DE69735825T2

DE69735825T2 - Ankerspule mit Luftspaltkern und elektrische Maschinen, die diese verwenden

Info

Publication number: DE69735825T2
Application number: DE1997635825
Authority: DE
Inventors: Joseph F. Austin Pinkerton; Scott R. Austin Little
Original assignee: Active Power Inc
Current assignee: Active Power Inc
Priority date: 1996-02-05
Filing date: 1997-02-05
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2017-02-06
Also published as: EP1047175B1; EP0879496B1; US5969457A; ATE325459T1; EP1045503B1; EP1047175A3; WO1997028596A2; EP1045506A3; EP1047175A2; US6166472A; DE69735826D1; ATE325456T1; EP1045503A2; DE69735825D1; AU2261897A; JP3228942B2; EP0879496A2; US5955816A; DE69704847T2; DE69735827D1

Description

Diese Erfindung betrifft Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtungen, die Motorgeneratoren zum Bereitstellen einer erhöhten Ausgangsleistung aufweisen, und insbesondere Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtungen, die bürstenlose Motorgeneratoren mit Ankerwicklungen geringer Induktivität aufweisen. Die Ankerwicklungen gemäß der vorliegenden Erfindung befinden sich in einem Luftspalt eines Feldkreises ungewöhnlich hoher Reluktanz unter Einschluß großer Luftspalte an Stelle traditioneller Ankerwicklungen, die in den eine hohe Permeabilität aufweisenden Teilen eines Feldkreises geringerer Reluktanz eingeschlossen sind.
Ein Bereich, in dem sich Schwungrad-Energiespeichervorrichtungen als vorteilhaft erweisen können, ist durch Situationen gegeben, bei denen im Fall eines Primärleistungsquellen-Ausfalls (also eines Ausfalls der Zufuhr durch eine Versorgungsfirma) eine stetige Zufuhr von Reserveleistung erforderlich ist. Es ist in diesen Situationen häufig erforderlich, daß eine zweite Leistungsquelle über einen bestimmten Zeitraum einen Nennbetrag an Leistung zuführt, so daß verschiedene Primärleistung verwendende Geräteteile auf verhältnismäßig normale Weise abgeschaltet werden können, statt sofort abzuschalten, was bei einem Verlust der Primärleistung ohne eine Reserveversorgung auftreten würde. Ein traditioneller Ansatz zum Lösen dieses Problems besteht in der Verwendung einer Bank chemischer Batterien, häufig mit einem Notgenerator kombiniert.
In einer Papierfabrik wird beispielsweise im wesentlichen flüssiger Papierbrei auf ein sich drehendes Drahtgitter gesprüht und dann über eine lange Reihe von Laufrollen durch Öfen getragen, um die Feuchtigkeit aus dem Brei zu entfernen. Der flüssige Brei kann mehrere Minuten benötigen, um durch alle Öfen hindurchzutreten, bevor der Brei getrocknet ist und das Ende der Straße erreicht hat, wo er auf Hochgeschwindigkeitstrommeln aufgerollt wird. Ein sofortiger Leistungsverlust wäre unter diesen Umständen katastrophal. Daher haben Papierfabriken häufig einen oder mehrere große mit chemischen Batterien gefüllte Räume zum Bereitstellen von Reserveleistung, um alle Geräte am Laufen zu halten, während die Breizufuhr abgeschaltet ist und der Rest des sich bereits auf der Fertigungsstraße befindenden Breis verarbeitet wird.
Chemische Batterien weisen jedoch verschiedene Mängel, wie Sperrigkeit, mangelnde Zuverlässigkeit, eine begrenzte Lebensdauer, hohe Wartungskosten und eine verhältnismäßig geringe Sicherheit, auf. Chemische Batterien erfordern beispielsweise abhängig vom Typ der verwendeten Batterien ein verhältnismäßig konstantes und komplexes Wiederaufladen, um zu gewährleisten, daß die Batterien weiterhin wirksam arbeiten und ihre volle Speicherkapazität erhalten bleibt. Weiterhin treten bei chemischen Batterien wegen der großen Mengen der vorhandenen ätzenden Chemikalien verschiedene Sicherheitsbedenken auf. Typische große Batterieeinrichtungen erfordern häufig spezielle Lüftungs- und Klimaaufbereitungssysteme für die eigens eingerichteten Batterielagerräume.
Um einen wirksamen Ersatz für chemische Batterien zu bieten, müssen Schwungrad-Energiespeichervorrichtungen bei einer hohen Energieumwandlungswirksamkeit arbeiten. Dementsprechend sind Schwungradvorrichtungen häufig dafür ausgelegt, in einem Vakuum zu arbeiten, um die Energieverluste infolge von Luftwiderstandsreibung zu minimieren (s. beispielsweise Benedetti u.a. US-A-4 444 444). Die Vakuumbedingung fordert, daß die Wärmeerzeugung in den sich drehenden Bauteilen minimiert ist, weil Rotorwärme in einem Vakuum nur durch Strahlung oder Leitung über Lagerflächen, die klein sind und eine begrenzte Wärmeleitfähigkeit haben, abgeleitet werden kann. Weiterhin sind zum Übertragen von Strom zwischen stationären und sich drehenden Bauteilen unter Vakuumbedingungen verwendete Bürsten zerstörerischeren Lichtbogen ausgesetzt als in Luft arbeitende Bürsten. Hierdurch wird die Energiespeichervorrichtung im wesentlichen auf einen bürstenlosen Betrieb beschränkt, weil Bürsten gewöhnlich sehr kurze Lebensdauern aufweisen, wenn sie unter Vakuumbedingungen betrieben werden. Die Verwendung bürstenloser Motorgeneratoren in Schwungrad-Speichervorrichtungen ist jedoch dadurch kompliziert, daß bürstenlose Motorgeneratoren typischerweise Wärmeerzeugungsbauteile, wie sich drehende Gleichrichteranordnungen und sich drehende Spulen, verwenden, wie weiter unten beschrieben wird.
Die Verwendung bürstenloser Generatoren ist in verschiedenen Industrien wohlbekannt. Beispielsweise verwenden Autohersteller häufig bürstenlose Generatoren, um Fahrzeugen elektrische Leistung zuzuführen. Frühere bürstenlose Generatoren weisen eine Vielzahl von Problemen auf, die sie zu schlechten Kandidaten für eine Verwendung mit Schwungrad-Energiespeichervorrichtungen machen. Viele dieser früheren Generatoren verwenden umgebogene Zähne als magnetische Finger in der Rotoranordnung. Beispielsweise sind in Godkin u.a., US-A-4 611 139 und in Farr, US-A-4 654 551 bürstenlose Wechselstromgeneratoren offenbart, die magnetische umgebogene Finger zum Erzeugen eines sich ändernden Magnetflusses im Statorkern aufweisen. Die umgebogenen Zähne bei diesen Vorrichtungen sind für Schwungradanwendungen einfach ungeeignet, weil die hohen Geschwindigkeiten, bei denen sich die Spitze des Schwungrads drehen muß, an der Biegung der Zähne hohe Beanspruchungskonzentrationen hervorrufen würden, wodurch die Betriebssicherheit erheblich beeinträchtigt werden würde. Zum Aufrechterhalten eines sicheren Betriebs angesichts der hohen Beanspruchungskonzentrationen arbeiten bekannte Schwungradvorrichtungen häufig bei geringeren Drehgeschwindigkeiten, was leider zu einer geringeren gespeicherten Energie bei einem gegebenen Volumen führt.
Eine weitere Art eines bürstenlosen Generators arbeitet durch Anlegen eines kleinen Eingangssignals an eine Erregerwicklung, das ein viel größeres Signal in einem sich drehenden Element induziert. Das Eingangssignal, das ein Gleichstrom oder ein niederfrequenter Wechselstrom sein kann, bewirkt das Induzieren eines Wechselstroms im sich drehenden Element. Der Wechselstrom wird dann durch eine Gleichrichteranordnung, die sich typischerweise innerhalb des sich drehenden Elements befindet, in einen Gleichstrom umgewandelt, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist (s. beispielsweise Pinchott, US-A-5 065 484). Der gleichgerichtete Gleichstrom fließt durch die Hauptwicklungen (am sich drehenden Element) und erzeugt ein großes umlaufendes Magnetfeld. Das umlaufende Feld wechselwirkt mit dem Hauptanker und erzeugt ein großes Wechselspannungssignal in den Ankerwicklungen. Dieses große Wechselspannungssignal, das der externen Last zugeführt wird, kann im wesentlichen 10000 Mal größer sein als das in den Erreger eingegebene Signal.
In manchen Fällen kann der Erreger selbst durch einen Permanentmagnetgenerator (PMG) erregt werden. Ein bekanntes Beispiel eines Wechselstromgenerators, bei dem PMGs verwendet werden, ist in Farr, US-A-4 654 551 beschrieben. Das Magnetflußfeld wird bei Farr durch einen sich drehenden Permanentmagnetring und eine torische Steuerspule erzeugt, wobei die torische Steuerspule so angebracht ist, daß sie in der magnetischen Beziehung mit dem Ring addiert oder subtrahiert. Bei Farr können jedoch infolge der Natur der stationären Eisenkern-Ankervorrichtung möglicherweise ernste Kernverluste auftreten.
Wie bei den meisten bekannten elektromagnetischen Vorrichtungen werden viele bürstenlose Generatoren typischerweise unter Verwendung von Eisenkernen im Erreger und den Hauptankern hergestellt. Beispielsweise ist in Giuffrida, US-A-4 647 806 ein bürstenloser Wechselstromgenerator mit einem Erregeranker beschrieben, der aus einem laminierten Stapel von Stahlplatten besteht, und ist in Mallick u.a., US-A-4 385 251 ein Turbogenerator beschrieben, bei dem um Schlitze, die in Statoren aus laminierten Stapeln geschnitten sind, Ankerwicklungen gewunden sind. Wenngleich sowohl Giuffrida als auch Mallick Verbesserungen gegenüber zu der Zeit bekannten Vorrichtungen beschrieben haben, stellen beide Patente Maschinen dar, die leider verschiedene Energieverluste (beispielsweise Kernverluste) erzeugen und hohe Ankerinduktivitäten aufweisen, was zu einer begrenzten Leistungsdichte führt.
Eine weitere erforderliche Überlegung beim Auslegen von Schwungradvorrichtungen betrifft die negativen Wirkungen des Gewichts des Rotors. Das Gewicht des Rotors ist insbesondere bei Energiespeicheranwendungen relevant (Schwungradrotoren wiegen typischerweise einige Hundert Pfund), weil sich der Rotor bei zunehmenden Geschwindigkeiten drehen muß, um kinetische Energie zu speichern. Dabei werden die den Rotor tragenden mechanischen Lager häufig hohen Beanspruchungen ausgesetzt, was zu einer schnellen Lagerabnutzung führt.
Ein bekanntes Verfahren zum Angehen der Lagerabnutzung bei Schwungradanwendungen besteht im Ersetzen der herkömmlichen Lager durch Magnetlager. Beispielsweise beschreiben Benedetti u.a. in US-A-4 444 444 ein magnetisch aufgehängtes Schwungrad, bei dem ein Doppelelektromagnet und eine Servoschleife zum Wiederherstellen des Gleichgewichts bei einem schwebenden sich drehenden Element verwendet werden. Die Elektromagnete, die an einer stationären Welle angebracht sind, wechselwirken mit Permanentmagneten und einem mobilen Anker, der zum Bereitstellen einer magnetischen Anziehung, die "gleich der Schwerkraft" ist und auf die Masse des Rotors wirkt, am sich drehenden Element angebracht sind. Diese Lösung ist verhältnismäßig komplex, weil sie das Anbringen der mehreren zusätzlichen Bauteile an den stationären und sich drehenden Teilen der Vorrichtung erfordert.
Weiterhin sind bei Anwendungen wie bei der von Benedetti häufig "Luftkern"-Ankerspulen erforderlich, weil ein Eisenkernanker durch Konkurrieren mit den stabilisierenden magne tischen Kräften des Magnetlagers eine magnetische Instabilität hervorrufen würde. Diese Vorrichtungen erfordern jedoch auch ein sehr großes Volumen kostspieligen Permanentmagnetmaterials für das sich drehende Element, dessen strukturelle Verwirklichung häufig komplex ist (beispielsweise weisen die Ankerspulen von Benedetti für zwölf sich drehende Magnete aufeinanderfolgende entgegengesetzte Pole auf, die um mindestens einen von zwei Ringen befestigt sind). Weiterhin weisen Verwirklichungen, wie die von Benedetti, wegen physikalischer Überlegungen eine sehr begrenzte Ausgangsleistung auf (Benedetti erörtert eine praktische Ausführungsform, bei der ein 370 kg aufweisender Rotor bis zu 10 kW an Leistung liefert).
Eine weitere Überlegung, die berücksichtigt werden muß, wenn elektrische Maschinen verwirklicht werden, besteht in den negativen Wirkungen von Wirbelströmen in den unlaminierten Materialien, die häufig als Teil des Flußführungs-Magnetkreises verwendet werden. Beispielsweise sehen Mallick u.a. in US-A-4 385 251 eine Flußabschirmung in Form beispielsweise eines mit dem Rotor konzentrischen leitenden Rings vor, um dabei zu helfen, zu verhindern, daß zeitlich veränderliche Flüsse im Rotorstahl und in der unlaminierten Ankerwicklung Wirbelströme induzieren, weil diese Wirbelströme zu Leistungsfähigkeitsverlusten in der Maschine führen. Mallick erwähnt jedoch auch, daß Wirbelströme in den Flußabschirmungen induziert werden, was zu Verlusten führt, gibt jedoch an, daß die Verluste im Vergleich zu Maschinen ohne die Flußabschirmung verringert sind.
Die DE-A-35 46 512 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Drahtspule. Zur Herstellung einer mäanderförmigen Drahtspule in Zylinderkonfiguration wird ein endloser Draht zu einer ein- oder mehrlagigen Spule mit einer gewünschten Anzahl paralleler Windungen gewickelt, und die gewickelte Spule zu einem Mäander verformt, dessen hin- und herführende Abschnitte untereinander parallel am Umfang eines Zylinders, vorzugsweise parallel zur Zylinderachse verlaufen.
US-A-5 331 244 bezieht sich auf einen elektronisch gleichgerichteten DC-Motor der einen Permanentmagneten als Rotor hat und ein homogenes Magnetfeld mit linearen und strahlenförmig verlaufenden magnetischen Feldlinien erzeugt. Der Rotor verändert fortlaufend seine Polarität in einem im wesentlichen zylinderförmigen Luftspalt. Eine mäanderförmige Statorvorrichtung weist sich linear nach vorne und hinten erstreckende Mäanderabschnitte innerhalb des ringförmigen Spalts auf. Jede der linearen Mäanderabschnitte weist mehrere Leiterabschnitte, die geometrisch parallel und im Querschnitt im wesentlichen rechtwinklig sind, auf. Jeder leitende Abschnitt ist innerhalb des ringförmigen Spalts angeordnet, so dass sich die längere Seite des im Querschnitt rechtwinkligen Leiters parallel zu der Richtung der magnetischen Feldlinien erstreckt.
US-A-4 743 813 beschreibt einen Gleichstrommotor mit einem Schaltkreis zur elektronischen Gleichrichtung und einer durch einen Encoder gesteuerten Windungskraft. Die Erregung wird durch p Paare von Permanentmagneten, die von dem Rotor getragen werden, ausgeführt. Das Antreiben der Windung des Stators ist durch einen Encoder gesteuert der mit dem Rotor synchronisiert ist.
Angesichts des vorhergehend Erwähnten besteht eine Auf gabe dieser Erfindung darin, eine verbesserte Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtung bereitzustellen, die wirksam eine hohe Ausgangsleistung bereitstellt und einen kompakten Aufbau aufweist, woraus sich eine hohe Leistungsdichte ergibt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht auch darin, eine verbesserte Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtung bereitzustellen, die einen unter Vakuumbedingungen verwendbaren bürstenlosen Generator aufweist, wobei ein Minimum an Leistung im sich drehenden Rahmen abgeführt wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtung bereitzustellen, die bei einer erheblichen Drehgeschwindigkeit sicher betrieben werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Verfahren und eine Vorrichtung zum Verringern der Wirkungen von Kernverlusten auf Hochgeschwindigkeits-Schwungrad-Energiespeichervorrichtungen bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, verbesserte Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtungen bereitzustellen, die im Vergleich zu gegenwärtig bekannten Technologien unter geringen Kosten hergestellt werden können.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden gemäß den Grundgedanken der Erfindung, wie im Anspruch 1 definiert,
gelöst, indem verschiedene Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtungen bereitgestellt werden. Die bevorzug ten Ausführungsformen umfassen einen bürstenlosen Generator, dessen Ankerspulen sich an Stelle des traditionellen Eisen-Ankerkerns in einem Luftspalt befinden. Die Energiespeichervorrichtungen umfassen auch mindestens eine stationäre ringförmige Feldspule, die in Zusammenhang mit einem sich drehenden, mit Zähnen versehenen Rotor und einem stationären laminierten Ring einen Fluß mit veränderlicher Flußdichte erzeugt (infolge der Spalte zwischen den Zähnen am Rotor). Luftspaltspulen bieten eine verringerte Induktivität (weil die Spulen radial dünn sind), wodurch schnellere Stromanstiegszeiten und demgemäß eine höhere Leistung bei den hohen Frequenzen, die für Schwungradvorrichtungen typisch sind, ermöglicht werden. Die Induktivität wird auch durch die Flußkompression verringert, die auftritt, weil die massiven Rotorzähne sehr dicht bei den Luftspaltspulen liegen und weil der Feldkreis verhältnismäßig große Luftspalte aufweist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung betrifft den glatten laminierten Ring, der einen Ort zur Flußdiffusion bereitstellt, die das Ändern des Flusses im Rotor und unlaminierten stationären Teilen stark verringert, wodurch Kernverluste verringert werden. Die Ankerspulen befinden sich an der Oberfläche des glatten laminierten Rings, so daß die Spulen den sich ändernden Fluß voll verknüpfen, bevor eine Flußdiffusion stattfindet. Die Verwendung von Luftspalt-Ankerspulen ermöglicht es, daß die Energiespeichervorrichtung in im wesentlichen kompakter Weise hergestellt wird, während wirksam eine hohe Ausgangsleistung erzeugt wird.
Bei verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen ist oberhalb und unterhalb des Rotors eine ringförmige Feldspule angeordnet (es werden also zwei ringförmige Feldspulen verwendet), die einen Luftspaltfluß erzeugen, der von der Achse des Rotors radial nach außen läuft. Bei diesen Ausführungsformen ermöglicht die massive Scheibenkonstruktion des Rotors, daß die Schwungradvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung mehr Trägheitsenergie speichern als dies bei jeder Konstruktion der Fall ist, die aus einem Rotor mit ähnlicher Größe besteht und bei der eine Scheibe verwendet wird, die an einer durch ein in die Scheibe gebohrtes Loch eingeführten Welle angebracht ist, oder als dies bei jeder Konstruktion der Fall ist, bei der eine ringförmige Felge verwendet wird, die über radial orientierte Speichen mit einer Welle verbunden ist. Dies liegt zumindest teilweise daran, daß die maximale Randbeanspruchung in einer massiven Scheibe, die die maximale Winkelgeschwindigkeit des Schwungrads und damit seine maximale kinetische Energie begrenzt, bei einem gegebenen Durchmesser, einer gegebenen Drehgeschwindigkeit und einem gegebenen Material vorausgesetzt, daß das Material homogen ist, höchstens die Hälfte der maximalen Randbeanspruchung bei einer ringförmigen Konstruktion ist. Dieses Prinzip ist auch auf andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anwendbar, bei denen ein massives einheitliches Metallstück zu einer Scheibe mit einem erweiterten wellenartigen unteren Abschnitt ausgebildet ist.
Bei den Doppelfeldspulen-Ausführungsformen läuft der Fluß nach dem Erreichen der Rotorvorsprünge durch die stationären Ankerspulen und dann durch einen oder mehrere laminierte Ringe (also einen Einzelring oder einen oberen Ring und einen unteren Ring), bevor er in den massiven äußeren Stahlmantel der Vorrichtung eintritt. Der Außenmantel leitet den Fluß radial nach innen, wo er über einen axialen Spalt zurück in den Rotor läuft. Die Feldspule wird durch einen Strom, der im wesentlichen ein Gleichstrom ist, getrieben, welcher eine zum Strom proportionale Gesamtflußdichte erzeugt. Die Verwendung von Gleichstrom ermöglicht, daß der Fluß im wesentlichen ohne Hysterese- oder Wirbelstromverluste im Rotor erzeugt wird. Abhängig von den gewünschten Funktionsparametern kann der Außenmantel aus einem oberen und einem unteren Ring, die durch einen nicht magnetischen Ring getrennt sind (so daß kein Fluß vertikal durch den Mantel läuft), bestehen, oder er kann aus einem oberen und einem unteren Mantel, zwei axial polarisierten ringförmigen Permanentmagneten und einem annulären Ring bestehen (wie weiter unten in weiteren Einzelheiten beschrieben wird).
