtung 1 zum Speichern und Umwandeln von Energie führt. Das Öl in dem Dämpfer 39 wirkt auch als ein Schmiermittel für das Zapfenlager 31 zwischen dem Kopf 35 des Lagers 31 und der Oberfläche der Schale 37. Wie erkannt werden wird, treiben die spiralförmigen Nuten in dem Kopf des Zapfenlagers 31, wenn sich der Rotor 13 dreht, Öl zwischen den Kopf 35 und die Schale 37, um den Rotor 13 leicht auf einen Ölfilm zu heben. Daher kann sich der Rotor 13 frei mit einer vernachlässigbaren Reibung drehen, was zu einem minimalen Energieverlust durch das Lager führt. Dies ist eindeutig wünschenswert.
An dem unteren Ende des Rotors 13 ist ein Dauermagnetlager 43 vorgesehen, um, in Kombination mit dem Zapfenlager 31, sicher zu stellen, dass der Rotor 13 nicht mit dem Stator 11 kollidiert. Genauer ist ein Dauermagnet 45 an der Welle 9 angebracht, wobei in diesem Fall ein Nordpol des Magneten 45 der Innenfläche des Rotors 13 gegenüberliegt. Wie in Fig. 2 sichtbar, wird das magnetisierbare Material innerhalb der Innenschicht 25 des Rotors 13 magnetisiert, wobei ein Nordpol 47 und ein Südpol 49 kreisringförmig gebildet werden. Der Nordpol des Magneten 45 und der Nordpol 47 des Rotors 13 liegen einander gegenüber und schaffen somit eine abstoßende Kraft, und der Südpol 49 des Rotors 13 wird zum Nordpol des Magneten 45 hingezogen. Mittels dieser Anordnung wird der Rotor 13 von dem Stator 11 frei gehalten und der Rotor 13 ist mit einem geringen Auftrieb versehen, um das Verringern der Reibung zwischen dem Zapfenlager 31 und der Schale 37 zu unterstützen.
Ein zusätzliches axiales Lager kann auch vorgesehen sein und einen weiteren Dauermagneten 51 (siehe Fig. 1) zum Zusammenwirken mit einem magnetisierten Bereich an dem Ende des Rotors 13 aufweisen, um den Rotor 13 abzustoßen und dadurch den Rotor 13 anzuheben.
Mit Bezug auf Fig. 2-4 ist eine Innenschicht 25 des Rotors 13 gezeigt, die in einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Speichern und Umwandeln von Energie verwendet werden könnte. In Fig. 2 ist der Rotor 13 jedoch erheblich verkürzt gezeigt. Wie ersichtlich, ist in dem zentralen Bereich des Rotors 13 eine radiale mehrpolige Magnetisierung 51 gezeigt, um es dem Rotor zu ermöglichen, als ein Motor/Generator zu wirken. Am unteren Ende des Rotors 13 ist eine gleichpolige radiale Magnetisierung gezeigt, die mit einem Dauermagneten (wie oben beschrieben) oder einem an der Welle 9 angebrachten Elektromagneten zusammenwirken kann, um die Aufhängung des Rotors 13 um den Stator 11 zu unterstützen. Obwohl nur ein Nordpol 47 und ein Südpol 49 an dem Rotor 13 gezeigt sind, könnten zusätzliche Pole und zusätzliche Dauermagneten/Elektromagneten genutzt werden, um die Wechselwirkung zwischen dem Rotor 13 und den an der Welle 9 angebrachten Magneten/Elektromagneten je nach den benötigten Kräften zu verstärken.
Die magnetisierten Bereiche 47, 49, 51 des Rotors 13 werden hergestellt, indem auf ein jungfräuliches Magnetmaterial, das bei der Herstellung des Rotors 13 in der inneren Hälfte 25a der Innenschicht 25 des Rotors 13 eingebracht wurde, eingewirkt wird. Obwohl es möglich ist, vormagnetisiertes Material in den Rotor 13 einzubringen und das Material bei der Herstellung des Rotors 13 wie benötigt auszurichten, wird in einem Rotor 13, wie er hier beschrieben ist, vorzugsweise die Magnetisierung an den Rotor 13 angelegt, nachdem die Verbundmaterialien des Rotors 13 ausgehärtet sind. Dies wird erreicht durch Aufbringen bzw. Aufdrücken einer Magnetisierung auf das jungfräuliche Magnetmaterial innerhalb des Rotors 13 unter Verwendung einer Vorrichtung, die aus einer Reihe von Spulen 53 besteht, die, wenn sie angeregt bzw. erregt sind, ein Magnetfeld von der in dem Magneten benötigten Form erzeugen (siehe Fig. 4).
