WO2017036799A1 - Vorrichtung zum speichern von energie als rotationsenergie, system und verfahren zum bereitstellen von elektrischer energie - Google Patents

Vorrichtung zum speichern von energie als rotationsenergie, system und verfahren zum bereitstellen von elektrischer energie Download PDF

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WO2017036799A1
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radial bearing
rotation
electrical energy
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PCT/EP2016/069513
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Michael Mayer
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02K7/02—Additional mass for increasing inertia, e.g. flywheels
    • H02K7/025—Additional mass for increasing inertia, e.g. flywheels for power storage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G3/00—Other motors, e.g. gravity or inertia motors
    • F03G3/08—Other motors, e.g. gravity or inertia motors using flywheels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
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    • F16F15/3156—Arrangement of the bearings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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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

  • Apparatus for storing energy as rotational energy system and method for providing electrical energy
  • the present invention relates to a device for storing energy as rotational energy, in particular for storing electrical energy in the form of rotational energy and for providing the rotational energy in the form of electrical energy. Furthermore, the invention relates to a system, in particular a system for storing electrical energy, which was generated by a photovoltaic device, and for providing electrical energy to a consumer. Furthermore, the invention relates to a method for providing electrical energy.
  • flywheels are suitable for storing energy.
  • energy from an energy source such as electrical energy
  • rotational energy of a massed flywheel By quickly braking the flywheel and providing the braking power used as electrical power very high performance can be achieved for a short time. If the flywheel is stored with particularly low friction, the rotational energy can be retained to a large extent over a relatively long time. To use economies of scale, very large and heavy flywheels are often used.
  • Previously known low-friction bearings for flywheels are, for example, high-quality ball bearings or active
  • the present invention discloses a device having the features of claim 1, a system having the features of claim 8 and a method having the features of claim 10.
  • an apparatus for storing energy as rotational energy having a rotor means and a stator means.
  • the rotor device is designed to be able to rotate or rotate about an axis of rotation relative to the stator device.
  • the stator is arranged on the axis of rotation. In other words, the rotor device also rotates, at least partially, about the stator device.
  • the device further comprises an electric machine, by means of which the rotor device with a
  • Torque is acted upon, that is, in a rotation about the axis of rotation and thus displaceable about the stator.
  • the electric machine is also a rotational energy of the rotation of the rotor device into electrical energy convertible, such as using an electric machine as a generator.
  • the device further comprises a passive electrodynamic
  • Radial bearing device for radial mounting of the rotor device and a passive magnetostatic thrust bearing device for axial mounting of the rotor device.
  • a passive storage should in particular a
  • control loop for example, consists of a control loop that is completely without any
  • Rotor device works. Under an electrodynamic storage, through an electrodynamic bearing device, however, should be understood to mean a bearing which is caused by the movement of the rotor device.
  • An axial direction should always be understood to mean an axial direction with respect to the axis of rotation of the rotor device. The same applies to a radial direction, in particular in connection with radial bearing devices.
  • the storage devices of the devices are preferably normal temperature storage devices, that is, no superconducting elements are used. Preference is given to no additional non-magnetic
  • Storage facilities e.g. mechanical storage facilities such as ball bearings, etc. used.
  • the invention provides a system, comprising: at least two devices according to the invention and a circuit device which is designed to make a selection from the at least two devices according to a power requirement signal transmitted to the circuit device by at least one consumer, energy from the devices in the met Selection and forward to the at least one consumer.
  • the invention also provides a method of providing electrical energy, comprising the steps of: providing a device according to the invention
  • the device according to the invention can be used, for example, as a replacement for Li-ion battery systems.
  • the device according to the invention can be produced with less technical effort and advantageously has no, or hardly, combustible elements.
  • the device according to the invention can advantageously be designed with a particularly small mass, in particular the flywheel, and / or with a particularly small size. This may reduce load bearing requirements for the bearing technology (s) used.
  • the passive electrodynamic radial bearing used is particularly well suited for high rotational speeds of the rotor device and is particularly lossless.
  • the device according to the invention is special
  • the rotor device preferably has, particularly preferably majority, fiber-reinforced composite materials, for example carbon fiber-reinforced plastic (CFRP).
  • CFRP carbon fiber-reinforced plastic
  • Permanent magnets attached to the rotor assembly may be bandaged by fiber windings of the CFRP, i. be held so that no additional bandaging is necessary.
  • the non-contact magnetic axial and radial bearing also allows a particularly quiet operation.
  • the electric machine is designed to act on the rotor device in a first mode with the torque, ie to set in rotation, and to convert the rotation of the rotor device into electrical energy in a second mode.
  • the device can be fed and removed energy in a particularly simple manner.
  • the electric machine has at least one permanent magnet, which, in particular rotationally fixed, is connected to the rotor device, and at least one winding, which, in particular rotationally fixed, is connected to the stator device.
  • a non-rotatable connection is to be understood in particular as meaning that the permanent magnet rotates when the rotor device rotates, and that the winding does not rotate when the stator device is not rotating.
  • the electric machine is advantageously designed as an external rotor motor.
  • Each radial bearing unit may have at least one permanent magnet which is rotationally symmetrical about the axis of rotation and which is arranged on the stator device.
