WO2021198330A1 - Doppelmotoreinheit für einen schwungmassenspeicher mit nichtlinearer gesamt-leistungskennlinie - Google Patents

Doppelmotoreinheit für einen schwungmassenspeicher mit nichtlinearer gesamt-leistungskennlinie Download PDF

Info

Publication number
WO2021198330A1
WO2021198330A1 PCT/EP2021/058431 EP2021058431W WO2021198330A1 WO 2021198330 A1 WO2021198330 A1 WO 2021198330A1 EP 2021058431 W EP2021058431 W EP 2021058431W WO 2021198330 A1 WO2021198330 A1 WO 2021198330A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
motor unit
operating
electrical machines
double motor
speed
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/058431
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hendrik SCHAEDE-BODENSCHATZ
Nicolai Meder
Mario CARROCCIA
Original Assignee
Adaptive Balancing Power GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Adaptive Balancing Power GmbH filed Critical Adaptive Balancing Power GmbH
Priority to EP21716671.9A priority Critical patent/EP4128518A1/de
Priority to CN202180028482.XA priority patent/CN115398792A/zh
Priority to US17/995,245 priority patent/US20230170829A1/en
Publication of WO2021198330A1 publication Critical patent/WO2021198330A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P5/00—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors
    • H02P5/74—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors controlling two or more ac dynamo-electric motors
    • H02P5/747—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors controlling two or more ac dynamo-electric motors mechanically coupled by gearing
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P5/00—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors
    • H02P5/46—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors for speed regulation of two or more dynamo-electric motors in relation to one another
    • H02P5/48—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors for speed regulation of two or more dynamo-electric motors in relation to one another by comparing mechanical values representing the speeds
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J15/00—Systems for storing electric energy
    • H02J15/007—Systems for storing electric energy involving storage in the form of mechanical energy, e.g. fly-wheels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/02—Additional mass for increasing inertia, e.g. flywheels
    • H02K7/025—Additional mass for increasing inertia, e.g. flywheels for power storage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/02—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation specially adapted for optimising the efficiency at low load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control specially adapted for optimising the efficiency at low load
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the invention relates to a double motor unit for a flywheel storage device with at least two electrical machines coupled to a common rotating body, each of which has mutually different performance characteristics.
  • a constant output Pi m is now required during operation, that is to say in a working area of the application.
  • the speed range that can be used as a work area should be a Operating speed range W, be as wide as possible, so the constant power can be called up over the largest possible operating speed range.
  • the electrical machine must therefore have a torque or a Mo
  • Another possibility is to design the electrical machine for constant power through specific topological effects.
  • special applications for example, by utilizing a construction-related widening of the rotor air gap at high speeds and more specifically
  • a separately excited DC machine can be equipped with an additional exciter or exciter winding.
  • the use of a second electrical machine on the same shaft to start up the synchronous machine is known.
  • the second electrical machine only has a starting power which is negligible in comparison to the operating power during operation.
  • two electrical machines on one shaft in which one of the machines is designed as a drive and the other electrical machine is designed as a generator, in order to achieve an efficient division of functions.
  • flywheel mass storage devices which are used to store electrical energy by a rotating flywheel mass
  • Such flywheel stores can be used, for example, to stabilize a supply network voltage.
  • Electrical energy can be stored and accessed in changeable amounts (dynamically) over a period of at least several seconds. Typically they then have a storage capacity of more than 0.03 kWh.
  • individually buildable sub-storage units with individual storage capacities in the range of, for example, 0.5 kWh to 200 kWh per sub-storage unit can be part of the storage unit.
  • flywheel mass storage devices in the context of this disclosure are generally my stationary flywheel mass storage devices that are charged and at the same location be discharged (without being moved in between).
  • Such momentum mass storage devices can be used, for example, to stabilize an electrical supply network or to temporarily store electrical energy, which can then be made available to a consumer, for example an electric vehicle, preferably with a large current.
  • the invention is therefore based on the object of improving known flywheel mass storage so that they can take and output constant power in the largest possible operating speed range with improved efficiency.
  • the flywheel mass of the flywheel storage device can be part of the rotating body, or the rotating body can also be the rotating mass or part of the rotating mass.
  • the rotary body can also be or comprise a drive shaft, in particular a hollow shaft.
  • the rotary body is preferably designed for operation in an evacuated space and knows, for example, components of a magnetic bearing device.
  • the electrical machines can be internal electrical machines ("external rotor") or external electrical machines (“internal rotor"). In the case of an external rotor, a drive shaft designed as a hollow shaft, which is then coupled to the rotor of the electrical machine, is particularly advantageous.
  • the electrical machines each have a stator and an associated rotor coupled to the rotating body. Since the electrical machines can also have a common stator and / o the common rotor, which reduces the number of components required. This can be implemented, for example, by means of special winding schemes for the stator and / or rotor.
  • the respective individual rotors of the electrical machine's or the common rotor can be integrated into the rotating body, in particular so that they overlap with one another in the axial direction and / or be arranged with the rotary body on the drive shaft.
  • the speeds of the electrical machine (and the common rotating body) in each operating point of the double motor unit which is hereinafter referred to as the overall operating point to distinguish it from the individual operating points of the respective electrical machines, are linear from one another pending, especially the same.
  • the various electrical machines as explained below, can be arranged or seated on the same (drive) shaft.
  • the various electrical machines are preferably not mechanically decoupled from one another when used as intended; there is then no coupling or the like between the various electrical machines.
  • the electrical machines each have different performance characteristics, which describe the maximum power P of the respective electrical machine's as a function of the speed w.
  • the performance curves can therefore also be referred to as speed-dependent performance curves.
  • the performance characteristics therefore indicate the respective maximum power achievable with a maximum current of the electrical machine, the maximum power, for a specific speed.
  • the performance characteristics correspond to the respective torque characteristics of the electrical machines, so that the electrical machines also have torque characteristics that differ from one another.
  • the different performance characteristics result from the specific design of the stator and / or rotor of the respective electrical machines, i.e. the hardware of the electrical machines, as well as from a respective control scheme with which the corresponding electrical machine is operated.
  • Such control schemes can be stored in the form of software, for example, on a control unit which is part of the electrical machine.
  • the various performance characteristics of the electrical machines can, for example, be predetermined on the hardware side by the selected topology of the electrical machine and also on the software side by a control unit of the double motor unit.
  • the structural design (“hardware") can, for example, lead to an electrical machine being a has power increasing linearly with the speed up to the maximum speed or goes into field weakness at a predetermined limit speed, for example at half the maximum speed.
  • the portion of the various performance characteristics specified by the software can accordingly, in particular, also be specified in a variable manner.
  • a limit speed co f below which the corresponding electrical machine is not operated in field weakening and above which the electrical machine is operated in field weakness, can be shifted by the control unit (within the limits given by the design of the electrical machine) .
  • the control unit it can also be stored, for example in the form of a table or a model, which of the electrical machines of the double motor unit has which efficiency or which losses at which power at a given speed.
  • the double motor unit is designed to provide an adjustable overall operating power through an interaction of the (preferably different) electrical machines in a predetermined operating speed range, i.e. in ongoing operation, which is characterized by the operating speed range.
  • "adjustable” in the context of the described double motor unit can also be understood to mean “regulatable” or “controllable”
  • the operating speed range is the speed range in which the double motor unit achieves the benefit for which it is intended. Consequently, the different electrical machines can be referred to as so-called "regulated" electrical machines.
  • the interaction of the electrical machines corresponds to a joint action of the electrical machines on the rotating body, which is implemented in at least one overall operating point of the double motor unit.
  • the interaction of the electrical machines takes place over one or more parts of the operating speed range or continuously over the entire operating speed range.
  • the total operating power is specified by a total power characteristic curve resulting from the various power characteristics of the electrical machines, and the total power characteristic is non-linearly dependent on a speed of the common rotating body.
  • the overall performance curve which is non-linearly dependent on the speed of the common rotating body, can be referred to as the "non-linear overall performance curve"
  • Operating points for the electrical machines can be determined, for example, by speed and power of the electrical machine, possibly also by further operating parameters such as a topology-specific parameter and / or a parameter describing a weak field of the respective electrical machine.
  • The, that is to say all of the electrical machines of the double motor unit are preferably designed in such a way that they are always operated in the same function, that is to say either all of them as drives for the rotating body or all of them as generators on the rotating body.
  • the first and second rotors also sit on the common rotary body, in particular the common (hollow) drive shaft.
  • the coupling of two electrical machines on a common rotary body has the advantage that the available installation space can be better utilized, and cooling capacity and space for the electrical power cables are also better utilized.
  • the use of two electrical machines with mutually different performance curves or different torque characteristics enables the non-linear overall performance curve.
  • a limitation of the current in higher speed ranges of the operating speed range can be reduced or avoided entirely.
  • frequency converters and power-carrying components such as cables, plugs and bushings in the operating speed range can be consistently operated close to the respective design limit, which in turn results in electrical losses and required Installation space and cooling capacity reduced. Since the individual electrical machines can also be controlled individually, great flexibility is achieved over a wide speed range.
  • Inverters or frequency converters of the two electrical machines are before geous enough explicitly matched to the mode of operation of the machine being operated, which leads to a high utilization of the power components.
  • the different electrical machines therefore preferably have different inverters, the inverters are then explicitly adapted to the operating mode ⁇ ) and topology of the machine being operated in each case.
  • a difference in the respective maximum power achievable by the electrical machines is less than 70%, in particular less than 50%, preferably less than 10% of the maximum power of the ( at the respective speed) is the more powerful or most powerful electric machine.
  • different electrical machines can be the more powerful or most powerful electrical machine. For example, one electrical machine (A) can be more powerful than another electrical machine (B) at one speed (1), both electrical machines can be equally strong at further speed (2) and the other electrical machine at yet another speed (3) (B) stronger than the one electric machine (A).
  • the ratios of the maximum powers quantified above in the paragraph apply preferably to at least one speed (that is to say one or more speeds) of the operating speed range, particularly preferably in the entire operating speed range. Alternatively, this can also apply to all speeds of the double motor unit and thus the electrical machines.
  • the maximum powers of the different electrical machines are therefore preferably of the same order of magnitude.
  • the double motor unit can therefore be provided by different electrical machines, for example corresponding losses of the electrical machines stored in the control unit for different combinations of power and speed.
  • the efficiency of the double motor unit is increased.
  • a difference in the efficiency of the electrical machines when providing the operating power and thus at least at the same speed is less than 10%, in particular less than 5%, preferably less than 2%.
  • the ratios of the efficiencies quantified here preferably apply to at least one speed (that is to say one or more speeds) of the operating speed range, particularly preferably in the entire operating speed range, or also for all speeds.
  • the efficiency of the respective electrical machines when providing the operating power is of the same order of magnitude.
  • the described double motor unit differs from the known applications with a second electrical machine as a start-up aid for a grid-connected Synchronma machine.
  • the operating speed range is predetermined by a minimum speed greater than zero, for example 2000, 10,000 or 30,000 revolutions per minute, and a maximum speed greater than the minimum speed.
  • the operating speed range here advantageously comprises more than 30%, in particular more than 50%, of a total speed range of the double motor unit.
  • the total speed range of the double motor unit can be specified or limited by the maximum power of the double motor unit. This has the advantage that the non-linear overall performance characteristic is already available at low speeds and over a large working range, the operating speed range is achieved, and thus the efficiency is increased in this area.
  • the double motor unit is designed to set a set total operating power by individually specifying a respective operating point for the electrical machines, i.e. respective, mutually independent power settings of the electrical machines.
