DE29923359U1 - Flywheel - energy storage with an electric motor / generator - Google Patents
Flywheel - energy storage with an electric motor / generatorInfo
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Description
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Die Erfindung betrifft einen Schwungmasse-Energiespeicher mit einem Elektromotor/Generator, auf dessen Rotor die Schwungmasse drehfest angeordnet und der Rotor mit einem Axialmagnetlager und mindestens einem Radialmagnetlager gelagert ist.
5The invention relates to a flywheel energy storage device with an electric motor/generator, on whose rotor the flywheel is arranged in a rotationally fixed manner and the rotor is mounted with an axial magnetic bearing and at least one radial magnetic bearing.
5
Bei Schwungmasse-Energiespeichern wird elektrische Energie in einer Elektromotor/Generatoreinheit in kinetische Energie umgewandelt und in einer Schwungmasse gespeichert. Im Bedarfsfall wird die gespeicherte kinetische Energie (Rotationsenergie) mit Hilfe des Generators wieder in elektrische Energie umgewandelt. Unter Ausnutzung der Umkehrung des elektromotorischen Prinzips bilden Elektromotor und Generator eine Einheit. Aufgrund der Reibungsverluste in den Lagerstellen, die beim Einsatz konventioneller Wälz- und Gleitlager auftreten, werden für die berührungsfreie Lagerung des Rotors Magnetlager eingesetzt.In flywheel energy storage systems, electrical energy is converted into kinetic energy in an electric motor/generator unit and stored in a flywheel. If necessary, the stored kinetic energy (rotational energy) is converted back into electrical energy with the help of the generator. By using the reversal of the electromotive principle, the electric motor and generator form a unit. Due to the friction losses in the bearing points that occur when using conventional roller and plain bearings, magnetic bearings are used for the contact-free bearing of the rotor.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, Schwungmasse-Energiespeicher in Gehäusen unterzubringen und diese zu evakuieren bzw. mit Edelgas zu beaufschlagen, um die bei hohen Drehzahlen der Rotoren und der Schwungmasse auftretende Reibung mit der Umgebungsluft zu verhindern und damit Verluste zu minimieren.Furthermore, it has proven advantageous to house flywheel energy storage units in housings and to evacuate these or to fill them with inert gas in order to prevent the friction with the ambient air that occurs at high speeds of the rotors and the flywheel and thus to minimize losses.
In der DE 197 12 814 A1 ist ein Schwungmasse-Energiespeicher beschrieben, der in einem Gehäuse untergebracht ist, wobei über eine Evakuierungsvorrichtung das Gehäuse evakuiert, der verminderte Druck in dem Gehäuse aufrechterhalten und verdampfende Flüssiggase, die zur Kühlung des Schwungmasse-Energiespeichers zum Einsatz kommen, abgezogen werden.
Nachteilig sind die Aufwendungen für die ständige Aufrechterhaltung des Vakuums. Da in dem evakuierten Gehäuse alle Teile des Schwungmasse-Energiespeichers untergebracht sind, ergeben sich durch die Gehäuseausführung bedingte mögliche Leckagestellen, an denen Luft in das Gehäuse eindringt, die abgeführt werden muß.DE 197 12 814 A1 describes a flywheel energy storage device which is housed in a housing, wherein the housing is evacuated via an evacuation device, the reduced pressure in the housing is maintained and evaporating liquid gases which are used to cool the flywheel energy storage device are removed.
The disadvantage is the expense of constantly maintaining the vacuum. Since all parts of the flywheel energy storage device are housed in the evacuated housing, the housing design results in possible leakage points where air penetrates into the housing and must be removed.
Dies ist z. B. der Fall, wenn die Magnetlager als aktive Lager ausgeführt sind. Die Verkabelung der dazu notwendigen Meß- und Regeltechnik muß durch die Gehäusewandung geführt werden. Diese Durchführungsstellen sind eine Quelle für Lufteinbrüche. Durch die Unterbringung der Lager der Schwungmasse-Energiespeicher im Vakuumraum muß der Vakuumraum auch verhältnismäßig groß ausgeführt werden.This is the case, for example, when the magnetic bearings are designed as active bearings. The cabling for the measurement and control technology required for this must be routed through the housing wall. These feedthroughs are a source of air ingress. Because the bearings of the flywheel energy storage devices are housed in the vacuum space, the vacuum space must also be relatively large.
