WO2008116603A2 - Energy storage means for a land vehicle - Google Patents

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WO2008116603A2
WO2008116603A2 PCT/EP2008/002267 EP2008002267W WO2008116603A2 WO 2008116603 A2 WO2008116603 A2 WO 2008116603A2 EP 2008002267 W EP2008002267 W EP 2008002267W WO 2008116603 A2 WO2008116603 A2 WO 2008116603A2
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energy storage
cooling fluid
stator
energy
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Andreas GRÜNDL
Bernhard Hoffmann
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Compact Dynamics Gmbh
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Definitions

  • An energy storage suitable for use in a land vehicle for example, will be described below. It may be an energy storage device for vehicles that are equipped exclusively, or in addition to an internal combustion engine, with at least one electric machine in the drive train.
  • the kinetic energy is converted back into electrical (potential) energy and fed back into the supply network.
  • electrical (potential) energy is converted back into electrical (potential) energy and fed back into the supply network.
  • at least part of the braking energy is now to be reused for charging the vehicle battery (more precisely, the accumulator) in motor vehicles during braking phases.
  • this electrical energy motor vehicle can be stored so that it is available in later situations to support or replace the drive energy from the internal combustion engine. In this way, about 5% -20% or more of the drive energy from the internal combustion engine can be replaced or replaced in a supportive manner for a short time (for example, for overtaking operations in road traffic).
  • the energy storage described below may have a high energy density, and / or a long life, be constructed in a suitable manner for use in production vehicles simple manner, and / or may have a low susceptibility to error associated with a high recuperation of the energy.
  • the energy store can be arranged in a fluid-tight housing.
  • the housing may also be formed by walls of other modules, for example in an internal combustion engine block.
  • In the housing may be an electric machine with a rotor
  • the stator is separated from the rotor by an air gap and has at least one stator coil.
  • the runner may be surrounded by the stand. But there may also be embodiments in which the runner can surround the stand.
  • the rotor may be associated with a flywheel and be in communication with a cooling fluid reservoir, wherein from the cooling fluid reservoir
  • a heat exchange device may be included in the housing to cool cooling fluid after it has been in contact with the rotor.
  • the energy storage device is suitable, for example, for a land vehicle with an electric drive, in order to store energy released in a regenerative braking by means of at least one electric machine in or on the drive train of the vehicle.
  • the energy storage is connected to the electric machine in or on the drive train o of the vehicle, wherein the converted during braking of the vehicle in the electric machine electrical power is fed into the energy storage.
  • the electric machine in the energy store is thereby set in rotation together with the flywheel associated flywheel. Possible speeds are between about 30,000 and 180,000 revolutions per minute and more.
  • recuperation phases energetically favorable driving phases
  • the potential of energy recuperation can be optimally utilized in land vehicles 5, in motor vehicles with hybrid drive, or in motor vehicles with a sufficiently sized starter generator in or on the drive train.
  • the electric machines can win back as much energy when braking the motor vehicle. Braking requirements beyond regenerative braking can be covered by the friction brake. 0
  • the cooling effect caused by the cooling fluid may contribute to the rotor not excessively expanding due to heat. Such an expansion could change the air gap between the rotor and the stator. Without the cooling described, such a possible temperature-induced change in the air gap width would have to be considered in the dimensioning of the air gap. This would result in a relatively lower efficiency of the electrical machine of the energy store, since the air gap would have to be dimensioned larger for safety reasons.
  • the proposed embodiment of the energy accumulator allows for a smaller air gap width. This leads to a relatively higher efficiency of the electric machine of the energy store and thus o to a comparatively higher efficiency of the energy store.
  • a pressure of less than 1 bar (for example, less than about 1 mbar - 200 mbar, so for example 5 mbar) prevail.
  • all intermediate values lying between these values should also be regarded as disclosed; see.
  • An important, resulting effect is the significantly reduced flow resistance of the rotating rotor in the vacuum environment. This results in a significantly increased energy storage capacity and a significantly lower energy loss.
  • the entry of the cooling effect of the cooling fluid can be adjusted.
  • an increased cooling effect can be caused in the phase transition occurring (liquid -> gaseous).
  • the cooling of the rotating rotor is also important insofar as in a vacuum environment, the loss heat transfer through the atmosphere is reduced and the material strength of the rotor decreases with increasing temperature.
  • the cooling increases the cycle stability and the creep strength of the arrangement appreciably.
  • the rotor may be associated with a pumping device for the cooling fluid, the energy required for pumping cooling fluid from the cooling fluid reservoir to the rotor (Rotary) movement of the rotor relates.
  • This has the advantage that no separate drive for a conveyor for the cooling fluid is necessary.
  • the cooling process can be determined via the amount of cooling fluid contained in the housing, since in this way the amount of cooling fluid supplied to the rotor can be limited to a certain extent.
  • On the other 5 could be used an existing between the cooling fluid and the demand speed of the rotor assembly ⁇ hang in order to dispense with a separate regulating / controlling the cooling fluid flow to the rotor; Finally, at low rotor speed and / or short operating time, there is only a lesser need for cooling fluid.
  • the rotor of the energy accumulator can have, at least together with at least one part of the flywheel mass, a substantially cup-shaped form with a bottom part and a substantially ring-cylindrical wall part.
  • the annular cylindrical wall part can either have a substantially circular-cylindrical shape or a polygonal-ring-shaped form. 5
  • the pumping device may deliver the cooling fluid from the cooling fluid reservoir into an interior region of the substantially cup-shaped rotor.
  • At least one passage can be arranged in the bottom part of the energy store, which forms a fluid connection between the cooling fluid reservoir and the inner region of the essentially cup-shaped rotor.
  • the passage may be aligned substantially coaxially with a rotational axis of the rotor.
  • the passage may be arranged in a central region, for example in the middle in the bottom part.
  • the passage may be designed to face the interior of the runner
  • the passage can be designed and dimensioned such that a rotation of the rotor causes a conveying of cooling fluid from the cooling fluid reservoir into the inner region. This is caused by the fact that, due to the widening of the passage towards the inner region of the rotor, the force acting on the centrifugal force causes a component of force acting along the longitudinal axis of the passage
  • the pumping device is designed in the manner of an Archimedean screw (also referred to as a screw conveyor or screw pump, conveyor having a threaded screw with pronounced thread surfaces) in which the Screw in the passage is arranged around the cooling fluid from the cooling fluid reservoir to the interior
  • an Archimedean screw also referred to as a screw conveyor or screw pump, conveyor having a threaded screw with pronounced thread surfaces
  • the cooling fluid may be suitable for evaporating at a region of the bottom part or at a region of the wall part and from a free opening of the cup-shaped rotor to get to the heat exchanger device.
  • a fluid barrier (for example in the form of a radially oriented annular collar) is provided at a free opening of the cup-shaped rotor, which prevents unevaporated fluid from leaving the interior of the rotor and to reach the heat exchanger means.
  • the pot-shaped rotor guide vanes are arranged, which are to be flowed through by the evaporated cooling fluid, so that or when this comes to the heat exchanger device.
  • These guide vanes may be designed (for example inclined or curved) such that their side facing the interior of the rotor, as the rotor rotates, leads the side directed towards the exterior of the rotor. In this way, fluid thrown outwards from the interior of the rotor can deliver at least part of its kinetic energy to the rotor.
  • the cooling fluid may - at the selected ambient pressure range of, for example, less than 1 bar - have a boiling point of about 40 0 C - about 300 0 C. All intermediate values lying between these values should also be regarded as disclosed.
  • the electric machine may be a switched reluctance machine whose rotor and stator are strongly grooved.
  • the rotor can be formed from metal sheet layers which are axially layered to its axis of rotation, for example from thin FeCo metal sheet layers. Should a defect (for example, the rotor) occur, as a result of which the rapidly rotating rotor disintegrates, the thin sheet metal layers would only be able to cause limited damage.
  • the rotor can be supported rotatably for example by means of a fluid bearing against the housing. But there are also other storage options, such as radial roller bearings or roller bearings, ball bearings, ceramic bearings or the like., As storage of the rotor relative to the housing or the stand possible.
  • the stator of the energy accumulator can also have a heat exchanger device, for example liquid cooling, which at least partially passes through the stator of the energy accumulator in the form of cooling lines.
  • a heat exchanger device for example liquid cooling
  • Another energy storage device has a stator which is rotatably mounted relative to the housing and relative to the rotor.
  • the stand is no (relative to the housing) stationary assembly. Rather, when the stator coil (s) of the stator and the rotor are energized, they rotate in opposite directions.
  • the mass of the stator (which has a larger radius of rotation than the rotor) can be used for energy storage. This further increases the power density of the overall arrangement of the energy storage. Strictly speaking, this arrangement would no longer speak of a runner and a stand; Actually, these are two opposing runners, an inner and an outer runner.
  • the at least one stator coil can be electrically contacted in this case via a slip ring assembly.
  • FIG. 1 shows an energy store in a schematic sectional side view.
  • Fig. 2 shows the energy storage in a schematic cross-sectional view.
  • 3a-3c show the pumping device for the cooling fluid in a schematic cross-sectional view.
  • Fig. 4 shows a drive train of a motor vehicle with the energy storage in a schematic representation.
  • Fig. 5 shows a rotor of the energy storage in a schematic side sectional view.
  • Fig. 6 shows a further energy storage in a schematic side sectional view. Detailed description of the energy storage
  • FIG. 1 an energy storage is shown, which is arranged in a closed, circular cylindrical, fluid-tight and pressure-resistant housing 10.
  • an electric machine 12 in the form of a switched reluctance machine with a rotor 14 and a stator 16 is accommodated.
  • the details of the reluctance machine are explained below.
  • the stator 16 is separated from the rotor 14 by an air gap 18 and has a plurality of stator coils 20 each associated with a stator tooth 16a.
  • the rotor 14 is formed from a stack of thin iron sheet layers.
  • the rotor 14 is surrounded by the stator 16 and has a substantially cup-shaped shape with a bottom portion 14a and a substantially annular cylindrical wall portion 14b.
  • the rotor 14 has assigned a flywheel 22.
  • this flywheel 22 is formed by the fact that the bottom part 14a and the annular cylindrical wall part 14b are made of material that is appreciably larger than would be necessary for the function of the electric machine 12.
  • the rotor 14 in both the radial and in the axial direction 'thicker' (ie with more material) designed as it is indicated for electrical / magnetic reasons.
  • At least one passage 14 c which forms a fluid connection between the cooling fluid reservoir 24 and an inner area 14 d of the substantially cup-shaped rotor 14, is arranged in the bottom part 14 a of the rotor 14.
  • the inner region 14d of the rotor 14 is in fluid communication with a cooling fluid reservoir 24.
  • the arrangement is such that with rotating rotor 14 cooling fluid from the cooling fluid reservoir 24 reaches the rotor 14 in order to cool it.
  • Heat exchanger device 26 is taken to cool the cooling fluid after it has been in contact with the rotor 14.
  • the passage 14 c is arranged in a central region in the bottom part 14 a and aligned substantially coaxially to a rotational axis R of the rotor 14.
  • the passage 14c is shaped such that it widens conically at least in sections toward the inner region 14d of the rotor 14.
  • the minimum diameter and the maximum diameter as well as the course of the passage 14c are designed and dimensioned such that a rotation of the rotor 14 causes a conveying of cooling fluid from the cooling fluid reservoir 24 into the inner region 14d.
  • FIGS. 3a, 3b, 3c This situation is illustrated in FIGS. 3a, 3b, 3c, wherein in FIG. 3a the rotor 14 is shown standing still, in FIG. 3b the rotor 14 is shown rotating slowly and in FIG. 3c the rotor 14 turns rapidly Shown is 0.