Das benötigte Feld zur Magnetisierung des magnetischen Materials, das Ferrit, NdFeB oder irgendein anderes geeignetes Material sein kann, hängt von der Materialart ab. Zum Beispiel wird für Ferrit 1,5 Tesla benötigt, während 4 Tesla für NdFeB benötigt werden. Das Feld wird durch einen einzigen Hochstromimpuls von einer Kondensatorentladungseinheit erzeugt, welcher Strom in dem Bereich von 30.000 Ampere liegen kann. Sobald das Feld an den Rotor 13 angelegt wurde, wird die Vorrichtung entfernt und hinterlässt die Dauermagnetisierung, wie zum Beispiel in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Wie erkannt werden wird, ist es einfach nötig, eine Vorrichtung für eine besondere Anwendung zu entwerfen, um eine gewünschte Magnetisierung im Rotor 13 zu erreichen.
Obwohl bisher eine Vorrichtung 1 zum Speichern und Umwandeln von Energie beschrieben wurde, die einen einzigen Stator 11 mit einem einzigen Rotor 13 inkorporiert, stellt die vorliegende Erfindung des Weiteren eine Vorrichtung zum Speichern und Umwandeln von Energie zur Verfügung, die eine Vielzahl von Statoren 11, eine entsprechende Vielzahl von zylindrischen Rotoren 13, die so angeordnet sind, dass sie sich um die Statoren 11 drehen, und eine Containmentvorrichtung 100, die eine Vielzahl von Kammern 102 innerhalb einer einheitlichen Struktur abgrenzt, in der die Statoren 11 und Rotoren 13 untergebracht sind, aufweist. Ein solches Containment 100 ist in Fig. 5 gezeigt.
Die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung zum Speichern und Umwandeln von Energie ist wegen der Anordnung von zylindrischen Kammern 102 in der einheitlichen Struktur außerordentlich sauber und kompakt. Daraus ergibt sich, dass eine Vorrichtung mit der Fähigkeit der Stromspeicherung und -umwandlung von 37 Vorrichtungen bzw. Kammern, wie in Fig. 1 gezeigt, zur Verfügung gestellt wird, ohne unverhältnismäßig viel Platz zu benötigen. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, teilen sich angrenzende Vakuumkammern 102 gemeinsame Containmentwände 104.
Die in Fig. 5 gezeigte wabenförmige Struktur wird aus drei verschieden geformten Extrusionsprofilen bzw. -erzeugnissen 106, 108, 110 gebildet (vgl. den schraffierten Bereich in Fig. 5). Die Extrusionserzeugnisse sind aus Aluminium oder irgendeinem anderen geeigneten Material gefertigt und einfach in Längen geschnitten. Angrenzende Extrusionserzeugnisse werden dann durch Schweißverbindungen 112 verschweißt, wie in Fig. 5 gezeigt. Es wird jedoch verstanden werden, dass die Wahl der Extrusionsform und die Anzahl von verschiedenen Formen, die verwendet werden, um die einheitliche Struktur herzustellen, allein auf kommerziellen Gesichtspunkten basieren, um die Herstellungskosten zu minimieren, und die Wahl der Extrusionsformen und die Anzahl der verschiedenen verwendeten Formen beeinträchtigt nicht die Gültigkeit der Endstruktur.
Obwohl theoretisch jede Kammer 102 an jedem Ende einen Endflansch und eine separate Einrichtung zum Erhalten des Vakuums in der Kammer 102 aufweisen könnte, hat eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung idealerweise entweder ein externes Gehäuse (nicht gezeigt) um die gesamte einheitliche Struktur oder eine Endabdeckung, die zumindest ein Ende der einheitlichen Struktur abdeckt. In beiden Fällen sollte jede Kammer 102 immer noch ihre eigenen Endflansche (nicht gezeigt) aufweisen; ein Einwegventil kann dann in jedem Endverschluss, der durch die äußere Abdeckung oder das Gehäuse geschützt ist, vorgesehen sein. In einer solchen Anordnung kann eine einzige Vakuumpumpvorrichtung für die gesamte einheitliche Struktur vorgesehen sein, wobei Gas innerhalb der einzelnen Kammern 102 durch die Einwegventile entzogen wird, um durch die Hauptvakuumpumpe entfernt zu werden. Des Weiteren werden, wenn eine einzelne Einheit aus Stator 11 und Rotor 13 versagt, was dazu führt, dass Moleküle in die Rotorkammer freigesetzt werden, die verbleibenden Einheiten wegen des durch das Schließen des Einwegventils geschaffenen Schutzes nicht beeinträchtigt.
