WO2024017537A1 - Schwungrad und ein system zur verwendung als energiespeicher und -wandler - Google Patents

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WO2024017537A1
WO2024017537A1 PCT/EP2023/065422 EP2023065422W WO2024017537A1 WO 2024017537 A1 WO2024017537 A1 WO 2024017537A1 EP 2023065422 W EP2023065422 W EP 2023065422W WO 2024017537 A1 WO2024017537 A1 WO 2024017537A1
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WO
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flywheel
generator
disc body
elevations
openings
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/065422
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Lüth
Original Assignee
APERMALIST Light Solutions 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 APERMALIST Light Solutions GmbH filed Critical APERMALIST Light Solutions GmbH
Publication of WO2024017537A1 publication Critical patent/WO2024017537A1/de

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/30—Flywheels

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of flywheels for use as energy storage and converters. Furthermore, a specific SLS, alternatively an SLM, 3D printing process is provided, which allows the flywheel disclosed herein to be manufactured in one piece.
  • Flywheels are usually accelerated mechanically by an external energy source, such as an electric motor, to a high speed in order to temporarily store the rotational energy generated.
  • the temporarily stored rotational energy can be skimmed off via a generator, for example, whereby the rotational energy is transferred to the generator and the flywheel is braked.
  • This principle is already partly used in the automotive industry to increase battery life and thus the range of motor vehicles. Flywheels therefore have considerable potential, particularly for the vehicle industry.
  • the first flywheel dates back to 6,000 BC. BC, with the flywheel consisting of a stone spindle as a flywheel unit with a central bore. Further developments of flywheels were part of the development of the steam engine and thus paved the way to the industrial revolution. The use of a flywheel as an energy storage unit therefore represents an alternative to conventional energy storage.
  • Prior art flywheel assemblies include: known from the following descriptions:
  • JP2004028225A describes a small electric flywheel generator that can be mounted on a vehicle and that can effectively convert rotational energy into electrical energy and nullify the effect of the gyroscopic moment of the flywheel.
  • a first and a second flywheel are inserted opposite one another in a fixed axis of a spherical housing of the flywheel electric generator.
  • three ring-shaped turbines are arranged.
  • a jet nozzle is provided.
  • the compressed air (generated during rotation) is in the ring turbines are introduced and ejected from the spherical housing to the outside.
  • the rotational energy of the flywheel is maintained in the vacuum state of the spherical housing.
  • An electricity-generating coil, a piston and a spring, which consists of a shape memory alloy, are embedded in the system in such a way that they can be freely moved vertically in a suitable manner.
  • the flywheel can perform smooth, lateral and reverse rotation movement with the help of a bevel gear, suppressing the gyroscopic moment, and with the help of the spring, the power generating device can be designed to drive effectively and energy-saving.
  • the US20200132039A1 describes a concentrically designed ring flywheel, the body of which is shaped like a wave and is operationally arranged so that it generates electrical power.
  • the concentric ring flywheel includes a first shaft having an input end and an output end, and a plurality of rings.
  • the at least first ring includes a first radially inwardly facing surface arranged to be connected to the output end of the first shaft and further includes a first radially outwardly facing surface.
  • the concentric ring flywheel may include a second ring disposed concentrically around the first ring, the second ring having a second radially inwardly facing surface and a second radially outwardly facing surface.
  • one or more coupling connectors disposed in a first space positioned radially between the first and second rings so as to non-rotatably connect the second ring and the first ring, and a wave energy capture device operatively so is arranged to rotate the first shaft.
  • the CN203978739U refers to a type of flywheel flywheel machine with a welding stand and a support, and a flat seat thrust ball bearing mounted on the support. This engine does not consume coal or oil and does not emit any exhaust gases and can be used, for example, in shipbuilding and automobile construction.
  • US5012694A describes a flywheel for high speed operation consisting of two or more annular components arranged in a spaced concentric relationship for rotation about an axis and an expansion device arranged between the components to increase radial forces on the components resulting from the operation of the flywheel.
  • the expansion device engages in both annular components, with the structure of the expansion device ensuring that it maintains its influence on the components.
  • the expansion device also provides for maintaining the rigidity of the flywheel during flywheel operation.
  • Modem-designed and powerful flywheels for example, generate outputs of up to 800 kW to obtain usable energy of 4 kWh with an efficiency of up to 95%.
  • the disadvantage of using already known flywheels is their comparatively complex apparatus structure and the resulting high weight. Furthermore, flywheels are exposed to strong rotational forces, which is why the material can burst more quickly due to the high rotation speeds, which requires considerable maintenance effort. The risk of flywheels breaking is further increased by their speeds, typically between 15,000 and 25,000 revolutions per minute. The efficiency of flywheels depends largely on friction losses during rotation.
  • a first aspect of the present invention relates to a flywheel, wherein the flywheel has a round disc body.
  • the round disk body is designed in such a way that it has a first side and a second side facing away from the first side, with a plurality of annular elevations and depressions concentrically encircling the center of the round disk body being arranged on the first side of the round disk body. Accordingly, the elevations of the first side are pronounced as depressions on the second side and the depressions of the first side are pronounced as elevations on the second side.
  • the neighboring ones Depressions on one side are fluidly connected to one another via a plurality of passage openings, the passage openings being arranged in particular in the area of the flanks of the depressions and accordingly in the area of the flanks of the elevations on the other side.
  • What is essential according to the invention is a radial alignment of the flywheel in order to ensure maximum efficient conversion of energy, for example rotational energy into kinetic energy.
  • a first side of the flywheel is to be understood as the upper side and a second side of the flywheel is to be understood as the lower side (see Figure 1).
  • a second side of the flywheel is to be understood as the lower side (see Figure 1).
  • the first originally upper side can also come to a standstill at the bottom, and the second, originally lower side can come to a standstill at the top.
  • each of the individual “plates” is provided with exactly one top and exactly one bottom side (see Fig. 12D).
  • a first side would be the general upper side of the flywheel, and the general underside, in the case of FIG. 12D the cover (28), would be the second side.
  • a first side of the flywheel can basically be the top, whereas the second side can be a bottom of the flywheel.
  • Both the top and/or the bottom can be designed as a lid in the sense of the invention.
  • the lid itself can have a top and bottom side, which can also be understood as the first and second sides in the context of the invention.
  • elevation and depressions mean the expression of the same feature, which is correspondingly pronounced on the first and second sides.
  • said elevations and depressions of the flywheel preferably form a wave-shaped surface profile, as explained below and in the figures.
  • the depressions described are arranged adjacent to the disk body in such a way that mutually adjacent depressions close off in a flow-tight manner at least in the area of the round disk body.
  • flow-tight seal is that the air is accelerated along the inner wall of the first and/or second side from the inside to the outside and that the sucked-in air is prevented or at least reduced from flowing away into other spatial directions.
  • said air is automatically sucked in through the passage openings, provided that the rotation speed is defined as greater than or equal to 3,800 revolutions per minute.
  • depressions also ensures an active/passive air flow in order to advantageously provide a connection between the individual cavities of the depressions (or corresponding elevations) in terms of flow technology, in order to accelerate the sucked in air in the radial direction along the flywheel .
  • “cavities” refer to closed or one-sided open spaces filled with air with a transition within the neighboring depressions (or corresponding elevations).
  • the flywheel has a circumferential edge which extends away from the round disc body on the first side of the latter.
  • the flywheel does not have a peripheral edge as a separate design feature extending away from the round disc body.
  • the passage openings are a plurality of, in particular, elongated passage openings, with the passage openings of adjacent elevations preferably being arranged radially aligned or offset from one another.
  • Elongated passage openings are preferably used, which means a narrow opening with an elongated hole shape.
  • this has the technical advantage of sucking in the air more effectively during the rotation of the flywheel according to the invention, which results in an optimized rotation speed of the flywheel.
  • a radially aligned arrangement of passage openings in adjacent elevations optimizes the flow speed of the sucked-in air so that the air flowing through can be moved radially in the direction of the circumferential edge directly and without delaying the path.
  • rotational speeds of the flywheel according to the invention are preferably in the range of 3,000 to 4,200 revolutions per minute, in particular 3,800 revolutions per minute, in order to enable an automatic suction effect of the air via the passage openings.
  • the automatic suction effect depends on the diameter of the flywheel and/or the rotation speed.
  • the resulting and directed air flow is now accelerated radially in the direction of the edge by the centrifugal forces acting during rotation from the center of the disc body according to the invention via the cavities of the adjacent recesses, which results in radial stabilization of the flywheel. This minimizes, among other things, the risk of imbalance when the flywheel rotates.
  • passage openings lie centrally on the flanks of the elevations or depressions of the flywheel according to the invention.
  • passage openings are provided, for example, with triangular, square, rectangular, round, oval, trapezoidal, rhombic configurations and/or similar and/or suitable geometric configurations.
  • the passage openings lie suitably on the flanks of the elevations or depressions of the flywheel according to the invention so that the air inflow can flow through the passage openings in a maximally efficient and optimized manner.
  • the passage openings lie suitably on the flanks of the elevations or depressions of the flywheel according to the invention so that the air inflow can flow through the passage openings in a maximally efficient and optimized manner.
  • the passage openings have a rectangular, gate-like shape.
  • a height is further preferred for the rectangular, gate-like shape of the passage openings from 0.1 to 5.0 mm. The corresponding width is calculated based on the width of one side of the flanks.
  • height and/or width can assume larger or smaller values than those mentioned, depending on the diameter of the flywheel.
  • the number and/or dimensions for height and/or width can be numbered independently of the diameter of the flywheel.
  • the passage openings each have a width in the range from 0.1 mm to 10.0 mm, in particular from 1.0 mm to 8.0 mm, and/or a height in the range from 0.1 mm to 30, 0 mm, preferably from 1.0 mm to 10.0 mm, with a preferred diameter of the flywheel according to the invention of 26 cm.
  • the passage openings can have different values and/or value ranges for the width and/or the height of the passage openings depending on the diameter of the round disk body.
  • the values and/or value ranges can be independent of the diameter of the flywheel according to the invention.
  • the diameter of the flywheel comprises a value range between 5.0 cm and 10.0 m.
  • the diameter of the flywheel comprises values between 26.0 cm and 1.0 m.
  • the diameter of the flywheel has a value range between 1.0 cm to 5.0 cm, preferably 2.0 cm to 4.0 cm.
  • the wall thickness of the flywheel according to the invention comprises a range from 0.1 mm to 100.0 mm, preferably from 0.5 mm to 20.0 mm, more preferably from 1.0 mm to 3.0 mm.
  • a wall thickness of the flywheel of 1.5 mm is particularly preferred.
  • the size and/or the number of passage openings decreases starting from the center of the disk body according to the invention in the direction of the circumferential edge. This offers the technical advantage that the sucked in air is accelerated in the radial direction starting from the center with less energy loss than in other configurations.
  • the size and/or the number of passage openings increase.
  • the size and/or the number of passage openings of the flywheel according to the invention remains the same.
  • the height and/or the width and/or the number of passage openings on the respective elevations and depressions varies and can also be of the same and/or different arrangement.
  • the concentrically circumferential annular elevations and depressions of the flywheel according to the invention form a wave-shaped surface profile.
  • a cross section of the flywheel forms elevations and depressions along the diameter, which have a periodic course.
  • the flow of air is directed in a preferred direction, which allows the air to pass along the disk body and, according to the principle of buoyancy on the first or second side of the flywheel according to the invention, drives the rotational movement by flow against the surface.
  • the cross section of the surface profile has the shape of a sawtooth and/or rectangle and/or other suitable shapes.
  • the concentrically circumferential annular elevations each have a width in the range of 0.01 cm to 3 cm, in particular from 0.1 cm to 2.5 cm, and a height in the range of 0.01 cm to 3 cm, preferably from 0.1 cm to 2.5 cm and a gradient in the range from zero to 90 degrees, in particular in the range from 20 to 60 degrees, the value ranges preferably with a diameter of the flywheel according to the invention of 26 cm apply.
  • a gradient here is a surface change in the gradient for example in the form of a slope or rise in the elevations or depressions on the round disc body.
  • the concentrically circumferential annular elevations have different value ranges for the width and/or the height and/or the gradient depending on the diameter of the round disk body.
  • the concentrically circumferential annular elevations have different value ranges for the width and/or the height and/or the gradient, regardless of the diameter of the round disk body.
  • the number of elevations can be combined in different ways in combination with the value ranges for width and/or height and/or the gradient and/or the number of passage openings and/or the value ranges of the passage openings and can depend on and /or be quantified independently of a correlation to the diameter.
  • the number of elevations (or corresponding depressions) and/or the number of passage openings can be combined with the value ranges for the width and/or the height and/or the gradient of the flywheel according to the invention. This achieves, for example, the technical advantage that the flow dynamics of the air flow can be specifically adjusted.
  • the circumferential edge has an edge that is rounded and/or curved or, alternatively, suitably angled.
  • the circumferential edge of the flywheel according to the invention comprises angles between 0° to 90°, preferably between 30° to 60°, in particular between 50° to 80°. This configuration of the circumferential edge increases the effect of the air flowing out from the center of the flywheel in the radial direction.
  • the circumferential edge of the flywheel according to the invention is particularly preferably at 0° and ends radially aligned with the flywheel. This means that the flywheel itself, as the base body, simply remains unchanged, radially aligned. This can then be followed by the outlet openings with a different geometry.
  • the circumferential edge has a plurality of outlet openings in order to flow the air flow, which is in particular actively/passively directed, radially out of the system.
  • “variety” is one Quantity of at least two outlet openings is meant, the number of outlet openings preferably assuming values between 20 to 80, in particular between 30 to 50, if a diameter of the disk body of 26 cm is assumed.
  • the number of outlet openings of the flywheel according to the invention can also assume different values, depending on whether the diameter of the disc body is less than 26 cm or greater than 26 cm. If the diameter of the disc body increases, this results in a higher number of outlet openings. If the diameter of the disc body decreases, this results in a smaller number of outlet openings.
  • the number of outlet openings can be independent of the diameter.
  • the flywheel according to the invention preferably has a circumferential edge which has a plurality of outlet openings aligned radially at an angle of less than or equal to 90 ° to the edge.
  • Designing the radial alignment of the outlet openings with defined angles offers the advantage of effectively directing the air flow over the edge of the disc body in order to optimize the flow behavior of the flywheel.
  • outlet openings are formed, for example as nozzles, on the peripheral edge of the flywheel according to the invention and, preferably at an angle in the range from 0° to 90°, in particular in the range from 0° to 45°, to the peripheral one Edge are arranged.
  • a nozzle is understood to mean a constantly narrowing outlet opening through which a fluid, in particular air, is guided so that it increases its flow speed. The technical advantage of using nozzles as outlet openings is therefore to achieve an acceleration of a directed air flow in order to make the drive of the flywheel more efficient during rotation.
  • another embodiment can provide an outlet opening of the same diameter without a narrowing.
  • the nozzles can be designed, for example, as noses or channels or projections, whereby a nose is to be understood as a projecting component.
  • the nozzle can be round, square, jagged and/or shaped in a different geometrically suitable manner.
  • the nozzles are opened in the opposite direction to the direction of rotation of the flywheel according to the invention, the nozzles are preferably aligned radially at an angle less than or equal to 90 ° with respect to the peripheral edge.
