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Fanglagerung magnetgelagerter Schwungmassenspeicher

Quurck, Lukas Aaron (2019):
Fanglagerung magnetgelagerter Schwungmassenspeicher.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8435],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Fanglager werden bei magnetgelagerten Rotoren zum Schutz der Komponenten bei möglichen Ausfällen, Fehlfunktionen und Überlasten des Magnetlagers eingesetzt. Sie begrenzen die Auslenkung des Rotors indem sie etwa auf halber Spaltbreite zwischen Rotor und Stator platziert werden. Im Normalbetrieb haben sie keinen Kontakt zum Rotor. Moderne Schwungmassenspeicher dienen der Speicherung elektrischer Energie und können in leistungsintensiven Anwendungen mit kleinen bis mittleren Leistungszeiten eingesetzt werden. Das Speichermedium stellt die kinetische Energie einer rotierenden Schwungmasse dar. Zur Reduktion von Reibungsverlusten werden die Schwungmassen berührungslos mittels Magnetlager im Vakuum gelagert. Um möglichst große Energie-mengen speichern zu können, wird versucht die Drehzahl und Massenträgheit der Schwungmasse zu maximieren. Dies führt zu einer mechanischen Auslegung der Kom-ponenten auf maximale Umfangsgeschwindigkeit, welche durch Festigkeit und Verfor-mung der Schwungmasse begrenzt ist. Für die in dieser Arbeit betrachteten magnetgelagerten Schwungmassenspeicher in Au-ßenläuferbauform existieren bisher keine Maschinenelemente, welche die Aufgabe der Fanglagerung auch bei hohen Drehzahlen übernehmen können. Daher wird ein, als planetar bezeichnetes, Fanglagerkonzept entwickelt und mittels Simulationen sowie experimenteller Untersuchungen an einem eigens entwickelten Fanglagerprüfstand er-probt. Bei den Untersuchungen wird der magnetgelagerte, vertikal ausgerichtete Rotor in die radial wirkenden Fanglager fallen gelassen und das mechanische und thermische Verhalten von Rotor und Fanglagerkomponenten untersucht. Es wird festgestellt, dass bei geeigneter Auswahl der Wälzlager des planetaren Fangla-gers mehrere Abstürze aus hohen Drehzahlen ertragen werden können, ohne dass die Funktion durch Verschleiß oder sonstige Schäden beeinträchtigt wird. Das als gutmütig zu bezeichnende Rotorverhalten führt am Prüfstand zu keinen unzulässigen Lasten oder Übertemperaturen im Vakuum und wird daher als tauglich für den Einsatz in realen Schwungmassenspeichern betrachtet.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Quurck, Lukas Aaron
Title: Fanglagerung magnetgelagerter Schwungmassenspeicher
Language: German
Abstract:

Fanglager werden bei magnetgelagerten Rotoren zum Schutz der Komponenten bei möglichen Ausfällen, Fehlfunktionen und Überlasten des Magnetlagers eingesetzt. Sie begrenzen die Auslenkung des Rotors indem sie etwa auf halber Spaltbreite zwischen Rotor und Stator platziert werden. Im Normalbetrieb haben sie keinen Kontakt zum Rotor. Moderne Schwungmassenspeicher dienen der Speicherung elektrischer Energie und können in leistungsintensiven Anwendungen mit kleinen bis mittleren Leistungszeiten eingesetzt werden. Das Speichermedium stellt die kinetische Energie einer rotierenden Schwungmasse dar. Zur Reduktion von Reibungsverlusten werden die Schwungmassen berührungslos mittels Magnetlager im Vakuum gelagert. Um möglichst große Energie-mengen speichern zu können, wird versucht die Drehzahl und Massenträgheit der Schwungmasse zu maximieren. Dies führt zu einer mechanischen Auslegung der Kom-ponenten auf maximale Umfangsgeschwindigkeit, welche durch Festigkeit und Verfor-mung der Schwungmasse begrenzt ist. Für die in dieser Arbeit betrachteten magnetgelagerten Schwungmassenspeicher in Au-ßenläuferbauform existieren bisher keine Maschinenelemente, welche die Aufgabe der Fanglagerung auch bei hohen Drehzahlen übernehmen können. Daher wird ein, als planetar bezeichnetes, Fanglagerkonzept entwickelt und mittels Simulationen sowie experimenteller Untersuchungen an einem eigens entwickelten Fanglagerprüfstand er-probt. Bei den Untersuchungen wird der magnetgelagerte, vertikal ausgerichtete Rotor in die radial wirkenden Fanglager fallen gelassen und das mechanische und thermische Verhalten von Rotor und Fanglagerkomponenten untersucht. Es wird festgestellt, dass bei geeigneter Auswahl der Wälzlager des planetaren Fangla-gers mehrere Abstürze aus hohen Drehzahlen ertragen werden können, ohne dass die Funktion durch Verschleiß oder sonstige Schäden beeinträchtigt wird. Das als gutmütig zu bezeichnende Rotorverhalten führt am Prüfstand zu keinen unzulässigen Lasten oder Übertemperaturen im Vakuum und wird daher als tauglich für den Einsatz in realen Schwungmassenspeichern betrachtet.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Mechatronic Systems in Mechanical Engineering (IMS)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Mechatronic Systems in Mechanical Engineering (IMS) > Energy Storages and General Applications
Date Deposited: 10 Feb 2019 20:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8435
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-84350
Referees: Rinderknecht, Prof. Dr. Stephan and Abele, Prof. Dr. Eberhard
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 23 May 2018
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Magnetic levitated rotor systems use backup bearings to protect their components in case of possible failures, malfunctions and overloads of the magnetic bearing. They lim-it the deflection of the rotor by being placed approximately halfway between the rotor and the stator. In normal operation, they have no contact with the rotor. Modern flywheel energy storage systems are used to store electrical energy and can be used in high-performance applications with low to medium cycle times. The energy is stored as kinetic energy of a rotating flywheel mass. To reduce friction losses, the fly-wheel masses are contactless levitated by means of magnetic bearings in a vacuum. In order to be able to store the greatest possible amount of energy, it is attempted to max-imize the speed and inertia of the flywheel mass. This leads to a mechanical design of the components to maximum surface speeds, which are limited by strength and defor-mation of the flywheel. In this thesis, a special type of flywheel with a hollow cylindrical rotor is considered. Because of its high surface speed, no conventional backup bearing is available. There-fore, an approach with a planetary backup bearing is developed and tested by means of simulations as well as experimental investigations on a particular developed test rig. In these investigations, the magnetically supported, vertically aligned rotor is dropped into the radially acting backup bearings. The mechanical and thermal behavior of the rotor and the bearing components are examined. It is asserted that, with proper selection of the rolling element bearings of the planetary bearing, several consecutive dropping events can be sustained from high speeds without harmful wear or other damage. The non-problematic rotor behavior on the test rig does not lead to any impermissible loads or excess temperatures in a vacuum. Therefore, the planetary backup bearing approach is considered suitable for use in real flywheel.English
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