Sieht man sich nun die Fig. 6 A und 6B an, sind ein Gettergehäuseaufbau 61 und eine Wartungsglocke 63 gezeigt. Der Gettergehäuseaufbau 61 schafft eine Halterung für ein Gettermaterial 65, wie zum Beispiel ein Silikagel, Aktivkohle (möglicherweise in der Form eines Stoffes oder Gewebes, der/das durch Pyrolyse gebildet wird), das Gasmoleküle absorbiert, um das Vakuum in den Vakuumkammern 7, 102 zu verbessern. In dieser Hinsicht gilt, wie erkannt werden wird, dass, je besser das Vakuum in der Vakuumkammer 7, 102 ist, desto weniger Reibung sich ergeben wird, und demgemäß weniger Energie von dem Rotor 13 verloren geht. Somit ist ein höheres Vakuum wesentlich, um eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Speichern und Umwandeln von Energie erfolgreich zu betreiben.
Mit besonderer Bezugnahme auf Fig. 6B wird das Gettermaterial 65 an einem Endverschluss 67 des Gettergehäuseaufbaus 61 derart angebracht, dass das Gettermaterial 65 angrenzend an den Rotor 13 positioniert ist. Eine zylindrische Wand 69 des Gettergehäuses 61 ist an dem Containment 5 einer Vorrichtung 1 zum Speichern und Umwandeln von Energie angebracht. Abdichtungen bzw. Dichtungen 71 sind zwischen dem Gettergehäuse 61 und dem Containment 5 und zwischen dem Endverschluss 67 und der zylindrischen Wand 69 des Gehäuses 61 vorgesehen. Um es zu ermöglichen, das Getter 65 zu warten oder zu ersetzen, wird die Wartungsglocke 63 (Fig. 6A) verwendet. Diese inkorporiert eine Wand 73 zum Ummanteln des Gettergehäuses 61, einen Zugang 75 zu einer Vakuumpumpe zum Erzeugen eines hohen Vakuums in der Wartungsglocke 63 und Roboter- oder anderen Wartungswerkzeuge 77 zur Wechselwirkung mit dem Gettergehäuse 61. Wenn somit die Wartungsglocke 63 an dem Containment 5 angebracht wurde und ein Vakuum in der Wartungsglocke 63 erzeugt wurde, können die Werkzeuge 77 verwendet werden, um den Endverschluss 67 und angebrachtes Gettermaterial 65 aus dem Gettergehäuse 61 zu entfernen. Das Ersetzen des Gettermaterials 65 kann dann erreicht werden, ohne das Vakuum um den Rotor 13 in den Vakuumkammern 7, 102 der Vorrichtung 1 zum Speichern und Umwandeln von Energie zu zerstören. Sobald das Ersetzen des Gettermaterials 65 erreicht wurde, wird der Endverschluss 67 des Gettergehäuses 61 ersetzt, bevor die Wartungsglocke 63 entfernt wird.
Eine andere Form der Vorrichtung zum Entfernen von in der Vakuumkammer 7 der Vorrichtung 1 der vorliegenden Erfindung zum Speichern und Umwandeln von Energie vorliegenden Gasen ist in Fig. 7 gezeigt. In dieser Figur liegt eine Molekularpumpe 79, die eine Vielzahl von schraubenförmigen Nuten 81 aufweist, dem Äußeren des Rotors 13 gegenüber. Wenn sich der Rotor 13 dreht, werden Gase, die durch Abgase von dem Rotor erzeugt werden, oder andere Gase in dem Containment 5, durch die Molekularpumpe 79 in Fig. 7 nach oben getrieben. Dies führt zu einem Bereich von Niederdruck, der sich zum Boden der Vakuumkammer 7 hin bildet, und einem Bereich von Hochdruck, der sich zur Decke der Vakuumkammer 7 hin bildet.
Ein äußerer Rohrkreislauf 83 ist gezeigt, der eine Vorrichtung 85 zum Entfernen von Gas inkorporiert, die eine Ionisationspumpe oder ein Gettermaterial sein kann. Somit wird aufgrund des Druckgefälles zwischen dem Bereich von Hochdruck und dem Bereich von Niederdruck in der Vakuumkammer 7 Gas durch die Entfernungsvorrichtung 85 getrieben und dadurch aus dem System entfernt. Daher kann ein verbessertes Vakuum in der Vakuumkammer 7 erreicht werden.