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-2--2-
Die dadurch gesteigerte Leistung der Absaugevorrichtung wirkt sich negativ auf die Energieeffizienz des gesamten Schwungmasse-Energiespeichers aus.The resulting increase in the performance of the extraction device has a negative impact on the energy efficiency of the entire flywheel energy storage system.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz des Schwungmasse-Energiespeichers zu erhöhen und den Schwungmasse-Energiespeicher für breite Anwendungsfälle nutzbar zu machen.The invention is based on the object of increasing the efficiency of the flywheel energy storage device and making the flywheel energy storage device usable for a wide range of applications.
Dies wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß ein Gehäuse vorgesehen ist, welches einen gasdichten Raum begrenzt, in dem der Rotor mit der Schwungmasse, dem Läufer des Elektromotor/Generators und den Läufern der Radialmagnetlager angeordnet ist, wobei zwischen der Gehäusewand des gasdichten Raumes und dem Rotor mit der darauf befestigten Schwungmasse, dem Läufer des Elektromotor/Generators und den Läufern der Radialmagnetlager ein definierter Spalt ausgebildet ist undThis is achieved in that, according to the invention, a housing is provided which delimits a gas-tight space in which the rotor with the flywheel, the rotor of the electric motor/generator and the rotors of the radial magnetic bearings are arranged, wherein a defined gap is formed between the housing wall of the gas-tight space and the rotor with the flywheel attached thereto, the rotor of the electric motor/generator and the rotors of the radial magnetic bearings and
daß der Stator des Axialmagnetlagers und die Statoren der Radialmagnetlager sowie der Stator des Elektromotor/Generators außerhalb des gasdichten Raumes entsprechend um den Rotor angeordnet sind.that the stator of the axial magnetic bearing and the stators of the radial magnetic bearings as well as the stator of the electric motor/generator are arranged around the rotor outside the gas-tight space.
Vorteilhafterweise ist der gasdichte Raum nach der Einbringung des Rotors mit der Schwungmasse, dem Läufer des Elektromotor/Generators und den Läufern der Radiallager evakuiert und hermetisch verschlossen, so daß während des Betriebes des Schwungmasse-Energiespeichers keine Vorrichtungen zur Aufrechterhaltung des Vakuums erforderlich sind. Es ist aber auch möglich, den gasdichten Raum nach der Einbringung des Rotors mit der Schwungmasse, dem Läufer des Elektromotor/Generators und den Läufern der Radiallager mit Edelgas zu füllen und hermetisch zu verschließen.Advantageously, the gas-tight space is evacuated and hermetically sealed after the rotor with the flywheel, the rotor of the electric motor/generator and the rotors of the radial bearings have been introduced, so that no devices for maintaining the vacuum are required during operation of the flywheel energy storage system. However, it is also possible to fill the gas-tight space with inert gas and seal it hermetically after the rotor with the flywheel, the rotor of the electric motor/generator and the rotors of the radial bearings have been introduced.
Weiterhin vorteilhaft ist das Axialmagnetlager an der Schwungmasse so angeordnet, daß Teile der Schwungmasse als Zugscheibe für das Axialmagnetlager dienen. Sensoren für die Aufnahme der Rotorposition sind außerhalb des gasdichten Raumes angeordnet, wobei sie als induktive Sensoren ausgeführt sind. Das Axialmagnetlager und die Radialmagnetlager sind als aktive oder passive Magnetlager oder als Kombination von beiden Arten der Magnetlager ausgebildet, wobei bei Ausbildung des Magnetlagers als passives Magnetlager die Permanentmagneten innerhalb des gasdichten Raumes angeordnet sind.Another advantage is that the axial magnetic bearing is arranged on the flywheel in such a way that parts of the flywheel serve as a tension disk for the axial magnetic bearing. Sensors for recording the rotor position are arranged outside the gas-tight space and are designed as inductive sensors. The axial magnetic bearing and the radial magnetic bearings are designed as active or passive magnetic bearings or as a combination of both types of magnetic bearings, whereby if the magnetic bearing is designed as a passive magnetic bearing, the permanent magnets are arranged inside the gas-tight space.
Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nachstehend näher erläutert werden. Die dazugehörige Zeichnung zeigt schematisch einen Schwungmasse-Energiespeicher mit aktiven Magnetlagern.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. The accompanying drawing shows a schematic of a flywheel energy storage device with active magnetic bearings.
