WO2008125251A1 - Energiespeicher eine geschaltete reluktanzmaschine umfassend - Google Patents

Energiespeicher eine geschaltete reluktanzmaschine umfassend Download PDF

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WO2008125251A1
WO2008125251A1 PCT/EP2008/002783 EP2008002783W WO2008125251A1 WO 2008125251 A1 WO2008125251 A1 WO 2008125251A1 EP 2008002783 W EP2008002783 W EP 2008002783W WO 2008125251 A1 WO2008125251 A1 WO 2008125251A1
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sheet metal
rotor
energy storage
shear stress
outer edge
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PCT/EP2008/002783
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Andreas GRÜNDL
Bernhard Hoffmann
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Compact Dynamics Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/02—Additional mass for increasing inertia, e.g. flywheels
    • H02K7/025—Additional mass for increasing inertia, e.g. flywheels for power storage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K19/02—Synchronous motors
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • An energy storage suitable for use in a land vehicle for example, will be described below. It may be an energy storage for Fahrzeu ⁇ ge, which are exclusively, or in addition to an internal combustion engine, equipped with at least one electric machine in the drive train. However, the energy storage described is also suitable for use in stationary or flying applications.
  • the drive energy can be replaced from the internal combustion engine or can be additionally available in a supporting manner for a short time (for example for overtaking operations in road traffic).
  • 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.
  • their energy density is currently limited to about 4 - 6 Wh / kg.
  • DE 24 54 753 Al shows a flywheel mass storage with a rotor.
  • the rotor is constructed of radially extending, axially superimposed flat disks of the same thickness.
  • the rotor has, for example, short-circuit conductors and is surrounded by a stator.
  • U.S. Patent 3,368,424 shows a laminated type flywheel in which laminated panels are to be more uniformly loaded over their entire extent to allow for more economical use of the material and higher reliability.
  • This flywheel has two opposing sets of laminated panels. Each set is made up of annular discs that are flat on their periphery, slightly conical on their major surface, and more conically shaped on their central surface.
  • the laminated sheets are biased by the axial pressure applied to the more conically shaped surface of the outermost disks to tension the inwardly curved surfaces of the disks under shear stress and the flat peripheral surfaces of the disk.
  • the centrifugal forces cause radial and tangential tensile stresses in the discs, which are lowest at the periphery but increase toward the center of the disk surface, where the load normally reaches the critical maximum.
  • the static bias increases the tension due to centrifugal forces in the peripheral surfaces and reduces the higher tensile stresses in the middle and inner surfaces of the disks.
  • the energy store described below can have a high energy density, and / or a long service life, can be constructed in a simple manner suitable for use in production vehicles, and / or can have a low susceptibility to error associated with a high degree of recuperation of the energy.
  • the energy store may comprise an electric machine with a rotor and a stator, wherein 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. Alternatively, the runner can surround the stand.
  • the rotor may also be associated with a flywheel and together with it form a rotating body.
  • the rotor or the rotating body may be formed of a plurality of thin metallic sheet-metal discs having a substantially annular shape with an outer edge and an inner edge. These sheet metal discs are at least in the stationary state, ie at standstill of the rotor, exposed at its outer edge of a first tensile stress and at its inner edge a first shear stress.
  • a thin flat sheet metal disk is understood to mean that its thickness is between about 0.1% and about 5% of the outer diameter, whereby any intermediate value lying between these two values is also considered here.
  • One possibility for imparting a tensile stress to the sheet-metal disks at their outer edge in the unmoving state and a shear stress at their inner edge consists in pressing (mechanically substantially stress-free) hollow, substantially circularly frusto-shaped sheet metal parts into an (at least almost) flat shape , As a result, the outer edge of the resulting sheet-metal discs is subjected to tensile stress and their inner edge to shear stress.
  • Another possibility is to connect two flat concentric rings together (for example, to be welded or positively connected), wherein the inner ring under shear stress and the outer ring is under tension
  • a flat sheet metal disc is obtained, which also (im non-rotating state) is exposed at its outer edge of a tensile stress and at its inner edge of a shear stress. Since in this case two different materials, for example metals can be used, this variant has the possibility to choose the inner ring with a higher strength and to optimize the outer ring in terms of its magnetic properties. This results in an overall more efficient electric machine.
  • Such an energy storage device has two modes of operation: generator operation and engine operation.
  • generator operation or charging operation of the energy storage the stator coils of the energy storage are supplied with electric current, which comes from a drive train of a motor vehicle associated electrical machine.
  • This electric machine is in generator mode and brakes the motor vehicle.
  • the rotor and with it the flywheel of the energy storage is set in rotation.
  • the sheet metal discs in the stationary state at its outer edge of a tensile stress and at its inner edge suspend a shear stress, allows a higher speed of the rotor, as if instead - otherwise coincident - sheet metal discs without these properties would be used.
  • these sheet metal discs obtained in one of the two ways described above can then be brought to a speed higher than that at their outer edge due to the centrifugal force acting on them first tensile stress and at its inner edge a lower than the first shear stress are exposed. This speed may be higher than would be the case in view of the strength properties of the sheet metal material (s) without the tensile / shear stresses imposed on them.
  • 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 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 150,000 and 220,000 revolutions per minute and more.
  • recuperation phases energetically favorable driving phases
  • the drive train associated starter generator can be optimally used.
  • the electric machines can recover as much energy when braking the motor vehicle. Braking requirements beyond regenerative braking can be covered by the friction brake.