  • Each radial bearing unit can have at least one metal surface which is rotationally symmetrical about the axis of rotation and which is arranged on the rotor device in the axial direction at a height of the at least one permanent magnet of the radial bearing unit.
  • Eddy currents are generated as soon as the rotor means become eccentric, i. from a preferred path of movement concentric with the axis of rotation, moves.
  • the eddy currents generate Lorentz forces in the magnetic field of the permanent magnet which correct the eccentricity of the rotor device.
  • eddy currents are generated in eccentricity of the rotor device, which has a centric equilibrium position of the rotor device restore.
  • Electrodynamic radial bearing device on two radial bearing units of which a first radial bearing unit is arranged in the axial direction above the electric machine, and of which a second radial bearing unit is arranged in the axial direction below the electric machine.
  • the device may comprise a plurality of radial bearing devices, which are arranged in the axial direction symmetrical to the electric machine.
  • the rotor device is designed to rotate with a frequency in a range between 1 and 3 kilohertz, preferably between 1.5 and 2.5 kilohertz, more preferably between 1.9 and 2.1 kilohertz, in particular with a maximum frequency in a range between 1 and 3 kilohertz, preferably between 1.5 and 2.5 kilohertz, more preferably between 1.9 and 2.1 kilohertz, in particular 2 kilohertz.
  • the device for this purpose comprises a high-speed motor generator as an electric machine, for example a permanent magnet synchronous machine or a homopolar excited machine.
  • the rotor device has a mass between 4 and 60 kilograms, in particular between 4 and 30 kilograms, preferably between 4 and 10 kilograms.
  • the device is particularly well modularized and versatile.
  • an energy of one kilowatt hour can be stored.
  • a device with such a dimensioning is well suited for use in the household sector.
  • the inventive devices of the system for storing the electrical energy generated by the photovoltaic system is designed.
  • the device according to the invention can contribute to balancing a power demand deficit of the at least one consumer when the photovoltaic system meets the power requirement of the at least one
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view through a device for the
  • FIG. 2 is a schematic block diagram of a system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic flowchart for explaining a method according to still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view through a device 110 for storing energy as rotational energy according to an embodiment of the present invention.
  • the device 110 comprises a rotor device 112 and a
  • the rotor device 112 is configured to rotate about a rotation axis A relative to the stator device 113.
  • the stator device 113 is disposed on the rotation axis A, so that the rotor device 112 also rotates about a part of the stator 113.
  • a target movement path of the rotor device 112 is arranged and formed concentrically to the rotation axis A.
  • the rotor device 112 and the stator device 113 are preferably rotationally symmetrical.
  • the stator 113 is arranged concentrically and rotationally symmetrical to the axis of rotation A and formed. If the rotor device 112 moves on the desired movement path, the rotor device 112 is rotationally symmetrical with respect to the axis of rotation A.
  • the device further comprises an electric machine 114, in particular an external rotor motor.
  • the electric machine 114 includes
  • the permanent magnet 132 is preferably
  • the electric machine comprises at least one winding 130, which is non-rotatably connected to the stator 113 and is preferably formed in the axial direction at a same height as the permanent magnet 132.
  • Torque is acted upon, i. into rotation by using the electric machine 114 as a motor.
  • a rotation of the rotor device 112 into electrical energy is convertible by using the electric machine 114 as a generator.
  • the device 110 also has a passive electrodynamic
  • Radial bearing means 116 which comprises two radial bearing units 134-1, 134-2.
  • Each radial bearing unit 134-1, 134-2 includes at least one, preferably one rotationally symmetric about the axis of rotation A,
  • Permanent magnets 136-1, 136-2 which rotatably with the stator
  • Each radial bearing unit 134-1, 134-2 also has
  • a rotationally symmetrical metal surface 138-1, 138-2 which is formed for example of copper.
  • the metal surfaces 138-1, 138-2 are in the axial direction at a height of each corresponding at least one permanent magnet 136-1, 136-1 of the radial bearing unit 134-1, 134-2 arranged.
  • Rotor device 112 in the magnetic field of the permanent magnets 136-1, 136-2 eddy currents.
  • the eddy currents result in Lorentz forces that move the rotor assembly 112 back to the desired travel path.
  • the device 110 also includes a passive magnetostatic
  • the thrust bearing 118 comprises at least one first permanent magnet 140, which is arranged on a surface of a base 144, which faces the rotor device 112.
  • the stator 113 is fixed to the pedestal 144.
  • a second permanent magnet 142 At one, in the axial direction, lower end of the rotor device 112 is a second permanent magnet 142 on a surface of the
  • Rotor device 112 is arranged, which faces the base 144.
  • the first and second permanent magnets 140, 142 are in particular
  • the first and the second permanent magnets 140, 142 correspond to each other such that a repulsive magnetic force between the first and the second
  • Permanent magnets 140, 142, the rotor device 112 is spaced in the axial direction of the base 144, i. floats above the first permanent magnet 140. This results in a particularly frictionless axial bearing of the rotor device 112.
