EP2850339A1 - Schwungrad - Google Patents

Schwungrad

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Publication number
EP2850339A1
EP2850339A1 EP13728929.4A EP13728929A EP2850339A1 EP 2850339 A1 EP2850339 A1 EP 2850339A1 EP 13728929 A EP13728929 A EP 13728929A EP 2850339 A1 EP2850339 A1 EP 2850339A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flywheel
rotor
flywheel according
mass portion
flywheel mass
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13728929.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Schulz
Thomas HINTERDORFER
Harald Sima
Johann Wassermann
Manfred Neumann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Wien
Original Assignee
Technische Universitaet Wien
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Wien filed Critical Technische Universitaet Wien
Publication of EP2850339A1 publication Critical patent/EP2850339A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/30—Flywheels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/02—Additional mass for increasing inertia, e.g. flywheels
    • H02K7/025—Additional mass for increasing inertia, e.g. flywheels for power storage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/21—Elements
    • Y10T74/2121—Flywheel, motion smoothing-type
    • Y10T74/2132—Structural detail, e.g., fiber, held by magnet, etc.

Definitions

  • the invention relates to a flywheel with a time related to a rotational axis ⁇ rotational body, the outer a radially
  • Flywheel mass portion which, tapering in the radial direction, adjoins an inner shaft connecting part, where ⁇ are formed at hollow projecting end portions.
  • Such a flywheel is from McGroarty et al. , "Flywheel Energy Storage Systems for Electric Start and All-Electric Ship,” Electric Ship Technologies Symposium, 2005 IEEE, pp. 400-406, July 25-27, 2005.
  • a flywheel for high speeds from DE 196 51 668 AI known.
  • this flywheel includes a generally hollow cone-like flywheel to a shaft at an angle. It can come at high speeds to a gap at the joint between the flywheel and the shaft.
  • a flywheel with a hollow cylindrical flywheel is also known, which is connected via a hollow hub with a shaft.
  • the hollow hub is intended to enable a elasti ⁇ specific connection to the shaft, being provided for the shaft ei ⁇ ne special electromagnetic bearing in combination with egg ⁇ ner superconducting storage.
  • 2010/0206126 AI is a similar flywheel disclosed with a generally hollow cylindrical flywheel, which is connected via a genge ⁇ my shell-like separate hub with the shaft, which allows relative movements between the shaft and the flywheel.
  • a flywheel again with a hollow cylinder flywheel, known, said flywheel is connected via a hollow cone-shaped hub to a shaft.
  • Flywheels are used for rotating machinery, in particular electric motor / generators, for energy storage and form the central component of a flywheel Energy storage systems, or FESS (Flywheel Energy Storage Sys ⁇ tem).
  • the rotor has its shape and composition has a significant influence on the energy content and the energy density (Ener ⁇ gieinhalt per mass) to the total cost of the system as well as the power loss of the storage.
  • composite materials usually carbon fiber composite materials, CFRP, or a combination of CFRP with glass fiber composites, GRP
  • These materials have outstanding material properties in the fiber direction, but only a low strength transverse to the fiber direction, which results in many common rotor designs a suboptimal material utilization, as very high mass forces act in the radial direction.
  • the internal rotor is a solid shaft as a carrier for bearing and engine / generator components.
  • external rotor a hollow shaft is used, and the electric machine and the storage grei ⁇ fen on the inner radius of the hollow shaft.
  • flywheels Commercially available on the market, as well as flywheels made of fiber-reinforced materials and having a rectangular (axial) cross-section, as well as internal rotors with a generally rectangular flywheel cross-section made entirely of steel, as mentioned above.
  • Another known rotor design is an internal rotor with H-shaped
  • a completely different structure is the external rotor. Instead of a shaft this has a central stator unit, which is enclosed by the flywheel.
  • the most common cross- ⁇ -sectional shape for the rotor design is rectangular (eg Beno et al, "End-of-life design for composite rotors," IEEE Transactions on Magnetics, 37 (1) (2001). 284-289) or H-shaped ,
  • the general problem is that the air gap of the magnetic bearing ⁇ tion and the motor / generator increases speed dependent as a result of the occurring Deh ⁇ tion of the rotor.
  • a much larger air gap which leads to a reduction in energy efficiency due to the greater required flooding or to a reduction in power.
  • Another major problem is the almost direct contact of the motor / generator is the composite material, the heat loss of the soft magnetic Mo ⁇ tor / generator rotor can be in any case submitted by radiation due to the vacuum.
  • composites can only be exposed to a low temperature load.
  • the support structure is a great constructive chal ⁇ tion. Due to the comparatively large inner radius, very high stresses occur in the metal.
  • the typical rotor ⁇ form modern flywheel designs is usually an internal rotor, consisting of a metal shaft, which serves for mounting the bearing and motor / generator assemblies, and a cylindrical or H-shaped composite material Flywheel, connected to the shaft by an annular connecting part.
  • the flywheel according to the invention of the initially defined kind is characterized in that the outer part has centrifugal mass to be ⁇ ner outer side a completely at extending radial indentation.
  • This radial indentation leads, as explained further below , to a considerable increase in the energy density both in internal rotor and in external rotor designs.
  • the outer flywheel mass part in the axial connection to the recess has a generally hollow cylindrical shape.
  • the outer flywheel mass part viewed in axial section, has legs that extend generally obliquely away from the center of the recess to opposite sides. At ⁇ one or both of the projecting end portions may extend axially parallel and define a hollow cylinder.
  • the shaft connecting part can also have a smaller axial extent than the outer flywheel mass part.
  • the outer contour of the flywheel in addition to or alternatively, but also the inner contour, is expediently executed with a "smooth" or steady course
  • the flywheel mass part outside and / or inside a contour with one or more straight segments having.
  • the flywheel part of the outside and / or inside has a contour having one or more curved segments.
  • at least one entspre ⁇ accordingly a higher order curve, for example, Ellipse or polynomial, extending segment
  • flywheel mass is constructed with angeleyge Stahl ⁇ th separate rings.
  • the flywheel mass has at least one ring with Aufnah ⁇ men, eg holes for attaching balancing weights.
  • the flywheel body may be symmetrical or, in the case of Chender interpretation of the associated system components (electrical machine, storage), with advantage also asymmetric with respect to its center plane (namely the plane with the smallest outer radius) to be formed.
  • a formation of a fiber composite material, in particular made of CFRP or a combina tion of CRP and GRP ⁇ is preferred.
  • the invention thus provides an advantageous constructive solution to, with regard to material utilization, optimal shaping of flywheels, as used for example in FESS ⁇ the, is.
  • the core of the invention is that - contrary to a technically obvious design with the highest possible mass at a large radius - a recess, i. Rejuvenation, the outer contour is provided in the direction of connection to the shaft.
  • the outer contour is ideally executed as a "soft" or continuous course, and consists for example of circular segments and straight line segments. etc. advantageous).
  • the rotor of its center plane does not have to be symmetrical with respect to.
  • the balance mass may also be constructed as mentioned step-shaped, said rings are manufactured separately and then joined Kgs ⁇ NEN.
  • the tapering of the outer contour in the direction of the connection to the shaft reduces the mass forces in the area of the shaft connection, as a result of which the radial stresses decrease.
  • the stress in the region of the center plane shifts to the circumferential direction, in which the material strength is much higher.
  • the Festig ⁇ keitseigenschaften of the material are thus better used.
