Volante

Dispositivo mecánico para almacenar energía rotacional.

Para otros usos, consulte Flywheel (desambiguación) .

La locomotora de vapor 1802 de Trevithick usaba un volante para distribuir uniformemente la potencia de su cilindro único.

Módulo de volante G2 , NASA

Movimiento del volante

Un volante industrial

Un volante es un dispositivo mecánico diseñado específicamente para utilizar la conservación del momento angular para almacenar eficientemente la energía de rotación ; una forma de energía cinética proporcional al producto de su momento de inercia por el cuadrado de su velocidad de rotación . En particular, si asumimos 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), entonces la energía almacenada (rotacional) 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 extraído 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 inherentemente suaviza las desviaciones suficientemente pequeñas en la salida de potencia de un sistema, desempeñando así de manera efectiva el papel de un filtro de paso bajo.con respecto a la velocidad mecánica (angular o de otro tipo) del sistema. Más precisamente, la energía almacenada de un volante donará un aumento en la salida de potencia tras una caída en la entrada de energía y, a la inversa, absorberá cualquier entrada de energía en exceso (energía generada por el sistema) en forma de energía rotacional.

Los usos comunes de un volante incluyen:

• Suavizar la salida de potencia de una fuente de energía. Por ejemplo, los volantes se utilizan en motores alternativos porque el par activo de los pistones individuales es intermitente.
• Sistemas de almacenamiento de energía
• Entrega de energía a un ritmo superior a la capacidad de una fuente de energía. Esto se logra recolectando energía en un volante a lo largo del tiempo y luego liberándola rápidamente, a tasas que exceden las capacidades de la fuente de energía.
• Controlar la orientación de un sistema mecánico, giroscopio y rueda de reacción.

Los volantes suelen estar hechos de acero y giran sobre cojinetes convencionales; estos están generalmente limitados a una velocidad máxima de revolución de unos pocos miles de RPM. ^[1] Los volantes de alta densidad de energía pueden estar hechos de compuestos de fibra de carbono y emplear cojinetes magnéticos , lo que les permite girar a velocidades de hasta 60.000 RPM (1 kHz). ^[2]

Recientemente se han fabricado baterías de volante de compuesto de carbono y están demostrando ser viables en pruebas del mundo real en automóviles convencionales. Además, su eliminación es más ecológica que las baterías de iones de litio tradicionales. ^[3]

Aplicaciones

Un tractor Landini con volante expuesto

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 fluctuaciones rápidas de velocidad angular del cigüeñal en un motor alternativo. En este caso, un volante de cigüeñal almacena energía cuando un pistón de disparo ejerce un par y lo devuelve al pistón para comprimir una nueva carga de aire y combustible. Otro ejemplo es el motor de fricción que alimenta dispositivos como coches de juguete . En casos poco estresados ​​y económicos, para ahorrar costos, la mayor parte de la masa del volante se dirige hacia el borde de la rueda. Alejar la masa del eje de rotación aumenta la inercia de rotación para una masa total determinada.

Volante de motor de automóvil moderno

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 una tasa que sea compatible con la fuente de energía, y luego liberando energía a una tasa mucho más alta durante un tiempo relativamente corto cuando es necesario. Por ejemplo, los volantes se utilizan en martillos mecánicos y remachadoras .

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

Los volantes también se pueden utilizar como un compensador eléctrico, como un compensador síncrono, que puede producir o reducir la 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. Normalmente, los volantes utilizados en este campo son similares en estructura e instalación a los del motor síncrono (pero en este contexto se le llama 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 necesita mantener el voltaje del rotor y el estator en fase, que es lo mismo que mantener el campo magnético del rotor y el campo magnético total en fase (en elreferencia de marco giratorio ).

