Маховик

редактировать
Механическое устройство, специально разработанное для эффективного хранения энергии вращения (кинетической энергии), которая пропорциональна квадрату его скорости вращения и его массы Паровоз Тревитика 1802 года использовал маховик для равномерного распределения мощности его одного цилиндра. Модуль Маховика G2, НАСА Маховик движения Промышленный маховик

A маховик представляет собой механическое устройство, специально разработанное для эффективного хранения энергии вращения (кинетической энергии), которая пропорциональна квадрату его скорости вращения и его массы. Маховики сопротивляются изменениям скорости вращения за счет своего момента инерции, и для изменения накопленной энергии маховика (без изменения его массы) его скорость вращения должна быть увеличена или уменьшена. Поскольку маховики действуют как механические накопители энергии, они являются аналогом накопителя кинетической энергии, например, электрических индукторов, которые представляют собой тип аккумулятора. Как и другие типы аккумуляторов, маховики сглаживают пульсации выходной мощности, обеспечивая выбросы высокой выходной мощности по мере необходимости, поглощая всплески входящей большой мощности (мощность, генерируемую системой) по мере необходимости, и, таким образом, действуют как низкочастотный фильтры по механической скорости (угловой или иной) системы.

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
  • Подача 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, гироскоп и реактивное колесо

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

В последнее время появились батареи маховиков из углеродного композитного материала. были произведены и доказали свою жизнеспособность в реальных испытаниях на обычных автомобилях. Кроме того, их утилизация более экологична, чем традиционные литий-ионные батареи.

Содержание

  • 1 Приложения
  • 2 История
  • 3 Физика
  • 4 Выбор материала
  • 5 Таблица характеристик аккумулирования энергии
    • 5.1 Высокоэнергетические материалы
  • 6 Конструкция
    • 6.1 Обод
    • 6.2 Безвальный
    • 6.3 Superflywheel
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
  • 9 Внешние ссылки

Приложения

A Трактор Landini 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 коленчатого вала в поршневом двигателе. В этом случае маховик коленчатого вала накапливает энергию, когда крутящий момент прилагается к нему от работающего поршня, и возвращает ее поршню для сжатия свежего заряда воздуха и топлива. Другой пример - двигатель трения , который приводит в действие такие устройства, как игрушечные машинки. В ненадежных и недорогих случаях, чтобы сэкономить на расходах, основная масса маховика направляется к ободу колеса. Отталкивание массы от оси вращения увеличивает инерцию вращения для данной общей массы.

Маховик современного автомобильного двигателя

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 силовых молотах и клепальных машинах..

Маховики могут использоваться для управления направлением и противодействия нежелательным движениям, см. гироскоп. Маховики в этом контексте имеют широкий спектр применения: от гироскопов для измерительных приборов до устойчивости корабля и стабилизации спутника (реактивное колесо ), чтобы игрушка продолжала вращаться ( фрикционный двигатель ) для стабилизации объектов, находящихся на магнитной левитации (спин-стабилизированная магнитная левитация )

Маховики также могут использоваться в качестве электрического компенсатора, например, синхронного компенсатора, который может либо производят, либо поглощают реактивную мощность, но не влияют на реальную мощность. Целью этого приложения является повышение коэффициента мощности системы или регулировка напряжения сети. Обычно маховики, используемые в этой области, аналогичны по конструкции и установке, что и синхронный двигатель (но в этом контексте он называется синхронным компенсатором или синхронным конденсатором). Существуют также некоторые другие виды компенсаторов, использующих маховики, например, однофазная индукционная машина. Но основные идеи здесь те же, маховики управляются для вращения ровно t частота, которую вы хотите компенсировать. Для синхронного компенсатора вам также необходимо поддерживать напряжение ротора и статора в фазе, что аналогично поддержанию магнитного поля ротора и общего магнитного поля в фазе (во вращающейся системе координат ).

История

Принцип маховика можно найти в неолитическом веретене и гончарном круге, а также в круглые точильные камни в древности.

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)), впервые был использован Ибн Бассалом (fl. 1038–1075) из Аль-Андалус.

Использование маховика в качестве общего механического Устройство для выравнивания скорости вращения, согласно американскому медиевисту Линн Уайт, зарегистрировано в De diversibus artibus (О различных искусствах) немецкого ремесленника Теофила Пресвитера (ок. 1070 г.) -1125), который описывает применение устройства на нескольких своих машинах.

В Промышленная революция Джеймс Ватт внес свой вклад в разработку маховика в паровой двигатель и его современник Джеймс Пикард использовал маховик в сочетании с кривошипом для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение.

Физика

Файл: Leonardo-Flywheel.ogv Воспроизвести медиа Маховик с переменным моментом инерции, придуманный Леонардо да Винчи.