  • the direction and speed of rotation of the flywheel is significantly influenced by the alignment of the nozzles on the surrounding edge.
  • the nozzles are opened in the opposite direction to the direction of rotation of the flywheel according to the invention, the nozzles being aligned radially at an angle of 0 to 20° with respect to the peripheral edge.
  • the flywheel according to the invention has no peripheral edge and/or no nozzles as outlet openings.
  • the side delimited in particular by the peripheral edge can be closed in a form-fitting manner by a closure, for example in the form of a lid.
  • the lid has a large number of inlet openings/through openings. This offers the technical advantage of directing the sucked-in air more efficiently via the passage openings positioned in the flywheel in order to ensure radial stability during the rotation of the flywheel according to the invention.
  • the lid has no inlet openings.
  • the cover is to be understood as the top or bottom of the flywheel, and can be designed as a separate component or in a one-piece combination of top and bottom including the previously defined edge (including the outlet openings).
  • the cover in question is designed as the top side of the flywheel, which is connected to an underside, so to speak the bottom.
  • the cover in question is designed as the underside of the flywheel and is connected to an upper side of the flywheel.
  • the flywheel is manufactured in one piece using a suitable SLS 3D printing process.
  • suitable materials include copper, titanium or other metals and metal alloys, as well as polymers and/or composite materials made of carbon, glass and aramid fibers and/or combinations of composite materials;
  • the present application is not limited to reading this.
  • Selective laser sintering and/or selective laser melting are 3D printing processes (e.g. using “laser powder bed fusion”, “extrusion” or “binder jetting”) that use laser radiation as an energy source and/or use an adhesive technology (“binder jetting”) used to produce 3D objects made of plastic, such as polymers, or metals and other materials. It is one of the most advanced technologies in additive manufacturing.
  • a thin layer of powder is applied to the build platform using a squeegee, a combination of several squeegees or a roller.
  • the construction space is heated to just below the melting range of the respective plastic and locally melted by a laser at the points where the component is to be created and/or accordingly glued.
  • the construction platform is then lowered by a layer thickness and the process begins. The process repeats itself until the last layer of the 3D model has been printed.
  • Materials used include high-performance plastics, heat-resistant polymers or polyamide plastics, which are known by abbreviations such as PA12, PA11, TPU, PEEK, PP and others.
  • the materials have high tensile strength and high yield strengths, approaching the properties of some metals.
  • Other materials can be metals such as 17-4 PH stainless steel or copper.
  • SLS 3D printers currently available on the market in the desktop range are: SnowWhite 2 from Sharebot; S2 from Sintratec; Gravity by Wematter; Onyx Pro from Markforged
  • B. sPro 230 from 3D Systems; P810 from EOS; Farsoon 403P series; X7 and Metal X Systems from Markforged, to name just a few.
  • the printers for example in the pm range, but not limiting, can produce detailed or precise parts and components are manufactured, which at the same time have a very high level of complexity and can also have cavities.
  • polymers refers to a chemical substance that consists of macromolecules; So it's basically a substance made up of several substances.
  • the macromolecules of these substances are made up of one or more structural units, the so-called constitutional repeating units or repeating units.
  • the adjective “polymer” means “made up of many (same) parts”.
  • a polymer consists of non-identical macromolecules because the number of repeat units and thus the molecular mass of the molecules varies; According to the invention, the substance is still referred to as “a polymer” or similar.
  • Synthetic or semi-synthetic polymers are the main component for the production of plastics and can also be used in the context of the invention.
  • Synthetic polymers are substances manufactured industrially or on a laboratory scale through polyreactions, including: Polyethylene, polystyrene and polyvinyl chloride.
  • Polymers can be divided into:
  • “Homopolymers” consist of just one type of monomer, such as polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride or polycaprolactam.
  • Copolymers are made up of various monomers, such as acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS), styrene-acrylonitrile (SAN) or butyl rubber.
  • ABS acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer
  • SAN styrene-acrylonitrile
  • butyl rubber butyl rubber
  • Polymer blends are created by mixing different homopolymers and/or copolymers. They are usually produced by intensive mechanical mixing of melted polymers, resulting in a homogeneous material. A special form of a blend is a polymer alloy.
  • the one-piece variant is characterized by the fact that a cavity is formed between the upper and lower disks (first and second sides), which becomes steadily smaller, or narrower, from the flywheel center towards the edge of the flywheel. This is accompanied by the technical effect that the gradual narrowing ensures an automatic suction effect of the ambient air through the passage openings.
  • This cavity (distance between the upper and lower disk) preferably comprises between 1.0 mm and 30.0 mm in the middle/centre, and between 0.1 mm and 2.0 mm, becoming smaller towards the edge; see Fig. 12 and its subfigures.
  • the round disc body of the flywheel according to the invention is made of at least 90 percent by weight, preferably at least 98 percent by weight, of only one material, since this simplifies the manufacturing process of the flywheel and optimizes the operating life of the flywheel.
  • Preferred materials that are assigned to the friction-reducing materials are corrosion-resistant metals, preferably selected from copper and/or titanium, metal alloys, temperature-resistant polymers and/or composite materials made of carbon, glass and aramid fibers and/or combinations of composite materials and/or others suitable materials are provided.
  • a further embodiment of the flywheel according to the invention comprises one or more friction-reducing coating(s).
  • “friction-reducing” means a coating that reduces the flow resistance of the air during the rotation of the flywheel. The friction created by mechanical resistance results from the rotational movement of the flywheel and can be mitigated by friction-reducing coatings. This optimizes the efficiency of the flywheel.
  • a friction-reducing coating one or more material components or a mixture of materials is/are preferred which have a movable groove structure which, due to their surface properties and the resulting material properties, e.g. B. a shark skin, are modeled.
  • a further aspect of the present invention relates to a system for use as an energy storage and converter, the system comprising an electrical machine and at least one flywheel connected to the electrical machine.
  • the electric machine has a rotor, the flywheel according to the invention and the rotor being connected centrally to a connecting element via through openings in the flywheel.
  • a system for use as an energy storage and converter comprising an electrical machine and at least one flywheel connected to the electrical machine.
  • the electric machine has a rotor with a flange, the flywheel according to the invention being connected directly to the flange of the rotor centrally via through openings in the flywheel - that is, without a separate connecting element.
  • the flywheel does not have a central through opening, namely in particular in the case when the flywheel is attached directly to a machine, in particular an electrical machine, without a connecting piece.
  • the system according to the invention has at least one flywheel connected to the rotor, which is in particular operatively connected to at least one and/or more power plant(s).
  • a power plant is an energy conversion system that converts non-electrical energy into electrical energy.
  • the kinetic energy temporarily stored in the flywheel according to the invention can be released as needed and transferred to electrical and/or mechanical components or the like of the power plant.
  • circuits can be installed as electrical components of the power plant, which functionally connect at least two electrical machines to each other in order to ensure a change in operation between two electrical machines.
  • the temporarily stored energy of the flywheel according to the invention is transferred to a mechanical component, preferably through a power transmission unit, for example in the form of a V-belt or similar, which in turn is connected to a fuel engine with direct or indirectly connected to gearboxes, gears and/or clutches or similar.
  • a power transmission unit for example in the form of a V-belt or similar, which in turn is connected to a fuel engine with direct or indirectly connected to gearboxes, gears and/or clutches or similar.
  • the system according to the invention comprises a plurality of electrical machines which are operatively connected to one or a plurality of flywheels according to the invention and/or to one another.
  • the electrical machine is an electric motor, which can be operated, for example, with direct, alternating or three-phase current, which converts electrical power into mechanical power.
  • the electrical machine is alternatively or additionally a generator, mechanical power is also converted into electrical power.
  • the operation of the generator is based on the principle of electromagnetic induction.
  • the electric machine is both an electric motor and a generator, with the component of the electric motor converting electrical power into mechanical power and the component of the generator converting mechanical power into electrical power.
  • the electric motor, the generator or the combination of both can be operated with ball bearings and/or magnetic bearings.
  • ball bearings magnetic bearings in electrical machines offer the advantage of generating fewer friction losses during the rotation of a flywheel.
  • generators are possible, for example with direct and/or alternating current and as a synchronous and/or asynchronous generator.
  • Electric motors and generators or the combination of both belong to the group of rotating electrical machines.
  • generators and electric motors and their combinations for the simultaneous use of both electric machines are state of the art, so a detailed discussion regarding the structure and functioning of electric motors and generators and their combination is omitted in the present invention.
  • the system includes the electric machine and the flywheel, which are connected to one another via a, in particular one-piece, connecting element.
  • the technical advantage of the one-piece connecting element is the lower tendency to wear and the associated lower maintenance effort.
  • the connection between the electric machine and the flywheel can be done, for example, using an adjusting element, such as a screw, and a suitable counterpart.
  • the connecting element is made of at least 90 percent by weight, preferably at least 98 percent by weight, of only one material, since this enables simplified production of the connecting element.
  • the preferred materials are corrosion-resistant metals, preferably selected from copper and/or titanium, metal alloys, temperature-resistant polymers and/or composite materials made of carbon, glass and aramid fibers and/or combinations of named composite materials or other suitable materials.
  • the electric machine can be switched between a generator and an electric motor mode.
  • the electric machine is used simultaneously as an electric motor and generator.
  • the electrical machine is used either as an electric motor or a generator.
  • a final aspect of the present invention thus relates to a method for operating the system according to the invention, the system as such comprising starting up the electrical machine using an external, suitable energy source.
  • An “external energy source” means, for example, a power source, for example a conventional power grid and/or a conventional battery, for the intended control and supply of the components of the system according to the invention in order to enable efficient transmission and distribution of electrical energy to the system.
  • the transfer of the electrical power of the electric machine to the flywheel according to the invention results in a rotation of the flywheel by converting the electrical power into mechanical power, with the electric machine starting from a predefined speed in the range of 2,000 to 8,000 revolutions per minute, in particular from 3,800 revolutions per minute Minute of the flywheel according to the invention switches to generator mode.
  • switching the electric machine to generator mode is also possible below 2,000 revolutions per minute or above 8,000 revolutions per minute.
  • the electric machine of the system according to the invention switches to electric motor mode when the flywheel according to the invention falls below a minimum speed in the range of 1,500 to 4,000 revolutions per minute.
  • switching the electric machine to electric motor mode is also possible below 1,500 revolutions per minute or above 4,000 revolutions per minute.
  • the rotation speed can vary depending on the diameter of the flywheel or alternatively independently of the diameter of the flywheel.
  • the technical advantage of switching between electric motor and generator mode of the system according to the invention is therefore to provide an easy-to-use system that combines and optimizes the advantages of electric motors and generators.
  • the rotation speed of the flywheel according to the invention can therefore be adjusted and varied via the electrical power of the electric machine.
  • the electric machine of the system according to the invention is separated from the external energy source when the rotation speed of the flywheel exceeds a range of 110,000 to 180,000 revolutions per minute, in particular from 120,000 to 140,000 revolutions per minute, and is therefore used as a brake.
  • the specified rotation speeds between 110,000 and 180,000 revolutions per minute of the flywheel can also assume values below or above the range of 110,000 to 180,000 revolutions per minute and are determined by the performance parameters of the electrical machine.
  • the electrical machine is connected to the power grid, a battery or other suitable energy source in order to operate the electric motor and at the same time tap off energy generated via the generator.
  • the electric machine runs in both electric motor and generator mode.
  • the electrical machine is connected to a third-party system which uses the converted electrical energy as an energy source to operate it.
  • an active and/or passive safety bearing is used to brake the flywheel according to the invention.
  • the electric machine functions as an electric motor for starting up the system according to the invention, with the electric machine functioning as a generator after a rotation speed in the range from 2,000 to 8,000 revolutions per minute, in particular from 3,800 revolutions per minute.
  • switching the electric machine to generator mode is also possible below 2,000 revolutions per minute or above 8,000 revolutions per minute.
  • the electric machine functions as both an electric motor and a generator to start up the system according to the invention.
  • the electric machine functions either as an electric motor or as a generator to start up the system according to the invention.
  • Figure 1A, B, C a schematic drawing of an inventive
  • Figure 2A, B, C a schematic drawing of an inventive
  • FIG. 2A a preferred embodiment in profile view (Fig. 2A) and oblique views (Fig. 2B, C)
  • Figures 3A, B a schematic drawing of a flywheel 10 according to the invention in a preferred embodiment in an oblique view with (Fig. 3B) and without connecting element 23 (Fig. 3A)
  • Figure 4A, B, C a schematic drawing of an inventive
  • Figures 5A, B a schematic drawing of the passage openings 16 of a flywheel 10 according to the invention in a preferred embodiment in an oblique view (Fig. 5A) and front view (Fig. 5B)
  • FIG. 6A, B, C a schematic drawing of the outlet openings 17 of a flywheel 10 according to the invention in a preferred embodiment in an oblique view (Fig. 6A) and in two profile views (Fig. 6B, C)
  • Figures 7A, B a schematic drawing of the outlet openings 17 of a flywheel 10 according to the invention in a further preferred embodiment in an oblique view (Fig. 7B) and profile view (Fig. 7A)
  • Figures 8A, B a schematic drawing of the system 20 in a preferred embodiment in a side view with magnetic bearings ( Figure 8A) and/or with ball bearings ( Figure 8B).
  • Figures 9A, B a schematic drawing of the system 20 in a preferred embodiment in an oblique view with the inner workings of the magnetic bearing (Fig. 9A) and/or with the inner workings of the ball bearing (Fig. 9B)
  • FIG. 10A, B, C a schematic drawing of the connecting element 23 between the flywheel 10 according to the invention and the electric machine 21 in a preferred embodiment in a rear view (Fig. 10A) and oblique view (Fig. 10B, C)
  • Figure 11A, B, C a schematic drawing of the connecting element 23 between the flywheel 10 according to the invention and the electric machine 21 and corresponding adjusting elements 27 in a preferred one Embodiment in profile view (Fig. 11A), oblique view (Fig. 11B) and frontal view (Fig. 11C)
  • Figures 12A-E schematic drawings of a particularly preferred one
  • the present twelve figures each show a preferred embodiment of the flywheel according to the invention and the system for use as such, the twelve figures each differing in the perspective view of the subject matter of the present invention according to the invention.
  • FIGS 1 to 4 show the flywheel 10 according to the invention in a preferred embodiment, the flywheel having a body 11 which is formed by the round disc body 11.
  • the flywheel 10 according to the invention thus forms a first side 18 and a second side 19 of the round disk body 11, the first side 18 and the second side 19 having one and/or more through openings 12 for receiving adjusting elements 27, in particular in the middle.
  • the adjusting elements 27 can, for example, include one or more screws with, in particular, self-locking counterparts, such as a piece of connecting elements, so that a direct connection between the flywheel 10 according to the invention and the electrical machine 21 is established.
  • the flywheel 10 according to the invention and the electric machine 21 are in direct or indirect operative connection to one another.
  • the flywheel 10 according to the invention preferably has a peripheral edge 13 of the round disk body 11, which extends away from it on one side.
  • the round disc body 11 of the flywheel 10 according to the invention has a large number of circumferential elevations 14, which are arranged concentrically and in a ring shape around the center of the round disc body 11.
