DE202011108033U1

DE202011108033U1 - Vorrichtung mit Energierückgewinnungssystem

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Publication number: DE202011108033U1
Application number: DE202011108033U
Authority: DE
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2021-11-18

Abstract

Vorrichtung (1, 101, 201, 301) in einem industriellen Prozess mit zumindest einer Wirkkette (4, 104, 204, 304) bestehend aus einer Primärenergiequelle (9, 109, 209, 309) elektrischer Energie, zumindest einer in einem Motor- und/oder einem Generatorbetrieb betreibbaren Elektromaschine (6, 6a, 6b, 6c, 6d, 106), wobei zur Zwischenspeicherung einer anfallenden Bewegungsenergie zumindest ein Energierückgewinnungssystem (12, 12a, 12b, 12c, 12d, 112a, 112b, 112c, 112d, 212a, 212b, 212c, 212d, 312a, 312b, 312c, 312d) vorgesehen ist, welches Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Energierückgewinnungssystem (12, 12a, 12b, 12c, 12d, 112a, 112b, 112c, 112d, 212a, 212b, 212c, 212d, 312a, 312b, 312c, 312d) aus einer nach dem Reluktanzprinzip gesteuerten Elektromaschine mit einem als Schwungmassenkörper (23) ausgebildeten Rotor (20) und einem fest mit einem Gehäuse (18) verbundenen Stator (24) gebildet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung in einem industriellen Prozess mit zumindest einer Wirkkette bestehend aus einer Primärenergiequelle elektrischer Energie und zumindest einer in einem Motor- und/oder einem Generatorbetrieb betreibbaren Elektromaschine, wobei zur Zwischenspeicherung einer anfallenden Bewegungsenergie zumindest ein Energierückgewinnungssystem vorgesehen ist, welches Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt.
Hintergrund der Erfindung
Vorrichtungen in industriellen Prozessen weisen eine hohe Anzahl angetriebener Bauteile auf, welche durch entsprechende Antriebe bewegt werden. Beispielsweise werden derartige Vorrichtungen selbst angetrieben, in diesen vorhandene Transport-, Hebe- und/oder Manipulationseinrichtungen betrieben. Hierbei hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn als gemeinsames Antriebskonzept Elektronmotoren verwendet werden, um elektrische Energie als universelle Energieform einsetzen zu können. Die elektrische Energie wird hierbei mittels eines elektrischen Netzes eingespeist, beziehungsweise bei unabhängig von einem elektrischen Netz zu betreibenden Vorrichtungen von Primärantrieben wie Brennkraftmaschinen, Turbinen, Brennstoffzellen und dergleichen bereitgestellt. Hierbei wird beispielsweise in Brennstoffen gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt, die dem oder mehreren auf die Vorrichtung verteilten Elektromotoren zur Verfügung gestellt wird. Prinzipbedingt fallen nach nutzungsbedingten Antrieben in diesen Vorrichtungen Anteile kinetischer oder potentieller Energie an, die in Form von Bremsenergie wieder vernichtet werden muss. Beispielsweise müssen bei zum Fahren angetriebenen Vorrichtungen Dreh- und Hubbewegungen wieder abgebremst, kinetische Energie und dergleichen vernichtet werden. Aus dem Rennsportbereich sind Energierückgewinnungssysteme (KERS, kinetic energy recovery system) bekannt, die überschüssige kinetische Energie mechanisch zwischenspeichern und Beschleunigungsvorgängen wieder zur Verfügung gestellt werden können. Die Verwendung von elektrischen Speichermethoden wie Akkumulatoren, Kondensatoren und dergleichen hat sich zur Zwischenspeicherung von anfallender Bewegungsenergie infolge mangelnder Ladungs-/Entladungsdynamik und mangelnder Zyklusfähigkeit nicht als vorteilhaft erwiesen.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung des Wirkungsgrads von Vorrichtungen in industriellen Prozessen mittels Energierückgewinnungssystemen.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung in einem industriellen Prozess mit zumindest einer Wirkkette bestehend aus einer Primärenergiequelle elektrischer Energie, zumindest einer in einem Motor- und/oder einem Generatorbetrieb betreibbaren Elektromaschine, wobei zur Zwischenspeicherung einer anfallenden Bewegungsenergie zumindest ein Energierückgewinnungssystem vorgesehen ist, welches Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt, gelöst, wobei das zumindest eine Energierückgewinnungssystem aus einer nach dem Reluktanzprinzip gesteuerten Elektromaschine mit einem als Schwungmassenspeicher ausgebildeten Rotor und einem fest mit einem Gehäusebauteil der Vorrichtung verbundenen Ständer gebildet ist. Durch die vorteilhafte Ausbildung der Schwungmassenspeicher mit dauerfesten Komponenten zur Energiegewinnung kann gegenüber herkömmlichen Schwungmassenspeichern eine höhere Lebensdauer erzielt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform können zumindest zwei, vorteilhafterweise mehrere Energierückgewinnungssysteme kaskadiert geschaltet sein. Dies bedeutet, dass der Rotor beziehungsweise der Schwungmassenspeicher eines Energierückgewinnungssystems zuerst beschleunigt und anschließend stufenweise ein oder mehrere Energierückgewinnungssysteme aktiviert werden. Eine überlappende Betriebsweise der einzelnen Energierückgewinnungssysteme kann vorgesehen sein. Insbesondere können diese nacheinander also kaskadiert beschleunigt und Energie parallel oder seriell entnommen werden. Alternativ können die Energierückgewinnungssysteme bei hohem Aufkommen von Bewegungsenergie parallel aufgeladen und kaskadenförmig entladen werden.
Weiterhin kann der Wirkkette eine zweite hydraulische Wirkkette mit einer von der zumindest einen Elektromaschine angetriebenen, zumindest ein hydraulisches Gerät antreibendes Hydraulikpumpe überlagert sein. Hierbei kann die Hydraulikpumpe im Motorbetrieb angetrieben und das hydraulische Gerät betätigt werden. Im Gegenzug kann eine im hydraulischen Gerät gespeicherte wie aufgebaute Energie über die Hydraulikpumpe, die als Hydraulikmotor wirksam sein kann, Energie in die Elektromaschine einspeisen, die diese direkt zum Antrieb weiterer Elektromaschinen im Motorbetrieb oder zur Aufladung des zumindest einen Energierückgewinnungssystems zur Verfügung stellt.
Die zumindest eine Elektromaschine kann für zumindest einen Fahrantrieb der Vorrichtung im Generator- oder Motorbetrieb vorgesehen sein, eine als Fahrzeug ausgebildete Vorrichtung zum Fahren beziehungsweise in einem Rekuperationsmodus zum Abbremsen betreiben. Ein derartiges Fahrzeug kann beispielsweise eine Landmaschine, eine Forstmaschine oder ein kommunales Nutzfahrzeug wie Müllentsorgungsfahrzeug, Straßenkehrmaschine oder dergleichen sein. Ähnliche Fahrzeuge sind von dem Erfindungsgedanken umfasst.
