Schwungrad Die Erfindung betrifft Schwungrad, insbesondere eine Lagerung einer Welle des Schwungrades.

Nach dem Stand der Technik werden Schwungräder als Energiespeicher genutzt. Hierbei wird die zu speichernde Energie in Form von Rotationsenergie mittels des Schwungrades bis zu ih ^¬ rer Verwendung im Bedarfsfall gespeichert.

Weiterhin können Schwungräder als sogenannte Schwungrad- Speicherkraftwerke, die einen Bedarfsausgleich zu den Strom- netzen bilden, verwendet werden. Typischerweise wird hierbei das Schwungrad mittels eines Elektromotors angetrieben und somit die elektrische Energie in Form von Rotationsenergie für Speicherzeiten, beispielsweise im Minutenbereich, vorgehalten. Bei einer Entnahme der gespeicherten Rotationsenergie wird über einen elektrischen Generator das Schwungrad abgebremst und die gespeicherte Rotationsenergie wieder in elekt ^¬ rische Energie gewandelt.

Typischerweise umfasst der Elektromotor einen Rotor und einen Stator. Da die Rotorachse und Statorachse des Elektromotors niemals vollständig konzentrisch zueinander ausgerichtet sind, ergibt sich stets ein gegenseitiger Versatz der beiden genannten Achsen. Die Größe dieses Versatzes wird als radiale Exzentrizität bezeichnet. Durch die radiale Exzentrizität wirken auf Lager des Schwungrades Lagerkräfte ein, welche die Lager des Schwungrades zusätzlich beanspruchen. Dadurch wird ein Verschleiß der Lager erhöht.

Weiterhin ist es von Vorteil eine möglichst geringe Anzahl von Lagern zu verwenden, da durch jedes weitere Lager Reibungsverluste erhöht werden. Reibungsverluste führen zu einer verringerten energetischen Effizienz, dass heißt zu einem geringeren Wirkungsgrad des Schwungrades. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, kräfte eines Schwungrades zu reduzieren. Die Aufgabe wird durch ein Schwungrad mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 12 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Das erfindungsgemäße Schwungrad umfasst eine Welle, ein für eine radiale Lagerung oder radiale Positionierung der Welle vorgesehenes erstes Radiallager, einen Rotor einer elektrischen Maschine und wenigstens eine Schwungradscheibe, wobei der Rotor und die Schwungradscheibe mit der Welle drehmoment ^¬ schlüssig gekoppelt sind. Erfindungsgemäß ist das erste Radi ^¬ allager axial zwischen dem Rotor und der Schwungradscheibe und axial beabstandet zu einem Schwerpunkt des Schwungrades angeordnet .

Insbesondere ist das erste Radiallager beabstandet zum Rotor und zur Schwungradscheibe angeordnet.

Generell schränken Radiallager den radialen und Axiallager den axialen Freiheitsgrad eines durch die genannten Lager gelagerten Bauteils, beispielsweise der Welle, ein.

Die relativen Begriffe radial und axial beziehen sich auf die Welle oder auf eine Rotationsachse der Welle.

Als Schwerpunkt des Schwungrades wird hierbei der durch alle mit der Welle drehmomentschlüssig oder drehfest verbundenen Bauteile des Schwungrades gebildete Massenmittelpunkt be ^¬ zeichnet .

Weiterhin wird als eine drehmomentschlüssige Kopplung eine Kopplung zweier Bauteile bezeichnet, die dazu ausgestaltet ist ein Drehmoment zwischen den zwei Bauteilen zu vermittelt oder zu übertragen. Hierbei können zwischen den drehmomentschlüssig gekoppelten Bauteilen weitere Komponenten, beispielsweise Kupplungen zur Drehmomentwandlung, vorgesehen sein .

Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Rotationsachse der Welle des erfindungsgemäßen Schwungrades im Wesentli ^¬ chen parallel zur am Ort des Schwungrades vorherrschenden Schwerkraft ausgerichtet.

Mit anderen Worten ist die Welle im Wesentlichen parallel zur am Ort des Schwungrades vorherrschenden Schwerkraft ausge ^¬ richtet. Dadurch erfolgt erfindungsgemäß eine vorteilhafte Reduzierung von Lagerkräften, dass heißt der Kräfte, welche auf Lager des Schwungrades, insbesondere auf das erste Radi ^¬ allager, einwirken.