Маховик - это вращающееся колесо, или диск, или ротор, вращающийся вокруг своего ось симметрии. Энергия сохраняется как кинетическая энергия, более конкретно энергия вращения, ротора :

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

где:

  • E k {\ displaystyle E_ {k}}E_ {k} - накопленная кинетическая энергия,
  • ω - это угловая скорость, а
  • I {\ displaystyle I}I - момент инерции маховика относительно его оси симметрии. Момент инерции - это мера сопротивления крутящему моменту, приложенному к вращающемуся объекту (т. Е. Чем выше момент инерции, тем медленнее он будет ускоряться при приложении заданного крутящего момента).
  • Момент инерции сплошного цилиндра равен I = 1 2 mr 2 {\ displaystyle I = {\ frac {1} {2}} mr ^ {2}}I = {\ frac {1} {2}} mr ^ {2} ,
  • для тонкостенного пустого цилиндра равен I = mr 2 {\ displaystyle I = mr ^ {2}}I = mr ^ {2} ,
  • , а для пустого толстостенного цилиндра I = 1 2 м (внешняя 2 + внутренняя 2) {\ displaystyle I = {\ frac {1} {2}} m ({r _ {\ mathrm {external}}} ^ {2} + {r _ {\ mathrm {internal}}} ^ {2})}I = {\ frac {1} {2}} m ({r _ {\ mathrm {external}}} ^ {2} + {r _ {\ mathrm {internal}}} ^ {2}) ,

где m {\ displaystyle m}mобозначает массу, а r {\ displaystyle r}rобозначает радиус.

При вычислении с использованием единиц СИ единицы измерения массы будут килограммами ; для радиуса, метров; а для угловой скорости радиан на секунду, и результирующая энергия будет в джоулях.

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

  • σ T знак равно ρ р 2 ω 2 {\ displaystyle \ sigma _ {t} = \ rho r ^ {2} \ omega ^ {2} \}\ sigma _ {t} = \ rho r ^ {2} \ omega ^ {2} \

где:

  • σ t {\ displaystyle \ sigma _ {t}}\ sigma _ {t} - растягивающее напряжение на ободе цилиндра.
  • ρ {\ displaystyle \ rho}\ rho - плотность цилиндра
  • r {\ displaystyle r}r- радиус цилиндра, а
  • ω {\ displaystyle \ omega}\ 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:

P = (V i) (V t) (sin ⁡ (δ) XS) {\ displaystyle P = (V_ {i}) (V_ { t}) \ left ({\ frac {\ sin (\ delta)} {X_ {S}}} \ right)}{\ displaystyle P = (V_ {i}) (V_ {t}) \ left ({ \ frac {\ sin (\ delta)} {X_ {S}}} \ right)}

где:

  • V i {\ displaystyle V_ {i}}V_{i}- напряжение обмотки ротора, которое создается полем, взаимодействующим с обмоткой статора.
  • V t {\ displaystyle V_ {t}}V_ {t} - напряжение статора
  • δ {\ displaystyle \ delta }\ delta - угол крутящего момента (угол между двумя напряжениями)

Выбор материала

Маховики изготавливаются из множества различных материалов; приложение определяет выбор материала. Маленькие маховики из свинца встречаются в детских игрушках. Чугунные маховики используются в старых паровых двигателях. Маховики, используемые в автомобильных двигателях, изготавливаются из чугуна или чугуна с шаровидным графитом, стали или алюминия. Маховики, изготовленные из высокопрочной стали или композитов, были предложены для использования в системах аккумулирования энергии и в тормозных системах транспортных средств.

КПД маховика определяется максимальным количеством энергии, которое он может хранить на единицу веса. По мере увеличения скорости вращения или угловой скорости маховика запасенная энергия увеличивается; однако напряжения также увеличиваются. Если кольцевое напряжение превышает предел прочности материала, маховик развалится. Таким образом, предел прочности при растяжении ограничивает количество энергии, которое может накапливать маховик.

В этом контексте использование 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. Таким образом, выбор материала зависит от области применения.

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.

МатериалУдельная прочность на разрыв (кДж кг) { \ displaystyle \ left (\ mathrm {\ frac {kJ} {kg}} \ right)}{\ displaystyle \ left (\ mathrm {\ frac {kJ} {kg}} \ right)} Комментарии
Керамика200–2000 (только сжатие)Хрупкость и слабые при растяжении, поэтому исключите
Композиты: углепластик200–500Лучшая производительность - хороший выбор
Композиты: GFRP100–400Почти такой же хороший, как углепластик, но дешевле
Бериллий300Лучший металл, но дорогой, с трудом обрабатываемый и токсичный для станков
Высокая прочность сталь100–200Дешевле, чем сплавы Mg и Ti
Высокопрочные сплавы Al100–200Дешевле, чем сплавы Mg и Ti
Высокопрочные магниевые сплавы100–200По своим характеристикам примерно равны стали и алюминиевым сплавам
Ti сплавы100–200Примерно равные характеристики стали и алюминиевых сплавов
Свинец сплавы3Очень низкая
Чугун8–10Очень низкая

В таблице ниже приведены расчетные значения массы, радиуса и угловой скорости для хранения 250 Дж. Маховик из углеродного волокна, безусловно, самый эффективный; однако он также имеет самый большой радиус. В приложениях (например, в автомобиле), где объем ограничен, маховик из углеродного волокна может быть не лучшим вариантом.