Auf einem Rotor 3 sind die Schwungmasse 4, der Läufer 5 des Elektromotor/Generators und die Läufer 6; 61 der Radialmagnetlager drehfest angeordnet. Diese Komponenten des Schwungmasse-Energiespeichers befinden sich in dem gasdichten Raum 2. Dieser ist von einem Gehäuse 1 begrenzt, welches unter Bildung eines Spaltes 7 um den Rotor 3 mit den darauf befestigten Läufer 5 des Elektromotor/Generators, der Schwungmasse 4 und der Läufer 6; 6" der Radialmagnetlager angeordnet ist. Die Breite des Spaltes 7 ist abhängig vom Maximalwert des Wellenausschlages (VDI 2059).The flywheel 4, the rotor 5 of the electric motor/generator and the rotors 6; 6 " of the radial magnetic bearings are arranged in a rotationally fixed manner on a rotor 3. These components of the flywheel energy storage device are located in the gas-tight space 2. This is delimited by a housing 1, which is arranged around the rotor 3 with the rotor 5 of the electric motor/generator, the flywheel 4 and the rotors 6; 6" of the radial magnetic bearings attached to it, forming a gap 7. The width of the gap 7 depends on the maximum value of the shaft deflection (VDI 2059).
Nachdem der Rotor 3 mit der Schwungmasse 4, dem Läufer 5 des Elektromotor/Generators und den Läufern 6; 6' der Radialmagnetlager in den gasdichten Raum 2 eingebracht ist, wird das Gehäuse 1 evakuiert und hermetisch verschlossen. Somit ist ein ständiges Absaugen von Luft während des Betriebes des Schwungmasse-Energiespeichers nicht nötig.After the rotor 3 with the flywheel 4, the rotor 5 of the electric motor/generator and the rotors 6; 6' of the radial magnetic bearings have been introduced into the gas-tight chamber 2, the housing 1 is evacuated and hermetically sealed. This means that constant suction of air during operation of the flywheel energy storage device is not necessary.
Es ist auch möglich, anstelle des Evakuierens des gasdichten Raumes 2 diesen mit einem Edelgas zu füllen. Das ist z. B. dann vorteilhaft, wenn große Druckunterschiede zwischen dem gasdichten Raum 2 und der Umgebung vermieden werden sollen bzw., z. B. bei mobilen Anwendungen, mit variablen Umgebungsdruck zu rechnen ist.It is also possible to fill the gas-tight space 2 with a noble gas instead of evacuating it. This is advantageous, for example, if large pressure differences between the gas-tight space 2 and the environment are to be avoided or if, for example in mobile applications, variable ambient pressure is to be expected.
Zur Aufnahme von radialen Kräften sind an beiden Enden des Rotors 3 je ein aktives Radialmagnetlager, bestehend aus dem Läufer 6 bzw. 6' und dem Stator 9 bzw. 9', angeordnet. Die Statoren 9; 9' der Radialmagnetlager befinden sich dabei außerhalb des gasdichten Raumes.To absorb radial forces, an active radial magnetic bearing, consisting of the rotor 6 or 6' and the stator 9 or 9', is arranged at both ends of the rotor 3. The stators 9; 9' of the radial magnetic bearings are located outside the gas-tight space.
Zur Aufnahme von axialen Kräften ist ein Axialmagnetlager vorgesehen. Bei diesem aktiven Axialmagnetlager wird die Schwungmasse 4 als Zugscheibe für das Axialmagnetlager genutzt. Dazu sind ferromagnetische Ringscheiben 11 und 11' an die Schwungmasse angebracht. Der Stator 8 des Axialmagnetlagers ist beiderseits axial der Schwungmasse 4 außerhalb des gasdichten Raumes 2 angeordnet.An axial magnetic bearing is provided to absorb axial forces. In this active axial magnetic bearing, the flywheel mass 4 is used as a tension disk for the axial magnetic bearing. For this purpose, ferromagnetic ring disks 11 and 11' are attached to the flywheel mass. The stator 8 of the axial magnetic bearing is arranged axially on both sides of the flywheel mass 4 outside the gas-tight space 2.
Ebenfalls befindet sich der Stator 10 des Elektromotor/Generators außerhalb des gasdichten Raumes 2.The stator 10 of the electric motor/generator is also located outside the gas-tight chamber 2.
