飞轮(英语:flywheel)是在旋转运动中用于储存旋转动能的一种机械装置。飞轮倾向于抵抗转速的改变,当动力源对旋转轴作用有一个变动的力矩时(例如往复式发动机),或是应用在间歇性负载时(例如活塞冲床),飞轮可以减小转速的波动,使旋转运动更加平顺。

一个工业飞轮
一个古老机械中使用的飞轮,位在德国维滕

有些测试需要间歇性的高功率输出,若此功率直接由电力系统提供,可能会造成不想要的电流突波。若配合飞轮使用,当输入功较输出功大时,飞轮会将多余能量转换为本身的动能,同时使飞轮加速;当输入功较输出功小时,飞轮会减速,释放的动能即可成为功率的输出[1]

飞轮通常由钢制成,并在传统的轴承上旋转;旋转速率一般仅限于几千RPM。[2]一些现代的飞轮是用碳纤维材料制成的,并采用磁性轴承,使它们的旋转速度能够高达60,000 RPM。[3]

原理

 
旋转中的飞轮

飞轮是一个延著固定轴旋转的轮子或圆盘,能量以旋转动能的方式储存在转子中:

 

其中

 角速度
 质量相对轴心的转动惯量,转动惯量是物体抵抗力矩的能力,给予一定力矩,转动惯量越大的物体转速越低。
  • 固体圆柱的转动惯量为 ,
  • 若是薄壁空心圆柱,转动惯量为 ,
  • 若是厚壁空心圆柱,转动惯量则为 .

其中 表示质量, 表示半径,  分别代表外圈与内圈半径,在转动惯量列表中可以找到更多的信息。

在使用国际单位制计算时,质量、半径及角速度的单位分别是千克、米,弧度/秒,所得到的结果会是焦耳

由于飞轮可储存的能量是和转动惯量成正比,因此在设计飞轮时,会尽量在不变动质量的条件下,去增加其转动惯量,例如说将中间搂空,质量集中在飞轮的外围等作法。

在利用飞轮储存能量时,还需要考虑在转子不变形或断裂的前提下,飞轮可储存的能量上限,主要需考量转子的环向应力英语hoop stress

 

其中

 是转子外圈所受到的张应力
 是转子的密度
 是转子的半径
 是转子的角速度

飞轮储存的能量

范例

以下是一些“飞轮”的范例及其储存的能量, 

物体 k(随形状而变) 质量 直径 转速 所储存的能量(焦耳) 所储存的能量
脚踏车车轮(时速20公里) 1 1千克 70厘米 150 rpm 15 J 4×10−3 Wh
速度加倍的脚踏车车轮(时速40公里) 1 1千克 70厘米 300 rpm 60 J 16×10−3 Wh
质量加倍的脚踏车车轮(时速20公里) 1 2千克 70厘米 150 rpm 30 J 8×10−3 Wh
火车车轮(时速60公里) 1/2 942千克 1米 318 rpm 65 kJ 18 Wh
大卡车车轮(时速30公里) 1/2 1000千克 2米 79 rpm 17 kJ 4.8 Wh
小的飞轮电池 1/2 100千克 60厘米 20000 rpm 9.8 MJ 2.7 kWh
火车再生制动用的飞轮 1/2 3000千克 50厘米 8000 rpm 33 MJ 9.1 kWh
备用电源用的飞轮 1/2 600千克 50厘米 30000 rpm 92 MJ 26 kWh
地球 2/5 5.97×1024千克 12,725公里 大约每天一转(696 µrpm[nb 1] 2.6×1029 J 72 YWh(× 1024 Wh)

飞轮能量和材料的关系

对于相同尺寸外形的飞轮,其动能和环向应力及体积成正比:

 

若以质量来表示,则其动能和质量成正比,也和单位密度的环向应力成正比:

 

 可以称为比强度。若飞轮使用材质的比强度越高,其单位质量下的能量密度也就就越大。

历史

 
一个White and Middleton 1898固定式发动机的图,其飞轮是二个一组的

飞轮的概念很早就出现在人类的生活中,新石器时代纺锤陶轮都有类似飞轮的概念[4]

十一世纪时安达卢斯的农艺师Ibn Bassal在其著作《Kitab al-Filaha》中,描述飞轮应用在水力机械中的情形[5]

根据从事中世纪研究的学者Lynn White的资料,首次出现使用飞轮来作为稳定转速的记载是在德国艺术家Theophilus Presbyter(约1070-1125)的著作《De diversibus artibus》(On various arts)中,他在他的许多机器中都使用到飞轮[4][6]

工业革命时,詹姆斯·瓦特将飞轮应用在蒸气机上,而詹姆斯·皮卡德英语James Pickard将飞轮和曲柄一起使用,将往复式运动变成旋转运动。

应用

飞轮应用在车辆上时,需考虑进动的问题。若一个旋转的飞轮受到其他会改变其旋转轴力矩的影响,飞轮的旋转轴也会会绕另一个轴旋转,这个称为进动。一部有垂直轴飞轮的车辆在通过山顶或谷底时,会受到一个横向的动量,用二个旋转方向相反的飞轮即可消除此问题。

在现代的应用中动量飞轮英语momentum wheel是一个用在卫星定位用的飞轮,飞轮用来提供其他卫星设备一个正确及固定的方向,不需推力火箭的协助。

飞轮常运用在打洞机及铆钉机中,平时储存电动机提供的能量,在需要功率输出时,即可释放原先储存的能量。

配合内燃机

在内燃机的应用上,飞轮是连结到曲轴上的大质量轮子,主要目的是维持曲轴上固定的角速度。

储能装置

密封于真空中的飞轮可以取代充电电池,非常适用于固定式装置,具有寿命长、无记忆效益、数分钟即可充饱、放电速度与电容相近、成本低等优点。

可以用来应付繁忙负载,也可以增加再生能源的稳定性。

参见

参考

  1. ^ 邱映辉. 机械设计. 北京: 清华大学出版社. 2004: 187 [2010-07-16]. 7302094020. (原始内容存档于2014-11-09). 
  2. ^ [1]页面存档备份,存于互联网档案馆); "Flywheels move from steam age technology to Formula 1"; Jon Stewart | 1 July 2012, retrieved 2012-07-03
  3. ^ [2]页面存档备份,存于互联网档案馆), "Breakthrough in Ricardo Kinergy ‘second generation’ high-speed flywheel technology"; Press release date: 22 August 2011. retrieved 2012-07-03
  4. ^ 4.0 4.1 White, Jr., Lynn. Theophilus Redivivus. Technology and Culture. Spring 1964, 5 (2): 233. 
  5. ^ Ahmad Y Hassan. Flywheel Effect for a Saqiya. History of Science and Technology in Islam. [2010-07-14]. (原始内容存档于2010-10-07). 页面存档备份,存于互联网档案馆
  6. ^ White, Jr., Lynn. Medieval Engineering and the Sociology of Knowledge. The Pacific Historical Review. Feb 1975, 44 (1): 6. 
  1. ^ 1/(60 * 24)*(366.26/365.26)

外部链接