Маховик

Паровоз Тревитика 1802 года использовал маховик для равномерного распределения мощности его единственного цилиндра.

Модуль маховика G2 , НАСА

Маховик движения

Промышленный маховик

Маховик представляет собой механическое устройство , специально предназначенное для использования сохранения углового момента таким образом , чтобы эффективно хранить энергию вращения ; форма кинетической энергии, пропорциональная произведению его момента инерции на квадрат скорости вращения . В частности, если мы предположим, что момент инерции маховика постоянен (т. Е. Маховик с фиксированной массой и вторым моментом площади, вращающийся вокруг некоторой фиксированной оси), то накопленная (вращательная) энергия напрямую связана с квадратом его скорости вращения. .

Поскольку маховик служит для хранения механической энергии для дальнейшего использования, естественно рассматривать его как аналог кинетической энергии электрического индуктора . После подходящего абстрагирования этот общий принцип хранения энергии описывается в обобщенной концепции аккумулятора . Как и в случае с другими типами аккумуляторов, маховик по своей сути сглаживает достаточно небольшие отклонения выходной мощности системы, тем самым эффективно играя роль фильтра нижних частот.относительно механической скорости (угловой или иной) системы. Точнее, накопленная энергия маховика будет давать скачок выходной мощности при падении потребляемой мощности и, наоборот, поглощать любую избыточную потребляемую мощность (мощность, генерируемую системой) в виде энергии вращения.

Обычно маховик используется:

• Сглаживание выходной мощности источника энергии. Например, маховики используются в поршневых двигателях, потому что активный крутящий момент от отдельных поршней является прерывистым.
• Системы накопления энергии
• Поставка энергии со скоростью, превышающей возможности источника энергии. Это достигается за счет накопления энергии в маховике с течением времени, а затем ее быстрого высвобождения со скоростью, превышающей возможности источника энергии.
• Управление ориентацией механической системы, гироскопа и реактивного колеса

Маховики обычно изготавливаются из стали и вращаются на обычных подшипниках; они обычно ограничиваются максимальной частотой вращения в несколько тысяч об / мин. ^[1] Маховики с высокой плотностью энергии могут быть изготовлены из композитных материалов из углеродного волокна и использовать магнитные подшипники , позволяющие им вращаться со скоростью до 60 000 об / мин (1 кГц). ^[2]

Недавно были изготовлены маховиковые батареи из углеродного композита, которые доказали свою пригодность в реальных испытаниях на обычных автомобилях. Кроме того, их утилизация более экологична, чем традиционные литий-ионные батареи. ^[3]

Приложения [ править ]

Маховики часто используются для обеспечения непрерывной выходной мощности в системах, где источник энергии не является непрерывным. Например, маховик используется для сглаживания быстрых колебаний угловой скорости коленчатого вала в поршневом двигателе. В этом случае маховик коленчатого вала накапливает энергию, когда крутящий момент прилагается к нему запускающим поршнем , и возвращает ее поршню для сжатия свежего заряда воздуха и топлива. Другой пример - фрикционный двигатель, приводящий в действие такие устройства, как игрушечные машинки . В ненагруженных и недорогих случаях для экономии средств основная масса маховика направляется к ободу колеса. Отталкивание массы от оси вращения увеличивает инерцию вращения для данной общей массы.

Маховик также может использоваться для подачи прерывистых импульсов энергии на уровнях мощности, превышающих возможности его источника энергии. Это достигается за счет накопления энергии в маховике в течение определенного периода времени со скоростью, совместимой с источником энергии, а затем высвобождения энергии с гораздо большей скоростью в течение относительно короткого времени, когда это необходимо. Например, маховики используются в механических перфораторах и клепальных станках .