  • Fig. 1A is a plan view of a conventional internal rotor rotor (pancake);
  • Fig. 1B schematically a quadrant of an inner rotor
  • Fig. 2 is a graph of radial and hoop stress in the composite material in the inner rotor of Fig. 1B;
  • Figures 3A and 3B are similar to Figures 1A and 1B, but now for an internal rotor with H-shaped cross-section according to the prior art;
  • Fig. 4 shows a structure of a conventional external rotor with H-shaped cross section
  • FIG. 5 shows a representation of a basic structure of a FESS arrangement with an inner rotor rotor and with a flywheel according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows a rotor as provided in the arrangement according to FIG. 5 in a three-dimensional representation, partially cut away;
  • Fig. 7 is a diagram of a quadrant of a rotor with cantilevered paraxial end portions
  • FIG. 8 shows a comparable representation of a flywheel quadrant as in FIG. 7, but now with an outwardly diverging end part or limb;
  • FIG. Figure 9 schematically shows, in the same diagram, a comparison of the energy content and the energy density of the known exporting ⁇ stanchions according to figures 1B and 3B on the one hand and the execution ⁇ form according to Figures 7 and 8 on the other hand.
  • Figures 10 to 14 in, Figures 7 and 8 comparable representations of further embodiments to show different possible contours of the flywheel;
  • Figures 15 and 16 are comparable views of cantilevered end portions of the flywheels, with rings for receiving balancing weights; and
  • Fig. 17 in a representation similar to enem in Fig. 10 to 14 an embodiment as an external rotor.
  • Figs. 1B, 3B, 7 and 8 are shown a quadrant of internal rotors and in Fig. 15 a cantilevered flywheel end portion, each with a radially symmetric finite element simulation of the rotor, with equal stress lines following the puck failure criterion are illustrated at maximum angular velocity and associated legends are reproduced at the respective right edge of the screen; see. Puck A., "Strength analysis of fiber matrix laminates", models for the practice, Carl Hanser Verlag Kunststoff Vienna (1996).
  • Figures 1A to 4 relate to rotor or flywheel designs according to the prior art.
  • Figures 1A and 1B show a disk-shaped rotor 1 with a shaft 2, e.g. made of aluminum, and with a disk 3, e.g. CFK, as flywheel.
  • a disk-shaped rotor 1 with a shaft 2, e.g. made of aluminum, and with a disk 3, e.g. CFK, as flywheel.
  • Fig. 1B shows an axisymmetric finite element simulation of the rotor 1, wherein the symmetry of the rotor 1 was used with respect to its center plane 4. Illustrated are lines with floating ⁇ cal stress after the puck failure criterion at maximum angular velocity. This criterion is normalized, ie a value of 1 causes a failure. Since the rotor 1 was dimensioned with a safety of 2, the maximum value is 0.5.
  • the rotor in FIG. 1B was designed for an energy content of 5 kWh and achieves this at a maximum angular velocity of 2010 rad / s.
  • the rotor mass is 260 kg and the moment of inertia about the axis of rotation is 9.89 kgm 2 . From these data results an energy density of 19.23 Wh / kg.
  • a FESS is operated within a certain speed range. Therefore, the energy content does not correspond to the kinetic Ener ⁇ energy.
  • the minimum operating speed is here and selected in addition to one-third of the maximum speed).
  • the highest load occurs at an average radius of about 0.22 m and is approximately constant in the axial direction, apart from edge effects, as can be seen in FIG. 1B.
  • This highest load is due to the relatively low maximum tensile strength transverse to the fiber direction of composites.
  • the mass forces occurring at the connection point to the shaft 2 lead to high radial stresses and therefore to poor material utilization.
  • Fig. 2 shows the gradients of radial and hoop stress in the composite (flywheel 3) and this situation verdeut ⁇ union.
  • the radial stress 5 has at its maximum a safety factor of 2 to the maximum permissible value from Tab. 1, while the safety of the peripheral voltage 6 shown dashed is much higher. The excellent properties of the composite in the fiber direction are therefore not sufficiently utilized.
  • FIGS. 3A and 3B A more expedient rotor geometry is shown in FIGS. 3A and 3B
  • Fig. 4 shows in a schematic view similar to Fig. 1A, a different type of rotor, an external rotor 1 ', with a hollow shaft 2' and with an external flywheel 3 ', wherein the gän ⁇ gigste cross-sectional shape for this rotor design is rectangular.
  • the hollow shaft 2 'and the actual flywheel 3' are connected to one another via a connecting part 7 'which is H-shaped in cross-section; see. Incidentally, also the connection part 7 according to FIG. 3A.
  • FIG. 5 and 6 an example of a flywheel energy storage system, short FESS, 10 is shown, wherein an inner rotor rotor 11 is used, which has a shaft 12 with a rotation axis XX.
  • the electric machine (mo- Tor / generator) is denoted by 32 and has a Budapestlie ⁇ ing stator with an upper support sleeve 14 and a lower support sleeve 15 for the usual and not all closer ⁇ recorded electromagnet, eg 16 for radial mounting, on.
  • an upper axial magnetic bearing 17 and a lower axial magnetic bearing 18 for the shaft 12 of the rotor illustrated ⁇ 11, as well as up bearings 19 and 20.
  • Radial position sensors 21, and a Axialpositions sensor 22 serve for detecting the position of the shaft 12 relative to the upper and lower carrier sleeve 14 and 15, which is required for the storage control.
  • a housing 23 for the FESS 10 is also shown schematically.
  • the shaft 12 is preferably designed as a solid shaft to serve as Trä ⁇ ger founded for the required bearing and motor / generator components and as a bearing surface for the fishing camps 19, 20.
  • the flywheel 13 and the rotation body 13 '(Fig.6) with its radially outer flywheel part 24 consists of a composite material ⁇ Ver.
  • the rotor 11 runs within the housing 23 which is evacuated and a vacuum-tight ⁇ , and that also serves as a carrier of the components Statorkom ⁇ (s., The carrier sleeves 14, 15) about the axis XX.
  • Statorkom ⁇ s., The carrier sleeves 14, 15
  • the stator laminations of the mounting and the electric machine, windings and the sensors 21 and 22 are attached to the carrier sleeves 14, 15.
  • FIG. 6 shows the rotor 11 of the FESS arrangement 10 according to FIG. 5 in a cutaway three-dimensional representation.
  • Flywheel mass part 24 is, as is particularly clear here, in addition to the axial sectional view according to FIG. 5, it can be seen with a taper or indentation 25 on the outer contour. leads, so that, for example, a coil-like Ausse ⁇ hen of the flywheel or the flywheel 13 results, as in particular ⁇ special from Fig. 6 it can be seen.
  • a winding method known per se is suitable, in which the fibers (carbon fibers, glass fibers) are passed through an impregnating bath and then deposited wet on a rotating core. From the viewpoint of the strength of the rotor 11, a fiber angle of 90 ° to the rotation axis X-X is ideal. Alternatively, preimpregnated fibers - so-called prepregs - can be used.
  • rotor 11 is not symmetrical with respect to its non ⁇ dingt center plane YY (at right angles to the rotor axis XX) must be executed, even if it will be preferable in many cases.
  • asymmetric design may be useful if special space requirements with regard to the accommodation of the individual motor / generator components, etc. are to be considered.
  • a quadrant of the flywheel 13 in the axial section in a view similar to FIG. 1B and FIG. 3B schematically ver anschaubit ⁇ .
  • the rotor 11 has an energy content of 6.55 kWh, and with a mass of 260 kg also results in an energy density of 24.58 Wh / kg. It would be desirable here but (p. That is recorded ⁇ "load line"), the hollow cylindrical areas which are defined by the projecting axially parallel end parts 24 ', more efficient to charge that is stronger. By tilting the cantilevered parts 24 ', as shown in Fig. 8, the benefits of the invention can be further exploited. Due to the inclination of the bending stresses at the transition from the inner connection portion 26 to be "disarmed" to the (actual) flywheel mass portion 24.
  • Winkelge ⁇ speed as in the rotor 11 according to Fig. 7 (2151 rad / s) be ⁇ carries the moment of inertia in the rotor 11 of FIG. 8 14.9 kgm 2, which corresponds to an energy content of 8.27 kWh. arises for the same mass an energy density of 31.18 Wh / kg, which is a significant increase compared to the other structures.
  • the rotor contour is always composed of straight segments Gn and circle segments Kn.
