Volante de inercia

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Un Volante de inercia o volante motor es un dispositivo mecánico que utiliza la conservación del momento angular para almacenar energía de rotación; una forma de energía cinética proporcional al producto de su momento de inercia y el cuadrado de su velocidad de rotación. En particular, suponiendo que el momento de inercia del volante es constante (es decir, un volante con masa fija y un segundo momento de área que gira alrededor de un eje fijo), la energía (rotacional) almacenada se asocia directamente con el cuadrado de su velocidad de rotación.

Dado que un volante sirve para almacenar energía mecánica para su uso posterior, es natural considerarlo como un análogo de energía cinética de un inductor eléctrico. Una vez abstraído adecuadamente, este principio compartido de almacenamiento de energía se describe en el concepto generalizado de acumulador. Al igual que con otros tipos de acumuladores, un volante suaviza inherentemente las desviaciones suficientemente pequeñas en la potencia de salida de un sistema, desempeñando así el papel de un filtro de paso bajo con respecto a la velocidad mecánica (angular o no) del sistema. Más precisamente, la energía almacenada de un volante generará un aumento en la potencia de salida ante una caída en la entrada de potencia y, por el contrario, absorberá cualquier exceso de entrada de potencia (potencia generada por el sistema) en forma de energía de rotación.

Los usos comunes de un volante incluyen suavizar la potencia de salida en motores alternativos, almacenar energía, entregar energía a tasas más altas que la fuente, controlar la orientación de un sistema mecánico usando un giroscopio y una rueda de reacción, etc. Los volantes generalmente están hechos de acero y giran sobre sí mismos. rodamientos convencionales; estos generalmente están limitados a una tasa de revolución máxima de unos pocos miles de RPM. Los volantes de alta densidad de energía pueden fabricarse con compuestos de fibra de carbono y emplear cojinetes magnéticos, lo que les permite girar a velocidades de hasta 60 000 RPM (1 kHz).

Aplicaciones

Los volantes se utilizan a menudo para proporcionar una salida de potencia continua en sistemas donde la fuente de energía no es continua. Por ejemplo, se utiliza un volante para suavizar las rápidas fluctuaciones de velocidad angular del cigüeñal en un motor alternativo. En este caso, un volante del cigüeñal almacena energía cuando un pistón de disparo ejerce un par de torsión sobre él y luego devuelve esa energía al pistón para comprimir una nueva carga de aire y combustible. Otro ejemplo es el motor de fricción que alimenta dispositivos como los coches de juguete. En casos económicos y sin tensión, para ahorrar costos, la mayor parte de la masa del volante está hacia el borde de la rueda. Empujar la masa lejos del eje de rotación aumenta la inercia rotacional para una masa total dada.

También se puede usar un volante para suministrar pulsos intermitentes de energía a niveles de potencia que exceden las capacidades de su fuente de energía. Esto se logra acumulando energía en el volante durante un período de tiempo, a un ritmo compatible con la fuente de energía, y luego liberando energía a un ritmo mucho más alto durante un tiempo relativamente corto cuando se necesita. Por ejemplo, los volantes se utilizan en martillos mecánicos y máquinas remachadoras.

Los volantes se pueden usar para controlar la dirección y oponerse a movimientos no deseados. Los volantes en este contexto tienen una amplia gama de aplicaciones: giroscopios para instrumentación, estabilidad de barcos, estabilización de satélites (rueda de reacción), mantener un juguete girando (motor de fricción), estabilizando objetos levitados magnéticamente (levitación magnética estabilizada por giro).

Los volantes también se pueden usar como un compensador eléctrico, como un compensador síncrono, que puede producir o absorber potencia reactiva pero no afectaría la potencia real. Los propósitos de esa aplicación son mejorar el factor de potencia del sistema o ajustar el voltaje de la red. Por lo general, los volantes utilizados en este campo son similares en estructura e instalación al motor síncrono (pero en este contexto se denomina compensador síncrono o condensador síncrono). También hay otros tipos de compensadores que utilizan volantes, como la máquina de inducción monofásica. Pero las ideas básicas aquí son las mismas, los volantes están controlados para girar exactamente a la frecuencia que desea compensar. Para un compensador síncrono, también debe mantener el voltaje del rotor y el estator en fase,

Historia

El principio del volante se encuentra en el huso del Neolítico y en el torno de alfarero, así como en las piedras de afilar circulares de la antigüedad. A principios del siglo XI, Ibn Bassal fue pionero en el uso de volantes en noria y saqiya. El uso del volante como un dispositivo mecánico general para igualar la velocidad de rotación está, según la medievalista estadounidense Lynn White, registrado en De diversibus artibus (Sobre varias artes) del artesano alemán Theophilus Presbyter (ca. 1070-1125) quien graba aplicando el dispositivo en varias de sus máquinas. En la Revolución Industrial, James Watt contribuyó al desarrollo del volante en la máquina de vapor, y su contemporáneo James Pickard usó un volante combinado con una manivela para transformar el movimiento alternativo en movimiento giratorio.

Física

Un volante es una rueda giratoria, un disco o un rotor que gira alrededor de su eje de simetría. La energía se almacena como energía cinética, más específicamente energía de rotación, del rotor, y se puede calcular mediante ${textstyle {frac {1}{2}}yoomega ^{2}}$ . ω es la velocidad angular y $yo$ es el momento de inercia del volante alrededor de su eje de simetría. El momento de inercia es una medida de la resistencia al par aplicado sobre un objeto giratorio (es decir, cuanto mayor sea el momento de inercia, más lento acelerará cuando se aplique un par dado). El momento de inercia se puede conocer por la masa ( ${ estilo de texto m}$ ) y el radio ( $r$ ). Para un cilindro sólido es ${textstyle {frac {1}{2}}señor^{2}}$ , para un cilindro vacío de pared delgada es aproximadamente ${textstyle señor^{2}}$ , y para un cilindro vacío de pared gruesa con densidad constante es ${textstyle {frac {1}{2}}m({r_{mathrm {externa} }}^{2}-{r_{mathrm {interna} }}^{2})}$ .