Маховики могут использоваться для управления направлением и противодействия нежелательным движениям, см. Гироскоп . Маховики в этом контексте имеют широкий спектр применений: от гироскопов для измерительных приборов до стабилизации корабля и стабилизации спутника ( реактивное колесо ), для удержания вращения игрушки ( двигатель трения ), для стабилизации объектов, находящихся на магнитной левитации ( магнитная левитация со стабилизацией вращения ).

Маховики также могут использоваться как электрокомпенсатор, например, синхронный компенсатор., которые могут либо производить, либо поглощать реактивную мощность, но не влияют на реальную мощность. Целью этого приложения является улучшение коэффициента мощности системы или регулировка напряжения сети. Обычно маховики, используемые в этой области, аналогичны по конструкции и установке синхронному двигателю (но в этом контексте он называется синхронным компенсатором или синхронным конденсатором). Существуют также некоторые другие виды компенсаторов, использующие маховики, например, однофазные индукционные машины. Но основные идеи здесь те же, маховики управляются, чтобы вращаться точно с частотой, которую вы хотите компенсировать. Для синхронного компенсатора вам также необходимо поддерживать напряжение ротора и статора в фазе, что эквивалентно удержанию магнитного поля ротора и общего магнитного поля в фазе (ввращающаяся рамка ).

История [ править ]

Принцип маховика можно найти в неолитическом веретене и гончарном круге , а также в круглых точильных камнях в древности. ^[4]

Механический маховик, используемый для сглаживания передачи мощности от приводного устройства к ведомой машине и, по сути, для подъема воды с гораздо больших глубин (до 200 метров (660 футов)), был впервые использован Ибн Бассалом ( fl. 1038–1075), Аль-Андалус . ^{[5] [6] [7] [8]}

Использование маховика в качестве общего механического устройства для выравнивания скорости вращения, согласно американскому медиевисту Линн Уайт , зафиксировано в De diversibus artibus (О различных искусствах) немецкого мастера Теофила Пресвитера (ок. 1070–1125). который записывает применение устройства на нескольких своих машинах. ^{[4] [9]}

В промышленной революции , Джеймс Уатт способствовали развитию маховика в паровом двигателе , и его современник Джеймс Пикард использовал маховик в сочетании с кривошипно для преобразования возвратно - поступательного движения во вращательное движение.

Физика [ править ]

Маховик - это вращающееся колесо, диск или ротор, вращающееся вокруг своей оси симметрии. Энергия хранятся в виде кинетическая энергии , более конкретно вращательная энергии , из ротора :

• ${\ displaystyle E_ {k} = {\ frac {1} {2}} I \ omega ^ {2}}$

куда:

• ${\ displaystyle E_ {k}}$- запасенная кинетическая энергия ,
• ω - угловая скорость , а
• ${\ displaystyle I}$- момент инерции маховика относительно оси симметрии. Момент инерции - это мера сопротивления крутящему моменту, приложенному к вращающемуся объекту (то есть, чем выше момент инерции, тем медленнее он будет ускоряться при приложении заданного крутящего момента).
• Момент инерции твердого цилиндра равен ,${\ displaystyle I = {\ frac {1} {2}} г-н ^ {2}}$
• для тонкостенного пустого цилиндра ,${\ Displaystyle I = г-н ^ {2}}$
• и толстостенной пустой цилиндр , ^[10]${\ displaystyle I = {\ frac {1} {2}} m ({r _ {\ mathrm {external}}} ^ {2} + {r _ {\ mathrm {internal}}} ^ {2})}$

где обозначает массу, а обозначает радиус.${\ displaystyle m}$${\ displaystyle r}$

При расчетах в единицах СИ единицами измерения будут масса, килограммы ; для радиуса, метров; а для угловой скорости - радианы в секунду, а результирующая энергия будет в джоулях .

Увеличивающееся количество энергии вращения может накапливаться в маховике, пока ротор не разобьется. Это происходит, когда кольцевое напряжение внутри ротора превышает предел прочности материала ротора на разрыв .

