DE19712814A1 - Läuferkühlung eines Schwungmassen-Energiespeichers - Google Patents

Description

Das technische Gebiet der Erfindung ist im Anspruch 1 und Anspruch 10 angegeben. Es handelt sich um ein elektromagnetisch betriebenen Schwungmassen-Energiespeicher, der unter anderem als Schwungrad-Energiespeicher bekannt ist. Seine bewegten Teile werden in einer evakuierten Kammer (Vakuumgehäuse) betrieben. Eine reibungsarme, insbesondere berührungslose Lagerung, z. B. passiv durch Permanentmagnete und Hochtemperatur-Supraleiter, werden zur weiteren Verringerung der Verluste verwendet.

Zum näheren Verständnis des technischen Gebietes wird auf die deutsche Patentanmeldung 196 08 099 (noch nicht veröffentlicht) hingewiesen, deren Offenbarung hier (ausnahmsweise) durch Bezugnahme einbezogen wird.

Während im Dauerbetrieb elektromagnetisch erzeugte Wirbelstromverluste des Rotorteils (des Läufers) durch Abschalten der Energie zur elektro-magnetischen Erregung der Maschine vermieden werden können, sind diese Verluste während des Speichervorganges (Motorbetrieb) bzw. für die Dauer des Entladens der gespeicherten kinetischen Energie (Generatorbetrieb) nicht vermeidbar. Sie führen insbesondere bei mehreren zeitlich kurz aufeinanderfolgenden Lastzyklen (Einspeichern, Ausspeichern, bzw. Motorbetrieb, Generatorbetrieb) zu Erwärmungen des Läufers und damit zu Erwärmungen des gesamten bewegten Teiles (Schwungmassen, Achse, Lager), da die im Vakuum betriebenen Rotorteile ihre Verlustwärme nicht ausreichend abgeben können. Im Vakuum kann allein durch Wärmestrahlung Wärme abgeführt werden, Wärmeleitung findet nicht statt und diese Wärmestrahlung ist für den im Vakuum betriebenen Rotorteil unzureichend. Ihre Aufgabe sieht die Erfindung darin, einen im Vakuum betriebenen Schwungmas­ sen-Energiespeicher hinsichtlich seiner Verluste unanfälliger zu machen, insbesondere Lastzyklen in kürzeren Abständen zu erlauben.

Die Erfindung löste diese Aufgabe dadurch, daß sie den Rotorteil mit Flüssiggasen kühlt (Anspruch 1, Anspruch 16), die durch Kanäle im Statorteil auf den Läufer aufgebracht, insbesondere aufgesprüht, werden können. Bei der Kühlung nicht verdampfende Flüssiggase werden über eine Absaugkammer (Anspruch 9) abgezogen, verdampfende Flüssiggase können über die Evakuierungs-Vorrichtung (Anspruch 7) abgezogen werden, womit das Vakuum in der Kammer erhalten bleibt, in der sich der Schwungmasse-Energiespeicher berührungslos (reibungsfrei) dreht.

Die Kühlung kann vorteilhaft auf den Zeitpunkt des Verlustanfalls (Entstehen der Verluste) beschränkt werden (Anspruch 21), sie kann kurz zuvor oder etwas verzögert einsetzen, sie kann auch generell vorhanden sein, nur in ihrem Ausmaß gesteuert werden. Das Ausmaß der Kühlung wird durch die Strömung des Flüssiggases bestimmt, treten keine Verluste auf, weil keine Lastzyklen gefordert sind, so kann der Kühlstrom auf ein Minimum (nahezu Null oder Null) abgebaut werden, während bei Auftreten von Lastzyklen die Kühlung im zeitlichen Bereich (kurz zuvor, bei oder kurz danach) der Änderung des kinetischen Zustandes des Schwungrades einsetzt. Dann kann der Kühlstrom erhöht werden, er wird aber vorteilhaft nur auf eine solche Größe begrenzt (Anspruch 22), daß möglichst wenig Restgase entstehen und nahezu keine verbleibenden Flüssigkeitsreste in der Vakuumkammer zurückbleiben.