Es ergeben sich zum bereits genannten erfindungsgemäßen

Schwungrad gleichartige und gleichwertige Vorteile des erfin ^¬ dungsgemäßen Verfahrens .

Die Reduzierung der Lagerkräfte, insbesondere in Bezug auf das erste Radiallager, wird deshalb ermöglicht, da das erste Radiallager oberhalb des Schwerpunktes und folglich

beabstandet zum Schwerpunkt angeordnet ist. Hierbei beziehen sich die relativen Bergriffe oben und unten beziehungsweise oberhalb und unterhalb auf die am Ort des Schwungrades vor ^¬ herrschende Schwerkraft.

Aus der erfindungsgemäßen axialen Beabstandung zum Schwerpunkt ergeben sich nur zwei mögliche Anordnungen des ersten Radiallagers. Das erste Radiallager kann oberhalb oder unter ^¬ halb des Schwerpunktes angeordnet sein, wobei die vorteilhaf ^¬ te Reduzierung der Lagerkräfte durch eine Anordnung oberhalb des Schwerpunktes bewirkt wird.

Weiterhin ist eine Anordnung der Schwungradscheibe unterhalb des Schwerpunktes von Vorteil. Mit anderen Worten befindet sich der Schwerpunkt in einem Zwischenraum axial zwischen der Schwungradscheibe und dem Rotor. Jedoch kann sich der Schwerpunkt auch innerhalb der Schwungradscheibe befinden, bei ^¬ spielsweise bei einer entsprechend großen Masse der Schwung- radscheibe. Entscheidend ist, dass das erste Radiallager oberhalb des Schwerpunktes und somit beabstandet zu diesem angeordnet ist. Dadurch wird die Welle oberhalb des Schwer ^¬ punktes in einem Drehpunkt radial positioniert, sodass eine Drehung oder Auslenkung der Welle um den genannten Drehpunkt ermöglicht wird. Die Drehung oder Auslenkung der Welle erfolgt erfindungsgemäß nicht um den Schwerpunkt, da der Dreh ^¬ punkt beabstandet zum Schwerpunkt ist. Der Drehpunkt liegt im Bereich des ersten Radiallagers oberhalb des Schwerpunktes, sodass der Drehpunkt nicht mit dem Schwerpunkt übereinstimmt.

Durch einen auf die Welle einwirkenden Kraftstoß, der wenigs ^¬ tens eine radiale Komponente aufweist, erfolgt folglich eine Drehung oder Auslenkung der Welle - einschließlich der mit der Welle drehmomentschlüssig oder drehfest verbundenen Bau- teile - um den vom Schwerpunkt verschiedenen und

beabstandeten Drehpunkt.

Nach dem Kraftstoß kehrt beziehungsweise schwingt die Welle von selbst wieder in ihre ursprüngliche Ausgangslage - im We- sentlichen parallel zur Schwerkraft - zurück. Durch das selb ^¬ ständige Rückkehren der Welle werden die auf die Lager des Schwungrades einwirkenden Lagerkräfte vorteilhafterweise re ^¬ duziert. Die ursprüngliche Ausgangslage entspricht folglich einer Gleichgewichtslage der Welle beziehungsweise des

Schwungrades. Das ist deshalb der Fall, da jede Drehung oder Auslenkung der Welle durch das zwischen dem Rotor und der Schwungradscheibe und oberhalb des Schwerpunktes angeordnete erste Radiallager zu einem Anheben des Schwerpunktes führt, sodass sich die Welle beziehungsweise das Schwungrad von selbst wieder ausrichtet. Die Selbstausrichtung der Welle be ^¬ ziehungsweise des Schwungrades ist daher vergleichbar mit ei ^¬ ner Selbstausrichtung eines Stehaufmännchens. Vorteilhafterweise werden durch die Selbstausrichtung der Welle die Lagerkräfte, insbesondere auf das erste Radialla ^¬ ger, reduziert, sodass ein Verschleiß der Lager und Reibungs ^¬ verluste innerhalb der Lager verringert werden. Mit anderen Worten werden die Lager des Schwungrades, insbesondere das erste Radiallager, entlastet.

Weiterhin sind bevorzugt der Rotor und die Schwungradscheibe bezüglich des Schwerpunktes axial gegenüberliegend angeord- net.