  • the base 140, the rotor device 112 and the stator 113 are advantageously enclosed by a housing 150 in which a negative pressure, preferably a vacuum, is produced. As a result, further losses during the rotation of the rotor device 112 are avoided. Due to the fact that the device can preferably be formed with relatively small dimensions, the housing 150 can also be designed accordingly with small ones
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of a system 100 according to another embodiment of the present invention.
  • the system 100 comprises a photovoltaic system 2 for generating electrical energy 51 from sunlight 50 and three according to the invention
  • Photovoltaic system 2 generated electrical energy 51 are designed and respectively as the device 110 are constructed in Fig. 1.
  • the system 100 may also include more or fewer devices 110 according to the invention, such as one, two, four or more. If each of the devices is designed with a maximum storable electrical energy of one kilowatt hour, the three devices 110-1, 110-2, 110-3 can provide a total of three kilowatts, which is, for example, a sufficient amount of energy for a household, e.g. compensate for natural fluctuations in the energy production of the photovoltaic system 2.
  • the system 100 includes a circuit device 40 that is configured according to one of the circuit devices 40 of at least one
  • the circuit device 40 may, for example, also include power electronics for the operation of the photovoltaic system 2.
  • the photovoltaic system 2 can also be separate from the system 100 and be connected to the circuit device 40 via electrical lines and / or control lines.
  • the power demand signal 41 indicates a demand for electrical power of the at least one consumer 3.
  • the switching device 40 may be configured to uniformly supply the electric power requested by the load by the power demand signal 41 to all the devices 110-1, 110-2, 110-3 corresponding to selection of all devices 110-1, 110-2, 110-3.
  • a particularly uniform stress of inventive devices can be realized in the system, which can increase the life of the system as a whole.
  • FIG. 3 is a schematic flowchart for explaining a method according to still another embodiment of the present invention.
  • the inventive method is with the device according to the invention, in particular the device 110 according to the invention, or with the
  • the system 100 of the invention may be practiced and may be described with respect to any of the devices 110 and / or the system 100
  • a device In a step S01, a device according to the invention is provided.
  • the rotor device 112 is acted upon by a torque in order to set the rotor device 112 in rotation about the axis of rotation A, for example by means of the electric machine 114.
  • energy from an energy source is used, for example from the photovoltaic system 2 or from a household electricity grid.
  • the rotational energy of the rotation of the rotor device 112 is converted into electrical energy, for example by means of the electric machine 114, in a subsequent step.
  • the electrical energy can be transferred from the conversion to a consumer, for example by means of a circuit device 40 , as described above.
  • electrical energy can also be stored from another source, in particular from a regenerative energy source such as wind energy.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Speichern von Energie als Rotationsenergie, ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen von elektrischer Energie. Die Vorrichtung ist ausgebildet mit: einer Rotoreinrichtung (112) und einer Statoreinrichtung (113); wobei die Rotoreinrichtung (112) dazu ausgebildet ist, relativ zu der Statoreinrichtung (113) um eine Drehachse (A) zu rotieren und wobei die Statoreinrichtung (113) an der Drehachse (A) angeordnet ist; einer elektrischen Maschine (114), mittels welcher die Rotoreinrichtung (112) mit einem Drehmoment beaufschlagbar ist und mittels welcher eine Rotationsenergie einer Rotation der Rotoreinrichtung (112) in elektrische Energie umwandelbar ist; einer passiven elektrodynamischen Radiallagereinrichtung (116) zur radialen Lagerung der Rotoreinrichtung (112); und einer passiven magnetostatischen Axiallagereinrichtung (118) zur axialen Lagerung der Rotoreinrichtung (112).

Description

Beschreibung Titel
Vorrichtung zum Speichern von Energie als Rotationsenergie, System und Verfahren zum Bereitstellen von elektrischer Energie
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von Energie als Rotationsenergie, insbesondere zum Speichern von elektrischer Energie in Form von Rotationsenergie und zum Bereitstellen der Rotationsenergie in Form von elektrischer Energie. Weiterhin betrifft die Erfindung ein System, insbesondere ein System zum Speichern von elektrischer Energie, welche durch eine Photovoltaikvorrichtung erzeugt wurde, und zum Bereitstellen von elektrischer Energie an einen Verbraucher. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen von elektrischer Energie.
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass Schwungräder dazu geeignet sind, Energie zu speichern. Dabei wird Energie aus einer Energiequelle, beispielsweise elektrische Energie, in Rotationsenergie eines massebehafteten Schwungrades umgewandelt. Durch schnelles Abbremsen des Schwungrads und Bereitstellen der dazu verwendeten Bremsleistung als elektrische Leistung sind kurzzeitig sehr hohe Leistungen erzielbar. Wird das Schwungrad besonders reibungsarm gelagert, kann die Rotationsenergie zu einem großen Teil über eine verhältnismäßig lange Zeit erhalten bleiben. Um Skaleneffekte zu nutzen, werden häufig sehr große und schwere Schwungräder verwendet. Bisher bekannte reibungsarme Lager für Schwungräder sind beispielsweise hochwertige Kugellager oder aktive
Magnetlager.