  • non-continuous gradients or curves of higher order such as ellipses, polynomials, etc.
  • the flywheel mass portion 24 is step-shaped, for example, from individually GE wrapped composite rings 24A-24E constructed. These rings 24A-24E can be manufactured separately and then joined. Since ⁇ in a step-like contour as in Figure 13 gives it ⁇ clear.
  • the rotor structures according to FIGS. 8 and 10 to 14 also have the additional advantage that the "inclination" of the inner contour leads to an even better stress distribution at the transition to the inner "disc” and thus to lower bending stresses. In addition, it can be used to increase the radius of gyration, whereby a higher energy content is achieved with the same mass.
  • the thickness of the "cantilevered" part 24 '( Figures 7, 8 and 10 to 14) should be sufficiently large to achieve high stiffness and high elastic natural frequencies is. in this case, production technical limits are met.
  • H-shaped flywheel shown results, in terms of geometry optimization, already purely illustrative, that it makes sense, the flywheel part designed as a hollow cylinder perform as a double hollow cone or in egg ⁇ ner hollow cone-like shape (see Fig. 8 etc.). This leads to an increase in the radius of gyration as well as to a re ⁇ production the bending stresses at the junction of the inner plate 26 to the outer flywheel part 13.
  • the invention allows better material utilization, an increase in the energy density and thus lower material costs compared to conventional rotor structures.
  • CFRP CFRP or combinations CFRP-GFRP
  • a "run-out" of the rotor ie the balancing quality, has a wichti ⁇ gen influence on the occurring bearing forces of the rotor or to the required air gap in the magnetic bearing of the rotor and thus the energy efficiency of the overall system, and this is especially true for the present Schwungrä ⁇ with the mentioned high speeds ..
  • a positioning of balancing weights in areas with high radial stresses is strength technically unfavorable. This complicates the assembly, since it is necessary to avoid notches or a weakening of the material. In addition, it should be ensured that the attached balancing weights remain in place throughout the entire life cycle.
  • 13 special rings 27 for receiving balance weights in the composite flywheel 13 can be integrated in the present flywheel, the formations or receptacles 28 for balancing weights, such as holes (s. Fig. 12). At the required location these are partially or completely filled with material. Alter ⁇ natively, a material removal 29 (see Fig.14) from the ring 27 is possible to compensate for an imbalance.
  • the placement of balancing weights is optimally integrated into the rotor structure, taking into account manufacturing limits.
  • Fig. 15 shows a simulation of an exemplary rotor 11 with an inside mounted balance ring 27 made of epoxy resin.
  • the lines with the same failure criterion remain approximately unchanged, ie that the ring 27 can be integrated at this point before ⁇ geous.
  • the ring 27 may have various embodiments (see Figures 12, 15 and 16) and may also be mounted after the rotor has been fabricated (e.g., Figures 12 and 14).

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Abstract

Schwungrad (13) mit einem auf eine Drehachse bezogenen Rotationskörper (13'), der einen radial äußeren Schwungmasseteil (24) aufweist, der, sich in radialer Richtung verjüngend, an einen inneren Wellen-Anbindungsteil (26) anschließt, wobei hohle auskragende Endteile (24') gebildet sind; der äußere Schwungmasseteil (24) weist an seiner Außenseite eine sich rundum erstreckende radiale Einbuchtung (25) auf.

Description

Schwungrad
Die Erfindung betrifft ein Schwungrad mit einem auf eine Dreh¬ achse bezogenen Rotationskörper, der einen radial äußeren
Schwungmasseteil aufweist, der, sich in radialer Richtung verjüngend, an einen inneren Wellen-Anbindungsteil anschließt, wo¬ bei hohle auskragende Endteile gebildet sind.
Ein derartiges Schwungrad ist aus McGroarty et al . , "Flywheel Energy Storage System for Electric Start and an All-Electric Ship", Electric Ship Technologies Symposium, 2005 IEEE, S. 400- 406, 25-27 Juli 2005, bekannt.
Weiters ist ein Schwungrad für hohe Drehzahlen aus der DE 196 51 668 AI bekannt. Bei diesem Schwungrad schließt eine allgemein hohlkegelartige Schwungmasse an eine Welle schräg an. Dabei kann es bei hohen Drehzahlen zu einem Klaffen an der Fügestelle zwischen der Schwungmasse und der Welle kommen.
Aus der US 2010/0231075 AI ist ferner ein Schwungrad mit einer hohlzylindrischen Schwungmasse bekannt, die über eine hohle Nabe mit einer Welle verbunden ist. Die hohle Nabe soll eine elasti¬ sche Anbindung an die Welle ermöglichen, wobei für die Welle ei¬ ne besondere elektromagnetische Lagerung in Kombination mit ei¬ ner superleitenden Lagerung vorgesehen ist. In der US
2010/0206126 AI ist ein ähnliches Schwungrad mit einer allgemein hohlzylindrischen Schwungmasse geoffenbart, die über eine allge¬ mein schalenartige gesonderte Nabe mit der Welle verbunden ist, die Relativbewegungen zwischen der Welle und der Schwungmasse ermöglicht. Aus der US 5,628,232 A ist sodann ein Schwungrad, wiederum mit einer Hohlzylinder-Schwungmasse, bekannt, wobei diese Schwungmasse über eine hohlkegelförmige Nabe an eine Welle angebunden ist. Auch hier ist, wie bei den zuvor angeführten Schwungrädern, eine aufwändige Herstellung, im Hinblick auf das gesonderte Vorsehen von Schwungmasse und separater Nabe, insbe¬ sondere aus unterschiedlichen Materialien, von Nachteil.
Schwungräder werden bei rotierenden Maschinen, insbesondere elektrischen Motoren/Generatoren, zur Energiespeicherung eingesetzt und bilden die zentrale Komponente eines Schwungrad- Energiespeichersystems, kurz FESS (Flywheel Energy Storage Sys¬ tem) . Der Rotor hat durch seine Form und Masse einen maßgeblichen Einfluss auf den Energieinhalt und die Energiedichte (Ener¬ gieinhalt pro Masse) , auf die Gesamtkosten des Systems sowie auf die Verlustleistung der Lagerung. Aufgrund herausragender Materialeigenschaften werden Verbundwerkstoffe (meist Kohlenstofffa- ser-Verbundwerkstoffe, CFK, oder eine Kombination von CFK mit Glasfaser-Verbundwerkstoffen, GFK) für Schwungräder verwendet. Diese Werkstoffe weisen herausragende Materialeigenschaften in Faserrichtung auf, allerdings nur eine geringe Festigkeit quer zur Faserrichtung, womit sich bei vielen gängigen Rotor- Ausbildungen eine suboptimale Materialausnutzung ergibt, da sehr hohe Massenkräfte in radialer Richtung wirken.
Grundsätzlich kann bei den Rotorbauformen zwischen einem Innen- und einem Außenläufer unterschieden werden. Beim Innenläufer dient eine Vollwelle als Träger für Lager- und Mo¬ tor/Generatorkomponenten. Beim Außenläufer wird eine Hohlwelle verwendet, und die elektrische Maschine sowie die Lagerung grei¬ fen am Innenradius der Hohlwelle an.
Bei am Markt kommerziell verfügbaren Schwungrädern werden, abgesehen von vollständig aus Stahl hergestellten Innenläufern mit meist rechteckförmigem Schwungmassenquerschnitt, wie erwähnt auch Schwungräder aus faserverstärkten Werkstoffen und mit rechteckförmigem (Axial- ) Querschnitt eingesetzt. Eine weitere bekannte Rotorbauform ist ein Innenläufer mit H-förmigem
Querschnitt und Composite-Schwungmasse .