Wird der Schwerpunkt des Schwungrades hauptsächlich durch den Rotor und die Schwungradscheibe gebildet, und ist die

Schwungradscheibe unterhalb des Rotors angeordnet, so ist es von Vorteil, wenn der Schwerpunkt möglichst nahe an der

Schwungradscheibe liegt. Dadurch werden die Lager des

Schwungrades, insbesondere das erste Radiallager, weiter ent ^¬ lastet . Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Rotor und die Schwungradscheibe im Wesentlichen konzent ^¬ risch mit der Welle angeordnet.

Dadurch wird vorteilhafterweise eine zu große Exzentrizität der Welle vermieden, sodass die Lagerkräfte weiter reduziert werden. Mit anderen Worten werden die Lager des Schwungrades, insbesondere das erste Radiallager, weiter entlastet. Dadurch wird vorteilhafterweise die energetische Effizienz des

Schwungrades, das heißt dessen Wirkungsgrad, verbessert.

Bevorzugt ist das erste Radiallager als Rolllager oder Mag ^¬ netlager ausgebildet.

Magnetlager haben den Vorteil, dass die Lagerung ohne materi- eilen Kontakt durch elektromagnetische Kräfte bewirkt wird. Dadurch werden Reibungsverluste weiter verringert. Rolllager sind deshalb von Vorteil, da diese technisch weniger aufwen ^¬ dig und kostengünstiger als vergleichbare Magnetlager sind. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Schwungrad ein Axiallager, das zur axialen Lagerung oder axialen Positionierung der Welle vorgesehen ist.

Mit anderen Worten wird die Welle des Schwungrades durch das Axiallager axial positioniert. Dadurch erfolgt vorteilhafterweise keine gegebenenfalls nur eine geringe vertretbare axia ^¬ le Verschiebung der Welle.

Von besonderem Vorteil ist es, das Axiallager zur axialen Lagerung einer mit der Welle drehfest verbundenen Scheibe vorzusehen. Hierbei ist die Scheibe radial mittels des ersten Radiallagers gelagert beziehungsweise positioniert. Dadurch erfolgt vorteilhafterweise keine gegebenenfalls nur eine ge ^¬ ringe vertretbare axiale Verschiebung der Welle.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Axiallager als Magnetlager ausgebildet.

Vorteilhafterweise wird dadurch die energetische Effizienz, das heißt der Wirkungsgrad des Schwungrades gesteigert. Ins ^¬ besondere ist es von Vorteil, wenn das Axiallager als Magnet ^¬ lager und das erste Radiallager als Rolllager ausgebildet ist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Schwungrad ein zweites Radiallager, das in einem der zwei Endbereiche der Welle angeordnet ist.

Dadurch wird Welle vorteilhafterweise wenigstens in einem ih ^¬ rer Endbereiche radial positioniert. Insbesondere ist ein zweites Radiallager von Vorteil, welches als Magnetlager aus ^¬ gebildet ist.

Besonderes bevorzugt sind zwei zweite Radiallager, wobei in jedem der zwei Endbereiche der Welle wenigstens ein zweites Radiallager angeordnet ist. Mit anderen Worten wird die Welle in ihren zwei Endbereichen radial gelagert beziehungsweise positioniert .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung treibt in einem ersten Betriebszustand der Rotor die Schwungrad ^¬ scheibe an.

Mit anderen Worten erfolgt ein motorischer Betrieb des

Schwungrades, sodass das Schwungrad eine zu speicherende Energie, insbesondere elektrische Energie, welche mittels des Rotors in mechanische Energie gewandelt wurde, wenigstens zum Teil in Form von Rotationsenergie speichert.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung treibt die Schwungradscheibe den Rotor in einem zweiten Betriebszu ^¬ stand des Schwungrades an.

Mit anderen Worten erfolgt ein generatorischer Betrieb der elektrischen Maschine, die den Rotor umfasst. Dadurch wird die Rotationsenergie des Schwungrades in elektrische Energie mittels des Rotors beziehungsweise mittels der elektrischen Maschine gewandelt. Vorteilhafterweise kann das Schwungrad dadurch als Energiespeicher, beispielsweise zum Bedarfsaus ^¬ gleich für Stromnetze, verwendet werden. Weiterhin ist eine Verwendung des Schwungrades in der mechanischen Industrie, beispielsweise beim Blechpressen oder in der Medizintechnik, beispielsweise bei einer Magnetresonanztomographie, von Vor ^¬ teil. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er ^¬ geben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert : Figur 1 eine schematische momentane Schnittdarstellung ei ^¬ nes Schwungrades, welches Schwungrad eine Schwung ^¬ radscheibe, ein erstes Radiallager und einen Rotor umfasst, wobei das erste Radiallager oberhalb eines Schwerpunktes des Schwungrades angeordnet ist; und

Figur 2 eine schematische Darstellung von Lagerkräften oder

Kräften, die auf die Welle des in Figur 1 gezeigten

Schwungrades einwirken können.