Un volante accionado por motor eléctrico es común en la práctica. La potencia de salida del motor eléctrico es aproximadamente igual a la potencia de salida del volante. Se puede calcular mediante ${estilo de texto (V_{i})(V_{t})left({frac {sin(delta)}{X_{S}}}right)}$ , donde $V_{yo}$ es el voltaje del devanado del rotor, $Vermont}$ es el voltaje del estator y $delta$ es el ángulo entre dos voltajes. Se pueden almacenar cantidades crecientes de energía de rotación en el volante hasta que el rotor se rompa. Esto sucede cuando la tensión circunferencial dentro del rotor supera la resistencia máxima a la tracción del material del rotor. El esfuerzo de tracción se puede calcular mediante ${ estilo de visualización rho r ^ {2} omega ^ {2}}$ , donde $rho$ es la densidad del cilindro, $r$ es el radio del cilindro y $omega$ es la velocidad angular del cilindro.

Selección de materiales

Los volantes están hechos de muchos materiales diferentes; la aplicación determina la elección del material. Los pequeños volantes hechos de plomo se encuentran en los juguetes de los niños. Los volantes de hierro fundido se utilizan en las antiguas máquinas de vapor. Los volantes utilizados en los motores de los automóviles están hechos de hierro fundido o nodular, acero o aluminio. Se han propuesto volantes hechos de acero de alta resistencia o compuestos para su uso en sistemas de frenado y almacenamiento de energía de vehículos.

La eficiencia de un volante está determinada por la cantidad máxima de energía que puede almacenar por unidad de peso. A medida que aumenta la velocidad de rotación o la velocidad angular del volante, aumenta la energía almacenada; sin embargo, las tensiones también aumentan. Si la tensión circunferencial supera la resistencia a la tracción del material, el volante se romperá. Por lo tanto, la resistencia a la tracción limita la cantidad de energía que puede almacenar un volante.

En este contexto, usar plomo como volante en un juguete para niños no es eficiente; sin embargo, la velocidad del volante nunca se acerca a su velocidad de explosión porque el límite en este caso es la fuerza de tracción del niño. En otras aplicaciones, como un automóvil, el volante funciona a una velocidad angular específica y está limitado por el espacio en el que debe caber, por lo que el objetivo es maximizar la energía almacenada por unidad de volumen. Por lo tanto, la selección del material depende de la aplicación.

Almacen de energia

Para un diseño de volante dado, la energía cinética es proporcional a la relación entre la tensión circunferencial y la densidad del material y la masa. La resistencia a la tracción específica de un volante se puede definir como ${ estilo de texto { frac { sigma _ {t}} { rho}}}$ . El material del volante con la mayor resistencia a la tracción específica producirá el mayor almacenamiento de energía por unidad de masa. Esta es una de las razones por las que la fibra de carbono es un material de interés. Para un diseño dado, la energía almacenada es proporcional a la tensión circunferencial y al volumen.

Diseño

Un volante con borde tiene un borde, un cubo y radios. El cálculo del momento de inercia del volante se puede analizar más fácilmente aplicando varias simplificaciones. Un método es asumir que los radios, el eje y el cubo tienen cero momentos de inercia, y el momento de inercia del volante proviene solo del rin. Otra es agrupar los momentos de inercia de los radios, el cubo y el eje que se pueden estimar como un porcentaje del momento de inercia del volante, con la mayoría del rin, de modo que $I_{mathrm {llanta} }=KI_{mathrm {volante} }$ . Por ejemplo, si los momentos de inercia del cubo, los radios y el eje se consideran despreciables y el grosor de la llanta es muy pequeño en comparación con su radio medio ( $R$ ), el radio de rotación de la llanta es igual a su radio medio y, por lo tanto, ${textstyle I_{mathrm {borde} }=M_{mathrm {borde} }R^{2}}$ .

Un volante sin eje elimina los orificios anulares, el eje o el cubo. Tiene una densidad de energía más alta que el diseño convencional, pero requiere un sistema de control y cojinete magnético especializado. La energía específica de un volante está determinada por ${textstyle {frac {E}{M}}=K{frac {sigma }{rho }}}$ , en la que $k$ está el factor de forma, $sigma$ la resistencia a la tracción del material y $rho$ la densidad. Mientras que un volante típico tiene un factor de forma de 0,3, el volante sin eje tiene un factor de forma cercano a 0,6, fuera de un límite teórico de aproximadamente 1.

Un supervolante consta de un núcleo sólido (cubo) y varias capas delgadas de materiales flexibles de alta resistencia (como aceros especiales, compuestos de fibra de carbono, fibra de vidrio o grafeno) enrollados a su alrededor. En comparación con los volantes de inercia convencionales, los supervolantes pueden almacenar más energía y son más seguros de operar. En caso de falla, un supervolante no explota ni estalla en fragmentos grandes como un volante normal, sino que se divide en capas. Luego, las capas separadas reducen la velocidad de un supervolante deslizándose contra las paredes internas del recinto, evitando así una mayor destrucción. Aunque el valor exacto de la densidad de energía de un supervolante dependería del material utilizado, teóricamente podría llegar a 1200 Wh (4,4 MJ) por kg de masa para los supervolantes de grafeno.El primer supervolante fue patentado en 1964 por el científico soviético-ruso Nurbei Guilia.

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