  • a respective operating point for the electrical machines i.e. respective, mutually independent power settings of the electrical machines.
  • Setting the operating point at the at least one speed of the operating speed range includes setting a torque-determining current, which can also be referred to as q-current, and / or a field-determining current , which can be referred to as the d-stream.
  • setting the operating point at the speed or speeds mentioned can also include setting a topology-specific parameter of the electrical machine.
  • only one of the electrical machines can be operated in a weak field, or two electrical machines can be operated in a weak field at the same time, which can then lead to the desired overall operating performance depending on the design of the electrical machines.
  • the different electrical machines can thus be set both symmetrically, for example both or all in field weakening or all without field weakening, and asymmetrically, so for example an electrical machine without field weakening and an electrical machine in field weakening.
  • the double motor unit can be further increased in efficiency, since depending on the operating point, for example speed, one electrical machine can be operated more efficiently than the other and thus an overall efficiency can be optimized as described below. This is shown as an example in the following table:
  • a target total operating power of 162kW which here corresponds to 90% of the maximum power of the double motor unit, is not set as usual by providing 90% of the maximum power of the first and the second machine as the respective operating power. Rather, for example, by setting the operating power of the first electrical machine to 100% of its maximum power and the second machine to 77.5% of its maximum power, the same target total operating power of 162kW is achieved, but with an optimized, unequal division of the total to be provided -Operating power on the different electrical machines. This can be done, for example, on the basis of a table stored in the control unit which stores the corresponding efficiency of the individual electrical machines for the respective operating points, so that the control unit can select the combination of individual operating points with the maximum efficiency here.
  • the double motor unit is designed to set the respective operating points of the different electrical machines so that the sum of the electrical losses in the electrical machines is minimal at the set or requested total operating power.
  • the overall efficiency of the double motor unit is thus maximized here, in that the efficiency or the losses occurring in the individual electrical machines are or are weighed up against one another. In this way, for example, a deterioration in the efficiency of an electrical machine can be consciously accepted if this is compensated for by an increase in the efficiency of the other electrical machine.
  • the efficiency of the second machine can decrease by a smaller first amount when the operating power to be provided is reduced to 77.5% of the maximum power, but this is achieved by increasing the efficiency of the first electrical machine when increasing the performance to be provided from 90% to 100% would be more than offset by a larger second amount.
  • the electrical machines comprise at least one permanently excited synchronous machine and / or at least one synchronous reluctance machine and / or at least one asynchronous machine, in particular two permanently excited synchronous machines or one permanently excited synchronous machine in combination with a synchronous reluctance machine or a permanently excited synchronous machine in combination with an asynchronous machine or a synchronous reluctance machine in combination with an asynchronous machine.
  • the electrical machines can also include two asynchronous machines or two synchronous reluctance machines.
  • the electrical machines can also comprise one or more electrical machines which are not covered by the specified specifications.
  • the electrical machines are preferably combined in such a way that the lowest possible drag losses occur at the maximum speed of the operating speed range.
  • the electrical machines can therefore have the same topology or a different topology, and accordingly be based on the same or different functional principles.
  • the options listed have proven to be particularly advantageous in the area of flywheel mass storage.
  • the performance characteristics of the electrical machines are specified, in particular also specified or modifiable using appropriate software in a control unit, that in the operating speed range according to the overall performance curve results in an essentially constant or constant maximum power.
  • a power that deviates in the operating speed range by less than 35%, in particular less than 25%, preferably less than 15%, from the maximum value of the overall performance characteristic in the operating speed range can be regarded as essentially constant.
  • the predetermined speed range can be a sub-range of the operating speed range or comprise a sub-range of the operating speed range.
  • This sub-range can contain at least 30%, at least 60%, or at least 90% of the operating speed range.
  • the sub-range can follow an upper limit of the operating speed range or include the upper limit.
  • the torque in the operating speed range between the partial range and the lower limit of the operating speed range can have a maximum from which it drops. Below the maximum, the torque can increase with the speed.
  • the specified speed range can also include the entire operating speed range. This has the advantage that almost a plateau and thus constant performance can be achieved in the overall performance curve over a wide operating range.
  • At least one electrical machine is designed in such a way that its torque is at least essentially constant or constant with increasing speed. This is particularly true at least in the operating speed range.
  • "Essentially constant” can be understood here to be constant except for a specified deviation, which can be, for example, 35%, 25% or 15% a plateau and thus a constant performance can be achieved.
  • the maximum output of the double motor unit is achieved at a speed which is below the maximum speed of the operating speed range.
  • the maximum power of the double motor unit can preferably be achieved at a speed which deviates by more than 10% or more than 25% from the maximum speed of the operating speed range. This has the advantage that for a particularly large company Speed range results in a largely constant maximum output of the double motor unit.
  • the maximum power of the double motor unit according to the total power characteristic in the operating speed range deviates by a maximum of 35% from the power of the double motor unit at the maximum speed of the operating speed range, in particular by a maximum of 25% or 15% deviates.
  • the operating speed range can be specified here and also generally in such a way that the values of the overall performance curve are identical at the maximum and minimum speed of the operating speed range. This is particularly advantageous in conjunction with the last-mentioned embodiment.
  • the double motor unit has at least one, ie one or more, further electrical machine coupled to the common rotating body, all electrical machines having different performance characteristics from one another. During operation, the speed of all electrical machines is therefore always linearly dependent on one another, preferably identical.
  • the double motor unit is designed to provide the overall operating power in the operating speed range through the interaction of all electrical machines, which is specified by an overall performance curve resulting from the various performance curves of all corresponding electrical machines, the overall performance curve being non-linear from the Speed of the common body of revolution is dependent. This applies in the operating speed range in at least one, that is to say one or more operating points, preferably over one or more areas of the operating speed range, ideally over the entire operating speed range.
  • the interplay can also vary qualitatively, for example the interplay of all electrical machines in a first sub-range of the operating speed range can include an interaction of the first two electrical machines, in which the at least one further electrical machine does not contribute any power, and in another , from the first sub-range ver different sub-range of the operating speed range an interaction of one of the two first electrical machines with the at least one nen further electrical machine, the other of the first electrical machines then not contributing any power to the total operating power.
  • all electrical machines can work together and in a fourth sub-area, again different from the other sub-areas, only a single electrical machine can provide the desired overall operating power.
  • This has the advantage that the overall performance curve can be specified more precisely, for example a stronger or weaker ripple can be selected in order to adapt the double motor unit to the specific requirements of the respective field of application.
  • the flywheel mass storage device preferably has a rotating body which, when used as intended, is arranged in an evacuated space.
  • the rotary body can be mounted with a magnetic bearing device.
  • Another aspect relates to a method for controlling (which, as explained above, can also be understood as regulating) a double motor unit in a flywheel mass storage device, the double motor unit having at least two of a common rotary body mechanically coupled to a flywheel mass of the flywheel mass storage device or a common rotating body comprising the flywheel mass has electrical machines mechanically coupled to the common rotating body and the electrical machines each have different performance characteristics from one another.
  • the control includes operating the electrical machines while the double motor unit is in operation in accordance with the respective individual, i.e. individually specifiable, performance specifications in such a way that the electrical machines work together to provide an overall operating performance which is determined by a resultant from the various performance characteristics of the electrical machines non-linearly dependent on a speed of the common rotating body total performance characteristic is specified.
  • the electrical machines are operated in interaction in such a way that the overall operating performance is provided with maximum efficiency of the electrical machines.
  • Advantages and advantageous embodiments of the method correspond to share and advantageous embodiments of the described Doppelmo gate unit and vice versa.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a double motor unit for a flywheel mass storage device
  • Fig. 1 shows a sectional view through an exemplary Doppelmotorein unit for a flywheel mass storage.
  • the double motor unit 1 here has two electrical machines Sa, 3b coupled to a common rotary body 2.
  • the electrical machines 3a, 3b each have a stator 4a, 4b and a rotor 5a, 5b which rotate about the common axis of rotation A during operation.
  • the electrical machines 3a, 3b with their external rotors 5a, 5b are coupled to the common rotating body 2 so that the speed of the two electrical machines 3a, 3b is always identical when the double motor unit 1 is in operation.
  • the electrical machines 3a, 3b each have different performance characteristics Pa, Pb.
  • the double motor unit 1 is designed in an operating speed range W through an interaction of the electrical machines 3a, 3b to provide a total operating power, which is achieved by an overall power characteristic resulting from the various performance characteristics Pa, Pb of the electrical machines 3a, 3b P max is given and the overall performance line P ma x is not linearly dependent on the speed of the Joint rotating body 2 w dependent.
  • FIG. 2 two exemplary torque characteristics Ma, Mb for two different electrical machines are first shown on the left in their dependence on the speed w of the common rotating body.
  • the moment Ma of the first electrical machine 3a is constant above the speed co, which leads to a power P which increases linearly with the speed w and thus to a linear power characteristic curve Pa.
  • the second electrical machine 3b is characterized in the present case by the torque characteristic Mb, which is also constant below a limit speed co f , but above this falls sharply due to a field weakening, for example exponentially with increasing speed w.
  • the power characteristic curve Pb resulting therefrom is also shown in FIG.
  • the power P of the second electrical increases accordingly Machine Bb following the performance curve Pb up to the cut-off frequency co f also linearly and remains constant above the cut-off frequency co f.
  • FIG. 3 An alternative embodiment of the two electrical machines 3a, 3b is shown by way of example in FIG. 3. Again, the two torque characteristics Ma, Mb of the first and second electrical machines 3a, 3b are shown over the speed w including the resulting performance characteristics Pa, Pb. In the example shown now, at least one, here even both moment characteristics Ma, Mb runs monotonically decreasing.
  • the first torque characteristic Ma falls linearly with the speed w, which leads to a performance characteristic Pa, which increases monotonically with increasing speed, but flattens out with increasing speed w, i.e. increases less strongly than, for example, a logarithmic function is described.
  • the torque characteristic Mb of the second electrical machine 3b also falls linearly up to a cut-off frequency cj f , but then falls sharply, similar to the example shown in FIG Frequency w r increases monotonically, but falls monotonically above speed w r.
  • the speed w r here is greater than the speed Uf.
  • an overall performance characteristic P ma x is achieved which is very much in the operating speed range W runs flat and can therefore be used efficiently for a linear operating power in the entire operating speed range W.
  • the value of the total power curve P ma x for the limits of the Be-drive speed range W, min and U ma x the value of the area for operation speed W required operating power Pim. It is thereby achieved that the deviation of the maximum value of the overall power characteristic curve P ma x at the speed u peak deviates only minimally from the desired operating power Pi m.
  • the corresponding deviation d can be, for example, less than 25% or even less than 15%. In the example shown in FIG. 3, it is around 10% of the desired operating power Pim.
  • the other components can also be optimally adapted to the operating power Pi m to be provided, so that cooling power, electrical losses and the like are also optimized, so that overall the efficiency of the double motor unit 1 and thus of an associated flywheel storage device is optimized.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Multiple Motors (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Doppelmotoreinheit (1) für einen Schwungmassenspeicher, mit zumindest zwei an einen gemeinsamen Rotationskörper (2) gekoppelten elektrischen Maschinen (3a, 3b); wobei die elektrischen Maschinen 5 (3a, 3b) jeweils voneinander verschiedene Leistungskennlinien (Pa, Pb) haben; und die Doppelmotoreinheit (1) ausgebildet ist, in einem Betriebs‐ Drehzahlbereich (Ω) durch ein Zusammenspiel der elektrischen Maschinen (3a, 3b) eine Gesamt‐Betriebsleistung zu erbringen, wobei die Gesamt‐ Betriebsleistung durch eine aus den verschiedenen Leistungskennlinien (Pa, 10 Pb) der elektrischen Maschinen (3a, 3b) resultierende Gesamt‐ Leistungskennlinie (Pmax) vorgegeben ist und die Gesamt‐Leistungskennlinie (Pmax) nichtlinear von einer Drehzahl (ω) des gemeinsamen Rotationskörpers (2) abhängig ist um bekannte Schwungmassenspeicher dahingehend zu verbessern, dass sie in einem möglichst großen Betriebs‐Drehzahlbereich (Ω) mit 15 verbesserter Effizienz eine konstante Leistung aufnehmen und abgeben können.