-A--A-
Es ist aber auch möglich, sowohl das Axialmagnetlager und die Radialmagnetlager als passive Magnetlager auszuführen. Auch eine Kombination von beiden, d. h, ein passives Axialmagnetlager mit aktiven Radialmagnetlagern oder ein aktives Axialmagnetlager mit passiven Radialmagenetlagern ist ausführbar. Dabei sind die jeweiligen Permanentmagneten bei der passiven Ausführung eines Magnetlager innerhalb des gasdichten Raumes 2 angeordnet, weil eine entsprechende Verkabelung nicht notwendig ist.However, it is also possible to design both the axial magnetic bearing and the radial magnetic bearing as passive magnetic bearings. A combination of both, i.e. a passive axial magnetic bearing with active radial magnetic bearings or an active axial magnetic bearing with passive radial magnetic bearings, is also possible. In the passive design of a magnetic bearing, the respective permanent magnets are arranged within the gas-tight space 2 because corresponding cabling is not necessary.
Die Energieübertragung auf den Schwungmasse-Energiespeicher sowie die Entnahme von Energie erfolgt über den Elektromotor/Generator. Bei in Betrieb befindlichem Schwungmasse-Energiespeicher, sowohl im Motor- als auch im Generatorbetrieb, wirken die Kräfte der Radialmagnetlager radial auf den Rotor 3 ein und halten ihn in dem gasdichten Raum 2 in der erforderlichen Position. Die Kräfte des Axialmagnetlagers wirken axial auf die als Zugscheibe genutzte Schwungmasse 4 ein und halten damit den Rotor 3 axial in der erforderlichen Position. Die Größe der Magnetkräfte wird von einer in der Figur nicht dargestellten Meß- und Regeleinrichtung in Abhängigkeit von der Rotorposition eingestellt. Sensoren für die Bestimmung der Rotorposition im Gehäuse 1 sind dabei außerhalb des gasdichten Raumes 2 angeordnet. Sie sind als induktive Sensoren ausgeführt.The energy is transferred to the flywheel energy storage device and the energy is extracted via the electric motor/generator. When the flywheel energy storage device is in operation, both in motor and generator mode, the forces of the radial magnetic bearings act radially on the rotor 3 and hold it in the required position in the gas-tight chamber 2. The forces of the axial magnetic bearing act axially on the flywheel 4 used as a tension disk and thus hold the rotor 3 axially in the required position. The size of the magnetic forces is set by a measuring and control device (not shown in the figure) depending on the rotor position. Sensors for determining the rotor position in the housing 1 are arranged outside the gas-tight chamber 2. They are designed as inductive sensors.
Mit dem erfindungsgemäßen Schwungmasse-Energiespeicher werden eine Anzahl von Vorteilen für den Betrieb des Schwungmasse-Energiespeichers erreicht. With the flywheel energy storage device according to the invention, a number of advantages are achieved for the operation of the flywheel energy storage device.
Durch die Anordnung der Statoren der Magnetlager, des Stators des Elektromotor/Generators und der Sensorik außerhalb des gasdichten Raumes sind keine Durchführungen für Verkabelungen durch das Gehäuse in den gasdichten Raum erforderlich. Dadurch werden Leckagen im gasdichten Raum vermieden und Vakuumpumpen zur Aufrechterhaltung des Vakuums sind während des Betriebes des Schwungmasse-Energiespeichers nicht erforderlich.
Weiterhin wird der gasdichte Raum durch die Anordnung der Statoren der Magnetlager, des Stators des Elektromotor/Generators und der Sensorik außerhalb des gasdichten Raumes verkleinert. Damit reduzieren sich die Aufwendüngen für die Herstellung des entsprechenden Gehäuses. Durch die Verringerung der Anzahl der im Gehäuse befindlichen Komponenten verringert sich die Wahrscheinlichkeit von Verunreinigungen.By arranging the stators of the magnetic bearings, the stator of the electric motor/generator and the sensors outside the gas-tight chamber, no feedthroughs for wiring through the housing into the gas-tight chamber are required. This prevents leaks in the gas-tight chamber and vacuum pumps to maintain the vacuum are not required during operation of the flywheel energy storage system.
Furthermore, the gas-tight space is reduced by arranging the stators of the magnetic bearings, the stator of the electric motor/generator and the sensors outside the gas-tight space. This reduces the costs for manufacturing the corresponding housing. By reducing the number of components in the housing, the likelihood of contamination is reduced.