Aktuelle Forschungspro ekte beschäftigen sich in der Regel mit Rotoren aus Faserverbundmaterialien (Kohlenstoff-, Glasfasern) . Vertreten sind hier wiederum Innenläufer mit rechteckigem Querschnitt (Herbst et al . , "Design, Fabrication, and Testing of 10 MJ Composite Flywheel Energy Storage Rotors, SAE Technical Paper 981282, 1998; Jansen et al . , "G2 Flywheel Module Design", NA- SA/CR-2006-213862) bzw. mit H-förmigem Querschnitt (Park et al . , "Development of 5kWh flywheel energy storage System using MAT- LAB/xPC Target", World Congress on Computer Science and Informa¬ tion Engineering 2008 IEEE, (2009) : S. 701-705; McGroarty et al . , "Flywheel Energy Storage System for Electric Start and an All-Electric Ship", Electric Ship Technologies Symposium, 2005 IEEE, S 400-406, 25-27 Juli 2005.
Einen komplett anderen Aufbau bildet der Außenläufer. Anstelle einer Welle verfügt dieser über eine zentrale Statoreinheit, die von der Schwungmasse umschlossen ist. Die gängigste Quer¬ schnittsform für diese Rotorbauform ist rechteckförmig (z.B. Beno et al . , "End-of-life design for composite rotors", IEEE Transactions on Magnetics, 37 (1) (2001) : 284-289) oder H- förmig .
Bei dieser Bauform besteht bei einer Ausführung mit Magnetlagern das generelle Problem, dass der Luftspalt der magnetischen Lage¬ rung sowie des Motors/Generators aufgrund der auftretenden Deh¬ nung des Rotors drehzahlabhängig zunimmt. Um auch bei einer Minimaldrehzahl einen ausreichenden Luftspalt zu gewährleisten, ergibt sich somit bei einer Höchstdrehzahl ein wesentlich größerer Luftspalt, der zu einer Reduktion der Energieeffizienz aufgrund der größeren erforderlichen Durchflutung bzw. zu einer Leistungsreduktion führt. Ein weiteres großes Problem stellt der fast direkte Kontakt des Motors/Generators mit dem Composite- Material dar. Die Verlustwärme des weichmagnetischen Mo¬ tor/Generator-Läufers kann aufgrund des Vakuums ohnedies nur durch Strahlung abgegeben werden; ferner können Composites nur einer geringen Temperaturbelastung ausgesetzt werden. Des Weiteren ist die Trägerstruktur eine große konstruktive Herausforde¬ rung. Aufgrund des vergleichsweise großen Innenradius treten auch sehr hohe Spannungen im Metall auf.
Die theoretisch ideale Ausbildung eines Flywheel-Rotors , wenn nur die Funktionalität der Schwungmasse ohne Berücksichtigung der Motor/Generator- und Lager-Funktionalität betrachtet wird, stellt ein dünnwandiger Hohlzylinder aus Verbundwerkstoff als Außenläufer dar, an dessen Innenseite im oberen und unteren Bereich die Lagerung und in dessen Mitte der Motor/Generator angeordnet sind. Dies liegt daran, dass sich bei einem dünnwandigen Hohlzylinder nur geringe Radialspannungen ausbilden können und damit die größten Spannungen in Umfangsrichtung und damit in Faserrichtung auftreten (vgl. Arnold et al . , "Deformation and life analysis of composite flywheel disk system", Composites: Part B 33 (2002) : 433-459) .
Aufgrund der oben angeführten Probleme, ist die typische Rotor¬ form moderner Flywheel-Konstruktionen meist ein Innenläufer, bestehend aus einer Metallwelle, die zur Anbringung der Lager- und Motor/Generator-Baugruppen dient, und einem zylinder- bzw. H- förmigen Verbundwerkstoff-Schwungrad, mit der Welle verbunden durch einen ringförmigen Verbindungs- bzw. Anbindungsteil .
Bei einem im Axialschnitt H-förmigen Rotor ist ein Großteil der Masse für ein möglichst großes Trägheitsmoment weit außen ange¬ ordnet. Die auftretenden Eigenfrequenzen beschränken hierbei eine Anbindung mit sehr geringer axialer Länge bezogen auf die Länge des zylinderförmigen Schwungradteils. Die höchstbelasteten Bereiche befinden sich auf der Höhe der Anbindung, da hier die größten Massenkräfte auftreten. Hohe Spannungen treten am Übergang vom Anbindungsteil zum Hohlzylinder aufgrund des Biegespannungszustandes auf. Die Außenbereiche der H-Form, wo die größten anteiligen Trägheitsmomente erzielt werden können, sind nur ge¬ ring belastet. Eine direkte Folgerung daraus ist, dass die Fes¬ tigkeitseigenschaften des Verbundmaterials bei mit herkömmlichen Fertigungsverfahren herstellbaren Geometrien der Schwungmasse nur unzureichend genutzt werden können. Damit entstehen höhere Materialkosten und aufgrund der schwereren Schwungmasse eine größere erforderliche Lagerdimensionierung; in der Folge ergeben sich wiederum höhere Kosten und eine Reduktion der Energieeffizienz der Lagerung.
Es ist nun Ziel der Erfindung, eine Ausbildung eines Schwungrads wie eingangs angegeben vorzuschlagen, bei der eine möglichst ho¬ he Energiedichte, je nach Material und Dimensionierung, erzielt werden kann, und bei der eine gute Materialausnutzung bzw. Nutzung der Festigkeitseigenschaften des Materials ermöglicht wird.
Das erfindungsgemäße Schwungrad der eingangs angeführten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Schwungmasseteil an sei¬ ner Außenseite eine sich rundum erstreckende radiale Einbuchtung aufweist. Diese radiale Einbuchtung führt, wie im Weiteren aus¬ geführt, zu einer erheblichen Steigerung der Energiedichte sowohl bei Innenläufer- als auch bei Außenläuferausführungen. Vorteilhafte Aus führungs formen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
So kann es, z.B. aus Herstellungsgründen, günstig sein, wenn der äußere Schwungmasseteil im axialen Anschluss an die Einbuchtung eine allgemein hohlzylindrische Form aufweist.
Andererseits ist es zur zusätzlichen Energiedichte-Optimierung vorteilhaft, wenn der äußere Schwungmasseteil, im Axialschnitt gesehen, sich vom Zentrum der Einbuchtung weg zu entgegengesetzten Seiten allgemein schräg erstreckende Schenkel aufweist. Da¬ bei kann einer oder können beide der auskragenden Endteile achsparallel verlaufen und so einen Hohlzylinder definieren.
Für eine gute Platzausnutzung in der Maschine (Motor/Generator) kann der Wellen-Anbindungsteil auch eine geringere axiale Er- streckung als der äußere Schwungmasseteil aufweisen.
Vor allem die Außenkontur des Schwungrads, zusätzlich oder alternativ hierzu aber auch die Innenkontur, wird zweckmäßig mit einem „weichen" bzw. stetigen Verlauf ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, wenn der Schwungmasseteil außen und/oder innen eine Kontur mit einem oder mehreren geraden Segmenten aufweist. Weiters ist es günstig, wenn der Schwungmasseteil außen und/oder innen eine Kontur mit einem oder mehreren Kurvensegmenten aufweist. Vorzugsweise liegt hier wenigstens ein kreisbogenförmiges Segment vor. Es ist aber auch möglich, wenigstens ein entspre¬ chend einer Kurve höherer Ordnung, z.B. Ellipse oder Polynom, verlaufendes Segment vorzusehen. Für eine einfache Herstellung ist es auch vorteilhaft, wenn der Schwungmasseteil außen
und/oder innen eine stufenförmige Kontur aufweist. Dabei ist es auch zweckmäßig, wenn der Schwungmasseteil mit aneinandergefüg¬ ten gesonderten Ringen aufgebaut ist.
Zur Beseitigung von etwaigen Unwuchten ist es weiters von Vorteil, wenn der Schwungmasseteil zumindest einen Ring mit Aufnah¬ men, z.B. Bohrungen, zur Anbringung von Wuchtgewichten aufweist.
