DE2544261C2 - Schwungrotoranordnung, insbesondere zur Speicherung von Energie - Google Patents
Schwungrotoranordnung, insbesondere zur Speicherung von EnergieInfo
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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)
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).
50
Priority Applications (1)
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DE19752544261 DE2544261C2 (de) | 1975-10-03 | 1975-10-03 | Schwungrotoranordnung, insbesondere zur Speicherung von Energie |
Applications Claiming Priority (1)
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DE2544261A1 DE2544261A1 (de) | 1977-04-07 |
DE2544261C2 true DE2544261C2 (de) | 1982-09-09 |
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DE19752544261 Expired DE2544261C2 (de) | 1975-10-03 | 1975-10-03 | Schwungrotoranordnung, insbesondere zur Speicherung von Energie |
Country Status (1)
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