  • the rotor of the energy accumulator can at least together with at least part of the flywheel form a rotating body, which has a substantially cup-shaped shape with a bottom part and a substantially annular cylindrical wall part.
  • the annular cylindrical wall part can either have a substantially circular-cylindrical shape or a polygonal-ring-shaped form.
  • the electric machine may be a switched reluctance machine whose rotor and stator are strongly grooved.
  • the rotor or the rotating body may be formed of metal sheet layers axially stacked with respect to its axis of rotation, for example of thin iron-carbon-containing 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.
  • 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 oppositely rotating runners, an inner and an outer runner.
  • the two runners are formed of thin sheet metal disks with an outer edge and an inner edge stationary state, ie at rest, exposed at its outer edge of a first tensile stress and at its inner edge of a first shear stress. This allows a particularly spatial and weight-efficient energy storage.
  • the at least one stator coil can be electrically contacted in this case via a slip ring assembly.
  • Fig. 1 shows an energy storage in a schematic side sectional view.
  • Fig. 2 shows the energy storage in a schematic cross-sectional view.
  • Fig. 3a, 3b show a variant of a sheet metal disk of the energy storage in a schematic plan view.
  • FIG. 4 shows a further variant of a sheet metal disk of the energy store in a schematic plan view.
  • FIG. 5 shows a schematic voltage diagram of a sheet-metal disk of the energy store.
  • Fig. 6 shows a rotor of the energy storage in a schematic side sectional view.
  • FIG. 7 shows a drive train of a motor vehicle with the energy storage in a schematic representation.
  • FIG. 8 shows a further energy store in a schematic side sectional view.
  • FIGs. 1 and 2 an energy storage is shown, which is arranged in a closed, circular cylindrical, shear-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. 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 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 is assigned a unitary mass 22 structural unit, which forms a rotating body together with the rotor 14.
  • 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) configured as it is displayed for electrical / magnetic reasons see.
  • the rotor 14 is formed from a stack of thin sheet iron plates 30, which in the stationary state at its outer edge 32, a tensile stress and at its inner edge 34, a shear stress is impressed.
  • This can be accomplished in different ways.
  • One variant (see FIG. 3) uses mechanically stress-free, hollow, substantially circular truncated-metal sheet metal parts (see FIG. 3 a) to press into an at least nearly flat shape (see FIG. 3 b) are.
  • FIG. 3 a uses mechanically stress-free, hollow, substantially circular truncated-metal sheet metal parts (see FIG. 3 a) to press into an at least nearly flat shape (see FIG. 3 b) are.
  • the outer edge 32 of the resulting sheet-metal discs to tensile stress and the inner edge 34 is subjected to shear stress.
  • these metal discs 30 can then be brought to a speed that may be higher than would be the case in view of the strength properties of the metal sheets without the tensile / shear stresses imposed on them.
  • the tensile or shear stresses imposed on the sheet metal disc 30 in the rest state increase from the inner edge 34 to the outer edge 32 (negative stresses are shear stresses and positive stresses are tensile stresses). Although the stresses caused by the centrifugal force during the rotation of the plate 30 are in the positive range, they decrease from inside to outside. This results in a more leveled tension profile. In addition, this voltage profile is lower in amount than when sheet metal discs 30 are used, to which these tensile or shear stresses were not impressed at rest. Consequently, higher speeds are permissible in the metal discs 30 with tensile or shear stresses imposed in the rest state. This situation is illustrated in FIG. 5.
  • annular disc plate 30 It is assumed by an annular disc plate 30, the inner edge 34 has a radius ⁇ and the outer edge 32 has a radius r a , assumed.
  • the maximum material strength (the yield value) of the sheet metal disc 30 amounts to +1300 N / mm 2 .
  • the inner edge 34 of the sheet-metal disk 30, for example, a shear stress of -200 N / mm 2 is impressed in the idle state.
  • the outer edge 32 of the sheet-metal disk 30, for example, a tensile stress of +200 N / mm 2 is impressed in the idle state. This results in approximately a voltage curve in the idle state, as it is illustrated by the straight line "a". If this annular plate 30 is rotated about its central axis (R in FIG.
  • the resulting voltage curve "c" has a lower stress level of +1000 N / mm 2 at the inner edge, while the stress level of +800 N / mm 2 at the outer edge has not yet reached the yield point of the material of the sheet metal disc Speed can be further increased until the centrifugal force caused thereby exerts a tension on the sheet metal disc 30, which leads to the vicinity of the maximum material strength (flow limit) of the sheet metal disc 30. However, this speed is higher than the speed at which a sheet metal disc 30 without the Stress pattern "a" impressed, comes in the vicinity of the maximum material strength of the sheet metal disc 30.
  • the upper limit of the energy storage capacity is increased by the voltage curve "a" impressed on the metal disc 30.
  • the shear stress imposed on the sheet metal disc 30 does not have to correspond in terms of amount to the tensile stress impressed on the sheet metal disc 30, as in the preceding example. Rather, the variation of the curve / the slope of the voltage curve "a" can be modeled so as to influence the resulting voltage curve "c w .
  • 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 a straight (different from each other) number of teeth 16a and 14j.
  • 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 torque at the rotor is proportional to the square of the current through the stator coils 20, ie 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.
  • a positive torque (motor operation) is generated, with decreasing inductance a negative torque (generator operation) is 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.
  • This electric machine has a very simply constructed, robust rotor, which can also be designed to cause low magnetic losses. 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 kinetic energy E k1n JSt to be stored in the rotor 14 and the associated flywheel mass (see FIG. 6) can be determined approximately in accordance with the following relationship:
  • 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. 6).