  • the elevations 14, which are arranged concentrically and in a ring around the center of the disk body 11, extend on the first side 18 like the circumferential edge 13, with a plurality of depressions 15 forming on a second side 19 of the disk body 11 facing away from the first side 18.
  • the concentrically circumferential annular elevations 14 and depressions 15 of the flywheel 10 according to the invention preferably form a wave-shaped surface profile.
  • the adjacent depressions 15 are fluidly connected to one another, the depressions 15 being formed on the disk body 11 in such a way that mutually adjacent depressions 15 are flow-tight at least in the area of the disk body 11.
  • FIG. 5 shows the flywheel according to the invention from FIGS. 1 to 4, the recesses 15 which are adjacent to one another having passage openings 16 which are fluidly connected to one another.
  • the passage openings 16 have a large number of elongated passage openings.
  • the passage openings 16 of the flywheel 10 according to the invention are preferably designed in the form of air slots and extend, in particular centrally on the flank, along an elevation/recess 14, 15.
  • the passage openings 16 are arranged in adjacent elevations 14 in a radially aligned manner.
  • the passage openings 16 extending longitudinally in the adjacent elevations 14 can also be arranged offset from one another.
  • the height, width and number of elongated passage openings 16, starting from the center of the round disk body 11 in the direction of the circumferential edge 13, remain the same in a preferred embodiment.
  • the height and/or the width and/or the number of passage openings 16 can increase or decrease starting from the center of the round disc body 11 in the radial direction to the circumferential edge 13 of the flywheel 10 according to the invention or be present in a combination of the respective embodiment.
  • FIGS. 6 and 7 show the flywheel 10 according to the invention from FIGS. 1 to 4 with preferred embodiments, with the circumferential edge 13 having a plurality of radially aligned at an angle in the range from 0 to 90°, in particular in the range from 0 to 45° Has outlet openings 17.
  • Such outlet openings 17 positioned on the circumferential edge 13 are preferably designed as nozzles 17, the nozzle 17 preferably being round and/or angular, with any other suitable geometry being able to determine the shape and shape of the nozzle 17.
  • outlet openings 17 shown in Figures 6 and 7 are preferably opened in the opposite direction to the direction of rotation of the flywheel 10 according to the invention, with the outlet openings 17 preferably being aligned tangentially with respect to the circumferential edge 13.
  • FIGS. 1 to 4 shows the system 20, which has the described flywheel 10 according to the invention from FIGS. 1 to 4.
  • the system 20 includes an electrical machine 21, which is operatively connected via a flywheel 10 according to the invention connected to the rotor axis 22 of the electrical machine 21.
  • the active connection between the electric machine 21 and the flywheel 10 according to the invention is realized via a positive connecting element 23.
  • the electrical machine 21 of the system 20 can be switched between an electric motor and a generator, which on the one hand has a ball bearing and/or a magnetic bearing.
  • the electric machine 21 of the system 20 includes both an electric motor and a generator, which has a ball bearing and/or a magnetic bearing.
  • the electric machine 21 of the system 20 comprises either an electric motor or a generator, which has a ball bearing and/or a magnetic bearing.
  • the electric machine 21 is powered by an external power source or other suitable energy source, for example by means of a battery, which leads to the battery used being discharged. If the electric machine is used as a generator, the excess electricity generated during the rotation of the flywheel 10 according to the invention can, for example, be used again to charge the battery. Alternatively, the excess energy from the flywheel can be fed into one and/or several power plants.
  • FIG. 9 shows an example of the interior of the electric machine 21, preferably an electric motor and/or a generator, from FIG. 8, wherein a ball and/or a magnetic bearing (24, 25) can be used in the electric machine 21.
  • the components of the ball-bearing and magnetic-bearing electrical machines (24, 25) correspond in structure to conventional rotating electrical machines.
  • the electrical machine 21 has annular magnetic bearings, the magnetic bearings preferably consisting of an electromagnet. Electromagnets are operated with both direct current and alternating current.
  • the cylindrical rotor 22, which in a preferred embodiment consists of a permanent magnet, can thus rotate rotationally symmetrically without contact within the magnetic bearing according to the principle of an electric motor and/or a generator.
  • the magnetic bearings of the electrical machine 25 are preferably positioned along the rotor 22 in such a way that the magnetic bearings at a front and a rear end of the rotor 22 enclose the rotor 22 without contact.
  • copper coils, embedded in iron cores are arranged, preferably cylindrically, around the permanent magnets attached to the rotor, with a numbered spacing.
  • the electrical machine 24 has a ball bearing and can preferably be operated according to the principle of an electric motor and/or a generator.
  • Electric machines 25 with magnetic bearings are preferably used because they have fewer friction losses as a result of rotational operation and also enable radial stabilization of the rotor 22 at speeds of, for example, 60,000 revolutions per minute and more.
  • the flywheel 10 preferably has centrally arranged through openings 12, which are capable of receiving an adjusting element, for example in the form of one or more screws.
  • a one-piece connecting element 23 is preferably provided as a counterpart.
  • Figures 10 and 11 show a preferred embodiment of a cylindrical connecting element 23 in order to connect the flywheel 10 according to the invention from Figures 1 to 7 and the electrical machine 21 shown in Figure 9 to one another in a rotationally symmetrical manner.
  • connecting element 23 in a rear and front view as well as an oblique view, the connecting element 23 having a cylindrically shaped recess 26 with one or more through openings 12 for receiving one or more adjusting elements 27.
  • the connecting element 23 preferably has seven through openings 12 for receiving adjusting elements 27 on a second side of the flywheel 10 according to the invention facing away from the first side.
  • the preferred adjustment elements are 27 hexagon screws or other suitable ones Adjusting elements that connect the flywheel 10 according to the invention to the end piece of the rotor 22 of the electric machine 21.
  • FIGS 12A to 12E show the flywheel 10 according to the invention in a particularly preferred embodiment, the flywheel having a body 11 which is formed by the round disc body 11.
  • the flywheel 10 according to the invention thus forms a first side 18 and a second side 19 of the round disk body 11, the first side 18 and the second side 19 having one and/or more through openings 12 for receiving adjusting elements 27, in particular in the middle.
  • the adjusting elements 27 can, for example, include one or more screws with, in particular, self-locking counterparts, such as one-piece connecting elements, so that a direct connection between the flywheel 10 according to the invention and the electrical machine 21 is established.
  • the flywheel 10 according to the invention and the electric machine 21 are in direct or indirect operative connection to one another.
  • the flywheel 10 according to the invention preferably has a peripheral edge 13 of the round disk body 11, which extends away from it on one side.
  • the round disc body 11 of the flywheel 10 according to the invention has a large number of circumferential elevations 14, which are arranged concentrically and in a ring shape around the center of the round disc body 11.
  • the elevations 14, which are arranged concentrically and in a ring around the center of the disk body 11, extend on the first side 18 like the circumferential edge 13, with a plurality of depressions 15 forming on a second side 19 of the disk body 11 facing away from the first side 18.
  • the concentrically circumferential annular elevations 14 and depressions 15 of the flywheel 10 according to the invention preferably form a wave-shaped surface profile.
  • the adjacent depressions 15 are fluidly connected to one another, here by means of gate-like passage openings 16 as air slots, the depressions 15 being formed on the disk body 11 in such a way that mutually adjacent depressions 15 close off in a flow-tight manner at least in the area of the disk body 11, and the gate-like passage openings 16 have a " Allow “paddle wheel-like” air mixing.
  • the circumferential edge 13 in turn has a plurality of outlet openings 17 aligned radially at an angle in the range from 0 to 90 °, in particular in the range from 0 to 45 °.
  • Such outlet openings 17 positioned on the circumferential edge 13 are preferably designed as nozzles 17, preferably the nozzle 17 is round and/or square, with any other suitable geometry being able to determine the shape and shape of the nozzle 17.
  • the flywheel according to the invention can be constructed without a circumferential edge and/or nozzles.
  • Magnetic bearing electrical machine as an electric motor and/or generator
  • the depressions (15) of the first side (18) on the second Side (19) are designed as elevations (14)
  • the adjacent depressions (15) each on one side (18, 19) being fluidly connected to one another via a plurality of passage openings (16), the passage openings (16) being in the area of the flanks the recesses (15) are arranged.
  • Flywheel (10) according to embodiment 2 having a circumferential edge (13), a plurality of outlet openings (17) being arranged on the circumferential edge (13).
  • Flywheel (10) according to embodiment 1 or 2 wherein the first side (18) of the round disc body (11) closes in a form-fitting manner with a cover.
  • the electrical machine (21) starts up the electrical machine (21) using a suitable external energy source, with electrical power from the electrical machine (21) resulting in a rotation of the flywheel (10) by converting the electrical energy into mechanical power
  • the electrical machine (21) according to Claim 13 acts from the start as a motor and also a generator or only as a motor or generator.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schwungrad (10), ein System (20) zur Verwendung als Energiespeicher und -wandler sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen. Erfindungsgemäß weist das Schwungrad (10) einen runden Scheibenkörper (11) mit einer ersten und einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite (18,19) auf, der eine Vielzahl um dessen Mittelpunkt angeordnete konzentrisch umlaufende ringförmige Erhebungen (14) oder Vertiefungen (15) aufweist, wobei die Erhebungen (14) sich vom Scheibenkörper auf der ersten Seite (18) erstrecken und auf der zweiten Seite (19) des Scheibenkörpers (11) eine Vielzahl von Vertiefungen (15) ausbilden, wobei die benachbarten Vertiefungen (15) strömungstechnisch über eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (16) miteinander verbunden sind, und, wobei die Durchtrittsöffnungen (16) im Bereich der Flanken der Vertiefungen (15) angeordnet sind. Erfindungsgemäß weist der Scheibenkörper (11) in einer bevorzugten Ausgestaltung einen umlaufenden Rand (13) mit einer Vielzahl von Auslassöffnungen (17) aus. Der Scheibenkörper (11) ist mit einem geeigneten Verbindungselement (23) mit einer elektrischen Maschine (21) verbunden (System). Das System (20) wird mit Hilfe einer externen Energiequelle entweder im Elektromotor- und/oder Generatormodus in Betrieb genommen mit dem Ziel einer im Vergleich zum Stand der Technik effizienteren Energieumwandlung und -Speicherung.

Description

Schwungrad und ein System zur Verwendung als Energiespeicher und -wandler sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet von Schwungrädern zur Nutzung als Energiespeicher und -wandler. Ferner wird ein spezifisches SLS-, alternativ ein SLM- 3D-Druckverfahren bereitgestellt, das es erlaubt das hierin offenbarte Schwungrad einstückig zu fertigen.
Schwungräder werden üblicherweise mechanisch durch eine externe Energiequelle, wie etwa einen Elektromotor, auf eine hohe Drehzahl beschleunigt, um die erzeugte Rotationsenergie zwischenzuspeichern. Die zwischengespeicherte Rotationsenergie kann beispielsweise über einen Generator abgeschöpft werden, wodurch die Rotationsenergie auf den Generator übertragen und das Schwungrad abgebremst wird. Dieses Prinzip wird teilweise bereits in der Automobilindustrie angewendet, um die Batterielaufzeit und somit die Reichweite von Kraftfahrzeugen zu erhöhen. Daher weisen Schwungräder ein beträchtliches Potenzial insbesondere für die Fahrzeugindustrie auf.
HINTERGRUND
Das erste Schwungrad geht dabei auf die Zeit 6.000 v. Chr. zurück, wobei das Schwungrad aus einer Steinspindel als Schwungmasseeinheit mit einer zentralen Bohrung bestand. Weiterentwicklungen von Schwungrädern waren Bestandteil in der Entwicklung der Dampfmaschine und ebneten damit den Weg zur industriellen Revolution. Die Verwendung eines Schwungrads als Energiespeichereinheit stellt somit eine Alternative zur konventionellen Energiespeicherung dar.
Schwungradanordnungen des Standes der Technik sind u. a. aus den folgenden Beschreibungen bekannt:
Die JP2004028225A beschreibt einen kleinen elektrischen Schwungradgenerator, der an einem Fahrzeug montiert werden und der Rotationsenergie effektiv in elektrische Energie umwandeln kann, sowie den Effekt des gyroskopischen Moments des Schwungrads auf Null bringt. Dabei sind in einer festen Achse eines kugelförmigen Gehäuses des Schwungrad-Elektrogenerators ein erstes und ein zweites Schwungrad einander gegenüberliegend eingesetzt. Ferner sind drei ringförmige Turbinen angeordnet. Darüber hinaus ist eine Strahldüse vorgesehen. Die (bei der Rotation erzeugte) Druckluft wird in die Ringturbinen eingeleitet und aus dem kugelförmigen Gehäuse nach außen ausgestoßen. Die Rotationsenergie des Schwungrads wird im Vakuumzustand des kugelförmigen Gehäuses gehalten. Dabei ist eine Elektrizität erzeugende Spule, ein Kolben und eine Feder, die aus einer Formgedächtnislegierung besteht, so in das System eingefasst, dass sie in geeigneter Weise vertikal frei verschiebbar ist. Das Schwungrad kann eine gleichmäßige, seitliche und umgekehrte Drehbewegung mit Hilfe eines Kegelradgetriebes ausführen, wobei das gyroskopische Moment unterdrückt wird und mit Hilfe der Feder die Stromerzeugungsvorrichtung so konstruiert werden kann, dass sie effektiv und energiesparend angetrieben wird.
Die US20200132039A1 beschreibt ein konzentrisch ausgestaltetes Ringschwungrad, dessen Körper wellenartig geformt und betriebsmäßig so angeordnet ist, dass es elektrischen Strom erzeugt. Das konzentrische Ringschwungrad umfasst eine erste Welle mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende, sowie mehrere Ringe. Der mindestens erste Ring, weist eine erste radial nach innen weisende Fläche auf, die so angeordnet ist, dass sie mit dem Ausgangsende der ersten Welle verbunden ist, und weist ferner eine erste radial nach außen weisende Fläche auf. Zudem kann das konzentrische Ringschwungrad einen zweiten Ring aufweisen, der konzentrisch um den ersten Ring herum angeordnet ist, wobei der zweite Ring eine zweite radial nach innen weisende Fläche und eine zweite radial nach außen weisende Fläche zeigt. Ferner sind ein oder mehrere Kupplungsverbinder, die in einem ersten Raum angeordnet sind, der radial zwischen dem ersten und dem zweiten Ring so positioniert ist, um den zweiten Ring und den ersten Ring nicht drehbar miteinander zu verbinden, sowie eine Wellenenergieeinfangvorrichtung benannt, die betriebsmäßig so angeordnet ist, um die erste Welle zu drehen.
Die CN203978739U bezieht sich auf eine Art von Schwungrad-Schwungkraftmaschine mit einem Schweißstand und einer Unterstützung, sowie einem Druckkugellager mit flachem Sitz, das auf der Unterstützung angebracht ist. Dieser Motor verbraucht keine Kohle, Öl, und entlässt kein Abgas und kann bspw. im Schiffs- und Automobilbau verwendet werden.