In der DE 10 2011 116 829 AI ist ein Energiespeicher mit einem Schwungrad beschrieben, das ein Gewicht von mehr als fünfzig Tonnen aufweisen soll. Es besteht ein Bedarf nach einem besonders effizienten und reibungsarm gelagerten Energiespeicher. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
Demgemäß ist eine Vorrichtung zum Speichern von Energie als Rotationsenergie vorgesehen, welche eine Rotoreinrichtung und eine Statoreinrichtung aufweist. Die Rotoreinrichtung ist dazu ausgebildet, relativ zu der Statoreinrichtung um eine Drehachse zu rotieren oder rotieren zu können. Die Statoreinrichtung ist an der Drehachse angeordnet. Mit anderen Worten rotiert die Rotoreinrichtung auch, zumindest teilweise, um die Statoreinrichtung. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine elektrische Maschine, mittels welcher die Rotoreinrichtung mit einem
Drehmoment beaufschlagbar ist, das heißt, in eine Rotation um die Drehachse und somit um die Statoreinrichtung versetzbar ist. Mittels der elektrischen Maschine ist außerdem eine Rotationsenergie der Rotation der Rotoreinrichtung in elektrische Energie umwandelbar, etwa unter Verwendung einer elektrischen Maschine als Generator.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine passive elektrodynamische
Radiallagereinrichtung zur radialen Lagerung der Rotoreinrichtung und eine passive magnetostatische Axiallagereinrichtung zur axialen Lagerung der Rotoreinrichtung. Unter einer passiven Lagerung soll insbesondere eine
Lagerung verstanden werden, die nicht aktiv gesteuert wird, sondern
beispielsweise aus einem Regelkreis besteht, der völlig ohne jegliche
Prozessoreinheit und Rechenleistung auskommt. Unter einer magnetostatischen
Lagerung, durch eine magnetostatische Lagereinrichtung, soll insbesondere verstanden werden, dass eine magnetische Abstoßung unabhängig von einer Bewegung stattfindet, d.h., dass die Lagerung auch bei Stillstand der
Rotoreinrichtung funktioniert. Unter einer elektrodynamischen Lagerung, durch eine elektrodynamische Lagereinrichtung, soll hingegen eine Lagerung verstanden werden, die durch die Bewegung der Rotoreinrichtung bewirkt wird.
Unter einer axialen Richtung soll stets eine axiale Richtung bezogen auf die Drehachse der Rotoreinrichtung verstanden werden. Entsprechendes gilt für eine radiale Richtung, insbesondere im Zusammenhang mit Radiallagereinrichtungen.
Die Lagereinrichtungen der Vorrichtungen sind vorzugsweise Normaltemperatur- Lagereinrichtungen, das heißt, es werden keinerlei supraleitende Elemente verwendet. Bevorzugt werden keine zusätzlichen nicht-magnetischen
Lagereinrichtungen, z.B. mechanische Lagereinrichtungen wie Kugellager etc., verwendet.
Weiterhin stellt die Erfindung ein System bereit, mit: mindestens zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen und einer Schaltungsvorrichtung, welche dazu ausgelegt ist, gemäß einem der Schaltungsvorrichtung von mindestens einem Verbraucher übermittelten Leistungsbedarfssignal eine Auswahl aus den mindestens zwei Vorrichtungen zu treffen, Energie aus den Vorrichtungen in der getroffenen Auswahl zu entnehmen und an den mindestens einen Verbraucher weiterzuleiten.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Bereitstellen von elektrischer Energie bereit, mit den Schritten: Bereitstellen einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung; Beaufschlagen der Rotoreinrichtung mit einem Drehmoment, um die Rotoreinrichtung der Vorrichtung in eine Rotation um die Drehachse zu versetzen, unter Verwendung von Energie aus einer Energiequelle; und
Umwandeln der Rotationsenergie der Rotation der Rotoreinrichtung in elektrische Energie.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise als Ersatz für Li-Ionen- Batteriesysteme eingesetzt werden. Denen gegenüber ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit geringerem technischen Aufwand herstellbar und verfügt vorteilhafterweise über keine, oder kaum, brennbare Elemente. Zudem ist ein „Ladezustand", d.h., eine in der Rotation der Rotoreinrichtung gespeicherte Energie als Bruchteil einer maximal speicherbaren Energie entsprechend einer maximalen Rotationsgeschwindigkeit, im Vergleich zu chemischen Batterien unabhängig von einer Umgebungstemperatur und einem Lebensalter der Vorrichtung. Zudem weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine hohe
Modularisierbarkeit auf. Weiterhin können gespeicherte Energie und
abzugebende/aufzunehmende Leistung unabhängig voneinander skaliert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft mit einer besonders kleinen Masse, insbesondere des Schwungrads, und/oder mit besonders kleiner Baugröße ausgestaltet werden. Dadurch können sich Tragkraftanforderungen an die verwendete(n) Lagertechnologie(n) verringern.
Die verwendete passive elektrodynamische Radiallagerung eignet sich besonders gut für hohe Drehzahlen der Rotoreinrichtung und ist besonders verlustfrei. Durch eine Verwendung von lediglich elektrodynamischen und magnetostatischen Lagereinrichtungen entfällt eine Notwendigkeit einer
Schmierung. Somit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders
wartungsarm und hat eine besonders hohe Lebensdauer.