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform umfaßt eine einzige stationäre ringförmige Feldspule, die sich auf einer Seite des gezahnten Abschnitts eines Rotors befindet (wenngleich in der Figur dargestellt ist, daß sich die Einzelfeld spule unterhalb des Rotors befindet, werden Fachleute verstehen, daß sich die Feldspule statt dessen oberhalb des Rotors befinden kann). Radial von den Rotorvorsprüngen erstrecken sich Luftspalt-Ankerspulen, ein stationärer laminierter Ring und ein einheitlicher Stahlmantel. Ähnlich wie beim oben beschriebenen Betrieb wird der den Fluß erzeugenden Feldspule ein Strom zugeführt, der im wesentlichen ein Gleichstrom ist. In diesem Fall läuft der Fluß axial durch die Rotorwelle, bis er den gezahnten Abschnitt des Rotors erreicht, wo der Fluß radial zu laufen beginnt. Der Fluß durchquert den Ankerluftspalt, wobei er durch die Luftspalt-Ankerspulen läuft, und er läuft dann durch den laminierten Ring und tritt in den Stahlmantel ein. Der Stahlmantel lenkt den Fluß zuerst axial und dann radial zum Wellenabschnitt des Rotors zurück. Diese Ausführungsform kann auch durch das Hinzufügen von Permanentmagneten, die abhängig vom Einrichtungsort radial oder axial polarisiert sind, abgeändert werden.
Weitere Merkmale der Erfindung, ihre Natur und verschiedene Vorteile werden anhand der anliegenden Zeichnung und der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen verständlicher werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist eine perspektivische Teilansicht eines herkömmlichen homopolaren Turbogenerators,
2 ist ein Längsschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung aufgebauten Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtung,
3 ist eine Schnittansicht von oben auf die Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtung aus 2 entlang der Linie 3-3 aus 2,
4 ist eine dreidimensionale perspektivische Ansicht einer gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung aufgebauten bevorzugten Luftspalt-Ankerspule,
5 ist eine dreidimensionale Teilansicht des Mantels einer alternativen Ausführungsform einer Schwungradvorrichtung gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung, worin eine bevorzugte Konfiguration der Luftspalt-Ankerspulen dargestellt ist,
6 ist ein Längsschnitt einer alternativen Ausführungsform einer gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung aufgebauten Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtung,
7 ist ein Längsschnitt einer weiteren alternativen Ausführungsform einer gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung aufgebauten Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtung,
8 ist ein Längsschnitt einer alternativen Einzelfeldspulen-Ausführungsform einer gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung aufgebauten Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtung,
9 ist ein Längsschnitt einer alternativen Ausführungsform einer gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung aufgebauten Einzelfeldspulen-Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtung,
10 ist ein Längsschnitt einer weiteren alternativen Ausführungsform einer gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung aufgebauten Einzelfeldspulen-Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtung,
11 ist ein Längsschnitt einer weiteren alternativen Ausführungsform einer gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung aufgebauten Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtung,
12 ist ein Längsschnitt einer alternativen Ausführungsform einer gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung aufgebauten Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtung, bei der der Fluß axial durch die Luftspalt-Ankerspulen tritt,
13 ist eine Teil-Schnittansicht von oben auf die Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtung aus 12 entlang der Linie 13-13 aus 12,
14 ist ein Längsschnitt einer als Beispiel dienenden Einrichtung jeglicher der gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung aufgebauten Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtungen aus den 8–11, und
15 ist ein Beispiel eines schematischen Blockdiagramms eines unterbrechungsfreien Leistungsversorgungssystems, das eine Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtung verwendet, die gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In 1 ist eine herkömmliche homopolare Turbogeneratormaschine 1 dargestellt. Die Maschine 1 weist eine zwischen zwei stationären Ankerblechstapeln 3 und 4 positionierte stationäre Feldspule 2 auf. Die Ankerblechstapel 3 und 4 weisen an der Innenfläche angeordnete axiale Schlitze auf, in denen Ankerwicklungen 9 angebracht sind. Ein Außenmantel 5 (oder ein magnetischer Rückschluß), der typischerweise ein im wesentlichen massives Stahlstück ist, umgibt die Statoranordnung und liefert einen Flußrückführungsweg, wie weiter unten beschrieben wird. Innerhalb des Mantels 5 ist ein Rotor 6 angebracht, der sich frei dreht. Der Rotor 6 weist Pole auf, die sich an jedem seiner Enden radial erstrecken, so daß sich die Pole 7 innerhalb der Ankerblechstapel 3 und 4 drehen. Wie in 1 dargestellt ist, können die Pole so orientiert sein, daß sie um 180 Grad versetzt sind.
Die Maschine 1 wird durch Anlegen eines Gleichstroms an die Feldspule 2 betrieben. Der Strom treibt einen homopolaren Magnetfluß durch einen der Ankerblechstapel 3 und 4 und in die entsprechenden Pole des Rotors 6. Der Magnetfluß wird als homopolar bezeichnet, weil es in den einzelnen Ankerblechstapeln 3 und 4 keine Flußumkehrungen gibt, wenn sich der Rotor 6 innerhalb des Mantels 5 dreht. Nach dem Eintreten in den Rotor 6 läuft der Fluß axial durch den Rotor 6, bis die andere Gruppe von Polen erreicht wurde. Der Fluß läuft dann über den Luftspalt zwischen den sich drehenden Polen und in den anderen der Ankerblechstapel 3 und 4. Nach dem Durchlaufen des anderen Ankerblechstapels vervollständigt der Fluß den Magnetkreis durch Laufen durch das Gehäuse 5, bis eine volle geschlossene Schleife abgeschlossen ist. Es sei bemerkt, daß es zwischen den Polen 7 des Rotors 6 große magnetische Schlitze 8 gibt. Diese Schlitze unterbrechen das Fortlaufen des Flusses am Luftspalt, wodurch bewirkt wird, daß sich der Fluß darin zeitlich ändert. Der sich zeitlich ändernde Fluß erzeugt in den Ankerwicklungen 9 eine Wechselspannung.
Mit Bezug auf 2 wird eine bevorzugte Ausführungsform einer Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtung 10 gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Schwungradvorrichtung 10 weist einen im wesentlichen planaren Scheibenrotor 12 auf, der eine Reihe im wesentlichen ähnlicher Zähne 14 (d.h. Vorsprünge) aufweist, die um den Umfang der sich innerhalb des Mantels 18 befindenden Scheibe ausgeschnitten sind (wie durch eine verborgene Linie 16 angegeben ist -- 3 zeigt eine Draufsicht des Rotors 12). Der Mantel 18 besteht vorzugsweise aus einem Material mit einer erheblichen Permeabilität, wie Stahl. Der Mantel 18 weist einen oberen Mantel 20, einen unteren Mantel 22 und einen ringförmigen Einsatz aus sich dazwischen befindendem nicht magnetischem Material 24 auf. Wenngleich der dargestellte "geteilte" Mantel für den Mantel 18 verwendet werden kann, werden Fachleute verstehen, daß der Mantel 18 auch unter Bildung eines "Einzelmantels" aus zwei Stücken eines Materials mit einer hohen Permeabilität ohne den nicht magnetischen Einsatz bestehen kann. Die Unterschiede zwischen den zwei Verfahren werden anhand der folgenden Diskussion verständlich werden. Bei beiden Konfigurationen (also bei dem geteilten Mantel oder dem Einzelmantel) ist zwischen dem Mantel 18 und dem Rotor 12 ein Paar axialer Luftspalte 26 und 28 ausgebildet.
Der Rotor 12 ist vorzugsweise mit einer Welle 34 (zum Anbringen des Rotors auf Lagern (nicht dargestellt)) aus einem einzigen Stück eines Materials mit einer hohen Permeabilität, wie Stahl, versehen. Die Verwendung eines einheitlichen Rotors (ohne mittleres Loch) liefert eine Schwungradvorrichtung 10 mit erheblich verbesserten Sicherheits- und Funktionseigenschaften (infolge der relativen Einfachheit der Konstruktion und der erhöhten sicheren Drehgeschwindigkeit, woraus sich eine höhere Energiedichte ergibt), wenngleich zusätzliches Gewicht erforderlich ist. Innerhalb des Mantels 18 sind eine obere ringförmige Feldspule 30 und eine untere ringförmige Feldspule 32 angebracht, die beide bezüglich des Rotors stationär bleiben. Die Feldspulen 30 und 32 sind vorzugsweise so konfiguriert, daß die Zähne 14 des Rotors 12 vollständig zwischen den Spulen durchlaufen (beispielsweise ist die radiale Länge jedes Zahns 14 geringer als die radiale Länge der Feldspulen 30 und 32, und der minimale Radius der Feldspulen 30 und 32 ist geringer als der minimale Radius jedes Zahns 14). Wenngleich diese Konfiguration bevorzugt ist, weil sie eine kompakte Vorrichtung liefert, können sich die Feldspulen 30 und 32 auch an jedem beliebigen Ort innerhalb des Mantels 18 befinden, je nach dem, wie es für die erforderliche Konstruktion zweckmäßig ist (es ist lediglich die erforderliche Anzahl von Amperewicklungen zum Induzieren des erforderlichen Flusses im Rotor für eine gegebene Ausgangsleistung notwendig).
Die Schwungradvorrichtung 10 kann auch eine obere Lagerspule 36 und eine untere Lagerspule 38 aufweisen, wobei die Lagerspulen 36 und 38 in diesem Fall an den Feldspulen 30 und 32 angebracht sind, so daß sich die Lagerspulen 36 und 38 gegenständlich zwischen den Feldspulen 30 und 32 und dem Rotor 12 befinden. Die Lagerspulen 36 und 38 können, wenn sie installiert sind, so gesteuert werden, daß sie genauso funktionieren wie ein herkömmliches axiales Magnetlager oder daß sie einen Satz von mechanischen Lagern (nicht dargestellt) vom größten Teil des Gewichts des Rotors 12 entlasten. Ebenso wie bei den Feldspulen 30 und 32 ist der spezielle Ort der Lagerspulen nicht kritisch. Beispielsweise könnten die Feldspulen und die Lagerspulen bei der in 2 dargestellten Ausführungsform ausgetauscht werden, ohne daß dies zu negativen Wirkungen beim Betrieb führen würde.
