Die Erfindung betrifft eine Doppelmotoreinheit für einen Schwungmassenspei cher mit zumindest zwei an einen gemeinsamen Rotationskörper gekoppelten elektrischen Maschinen, welche jeweils voneinander verschiedene Leistungs kennlinien haben.

Im Rahmen dieser Anmeldung kann als elektrische Maschine dabei nur die elektrische Maschine an sich, das heißt Rotor, Stator mit Wicklungen und den unmittelbar zugehörigen mechanischen Komponenten verstanden werden, o- der aber auch Rotor, Stator mit Wicklungen nebst besagten zugehörige mecha nische Komponenten zuzüglich Frequenzumwandler, Steuereinheit und gege benenfalls weiteren für das Funktionieren der elektrischen Maschine erforder- liehen Komponenten.

Typischerweise weisen elektrische Maschinen mit einer Leistung P ein über der Drehzahl w annähernd konstantes Drehmoment M auf, woraus eine lineare Ab hängigkeit der Leistung P von der Drehzahl w resultiert, so dass der Zusammen- hang P = M * w gilt. In vielen Anwendungen und auch beim Einsatz von elektri schen Maschinen in Schwungmassenspeichern wird nun im laufenden Betrieb, das heißt in einem Arbeitsbereich der Anwendung, eine konstante Leistung Pi _m gefordert. Gleichzeitig soll das als Arbeitsbereich nutzbare Drehzahlband, ein Betriebs-Drehzahlbereich W, möglichst breit sein, die Konstante Leistung also über einen möglichst großen Betriebs-Drehzahlbereich abrufbar sein.

Als Folge muss die elektrische Maschine deshalb ein Moment bzw. eine Mo

5 ment-Charakteristik aufweisen, welche die in der jeweiligen Anwendung gefor derte konstante Leistung Pi _m im laufenden Betrieb bereits bei einer minimalen Drehzahl cö _min ermöglicht. Als Folge ist die elektrische Maschine dann bei Er bringung der konstanten Leistung Pi _m höheren Drehzahlen, beispielsweise bei einer maximalen Drehzahl cö max, stark überdimensioniert, und die bei höheren

10 Drehzahlen maximal mögliche Leistung wird im Betrieb, in welchem ja nur eine konstante Leistung im Arbeitsbereich gefordert ist, nicht genutzt. Daher sind die elektrische Maschine und weitere Komponenten wie Wechselrichter oder Frequenzumwandler, Kabel und dergleichen überdimensioniert.

15 Bisher sind verschiedene Möglichkeiten zum Umgang mit der beschriebenen Problematik bekannt. So kann beispielsweise -wie bereits angedeutet- in höhe ren Drehzahlbereichen des Betriebsdrehzahlbereichs der Strom für die elektri sche Maschine begrenzt werden. Dies hat die Folge, dass die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine und des Umrichters nicht voll ausgenutzt wird, und

20 entsprechend für das Erzielen der gewünschten Betriebsleistung im unteren Bereich des Betriebsdrehzahlbereiches eine Überdimensionierung der jeweili gen Komponenten wie dem Frequenzumwandler/Umrichter erforderlich ist.

Eine weitere Möglichkeit ist der Betrieb der elektrischen Maschine in Feld

25 schwächung. Durch die Schwächung des Feldes in der elektrischen Maschine kann eine annähernd konstante Leistungskennlinie erreicht werden, allerdings resultieren hohe Schaltverluste im Umrichter, welche gerade im Leerlauf bei hohen Drehzahlen kritisch sein können. Gerade ein Leerlauf bei hohen Dreh zahlen tritt aber im Betrieb von Schwungmassenspeichern häufig auf.

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Eine andere Möglichkeit ist die Auslegung der elektrischen Maschine auf eine konstante Leistung durch spezifische topologische Effekte. So kann in speziellen Anwendungsfällen beispielsweise durch die Ausnutzung einer konstruktiv be dingten Aufweitung des Rotorluftspalts bei hohen Drehzahlen und spezieller

35 Maschinentopologien wie der synchronen Reluktanz, eine annähernd kon stante Leistungscharakteristik erreicht werden. Der Nachteil dieses Ansatzes ist das äußerst komplexe Zusammenwirken einer Vielzahl unterschiedlicher Sys temkomponenten, welches schwer zu beherrschen ist. Entsprechend ist dieser Ansatz auf wenige sehr spezielle Anwendungen begrenzt.

Aus dem Automobilbereich, beispielsweise der DE 102011 11785S Al und der DE 101 604 81 Al sind Ansätze bekannt, diese Problematik mit zwei elektri schen Maschinen im Antriebsstrang zu lösen, welche über ein Getriebe je nach Betriebspunkt des Antriebs geschaltet werden.

Was die Verbindung von zwei elektrischen Maschinen in einem Gerät anbe langt, so ist derlei dem Grunde nach auch aus dem Maschinenbau bekannt: Bei spielsweise kann eine fremderregte Gleichstrommaschine mit einer zusätzli chen Erregermaschine oder Erregerwicklung ausgestattet sein. Bei netzgekop pelten Synchronmaschinen ist auch die Verwendung einer zweiten elektrischen Maschine auf der gleichen Welle zum Hochfahren der Synchronmaschine be kannt. Hier bringt die zweite elektrische Maschine nur eine Anlaufleistung, wel che im Vergleich zur Betriebsleistung im laufenden Betrieb vernachlässigbar ist. Es ist auch die Verwendung von zwei elektrischen Maschinen auf einer Welle bekannt, in welcher eine der Maschinen als Antrieb und die andere elektrische Maschine als Generator ausgelegt ist, um so eine effiziente Funktionsteilung zu realisieren.