  • the amount of cooling fluid sensed by the runner is always sufficient to adequately wet the inner wall of the runner;
  • the amount of fluid in the housing is such that no fluid leaks out of the rotor.5
  • the speed of the rotor 14 also affects the heat development in the energy storage. In this way, the cooling of the rotor - and thus indirectly the rest of the energy storage - can be achieved. This is achieved without expensive separate, for example, electronic temperature control of a likewise not required separate pump for the Fluid0.
  • the re-flow of the cooling fluid is ensured by a plurality of (for example, three or four of which are shown in FIG. 1 two) channels 24 b, the radially distributed in the circumferential direction of the cooling fluid reservoir 24 radially inward and inside the passage let 14c lead.
  • the bottom of the housing 10 can be used almost completely as a cooling fluid reservoir 24.
  • the rotor 14 is rotatably supported on a fluid bearing 50 against the housing 10.
  • the fluid bearing 50 is formed by a substantially annular plate, o which has a central recess 52, in which a bearing pin 54 of the rotor 14 dips suitably.
  • the arrangement of the fluid bearing 50 with the bearing pin 54 is below the level of the cooling fluid, so that the bearing pin 54 is rotatably supported on the annular plate or in its central recess 52 supported by a fluid film.
  • the fluid bearing may also be a plain bearing, a rolling bearing, a ball bearing or a roller bearing,
  • the cooling fluid reservoir 24 extends substantially over a region which, during operation of the arrangement, is located under the rotor 14 -see FIG. 1-and is filled with cooling fluid.
  • the cooling fluid is suitably selected, for example fluorohydrocarbon, to flow as liquid from the cooling fluid reservoir 24 through the passage 14c and vaporize at the bottom part 14a or at the wall part 14b and as vapor from a free one
  • the energy storage is at least partially evacuated, so that in the fluid-tight housing 10, a pressure of about 5 - 10 millibar prevails. This significantly reduces the atmospheric flow losses of the fast rotating rotor 14.
  • the cooling fluid - A low-lo derviskoser hydrocarbon - has in this pressure, a boiling point of about 40 0 C - 300 0 C, for example about 150 0 C. It also higher boiling (halogenated) hydrocarbons used, it being understood in that the temperature of the rotor 14 should not reach a range in which the strength of the rotor 14 is permanently impaired.
  • the cooling fluid is adapted to evaporate at a portion of the bottom portion 14a of the rotor 14 or at a portion of the wall portion 14b of the rotor 14 when the temperature of the rotor 14 reaches this temperature range during operation of the energy accumulator.
  • the cooling fluid thus evaporated can then emerge from a free opening 14e of the cup-shaped rotor 20 (in FIG. 1, top) and reach the heat exchanger device 26.
  • the heat exchanger device 26 is formed by a plurality along the circumference of the housing 10 arranged pipes, which are flowed through by a cooling medium.
  • This cooling medium for example, water or oil, dissipates the energy of the cooling fluid released on cooling / precipitation of the cooling fluid on the piping.
  • a plurality of through holes 40 are provided along the periphery thereof in the edge region, which pass through the stator 16 in the axial direction. Cooling fluid condensed on the heat exchanger device 26 can thus drip down therefrom and reach the cooling fluid reservoir 24 o, thus making it available for renewed introduction into the rotor 14 during its rotation.
  • capacitor ribs may be provided on the pipes.
  • vanes 34 are arranged uniformly distributed along the circumference 5 of the vaporized cooling fluid in a substantially radial outward direction (and in Rg. 1 to the top) to flow through, so that the cup-shaped rotor 14 evaporated cooling fluid to the heat exchanger device 26 passes.
  • These guide vanes 34 are curved in such a way that their edge 34a facing the interior of the rotor 14 leads on rotation of the rotor 14 to the edge 34b directed towards the exterior of the rotor 14.
  • the evaporated cooling fluid to the guide vanes 34 - and thus to the rotor 14 - a portion of the kinetic energy back, which has absorbed the occurred through the passage into the interior of the rotor cooling fluid when it was brought to the speed of the rotor 14.
  • the speed of the cooling fluid is reduced when hitting the heat exchanger device 26. This reduces / prevents erosion of the heat exchanger device 26 by high velocity impinging cooling fluid.
  • the heat exchanger device 26 can operate very efficiently because the vaporized cooling fluid is thrown to the heat exchanger device 26.
  • a fluid barrier 14g in the form of a radially inwardly projecting annular collar 14g is provided at the free opening 14e of the cup-shaped rotor 14.
  • This annular collar 14g prevents cooling fluid which has not yet evaporated from being blown upwards and laterally from the wall part 14b of the rotating rotor 14 so as to reach the heat exchanger device 26. Rather, the annular collar 14g holds the cooling fluid on the annular cylindrical wall portion 14b until it is vaporized.
  • the cooling fluid in / on the rotor 14 performs a phase transition from liquid to gaseous, and at the heat exchanger device 26, a phase transition from gaseous to liquid.
  • the stator 16 also has a heat exchanger device 40.
  • This heat exchanger device 40 is formed by cooling channels, which pass through the stator 16 and are traversed, for example, by water or another cooling medium, in order to generate heat in the stator 16 or the stator coils 20 from the interior of the stator Dissipate housing 10, so to reduce the losses.
  • the energy store has an electrical machine 12, which is designed as a switched reluctance machine, the rotor 14 and stator 16 are grooved.
  • This electric machine can have a very simple design, robust to be realized runner, which can also be designed so that it causes low magnetic losses. Furthermore, with such a machine very high speeds (up to 200,000 rpm and more) can be realized.
  • Another aspect is the electrical / magnetic de-excitability of the switched reluctance machine. This is important for the storage capacity of the energy at low (for example magnetic) losses.
  • the stator 16 and the rotor 14 are strongly grooved at their respective mutually facing lateral surfaces.
  • the stator 16 and the rotor 14 each have an even number of teeth 16a and 14j, respectively.
  • the coils 20 are exclusively in / on the stator 16 and have the form of concentrated windings. In the stator 16 thus pronounced pole teeth 16 a are present.
  • stator tooth count ZS
  • Läufer leopardiere ZL
  • rotor tooth number ZL
  • the self-inductance of a stator coil 20 changes periodically between a minimum value and a maximum value.
  • the torque at the rotor is proportional to the square of the current through the stator coils 20, i. H. the
  • the direction of the torque is independent of the direction of the current in the stator coils 20.
  • the sign of the torque is dependent on the sign of the inductance change during rotation of the rotor 14. With increasing inductance is a positive torque (motor operation), with decreasing inductance, a negative torque (Genera - door operation) generated. A large change in the inductance as a function of the rotor position causes a large torque.
  • the switched reluctance machine is suitable for highly efficient energy conversion in a wide speed range.
  • the rotor 14 can be produced inexpensively in relatively few manufacturing steps.
  • the stator 16 may have salient poles 16a on which concentrated stator coils 20 may be arranged.
  • the stator coils 20 can either be pushed on as forming coils or manufactured in a direct winding process. The resulting in the stator 16 heat loss can be well dissipate.
  • the kinetic energy E ⁇ n to be stored in the rotor 14 and the associated flywheel mass is to be determined approximately according to the following relationship:
  • E kin 1/4 - ⁇ 2 ⁇ ⁇ [hr r 1 4 + h 2 (r 2 4 - r 1 4) + y 2 - 2 • h (r 3 4 - r 2 4)]
  • is the angular velocity of the rotor 14 in s "1 ⁇ the density of the material (for example iron) of the rotor 14 ⁇ the constant Pi (3,14 .7) 5 hi the height of the bottom part 14a of the rotor 14 in mh 2 the height of the annular cylindrical wall portion 14b of the rotor 14 in mr x the inner radius of the wall part 3 of the outer radius of the teeth 14b of the rotor in mr 2 of the outer radius of the wall portion 14b of the rotor in mr 14j of the rotor in m 10th
  • the circumferential length ZL of the teeth 14j of the rotor 14 is equal to the groove length NL of the groove between two adjacent teeth 14j (see FIG. 5).
  • FIG. 6 another embodiment of the energy storage is illustrated, with respect to FIG. 1 comparable or equivalent components provided with the same reference numerals and are not explained again below.
  • the stator 16 is likewise arranged so as to be rotatable relative to the housing 10 by means of two roller bearings 48a, 48b so as to be rotatable about the axis of rotation R.
  • the energization of the stator coil (s) 20 takes place by means of a grinding Ring assembly 50 which is disposed on the wall of the housing 10 and the stator coil (s) 20 electrically contacted.
  • a grinding Ring assembly 50 which is disposed on the wall of the housing 10 and the stator coil (s) 20 electrically contacted.
  • only two contact slip rings 50a, 50b are shown; their number depends on the number of stator coils 20.
  • the mechanical contact for example electromagnetically
  • the mechanical contact can be designed to be liftable, so that the friction losses are reduced if no electrical power is transported via the slip ring assembly 50.
  • the rotor and the "stator" rotate in opposite directions when the stator coil (s) 20 are energized, thus providing a very space efficient arrangement of an energy storage device Inductively or capacitively coupled power into the stator coil (s) 20 or from these einkop- peln.

Abstract

The invention relates to energy storage means that can be arranged in a fluid-tight housing in which an electric machine having a rotor and a stator is accommodated. The stator is separated from the rotor by means of an air gap and comprises at least one stator coil. Said rotor can be surrounded by the stator. Also, the rotor can be associated with a centrifugal mass and is connected to a coolant reservoir. The coolant can reach the rotor from the coolant reservoir when the rotor rotates in order to cool said rotor. A heat exchanger can be arranged in the housing in order to cool the coolant after it has been in contact with the rotor.

Description

Energiespeicher für ein Landfahrzeuq Energy storage for a Landfahrzeuq
Beschreibungdescription
5 Einleitung5 Introduction
Nachstehend wird ein Energiespeicher beschrieben, der zum Beispiel für einen Einsatz in einem Landfahrzeug geeignet ist. Dabei kann es sich um einen Energiespeicher für Fahrzeuge handeln, die ausschließlich, oder zusätzlich zu einer Brennkraftmaschine, mit wenigstens einer elektrischen Maschine im Antriebsstrang ausgestattet sind.An energy storage suitable for use in a land vehicle, for example, will be described below. It may be an energy storage device for vehicles that are equipped exclusively, or in addition to an internal combustion engine, with at least one electric machine in the drive train.
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Hintergrundbackground
In der Vergangenheit wurde die in Kraftfahrzeugen benötigte elektrische Energie praktisch vollständig aus fossilem Brennstoff (Benzin, Erdgas oder Diesel) erzeugt. Bei elektrisch betriebenen Schienenfahrzeugen gibt es zum Beispiel das Konzept, die beim Bremsen freiwer-In the past, the electrical energy needed in motor vehicles was generated almost entirely from fossil fuel (gasoline, natural gas or diesel). For electrically operated rail vehicles, for example, there is the concept that is released when braking.
15 dende kinetische Energie - anstatt sie in Reibungswärme umzusetzen - wieder in elektrische (potentielle) Energie zurückzuwandeln und in das Versorgungsnetz zurückzuspeisen. Durch entsprechende Regeleinrichtungen soll nun auch in Kraftfahrzeugen bei Bremsphasen zumindest ein Teil der Bremsenergie wieder zur Aufladung der Fahrzeugbatterie (genauer gesagt des Akkumulators) verwendet werden. In Fahrsituationen, bei denen elektrische jo Energie im Überschuss erzeugt wird, kann diese elektrische Energie Kraftfahrzeuges gespeichert werden, damit sie in späteren Situationen zur Unterstützung oder als Ersatz der Antriebsenergie aus der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht. Auf diese Weise kann etwa 5% - 20% oder mehr der Antriebsenergie aus der Brennkraftmaschine ersetzt oder in unterstützender Weise kurzzeitig (zum Beispiel für Überholvorgänge im Straßenverkehr) zur Ver-Instead of transforming them into frictional heat, the kinetic energy is converted back into electrical (potential) energy and fed back into the supply network. By means of appropriate control devices, at least part of the braking energy is now to be reused for charging the vehicle battery (more precisely, the accumulator) in motor vehicles during braking phases. In driving situations in which electric energy is generated in excess, this electrical energy motor vehicle can be stored so that it is available in later situations to support or replace the drive energy from the internal combustion engine. In this way, about 5% -20% or more of the drive energy from the internal combustion engine can be replaced or replaced in a supportive manner for a short time (for example, for overtaking operations in road traffic).
•5 fügung stehen. Da Blei-Akkumulatoren schwer sind und nur eine begrenzte Energiedichte haben, wird vermehrt auf andere Energiespeichertypen (sog. Doppelschichtkondensatoren, Ultracaps, etc.) ausgewichen. Sie eignen sich für die kurzzeitige Bereitstellung (< 1 Min) von Energie und das Abdecken von Lastspitzen. Allerdings ist auch deren Energiedichte derzeit auf etwa 4 - 6 Wh/kg begrenzt. o• 5 stand. Since lead-acid batteries are heavy and have only a limited energy density, more and more types of energy storage devices are used (so-called double-layer capacitors, ultracaps, etc.). They are suitable for the short-term supply (<1 min) of energy and the covering of load peaks. However, their energy density is currently limited to about 4 - 6 Wh / kg. O
Der nachstehend beschriebene Energiespeicher kann eine hohe Energiedichte haben, und/oder eine lange Lebensdauer, in einer für den Einsatz in Serienfahrzeugen geeigneten einfachen Weise aufgebaut sein, und/oder kann eine geringe Fehleranfälligkeit, verbunden mit einem hohen Rekuperationsgrad der Energie haben. KurzfassunqThe energy storage described below may have a high energy density, and / or a long life, be constructed in a suitable manner for use in production vehicles simple manner, and / or may have a low susceptibility to error associated with a high recuperation of the energy. Kurzfassunq
Der Energiespeicher kann in einem fluiddichten Gehäuse angeordnet sein. Das Gehäuse kann aber auch durch Wandungen anderer Baugruppen zum Beispiel in einem Verbrennungsmotorenblock gebildet sein. In dem Gehäuse kann eine elektrische Maschine mit einem LäuferThe energy store can be arranged in a fluid-tight housing. The housing may also be formed by walls of other modules, for example in an internal combustion engine block. In the housing may be an electric machine with a rotor
5 und einem Ständer aufgenommen sein. Der Ständer ist dabei von dem Läufer durch einen Luftspalt getrennt und weist wenigstens eine Ständerspule auf. Der Läufer kann von dem Ständer umgeben sein. Es kann aber auch Ausgestaltungen geben, bei denen der Läufer den Ständer umgeben kann. Außerdem kann der Läufer einer Schwungmasse zugeordnet sein und mit einem Kühlfluid-Reservoir in Verbindung stehen, wobei aus dem Kühlfluid-Reservoir5 and a stand to be included. The stator is separated from the rotor by an air gap and has at least one stator coil. The runner may be surrounded by the stand. But there may also be embodiments in which the runner can surround the stand. In addition, the rotor may be associated with a flywheel and be in communication with a cooling fluid reservoir, wherein from the cooling fluid reservoir
10 bei rotierendem Läufer Kühlfluid zu dem Läufer gelangen kann um diesen zu kühlen. In dem Gehäuse kann eine Wärmetauschereinrichtung aufgenommen sein um Kühlfluid abzukühlen, nachdem es mit dem Läufer in Kontakt gewesen ist. Es ist jedoch auch möglich, die Wärmetauschereinrichtung an der Außenwand des Gehäuses vorzusehen. In diesem Fall wäre es förderlich, wenn die Wand des Gehäuses eine gute Wärmeleitung bietet.10 with rotating rotor cooling fluid can reach the rotor to cool this. A heat exchange device may be included in the housing to cool cooling fluid after it has been in contact with the rotor. However, it is also possible to provide the heat exchanger device on the outer wall of the housing. In this case, it would be beneficial if the wall of the housing provides good heat conduction.
L5L5
Der Energiespeicher ist zum Beispiel für ein Landfahrzeug mit elektrischem Antrieb geeignet, um bei einer regenerativen Abbremsung mittels wenigstens einer elektrischen Maschine im oder am Antriebsstrang des Fahrzeugs freiwerdende Energie zu speichern. In einer solchen Anordnung ist der Energiespeicher mit der elektrischen Maschine im oder am Antriebsstrang o des Fahrzeugs verbunden, wobei die beim Abbremsen des Fahrzeugs in der elektrischen Maschine umgesetzte elektrische Leistung in den Energiespeicher eingespeist wird. Die elektrische Maschine in dem Energiespeicher wird dadurch zusammen mit der dem Läufer zugeordneten Schwungmasse in Rotation versetzt. Mögliche Drehzahlen sind dabei zwischen etwa 30.000 und 180.000 Umdrehungen pro Minute und mehr.The energy storage device is suitable, for example, for a land vehicle with an electric drive, in order to store energy released in a regenerative braking by means of at least one electric machine in or on the drive train of the vehicle. In such an arrangement, the energy storage is connected to the electric machine in or on the drive train o of the vehicle, wherein the converted during braking of the vehicle in the electric machine electrical power is fed into the energy storage. The electric machine in the energy store is thereby set in rotation together with the flywheel associated flywheel. Possible speeds are between about 30,000 and 180,000 revolutions per minute and more.
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Die beim Abbremsen rekuperierte Energie muss nicht dazu benutzt werden, den Energiespeicher des Kraftfahrzeuges bedingungslos voll zu laden. Vielmehr kann ein Ladezustand des Energiespeichers für einen Standverbrauch und die Startfähigkeit (zum Beispiel im Start- Stopp-Betrieb im Stadtverkehr) des Kraftfahrzeuges in Abhängigkeit von relevanten Umweltbedingungen ermittelt und eingeregelt werden. Ein darüber hinaus gehendes Laden des Energiespeichers kann daher in energetisch günstigen Fahrphasen (= Rekuperationsphasen) erfolgen, in denen dafür kein Kraftstoff verbraucht würde. Sofern der Energiespeicher in diesen Rekuperationsphasen über die Startfähigkeits/ Standverbrauchs-Ladung hinaus geladen würde, steht elektrische Energie zur Verfügung, die direkt ins Bordnetz gespeist werden kann, ohne vom (kraftstoffgetriebenen) Generator aufgebracht werden zu müssen. Diese Überschusskapazität kann dazu genutzt werden, dem sonst mittels Kraftstoff zu betreiben- den Generator weniger oder keine Energie zu entnehmen, was zu geringerem Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeuges führen kann.The recuperated during braking energy must not be used to fully charge the energy storage of the motor vehicle fully. Rather, a state of charge of the energy storage for a stand consumption and startability (for example, in start-stop operation in city traffic) of the motor vehicle can be determined and adjusted depending on relevant environmental conditions. An additional charging of the energy storage can therefore take place in energetically favorable driving phases (= recuperation phases) in which no fuel would be consumed. If the energy storage would be charged in these recuperation phases on the start ability / stand-charge charge out, electrical energy is available, which can be fed directly into the electrical system without having to be applied by the (fuel-powered) generator. This excess capacity can be used to fuel otherwise. To take the generator less or no energy, which can lead to lower fuel consumption of the motor vehicle.
Durch diesen Energiespeicher kann das Potential der Energie-Rekuperation bei Landfahrzeu- 5 gen, bei Kraftfahrzeuges mit Hybridantrieb, oder bei Kraftfahrzeugen mit einem ausreichend dimensionierten Startergenerator im oder am Antriebsstrang optimal ausgenützt werden. Die elektrischen Maschinen können beim Abbremsen des Kraftfahrzeuges möglichst viel Energie zurück gewinnen. Über die regenerative Abbremsung hinausgehende Bremsanforderungen können durch die Reibungsbremse abgedeckt werden. 0Through this energy storage, the potential of energy recuperation can be optimally utilized in land vehicles 5, in motor vehicles with hybrid drive, or in motor vehicles with a sufficiently sized starter generator in or on the drive train. The electric machines can win back as much energy when braking the motor vehicle. Braking requirements beyond regenerative braking can be covered by the friction brake. 0
Die von dem Kühlfluid hervorgerufene Kühlwirkung kann dazu bei tragen, dass sich der Läufer aufgrund von Wärme nicht übermäßig ausdehnt. Durch eine solche Ausdehnung könnte sich der Luftspalt zwischen den Läufer und dem Ständer verändern. Ohne die Kühlung beschriebene wäre eine derartige mögliche, temperaturbedingte, Veränderung der5 Luftspaltbreite bei der Dimensionierung des Luftspalts zu berücksichtigen. Dies hätte eine relativ niedrigeren Wirkungsgrad der elektrischen Maschine des Energiespeichers zur Folge, da der Luftspalt sicherheitshalber größer zu dimensionieren wäre. Die vorgestellte Ausgestaltung des Energiespeichers lässt demgegenüber eine geringere Luftspaltbreite zu. Dies führt zu einem relativ höheren Wirkungsgrad der elektrischen Maschine des Energiespeichers und o damit zu einer vergleichsweise höheren Effizienz des Energiespeichers.The cooling effect caused by the cooling fluid may contribute to the rotor not excessively expanding due to heat. Such an expansion could change the air gap between the rotor and the stator. Without the cooling described, such a possible temperature-induced change in the air gap width would have to be considered in the dimensioning of the air gap. This would result in a relatively lower efficiency of the electrical machine of the energy store, since the air gap would have to be dimensioned larger for safety reasons. In contrast, the proposed embodiment of the energy accumulator allows for a smaller air gap width. This leads to a relatively higher efficiency of the electric machine of the energy store and thus o to a comparatively higher efficiency of the energy store.
In dem fluiddichten Gehäuse des Energiespeichers kann ein Druck von weniger als 1 bar (zum Beispiel von weniger als etwa 1 mbar - 200 mbar, also zum Beispiel 5 mbar) herrschen. Hierbei sind auch alle zwischen diesen Werten liegenden Zwischenwerte als offenbart anzu- ; sehen. Ein wichtiger, daraus resultierender Effekt ist der deutlich verringerte Strömungswiderstand des sich drehenden Läufers in dem Unterdruckmilieu. Hieraus resultiert eine deutlich gesteigerte Energiespeicherfähigkeit und ein signifikant geringerer Energieverlust. Damit kann auch der Eintritt des Kühleffekt des Kühlfluids eingestellt werden. Hierdurch kann bei dem dabei auftretenden Phasenübergang (flüssig -> gasförmig) einen gesteigerter Kühleffekt hervorgerufen werden. Die Kühlung des sich drehenden Läufers ist auch insofern von Bedeutung, als in einem Unterdruckmilieu die Verlustwärmeabgabe über die Atmosphäre vermindert ist und die Materialfestigkeit des Läufers mit steigender Temperatur abnimmt. Die Kühlung steigert die Zyklenfestigkeit und die Dauerstandfestigkeit der Anordnung nennenswert.In the fluid-tight housing of the energy storage, a pressure of less than 1 bar (for example, less than about 1 mbar - 200 mbar, so for example 5 mbar) prevail. In this case, all intermediate values lying between these values should also be regarded as disclosed; see. An important, resulting effect is the significantly reduced flow resistance of the rotating rotor in the vacuum environment. This results in a significantly increased energy storage capacity and a significantly lower energy loss. Thus, the entry of the cooling effect of the cooling fluid can be adjusted. As a result, an increased cooling effect can be caused in the phase transition occurring (liquid -> gaseous). The cooling of the rotating rotor is also important insofar as in a vacuum environment, the loss heat transfer through the atmosphere is reduced and the material strength of the rotor decreases with increasing temperature. The cooling increases the cycle stability and the creep strength of the arrangement appreciably.