Der Schwungmassekörper kann symmetrisch oder aber, bei entspre- chender Auslegung der zugehörigen Systemkomponenten (elektrische Maschine, Lagerung) , mit Vorteil auch asymmetrisch bezüglich seiner Mittenebene (nämlich der Ebene mit dem kleinsten Außenradius) ausgebildet sein. Bevorzugt wird eine Ausbildung aus einem Faser-Verbundwerkstoff, insbesondere aus CFK bzw. einer Kombina¬ tion von CFK und GFK.
Die Erfindung stellt somit eine vorteilhafte konstruktive Lösung zur, hinsichtlich Materialausnutzung, optimalen Formgebung von Schwungrädern, wie sie beispielsweise bei FESS eingesetzt wer¬ den, dar.
Kern der Erfindung ist, dass - entgegen einer technisch naheliegenden Auslegung mit möglichst hoher Masse bei großem Radius - eine Einbuchtung, d.h. Verjüngung, der Außenkontur in Richtung Anbindung an die Welle vorgesehen ist.
Die Außenkontur wird wie erwähnt idealerweise als „weicher" bzw. stetiger Verlauf ausgeführt, und besteht beispielsweise aus Kreissegmenten und Geradenstücken. Aus funktionellen (Transportsicherung, etc.) und/oder fertigungstechnischen Gründen sind auch nichtstetige Verläufe oder Kurven höherer Ordnung (Ellipsen, Polynome, etc.) vorteilhaft. Außerdem muss der Rotor nicht symmetrisch bezüglich seiner Mittenebene sein. Die Schwungmasse kann ferner wie erwähnt auch stufenförmig aufgebaut sein, wobei die Ringe separat gefertigt und anschließend gefügt werden kön¬ nen .
Durch die Verjüngung der Außenkontur in Richtung Anbindung an die Welle werden die Massenkräfte im Bereich der Wellenanbindung reduziert, wodurch die Radialspannungen sinken. Die Belastung im Bereich der Mittenebene verlagert sich zur Umfangsrichtung, in der die Materialfestigkeit wesentlich höher ist. Die Festig¬ keitseigenschaften des Materials werden somit besser genutzt.
Von Bedeutung ist, dass die, durch die Verjüngung der Außenkontur in Richtung Anbindung an die Welle, „fehlende" Masse zwar zu einer Reduktion des Trägheitsmoments führt, dass dadurch aller¬ dings aufgrund geringerer Radialspannungen höhere Drehzahlen erreicht werden können. Da jedoch die Wirkung der Steigerung der Drehzahl bedeutender ist als die Wirkung der Verringerung des Trägheitsmoments, kann bei gleicher Masse der Energieinhalt er¬ höht werden. Die nichtzylindrische Ausführung der Außenkontur führt daher zu einer besseren Materialausnutzung und zu einer einhergehenden Steigerung der Energiedichte.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung sowie unter Bezugnahme auf Ausbildungen des Standes der Technik einerseits sowie auf bevorzugte, vorteilhafte Aus führungs formen der Erfin¬ dung andererseits noch weiter erläutert. Es zeigen:
Fig. 1A eine Draufsicht auf einen herkömmlichen Innenläufer- Rotor (Scheibenläufer) ;
Fig. 1B schematisch einen Quadranten eines Innenläufers;
Fig. 2 ein Diagramm von Radial- und Umfangsspannung im Verbund- Werkstoff beim Innenläufer von Fig. 1B; die Figuren 3A und 3B ähnliche Darstellungen wie Fig. 1A und 1B, nun jedoch für einen Innenläufer mit H-förmigem Querschnitt gemäß Stand der Technik;
Fig. 4 einen Aufbau eines herkömmlichen Außenläufers mit H- förmigem Querschnitt;
Fig. 5 eine Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus einer FESS- Anordnung mit einem Innenläufer-Rotor und mit einem Schwungrad gemäß einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung;
Fig. 6 einen Rotor wie in der Anordnung gemäß Fig. 5 vorgesehen in dreidimensionaler Darstellung, teilweise aufgeschnitten;
Fig. 7 ein Diagramm eines Quadranten eines Rotors mit auskragenden achsparallelen Endteilen;
Fig. 8 eine vergleichbare Darstellung eines Schwungrad- Quadrantens wie in Fig. 7, nun jedoch mit einem auswärts divergierenden Endteil bzw. Schenkel; Fig. 9 schematisch in einem gemeinsamen Diagramm einen Vergleich des Energieinhalts und der Energiedichte der bekannten Ausfüh¬ rungen gemäß Figuren 1B und 3B einerseits und der Ausführungs¬ formen gemäß Figuren 7 und 8 andererseits; die Figuren 10 bis 14 in, den Figuren 7 und 8 vergleichbaren Darstellungen weitere Ausführungsformen, um verschiedene mögliche Konturen des Schwungrads zu zeigen; die Figuren 15 und 16 vergleichbare Darstellungen von auskragenden Endteilen der Schwungräder, mit Ringen zur Aufnahme von Wuchtgewichten; und
Fig. 17 in einer Darstellung ähnlich enem in Fig. 10 bis 14 eine Ausführung als Außenläufer.
In den Fig. 1B, 3B, 7 und 8 sind ein Quadrant von Innenläufern und in Fig. 15 ein auskragender Schwungrad-Endteil, jeweils mit einer radialsymmetrischen Finite-Elemente-Simulation des Rotors gezeigt, wobei Linien mit gleicher Belastung nach dem Puck- Versagenskriterium bei maximaler Winkelgeschwindigkeit veranschaulicht sind und zugehörige Legenden am jeweiligen rechten Bildrand wiedergegeben sind; vgl. Puck A. , "Festigkeitsanalyse von Faser-Matrix-Laminaten", Modelle für die Praxis, Carl Hanser Verlag München Wien (1996) .
Die Figuren 1A bis 4 betreffen Rotor- bzw. Schwungrad- Ausführungen gemäß Stand der Technik.
Die Figuren 1A und 1B zeigen einen scheibenförmigen Rotor 1 mit einer Welle 2, z.B. aus Aluminium, und mit einer Scheibe 3, z.B. aus CFK, als Schwungmasse.
Die wichtigsten Materialdaten des, für diesen und die weiteren angeführten Rotoren, verwendeten CFKs (epoxidharzverstärkte HTS40 Kohlenstofffasern der Fa. TohoTenax) und Aluminiums sind in der nachfolgenden Tab. 1 angeführt. E-Modul des CFK in Faserrichtung 145 GPa
E-Modul des CFK quer zur Faserrichtung 9 GPa
Dichte des CFK 1535 kg/m3
Zugfestigkeit des CFK in Faserrichtung 2179 MPa
Zugfestigkeit des CFK quer zur Faserrichtung 98 MPa
E-Modul Aluminium 70 GPa
Dichte Aluminium 2700 kg/m3
Zugfestigkeit Aluminium 275 MPa
Fig. 1B zeigt eine axialsymmetrische Finite-Elemente-Simulation des Rotors 1, wobei die Symmetrie des Rotors 1 bezüglich seiner Mittenebene 4 genutzt wurde. Dargestellt sind Linien mit glei¬ cher Belastung nach dem Puck-Versagenskriterium bei maximaler Winkelgeschwindigkeit. Dieses Kriterium ist normiert, d.h. bei einem Wert von 1 tritt Versagen auf. Da der Rotor 1 mit einer Sicherheit von 2 dimensioniert wurde, ist der Maximalwert 0,5.
Der Rotor in Fig. 1B wurde exemplarisch auf einen Energieinhalt von 5 kWh ausgelegt und erreicht diesen bei einer maximalen Winkelgeschwindigkeit von 2010 rad/s. Die Rotormasse beträgt 260 kg und das Trägheitsmoment um die Rotationsachse ist 9,89 kgm2. Aus diesen Daten ergibt sich eine Energiedichte von 19,23 Wh/kg. (Für einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine wird ein FESS innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereichs betrieben. Daher entspricht der Energieinhalt nicht der kinetischen Ener¬ gie. Die minimale Betriebsdrehzahl sei hier und im Weiteren zu einem Drittel der maximalen Drehzahl gewählt.)