Die US5012694A beschreibt ein Schwungrad für den Betrieb bei hohen Drehzahlen, bestehend aus zwei oder mehreren ringförmigen Komponenten, die in einer beabstandeten konzentrischen Beziehung zur Drehung um eine Achse angeordnet sind, und einer Expansionsvorrichtung, die zwischen den Komponenten angeordnet ist, um die Erhöhung der Radialkräfte auf die Komponenten, das aus dem Betrieb des Schwungrads resultiert, aufzunehmen. Die Ausdehnungsvorrichtung greift in beiden ringförmigen Komponenten ein, wobei die Struktur der Ausdehnungsvorrichtung sicherstellt, dass sie ihren Einfluss auf die Komponenten beibehält. Zusätzlich zu ihrer Fähigkeit, die Ausdehnung aufzunehmen, sorgt die Ausdehnungsvorrichtung auch für die Aufrechterhaltung der Steifigkeit des Schwungrads während des Schwungradbetriebs.
Modem gestaltete und leistungsfähige Schwungräder generieren beispielsweise Leistungen von bis zu 800 kW, um eine nutzbare Energie von 4 kWh mit einem Wirkungsgrad von bis 95% zu erhalten. Nachteilig bei der Verwendung von bereits bekannten Schwungrädern ist deren vergleichsweise komplexer apparativer Aufbau und das daraus resultierende hohe Gewicht. Ferner sind Schwungräder starken Rotationskräften ausgesetzt, weshalb das Material infolge der hohen Rotationsgeschwindigkeiten schneller zerbersten kann, was mit einem erheblichen Wartungsaufwand verbunden ist. Das Zerbersten von Schwungrädern wird durch deren Drehzahlen typischerweise zwischen 15.000 bis 25.000 Umdrehungen pro Minute noch weiter erhöht. Der Wirkungsgrad von Schwungrädern hängt dabei maßgeblich von Reibungsverlusten während der Rotation ab.
Demzufolge stehen reibungsverlustarme und energieeffiziente Schwungradsysteme im Vordergrund der Forschung und Entwicklung.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Nachteile des Standes der T echnik zu beseitigen oder zumindest abzumildern. Diese Aufgabe wird durch ein Schwungrad und ein System zur Verwendung als Energiespeicher / -wandler sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Technisch vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnungen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Schwungrad, wobei das Schwungrad einen runden Scheibenkörper aufweist. Der runde Scheibenkörper ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass er eine erste und eine der ersten Seite abgewandten zweiten Seite aufweist, wobei auf der ersten Seite des runden Scheibenkörpers eine Vielzahl von um dessen Mittelpunkt konzentrisch umlaufende ringförmige Erhebungen und Vertiefungen angeordnet sind. Dementsprechend sind die Erhebungen der ersten Seite auf der zweiten Seite als Vertiefungen und die Vertiefungen der ersten Seite auf der zweiten Seite als Erhebungen ausgeprägt. Die benachbarten Vertiefungen jeweils einer Seite sind strömungstechnisch über eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen miteinander verbunden, wobei die Durchtrittsöffnungen insbesondere im Bereich der Flanken der Vertiefungen und dementsprechend im Bereich der Flanken der Erhebungen auf der jeweils anderen Seite angeordnet sind.
Erfindungsgemäß wesentlich ist eine radiale Ausrichtung des Schwungrades, um eine maximal-effiziente Umwandlung der Energie zu gewährleisten, von bspw. einer Rotationsenergie in eine kinetische Energie.
Im Kontext der Erfindung ist bspw. für eine Schwungradvariante, eine erste Seite des Schwungrades als obere Seite zu verstehen und eine zweite Seite des Schwungrades als untere Seite (siehe Figur 1). Selbstverständlich kann im umgedrehten Fall dieser Schwungradvariante - in Analogie an einen „Teller“ - die erste ursprünglich obere Seite auch unten zum Erliegen kommen, und die zweite ursprünglich untere Seite oben zum Erliegen kommen.
Im Kontext der Erfindung ist bspw. für eine alternative Schwungradvariante jeder der einzelnen „Teller“ für sich mit genau einer Ober- und genau einer Unterseite versehen (siehe Fig. 12D). Jedoch auf diese Schwungradvariante insgesamt bezogen, wäre bspw. eine erste Seite die allgemeine obere Seite des Schwungrades, und die allgemeine Unterseite, im Fall der Fig. 12D der Deckel (28), die zweite Seite. Das heißt, eine erste Seite des Schwungrades kann grundsätzlich die Oberseite sein, wohingegen die zweite Seite eine Unterseite des Schwungrades sein kann. Dabei kann sowohl die Ober- und/oder die Unterseite als Deckel im Sinne der Erfindung ausgeformt sein. Dabei kann der Deckel wiederum selbst eine Ober- und Unterseite aufweisen, die ebenso im Kontext der Erfindung als erste und zweite Seite aufgefasst werden können. Dies ist im Einklang mit dem patentrechtlichen Begriff „eine“ bei Benennung eines Merkmals; denn dies umfasst generell die Einzahl aber auch die Vielzahl des benannten Merkmals.
Unter „Erhebung“ und „Vertiefung“ ist im Kontext der vorliegenden Erfindung die Ausprägung eines gleichen Merkmals gemeint, das auf der ersten und der zweiten Seite korrespondierend ausgeprägt ist. Bevorzugt formen besagte Erhebungen und Vertiefungen des Schwungrades erfindungsgemäß ein wellenförmiges Flächenprofil aus, wie weiter unten und in den Figuren ausgeführt.
Die Anordnung einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen auf den Flanken der Vertiefungen des runden Scheibenkörpers haben den technischen Effekt, Luft effektiv über die Durchtrittsöffnungen anzusaugen. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass die Anordnung einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen auch auf den Flanken der korrespondierenden Erhebungen des runden Scheibenkörpers ebenfalls den technischen Effekt bedingen, Luft effektiv über die Durchtrittsöffnungen anzusaugen.
Ab einer vordefinierten Rotationsgeschwindigkeit des Schwungrads, wird Luft über die Durchtrittsöffnungen eingesaugt. Um die Strömungsrichtung der angesaugten Luft zu beeinflussen und in eine Vorzugsrichtung zu bewegen, sind die beschriebenen Vertiefungen (bzw. korrespondierende Erhebungen) derart am Scheibenkörper angrenzend angeordnet, dass einander benachbarte Vertiefungen zumindest im Bereich des runden Scheibenkörpers strömungsdicht abschließen. Mit „strömungsdicht abschließen“ ist gemeint, dass die Luft entlang der Innenwand der ersten und/oder der zweiten Seite von innen nach außen beschleunigt und ein Wegströmen der angesaugten Luft in andere Raumrichtungen verhindert oder zumindest verringert wird.
In einer Ausführungsform wird besagte Luft automatisch über die Durchtrittsöffnungen eingesaugt, sofern die Rotationsgeschwindigkeit mit größer/gleich 3.800 Umdrehungen pro Minute definiert ist.
Diese Ausgestaltung der Vertiefungen (bzw. korrespondierende Erhebungen) gewährleistet ferner einen aktiven/passiven Luftstrom, um strömungstechnisch vorteilhaft eine Verbindung zwischen den einzelnen Hohlräumen der Vertiefungen (bzw. korrespondierende Erhebungen) bereitzustellen, um so die angesaugte Luft in radialer Richtung entlang des Schwungrads zu beschleunigen. Hierbei sind als „Hohlräume“, mit Luft gefüllte abgeschlossene oder einseitig offene Räume mit Übergang innerhalb der benachbarten Vertiefungen (bzw. korrespondierende Erhebungen) gemeint. Ferner weist das Schwungrad in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung einen umlaufenden Rand auf, der sich auf der ersten Seite des runden Scheibenkörpers von diesem weg erstreckt.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist das Schwungrad keinen umlaufenden Rand als separates Konstruktionsmerkmal auf, der sich vom runden Scheibenkörper weg erstreckt.
In einer technisch anderen vorteilhaften Ausgestaltung sind die Durchtrittsöffnungen eine Vielzahl insbesondere länglicher Durchtrittsöffnungen, wobei vorzugsweise die Durchtrittsöffnungen benachbarter Erhebungen radial fluchtend oder versetzt zueinander angeordnet sind. Bevorzugt werden längliche Durchtrittsöffnungen verwendet, worunter eine schmale Öffnung mit länglicher Lochform zu verstehen ist. Dies hat beispielsweise den technischen Vorteil, die Luft während der Rotation des erfindungsgemäßen Schwungrads effektiver anzusaugen, was in einer optimierten Rotationsgeschwindigkeit des Schwungrads resultiert. Eine radial fluchtende Anordnung von Durchtrittsöffnungen benachbarter Erhebungen optimiert die Strömungsgeschwindigkeit der angesaugten Luft, damit die durchströmende Luft direkt und ohne Verzögerung der Wegstrecke radial in Richtung des umlaufenden Rands bewegt werden kann. Mit gleichem oder verstärktem Vorteil ist eine versetzte Anordnung der Durchtrittsöffnungen benachbarter Erhebungen vorgesehen. Hierbei werden bevorzugt Rotationsgeschwindigkeiten des erfindungsgemäßen Schwungrads im Bereich von 3.000 bis 4.200 Umdrehungen pro Minute, insbesondere von 3.800 Umdrehungen pro Minute vorausgesetzt, um einen automatischen Ansaugeffekt der Luft über die Durchtrittsöffnungen zu ermöglichen. Der automatische Ansaugeffekt ist dabei abhängig vom Durchmesser des Schwungrades und/oder der Rotationsgeschwindigkeit. Der infolgedessen erzeugte und gerichtete Luftstrom wird nun durch die bei der Rotation wirkenden Zentrifugalkräfte vom Mittelpunkt des erfindungsgemäßen Scheibenkörpers über die Hohlräume der benachbarten Vertiefungen radial in Richtung des Rands beschleunigt, was in einer radialen Stabilisierung des Schwungrads resultiert. Hierdurch wird unter anderem das Risiko von Unwucht bei Rotation des Schwungrads minimiert.
In der gleichen Ausgestaltung liegen die Durchtrittsöffnungen mittig auf den Flanken der Erhebungen oder Vertiefungen des erfindungsgemäßen Schwungrads auf. Alternativ sind Durchtrittsöffnungen beispielsweise mit dreieckiger, quadratischer, rechteckiger, runder, ovaler, trapezförmiger, rhombischer Ausgestaltung und/oder ähnlichen und/oder geeigneten geometrischen Ausgestaltungen vorgesehen.
In einer weiteren Ausgestaltung liegen die Durchtrittsöffnungen derart geeignet auf den Flanken der Erhebungen oder Vertiefungen des erfindungsgemäßen Schwungrads auf, so dass die Lufteinströmung maximal-effizient und optimiert durch die Durchtrittsöffnungen durchströmen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Durchtrittsöffnungen derart geeignet auf den Flanken der Erhebungen oder Vertiefungen des erfindungsgemäßen Schwungrads auf, so dass die Lufteinströmung maximal-effizient und optimiert durch die Durchtrittsöffnungen durchströmen kann. Insbesondere dabei weisen die Durchtrittsöffnungen eine rechteckig, torähnliche Ausprägungsform auf. Weiter bevorzugt ist für die rechteckige, torähnliche Ausprägungsform der Durchtrittsöffnungen eine Höhe von 0,1 bis 5,0 mm. Die entsprechende Breite beziffert sich dabei anhand der Breite einer Seitenlange der Flanken.
Ferner können die Anzahl und/ oder Maße für Höhe und/oder Breite gerade in Abhängigkeit des Durchmessers des Schwungrades jeweilig größere oder kleinere als genannte Werte annehmen.
Alternativ können die Anzahl und/ oder Maße für Höhe und/oder Breite unabhängig vom Durchmesser des Schwungrades beziffert sein.
Die letztgenannte Ausführungsform ermöglicht ein schaufelradähnliches Einfangen der Luft. Der Fachmann erkennt hierbei klar, dass dieser Schaufelradeffekt mit diversen geometrischen Ausprägungen der Durchtrittsöffnungen realisiert werden kann. Beispielhaft, und damit nicht limitierend, wären zu nennen: runde, ovale, ellipsenförmige, trapezförmige und weitere funktionsgleiche Ausgestaltungsformen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Durchtrittsöffnungen je eine Breite im Bereich von 0,1 mm bis 10,0 mm, insbesondere von 1 ,0 mm bis 8,0 mm, und/oder eine Höhe im Bereich von 0,1 mm bis 30,0 mm, bevorzugt von 1 ,0 mm bis 10,0 mm, bei einem bevorzugten Durchmesser des erfindungsgemäßen Schwungrads von 26 cm auf.
In einer alternativen Ausgestaltung können die Durchtrittsöffnungen unterschiedliche Werte und/oder Wertebereiche für die Breite und/oder die Höhe der Durchtrittsöffnungen in Abhängigkeit des Durchmessers des runden Scheibenkörpers aufweisen. Alternativ können die Werte und/oder Wertebereiche unabhängig vom Durchmesser des erfindungsgemäßen Schwungrades sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Durchmesser des Schwungrads einen Wertebereich zwischen 5,0 cm bis 10,0 m. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Durchmesser des Schwungrads Werte zwischen 26,0 cm bis 1 ,0 m.
In einer alternativen Ausgestaltung umfasst der Durchmesser des Schwungrads einen Wertebereich zwischen 1 ,0 cm bis 5,0 cm, bevorzugt 2,0 cm bis 4,0 cm.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Wandstärke des erfindungsgemäßen Schwungrades einen Bereich von 0,1 mm - 100,0 mm, bevorzugt von 0,5 mm - 20,0 mm, mehr bevorzugt von 1 ,0 mm - 3,0 mm. Besonders bevorzugt ist eine Wandstärke des Schwungrades von 1 ,5 mm. Ferner nimmt in einer bevorzugten Ausgestaltung die Größe und/oder die Anzahl der Durchtrittsöffnungen ausgehend vom Mittelpunkt des erfindungsgemäßen Scheibenkörpers in Richtung des umlaufenden Rands ab. Dies bietet den technischen Vorteil, dass die angesaugte Luft in radialer Richtung ausgehend vom Mittelpunkt energieverlustärmer beschleunigt wird als in anderer Ausgestaltung. Alternativ nehmen die Größe und/oder die Anzahl der Durchtrittsöffnungen zu. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung bleibt die Größe und/oder die Anzahl der Durchtrittsöffnungen des erfindungsgemäßen Schwungrads gleich.
In einerweiteren alternativen Ausgestaltung variiert die Höhe und/oder die Breite und/oder die Anzahl der Durchtrittsöffnungen auf den jeweiligen Erhebungen und Vertiefungen und kann zudem gleicher und/oder unterschiedlicher Anordnung sein.
Durch die verschiedene Wahl und Kombination der Wertbereiche von Höhe, Breite und Anzahl der Durchtrittsöffnungen des erfindungsgemäßen Schwungrads ist der Ansaug- und Ausströmungseffekt der Luft und somit die Beschleunigung des Schwungrads gezielt einstellbar.
Ferner bilden in einer weiter bevorzugten Ausgestaltung die konzentrisch umlaufenden ringförmigen Erhebungen und Vertiefungen des erfindungsgemäßen Schwungrads ein wellenförmiges Flächenprofil aus. Mit anderen Worten bildet ein Querschnitt des Schwungrads entlang des Durchmessers Erhebungen und Vertiefungen aus, die einen periodischen Verlauf einnehmen. Hierdurch wird die Strömung der Luft in eine Vorzugsrichtung geleitet, die die Luft entlang des Scheibenkörpers passieren lässt und nach dem Prinzip des Auftriebs auf der ersten oder zweiten Seite des erfindungsgemäßen Schwungrads, die Drehbewegung durch Anströmung der Oberfläche antreibt. Alternativ mit gleichem Vorteil weist der Querschnitt des Flächenprofils die Form eines Sägezahns und/oder Rechtecks und/oder anderen geeigneten Formen auf.