Historia

El principio del volante se encuentra en el huso neolítico y el torno alfarero , así como en las piedras circulares de afilar en la antigüedad. ^[4]

El volante mecánico, utilizado para suavizar la entrega de potencia de un dispositivo de conducción a una máquina impulsada y, esencialmente, para permitir el levantamiento de agua desde profundidades mucho mayores (hasta 200 metros (660 pies)), fue empleado por primera vez por Ibn Bassal ( fl. 1038-1075), de Al-Andalus . ^{[5] [6] [7] [8]}

El uso del volante como un dispositivo mecánico general para igualar la velocidad de rotación está, según la medievalista estadounidense Lynn White , registrado en el De diversibus artibus (Sobre varias artes) del artesano alemán Theophilus Presbyter (ca. 1070-1125) quien registra la aplicación del dispositivo en varias de sus máquinas. ^{[4] [9]}

En la Revolución Industrial , James Watt contribuyó al desarrollo del volante en la máquina de vapor , y su contemporáneo James Pickard utilizó un volante combinado con una manivela para transformar el movimiento alternativo en movimiento giratorio.

Física

Reproducir medios

Un volante con momento de inercia variable, concebido por Leonardo da Vinci .

Un volante es una rueda, o disco, o rotor que gira alrededor de su eje de simetría. La energía se almacena como energía cinética , más específicamente energía de rotación , del rotor :

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

dónde:

• ${\displaystyle E_{k}}$es la energía cinética almacenada ,
• ω es la velocidad angular , y
• ${\displaystyle I}$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 que gira (es decir, cuanto mayor sea el momento de inercia, más lento se acelerará cuando se aplique un par dado).
• El momento de inercia de un cilindro sólido es ,${\displaystyle I={\frac {1}{2}}mr^{2}}$
• porque un cilindro vacío de paredes delgadas es ,${\displaystyle I=mr^{2}}$
• y para un cilindro vacío de paredes gruesas es , ^[10]${\displaystyle I={\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})}$

donde denota masa y denota un radio.${\displaystyle m}$${\displaystyle r}$

Al calcular con unidades SI , las unidades serían para masa, kilogramos ; para radio, metros; y para la velocidad angular, radianes por segundo y la energía resultante estaría en julios .

Se pueden almacenar cantidades crecientes de energía de rotación en el volante hasta que el rotor se rompa. Esto sucede cuando la tensión del aro dentro del rotor excede la resistencia máxima a la tracción del material del rotor.

• ${\displaystyle \sigma _{t}=\rho r^{2}\omega ^{2}\ }$

dónde:

• ${\displaystyle \sigma _{t}}$ es la tensión de tracción en el borde del cilindro
• ${\displaystyle \rho }$ es la densidad del cilindro
• ${\displaystyle r}$ es el radio del cilindro, y
• ${\displaystyle \omega }$es la velocidad angular del cilindro.

Es común un volante propulsado por una máquina eléctrica. La potencia de salida de la máquina eléctrica es aproximadamente igual a la potencia de salida del volante.

La potencia de salida de una máquina síncrona es:

${\displaystyle P=(V_{i})(V_{t})\left({\frac {\sin(\delta )}{X_{S}}}\right)}$

dónde:

• ${\displaystyle V_{i}}$ es el voltaje del devanado del rotor, que se produce por la interacción del campo con el devanado del estator
• ${\displaystyle V_{t}}$ es el voltaje del estator
• ${\displaystyle \delta }$ es el ángulo de par (ángulo entre dos voltajes)

Selección de material

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. ^{[ cita requerida ]} Los volantes de hierro fundido se utilizan en las viejas máquinas de vapor. Los volantes utilizados en los motores de los automóviles están hechos de hierro fundido o nodular, acero o aluminio. ^[11] Se han propuesto volantes fabricados con 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 del aro supera la resistencia a la tracción del material, el volante se romperá. Por tanto, la resistencia a la tracción limita la cantidad de energía que puede almacenar un volante.

En este contexto, usar plomo como volante en el juguete de un niño 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 opera a una velocidad angular especificada 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 tanto, la selección del material depende de la aplicación. ^[12]

La siguiente tabla contiene valores calculados para materiales y comentarios sobre su viabilidad para aplicaciones de volante. CFRP significa polímero reforzado con fibra de carbono y GFRP significa polímero reforzado con fibra de vidrio .