Die höchste Belastung tritt bei einem mittleren Radius von ca. 0,22 m auf und ist in axialer Richtung, abgesehen von Randeffekten, annähernd konstant, wie in Fig. 1B ersichtlich ist. Diese höchste Belastung ist bedingt durch die relativ geringe maximale Zugfestigkeit quer zur Faserrichtung von Verbundwerkstoffen. Die an der Anbindungsstelle zur Welle 2 auftretenden Massenkräfte führen zu hohen Radialspannungen und daher zu einer schlechten Materialausnutzung . Fig. 2 zeigt die Verläufe von Radial- und Umfangsspannung im Composite (Schwungmasse 3) und soll diesen Sachverhalt verdeut¬ lichen. Die Radialspannung 5 weist an ihrem Maximum einen Sicherheitsfaktor von 2 zum maximal zulässigen Wert aus Tab. 1 auf, während die Sicherheit der strichliert dargestellten Um- fangsspannung 6 wesentlich höher ist. Die hervorragenden Eigenschaften des Composites in Faserrichtung werden daher nicht ausreichend genützt.
Die hier im Weiteren angeführten Rotortypen sind zur besseren Vergleichbarkeit mit derselben Masse wie der Rotor gemäß Fig. ausgeführt .
Eine zweckmäßigere Rotorgeometrie zeigen Figuren 3A und 3B
(ebenfalls Stand der Technik) : Bei gleicher Masse wird durch ei¬ ne H-förmige Struktur ein höheres Trägheitsmoment (13,18 kgm2) erreicht; in der Folge werden ein höherer Energieinhalt von 5,7 kWh und damit auch eine höhere Energiedichte von 22,19 Wh/kg er¬ zielt. Wie auch bei der Struktur in Fig. 1B treten bei einem Radius von ungefähr 0,22 m sehr hohe Radialspannungen auf. Des Weiteren kommt es aufgrund der auskragenden H-Form und deren Aufweitung zu hohen Biegespannungen am Übergang, die die maximal erreichbare Winkelgeschwindigkeit (1871 rad/s) beschränken.
Fig. 4 zeigt in einer schematischen Ansicht ähnlich Fig. 1A einen andersartigen Rotor, einen Außenläufer 1', mit einer Hohlwelle 2' und mit einer äußeren Schwungmasse 3', wobei die gän¬ gigste Querschnittsform für diese Rotorbauform rechteckig ist. Im Inneren befindet sich eine nicht näher veranschaulichte zent¬ rale Statoreinheit, die vom Rotor bzw. Schwungrad umschlossen ist. Die Hohlwelle 2' und die eigentliche Schwungmasse 3' sind über einen im Querschnitt H-förmigen Anbindungsteil 7' miteinander verbunden; vgl. im Übrigen auch den Anbindungsteil 7 gemäß Fig. 3A.
In Fig. 5 und 6 ist ein Beispiel für ein Schwungrad- Energiespeichersystem, kurz FESS, 10 gezeigt, wobei ein Innenläufer-Rotor 11 eingesetzt ist, der eine Welle 12 mit einer Drehachse X-X aufweist. Die elektrische Maschine (Mo- tor/Generator ) ist mit 32 bezeichnet und weist einen außenlie¬ genden Stator mit einer oberen Trägerhülse 14 und einer unteren Trägerhülse 15 für die an sich üblichen und nicht alle näher be¬ zeichneten Elektromagneten, z.B. 16 zur radialen Lagerung, auf. Weiters sind ein oberes Axialmagnetlager 17 und ein unteres Axialmagnetlager 18 für die Welle 12 des Rotors 11 veranschau¬ licht, ebenso wie Fanglager 19 bzw. 20. Radialpositions-Sensoren 21 sowie ein Axialpositions-Sensor 22 dienen zur Erfassung der Position der Welle 12 relativ zur oberen bzw. unteren Trägerhülse 14 bzw. 15, die für die Lagerregelung erforderlich ist.
Schließlich ist auch schematisch ein Gehäuse 23 für das FESS 10 gezeigt .
Die auf der Welle 12, d.h. am Rotor 11, angebrachten Komponenten des Magnetlagersystems sind an sich herkömmlich und in Fig. 5 zwar schematisch veranschaulicht, aber nicht näher bezeichnet, und es kann sich auch hierzu eine eingehende Erläuterung dieser Komponenten erübrigen.
Die Welle 12 ist bevorzugt als Vollwelle ausgeführt, um als Trä¬ gerstruktur für die erforderlichen Lager- und Motor/Generator- Komponenten sowie als Lagerfläche für die Fanglager 19, 20 zu dienen .
Das Schwungrad 13 bzw. dessen Rotationskörper 13' (Fig.6) mit seinem radial äußeren Schwungmasseteil 24 besteht aus einem Ver¬ bundwerkstoff .
Der Rotor 11 läuft innerhalb des Gehäuses 23, welches vakuum¬ dicht und evakuiert ist, und das auch als Träger der Statorkom¬ ponenten (s. die Trägerhülsen 14, 15) dient, um die Achse X-X. Wie erwähnt sind an den Trägerhülsen 14, 15 die Statorbleche der Lagerung und der elektrischen Maschine, Wicklungen sowie die Sensoren 21 und 22 angebracht.
Fig. 6 zeigt den Rotor 11 der FESS-Anordnung 10 gemäß Fig. 5 in einer aufgeschnittenen dreidimensionalen Darstellung. Der
Schwungmasseteil 24 ist, wie hier besonders deutlich, zusätzlich zur Axialschnittdarstellung gemäß Fig. 5, ersichtlich ist, mit einer Verjüngung oder Einbuchtung 25 an der Außenkontur ausge- führt, so dass sich beispielsweise ein zwirnspulenartiges Ausse¬ hen des Schwungrads bzw. des Schwungrads 13 ergibt, wie insbe¬ sondere aus Fig. 6 ersichtlich ist.
Zur Fertigung eines solchen Rotors 11 mit Schwungrad 13 eignet sich ein an sich bekanntes Wickelverfahren, bei dem die Fasern (Kohlenstofffasern, Glasfasern) durch ein Tränkbad geführt und anschließend auf einem rotierenden Kern nass abgelegt werden. Aus der Sicht der Festigkeit des Rotors 11 ist ein Faserwinkel von 90° zur Drehachse X-X ideal. Alternativ können auch vorimprägnierte Fasern - sogenannte Prepregs - verwendet werden.
Aus Fig. 5 ist weiters erkennbar, dass der Rotor 11 nicht unbe¬ dingt symmetrisch bezüglich seiner Mittenebene Y-Y (im rechten Winkel zur Rotorachse X-X) ausgeführt sein muss, auch wenn das vielfach zu bevorzugen sein wird. Eine derartige asymmetrische Ausführung kann dann zweckmäßig sein, wenn besondere Platzerfordernisse hinsichtlich der Unterbringung der einzelnen Motor/Generator-Komponenten etc. zu berücksichtigen sind.
Durch die beschriebene und veranschaulichte Verjüngung bzw. Ein¬ buchtung 25 des Schwungrads, die in Umfangsrichtung rundum verläuft, lässt sich eine wesentliche Verbesserung der Materialaus¬ nutzung erreichen.
