Маховик - Википедия - Flywheel

Trevithick Паровоз 1802 года использовал маховик для равномерного распределения мощности своего единственного цилиндра.

Модуль маховика G2, НАСА

Маховик движения

Промышленный маховик

А маховик это механическое устройство, специально разработанное для сохранения угловой момент чтобы эффективно хранить вращательная энергия; форма кинетической энергии, пропорциональная произведению ее момент инерции и площадь его скорость вращения. В частности, если мы предположим, что момент инерции маховика постоянный (т.е. маховик с фиксированной массой и второй момент 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 последующего использования, естественно рассматривать его как кинетическая энергия аналог электрический индуктор. После подходящего абстрагирования этот общий принцип накопления энергии описывается в обобщенной концепции аккумулятор. Как и в случае с другими типами аккумуляторов, маховик по своей сути сглаживает достаточно небольшие отклонения выходной мощности системы, тем самым эффективно играя роль фильтр 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 поршневые двигатели потому что активный крутящий момент от отдельных поршней прерывистый.
• Системы накопления энергии
• Доставка 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.
• Контроль ориентации механической системы, гироскоп и колесо реакции

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 композитного углеродного волокна и использовать магнитные подшипники, позволяя 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

А Ландини трактор с открытым маховиком

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 коленчатый вал в поршневом двигателе. В этом случае маховик коленчатого вала накапливает энергию при приложении к нему крутящего момента за счет зажигания. поршень, и возвращает его к поршню для сжатия свежего заряда воздуха и топлива. Другой пример - двигатель трения который питает 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 инерция вращения для данной общей массы.

Маховик современного автомобильного двигателя

Маховик также может использоваться для подачи прерывистых импульсов энергии на уровнях мощности, которые превышают 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 силовые молотки и клепальные машины.

Маховики можно использовать для управления направлением и противодействия нежелательным движениям, см. гироскоп. Маховики в этом контексте имеют широкий спектр применения от гироскопы для приборов остойчивость корабля и спутниковая стабилизация (колесо реакции ), чтобы игрушка вращалась (двигатель трения ), чтобы стабилизировать магнитоподвижные объекты (Спин-стабилизированная магнитная левитация )

Маховики также могут использоваться в качестве электрокомпенсатора, 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 (в вращающаяся опорная рамка ).

История

Принцип работы маховика находится в Неолит шпиндель и гончарный круг, а также круглые точильные камни 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 Бассал (эт. 1038–1075), оф Аль-Андалус.^[5][6][7][8]

По мнению американского медиевиста, использование маховика в качестве общего механического устройства для выравнивания скорости вращения Линн Уайт, записанный в De diversibus artibus (О различных искусствах) немецкого мастера Теофил пресвитер (ок. 1070–1125), который записывает применение устройства на нескольких своих машинах.^[4][9]

в Индустриальная революция, Джеймс Ватт способствовал развитию маховика в паровой двигатель, и его современник Джеймс Пикард использовал маховик в сочетании с заводить для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение.

Физика

Воспроизвести медиа

Маховик с переменным моментом инерции, разработанный Леонардо да Винчи.

Маховик - это вращающееся колесо, диск или ротор, вращающееся вокруг своей оси симметрии. Энергия хранится как кинетическая энергия, более конкретно вращательная энергия, из ротор:

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

куда:

• ${ displaystyle E_ {k}}$ хранится кинетическая энергия,
• ω - это угловая скорость, и
• ${ displaystyle I}$ это момент инерции маховика относительно оси симметрии. Момент инерции - это мера сопротивления крутящий момент применяется к вращающемуся объекту (т.е. 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 баллона ${ Displaystyle I = г-н ^ {2}}$,
• а для толстостенного пустого цилиндра - ${ displaystyle I = { frac {1} {2}} m ({r _ { mathrm {external}}} ^ {2} + {r _ { mathrm {internal}}} ^ {2})}$,^[10]

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

При расчете с SI единиц, единицы будут для массы, килограммы; для радиуса, метров; а для угловой скорости радианы на второй и результирующая энергия будет в джоули.

Увеличивающееся количество энергии вращения может накапливаться в маховике до тех пор, пока ротор не расколется. растягивающая нагрузка центробежного происхождения внутри ротора превышает предел прочности на растяжение материала ротора.

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

куда:

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

Маховики изготавливаются из самых разных материалов; приложение определяет выбор материала. Маленькие маховики из свинца встречаются в детских игрушках.^{[нужна 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 тормозах 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

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

Материалы с высокой энергией

Для данной конструкции маховика кинетическая энергия пропорциональна отношению растягивающая нагрузка центробежного происхождения к плотности материала и к массе:

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

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

Для данной конструкции запасенная энергия пропорциональна кольцевому напряжению и объему:

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

Дизайн

В оправе

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 ${ displaystyle I _ { mathrm {обод}} = KI _ { mathrm {маховик}}}$

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

• ${ Displaystyle I _ { mathrm {обод}} = M _ { mathrm {обод}} R ^ {2}}$

Без вала

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

Супер маховик

Первый супермаховик был запатентован в 1964 году советско-российским ученым. Нурбей 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 выхода из строя 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.

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка

• СМИ, связанные с Маховики в Wikimedia Commons
• Аккумуляторы маховика на Интересное дело дня.
• Технология стабилизации микросетей на основе маховика., ABB
• PowerStore