  • This electric machine 90 is in generator mode and brakes the motor vehicle.
  • the rotor 14 and with it the flywheel 22 of the energy storage is set in rotation.
  • FIG. 8 illustrates another embodiment of the energy accumulator, components which are comparable or functionally identical to those in FIG. 1 given the same reference numerals and will not be 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
  • Slip ring arrangement 50 which is arranged on the wall of the housing 10 and the stator coil (s) 20 electrically contacted.
  • the clarity is only two contact Slip rings 50a, 50b shown; their number depends on the number of stator coils 20.
  • the mechanical contact for example, electromagnetically
  • the rotor and the "stator” rotate in opposite directions when the stator coil (s) 20 are energized, thus providing a space-efficient arrangement of an energy storage device. inductively or capacitively inductively or capacitively coupled into the stator coil (s) 20 or coupled from this.
  • the rotating body is both flywheel and rotor of an electric motor, thus has a double function.
  • a rotating body for a momentum storage in the described manner, which receives, stores and emits energy by means of another electric machine (and possibly a transmission).
  • a flywheel body is formed from thin metal sheet metal disks which have a substantially circular disk shape with an outer edge and an inner edge, and which are subjected to a first tensile stress at their outer edge and to a first shear stress at their outer edge in the stationary state ,
  • the metal discs are exposed in the rotating state at its outer edge of a higher than the first tensile stress and at its inner edge a lower than the first shear stress.
  • These flat sheet-metal discs are formed by mechanically substantially stress-free Kreiskegelstumpfmantmeldelförmige sheet metal parts are pressed into a substantially flat shape, whereby the outer edge of the sheet metal discs is subjected to tensile stress and the inner edge of the sheet metal discs to shear stress.
  • These flat sheet metal discs can also be formed by two, an inner and an outer, planar concentric rings are interconnected, wherein the inner ring is under shear stress and the outer ring is under tension, whereby the sheet metal disc in the non-rotating state at its outer Edge of a tensile stress and is exposed at its inner edge of a shear stress.
  • the inner ring and the outer ring may be formed of two different materials, wherein preferably the inner ring has a higher strength and the outer ring is to be optimized in terms of its magnetic properties.

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  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
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Abstract

Der Energiespeicher weist eine elektrische Maschine (12) mit einem Läufer (14) und einem Ständer (16) auf, wobei der Ständer (16) von dem Läufer (14) durch einen Luftspalt (18) getrennt ist und wenigstens eine Ständerspule (20) aufweist. Der Läufer (14) ist von dem Ständer (16) umgeben. Der Läufer (14) weist außerdem eine Schwungmasse (22) auf und bildet mit dieser (22) zusammen einen rotierenden Körper. Der Läufer (14) oder der rotierende Körper besteht aus einer Vielzahl von dünnen metallischen Blechscheiben (30), die eine im Wesentlichen kreisringscheibenförmige Gestalt mit einem äußeren Rand und einem inneren Rand haben. Diesen Blechscheiben (30) wurde an ihrem äußeren Rand eine erste Zugspannung und an ihrem inneren Rand eine erste Schubspannung aufgeprägt.

Description

ENERGIESPEICHER EINE GESCHALTETE RELUKTANZMASCHINE UMFASSEND
Beschreibung
Einleitung
Nachstehend wird ein Energiespeicher beschrieben, der zum Beispiel für einen Einsatz in einem Landfahrzeug geeignet ist. Dabei kann es sich um einen Energiespeicher für Fahrzeu¬ ge handeln, die ausschließlich, oder zusätzlich zu einer Brennkraftmaschine, mit wenigstens einer elektrischen Maschine im Antriebsstrang ausgestattet sind. Der beschriebene Energie- Speicher ist jedoch auch für einen Einsatz in stationären oder fliegenden Anwendungen geeignet.
Hintergrund
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 freiwerdende 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 zu- mindest ein Teil der Bremsenergie in elektrische Energie umgewandelt, gespeichert und wieder verwendet werden. In Fahrsituationen, in denen Bremsenergie in elektrische Energie gewandelt wird, kann letztere für spätere Situationen zur Unterstützung oder als Ersatz der Antriebsenergie aus der Brennkraftmaschine gespeichert werden. Auf diese Weise kann etwa 5% - 20% oder mehr der Antriebsenergie aus der Brennkraftmaschine ersetzt oder in unter- stützender Weise kurzzeitig (zum Beispiel für Überholvorgänge im Straßenverkehr) zusätzlich zur Verfügung 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.
Stand der Technik
Die DE 24 54 753 Al zeigt einen Schwungmassenspeicher mit einem Rotor. Der Rotor ist aus sich radial erstreckenden, axial übereinander planen Scheiben gleicher Dicke aufgebaut. Der Rotor weist zum Beispiel Kurzschlussleiter auf und ist von einem Stator umgeben. Die US-PS 3,368,424 zeigt ein Schwungrad in laminierter Bauart, bei dem laminierte Platten über ihre ganze Ausdehnung gleichmäßiger beansprucht werden sollen um eine wirtschaftlichere Nutzung des Materials und eine höhere Betriebssicherheit ermöglichen.
Dieses Schwungrad hat zwei gegenüberliegende Sätze von laminierten Platten. Jeder Satz ist aus ringförmigen Scheiben aufgebaut, die flach an ihrer Peripherie, leicht konisch auf ihrer Hauptfläche und stärker konisch geformt an ihrer zentralen Fläche sind. Die laminierten Platten sind durch den Axialdruck vorgespannt, der auf die stärker konisch geformten Fläche der äußersten Scheiben aufgebracht wird, um die einwärts gewölbten Flächen der Scheiben unter Schubspannung und die flachen peripheren Flächen der Scheibe unter Zugspannung zu setzen. Bei hoher Drehgeschwindigkeit verursachen die Zentrifugalkräfte radiale und tangentiale Zugspannungsbelastungen in den Scheiben, die an der Peripherie am niedrigsten sind aber zum Zentrum der Scheibenfläche hin zunehmen, wo die Belastung normalerweise das kritische Maximum erreicht. Die statische Vorspannung steigert jedoch die Spannung infolge von Zentrifugalkräften in den peripheren Flächen und reduziert die höheren Zugspannungen in den Mittel- und Innenflächen der Scheiben.
Der nachstehend beschriebene Energiespeicher kann eine hohe Energiedichte haben, und / oder eine lange Lebensdauer, in einer für den Einsatz in Serienfahrzeugen geeigneten einfa- chen Weise aufgebaut sein, und / oder kann eine geringe Fehleranfälligkeit, verbunden mit einem hohen Rekuperationsgrad der Energie haben.
Kurzfassung
Der Energiespeicher kann eine elektrische Maschine mit einem Läufer und einem Ständer aufweisen, wobei der Ständer von dem Läufer durch einen Luftspalt getrennt ist und wenigstens eine Ständerspule aufweist. Der Läufer kann von dem Ständer umgeben sein. Alternativ dazu kann der Läufer auch den Ständer umgeben. Der Läufer kann außerdem einer Schwungmasse zugeordnet sein und mit dieser zusammen einen rotierenden Körper bilden. Der Läufer oder der rotierende Körper kann aus einer Vielzahl dünnen metallischen Blech- Scheiben gebildet sein, die eine im Wesentlichen kreisringscheibenförmige Gestalt mit einem äußeren Rand und einem inneren Rand haben. Diese Blechscheiben sind zumindest im unbewegten Zustand, also bei Stillstand des Läufers, an ihrem äußeren Rand einer ersten Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer ersten Schubspannung ausgesetzt. Unter einer dünnen ebenen Blechscheibe ist dabei verstanden, dass ihre Dicke zwischen etwa 0,1% und etwa 5% des äußeren Durchmessers beträgt, wobei auch jeder zwischen diesen beiden Werten liegende Zwischenwert als hier offenbart gilt. Eine Möglichkeit, den Blechscheiben im unbewegten Zustand an ihrem äußeren Rand eine Zugspannung und an ihrem inneren Rand eine Schubspannung aufzuprägen, besteht darin, (mechanisch im Wesentlichen spannungsfreie) hohle, im Wesentlichen kreis- kegelstumpfförmige Blechteile in eine (zumindest nahezu) flache Gestalt zu pressen. Da- durch wird der äußere Rand der so entstehenden Blechscheiben auf Zugspannung und deren innerer Rand auf Schubspannung beansprucht.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, zwei ebene konzentrische Ringe miteinander zu verbinden (zum Beispiel zu verschweißen oder formschlüssig zu verbinden), wobei der innere Ring unter Schubspannung und der äußere Ring unter Zugspannung steht Im Ergebnis wird so eine ebene Blechscheibe erhalten, die ebenfalls (im nicht rotierenden Zustand) an ihrem äußeren Rand einer Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer Schubspannung ausgesetzt ist. Da hierbei auch zwei unterschiedliche Materialien, zum Beispiel Metalle verwendet werden können, besteht bei dieser Variante die Möglichkeit, den inneren Ring mit einer höheren Festigkeit zu wählen und den äußeren Ring hinsichtlich seiner magnetischen Eigenschaften zu optimieren. Daraus resultiert eine insgesamt effizientere elektrische Maschine.
Ein solcher Energiespeicher hat zwei Betriebsarten: Ein Generatorbetrieb und ein Motorbetrieb. Im Motorbetrieb oder Ladebetrieb des Energiespeichers werden die Ständerspulen des Energiespeichers mit elektrischem Strom beaufschlagt, der aus einer dem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges zugeordneten elektrischen Maschine kommt. Diese elektrische Maschine ist dabei im Generatorbetrieb und bremst das Kraftfahrzeug ab. Dabei wird der Läufer und mit ihm die Schwungmasse des Energiespeichers in Rotation versetzt.
Im Generatorbetrieb oder Entladebetrieb des Energiespeichers rotiert dessen Läufer mit der Schwungmasse mit hoher Drehzahl, wodurch die Ständerspulen des Energiespeichers elektrische Energie liefern. Diese elektrische Energie wird der im Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges befindlichen elektrischen Maschine eingespeist. Diese elektrische Maschine ist dabei im Motorbetrieb und treibt das Kraftfahrzeug an.
Die Materialfestigkeit der Blechscheiben des Läufers bzw. des rotierenden Körpers stellt dabei einen die Drehzahl begrenzenden Faktor des Energiespeichers dar. Aus der Beziehung EWn = 1/2 ■ J ■ ω2, wobei E^n die kinetische Energie des rotierenden Körpers (Läufer und Schwungmasse), und damit des Energiespeichers in Joule, J das Massenträgheitsmoment in kgm2, und ω die Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Körpers in s"1 ist, ergibt sich, dass sich eine mögliche Steigerung der Drehzahl (Winkelgeschwindigkeit) des rotierenden Körpers quadratisch auf die in dem Körper zu speichernde / dem Körper zu entnehmende Energie auswirkt.