Im Bereich der Schwungmassenspeicher, welche der Speicherung elektrischer Energie durch eine rotierende Schwungmasse dienen, gibt es viele begren zende Rahmenbedingungen hinsichtlich derabführbaren Kühlleistung, des Bau raums, der Führung der Leistungskabel und vielerlei mehr, welche die Nutzung der beschriebenen Verfahren begrenzen oder auch ausschließen. Solche Schwungmassenspeicher können beispielsweise zur Stabilisierung einer Ver sorgungsnetzspannung dienen. Dabei kann elektrische Energie in veränderba ren Beträgen (dynamisch) über mindestens mehrere Sekunden hinweg gespei chert und abgerufen. Typischerweise haben sie dann eine Speicherkapazität von mehr als 0,03kWh. Dabei können einzeln verbaubare Unter-Speicherein heiten mit Einzel-Speicherkapazitäten im Bereich von beispielsweise 0,5 kWh bis 200 kWh je Unter-Speichereinheit Teil der Speichereinheit sein. Entspre chend sind Schwungmassenspeicher im Rahmen dieser Offenbarung im Allge meinen stationäre Schwungmassenspeicher, die am gleichen Ort geladen und entladen werden (ohne dazwischen bewegt zu werden). Derartige Schwung massenspeicher können beispielsweise zum Stabilisieren eines elektrischen Versorgungsnetzes eingesetzt werden oder zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie, welche in Folge mit -bevorzugt mit großer Stromstärke- an einen Verbraucher bereitgestellt werden kann, beispielsweise ein Elektro fahrzeug.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, bekannte Schwungmassen speicher dahingehend zu verbessern, dass sie in einem möglichst großen Be triebs-Drehzahlbereich mit verbesserter Effizienz eine konstante Leistung auf nehmen und abgeben können.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Pa tentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.

Ein Aspekt betrifft eine Doppelmotoreinheit für einen Schwungmassenspei cher, mit zumindest zwei an einen gemeinsamen Rotationskörper gekoppelten elektrischen Maschinen. Die Schwungmasse des Schwungmassenspeichers kann dabei Teil des Rotationskörpers sein, oder der Rotationskörper kann auch die Schwungmasse sein oder ein Teil der Schwungmasse. Der Rotationskörper kann auch eine Antriebswelle, insbesondere eine Hohlwelle sein oder umfas sen. Der Rotationskörper ist bevorzugt für einen Betrieb in einem evakuierten Raum ausgebildet und weißt beispielsweise Komponenten einer Magnetlager vorrichtung auf. Die elektrischen Maschinen können innenliegende elektrische Maschinen („Außenläufer") oder außenliegende elektrische Maschinen („In nenläufer") sein. Im Fall von Außenläufer ist eine als Hohlwelle ausgeführte An triebswelle, welche dann mit dem Rotor der elektrischen Maschine gekoppelt ist, besonders vorteilhaft. Die elektrischen Maschinen weisen jeweils einen Sta tor und einen zugehörigen, an den Rotationskörper gekoppelten Rotor auf. Da bei können die elektrischen Maschinen auch einen gemeinsamen Stator und/o der gemeinsamen Rotor aufweisen, was die Zahl der erforderlichen Bauteile reduziert. Dies kann beispielsweise mittels spezieller Wickelschemata für Stator und/oder Rotor realisiert werden. Die jeweiligen einzelnen Rotoren der elektri schen Maschinen bzw. der gemeinsame Rotor können in den Rotationskörper integriert sein, insbesondere also in axialer Richtung überlappend miteinander und/oder mit dem Rotationskörper auf der Antriebswelle angeordnet sein. Durch die Kopplung über den gemeinsamen Rotationskörper sind die Drehzah len der elektrischen Maschine (und des gemeinsamen Rotationskörpers) in je dem Betriebspunkt der Doppelmotoreinheit, welcher im Folgenden zur Unter scheidung gegenüber den Einzelbetriebspunkten der jeweiligen elektrischen Maschinen als Gesamt-Betriebspunkt bezeichnet wird, linear voneinander ab hängig, insbesondere gleich. Entsprechend können die verschiedenen elektri schen Maschinen, wie unten noch ausgeführt, auf der gleichen (Antriebs-) Welle angeordnet sein bzw. sitzen. Bevorzugt sind die verschiedenen elektri schen Maschinen dabei bei bestimmungsgemäßem Gebrauch mechanisch nicht voneinander entkoppelbar, zwischen den verschiedenen elektrischen Maschi nen ist dann keine Kupplung oder dergleichen vorhanden.

Dabei haben die elektrischen Maschinen jeweils voneinander verschiedene Leistungskennlinien, welche die maximale Leistung P der jeweiligen elektri schen Maschine in Abhängigkeit der Drehzahl w beschreiben. Die Leistungs kennlinien können daher auch als drehzahlabhängige Leistungskennlinien be zeichnet werden. Die Leistungskennlinien geben also die jeweilige bei einem maximalen Strom der elektrischen Maschine erreichbare maximale Leistung, die Maximalleistung, für eine bestimmte Drehzahl an. Die Leistungskennlinien entsprechen dabei nach den bekannten Zusammenhängen jeweiligen Momen- ten-Charakteristiken der elektrischen Maschinen, so dass die elektrischen Ma schinen auch voneinander verschiedene Momenten-Charakteristiken haben. Die verschiedenen Leistungskennlinien resultieren dabei aus der spezifischen Ausgestaltung von Stator und/oder Rotor der jeweiligen elektrischen Maschi nen, also der Hardware der elektrischen Maschinen, sowie aus einem jeweili gen Steuerschema, mit welchem die entsprechende elektrische Maschine be trieben wird. Derartige Steuerschemata können beispielsweise auf einer Steu ereinheit, welche zur elektrischen Maschine gehörig ist, in Form von Software hinterlegt sein.

Entsprechend können die verschiedenen Leistungskennlinien der elektrischen Maschinen beispielsweise hardwareseitig durch gewählte Topologie der elektrischen Maschine und auch softwareseitig durch eine Steuereinheit der Doppelmotoreinheit vorgegeben sein. Die konstruktive Auslegung („Hard ware") kann beispielsweise dazu führen, dass eine elektrische Maschine eine linear mit der Drehzahl bis zur Maximaldrehzahl steigende Leistung hat oder aber bei einer vorgegebenen Grenzdrehzahl, beispielsweise bei der halben Ma ximaldrehzahl, in Feldschwäche geht.