МатериалНакопитель энергии (Дж)Масса (кг)Радиус (м)Угловая скорость (об / мин)КПД (Дж / кг)Плотность энергии (кВтч / кг)
Чугун2500,01661,0391465150600,0084
Алюминиевый сплав2500,00331,5282406757600,0421
Мартенситностареющая сталь2500,00441,4442218568200,0316
Композит: углепластик (40% эпоксидной смолы)2500,0011,96433822500000,1389
Состав: стеклопластик (40% эпоксидной смолы)2500,00381,4912323657900,0365

Таблица характеристик накопления энергии

Назначение маховика, типГеометрический коэффициент формы (k). (без единиц измерения - зависит от формы)Масса. (кг)Диаметр. (см)Угловая скорость. (об / мин)Накопленная энергия. (МДж)Накопленная энергия. (кВтч)Плотность энергии (кВтч / кг)
Маленькая батарея0,51006020,0009,82,70,027
Регенеративное торможение в поездах0,5300050800033,09,10,003
Резервная электроэнергия0,56005030,00092,026,00,043

Для сравнения плотность энергии бензина (бензина) составляет 44,4 МДж / кг или 12,3 кВтч / кг.

Высокоэнергетические материалы

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

  • Е К ∝ σ T ρ м {\ displaystyle E_ {k} \ varpropto {\ frac {\ sigma _ {t}} {\ rho}} m}E_ {k} \ varpropto {\ frac {\ sigma _ {t}} {\ rho}} m

σ t ρ {\ displaystyle {\ frac {\ sigma _ {t}} {\ rho}}}{\ frac {\ sigma _ {t}} {\ rho}} можно 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, почему углеродное волокно представляет интерес.

Для данной конструкции запасенная энергия пропорциональна кольцевому напряжению и объему:

  • E k ∝ σ t V {\ displaystyle E_ {k} \ varpropto \ sigma _ {t} V}E_ {k} \ varpropto \ sigma _ {t} V

Конструкция

с ободом

Маховик с ободом имеет обод, ступицу и спицы. Расчет момента инерции маховика проще проанализировать, применив 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 могут быть равны оценивается в процентах от момента инерции маховика, большая часть которого приходится на обод, так что I обод = KI маховик {\ displaystyle I _ {\ mathrm {rim}} = KI _ {\ mathrm {маховик}}}I _ {\ mathrm {rim}} = KI _ {\ mathrm {маховик}}

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

  • I обод = M обод R 2 {\ displaystyle I _ {\ mathrm {rim}} = M _ {\ mathrm {rim}} R ^ {2 }}I _ {\ mathrm {rim}} = M _ {\ mathrm {rim}} R ^ {2}

Без вала

Маховик без вала устраняет отверстия в кольцевом пространстве, вал или ступицу. Он имеет более высокую плотность энергии, чем традиционная конструкция, но требует специального магнитного подшипника и системы управления.

Удельная энергия маховика определяется как

  • EM = K σ ρ {\ displaystyle {\ frac {E} {M}} = K {\ frac {\ sigma} {\ rho}}}{\ displaystyle {\ frac {E} {M} } = K {\ frac {\ sigma} {\ rho}}}

, где K {\ displaystyle K}K- коэффициент формы, σ {\ displaystyle \ sigma}\ sigma предел прочности материала на разрыв и ρ {\ displaystyle \ rho}\ rho плотность. Типичный маховик имеет коэффициент формы 0,3. Более совершенные конструкции, такие как безвальный маховик, имеют коэффициент формы, близкий к 0,6, теоретический предел составляет около 1.

Супер-маховик

Первый супер-маховик был запатентован в 1964 году советско-российским ученым..

Супермаховик состоит из твердого сердечника (ступицы) и множества тонких слоев высокопрочных гибких материалов, таких как специальные стали, композиты из углеродного волокна, стекловолокна или графена, намотанных на него. По сравнению с обычными маховиками супермаховики могут накапливать больше энергии и безопаснее в эксплуатации

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, скользя по внутренним стенкам корпуса, тем самым 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

Ссылки

Внешние ссылки

Найдите flywheel в Викисловаре, бесплатном словаре.
Последняя правка сделана 2021-05-20 09:46:39
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте