DE2544261C2 - Schwungrotoranordnung, insbesondere zur Speicherung von Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwungrotoranordnung, insbesondere zur Speicherung von Energie, enthaltend einen Rotor mit einer ringförmigen Schwungmasse aus gewickelten Bändern oder Drähten, welcher mittels magnetischer Lagerungen bezüglich eines Stators drehbar angeordnet ist.

Aus der DE-OS 2141581 ist eine derartige Schwungmasse aus gewickelten Bändern mittels Speichen oder sonstigen Verbindurigselementen mit einer radial innen liegenden Nabe verbunden ist. Der Rotor ist gegenüber einer Achse, welche in die Nabe eingreift, drehbar angeordnet, wobei die Achse eine konische Spitze und eine konische Basis aufweist. Zur magnetischen Lagerung sind in der Spitze und Basis eine Anzahl von einzelnen Dauermagneten nebeneinander angeordnet. Entsprechende Dauermagnete sind auf der Nabe bzw. dem Mantel eingebaut. Bei einer derartigen Anordnung bereitet die Verbindung der Nabe mit der Schwungmasse besondere Schwierigkeiten, denn Massenkräfte führen zu unterschiedlichen Belastungen und Dehnungen entsprechend dem jeweiligen Abstand zur Drehachse. Darüber hinaus muß festgestellt werden, daß eine berührungsfreie Stabilisierung eines Rotors ausschließlich mit Dauermagneten oder ferromagnetischen Teilen nicht funktionsfähig ist, wie es bereits von Braunbeck in »Zeitschrift für Physik«, Jahrgang 1939, Seiten 753 — 763 »Freischwebende Körper im elektrischen und magnetischen Feld« dargelegt worden ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine funktionssichere und berührungsfreie Lagerung, welche einen geringen konstruktiven Aufwand bei einem hohen Wirkungsgrad erfordert, zu schaffen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der gesamte Rotor als Speichen- und scheibenloser Rotorring ausgebildet ist, der konzentrische Permanentmagnetringe aufweist und im wesentlichen mittels der Magnetkräfte zwischen den Permanentmagnetringen und statorseitig konzentrisch angeordneten ferromagnetischen Ringen getragen wird, und daß zur aktiven axialen Stabilisierung des Rotorringes die ferromagnetischen Ringe und/oder diesen zugeordnete Spulen in wenigstens drei Sektoren unterteilt sind, wobei die Spulenströme entsprechend der axialen Stellung des Rotorringes regelbar sind.

In vorteilhafter Weise werden Schwingungen des Rotors wirksam mit Stabilisierungsspulen gedämpft, die besonders platzsparend innerhalb der zur axialen Stabilisierung des Rotors benötigten Spulen angeordnet sind. Die Ausbildung des Rotors als Ring ergibt in vorteilhafter Weise, daß praktisch die gesamte Rotormasse die Schwungmasse darstellt und somit auch ein günstiges Leistungs-Masseverhältnis erreicht wird.

Im Hinblick auf geringe Leistungsverluste ist es von Vorteil, den Rotor mit einem evakuierten Gehäuse zu umgeben. Wird das Gehäuse ebenfalls als Hohlring bzw. toroidförmig ausgebildet, so können die durch den Umgebungsdruck ausgeübten Kräfte auf ein Minimum reduziert werden.

Im Hinblick auf eine hohe Funktionssicherheit ist ein mechanisches Notlager an der Unterseite des Rotors vorgesehen, enthaltend eine Profilschiene am Rotor sowie gehäusefeste Rollen. Somit wird in vorteilhafter Weise sowohl eine Zentrierung als auch ein sicheres Tragen des Rotors bzw. der Schwungmasse bei Störungen der magnetischen Lagerung oder bei Inbetriebnahme der Anordnung gewährleistet.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung nachfolgend erläutert. Die Figur zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Anordnung enthaltend einen ringförmigen Rotor 1, durch eine Anordnung enthaltend einen ringförmigen Rotor 1, welcher um eine vertikale Drehachse 2 drehbar gelagert ist. Der Rotor 1 ist im wesentlichen als ein Ring aus gewickelten, dünnem Stahldraht 4 mit rechteckigem oder quadratischen j Querschnitt ausgebildet, wobei vorzugsweise ein handelsüblicher patentierter Stahldraht verwendet wird. Der Rotorring ist von einem zweiteiligen Gehäuse 5, 6 umgeben, welches zur Vermeidung von Luftreibungsverlusten weitgehend evakuiert ist. Zur berührungsfreien Lagerung des Rotors sind auf der oberen Rotoraußenfläche axial magnetisierte Permanentmagnete 7,8 vorgesehen, welche sich in den Magnetfeldern

