Planetare Fanglager für Schwungmassenspeicher in Außenläuferbauform

Schüßler, Benedikt (2024)
Planetare Fanglager für Schwungmassenspeicher in Außenläuferbauform.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Bibliographie

Kurzbeschreibung (Abstract)

Schwungmassenspeicher (SMS) eignen sich gut für die dynamische Energiespeicherung, vor allem wenn ein wartungsarmer Betrieb und eine hohe Lebensdauer gefordert sind. Moderne SMS verwenden häufig einen vertikalen Rotor. Für eine hohe Effizienz werden die Systeme im Vakuum betrieben und sind magnetgelagert. Da die aktiven radialen Magnetlager nicht aus-fallsicher sind, verfügen die Systeme über eine mechanische Rückfallebene, die sogenannten Fanglager. Aufgrund der für moderne SMS häufig gewählten Außenläuferbauform ist der Einsatz konventioneller Fanglager nicht zielführend. In der Literatur gibt es erste Untersuchun-gen, dass die Bauform eines planetaren Fanglagers für solche Systeme besser geeignet ist. Das planetare Fanglager setzt sich hierbei aus mehreren, am Umfang des Stators verteilten Fangla-gereinheiten zusammen. Allerdings ist wenig über das Rotorverhalten bei einem Absturz in ein solches Fanglager bekannt und es mangelt an Ansätzen, wie ein solches Lager auszulegen ist. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, den Entwicklungsprozess von planetaren Fanglagern zu unterstützen. Zum Erreichen dieses Ziels werden sowohl simulative als auch experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Ein Großteil der experimentellen Untersuchungen wird an einem mit umfangrei-cher Sensorik ausgestatteten Innenläuferprüfstand durchgeführt, der ähnliche rotordynamische Eigenschaften wie moderne Außenläufer-SMS aufweist. Mithilfe des Prüfstands wird die im Rahmen der Arbeit weiterentwickelte Modellierung von Rotorabstürzen in planetare Fanglager validiert. Auf Basis des validierten Modells werden die aus der Literatur für konventionelle Fanglager bekannten Einflussfaktoren untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass vor allem die Reibung zwischen Fanglager und Rotor, die Dämpfung und die Absturzdrehzahl einen starken Einfluss auf die Belastungen haben. Darüber hinaus wird in Simulationen und anschließenden Experi-menten der Einfluss der Anzahl an Fanglagereinheiten pro Fanglagerebene untersucht. Dies ist ein nur für planetare Fanglager relevanter Einflussfaktor. Hierbei wird festgestellt, dass mit zunehmender Anzahl an Fanglagereinheiten die Wahrscheinlichkeit für eine Wirbelbewegung steigt. Eine solche Wirbelbewegung führt im Allgemeinen zu größeren Fanglagerbelastungen und sollte daher vermieden werden. Zum Abschluss der Arbeit wird sowohl durch Rotorabstürze in einem realen Außenläufer-SMS als auch durch ein auf dieses System angepasstes Modell die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Außenläufer gezeigt.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2024

Autor(en):

Schüßler, Benedikt

Art des Eintrags:

Bibliographie

Titel:

Planetare Fanglager für Schwungmassenspeicher in Außenläuferbauform

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Rinderknecht, Prof. Dr. Stephan ; Santos, Prof. Dr. Ilmar F.

Publikationsjahr:

2024

Ort:

Düren

Verlag:

Shaker Verlag

Reihe:

Forschungsberichte Mechatronische Systeme im Maschinenbau

Kollation:

XIX, 178 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

25 Juni 2024

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

Flywheels are well suited for dynamic energy storage, especially when low-maintenance opera-tion and a long service life are required. Modern flywheels often use a vertical rotor. For high efficiency, the systems are operated under vacuum conditions and have magnetic bearings. Since the active radial magnetic bearings are not fail-safe, the systems require a mechanical fallback, the so-called touch-down bearings. Due to the frequently chosen outer rotor design for modern flywheels, the use of a conventional touch-down bearing is not possible. First stud-ies have shown that a planetary touch-down bearing is more suitable for such systems. The planetary touch-down bearing consists of several small bearing units which are distributed along the circumference of the stator. However, little is known about the rotor behavior in the event of a drop-down into such a touch-down bearing and approaches are missing on how to design such a bearing. Therefore, the aim of this work is to support the development process of planetary touch-down bearings. To achieve this goal, both simulative and experimental investigations are carried out. A large part of the experimental investigations is carried out on a test rig which is equipped with mul-tiple sensors. Despite its inner rotor design, the test rig has similar rotordynamic properties to modern outer rotor flywheels. The test rig is used to validate the modeling of rotor drop-downs into planetary touch-down bearings, which was further developed as part of this thesis. Based on the validated model, the factors influencing the drop-down behavior, known from studies for conventional touch-down bearings, are investigated. The results show that the friction between touch-down bearing and rotor, the damping and the rotational drop-down speed have a strong influence on the loads. In addition, the influence of the number of touch-down bearing units per touch-down bearing plane is investigated in simulations and subsequent experiments. This last influencing factor is only relevant for planetary touch-down bearings. It is found that the probability of a whirling movement increases with the number of touch-down bearing units. Such a whirl generally leads to higher loads on the touch-down bearing and should therefore be avoided. Finally, the transferability of the results to outer rotor systems is demonstrated using drop-down experiments in a real outer rotor flywheel and simulations with a model adapted to this system.

Englisch

Freie Schlagworte:

Fanglager, Magnetlager, Schwungmassenspeicher, Außenläufer, Lebensdauer, Wirbel

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Institut für Mechatronische Systeme im Maschinenbau (IMS)

Hinterlegungsdatum:

14 Okt 2024 06:49

Letzte Änderung:

14 Okt 2024 06:49

PPN:

522184049

Referenten: