플라이휠

트레비딕의 1802호 증기 기관차는 플라이휠을 사용하여 단일 실린더의 힘을 균등하게 분배했다.

플라이휠 운동

공업용 플라이휠

플라이휠은 회전 에너지를 저장하기 위해 각운동량의 보존을 사용하는 기계 장치로서, 관성 모멘트의 생산물과 회전 속도의 제곱에 비례하는 운동 에너지의 한 형태다.특히 플라이휠의 관성 모멘트가 일정하다고 가정할 때(즉, 일정한 질량과 일정한 축을 중심으로 회전하는 면적의 두 번째 모멘트를 가진 플라이휠) 저장된(회전) 에너지는 회전 속도의 제곱과 직접 연관된다.

플라이휠은 나중에 사용하기 위해 기계적 에너지를 저장하는 역할을 하기 때문에 전기 인덕터의 운동 에너지 아날로그로 간주하는 것은 당연하다.일단 적절히 추상화되면, 에너지 저장소의 이 공유 원리는 축전지의 일반화된 개념으로 설명된다.다른 유형의 축전지와 마찬가지로 플라이휠은 본래 시스템의 출력에서 충분히 작은 편차를 부드럽게 하여 시스템의 기계적 속도(사각형 또는 기타)와 관련하여 저역 통과 필터의 역할을 효과적으로 수행한다.더 정확히 말하면, 플라이휠의 저장된 에너지는 전력 입력의 감소에 따른 출력 급증을 기부할 것이며, 반대로 초과 전력 입력(시스템 생성 전력)을 회전 에너지의 형태로 흡수할 것이다.

플라이휠의 일반적인 용도는 다음과 같다.

에너지원의 출력 평활화.예를 들어 플라이휠은 개별 피스톤의 활성 토크가 간헐적이기 때문에 왕복 엔진에 사용된다.
에너지 저장 시스템
에너지 공급원의 능력 이상의 속도로 에너지를 전달한다.이것은 시간이 지남에 따라 플라이휠로 에너지를 수집한 다음 에너지원의 능력을 초과하는 속도로 빠르게 방출함으로써 달성된다.
기계 시스템, 자이로스코프 및 반응 휠의 방향 제어

플라이휠은 일반적으로 강철로 만들어지고 기존 베어링에서 회전하며, 일반적으로 최대 회전 속도가 수천 RPM으로 제한된다.^[1]고에너지 밀도 플라이휠은 탄소 섬유 복합체로 제작할 수 있으며, 자기 베어링을 채용하여 최대 6만 RPM(1kHz)의 속도로 회전할 수 있다.^[2]

적용들

플라이휠이 노출된 랜디니 트랙터

플라이휠은 에너지원이 연속적이지 않은 시스템에서 연속적인 출력을 제공하는 데 종종 사용된다.예를 들어, 플라이휠은 왕복 엔진에서 크랭크축의 빠른 각도 속도 변동을 평활하는 데 사용된다.이 경우 크랭크축 플라이휠은 점화 피스톤에 의해 토크가 작용했을 때 에너지를 저장하고 이를 피스톤에 되돌려 공기와 연료의 신선한 전하를 압축한다.또 다른 예는 장난감 자동차와 같은 장치에 동력을 공급하는 마찰 모터다.스트레스를 받지 않고 비용이 저렴한 경우, 비용을 절약하기 위해 플라이휠 질량의 대부분은 바퀴의 테두리를 향해 있다.질량을 회전 축에서 멀리 밀면 주어진 총 질량의 회전 관성이 높아진다.

현대 자동차 엔진 플라이휠

플라이휠은 또한 에너지 공급원의 능력을 초과하는 전력 수준에서 간헐적인 에너지 펄스를 공급하는데 사용될 수 있다.이것은 에너지원과 호환되는 속도로 일정 기간 동안 플라이휠에 에너지를 축적하고, 그것이 필요한 비교적 짧은 시간에 훨씬 높은 비율로 에너지를 방출함으로써 달성된다.예를 들어 플라이휠은 파워 해머와 리벳 기계에 사용된다.

플라이휠은 방향을 조절하고 원치 않는 움직임에 반대하는데 사용될 수 있다.이러한 맥락에서 플라이휠은 계측을 위한 자이로스코프부터 선박 안정성 및 위성 안정화(반응 휠), 장난감 회전(마찰 모터) 유지, 자력적으로 공중부양된 물체 안정화(스핀 안정화 자기부양)에 이르는 광범위한 응용을 가지고 있다.

플라이휠은 또한 동기 보상기와 같이 반응 전력을 생산하거나 가라앉힐 수 있지만 실제 전력에는 영향을 미치지 않는 전기 보상기로 사용될 수 있다.이 적용의 목적은 시스템의 전력 계수를 개선하거나 그리드 전압을 조정하는 것이다.전형적으로 이 분야에서 사용되는 플라이휠은 동기식 모터와 구조와 설치가 유사하다(그러나 이 맥락에서 동기식 보상기 또는 동기식 콘덴서라고 한다).플라이휠을 이용한 다른 보상기도 있는데, 단상 유도 기계와 같다.하지만 여기서 기본적인 아이디어는 똑같다. 플라이휠은 여러분이 보상하고 싶은 주파수로 정확히 회전하도록 제어된다.동기 보상기의 경우에도 로터와 스테이터의 전압을 위상에 유지해야 하는데, 이는 로터의 자기장과 총 자기장을 위상(회전 프레임 기준)으로 유지하는 것과 같다.

역사

플라이휠의 원리는 신석기 스핀들과 도예기 바퀴에서 발견되며, 고대의 원형 갈림돌에서도 발견된다.^[3]

11세기 초에 이븐 바살은 노리아와 사키야의 플라이휠에 사용되는 것을 개척했다.^[4]

플라이휠을 회전 속도를 균등화하기 위한 일반적인 기계 장치로 사용하는 것은 독일 장인 테오필루스 장로(ca. 1070–1125)의 드 다이버버스 아티버스(De diversibus Artibus)에 기록되어 있는 미국의 중세학자 린 화이트(Lynn White)에 따르면, 이 장치를 여러 기계에 적용하는 것을 기록한다.^[3]^[5]

산업혁명에서 제임스 와트는 증기기관에서 플라이휠의 발전에 기여했고, 그의 현대적인 제임스 피카드는 크랭크를 결합한 플라이휠을 사용하여 왕복운동을 회전운동으로 변환시켰다.

물리학

미디어 재생

레오나르도 다 빈치가 구상한 관성 모멘트가 가변적인 플라이휠.

플라이휠(flywheel)은 대칭 축을 중심으로 회전하는 회전 바퀴, 즉 디스크 또는 회전자를 말한다.에너지는 로터의 운동 에너지, 특히 회전 에너지로 저장된다.

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

여기서:

$E_{k}$ $E_{k}$ ${\$ 은 $E_{k}$ (는) 저장된 운동 에너지,
Ω은 각도 속도,
$I$ $I$ 은 $I$ 플라이휠의 대칭 축에 대한 관성의 순간이다.관성 모멘트는 회전하는 물체에 가해지는 토크에 대한 저항의 척도(즉, 관성 모멘트가 높을수록 주어진 토크를 가했을 때 가속이 느려진다)이다.
고체 실린더의 관성 모멘트는 $I={\frac {1}{2}}mr^{2}$ = $I={\frac {1}{2}}mr^{2}$ $I={\frac {1}{2}}mr^{2}$ $I={\frac {1}{2}}mr^{2}$ $I={\frac {1}{2}}mr^{2}$ ${\$
박벽 빈 실린더는 $I=mr^{2}$ = m r $I=mr^{2}$ ${\$
두꺼운 벽이 있는 빈 실린더의 $I={\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})$ $I={\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})$ $I={\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})$ 1 $I={\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})$ ^[6] $I={\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})$ $I={\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})$ $I={\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})$ $I={\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})$ $I={\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})$ $I={\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})$ $I={\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})$ l $I={\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})$ + r $I={\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})$ $I={\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})$ $I={\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})$ $I={\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})$ l $I={\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})$ ) $displaystyle I={\frac {1}{1}{$ 2}} $m({r_{\mathrm{외부}}{{r_{}}}}}}}{$ r_ ${\mathrmatr}{interm$ }}{inal $}}}}}}{}}{}}}}{}}}}}}}}}}}{}}}}}}}}}}}}{}}}}}}$

$r$ 서 $m$ $m$ 은 $m$ 질량을 나타내고, r $r$ 은 $r$ 반지름을 나타낸다.

SI 단위를 사용하여 계산할 때 단위는 질량, 킬로그램, 반지름, 미터, 각도 속도의 경우 초당 라디안과 결과 에너지가 줄에 있을 것이다.

회전 에너지가 증가하면 로터가 분해될 때까지 플라이휠에 저장할 수 있다.이는 로터 내의 후프 응력이 로터 재료의 최종 인장 강도를 초과할 때 발생한다.

$\chma _{t}=\rho r^{2}\오메가 ^{2}\$

여기서:

$\sigma _{t}$ $\sigma _{t}$ ${\$ 는 $\sigma _{t}$ 실린더 림의 인장응력이다.
$\rho$ $\rho$ 은 $\rho$ (는) 실린더 밀도
$r$ $r$ 은 $r$ (는) 실린더의 반지름이며,
$\omega$ $\omega$ 은 $\omega$ (는) 실린더의 각도 속도다.

전기 기계로 구동되는 플라이휠은 흔하다.전기기계의 출력전력은 플라이휠의 출력전력과 거의 같다.

동기식 시스템의 출력 전력:

$P=(V_{i})(V_{t})(왼쪽({\frac {\sin(\delta )}{X_{S}}}\오른쪽)$

여기서:

$V_{i}$ $V_{i}$ ${\$ 는 $V_{i}$ 스테이터 권선과 상호 작용하여 발생하는 로터 권선의 전압이다.
$V_{t}$ $V_{t}$ ${\$ 은 $V_{t}$ (는) 스테이터 전압임
$\delta$ ${\displaystyle \delta$ }이 $($ 가) 토크 $\delta$ 각도임(두 전압 사이의 각도)

재료선택

플라이휠은 많은 다른 재료로 만들어진다; 응용 프로그램은 재료의 선택을 결정한다.납으로 만든 작은 플라이휠은 어린이 장난감에서 발견된다.^{[citation needed]}주철 플라이휠은 오래된 증기기관에서 사용된다.자동차 엔진에 사용되는 플라이휠은 주물이나 결절철, 강철 또는 알루미늄으로 만들어진다.^[7]고강도 강철 또는 복합 재료로 만든 플라이휠은 차량 에너지 저장 및 제동 시스템에 사용할 수 있도록 제안되었다.

플라이휠의 효율은 단위 무게당 저장할 수 있는 최대 에너지에 의해 결정된다.플라이휠의 회전 속도나 각속도가 증가함에 따라 저장된 에너지는 증가하지만, 스트레스 또한 증가한다.후프 응력이 재료의 인장 강도를 초과하면 플라이휠이 분해된다.따라서 인장 강도는 플라이휠이 저장할 수 있는 에너지의 양을 제한한다.

이런 맥락에서 어린이 장난감에서 플라이휠에 납을 사용하는 것은 효율적이지 않지만, 이 경우 제한은 어린이의 당김력이기 때문에 플라이휠 속도는 결코 폭발 속도에 접근하지 않는다.자동차와 같은 다른 애플리케이션에서 플라이휠은 지정된 각 속도로 작동하며, 플라이휠이 장착해야 하는 공간에 의해 제약을 받기 때문에 단위 부피당 저장된 에너지를 최대화하는 것이 목표다.따라서 재료 선택은 용도에 따라 달라진다.^[8]

아래 표에는 플라이휠 적용에 대한 재료 및 설명에 대한 계산된 값이 수록되어 있다.CFRP는 탄소섬유 보강 폴리머를, GFRP는 유리섬유 강화 폴리머를 의미한다.