In Fig. 7 ist in einer Darstellung ähnlich Fig. 1B und Fig. 3B schematisch ein Quadrant des Schwungrads 13 im Axialschnitt ver¬ anschaulicht. Wie ersichtlich besteht die Rotorgeometrie aus Kreissegmenten Kn und Geraden Gn (mit n = 1, 2,...) und weist eine Verjüngung 25 der Außenkontur auf. Durch den geringeren Außenradius r im Bereich der Mittenebene Y-Y sinkt das Trägheits¬ moment auf 10,93 kgm2. Aufgrund der geringeren Massenkräfte in diesem Bereich sinken allerdings auch die Radialspannungen, womit höhere Winkelgeschwindigkeiten (2188 rad/s) möglich werden. Somit hat der Rotor 11 einen Energieinhalt von 6,55 kWh, und bei einer Masse von ebenfalls 260 kg ergibt sich eine Energiedichte von 24,58 Wh/kg. Wünschenswert wäre hier aber (s. die einge¬ zeichneten „Belastungslinien"), die hohlzylindrischen Bereiche, die durch die auskragenden achsparallelen Endteile 24' definiert sind, effizienter zu machen, d.h. stärker zu belasten. Durch Schrägstellung der auskragenden Teile 24', wie aus Fig. 8 ersichtlich, lassen sich die Vorteile der Erfindung noch weiter nutzen. Aufgrund der Neigung werden die Biegespannungen am Übergang vom inneren Anbindungsteil 26 zum (eigentlichen) Schwungmasseteil 24 „entschärft". Damit verringern sich die Radialspan¬ nungen, und die Umfangsspannungen steigen, was aufgrund der Materialorientierung einen günstigeren Spannungszustand und eine bessere Materialausnutzung ergibt. Bei etwa gleicher Winkelge¬ schwindigkeit wie beim Rotor 11 gemäß Fig. 7 (2151 rad/s) be¬ trägt das Trägheitsmoment beim Rotor 11 gemäß Fig. 8 14,9 kgm2, was einem Energieinhalt von 8,27 kWh entspricht. Bei gleicher Masse ergibt sich eine Energiedichte von 31,18 Wh/kg, was eine erhebliche Steigerung im Vergleich zu den anderen Strukturen ist .
Dies ist insbesondere aus der schematischen Darstellung von Fig. 9 ersichtlich, in der die vier bisher angeführten Rotorstrukturen, gemäß Figuren 1B, 3B, 7 und 8, einander gegenübergestellt sind, und in der Energieinhalt 30 und Energiedichte 31 veran¬ schaulicht sind. Es ist erkennbar, dass bei den Ausführungen ge¬ mäß der Erfindung, also gemäß Fig. 7 und 8, bei dieser exempla¬ rischen Auslegung, eine Steigerung z.B. der Energiedichte 31 von 65% erzielt werden kann.
In den bisher gezeigten Ausbildungen setzt sich die Rotorkontur immer aus Geraden-Segmenten Gn und Kreissegmenten Kn zusammen. Aus funktionellen Gründen (Transportsicherung, etc.) und/oder fertigungstechnischen Gründen können aber auch nichtstetige Verläufe oder Kurven höherer Ordnung, wie z.B. Ellipsen, Polynome etc., vorteilhaft sein; vgl. beispielsweise die Ausführungsfor¬ men gemäß den Figuren 10 bis 12 und 14. Gemäß Fig. 13 ist der Schwungmasseteil 24 stufenförmig, beispielsweise aus einzeln ge¬ wickelten Composite Ringen 24A-24E, aufgebaut. Diese Ringe 24A- 24E können separat gefertigt und anschließend gefügt werden. Da¬ bei ergibt sich eine stufenförmige Kontur, wie aus Fig.13 er¬ sichtlich. Ganz allgemein ist mit einer stufenförmigen Ausbildung, ob in einem Stück oder mit gesonderten Ringen, eine einfachere Herstellung möglich, da die Fasern beim Wickeln nicht vom Wickelkern abrutschen können. Als wesentlicher Vorteil, der bei den Ausbildungen gemäß Fig.7, 8 und 10 bis 14 gegeben ist, ist jedenfalls zu nennen dass die Verjüngung 25 der Außenkontur zu einem, im Sinne der Materialorientierung, besseren Spannungszustand führt. Die Radialspannungen werden verringert, und damit werden die Umfangsspannungen erhöht .
Die Rotorstrukturen gemäß Fig.8 und 10 bis 14 weisen noch den zusätzlichen Vorteil auf, dass die „Neigung" der Innenkontur zu einer noch besseren Spannungsverteilung am Übergang zur inneren „Scheibe" und damit zu geringeren Biegespannungen führt. Außerdem lässt sich damit der Trägheitsradius erhöhen, wodurch bei gleicher Masse ein höherer Energieinhalt erzielt wird.
Die Dicke des „auskragenden" Teils 24' (Figuren 7, 8 und 10 bis 14) ist ausreichend groß zu wählen, um hohe Steifigkeiten und damit hohe elastische Eigenfrequenzen zu erreichen. Die Kontur des Rotors 11 ist so zu wählen, dass die Energiedichte maximal wird. Dabei sind fertigungstechnische Grenzen gegeben. Ausgehend vom in Fig. 3B dargestellten Belastungszustand des, mit einfa¬ chen fertigungstechnischen Mitteln herstellbaren, H-förmigen Schwungrades ergibt sich, hinsichtlich Geometrieoptimierung, bereits rein anschaulich, dass es sinnvoll ist, den als Hohlzylinder ausgeführten Schwungradteil als Doppel-Hohlkegel bzw. in ei¬ ner hohlkegelähnlichen Form auszuführen (siehe Fig. 8 etc.) . Das führt zu einer Erhöhung des Trägheitsradius sowie zu einer Re¬ duktion der Biegespannungen am Übergang von der inneren Scheibe 26 zum äußeren Schwungmasseteil 13.
Die starke Anisotropie aufgrund des lamellaren Molekülaufbaus von Kohlenstofffasern ergibt eine geringe Festigkeit des Ver¬ bundwerkstoffs quer zur Faserrichtung, wodurch nur geringe Radialspannungen zulässig sind. Die aufgrund der Massenkräfte bei den erforderlichen maximalen Drehzahlen sehr hohen Radialspannungen lassen sich durch kleinere Wandstärken verringern. Hierdurch wird ein günstigerer Spannungszustand erreicht, da die Um- fangsspannungen steigen und die Festigkeit in dieser Richtung wesentlich höher ist. Allerdings führen geringere Wandstärken auch zu niedrigeren Eigenfrequenzen. Bei Flywheel-Applikationen mit geringer Motorleistung wird ein Betrieb unterhalb elasti¬ scher Eigenfrequenzen angestrebt, da ein Durchfahren der Rotoreigenfrequenzen - aufgrund der dafür nötigen Zeitdauer - kritisch ist. Ein von 90° abweichender Faserwinkel kann eine zusätzliche Steifigkeit in Richtung der Achse X-X erbringen. Hier ist ein Kompromiss aus Festigkeits- und dynamischen Anforderun¬ gen zu finden.
Aufgrund der angeführten Vorteile ermöglicht die Erfindung durch eine bessere Materialausnutzung eine Steigerung der Energiedichte und damit geringere Materialkosten im Vergleich zu herkömmlichen Rotorstrukturen.
Durch die wesentlich bessere Materialausnutzung, hin zu einem „Fully-Stressed-Design" , lassen sich zum einen die Investitionskosten aufgrund der höheren Energiedichte wesentlich reduzieren und zum anderen die Gesamtenergieeffizienz steigern, wodurch hocheffiziente Flywheels für ein breites Anwendungsfeld wirt¬ schaftlich nutzbar werden. Die grundsätzliche Zielfunktion ist die Minimierung der Masse bei gegebenem Energieinhalt und die Maximierung der Energieeffizienz. Idealerweise ergibt sich somit eine Geometrie, in der jeder Bereich laut geeignetem Versagenskriterium maximal belastet wird, woraus die bestmögliche Ma¬ terialausnutzung folgt.