Das kurzzeitige Aufbringen von Flüssiggasen kann gezielt durch Einspritzen erfolgen (Anspruch 20, Anspruch 15), nach Art einer Brennstoff-Einspritzung bei Brennkraftmaschinen.

Entstehen Rückstände in flüssiger Form, können diese über eine Abpumpvorrichtung (Anspruch 8) abgezogen werden, die hinsichtlich der Schwerkraft am besten am unteren Ende der - auch mehrteiligen (Anspruch 11) - Kammer angeordnet ist.

Das Flüssiggas kann LN₂ oder LH₂ sein. Durch die Verdampfungswärme beim Aufsprühen oder Aufbringen auf den Läufer wird die für den Schwungmassen-Energiespeicher schädliche Verlustwärme im Rotorteil diesem entzogen, gleichzeitig kann durch das Abpumpen des verdampften Kühlgases das Vakuum aufrechterhalten werden oder so rasch wie möglich wieder hergestellt werden (Anspruch 17).

Eine Maschine mit elektro-magnetischer Erregung kann sowohl als Generator als auch als Motor verwendet und betrieben werden; letztere beiden Maschinen werden hier generell angesprochen. Soweit sie in einer ein- oder mehrbereichigen Kammer betrieben werden, soll das zum Ausdruck bringen, daß ein Raum existiert, in dem ein verminderter Gasdruck, bis hin zur praktisch vollständigen Evakuierung, erzeugt und erhalten werden kann.

Die Erfindung(en) werden nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert und ergänzt.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Schwungmas­ sen-Energiespeichers mit einem Vakuumgehäuse 1, das einen oberen zylindrischen Raum und einen unteren zylindrischen Raum mit einem diese beide Räume verbindenden Zwischenraum aufweist.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für ein Polelement 5,6, das im zuvor erwähnten Zwischenbereich als Läufer gegenüber einem Stator 7 drehbar ist. Die Achse 2, an der der Rotor (das Polelement) fest angeordnet ist, liegt in der Achse 100 der zuvor beschriebenen drei Räume, die im folgenden als "Vakuumkammer" 11 bezeichnet werden.

Das zuvor umschriebene Vakuumgehäuse 1 hat in Fig. 1 in einem oberen Teilbereich und in einem unteren Teilbereich je ein Schwungrad 4, 3, die fest an einer Achse 2 angeordnet sind. Die in der Achse 2 rotierend gelagerte Welle ist am oberen Deckel der oberen Vakuum-Teilkammer und am Boden der unteren Vakuum-Teil­ kammer über ein Lager 10 bzw. ein Lager 9 axial gelagert, diese Lager können berührungslose Lager sein, z. B. passive Lager mit Permanentmagneten 17a, 17b und Hochtemperatur-Supraleiter 18a, 18b, die sich jeweils gegenüberstehen.

Im mittleren Bereich ist ein Statorpaket 7 gezeigt, daß zylindrisch ist. Der zylindrische Innenraum, dessen Achse in der Achse 100 des Vakuumgehäuses 1 und Achse 2 der Welle liegt, enthält im dargestellten Beispiel zwei Polelemente 5, 6 einer Homopolarmaschine, deren Polelemente in Fig. 2 in Draufsicht erkennbar sind. Sie sind auf einer Welle angeordnet, die sich um die Achse 2 dreht.