In einer weiteren Ausgestaltung weisen die konzentrisch umlaufenden ringförmigen Erhebungen (bzw. korrespondierende Vertiefungen) je eine Breite im Bereich von 0,01 cm bis 3 cm, insbesondere von 0,1 cm bis 2,5 cm, eine Höhe im Bereich von 0,01 cm bis 3 cm, bevorzugt von 0,1 cm bis 2,5 cm und einen Gradienten im Bereich von Null bis 90 Grad, insbesondere im Bereich von 20 bis 60 Grad, auf, wobei die Wertebereiche bevorzugt bei einem Durchmesser des erfindungsgemäßen Schwungrads von 26 cm gelten. Unter einem Gradienten ist hier eine Oberflächenänderung des Verlaufs beispielsweise in Form eines Gefälles oder Anstiegs der Erhebungen oder Vertiefungen auf dem runden Scheibenkörper zu verstehen.
In einer alternativen Ausgestaltung weisen die konzentrisch umlaufenden ringförmigen Erhebungen unterschiedliche Wertebereiche für die Breite und/oder die Höhe und/ oder den Gradienten in Abhängigkeit vom Durchmesser des runden Scheibenkörpers auf.
In einer alternativen Ausgestaltung weisen die konzentrisch umlaufenden ringförmigen Erhebungen unterschiedliche Wertebereiche für die Breite und/oder die Höhe und/oder den Gradienten unabhängig vom Durchmesser des runden Scheibenkörpers auf.
In einerweiteren Ausgestaltung sind die Anzahl der Erhebungen (bzw. korrespondierende Vertiefungen) in Kombination mit den Wertebereichen für Breite und/oder Höhe und/oder dem Gradienten und/oder der Anzahl der Durchtrittsöffnungen und/oder der Wertebereiche der Durchtrittsöffnungen verschieden kombinierbar und können abhängig und/oder unabhängig einer Korrelation zum Durchmesser zueinander beziffert sein.
In einer weiter alternativen Ausgestaltung ist die Anzahl der Erhebungen (bzw. korrespondierende Vertiefungen) und/oder die Anzahl der Durchtrittsöffnungen mit den Wertebereichen für die Breite und/oder die Höhe und/oder den Gradienten des erfindungsgemäßen Schwungrads kombinierbar. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Strömungsdynamik des Luftstroms gezielt eingestellt werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der umlaufende Rand einen Rand auf, der abgerundet und/oder gebogen oder alternativ geeignet gewinkelt ausgestaltet ist. Der umlaufende Rand des erfindungsgemäßen Schwungrads umfasst Winkel zwischen 0° bis 90°, bevorzugt zwischen 30° bis 60°, insbesondere zwischen 50° bis 80°. Diese Ausgestaltung des umlaufenden Rands verstärkt den Effekt des Herausströmens der vom Mittelpunkt des Schwungrads in radialer Richtung beschleunigten Luft.
Der umlaufende Rand des erfindungsgemäßen Schwungrads ist besonders bevorzugt bei 0°, und endet radial ausgerichtet zum Schwungrad. Das heißt, das Schwungrad selbst als Grundkörper verbleibt einfach unverändert radial ausgerichtet. Daran können sich dann die Auslassöffnungen mit einer davon verschiedenen Geometrie anschließen.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung weist der umlaufende Rand eine Vielzahl von Auslassöffnungen auf, um den insbesondere aktiv/passiv geleiteten Luftstrom strömungstechnisch radial aus dem System herauszuführen. Unter „Vielzahl“ ist eine Menge von mindestens zwei Auslassöffnungen gemeint, wobei die Anzahl von Auslassöffnungen bevorzugt Werte zwischen 20 bis 80, insbesondere zwischen 30 bis 50, annimmt, wenn ein Durchmesser des Scheibenkörpers von 26 cm angenommen wird. Die Anzahl von Auslassöffnungen des erfindungsgemäßen Schwungrads können auch unterschiedliche Werte annehmen, je nachdem, ob der Durchmesser des Scheibenkörpers kleiner 26 cm oder größer 26 cm beträgt. Steigt der Durchmesser des Scheibenkörpers an, resultiert hieraus eine höhere Anzahl von Auslassöffnungen. Sinkt der Durchmesser des Scheibenkörpers resultiert hieraus eine geringere Anzahl von Auslassöffnungen.
In einer alternativen Ausgestaltung kann die Anzahl der Auslassöffnungen unabhängig vom Durchmesser sein. Zudem weist das erfindungsgemäße Schwungrad bevorzugt einen umlaufenden Rand auf, der eine Vielzahl radial in einem Winkel kleiner oder gleich 90° zum Rand ausgerichteter Auslassöffnungen aufweist.
Die Ausgestaltung der radialen Ausrichtung der Auslassöffnungen mit definierten Winkeln bietet den Vorteil, die Luftströmung effektiv über den Rand des Scheibenkörpers zu leiten, um somit das Strömungsverhalten des Schwungrads zu optimieren.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass am umlaufenden Rand des erfindungsgemäßen Schwungrads Auslassöffnungen beispielsweise als Düsen ausgebildet und, bevorzugt in einem Winkel im Bereich von 0° bis 90 °, insbesondere im Bereich von 0° bis 45°, zum umlaufenden Rand angeordnet sind. Dabei ist unter einer Düse ein sich stetig verengende Auslassöffnung zu verstehen, durch das ein Fluid, insbesondere Luft, geführt wird, damit diese seine Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Somit ist der technische Vorteil der Verwendung von Düsen als Auslassöffnungen darin zu sehen, eine Beschleunigung eines gerichteten Luftstroms zu erreichen, um somit den Antrieb des Schwungrads bei der Rotation effizienter zu gestalten. Alternativ kann eine andere Ausgestaltung ein vom Durchmesser gleichbleibende Auslassöffnung ohne Verengung bereitstellen.
In einer weiteren Ausgestaltung können die Düsen beispielsweise als Nasen oder Kanäle oder Vorsprünge ausgebildet sein, wobei als Nase ein vorspringendes Bauelement zu verstehen ist. Ferner kann in einer weiteren Ausgestaltung die Düse rund, eckig, gezackt und/oder anders geometrisch geeignet ausgeformt sein.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung sind die Düsen entgegengesetzt der Rotationsrichtung des erfindungsgemäßen Schwungrads geöffnet, wobei die Düsen bevorzugt radial in einem Winkel kleiner oder gleich 90° in Bezug auf den umlaufenden Rand ausgerichtet sind. Hierdurch wird die Rotationrichtung und -geschwindigkeit des Schwungrads durch die Ausrichtung der Düsen am umlaufenden Rand maßgeblich beeinflusst.
In einer noch weiter bevorzugten Ausgestaltung sind die Düsen entgegengesetzt der Rotationsrichtung des erfindungsgemäßen Schwungrads geöffnet, wobei die Düsen radial in einem Winkel von 0 bis 20° in Bezug auf den umlaufenden Rand ausgerichtet sind. Hierdurch wird die Rotationrichtung und -geschwindigkeit des Schwungrads durch die Ausrichtung der Düsen am umlaufenden Rand maßgeblich beeinflusst.
In einer weiter alternativen Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Schwungrad keinen umlaufenden Rand und/oder keine Düsen als Auslassöffnungen auf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die insbesondere vom umlaufenden Rand begrenzte Seite formschlüssig durch einen Verschluss, beispielsweise in Form eines Deckels, verschließbar. Zusätzlich weist der Deckel eine Vielzahl von Einlassöffnungen/ Durchtrittsöffnungen auf. Dies bietet den technischen Vorteil, die eingesaugte Luft effizienter über die im Schwungrad positionierten Durchtrittsöffnungen zu leiten, um somit die radiale Stabilität während der Rotation des erfindungsgemäßen Schwungrads zu gewährleisten.
In einer alternativen Ausgestaltung hat der Deckel keine Einlassöffnungen.
Erfindungsgemäß ist der Deckel als Ober- oder Unterseite des Schwungrades zu verstehen, und kann als separates Bauteil oder in einem einstückigen Verbund von Ober- und Unterseite inklusive des zuvor definierten Randes (inklusive der Austrittsöffnungen) ausgestaltet sein.
Denkbar ist bspw. der besagte Deckel als Oberseite des Schwungrades ausgebildet, welcher mit einer Unterseite, quasi dem Boden, verbunden ist.
Denkbar ist ferner, dass der besagte Deckel als Unterseite des Schwungrades ausgebildet ist, und mit einer Oberseite des Schwungrades verbunden ist.
In einer alternativen, aber bevorzugten Ausführungsform, wird das Schwungrad durch ein geeignetes SLS-3D-Druckverfahren einstückig hergestellt. Als besonders geeignete Materialien sind zu nennen Kupfer, Titan oder andere Metalle und Metalllegierungen, sowie Polymere und/oder Verbundwerkstoffe aus Kohle-, Glas- und Aramidfasern und/oder Kombinationen aus Verbundwerkstoffen; die vorliegende Anmeldung ist darauf aber nicht beschränkt zu lesen.
SLS-, und SLM-3D-Druckverfahren
Selektives Lasersintern und/oder Selektives Laserschmelzen sind 3D-Druckverfahren (z.B. mit Hilfe von „laser powder bed fusion“, „Extrusion“ oder „binder jetting“), das Laserstrahlung als Energiequelle verwendet und/oder sich einer Klebetechnik („binder jetting“) bedient, um 3D-Objekte aus Kunststoff, bspw. Polymeren, oder Metallen und weiteren Materialien herzustellen. Es ist eine der fortschrittlichsten Technologien in der additiven Fertigung.
Exemplarisch wird beim SLS-Verfahren im ersten Schritt des Fertigungsprozesses über eine Rakel, eine Kombination mehrerer Rakeln oder eine Rolle eine dünne Schicht Pulver auf der Bauplattform aufgetragen. Die Schichtdicken liegen je nach Auflösung und Anlage zwischen </= 0,05 mm und >\= 0,15 mm. Nach dem gleichmäßigen Auftrag des Pulvers (welches das Material eines, z.B., Polymeres ist) wird der Bauraum bis knapp unter den Schmelzbereich des jeweiligen Kunststoffs erwärmt und lokal an den Stellen, an denen das Bauteil entstehen soll, von einem Laser aufgeschmolzen und/oder entsprechend verklebt. Anschließend senkt sich die Bauplattform um eine Schichtdicke ab und der Prozess beginnt von vom. Der Ablauf wiederholt sich, bis die letzte Schicht des 3D- Modells gedruckt wurde.
Eingesetzte Materialien sind z.B. Hochleistungskunststoffe, hitzebeständige Polymere bzw. Polyamidische-Kunststoffe, die unter den Kürzeln wie zum Beispiel PA12, PA11 , TPU, PEEK, PP und weiteren bekannt sind. Die Materialien haben eine hohe Zugfestigkeit und hohe Dehngrenzen, die sich den Eigenschaften einiger Metalle annähern. Andere Materialien können Metalle sein wie z.B. 17-4 PH Edelstahl oder Kupfer.
Am Markt erhältliche SLS-3D-Drucker sind derzeit im Desktopbereich: SnowWhite 2 von Sharebot; S2 von Sintratec; Gravity von Wematter; Onyx Pro von Markforged
Im industriellen Sektor sind es z. B. sPro 230 von 3D Systems; P 810 von EOS; Serie 403P von Farsoon; X7 und Metal X Systems von Markforged, um nur einige beispielhaft zu nennen.
Mit unterschiedlichen Bauraumgrößen können mit den Druckern, bspw. im pm-Bereich, aber dahingehend nicht limitierend, detaillierte bzw. genaue Bauteile und Komponenten gefertigt werden, die zugleich eine sehr hohe Komplexität und auch Hohlräume aufweisen können.
Der Begriff „Polymere“ bezeichnet im Rahmen der Erfindung einen chemischen Stoff, der aus Makromolekülen besteht; also quasi ein Stoff aufgebaut aus mehreren Stoffen ist. Die Makromoleküle dieser Stoffe sind aus einer oder mehreren Struktureinheiten, den sogenannten konstitutionellen Repetiereinheiten oder Wiederholeinheiten, aufgebaut. Das Adjektiv „polymer“ bedeutet entsprechend „aus vielen (gleichen) Teilen aufgebaut“. In einigen Ausführungsformen der Erfindung besteht ein Polymer aus nicht identischen Makromolekülen, da die Anzahl der Wiederholeinheiten und damit die Molekülmasse der Moleküle variiert; erfindungsgemäß wird der Stoff dennoch als „ein Polymer“ oder ähnliches bezeichnet. Synthetische oder halbsynthetische Polymere sind die Hauptkomponente für die Herstellung von Kunststoffen, und können auch im Sinne der Erfindung verwendet werden.
Synthetische Polymere sind durch Polyreaktionen industriell oder im Labormaßstab hergestellte Stoffe, dazu gehören u. a. Polyethylen, Polystyrol und Polyvinylchlorid.
Polymere können nach der Anzahl der Grundstoffe (Monomere), aus denen sie aufgebaut sind, eingeteilt werden, in:
„Homopolymere“ bestehen aus nur einer Monomerart wie Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid oder Polycaprolactam.
„Copolymere“ sind aus verschiedenen Monomeren aufgebaut, wie Acrylnitril-Butadien- Styrol-Copolymer (ABS), Styrol-Acrylnitril (SAN) oder Butylkautschuk.
„Polymerblends“ entstehen durch Mischen von unterschiedlichen Homopolymeren und/oder Copolymeren. Hergestellt werden sie meist durch intensive mechanische Vermischung von geschmolzenen Polymeren, wobei sich ein homogenes Material ergibt. Eine besondere Form eines Blends ist eine Polymeriegierung.
Die einstückige Variante ist dadurch charakterisiert, dass zwischen Ober- und Unterscheibe (erste und zweite Seite) ein Hohlraum ausgeformt ist, der vom Schwungrad- Zentrum hin zum Rand des Schwungrades stetig kleiner, bzw. enger, wird. Damit geht der technische Effekt einher, dass durch die sukzessive Verengung ein automatischer Sogeffekt der Umgebungsluft über die Durchtrittsöffnungen gewährleistet wird. Bevorzugt umfasst dieser Hohlraum (Abstand zwischen Ober- und Unterscheibe) mittig/zentral zwischen 1 ,0 mm und 30,0 mm, und zum Rand hin kleiner werdend zwischen 0,1 mm und 2,0 mm; siehe Fig. 12 und ihre Unterfiguren.
Reibungsverluste während der Rotation des erfindungsgemäßen Schwungrads infolge von beispielsweise Luftströmung können durch das Gewicht des Schwungrads und die Verwendung von reibungsreduzierenden Materialien weitestgehend minimiert werden. In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der runde Scheibenkörper des erfindungsgemäßen Schwungrads zu mindestens 90 Gewichtsprozent, bevorzugt zu mindestens 98 Gewichtsprozent, nur aus einem Werkstoff gefertigt, da dies den Fertigungsprozess des Schwungrads vereinfacht und die Betriebslebensdauer des Schwungrads optimiert. Bevorzugt sind als Werkstoffe, die den reibungsreduzierenden Materialien zugeordnet werden, korrosionsbeständige Metalle, bevorzugt auszuwählen aus Kupfer und/oder Titan, Metalllegierungen, temperaturbeständige Polymere und/oder Verbundwerkstoffe aus Kohle-, Glas- und Aramidfasern und/oder Kombinationen aus Verbundwerkstoffen und/oder anderen geeigneten Materialien vorgesehen.
Ferner umfasst eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schwungrads eine oder mehrere reibungsreduzierende Beschichtung(en). Vorliegend ist als „reibungsreduzierend“ eine Beschichtung zu verstehen, die den Strömungswiderstand der Luft während der Rotation des Schwungrads reduziert. Die infolge durch mechanischen Widerstand erzeugte Reibung resultiert aus der Rotationsbewegung des Schwungrads und kann durch reibungsreduzierende Beschichtungen abgemildert werden. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Schwungrads optimiert. Als reibungsreduzierende Beschichtung ist/sind eine oder mehrere Stoffkomponente(n) oder ein Stoffgemisch bevorzugt, die eine bewegliche Rillenstruktur aufweisen, die aufgrund Ihrer Oberflächenbeschaffenheit und den daraus resultierenden Materialeigenschaften, z. B. einer Haifischhaut, nachempfunden sind. Somit können Rotationsgeschwindigkeiten des runden Scheibenkörpers im Bereich von beispielsweise 60.000 bis zu 120.000 Umdrehungen pro Minute und mehr auch bei geringerer Energiezufuhr ermöglicht werden. Es können alternativ Rotationsgeschwindigkeiten des runden Scheibenkörpers mit Werten unterhalb 60.000 Umdrehungen pro Minute oder Werten oberhalb 120.000 Umdrehungen pro Minute eingenommen werden, wobei die Rotationsgeschwindigkeiten maßgeblich von der Leistung der elektrischen Maschine abhängen. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein System zur Verwendung als Energiespeicher und -wandler, wobei das System eine elektrische Maschine und mindestens ein mit der elektrischen Maschine verbundenes Schwungrad umfasst. Die elektrische Maschine weist einen Rotor auf, wobei das erfindungsgemäße Schwungrad und der Rotor mittig über Durchgangsöffnungen des Schwungrads mit einem Verbindungselement verbunden sind. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, eine stabile und sichere Rotation des erfindungsgemäßen Schwungrads zu ermöglichen, ohne dabei das Risiko einer Unwucht während der Rotation des Schwungrads einzugehen. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird ein System zur Verwendung als Energiespeicher und -wandler offenbart, wobei das System eine elektrische Maschine und mindestens ein mit der elektrischen Maschine verbundenes Schwungrad umfasst. Die elektrische Maschine weist einen Rotor mit einem Flansch auf, wobei das erfindungsgemäße Schwungrad mit dem Flansch des Rotors mittig über Durchgangsöffnungen des Schwungrads direkt - also ohne gesondertes Verbindungselement - verbunden ist. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, Ineffizienzen und Risiken der Kraftübertragung während der Rotation des erfindungsgemäßen Schwungrads zu minimieren.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist das Schwungrad keine zentrale Durchgangsöffnung auf, nämlich insbesondere für den Fall, wenn das Schwungrad ohne Verbindungsstück direkt an einer Maschine, insbesondere elektrischen Maschine, angebracht ist.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße System mindestens ein mit dem Rotor verbundenes Schwungrad auf, das insbesondere mit mindestens einem und/oder mehreren Kraftwerk(en) wirkverbunden ist. Unter einem Kraftwerk ist ein Energieumwandlungssystem zu verstehen, das nichtelektrische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die im erfindungsgemäßen Schwungrad zwischengespeicherte kinetische Energie kann bei Bedarf freigesetzt und an elektrische und/oder mechanische Komponenten oder Ähnliches des Kraftwerks übertragen werden. Als elektrische Komponenten des Kraftwerks können beispielsweise Schaltungen installiert werden, die mindestens zwei elektrische Maschinen miteinander funktionstechnisch verbinden, um einen Betriebswechsel zwischen zwei elektrischen Maschinen zu gewährleisten. Alternativ oder zusätzlich wird die zwischengespeicherte Energie des erfindungsgemäßen Schwungrads auf eine mechanische Komponente übertragen, vorzugsweise durch eine Kraftübertragungseinheit, beispielsweise in Form eines Keilriemens oder Ähnliches, welche wiederum mit einem Kraftstoffmotor mit direkter oder indirekter Verbindung zu Getrieben, Zahnrädern und/oder Kupplungen oder Ähnlichem verbunden sind.
Ferner umfasst das erfindungsgemäße System eine Mehrzahl von elektrischen Maschinen, die mit einem oder einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Schwungräder und/oder untereinander wirkverbunden sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist die elektrische Maschine ein Elektromotor, welcher beispielsweise mit Gleich-, Wechsel- oder Drehstrom betreibbar ist, der elektrische Leistung in mechanische Leistung umwandelt.
Ist die elektrische Maschine alternativ oder zusätzlich ein Generator, wird zudem mechanische Leistung in elektrische Leistung umgewandelt. Der Betrieb des Generators basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die elektrische Maschine sowohl ein Elektromotor als auch ein Generator, wobei die Komponente des Elektromotors elektrische Leistung in mechanische Leistung und die Komponente des Generators mechanische Leistung in elektrische Leistung umwandelt. Der Elektromotor, der Generator oder die Kombination aus beiden kann mit Kugellagern und/oder Magnetlagern betrieben werden. Magnetlager in elektrischen Maschinen bieten im Gegensatz zu Kugellagern den Vorteil weniger Reibungsverluste während der Rotation eines Schwungrads zu generieren.
Ferner ist der Betrieb von Generatoren beispielsweise mit Gleich- und/oder Wechselstrom sowie als Synchron- und/oder Asynchrongenerator möglich. Elektromotoren und Generatoren oder die Kombination aus beiden gehören zu der Gruppe der rotierenden elektrischen Maschinen. Mit anderen Worten sind Generatoren und Elektromotoren sowie deren Kombinationen zur simultanen Verwendung beider elektrischer Maschinen Stand der T echnik, insofern wird auf eine detaillierte Diskussion hinsichtlich des Aufbaus und der Funktionsweise von Elektromotoren und Generatoren sowie derer Kombination in der vorliegenden Erfindung verzichtet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das System die elektrische Maschine und das Schwungrad, die über ein, insbesondere einstückiges, Verbindungselement miteinander verbunden sind. Der technische Vorteil des einstückigen Verbindungselements besteht in der geringeren Verschleißneigung und dem damit verbundenen geringeren Wartungsaufwand. Die Verbindung zwischen elektrischer Maschine und Schwungrad kann beispielweise mithilfe eines Justierelements, wie etwa einer Schraube, und einem passenden Gegenstück erfolgen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Verbindungselement zu mindestens 90 Gewichtsprozent, bevorzugt zu mindestens 98 Gewichtsprozent, nur aus einem Werkstoff gefertigt, da dies eine vereinfachte Herstellung des Verbindungselements ermöglicht. Bevorzugt sind als Werkstoffe korrosionsbeständige Metalle, bevorzugt auszuwählen aus Kupfer und/oder Titan, Metalllegierungen, temperaturbeständige Polymere und/oder Verbundwerkstoffe aus Kohle-, Glas- und Aramidfasern und/oder Kombinationen aus benannten Verbundwerkstoffen oder anderen geeigneten Werkstoffen vorgesehen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die elektrische Maschine zwischen einem Generator- und einem Elektromotormodus schaltbar.
In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die elektrische Maschine gleichzeitig als Elektromotor und Generator verwendet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die elektrische Maschine entweder als Elektromotor oder Generator verwendet.
Somit betrifft ein letzter Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Systems, wobei das System als solches eine Inbetriebnahme der elektrischen Maschine durch eine externe geeignete Energiequelle umfasst. Eine „externe Energiequelle“ meint z.B. eine Stromquelle, beispielweise ein konventionelles Stromnetz und/oder eine konventionelle Batterie, zur bestimmungsgemäßen Steuerung und Versorgung der Bauelemente des erfindungsgemäßen Systems, um eine effiziente Übertragung und Verteilung elektrischer Energie auf das System zu ermöglichen. Die Übertragung der elektrischen Leistung der elektrischen Maschine auf das erfindungsgemäße Schwungrad resultiert in einer Rotation des Schwungrads durch Umwandlung der elektrischen Leistung in mechanische Leistung, wobei die elektrische Maschine ab einer vordefinierten Drehzahl im Bereich von 2.000 bis 8.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere ab 3.800 Umdrehungen pro Minute des erfindungsgemäßen Schwungrads, in den Generatormodus schaltet. Das Schalten der elektrischen Maschine in den Generatormodus ist jedoch auch unterhalb von 2.000 Umdrehungen pro Minute oder oberhalb von 8.000 Umdrehungen pro Minute möglich. Ferner schaltet die elektrische Maschine des erfindungsgemäßen Systems in den Elektromotormodus, wenn eine Mindestdrehzahl im Bereich von 1.500 bis 4.000 Umdrehungen pro Minute des erfindungsgemäßen Schwungrads unterschritten wird. Das Schalten der elektrischen Maschine in den Elektromotormodus ist jedoch auch unterhalb von 1.500 Umdrehungen pro Minute oder oberhalb von 4.000 Umdrehungen pro Minute möglich.
Dabei kann die Rotationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Durchmesser des Schwungrades oder alternativ unabhängig vom Durchmesser des Schwungrads variieren. Somit besteht der technische Vorteil der Schaltung zwischen Elektromotor- und Generatormodus des erfindungsgemäßen Systems darin, ein einfach zu bedienendes System bereitzustellen, welches die Vorteile von Elektromotoren und Generatoren miteinander kombiniert sowie optimiert. Somit ist über die elektrische Leistung der elektrischen Maschine die Rotationsgeschwindigkeit des erfindungsgemäßen Schwungrads einstell- und variierbar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die elektrische Maschine des erfindungsgemäßen Systems von der externen Energiequelle getrennt, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Schwungrads einen Bereich von 110.000 bis 180.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere von 120.000 bis 140.000 Umdrehungen pro Minute übersteigt, und damit als Bremse verwendet wird. Die angegebenen Rotationsgeschwindigkeiten zwischen 110.000 bis 180.000 Umdrehungen pro Minute des Schwungrads können jedoch auch Werte unterhalb oder oberhalb des Bereichs 110.000 bis 180.000 Umdrehungen pro Minute annehmen, und werden durch die Leistungsparameter der elektrischen Maschine bestimmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die elektrische Maschine mit dem Stromnetz, einer Batterie oder anderen geeigneten Energiequelle verbunden, um den Elektromotor zu betreiben und zugleich überden Generator erzeugte Energie abzugreifen. Dabei läuft die elektrische Maschine sowohl im Elektromotor- als auch im Generatormodus.
In einer noch weiter bevorzugten Ausgestaltung ist die elektrische Maschine mit einem Drittsystem verbunden, welches die umgewandelte elektrische Energie als Energiequelle zum Betreiben desselbigen benutzt.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung wird zum Abbremsen des erfindungsgemäßen Schwungrads ein aktives und/oder passives Fanglager verwendet. Dies bietet den technischen Vorteil, im Fall einer Störung des Kugel- und/oder Magnetlagersystems oder beim Erreichen einer über die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine hinausgehenden Rotationsgeschwindigkeit, das erfindungsgemäße System betriebssicher abzubremsen, um eine Berührung der Lagerkomponenten mit der drehenden Welle zu vermeiden. Es wird somit einer Beschädigung oder einer vollständigen Zerstörung des erfindungsgemäßen Systems vorgebeugt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung fungiert die elektrische Maschine zur Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Systems als Elektromotor, wobei die elektrische Maschine nach einer Rotationsgeschwindigkeit im Bereich von 2.000 bis 8.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere ab 3.800 Umdrehungen pro Minute, als Generator fungiert. Das Schalten der elektrischen Maschine in den Generatormodus ist jedoch auch unterhalb von 2.000 Umdrehungen pro Minute oder oberhalb von 8.000 Umdrehungen pro Minute möglich.
In einer alternativen Ausgestaltung fungiert die elektrische Maschine zur Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Systems sowohl als Elektromotor als auch Generator.
In einer alternativen Ausgestaltung fungiert die elektrische Maschine zur Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Systems entweder als Elektromotor oder als Generator.
Die beschriebenen Ausgestaltungen sind, soweit im Detail nicht anders beschrieben, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
FIGUREN
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme von Figuren anhand bevorzugter Ausführungsformen exemplarisch beschrieben.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1A, B, C: eine schematische Zeichnung eines erfindungsgemäßen
Schwungrads 10 in einer bevorzugten Ausführungsform in Frontalansichten (Fig. 1A, B) und schräger Aufsicht (Fig. 1C)
Figur 2A, B, C: eine schematische Zeichnung eines erfindungsgemäßen
Schwungrads 10 in einer bevorzugten Ausführungsform in Profilansicht (Fig. 2A) und schrägen Aufsichten (Fig. 2B, C) Figur 3A, B: eine schematische Zeichnung eines erfindungsgemäßen Schwungrads 10 in einer bevorzugten Ausführungsform in schräger Aufsicht mit (Fig. 3B) und ohne Verbindungselement 23 (Fig. 3A)
Figur 4A, B, C: eine schematische Zeichnung eines erfindungsgemäßen
Schwungrads 10 in einer bevorzugten Ausführungsform in halbseitig geöffneter schräger Aufsicht (Fig. 4A, B) und halbseitig geöffneter Profilansicht (Fig. 4C)
Figur 5A, B: eine schematische Zeichnung der Durchtrittsöffnungen 16 eines erfindungsgemäßen Schwungrads 10 in einer bevorzugten Ausführungsform in schräger Aufsicht (Fig. 5A) und Frontalansicht (Fig. 5B)
Figur 6A, B, C: eine schematische Zeichnung der Auslassöffnungen 17 eines erfindungsgemäßen Schwungrads 10 in einer bevorzugten Ausführungsform in schräger Aufsicht (Fig. 6A) und in zwei Profilansichten (Fig. 6B, C)
Figur 7A, B: eine schematische Zeichnung der Auslassöffnungen 17 eines erfindungsgemäßen Schwungrads 10 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in schräger Aufsicht (Fig. 7B) und Profilansicht (Fig. 7A)
Figur 8A, B: eine schematische Zeichnung des Systems 20 in einer bevorzugten Ausführungsform in Seitenansicht mit Magnetlagerung (Fig. 8A) und/oder mit Kugellagerung (Fig. 8B)
Figur 9A, B: eine schematische Zeichnung des Systems 20 in einer bevorzugten Ausführungsform in schräger Aufsicht mit Innenleben der Magnetlagerung (Fig. 9A) und/oder mit Innenleben der Kugellagerung (Fig. 9B)
Figur 10A, B, C: eine schematische Zeichnung des Verbindungselements 23 zwischen dem erfindungsgemäßen Schwungrad 10 und der elektrischen Maschine 21 in einer bevorzugten Ausführungsform in Hinteransicht (Fig. 10A) und schräger Aufsicht (Fig. 10B, C)
Figur 11A, B, C: eine schematische Zeichnung des Verbindungselements 23 zwischen dem erfindungsgemäßen Schwungrad 10 und der elektrischen Maschine 21 und entsprechender Justierelemente 27 in einer bevorzugten Ausführungsform in Profilansicht (Fig. 11A), schräger Aufsicht (Fig. 11 B) und Frontalansicht (Fig. 11 C)
Figuren 12A-E: schematische Zeichnungen einer besonders bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwungrads 10 in Frontalansicht (Fig. 12A), Rückansicht (Fig. 12B), schräger Draufsicht (Fig. 12C), als Querschnitt (Fig. 12D) sowie als Detailansicht (Fig. 12E)
Die vorliegenden zwölf Figuren zeigen je eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwungrads und des Systems zur Verwendung als solches, wobei sich die zwölf Figuren jeweils in der perspektivischen Ansicht des erfindungsgemäßen Gegenstands der vorliegenden Erfindung unterscheiden.