Der oben angeführte Verbundwerkstoff (CFK bzw. Kombinationen CFK-GFK) weist eine starke Anisotropie, allerdings auch
herausragende Materialeigenschaften in Faserrichtung auf. Bloße Glasfaserverbunde (GFK) sind weniger anisotrop und auch
kostengünstiger. Ihre Steifigkeitseigenschaften und insbesondere ihre Dichte sind im Vergleich zu CFK jedoch weniger ideal für Flywheel-Applikationen .
Ein „Rundlauf" des Rotors, d.h. die Wuchtgüte, hat einen wichti¬ gen Einfluss auf die auftretenden Lagerkräfte des Rotors bzw. auf den erforderlichen Luftspalt bei der magnetischen Lagerung des Rotors und somit auf die Energieeffizienz des Gesamtsystems, und dies gilt im besonderen Maße für die vorliegenden Schwungrä¬ der mit den angesprochenen hohen Drehzahlen. Eine Positionierung von Wuchtgewichten in Bereichen mit hohen Radialspannungen ist festigkeitstechnisch ungünstig. Dies erschwert die Montage, da es erforderlich ist, Kerben bzw. eine Schwächung des Materials zu vermeiden. Zusätzlich wäre zu gewährleisten, dass die angebrachten Wuchtgewichte über den gesamten Lebenszyklus an Ort und Stelle bleiben.
Um diese Problematik zu lösen, können beim vorliegenden Schwungrad 13 spezielle Ringe 27 (s. z.B. Fig. 12, 14) zur Aufnahme von Wuchtgewichten in das Composite-Schwungrad 13 integriert werden, die Ausformungen bzw. Aufnahmen 28 für Wuchtgewichte, wie z.B. Bohrungen (s. Fig. 12), aufweisen. An erforderlicher Stelle werden diese teilweise oder zur Gänze mit Material gefüllt. Alter¬ nativ ist auch eine Materialentnahme 29 (s. Fig.14) aus dem Ring 27 möglich, um eine Unwucht auszugleichen. Die Platzierung von Wuchtgewichten wird unter Beachtung fertigungstechnischer Grenzen in optimaler Weise in die Rotorstruktur integriert.
Fig. 15 zeigt eine Simulation eines exemplarischen Rotors 11 mit einem an der Innenseite angebrachten Wucht-Ring 27 aus Epoxidharz. Die Linien mit gleichem Versagenskriterium bleiben annähernd unverändert, d.h. dass der Ring 27 an dieser Stelle vor¬ teilhaft integriert werden kann.
Der Ring 27 kann verschiedene Aus führungs formen aufweisen (s. Fig. 12, 15 und 16) und auch erst nach der Fertigung des Rotors angebracht werden (z.B. Fig. 12 und 14) .
Wenn die Erfindung vorstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert wurde, so sind doch im Rahmen der Ansprüche weitere Modifikationen und Abwandlungen möglich. Insbesondere ist es auch denkbar, das vorliegende Schwungrad in Ver¬ bindung mit einem Außenläufer 11 λ (vgl. Fig. 17 in Verbindung mit Fig. 4) vorzusehen, wobei es sogar denkbar wäre, das eigentliche Schwungrad, d.h. den Schwungmasseteil 24, mit der Hohlwel¬ le 12 λ, an der die erforderlichen Komponenten der elektrischen Maschine und der Lagerung angebracht sind, zu einem einheitli¬ chen Bauteil aus Verbundwerkstoff zu integrieren. Des Weiteren sind auch andere Materialien als CFK und GFK, wie z.B. Polyethy- lenfasern etc. möglich.

Claims

Patentansprüche :
1. Schwungrad (13) mit einem auf eine Drehachse (X-X) bezogenen Rotationskörper, der einen radial äußeren Schwungmasseteil (24) aufweist, der, sich in radialer Richtung verjüngend, an einen inneren Wellen-Anbindungsteil (26) anschließt, wobei hohle aus¬ kragende Endteile (24') gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Schwungmasseteil (24) an seiner Außenseite eine sich rundum erstreckende radiale Einbuchtung (25) aufweist.
2. Schwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Schwungmasseteil (24), im Axialschnitt gesehen, sich vom Zentrum der Einbuchtung (25) weg zu entgegengesetzten Seiten allgemein schräg auswärts erstreckende Schenkel aufweist.
3. Schwungrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bereich der auskragenden Endteile (24', 24") achsparallel verläuft und so einen Hohlzylinder definiert.
4. Schwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Schwungmasseteil (24) im axialen Anschluss an die Ein¬ buchtung (25) eine allgemein hohlzylindrische Form aufweist (Fig.7) .
5. Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellen-Anbindungsteil (26) eine geringere axiale Erstreckung als der äußere Schwungmasseteil (24) auf¬ weist.
6. Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwungmasseteil (24) außen und/oder innen eine Kontur mit einem oder mehreren geraden Segmenten (G) aufweist.
7. Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwungmasseteil (24) außen und/oder innen eine Kontur mit einem oder mehreren Kurvensegmenten (K) aufweist.
8. Schwungrad nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch wenigstens kreisbogenförmiges Segment
9. Schwungrad nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch we¬ nigstens ein entsprechend einer Kurve höherer Ordnung, z.B. Ellipse oder Polynom, verlaufendes Segment.
10. Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwungmasseteil (24) außen und/oder innen eine stufenförmige Kontur aufweist (Fig.13) .
11. Schwungrad nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwungmasseteil (24) mit aneinandergefügten gesonderten Ringen (24A-24E) aufgebaut ist.
12. Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Schwungmasseteil (24) zumindest einen Ring (27) mit Aufnahmen, z.B. Bohrungen, zur Anbringung von
Wuchtgewichten aufweist.
13. Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Schwungmassekörper (24) in axialer Richtung asymmetrisch ausgebildet ist (Fig.5) .
14. Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine Ausbildung aus einem Faser-Verbundwerkstoff.
15. Schwungrad nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff ein CFK-Werkstoff ist.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9267570B2 (en) * 2008-07-28 2016-02-23 Beacon Power, Llc Advanced flywheel hub and method
EP2698557B1 (de) * 2012-08-14 2014-10-29 Enrichment Technology Company Ltd. Schwungrad-Energiespeicher
US10670394B2 (en) * 2017-06-27 2020-06-02 The Boeing Company System and method for determining the direction and spacing of fiber paths for a composite ply
CN120049675B (zh) * 2025-04-25 2025-09-23 华驰动能(北京)科技有限公司 轮毂以及飞轮储能装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE613427C (de) * 1935-05-18 Siemens Schuckertwerke Akt Ges Schwungrad
US5566588A (en) * 1994-01-14 1996-10-22 Rosen Motors Lp Flywheel rotor with conical hub and methods of manufacture therefor
EP1273823A2 (de) * 2001-07-03 2003-01-08 Isuzu Motors Limited Schwungrad und Verfahren zu dessen Montage

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE159250C (de) *
GB1559314A (en) * 1975-09-04 1980-01-16 Honda Motor Co Ltd Flywheel
US5628232A (en) * 1994-01-14 1997-05-13 Rosen Motors Lp Flywheel rotor with conical hub and methods of manufacture therefor
DE19651668C2 (de) * 1996-12-12 1999-01-14 Wtz Motoren & Maschforsch Gmbh Schwungrad für hohe Drehzahlen
US9267570B2 (en) * 2008-07-28 2016-02-23 Beacon Power, Llc Advanced flywheel hub and method
KR100960785B1 (ko) * 2008-10-31 2010-06-01 한국전력공사 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE613427C (de) * 1935-05-18 Siemens Schuckertwerke Akt Ges Schwungrad
US5566588A (en) * 1994-01-14 1996-10-22 Rosen Motors Lp Flywheel rotor with conical hub and methods of manufacture therefor
EP1273823A2 (de) * 2001-07-03 2003-01-08 Isuzu Motors Limited Schwungrad und Verfahren zu dessen Montage

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of WO2013170284A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
AT512657A4 (de) 2013-10-15
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AT512657B1 (de) 2013-10-15

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