Dem Läufer kann eine Pumpvorrichtung für das Kühlfluid zugeordnet sein, die für ein Pumpen von Kühlfluid aus dem Kühlfluid-Reservoir zu dem Läufer erforderliche Energie aus der (Dreh-)Bewegung des Läufers bezieht. Dies hat zum einen den Vorteil, dass kein separater Antrieb für eine Fördereinrichtung für das Kühlfluid notwendig ist. Weiterhin kann über die in dem Gehäuse enthaltende Kühlfluidmenge der Kühlvorgang bestimmt werden, da so die dem Läufer zugeführte Kühlfluidmenge auf ein sicheres Mass begrenzbar ist. Zum Anderen könnte 5 ein zwischen dem Kühlfluid-Bedarf und der Drehzahl des Läufers bestehender Zusammen¬ hang genutzt werden, um auf eine separate Regelung/Steuerung des Kühlfluid-Strom zu dem Läufer zu verzichten; schließlich herrscht bei niedriger Drehzahl des Läufers und/oder kurzer Betriebsdauer auch nur ein geringerer Kühlfluid-Bedarf. 0 Der Läufer des Energiespeichers kann zumindest zusammen mit wenigstens einem Teil der Schwungmasse eine im Wesentlichen topfförmige Gestalt mit einem Bodenteil und einem im Wesentlichen ringzylindrischen Wandteil aufweisen. Der ringzylindrische Wandteil kann dabei entweder eine im Wesentlichen kreisringzylindrische Gestalt oder eine polygonringförmige Gestalt haben. 5The rotor may be associated with a pumping device for the cooling fluid, the energy required for pumping cooling fluid from the cooling fluid reservoir to the rotor (Rotary) movement of the rotor relates. This has the advantage that no separate drive for a conveyor for the cooling fluid is necessary. Furthermore, the cooling process can be determined via the amount of cooling fluid contained in the housing, since in this way the amount of cooling fluid supplied to the rotor can be limited to a certain extent. On the other 5 could be used an existing between the cooling fluid and the demand speed of the rotor assembly ¬ hang in order to dispense with a separate regulating / controlling the cooling fluid flow to the rotor; Finally, at low rotor speed and / or short operating time, there is only a lesser need for cooling fluid. The rotor of the energy accumulator can have, at least together with at least one part of the flywheel mass, a substantially cup-shaped form with a bottom part and a substantially ring-cylindrical wall part. The annular cylindrical wall part can either have a substantially circular-cylindrical shape or a polygonal-ring-shaped form. 5
Die Pumpvorrichtung kann das Kühlfluid aus dem Kühlfluid-Reservoir in einen Innenbereich des im Wesentlichen topfförmigen Läufers fördern.The pumping device may deliver the cooling fluid from the cooling fluid reservoir into an interior region of the substantially cup-shaped rotor.
Bei einer Variante kann in dem Bodenteil des Energiespeichers wenigstens ein Durchlasso angeordnet sein, der eine Fluidverbindung zwischen dem Kühlfluid-Reservoir und dem Innenbereich des im Wesentlichen topfförmigen Läufers bildet. Der Durchlass kann im Wesentlichen koaxial zu einer Rotationsachse des Läufers ausgerichtet sein. Der Durchlass kann in einem zentralen Bereich, zum Beispiel in der Mitte in dem Bodenteil angeordnet sein. Außerdem kann der Durchlass so gestaltet sein, dass er sich zum Innenbereich des Läufers hinIn one variant, at least one passage can be arranged in the bottom part of the energy store, which forms a fluid connection between the cooling fluid reservoir and the inner region of the essentially cup-shaped rotor. The passage may be aligned substantially coaxially with a rotational axis of the rotor. The passage may be arranged in a central region, for example in the middle in the bottom part. In addition, the passage may be designed to face the interior of the runner
5 zum Beispiel trichterförmig erweitert. Weiterhin kann der Durchlass so gestaltet und dimensioniert sein, dass ein Rotieren des Läufers ein Fördern von Kühl-fluid aus dem Kühlfluid-Reservoir in den Innenbereich hervorruft. Dies wird dadurch hervorgerufen, dass durch die Erweiterung des Durchlasses zum Innenbereich des Läufers hin die auf die Zentrifugalkraft eine entlang der Längsachse des Durchlasses wirkende Kraftkomponente hervorruft, die das5 expanded funnel-shaped, for example. Furthermore, the passage can be designed and dimensioned such that a rotation of the rotor causes a conveying of cooling fluid from the cooling fluid reservoir into the inner region. This is caused by the fact that, due to the widening of the passage towards the inner region of the rotor, the force acting on the centrifugal force causes a component of force acting along the longitudinal axis of the passage
) Kühlfluid gegen die Schwerkraft aus dem Kühlfluid-Reservoir „heraushebt". In einer anderen Ausführungsform ist die Pumpvorrichtung nach Art einer Archimedischen Schraube (auch als Schneckenförderer oder Schneckenpumpe bezeichnet; Förderanlage, die eine Transportschraube mit ausgeprägten Gewindeflächen hat), gestaltet, bei der die Schraube in dem Durchlass angeordnet ist um das Kühlfluid aus dem Kühlfluid-Reservoir in den InnenbereichIn another embodiment, the pumping device is designed in the manner of an Archimedean screw (also referred to as a screw conveyor or screw pump, conveyor having a threaded screw with pronounced thread surfaces) in which the Screw in the passage is arranged around the cooling fluid from the cooling fluid reservoir to the interior
; des Läufers fördern. Durch geeignete Auswahl (zum Beispiel niedrig viskose und/oder niedrig siedende Kohlenwasserstoffe, die auch halogeniert sein können) kann das Kühlfluid dazu geeignet sein, an einem Bereich des Bodenteils oder an einem Bereich des Wandteils zu verdampfen und aus einer freien Öffnung des topfförmigen Läufer zu der Wärmetauschereinrichtung zu gelangen.; of the runner. By suitable selection (for example low-viscous and / or low-boiling hydrocarbons, which may also be halogenated), the cooling fluid may be suitable for evaporating at a region of the bottom part or at a region of the wall part and from a free opening of the cup-shaped rotor to get to the heat exchanger device.
Dabei kann an einer freien Öffnung des topfförmigen Läufer eine Fluidsperre ( zum Beispiel in Gestalt eines radial orientierten Ringbundes) vorgesehen ist, die noch nicht verdampftes Fluid daran hindert, den Innenbereich des Läufers zu verlassen und zu der Wärmetauschereinrichtung zu gelangen.In this case, a fluid barrier (for example in the form of a radially oriented annular collar) is provided at a free opening of the cup-shaped rotor, which prevents unevaporated fluid from leaving the interior of the rotor and to reach the heat exchanger means.
An einem Randbereich des topfförmigen Läufers können Leitschaufeln angeordnet sind, die von dem verdampften Kühlfluid zu durchströmen sind, damit oder wenn dieses zu der Wärmetauschereinrichtung gelangt. Diese Leitschaufeln können dabei so beschaffen ( zum Beispiel geneigt oder gekrümmt) sein, dass ihre dem Innern des Läufers zugewandte Seite bei Rotation des Läufers den zu dem Äußeren des Läufers gerichtete Seite voreilt. Damit kann vom Innern des Läufers nach außen geschleudertes Fluid zumindest einen Teil seiner kinetischen Energie an den Läufer abgeben. Das Kühlfluid kann - bei dem gewählten Umgebungsdruckbereich von zum Beispiel weniger als 1 bar - einen Siedepunkt von etwa 40 0C - etwa 300 0C haben. Hierbei sind auch alle zwischen diesen Werten liegenden Zwischenwerte als offenbart anzusehen.On an edge region of the pot-shaped rotor guide vanes are arranged, which are to be flowed through by the evaporated cooling fluid, so that or when this comes to the heat exchanger device. These guide vanes may be designed (for example inclined or curved) such that their side facing the interior of the rotor, as the rotor rotates, leads the side directed towards the exterior of the rotor. In this way, fluid thrown outwards from the interior of the rotor can deliver at least part of its kinetic energy to the rotor. The cooling fluid may - at the selected ambient pressure range of, for example, less than 1 bar - have a boiling point of about 40 0 C - about 300 0 C. All intermediate values lying between these values should also be regarded as disclosed.
Die elektrische Maschine kann eine geschaltete Reluktanzmaschine sein, deren Läufer und Ständer stark genutet sind. Der Läufer kann aus zu seiner Rotationsachse axial geschichteten Metallblechlagen, zum Beispiel aus dünnen FeCo - Metallblechlagen gebildet sein. Sollte ein Defekt (zum Beispiel des Läufers) auftreten, aufgrund dessen der sich schnell drehende Läufer desintegriert, würden die dünnen Metallblechlagen nur begrenzten Schaden anrichten können.The electric machine may be a switched reluctance machine whose rotor and stator are strongly grooved. The rotor can be formed from metal sheet layers which are axially layered to its axis of rotation, for example from thin FeCo metal sheet layers. Should a defect (for example, the rotor) occur, as a result of which the rapidly rotating rotor disintegrates, the thin sheet metal layers would only be able to cause limited damage.
Der Läufer kann zum Beispiel mittels eines Fluidlagers gegen das Gehäuse drehbar abge- stützt sein. Es sind aber auch andere Lagervarianten, zum Beispiel Radialrollenlager oder Wälzlager, Kugellager, Keramiklager oder dergl., als Lagerung des Läufers gegenüber dem Gehäuse bzw. dem Ständer möglich.The rotor can be supported rotatably for example by means of a fluid bearing against the housing. But there are also other storage options, such as radial roller bearings or roller bearings, ball bearings, ceramic bearings or the like., As storage of the rotor relative to the housing or the stand possible.
Zusätzlich zu der Wärmetauschereinrichtung für das den Läufer kühlende Kühlfluid kann auch der Ständer des Energiespeichers eine Wärmetauschereinrichtung, zum Beispiel eine Flüssigkeitskühlung aufweisen, die in Form von Kühlleitungen den Ständer des Energiespeichers zumindest teilweise durchzieht. Ein anderer Energiespeicher hat einen Ständer, der relativ zu dem Gehäuse und relativ zu dem Läufer drehbar gelagert ist. Damit ist der Ständer keine (bezogen auf das Gehäuse) stationäre Baugruppe. Vielmehr drehen beim Bestromen der Ständerspule(n) der Ständer und der Läufer sich in entgegengesetzte Richtungen. Damit kann auch die Masse des Ständers (die einen größeren Drehradius hat als der Läufer) zur Energiespeicherung herangezogen werden. Dies erhöht die Leistungsdichte der Gesamtanordnung des Energiespeichers weiter. Streng genommen wäre bei dieser Anordnung nicht mehr von einem Läufer und einem Ständer zu sprechen; eigentlich handelt es sich dabei um zwei gegensinnige Läufer, einen inneren und einen äußeren Läufer.In addition to the heat exchanger device for the cooling fluid cooling the rotor, the stator of the energy accumulator can also have a heat exchanger device, for example liquid cooling, which at least partially passes through the stator of the energy accumulator in the form of cooling lines. Another energy storage device has a stator which is rotatably mounted relative to the housing and relative to the rotor. Thus, the stand is no (relative to the housing) stationary assembly. Rather, when the stator coil (s) of the stator and the rotor are energized, they rotate in opposite directions. Thus, the mass of the stator (which has a larger radius of rotation than the rotor) can be used for energy storage. This further increases the power density of the overall arrangement of the energy storage. Strictly speaking, this arrangement would no longer speak of a runner and a stand; Actually, these are two opposing runners, an inner and an outer runner.
Die wenigstens eine Ständerspule kann in diesem Fall über eine Schleifringanordnung elektrisch kontaktiert sein.The at least one stator coil can be electrically contacted in this case via a slip ring assembly.
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen dieses Energiespeichers werden anhand der nachstehenden Beschreibung verdeutlicht, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist.Other features, properties, advantages and possible modifications of this energy storage will become apparent from the following description in which reference is made to the accompanying drawings.
Kurzbeschreibung der Figuren Fig. 1 zeigt einen Energiespeicher in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung.BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES FIG. 1 shows an energy store in a schematic sectional side view.
Fig. 2 zeigt den Energiespeicher in einer schematischen Querschnittsdarstellung.Fig. 2 shows the energy storage in a schematic cross-sectional view.
Fig. 3a - 3c zeigen die Pumpeinrichtung für das Kühlfluid in einer schematischen Quer- Schnittsdarstellung.3a-3c show the pumping device for the cooling fluid in a schematic cross-sectional view.
Fig. 4 zeigt einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit dem Energiespeicher in einer schematischen Darstellung.Fig. 4 shows a drive train of a motor vehicle with the energy storage in a schematic representation.
Fig. 5 zeigt einen Läufer des Energiespeichers in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung.Fig. 5 shows a rotor of the energy storage in a schematic side sectional view.
Fig. 6 zeigt einen weiteren Energiespeicher in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung. Detailbeschreibunq des EnergiespeichersFig. 6 shows a further energy storage in a schematic side sectional view. Detailed description of the energy storage
In Fig. 1 ist ein Energiespeicher gezeigt, der in einem geschlossenen, kreiszylindrischen, fluiddichten und druckresistenten Gehäuse 10 angeordnet ist. In dem Gehäuse 10 ist eine elektrische Maschine 12 in Gestalt einer geschalteten Reluktanzmaschine mit einem Läufer 14 und einem Ständer 16 aufgenommen. Die Details der Reluktanzmaschine sind weiter unten erläutert. Der Ständer 16 ist von dem Läufer 14 durch einen Luftspalt 18 getrennt und hat eine Vielzahl von Ständerspulen 20, die jeweils einem Ständerzahn 16a zugeordnet sind. Der Läufer 14 ist aus einem Stapel dünner Eisenblechlagen gebildet. Der Läufer 14 ist von dem Ständer 16 umgeben und hat eine im Wesentlichen topfförmige Gestalt mit einem Bodenteil 14a und einem im Wesentlichen ringzylindrischen Wandteil 14b. Außerdem hat der Läufer 14 eine Schwungmasse 22 zugeordnet. Diese Schwungmasse 22 ist im gezeigten Beispiel dadurch gebildet, dass das Bodenteil 14a und das ringzylindrische Wandteil 14b aus nennenswert mehr Material gebildet sind, als für die Funktion der elektrischen Maschine 12 erforderlich wäre. Mit anderen Worten ist der Läufer 14 sowohl in radialer als auch in axialer Richtung 'dicker' (also mit mehr Material) ausgestaltet, als es aus elektrischen/magnetischen Gründen angezeigt ist.In Fig. 1, an energy storage is shown, which is arranged in a closed, circular cylindrical, fluid-tight and pressure-resistant housing 10. In the housing 10, an electric machine 12 in the form of a switched reluctance machine with a rotor 14 and a stator 16 is accommodated. The details of the reluctance machine are explained below. The stator 16 is separated from the rotor 14 by an air gap 18 and has a plurality of stator coils 20 each associated with a stator tooth 16a. The rotor 14 is formed from a stack of thin iron sheet layers. The rotor 14 is surrounded by the stator 16 and has a substantially cup-shaped shape with a bottom portion 14a and a substantially annular cylindrical wall portion 14b. In addition, the rotor 14 has assigned a flywheel 22. In the example shown, this flywheel 22 is formed by the fact that the bottom part 14a and the annular cylindrical wall part 14b are made of material that is appreciably larger than would be necessary for the function of the electric machine 12. In other words, the rotor 14 in both the radial and in the axial direction 'thicker' (ie with more material) designed as it is indicated for electrical / magnetic reasons.
Des Weiteren ist in dem Bodenteil 14a des Läufers 14 wenigstens ein Durchlass 14c angeordnet, der eine Fluidverbindung zwischen dem Kühlfluid-Reservoir 24 und einem Innenbe- reich 14d des im Wesentlichen topfförmigen Läufers 14 bildet. Durch den Durchlass 14c steht der Innenbereich 14d des Läufers 14 mit einem Kühlfluid-Reservoir 24 in Strömungsverbindung. Dabei ist die Anordnung so getroffen, dass bei rotierendem Läufer 14 aus dem Kühlfluid-Reservoir 24 Kühlfluid zu dem Läufer 14 gelangt um diesen zu kühlen.Furthermore, at least one passage 14 c, which forms a fluid connection between the cooling fluid reservoir 24 and an inner area 14 d of the substantially cup-shaped rotor 14, is arranged in the bottom part 14 a of the rotor 14. Through the passage 14c, the inner region 14d of the rotor 14 is in fluid communication with a cooling fluid reservoir 24. In this case, the arrangement is such that with rotating rotor 14 cooling fluid from the cooling fluid reservoir 24 reaches the rotor 14 in order to cool it.
Schließlich ist in dem Gehäuse 10 (in Fig. 1 oberhalb der elektrischen Maschine 12) eineFinally, in the housing 10 (in Fig. 1 above the electric machine 12) a
Wärmetauschereinrichtung 26 aufgenommen um das Kühlfluid abzukühlen, nachdem es mit dem Läufer 14 in Kontakt gewesen ist. Um die Förderung des Fluids zu erreichen ist der Durchlass 14c in einem zentralen Bereich in dem Bodenteil 14a angeordnet und im Wesentlichen koaxial zu einer Rotationsachse R des Läufers 14 ausgerichtet. Außerdem ist der Durch- lass 14c so geformt, dass er sich zum Innenbereich 14d des Läufers 14 hin zumindest abschnittsweise konisch erweitert. Dabei sind der minimale Durchmesser und der maximale Durchmesser sowie der Verlauf des Durchlasses 14c so gestaltet und dimensioniert, dass ein Rotieren des Läufers 14 ein Fördern von Kühlfluid aus dem Kühlfluid-Reservoir 24 in den Innenbereich 14d hervorruft. Dies kann dadurch bewirkt werden, dass beim Rotieren des Läufers 14 Zentrifugalkraft auf die sich zum Innenbereich 14d des Läufers 14 hin zumindest abschnittsweise konisch erweiternde Fluidsäule in dem Durchlass 14c wirken kann. Hierdurch entsteht ein rotationsparaboloider Trichter in der Fluidsäule, dessen Halbparameter umge- kehrt proportional zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit ω des Läufers 14 ist. Dabei kann ein Teil des Kühlfluids relativ zu dem Fluidpegel bei nicht rotierendem Läufer (siehe Rg. 3a) angehoben werden und den Durchlass 14c in den Innenbereich 14d des Läufers 14 verlassen (siehe Rg. 3b, 3c). Der in den Innenbereich 14d des Läufers 14 geschleuderte Teil des 5 Kühlfluids fehlt dann in der Ruidsäule und kommt (von unten) aus dem Kühlfluid-Reservoir 24 nach. Damit wird eine Pumpenwirkung für das Kühlfluid aus dem Kühlfluid-Reservoir 24 in den Innenbereich 14d des Läufers 14 erreicht. Dieser Sachverhalt ist in den Rg. 3a, 3b, 3c veranschaulicht, wobei in Rg. 3a der Läufer 14 still stehend gezeigt ist, in Rg. 3b der Läufer 14 sich langsam drehend gezeigt ist und in Rg. 3c der Läufer 14 sich schnell drehend gezeigt0 ist.Heat exchanger device 26 is taken to cool the cooling fluid after it has been in contact with the rotor 14. In order to achieve the delivery of the fluid, the passage 14 c is arranged in a central region in the bottom part 14 a and aligned substantially coaxially to a rotational axis R of the rotor 14. In addition, the passage 14c is shaped such that it widens conically at least in sections toward the inner region 14d of the rotor 14. In this case, the minimum diameter and the maximum diameter as well as the course of the passage 14c are designed and dimensioned such that a rotation of the rotor 14 causes a conveying of cooling fluid from the cooling fluid reservoir 24 into the inner region 14d. This can be effected by centrifugal force being able to act in the passage 14c on the fluid column which widens conically at least in sections towards the inner region 14d of the rotor 14 during rotation of the rotor 14. This results in a rotationsparaboloider funnel in the fluid column whose half-parameter converted is proportional to the square of the angular velocity ω of the rotor 14. In this case, part of the cooling fluid can be lifted relative to the fluid level when the rotor is not rotating (see FIG. 3a) and leave the passage 14c in the inner region 14d of the rotor 14 (see FIG. 3b, 3c). The part of the cooling fluid thrown into the inner region 14d of the rotor 14 then lacks in the ridge column and comes from below (from below) out of the cooling fluid reservoir 24. In order for a pumping action for the cooling fluid from the cooling fluid reservoir 24 in the inner region 14 d of the rotor 14 is achieved. This situation is illustrated in FIGS. 3a, 3b, 3c, wherein in FIG. 3a the rotor 14 is shown standing still, in FIG. 3b the rotor 14 is shown rotating slowly and in FIG. 3c the rotor 14 turns rapidly Shown is 0.
Des Weiteren wird sichergestellt, dass die dem Läufer zugefühlte Menge an Kühlfluid stets ausreicht um die Innenwand des Läufers ausreichend zu benetzten; andererseits ist die Ruidmenge im Gehäuse, so bemessen, dass kein flüssiges Fluid aus dem Läufer austritt.5Furthermore, it is ensured that the amount of cooling fluid sensed by the runner is always sufficient to adequately wet the inner wall of the runner; On the other hand, the amount of fluid in the housing is such that no fluid leaks out of the rotor.5
Die Drehzahl des Läufers 14 beeinflusst auch die Wärmeentwicklung in dem Energiespeicher. Auf diese Weise kann die Kühlung des Läufers - und damit indirekt auch des übrigen Energiespeichers - erzielt werden. Dies wird ohne aufwendige separate, zum Beispiel elektronische Temperaturregelung einer ebenfalls nicht erforderlichen separaten Pumpe für das Fluid0 erreicht.The speed of the rotor 14 also affects the heat development in the energy storage. In this way, the cooling of the rotor - and thus indirectly the rest of the energy storage - can be achieved. This is achieved without expensive separate, for example, electronic temperature control of a likewise not required separate pump for the Fluid0.