Alternativ oder zusätzlich kann die zumindest eine Elektromaschine für eine Dreh- und/oder Hubbewegung im Motor- oder Generatorbetrieb vorgesehen sein. Hierbei dient die fahrbare oder stationäre Vorrichtung als Hub- und/oder Transporteinrichtung beispielsweise in einer Industrieanlage, beispielsweise an einer Fertigungsstraße, in einem Teilelager und dergleichen, in einer Bahnanlage oder als Kran wie beispielsweise Containerkran.
Im Einzelnen werden nachfolgende vorteilhafte Ausführungsformen und Ausbildungsmöglichkeiten für die Vorrichtung und deren Komponenten aufgeführt. Es soll dabei ein kompaktes Energierückgewinnungssystem als integrierte Einheit unter Nutzung einer Wälzlagerung bei hochdrehenden Bedingungen, beispielsweise in Form von Hybrid- oder Standardwälzlagern vorgesehen werden. Das vorgeschlagene Energierückgewinnungssystem erbringt einen Kosten-, Nutzen und Systemvorteil und enthält einen aus Blechteilen gebildeten Schwungmassenspeicher robuster Bauart, der unter den zum Teil widrigen äußeren Bedingungen in Industrieanwendungen verlässlich arbeitet. Hierzu ist der vorgeschlagene Schwungmassenspeicher wenig anfällig gegen äußere Beschleunigungen und gegen Auslenkungen seiner Drehachse am Einbauort sowie gegen am Einbauort auftretende Witterungs- und Umwelteinflüsse. Des Weiteren zeichnet er sich dadurch ein geringes Gewicht und eine kompakte Bauweise aus.
Die Anwendung des vorgeschlagenen Schwungmassenspeichers in industriellen Anwendungen wie Prozessen führt zu kurzen Lade- und Entladezeiten des Energierückgewinnungssystems. Auf Grund dessen weist der vorgeschlagene Schwungmassenspeicher eine sehr hohe Zyklenfestigkeit auf. Um eine maximale Verlustarmut des Systems zwischen den Lade- und Entladezyklen zu erreichen wird eine entsprechende Bauform der Elektromaschine gewählt, die eine ausreichende Dynamik zur Umsetzung der kinetischen Energie in elektrische Energie aufweist.
Die Bauart und das Funktionsprinzip des vorgeschlagenen Schwungmassenspeichers gewährleistet im Gegensatz zu kapazitiven oder elektrochemischen Energiespeichern eine konstante Energieabgabe über die gesamte Lebensdauer der Vorrichtung. Vorteilhafterweise wird eine im Wesentlichen und im Gegensatz zu kapazitiven oder elektrochemischen Energiespeichern oder anderen Speichersystemen ein 100%-ige Leistungsabgabe über die Gesamtlebensdauer erzielt.
Die Bauart, das Funktionsprinzip und das Systemkonzept des Schwungmassenspeichers erlauben eine beliebige Kaskadierbarkeit einzelner Energierückgewinnungssysteme und gewährleisten für verschiedene Bauformen, Baugrößen, Einsatzarten bzw. Einsatzgebiete stets die passende Auslegung.
Weiterhin kann bei einem mechanischen Aufbau eines Energierückgewinnungssystems in industriellen Prozessen die Umweltvertraglichkeit im Betrieb und in Recycling gesteigert werden, da das System auf umweltbelastende Bestandteile verzichten kann.
Um eine erwünschte kompakte Bauweise des Schwungmassenspeichers zu erreichen, wird die zugehörige Elektromaschine so angepasst und eingestellt, dass deren Rotor als Schwungmassenspeicher dienen kann. Hierzu wird der Rotor der Elektromaschine gleichzeitig als Schwungmasse verwendet, wobei eine elektromagnetische Eignung des Schwungmassenmaterials vorgesehen wird.
Robuste Bauart
Durch die Verwendung modifizierter, konventioneller Wälzlager und der Verzicht von komplexen Teilsystemen stellt der vorgeschlagene Schwungmassenspeicher ein sehr robustes System dar. Die speziell für diese Anwendung ausgelegte Lagerung ermöglicht eine unempfindliche Aufnahme des Schwungmassenspeichers gegenüber äußeren Beschleunigungen, Auslenkungen der Drehachse (Kreiselkräfte) am Einbauort sowie Unwuchten. Gegebenenfalls notwenige Elastizitäten und Dämpfungen des Rotors und dessen Wellensystems können je nach Anforderungen vorgesehen werden.
Zyklenfestigkeit
Auf Grund der ausschließlichen Verwendung von kinetischen Mechanismen zur Energiespeicherung ermöglicht der vorgeschlagene Schwungmassenspeicher eine sehr hohe Zyklenfestigkeit. Die Komponenten, die die Zyklenfestigkeit des Energierückgewinnungssystems bestimmen, sind im Gegensatz zu den chemischen Mechanismen in kapazitiven oder akkumulatorischen Energiespeichern in dem hier dargestellten Schwungmassenspeicher mechanische Bauelemente. Diese weisen im Vergleich zu kondensatorischen und akkumulatorischen Lösungen eine Zyklenfestigkeit auf, die beispielsweise um den Faktor 50 und höher ist.
Verlustarme Stand-by-Funktion
Die Verwendung eines Schwungmassenspeichers in industriellen Prozessen setzt auf Grund beispielsweiser Betriebsbedingungen wie Heben – Senken, Beschleunigen – Fahren – Bremsen voraus, dass das Energierückgewinnungssystem zwischen Lade- und Entladezyklen frei und ohne nennenswerte Verluste drehen kann. Um dies mit der hier beschriebenen Bauweise des Schwungmassenspeichers zu gewährleisten, wird eine Elektromaschine verwendet, die mittels des Reluktanzprinzips betrieben wird. Ein entsprechend ausgebildeter Reluktanzmotor erzeugt im unbestromten Zustand vernachlässigbare Verluste, die ein systembedingtes, den Wirkungsgrad minderndes Abbremsen der Schwungmassenspeicher gering halten.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, den Einfluss der Luftreibung zu minimieren, indem der Schwungmassenspeicher wie Rotor der Elektromaschine in einem vakuumierten Raum betrieben wird.
Konstante Energieabgabe über die gesamte Lebensdauer des Energierückgewinnungssystems
Wegen der relativ langen Gebrauchszeiträume der vorgeschlagenen Vorrichtungen in industriellen Prozessen ist die Konstanz der Energieaufnahme bzw. -abgabe über Lebensdauer ein wichtiges Kriterium. Kapazitive Energiespeicher oder Akkumulatoren zeigen im Laufe der Zeit auf Grund ihrer chemischen Zusammensetzung einen Abfall der speicherbaren und abgebbaren Energie. Da in dem vorgeschlagenen Schwungmassenspeicher die Energie rein kinetisch gespeichert wird, zeigt dieser Energiespeicher diesen Effekt nicht.
Kaskadierbarkeit der Einzelsysteme
Der vorgeschlagene Schwungmassenspeicher bietet durch sein Funktionsprinzip die Möglichkeit einer einfachen Erweiterbarkeit eines Grundsystems mit beliebig vielen anderen Grundsystemen. Die Verwendung einer Elektromaschine mit integriertem Schwungmassenspeicher ermöglicht eine Integration einer einfachen Schnittstelle über die Leistungselektronik der Elektromaschine. Auf diese Weise ist eine bestmögliche Anpassung des Energierückgewinnungssystems an die vielfältigen Anforderungen von verschiedenen Industrieprozessen möglich.
Zusammenfassend werden vorteilhafte Gesichtspunkte der vorgeschlagenen Vorrichtung stichpunktartig aufgeführt.
Energierückgewinnungssystem

