Маховикът е тежък диск или колело, което е прикрепено към въртящ се вал. Той служи като механично средство за съхранение на енергия чрез кинетична енергия на въртене. Поради своята моментна инерция маховикът се противопоставя на бързите промени в ъгловата скорост на вала и по този начин заглажда колебанията в въртящия момент, приложен към него. Това е особено полезно при двигателите, които използват бутала за осигуряване на мощност (четиритактови двигатели, дизелови и др.), където въртящият момент е неравномерен — маховикът намалява колебанията и поддържа по-постоянна скорост на въртене.

Принцип на работа

За да се завърти маховик, е необходимо да се вложи енергия. Ако триенето е малко (качествени лагери и балансиране), маховикът може да запази тази енергия дълго време и да я отдаде при нужда. Количеството съхранена енергия зависи от масата (M), разпределението на масата спрямо оста (момент на инерция I), радиуса (R) и ъгловата скорост {\displaystyle \omega } {\displaystyle \omega } (в радиани в секунда). Основната формула за кинетичната енергия на въртящо тяло е:

E = 1/2 · I · ω2 = 1/2 I ω{\displaystyle \omega }2.

За някои често срещани форми на маховик моментът на инерция I има проста форма:

  • Твърд диск (еднороден): I = 1/2 M R2 → E = 1/4 M R2 ω2
  • Тънък обръч (масата на периферията): I = M R2 → E = 1/2 M R2 ω2

Оттук е видно, че ефикасността за съхранение на енергия расте бързо с радиуса и с ъгловата скорост (ω^2). Затова дизайнът на маховиците често поставя масата на периферията (обручване), или използва голяма скорост при по-мала маса (композитни материали).

Примерно изчисление

Пример: твърд диск с маса 100 kg и радиус 0.5 m, въртящ се с 3000 оборота в минута (rpm). Преобразуваме оборотите в ω: 3000 rpm = 50 rev/s, ω = 2π·50 ≈ 314.16 rad/s. За твърд диск E = 1/4 M R2 ω2:

E ≈ 0.25 · 100 · (0.5)2 · (314.16)2 ≈ 6.16·105 J ≈ 616 kJ.

Това показва, че относително компактни маховици могат да съхраняват стотици килоджаули при високи обороти.

Приложения

  • Гладко въртене и акумулиране на въртящ момент в двигатели (автомобилни и индустриални маховици).
  • Системи за съхранение на енергия (FESS — flywheel energy storage systems) за сгъстяване на енергия, краткосрочно съхранение, изравняване на пикова потребление и бързо отдаване на енергия при нужда.
  • Регенеративно спиране и възстановяване на енергия: в миналото и някои съвременни градски автобуси и трамваи маховиците се използват за съхраняване на кинетична енергия при спиране и връщане при потегляне — примерно, когато автобусът спре, маховикът може да поеме част от енергията, така че автобусът да се забави, докато маховикът ускори; при потегляне енергията се връща обратно.
  • Системи за краткотрайно буфериране на мощност в индустрията и при електрически мрежи (регулиране на честотата и реакция при пик).
  • Автомобилни състезателни технологии (KERS — кинетична рекуперация) и някои хибридни концепции.
  • Устройствa за управление на ориентацията в космически апарати (reaction wheels и momentum wheels) използват въртящи маси за контрол на ъгловия момент — тук основната цел е управление на ъгловия момент, не съхранение на енергия, но принципите са сходни.

Материали, конструкции и безопасност

Съвременните маховици за енергийно натрупване използват високоякостни материали като стомана и композити (например въглеродни нишки), за да постигнат висока скорост и голяма специфична енергия при относително ниско тегло. За да се минимизират загубите и опасността при високи обороти, често се използват:

  • вакуумни корпуси (намаляване на аеродинамичните загуби);
  • магнитни или нискотрибни лагери (намаляване на механичното триене);
  • контейнери за задържане при фатално разрушаване (енергията при разкъсване е значителна и може да бъде опасна);
  • строго балансиране и мониторинг за предотвратяване на вибрации и умора на материала.

При проектиране трябва да се следи пределът на якост и центростремителните напрежения (които нарастват с ω2). Това ограничава максималната позволяема ъглова скорост и определя изборa на материал и геометрия (масата концентрирана в периферията повишава енергийната плътност, но и напреженията).

Предимства и недостатъци

  • Предимства: висока мощност при отдаване и приемане (бързо зареждане/разреждане), дълъг живот и голям брой цикли, добро КПД при краткотрайни цикли.
  • Недостатъци: ограничена енергийна плътност в сравнение с батерии (особено химически), необходимост от сложна конструкция за работа при високи скорости и мерки за безопасност.

В заключение, маховикът е прост, но много ефективен механичен акумулатор на енергия — от класическия маховик в двигателите до съвременните FESS решения, комбинацията от правилна конструкция, материали и системи за контрол прави маховиците подходящи за много приложения, където са необходими бързо отдаване/приемане на енергия и дълъг експлоатационен живот.