飛輪
原理
旋轉(zhuǎn)中的飛輪
飛輪是一個(gè)延著固定軸旋轉(zhuǎn)的輪子或圓盤,能量以旋轉(zhuǎn)動能的方式儲存在轉(zhuǎn)子中:
其中
固體圓柱的轉(zhuǎn)動慣量為 I z = 1 2 m r 2 {\displaystyle I_{z}={\frac {1}{2}}mr^{2}} ,
若是薄壁空心圓柱,轉(zhuǎn)動慣量為 I = m r 2 {\displaystyle I=mr^{2}\,} ,
若是厚壁空心圓柱,轉(zhuǎn)動慣量則為 I = 1 2 m ( r 1 2 + r 2 2 ) {\displaystyle I={\frac {1}{2}}m({r_{1}}^{2}+{r_{2}}^{2})} .
其中 m {\displaystyle m} 表示質(zhì)量, r {\displaystyle r} 表示半徑,在轉(zhuǎn)動慣量列表中可以找到更多的信息。
在使用國際單位制計(jì)算時(shí),質(zhì)量、半徑及角速度的單位分別是公斤、米,弧度/秒,所得到的結(jié)果會是焦耳。
由于飛輪可儲存的能量是和轉(zhuǎn)動慣量成正比,因此在設(shè)計(jì)飛輪時(shí),會盡量在不變動質(zhì)量的條件下,去增加其轉(zhuǎn)動慣量,例如說將中間摟空,質(zhì)量集中在飛輪的外圍等作法。
在利用飛輪儲存能量時(shí),還需要考慮在轉(zhuǎn)子不變形或斷裂的前提下,飛輪可儲存的能量上限,主要需考量轉(zhuǎn)子的 環(huán)向應(yīng)力 ( 英語 : hoop stress ) :
其中
飛輪儲存的能量
范例
以下是一些“飛輪”的范例及其儲存的能量, I = kmr 。
飛輪能量和材料的關(guān)系
對于相同尺寸外形的飛輪,其動能和環(huán)向應(yīng)力及體積成正比:
若以質(zhì)量來表示,則其動能和質(zhì)量成正比,也和單位密度的環(huán)向應(yīng)力成正比:
σ σ --> t ρ ρ --> {\displaystyle {\frac {\sigma _{t}}{\rho }}} 可以稱為比強(qiáng)度。若飛輪使用材質(zhì)的比強(qiáng)度越高,其單位質(zhì)量下的能量密度也就就越大。
歷史
一個(gè)White and Middleton 1898固定式發(fā)動機(jī)的圖,其飛輪是二個(gè)一組的
飛輪的概念很早就出現(xiàn)在人類的生活中,新石器時(shí)代的紡錘及 陶輪 ( 英語 : potter"s wheel ) 都有類似飛輪的概念 。
十一世紀(jì)時(shí)安達(dá)盧斯的農(nóng)藝師Ibn Bassal在其著作《Kitab al-Filaha》中,描述飛輪應(yīng)用在水力機(jī)械中的情形 。
根據(jù)從事中世紀(jì)研究的學(xué)者Lynn White的資料,首次出現(xiàn)使用飛輪來作為穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的記載是在德國藝術(shù)家Theophilus Presbyter(約1070-1125)的著作《De diversibus artibus》(On various arts)中,他在他的許多機(jī)器中都使用到飛輪 。
在工業(yè)革命時(shí),詹姆斯·瓦特將飛輪應(yīng)用在蒸氣機(jī)上,而 詹姆斯·皮卡德 ( 英語 : James Pickard ) 將飛輪和 曲柄 ( 英語 : Crank (mechanism) ) 一起使用,將往復(fù)式運(yùn)動變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
應(yīng)用
飛輪應(yīng)用在車輛上時(shí),需考慮進(jìn)動的問題。若一個(gè)旋轉(zhuǎn)的飛輪受到其他會改變其旋轉(zhuǎn)軸力矩的影響,飛輪的旋轉(zhuǎn)軸也會會繞另一個(gè)軸旋轉(zhuǎn),這個(gè)稱為進(jìn)動。一部有垂直軸飛輪的車輛在通過山頂或谷底時(shí),會受到一個(gè)橫向的動量,用二個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的飛輪即可消除此問題。
在現(xiàn)代的應(yīng)用中 動量飛輪 ( 英語 : momentum wheel ) 是一個(gè)用在衛(wèi)星定位用的飛輪,飛輪用來提供其他衛(wèi)星設(shè)備一個(gè)正確及固定的方向,不需推力火箭的協(xié)助。
飛輪常運(yùn)用在打洞機(jī)及鉚釘機(jī)中,平時(shí)儲存馬達(dá)提供的能量,在需要功率輸出時(shí),即可釋放原先儲存的能量。
配合內(nèi)燃機(jī)
在內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用上,飛輪是連結(jié)到曲軸上的大質(zhì)量輪子,主要目的是維持曲軸上固定的角速度。
儲能裝置
密封于真空中的飛輪可以取代充電電池,非常適用于固定式裝置,具有壽命長、無記憶效益、數(shù)分鐘即可充飽、放電速度與電容相近、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
可以用來應(yīng)付尖峰負(fù)載,也可以增加再生能源的穩(wěn)定性。
參見
陀螺儀
飛輪能量儲存
再生制動(Regenerative braking)
參考
免責(zé)聲明:以上內(nèi)容版權(quán)歸原作者所有,如有侵犯您的原創(chuàng)版權(quán)請告知,我們將盡快刪除相關(guān)內(nèi)容。感謝每一位辛勤著寫的作者,感謝每一位的分享。
- 有價(jià)值
- 一般般
- 沒價(jià)值
{{item.userName}} 舉報(bào)
{{item.time}} {{item.replyListShow ? '收起' : '展開'}}評論 {{curReplyId == item.id ? '取消回復(fù)' : '回復(fù)'}}
{{_reply.userName}} 舉報(bào)
{{_reply.time}}