Svänghjul – definition, funktion och hur det lagrar rörelseenergi

Ett svänghjul är en tung skiva eller ett hjul som är fäst vid en roterande axel. Svänghjul används för lagring av rörelseenergi. Svänghjulets drivkraft gör att det inte lätt ändrar sin rotationshastighet. På grund av detta hjälper svänghjul till att hålla axeln roterande med samma hastighet. Detta är till hjälp när det vridmoment som appliceras på axeln ändras ofta. Ojämnt vridmoment kan ändra rotationshastigheten. Eftersom svänghjulet motstår hastighetsförändringar minskar effekterna av ojämnt vridmoment. Motorer som använder kolvar för att ge kraft har vanligtvis ojämnt vridmoment och använder svänghjul för att åtgärda detta problem.

Grundläggande fysik och hur energi lagras

Det krävs energi för att få ett hjul (vilket som helst) att rotera. Om det finns lite friktion (bra lager) kommer det att fortsätta att rotera länge. När energi behövs kan den tas från hjulet igen. Det är alltså ett enkelt mekaniskt sätt att lagra energi. Mängden lagrad energi beror på hur mycket massa som finns och hur den är fördelad samt på {\displaystyle \omega } $\omega$ (vinkelhastigheten).

Den generella formeln för rotationsenergi är:

E = 1/2 I ω²

där I är tröghetsmomentet (moment of inertia) som beskriver hur massan är fördelad i förhållande till rotationsaxeln, och ω är vinkelhastigheten. För vissa vanliga former fås I enkelt:

För en tunn ring eller ett massivt hjul där all massa ligger på avstånd R från axeln: I = MR². Då blir energin E = 1/2 MR² ω².
För en homogen skiva (solid disk) av massa M och radie R: I = 1/2 MR². Då blir energin E = 1/4 MR² ω².

Sammanfattningsvis påverkar alltså både massan M, radien R (eller hur massan är fördelad) och vinkelhastigheten {\displaystyle \omega } $\omega$ hur mycket energi som kan lagras.

Praktisk användning och konstruktion

Ett svänghjul är inte vilket hjul som helst, utan det är särskilt utformat för att lagra energi. För att lagra mycket energi görs det antingen tungt (stor massa) och/eller konstruerat för att rotera mycket snabbt. Massan bör gärna vara placerad så långt ut från axeln som möjligt för att ge högt tröghetsmoment.

Exempel på tillämpningar:

Forntida och moderna förbränningsmotorer: svänghjulet jämnar ut det ojämna vridmomentet från kolvarna och underlättar start.
Hybdrid- och regenerativa bromssystem: vissa bussar och tåg överför bromsenergi till ett svänghjul för lagring och återanvänder den vid acceleration.
Industriella maskiner och generatorer: svänghjul används för att hålla en jämn drift vid kortvariga belastningsvariationer.
Energi-lagringsanläggningar: moderna "flywheel energy storage systems" kan leverera korta, höga effekttoppar och fungera som buffert i elnätet.
Specifika applikationer som mekaniska urverk, vissa verktygsmaskiner och experimentuppställningar där jämn rotation är viktigt.

Material, hastigheter och säkerhet

Materialval beror på vilken typ av svänghjul det är. Tunga, lågvarviga svänghjul kan vara gjorda i stål eller gjutjärn medan högvarviga energilagrande hjul ofta görs i högstyrkekompositer eller speciella stållegeringar för att tåla centrifugalkrafterna. För högvarviga system används ofta vakuumkammare för att minimera luftmotstånd och avancerade lager (magnetiska eller keramiska) för att minska friktion.

Säkerhet är viktig: ett svänghjul som går sönder kan slungas sönder med stor kraft. Därför placeras industrisvänghjul ofta i skyddande höljen som klarar fragmentering, och konstruktion samt provning följer strikta standarder.