von stromdurchflossenen Spulen 9, 10 des Gehäuses bzw. Stators befinden. Über den Umfang sind vier solcher Spulenpaare angeordnet, welche sich ringförmig oder sektorförmig jeweils über 90° erstrecken. Mittels der genannten Spulen werden in Abhängigkeit von Sensorsignalen, welche dem axialen Abstand zwischen Rotor und Stator entsprechen, über bekannte Regeleinrichtungen (nicht dargestellt) in den ferromagnetischen Spulenkernen 11, 12 axial gerichtete magnetische Flüsse, bzw. Magnetfelder derart erzeugt, daß in Zusammenwirkung mit den genannten Magnetringen 7, 8 eine aktive magnetische Lagerung des Rotors in axialer Richtung erfolgt. Aufgrund der ringförmigen Ausbildung der Magnetringe 7, 8 sowie der genannten Kerne 11,12 ergibt sich auch eine passive Stabilisierung in radialer Richtung also quer zur Drehachse 2. Zwischen den geteilten und sich etwa über jeweils 90° in Umfangsrichtung erstreckenden Spulenkerne 11, 12, welche einen U-förmigen Querschnitt aufweisen, ist eine Stabilisierungsspule 15 angeordnet, insbesondere zur Dämpfung von radialen Schwingungen. Jede dieser vier Stabilisierungsspulen wird in Abhängigkeit von Sensorsignalen, welche der radialen Position des Rotors oder dessen radialen Bewegungen entsprechen, über geeignete Regeleinrichtungen von Strom durchflossen. Es wird somit in den Spulenkernen 11,12 ein zusätzlicher, dem obengenannten magnetischen Fluß überlagerter magnetischer Fluß erzeugt, welcher auf die Magnetringe 7, 8 bzw. den Rotor im Sinne einer Erhöhung oder Verringerung der radialen Kräfte bzw. der Steifigkeit in radialer Richtung einwirkt. Es ist ersichtlich, daß anstelle der genannten vier über den Umfang verteilten Spulenpaare auch eine andere Anzahl vorgesehen sein kann, wobei jedoch zur vollständigen Stabilisierung wenigstens drei Spulenpaare vorhanden sein müssen. Da aufgrund von elastischen Formänderungen Ausweitungen des Rotorringes mit zunehmender Drehzahl erfolgen, wird die Geometrie der Magnetringe 7, 8 derart gewählt, daß etwa im Bereich der halben Nenndrehzahl, die Magnetringe den Spulenkernen 11, 12 exakt gegenüberstehen. Unterhalb des Rotors ist eine ringförmige Profilschiene 19 angeordnet, welche zusammen mit gehäusefesten Rollen 16 als Notlauflager ausgebildet sind, d. h. bei normaler Funktion der beschriebenen magnetischen Lagerung nicht im Eingriff sind. Mittels der Profilschienen 19, welche ein ähnliches Profil wie eine Eisenbahnschiene aufweist, wird außer

Ό der axialen Lagerung des Rotors auch gleichzeitig die Zentrierung des Rotors gewährleistet, so daß bei Fehlern in der magnetischen Anordnung oder auch beim Hochlaufen des Rotors auf die Nenndrehzahl der Rotor das Gehäuse nicht berühren wird. Die Rollen 16 sind um radial angeordnete Achsen drehbar, besitzen konische Laufachsen 17 sowie radial außen liegende Ansätze 18, welche eine radiale Auswanderung des Rotors mit Sicherheit verhindern. Auf der Oberseite und Unterseite des Rotors sind weiterhin axial magnetisierte Permanentmagnete 20 vorgesehen, wobei in Umfangsrichtung betrachtet den Statorwicklungen 21 abwechselnd Nord- und Südpole gegenüberstehen. Zum Antreiben bzw. Beschleunigen des Rotors, d. h. zur Energieaufnahme werden die mehrphasigen Statorwicklungen nach Art eines bürstenlosen Gleichstrommotors angesteuert, wobei kein mechanischer Kontakt zwischen Rotor und Stator erfolgt. Die Statorwicklungen sind eisenlos ausgebildet und auf einem Keramikoder Kunststoffkörper 22 angeordnet, so daß durch die vorbeidrehenden Permanentmagnete in diesem auch keine Eisen-Wirbelstrom- oder Hystereseverluste entstehen können. Die Aufteilung der Statorwicklungen auf Ober- und Unterseite ergibt den nicht zu unterschätzenden Vorteil, daß im Generatorbetrieb (Energieabgabe) auch bei phasenungenauer Ansteuerung der Statorwicklungen die hierbei auftretenden axialen Kräfte den Rotor in etwa in der Mitte stabilisieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schwungrotoranordnung, insbesondere zur Speicherung von Energie, enthaltend einen Rotor mit einer ringförmigen Schwungmasse aus gewickelten Bändern oder Drähten, welcher mittels magnetischer Lagerungen bezüglich eines Stators drehbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Rotor als speicher-und scheibenloser Rotorring (1) ausgebildet ist, der konzentrische Permanentmagnetringe (7, 8) aufweist und im wesentlichen mittels der Magnetkräfte zwischen den Permanentmagnetringen (7, 8) und statorseitig konzentrisch angeordneten ferromagnetischen Ringen (11, 12) getragen wird, und daß zur aktiven axialen Stabilisierung des Rotorringes (1) die ferromagnetischen Ringe (11, 12) und/oder diesen zugeordnete Spulen (9, 10) in wenigstens drei Sektoren unterteilt sind, wobei die Spulenströme entsprechend der axialen Stellung des Rotorringes (1) regelbar sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Ringe (11, 12) als zwei ineinander gesetzte Teile mit U-förmigem Querschnitt ausgebildet sind und daß zwischen den genannten Teilen Stabilisierungsspulen (15) angeordnet sind zur Erzeugung von axialen und radialen Kräften auf den Rotorring (1).

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den ferromagnetischen Ringen (Ii, 12) Nuten vorgesehen sind, in welchen Stabilisierungsspulen (15) angeordnet sind zur Erzeugung von axialen und radialen Kräften auf den Rotorring.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorring (1) von einem torroidförmigen, evakuierbaren Statorgehäuse (5,6) umgeben ist. "

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (2) des Rotorringes (1) mit dessen Hauptträgheitsachse übereinstimmt.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein mechanisches Notlager, enthaltend eine an der unteren Außenfläehe des Rotorringes (1) angeordnete ringförmige Profilschiene (19) und eine Anzahl von gehäusefesten Lagerrollen (16) mit konischen Laufflächen (17) und außen liegenden Spurkränzen (18).

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