Die Rotoreinrichtung weist bevorzugt, besonders bevorzugt mehrheitlich, faserverstärkte Verbundwerkstoffe auf, beispielsweise carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFK). Dadurch ist eine hohe Energiedichte erreichbar, und es werden hohe Zugbeanspruchungen erlaubt. Zudem ergibt sich eine gute Recyclebarkeit oder Entsorgbarkeit der Rotoreinrichtung. An der Rotoreinrichtung befestigte Permanentmagnete können durch Faserwicklungen des CFK bandagiert, d.h. festgehalten werden, sodass keine zusätzliche Bandagierung notwendig ist.
Die kontaktfreie magnetische Axial- und Radiallagerung ermöglicht außerdem einen besonders geräuscharmen Betrieb.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die elektrische Maschine dazu ausgelegt, in einem ersten Modus die Rotoreinrichtung mit dem Drehmoment zu beaufschlagen, d.h. in Rotation zu versetzen, und in einem zweiten Modus die Rotation der Rotoreinrichtung in elektrische Energie umzuwandeln. Somit kann der Vorrichtung auf besonders einfache Weise Energie zugeführt und entnommen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die elektrische Maschine mindestens einen Permanentmagneten auf, welcher, insbesondere drehfest, mit der Rotoreinrichtung verbunden ist, und mindestens eine Wicklung auf, welche, insbesondere drehfest, mit der Statoreinrichtung verbunden ist. Unter einer drehfesten Verbindung soll insbesondere verstanden werden, dass sich der Permanentmagnet mitdreht, wenn sich die Rotoreinrichtung dreht, und dass sich die Wicklung nicht dreht, wenn sich die Statoreinrichtung nicht dreht. Mit anderen
Worten ist die elektrische Maschine vorteilhaft als Außenläufermotor auslegbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die passive
elektrodynamische Radiallagereinrichtung mindestens eine Radiallagereinheit auf. Jede Radiallagereinheit kann mindestens einen um die Drehachse rotationssymmetrischen Permanentmagneten aufweisen, welcher an der Statoreinrichtung angeordnet ist. Jede Radiallagereinheit kann mindestens eine um die Drehachse rotationssymmetrische Metallfläche aufweisen, welche in axialer Richtung auf einer Höhe des mindestens einen Permanentmagneten der Radiallagereinheit an der Rotoreinrichtung angeordnet ist. Dadurch werden, wenn sich die Rotoreinrichtung in Rotation befindet, in der Metallfläche
Wirbelströme erzeugt, sobald sich die Rotoreinrichtung exzentrisch, d.h. aus einem bevorzugten Bewegungspfad konzentrisch mit der Drehachse heraus, bewegt.
Die Wirbelströme erzeugen in dem Magnetfeld des Permanentmagneten Lorentzkräfte, welche die Exzentrizität der Rotoreinrichtung korrigieren. Mit anderen Worten werden bei Exzentrizität der Rotoreinrichtung Wirbelströme erzeugt, welche eine zentrische Gleichgewichtslage der Rotoreinrichtung wiederherstellen. Somit ist auf technisch besonders einfache Weise eine passive elektrodynamische Radiallagereinrichtung realisierbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die passive
elektrodynamische Radiallagereinrichtung zwei Radiallagereinheiten auf, von denen eine erste Radiallagereinheit in axialer Richtung oberhalb der elektrischen Maschine angeordnet ist, und von denen eine zweite Radiallagereinheit in axialer Richtung unterhalb der elektrischen Maschine angeordnet ist. Mit anderen Worten kann die Vorrichtung eine Vielzahl von Radiallagereinrichtungen umfassen, welche in axialer Richtung symmetrisch zu der elektrischen Maschine angeordnet sind. Somit ist eine besonders stabile Ausrichtung und Lagerung der elektrischen Maschine möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Rotoreinrichtung dazu ausgelegt, mit einer Frequenz in einem Bereich zwischen 1 und 3 Kilohertz zu rotieren, bevorzugt zwischen 1,5 und 2,5 Kilohertz, besonders bevorzugt zwischen 1.9 und 2.1 Kilohertz, insbesondere mit einer maximalen Frequenz in einem Bereich zwischen 1 und 3 Kilohertz, bevorzugt zwischen 1,5 und 2,5 Kilohertz, besonders bevorzugt zwischen 1.9 und 2.1 Kilohertz, insbesondere 2 Kilohertz. Vorteilhaft umfasst die Vorrichtung dazu einen Hochdrehzahl-Motor- Generator als elektrische Maschine, beispielsweise eine Permanentmagnet- Synchron-Maschine oder eine homopolar erregte Maschine.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Rotoreinrichtung eine Masse zwischen 4 und 60 Kilogramm auf, insbesondere zwischen 4 und 30 Kilogramm, bevorzugt zwischen 4 und 10 Kilogramm. Somit ist die Vorrichtung besonders gut modularisierbar und vielseitig einsetzbar.