• weist eine Elektromaschine mit einem Läufer und einem Ständer auf, wobei das Energierückgewinnungssystem, wobei der Ständer von dem Läufer durch einen Luftspalt getrennt ist, wenigstens eine Ständerspule aufweist, der Läufer von dem Ständer umgeben ist und einer Schwungmasse zugeordnet ist und aus dünnen metallischen Blechscheiben gebildet ist.

Blechscheiben

• Die Blechscheiben besitzen im Wesentlichen eine kreisförmige Gestalt mit einem definierten Durchmesser, der im bewegten und unbewegten Zustand unterschiedlichen dynamischen Spannungsverläufen ausgesetzt ist.
• Die Spannungsverläufe in den Blechscheiben im bewegten Zustand entsprechen den zugelassenen statischen und dynamischen Werten hinsichtlich einer dauerfesten Auslegung. (Sicherheitsfaktoren statisch und dynamisch größer gleich zwei)
• Die Blechscheiben sind in Ihrer Ausformung so ausgeführt, dass entsprechende Spannungsspitzen in kritischen Zonen (Bohrungen, Kanten, Nuten) minimiert sind.
• Die Blechscheiben sind als ebene Blechscheiben ausgeführt und besitzen entsprechende koaxiale Ausformungen und entsprechende koaxiale Entlastungselemente innerhalb der Blechscheibe zur Minimierung und Homogenisierung der Spannungsverläufe.
• Die Blechscheiben sind aus hochfesten Standard-Bandmaterialien hergestellt.
• Die Blechscheiben sind zur elektrischen Isolation und zur besseren Haftung untereinander mit einer entsprechenden, galvanischen, physikalischen oder chemischen Beschichtung versehen.
• Die Blechscheiben besitzen am Außendurchmesser eine regelmäßige abgestufte Zahnstruktur.
• Die Ausformung der Zahnstruktur der Blechscheiben wird hinsichtlich der Luftreibungsverluste in Abhängigkeit der elektromagnetischen Berechnung ausgeformt.