Der durch die Software vorgegebene Anteil der verschiedenen Leistungskenn linien kann entsprechend insbesondere auch veränderlich vorgegeben sein. Beispielsweise kann so eine Grenzdrehzahl co _f , unterhalb derer die entspre chende elektrische Maschine nicht in Feldschwächung betrieben wird und oberhalb derer die elektrische Maschine in Feldschwäche betrieben wird, durch die Steuereinheit (innerhalb von durch die konstruktionsbedingt für die elekt rische Maschine gegebenen Grenzen) verschoben werden. In einer derartigen Steuereinheit kann auch, beispielsweise in Form einer Tabelle oder eines Mo dells, hinterlegt sein, welche der elektrischen Maschinen der Doppelmotorein heit bei welcher Leistung bei einer gegebenen Drehzahl welche Effizienz oder welche Verluste hat.

Die Doppelmotoreinheit ist dabei ausgebildet, in einem vorgegebenen Be triebs-Drehzahlbereich, das heißt in einem laufenden Betrieb, welcher durch den Betriebs-Drehzahlbereich charakterisiert ist, durch ein Zusammenspiel der (bevorzugt unterschiedlichen) elektrischen Maschinen eine einstellbare Ge samt-Betriebsleistung zu erbringen. Dabei kann unter „einstellbar" im Rahmen der beschriebenen Doppelmotoreinheit auch „regelbar" oder „steuerbar" zu verstehen sein. Der laufende Betrieb der Doppelmotoreinheit unterscheidet sich dabei von einem Anlaufbetrieb der Doppelmotoreinheit, im laufenden Be trieb erfüllt die Doppelmotoreinheit und der zugeordnete Schwungmassen speicher ihren bzw. seinen bestimmungsgemäßen Nutzen. Entsprechend ist der Betriebs-Drehzahlbereich der Drehzahlbereich, bei welchem die Doppelmo toreinheit den in bestimmungsgemäßem Gebrauch vorgesehenen Nutzen er zielt. Folglich können die unterschiedlichen elektrischen Maschinen als soge nannte „geregelte" elektrische Maschinen bezeichnet werden.

Das Zusammenspiel der elektrischen Maschinen entspricht dabei einem ge meinsamen Wirken der elektrischen Maschinen auf den Rotationskörper, wel ches in zumindest einem Gesamt-Betriebspunkt der Doppelmotoreinheit reali siert wird. Das Zusammenspiel der elektrischen Maschinen erfolgt also über ei nen Teil oder mehrere Teile des Betriebs-Drehzahlbereiches oder durchgängig über den gesamten Betriebs-Drehzahlbereich hinweg.

Dabei ist die Gesamt-Betriebsleistung durch eine aus den verschiedenen Leis tungskennlinien der elektrischen Maschinen resultierende Gesamt-Leistungs kennlinie vorgegeben, und die Gesamt-Leistungskennlinie ist nichtlinear von ei ner Drehzahl des gemeinsamen Rotationskörpers abhängig. Verkürzt kann die nichtlinear von der Drehzahl des gemeinsamen Rotationskörpers abhängige Gesamt-Leistungskennlinie als „nichtlineare Gesamt-Leistungskennlinie" be zeichnet werden. Entsprechend ergibt sich die Gesamt-Betriebsleistung in ei nem Gesamt-Betriebspunkt der Doppelmotoreinheit aus der Summe der Leis tungen in den jeweiligen Betriebspunkten der elektrischen Maschinen. Be triebspunkte können für die elektrischen Maschinen beispielsweise durch Drehzahl und Leistung der elektrischen Maschine bestimmt sein, gegebenen falls auch durch weitere Betriebsparameter wie beispielsweise einen topolo giespezifischen Parameter und/oder einen eine Feldschwäche der jeweiligen elektrischen Maschine beschreibenden Parameter.

Bevorzugt sind dabei die, das heißt sämtliche elektrischen Maschinen der Dop pelmotoreinheit derart ausgelegt, dass sie stets in gleicher Funktion betrieben werden, das heißt entweder sämtlich als Antrieb für den Rotationskörper oder sämtlich als Generator an dem Rotationskörper. In vorteilhafter Weise sitzen auch erster und zweiter Rotor auf dem gemeinsamen Rotationskörper, insbe sondere der gemeinsamen (Hohl-) Antriebswelle.

Die Kopplung von zwei elektrischen Maschinen auf einem gemeinsamen Rota tionskörper (insbesondere einer Welle) hat den Vorteil, dass der zur Verfügung stehende Bauraum besser ausgenutzt werden kann, und auch Kühlkapazität und Platz für die elektrischen Leistungskabel besser ausgenutzt wird. Die Ver wendung von zwei elektrischen Maschinen mit voneinander verschiedenen Leistungskennlinien bzw. unterschiedlichen Momenten-Charakteristiken er möglicht, die nichtlineare Gesamt-Leistungskennlinie. Dadurch kann eine Be grenzung des Stroms in höheren Drehzahlbereichen des Betriebsdrehzahlberei ches vermindert oder ganz vermieden werden. So können Frequenzumrichter und leistungsführende Komponenten wie Kabel, Stecker und Durchführungen im Betriebs-Drehzahlbereich durchgängig nahe der jeweiligen Auslegungs grenze betrieben werden, was wiederum elektrische Verluste und erforderliche Bauraum- und Kühlkapazität verringert. Da die einzelnen elektrischen Maschi nen auch einzeln gesteuert werden können, wird hier über einen weiten Dreh zahlbereich eine große Flexibilität erreicht.