Die Blechscheiben im unbewegten Zustand an ihrem äußeren Rand einer Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer Schubspannung auszusetzen, erlaubt eine höhere Drehzahl des Läufers, als wenn statt dessen - im Übrigen übereinstimmende - Blechscheiben ohne diese Eigenschaften verwendet würden.
Zu dem rotierenden Körper zusammengefügt, also aufeinander gestapelt, können diese, auf eine der beiden vorstehend beschriebenen (oder andere) Weisen erhaltenen Blechscheiben dann auf eine Drehzahl gebracht werden, bei der sie durch die auf sie wirkende Zentrifugalkraft an ihrem äußeren Rand einer höheren als der ersten Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer niedrigeren als der ersten Schubspannung ausgesetzt sind. Diese Drehzahl kann höher sein, als dies angesichts der Festigkeitseigenschaften des / der Materials / ien der Blechscheiben ohne die ihnen aufgeprägten Zug- / Schubspannungen der Fall wäre.
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 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 150.000 und 220.000 Umdrehungen pro Minute und mehr.
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 betreibenden Generator weniger oder keine Energie zu entnehmen, was zu geringerem Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeuges führen kann.
Durch diesen Energiespeicher kann das Potential der Energie-Rekuperation bei Landfahrzeu- gen, bei Kraftfahrzeuges mit Hybridantrieb, oder bei Kraftfahrzeugen mit einem ausreichend dimensionierten, dem Antriebsstrang zugeordneten Startergenerator optimal genutzt werden. Die elektrischen Maschinen können beim Abbremsen des Kraftfahrzeuges möglichst viel Energie zurückgewinnen. Über die regenerative Abbremsung hinausgehende Bremsanforderungen können durch die Reibungsbremse abgedeckt werden.
Der Läufer des Energiespeichers kann zumindest zusammen mit wenigstens einem Teil der Schwungmasse einen rotierenden Körper bilden, der eine im Wesentlichen topfförmige Gestalt mit einem Bodenteil und einem im Wesentlichen ringzylindrischen Wandteil aufweist. Der ringzylindrische Wandteil kann dabei entweder eine im Wesentlichen kreisringzylindrische Gestalt oder eine polygonringförmige Gestalt haben.
Die elektrische Maschine kann eine geschaltete Reluktanzmaschine sein, deren Läufer und Ständer stark genutet sind. Der Läufer bzw. der rotierende Körper kann aus zu seiner Rotationsachse axial geschichteten Metallblechlagen, zum Beispiel aus dünnen Eisen-Kohlenstoff- haltigen - 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.
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.
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 sich gegensinnig drehende Läufer, einen inneren und einen äußeren Läufer. Hierbei kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die beiden Läufer (also der „sich drehende Ständer" und der Läufer) aus dünnen Blechscheiben mit einem äußeren Rand und einem inneren Rand gebildet sind. Die dünnen Blechscheiben des „sich drehenden Ständers" und des Läufers sind im unbewegten Zustand, also im Stillstand, an ihrem äußeren Rand einer ersten Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer ersten Schubspannung ausgesetzt. Dies erlaubt eine besonders räum- und gewichtseffiziente Energiespeicherung.
Im rotierenden Zustand sind dann auch die Blechscheiben des sich drehenden Ständers an ihrem äußeren Rand einer höheren als der ersten Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer niedrigeren als der ersten Schubspannung ausgesetzt.
Die wenigstens eine Ständerspule kann in diesem Fall über eine Schleifringanordnung elektrisch kontaktiert sein.
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen dieses Energiespeichers werden anhand der nachstehenden Beschreibung verdeutlicht, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist.
Kurzbeschreibunq der Figuren
Fig. 1 zeigt einen Energiespeicher in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung.
Fig. 2 zeigt den Energiespeicher in einer schematischen Querschnittsdarstellung.
Fig. 3a, 3b zeigen eine Variante einer Blechscheibe des Energiespeichers in einer schematischen Draufsicht.
Fig. 4 zeigt eine weitere Variante einer Blechscheibe des Energiespeichers in einer schematischen Draufsicht.
Fig. 5 zeigt ein schematisches Spannungsdiagramm einer Blechscheibe des Energiespeichers.
Fig. 6 zeigt einen Läufer des Energiespeichers in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung.
Fig. 7 zeigt einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit dem Energiespeicher in einer schematischen Darstellung. Rg. 8 zeigt einen weiteren Energiespeicher in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung.
Detailbeschreibunq von Ausführunqsvarianten des Enerqiespeichers
In den Fig. 1 und 2 ist ein Energiespeicher gezeigt, der in einem geschlossenen, kreiszylindrischen, Schubresistenten 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. 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 von dem Ständer 16 umgeben und hat eine im Wesentlichen topfförmige Gestalt mit einem Bodenteil 14a und einem im Wesentlichen ringzylindrischen Wandteil 14b. Weiter ist dem Läufer 14 eine Schwungmasse 22 baueinheitlich zugeordnet, die zusammen mit dem Läufer 14 einen rotierenden Körper bildet. 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 / magneti- sehen Gründen angezeigt ist.
Der Läufer 14 ist aus einem Stapel dünner Eisenblechscheiben 30 gebildet, denen im unbewegten Zustand an ihrem äußeren Rand 32 eine Zugspannung und an ihrem inneren Rand 34 eine Schubspannung aufgeprägt ist. Dies ist auf unterschiedliche Weise zu bewerkstelli- gen. Eine Variante (siehe Fig. 3) verwendet mechanisch spannungsfreie, hohle, im Wesentlichen kreiskegelstumpfförmige Blechteile (siehe Fig. 3a), die in eine zumindest nahezu flache Gestalt (siehe Fig. 3b) zu pressen sind. Dadurch wird der äußere Rand 32 der so entstehenden Blechscheiben auf Zugspannung und deren innerer Rand 34 auf Schubspannung beansprucht.