Elektromaschine

• Die elektrische Maschine beruht auf dem Prinzip einer geschalteten Reluktanzmaschine
• Der Rotor der Elektromaschine beinhaltet den Schwungmassenspeicher.
• Die Ausformung des Rotors erfolgt über eine regelmäßige Zahnstruktur auf dem Schwungkörper, welcher in Abhängigkeit der elektromagnetischen Berechnung ausgeführt ist.
• Im Berstfall zerstört sich der Rotor durch Lösen einzelner Blechscheiben, um ein sicheres Bersten ohne die Bildung großer Berstteile zu ermöglichen.
• Rotor und Stator bestehen aus unterschiedlichen Werkstoffen, vorzugsweise der Rotor aus Material mit höherer Festigkeit, der Stator – verglichen mit dem Material des Rotors – aus Material niedrigerer Festigkeit und hinsichtlich seiner magnetischen und thermischen Eigenschaften optimiert.
• Der Stator ist aus Blechscheiben aufgebaut, welche bezüglich ihrer Ausprägung vorzugsweise kleiner oder gleich einer Blechdicke der Blechscheiben des Rotors entsprechen.
• Die Blechscheiben des Stators sind am Außendurchmesser in solcher Form stoffschlüssig verbunden, dass alle Blechscheiben des Stators miteinander eine mechanisch feste Verbindung untereinander eingehen.
• Der aus Blechscheiben gebildete Stator weist im Wesentlichen eine Festigkeit eines vergleichbaren massiven Vollmaterials auf.
• Der Berstschutz wird vom Stator gewährleistet. Dieser sorgt dafür, dass keine frei werdenden Berstteile das Energierückgewinnungssystem verlassen können.
• Im Berstfall werden Motorwicklungen der Elektromaschine automatisch durchtrennt, was zu einer weiteren Schutzfunktion des Energierückgewinnungssystems führt.
• Durch die kompakte Bauweise des Rotors ist eine Integration von Rotor und Stator als Schwungmassenspeicher einfach möglich.

Gehäuse

• Das Gehäuse und seine Anbauteile bestehen aus gleichen Materialien.
• Das Gehäuse beinhaltet ein Vakuum kleiner 1 bar Innendruck.
• das Gehäuse ist ein zylindrisch geformter Körper mit gleichen Abschlussdeckeln auf beiden Seiten. Die Deckel werden vorzugsweise mittels Schraubverbindungen und einer Dichtung mit dem zylindrischen Körper verbunden.
• Das Gehäuse besitzt als Sicherheitsfunktion zusätzlich am Umfang sogenannte Rutschkupplungen zur Aufnahme von im Schadensfall frei werdender rotativer Energie.

Lagerung

• Die Lagerung erfolgt mittels konventioneller Walzlagerung, die den Rotor zum Gehäuse drehbar abstützt.
• Die Lagerung kann wegen ihrer Ausformung entsprechende Elastizitäten in axialer und radialer Richtung aufweisen.
• Die Lagerung ermöglicht die Einstellbarkeit der Elastizitäten in Abhängigkeit von der Rotordynamik.
• Die Lagerung gewährleistet eine direkte Kühlung über das angeschlossene Lagergehäuse.

Schwungmassenkörper

• Der Schwungmassenkörper ist ein sich drehender Körper für einen Energiespeicher, der mittels einer Elektromaschine Energie aufnimmt, speichert, und abgibt, wobei der Schwungmassenkörper aus dünnen metallischen Blechscheiben gebildet ist, die eine im Wesentlichen kreisringscheibenförmige Gestalt aufweisen.
• Der Schwungmassenkörper nimmt als drehender Körper des Energierückgewinnungssystems mittels der Elektromaschine Energie in Form von Rotationsenergie auf und gibt diese wieder ab.
• Der Schwungmassenkörper besteht aus dünnen metallischen Blechscheiben, welche bezogen auf dessen Drehachse axial gestapelt sind.
• Der Schwungmassenkörper besitzt am Umfang zur Ausbildung der Elektromaschine eine regelmäßige Zahnstruktur.
• Die Ausformung des Schwungmassenkörpers wird hinsichtlich der Luftreibungsverluste in Abhängigkeit von einer elektromagnetischen Berechnung ausgeführt.
• Zur mechanischen Stabilität (dynamisch/statisch) wird das Blechscheibenpaket axial mittels Zugankern verspannt.
• Bohrungen für die Zuganker liegen in Abhängigkeit der Zugspannung auf einem vorgegebenen Teilkreis über den Umfang gleichmäßig verteilt.
• Die Zuganker erzeugen unter einer definierten Kraft eine axiale Vorspannung gegenüber dem Blechscheibenpaket.
• Die axiale Vorspannung über die Zuganker gewährleistet einen flächigen Kontakt der Blechscheiben untereinander über den gesamten Drehzahl-, Temperatur- und Durchmesserbereich.
• Die Zuganker stützen sich mit entsprechenden Endplatten auf dem Blechscheibenpaket ab (Verschraubung über Muttern oder dergleichen)
• Die Endplatten werden in ihrer Geometrie und Oberflächenstruktur an die Lagerbedingungen des Schwungmassenkörpers angepasst.
• Die Endplatten werden durch eine entsprechende Oberflächenstruktur zur Entwärmung der Lagerstellen und des Rotors als Kühlkörper verwendet.
• Über die Endplatten wird eine magnetische Entlastung vorgesehen.
• Die Endplatten sind aus ferromagnetischen Stählen oder dergleichen hergestellt, so dass zusätzliche Permanentmagnete auf der Endplatte entfallen können.

Kühlung

• Die Kühlung erfolgt mittels Luft oder Wasserkühlung am Umfang des Gehäuses.
• Lagerinnenringe der Lagerung des Schwungmassenkörpers entwärmen sich über die Endplatten.
• Die Lageraußenringe werden über die Gehäusekühlung aktiv entwärmt.
• Ein Wellenkühler der Rotorwelle entzieht einen Wärmestrom aus dem Rotor, um eine entsprechende Temperaturdifferenz zwischen Lagerinnenring und Rotorwelle zu erzeugen.
• Das Gehäuse wird mittels aktiver Luft oder Wasserkühlung gekühlt.

Vakuum

• Das in dem Gehäuse eingestellte Vakuum liegt unter Einhaltung von elektrischen Parametern in einem definierten Bereich oberhalb oder unterhalb eines Punktes auf der sog. Paschenkurve.
• Das Vakuum wird entweder auf Lebensdauer oder mittels einer Vakuumpumpe aufrecht gehalten.