Einer oder mehrere Dehnungsmeßstreifen (nicht dargestellt) können am Mantel 18 angebracht werden, um die Lagerspulen 36 und 38 zu kontrollieren bzw. zu regeln. Die Dehnungsmeßstreifen würden einer Steuereinrichtung mit einem geschlossenen Regelkreis (nicht dargestellt), die die Spulen 36 und 38 steuert, um die Flußdichte im oberen Luftspalt 26 um einen gegebenen Betrag zu erhöhen, Eingaben zuführen, während sie die Flußdichte im unteren Luftspalt 28 um denselben Betrag verringert. Der Nettoeffekt dieser Änderung besteht darin, den größten Teil des Gewichts des Rotors zu stützen, während am mechanischen Lager (nicht dargestellt) eine optimale konstante Last erhalten bleibt. Dadurch, daß der Rotor ein massives magnetisches Bauteil ist, ist es möglich, daß die Lagerspulen 36 und 38 direkt auf den Rotor wirken (statt auf einen getrennten Stahlrotor wie bei den bisher bekannten zusammengesetzten Schwungradsystemen).
Fachleute werden erkennen, daß es auch praktisch durchführbar ist, die Lagerspulen 36 und 38 fortzulassen, wenngleich das Aufnehmen der Lagerspulen 36 und 38 ein zweckmäßiger Weg zum Steuern der über die Spalte 26 und 28 auf den Rotor 12 ausgeübten axialen Kräfte ist. Unter diesen Umständen könnten die über die Spalte 26 und 28 wirkenden axialen Kräfte durch getrenntes Ansteuern der Feldspulen 30 und 32 gesteuert werden, wobei die Nettokraft auf den Rotor 12 in diesem Fall eine Funktion der Differenz zwischen den Strömen in den getrennt gesteuerten Feldspulen 30 und 32 ist.
Ein Paar aus einem oberen glatten laminierten Ring 40 und einem unteren glatten laminierten Ring 42 befindet sich auch innerhalb des Mantels 18 (die Ringe werden als "glatt" bezeichnet, weil die dem Rotor zugewandte Oberfläche im Vergleich zu laminierten Ringen aus dem Stand der Technik, bei denen Schlitze oder Löcher zum Anordnen von Ankerspulen eingeschnitten sind) glatt ist. Fachleute werden verstehen, daß ein einziger laminierter Ring statt des Paars von Ringen verwendet werden kann, wenn die Einzelmantelkonfiguration gewählt ist. Falls der laminierte Einzelring verwendet wird und kein Trennring 24 installiert ist, ist der Mantel 18 einfach dort unterbrochen, wo der Trenner gewesen wäre. Hieraus ergibt sich, daß ein Teil des von der Lagerspule 36 getriebenen Flusses durch den Spalt 28 tritt und daß für die Lagerfunktion etwas mehr Leistung erforderlich ist.
Die laminierten Ringe 40 und 42 können aus laminierten Stempeln von Ringen oder Bogensegmenten eines Materials mit einer hohen Permeabilität, wie Weicheisen oder Stahl, bestehen (so daß das Material nur bei Vorhandensein eines von außen angelegten Magnetfelds magnetisiert ist). Alternativ können die Ringe 40 und 42 aus einem massiven Material mit einer hohen Permeabilität, wie Ferrit, oder einem anderen geeigneten Material bestehen. Die Ringe 40 und 42 sind so innerhalb des Mantels 18 angeordnet, daß sie sich zwischen dem radial äußersten Rand des Rotors 12 und dem Mantel 18 befinden. Abhängig von den gewünschten Betriebsparametern können sich die Ringe 40 und 42 direkt neben dem Mantel 18 befinden, oder sie können sich statt dessen radial innerhalb des Mantels 18 befinden, so daß ein zusätzlicher Luftspalt 54 zwischen dem Mantel 18 und den Ringen 40 und 42 gebildet wird. Ein weiterer Luftspalt 54 verbessert die Flußverteilung in dem laminierten Ring, wodurch ermöglicht ist, daß er kleiner ist (woraus sich der zusätzliche Vorteil ergibt, daß er weniger kostspielig ist). Der zusätzliche Luftspalt 54 erhöht auch weiter die Reluktanz des Feldkreises, wodurch die Induktivitäten und die Zeitkonstante der Feldspule und der Ankerspule verringert sind.
Es befinden sich mehrere Luftspalt-Ankerspulen 44 innerhalb eines Anker-Luftspalts 46, der zwischen dem Rotor 12 und den laminierten Ringen 40 und 42 ausgebildet ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Luftspalt-Ankerspulen 44 Z-förmige Spulen, die sehr wenig axialen Raum einnehmen (bei den radialen Ausführungsformen), wie in 4 in näheren Einzelheiten dargestellt ist. Wie in 4 dargestellt ist, weist jede Ankerspule 44 ein Paar vertikaler Schenkel 41 und 43 auf, die dem durch Rotorvorsprünge 14 hindurchtretenden Fluß ausgesetzt sind. Die Luftspaltspulen 44 sind vorzugsweise Z-förmig ausgebildet, so daß die vertikalen Schenkel 41 und 43 unter Bildung vollständiger Spulenschleifen mit Querelementen 45 und 47 integriert ausgebildet sind. Zuleitungen 49 sind von der Ankerspule 44 aus ausgebildet, so daß die Ankerspulen mit zusätzlichen Schaltungsanordnungen verbunden werden können (beispielsweise mit elektronischen Schaltungen, die Motorantriebströme zuführen oder der Schwungradvorrichtung Energie entnehmen).
Das bevorzugte gegenständliche Layout der Z-förmigen Ankerspulen 44 ist in 5 dargestellt und wird weiter unten in näheren Einzelheiten beschrieben. Die Luftspalt-Ankerspulen 44 können aus einem einheitlichen Stück eines massiven elektrisch leitenden Materials mit geringer Permeabilität (beispielsweise Kupfer) bestehen, sie sind jedoch vorzugsweise aus Drahtwicklungen hergestellt, von denen jede aus mehreren elektrischen Leitern bestehen kann, die elektrisch voneinander isoliert sind und elektrisch parallel geschaltet sind. Ein solcher als Litzendraht bekannter Draht besteht aus einzelnen filmisolierten Drähten, die in einem gleichmäßigen Verdrillungsmuster und einer gleichmäßigen Drallänge gebündelt oder miteinander verflochten sind (eine aus Litzendraht bestehende Spule weist dementsprechend mindestens einen Satz von Leitern auf, die parallel zueinander in Reihe mit mindestens einer anderen Gruppe paralleler Leiter gekoppelt sind). Durch diese Konfiguration werden die Skin-Effekt-Energieverluste massiver Leiter oder die Tendenz des Konzentrierens eines Hochfrequenzstroms an der Leiteroberfläche verringert. Richtig aufgebaute Litzendrähte haben einzelne Stränge, die jeweils in einem gleichmäßigen Muster positioniert sind, das sich von der Mitte nach außen und innerhalb einer gegebenen Länge des Drahts zurück bewegt. Zusätzlich zum Verringern der Skin-Effekt-Verluste erzeugen Litzendrähte und andere mehrsträngige Bündel dünnen Drahts sehr viel kleinere Wirbelstromverluste als ein einziger Strang eines dickeren Drahts.
Die Wirkungen des Betriebs der Schwungradvorrichtung 10 werden nachfolgend in den 2 und 3 dargestellt. Die Schwungradvorrichtung 10 wird durch Anlegen eines Stroms, der im wesentlichen ein- Gleichstrom (oder ein sich ändernder Gleichstrom) ist, an die Feldspulen 30 und 32 betrieben, wodurch ein Magnetkreis erzeugt ist, der eine Gesamtreluktanz aufweist, die im wesentlichen konstant bleibt, während sich der Rotor 12 dreht. Die Feldspulen 30 und 32 induzieren wirksam einen im wesentlichen konstanten homopolaren Fluß im umlaufenden Rotor 12 (dieser Fluß, der konstant ist, weil nur ein Gleichstrom an die Feldspulen angelegt ist, bewirkt keine erhebliche Hysterese und Wirbelstromverluste, die ansonsten die Funktionsweise der Schwungradvorrichtung negativ beeinflussen könnten). Die Flußdichte ist zum Strom in den Feldspulen 30 und 32 proportional. Der induzierte Fluß läuft, wie durch Bezugszahlen 48 und 50 dargestellt ist, radial nach außen durch die Zähne 14 des Rotors 12 (wie durch die Pfeile bei einer Bezugszahl 52 aus den 2 und 3 dargestellt ist).
Der Fluß läuft vom Rotorzahn 14 über den Ankerspalt 46 in die laminierten Ringe 40 und 42, wie durch Pfeile 56 angegeben ist (nur der Ring 40 ist in 3 dargestellt). Die laminierten Ringe 40 und 42 bewirken gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung das Diffundieren des Flusses, bevor er in den Mantel 18 eintritt. Der durch die Schwungradvorrichtung 10 laufende Fluß läuft normalerweise entlang dem Weg geringster Reluktanz, also radial direkt aus den Zähnen 14 und in den Mantel 18.
Ohne die in den laminierten Ringen 40 und 42 stattfindende Flußdiffusion neigt der Fluß dazu, als eine Welle hoher Amplitude, die der Drehung der Rotorzähne 14 folgt, am Mantel 18 anzukommen. Wenn jedoch die Gesamtlänge des Magnetkreises und die hohe Reluktanz des zusätzlichen Luftspalts 54 (falls verwendet) berücksichtigt werden, ist die Reluktanz in den durch die gekrümmten Pfeile in 3 dargestellten etwas nicht radialen Wegen im wesentlichen der gleiche wie in den rein radialen Wegen. Daher diffundiert der Fluß in den laminierten Ringen, bis die Flußdichte zu der Zeit, zu der der Fluß in den nicht laminierten Mantel 18 eintritt, im wesentlichen gleichmäßig und von der Zahnposition unabhängig ist. Hierdurch werden die Hysterese und die Wirbelstromverluste erheblich verringert.
Eine weitere Verbesserung der Grundlagen der Flußdiffusion gemäß der vorliegenden Erfindung kann, wenn nötig, erreicht werden, indem zwischen dem Mantel 18 und den laminierten Ringen 40 und 42 ein zusätzlicher Luftspalt 54 bereitgestellt wird. Das Aufnehmen des zusätzlichen Luftspalts 54 ermöglicht eine radiale Verringerung der Größe der laminierten Ringe 40 und 42, wodurch die Kernverluste infolge des rotierenden Flusses in den laminierten Ringen verringert werden und die Herstellungskosten verringert werden (es ist weniger laminiertes Material erforderlich). Der zusätzliche Luftspalt 54 wirkt als eine Sperre hoher Reluktanz, die erzwingt, daß die Flußdiffusion in den radial kleineren laminierten Ringen auftritt. In der Praxis kann der zusätzliche Luftspalt 54 mit einem Material mit geringer Permeabilität gefüllt sein.
