飛輪
本条目描述的是能量儲存元件。关于自行車中的元件，见後變速盤；关于变形金刚角色，见飛輪 (變形金剛)
一個工業飛輪
一個古老機械中使用的飛輪，位在德國的維滕。
飞轮（flywheel）是在旋转运动中用于储存旋轉動能的一种机械装置。飞轮傾向於抵抗轉速的改變，当动力源对旋转轴作用有一个变动的力矩时（例如往複式發動機），或是應用在間歇性負載時（例如活塞或沖床），飞轮可以減小轉速的波動，使旋转运动更加平顺。
有些測試需要間歇性的高功率輸出，若此功率直接由電力系統提供，可能會造成不想要的電流突波。若配合飞轮使用，當輸入功較輸出功大時，飞轮會將多餘能量轉換為本身的動能，同時使飞轮加速；當輸入功較輸出功小時，飞轮會減速，釋放的動能即可成為功率的輸出[1]。
飛輪通常由鋼製成，並在傳統的軸承上旋轉;旋轉速率一般僅限於幾千RPM。[2]一些現代的飛輪是用碳纖維材料製成的，並採用磁性軸承，使它們的旋轉速度能夠高達60,000 RPM。[3]
目录
1 原理
2 飞轮儲存的能量
2.1 範例
2.2 飛輪能量和材料的關係
3 歷史
4 應用
4.1 配合內燃機
4.2 儲能裝置
5 參見
6 參考
7 外部連結
原理
旋轉中的飞轮
飞轮是一個延著固定軸旋轉的輪子或圓盤，能量以旋轉動能的方式儲存在轉子中：
- Ek=12⋅I⋅ω2{displaystyle E_{k}={frac {1}{2}}cdot Icdot omega ^{2}}
其中
ω{displaystyle omega }是角速度
I{displaystyle I}是質量相對軸心的轉動慣量，轉動慣量是物體抵抗力矩的能力，給予一定力矩，轉動慣量越大的物體轉速越低。
- 固體圓柱的轉動慣量為Iz=12mr2{displaystyle I_{z}={frac {1}{2}}mr^{2}}
,
- 若是薄壁空心圓柱，轉動慣量為I=mr2{displaystyle I=mr^{2},}
,
- 若是厚壁空心圓柱，轉動慣量則為I=12m(r12+r22){displaystyle I={frac {1}{2}}m({r_{1}}^{2}+{r_{2}}^{2})}
.
其中m{displaystyle m}
在使用國際單位制計算時，質量、半徑及角速度的單位分別是公斤、公尺，弧度/秒，所得到的結果會是焦耳。
由於飞轮可儲存的能量是和轉動慣量成正比，因此在設計飞轮時，會盡量在不變動質量的條件下，去增加其轉動慣量，例如說將中間摟空，質量集中在飞轮的外圍等作法。
在利用飞轮儲存能量時，還需要考慮在轉子不變形或斷裂的前提下，飞轮可儲存的能量上限，主要需考量轉子的環向應力：
- σt=ρr2ω2 {displaystyle sigma _{t}=rho r^{2}omega ^{2} }
其中
σt{displaystyle sigma _{t}}是轉子外圈所受到的張應力
ρ{displaystyle rho }是轉子的密度
r{displaystyle r}
ω{displaystyle omega }
飞轮儲存的能量
範例
以下是一些「飞轮」的範例及其儲存的能量，I = kmr2。
| 物體 | k（隨形狀而變） | 質量 | 直徑 | 轉速 | 所儲存的能量（焦耳） | 所儲存的能量 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 自行車車輪（時速20公里） | 1 | 1公斤 | 70公分 | 150 rpm | 15 J | 4×10−3 Wh |
| 速度加倍的自行車車輪（時速40公里） | 1 | 1公斤 | 70公分 | 300 rpm | 60 J | 16×10−3 Wh |
| 質量加倍的自行車車輪（時速20公里） | 1 | 2公斤 | 70公分 | 150 rpm | 30 J | 8×10−3 Wh |
| 火車車輪（時速60公里） | 1/2 | 942公斤 | 1公尺 | 318 rpm | 65 kJ | 18 Wh |
| 大卡車車輪（時速30公里） | 1/2 | 1000公斤 | 2公尺 | 79 rpm | 17 kJ | 4.8 Wh |
| 小的飛輪電池 | 1/2 | 100公斤 | 60公分 | 20000 rpm | 9.8 MJ | 2.7 kWh |
| 火車再生制動用的飛輪 | 1/2 | 3000公斤 | 50公分 | 8000 rpm | 33 MJ | 9.1 kWh |
| 備用電源用的飛輪 | 1/2 | 600公斤 | 50公分 | 30000 rpm | 92 MJ | 26 kWh |