Bei einer Drehzahl von 1,7 Kilohertz und einer Masse der Rotoreinrichtung von 9 Kilogramm ist beispielsweise eine Energie von einer Kilowattstunde speicherbar. Eine Vorrichtung mit einer solchen Dimensionierung eignet sich gut für eine Anwendung im Haushaltsbereich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das
erfindungsgemäße System eine Photovoltaikanlage zum Erzeu elektrischer Energie, wobei die erfindungsgemäßen Vorrichtungen des Systems zum Speichern der von der Photovoltaikanlage erzeugten elektrischen Energie ausgelegt ist. Somit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausgleichen eines Leistungsbedarfsdefizits des mindestens einen Verbrauchers beitragen, wenn die Photovoltaikanlage den Leistungsbedarf des mindestens einen
Verbrauchers nicht vollständig decken kann, oder einen Überschuss an elektrischer Leistung Zwischenspeichern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht durch eine Vorrichtung zum
Speichern von Energie als Rotationsenergie gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild eines Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3 ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch eine Vorrichtung 110 zum Speichern von Energie als Rotationsenergie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 110 umfasst eine Rotoreinrichtung 112 und eine
Statoreinrichtung 113. Die Rotoreinrichtung 112 ist dazu ausgebildet, relativ zu der Statoreinrichtung 113 um eine Drehachse A zu rotieren. Die Statoreinrichtung 113 ist an der Drehachse A angeordnet, sodass die Rotoreinrichtung 112 auch um einen Teil der Statoreinrichtung 113 rotiert. Ein Soll-Bewegungspfad der Rotoreinrichtung 112 ist konzentrisch zu der Drehachse A angeordnet und ausgebildet. Die Rotoreinrichtung 112 und die Statoreinrichtung 113 sind vorzugsweise rotationssymmetrisch. Bevorzugt ist auch die Statoreinrichtung 113 konzentrisch und rotationssymmetrisch zu der Drehachse A angeordnet und ausgebildet. Bewegt sich die Rotoreinrichtung 112 auf dem Soll-Bewegungspfad, ist die Rotoreinrichtung 112 rotationssymmetrisch zu der Drehachse A
angeordnet.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine elektrische Maschine 114, insbesondere einen Außenläufer-Motor. Die elektrische Maschine 114 umfasst dazu
mindestens einen Permanentmagneten 132, welcher mit der Rotoreinrichtung
112 verbunden ist. Der Permanentmagnet 132 ist vorzugsweise
rotationssymmetrisch ausgebildet. Weiterhin umfasst die elektrische Maschine mindestens eine Wicklung 130, welche drehfest mit der Statoreinrichtung 113 verbunden ist und vorzugsweise in axialer Richtung auf einer gleichen Höhe wie der Permanentmagnet 132 ausgebildet ist. Mittels der elektrischen Maschine 114 ist die Rotoreinrichtung 112 mit einem
Drehmoment beaufschlagbar ist, d.h. in Rotation versetzbar, indem die elektrische Maschine 114 als Motor verwendet wird. Mittels der elektrischen Maschine 114 ist zudem eine Rotation der Rotoreinrichtung 112 in elektrische Energie umwandelbar, indem die elektrische Maschine 114 als Generator verwendet wird.
Die Vorrichtung 110 weist außerdem eine passive elektrodynamische
Radiallagereinrichtung 116 auf, welche zwei Radiallagereinheiten 134-1, 134-2 umfasst. Jede Radiallagereinheit 134-1, 134-2 beinhaltet mindestens einen, vorzugsweise einen um die Drehachse A rotationssymmetrischen,
Permanentmagneten 136-1, 136-2, welcher drehfest mit der Statoreinrichtung
113 verbunden ist. Jede Radiallagereinheit 134-1, 134-2 weist zudem
mindestens eine um die Drehachse A rotationssymmetrische Metallfläche 138-1, 138-2 auf, welche beispielsweise aus Kupfer ausgebildet ist. Die Metallflächen 138-1, 138-2 sind in axialer Richtung auf einer Höhe des jeweils korrespondierenden mindestens einen Permanentmagneten 136-1, 136-1 der Radiallagereinheit 134-1, 134-2 angeordnet. Somit entstehen in den
Metallflächen 138-1, 138-2 bei einer exzentrischen Bewegung der
Rotoreinrichtung 112 im Magnetfeld der Permanentmagneten 136-1, 136-2 Wirbelströme. Die Wirbelströme wiederum resultieren in Lorentzkräften, welche die Rotoreinrichtung 112 zurück auf den Soll-Bewegungspfad bewegen.
Die Vorrichtung 110 umfasst zudem eine passive magnetostatische
Axiallagereinrichtung 118 zur axialen Lagerung der Rotoreinrichtung 112. Die Axiallagereinrichtung 118 umfasst mindestens einen ersten Permanentmagneten 140, welcher an einer Oberfläche eines Sockels 144 angeordnet ist, welche der Rotoreinrichtung 112 zugewandt ist. Die Statoreinrichtung 113 ist an dem Sockel 144 befestigt. An einem, in axialer Richtung, unteren Ende der Rotoreinrichtung 112 ist ein zweiter Permanentmagnet 142 an einer Oberfläche der
Rotoreinrichtung 112 angeordnet, welche dem Sockel 144 zugewandt ist. Der erste und der zweite Permanentmagnet 140, 142 sind insbesondere
rotationssymmetrisch um die Drehachse A ausgebildet. Der erste und der zweite Permanentmagnet 140, 142 korrespondieren miteinander derart, dass durch eine abstoßende magnetische Kraft zwischen dem ersten und dem zweiten
Permanentmagneten 140, 142 die Rotoreinrichtung 112 in axialer Richtung von dem Sockel 144 beabstandet wird, d.h. über dem ersten Permanentmagneten 140 schwebt. Somit ergibt sich eine besonders reibungsfreie axiale Lagerung der Rotoreinrichtung 112. Der Sockel 140, die Rotoreinrichtung 112 und die Statoreinrichtung 113 sind vorteilhafterweise von einem Gehäuse 150 umschlossen, in welchem ein Unterdruck, bevorzugt ein Vakuum, hergestellt ist. Hierdurch werden weitere Verluste bei der Rotation der Rotoreinrichtung 112 vermieden. Dadurch, dass die Vorrichtung bevorzugt mit verhältnismäßig kleinen Dimensionen ausgebildet werden kann, kann entsprechend auch das Gehäuse 150 mit kleinen
Dimensionen ausgebildet werden. Dadurch kann sich ein technischer Aufwand zum Ausbilden und Aufrechterhalten des Vakuums in dem Gehäuse 150 verringern. Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Systems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das System 100 umfasst eine Photovoltaikanlage 2 zum Erzeugen von elektrischer Energie 51 aus Sonnenlicht 50 und drei erfindungsgemäße
Vorrichtungen 110-1, 110-2, 110-3, welche zum Speichern der von der
Photovoltaikanlage 2 erzeugten elektrischen Energie 51 ausgelegt sind und jeweils wie die Vorrichtung 110 in Fig. 1 aufgebaut sind. Das System 100 kann auch mehr oder weniger erfindungsgemäße Vorrichtungen 110 umfassen, beispielsweise eine, zwei, vier oder mehr. Ist jede der Vorrichtungen mit einer maximal speicherbaren elektrischen Energie von einer Kilowattstunde ausgebildet, so können die drei Vorrichtungen 110-1, 110-2, 110-3 insgesamt drei Kilowatt bereitstellen, was beispielsweise eine für einen Haushalt ausreichende Energiemenge darstellt, um z.B. natürliche Schwankungen in der Energieproduktion der Photovoltaikanlage 2 auszugleichen.
Das System 100 umfasst eine Schaltungsvorrichtung 40, welche dazu ausgelegt ist, gemäß einem der Schaltungsvorrichtung 40 von mindestens einem
Verbraucher s übermittelten Leistungsbedarfssignal 41 eine Auswahl aus den Vorrichtungen 110-1, 110-2, 110-3 zu treffen und elektrische Energie aus den Vorrichtungen 110-1, 110-2, 110-3 in der getroffenen Auswahl zu entnehmen und entsprechende elektrische Leistung an den mindestens einen Verbraucher 3 gemäß dem Leistungsbedarfssignal 41 weiterzuleiten. Die Schaltungsvorrichtung 40 kann beispielsweise auch eine Leistungselektronik für den Betrieb der Photovoltaikanlage 2 umfassen. Alternativ kann die Photovoltaikanlage 2 auch von dem System 100 separat sein und mit der Schaltungsvorrichtung 40 über elektrische Leitungen und/oder Steuerleitungen verbunden sein.
Das Leistungsbedarfssignal 41 indiziert einen Bedarf an elektrischer Leistung des mindestens einen Verbrauchers 3. Die Schaltungsvorrichtung 40 kann dazu ausgelegt sein, die von dem Verbraucher mittels des Leistungsbedarfssignals 41 angeforderte elektrische Leistung gleichmäßig allen Vorrichtungen 110-1, 110-2, 110-3 durch eine entsprechend Auswahl aller Vorrichtungen 110-1, 110-2, 110-3 zu entnehmen. Somit kann eine besonders gleichmäßige Beanspruchung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen in dem System realisiert werden, wodurch sich die Lebensdauer des Systems als Ganzes erhöhen kann.
Fig. 3 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110, oder mit dem
erfindungsgemäßen System 100 durchführbar und kann im Hinblick auf alle in Bezug auf die Vorrichtung 110 und/oder das System 100 beschriebenen
Modifikationen und Weiterbildungen angepasst werden.
In einem Schritt S01 wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung bereitgestellt. In einem Schritt S02 wird die Rotoreinrichtung 112 mit einem Drehmoment beaufschlagt, um die Rotoreinrichtung 112 in eine Rotation um die Drehachse A zu versetzen, etwa mittels der elektrischen Maschine 114. Dazu wird Energie aus einer Energiequelle verwendet, beispielsweise aus der Photovoltaikanlage 2 oder aus einem Haushaltsstromnetz. In einem Schritt S03 wird die Rotationsenergie der Rotation der Rotoreinrichtung 112, zeitlich nachfolgend, in elektrische Energie umgewandelt, etwa mittels der elektrischen Maschine 114. In einem nachfolgenden Schritt kann die elektrische Energie aus der Umwandlung an einen Verbraucher übertragen werden, etwa mittels einer Schaltungsvorrichtung 40, wie oben beschrieben.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung in dem
erfindungsgemäßen System auch elektrische Energie aus einer anderen Quelle gespeichert werden, insbesondere aus einer regenerativen Energiequelle wie etwa Windenergie.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (110; 110-1; 110-2; 110-3) zum Speichern von Energie als Rotationsenergie, mit:
einer Rotoreinrichtung (112) und einer Statoreinrichtung (113);
wobei die Rotoreinrichtung (112) dazu ausgebildet ist, relativ zu der
Statoreinrichtung (113) um eine Drehachse (A) zu rotieren und wobei die
Statoreinrichtung (113) an der Drehachse (A) angeordnet ist;
einer elektrischen Maschine (114), mittels welcher die Rotoreinrichtung (112) mit einem Drehmoment beaufschlagbar ist und mittels welcher eine Rotationsenergie einer Rotation der Rotoreinrichtung (112) in elektrische Energie umwandelbar ist; einer passiven elektrodynamischen Radiallagereinrichtung (116) zur radialen Lagerung der Rotoreinrichtung (112); und
einer passiven magnetostatischen Axiallagereinrichtung (118) zur axialen Lagerung der Rotoreinrichtung (112).
2. Vorrichtung (110; 110-1; 110-2; 110-3) nach Anspruch 1,
wobei die elektrische Maschine (114) dazu ausgelegt ist, in einem ersten Modus die Rotoreinrichtung (112) mit dem Drehmoment zu beaufschlagen und in einem zweiten Modus die Rotation der Rotoreinrichtung (112) in elektrische Energie umzuwandeln.
3. Vorrichtung (110; 110-1; 110-2; 110-3) nach Anspruch 2,
wobei die elektrische Maschine (114) mindestens einen Permanentmagneten (132) aufweist, welcher mit der Rotoreinrichtung (112) verbunden ist; und mindestens eine Wicklung (130) aufweist, welche mit der Statoreinrichtung (113) verbunden ist.
4. Vorrichtung (110; 110-1; 110-2; 110-3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die passive elektrodynamische Radiallagereinrichtung (116) mindestens eine Radiallagereinheit (134-1, 134-2) aufweist; wobei jede Radiallagereinheit (134-1, 134-2) mindestens einen um die
Drehachse (A) rotationssymmetrischen Permanentmagneten (136-1, 136-2) aufweist, welcher drehfest mit der Statoreinrichtung (113) verbunden ist; und wobei jede Radiallagereinheit mindestens eine um die Drehachse (A)
rotationssymmetrische Metallfläche (138-1, 138-2) aufweist, welche in axialer Richtung auf einer Höhe des mindestens einen Permanentmagneten (136-1, 136-1) der Radiallagereinheit (134-1, 134-2) angeordnet ist.
5. Vorrichtung (110; 110-1; 110-2; 110-3) nach Anspruch 4,
wobei die passive elektrodynamische Radiallagereinrichtung (116) zwei
Radiallagereinheiten (134-1, 134-2) aufweist, von denen eine erste
Radiallagereinheit (134-1) in axialer Richtung oberhalb der elektrischen
Maschine (114) angeordnet ist, und von denen eine zweite Radiallagereinheit
(134-2) in axialer Richtung unterhalb der elektrischen Maschine (114) angeordnet ist.
6. Vorrichtung (110; 110-1; 110-2; 110-3) nach einem der Ansprüche 1 bis wobei die Rotoreinrichtung (112) dazu ausgelegt ist, mit einer Frequenz in Bereich zwischen einem und drei Kilohertz zu rotieren.
7. Vorrichtung (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei die Rotoreinrichtung (112) eine Masse zwischen vier und sechzig
Kilogramm aufweist.
8. System (100), mit:
mindestens zwei Vorrichtungen (110-1; 110-2; 110-3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7; und
einer Schaltungsvorrichtung (40), welche dazu ausgelegt ist, gemäß einem der Schaltungsvorrichtung (40) von mindestens einem Verbraucher (3) übermittelten Leistungsbedarfssignal (41) eine Auswahl aus den mindestens zwei
Vorrichtungen (110-1; 110-2; 110-3) zu treffen, Energie (53) aus den
Vorrichtungen (110-1; 110-2; 110-3) in der getroffenen Auswahl zu entnehmen und an den mindestens einen Verbraucher (3) weiterzuleiten.
9. System (100) nach Anspruch 8 mit: einer Photovoltaikanlage (2) zum Erzeugen von elektrischer Energie (51);
wobei die Vorrichtungen (110-1; 110-2; 110-3) zum Speichern der von der Photovoltaikanlage (2) erzeugten elektrischen Energie (51) ausgelegt ist.
10. Verfahren zum Bereitstellen von elektrischer Energie, mit den Schritten: Bereitstellen (S01) einer Vorrichtung (110; 110-1; 110-2; 110-3) nach einem der Ansprüche 1 bis 9;
Beaufschlagen (S02) der Rotoreinrichtung (112) mit einem Drehmoment, um die Rotoreinrichtung (112) der Vorrichtung (110; 110-1; 110-2; 110-3) in eine Rotation um die Drehachse (A) zu versetzen, unter Verwendung von Energie aus einer Energiequelle; und
Umwandeln (S03) der Rotationsenergie der Rotation der Rotoreinrichtung (112) in elektrische Energie.
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