Description

Doppelmotoreinheit für einen Schwungmassenspeicher mit nichtlinearer Ge samt-Leistungskennlinie
Die Erfindung betrifft eine Doppelmotoreinheit für einen Schwungmassenspei cher mit zumindest zwei an einen gemeinsamen Rotationskörper gekoppelten elektrischen Maschinen, welche jeweils voneinander verschiedene Leistungs kennlinien haben.
Im Rahmen dieser Anmeldung kann als elektrische Maschine dabei nur die elektrische Maschine an sich, das heißt Rotor, Stator mit Wicklungen und den unmittelbar zugehörigen mechanischen Komponenten verstanden werden, o- der aber auch Rotor, Stator mit Wicklungen nebst besagten zugehörige mecha nische Komponenten zuzüglich Frequenzumwandler, Steuereinheit und gege benenfalls weiteren für das Funktionieren der elektrischen Maschine erforder- liehen Komponenten.
Typischerweise weisen elektrische Maschinen mit einer Leistung P ein über der Drehzahl w annähernd konstantes Drehmoment M auf, woraus eine lineare Ab hängigkeit der Leistung P von der Drehzahl w resultiert, so dass der Zusammen- hang P = M * w gilt. In vielen Anwendungen und auch beim Einsatz von elektri schen Maschinen in Schwungmassenspeichern wird nun im laufenden Betrieb, das heißt in einem Arbeitsbereich der Anwendung, eine konstante Leistung Pim gefordert. Gleichzeitig soll das als Arbeitsbereich nutzbare Drehzahlband, ein Betriebs-Drehzahlbereich W, möglichst breit sein, die Konstante Leistung also über einen möglichst großen Betriebs-Drehzahlbereich abrufbar sein.
Als Folge muss die elektrische Maschine deshalb ein Moment bzw. eine Mo
5 ment-Charakteristik aufweisen, welche die in der jeweiligen Anwendung gefor derte konstante Leistung Pim im laufenden Betrieb bereits bei einer minimalen Drehzahl cömin ermöglicht. Als Folge ist die elektrische Maschine dann bei Er bringung der konstanten Leistung Pim höheren Drehzahlen, beispielsweise bei einer maximalen Drehzahl cö max, stark überdimensioniert, und die bei höheren
10 Drehzahlen maximal mögliche Leistung wird im Betrieb, in welchem ja nur eine konstante Leistung im Arbeitsbereich gefordert ist, nicht genutzt. Daher sind die elektrische Maschine und weitere Komponenten wie Wechselrichter oder Frequenzumwandler, Kabel und dergleichen überdimensioniert.
15 Bisher sind verschiedene Möglichkeiten zum Umgang mit der beschriebenen Problematik bekannt. So kann beispielsweise -wie bereits angedeutet- in höhe ren Drehzahlbereichen des Betriebsdrehzahlbereichs der Strom für die elektri sche Maschine begrenzt werden. Dies hat die Folge, dass die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine und des Umrichters nicht voll ausgenutzt wird, und
20 entsprechend für das Erzielen der gewünschten Betriebsleistung im unteren Bereich des Betriebsdrehzahlbereiches eine Überdimensionierung der jeweili gen Komponenten wie dem Frequenzumwandler/Umrichter erforderlich ist.
Eine weitere Möglichkeit ist der Betrieb der elektrischen Maschine in Feld
25 schwächung. Durch die Schwächung des Feldes in der elektrischen Maschine kann eine annähernd konstante Leistungskennlinie erreicht werden, allerdings resultieren hohe Schaltverluste im Umrichter, welche gerade im Leerlauf bei hohen Drehzahlen kritisch sein können. Gerade ein Leerlauf bei hohen Dreh zahlen tritt aber im Betrieb von Schwungmassenspeichern häufig auf.
BO
Eine andere Möglichkeit ist die Auslegung der elektrischen Maschine auf eine konstante Leistung durch spezifische topologische Effekte. So kann in speziellen Anwendungsfällen beispielsweise durch die Ausnutzung einer konstruktiv be dingten Aufweitung des Rotorluftspalts bei hohen Drehzahlen und spezieller
35 Maschinentopologien wie der synchronen Reluktanz, eine annähernd kon stante Leistungscharakteristik erreicht werden. Der Nachteil dieses Ansatzes ist das äußerst komplexe Zusammenwirken einer Vielzahl unterschiedlicher Sys temkomponenten, welches schwer zu beherrschen ist. Entsprechend ist dieser Ansatz auf wenige sehr spezielle Anwendungen begrenzt.
Aus dem Automobilbereich, beispielsweise der DE 102011 11785S Al und der DE 101 604 81 Al sind Ansätze bekannt, diese Problematik mit zwei elektri schen Maschinen im Antriebsstrang zu lösen, welche über ein Getriebe je nach Betriebspunkt des Antriebs geschaltet werden.
Was die Verbindung von zwei elektrischen Maschinen in einem Gerät anbe langt, so ist derlei dem Grunde nach auch aus dem Maschinenbau bekannt: Bei spielsweise kann eine fremderregte Gleichstrommaschine mit einer zusätzli chen Erregermaschine oder Erregerwicklung ausgestattet sein. Bei netzgekop pelten Synchronmaschinen ist auch die Verwendung einer zweiten elektrischen Maschine auf der gleichen Welle zum Hochfahren der Synchronmaschine be kannt. Hier bringt die zweite elektrische Maschine nur eine Anlaufleistung, wel che im Vergleich zur Betriebsleistung im laufenden Betrieb vernachlässigbar ist. Es ist auch die Verwendung von zwei elektrischen Maschinen auf einer Welle bekannt, in welcher eine der Maschinen als Antrieb und die andere elektrische Maschine als Generator ausgelegt ist, um so eine effiziente Funktionsteilung zu realisieren.
Im Bereich der Schwungmassenspeicher, welche der Speicherung elektrischer Energie durch eine rotierende Schwungmasse dienen, gibt es viele begren zende Rahmenbedingungen hinsichtlich derabführbaren Kühlleistung, des Bau raums, der Führung der Leistungskabel und vielerlei mehr, welche die Nutzung der beschriebenen Verfahren begrenzen oder auch ausschließen. Solche Schwungmassenspeicher können beispielsweise zur Stabilisierung einer Ver sorgungsnetzspannung dienen. Dabei kann elektrische Energie in veränderba ren Beträgen (dynamisch) über mindestens mehrere Sekunden hinweg gespei chert und abgerufen. Typischerweise haben sie dann eine Speicherkapazität von mehr als 0,03kWh. Dabei können einzeln verbaubare Unter-Speicherein heiten mit Einzel-Speicherkapazitäten im Bereich von beispielsweise 0,5 kWh bis 200 kWh je Unter-Speichereinheit Teil der Speichereinheit sein. Entspre chend sind Schwungmassenspeicher im Rahmen dieser Offenbarung im Allge meinen stationäre Schwungmassenspeicher, die am gleichen Ort geladen und entladen werden (ohne dazwischen bewegt zu werden). Derartige Schwung massenspeicher können beispielsweise zum Stabilisieren eines elektrischen Versorgungsnetzes eingesetzt werden oder zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie, welche in Folge mit -bevorzugt mit großer Stromstärke- an einen Verbraucher bereitgestellt werden kann, beispielsweise ein Elektro fahrzeug.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, bekannte Schwungmassen speicher dahingehend zu verbessern, dass sie in einem möglichst großen Be triebs-Drehzahlbereich mit verbesserter Effizienz eine konstante Leistung auf nehmen und abgeben können.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Pa tentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Ein Aspekt betrifft eine Doppelmotoreinheit für einen Schwungmassenspei cher, mit zumindest zwei an einen gemeinsamen Rotationskörper gekoppelten elektrischen Maschinen. Die Schwungmasse des Schwungmassenspeichers kann dabei Teil des Rotationskörpers sein, oder der Rotationskörper kann auch die Schwungmasse sein oder ein Teil der Schwungmasse. Der Rotationskörper kann auch eine Antriebswelle, insbesondere eine Hohlwelle sein oder umfas sen. Der Rotationskörper ist bevorzugt für einen Betrieb in einem evakuierten Raum ausgebildet und weißt beispielsweise Komponenten einer Magnetlager vorrichtung auf. Die elektrischen Maschinen können innenliegende elektrische Maschinen („Außenläufer") oder außenliegende elektrische Maschinen („In nenläufer") sein. Im Fall von Außenläufer ist eine als Hohlwelle ausgeführte An triebswelle, welche dann mit dem Rotor der elektrischen Maschine gekoppelt ist, besonders vorteilhaft. Die elektrischen Maschinen weisen jeweils einen Sta tor und einen zugehörigen, an den Rotationskörper gekoppelten Rotor auf. Da bei können die elektrischen Maschinen auch einen gemeinsamen Stator und/o der gemeinsamen Rotor aufweisen, was die Zahl der erforderlichen Bauteile reduziert. Dies kann beispielsweise mittels spezieller Wickelschemata für Stator und/oder Rotor realisiert werden. Die jeweiligen einzelnen Rotoren der elektri schen Maschinen bzw. der gemeinsame Rotor können in den Rotationskörper integriert sein, insbesondere also in axialer Richtung überlappend miteinander und/oder mit dem Rotationskörper auf der Antriebswelle angeordnet sein. Durch die Kopplung über den gemeinsamen Rotationskörper sind die Drehzah len der elektrischen Maschine (und des gemeinsamen Rotationskörpers) in je dem Betriebspunkt der Doppelmotoreinheit, welcher im Folgenden zur Unter scheidung gegenüber den Einzelbetriebspunkten der jeweiligen elektrischen Maschinen als Gesamt-Betriebspunkt bezeichnet wird, linear voneinander ab hängig, insbesondere gleich. Entsprechend können die verschiedenen elektri schen Maschinen, wie unten noch ausgeführt, auf der gleichen (Antriebs-) Welle angeordnet sein bzw. sitzen. Bevorzugt sind die verschiedenen elektri schen Maschinen dabei bei bestimmungsgemäßem Gebrauch mechanisch nicht voneinander entkoppelbar, zwischen den verschiedenen elektrischen Maschi nen ist dann keine Kupplung oder dergleichen vorhanden.