| 地球 | 2/5 | 5.97×1024公斤 | 12,725公里 | 大約每天一轉（696 µrpm[nb 1]） | 2.6×1029 J | 72 YWh（× 1024 Wh） |
飛輪能量和材料的關係
對於相同尺寸外形的飛輪，其動能和環向應力及體積成正比：
- Ek∝σtV{displaystyle E_{k}varpropto sigma _{t}V}
若以質量來表示，則其動能和質量成正比，也和單位密度的環向應力成正比：
- Ek∝σtρm{displaystyle E_{k}varpropto {frac {sigma _{t}}{rho }}m}
σtρ{displaystyle {frac {sigma _{t}}{rho }}}
歷史
一個White and Middleton 1898固定式發動機的圖，其飛輪是二個一組的
飞轮的概念很早就出現在人類的生活中，新石器時代的紡錘及陶輪都有類似飞轮的概念[4]。
十一世紀時安達盧斯的農藝師Ibn Bassal在其著作《Kitab al-Filaha》中，描述飞轮應用在水力機械中的情形[5]。
根據從事中世紀研究的學者Lynn White的資料，首次出現使用飞轮來作為穩定轉速的記載是在德國藝術家Theophilus Presbyter（約1070-1125）的著作《De diversibus artibus》（On various arts）中，他在他的許多機器中都使用到飞轮[4][6]。
在工業革命時，詹姆斯·瓦特將飞轮應用在蒸氣機上，而詹姆斯·皮卡德將飞轮和曲柄一起使用，將往復式運動變成旋轉運動。
應用
飛輪應用在車輛上時，需考慮進動的問題。若一個旋轉的飛輪受到其他會改變其旋轉軸力矩的影響，飛輪的旋轉軸也會會繞另一個軸旋轉，這個稱為進動。一部有垂直軸飛輪的車輛在通過山頂或谷底時，會受到一個橫向的動量，用二個旋轉方向相反的飛輪即可消除此問題。
在現代的應用中動量飛輪是一個用在衛星定位用的飛輪，飛輪用來提供其他衛星設備一個正確及固定的方向，不需推力火箭的協助。
飛輪常運用在打洞機及鉚釘機中，平時儲存馬達提供的能量，在需要功率輸出時，即可釋放原先儲存的能量。
配合內燃機
在內燃機的應用上，飛輪是連結到曲軸上的大質量輪子，主要目的是維持曲軸上固定的角速度。
儲能裝置
密封於真空中的飛輪可以取代充電電池，非常適用於固定式裝置，具有壽命長、無記憶效益、數分鐘即可充飽、放電速度與電容相近、成本低等優點。
可以用來應付尖峰負載，也可以增加再生能源的穩定性。
參見
- 陀螺儀
- 飞轮能量储存
再生制動（Regenerative braking）
參考
^ 邱映辉. 机械设计. 北京: 清華大學出版社. 2004: 187 [2010-07-16]. 7302094020.
^ [1]; "Flywheels move from steam age technology to Formula 1"; Jon Stewart | 1 July 2012, retrieved 2012-07-03
^ [2], "Breakthrough in Ricardo Kinergy ‘second generation’ high-speed flywheel technology"; Press release date: 22 August 2011. retrieved 2012-07-03
^ 4.04.1
White, Jr., Lynn. Theophilus Redivivus. Technology and Culture. Spring 1964, 5 (2): 233.
^ 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）.
^ White, Jr., Lynn. Medieval Engineering and the Sociology of Knowledge. The Pacific Historical Review. Feb 1975, 44 (1): 6.
^ 1/(60 * 24)*(366.26/365.26)
外部連結
 | 维基共享资源中相关的多媒体资源：飛輪 |
Interesting Thing of the Day article on the Flywheel。作者：Joe Kissell- 飛輪能量計算器 (英文)
- Some Energy Buffer
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