Sobald der Fluß in den Mantel 18 eintritt, ändert sich die Richtung des Flusses, so daß er parallel zur Drehachse läuft, wie durch Pfeile 56 dargestellt ist. Nach dem Erreichen der axialen Grenzen des Mantels 18 nimmt der Fluß eine weitere senkrechte Richtungsänderung vor und beginnt, radial zur Achse des Rotors 12 zu laufen (wie durch Pfeile 58 und 60 dargestellt ist). Der Fluß dreht wiederum axial (wie durch Pfeile 62 dargestellt ist) und kreuzt die axiale Luftspalte 26 und 28 (wie durch Pfeile 64 dargestellt ist), bevor er wieder in den Rotor 12 eintritt. Die Gesamtfläche der Luftspalte (unabhängig davon, ob zwei oder drei Luftspalte verwendet werden) bleibt ungeachtet der Drehung des Rotors 12 konstant, und der Gesamtfluß im Kreis ändert sich daher nicht beim Drehen.
Bei bekannten Generatoren, bei denen Ankerspulen in den laminierten Ring eingebettet sind, bewirken die durch die Schlitze (oder Löcher) für die Ankerwicklungen erzeugten Diskontinuitäten, daß sich der Gesamtfluß und die Reluktanz beide etwas mit der Drehung des Rotors ändern, wodurch höhere Verluste bewirkt werden. Indem der Gesamtfluß und die Reluktanz konstant gehalten werden, werden die Verluste in den massiven Stahlteilen des Kreises klein gehalten und bleibt der Kreis wirksam (das Erzeugen von Wärme wird daher minimal gehalten). Weiterhin werden die Gesamtkosten von Vorrichtungen, bei denen traditionelle Ankerwicklungen verwendet werden, durch das zusätzliche Bearbeiten, das zum Schneiden von Schlitzen in laminierte Ringe für die Ankerwicklungen erforderlich ist, weiter erhöht.
Selbst wenn der Gesamtfluß und die Reluktanz im Kreis konstant bleiben, erzeugen die rotierenden Zähne 14 eine rotierende Spitzenflußdichte im Ankerluftspalt 46 und in den laminierten Ringen 40 und 42. Die rotierende Spitzenflußdichte im Ankerluftspalt 46 induziert einen Strom in den stationären Ankerspulen 44. Die Ausgangsspannung der Ankerspulen 44 ist direkt proportional zur Spitzengeschwindigkeit der rotierenden Zähne 14 und zur Flußdichte des Ankerluftspalts 46, wenngleich die Leistung zum Quadrat der Spannung (durch eine konstante Schaltungsimpedanz gegeben) proportional ist. Weil die Ankerluftspalt-Flußdichte direkt zum an die Feldspulen 30 und 32 angelegten Strom proportional ist, kann die Schwungradvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung leicht eine konstante Ausgangsspannung aufrechterhalten, indem lediglich der an die Feldspulen 30 und 32 angelegte Strom langsam erhöht wird, wenn sich der Rotor 12 verlangsamt. Hierdurch wird die Notwendigkeit kostspieliger Leistungselektroniken beseitigt, die häufig in Zusammenhang mit bekannten Energiespeichervorrichtungen verwendet werden. Weiterhin kann die Schwungradvorrichtung 10 durch einfaches Koppeln jeder dritten Ankerspule 44 miteinander ein dreiphasiges Wechselstrom-Ausgangssignal erzeugen.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Schwungradvorrichtung 10 bei nur geringen Änderungen gegenüber der zuvor beschriebenen Konfiguration als ein dreiphasiger bürstenloser Motor verwendet werden kann. Die zur Verwendung als ein Motor erforderlichen Modifikationen sind in 5 klarer dargestellt. In 5 ist eine bevorzugte Konfiguration der Luftspalt-Ankerspulen 44 aus den 2 und 4 dargestellt. Eine Schwungradvorrichtung 100 weist einen Mantel 118 aus einem Material mit einer erheblichen Permeabilität, wie Stahl, und einen laminierten Einzelring 140 auf, der den oben beschriebenen laminierten Ringen 40 und 42 ähnelt. Innerhalb des Mantels 118 sind auch ein Stützrahmen 170, der aus nicht magnetischem Material besteht, und ein mechanisches Lager 172, das die Welle des Rotors (in 5 nicht dargestellt) hält, vorhanden. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform kann der Stützrahmen 170 fortgelassen werden, wenn der horizontale Abschnitt des Mantels 18 so erweitert ist, daß er die Drehmitte überdeckt, so daß die Welle 34 darin angebracht werden kann.
Die Schwungradvorrichtung 100 umfaßt vierundzwanzig Ankerspulen 44 (aus den 2 und 4), die in zwei versetzten Schichten um den Umfang des laminierten Rings 140 angebracht sind. Die bevorzugten Ankerspulen 44 sind so ausgelegt, daß die zwei vertikalen Schenkel 174 und 176 unter Bildung eines Fensters 178, das im wesentlichen zwei Schenkeln gleicht, getrennt sind. In einer unteren Schicht aus zwölf Ankerspulen 180 sind diese aneinander angrenzend um den Umfang des laminierten Rings 140 angeordnet. Daraufhin ist eine obere Schicht aus zwölf Ankerspulen 182 auf der unteren Schicht von Spulen 180 angeordnet und gegenüber der unteren Schicht so versetzt, daß die benachbarten Schenkel jedes Paars der unteren Schicht durch das Fenster 178 jedes Ankers der oberen Schicht zeigen. Demgemäß sind die Ankerspulen gemäß der vorliegenden Erfindung nicht durch Eisenschlitze getrennt (wie es herkömmlicherweise der Fall ist), und es kann in einen gegebenen Luftspalt mehr Draht eingepaßt werden. Die Möglichkeit des Bereitstellens eines erhöhten Drahtvolumens im Luftspalt ist ein zusätzlicher Faktor, der die Schwungradvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung kompakter macht, was zu einer höheren Leistungsdichte führt als bei bisher bekannten Schwungrädern.
Wenngleich in 5 vierundzwanzig Ankerspulen 44 dargestellt sind, werden Fachleute verstehen, daß verschiedene andere Konfigurationen verwendet werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Falls die gewünschte Vorrichtung jedoch eine dreiphasige Vorrichtung ist, sollte die Gesamtzahl der Ankerspulen durch drei teilbar sein, um die richtige Phasenausrichtung zu erhalten.
Jede der Ankerspulen 44 ist auch mit einem Paar von Zuleitungen 49 versehen, über die Signale ein- oder ausgegeben werden können. Wenn eine Schwungradvorrichtung 100 als eine Energieausgabevorrichtung verwendet wird, wird die Ausgangsspannung einfach den Zuleitungen 49 entnommen und nach Bedarf wirksam gleichgerichtet und gefiltert. In diesem Fall wird die kinetische Energie wirksam in elektrische Energie umgewandelt und die Schwungradvorrichtung 100 arbeitet im wesentlichen als eine Batterie, jedoch ohne daß möglicherweise gefährliche Chemikalien verwendet werden.
Um der Schwungradvorrichtung 100 Energie zuzuführen, wird sie als ein Dreiphasenmotor angetrieben. Bei der einfachsten Ausführung eines Motors sind der Schaltung vorzugsweise drei zusätzliche Sensoren hinzugefügt. Hall-Effekt-Sensoren 184, 186 und 188 sind so angeordnet, daß sie die Flußdichte am am weitesten links gelegenen Schenkel dreier aufeinanderfolgender Ankerspulen 44 überwachen. Die Kommutierung jeder Gruppe von Ankerspulen (wie bei der Generatorkonfiguration sind die Ankerspulen in drei Gruppen miteinander verbunden) wird auf der Grundlage der Eingangssignale von den Sensoren 184, 186 und 188 gesteuert.
Alle Anker einer Gruppe werden immer dann angetrieben, wenn die Sensoren erfassen, daß ein ganzer linker Schenkel von einem der Zähne 14 bedeckt ist (wobei angenommen wird, daß die Zähne von links nach rechts an den Sensoren 184, 186 und 188 über die Ankerspulen rotieren (wie in 5 dargestellt ist)). Auf diese Weise wird jede Phase der Reihe nach so getrieben, daß der Rotor weiterhin um seine Achse getrieben wird. Ein Vorteil der Schwungradvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß Energie bei einer erheblich langsameren Rate wiederaufgefüllt werden kann, während viele Anwendungen eine Hochleistungsentladung zum Entnehmen von Energie aus dem Schwungrad benötigen. Durch das bei einer langsameren Rate erfolgende Eingeben von Leistung in das Schwungrad wird eine drastische Kostenverringerung erreicht, die weiter dadurch verringert werden kann, daß weniger Leistungstransistoren erforderlich sind, indem ein Strom nur in einer Richtung durch die Ankerspulen 44 getrieben wird. Eine Vereinfachung der Zuverlässigkeit wird auch durch die Vereinfachung der erforderlichen Ansteuerlogik erzielt. Das gleiche Erfassungsschema kann auch bei herkömmlichen Dreiphasen-Steuerschaltungen verwendet werden, um Ankerspulen 44 mit einem bidirektionalen Strom zu treiben. Es ist auch möglich, die Gegen-EMF-Impulse von Ankerspulen 44 zum Steuern der Motorantriebskommutierung zu verwenden, ohne daß Hall-Effekt-Sensoren erforderlich wären. Weiterhin werden Fachleute erkennen, daß auch optische Sensoren zum Bereitstellen von Kommutierungsinformationen verwendet werden können.
Es sei auch bemerkt, daß die Energieanforderungen von Energiespeichervorrichtungen derart sind, daß häufig in einem Bedarfsmodus die volle Leistung erforderlich ist. Um diese Fähigkeit von den oben beschriebenen Schwungradvorrichtungen bereitzustellen, wird der Feldkreis vorzugsweise stets ausreichend erregt gehalten (zumindest teilweise infolge der durch die Induktivität des Feldkreises hervorgerufenen Verzögerung). Diese Anforderung erzeugt jedoch eine kleine Konstantstromentnahme infolge der Feldspulenheizung und von Kernverlusten im laminierten Ring und in den massiven Stahlteilen.