Gleichartige oder äquivalente Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.

In Figur 1 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Schwungrades 1 dargestellt. Das Schwungrad 1 umfasst wenigs ^¬ tens einen Rotor 4, eine Welle 2 und fünf Schwungradscheiben 6. Es kann jedoch jede Mehrzahl von Schwungradscheiben 6 vor- gesehen sein.

Der Rotor 4 und die Schwungradscheiben 6 sind drehmomentschlüssig mit der Welle 2 gekoppelt oder mit dieser drehfest verbunden. Dadurch wird ein motorischer Betrieb (erster Be- triebszustand) sowie ein generatorischer Betrieb (zweiter Be ^¬ triebszustand) des Schwungrades 1 ermöglicht. Hierbei umfasst eine nicht dargestellte elektrische Maschine, beispielsweise ein Elektromotor, den Rotor 4. Das Schwungrad 1 ist innerhalb eines annähernd homogenen

Schwerekraftfeldes angeordnet. Beispielsweise bildet die am Ort des Schwungrades 1 vorherrschende Schwerkraft, welche durch den Pfeil 102 symbolisiert ist, ein solches annähernd homogenes Schwerekraftfeld aus. Eine Rotationsachse 101 der Welle 2 ist im Wesentlichen parallel zur Schwerkraft 102, das heißt parallel zur Richtung der Schwerkraft 102, ausgerichtet. Der Drehimpuls der Welle 2 beziehungsweise des Schwung ^¬ rades 1 ist folglich im Wesentlichen parallel oder antiparal ^¬ lel zur Schwerkraft 102 ausgerichtet.

Weiterhin weist das Schwungrad 1 einen Schwerpunkt 100 auf, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel bezüglich der

Schwerkraft 102 innerhalb einer der Schwungradscheiben 6 liegt. Der Schwerpunkt 100 ist durch den Massenmittelpunkt aller mit der Welle 2 drehmomentschlüssig oder drehfest ver ^¬ bundenen oder gekoppelten Bauteile festgelegt. Hauptsächlich wird der Schwerpunkt 100 durch den Massenmittelpunkt der Schwungradscheiben 6 und des Rotors 4 festgelegt.

Das erste Radiallager 42 ist axial zwischen dem Rotor 4 und den Schwungradscheiben 6 angeordnet. Zudem ist das erste Ra ^¬ diallager 42 axial beabstandet zum Rotor 4 und zu den

Schwungradscheiben angeordnet. Die relativen Begriffe radial und axial beziehen sich auf die Rotationsachse 101 der Welle 2.

In jedem Endbereich 110 der Welle 2 ist wenigstens ein zwei- tes Radiallager 13 vorgesehen, das als Magnetlager ausgebildet ist.

Für die radiale Lagerung oder Positionierung der Welle 2 mittels des ersten Radiallagers 42 ist eine Scheibe 8 vorgese- hen, die drehfest mit der Welle 2 verbunden ist und sich im Wesentlichen radial erstreckt. Die Scheibe 8 wird weiterhin durch ein Axiallager 11, welches als Magnetlager ausgebildet ist, axial positioniert. Dadurch erfolgt keine beziehungswei ^¬ se nur eine geringe vertretbare axiale Verschiebung der

Scheibe 8 oder der Welle 2.

Erfindungsgemäß liegt der Schwerpunkt 100 - bezüglich der Schwerkraft 102 - unterhalb des ersten Radiallagers 42. Hier ^¬ bei kann der Schwerpunkt 100 innerhalb oder außerhalb der Schwungradscheiben 6 liegen. Entscheidend ist, dass der

Schwerpunkt 100 unterhalb des ersten Radiallagers 42 liegt.