Anwendungen

• Industrieanwendung, die ausschließlich oder zusätzlich zu einer Brennkraftmaschine, mit wenigstens einer Elektromaschine im Antriebsstrang ausgestattet ist, wobei die Elektromaschine durch eine elektronische Leistungsumsteuereinheit (ECU) zwischen einem Motorbetrieb und einem Generatorbetrieb umschaltbar ist und mit einem Energierückgewinnungssystem gekoppelt ist.
• Verwendung eines Schwungmassenkörpers des Energierückgewinnungssystems in einem industriellen Prozess, der ausschließlich oder zusätzlich zu einer Brennkraftmaschine, einem elektrischen Versorgungsnetz und/oder dergleichen mittels wenigstens einer Elektromaschine in einem Antriebsstrang angeordnet ist, wobei die Elektromaschine durch eine elektronische Leistungsumsteuereinheit (ECU) zwischen einem Motorbetrieb und einem Generatorbetrieb umschaltbar ist.

Technische Daten des Schwungmassenspeichers
Der Speicherinhalt liegt vorzugsweise im Bereich einer halben Kilowattstunde.
Die Maximalleistung des Energierückgewinnungssystems liegt vorzugsweise bei 100 kW.
Die mittlere Leistung liegt vorzugsweise zwischen 30–80 kW.
Die Nennspannung an einem Umrichter der Vorrichtung liegt vorzugsweise zwischen 500 V und 750 V.
Das Gesamtgewicht eines Schwungmassenspeichers mit zugehöriger Leistungselektronik liegt bevorzugt unterhalb 250 kg
Die Lebensdauer des Energierückgewinnungssystems ist größer gleich 40.000 h.
Die bevorzugte Zyklenzahl des Energierückgewinnungssystems liegt im Bereich größer gleich 1·106 Zyklen.
Gesamtsystem eines Energierückgewinnungssystems
Das Gesamtsystem besteht aus den beschriebenen mechanischen Elementen des Schwungmassenspeichers sowie aus einer entsprechend ausgeführten Leistungselektronik und einem Steuergerät. Je nach Anwendung kann das Steuergerät in die Leistungselektronik integriert sein oder als separates Bauteil verwendet werden.
Die Leistungselektronik als Bestandteil des Energierückgewinnungssystems führt zum Einen die Umrichtung von Wechselstrom zu dem im Gleichstromnetz benötigten Gleichstrom und zum Anderen die Ansteuerung des geschalteten Reluktanzmotors aus.
Das Steuergerät enthält die Hardware und Software zur Durchführung der Kommunikation mit Komponenten der Vorrichtungen für die Durchführung industrieller Prozesse mittels industrieller Bussysteme, die es ermöglichen, direkt mit einem Powermanagementsystem der Industrieanlage, einem Fahrzeug wie Kommunal- oder Landfahrzeug, Kran und dergleichen zu kommunizieren sowie die Kommunikation zwischen kaskadierten Energierückgewinnungssystemen sicherzustellen. So kann gewährleistet werden, dass der Lade- und Entladevorgang gesteuert ablaufen kann. Ein gegenseitiges Laden und Entladen der Schwungmassenspeicher untereinander ist somit ausgeschlossen. Durch die Kommunikation zwischen den Energiespeichersystemen und des Powermanagements sowie durch die Kommunikation dieser miteinander kann somit nach Möglichkeit immer der effektivste Betriebszustand für die Energiespeicherung eingenommen werden.
Des Weiteren erfolgt über das Steuergerät im Zusammenhang mit der Leistungselektronik die Ansteuerung der Elektromaschine eines Energierückgewinnungssystems.
Um ein betriebssicheres Energiespeichersystem zu gewährleisten, ist der Aufbau der Topologie des Steuergerätes bevorzugt so gewählt, dass sicherheitsrelevante Messgrößen entsprechend zuverlässig erfasst und ausgewertet werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird anhand der in den 1 bis 10 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Vorrichtung in Form einer Industrieanlage mit mehreren Energierückgewinnungssystemen,
2 eine Vorrichtung in Form eines Krans mit mehreren Energierückgewinnungssystemen,
3 eine Vorrichtung in Form einer Landmaschine mit mehreren Energierückgewinnungssystemen,
4 eine Vorrichtung in Form eines Kommunalfahrzeugs mit mehreren Energierückgewinnungssystemen,
5–8 vorteilhafte Blockschaltbilder von industriellen Prozessen,
9 ein Energierückgewinnungssystem in geschnittener Ansicht und
10 ein Blockschaltbild eines Energierückgewinnungssystems.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
1 zeigt schematisch die Vorrichtung 1 in Form der Industrieanlage 2 mit den Transportvorrichtungen 3a, 3b, 3c, 3d. Der Darstellung der Industrieanlage 2 ist die Wirkkette 4 der Industrieanlage 2 in Form des Blockschaltbilds 5 überlagert. Die Transportvorrichtungen 3a, 3b, 3c, 3d wie beispielsweise Hebekran, Drehteller, Aufzug und Rollbahn werden jeweils von einer Elektromaschine 6a, 6b, 6c, 6d überlagert, die unter Last im Motorbetrieb und bei anstehender potentieller Energie E_pot beziehungsweise Bremsenergie E_Brems im Generatorbetrieb betrieben werden. Hierzu stehen die Elektromaschinen 6a, 6b, 6c, 6d über die AC/DC-Wandler 7a, 7b, 7c, 7d in elektrischer Verbindung mit dem Gleichspannungsnetz 8 mit der Gleichspannung U_ZK, welches von der Primärenergiequelle 9 in Form des Stromnetzes 10 über den AC/DC-Wandler 11 gespeist wird.
Mit dem Gleichspannungsnetz 8 sind die Energierückgewinnungssysteme 12a, 12b verbunden, welche mittels einer Elektromaschine im Gleichspannungsnetz 8 anstehende, ungenutzte elektrische Energie in kinetische Energie konvertieren, indem ein als Schwungmassenkörper ausgebildeter Rotor in Rotation versetzt wird. Bei im Gleichspannungsnetz 8 angeforderter elektrischer Energie wird die kinetische Energie des Schwungmassenkörpers wieder in elektrische Energie umgewandelt. Die beiden Energierückgewinnungssysteme 12a, 12b sind kaskadiert geschaltet, indem jeweils die Drehzahl des Schwungmassenkörpers auf einen optimalen Arbeitsbereich eingeregelt wird. Die Steuerung des Gleichspannungsnetzes 8 mit dessen Komponenten übernimmt das Powermanagementsystem 13, welches die in den einzelnen Elektromaschinen und Energierückgewinnungssystemen 12a, 12b vorhandenen Steuergeräte untereinander insbesondere Abstimmung der kaskadierten Lade- und Entladevorgänge steuertund mit diesen über ein Bussystem kommuniziert.