Die Figuren 1 bis 4 zeigen das erfindungsgemäße Schwungrad 10 in einer bevorzugten Ausführungsform, wobei das Schwungrad einen Körper 11 aufweist, der durch den runden Scheibenkörper 11 ausgestaltet ist. Das erfindungsgemäße Schwungrad 10 bildet somit eine erste Seite 18 und eine zweite Seite 19 des runden Scheibenkörpers 11 , wobei die erste Seite 18 und die zweite Seite 19 insbesondere mittig eine und/oder mehrere Durchgangsöffnungen 12 zur Aufnahme von Justierelementen 27 aufweisen.
Die Justierelemente 27 können beispielsweise eine oder mehrere Schrauben mit insbesondere selbstsichernden Gegenstücken, wie beispielsweise ein stückige Verbindungselemente, umfassen, damit eine direkte Verbindung zwischen dem erfindungsgemäßen Schwungrad 10 und der elektrischen Maschine 21 hergestellt wird. Das erfindungsgemäße Schwungrad 10 und die elektrische Maschine 21 stehen in direkter oder indirekter Wirkverbindung zueinander.
Ferner weist das erfindungsgemäße Schwungrad 10 bevorzugt einen umlaufenden Rand 13 des runden Scheibenkörpers 11 auf, der sich auf einer Seite von diesem weg erstreckt. Zudem weist der runde Scheibenkörper 11 des erfindungsgemäßen Schwungrads 10 eine Vielzahl von umlaufenden Erhebungen 14 auf, die konzentrisch und ringförmig um den Mittelpunkt des runden Scheibenkörpers 11 angeordnet sind. Die konzentrisch und ringförmig um den Mittelpunkt des Scheibenkörpers 11 angeordneten Erhebungen 14 erstrecken sich dabei auf der ersten Seite 18 wie der umlaufende Rand 13, wobei sich auf einer ersten Seite 18 abgewandten zweiten Seite 19 des Scheibenkörpers 11 eine Vielzahl von Vertiefungen 15 ausbilden. Die konzentrisch umlaufenden ringförmigen Erhebungen 14 und Vertiefungen 15 des erfindungsgemäßen Schwungrads 10 bilden bevorzugt ein wellenförmiges Flächenprofil aus. Die benachbarten Vertiefungen 15 sind strömungstechnisch miteinander verbunden, wobei die Vertiefungen 15 derart am Scheibenkörper 11 ausgebildet sind, dass einander benachbarte Vertiefungen 15 zumindest im Bereich des Scheibenkörpers 11 strömungsdicht abschließen.
In Figur 5 ist das erfindungsgemäße Schwungrad aus den Figuren 1 bis 4 gezeigt, wobei die zueinander benachbarten Vertiefungen 15 strömungstechnisch miteinander verbundene Durchtrittsöffnungen 16 aufweisen. Die Durchtrittsöffnungen 16 weisen eine Vielzahl länglicher Durchtrittsöffnungen auf. Die Durchtrittsöffnungen 16 des erfindungsgemäßen Schwungrads 10 sind bevorzugt in Form von Luftschlitzen ausgebildet und erstrecken sich, insbesondere mittig liegend auf der Flanke, entlang einer Erhebung/Vertiefung 14, 15.
Zusätzlich sind die Durchtrittsöffnungen 16 in einer bevorzugten Ausführungsform in benachbarten Erhebungen 14 radial fluchtend angeordnet. Alternativ können die in den benachbarten Erhebungen 14 längserstreckten Durchtrittsöffnungen 16 auch versetzt zueinander angeordnet sein. Die Höhe, die Breite und die Anzahl der länglichen Durchtrittsöffnungen 16 ausgehend vom Mittelpunkt des runden Scheibenkörpers 11 in Richtung des umlaufenden Rands 13 bleiben in einer bevorzugten Ausführungsform gleich. Alternativ kann die Höhe und/oder die Breite und/oder die Anzahl der Durchtrittsöffnungen 16 ausgehend vom Mittelpunkt des runden Scheibenkörpers 11 in radialer Richtung zum umlaufenden Rand 13 des erfindungsgemäßen Schwungrads 10 zunehmen oder abnehmen oder in Kombination der jeweiligen Ausgestaltung vorliegen.
In den Figuren 6 und 7 ist das erfindungsgemäße Schwungrad 10 aus den Figuren 1 bis 4 mit bevorzugten Ausführungsformen gezeigt, wobei der umlaufende Rand 13 eine Vielzahl radial in einem Winkel im Bereich von 0 bis 90°, insbesondere im Bereich von 0 bis 45° ausgerichteter Auslassöffnungen 17 aufweist. Derartige am umlaufenden Rand 13 positionierte Auslassöffnungen 17 sind bevorzugt als Düsen 17 ausgebildet, wobei vorzugsweise die Düse 17 rund und/oder eckig ausgeformt ist, wobei jegliche andere geeignete Geometrie die Form und die Gestalt der Düse 17 bestimmen können. Zudem sind in den Figuren 6 und 7 gezeigten Auslassöffnungen 17 vorzugsweise entgegengesetzt der Rotationsrichtung des erfindungsgemäßen Schwungrads 10 geöffnet, wobei die Auslassöffnungen 17 vorzugsweise tangential in Bezug auf dem umlaufenden Rand 13 ausgerichtet sind. In der Figur 8 ist das System 20, das das beschriebene erfindungsgemäße Schwungrad 10 aus den Figuren 1 bis 4 aufweist, gezeigt. Das System 20 umfasst eine elektrische Maschine 21 , welches über ein mit der Rotorachse 22 der elektrischen Maschine 21 verbundenes erfindungsgemäßes Schwungrad 10 in Wirkverbindung steht. Die Wirkverbindung zwischen elektrischer Maschine 21 und dem erfindungsgemäßen Schwungrad 10 wird über ein formschlüssiges Verbindungselement 23 realisiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Maschine 21 des Systems 20 zwischen einem Elektromotor und einem Generator schaltbar, welcher zum einen ein Kugellager und/oder ein Magnetlager aufweist.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine 21 des Systems 20 sowohl einen Elektromotor als auch einen Generator, welcher ein Kugellager und/oder ein Magnetlager aufweist.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine 21 des Systems 20 entweder einen Elektromotor oder einen Generator, welcher ein Kugellager und/oder ein Magnetlager aufweist.
Die elektrische Maschine 21 wird von einer externen Stromquelle oder anderen geeigneten Energiequelle, beispielsweise mittels einer Batterie, angetrieben, was zur Entladung der verwendeten Batterie führt. Wird die elektrische Maschine als Generator verwendet, kann gegebenenfalls der bei der Rotation des erfindungsgemäßen Schwungrads 10 überschüssig generierte Strom beispielsweise wieder zum Laden der Batterie genutzt werden. Alternativ kann die überschüssige Energie des Schwungrads in ein und/oder mehrere Kraftwerke eingespeist werden.
In Figur 9 ist exemplarisch das Innenleben der elektrischen Maschine 21 , vorzugsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators, aus der Figur 8 gezeigt, wobei ein Kugel- und/oder ein Magnetlager (24, 25) in der elektrischen Maschine 21 Verwendung finden kann. Die Bauelemente der kugelgelagerten und magnetgelagerten elektrischen Maschinen (24, 25) entsprechen vom Aufbau her konventionellen rotierenden elektrischen Maschinen.
In einem bevorzugten ersten Ausführungsbeispiel weist die elektrische Maschine 21 ringförmige Magnetlager auf, wobei die Magnetlager vorzugsweise aus einem Elektromagneten bestehen. Elektromagnete werden u.a. sowohl mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom betrieben. Der in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem Permanentmagneten bestehende zylinderförmige Rotor 22 kann somit kontaktfrei innerhalb des Magnetlagers rotationssymmetrisch nach dem Prinzip eines Elektromotors und/oder eines Generators rotieren. Die Magnetlager der elektrischen Maschine 25 sind entlang des Rotors 22 bevorzugt derart positioniert, dass die Magnetlager an einem vorderen und einem hinteren Ende des Rotors 22 kontaktlos diesen umschließen. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind Kupferspulen, eingebettet in Eisenkerne, vorzugsweise zylindrisch, um die auf dem Rotor angebrachten Permanentmagneten, mit beziffertem Abstand, angeordnet.
In einem bevorzugten zweiten Ausführungsbeispiel weist die elektrische Maschine 24 ein Kugellager auf und kann bevorzugt nach dem Prinzip eines Elektromotors und/oder eines Generators betrieben werden. Magnetgelagerte elektrische Maschinen 25 werden bevorzugt verwendet, da diese weniger Reibungsverluste infolge des Rotationsbetriebs aufweisen und zudem eine radiale Stabilisierung des Rotors 22 bei Drehzahlen beispielsweise von 60.000 Umdrehungen pro Minute und mehr ermöglichen.
Um eine WirkverbindungAbeziehung zwischen der elektrischen Maschine 21 und dem erfindungsgemäßen Schwungrad 10 herzustellen, weist das Schwungrad 10 bevorzugt mittig angeordnete Durchgangsöffnungen 12 auf, die zur Aufnahme eines Justierelements beispielweise in Form einer oder mehrerer Schrauben befähigt. Als Gegenstück wird bevorzugt ein einstückiges Verbindungselement 23 bereitgestellt.
Die Figuren 10 und 11 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines zylindrisch ausgebildeten Verbindungselements 23, um das erfindungsgemäße Schwungrad 10 aus den Figuren 1 bis 7 und die in der Figur 9 gezeigte elektrische Maschine 21 rotationssymmetrisch miteinander zu verbinden.
In Figur 10 und 11 wird ein bevorzugtes einstückiges Verbindungselement 23 in Hinter- und Frontalansicht sowie schräger Aufsicht gezeigt, wobei das Verbindungselement 23 eine zylindrisch ausgeformte Aussparung 26 mit einer oder mehrerer Durchgangsöffnungen 12 zur Aufnahme einer oder mehrerer Justierelemente 27 aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verbindungselement 23 an einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite des erfindungsgemäßen Schwungrads 10 bevorzugt sieben Durchgangsöffnungen 12 zur Aufnahme von Justierelementen 27 auf. Bevorzugt sind als Justierelemente 27 Sechskantschrauben oder andere geeignete Justierelemente, die das erfindungsgemäße Schwungrad 10 mit dem Endstück des Rotors 22 der elektrischen Maschine 21 verbinden.
Die Figuren 12A bis 12E zeigen das erfindungsgemäße Schwungrad 10 in einer besonders bevorzugten Ausführungsform, wobei das Schwungrad einen Körper 11 aufweist, der durch den runden Scheibenkörper 11 ausgestaltet ist. Das erfindungsgemäße Schwungrad 10 bildet somit eine erste Seite 18 und eine zweite Seite 19 des runden Scheibenkörpers 11 , wobei die erste Seite 18 und die zweite Seite 19 insbesondere mittig eine und/oder mehrere Durchgangsöffnungen 12 zur Aufnahme von Justierelementen 27 aufweisen.
Die Justierelemente 27 können beispielsweise eine oder mehrere Schrauben mit insbesondere selbstsichernden Gegenstücken, wie beispielsweise einstückige Verbindungselemente umfassen, damit eine direkte Verbindung zwischen dem erfindungsgemäßen Schwungrad 10 und der elektrischen Maschine 21 hergestellt wird. Das erfindungsgemäße Schwungrad 10 und die elektrische Maschine 21 stehen in direkter oder indirekter Wirkverbindung zueinander.
Ferner weist das erfindungsgemäße Schwungrad 10 bevorzugt einen umlaufenden Rand 13 des runden Scheibenkörpers 11 auf, der sich auf einer Seite von diesem weg erstreckt. Zudem weist der runde Scheibenkörper 11 des erfindungsgemäßen Schwungrads 10 eine Vielzahl von umlaufenden Erhebungen 14 auf, die konzentrisch und ringförmig um den Mittelpunkt des runden Scheibenkörpers 11 angeordnet sind. Die konzentrisch und ringförmig um den Mittelpunkt des Scheibenkörpers 11 angeordneten Erhebungen 14 erstrecken sich dabei auf der ersten Seite 18 wie der umlaufende Rand 13, wobei sich auf einer ersten Seite 18 abgewandten zweiten Seite 19 des Scheibenkörpers 11 eine Vielzahl von Vertiefungen 15 ausbilden.
Die konzentrisch umlaufenden ringförmigen Erhebungen 14 und Vertiefungen 15 des erfindungsgemäßen Schwungrads 10 bilden bevorzugt ein wellenförmiges Flächenprofil aus. Die benachbarten Vertiefungen 15 sind strömungstechnisch, hier mittels torähnlicher Durchtrittsöffnungen 16 als Luftschlitze, miteinander verbunden, wobei die Vertiefungen 15 derart am Scheibenkörper 11 ausgebildet sind, dass einander benachbarte Vertiefungen 15 zumindest im Bereich des Scheibenkörpers 11 strömungsdicht abschließen, und die torähnlichen Durchtrittsöffnungen 16 eine „schaufelradähnliche“ Luftdurchmischung erlauben. Dies hat den technischen Vorteil, dass schon bei niedrigen Drehzahlen des Schwungrades (< 3.800 U/min) - ohne Luftansaugeffekt - die Umgebungsluft noch effektiver in den Zwischenraum zwischen Ober- 18 und Unterscheibe 19, bzw. Deckel 18 (respektive andersherum: Unterscheibe 18 bzw. Deckel 28 und Oberscheibe 19) geleitet wird. Damit ist eine Energieersparnis schon bei besagten niederen Drehzahlen des Schwungrades möglich.
Der umlaufende Rand 13 besitzt wiederum eine Vielzahl radial in einem Winkel im Bereich von 0 bis 90°, insbesondere im Bereich von 0 bis 45°, ausgerichteter Auslassöffnungen 17. Derartige am umlaufenden Rand 13 positionierte Auslassöffnungen 17 sind bevorzugt als Düsen 17 ausgebildet, wobei vorzugsweise die Düse 17 rund und/oder eckig ausgeformt ist, wobei jegliche andere geeignete Geometrie die Form und die Gestalt der Düse 17 bestimmen können.