재료	특정 인장 강도 $\left(\mathrm {\frac {kJ}{kg}} \right)$ $\left(\mathrm {\frac {kJ}{kg}} \right)$ $\left(\mathrm {\frac {kJ}{kg}} \right)$ ) ${\$	평.
도자기	200–2000(일반적으로만 해당)	깨지기 쉽고 장력이 약하므로 제거
합성물: CFRP	200–500	최고의 성능—좋은 선택
복합 재료: GFRP	100–400	거의 CFRP만큼 좋고 저렴하다.
베릴륨	300	최고의 금속이지만 비용이 많이 들고 작업하기 어렵고 기계에 독성이 있음
고강도강	100–200	Mg 및 Ti 합금보다 저렴함
고강도알합금	100–200	Mg 및 Ti 합금보다 저렴함
고강도 Mg 합금	100–200	강철 및 알로이와 동일한 성능
티 합금	100–200	강철 및 알로이와 동일한 성능
납합금	3	매우 낮음
주철	8–10	매우^[9] 낮음

아래 표는 250 J를 저장하기 위한 질량, 반지름 및 각 속도에 대해 계산된 값을 보여준다.탄소섬유 플라이휠은 단연코 가장 효율적이지만, 가장 큰 반경도 가지고 있다.볼륨이 제약되는 (자동차와 같은) 애플리케이션에서는 탄소섬유 플라이휠이 최선의 옵션이 아닐 수 있다.

재료	에너지 저장(J)	질량(kg)	반지름(m)	각도 속도(rpm)	효율성(J/kg)	에너지 밀도(kWh/kg)
주철	250	0.0166	1.039	1465	15060	0.0084
알루미늄합금	250	0.0033	1.528	2406	75760	0.0421
마레이징강	250	0.0044	1.444	2218	56820	0.0316
합성물: CFRP(40% 에폭시)	250	0.001	1.964	3382	250000	0.1389
합성물: GFRP(40% 에폭시)	250	0.0038	1.491	2323	65790^[10]	0.0365

에너지 저장 특성 표

플라이휠 용도, 유형	기하형상계수(k) (단위 없음 - 모양에 따라 다름)	미사 (kg)	지름 (cm)	각도 속도 (rpm)	저장된 에너지 (MJ)	저장된 에너지 (kWh)	에너지 밀도(kWh/kg)
소형전지	0.5	100	60	20,000	9.8	2.7	0.027
열차의 회생 제동	0.5	3000	50	8,000	33.0	9.1	0.003
전력 백업^[11]	0.5	600	50	30,000	92.0	26.0	0.043^[12]^[13]^[14]^[15]

비교를 위해 가솔린(가솔린)의 에너지 밀도는 44.4 MJ/kg 또는 12.3 kWh/kg이다.

고에너지 소재

주어진 플라이휠 설계의 경우 운동 에너지는 재료 밀도와 질량에 대한 후프 응력의 비율에 비례한다.

$E_{k}\varpropto {\frac {\sigma _{t}{\rho }$

${\frac {\sigma _{t}}{\rho }}$ ${\frac {\sigma _{t}}{\rho }}$ ${\$ 은(는) 특정 인장강도라고 할 수 있다 ${\frac {\sigma _{t}}{\rho }}$ .특정 인장 강도가 가장 높은 플라이휠 재료는 단위 질량 당 가장 높은 에너지 저장량을 산출할 것이다.탄소섬유가 관심 소재인 한 가지 이유다.

주어진 설계의 경우 저장된 에너지는 후프 응력과 부피에 비례한다. 그것은 사실이다.