Der Einschluß des glatten laminierten Rings ohne Ankerspulenschlitze oder -löcher, verringert stark diese konstanten Bereitschaftsverluste. Falls eine sehr große Energiemenge erforderlich ist, kann es dennoch vorzuziehen sein, ein System mit mehreren Schwungrädern bereitzustellen, bei dem nur ein Schwungrad in einem voll oder nahezu voll erregten Zustand gehalten wird. Das erregte Schwungrad muß genug Leistung erzeugen können, um den Leistungsanforderungen während der Zeit zu genügen, in der die anderen Schwungräder auf ihre voll erregten Zustände hochgefahren werden (also bis der volle Betriebsfluß erzeugt wird). In diesem Fall können Kernverluste und das Feldspulenheizen minimiert werden, während noch die sofortige Ausgabe der erforderlichen Leistung bereitgestellt wird.
In 6 ist eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schwungradvorrichtung 200 dargestellt. Die Schwungradvorrichtung 200 ähnelt im wesentlichen der Schwungradvorrichtung 10 aus 2. Die Unterschiede zwischen den beiden Schwungradvorrichtungen liegen darin, daß die Schwungradvorrichtung 200 einen laminierten Einzelring 202 aufweist (gegenüber der für die Vorrichtung 10 dargestellten Zweiringkonfiguration), sowie im Aufbau der Mäntel. Wenngleich die Schwungradvorrichtung 200 mit einem laminierten Einzelring 202 dargestellt ist, werden Fachleute erkennen, daß die Zweiringkonfiguration aus 2 ebenso auf die Schwungradvorrichtung 200 angewendet werden kann.
Der Hauptunterschied zwischen der Schwungradvorrichtung 10 und der Schwungradvorrichtung 200 besteht im Hinzufügen von Permanentmagneten zum Schwungrad 200. Ein Mantel 218 besteht aus einem oberen Mantel 220 und einem unteren Mantel 222, die dem oberen Mantel 20 und dem unteren Mantel 22 aus 2 im wesentlichen ähneln. Am oberen Mantel 220 ist jedoch ein oberer axial polarisierter ringförmiger Permanentmagnet 204 angebracht, der ein Einzelmagnet sein kann oder, infolge von einschränkenden Herstellungsbedingungen, ein Satz von unter Bildung eines Rings zusammengepaßten Bogensegmenten sein kann. Ein zusätzlicher ringförmiger Abschnitt 206 aus Material mit einer hohen Permeabilität (vorzugsweise Stahl) ist am oberen Permanentmagnet 204. angebracht, während der untere axial polarisierte ringförmige Permanentmagnet 208 am Abschnitt 206 angebracht ist. Der untere Mantel 222 verbindet den unteren Permanentmagnet 208 unter Vervollständigung des Mantels 218.
Die Schwungradvorrichtung 200 arbeitet ähnlich wie die Schwungradvorrichtung 10, wegen der Aufnahme der Permanentmagneten 204 und 208 ist jedoch kein Feldstrom erforderlich, wenn das Schwungrad im Bereitschaftszustand bei der Höchstgeschwindigkeit läuft. Während dieser Zeit treiben die Permanentmagnete 204 und 208 den Fluß ohne einen zusätzlichen Antriebsstrom durch den Magnetkreis. Durch dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung werden die I²R-Leistungsverluste der Feldspule während des Bereitschaftsbetriebs beseitigt und die Reluktanz des Feldkreises weiter erhöht, wodurch die Induktivität der Anker noch weiter verringert wird. Wenngleich diese Verbesserungen vorteilhaft sind, kann die Verwendung von Permanentmagneten die Gesamtkosten der Vorrichtung erheblich beeinflussen. Demgemäß kann diese Ausführungsform eines Permanentmagnets unter praktischen Bedingungen nur dann anwendbar sein, wenn das Verringern von Bereitschaftsverlusten und das Erreichen der äußersten Leistungsdichte kritisch sind. Wenngleich dargestellt ist, daß das Schwungrad 200 einen zusätzlichen Luftspalt 54 aufweist, werden Fachleute verstehen, daß dies lediglich eine Option ist und daß der zusätzliche Spalt 54 ohne Abweichen vom Grundgedanken der Erfindung fortgelassen werden kann.
Eine zweite alternative Ausführungsform eines Permanentmagnets ist in 7 dargestellt, wo eine Schwungradvorrichtung 300 dargestellt ist. Es ist dargestellt, daß die Schwungradvorrichtung 300 ähnlich wie die Schwungradvorrichtung 200 einen laminierten Einzelring 202 aufweist, es kann jedoch, wie oben beschrieben wurde, auch eine laminierte Zweiringkonfiguration verwendet werden. Die Schwungradvorrichtung 300 unterscheidet sich in der Hinsicht von den zuvor beschriebenen Schwungrädern, daß ein Ring aus im wesentlichen radial polarisierten Permanentmagnetsegmenten 304 (es kann auch ein einziger ringförmiger Permanentmagnetring verwendet werden) an der Innenfläche des laminierten Rings 202 angebracht ist. Die Verwendung der Permanentmagnetsegmente 304 liefert die gleichen Vorteile, die oben mit Bezug auf die Permanentmagnete 204 und 208 beschrieben wurden, es ist jedoch möglich, daß der Magnet 304 infolge der axialen Ausdehnung der rotierenden Zähne 14 ein größeres Volumen einnimmt. Das größere Volumen bietet dadurch einen zusätzlichen Vorteil, daß ein Magnetmaterial mit einem geringeren Energieprodukt verwendet werden kann (also bei niedrigeren Kosten). Ein zusätzlicher Vorteil der radial polarisierten Magnete besteht darin, daß sie das Auftreten einer zusätzlichen Flußdiffusion ermöglichen (unter der Annahme, daß die Magnete aus einem Material mit einer geringen Permeabilität und einer geringen Leitfähigkeit bestehen), während auch die Induktivität der Ankerspulen weiter verringert wird, wodurch eine noch höhere Leistungsdichte ermöglicht ist. Weiterhin ist das Aufnehmen des zusätzlichen Luftspalts 54 wahlweise möglich, wie oben beschrieben wurde.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Doppelfeldspulen-Konfigurationen können die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung durch Verwendung mehrerer Einzelfeldspulen-Konfigurationen verwirklicht werden, wie in den 8–11 dargestellt ist. In 8 ist eine Schwungradvorrichtung 400 dargestellt, die einen Rotor 412 mit Zähnen 414, wie durch eine unterbrochene Linie 416 definiert ist und oben beschrie ben wurde, sowie einen unteren Abschnitt 436 aufweist. Der Rotor 412 dreht sich innerhalb eines stationären Mantels 418 (aus einem einzigen Stück eines Materials mit hoher Permeabilität, wie Stahl, gebildet). Eine einzige Feldspule. 430 induziert nach dem Zuführen eines Stroms, der im wesentlichen ein Gleichstrom ist, im unteren Abschnitt 436 einen unidirektionalen axialen homopolaren Fluß. Der Fluß läuft vom unteren Abschnitt 436 zu den Zähnen 414 des Rotors 412, wie durch Pfeile 438 dargestellt ist.
Der Fluß läuft nach Erreichen in etwa des oberen Teils des Rotors 412 radial nach außen und tritt durch die Zähne 414 aus dem Rotor 412 aus, wie zuvor für das Schwungrad 10 beschrieben wurde (mit Bezug auf den Rotor 12 und die Zähne 14). Nach dem Austreten aus den Zähnen 414 kreuzt der Fluß den Ankerspalt 446 und läuft durch Ankerspulen 444 in einen laminierten Einzelring 440. Der laminierte Ring 440 verteilt den Fluß, bevor der Fluß in den Mantel 418 eintritt, wie zuvor beschrieben wurde. Der Fluß läuft dann axial durch den Mantel 418, bevor er senkrecht zur Achse des Rotors 412 hin gerichtet wird. Schließlich durchquert der Fluß vor dem Wiedereintreten in den Rotor 412 einen kleinen Luftspalt 428.
Wie zuvor beschrieben wurde, ändern sich der Gesamtfluß und die Reluktanz in der Schaltung nicht bei der Drehung des Rotors 412, die sich drehenden Zähne 414 erzeugen jedoch eine sich lokal ändernde Flußdichte im Ankerluftspalt 446 und im laminierten Ring 440, wenn er durch sie hindurchläuft. Wie zuvor mit Bezug auf 4 beschrieben wurde, können die Zuleitungen der Luftspaltspulen 444 mit einer externen Schaltung verbunden sein, die bewirkt, daß der Anker mit dieser sich ändernden Flußdichte wechselwirkt, um die kinetische Energie des Schwungrads in elektrische Energie umzuwandeln oder um von außen zugeführte elektrische Energie in kinetische Energie umzuwandeln. Die Bestandteile des Schwungrads 400 weisen im wesentlichen die gleichen Eigenschaften auf wie diejenigen, die hinsichtlich der Verhältnisse zwischen der induzierten Spannung, dem sich ändernden Fluß, der Flußdichte und dem Strom in der Feldspule zuvor für die Schwungräder 10, 100, 200 und 300 beschrieben wurden.
9 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Einzelfeldspulen-Schwungradvorrichtung 500, die im wesentlichen alle Bestandteile der Schwungradvorrichtung 400 aufweist. Der Einfachheit halber weist jedes Bauteil, das bei den Schwungradvorrichtungen 400 und 500 im wesentlichen identisch ist, die gleichen letzten zwei Ziffern der Bezugszahl auf, und die oben geführte Erörterung gilt daher in gleichem Maße für sie (und sie werden nicht weiter erörtert). Der grundlegende Unterschied zwischen den Schwungrädern 400 und 500 besteht in der Aufnahme eines Permanentmagnets 504, der dem zuvor mit Bezug auf 6 beschriebenen ähnelt. Ein Mantel 518 besteht aus einem oberen Mantel 520, der am Magnet 504 angebracht ist, und der Magnet 504 ist an einem unteren Abschnitt 522 angebracht. Wenngleich die Schwungräder 400 und 500 ohne einen zusätzlichen Luftspalt zwischen dem laminierten Stapel und dem Mantel dargestellt sind, werden Fachleute verstehen, daß der zusätzliche Luftspalt auch hier verwendet werden kann.