Wechsel- oder Frequenzumrichter der beiden elektrischen Maschinen sind vor teilhafterweise explizit auf die Betriebsweise der jeweils betriebenen Maschine abgestimmt, was zu einer hohen Ausnutzung der Leistungskomponenten führt. Die unterschiedlichen elektrischen Maschinen haben also bevorzugt unter schiedliche Wechselrichter, die Wechselrichter sind dann explizit auf Betriebs weise^) und Topologie der jeweils betriebenen Maschine angepasst.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Unterschied der jeweiligen durch die elektrischen Maschinen (bei zumindest einer, für beide Maschinen gleichen Drehzahl) erbringbaren Maximalleistungen weniger als 70 %, insbesondere weniger als 50 %, bevorzugt weniger als 10 % der Maximalleis tung der (bei der jeweiligen Drehzahl) stärkeren oder stärksten elektrischen Maschine beträgt. Dabei können bei unterschiedlichen Drehzahlen unter schiedliche elektrische Maschinen die jeweils stärkere oder stärkste elektrische Maschine sein. Beispielsweise kann also eine elektrische Maschine (A) bei einer Drehzahl (1) stärker sein als eine andere elektrische Maschine (B), bei weiteren Drehzahl (2) beide elektrischen Maschinen gleich stark und bei einer wiederum anderen Drehzahl (3) die andere elektrische Maschine (B) stärker als die eine elektrische Maschine (A). Die oben im Absatz quantifizierten Verhältnisse der Maximalleistungen gelten bevorzugt für zumindestens eine Drehzahl (also eine oder mehrere Drehzahlen) des Betriebsdrehzahlbereichs, besonders bevorzugt im gesamten Betriebsdrehzahlbereich. Alternativ kann dies auch für sämtliche Drehzahlen der Doppelmotoreinheit und damit der elektrischen Maschinen gelten. Bevorzugt liegen also die Maximalleistungen der unterschiedlichen elektrischen Maschinen in der gleichen Größenordnung.

Das hat den Vorteil, dass eine besonders große Flexibilität bei dem Zusammen spiel der elektrischen Maschinen erreicht wird, da im Gegensatz zu beispiels weise Lösungen, in welchen eine zweite elektrische Maschine nur eine Anlauf leistung erbringt und daher nicht wesentlich zur Betriebsleistung beitragen kann, vorliegend eine gewünschte Gesamt-Betriebsleistung mit großer Variabi lität in der Beteiligung der unterschiedlichen elektrischen Maschinen erreicht werden kann. Beispielsweise kann so die elektrische Maschine, die den Großteil einer gewünschten Gesamt-Betriebsleistung erbringen soll, frei gewählt wer den. So kann beispielsweise bei einer Gesamtbetriebsleistung von 90kW 50kW durch die erste elektrische Maschine und 40kW durch die zweite elektrische Maschine, jedoch bei einer Gesamtleistung von 110kW, 50kW durch die erste elektrische Maschine und 60kW durch die zweite elektrische Maschine er bracht werden - die Haupt-Leistung der Doppelmotoreinheit kann also durch unterschiedliche elektrische Maschinen erbracht werden, beispielsweise ent sprechend in der Steuereinheit hinterlegten Verlusten der elektrischen Maschi nen für verschiedene Kombinationen von Leistung und Drehzahl. Auch hier durch wird die Effizienz der Doppelmotoreinheit gesteigert.

Unter Erzielung der gleichen Vorteile kann auch vorgesehen sein, dass ein Un terschied des Wirkungsgrades der elektrischen Maschinen bei Erbringung der Betriebsleistung und damit bei zumindest einer gleichen Drehzahl weniger als 10 %, insbesondere weniger als 5 %, bevorzugt weniger als 2 % beträgt. Die hier quantifizierten Verhältnisse der Wirkungsgrade gelten bevorzugt für zumindes- tens eine Drehzahl (also eine oder mehrere Drehzahlen) des Betriebsdrehzahl bereichs, besonders bevorzugt im gesamten Betriebsdrehzahlbereich, oder auch für alle Drehzahlen. Vorteilhafterweise ist also der Wirkungsgrad der je weiligen elektrischen Maschinen bei Erbringung der Betriebsleistung in derglei chen Größenordnung. Auch hierin unterscheidet sich die beschriebene Doppel motoreinheit somit von den bekannten Anwendungen mit einer zweiten elektrischen Maschine als Anlaufhilfe für eine netzgekoppelte Synchronma schine.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Be triebs-Drehzahlbereich durch eine Minimaldrehzahl größer Null, beispielsweise 2000, 10000 oder 30000 Umdrehungen pro Minute, und eine Maximaldrehzahl größer als die Minimaldrehzahl vorgegeben ist. Der Betriebs-Drehzahlbereich umfasst dabei vorteilhafterweise mehr als 30 %, insbesondere mehr als 50 %, eines Gesamt-Drehzahlbereichs der Doppelmotoreinheit. Der Gesamt-Dreh zahlbereich der Doppelmotoreinheit kann dabei durch die Maximalleistung der Doppelmotoreinheit vorgegeben bzw. begrenzt sein. Das hat den Vorteil, dass die nichtlineare Gesamt-Leistungskennlinie bereits bei geringen Drehzahlen und über einen großen Arbeitsbereich, dem Betriebs-Drehzahlbereich, hinweg erreicht wird, und somit in diesem Bereich die Effizienz gesteigert ist.

In einer anderen, besonders vorteilhaften Ausführungsform, ist vorgesehen, dass die Doppelmotoreinheit ausgebildet ist, eine eingestellte Gesamt-Be triebsleistung durch jeweiliges individuelles Vorgeben eines jeweiligen Be triebspunktes für die elektrischen Maschinen, also jeweilige, voneinander un abhängige Leistungseinstellungen der elektrischen Maschinen, einzustellen. Dies gilt bei zumindest einer Drehzahl, also einer, mehreren, oder allen Dreh zahlen des Betriebs-Drehzahlbereiches. Das Einstellen des Betriebspunktes bei der zumindest einen Drehzahl des Betriebs-Drehzahlbereiches, bevorzugt ei nen Drehzahl-Unterbereich des Betriebs-Drehzahlbereiches, umfasst dabei ein Einstellen eines momentbestimmenden Stroms, welcher auch als q-Strom be zeichnet werden kann, und/oder eines feldbestimmenden Stroms, welcher als d-Strom bezeichnet werden kann. Insbesondere kann das Einstellen des Be triebspunktes bei der oder den genannten Drehzahlen auch ein Einstellen eines topologiespezifischen Parameters der elektrischen Maschine umfassen.