Anstelle der Homopolarmaschine kann auch eine nicht dargestellte Drehfeldmaschine mit einem Läufer aus ganz oder teilweise Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL)-Material verwendet werden. Dieses Läufermaterial kann zusätzlich auch zur supraleitend­ magnetischen Lagerung herangezogen werden. Hierzu ist der in Fig. 1 beispielhaft am rotierenden Schwungrad angebrachte Permanentmagnetring 17a gehäusefest in der Nähe des letzt aus HTSL-Material bestehenden Läufers (vormals Polelemente 5,6 in Fig. 1) mit einer Flüssiggaskühlung anzubringen. Der Stator dieser alternativen Drehfeldmaschine kann auch zur ganzen oder teilweisen Auf- und Abmagnetisierung (letzteres z. B. zur Feldschwächung) der Pole des Läufers aus HTSL-Material entweder während oder nach dessen Supraleitend-Werdens herangezogen werden. Dieses Auf- und Abmagnetisieren kann mittels einer oder mehrerer der ohnehin vorhandenen Ständerspulen (deren Spulenweite in der Regel einen Magnetpol umfaßt) erfolgen. Zur Reduktion der für einen ganzen Pol erforderlichen Magnetisierungsströme kann sie auch durch ein oder mehrere zusätzliche "Teilmagnetisierungsspulen" erfolgen, die nur einen Teil des jeweiligen Magnetpols umfaßt und diesen dann in mehreren Schritten oder kontinuierlich nacheinander auf- oder abmagnetisiert.

Der Stator 7, dessen Wicklung über die in der Fig. 1 dargestellten Wicklungsköpfe 8 ersichtlich ist, baut ein Drehfeld auf und arbeitet je nach Richtung der den Schwungmassen 3, 4 zuzuführenden oder aus ihnen zu entnehmenden Energie als Motor oder Generator. In dem Stator 7 sind einige in radialer Richtung verlaufende Rohre 12 gezeigt, die axial beabstandet sind. Sie sind im gezeigten Beispiel als Kanäle speziell auf die beiden Polelemente 5, 6 gerichtet, sie können aber auch entlang des gesamten Stators in axialer Richtung gleichmäßig beabstandet verteilt sein. Werden die Flüssigkeits- Kühlgas-Kanäle umfänglich beabstandet und sind mehrere axial beabstandete Kanäle bzw. Rohre vorgesehen, können sie in Axialrichtung gesehen umfänglich versetzt angeordnet sein, um eine möglichst gleichmäßige Kühlung der Polelemente 5, 6 beim Drehen zu erreichen.

Radial außerhalb des mittleren Abschnitts der Kammer 11 ist ein Ringraum 13 vorgesehen, der durch eine Abdeckung 13a, die zylinderförmig ist, gebildet wird. Alle Kanäle 12 können mit ihrem radial äußeren Ende in diesem Raum münden, durch den das verflüssigte Kühlgas verteilt wird und den einzelnen Kanälen 12 zugeführt werden kann.

In einem nicht dargestellten Beispiel werden Rohre zur Kühlmittelführung eingesetzt, die einzeln oder in Gruppen oder insgesamt an Einspritzvorrichtungen angeschlossen sind, die denen von Brennstoff-Einspritzpumpen ähneln. Ihrer Funktion nach arbeiten auch die Rohre als Kanäle.

Nicht bei der Kühlung auf den Rotorteilen verdampftes Kühlgas sammelt sich in einer bodenseitig angeordneten Sammelkammer 15, die im unteren Bodenabschluß angeordnet sein kann und von umfänglich verteilten Zulauf-Bohrungen 14 versorgt werden kann. Von dieser Kammer 15 ausgehend kann eine Pumpe vorgesehen sein, die vakuumdicht ist und das nicht verdampfte Flüssiggas aus dem Vakuumraum 11 abzieht und dem Flüssigkeitsgas-Kreislauf wieder zuführt.

Im unteren Teil, speziell im unteren Drittel des Vakuumraums 11, in dem das untere Schwungrad 3 betrieben wird, ist ein Absaugstutzen 16 vorgesehen, über den das Vakuum in der Kammer 11 erstellt wird und aufrechterhalten wird. Auch im oberen Teil, speziell im oberen Drittel der Vakuumkammer, dort wo sich die Schwungmasse 4 dreht, kann ein zusätzlicher Absaugstutzen 16 angeordnet werden, die dann gemeinsam oder getrennt über eine oder mehrere Evakuierpumpen geführt werden.