In 10 ist eine weitere alternative Ausführungsform einer Einzelfeldspulen-Schwungradvorrichtung 600 dargestellt, die im wesentlichen alle Bestandteile der Schwungradvorrichtungen 400 und 500 aufweist. Der Einfachheit halber weist jedes Bauteil, das bei den Schwungradvorrichtungen 400, 500 und 600 im wesentlichen identisch ist, die gleichen letzten zwei Ziffern der Bezugszahl auf, und die oben geführte Erörterung gilt daher in gleichem Maße für sie (und sie werden nicht weiter erörtert). Der grundlegende Unterschied zwischen den Schwungrädern 500 und 600 besteht im Ort des Permanentmagnets 604. Die Schwungradvorrichtung 600 verwendet den Permanentmagnet 604 in einer ähnlichen Weise wie zuvor mit Bezug auf 7 beschrieben wurde. Ein Mantel 618 besteht aus einem einzigen Stück eines Materials mit einer hohen Permeabilität, und der Permanentmagnet 604 ist an einem laminierten Ring 640 angebracht. Weiterhin kann das Schwung rad 600 auch einen zusätzlichen Luftspalt zwischen dem laminierten Stapel und dem Mantel aufweisen, wenngleich keiner dargestellt ist.
In 11 ist eine weitere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schwungradvorrichtung 800 dargestellt. Die Schwungradvorrichtung 800 bietet eine Verringerung der durchschnittlichen Bereitschaftsverluste. Dieser Vorteil wird durch eine Erhöhung der mechanischen Komplexität, ein Verringern der gespeicherten Energie oder ein Verringern des Sicherheitsfaktors erkauft. Daher muß das Schwungrad 800 möglicherweise bei geringeren Drehgeschwindigkeiten arbeiten als die Schwungräder 10, 100, 200, 300, 400, 500 und 600, um das gleiche Niveau an Sicherheit zu erreichen. Daher ist beim Schwungrad 800 möglicherweise ein schwereres Schwungrad erforderlich, um die gleiche Energie wie bei den anderen Schwungrädern zu speichern.
Das Schwungrad 800 weist einen Rotor 812 mit Zähnen 814 auf, wie bei einer unterbrochenen Linie 816 festgelegt ist. Der Rotor 812 weist auch einen unteren Abschnitt 836 auf, der sich radial zum Anfang der Zähne 814 erstreckt. Der untere Abschnitt 836 des Rotors 812 ist mit einer Scheibe 824 mit geringer Permeabilität verbunden, so daß er sich dreht, wenn sich der Rotor 812 dreht. Der äußere Abschnitt 820 des Mantels 818 ist gegenständlich mit einer Nichteisenscheibe 824 verbunden, so daß er sich auch synchron mit dem Rotor 812 dreht. Ein zusätzlicher unterer Abschnitt 822 des Mantels 818 ist stationär und an einer ringförmigen Feldspule 830 befestigt. Demgemäß sind in 11 während des Normalbetriebs nur der untere Abschnitt 822 und die Feldspule 830 stationär. Der untere Abschnitt 822 ist so positioniert, daß es auf jeder Seite des Abschnitts 822 zwei Spalte 826 und 828 gibt. Der äußere Abschnitt 820 ist so positioniert, daß ein Ankerspalt 846 zwischen dem äußeren Abschnitt 820 und dem Rotor 812 ausgebildet ist. Ankerspulen (nicht dargestellt), die sich im Luftspalt 846 befinden, werden vorzugsweise verwen det, um die Schwungradvorrichtung 800 mit anderen elektrischen Einrichtungen zu verbinden.
Einer der Vorteile des Schwungrads 800 besteht darin, daß der laminierte Ring als ein Diffusionselement beseitigt ist. Statt dessen ist der äußere Abschnitt 820 zur Flußdiffusion verfügbar, weil die gesamte Höhe des Abschnitts 820 dazu neigt, den Fluß erheblich zu homogenisieren, so daß er zu der Zeit, zu der er in den unteren Abschnitt 822 eintritt, an allen Umfangspositionen im wesentlichen gleich ist.
Wenngleich alle oben beschriebenen Ausführungsformen den Fluß veranschaulichen, der radial durch die Ankerspulen tritt, werden Fachleute verstehen, daß die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung gleichermaßen für Ausführungsformen gelten, bei denen der Fluß axial durch den Anker tritt. Ein Beispiel einer Ausführungsform mit axialem Fluß ist in den 12 und 13 durch eine Doppelfeldspulen-Schwungradvorrichtung 900 dargestellt. Wenngleich die Schwungradvorrichtung 900 weiterhin als eine Doppelfeldspulenvorrichtung dargestellt ist, werden Fachleute verstehen, daß die Schwungradvorrichtung 900 mit einer Einzelfeldspule (und einer zugeordneten Ankerspule) verwirklicht werden kann, die sich oberhalb oder unterhalb eines Rotors 912 befindet, ohne daß vom Gedanken der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.
Die Schwungradvorrichtung 900 arbeitet nach im wesentlichen den gleichen Grundsätzen wie die zuvor beschriebenen Schwungradvorrichtungen, wobei die relative Geometrie jedoch so konfiguriert ist, daß der Fluß axial und nicht radial durch die Ankerspulen tritt. Daher weist der Einfachheit halber jedes Bauteil, das bei den zuvor beschriebenen Schwungradvorrichtungen und der Schwungradvorrichtung 900 im wesentlichen identisch ist, die gleichen letzten zwei Ziffern der Bezugszahl auf, und die oben angegebene Erörterung gilt daher in gleichem Maße für sie (und sie werden nicht weiter erörtert). Wenngleich die Schwungradvorrichtung 900 vorzugsweise ähnlich wie bei den zuvor erörterten Ankerspulen mit Zförmigen verschachtelten dreiphasigen Ankerspulen versehen ist, sind die Ankerspulen 984 und 986 als flache Spulen dargestellt, die für eine Einphasenausgabe geeignet sind (die in den 4 und 5 dargestellten Spulen seien mit der in den 12 und 13 dargestellten Spule verglichen).
Fachleute werden verstehen, daß die in den 12 und 13 dargestellten einphasigen flachen Spulen mit jeder beliebigen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Flache Spulen, die einfacher und kostengünstiger herzustellen sind als Z-förmige Spulen, neigen dazu, die Leistungsdichte des Generators zu verringern, was möglicherweise nicht immer ein wesentliches Konstruktionskriterium ist. Weil der Fluß weiterhin axial durch laminierte Ringe 940 und 942 läuft, können die Ringe 940 und 942 auch bei verringerten Kosten hergestellt werden (die Ringe 940 und 942 können beispielsweise durch einfaches Wickeln einer Spule aus flachem Stahlblech auf einen Dorn hergestellt werden, wodurch vermieden wird, daß der nicht verwendete Teil des Stahls aus den zuvor beschriebenen laminierten Ringen ausgeschnitten wird, wobei dies davon unabhängig ist, ob sie aus ununterbrochenen Ringen oder Bogensegmenten bestehen).
Die Schwungradvorrichtung 900 arbeitet in der Hinsicht, daß die Feldspulen 930 und 932 durch einen Strom, der im wesentlichen ein Gleichstrom ist, angetrieben werden, ähnlich wie die zuvor beschriebenen Schwungradvorrichtungen. Bei der Konfiguration aus 12 tritt der induzierte Fluß jedoch axial aus den Zähnen 914 und nicht radial aus der Spitze der Zähne 914 aus. Der Fluß läuft dann durch die Luftspalt-Ankerspulen 984 und 986 und durch die laminierten Ringe 940 und 942, bevor er in den geteilten Mantel 918 eintritt. Wenngleich in 12 ein Paar zusätzlicher Luftspalte 954 und 955 dargestellt ist, werden Fachleute verstehen, daß die Spalte fortgelassen werden können oder daß sie mit einem Material mit geringer Permeabilität gefüllt werden können, wie oben beschrieben wurde, ohne vom Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Grundgedan ken der vorliegenden Erfindung durch Kombinieren der in 12 dargestellten Ausführungsform mit Permanentmagneten in jeder der oben beschriebenen Weisen zum Ändern der Betriebsparameter der Schwungradvorrichtung verwirklicht werden.
Die Konfiguration der Schwungradvorrichtung 900 bietet dem Entwickler zusätzliche Faktoren, die beim Vornehmen von Entwurfsauswahlen zu berücksichtigen sind. Beispielsweise hat die Schwungradvorrichtung 900 auf Kosten einer langsameren durchschnittlichen Spitzengeschwindigkeit in den Luftspalten 954 und 955 (für einen gegebenen Durchmesser) einen kleineren Gesamtdurchmesser als die zuvor beschriebenen Schwungradvorrichtungen. Der kleinere Durchmesser führt auch dazu, daß die nicht rotierenden Bestandteile der Magnetkreise leichter sind und sich bei geringeren Kosten herstellen lassen.
14 zeigt eine als Beispiel dienende Einrichtung der Schwungradvorrichtung 960, die jeder der oben beschriebenen Schwungradvorrichtungen entsprechen kann (also einem Rotor, der einen einzigen Satz von Zähnen und einen laminierten Ring aufweist). Wie dargestellt ist, gilt 14 jedoch insbesondere für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die einen unteren Abschnitt X36 als Teil des Rotors aufweisen. Fachleute werden verstehen, daß die mit Bezug auf 14 dargestellten und beschriebenen Grundgedanken der Erfindung in gleicher Weise auf die Ausführungsformen anwendbar sind, bei denen der Rotor einfach eine flache Scheibe ist (mit geringen Modifikationen gegenüber der in 14 dargestellten Einrichtung). Daher werden mit Bezug auf 14 nur die Einrichtungsbestandteile erörtert. Die Welle 34 des Rotors ruht in zwei mechanischen Lagern 962 und 964. Die mechanischen Lager 962 und 964 sind vorzugsweise einfache Kugellager oder Walzenlager, weil sie preisgünstig, einfach und zuverlässig sind.
Die Eigenschaften der mechanischen Lager 962 und 964 werden durch Verringern der auf die Lager wirkenden Last stark verbessert.
Die verringerte Last ermöglicht, daß die Lager 962 und 964 bei minimalen Widerstandswerten arbeiten und verlängerte Nutzungsdauern aufweisen. Die längste Lebensdauer kann jedoch mit mechanischen Lagern erhalten werden, indem sichergestellt wird, daß eine gewisse kleine Last an den Lagern erhalten bleibt, statt daß im wesentlichen die ganze Last entfernt wird.