Dabei haben die elektrischen Maschinen jeweils voneinander verschiedene Leistungskennlinien, welche die maximale Leistung P der jeweiligen elektri schen Maschine in Abhängigkeit der Drehzahl w beschreiben. Die Leistungs kennlinien können daher auch als drehzahlabhängige Leistungskennlinien be zeichnet werden. Die Leistungskennlinien geben also die jeweilige bei einem maximalen Strom der elektrischen Maschine erreichbare maximale Leistung, die Maximalleistung, für eine bestimmte Drehzahl an. Die Leistungskennlinien entsprechen dabei nach den bekannten Zusammenhängen jeweiligen Momen- ten-Charakteristiken der elektrischen Maschinen, so dass die elektrischen Ma schinen auch voneinander verschiedene Momenten-Charakteristiken haben. Die verschiedenen Leistungskennlinien resultieren dabei aus der spezifischen Ausgestaltung von Stator und/oder Rotor der jeweiligen elektrischen Maschi nen, also der Hardware der elektrischen Maschinen, sowie aus einem jeweili gen Steuerschema, mit welchem die entsprechende elektrische Maschine be trieben wird. Derartige Steuerschemata können beispielsweise auf einer Steu ereinheit, welche zur elektrischen Maschine gehörig ist, in Form von Software hinterlegt sein.
Entsprechend können die verschiedenen Leistungskennlinien der elektrischen Maschinen beispielsweise hardwareseitig durch gewählte Topologie der elektrischen Maschine und auch softwareseitig durch eine Steuereinheit der Doppelmotoreinheit vorgegeben sein. Die konstruktive Auslegung („Hard ware") kann beispielsweise dazu führen, dass eine elektrische Maschine eine linear mit der Drehzahl bis zur Maximaldrehzahl steigende Leistung hat oder aber bei einer vorgegebenen Grenzdrehzahl, beispielsweise bei der halben Ma ximaldrehzahl, in Feldschwäche geht.
Der durch die Software vorgegebene Anteil der verschiedenen Leistungskenn linien kann entsprechend insbesondere auch veränderlich vorgegeben sein. Beispielsweise kann so eine Grenzdrehzahl cof, unterhalb derer die entspre chende elektrische Maschine nicht in Feldschwächung betrieben wird und oberhalb derer die elektrische Maschine in Feldschwäche betrieben wird, durch die Steuereinheit (innerhalb von durch die konstruktionsbedingt für die elekt rische Maschine gegebenen Grenzen) verschoben werden. In einer derartigen Steuereinheit kann auch, beispielsweise in Form einer Tabelle oder eines Mo dells, hinterlegt sein, welche der elektrischen Maschinen der Doppelmotorein heit bei welcher Leistung bei einer gegebenen Drehzahl welche Effizienz oder welche Verluste hat.
Die Doppelmotoreinheit ist dabei ausgebildet, in einem vorgegebenen Be triebs-Drehzahlbereich, das heißt in einem laufenden Betrieb, welcher durch den Betriebs-Drehzahlbereich charakterisiert ist, durch ein Zusammenspiel der (bevorzugt unterschiedlichen) elektrischen Maschinen eine einstellbare Ge samt-Betriebsleistung zu erbringen. Dabei kann unter „einstellbar" im Rahmen der beschriebenen Doppelmotoreinheit auch „regelbar" oder „steuerbar" zu verstehen sein. Der laufende Betrieb der Doppelmotoreinheit unterscheidet sich dabei von einem Anlaufbetrieb der Doppelmotoreinheit, im laufenden Be trieb erfüllt die Doppelmotoreinheit und der zugeordnete Schwungmassen speicher ihren bzw. seinen bestimmungsgemäßen Nutzen. Entsprechend ist der Betriebs-Drehzahlbereich der Drehzahlbereich, bei welchem die Doppelmo toreinheit den in bestimmungsgemäßem Gebrauch vorgesehenen Nutzen er zielt. Folglich können die unterschiedlichen elektrischen Maschinen als soge nannte „geregelte" elektrische Maschinen bezeichnet werden.
Das Zusammenspiel der elektrischen Maschinen entspricht dabei einem ge meinsamen Wirken der elektrischen Maschinen auf den Rotationskörper, wel ches in zumindest einem Gesamt-Betriebspunkt der Doppelmotoreinheit reali siert wird. Das Zusammenspiel der elektrischen Maschinen erfolgt also über ei nen Teil oder mehrere Teile des Betriebs-Drehzahlbereiches oder durchgängig über den gesamten Betriebs-Drehzahlbereich hinweg.
Dabei ist die Gesamt-Betriebsleistung durch eine aus den verschiedenen Leis tungskennlinien der elektrischen Maschinen resultierende Gesamt-Leistungs kennlinie vorgegeben, und die Gesamt-Leistungskennlinie ist nichtlinear von ei ner Drehzahl des gemeinsamen Rotationskörpers abhängig. Verkürzt kann die nichtlinear von der Drehzahl des gemeinsamen Rotationskörpers abhängige Gesamt-Leistungskennlinie als „nichtlineare Gesamt-Leistungskennlinie" be zeichnet werden. Entsprechend ergibt sich die Gesamt-Betriebsleistung in ei nem Gesamt-Betriebspunkt der Doppelmotoreinheit aus der Summe der Leis tungen in den jeweiligen Betriebspunkten der elektrischen Maschinen. Be triebspunkte können für die elektrischen Maschinen beispielsweise durch Drehzahl und Leistung der elektrischen Maschine bestimmt sein, gegebenen falls auch durch weitere Betriebsparameter wie beispielsweise einen topolo giespezifischen Parameter und/oder einen eine Feldschwäche der jeweiligen elektrischen Maschine beschreibenden Parameter.
Bevorzugt sind dabei die, das heißt sämtliche elektrischen Maschinen der Dop pelmotoreinheit derart ausgelegt, dass sie stets in gleicher Funktion betrieben werden, das heißt entweder sämtlich als Antrieb für den Rotationskörper oder sämtlich als Generator an dem Rotationskörper. In vorteilhafter Weise sitzen auch erster und zweiter Rotor auf dem gemeinsamen Rotationskörper, insbe sondere der gemeinsamen (Hohl-) Antriebswelle.
Die Kopplung von zwei elektrischen Maschinen auf einem gemeinsamen Rota tionskörper (insbesondere einer Welle) hat den Vorteil, dass der zur Verfügung stehende Bauraum besser ausgenutzt werden kann, und auch Kühlkapazität und Platz für die elektrischen Leistungskabel besser ausgenutzt wird. Die Ver wendung von zwei elektrischen Maschinen mit voneinander verschiedenen Leistungskennlinien bzw. unterschiedlichen Momenten-Charakteristiken er möglicht, die nichtlineare Gesamt-Leistungskennlinie. Dadurch kann eine Be grenzung des Stroms in höheren Drehzahlbereichen des Betriebsdrehzahlberei ches vermindert oder ganz vermieden werden. So können Frequenzumrichter und leistungsführende Komponenten wie Kabel, Stecker und Durchführungen im Betriebs-Drehzahlbereich durchgängig nahe der jeweiligen Auslegungs grenze betrieben werden, was wiederum elektrische Verluste und erforderliche Bauraum- und Kühlkapazität verringert. Da die einzelnen elektrischen Maschi nen auch einzeln gesteuert werden können, wird hier über einen weiten Dreh zahlbereich eine große Flexibilität erreicht.
Wechsel- oder Frequenzumrichter der beiden elektrischen Maschinen sind vor teilhafterweise explizit auf die Betriebsweise der jeweils betriebenen Maschine abgestimmt, was zu einer hohen Ausnutzung der Leistungskomponenten führt. Die unterschiedlichen elektrischen Maschinen haben also bevorzugt unter schiedliche Wechselrichter, die Wechselrichter sind dann explizit auf Betriebs weise^) und Topologie der jeweils betriebenen Maschine angepasst.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Unterschied der jeweiligen durch die elektrischen Maschinen (bei zumindest einer, für beide Maschinen gleichen Drehzahl) erbringbaren Maximalleistungen weniger als 70 %, insbesondere weniger als 50 %, bevorzugt weniger als 10 % der Maximalleis tung der (bei der jeweiligen Drehzahl) stärkeren oder stärksten elektrischen Maschine beträgt. Dabei können bei unterschiedlichen Drehzahlen unter schiedliche elektrische Maschinen die jeweils stärkere oder stärkste elektrische Maschine sein. Beispielsweise kann also eine elektrische Maschine (A) bei einer Drehzahl (1) stärker sein als eine andere elektrische Maschine (B), bei weiteren Drehzahl (2) beide elektrischen Maschinen gleich stark und bei einer wiederum anderen Drehzahl (3) die andere elektrische Maschine (B) stärker als die eine elektrische Maschine (A). Die oben im Absatz quantifizierten Verhältnisse der Maximalleistungen gelten bevorzugt für zumindestens eine Drehzahl (also eine oder mehrere Drehzahlen) des Betriebsdrehzahlbereichs, besonders bevorzugt im gesamten Betriebsdrehzahlbereich. Alternativ kann dies auch für sämtliche Drehzahlen der Doppelmotoreinheit und damit der elektrischen Maschinen gelten. Bevorzugt liegen also die Maximalleistungen der unterschiedlichen elektrischen Maschinen in der gleichen Größenordnung.
Das hat den Vorteil, dass eine besonders große Flexibilität bei dem Zusammen spiel der elektrischen Maschinen erreicht wird, da im Gegensatz zu beispiels weise Lösungen, in welchen eine zweite elektrische Maschine nur eine Anlauf leistung erbringt und daher nicht wesentlich zur Betriebsleistung beitragen kann, vorliegend eine gewünschte Gesamt-Betriebsleistung mit großer Variabi lität in der Beteiligung der unterschiedlichen elektrischen Maschinen erreicht werden kann. Beispielsweise kann so die elektrische Maschine, die den Großteil einer gewünschten Gesamt-Betriebsleistung erbringen soll, frei gewählt wer den. So kann beispielsweise bei einer Gesamtbetriebsleistung von 90kW 50kW durch die erste elektrische Maschine und 40kW durch die zweite elektrische Maschine, jedoch bei einer Gesamtleistung von 110kW, 50kW durch die erste elektrische Maschine und 60kW durch die zweite elektrische Maschine er bracht werden - die Haupt-Leistung der Doppelmotoreinheit kann also durch unterschiedliche elektrische Maschinen erbracht werden, beispielsweise ent sprechend in der Steuereinheit hinterlegten Verlusten der elektrischen Maschi nen für verschiedene Kombinationen von Leistung und Drehzahl. Auch hier durch wird die Effizienz der Doppelmotoreinheit gesteigert.