Die Versorgung mit Flüssigkeitskühlgas ist in Fig. 1 nicht näher dargestellt, da durch obige Erläuterungen an sich ersichtlich. Dem Ringraum 13 wird Flüssigkeits-Kühlgas zugeführt, von einer Kühlgasquelle, die entweder aus einem Speicher von verflüssigtem Kühlgas gespeist wird oder selbst die Verflüssigung an Ort und Stelle vornimmt. Das im Vakuumraum 11 bei der Kühlung verdampfte Gas wird über den Vakuumstutzen 16 abgezogen, erneut verflüssigt und dann zurück in den Kreislauf zu dem Ringraum 13 gepumpt. Das nicht verdampfte, sondern in der Sammelkammer 15 enthaltene noch flüssige Kühlgas wird über eine Pumpe dem selben Kreislauf zugeführt. Es braucht nicht erneut verflüssigt zu werden.

Werden reibungsfreie Lager mit Hochtemperatur-Supraleiter verwendet, so kann die dortige Flüssigkeits-Kühlung zusammen mit der Kühlung des Rotorteils 5, 6, arbeiten. Die Rotorkühlung wird dabei als kleiner Bestandteil der eigentlichen Flüssig­ gas-Kühlung der Lager 9, 10 anzusehen sein.

Claims (23)

1. Vorrichtung zum Speichern und verzögerten Abgeben von Energie mit zumindest einer um eine Achse (2) drehbaren Schwungmasse (3, 4) und einem läuferseitigen und statorseitigen Motor-/Generatorbereich (5, 6; 7, 8), dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) die zumindest eine Schwungmasse (3,4) und der läuferseitige Motor-/Generatorbereich (5,6) in einer Kammer (11) reibungsfrei gelagert (9, 10; 17a, 18a; 17b, 18b) sind;
• (b) eine Einrichtung (16) vorgesehen ist, über die die Kammer (11) auf einen niedrigen Druck evakuierbar ist;
• (c) der statorseitige Motor-/Generatorbereich (7, 8) einen Statorteil (7) aufweist, in dem Kanalöffnungen (12) vorgesehen sind, die auslaßseitig auf den läuferseitigen Motor-/Generatorbereich (5, 6) gerichtet sind, um im zeitlichen Zusammenhang mit dem Ändern der kinetischen Energie der zumindest einen Schwungmasse (3, 4) ein tiefgekühltes, verflüssigtes Gas auf den läuferseitigen Motor- oder Generatorbereich (5, 6) aufzubringen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der

• (a) die reibungsfreie Lagerung (17a, 18a; 18b, 17b) eine berührungslose Lagerung, insbesondere ein passives Permanentmagnetlagerteil (17a, 17b) oder ein Hochtemperatur-Supraleiter-Lagerteil (18a, 18b) ist, oder
• (b) der läuferseitige Motor- bzw. Generatorbereich (5, 6) Hochtemperatur-Supraleiter-Material enthält, insbesondere zu einem wesentlichen Anteil im radialen Außenbereich.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zu den Kanalöffnungen führende Kanäle (12) durch das magnetisch wirksame Ständerpaket (7) des Statorteils verlaufen, insbesondere in radialer Richtung.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der umfänglich verteilte Kanäle (12) vorgesehen sind, die in den Kanalöffnungen münden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der mehrere axial beabstandete Kanäle (12) entlang des Ständerpakets (7) des Statorteils vorgesehen sind, insbesondere umfänglich versetzt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der radial außerhalb des Statorteils (7) eine zylindrische Abdeckung (13) vorgesehen ist, um zwischen sich und den Einlaßmündungen der Kanäle (12) einen sich umfänglich erstreckenden Ringraum zu bilden.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein oder mehrere Absaugstutzen (16) an der Kammer (11) außenseitig angeordnet sind, über welche die beim Kühlen des Rotorteils (5, 6) verdampfte Flüssigkeit zur Erhaltung oder Wiederherstellung des Kammervakuums abziehbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Abpumpvorrichtung (14, 15) vorgesehen ist, insbesondere am Boden der Kammer (11), nahe des einen reibungsfreien Lagers (9) der Welle (2), um gesammeltes (nicht verdampftes) und kondensiertes Flüssiggas abzupumpen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Abpumpvorrichtung einen sich horizontal erstreckenden vakuumdichten Sammelraum (15) und eine oder mehrere umfänglich um die Achse (2) im Boden verteilte Abflußbohrungen (14) aufweist, zur Sammlung des noch flüssigen Kühlgases.

10. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der sowohl die Schwungmasse (3, 4) als auch der läuferseitige Bereich (5, 6), des Motors oder Generators in einer Kammer (11) gelagert sind.

11. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der mehrere Kammerbereiche als Kammer (11) vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei dem läuferseitig mehrere Motor- bzw. Generatorbereiche vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche, bei dem die Kanalöffnungen der Kanäle (12) als Düsen ausgebildet sind zum Aufsprühen des tiefgekühlten, verflüssigten Gases auf den läuferseitigen Motor- bzw. Generatorbereich.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche, bei dem die Kanäle (12) als Rohre ausgebildet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die zum Läuferbereich (6, 7) gerichteten Öffnungen der Rohre (12) als Einspritzdüsen nach Art der Einspritzdüsen von Brennkraftmaschinen gestaltet sind.

16. Verfahren zum Kühlen des unter stark vermindertem Gasdruck betriebenen und reibungsfrei, insbesondere berührungslos, gelagerten Energiespeichers gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem

• (a) zur Wärmeabfuhr aus dem während des bedarfsweisen Beschleunigens und/oder Bremsens und/oder während des Synchronbetriebes spürbar verlustbehafteten Läuferbereich (5, 6) ein tiefgekühltes Flüssiggas vom Statorbereich (7, 8) aus auf die Oberfläche des Läuferbereichs gesprüht (12) wird;
• (b) abhängig von der Höhe der auftretenden Verluste im Läufer die Menge des aufgesprühten Flüssiggases auf ein Minimum begrenzt wird, unter gleichzeitigem Abführen (14,15,16) der nach der Kühlwirkung verbleibenden Rückstände des Flüssiggases (Gas und nicht verdampftes Flüssiggas).

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem über das Abführen der Kühlmittel-Rückstände, insbesondere über das Absaugen (16) des Gases, das in der Kammer (11) bestehende Vakuum aufrechterhalten oder wieder hergestellt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, bei dem das Kühlgas über eine externe Kühlgasverflüssigung in einem geschlossenen Kreislauf zum erneuten Kühlen des Läuferbereichs (5, 6) geführt wird.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, bei dem das den Läuferbereich (5, 6) kühlende Flüssigkühlgas in den Flüssiggaskreislauf zur Kühlung der reibungsfreien, insbesondere Hochtemperatur-Supraleiter-Lager (9, 10) integriert ist.

20. Verfahren einem der vorigen Verfahrensansprüche, bei dem das Aufsprühen des Flüssiggases nach Art des Einspritzens von Brennstoff in Brennkraftmaschinen erfolgt.

21. Verfahren nach einem der vorigen Verfahrensansprüche, bei dem das Einspritzen nur jeweils kurzzeitig erfolgt.

22. Verfahren nach einem der obigen Verfahrensansprüche, bei dem die Begrenzung des Flüssiggas-Aufsprühens so gesteuert ist, daß möglichst wenig Restgase und nahezu keine Flüssigkeitsreste verbleiben.

23. Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, bei dem der läuferseitige Bereich als Scheibenläufer für Generator- oder Motorzwecke ausgebildet ist.