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飛輪

Wikipedia · 2026-06-19 维基百科 👁 1 阅读

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飞轮（）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。

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。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。

原理
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：

:E_k=\frac{1}{2}\cdot I\cdot \omega^2

其中
:\omega是角速度
: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I_z = \frac{1}{2} mr^2,
  • 若是薄壁空心圓柱，轉動慣量為I = m r^2 \,,
  • 若是厚壁空心圓柱，轉動慣量則為I = \frac{1}{2} m({r_1}^2 + {r_2}^2).

其中m表示質量，r表示半徑，r_1、r_2分別代表外圈與內圈半徑，在轉動慣量列表中可以找到更多的資訊。

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{{le|環向應力|hoop stress|環-{向}-應力}}：
: \sigma_t = \rho r^2 \omega^2 \
其中
: \sigma_t 是轉子外圈所受到的張應力
: \rho 是轉子的密度
: r 是轉子的半徑
: \omega 是轉子的角速度

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 = kmr^2。

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：
:E_k \varpropto \sigma_tV

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：
:E_k \varpropto \frac{\sigma_t}{\rho}m
\frac{\sigma_t}{\rho} 可以稱為比強度。若飛輪使用材質的比強度越高，其單位質量下的能量密度也就就越大。

歷史
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。

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。

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。

在工業革命時，詹姆斯·瓦特將飞轮應用在蒸氣機上，而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
外部連結

#机械工程 #儲能技術 #发动机技术 #飛輪

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