-5--5-
Es verbessert sich dadurch weiterhin die Wärmeabfuhr und es besteht keine durch das Gehäuse bedingte räumliche bzw. energetische Begrenzung von Leistung und Größe der Magnetlager und der Motor/Generatoreinheit. Weiterhin sind durch die Anordnung der Statoren der Magnetlager, des Stators des Elektromotor/Generators und der Sensorik außerhalb des gasdichten Raumes diese Komponenten frei zugänglich. Dadurch werden Bau/Montage, Inbetriebnahme und Wartung eines derartigen Schwungmasse-Energiespeichers wesentlich vereinfacht.This further improves heat dissipation and there are no spatial or energy limitations on the performance and size of the magnetic bearings and the motor/generator unit caused by the housing. Furthermore, the arrangement of the stators of the magnetic bearings, the stator of the electric motor/generator and the sensors outside the gas-tight space means that these components are freely accessible. This significantly simplifies the construction/assembly, commissioning and maintenance of such a flywheel energy storage system.
Aufstellung der verwendeten BezugszeichenList of reference symbols used
1 Gehäuse1 housing
2 gasdichter Raum 3 Rotor2 gas-tight chamber 3 rotor
4 Schwungmasse4 Flywheel
5 Läufer des Elektromotor/Generators5 Rotor of the electric motor/generator
6 Läufer der Radialmagnetlager 6' Läufer der Radialmagnetlager6 Rotors of the radial magnetic bearings 6' Rotors of the radial magnetic bearings
7 Spalt7 gap
8 Stator des Axialmagnetlagers8 Stator of the axial magnetic bearing
9 Stator des Radialmagnetlagers 9' Stator des Radialmagnetlagers9 Stator of the radial magnetic bearing 9' Stator of the radial magnetic bearing
10 Stator des Elektromotor/Generators 11 Ringscheibe 11' Ringscheibe10 Stator of the electric motor/generator 11 Ring disc 11' Ring disc
Claims (6)
daß ein Gehäuse (1) vorgesehen ist, welches einen gasdichten Raum (2) begrenzt, in dem der Rotor (3) mit der Schwungmasse (4), dem Läufer (5) des Elektromotor/Generators und den Läufern (6; 6') der Radialmagnetlager angeordnet ist, wobei zwischen der Gehäusewand des gasdichten Raumes (2) und dem Rotor (3) mit der Schwungmasse (4), dem Läufer (5) des Elektromotor/Generators und den Läufern (6; 6') der Radialmagnetlager ein definierter Spalt (7) ausgebildet ist und
daß der Stator (8) des Axialmagnetlagers und die Statoren (9; 9') der Radialmagnetlager sowie der Stator (10) des Elektromotor/Generators außerhalb des gasdichten Raumes (2) entsprechend um den Rotor (3) angeordnet sind. 1. Flywheel energy storage device with an electric motor/generator, on whose rotor the flywheel is arranged in a rotationally fixed manner and the rotor is mounted with an axial magnetic bearing and at least one radial magnetic bearing, characterized by
that a housing ( 1 ) is provided which delimits a gas-tight space ( 2 ) in which the rotor ( 3 ) with the flywheel ( 4 ), the rotor ( 5 ) of the electric motor/generator and the rotors ( 6 ; 6 ') of the radial magnetic bearings are arranged, wherein a defined gap ( 7 ) is formed between the housing wall of the gas-tight space ( 2 ) and the rotor ( 3 ) with the flywheel ( 4 ), the rotor ( 5 ) of the electric motor/generator and the rotors ( 6 ; 6 ' ) of the radial magnetic bearings and
that the stator ( 8 ) of the axial magnetic bearing and the stators ( 9 ; 9 ') of the radial magnetic bearings as well as the stator ( 10 ) of the electric motor/generator are arranged outside the gas-tight space ( 2 ) accordingly around the rotor ( 3 ).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE29923359U DE29923359U1 (en) | 1999-02-12 | 1999-02-12 | Flywheel - energy storage with an electric motor / generator |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19907459 | 1999-02-12 | ||
| DE29923359U DE29923359U1 (en) | 1999-02-12 | 1999-02-12 | Flywheel - energy storage with an electric motor / generator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE29923359U1 true DE29923359U1 (en) | 2000-08-03 |
Family
ID=26051974
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE29923359U Expired - Lifetime DE29923359U1 (en) | 1999-02-12 | 1999-02-12 | Flywheel - energy storage with an electric motor / generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE29923359U1 (en) |
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Legal Events
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