Unter Erzielung der gleichen Vorteile kann auch vorgesehen sein, dass ein Un terschied des Wirkungsgrades der elektrischen Maschinen bei Erbringung der Betriebsleistung und damit bei zumindest einer gleichen Drehzahl weniger als 10 %, insbesondere weniger als 5 %, bevorzugt weniger als 2 % beträgt. Die hier quantifizierten Verhältnisse der Wirkungsgrade gelten bevorzugt für zumindes- tens eine Drehzahl (also eine oder mehrere Drehzahlen) des Betriebsdrehzahl bereichs, besonders bevorzugt im gesamten Betriebsdrehzahlbereich, oder auch für alle Drehzahlen. Vorteilhafterweise ist also der Wirkungsgrad der je weiligen elektrischen Maschinen bei Erbringung der Betriebsleistung in derglei chen Größenordnung. Auch hierin unterscheidet sich die beschriebene Doppel motoreinheit somit von den bekannten Anwendungen mit einer zweiten elektrischen Maschine als Anlaufhilfe für eine netzgekoppelte Synchronma schine.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Be triebs-Drehzahlbereich durch eine Minimaldrehzahl größer Null, beispielsweise 2000, 10000 oder 30000 Umdrehungen pro Minute, und eine Maximaldrehzahl größer als die Minimaldrehzahl vorgegeben ist. Der Betriebs-Drehzahlbereich umfasst dabei vorteilhafterweise mehr als 30 %, insbesondere mehr als 50 %, eines Gesamt-Drehzahlbereichs der Doppelmotoreinheit. Der Gesamt-Dreh zahlbereich der Doppelmotoreinheit kann dabei durch die Maximalleistung der Doppelmotoreinheit vorgegeben bzw. begrenzt sein. Das hat den Vorteil, dass die nichtlineare Gesamt-Leistungskennlinie bereits bei geringen Drehzahlen und über einen großen Arbeitsbereich, dem Betriebs-Drehzahlbereich, hinweg erreicht wird, und somit in diesem Bereich die Effizienz gesteigert ist.
In einer anderen, besonders vorteilhaften Ausführungsform, ist vorgesehen, dass die Doppelmotoreinheit ausgebildet ist, eine eingestellte Gesamt-Be triebsleistung durch jeweiliges individuelles Vorgeben eines jeweiligen Be triebspunktes für die elektrischen Maschinen, also jeweilige, voneinander un abhängige Leistungseinstellungen der elektrischen Maschinen, einzustellen. Dies gilt bei zumindest einer Drehzahl, also einer, mehreren, oder allen Dreh zahlen des Betriebs-Drehzahlbereiches. Das Einstellen des Betriebspunktes bei der zumindest einen Drehzahl des Betriebs-Drehzahlbereiches, bevorzugt ei nen Drehzahl-Unterbereich des Betriebs-Drehzahlbereiches, umfasst dabei ein Einstellen eines momentbestimmenden Stroms, welcher auch als q-Strom be zeichnet werden kann, und/oder eines feldbestimmenden Stroms, welcher als d-Strom bezeichnet werden kann. Insbesondere kann das Einstellen des Be triebspunktes bei der oder den genannten Drehzahlen auch ein Einstellen eines topologiespezifischen Parameters der elektrischen Maschine umfassen.
Damit kann beispielsweise über eine geeignete Wahl der jeweiligen Ströme nur eine der elektrischen Maschinen in Feldschwäche betrieben werden, oder auch zwei elektrische Maschinen zugleich in Feldschwäche betrieben werden, was dann entsprechend der Auslegung der elektrischen Maschinen zu der ge wünschten Gesamt-Betriebsleistung führen kann. Die unterschiedlichen elektrischen Maschinen können damit sowohl symmetrisch, also beispielsweise beide oder alle in Feldschwächung oder alle ohne Feldschwächung eingestellt werden, als auch unsymmetrisch, also beispielsweise eine elektrische Maschine ohne Feldschwächung und eine elektrische Maschine in Feldschwächung.
Dadurch kann die Doppelmotoreinheit weiter in der Effizienz gesteigert wer den, da je nach Betriebspunkt, also beispielsweise Drehzahl, eine elektrische Maschine effizienter als die andere betrieben werden kann und somit wie weiter unten noch beschrieben eine Gesamt-Effizienz optimiert werden kann. Dies ist beispielhaft in der folgenden Tabelle gezeigt:
Figure imgf000012_0001
Figure imgf000013_0001
In dem Beispiel wird eine Soll-Gesamt-Betriebsleistung von 162kW, was hier 90% der Maximalleistung der Doppelmotoreinheit entspricht, nicht wie üblich durch ein Erbringen von jeweils 90% der Maximalleistung der ersten und der zweiten Maschine als jeweilige Betriebsleistung eingestellt. Vielmehr wird, beispielsweise durch ein Einstellen der Betriebsleistung der ersten elektri schen Maschine auf 100% ihrer Maximalleistung und der zweiten Maschine auf 77,5% ihrer Maximalleistung dieselbe Soll-Gesamt-Betriebsleistung von 162kW erbracht, jedoch mit einem optimierten ungleichen Aufteilen der zu erbringenden Gesamt-Betriebsleistung auf die unterschiedlichen elektrischen Maschinen. Dies kann beispielsweise basierend auf einer in der Steuereinheit hinterlegten Tabelle erfolgen, welche für die jeweiligen Betriebspunkte die entsprechende Effizienz der einzelnen elektrischen Maschinen hinterlegt ist, so dass die Steuereinheit hier die Kombination individueller Betriebspunkte mit der maximalen Effizienz wählen kann.
Entsprechend kann hier vorgesehen sein, dass die Doppelmotoreinheit ausge bildet ist, die jeweiligen Betriebspunkte der unterschiedlichen elektrischen Ma schinen so einzustellen, dass die Summe der elektrischen Verluste in den elektrischen Maschinen bei der eingestellten oder angeforderten Gesamt-Be triebsleistung minimal ist. Dies gilt insbesondere bei zumindest einer Drehzahl, also einer, mehreren oder allen Drehzahlen des Betriebs-Drehzahlbereiches. Es wird hier also die Gesamt-Effizienz der Doppelmotoreinheit maximiert, indem die Effizienz bzw. die auftretenden Verluste der einzelnen elektrischen Maschi nen gegeneinander abgewogen wird bzw. werden. Damit kann beispielsweise für eine elektrische Maschine bewusst eine Verschlechterung der Effizienz in Kauf genommen werden, wenn diese durch eine Erhöhung der Effizienz ande ren elektrischen Maschine ausgeglichen wird. In dem oben genannten Beispiel kann sich also beispielsweise die Effizienz der zweiten Maschine bei einer Ver ringerung der zu erbringenden Betriebsleistung auf 77,5 % der Maximalleistung um einen kleineren ersten Betrag verringern, was jedoch durch ein Steigern der Effizienz der ersten elektrischen Maschine bei einem Steigern der zu erbringen den Leistung von 90% auf 100 % um einen größeren zweiten Betrag mehr als ausgeglichen würde. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrischen Maschinen zumindest eine permanent erregte Synchronmaschine und/oder zumindest eine Synchron-Reluktanzmaschine und/oder zumindest eine Asynchronmaschine umfassen, insbesondere zwei permanente erregte Synchronmaschinen oder eine permanent erregte Synchronmaschine in Kombination mit einer Synchron-Reluktanzmaschine oder eine permanent erregte Synchronmaschine in Kombination mit einer Asynchronmaschine oder eine Synchron-Reluktanzmaschine in Kombination mit einer asynchronen Maschine. Die elektrischen Maschinen können auch zwei Asynchronmaschinen oder zwei Synchron-Reluktanzmaschinen umfassen. Alternativ oder ergänzend können die elektrischen Maschinen auch eine oder mehrere elektrische Maschinen umfassen, welche nicht von den genannten Spezifikationen umfasst sind. Bevorzugt sind die elektrischen Maschinen dabei derart kombiniert, dass bei der Maximaldrehzahl des Betriebs-Drehzahlbereiches die geringst möglichen Schleppverluste auftreten. Die elektrischen Maschinen können also eine gleiche oder eine voneinander verschiedene Topologie aufweisen und damit entsprechend auf gleichen bzw. voneinander verschiedenen Funktionsprinzipien beruhen. Dabei haben sich die aufgezählten Möglichkeiten als besonders vorteilhaft im Bereich der Schwungmassenspeicher erwiesen.
In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Leis tungskennlinien der elektrischen Maschinen derart vorgegeben sind, insbeson dere auch mit einer entsprechende Software in einer Steuereinheit derart vor- gebbar oder modifizierbar vorgegeben sind, dass sich im Betriebs-Drehzahlbe reich gemäß der Gesamt-Leistungskennlinie eine im Wesentlichen konstante oder konstante Maximalleistung ergibt. Als im Wesentlichen konstant kann hier eine Leistung angesehen werden, welche im Betriebs-Drehzahlbereich um we niger als 35%, insbesondere weniger als 25%, bevorzugt weniger als 15 % von dem Maximalwert der Gesamt-Leistungskennlinie im Betriebs-Drehzahlbereich abweicht. Das hat den Vorteil, dass sich mittels der bekannten Werkzeuge der Auslegung von elektrischen Maschinen im Zusammenspiel der elektrischen Ma schinen insgesamt für die Doppelmotoreinheit eine mit minimierten Verlusten behaftete Doppelmotoreinheit bereitstellen lässt, welche in einem vorgegebe nen Anwendungsbereich eine weitgehend konstante Leistung erbringt. In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest eine, also eine, mehrere, oder alle elektrischen Maschinen derart ausgelegt sind, dass ihr Drehmoment in einem vorgegebenen Drehzahlbereich mit steigender Drehzahl monoton fällt. Insbesondere kann der vorgegebene Drehzahlbereich ein Teilbereich des Betriebs-Drehzahlbereich sein oder einen Teilbereich des Betriebs-Drehzahlbereiches umfassen. Dieser Teilbereich kann zumindest 30%, zumindest 60%, oder zumindest 90% des Betriebs- Drehzahlbereichs beinhalten. Der Teilbereich kann dabei an eine obere Grenze des Betriebs-Drehzahlbereiches anschließen oder die obere Grenze umfassen. Insbesondere kann das Drehmoment im Betriebs-Drehzahlbereich zwischen dem Teilbereich und der unteren Grenze des Betriebs-Drehzahlbereiches ein Maximum haben, ab dem es abfällt. Unterhalb des Maximums kann das Drehmoment mit der Drehzahl ansteigen. Alternativ kann der vorgegebene Drehzahlbereich auch den gesamten Betriebs-Drehzahlbereich beinhalten. Das hat den Vorteil, dass sich in der Gesamt-Leistungskennlinie über einen breiten Betriebsbereich annähernd ein Plateau und damit eine konstante Leistung erreichen lässt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumin dest eine elektrische Maschine derart ausgelegt ist, dass ihr Drehmoment mit steigender Drehzahl zumindest im Wesentlichen konstant oder konstant ist. Dies gilt insbesondere zumindest im Betriebs-Drehzahlbereich. Unter „im We sentlichen konstant" kann hier bis auf eine vorgegebene Abweichung, welche beispielsweise 35%, 25% oder 15% betragen kann, konstant verstanden wer den. Das hat den Vorteil, dass sich in der Gesamt-Leistungskennlinie über einen breiten Betriebsbereich annähernd ein Plateau und damit eine konstante Leis tung erreichen lässt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass gemäß der Gesamt-Leistungskennlinie die Maximalleistung der Doppelmotoreinheit bei einer Drehzahl erreicht wird, welche unter der Maximaldrehzahl des Be triebs-Drehzahlbereiches liegt. Bevorzugt kann die Maximalleistung der Dop pelmotoreinheit bei einer Drehzahl erreicht werden, welche um mehr als 10% oder mehr als 25% von der Maximaldrehzahl des Betriebs-Drehzahlbereiches abweicht. Das hat den Vorteil, dass sich für einen besonders großen Betriebs- Drehzahlbereich eine weitgehend konstante Maximalleistung der Doppelmo toreinheit ergibt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ma ximalleistung der Doppelmotoreinheit gemäß der Gesamt-Leistungskennlinie in dem Betriebs-Drehzahlbereich maximal um 35% von der Leistung der Dop pelmotoreinheit bei der Maximaldrehzahl des Betriebs-Drehzahlbereiches ab weicht, insbesondere maximal um 25% oder 15% abweicht. Der Betriebs-Dreh zahlbereich kann hier und auch allgemein derart vorgegeben sein, dass die Werte der Gesamt-Leistungskennlinie bei der Maximal- und der Minimal-dreh- zahl des Betriebs-Drehzahlbereiches identisch sind. Dies ist gerade in Zusam menwirkung mit der letztgenannten Ausführungsform vorteilhaft.