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T. Hinterdorfer:
"Effizienter Energietransfer und Steigerung der Energiedichte bei magnetisch gelagerten Schwungradspeichern";
Supervisor, Reviewer: J. Wassermann, W. Amrhein; Institut für Mechanik und Mechatronik, E325, 2014; oral examination: 2014-10-13.

Schwungradspeicher stellen eine ökologisch und ökonomisch nachhaltige Technologie zur dezentralen Speicherung von elektrischer Energie dar. Verglichen mit anderen Speichertechnologien, wie z.B. Akkumulatoren auf chemischer Basis, weisen Flywheels eine wesentlich längere Lebensdauer auf. Sie benötigen minimale systematische Wartung und sind aus ökologisch unbedenklichen Werkstoffen hergestellt. Durch das Antriebsmoment eines Elektromotors wird ein Schwungrad in Rotation versetzt und damit elektrische Energie in Form von kinetischer Energie gespeichert. Diese gespeicherte Energie kann über das Lastmoment eines Generators bei Bedarf wieder entnommen werden. Moderne Schwungradspeicher-Applikationen werden mit Magnetlagern betrieben, um möglichst hohe Speicherzeiten zu erreichen. Durch eine Unwuchtregelung werden Lagerkräfte aufgrund einer Rotorexzentrizität vermieden. Dies führt allerdings zu einem außermittigen Lauf der elektrischen Maschine, die dadurch wiederum unerwünschte Kräfte erzeugt. Ein kräftekompensierender Betrieb soll bei der geplanten Regelung der Magnetlager eine geringstmögliche Beeinflussung durch die elektrische Maschine und damit eine Erhöhung deren Effizienz ermöglichen. Dazu werden verschiedene Konzepte erarbeitet und mittels Simulationen gegenübergestellt. Die Validierung der Simulationsmodelle wird an einem eigens konstruierten Messaufbau bei definierten Bedingungen durchgeführt. Außerdem ist die elektrische Maschine in das Redundanzkonzept des Flywheels mit eingebunden. Durch einen lagernden Betriebsmodus wird die Zuverlässigkeit erhöht und ein sicheres Herunterfahren des Flywheels im Störfall der Magnetlager ermöglicht. Um hohe Drehzahlen zu erreichen, werden hochfeste Verbundmaterialien eingesetzt. Basierend auf vorhandenen Ergebnissen wird zuerst eine scheibenförmige Schwungmasse optimiert. Aufgrund der suboptimalen Materialausnutzung dieser einfachen Schwungmassenform wird eine Topologieoptimierung durchgeführt, um die Energiedichte zu maximieren. Dabei werden sowohl evolutionäre als auch gradientenbasierte Optimierungsalgorithmen verwendet. Dadurch kann das ungenutzte Potential des Materials ausgeschöpft und die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems erhöht werden.