Alternativ sei nochmals darauf hingewiesen, dass in einigen Ausführungsformen das erfindungsgemäße Schwungrad ohne umlaufenden Rand und/oder Düsen konstruiert sein kann.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Schwungrad
11 (runder) Scheibenkörper
12 Durchgangsöffnung(en)
13 umlaufender Rand
14 Erhebung(en)
15 Vertiefung(en)
16 Durchtrittsöffnung(en) bzw. Schlitz(e)
17 Auslassöffnung(en) bzw. Düse(n)
18 erste Seite
19 zweite Seite
20 System
21 elektrische Maschine
22 Rotorendstück des/r Rotor(-achse) und Verbindungselement
23 (einstückiges) Verbindungselement
24 Kugelgelagerte elektrische Maschine als Elektromotor und/oder Generator
25 Magnetlagerte elektrische Maschine als Elektromotor und/oder Generator
26 Aussparung
27 Justierelement(e) als Sechskantschraube(n)
28 Deckel Mit dem Kontext der gesamten obigen Offenbarung, umfasst die vorliegende Erfindung ferner, die im folgenden nummerierten Ausführungsformen:
1 . Schwungrad (10) aufweisend
- einen runden Scheibenkörper (11) mit einer ersten Seite (18) und einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite (19), wobei der runde Scheibenkörper (11 ) auf der ersten Seite (18) eine Vielzahl von um dessen Mittelpunkt angeordnete konzentrisch umlaufende ringförmige Erhebungen (14) und Vertiefungen (15) aufweist, wobei die Erhebungen (14) der ersten Seite (18) auf der zweiten Seite (19) als Vertiefungen (15) und die Vertiefungen (15) der ersten Seite (18) auf der zweiten Seite (19) als Erhebungen (14) ausgebildet sind, wobei die benachbarten Vertiefungen (15) jeweils einer Seite (18, 19) strömungstechnisch über eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (16) miteinander verbunden sind, wobei die Durchtrittsöffnungen (16) im Bereich der Flanken der Vertiefungen (15) angeordnet sind.
2. Schwungrad (10) nach Ausführungsform 1 , aufweisend einen umlaufenden Rand (13) des Scheibenkörpers (11), der sich auf der ersten Seite (18) des runden Scheibenkörpers (11) von diesem weg erstreckt.
3. Schwungrad (10) nach Ausführungsform 1 , wobei die Vertiefungen (15) derart am Scheibenkörper (11) angrenzen, dass einander benachbarte Vertiefungen (15) zumindest im Bereich des Scheibenkörpers (11) strömungsdicht abgeschlossen sind.
4. Schwungrad (10) nach Ausführungsform 1 , wobei die konzentrisch umlaufenden ringförmigen Erhebungen (14) und Vertiefungen (15) ein wellenförmiges Flächenprofil bilden.
5. Schwungrad (10) nach Ausführungsform 2 aufweisend einen umlaufenden Rand (13), wobei am umlaufenden Rand (13) eine Vielzahl von Auslassöffnungen (17) angeordnet sind.
6. Schwungrad (10) nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen 1 bis 5, wobei die Auslassöffnungen (17) als Düsen ausgebildet und insbesondere in einem Winkel im Bereich von 0 bis 90 °, insbesondere im Bereich von 0 bis 45° zum umlaufenden Rand (13) angeordnet sind. Schwungrad (10) nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen 1 bis 6, wobei die Durchtrittsöffnungen (16) eine Vielzahl länglicher Durchtrittsöffnungen (16) sind, wobei die Durchtrittsöffnungen (16) benachbarter Erhebungen (14) radial fluchtend oder versetzt zueinander angeordnet sind. Schwungrad (10) nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen 1 bis 7, wobei die Größe und/oder die Anzahl der Durchtrittsöffnungen (16) ausgehend vom Mittelpunkt des Scheibenkörpers (11) in Richtung des umlaufenden Rands (13) zunimmt oder abnimmt oder gleichbleibt oder jeweils unterschiedlich ausgestaltet und beziffert ist. Schwungrad (10) nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen 1 bis 8, wobei die konzentrisch umlaufenden ringförmigen Erhebungen (14) oder Vertiefungen (15) des runden Scheibenkörpers (11) je eine Breite im Bereich von 0,01 cm bis 3 cm, insbesondere von 0,1 cm bis 2,5 cm und/oder eine Höhe im Bereich von 0,01 cm bis 3 cm, bevorzugt von 0,1 cm bis 2,5 cm und/oder einen Gradienten im Bereich von Null bis 90 Grad, insbesondere im Bereich von 20 bis 60 Grad aufweisen. Schwungrad (10) nach Ausführungsform 1 oder 2, wobei die erste Seite (18) des runden Scheibenkörpers (11) mit einem Deckel formschlüssig abschließt. System (20) zur Verwendung als Energiespeicher und - wandler, umfassend:
- eine elektrische Maschine (21), aufweisend einen Rotor (22), und
- mindestens ein mit dem Rotor (22) verbundenes Schwungrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (22) der elektrischen Maschine (21) mit dem Schwungrad (10) mittig über Durchgangsöffnungen (12) mit einem Verbindungselement (23) wirkverbunden sind. System (20) nach Ausführungsform 11 , wobei die elektrische Maschine (21) und das Schwungrad (10) über ein Verbindungselement (23) miteinander verbunden sind. System (20) nach Ausführungsform 11 , wobei die elektrische Maschine (21) zwischen einem Generator- und einem Elektromotormodus schaltbar ist oder auch gleichzeitig als Generator und Motor oder nur als Generator oder Motor verwendet werden kann. Verfahren zum Betreiben eines Systems nach Ausführungsform 11 , umfassend:
- Inbetriebnahme der elektrischen Maschine (21) durch eine geeignete externe Energiequelle, wobei eine elektrische Leistung der elektrischen Maschine (21 ) in einer Rotation des Schwungrads (10) durch Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Leistung resultiert, wobei die elektrische Maschine (21) ab einer vordefinierten Drehzahl des Schwungrads (10) in einen Generatormodus nach Anspruch 13 schaltet, so dass eine mechanische Leistung des Schwungrads (10) in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die elektrische Maschine (21) in den Elektromotormodus nach Anspruch 13 schaltet, wenn eine Mindestdrehzahl des Schwungrads (10) unterschritten wird. Verfahren zum Betreiben eines Systems nach Ausführungsform 11 , umfassend:
- Inbetriebnahme der elektrischen Maschine (21) durch eine geeignete externe Energiequelle, wobei eine elektrische Leistung der elektrischen Maschine (21 ) in einer Rotation des Schwungrads (10) durch Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Leistung resultiert, wobei die elektrische Maschine (21) nach Anspruch 13 von Beginn an als Motor und auch Generator oder nur als Motor oder Generator fungiert. Verfahren nach Ausführungsform 14 und nach Ausführungsform 15, wobei die elektrische Maschine (21) von der externen Energiequelle getrennt wird, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Schwungrads (10) eine Drehzahl erreicht, die den Leistungsbereich der elektrischen Maschine (21) übersteigt, und als Bremse verwendet wird. Verfahren nach Ausführungsform 14, wobei die elektrische Maschine (21) bei Inbetriebnahme des Systems (20) abwechselnd schaltbar als Elektromotor oder Generator fungiert. Verfahren nach Ausführungsform 15, wobei die elektrische Maschine (21) bei Inbetriebnahme des Systems (20) als Elektromotor und Generator oder nur als Motor oder Generator fungiert. Verfahren nach Ausführungsform 14, wobei die elektrische Maschine (21) nach Erreichen einer Rotationsgeschwindigkeit im Bereich von 2.000 bis 8.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere ab 3.800 Umdrehungen pro Minute als Generator fungiert.

Claims

PATENTANSPRÜCHE Schwungrad (10) aufweisend:
- einen runden Scheibenkörper (11) mit mindestens einer ersten Seite (18) und mindestens einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite (19), wobei optional eine oder mehrere der Seiten (18, 19) als Deckel (28) ausgebildet sind, wobei der runde Scheibenkörper (11 ) auf der ersten Seite (18) eine Vielzahl von um dessen Mittelpunkt angeordnete konzentrisch umlaufende ringförmige Erhebungen (14) und Vertiefungen (15) aufweist, und wobei die Erhebungen (14) der ersten Seite (18) auf der zweiten Seite (19) als Vertiefungen (15) und die Vertiefungen (15) der ersten Seite (18) auf der zweiten Seite (19) als Erhebungen (14) ausgebildet sind oder umgekehrt, und wobei die benachbarten Vertiefungen (15) jeweils einer Seite (18, 19) strömungstechnisch über eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (16) miteinander verbunden sind, und wobei die Durchtrittsöffnungen (16) im Bereich der Flanken der Vertiefungen (15) und/oder Erhebungen (14) angeordnet sind. Schwungrad (10) nach Anspruch 1 , ferner aufweisend einen umlaufenden Rand (13) am Scheibenkörper (11), der sich auf der ersten Seite (18) und/oder auf der zweiten Seite (19) des runden Scheibenkörpers (11) von diesem weg erstreckt. Schwungrad (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Erhebungen/Vertiefungen (14, 15) derart am Scheibenkörper (11) angrenzen, dass einander benachbarte Erhebungen/Vertiefungen (14, 15) zumindest im Bereich des Scheibenkörpers (11) strömungsdicht abgeschlossen sind. Schwungrad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die konzentrisch umlaufenden ringförmigen Erhebungen (14) und Vertiefungen (15) ein wellenförmiges Flächenprofil bilden. Schwungrad (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, aufweisend den umlaufenden Rand (13), wobei am umlaufenden Rand (13) eine Vielzahl von Auslassöffnungen (17) angeordnet sind. Schwungrad (10) nach Anspruch 5, wobei die Auslassöffnungen (17) als Düsen oder anderweitig geeignet ausgebildet und insbesondere in einem Winkel im Bereich von 0 bis 90°, insbesondere im Bereich von 0 bis 45° zum umlaufenden Rand (13) angeordnet sind. Schwungrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Durchtrittsöffnungen (16) eine Vielzahl länglicher Durchtrittsöffnungen (16) sind, wobei die Durchtrittsöffnungen (16) benachbarter Erhebungen/Vertiefungen (14, 15) radial fluchtend oder versetzt zueinander angeordnet sind. Schwungrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Größe und/oder die Anzahl der Durchtrittsöffnungen (16) ausgehend vom Mittelpunkt des Scheibenkörpers (11) in Richtung des umlaufenden Rands (13) zunimmt oder abnimmt oder gleichbleibt oder jeweils unterschiedlich ausgestaltet und beziffert ist. Schwungrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die konzentrisch umlaufenden ringförmigen Erhebungen (14) und/oder Vertiefungen (15) des runden Scheibenkörpers (11) wahlweise in Abhängigkeit oder unabhängig vom Durchmesser des Schwungrades je eine Breite im Bereich von 0,01 cm bis 3 cm, insbesondere von 0,1 cm bis 2,5 cm und/oder eine Höhe im Bereich von 0,01 cm bis 3 cm, bevorzugt von 0,1 cm bis 2,5 cm und/oder einen Gradienten im Bereich von Null bis 90 Grad, insbesondere im Bereich von 20 bis 60 Grad aufweisen. Schwungrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Seite (18), bevorzugt obere Seite, des runden Scheibenkörpers (11) als Deckel (28) ausgebildet ist. Schwungrad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die zweite Seite (19), bevorzugt untere Seite, des runden Scheibenkörpers (11) als Deckel (28) ausgebildet ist. Schwungrad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Schwungrad (10) einstückig geformt ist, und eine erste Seite (18) und eine zweite Seite (19) umfasst. Schwungrad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und 11 , wobei die erste Seite (18) des runden Scheibenkörpers (11) mit einem Deckel (28) formschlüssig abschließt. Schwungrad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zweite Seite (19) des runden Scheibenkörpers (11) mit einem Deckel (28) formschlüssig abschließt. Schwungrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Durchtrittsöffnungen (16) eine Vielzahl torähnlicher Durchtrittsöffnungen (16) sind, wobei die Durchtrittsöffnungen (16) benachbarter Erhebungen/Vertiefungen (14, 15) radial fluchtend oder versetzt zueinander angeordnet sind. Schwungrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Durchtrittsöffnungen (16) je eine Breite im Bereich von 0,1 mm bis 10,0 mm, insbesondere von 1 ,0 mm bis 8,0 mm, und/oder eine Höhe im Bereich von 0,1 mm bis 30,0 mm, bevorzugt von 1 ,0 mm bis 10,0 mm, bei einem bevorzugten Durchmesser des erfindungsgemäßen Schwungrads von 26 cm, aufweisen. System (20) zur Verwendung als Energiespeicher und -wandler, umfassend:
- eine elektrische Maschine (21), aufweisend einen Rotor (22), und
- mindestens ein mit dem Rotor (22) verbundenes Schwungrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (22) der elektrischen Maschine (21) mit dem Schwungrad (10) mittig über Durchgangsöffnungen (12) mit einem Verbindungselement (23) wirkverbunden sind. System (20) nach Anspruch 11 , wobei die elektrische Maschine (21) und das Schwungrad (10) über ein Verbindungselement (23) miteinander verbunden sind. System (20) nach Anspruch 11 , wobei die elektrische Maschine (21) zwischen einem Generator- und einem Elektromotormodus schaltbar ist oder auch gleichzeitig als Generator und Motor oder nur als Generator oder Motor verwendet werden kann. Verfahren zum Betreiben eines Systems nach einem der Ansprüche 17 bis 19, umfassend:
- Inbetriebnahme der elektrischen Maschine (21) durch eine geeignete externe Energiequelle, wobei eine elektrische Leistung der elektrischen Maschine (21 ) in einer Rotation des Schwungrads (10) durch Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Leistung resultiert, wobei die elektrische Maschine (21) ab einer vordefinierten Drehzahl des Schwungrads (10) in einen Generatormodus nach Anspruch 19 schaltet, so dass eine mechanische Leistung des Schwungrads (10) in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die elektrische Maschine (21) in den Elektromotormodus nach Anspruch 19 schaltet, wenn eine Mindestdrehzahl des Schwungrads (10) unterschritten wird. Verfahren zum Betreiben eines Systems nach Anspruch 20, umfassend:
- Inbetriebnahme der elektrischen Maschine (21) durch eine geeignete externe Energiequelle, wobei eine elektrische Leistung der elektrischen Maschine (21 ) in einer Rotation des Schwungrads (10) durch Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Leistung resultiert, wobei die elektrische Maschine (21) nach Anspruch 19 von Beginn an als Motor und auch Generator oder nur als Motor oder Generator fungiert. Verfahren nach Anspruch 20 und 21 , wobei die elektrische Maschine (21) von der externen Energiequelle getrennt wird, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Schwungrads (10) eine Drehzahl erreicht, die den Leistungsbereich der elektrischen Maschine (21) übersteigt, und als Bremse verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die elektrische Maschine (21) bei Inbetriebnahme des Systems (20) abwechselnd schaltbar als Elektromotor oder Generator fungiert. Verfahren nach Anspruch 21 , wobei die elektrische Maschine (21) bei Inbetriebnahme des Systems (20) als Elektromotor und Generator oder nur als Motor oder Generator fungiert. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die elektrische Maschine (21) nach Erreichen einer Rotationsgeschwindigkeit im Bereich von 2.000 bis 8.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere ab 3.800 Umdrehungen pro Minute als Generator fungiert.
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