Eine andere Möglichkeit Eisenblechscheiben 30 mit dieser Eigenschaft zu erhalten (siehe Fig. 4), besteht darin, zwei ebene konzentrische Ringe 30a, 30b entlang einer Verbindungslinie 30c miteinander zu verschweißen, während der innere Ring 30a unter Schubspannung und der äußere Ring 30b unter Zugspannung stehen. So entsteht eine im Wesentlichen ebene Blechscheibe 30, die im nicht rotierenden Zustand an ihrem äußeren Rand 32 unter einer Zugspannung und an ihrem inneren Rand 34 unter einer Schubspannung steht. Da hierbei auch zwei unterschiedliche Metalle verwendet werden können, besteht bei dieser Variante die Möglichkeit, für den inneren Ring 30a ein Material mit einer höheren Festigkeit zu wählen und für den äußeren Ring 30b ein Material mit optimalen magnetischen Eigenschaften einzusetzen. Außerdem kann bei dieser Variante die Form der zwei konzentrischen Ringe 30a, 30b und deren Verbindungslinie 30c so gestaltet sein, dass die Verbindungslinie 30c nahe bei oder genau entlang der neutralen Schicht (Schub- und Zugspannung ist dort gleich Null) der so erhaltenen Scheibe 30 verläuft.
Zu dem rotierenden Körper (Läufer 14 und Schwungmasse 22) aufeinander gestapelt und falls erforderlich durch - in den Fig. nicht veranschaulichte - Boden- und Deckplatten des rotierenden Körpers in ihrer ebenen Form gehalten, können diese Blechscheiben 30 dann auf eine Drehzahl gebracht werden, die kann höher sein, als dies angesichts der Festigkeitseigenschaften der Blechscheiben ohne die ihnen aufgeprägten Zug- / Schubspannungen der Fall wäre.
Bei der höheren Drehzahl sind diese Blechscheiben 30 durch die auf sie wirkende Zentrifugalkraft dann an ihrem äußeren Rand 32 einer höheren als der ersten Zugspannung und an ihrem inneren Rand 34 einer niedrigeren als der ersten Schubspannung ausgesetzt.
Die der Blechscheibe 30 im Ruhezustand aufgeprägten Zug- bzw. Schubspannungen nehmen vom inneren Rand 34 zum äußeren Rand 32 hin zu (negative Spannungen sind Schubspannungen und positive Spannungen sind Zugspannungen). Die bei der Rotation der Blechscheibe 30 durch die Zentrifugalkraft hervorgerufenen Spannungen liegen zwar im positiven Bereich, nehmen jedoch von Innen nach Außen ab. Daraus resultiert ein nivellierteres Spannungsprofil. Außerdem liegt dieses Spannungsprofil betragsmäßig niedriger, als wenn Blech- Scheiben 30 verwendet werden, denen diese Zug- bzw. Schubspannungen im Ruhezustand nicht aufgeprägt wurden. Mithin sind bei den Blechscheiben 30 mit im Ruhezustand aufgeprägten Zug- bzw. Schubspannungen höhere Drehzahlen zulässig. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 5 veranschaulicht.
Dabei wird von einer kreisringförmigen Blechscheibe 30, deren innerer Rand 34 einen Radius η und deren äußerer Rand 32 einen Radius ra hat, ausgegangen. Die maximale Materialfestigkeit (die Fließgrenze) der Blechscheibe 30 betrage +1300 N/mm2. Dem inneren Rand 34 der Blechscheibe 30 wird im Ruhezustand zum Beispiel eine Schubspannung von -200 N/mm2 aufgeprägt. Dem äußeren Rand 32 der Blechscheibe 30 wird im Ruhezustand zum Beispiel eine Zugspannung von +200 N/mm2 aufgeprägt. Hieraus resultiert im Ruhezustand näherungsweise ein Spannungsverlauf, wie er durch die Gerade „a" veranschaulicht ist. Wird diese kreisringförmige Blechscheibe 30 um ihre Mittelachse (R in Fig. 1) in Rotation versetzt, ruft die Zentrifugalkraft einen von innen nach außen abnehmenden Spannungsverlauf zwischen +1200 N/mm2 und +600 N/mm2 hervor, wie er näherungsweise durch die Gerade „b" veranschaulicht ist. Diese beiden Spannungsverläufe „a", „b" überlagern sich zu dem resultierenden Spannungsverlauf „cλλ mit geringerer (negativer) Steigung als der Spannungsverlauf „b" (siehe Fig. 5). Der hieraus resultierende Spannungsverlauf „c" hat ein niedrigeres Spannungsniveau von +1000 N/mm2 am inneren Rand, während das Spannungsniveau von +800 N/mm2 am äußeren Rand die Fließgrenze des Materials der Blechscheibe ebenfalls noch nicht erreicht hat. Somit kann die Drehzahl noch weiter gesteigert werden, bis die dabei hervorgerufene Zentrifugalkraft eine Spannung auf die Blechscheibe 30 ausübt, die in die Nähe der maximalen Materialfestigkeit (Fließgrenze) der Blechscheibe 30 führt. Diese Drehzahl liegt jedoch höher als die Drehzahl, bei der eine Blechscheibe 30 ohne den Spannungsverlauf „a" aufgeprägt zu haben, in die Nähe der maximalen Materialfestigkeit der Blechscheibe 30 kommt.