Damit kann beispielsweise über eine geeignete Wahl der jeweiligen Ströme nur eine der elektrischen Maschinen in Feldschwäche betrieben werden, oder auch zwei elektrische Maschinen zugleich in Feldschwäche betrieben werden, was dann entsprechend der Auslegung der elektrischen Maschinen zu der ge wünschten Gesamt-Betriebsleistung führen kann. Die unterschiedlichen elektrischen Maschinen können damit sowohl symmetrisch, also beispielsweise beide oder alle in Feldschwächung oder alle ohne Feldschwächung eingestellt werden, als auch unsymmetrisch, also beispielsweise eine elektrische Maschine ohne Feldschwächung und eine elektrische Maschine in Feldschwächung.

Dadurch kann die Doppelmotoreinheit weiter in der Effizienz gesteigert wer den, da je nach Betriebspunkt, also beispielsweise Drehzahl, eine elektrische Maschine effizienter als die andere betrieben werden kann und somit wie weiter unten noch beschrieben eine Gesamt-Effizienz optimiert werden kann. Dies ist beispielhaft in der folgenden Tabelle gezeigt:

In dem Beispiel wird eine Soll-Gesamt-Betriebsleistung von 162kW, was hier 90% der Maximalleistung der Doppelmotoreinheit entspricht, nicht wie üblich durch ein Erbringen von jeweils 90% der Maximalleistung der ersten und der zweiten Maschine als jeweilige Betriebsleistung eingestellt. Vielmehr wird, beispielsweise durch ein Einstellen der Betriebsleistung der ersten elektri schen Maschine auf 100% ihrer Maximalleistung und der zweiten Maschine auf 77,5% ihrer Maximalleistung dieselbe Soll-Gesamt-Betriebsleistung von 162kW erbracht, jedoch mit einem optimierten ungleichen Aufteilen der zu erbringenden Gesamt-Betriebsleistung auf die unterschiedlichen elektrischen Maschinen. Dies kann beispielsweise basierend auf einer in der Steuereinheit hinterlegten Tabelle erfolgen, welche für die jeweiligen Betriebspunkte die entsprechende Effizienz der einzelnen elektrischen Maschinen hinterlegt ist, so dass die Steuereinheit hier die Kombination individueller Betriebspunkte mit der maximalen Effizienz wählen kann.

Entsprechend kann hier vorgesehen sein, dass die Doppelmotoreinheit ausge bildet ist, die jeweiligen Betriebspunkte der unterschiedlichen elektrischen Ma schinen so einzustellen, dass die Summe der elektrischen Verluste in den elektrischen Maschinen bei der eingestellten oder angeforderten Gesamt-Be triebsleistung minimal ist. Dies gilt insbesondere bei zumindest einer Drehzahl, also einer, mehreren oder allen Drehzahlen des Betriebs-Drehzahlbereiches. Es wird hier also die Gesamt-Effizienz der Doppelmotoreinheit maximiert, indem die Effizienz bzw. die auftretenden Verluste der einzelnen elektrischen Maschi nen gegeneinander abgewogen wird bzw. werden. Damit kann beispielsweise für eine elektrische Maschine bewusst eine Verschlechterung der Effizienz in Kauf genommen werden, wenn diese durch eine Erhöhung der Effizienz ande ren elektrischen Maschine ausgeglichen wird. In dem oben genannten Beispiel kann sich also beispielsweise die Effizienz der zweiten Maschine bei einer Ver ringerung der zu erbringenden Betriebsleistung auf 77,5 % der Maximalleistung um einen kleineren ersten Betrag verringern, was jedoch durch ein Steigern der Effizienz der ersten elektrischen Maschine bei einem Steigern der zu erbringen den Leistung von 90% auf 100 % um einen größeren zweiten Betrag mehr als ausgeglichen würde. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrischen Maschinen zumindest eine permanent erregte Synchronmaschine und/oder zumindest eine Synchron-Reluktanzmaschine und/oder zumindest eine Asynchronmaschine umfassen, insbesondere zwei permanente erregte Synchronmaschinen oder eine permanent erregte Synchronmaschine in Kombination mit einer Synchron-Reluktanzmaschine oder eine permanent erregte Synchronmaschine in Kombination mit einer Asynchronmaschine oder eine Synchron-Reluktanzmaschine in Kombination mit einer asynchronen Maschine. Die elektrischen Maschinen können auch zwei Asynchronmaschinen oder zwei Synchron-Reluktanzmaschinen umfassen. Alternativ oder ergänzend können die elektrischen Maschinen auch eine oder mehrere elektrische Maschinen umfassen, welche nicht von den genannten Spezifikationen umfasst sind. Bevorzugt sind die elektrischen Maschinen dabei derart kombiniert, dass bei der Maximaldrehzahl des Betriebs-Drehzahlbereiches die geringst möglichen Schleppverluste auftreten. Die elektrischen Maschinen können also eine gleiche oder eine voneinander verschiedene Topologie aufweisen und damit entsprechend auf gleichen bzw. voneinander verschiedenen Funktionsprinzipien beruhen. Dabei haben sich die aufgezählten Möglichkeiten als besonders vorteilhaft im Bereich der Schwungmassenspeicher erwiesen.