Die auf die mechanischen Lager 962 und 964 wirkende Last ist durch die Verwendung eines Magnetlagers in Form eines ringförmigen Elektromagnets 966 verringert. Einer oder mehrere Dehnungsmeßstreifen (nicht dargestellt), die einer Kontroll- bzw. Regeleinrichtung mit geschlossenem Regelkreis (nicht dargestellt) Eingaben liefern, können sich an einer Stützstruktur innerhalb des Mantels befinden. Die Kontrolleinrichtung regelt den Elektromagnet 966 so, daß der größte Teil des Gewichts des Rotors getragen wird, während eine optimale auf die mechanischen Lager 962 und 964 wirkende konstante Last erhalten bleibt. Falls die Stützen für das Lager und den Elektromagnet eine angemessene Steifigkeit aufweisen, kann das Magnetlager durch einen einfachen konstanten Strom gesteuert werden, und es sind keine Dehnungsmeßstreifen erforderlich. Dadurch, daß der Rotor ein massives magnetisches Bauteil ist, ist ermöglicht, daß der Elektromagnet 966 direkt auf den Rotor wirkt (statt auf einen getrennten Stahlrotor wie bei bisher bekannten zusammengesetzten Schwungradsystemen). Fachleute werden verstehen, daß der Elektromagnet 966 am wirksamsten ist, wenn die Schwungradvorrichtung 960 so eingerichtet ist, daß die Welle 34 im wesentlichen parallel zum Vektor 968 der Schwerkraft der Erde verläuft.
15 zeigt ein veranschaulichendes Beispiel davon, wie die Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtung, hergestellt entsprechend den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung, verwendet werden kann, um ein unterbrechungsfreies Leistungsversorgungssystem 970 bereitzustellen. Das System 970, das bei EIN Primärleistung empfängt (typischerweise von einer Versorgungsgesellschaft) und bei AUS Versorgungsleistung liefert, weist eine Schwungrad-Speichereinheit 972 auf, die jede beliebige Schwungrad-Energieumwandlungsvorrichtung sein kann, die einen feldsteuerbaren Generator zum Bereitstellen einer Kurzzeit-Reserveleistung aufweist. Das System 970 weist zumindest eine der folgenden Einheiten auf: eine Eingangsleitungs-Überwachungseinheit 974, eine Ausgangsleitungs-Überwachungseinheit 976 und eine Gleichspannungsbus-Überwachungseinheit 978, von denen einige oder alle dazu dienen können, Unterbrechungen der Primärleistung direkt oder indirekt zu überwachen, eine Feldspulen-Steuereinrichtung 980, Gleichrichter 982 und einen Wechselrichter 984 (der Wechselrichter 984 weist eine Transistor-Zeitsteuerungs- und Ansteuerschaltung auf (nicht dargestellt)). Falls über längere Zeit eine Notleistung erforderlich ist, also über längere Zeit als durch die in der Schwungrad-Speichereinheit 972 gespeicherte kinetische Energie zugeführt werden kann, kann ein Übertragungsschalter 986 aufgenommen sein, um die Versorgungsleitungen zur Reserveleistungsquelle 988 in der Art eines Reservedieselgenerators zu übertragen.
Unter normalen Betriebsbedingungen wird von EIN Wechselstromleistung in die Gleichrichter 982 eingegeben, die die Leistung in eine Gleichstromleistung umwandeln. Ein kleiner Teil der Gleichstromleistung wird durch einen kleinen Wechselrichter (nicht dargestellt) wieder in Wechselstromleistung umgewandelt und der Schwungrad-Speichereinheit 972 zugeführt, um das Schwungrad auf seine Nenn-Bereitschaftsdrehgeschwindigkeit zu beschleunigen und die Drehung des Schwungrads bei der Nenn-Bereitschaftsdrehgeschwindigkeit zu halten (also die oben beschriebenen elektrischen und mechanischen Bereitschaftsverluste zu überwinden). Zum Minimieren der Verluste wird die Feldspule in der Schwungrad-Speichereinheit 972 vorzugsweise bis zum Erfassen eines Primärleistungsausfalls bei einem verringerten Wert gehalten. Der größte Teil der Gleichstromleistung wird dem Wechselrichter 984 zugeführt, der die Leistung wieder in eine Wechselstromleistung umwandelt und sie über AUS externen Schaltungen (nicht dargestellt) zuführt.
Sobald eine Primärleistungsunterbrechung durch eine der Überwachungseinrichtungen 974, 976 oder 978 erfaßt wurde, sendet die Feldspulen-Steuereinrichtung 980 ein Treibersignal zur Feldspule in der Schwungrad-Speichereinheit 972, das bewirkt, daß der Feldspulenstrom schnell rampenförmig ansteigt, so daß die bei AUS erforderliche Leistung durch die Schwungrad-Speichereinheit 972 zugeführt wird
(der Feldspulenstrom wird schnell rampenförmig erhöht, so daß die Feldspule innerhalb einer erheblich kürzeren Zeit als einer Sekunde nach der Unterbrechung der Primärleistung auf das erhöhte Treibersignal anspricht). Falls erforderlich kann ein Kondensator oder eine andere Sekundärspeichervorrichtung (nicht dargestellt) zum Bereitstellen von Leistung verwendet werden, um die Busspannung aufrechtzuerhalten und um die Feldspule während der Zeit des rampenförmigen Erhöhens zu speisen, wofür nur einige Millisekunden erforderlich sein sollten.
Das Überwachen wird fortgesetzt, wenn Leistung durch die Schwungrad-Speichereinheit 972 zugeführt wird, so daß die Ausgangsspannung auf einem verhältnismäßig konstanten Niveau gehalten wird, bis etwa neunzig Prozent der kinetischen Energie aus dem Schwungrad entnommen wurden. Dies kann durch Überwachen der Ausgangsspannung der Schwungrad-Speichereinheit 972, der Ausgangsspannung bei AUS oder der Drehgeschwindigkeit des Schwungrads erreicht werden. Wenn kinetische Energie aus dem Schwungrad entfernt wird (wenn es also beginnt, sich zu verlangsamen) und die Ausgangsspannung der Schwungrad-Speichereinheit 972 abzusinken beginnt, erhöht die Feldsteuereinrichtung 980 langsam rampenförmig den Feldstrom, der der Feldspule zugeführt wird, wodurch die Ausgangsspannung der Speichereinheit 972 wiederhergestellt und auf einem konstanten Niveau gehalten wird. Diese Technik wird weniger wirksam, wenn die Menge der gespeicherten Energie verringert wird, bis, wenn etwa zehn Prozent der gespeicherten Energie verbleiben, die Ausgangsspannung abzusinken beginnt, weil der Feldspulenstrom seinen Maximalwert erreicht hat und die abnehmende Drehgeschwindigkeit des Rotors nicht mehr kompensieren kann.
Es wird verständlich sein, daß unter Umständen, bei denen der Vorteil des Aufrechterhaltens einer konstanten Ausgangsspannung bei abnehmender Drehgeschwindigkeit nicht erforderlich ist, die anderen Vorteile der vorliegenden Erfindung erreicht werden können, indem Permanentmagneten zum Treiben des Magnetkreises an Stelle von Feldspulen verwendet werden (jedoch infolge der Verwendung kostspieligen Permanentmagnetmaterials bei erheblich erhöhten Kosten). Unter diesen Umständen würden die Feldspulen ganz fortgelassen werden, wodurch Platz gespart wird und eine geringe Verringerung des Betrags der erhöhten Kosten erreicht wird, die infolge des Permanentmagnetmaterials auftreten.
Es wird verständlich sein, daß das vorhergehend Gesagte nur die Grundgedanken der Erfindung erläutert und daß von Fachleuten verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang und vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die Vorteile eines sich drehenden Stahlmantelabschnitts auf den nicht erweiterten Rotor angewendet werden (also den Rotor ohne den unteren Abschnitt, wie in den 2–7 dargestellt ist), indem die mit Bezug auf 11 dargelegten Grundgedanken verwendet werden, wenngleich diese individuelle Kombination von Bestandteilen nicht speziell beschrieben wurde.

Claims

Elektrische Maschine mit einer Luftspaltstruktur, mit: einem stationären Element; einem drehbaren Element, das innerhalb des stationären Elements derart drehbar montiert ist, dass ein Luftspalt zwischen dem stationären und dem drehbaren Element gebildet wird; und mehreren Luftspaltankerwicklungen, die den Luftspalt im wesentlichen ausfüllen, wobei jede Luftspaltankerwicklung aufweist: mindestens einen elektrischen Leiter, der derart ausgebildet ist, dass eine im wesentlichen massive Form mit zwei Schenkeln und zwei Querelementen gebildet wird, wobei die beiden Schenkel im wesentlichen parallel zueinander und voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Querelemente derart gebogen sind, dass die Schenkel und die Querelemente in im wesentlichen voneinander verschiedenen Ebenen angeordnet sind, wobei die Querelemente und die Schenkel getrennt sind, um ein Fenster mit einer Umfangsbreite zu bilden, die der Umfangsbreite der beiden Schenkel im wesentlichen gleicht, wobei die Fenster derart ausgebildet sind, dass, wenn zwei benachbarte Ankerwicklungen über einer einzelnen Ankerwicklung angeordnet sind, das Fenster der einzelnen Ankerwicklung im wesentlichen durch zwei benachbarte Schenkel der beiden benachbarten Ankerwicklungen ausgefüllt ist, wobei das drehbare Element mehrere Vorsprünge aufweist, wobei der Umfangsabstand zwi schen den Vorsprüngen dem Umfangsabstand zwischen den beiden Schenkeln der Ankerwicklung etwa gleicht, und wobei das drehbare Element eine axiale Dicke aufweist, die an radialen Positionen im wesentlichen konstant ist oder abnimmt; und wobei eine erste und eine zweite Leitung mit dem mindestens einen Leiter derart verbunden sind, dass der Leiter mit einer externen Schaltung verbunden werden kann.
Maschine nach Anspruch 1, wobei das stationäre Element mindestens einen Ring mit einer im wesentlichen glatten Oberfläche aufweist, wobei der Ring bezüglich des drehbaren Elements konzentrisch montiert ist, so dass ein Luftspalt zwischen dem drehbaren Element und der glatten Oberfläche gebildet wird, wobei der Ring aus einem Material mit einer im wesentlichen hohen Permeabilität konstruiert ist; wobei die elektrische Maschine ferner aufweist: ein Element, das einen homopolaren Fluss erzeugt, wobei das drehbare Element und das flusserzeugende Element einen magnetischen Kreis mit einer Gesamtreluktanz bilden, die im wesentlichen konstant bleibt, während das drehbare Element sich um eine Achse dreht.
Maschine nach Anspruch 2, wobei das flusserzeugende Element mindestens einen Permanentmagnet aufweist, der den Fluss induziert.
Maschine nach Anspruch 2, wobei das flusserzeugende Element mindestens eine Feldspule aufweist, die den Fluss induziert.
Maschine nach Anspruch 4, wobei die mindestens eine Feldspule ein aus einer oberen und einer unteren Feldspule bestehendes Spulenpaar aufweist, wobei die obere Feldspule über und die untere Feldspule unter dem drehbaren Element angeordnet ist.