Da die maximale Drehzahl des rotierenden Körpers die obere Grenze der Energiespeicherkapazität des Energiespeichers bestimmt, wird durch den der Blechscheibe 30 aufgeprägten Spannungsverlauf „a" diese obere Grenze der Energiespeicherkapazität erhöht.
Die der Blechscheibe 30 aufgeprägte Schubspannung muss nicht - wie im vorstehenden Beispiel - betragsmäßig der der Blechscheibe 30 aufgeprägten Zugspannung entsprechen. Vielmehr kann durch deren Variation der Verlauf /die Steigung des Spannungsverlaufs „a" modelliert werden, um so den resultierenden Spannungsverlauf „cw zu beeinflussen.
Der Ständer 16 und der Läufer 14 sind an ihren jeweiligen einander zugewandten Mantelflächen stark genutet. Der Ständer 16 und der Läufer 14 haben dazu jeweils eine gerade (von einander abweichende) 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.
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. 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. die Richtung des Drehmomentes ist unabhängig von der Richtung des Stromes in den Ständer- spulen 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 (Generatorbetrieb) erzeugt. Eine große Änderung der Induktivität als Funktion der Läuferstellung bewirkt ein großes Drehmoment.
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.
Diese elektrische Maschine hat einen sehr einfach aufgebauten, robust zu realisierenden Läufer haben, der auch so gestaltet sein kann, dass er geringe magnetische Verluste hervor- ruft. Mit einer solchen Maschine sind 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.
Die in dem Läufer 14 und der zugeordneten Schwungmasse (siehe Fig. 6) zu speichernde kinetische Energie Ek1n JSt etwa nach folgender Beziehung zu ermitteln:
EWn = 1/4 ω2 ς π [hr r1 4 + h2 (r2 4 - r1 4) + V2 - 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....) hi die Höhe des Bodenteil 14a des Läufers 14 in m h2 die Höhe des ringzylindrischen Wandteils 14b des Läufers 14 in m T1 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 ist.
Hierbei ist die Umfangslänge ZL der Zähne 14j des Läufers 14 gleich der Nutlänge NL der Nut zwischen zwei benachbarten Zähnen 14j (siehe Fig. 6).
Im Motorbetrieb oder Ladebetrieb des Energiespeichers (siehe Rg. 7) 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, Getriebe 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.
Im Generatorbetrieb oder Entladebetrieb des Energiespeichers (siehe Fig. 7) 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 Maschine 90 ist dabei im Motorbetrieb und treibt das Kraftfahrzeug an.
In Fig. 8 ist eine andere Ausführungsform des Energiespeichers veranschaulicht, wobei gegenüber Fig. 1 vergleichbare oder gleich wirkende Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen und nachstehend nicht noch einmal erläutert sind. Ein wesentlicher Unterschied 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 dreh- bar angeordnet ist. Die Bestromung der Ständerspule(n) 20 erfolgt dabei mittels einer
Schleifringanordnung 50, die an der Wand des Gehäuses 10 angeordnet ist und die Ständer- spule(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 Schleifringanordnung 50 transportiert wird. Bei dieser Anordnung drehen der Läufer und der „Ständer" sich in zueinander entgegen gesetzte Richtungen, 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 einzukoppeln.
Vorstehend ist davon ausgegangen, dass der sich drehende Körper sowohl Schwungmasse als auch Läufer eines Elektromotors ist, also eine Doppelfunktion hat. Es ist jedoch auch möglich, einen sich drehenden Körper für einen Schwungspeicher in der geschilderten Weise auszugestalten, der mittels einer anderen elektrischen Maschine (und ggf. eines Getriebes) Energie aufnimmt, speichert, und abgibt.
Dazu ist ein Schwungkörper aus dünnen metallischen Blechscheiben gebildet, die eine im Wesentlichen kreisringscheibenförmige Gestalt mit einem äußeren Rand und einem inneren Rand haben, und die im unbewegten Zustand an ihrem äußeren Rand einer ersten Zugspan- nung und an ihrem inneren Rand einer ersten Schubspannung ausgesetzt sind.
Die Blechscheiben sind im rotierenden Zustand an ihrem äußeren Rand einer höheren als der ersten Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer niedrigeren als der ersten Schubspannung ausgesetzt.
Diese ebenen Blechscheiben sind dadurch gebildet, dass mechanisch im Wesentlichen spannungsfreie kreiskegelstumpfmantelförmige Blechteile in eine im Wesentlichen flache Gestalt gepresst sind, wodurch wird der äußere Rand der Blechscheiben auf Zugspannung und der innere Rand der Blechscheiben auf Schubspannung beansprucht ist.
Diese ebenen Blechscheiben können auch dadurch gebildet sein, dass zwei, ein innerer und ein äußerer, ebene konzentrische Ringe miteinander verbunden sind, wobei der innere Ring unter Schubspannung steht und der äußere Ring unter Zugspannung steht, wodurch die Blechscheibe im nicht rotierenden Zustand an ihrem äußeren Rand einer Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer Schubspannung ausgesetzt ist. Dabei kann der innere Ring und der äußere Ring aus zwei unterschiedlichen Materialien gebildet sein, wobei vorzugsweise der innere Ring eine höhere Festigkeit hat und der äußere Ring hinsichtlich seiner magnetischen Eigenschaften zu optimieren ist.