Hur energi överförs

Energin kan överföras till och från svänghjulet på flera sätt: mekaniskt via kopplingar och växlar, eller elektriskt genom att använda en motor/generator som driver eller bromsar svänghjulet. I många moderna system används kontrollerade kopplingar eller magnetiska kopplingar för att ladda (accelerera) och ladda ur (bromsa) svänghjulet.

Fördelar och begränsningar

Fördelar: Snabb energilagring och utdelning, hög verkningsgrad vid korta lagringstider, lång livstid och många cykler.
Begränsningar: Energitäthet är ofta lägre än för batterier om man räknar per vikt, krav på robust konstruktion och skydd, samt kostnad för högpresterande material och vakuumkammare.

Sammanfattningsvis är svänghjul ett effektivt mekaniskt sätt att lagra och återge energi, särskilt när det handlar om att jämna ut snabba variationer i effekt eller att leverera korta, högintensiva effekttoppar. Konstruktionens detaljer—massa, hur massan fördelas och rotationshastigheten—avgör hur mycket energi som kan lagras.

Ett enkelt svänghjul i rörelse. Konstruerad efter ritningar av Leonardo da Vinci.

Svänghjul med ekrar

Matematik för svänghjul

Den kinetiska energin i ett roterande svänghjul är

E = 1 2 I ω 2 {\displaystyle E={\frac {1}{2}}}I\omega ^{2}}} $E={\frac {1}{2}}I\omega ^{2}$

Där tröghetsmomentet för den centrala massan är lika med

I = 1 2 M R 2 {\displaystyle I={\frac {1}{2}}}MR^{2}}} $I={\frac {1}{2}}MR^{2}$

där I {\displaystyle I} är massans tröghetsmoment runt rotationscentrum och ω {\displaystyle \omega } $\omega$ (omega) är vinkelhastigheten i radiansenheter.

Historia

Svänghjulet har använts sedan urminnes tider, det vanligaste traditionella exemplet är krukmakarskivan. Under den industriella revolutionen bidrog James Watt till utvecklingen av svänghjulet i ångmaskinen, och hans samtida James Pickard använde ett svänghjul.

Andra betydelser

I riskkapitalvärlden används begreppet "svänghjul" för att beskriva det återkommande, marginalgenererande hjärtat i ett företag.

Frågor och svar

F: Vad är ett svänghjul?

S: Ett svänghjul är en tung skiva eller ett hjul som är fäst vid en roterande axel. Det används för lagring av kinetisk energi och hjälper till att hålla axeln roterande med samma hastighet genom att motstå förändringar i hastigheten på grund av ojämnt vridmoment.

F: Hur lagrar ett svänghjul energi?

S: Ett svänghjul lagrar energi genom att ta upp den från hjulet när det roterar och sedan släppa ut den igen när energi behövs. Mängden lagrad energi beror på dess massa, vinkelhastighet och radie.

F: Vilka är några användningsområden för svänghjul?

S: Svänghjul används i motorer som använder kolvar för att ge kraft eftersom de hjälper till att lösa problemet med ojämnt vridmoment som ändrar rotationshastigheten. De används också i bussar för att stoppa och starta, där rotationsenergi från hjulen överförs till svänghjulet så att det kan sakta ner samtidigt som det ökar i hastighet.

F: Vilka faktorer påverkar hur mycket energi ett svänghjul kan lagra?

S: Mängden energi som lagras i ett svänghjul beror på dess massa, vinkelhastighet och radie. Tyngre vikter med högre hastigheter kräver mer energi för att rotera dem än lättare vikter med lägre hastigheter.

F: Är alla hjul "svänghjul"?

S: Nej, alla hjul anses inte vara svänghjul. Svänghjul är särskilt utformade för att lagra rörelseenergi och bör vara tunga eller rotera snabbt för att göra detta effektivt.

F: Hur använder en buss ett svänghjul?

S: Bussar använder svänghjul genom att ansluta dem till hjulen när de stannar (t.ex. vid trafikljus). På så sätt överförs rotationsenergi från hjulen till svänghjulet så att det kan sakta ner samtidigt som det kan öka hastigheten igen när det startar igen senare.