In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Leis tungskennlinien der elektrischen Maschinen derart vorgegeben sind, insbeson dere auch mit einer entsprechende Software in einer Steuereinheit derart vor- gebbar oder modifizierbar vorgegeben sind, dass sich im Betriebs-Drehzahlbe reich gemäß der Gesamt-Leistungskennlinie eine im Wesentlichen konstante oder konstante Maximalleistung ergibt. Als im Wesentlichen konstant kann hier eine Leistung angesehen werden, welche im Betriebs-Drehzahlbereich um we niger als 35%, insbesondere weniger als 25%, bevorzugt weniger als 15 % von dem Maximalwert der Gesamt-Leistungskennlinie im Betriebs-Drehzahlbereich abweicht. Das hat den Vorteil, dass sich mittels der bekannten Werkzeuge der Auslegung von elektrischen Maschinen im Zusammenspiel der elektrischen Ma schinen insgesamt für die Doppelmotoreinheit eine mit minimierten Verlusten behaftete Doppelmotoreinheit bereitstellen lässt, welche in einem vorgegebe nen Anwendungsbereich eine weitgehend konstante Leistung erbringt. In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest eine, also eine, mehrere, oder alle elektrischen Maschinen derart ausgelegt sind, dass ihr Drehmoment in einem vorgegebenen Drehzahlbereich mit steigender Drehzahl monoton fällt. Insbesondere kann der vorgegebene Drehzahlbereich ein Teilbereich des Betriebs-Drehzahlbereich sein oder einen Teilbereich des Betriebs-Drehzahlbereiches umfassen. Dieser Teilbereich kann zumindest 30%, zumindest 60%, oder zumindest 90% des Betriebs- Drehzahlbereichs beinhalten. Der Teilbereich kann dabei an eine obere Grenze des Betriebs-Drehzahlbereiches anschließen oder die obere Grenze umfassen. Insbesondere kann das Drehmoment im Betriebs-Drehzahlbereich zwischen dem Teilbereich und der unteren Grenze des Betriebs-Drehzahlbereiches ein Maximum haben, ab dem es abfällt. Unterhalb des Maximums kann das Drehmoment mit der Drehzahl ansteigen. Alternativ kann der vorgegebene Drehzahlbereich auch den gesamten Betriebs-Drehzahlbereich beinhalten. Das hat den Vorteil, dass sich in der Gesamt-Leistungskennlinie über einen breiten Betriebsbereich annähernd ein Plateau und damit eine konstante Leistung erreichen lässt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumin dest eine elektrische Maschine derart ausgelegt ist, dass ihr Drehmoment mit steigender Drehzahl zumindest im Wesentlichen konstant oder konstant ist. Dies gilt insbesondere zumindest im Betriebs-Drehzahlbereich. Unter „im We sentlichen konstant" kann hier bis auf eine vorgegebene Abweichung, welche beispielsweise 35%, 25% oder 15% betragen kann, konstant verstanden wer den. Das hat den Vorteil, dass sich in der Gesamt-Leistungskennlinie über einen breiten Betriebsbereich annähernd ein Plateau und damit eine konstante Leis tung erreichen lässt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass gemäß der Gesamt-Leistungskennlinie die Maximalleistung der Doppelmotoreinheit bei einer Drehzahl erreicht wird, welche unter der Maximaldrehzahl des Be triebs-Drehzahlbereiches liegt. Bevorzugt kann die Maximalleistung der Dop pelmotoreinheit bei einer Drehzahl erreicht werden, welche um mehr als 10% oder mehr als 25% von der Maximaldrehzahl des Betriebs-Drehzahlbereiches abweicht. Das hat den Vorteil, dass sich für einen besonders großen Betriebs- Drehzahlbereich eine weitgehend konstante Maximalleistung der Doppelmo toreinheit ergibt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ma ximalleistung der Doppelmotoreinheit gemäß der Gesamt-Leistungskennlinie in dem Betriebs-Drehzahlbereich maximal um 35% von der Leistung der Dop pelmotoreinheit bei der Maximaldrehzahl des Betriebs-Drehzahlbereiches ab weicht, insbesondere maximal um 25% oder 15% abweicht. Der Betriebs-Dreh zahlbereich kann hier und auch allgemein derart vorgegeben sein, dass die Werte der Gesamt-Leistungskennlinie bei der Maximal- und der Minimal-dreh- zahl des Betriebs-Drehzahlbereiches identisch sind. Dies ist gerade in Zusam menwirkung mit der letztgenannten Ausführungsform vorteilhaft.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dop pelmotoreinheit zumindest eine, also eine oder mehrere, weitere an den ge meinsamen Rotationskörper gekoppelte elektrische Maschine aufweist, wobei alle elektrischen Maschinen voneinander verschiedene Leistungskennlinien ha ben. Bei Betrieb ist die Drehzahl aller elektrischen Maschinen somit stets linear voneinander abhängig, bevorzugt identisch. Die Doppelmotoreinheit ist dabei ausgebildet, in dem Betriebs-Drehzahlbereich durch ein Zusammenspiel aller elektrischen Maschinen die Gesamt-Betriebsleistung zu erbringen, welche durch eine aus den verschiedenen Leistungskennlinien aller entsprechenden elektrischen Maschinen resultierende Gesamt-Leistungskennlinie vorgegeben ist, wobei die Gesamt-Leistungskennlinie nichtlinear von der Drehzahl des ge meinsamen Rotationskörpers abhängig ist. Dies gilt in dem Betriebs-Drehzahl bereich in zumindest einem, also einem oder mehreren Betriebspunkten, be vorzugt über einen oder mehrere Bereiche des Betriebs-Drehzahlbereichs, ide alerweise über den gesamten Betriebs-Drehzahlbereich. Dabei kann das Zu sammenspiel auch qualitativ variieren, beispielsweise kann das Zusammenspiel aller elektrischen Maschinen in einem ersten Unterbereich des Betriebs-Dreh zahlbereiches ein Zusammenwirken der ersten beiden elektrischen Maschinen umfassen, in welchem die zumindest eine weitere elektrische Maschine keine Leistung beiträgt, und in einem weiteren, von dem ersten Unterbereich ver schiedenen Unterbereich des Betriebs-Drehzahlbereiches ein Zusammenwir ken von einer der beiden ersten elektrischen Maschinen mit der zumindest ei- nen weiteren elektrischen Maschine umfassen, wobei dann die andere der bei den ersten elektrischen Maschinen keine Leistung zur Gesamt-Betriebsleistung beiträgt. In einem von erstem und zweitem Unterbereich verschiedenen dritten Unterbereich können beispielsweise alle elektrischen Maschinen Zusammen wirken und in einem wiederum von den anderen Unterbereichen verschiede nen vierten Unterbereich nur eine einzige elektrische Maschine die gewünschte Gesamt-Betriebsleistung erbringen. Das hat den Vorteil, dass die Gesamt-Leis tungskennlinie genauer vorgegeben werden kann, beispielsweise eine stärkere oder schwächere Welligkeit gewählt werden kann, um die Doppelmotoreinheit an spezifische Anforderungen des jeweiligen Anwendungsgebietes anzupas sen.