Ein Drehpunkt 103 der Welle 2 wird durch das erste Radialla ^¬ ger 42 festgelegt. Mit anderen Worten erfolgt eine Drehung oder Auslenkung der Welle 2, aufgrund eines einwirkenden

Kraftstoßes, um den Drehpunkt 103. Da der Drehpunkt 103 - be ^¬ züglich der Schwerkraft 102 - oberhalb des Schwerpunktes 100 angeordnet ist, erfolgt nach dem einwirkenden Kraftstoß ein selbständiges Rücksteilen oder Rückschwingen der Welle 2. Mit anderen Worten richtet sich die Welle 2, wie ein Stehaufmännchen, wieder im Wesentlichen parallel zur ursprünglichen Rotationsachse 101 aus. Dadurch werden Lager des Schwungrades 1, insbesondere das erste und die zweiten Radiallager 42, 13 und das Axiallager 11, entlastet.

Figur 2 veranschaulicht exemplarisch die bei einer Drehung oder Auslenkung der Welle 2 um den Drehpunkt 103 möglicher- weise auftretenden Kräfte. Hierbei ist in Figur 2 zur besse ^¬ ren Veranschaulichung nur die Welle 2 des Schwungrades 1 dargestellt. Das heißt, dass weitere Komponenten beziehungsweise Bauteile des Schwungrades, beispielsweise der Rotor 4 oder die Schwungradscheiben 6, nicht dargestellt sind.

Durch ein Einwirken eines Kraftstoßes mit wenigstens einer radialen Komponente, beispielsweise auf die Welle 2 oder das Schwungrad 1, erfolgt eine Drehung oder Auslenkung der Welle 2 um den Drehpunkt 103. Die Drehung oder Auslenkung der Welle 2 aus ihrer stabilen Gleichgewichtslage, die durch eine Posi ^¬ tionierung parallel zu ihrer ursprünglichen Rotationsachse 101 gebildet wird, erfolgt folglich oberhalb des Schwerpunk ^¬ tes 100. Dadurch hat die Welle 2 ein Bestreben sich stets pa ^¬ rallel zu ihrer ursprünglichen Rotationsachse 101 auszurich- ten.

Eine auf die Welle 2 radial einwirkende Rotorkraft 122 wird beispielsweise durch eine Exzentrizität des Rotors 4 bewirkt. Eine weitere auf die Welle 2 einwirkende Kraft ist beispiels- weise durch eine Kippkraft 123 gegeben.

Vorteilhafterweise ist der Drehpunkt 103 der Welle 2 axial zwischen einem Angriffspunkt der Kippkraft 123 und einem An ^¬ griffspunkt der Rotorkraft 122 angeordnet. Der Angriffspunkt der Kippkraft 123 entspricht dem Schwerpunkt 100. Folglich liegen sich die Angriffspunkte der Kippkraft 123 und der Ro ^¬ torkraft 122 bezüglich des Drehpunktes 103 axial gegenüber. Zudem weisen die Rotorkraft 122 und die Kippkraft 123 typi- scherweise räumlich gleichgerichtete Komponenten auf, sodass sich die durch die genannten gleichgerichteten Komponenten auf die Welle 2 einwirkenden Drehmomente vorteilhafterweise wenigstens teilweise kompensieren. Sind die Rotorkraft 122 und die Kippkraft 123 betragsmäßig gleich und parallel ausge ^¬ richtet (wie in Figur 2 angedeutet) , so erfolgt eine annä ^¬ hernd vollständige Kompensation der auf die Welle 2 einwir ^¬ kenden Drehmomente. Dadurch werden Lager des Schwungrades 1, insbesondere das erste und die zweiten Radiallager 42, 13 und das Axiallager 11, weiter entlastet.

Aufgrund der Drehung oder Auslenkung der Welle 2 aus ihrer ursprünglichen Rotationsachse 102 heraus, treten Lagerkräfte 120, 121 auf. Die Lagerkraft 120 wirkt auf das erste Radial- lager 42 ein. Die weiteren Lagerkräfte 121 werden durch die zweiten Radiallager 13, die als Magnetlager ausgebildet sind, aufgenommen. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des ersten Radiallagers 42 werden die Lagerkräfte 120, 121 betragsmäßig verringert, sodass die genannten Lager beispielsweise langsa- mer verschleißen. Zudem werden Reibungsverluste reduziert, sodass sich der Wirkungsgrad des Schwungrades 1 verbessert.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.