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dop pelmotoreinheit zumindest eine, also eine oder mehrere, weitere an den ge meinsamen Rotationskörper gekoppelte elektrische Maschine aufweist, wobei alle elektrischen Maschinen voneinander verschiedene Leistungskennlinien ha ben. Bei Betrieb ist die Drehzahl aller elektrischen Maschinen somit stets linear voneinander abhängig, bevorzugt identisch. Die Doppelmotoreinheit ist dabei ausgebildet, in dem Betriebs-Drehzahlbereich durch ein Zusammenspiel aller elektrischen Maschinen die Gesamt-Betriebsleistung zu erbringen, welche durch eine aus den verschiedenen Leistungskennlinien aller entsprechenden elektrischen Maschinen resultierende Gesamt-Leistungskennlinie vorgegeben ist, wobei die Gesamt-Leistungskennlinie nichtlinear von der Drehzahl des ge meinsamen Rotationskörpers abhängig ist. Dies gilt in dem Betriebs-Drehzahl bereich in zumindest einem, also einem oder mehreren Betriebspunkten, be vorzugt über einen oder mehrere Bereiche des Betriebs-Drehzahlbereichs, ide alerweise über den gesamten Betriebs-Drehzahlbereich. Dabei kann das Zu sammenspiel auch qualitativ variieren, beispielsweise kann das Zusammenspiel aller elektrischen Maschinen in einem ersten Unterbereich des Betriebs-Dreh zahlbereiches ein Zusammenwirken der ersten beiden elektrischen Maschinen umfassen, in welchem die zumindest eine weitere elektrische Maschine keine Leistung beiträgt, und in einem weiteren, von dem ersten Unterbereich ver schiedenen Unterbereich des Betriebs-Drehzahlbereiches ein Zusammenwir ken von einer der beiden ersten elektrischen Maschinen mit der zumindest ei- nen weiteren elektrischen Maschine umfassen, wobei dann die andere der bei den ersten elektrischen Maschinen keine Leistung zur Gesamt-Betriebsleistung beiträgt. In einem von erstem und zweitem Unterbereich verschiedenen dritten Unterbereich können beispielsweise alle elektrischen Maschinen Zusammen wirken und in einem wiederum von den anderen Unterbereichen verschiede nen vierten Unterbereich nur eine einzige elektrische Maschine die gewünschte Gesamt-Betriebsleistung erbringen. Das hat den Vorteil, dass die Gesamt-Leis tungskennlinie genauer vorgegeben werden kann, beispielsweise eine stärkere oder schwächere Welligkeit gewählt werden kann, um die Doppelmotoreinheit an spezifische Anforderungen des jeweiligen Anwendungsgebietes anzupas sen.
Ein Aspekt betrifft auch einen Schwungmassenspeicher mit einer Doppelmo toreinheit nach einer der erläuterten Ausführungsformen. Bevorzugt weist der Schwungmassenspeicher einen bei bestimmungsgemäßem Gebrauch in einem evakuierten Raum angeordneten Rotationskörper auf. Der Rotationskörper kann mit einer Magnetlagervorrichtung gelagert sein.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Steuern (welches wie oben er läutert auch als Regeln verstanden werden kann) einer Doppelmotoreinheit in einem Schwungmassenspeicher, wobei die Doppelmotoreinheit einen an eine Schwungmasse des Schwungmassenspeichers mechanisch gekoppelten oder einen die Schwungmasse umfassenden gemeinsamen Rotationskörper mit zu mindest zwei an dem gemeinsamen Rotationskörper mechanisch gekoppelten elektrischen Maschinen aufweist und die elektrischen Maschinen jeweils von einander verschiedene Leistungskennlinien haben. Das Steuern umfasst ein Be treiben der elektrischen Maschinen im laufenden Betrieb der Doppelmotorein heit entsprechend jeweiliger individueller, also individuell vorgebbarer Leis tungsvorgaben derart, dass die elektrischen Maschinen im Zusammenspiel eine Gesamt-Betriebsleistung erbringen, welche durch eine aus den verschiedenen Leistungskennlinien der elektrischen Maschinen resultierende, nichtlinear von einer Drehzahl des gemeinsamen Rotationskörpers abhängige Gesamt-Leis tungskennlinie vorgegeben ist.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, die elektrischen Maschinen bei im Zusammenspiel derart zu betreiben, dass die Gesamt-Betriebsleistung mit ma ximaler Effizienz der elektrischen Maschinen erbracht wird. Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens entsprechen Vor teilen und vorteilhaften Ausführungsformen der beschriebenen Doppelmo toreinheit und umgekehrt.
Die vorstehend in der Beschreibung, auch dem allgemeinen Teil, genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.
Vorteilhafte Ausführungsformen werden dabei anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine beispielhafte Ausführungsform einer Doppelmotoreinheit für ei nen Schwungmassenspeicher;
Fig. 2 beispielhafte erste Momenten-Charakteristiken einzelner elektrischer Maschinen inklusive der resultierenden Gesamt-Leistungskennlinie; und
Fig. 3 beispielhafte zweite Momenten-Charakteristiken einzelner elektri scher Maschinen inklusive der resultierenden Gesamtleistungskennli nie. In den unterschiedlichen Figuren sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Kom ponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine beispielhafte Doppelmotorein heit für einen Schwungmassenspeicher. Die Doppelmotoreinheit 1 weist dabei vorliegend zwei an einen gemeinsamen Rotationskörper 2 gekoppelte elektri sche Maschinen Sa, 3b auf. Die elektrischen Maschinen 3a, 3b weisen dabei jeweils einen Stator 4a, 4b sowie eine Rotor 5a, 5b auf, welche sich im Betrieb um die gemeinsame Rotationsachse A drehen. Dabei sind die elektrischen Ma schinen 3a, 3b vorliegend mit ihren außenliegenden Rotoren 5a, 5b an den ge meinsamen Rotationskörper 2 gekoppelt, so dass die Drehzahl der beiden elektrischen Maschinen 3a, 3b im Betrieb der Doppelmotoreinheit 1 stets iden tisch ist.
Wie beispielsweise anhand der folgenden Figuren erläutert, weisen die elektri schen Maschinen 3a, 3b dabei jeweils voneinander verschiedene Leistungs kennlinien Pa, Pb auf. Überdies ist die Doppelmotoreinheit 1 ausgebildet in ei nem Betriebs-Drehzahlbereich W durch ein Zusammenspiel der elektrischen Maschinen 3a, 3b eine Gesamt-Betriebsleistung zu erbringen, welche durch eine aus den verschiedenen Leistungskennlinien Pa, Pb der elektrischen Ma schinen 3a, 3b resultierende Gesamt-Leistungskennlinie Pmax vorgegeben ist und die Gesamtleistungslinie Pmax nicht linear von der Drehzahl w des gemein samen Rotationskörpers 2 abhängig ist.
In Fig. 2 sind nun zunächst links zwei beispielhafte Momenten-Charakteristiken Ma, Mb für zwei unterschiedliche elektrische Maschinen in ihrer Abhängigkeit über der Drehzahl w des gemeinsamen Rotationskörpers dargestellt. Das Mo ment Ma der ersten elektrischen Maschine 3a ist dabei konstant über der Dreh zahl co, was zu einer linear mit der Drehzahl w steigenden Leistung P und damit zu einer linearen Leistungskennlinie Pa führt. Die zweite elektrische Maschine 3b ist dabei vorliegend durch die Momenten-Charakteristik Mb charakterisiert, welche unterhalb einerGrenzdrehzahl cof ebenfalls konstant ist, darüber jedoch durch eine Feldschwächung stark, beispielsweise exponentiell mit steigender Drehzahl w abfällt. Die hieraus resultierende Leistungskennlinie Pb ist ebenfalls in Fig. 2 dargestellt. Entsprechend steigt die Leistung P der zweiten elektrischen Maschine Bb der Leistungskennlinie Pb folgend bis zur Grenzfrequenz cof eben falls linear an und bleibt oberhalb der Grenzfrequenz cof konstant.
Im Zusammenspiel der beiden elektrischen Maschinen 3a, 3b ergibt sich dann die rechts in Fig. 2 gezeigte Gesamtleistungskennlinie Pmax. Mit der Gesamt- Leistungskennlinie Pmax wird für den Betriebs-Drehzahlbereich W, welcher von einer Minimaldrehzahl cö min, welche mit der Grenzdrehzahl cof identisch ist, bis zu einer Maximaldrehzahl cömax reicht, eine lineare Betriebsleistung Pijn erreicht. Dabei ist im gleichen Graphen zum Vergleich die Leistungskennlinie Pa der ers ten elektrischen Maschine 3a eingezeichnet, um zu zeigen, dass diese allein die gewünschte Betriebsleistung Pijn nicht erbringen kann. Die Alternative einer stärkeren ersten elektrischen Maschine 3a, welche eine lineare Leistungskenn linie aufweist und bei der Drehzahl cömin bereits die gewünschte Leistung Pijn aufbringt, ist zur Anschauung durch die Leistungskennlinie Pait eingezeichnet. Dabei wird deutlich, dass bei höheren Drehzahlen w des Betriebs-Drehzahlbe reichs W, beispielsweise bei cömax der Strom in solch einer alternativen ersten elektrischen Maschine für einen linearen Leistungsverlauf sehr stark reduziert werden müsste, was große Verluste mit sich bringt. Durch die Kombination der beiden elektrischen Maschinen 3a, 3b und die somit erreichte Gesamt-Leis tungskennlinie Pmax wird dieser Effekt deutlich reduziert, in vorliegendem Bei spiel ungefähr halbiert.