Ein Aspekt betrifft auch einen Schwungmassenspeicher mit einer Doppelmo toreinheit nach einer der erläuterten Ausführungsformen. Bevorzugt weist der Schwungmassenspeicher einen bei bestimmungsgemäßem Gebrauch in einem evakuierten Raum angeordneten Rotationskörper auf. Der Rotationskörper kann mit einer Magnetlagervorrichtung gelagert sein.

Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Steuern (welches wie oben er läutert auch als Regeln verstanden werden kann) einer Doppelmotoreinheit in einem Schwungmassenspeicher, wobei die Doppelmotoreinheit einen an eine Schwungmasse des Schwungmassenspeichers mechanisch gekoppelten oder einen die Schwungmasse umfassenden gemeinsamen Rotationskörper mit zu mindest zwei an dem gemeinsamen Rotationskörper mechanisch gekoppelten elektrischen Maschinen aufweist und die elektrischen Maschinen jeweils von einander verschiedene Leistungskennlinien haben. Das Steuern umfasst ein Be treiben der elektrischen Maschinen im laufenden Betrieb der Doppelmotorein heit entsprechend jeweiliger individueller, also individuell vorgebbarer Leis tungsvorgaben derart, dass die elektrischen Maschinen im Zusammenspiel eine Gesamt-Betriebsleistung erbringen, welche durch eine aus den verschiedenen Leistungskennlinien der elektrischen Maschinen resultierende, nichtlinear von einer Drehzahl des gemeinsamen Rotationskörpers abhängige Gesamt-Leis tungskennlinie vorgegeben ist.

Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, die elektrischen Maschinen bei im Zusammenspiel derart zu betreiben, dass die Gesamt-Betriebsleistung mit ma ximaler Effizienz der elektrischen Maschinen erbracht wird. Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens entsprechen Vor teilen und vorteilhaften Ausführungsformen der beschriebenen Doppelmo toreinheit und umgekehrt.

Die vorstehend in der Beschreibung, auch dem allgemeinen Teil, genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.

Vorteilhafte Ausführungsformen werden dabei anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine beispielhafte Ausführungsform einer Doppelmotoreinheit für ei nen Schwungmassenspeicher;

Fig. 2 beispielhafte erste Momenten-Charakteristiken einzelner elektrischer Maschinen inklusive der resultierenden Gesamt-Leistungskennlinie; und

Fig. 3 beispielhafte zweite Momenten-Charakteristiken einzelner elektri scher Maschinen inklusive der resultierenden Gesamtleistungskennli nie. In den unterschiedlichen Figuren sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Kom ponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine beispielhafte Doppelmotorein heit für einen Schwungmassenspeicher. Die Doppelmotoreinheit 1 weist dabei vorliegend zwei an einen gemeinsamen Rotationskörper 2 gekoppelte elektri sche Maschinen Sa, 3b auf. Die elektrischen Maschinen 3a, 3b weisen dabei jeweils einen Stator 4a, 4b sowie eine Rotor 5a, 5b auf, welche sich im Betrieb um die gemeinsame Rotationsachse A drehen. Dabei sind die elektrischen Ma schinen 3a, 3b vorliegend mit ihren außenliegenden Rotoren 5a, 5b an den ge meinsamen Rotationskörper 2 gekoppelt, so dass die Drehzahl der beiden elektrischen Maschinen 3a, 3b im Betrieb der Doppelmotoreinheit 1 stets iden tisch ist.

Wie beispielsweise anhand der folgenden Figuren erläutert, weisen die elektri schen Maschinen 3a, 3b dabei jeweils voneinander verschiedene Leistungs kennlinien Pa, Pb auf. Überdies ist die Doppelmotoreinheit 1 ausgebildet in ei nem Betriebs-Drehzahlbereich W durch ein Zusammenspiel der elektrischen Maschinen 3a, 3b eine Gesamt-Betriebsleistung zu erbringen, welche durch eine aus den verschiedenen Leistungskennlinien Pa, Pb der elektrischen Ma schinen 3a, 3b resultierende Gesamt-Leistungskennlinie P _max vorgegeben ist und die Gesamtleistungslinie P _ma x nicht linear von der Drehzahl w des gemein samen Rotationskörpers 2 abhängig ist.

In Fig. 2 sind nun zunächst links zwei beispielhafte Momenten-Charakteristiken Ma, Mb für zwei unterschiedliche elektrische Maschinen in ihrer Abhängigkeit über der Drehzahl w des gemeinsamen Rotationskörpers dargestellt. Das Mo ment Ma der ersten elektrischen Maschine 3a ist dabei konstant über der Dreh zahl co, was zu einer linear mit der Drehzahl w steigenden Leistung P und damit zu einer linearen Leistungskennlinie Pa führt. Die zweite elektrische Maschine 3b ist dabei vorliegend durch die Momenten-Charakteristik Mb charakterisiert, welche unterhalb einerGrenzdrehzahl co _f ebenfalls konstant ist, darüber jedoch durch eine Feldschwächung stark, beispielsweise exponentiell mit steigender Drehzahl w abfällt. Die hieraus resultierende Leistungskennlinie Pb ist ebenfalls in Fig. 2 dargestellt. Entsprechend steigt die Leistung P der zweiten elektrischen Maschine Bb der Leistungskennlinie Pb folgend bis zur Grenzfrequenz co _f eben falls linear an und bleibt oberhalb der Grenzfrequenz co _f konstant.