Das Nachfließen des Kühlfluids wird durch mehrere (zum Beispiel drei oder vier von denen in Rg. 1 zwei gezeigt sind) Kanäle 24b sichergestellt, die gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt von dem Kühlfluid-Reservoir 24 radial nach innen reichen und im Innern des Durch-5 lasses 14c münden.The re-flow of the cooling fluid is ensured by a plurality of (for example, three or four of which are shown in FIG. 1 two) channels 24 b, the radially distributed in the circumferential direction of the cooling fluid reservoir 24 radially inward and inside the passage let 14c lead.
Der Grund des Gehäuses 10 kann praktisch vollständig als Kühlfluid-Reservoir 24 genutzt werden. Der Läufer 14 ist auf einem Fluidlager 50 gegen das Gehäuse 10 drehbar abgestützt. Das Fluidlager 50 ist dabei durch eine im Wesentlichen ringförmige Platte gebildet, o die eine zentrale Ausnehmung 52 aufweist, in die ein Lagerzapfen 54 des Läufers 14 passend eintaucht. Dabei liegt die Anordnung des Fluidlager 50 mit dem Lagerzapfen 54 unterhalb des Pegels des Kühlfluids, so dass der Lagerzapfen 54 auf der ringförmigen Platte bzw. in deren zentraler Ausnehmung 52 durch einen Fluidfilm getragen drehbar geführt ist. Anstelle des Fluidlagers kann auch ein Gleitlager, ein Wälzlager, ein Kugellager oder ein Rollenlager,The bottom of the housing 10 can be used almost completely as a cooling fluid reservoir 24. The rotor 14 is rotatably supported on a fluid bearing 50 against the housing 10. The fluid bearing 50 is formed by a substantially annular plate, o which has a central recess 52, in which a bearing pin 54 of the rotor 14 dips suitably. In this case, the arrangement of the fluid bearing 50 with the bearing pin 54 is below the level of the cooling fluid, so that the bearing pin 54 is rotatably supported on the annular plate or in its central recess 52 supported by a fluid film. Instead of the fluid bearing may also be a plain bearing, a rolling bearing, a ball bearing or a roller bearing,
5 auch mit keramischen Gleitflächen oder Wälzkörpern eingesetzt werden. Das Kühlfluid-Reservoir 24 erstreckt sich im Wesentlichen über einen Bereich, der sich im Betrieb der Anordnung unter dem Läufer 14 - siehe Fig. 1 - befindet und mit Kühlfluid erfüllt ist. Das Kühlfluid ist geeignet ausgewählt, zum Beispiel Fluorkohlenwasserstoff, um als Flüssigkeit aus dem Kühlfluid-Reservoir 24 durch den Durchlass 14c zu strömen und an dem 5 Bodenteil 14a oder an dm Wandteil 14b zu verdampfen und als Dampf aus einer freien5 are also used with ceramic sliding surfaces or rolling elements. The cooling fluid reservoir 24 extends substantially over a region which, during operation of the arrangement, is located under the rotor 14 -see FIG. 1-and is filled with cooling fluid. The cooling fluid is suitably selected, for example fluorohydrocarbon, to flow as liquid from the cooling fluid reservoir 24 through the passage 14c and vaporize at the bottom part 14a or at the wall part 14b and as vapor from a free one
Öffnung 14e des topfförmigen Läufer 14 zu der Wärmetauschereinrichtung 26 zu gelangen. Dazu ist der Energiespeicher zumindest teil-evakuiert, so dass in dem fluiddichten Gehäuse 10 ein Druck von etwa 5 - 10 Millibar herrscht. Dies reduziert die atmosphärischen Strömungsverluste des schnell rotierenden Läufers 14 signifikant. Das Kühlfluid - ein nie- lo derviskoser Kohlenwasserstoff - hat bei diesen Druckverhältnissen einen Siedepunkt von etwa 40 0C - etwa 300 0C, zum Beispiel etwa 150 0C. Es sind aber auch höher siedende (halogenierte) Kohlenwasserstoffe einsetzbar, wobei zu beachten ist, dass die Temperatur des Läufers 14 einen Bereich nicht erreichen sollte, in dem die Festigkeit des Läufers 14 nachhaltig beeinträchtigt ist.Opening 14 e of the pot-shaped rotor 14 to the heat exchanger device 26 to arrive. For this purpose, the energy storage is at least partially evacuated, so that in the fluid-tight housing 10, a pressure of about 5 - 10 millibar prevails. This significantly reduces the atmospheric flow losses of the fast rotating rotor 14. The cooling fluid - A low-lo derviskoser hydrocarbon - has in this pressure, a boiling point of about 40 0 C - 300 0 C, for example about 150 0 C. It also higher boiling (halogenated) hydrocarbons used, it being understood in that the temperature of the rotor 14 should not reach a range in which the strength of the rotor 14 is permanently impaired.
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Das Kühlfluid ist dazu geeignet, an einem Bereich des Bodenteils 14a des Läufers 14 oder an einem Bereich des Wandteils 14b des Läufers 14 zu verdampfen, wenn die Temperatur des Läufers 14 während des Betriebs des Energiespeichers in diesen Temperaturbereich gelangt. Das so verdampfte Kühlfluid kann dann aus einer freien Öffnung 14e des topfförmigen Läu- 20 fers 14 (in Fig. 1 oben) aus diesem austreten und zu der Wärmetauschereinrichtung 26 zu gelangen. Die Wärmetauschereinrichtung 26 ist durch eine Vielzahl entlang des Umfangs des Gehäuses 10 angeordneter Rohrleitungen gebildet, die von einem Kühlmedium durchströmt sind. Dieses Kühlmedium, zum Beispiel Wasser oder Öl, führt die Energie des Kühlfluids ab, die beim Abkühlen/ Niederschlagen des Kühlfluids an den Rohrleitungen frei wird.The cooling fluid is adapted to evaporate at a portion of the bottom portion 14a of the rotor 14 or at a portion of the wall portion 14b of the rotor 14 when the temperature of the rotor 14 reaches this temperature range during operation of the energy accumulator. The cooling fluid thus evaporated can then emerge from a free opening 14e of the cup-shaped rotor 20 (in FIG. 1, top) and reach the heat exchanger device 26. The heat exchanger device 26 is formed by a plurality along the circumference of the housing 10 arranged pipes, which are flowed through by a cooling medium. This cooling medium, for example, water or oil, dissipates the energy of the cooling fluid released on cooling / precipitation of the cooling fluid on the piping.
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In dem Ständer 16 (unterhalb der Wärmetauschereinrichtung 26 in Fig. 1) sind entlang dessen Umfangs im Randbereich eine Vielzahl von Durchgangslöchern 40 vorgesehen, die den Ständer 16 in axialer Richtung durchgreifen. An der Wärmetauschereinrichtung 26 kondensiertes Kühlfluid kann damit von dieser herabtropfen und zu dem Kühlfluid-Reservoir 24 o gelangen, und steht damit dem erneuten Einbringen in den Läufer 14 bei dessen Rotieren wieder zur Verfügung. Zusätzlich können auch noch Kondensatorrippen an den Rohrleitungen vorgesehen sein.In the stand 16 (below the heat exchanger means 26 in Fig. 1), a plurality of through holes 40 are provided along the periphery thereof in the edge region, which pass through the stator 16 in the axial direction. Cooling fluid condensed on the heat exchanger device 26 can thus drip down therefrom and reach the cooling fluid reservoir 24 o, thus making it available for renewed introduction into the rotor 14 during its rotation. In addition, also capacitor ribs may be provided on the pipes.
An einem freien Randbereich 14f (in Fig. 1 oben) des topfförmigen Läufers 14 sind entlang 5 dessen Umfangs gleichmäßig verteilt Leitschaufeln 34 angeordnet (siehe Fig. 2), die von dem verdampften Kühlfluid in im Wesentlichen radialer Richtung nach außen (und in Rg. 1 nach oben) zu durchströmen sind, damit das im topfförmigen Läufer 14 verdampfte Kühlfluid zu der Wärmetauschereinrichtung 26 gelangt. Diese Leitschaufeln 34 sind dabei so gekrümmt, dass ihre dem Innern des Läufers 14 zugewandte Kante 34a bei Rotation des Läufers 14 der zu dem Äußeren des Läufers 14 gerichteten Kante 34b voreilt. Dabei gibt das verdampfte Kühlfluid an die Leitschaufeln 34 - und damit an den Läufer 14 - einen Teil der kinetischen Energie wieder zurück, die das durch den Durchlass in das Innere des Läufers eingetretene Kühlfluid aufgenommen hat als es auf die Drehzahl des Läufer 14 gebracht wurde. Außerdem wird so die Geschwindigkeit des Kühlfluids beim Auftreffen auf die Wärmetauschereinrichtung 26 reduziert. Dies reduziert / verhindert ein Erodieren der Wärmetauschereinrichtung 26 durch mit hoher Geschwindigkeit auftreffendes Kühlfluid. Die Wärmetauschereinrichtung 26 kann sehr effizient arbeiten, weil das verdampfte Kühlfluid an die Wärmetauschereinrichtung 26 geschleudert wird.At a free edge region 14f (in FIG. 1 at the top) of the cup-shaped rotor 14, vanes 34 (see FIG. 2) are arranged uniformly distributed along the circumference 5 of the vaporized cooling fluid in a substantially radial outward direction (and in Rg. 1 to the top) to flow through, so that the cup-shaped rotor 14 evaporated cooling fluid to the heat exchanger device 26 passes. These guide vanes 34 are curved in such a way that their edge 34a facing the interior of the rotor 14 leads on rotation of the rotor 14 to the edge 34b directed towards the exterior of the rotor 14. In this case, the evaporated cooling fluid to the guide vanes 34 - and thus to the rotor 14 - a portion of the kinetic energy back, which has absorbed the occurred through the passage into the interior of the rotor cooling fluid when it was brought to the speed of the rotor 14. In addition, so the speed of the cooling fluid is reduced when hitting the heat exchanger device 26. This reduces / prevents erosion of the heat exchanger device 26 by high velocity impinging cooling fluid. The heat exchanger device 26 can operate very efficiently because the vaporized cooling fluid is thrown to the heat exchanger device 26.
An der freien Öffnung 14e des topfförmigen Läufers 14 ist eine Fluidsperre 14g in Form eines radial nach innen ragenden Ringbundes 14g vorgesehen. Dieser Ringbund 14g hindert noch nicht verdampftes Kühlfluid daran, bei rotierendem Läufer 14 von dessen Wandteil 14b nach oben und seitlich weggeschleudert zu werden um so zu der Wärmetauschereinrichtung 26 zu gelangen. Vielmehr hält der Ringbund 14g das Kühlfluid so lange an dem ringzylindrischen Wandteil 14b, bis es verdampft ist. Damit führt das Kühlfluid in/an dem Läufer 14 einen Phasenübergang von flüssig nach gasförmig, und an der Wärmetauschereinrichtung 26 einen Phasenübergang von gasförmig nach flüssig aus.At the free opening 14e of the cup-shaped rotor 14, a fluid barrier 14g in the form of a radially inwardly projecting annular collar 14g is provided. This annular collar 14g prevents cooling fluid which has not yet evaporated from being blown upwards and laterally from the wall part 14b of the rotating rotor 14 so as to reach the heat exchanger device 26. Rather, the annular collar 14g holds the cooling fluid on the annular cylindrical wall portion 14b until it is vaporized. Thus, the cooling fluid in / on the rotor 14 performs a phase transition from liquid to gaseous, and at the heat exchanger device 26, a phase transition from gaseous to liquid.