Eine alternative Ausgestaltung der beiden elektrischen Maschinen 3a, 3b ist beispielhaft in Fig. 3 dargestellt. Wieder sind dort die beiden Drehmomenten- Charakteristiken Ma, Mb der ersten bzw. zweiten elektrischen Maschine 3a, 3b über den Drehzahl w inklusive der daraus resultierenden Leistungskennlinien Pa, Pb dargestellt. Im nun gezeigten Beispiel verläuft zumindest eine, hier sogar beide Momenten-Charakteristiken Ma, Mb monoton fallend. Dabei fällt die erste Momenten-Charakteristik Ma linear mit der Drehzahl w, was zu einer Leis tungskennlinie Pa führt, welche zwar monoton mit zunehmender Drehzahl steigt, sich jedoch mit zunehmender Drehzahl w abflacht, das heißt weniger stark steigt wie dies beispielsweise durch eine logarithmische Funktion be schrieben wird. Die Momentencharakteristik Mb der zweiten elektrischen Ma schine 3b fällt bis zu einer Grenzfrequenz cjf ebenfalls linear, fällt danach jedoch ähnlich dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel aufgrund einer Feldschwächung stark ab, so dass die resultierende Leistungskennlinie Pb nur bis zu einer bestimmten Frequenz wr monoton steigt, oberhalb der Drehzahl wr jedoch monoton fällt. Dabei ist die Drehzahl wr hier größer als die Drehzahl Uf.
Ein Zusammenwirken der beiden elektrischen Maschinen ergibt nun die rechts in Fig. 3 gezeigte Gesamtleistungslinie Pmax. Wieder ist dabei zur Veranschauli chung auch die einzelne Leistungskennlinie Pa der ersten Maschine 3a einge zeichnet. Damit ergibt sich, dass die gewünschte lineare Betriebsleistung Pim mit der ersten elektrischen Maschine 3a alleine nicht effizient zu erreichen wäre. Dabei erreicht die Gesamtleistungskennlinie Pmax bei einer Drehzahl upeak ihren Maximalwert. Diese Drehzahl upeak ist dabei vorliegend größer als die Drehzahl cop, bei der die Leistungskennlinie Pb der zweiten elektrischen Ma schine 3b ihren Maximalwert erreicht. Insgesamt wird durch das Zusammen wirken der beiden elektrischen Maschinen 3a, 3b mit den jeweiligen Momen- ten-Charakteristiken Ma, Mb bzw. den Leistungskennlinien Pa, Pb so eine Ge samt-Leistungskennlinie Pmax erreicht, welche in dem Betriebs-Drehzahlbereich W sehr flach verläuft und daher effizient für eine lineare Betriebsleistung in dem gesamten Betriebs-Drehzahlbereich W genutzt werden kann. Vorliegend ent spricht der Wert der Gesamt-Leistungskennlinie Pmax für die Grenzen des Be triebs-Drehzahlbereichs W, min und Umax, dem Wert der für Betriebs-Drehzahl bereich W gewünschten Betriebsleistung Pim. Dadurch wird erreicht, dass die Abweichung des Maximalwertes der Gesamtleistungskennlinie Pmax bei der Drehzahl upeak nur minimal von der gewünschten Betriebsleistung Pim abweicht. Die entsprechende Abweichung d kann beispielsweise weniger als 25% oder sogar weniger als 15% betragen. In dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel beträgt sie rund 10% der gewünschten Betriebsleistung Pim. Damit können auch die weite ren Komponenten optimal an die zu erbringende Betriebsleistung Pim angepasst werden, so dass auch Kühlleistung, elektrische Verluste und dergleichen opti miert werden, so dass insgesamt die Effizienz der Doppelmotoreinheit 1 und damit eines zugehörigen Schwungmassenspeichers optimiert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Doppelmotoreinheit (1) für einen Schwungmassenspeicher, mit zu mindest zwei an einen gemeinsamen Rotationskörper (2) gekoppelten elektrischen Maschinen (Sa, 3b); wobei
- die elektrischen Maschinen (3a, 3b) jeweils voneinander verschiede ne Leistungskennlinien (Pa, Pb) haben; und
- die Doppelmotoreinheit (1) ausgebildet ist, in einem Betriebs- Drehzahlbereich (W) durch ein Zusammenspiel der elektrischen Ma schinen (3a, 3b) eine Gesamt-Betriebsleistung zu erbringen, wobei die Gesamt-Betriebsleistung durch eine aus den verschiedenen Leistungs kennlinien (Pa, Pb) der elektrischen Maschinen (3a, 3b) resultierende Gesamt-Leistungskennlinie (Pmax) vorgegeben ist und die Gesamt- Leistungskennlinie (Pmax) nichtlinear von einer Drehzahl (co) des ge meinsamen Rotationskörpers (2) abhängig ist.
2. Doppelmotoreinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterschied der jeweiligen durch die elektrischen Maschinen (3a, 3b) bei einer gleichen Drehzahl (co) erbringbaren Maximalleistungen weniger als 70%, insbesondere weniger als 50%, bevorzugt weniger als 10%, der Maximalleistung der stärkeren elektrischen Maschine (3a, 3b) beträgt.
3. Doppelmotoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebs-Drehzahlbereich (W) durch eine Minimaldrehzahl (w,t,ίh ) größer Null und eine Maximaldrehzahl (cjmax) größer der Minimaldreh zahl ((Jmin) vorgegeben ist und mehr als 30%, insbesondere mehr als 50%, eines Gesamt-Drehzahlbereichs der Doppelmotoreinheit (1) um fasst.
4. Doppelmotoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelmotoreinheit (1) ausgebildet ist, eine eingestellte Gesamt- Betriebsleistung durch jeweiliges individuelles Vorgeben eines jeweili gen Betriebspunktes für die elektrischen Maschinen (3a, 3b) einzustel len, wobei das Einstellen des Betriebspunktes ein Einstellen eines mo mentbestimmenden Stroms und eines feldbestimmenden Stroms um fasst.
5. Doppelmotoreinheit (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelmotoreinheit (1) ausgebildet ist, die jeweiligen Betriebs punkte der unterschiedlichen elektrischen Maschinen (3a, 3b) so ein zustellen, dass die Summe der elektrischen Verluste in den elektri schen Maschinen (3a, 3b) bei der eingestellten Gesamt- Betriebsleistung minimal ist.
6. Doppelmotoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungskennlinien (Pa, Pb) der elektrischen Maschinen (3a, 3b) derart vorgegeben sind, dass sich im Betriebs-Drehzahlbereich gemäß der Gesamt-Leistungskennlinie (Pmax) eine im Wesentlichen konstante Maximalleistung ergibt.
7. Doppelmotoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine elektrische Maschine (3a, 3b) derart ausgelegt ist, dass ihr Drehmoment (Ma, Mb) in einem vorgegebenen Drehzahlbereich mit steigender Drehzahl (w) monoton fällt, insbesondere kann der vor gegebene Drehzahlbereich einen Teilbereich des Betriebs- Drehzahlbereich umfassen, der bevorzugt zumindest 30%, zumindest 60% oder zumindest 90% des Betriebs-Drehzahlbereichs beinhaltet.
8. Doppelmotoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine elektrische Maschine (3a, 3b) derart ausgelegt ist, dass ihr Drehmoment (Ma, Mb) mit steigender Drehzahl (w) zumindest im Wesentlichen konstant ist, insbesondere derart, dass die Maximalleis tung der Doppelmotoreinheit (1) gemäß der Gesamt- Leistungskennlinie (Pmax) in dem Betriebs-Drehzahlbereich (W) maximal um 35% von ihrem Wert bei der Maximaldrehzahl (cjmax) des Betriebs- Drehzahlbereiches (W) abweicht, insbesondere maximal um 25%..
9. Doppelmotoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß der Gesamt-Leistungskennlinie (Pmax) die Maximalleistung der Doppelmotoreinheit (1) bei einer Drehzahl erreicht wird, welche unter der Maximaldrehzahl des Betriebs-Drehzahlbereiches liegt.
10. Doppelmotoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
- zumindest eine weitere an den gemeinsamen Rotationskörper (2) ge koppelte elektrische Maschine, wobei
- alle elektrischen Maschinen (3a, 3b) voneinander verschiedene Leis tungskennlinien (Pa, Pb) haben; und - die Doppelmotoreinheit (1) ausgebildet ist, in dem Betriebs- Drehzahlbereich (W) durch ein Zusammenspiel aller elektrischen Ma schinen (3a, 3b) die Gesamt-Betriebsleistung zu erbringen, welche durch eine aus den verschiedenen Leistungskennlinien (Pa, Pb) aller elektrischen Maschinen (3a, 3b) resultierende Gesamt- Leistungskennlinie (Pmax) vorgegeben ist und die Gesamt- Leistungskennlinie (Pmax) nichtlinear von der Drehzahl (w) des gemein samen Rotationskörpers (2) abhängig ist.
11. Schwungmassenspeicher mit einer Doppelmotoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
12. Verfahren zum Steuern einer Doppelmotoreinheit (1) in einem Schwungmassenspeicher, wobei die Doppelmotoreinheit (1) einen an eine Schwungmasse des Schwungmassenspeichers gekoppelten ge meinsamen Rotationskörper (2) oder einen die Schwungmasse umfas senden gemeinsamen Rotationskörper (2) mit zumindest zwei an den gemeinsamen Rotationskörper (2) gekoppelten elektrischen Maschi nen (3a, 3b) aufweist und die elektrischen Maschinen (3a, 3b) jeweils voneinander verschiedene Leistungskennlinien (Pa, Pb) haben; mit einem
Betreiben der elektrischen Maschinen (3a, 3b) im laufenden Betrieb der Doppelmotoreinheit (1) entsprechend jeweiliger individueller Leis tungsvorgaben derart, dass die elektrischen Maschinen (3a, 3b) im Zu sammenspiel eine Gesamt-Betriebsleistung erbringen, welche durch eine aus den verschiedenen Leistungskennlinien (Pa, Pb) der elektri schen Maschinen (3a, 3b) resultierende, nichtlinear von einer Dreh zahl^) des gemeinsamen Rotationskörpers (2) abhängige Gesamt- Leistungskennlinie (Pmax) vorgegeben ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Maschinen bei dem Betreiben im Zusammenspiel die Gesamt-Betriebsleistung mit maximaler Effizienz erbringen.
PCT/EP2021/058431 2020-04-02 2021-03-31 Doppelmotoreinheit für einen schwungmassenspeicher mit nichtlinearer gesamt-leistungskennlinie WO2021198330A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP21716671.9A EP4128518A1 (de) 2020-04-02 2021-03-31 Doppelmotoreinheit für einen schwungmassenspeicher mit nichtlinearer gesamt-leistungskennlinie
CN202180028482.XA CN115398792A (zh) 2020-04-02 2021-03-31 用于具有非线性总功率特性曲线的飞轮质量存储器的双马达单元
US17/995,245 US20230170829A1 (en) 2020-04-02 2021-03-31 Dual-motor unit for a flywheel energy storage system with a nonlinear overall power characteristic curve