Claims

Patentansprüche
1) Energiespeicher, der
• eine elektrische Maschine (12) mit einem Läufer (14) und einem Ständer (16) aufweist, wobei
• der Ständer (16)
• von dem Läufer (14) durch einen Luftspalt (18) getrennt ist und
• wenigstens eine Ständerspule (20) aufweist, und wobei
• der Läufer (14) • von dem Ständer (16) umgeben ist,
• einer Schwungmasse (22) zugeordnet ist und
• aus dünnen metallischen Blechscheiben (30) gebildet ist, die
• eine im Wesentlichen kreisringscheibenförmige Gestalt mit einem äußeren Rand (32) und einem inneren Rand (34) haben, und die • im unbewegten Zustand
• an ihrem äußeren Rand (32) einer ersten Zugspannung und
• an ihrem inneren Rand (34) einer ersten Schubspannung
• ausgesetzt sind.
2) Energiespeicher nach Anspruch 1, bei dem die Blechscheiben (30) im rotierenden Zustand
• an ihrem äußeren Rand (32) einer höheren als der ersten Zugspannung und
• an ihrem inneren Rand (34) einer niedrigeren als der ersten Schubspannung ausgesetzt sind.
3) Energiespeicher nach Anspruch 1, nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die ebenen Blechscheiben (30) dadurch gebildet sind, dass mechanisch im Wesentlichen spannungsfreie kreiskegelstumpfmantelförmige Blechteile in eine im Wesentlichen flache Gestalt gepresst sind, wodurch wird der äußere Rand (32) der Blechscheiben (30) auf Zugspannung und der innere Rand (34) der Blechscheiben (30) auf Schubspannung beansprucht ist.
4) Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die ebenen Blechscheiben (30) dadurch gebildet sind, dass zwei, ein innerer und ein äußerer, ebene konzentrische Ringe (30a, 30b) miteinander verbunden sind, wobei der innere Ring (30a) unter Schubspan- nung steht und der äußere Ring (30b) unter Zugspannung steht, wodurch die Blechscheibe (30) im nicht rotierenden Zustand an ihrem äußeren Rand (32) einer Zugspannung und an ihrem inneren Rand (34) einer Schubspannung ausgesetzt ist. 5) Energiespeicher nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der innere Ring (30a) und der äußere Ring (30b) aus zwei unterschiedlichen Materialien gebildet sind, wobei vorzugsweise der innere Ring (30a) eine höhere Festigkeit hat und der äußere Ring (30b) hinsichtlich seiner magnetischen Eigenschaften zu optimieren ist.
6) Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Gehäuse (10) ausgestaltet ist, wobei darin vorzugsweise ein Druck von weniger als 1 bar herrscht.
7) Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Läufer (14) eine im Wesentlichen topfförmige Gestalt mit
• einem Bodenteil (14a) und
• einem im Wesentlichen ringzylindrischen Wandteil (14b) aufweist.
8) Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die elektrische Maschine (12) eine geschaltete Reluktanzmaschine ist, deren Läufer (14) und Ständer (16) genutet sind.
9) Energiespeicher nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der Läufer (14) aus Eisen- Kohlenstoff-haltigen - Metallblechen gebildet ist.
10) Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Läufer (14) mittels eines Gleit-, Wälz-, oder Fluidlagers gegen das Gehäuse (10) drehbar abgestützt ist.
11) 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.
12) Energiespeicher nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der Ständer (16) aus dünnen Blechscheiben gebildet sind, die im unbewegten Zustand an ihrem äußeren Rand einer ersten Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer ersten Schubspannung ausgesetzt sind.
13) Energiespeicher nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die wenigstens eine Ständerspule (20) über eine Schleifringanordnung (50) elektrisch kontaktiert ist.
14) Kraftfahrzeug, das ausschließlich, oder zusätzlich zu einer Brennkraftmaschine, mit wenigstens einer elektrischen Maschine im Antriebsstrang ausgestattet ist, wobei die elekt- 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.
15) Verwendung eines Energiespeichers nach einem der vorherigen Ansprüche in einem
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.
16) Schwungkörper als sich drehender Körper für einen Energiespeicher, der mittels einer elektrischen Maschine Energie aufnimmt, speichert, und abgibt, wobei der Schwungkörper aus dünnen metallischen Blechscheiben gebildet, die eine im Wesentlichen kreisring- scheibenförmige Gestalt mit einem äußeren Rand und einem inneren Rand haben, und die im unbewegten Zustand an ihrem äußeren Rand einer ersten Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer ersten Schubspannung ausgesetzt sind.
17) Schwungkörper nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die Blechscheiben im rotierenden Zustand an ihrem äußeren Rand einer höheren als der ersten Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer niedrigeren als der ersten Schubspannung ausgesetzt sind.
18) Schwungkörper nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die ebenen Blechscheiben dadurch gebildet sind, dass mechanisch im Wesentlichen spannungsfreie kreiskegel- stumpfmantelförmige Blechteile in eine im Wesentlichen flache Gestalt gepresst sind, wodurch der äußere Rand der Blechscheiben auf Zugspannung und der innere Rand der
Blechscheiben auf Schubspannung beansprucht ist.
19) Schwungkörper nach Anspruch 17, bei dem die ebenen Blechscheiben dadurch gebildet sind, dass zwei, ein innerer und ein äußerer, ebene konzentrische Ringe miteinander ver- bunden sind, wobei der innere Ring unter Schubspannung steht und der äußere Ring unter Zugspannung steht, wodurch die Blechscheibe im nicht rotierenden Zustand an ihrem äußeren Rand einer Zugspannung und an ihrem inneren Rand einer Schubspannung ausgesetzt ist.
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