2 zeigt die entsprechend der 1 dargestellte Vorrichtung 101 in Form des Krans 102 wie Containerkran mit dem überlagerten Blockschaltbild 105 der Wirkkette 104. Der Kran 102 enthält die Fahrantriebe 103a, 103b, 103c, 103d und die Hebevorrichtung 103e, welche jeweils mittels AC/DC-Wandlern mit dem Gleichspannungsnetz 108 verbunden sind und unter Last elektrische Energie aufnehmen und freiwerdende Bremsenergie der Fahrantriebe 103a, 103b, 103c, 103d beziehungsweise potentielle Energie und Bremsenergie der Hebevorrichtung 103e in das Gleichspannungsnetz 108 einspeisen. Die Primärenergiequelle 109 in Form der Brennkraftmaschine 110 treibt den Generator 114 an, der gegebenenfalls zusätzliche elektrische Energie über den AC/DC-Wandler 111 in das Gleichspannungsnetz 108 einspeist. Die dem Gleichspannungsnetz 108 durch Einspeisung der von den Fahrantrieben 103a, 103b, 103c, 103d und der Hebevorrichtung 103e eingespeiste Energie wird in den kaskadiert geschalteten Energierückgewinnungssystemen 112a, 112b zwischengespeichert. Das Powermanagementsystem 113 steuert entsprechend dem Powermanagementsystem 13 der 1 die elektrischen Komponenten der Wirkkette 104 sowie die Brennkraftmaschine 110.
3 zeigt die entsprechend der 1 dargestellte Vorrichtung 201 in Form der Landmaschine 202 wie Traktor mit dem überlagerten Blockschaltbild 205. Die Landmaschine 202 verfügt über die Wirkkette 204 mit dem Gleichspannungsnetz 208, das von der Primärenergiequelle 209 in Form der Brennkraftmaschine 210 über den Generator 214 mit dem AC/DC-Wandler 211 gespeist wird. Die Fahrantriebe 203a, 203b, die die Landmaschine ausschließlich oder hybridisch antreiben können, enthalten eine für den Generator- und Motorbetrieb ausgelegte, mit einem AC/DC-Wandler versehene Elektromaschine, welche im Generatorbetrieb die Bremsenergie in das Gleichspannungsnetz 208 einspeist. Desweiteren enthält die Landmaschine eine über einen AC/DC-Wandler mit dem Gleichspannungsnetz gekoppelte hydraulische Pumpeneinheit 215, welche mittels elektrischer Energie angetrieben wird und hydraulischen Druck auf ein hydraulisches Arbeitsgerät übertragen beziehungsweise bei anstehender hydraulischer Energie als hydraulischer Motor nach entsprechender Wandlung elektrische Energie in das Gleichspannungsnetz 208 einspeisen kann. Wie in den Ausführungsbeispielen zuvor sind in das Gleichspannungsnetz 208 die kaskadiert betriebenen Energierückgewinnungssysteme 212a, 212b zur rotatorischen Zwischenspeicherung elektrischer Energie vorgesehen. Das Powermanagementsystem 213 steuert entsprechend dem Powermanagementsystem 13 der 1 die elektrischen Komponenten der Wirkkette 204 sowie die Brennkraftmaschine 210.
4 zeigt die entsprechend der 1 dargestellte Vorrichtung 301 in Form des Kommunalfahrzeugs 302 wie Müllfahrzeug mit dem überlagerten Blockschaltbild 305. Das Kommunalfahrzeug 302 verfügt über die Wirkkette 304 mit dem Gleichspannungsnetz 308, das von der Primärenergiequelle 309 in Form der Brennkraftmaschine 310 über den Generator 314 mit dem AC/DC-Wandler 311 gespeist wird. Der Fahrantrieb 303, der das Kommunalfahrzeug 302 ausschließlich oder hybridisch antreiben kann, enthält eine für den Generator- und Motorbetrieb ausgelegte, mit einem AC/DC-Wandler versehene Elektromaschine, welche im Generatorbetrieb die Bremsenergie in das Gleichspannungsnetz 308 einspeist.
Zur Betätigung der Funktionseinrichtung wie Lade- und Befüllvorrichtungen weist das Kommunalfahrzeug entsprechende hydraulische Einrichtungen auf, welche von der Pumpeneinheit 315 mit hydraulischem Druck versorgt werden. Die Pumpeneinheit 315 umfasst eine Elektromaschine, welche motorisch und generatorisch betrieben werden kann sowie einen AC/DC-Wandler, so dass die Pumpeneinheit 315 sowohl die hydraulischen Einrichtungen betreiben als auch freiwerdende hydraulische Energie in elektrische Energie wandeln kann.
Die beiden Energierückgewinnungssysteme 321a, 312b sind kaskadisch betrieben und gleichen, von dem Powermanagement 313 gesteuert die Energiebilanz im Gleichspannungsnetz 308 aus, indem elektrische Energie und kinetische Energie entsprechend ineinander umgeformt werden. Das Powermanagementsystem 313 steuert entsprechend dem Powermanagementsystem 13 der 1 die elektrischen Komponenten der Wirkkette 304 sowie die Brennkraftmaschine 310.
5 zeigt ein vorteilhaftes Blockschaltbild 5a der Wirkkette 4a beispielsweise einer der Industrieanlage 2 der 1 ähnlichen Industrieanlage oder einem anderen industriellen Prozess, einer industriellen Einrichtung, eines Fahrzeugs oder dergleichen mit vier kaskadiert geschalteten und mit dem Gleichspannungsnetz 8 mit der Gleichspannung U_ZK verbundenen Energierückgewinnungssystemen 12a, 12b, 12c, 12d, der Elektromaschine 6 und dem AC/DC-Wandler 7, der Primärenergiequelle 9 mit dem AC/DC-Wandler 11 und dem Powermanagementsystem 13. Elektromaschine 6 und AC/DC-Wandler 7 stehen hierbei je nach Prozess und Anwendung für eine oder mehrere vorzusehende Elektromaschinen und diesen zugeordnete AC/DC-Wandler.
6 zeigt ein dem Blockschaltbild 5a der 5 ähnliches Blockschaltbild 105a der Wirkkette 104a mit vier kaskadiert geschalteten und mit dem Gleichspannungsnetz 108 mit der Gleichspannung U_ZK verbundenen Energierückgewinnungssystemen 112a, 112b, 112c, 112d, der Elektromaschine 106 und dem AC/DC-Wandler 107, der Primärenergiequelle 109 mit dem Generator 114 samt AC/DC-Wandler 111 und dem Powermanagementsystem 113.