Im Zusammenspiel der beiden elektrischen Maschinen 3a, 3b ergibt sich dann die rechts in Fig. 2 gezeigte Gesamtleistungskennlinie Pm _ax . Mit der Gesamt- Leistungskennlinie P _ma x wird für den Betriebs-Drehzahlbereich W, welcher von einer Minimaldrehzahl cö min, welche mit der Grenzdrehzahl cof identisch ist, bis zu einer Maximaldrehzahl cö _ma x reicht, eine lineare Betriebsleistung Pij _n erreicht. Dabei ist im gleichen Graphen zum Vergleich die Leistungskennlinie Pa der ers ten elektrischen Maschine 3a eingezeichnet, um zu zeigen, dass diese allein die gewünschte Betriebsleistung Pij _n nicht erbringen kann. Die Alternative einer stärkeren ersten elektrischen Maschine 3a, welche eine lineare Leistungskenn linie aufweist und bei der Drehzahl cö _min bereits die gewünschte Leistung Pij _n aufbringt, ist zur Anschauung durch die Leistungskennlinie P _a it eingezeichnet. Dabei wird deutlich, dass bei höheren Drehzahlen w des Betriebs-Drehzahlbe reichs W, beispielsweise bei cö _ma x der Strom in solch einer alternativen ersten elektrischen Maschine für einen linearen Leistungsverlauf sehr stark reduziert werden müsste, was große Verluste mit sich bringt. Durch die Kombination der beiden elektrischen Maschinen 3a, 3b und die somit erreichte Gesamt-Leis tungskennlinie P _ma x wird dieser Effekt deutlich reduziert, in vorliegendem Bei spiel ungefähr halbiert.

Eine alternative Ausgestaltung der beiden elektrischen Maschinen 3a, 3b ist beispielhaft in Fig. 3 dargestellt. Wieder sind dort die beiden Drehmomenten- Charakteristiken Ma, Mb der ersten bzw. zweiten elektrischen Maschine 3a, 3b über den Drehzahl w inklusive der daraus resultierenden Leistungskennlinien Pa, Pb dargestellt. Im nun gezeigten Beispiel verläuft zumindest eine, hier sogar beide Momenten-Charakteristiken Ma, Mb monoton fallend. Dabei fällt die erste Momenten-Charakteristik Ma linear mit der Drehzahl w, was zu einer Leis tungskennlinie Pa führt, welche zwar monoton mit zunehmender Drehzahl steigt, sich jedoch mit zunehmender Drehzahl w abflacht, das heißt weniger stark steigt wie dies beispielsweise durch eine logarithmische Funktion be schrieben wird. Die Momentencharakteristik Mb der zweiten elektrischen Ma schine 3b fällt bis zu einer Grenzfrequenz cj _f ebenfalls linear, fällt danach jedoch ähnlich dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel aufgrund einer Feldschwächung stark ab, so dass die resultierende Leistungskennlinie Pb nur bis zu einer bestimmten Frequenz w _r monoton steigt, oberhalb der Drehzahl w _r jedoch monoton fällt. Dabei ist die Drehzahl w _r hier größer als die Drehzahl Uf.

Ein Zusammenwirken der beiden elektrischen Maschinen ergibt nun die rechts in Fig. 3 gezeigte Gesamtleistungslinie Pm _ax . Wieder ist dabei zur Veranschauli chung auch die einzelne Leistungskennlinie Pa der ersten Maschine 3a einge zeichnet. Damit ergibt sich, dass die gewünschte lineare Betriebsleistung Pi _m mit der ersten elektrischen Maschine 3a alleine nicht effizient zu erreichen wäre. Dabei erreicht die Gesamtleistungskennlinie P _ma x bei einer Drehzahl up _eak ihren Maximalwert. Diese Drehzahl up _eak ist dabei vorliegend größer als die Drehzahl co _p , bei der die Leistungskennlinie Pb der zweiten elektrischen Ma schine 3b ihren Maximalwert erreicht. Insgesamt wird durch das Zusammen wirken der beiden elektrischen Maschinen 3a, 3b mit den jeweiligen Momen- ten-Charakteristiken Ma, Mb bzw. den Leistungskennlinien Pa, Pb so eine Ge samt-Leistungskennlinie P _ma x erreicht, welche in dem Betriebs-Drehzahlbereich W sehr flach verläuft und daher effizient für eine lineare Betriebsleistung in dem gesamten Betriebs-Drehzahlbereich W genutzt werden kann. Vorliegend ent spricht der Wert der Gesamt-Leistungskennlinie P _ma x für die Grenzen des Be triebs-Drehzahlbereichs W, _min und U _ma x, dem Wert der für Betriebs-Drehzahl bereich W gewünschten Betriebsleistung Pim. Dadurch wird erreicht, dass die Abweichung des Maximalwertes der Gesamtleistungskennlinie P _ma x bei der Drehzahl u _peak nur minimal von der gewünschten Betriebsleistung Pi _m abweicht. Die entsprechende Abweichung d kann beispielsweise weniger als 25% oder sogar weniger als 15% betragen. In dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel beträgt sie rund 10% der gewünschten Betriebsleistung Pim. Damit können auch die weite ren Komponenten optimal an die zu erbringende Betriebsleistung Pi _m angepasst werden, so dass auch Kühlleistung, elektrische Verluste und dergleichen opti miert werden, so dass insgesamt die Effizienz der Doppelmotoreinheit 1 und damit eines zugehörigen Schwungmassenspeichers optimiert wird.