Um die Wartung der Entfernungsvorrichtung 85 zu unterstützen, sind Ventile 87 an jeder Seite der Entfernungsvorrichtung 85 vorgesehen. Wenn diese Ventile 87 geschlossen werden, kann die Entfernungsvorrichtung 85 von dem Rohrkreislauf 83 zur Wartung getrennt werden. Die Entfernungsvorrichtung 85 muss dann einfach in den Kreislauf 83 wieder eingesetzt werden und der Teil des Kreislaufes 83 zwischen den Ventilen 87 muss ausgepumpt werden, um ein Vakuum zu erzeugen, bevor die Ventile 87 wieder geöffnet werden. Somit wird eine sehr einfache und benutzerfreundliche Anordnung zum Verbessern des Vakuums in der Vakuumkammer 7 der Vorrichtung 1 zum Speichern und Umwandeln von Energie zur Verfügung gestellt.
Obwohl dies in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, kann die Geschwindigkeit des Rotors 13 gemessen werden, wie zum Beispiel durch das Überwachen der Umschaltfrequenz der Motor-/Generator-Leistungselektronik, um eine Ausgabe zu schaffen, die die in dem Rotor 13 zu einem besonderen Zeitpunkt gespeicherte Energie anzeigt. Stärker bevorzugt ist eine sichtbare Ausgabe vorgesehen, die die von der Vorrichtung 1 zum Speichern und Umwandeln von Energie erhältliche Energie in Echtzeit angibt.
Es versteht sich natürlich, dass die vorliegende Erfindung oben nur beispielhaft beschrieben wurde und dass Modifikationen von Einzelheiten innerhalb des Rahmens der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, vorgenommen werden können.

Claims

1. Vorrichtung zum Speichern und Umwandeln von Energie, aufweisend eine Einkapselung bzw. ein Containment (5), das eine Vakuumkammer (7) abgrenzt bzw. begrenzt,

eine im Wesentlichen vertikale Welle (9) innerhalb der Vakuumkammer (7),

einen Stator (11) auf der Welle (9), und

einen zylindrischen Rotor (13), der im Betrieb von dem Stator (11) angetrieben wird, um Energie als kinetische Energie des Rotors zu speichern, und der zusammen mit dem Stator als ein Generator wirkt, um Energie freizusetzen,

dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (13) eine Innenschicht (25) aus Glasfaser und eine Außenschicht (27) aus Kohlenstofffaser aufweist, wobei die Dicke der Innenschicht etwa zwei Drittel der Dicke des gesamten Rotors beträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Innenschicht (25) ein Material enthält, dass so magnetisiert wurde, dass es im Betrieb eine mehrpolige Magnetisierung (51) zur Wechselwirkung mit dem Stator (11) bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Innenschicht (25) ein Material enthält, das so magnetisiert wurde, dass es mindestens eine gleichpolige radiale Magnetisierung (47, 49) zur Wechselwirkung mit einem an der Welle (9) angebrachten Magneten (45) bildet, um eine Unterstützung bzw. Lagerung bzw. Führung für den Rotor zu bilden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei das magnetisierte Material ein Pulver ist, das bei der Herstellung in die Innenschicht eingebracht wurde.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das magnetisierte Material Ferrit oder NdFeB ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Innenschicht (25) und die Außenschicht (27) dehn- bzw. spannungsangepaßt sind, um eine Trennung während des Betriebs zu verhindern.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich das magnetisierte Material von der Innenfläche der Innenschicht über etwa die Hälfte der Innenschicht erstreckt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Endverschluss bzw. eine Endkappe (29) des Rotors (13) die Aufhängung des Rotors an der Welle (9) unterstützt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, aufweisend eine Vielzahl von Statoren (11) und eine entsprechende Vielzahl von zylindrischen Rotoren (13), die so angeordnet sind, dass sie sich um die Statoren drehen, wobei die Containmentvorrichtung (100) eine Vielzahl von Kammern (102) innerhalb einer Einheitsstruktur abgrenzt bzw. definiert, in der die Statoren und Rotoren untergebracht sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein äußerer Kreislauf (83, 85, 87) vorgesehen ist, durch den Gase in dem Containment durch einen Druckunterschied angetrieben werden, wobei der äußere Kreislauf eine Vorrichtung (85) zum Entfernen von Gas einschließt, wodurch das Vakuum innerhalb des Containments verbessert wird.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Geschwindigkeit des Rotors gemessen wird, um eine Ausgabe zu schaffen, die die in dem Rotor gespeicherte Energie anzeigt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei eine sichtbare Ausgabe vorgesehen ist, die die von der Vorrichtung erhältliche Energie in Echtzeit angibt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei die Geschwindigkeit des Rotors gemessen wird, indem die Umschaltfrequenz der Motor- /Generator-Leistungselektronik überwacht wird.