7 zeigt ein den Blockschaltbildern 5a, 105 der 5 und 6 ähnliches Blockschaltbild 205a der Wirkkette 204a mit vier kaskadiert geschalteten und mit dem Gleichspannungsnetz 208 mit der Gleichspannung U_ZK verbundenen Energierückgewinnungssystemen 212a, 212b, 212c, 212d der Elektromaschine 206, der Primärenergiequelle 209 in Form der Brennkraftmaschine 210 mit dem Generator 214 samt AC/DC-Wandler 211 und dem Powermanagementsystem 213. Der ersten Wirkkette 204a ist die zweite Wirkkette 204b zugeordnet, die beispielsweise einen Nebenabtrieb bildet. Hierzu wird über die Brennkraftmaschine 210 und den Generator 214 die Pumpe 216 angetrieben, welche das hydraulische Arbeitsgerät 217 antreibt beziehungsweise hydraulische Energie über die Pumpe 216 und den Generator 214 als elektrische Energie in das Gleichspannungsnetz 208 einspeist. Hierbei bilden die Pumpe 216 und der Generator 214 die Pumpeneinheit 215 der 5, wobei der Generator 214 zusätzlich der Brennkraftmaschine 210 zugeordnet ist.
8 zeigt ein den Blockschaltbildern 5a, 105a, 205a der 5 bis 7 ähnliches Blockschaltbild 305a der Wirkkette 304a mit vier kaskadiert geschalteten und mit dem Gleichspannungsnetz 308 mit der Gleichspannung U_ZK verbundenen Energierückgewinnungssystemen 312a, 312b, 312c, 312d der Elektromaschine 306 und dem integrierten AC/DC-Wandler 307 des Fahrantriebs 303, der Primärenergiequelle 309 in Form der Brennkraftmaschine 310 mit dem Generator 314 samt AC/DC-Wandler 311 und dem Steuergerät 313.
Die hydraulischen Einrichtungen 317 werden mittels der Pumpeneinheit 315 bedient, die mittels elektrischer Energie des Gleichspannungsnetzes 308 betrieben wird und überschüssige hydraulische Energie in elektrische Energie konvertiert und in das Gleichspannungsnetz 308 einspeist. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel des den Vorrichtungen 1, 101, 201, 301 zugrundeliegenden Energierückgewinnungssystems 12 in geschnittener Ansicht. In dem Gehäuse 18 ist mittels Wälzlagern 19 der Rotor 20 der Elektromaschine 21 aufgenommen. Unter Einhaltung des Ringspalts 22 ist um den als Schwungmassenkörper 23 aus axial geschichteten Blechscheiben der ebenfalls aus Blechscheiben hergestellte Stator 24 angeordnet. Das Gehäuse 18 ist mit Vakuum beaufschlagt und gekühlt.
10 zeigt das Energierückgewinnungssystem 12 in Blockschaltweise. Hierbei übernimmt das interne Steuergerät 25 die Steuerung der Elektromaschine 21, welche den Schwungmassenkörper 23 je nach Betriebsweise – motorisch oder generatorisch – antreibt oder abbremst. Die Steuerung erfolgt durch entsprechende Kommutationsimpulse von der Leistungselektronik 26. Die Leistungselektronik steht in elektrischer Verbindung mit dem Gleichspannungsnetz 8 und speist in diese elektrische Energie ein oder entnimmt diesem elektrische Energie. Zur Regelung der Betriebsweise des Energierückgewinnungssystems 12 steht das Steuergerät 25 in Signalverbindung mit einem Powermanagementsystem über das externe Bussystem 27 und mit Komponenten im Gleichspannungssystem, insbesondere weiteren Energierückgewinnungssystemen über das interne Bussystem 28. Über die Bussysteme 27, 28 werden mehrere Energierückgewinnungssysteme 12 kaskadisch koordiniert.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Industrieanlage
3a: Transportvorrichtung
3b: Transportvorrichtung
3c: Transportvorrichtung
3d: Transportvorrichtung
4: Wirkkette
4a: Wirkkette
5: Blockschaltbild
5a: Blockschaltbild
6: Elektromaschine
6a: Elektromaschine
6b: Elektromaschine
6c: Elektromaschine
6d: Elektromaschine
7: AC/DC-Wandler
7a: AC/DC-Wandler
7b: AC/DC-Wandler
7c: AC/DC-Wandler
7d: AC/DC-Wandler
8: Gleichspannungsnetz
9: Primärenergiequelle
10: Stromnetz
11: AC/DC-Wandler
12: Energierückgewinnungssystem
12a: Energierückgewinnungssystem
12b: Energierückgewinnungssystem
12c: Energierückgewinnungssystem
12d: Energierückgewinnungssystem
13: Powermanagementsystem
18: Gehäuse
19: Wälzlager
20: Rotor
21: Elektromaschine
22: Ringspalt
23: Schwungmassenkörper
24: Stator
25: Steuergerät
26: Leistungselektronik
27: internes Bussystem
28: externes Bussystem
101: Vorrichtung
102: Kran
103a: Fahrantrieb
103b: Fahrantrieb
103c: Fahrantrieb
103d: Fahrantrieb
103e: Hebevorrichtung
104: Wirkkette
104a: Wirkette
105: Blockschaltbild
105a: Blockschaltbild
106: Elektromaschine
107: AD/DC-Wandler
108: Gleichspannungsnetz
109: Primärenergiequelle
110: Brennkraftmaschine
111: AD/DC-Wandler
112a: Energierückgewinnungssystem
112b: Energierückgewinnungssystem
112c: Energierückgewinnungssystem
112d: Energierückgewinnungssystem
113: Powermanagementsystem
114: Generator
201: Vorrichtung
202: Landmaschine
203a: Fahrantrieb
203b: Fahrantrieb
204: Wirkkette
204a: Wirkkette
204b: Wirkkette
205: Blockschaltbild
205a: Blockschaltbild
206: Elektromaschine
208: Gleichspannungsnetz
209: Primärenergiequelle
210: Brennkraftmaschine
211: AC/DC-Wandler
212a: Energierückgewinnungssystem
212b: Energierückgewinnungssystem
212c: Energierückgewinnungssystem
212d: Energierückgewinnungssystem
213: Powermanagementsystem
214: Generator
215: Pumpeneinheit
216: Pumpe
217: hydraulisches Arbeitsgerät
301: Vorrichtung
302: Kommunalfahrzeug
303: Fahrantrieb
304: Wirkkette
304a: Wirkkette
305: Blockschaltbild
305a: Blockschaltbild
306: Elektromaschine
307: AC/DC-Wandler
308: Gleichspannungsnetz
309: Primärenergiequelle
310: Brennkraftmaschine
311: AC/DC-Wandler
312a: Energierückgewinnungssystem
312b: Energierückgewinnungssystem
312c: Energierückgewinnungssystem
312d: Energierückgewinnungssystem
313: Powermanagementsystem
314: Generator
315: Pumpeneinheit
317: hydraulische Einrichtung
E_Brems: Bremsenergie
E_Pot: potentielle Energie
U_ZK: Gleichspannung