$E_{k}\varpropto \sigma _{t}V$

디자인

림드

테두리 플라이휠은 림, 허브, 그리고 스포크를 가지고 있다.^[16]플라이휠의 관성 모멘트 계산은 다양한 단순화를 적용하여 보다 쉽게 분석할 수 있다.예를 들면 다음과 같다.

스포크, 샤프트 및 허브의 관성 모멘트가 0이고 플라이휠의 관성 모멘트는 림에서만 나온다고 가정한다.
스포크, 허브 및 샤프트의 관성 덩어리는 플라이휠의 관성 모멘트의 백분율로 추정할 수 있으며, 림의 대다수는 림에 기인한다. 따라서 $I_{\mathrm {rim} }=KI_{\mathrm {flywheel} }$ $I_{\mathrm {rim} }=KI_{\mathrm {flywheel} }$ $I_{\mathrm {rim} }=KI_{\mathrm {flywheel} }$ = $I_{\mathrm {rim} }=KI_{\mathrm {flywheel} }$ $I_{\mathrm {rim} }=KI_{\mathrm {flywheel} }$ $I_{\mathrm {rim} }=KI_{\mathrm {flywheel} }$ $I_{\mathrm {rim} }=KI_{\mathrm {flywheel} }$ e $I_{\mathrm {rim} }=KI_{\mathrm {flywheel} }$ ${\$ flimatthealthwheetwheetwheetholdwheel}}}}}}}}}}

예를 들어 허브, 스포크 및 샤프트의 관성 모멘트를 무시할 수 있는 것으로 간주하고 림의 두께가 평균 반지름( $R$ ${\displaystyle R})$ 에 비해 매우 작을 경우 림의 회전 반경은 평균 반지름과 같으므로 다음과 같다. $R$

$I_{\mathrm {rim}}}=M_{\mathrm {rim}{}R^{2}$

샤프트리스

샤프트 없는 플라이휠은 고리 구멍, 샤프트 또는 허브를 제거한다.기존 설계에^[17] 비해 에너지 밀도는 높지만 자석 베어링과 제어시스템이 전문적으로 필요하다.^[18]

플라이휠의 특정 에너지는 다음에 의해 결정된다.

${\frac {E}{M}=K{\frac {\sigma}{\rho }}$

여기서 $K$ $K$ 이(가) 형상 $K$ 인자, , $\sigma$ 재료의 $\sigma$ 인장 강도와 $\rho$ ${\displaysty \rho}$ 밀도 $\rho$ .일반적인 플라이휠은 0.3의 형상계수를 가지고 있다.샤프트 없는 플라이휠과 같은 더 나은 설계는 형상 요인이 0.6에 가깝고 이론적 한계는 약 1이다.^[19]

슈퍼플라이휠

최초의 초파리 바퀴는 1964년 소련-러시아 과학자 누르베이 기리아에 의해 특허를 받았다.^[20]^[21]

초파리바퀴는 단단한 코어(허브)와 특수강, 탄소섬유복합체, 유리섬유, 그래핀 등 여러 겹의 고강도 유연재료를 감싼 얇은 층으로 구성된다.^[22]기존의 플라이휠에 비해 슈퍼플라이휠은 더 많은 에너지를 저장할 수 있고 작동하기에^[23] 더 안전하다.

고장일 경우 슈퍼플라이휠은 일반 플라이휠처럼 폭발하거나 큰 파편으로 터지지 않고 층으로 쪼개진다.그런 다음 분리된 층들은 초파리 바퀴를 인클로저의 안쪽 벽에 미끄러져 내려감으로써 더 이상의 파괴를 막는다.

초플라이휠의 정확한 에너지 밀도 값은 사용되는 재료에 따라 달라지지만 그래핀 초플라이휠의 경우 이론적으로 질량 kg당 1200Wh(4.4 MJ)까지 높을 수 있다.

참고 항목

참조

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추가 읽기

Weissbach, R. S.; Karady, G.G.; Farmer, R. G. (April 2001). "A combined uninterruptible power supply and dynamic voltage compensator using a flywheel energy storage system". IEEE Transactions on Power Delivery. 16 (2): 265–270. doi:10.1109/61.915493. ISSN 0885-8977.
"Synchronous Generators I" (PDF).
https://pserc.wisc.edu/documents/general_information/presentations/presentations_by_pserc_university_members/heydt_synchronous_mach_sep03.pdf

외부 링크

위키미디어 커먼스의 플라이휠 관련 미디어
오늘의 흥미로운 일에 플라이휠 배터리를 쓰세요.
플라이휠 기반 마이크로그리드 안정화 기술, ABB
파워스토어

[BBC-1] "Flywheels move from steam age technology to Formula 1". Archived from the original on 2012-07-03. Retrieved 2012-07-03.; "플라이휠은 증기 시대 기술에서 포뮬러 1로 이동한다."; 2012년 7월 1일, 2012-07-03을 검색한 존 스튜어트

[Kinergy-2] "Breakthrough in Ricardo Kinergy 'second generation' high-speed flywheel technology". 2011-08-21. Archived from the original on 2012-07-05. Retrieved 2012-07-03., "Ricardo Kinergy '2세대' 고속 플라이휠 기술 돌파"; 보도자료: 2011년 8월 22일. 2012-07-03 검색

[Lynn_White,_Jr._233-3] 린 화이트 주니어, "Theophilus Redivus", 기술 및 문화, 제 5, 2권 (1964년 봄), 검토, 페이지 224–233 (233)

[4] Letcher, Trevor M. (2017). Wind energy engineering: a handbook for onshore and offshore wind turbines. Academic Press. pp. 127–143. ISBN 978-0128094518. Ibn Bassal (AD 1038–75) of Al Andalus (Andalusia) pioneered the use of a flywheel mechanism in the noria and saqiya to smooth out the delivery of power from the driving device to the driven machine

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v t 내연기관
자동차 시리즈의 일부
엔진 블록 & 회전 조립체	밸런스축 블록 히터 보어 연결봉 크랭크케이스 크랭크케이스 환기 시스템(PCV 밸브) 크랭크핀 크랭크축 코어 플러그(동결 플러그) 실린더(뱅크, 레이아웃) 변위 플라이휠 사격순서 스트로크 메인 베어링 피스톤 피스톤 링 스타터 링 기어
밸브트레인 & 실린더 헤드	오버헤드 밸브(푸시로드) 레이아웃 오버헤드 캠축 레이아웃 태핏/리프터 캠축 연소실 압축비 헤드 개스킷 로커 암 타이밍 벨트 밸브
강제유도	블로오프 밸브 부스트 컨트롤러 인터쿨러 슈퍼차저 터보차저 트윈차저 트윈터보
연료계통	디젤엔진 가솔린 엔진 카뷰레터 연료 필터 연료 분사 연료펌프 연료 탱크
점화	마그네토 압축 점화 코일온플러그 점화 디스트리뷰터 예열 플러그 고압 리드(스파크 플러그 와이어) 점화 코일 스파크 점화 스파크 플러그
엔진 관리	엔진 컨트롤 유닛(ECU)
전기 시스템	교류발전기 배터리 다이너모 스타터 모터
흡입 시스템	에어박스 에어필터 공회전 공기 컨트롤 액추에이터 흡기 다지관 MAP 센서 MAF 센서 스로틀 스로틀 위치 센서
배기 시스템	촉매변환기 디젤 미립자 필터 EGT 센서 배기 다지관 목도리 산소 센서
냉각 시스템	공기 냉각 수냉 선풍기 라디에이터 온도 조절기 비스코스 팬(팬 클러치)
윤활	기름 오일 필터 오일펌프 섬프(웨트 섬프, 드라이 섬프)
기타	노킹/핑잉 파워밴드 레드라인 층화충전하 상사점
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