Material	Resistencia a la tracción específica ${\displaystyle \left(\mathrm {\frac {kJ}{kg}} \right)}$	Comentarios
Cerámica	200-2000 (solo compresión)	Frágil y débil en tensión, por lo tanto elimine
Compuestos: CFRP	200–500	El mejor rendimiento, una buena elección
Compuestos: GFRP	100–400	Casi tan bueno como CFRP y más barato
Berilio	300	El mejor metal, pero caro, difícil de trabajar y tóxico para la máquina.
Acero de alta resistencia	100-200	Más barato que las aleaciones de Mg y Ti
Aleaciones de Al de alta resistencia	100-200	Más barato que las aleaciones de Mg y Ti
Aleaciones de Mg de alta resistencia	100-200	Aproximadamente el mismo rendimiento que el acero y las aleaciones de aluminio
Aleaciones de Ti	100-200	Aproximadamente el mismo rendimiento que el acero y las aleaciones de aluminio
Aleaciones de plomo	3	Muy bajo
Hierro fundido	8-10	Muy bajo [13]

La siguiente tabla muestra los valores calculados de masa, radio y velocidad angular para almacenar 250 J. El volante de fibra de carbono es, con mucho, el más eficiente; sin embargo, también tiene el radio más grande. En aplicaciones (como en un automóvil) donde el volumen es limitado, un volante de fibra de carbono podría no ser la mejor opción.

Material	Almacenamiento de energía (J)	Masa (kilogramo)	Radio (m)	Velocidad angular (rpm)	Eficiencia (J / kg)	Densidad energética (kWh / kg)
Hierro fundido	250	0.0166	1.039	1465	15060	0,0084
Aleación de aluminio	250	0,0033	1.528	2406	75760	0.0421
Acero maraging	250	0,0044	1,444	2218	56820	0.0316
Compuesto: CFRP (40% epoxi)	250	0,001	1.964	3382	250000	0.1389
Compuesto: GFRP (40% epoxi)	250	0,0038	1.491	2323	65790 [14]	0.0365

Tabla de características de almacenamiento de energía

Propósito del volante, tipo	Factor de forma geométrica (k) (sin unidades, varía con la forma)	Masa (kilogramo)	Diámetro (cm)	Velocidad angular (rpm)	Energía almacenada (MJ)	Energía almacenada (kWh)	Densidad energética (kWh / kg)
Pequeña batería	0,5	100	60	20.000	9,8	2,7	0,027
Frenado regenerativo en trenes	0,5	3000	50	8.000	33,0	9.1	0,003
Respaldo de energía eléctrica [15]	0,5	600	50	30.000	92,0	26,0	0.043 [16] [17] [18] [19]

A modo de comparación, la densidad energética de la gasolina (gasolina) es 44,4 MJ / kg o 12,3 kWh / kg.

Materiales de alta energía

Para un diseño de volante dado, la energía cinética es proporcional a la relación entre la tensión del aro y la densidad del material y la masa:

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

${\displaystyle {\frac {\sigma _{t}}{\rho }}}$podría llamarse resistencia específica a la tracción . El material del volante con la resistencia a la tracción específica más alta producirá el mayor almacenamiento de energía por unidad de masa. Ésta 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 del aro y al volumen: es cierto.

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

Diseño

Montado

Un volante con borde tiene un borde, un cubo y radios. ^{[20] El} cálculo del momento de inercia del volante se puede analizar más fácilmente aplicando varias simplificaciones. Por ejemplo:

• Suponga que los radios, el eje y el cubo tienen cero momentos de inercia, y que el momento de inercia del volante es solo desde la llanta.
• Los momentos de inercia agrupados de los radios, el cubo y el eje pueden estimarse como un porcentaje del momento de inercia del volante, con la mayoría de la llanta, de modo que ${\displaystyle I_{\mathrm {rim} }=KI_{\mathrm {flywheel} }}$

Por ejemplo, si los momentos de inercia del buje, los radios y el eje se consideran despreciables y el grosor de la llanta es muy pequeño en comparación con su radio medio ( ), el radio de rotación de la llanta es igual a su radio medio y, por lo tanto:${\displaystyle R}$

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

Sin eje

Un volante sin eje elimina los orificios anulares, el eje o el cubo. Tiene una densidad de energía más alta que el diseño convencional ^[21] pero requiere un cojinete magnético especializado y un sistema de control. ^[22]