Claims

Vorrichtung (1, 101, 201, 301) in einem industriellen Prozess mit zumindest einer Wirkkette (4, 104, 204, 304) bestehend aus einer Primärenergiequelle (9, 109, 209, 309) elektrischer Energie, zumindest einer in einem Motor- und/oder einem Generatorbetrieb betreibbaren Elektromaschine (6, 6a, 6b, 6c, 6d, 106), wobei zur Zwischenspeicherung einer anfallenden Bewegungsenergie zumindest ein Energierückgewinnungssystem (12, 12a, 12b, 12c, 12d, 112a, 112b, 112c, 112d, 212a, 212b, 212c, 212d, 312a, 312b, 312c, 312d) vorgesehen ist, welches Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Energierückgewinnungssystem (12, 12a, 12b, 12c, 12d, 112a, 112b, 112c, 112d, 212a, 212b, 212c, 212d, 312a, 312b, 312c, 312d) aus einer nach dem Reluktanzprinzip gesteuerten Elektromaschine mit einem als Schwungmassenkörper (23) ausgebildeten Rotor (20) und einem fest mit einem Gehäuse (18) verbundenen Stator (24) gebildet ist.
Vorrichtung (1, 101, 201, 301) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Energierückgewinnungssysteme (12, 12a, 12b, 12c, 12d, 112a, 112b, 112c, 112d, 212a, 212b, 212c, 212d, 312a, 312b, 312c, 312d) kaskadiert geschaltet sind.
Vorrichtung (201) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkkette (204) eine zweite, hydraulische Wirkkette (204a) mit einer von der zumindest einen Elektromaschine angetriebenen, zumindest ein hydraulisches Arbeitsgerät (217) antreibenden Pumpe (216) überlagert ist.
Vorrichtung (101, 201, 301) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Elektromaschine (106) für zumindest einen Fahrantrieb (103a, 103b, 103c, 103d, 203a, 203b, 303) der Vorrichtung (101, 201, 301) im Generator- oder Motorbetrieb vorgesehen ist.
Vorrichtung (201, 301) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (201, 301) eine Landmaschine (202), eine Forstmaschine oder ein Kommunalfahrzeug (302) ist.
Vorrichtung (1, 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Elektromaschine (6, 106) für eine Dreh- und/oder Hubbewegung im Motor- oder Generatorbetrieb vorgesehen ist.
Vorrichtung (101) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (101) eine stationäre oder fahrbare Industrieanlage (2), Bahnanlage oder ein Kran (102) ist.
Vorrichtung (1, 101, 201, 301) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet durch ein Powermanagementsystem (13, 113, 213, 313) zur Regelung des Gleichspannungssystems (8, 108, 208, 30 8) mit den Elektromaschinen (6, 6a, 6b, 6c, 6d, 106) und dem zumindest einen Energierückgewinnungssystem (12, 12a, 12b, 12c, 12d, 112a, 112b, 112c, 112d, 212a, 212b, 212c, 212d, 312a, 312b, 312c, 312d) geregelt und zur Kommunikation dieser mittels eines Bussystems.
Vorrichtung (1, 101, 201, 301) nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine kaskadierte Regelung zumindest zweier Energierückgewinnungssysteme (12, 12a, 12b, 12c, 12d, 112a, 112b, 112c, 112d, 212a, 212b, 212c, 212d, 312a, 312b, 312c, 312d) mittels des Powermanagementsystems (13, 113, 213, 313).