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020204326.4 2020-04-02
DE102020204326.4A DE102020204326A1 (de) 2020-04-02 2020-04-02 Doppelmotoreinheit für einen Schwungmassenspeicher mit nichtlinearer Ge-samt-Leistungskennlinie

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021198330A1 true WO2021198330A1 (de) 2021-10-07

Family

ID=75396754

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/058431 WO2021198330A1 (de) 2020-04-02 2021-03-31 Doppelmotoreinheit für einen schwungmassenspeicher mit nichtlinearer gesamt-leistungskennlinie

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230170829A1 (de)
EP (1) EP4128518A1 (de)
CN (1) CN115398792A (de)
DE (1) DE102020204326A1 (de)
WO (1) WO2021198330A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230066635A1 (en) * 2021-08-26 2023-03-02 Motional Ad Llc Controlling vehicle performance based on data associated with an atmospheric condition

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0622264A2 (de) * 1993-04-28 1994-11-02 Hitachi, Ltd. Antriebssystem und Antriebsverfahren eines elektrischen Fahrzeugs
DE10160481A1 (de) 2001-12-08 2003-06-18 Bosch Gmbh Robert Verfahren zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine eines Hybridantriebes eines Kraftfahrzeuges
GB2472297A (en) * 2010-07-19 2011-02-02 Protean Holdings Corp Electric motor comprising first and second sub-motors
DE102011117853A1 (de) 2010-11-09 2012-05-10 Technische Universität Darmstadt Erfindung betreffend elektrischen Antrieb
CN103280873A (zh) * 2013-05-31 2013-09-04 朱新求 大飞轮发电机
WO2015113562A1 (de) * 2014-02-03 2015-08-06 González-Villar Juan Carlos Antriebssystem für förder-, extruder-, schub-, zugeinrichtungen, gleichlaufanwendungen und zentrumswickler

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4233858A (en) 1976-12-27 1980-11-18 The Garrett Corporation Flywheel drive system having a split electromechanical transmission
DE3021062A1 (de) 1980-06-04 1981-12-24 Maschinenfabrik Esterer AG, 8262 Altötting Verfahren zum betreiben von elektromotorisch angetriebenen holzbearbeitungsmaschinen und antriebsvorrichtung zum durchfuehrung des verfahrens
JPH0614405A (ja) 1992-06-26 1994-01-21 Fuji Electric Co Ltd 電気自動車の電気システム
JP3494074B2 (ja) 1999-05-18 2004-02-03 トヨタ自動車株式会社 動力出力装置およびその制御方法、並びにハイブリッド車両
DE10304610A1 (de) 2003-02-05 2004-08-26 Robert Bosch Gmbh Anordnung und Verfahren zur Wandlung von mechanischer in elektrische Energie und umgekehrt
US7923946B2 (en) 2007-05-18 2011-04-12 Williams Kevin R Flywheel-based energy storage on a heave-compensating drawworks
US7816829B2 (en) * 2008-12-24 2010-10-19 Man-Young Jung Dual motor
US8618752B2 (en) 2010-07-21 2013-12-31 Superior Electron, Llc System, architecture, and method for minimizing power consumption and increasing performance in electric vehicles
EP2552009A1 (de) 2011-07-28 2013-01-30 Siemens Aktiengesellschaft Elektrisch antreibbares Fahrzeug und Verfahren zum Betreiben desselben
DE102015101367A1 (de) 2015-01-30 2016-08-04 Gkn Driveline International Gmbh Elektroantriebsanordnung
US10439456B2 (en) 2016-04-25 2019-10-08 General Electric Company Sleeve rotor synchronous reluctance electric machine
US20200106334A1 (en) * 2017-09-01 2020-04-02 Joshua Robert Miner Systems and methods for providing enhanced mechanical/electrical energy storage

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0622264A2 (de) * 1993-04-28 1994-11-02 Hitachi, Ltd. Antriebssystem und Antriebsverfahren eines elektrischen Fahrzeugs
DE10160481A1 (de) 2001-12-08 2003-06-18 Bosch Gmbh Robert Verfahren zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine eines Hybridantriebes eines Kraftfahrzeuges
GB2472297A (en) * 2010-07-19 2011-02-02 Protean Holdings Corp Electric motor comprising first and second sub-motors
DE102011117853A1 (de) 2010-11-09 2012-05-10 Technische Universität Darmstadt Erfindung betreffend elektrischen Antrieb
CN103280873A (zh) * 2013-05-31 2013-09-04 朱新求 大飞轮发电机
WO2015113562A1 (de) * 2014-02-03 2015-08-06 González-Villar Juan Carlos Antriebssystem für förder-, extruder-, schub-, zugeinrichtungen, gleichlaufanwendungen und zentrumswickler

Also Published As

Publication number Publication date
EP4128518A1 (de) 2023-02-08
CN115398792A (zh) 2022-11-25
US20230170829A1 (en) 2023-06-01
DE102020204326A1 (de) 2021-10-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1691476B1 (de) Zweiphasenpermanentmagnetmotor
DE102014118356A1 (de) Stromversorgungseinheit und elektrische Maschine
DE2152075C3 (de) Kollektorloser Gleichstrom-Motor, insbesondere zum Antrieb einer Einrichtung mit einem Schwungrad
WO2015162135A1 (de) Elektrische maschine
DE2914595A1 (de) Einrichtung zum steuern bzw. regeln des drehmoments eines wechselstrommotors
EP3479462B1 (de) Elektrisches maschinensystem
CH667168A5 (de) Mehrphasige elektrische maschine mit gesteuerter magnetflussdichte.
DE2600422A1 (de) Phasenzahl- und frequenz-umformer
EP2022158A1 (de) Elektrische synchronmaschine
DE102006039693A1 (de) Verfahren zum Betreiben von Windenergieanlagen
DE69907290T2 (de) Generator mit auf der Primärantriebsausgangskapazität abgestimmter Impedanz zum Betrieb mit optimiertem Wirkungsgrad
WO2009149796A2 (de) Kreiselpumpenaggregat
WO2021198330A1 (de) Doppelmotoreinheit für einen schwungmassenspeicher mit nichtlinearer gesamt-leistungskennlinie
WO2012159843A2 (de) Verfahren zum betreiben einer elektrischen maschine in einem kraftfahrzeug
DE2045015A1 (de) Energieversorgungsanlage, insbes. für Flugzeuge, mit einem durch eine Kraftmaschine mit veränderlicher Drehzahl angetriebnen Asynchrongenerator
DE60002711T2 (de) Bürstenloser Motor, Verfahren und Schaltung zu seiner Regelung
DE69722723T2 (de) Steuerungsverfahren für eine zweifach gespeiste Drehfeldmaschine und Maschine, die dieses Verfahren benützt
DE10062940B4 (de) Verfahren und Steuersystem zur elektronischen Drehzahlsteuerung eines Asynchronmotors
DE4205778A1 (de) Rotatorisch elektrische maschine
EP1758229B1 (de) Elektromotor
DE102011001513A1 (de) Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer rotierenden elektrischen Maschine und rotierende elektrische Maschine
DE202017106551U1 (de) Mehrmotorenantrieb
DE102018202005A1 (de) Elektrische Maschine sowie Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine
DE102016225918A1 (de) Elektrische Medienspaltmaschien, Turbolader
EP3669451B1 (de) Verfahren für einen mehrmotorbetrieb

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21716671

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021716671

Country of ref document: EP

Effective date: 20221102