• ${\ displaystyle \ sigma _ {t} = \ rho r ^ {2} \ omega ^ {2} \}$

куда:

• ${\ displaystyle \ sigma _ {t}}$ - растягивающее напряжение на ободе цилиндра
• ${\displaystyle \rho }$ плотность цилиндра
• ${\displaystyle r}$ - радиус цилиндра, а
• ${\displaystyle \omega }$- угловая скорость цилиндра.

Маховик с приводом от электрической машины - обычное дело. Выходная мощность электрической машины примерно равна выходной мощности маховика.

Выходная мощность синхронной машины составляет:

${\displaystyle P=(V_{i})(V_{t})\left({\frac {\sin(\delta )}{X_{S}}}\right)}$

куда:

• ${\displaystyle V_{i}}$ напряжение на обмотке ротора, создаваемое полем, взаимодействующим с обмоткой статора.
• ${\displaystyle V_{t}}$ напряжение статора
• ${\displaystyle \delta }$ угол крутящего момента (угол между двумя напряжениями)

Выбор материала [ править ]

Маховики изготавливаются из самых разных материалов; приложение определяет выбор материала. Маленькие маховики из свинца встречаются в детских игрушках. ^{[ необходима цитата ]} Чугунные маховики используются в старых паровых двигателях. Маховики, используемые в автомобильных двигателях, изготавливаются из чугуна или чугуна с шаровидным графитом, стали или алюминия. ^[11] Маховики, изготовленные из высокопрочной стали или композитов, были предложены для использования в системах аккумулирования энергии и в тормозных системах транспортных средств.

Эффективность маховика определяется максимальным количеством энергии, которое он может хранить на единицу веса. Когда частота вращения или угловая скорость маховика увеличивается, запасенная энергия увеличивается; однако напряжения также увеличиваются. Если кольцевое напряжение превышает предел прочности материала, маховик развалится. Таким образом, предел прочности на разрыв ограничивает количество энергии, которое может хранить маховик.

В этом контексте использование свинца в качестве маховика в детской игрушке неэффективно; однако скорость маховика никогда не приближается к своей взрывной скорости, потому что предел в этом случае - тяговое усилие ребенка. В других приложениях, таких как автомобиль, маховик работает с заданной угловой скоростью и ограничен пространством, в котором он должен поместиться, поэтому цель состоит в том, чтобы максимизировать запасенную энергию на единицу объема. Поэтому выбор материала зависит от области применения. ^[12]

В таблице ниже приведены расчетные значения материалов и комментарии по их применимости для маховиков. CFRP означает полимер , армированный углеродным волокном , а GFRP означает полимер, армированный стекловолокном .

Материал	Удельная прочность на разрыв ${\displaystyle \left(\mathrm {\frac {kJ}{kg}} \right)}$	Комментарии
Керамика	200–2000 (только сжатие)	Хрупкие и слабые при растяжении, поэтому устраните
Композиты: углепластик	200–500	Лучшая производительность - хороший выбор
Композиты: стеклопластик	100–400	Практически не хуже углепластика и дешевле
Бериллий	300	Лучший металл, но дорогой, сложный в работе и токсичный для станка
Высокопрочная сталь	100–200	Дешевле, чем сплавы Mg и Ti
Высокопрочные алюминиевые сплавы	100–200	Дешевле, чем сплавы Mg и Ti
Высокопрочные магниевые сплавы	100–200	Примерно равные характеристики стали и алюминиевых сплавов
Ti сплавы	100–200	Примерно равные характеристики стали и алюминиевых сплавов
Свинцовые сплавы	3	Очень низкий
Чугун	8–10	Очень низкий [13]

В приведенной ниже таблице показаны расчетные значения массы, радиуса и угловой скорости для хранения 250 Дж. Маховик из углеродного волокна на сегодняшний день является наиболее эффективным; однако он также имеет самый большой радиус. В приложениях (например, в автомобиле), где объем ограничен, маховик из углеродного волокна может быть не лучшим вариантом.