Der Ständer 16 hat ebenfalls eine Wärmetauschereinrichtung 40. Diese Wärmetauschereinrichtung 40 ist durch Kühlkanäle gebildet, die den Ständer 16 durchziehen und zum Beispiel von Wasser oder einem anderen Kühlmedium durchströmt sind, um in dem Ständer 16 bzw. den Ständerspulen 20 entstehende Wärme aus dem Innern des Gehäuses 10 abzuführen, also die Verluste zu verringern.The stator 16 also has a heat exchanger device 40. This heat exchanger device 40 is formed by cooling channels, which pass through the stator 16 and are traversed, for example, by water or another cooling medium, in order to generate heat in the stator 16 or the stator coils 20 from the interior of the stator Dissipate housing 10, so to reduce the losses.
Der Energiespeicher hat eine elektrische Maschine 12, die als eine geschaltete Reluktanzmaschine ausgestaltet ist, deren Läufer 14 und Ständer 16 genutet sind. Diese elektrische Maschine kann einen sehr einfach aufgebauten, robust zu realisierenden Läufer haben, der auch so gestaltet sein kann, dass er geringe magnetische Verluste hervorruft. Weiterhin sind mit einer solchen Maschine sehr hohe Drehzahlen (bis zu 200.000 UpM und mehr) realisierbar. Ein weiterer Aspekt ist die elektrische/magnetische Entregbarkeit der geschalteten Reluktanzmaschine. Dies ist für die Speicherfähigkeit der Energie bei geringen (zum Beispiel magnetischen) Verlusten wichtig. Der Ständer 16 und der Läufer 14 sind an ihren jeweiligen einander zugewandten Mantelflächen stark genutet. Der Ständer 16 und der Läufer 14 haben jeweils eine gerade Anzahl von Zähnen 16a bzw. 14j. Die Spulen 20 befinden sich ausschließlich im/am Ständer 16 und haben die Form konzentrierter Wicklungen. Im Ständer 16 sind somit ausgeprägte Polzähne 16a vorhanden.The energy store has an electrical machine 12, which is designed as a switched reluctance machine, the rotor 14 and stator 16 are grooved. This electric machine can have a very simple design, robust to be realized runner, which can also be designed so that it causes low magnetic losses. Furthermore, with such a machine very high speeds (up to 200,000 rpm and more) can be realized. Another aspect is the electrical / magnetic de-excitability of the switched reluctance machine. This is important for the storage capacity of the energy at low (for example magnetic) losses. The stator 16 and the rotor 14 are strongly grooved at their respective mutually facing lateral surfaces. The stator 16 and the rotor 14 each have an even number of teeth 16a and 14j, respectively. The coils 20 are exclusively in / on the stator 16 and have the form of concentrated windings. In the stator 16 thus pronounced pole teeth 16 a are present.
Um das von der Drehmoment der geschalteten Reluktanzmaschine zu vergleichmäßigen, können unterschiedliche Zahnzahlen in Ständer 16 und Läufer 14 vorgesehen sein. Dabei stehen eine Vielzahl möglicher Kombinationen der Ständerzahnzahl (ZS) und Läuferzahnzahl (ZL) zur Auswahl. Hier ist eine Kombination Ständerzahnzahl (ZS) > Läuferzahnzahl (ZL) bevorzugt.In order to equalize that of the torque of the switched reluctance machine, different numbers of teeth in stand 16 and rotor 14 may be provided. There are a variety of possible combinations of the stator tooth count (ZS) and Läuferzahnzahl (ZL) to choose from. Here, a combination of stator tooth number (ZS)> rotor tooth number (ZL) is preferred.
Bei einer Drehbewegung des Läufers 14 ändert sich die Selbstinduktivität einer Ständerspule 20 periodisch zwischen einem kleinsten Wert und einem größten Wert. Das Drehmoment am Läufer ist dem Quadrat des Stromes durch die Ständerspulen 20 proportional, d. h. dieDuring a rotational movement of the rotor 14, the self-inductance of a stator coil 20 changes periodically between a minimum value and a maximum value. The torque at the rotor is proportional to the square of the current through the stator coils 20, i. H. the
Richtung des Drehmomentes ist unabhängig von der Richtung des Stromes in den Ständerspulen 20. Das Vorzeichen des Drehmomentes ist abhängig vom Vorzeichen der Induktivitätsänderung bei Rotation des Läufers 14. Bei steigender Induktivität wird ein positives Drehmoment (Motorbetrieb), bei fallender Induktivität ein negatives Drehmoment (Genera- torbetrieb) erzeugt. Eine große Änderung der Induktivität als Funktion der Läuferstellung bewirkt ein großes Drehmoment.The direction of the torque is independent of the direction of the current in the stator coils 20. The sign of the torque is dependent on the sign of the inductance change during rotation of the rotor 14. With increasing inductance is a positive torque (motor operation), with decreasing inductance, a negative torque (Genera - door operation) generated. A large change in the inductance as a function of the rotor position causes a large torque.
Die geschaltete Reluktanzmaschine ist für eine hocheffektive Energiewandlung in einem weiten Drehzahlbereich geeignet. Der Läufer 14 kann in relativ wenigen Fertigungsschritten kostengünstig hergestellt werden. Der Ständer 16 kann ausgeprägte Pole 16a haben, auf denen konzentrierte Ständerspulen 20 angeordnet sein können. Die Ständerspulen 20 kön- nen entweder als Formspulen aufgeschoben oder in einem Direktwickelverfahren gefertigt werden. Die im Ständer 16 entstehende Verlustwärme lässt sich gut abführen.The switched reluctance machine is suitable for highly efficient energy conversion in a wide speed range. The rotor 14 can be produced inexpensively in relatively few manufacturing steps. The stator 16 may have salient poles 16a on which concentrated stator coils 20 may be arranged. The stator coils 20 can either be pushed on as forming coils or manufactured in a direct winding process. The resulting in the stator 16 heat loss can be well dissipate.
Die in dem Läufer 14 und der zugeordneten Schwungmasse (siehe Fig. 5) zu speichernde kinetische Energie E^n ist etwa nach folgender Beziehung zu ermitteln:The kinetic energy E ^ n to be stored in the rotor 14 and the associated flywheel mass (see FIG. 5) is to be determined approximately according to the following relationship:
Ekin = 1/4 - ω2 ς π [hr r1 4 + h2 (r2 4 - r1 4) + y2 - h2 (r3 4 - r2 4)] wobei ω die Winkelgeschwindigkeit des Läufers 14 in s"1 ς die Dichte des Materials (zum Beispiel Eisen) des Läufers 14 π die Konstante Pi (3,14....) 5 hi die Höhe des Bodenteil 14a des Läufers 14 in m h2 die Höhe des ringzylindrischen Wandteils 14b des Läufers 14 in m rx der Innenradius des Wandteils 14b des Läufers in m r2 der Außenradius des Wandteils 14b des Läufers in m r3 der Außenradius der Zähne 14j des Läufers in m 10 ist.E kin = 1/4 - ω 2 ς π [hr r 1 4 + h 2 (r 2 4 - r 1 4) + y 2 - 2 h (r 3 4 - r 2 4)] where ω is the angular velocity of the rotor 14 in s "1 ς the density of the material (for example iron) of the rotor 14 π the constant Pi (3,14 ....) 5 hi the height of the bottom part 14a of the rotor 14 in mh 2 the height of the annular cylindrical wall portion 14b of the rotor 14 in mr x the inner radius of the wall part 3 of the outer radius of the teeth 14b of the rotor in mr 2 of the outer radius of the wall portion 14b of the rotor in mr 14j of the rotor in m 10th
Hierbei ist die Umfangslänge ZL der Zähne 14j des Läufers 14 gleich der Nutlänge NL der Nut zwischen zwei benachbarten Zähnen 14j (siehe Fig. 5).Here, the circumferential length ZL of the teeth 14j of the rotor 14 is equal to the groove length NL of the groove between two adjacent teeth 14j (see FIG. 5).
15 Im Betrieb des Energiespeichers sind zwei Betriebsarten zu unterscheiden, ein Generatorbetrieb und ein Motorbetrieb (siehe Fig. 4). Im Motorbetrieb oder Ladebetrieb des Energiespeichers werden die Ständerspulen 20 des Energiespeichers - gesteuert von einer elektronischen Leistungsumsteuereinheit ECU - mit elektrischem Strom beaufschlagt, der aus einer im Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges (Verbrennungsmaschine 80, Kupplung 82, Ge-0 triebe 84, Differential 86, Räder 88) befindlichen elektrischen Maschine 90 kommt. Diese elektrische Maschine 90 ist dabei im Generatorbetrieb und bremst das Kraftfahrzeug ab. Dadurch wird der Läufer 14 und mit ihm die Schwungmasse 22 des Energiespeichers in Rotation versetzt.15 There are two operating modes to distinguish between when operating the energy storage unit: generator operation and motor operation (see Fig. 4). During engine operation or charging operation of the energy storage, the stator coils 20 of the energy storage - controlled by an electronic Leistungsumsteuereinheit ECU - supplied with electrical current from a drive train of the motor vehicle (combustion engine 80, clutch 82, Ge-0 gear 84, differential 86, wheels 88 ) located electric machine 90 comes. This electric machine 90 is in generator mode and brakes the motor vehicle. As a result, the rotor 14 and with it the flywheel 22 of the energy storage is set in rotation.
»5 Im Generatorbetrieb oder Entladebetrieb des Energiespeichers befindet sich dessen Läufer 14 von der Schwungmasse 22 in Rotation versetzt in einer hohen Drehzahl. Dann liefern die Ständerspulen 20 des Energiespeichers elektrische Energie. Diese elektrische Energie wird - gesteuert von der elektronischen Leistungsumsteuereinheit ECU - der im Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges befindlichen elektrischen Maschine 90 eingespeist. Diese elektrische Maschi- o ne 90 ist dabei im Motorbetrieb und treibt das Kraftfahrzeug an. "5 In the generator mode or discharging of the energy store is the rotor 14 of the flywheel 22 in rotation at a high speed. Then, the stator coils 20 of the energy storage provide electrical energy. This electrical energy is - controlled by the electronic Leistungsumsteuereinheit ECU - fed into the drive train of the motor vehicle electrical machine 90. This electric machine 90 is in engine operation and drives the motor vehicle.
In Fig. 6 ist eine andere Ausführungsform des Energiespeichers veranschaulicht, wobei gegenüber Fig. 1 vergleichbare oder gleichwirkende Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen und nachstehend nicht noch einmal erläutert sind. Ein wesentlicher Unter- 5 schied zur Ausführungsform nach Fig. 6 besteht darin, dass der Ständer 16 gegenüber dem Gehäuse 10 mittels zweier Wälzlager 48a, 48b ebenfalls um die Rotationsachse R drehbar angeordnet ist. Die Bestromung der Ständerspule(n) 20 erfolgt dabei mittels einer Schleif- ringanordnung 50, die an der Wand des Gehäuses 10 angeordnet ist und die Ständerspu- le(n) 20 elektrisch kontaktiert. Der Übersichtlichkeit sind dabei nur zwei Kontakt-Schleifringe 50a, 50b gezeigt; deren Anzahl hängt von der Anzahl der Ständerspulen 20 ab. Dabei kann der mechanische Kontakt (zum Beispiel elektromagnetisch) abhebbar gestaltet sein, so dass die Reibungsverluste verringert sind, wenn keine elektrische Leistung über die Schleifringan- ordnung 50 transportiert wird. Bei dieser Anordnung drehen der Läufer und der „Ständer" sich in entgegengesetzte Richtung, wenn die Ständerspule(n) 20 bestromt werden. Auf diese Weise kann eine sehr bauraumeffiziente Anordnung eines Energiespeichers bereitgestellt werden. Anstelle der Schleifringanordnung 50 ist es auch möglich, die elektrische Leistung induktiv oder kapazitiv in die Ständerspule(n) 20 einzukoppeln bzw. aus diesen einzukop- peln. In Fig. 6, another embodiment of the energy storage is illustrated, with respect to FIG. 1 comparable or equivalent components provided with the same reference numerals and are not explained again below. An essential difference from the embodiment according to FIG. 6 is that the stator 16 is likewise arranged so as to be rotatable relative to the housing 10 by means of two roller bearings 48a, 48b so as to be rotatable about the axis of rotation R. The energization of the stator coil (s) 20 takes place by means of a grinding Ring assembly 50 which is disposed on the wall of the housing 10 and the stator coil (s) 20 electrically contacted. For clarity, only two contact slip rings 50a, 50b are shown; their number depends on the number of stator coils 20. In this case, the mechanical contact (for example electromagnetically) can be designed to be liftable, so that the friction losses are reduced if no electrical power is transported via the slip ring assembly 50. In this arrangement, the rotor and the "stator" rotate in opposite directions when the stator coil (s) 20 are energized, thus providing a very space efficient arrangement of an energy storage device Inductively or capacitively coupled power into the stator coil (s) 20 or from these einkop- peln.

Claims

Patentansprüche claims
1. Energiespeicher, der1. Energy storage, the
• in einem fluiddichten Gehäuse (10) angeordnet ist, in dem • eine elektrische Maschine (12) mit einem Läufer (14) und einem Ständer (16) aufgenommen ist, wobei • der Ständer (16)• in a fluid-tight housing (10) is arranged, in which • an electric machine (12) with a rotor (14) and a stator (16) is accommodated, wherein • the stator (16)
• von dem Läufer (14) durch einen Luftspalt (18) getrennt ist und• is separated from the rotor (14) by an air gap (18) and
• wenigstens eine Ständerspule (20) aufweist, und wobei • der Läufer (14)• at least one stator coil (20), and wherein • the rotor (14)
• von dem Ständer (16) umgeben ist,Surrounded by the stand (16),
• einer Schwungmasse (22) zugeordnet ist und• a flywheel (22) is assigned and
• mit einem Kühlfluid-Reservoir (24) in Verbindung steht, wobei aus dem Kühlfluid-Reservoir (24) bei rotierendem Läufer (14) Kühlfluid zu dem Läu- fer (14) gelangt um diesen zu kühlen, und wobei• with a cooling fluid reservoir (24) is in communication, wherein from the cooling fluid reservoir (24) with rotating rotor (14) cooling fluid to the runner (14) passes to cool this, and wherein
• in dem Gehäuse (10) eine Wärmetauschereinrichtung (26) aufgenommen ist um Kühlfluid abzukühlen, nachdem es mit dem Läufer (14) in Kontakt gewesen ist.A heat exchanger means (26) is received in the housing (10) for cooling cooling fluid after it has been in contact with the rotor (14).
2. Energiespeicher nach Anspruch 1, bei dem in dem fluiddichten Gehäuse (10) ein Druck von weniger als 1 bar herrscht.2. Energy storage according to claim 1, wherein in the fluid-tight housing (10), a pressure of less than 1 bar prevails.
3. Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem dem Läufer (14) eine Pumpvorrichtung für das Kühlfluid zugeordnet ist, die für ein Pumpen von Kühlfluid aus dem Kühlfluid-Reservoir (24) zu dem Läufer (14) erforderliche Energie aus der Bewegung des Läufers (14) bezieht.3. Energy storage according to one of the preceding claims, wherein the rotor (14) is associated with a pumping device for the cooling fluid, for a pumping of cooling fluid from the cooling fluid reservoir (24) to the rotor (14) required energy from the movement of the Runner (14) relates.
4. Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Läufer (14) eine im Wesentlichen topfförmige Gestalt mit4. Energy storage according to one of the preceding claims, wherein the rotor (14) has a substantially cup-shaped shape
• einem Bodenteil (14a) und • einem im Wesentlichen ringzylindrischen Wandteil (14b) aufweist.• a bottom part (14a) and • a substantially annular cylindrical wall part (14b).
5. Energiespeicher nach dem vorherigen Anspruch, bei dem in dem Bodenteil (14a) wenigstens ein Durchlass (14c) angeordnet ist, der eine Fluidverbindung zwischen dem Kühlfluid-Reservoir (24) und einem Innenbereich (14d) des im Wesentlichen topfförmigen Läufers (14) bildet. 5. Energy storage according to the preceding claim, wherein in the bottom part (14a) at least one passage (14c) is arranged, which has a fluid connection between the cooling fluid reservoir (24) and an inner region (14d) of the substantially cup-shaped rotor (14). forms.
6. Energiespeicher nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der Durchlass (14c) im Wesentlichen koaxial zu einer Rotationsachse des Läufers (14) ausgerichtet ist.6. Energy storage according to the preceding claim, wherein the passage (14c) is aligned substantially coaxially with an axis of rotation of the rotor (14).
7. Energiespeicher nach einem der vorherigen beiden Ansprüche, bei dem der Durchlass (14c) in einem zentralen Bereich in dem Bodenteil (14a) angeordnet ist.7. Energy storage according to one of the preceding two claims, wherein the passage (14c) is arranged in a central region in the bottom part (14a).
8. Energiespeicher nach einem der vorherigen drei Ansprüche, bei dem der Durchlass (14c) sich zum Innenbereich (14d) des Läufers (14) hin erweitert.8. Energy storage according to one of the preceding three claims, wherein the passage (14c) widens towards the inner region (14d) of the rotor (14).
9. Energiespeicher nach einem der vorherigen vier Ansprüche, bei dem der Durchlass (14c) so gestaltet und dimensioniert ist, dass ein Rotieren des Läufers (14) ein Fördern von Kühlfluid aus dem Kühlfluid-Reservoir (24) in den Innenbereich (14d) hervorruft.The energy store of any of the previous four claims, wherein the passage (14c) is configured and dimensioned such that rotation of the runner (14) causes delivery of cooling fluid from the cooling fluid reservoir (24) to the interior area (14d) ,
10. Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Kühlfluid dazu ge- eignet ist, an einem Bereich des Bodenteils (14a) oder an einem Bereich des Wandteils10. Energy storage according to one of the preceding claims, wherein the cooling fluid is suitable, at an area of the bottom part (14 a) or at a portion of the wall part
(14b) zu verdampfen und aus einer freien Öffnung (14e) des topfförmigen Läufers (14) zu der Wärmetauschereinrichtung (26) zu gelangen.(14b) to evaporate and from a free opening (14e) of the cup-shaped rotor (14) to the heat exchanger means (26) to get.
11. Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem an einer freien Öffnung (14e) des topfförmigen Läufers (14) eine Fluidsperre (14f vorgesehen ist, die noch nicht verdampftes Fluid zumindest teilweise daran hindert, zu der Wärmetauschereinrichtung (26) zu gelangen.11. Energy storage according to one of the preceding claims, wherein at a free opening (14e) of the cup-shaped rotor (14) a fluid barrier (14f is provided, the at least partially prevented yet unavailable fluid from reaching the heat exchanger means (26).
12. Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Kühlfluid dazu ge- eignet ist, an einem Bereich des Bodenteils (14a) oder an einem Bereich des Wandteils12. Energy store according to one of the preceding claims, wherein the cooling fluid is suitable, at a portion of the bottom part (14 a) or at a portion of the wall portion
(14b) zu verdampfen und aus einer freien Öffnung (14e) des topfförmigen Läufers (14) zu der Wärmetauschereinrichtung (26) zu gelangen.(14b) to evaporate and from a free opening (14e) of the cup-shaped rotor (14) to the heat exchanger means (26) to get.
13. Energiespeicher nach dem vorherigen Anspruch, bei an einem Randbereich (14f) des topfförmigen Läufers (14) Leitschaufeln (34) angeordnet sind, die von dem verdampften13. Energy storage according to the preceding claim, wherein at an edge region (14f) of the cup-shaped rotor (14) guide vanes (34) are arranged, which evaporate from the
Kühlfluid zu durchströmen sind, damit dieses zu der Wärmetauschereinrichtung (26) gelangt.Cooling fluid to flow through, so that it reaches the heat exchanger device (26).
14. Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Kühlfluid einen Siedepunkt von etwa 40 0C - etwa 300 0C hat. 14. Energy store according to one of the preceding claims, wherein the cooling fluid has a boiling point of about 40 0 C - about 300 0 C.
15. Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die elektrische Maschine (12) eine geschaltete Reluktanzmaschine ist, deren Läufer (14) und Ständer (16) genutet sind.15. Energy storage according to one of the preceding claims, wherein the electrical machine (12) is a switched reluctance machine, the rotor (14) and stator (16) are grooved.
5 16. Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Läufer (14) aus Metallblechlagen gebildet ist.5 16. Energy storage device according to one of the preceding claims, wherein the rotor (14) is formed of sheet metal layers.
17. Energiespeicher nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der Läufer (14) aus FeCo - Metallblechlagen gebildet ist. 017. Energy storage according to the preceding claim, wherein the rotor (14) made of FeCo - sheet metal layers is formed. 0
18. Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Läufer (14) mittels eines Gleit-, Wälz-, oder Fluidlagers gegen das Gehäuse (10) drehbar abgestützt ist.18. Energy store according to one of the preceding claims, wherein the rotor (14) by means of a sliding, rolling, or fluid bearing against the housing (10) is rotatably supported.
19. Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Ständer (16) eine5 Wärmetauschereinrichtung (40) aufweist.19. Energy store according to one of the preceding claims, wherein the stand (16) ein5 heat exchanger means (40).
20. Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Ständer (16) relativ zu dem Gehäuse (10) und relativ zu dem Läufer (14) drehbar gelagert ist. 020. Energy storage according to one of the preceding claims, wherein the stator (16) relative to the housing (10) and relative to the rotor (14) is rotatably mounted. 0
21. Energiespeicher nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die wenigstens eine Ständerspule (20) über eine Schleifringanordnung (50) elektrisch kontaktiert ist.21. Energy storage according to the preceding claim, wherein the at least one stator coil (20) via a slip ring assembly (50) is electrically contacted.
22. Kraftfahrzeug, das ausschließlich, oder zusätzlich zu einer Brennkraftmaschine, mit wenigstens einer elektrischen Maschine im Antriebsstrang ausgestattet ist, wobei die elekt-22. Motor vehicle equipped exclusively or in addition to an internal combustion engine with at least one electric machine in the drive train, the electric
5 rische Maschine durch eine elektronische Leistungsumsteuereinheit (ECU) zwischen einem Motorbetrieb und einem Generatorbetrieb umzuschalten ist und mit einem Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche verbunden ist.5 engine is to be switched by an electronic Leistungsumsteuereinheit (ECU) between a motor operation and a generator operation and is connected to an energy storage device according to one of the preceding claims.
23. Verwendung eines Energiespeichers nach einem der vorherigen Ansprüche in einem o Kraftfahrzeug, das ausschließlich, oder zusätzlich zu einer Brennkraftmaschine, mit wenigstens einer elektrischen Maschine im Antriebsstrang ausgestattet ist, wobei die elektrische Maschine durch eine elektronische Leistungsumsteuereinheit (ECU) zwischen einem Motorbetrieb und einem Generatorbetrieb umzuschalten ist. 23. Use of an energy store according to one of the preceding claims in an o motor vehicle, which is equipped exclusively, or in addition to an internal combustion engine, with at least one electric machine in the drive train, wherein the electric machine by an electronic Leistungsumsteuereinheit (ECU) between an engine operation and a Generator mode is to switch.
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