Таблица характеристик накопления энергии [ править ]

Для сравнения: удельная энергия бензина (бензина) составляет 44,4 МДж / кг или 12,3 кВтч / кг.

Материалы с высокой энергией [ править ]

Для данной конструкции маховика кинетическая энергия пропорциональна отношению кольцевого напряжения к плотности материала и массе:

• ${\displaystyle E_{k}\varpropto {\frac {\sigma _{t}}{\rho }}m}$

${\displaystyle {\frac {\sigma _{t}}{\rho }}}$можно было бы назвать удельной прочностью на разрыв . Материал маховика с наивысшим удельным пределом прочности на растяжение обеспечивает наибольший запас энергии на единицу массы. Это одна из причин, по которой углеродное волокно представляет интерес.

Для данной конструкции запасенная энергия пропорциональна кольцевому напряжению и объему: это правда.

• ${\displaystyle E_{k}\varpropto \sigma _{t}V}$

Дизайн [ править ]

В оправе [ править ]

Маховик с ободом имеет обод, ступицу и спицы. ^[20] Расчет момента инерции маховика легче анализировать, применяя различные упрощения. Например:

• Предположим, что спицы, вал и ступица имеют нулевой момент инерции, а момент инерции маховика исходит только от обода.
• Сосредоточенные моменты инерции спиц, ступицы и вала можно оценить как процент от момента инерции маховика, причем большая часть приходится на обод, так что ${\displaystyle I_{\mathrm {rim} }=KI_{\mathrm {flywheel} }}$

Например, если моменты инерции ступицы, спиц и вала считаются незначительными, а толщина обода очень мала по сравнению со средним радиусом ( ), радиус вращения обода равен его среднему радиусу и, таким образом:${\displaystyle R}$

• ${\displaystyle I_{\mathrm {rim} }=M_{\mathrm {rim} }R^{2}}$

Shaftless [ править ]

Маховик без вала устраняет отверстия в кольцевом пространстве, валу или ступице. Он имеет более высокую плотность энергии, чем обычная конструкция ^[21], но требует специального магнитного подшипника и системы управления. ^[22]

Удельная энергия маховика определяется

• ${\displaystyle {\frac {E}{M}}=K{\frac {\sigma }{\rho }}}$

В котором указан коэффициент формы, прочность на разрыв и плотность материала. Типичный маховик имеет коэффициент формы 0,3. Более совершенные конструкции, такие как маховик без вала, имеют коэффициент формы, близкий к 0,6, теоретический предел составляет около 1. ^[23]${\displaystyle K}$${\displaystyle \sigma }$${\displaystyle \rho }$

Superflywheel [ править ]

Первый супермаховик был запатентован в 1964 году советско-российским ученым Нурбеем Гуйлиа . ^{[24] [25]}

Супермаховик состоит из твердого сердечника (ступицы) и нескольких тонких слоев высокопрочных гибких материалов, таких как специальные стали, композиты из углеродного волокна, стекловолокно или графен, намотанных на него. ^[26] По сравнению с обычными маховиками, супермаховики могут накапливать больше энергии и более безопасны в эксплуатации ^[27]

В случае отказа супермаховик не взрывается и не разрывается на большие осколки, как обычный маховик, а вместо этого распадается на слои. Затем разделенные слои замедляют маховик за счет скольжения по внутренним стенкам корпуса, таким образом предотвращая дальнейшее разрушение.

Хотя точное значение плотности энергии супермаховика будет зависеть от используемого материала, теоретически оно может достигать 1200 Втч (4,4 МДж) на килограмм массы для графеновых супермаховиков.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Найдите маховик в Викисловаре, бесплатном словаре.

• СМИ, связанные с Маховиками, на Викискладе?
• Батареи с маховиком на интересном событии дня .
• Технология стабилизации микросетей на основе маховика. , ABB
• PowerStore