La energía específica de un volante está determinada por

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

En cuál está el factor de forma, la resistencia a la tracción del material y la densidad. Un volante típico tiene un factor de forma de 0,3. Los mejores diseños, como el volante sin eje, tienen un factor de forma cercano a 0.6, el límite teórico es aproximadamente 1. ^[23]${\displaystyle K}$${\displaystyle \sigma }$${\displaystyle \rho }$

Superflywheel

El primer supervolante fue patentado en 1964 por el científico ruso-soviético Nurbei Guilia . ^{[24] [25]}

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. ^[26] En comparación con los volantes convencionales, los supervolantes pueden almacenar más energía y son más seguros de operar ^[27]

En caso de falla, el super volante no explota ni estalla en grandes fragmentos, como un volante normal, sino que se divide en capas. Las capas separadas luego desaceleran un supervolante deslizándose contra las paredes internas del recinto, evitando así cualquier destrucción adicional.

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 supervolantes de grafeno.

Ver también

• Volante bimasa
• Almacenamiento de energía del volante
• Acumulador (energía)
• Fuente de alimentación ininterrumpida rotativa diésel
• Lista de momentos de inercia
• Embrague
• kBox
• Fidget Spinner

Referencias

1. "Los volantes pasan de la tecnología de la era del vapor a la Fórmula 1" . Archivado desde el original el 3 de julio de 2012 . Consultado el 3 de julio de 2012 .; "Los volantes pasan de la tecnología de la era del vapor a la Fórmula 1"; Jon Stewart | 1 de julio de 2012, consultado el 3 de julio de 2012
2. "Avance en la tecnología de volante de alta velocidad de 'segunda generación' de Ricardo Kinergy" . 2011-08-21. Archivado desde el original el 5 de julio de 2012 . Consultado el 3 de julio de 2012 ., "Avance en la tecnología de volante de inercia de alta velocidad de 'segunda generación' de Ricardo Kinergy"; Fecha del comunicado de prensa: 22 de agosto de 2011. Consultado el 3 de julio de 2012.
3. "10 conceptos tecnológicos necesarios para 2012" . popularmechanics.com . 3 de enero de 2012. Archivado desde el original el 11 de noviembre de 2013 . Consultado el 2 de mayo de 2018 .
4. Lynn White, Jr., "Theophilus Redivivus", Tecnología y cultura , vol. 5, núm. 2. (primavera de 1964), Review, págs. 224-233 (233)
5. Letcher, Trevor M. (2017). Ingeniería de energía eólica: un manual para turbinas eólicas terrestres y marinas . Prensa académica . págs. 127-143. ISBN 978-0128094518. Ibn Bassal (1038-1075 d.C.) de Al Andalus (Andalucía) fue pionero en el uso de un mecanismo de volante en la noria y saqiya para suavizar la entrega de potencia desde el dispositivo de conducción a la máquina accionada.
6. Ahmad Y Hassan , Efecto volante para una Saqiya .
7. "Volante" (PDF) . themechanic.weebly.com .
8. Shabbir, Asad. "El papel de los ingenieros mecánicos musulmanes en la ingeniería mecánica moderna dedicado al ingeniero mecánico musulmán del siglo XII" (PDF) . Fundación para la Investigación Islámica Internacional, Inc .
9. Lynn White, Jr., "Ingeniería medieval y la sociología del conocimiento", The Pacific Historical Review , vol. 44, núm. 1. (febrero de 1975), págs. 1–21 (6)
10. Dunn, DJ "Tutorial - Momento de inercia" (PDF) . FreeStudy.co.uk . pag. 10. Archivado (PDF) desde el original el 5 de enero de 2012 . Consultado el 1 de diciembre de 2011 .
11. "Volantes: hierro vs. acero vs. aluminio" . Actuación Fidanza . Archivado desde el original el 10 de octubre de 2016 . Consultado el 6 de octubre de 2016 .
12. Ashby, Michael (2011). Selección de materiales en diseño mecánico (4ª ed.). Burlington, MA: Butterworth-Heinemann. págs. 142-146. ISBN 978-0-08-095223-9.
13. Totten, George E .; Xie, Lin; Funatani, Kiyoshi (2004). Manual de diseño de aleaciones mecánicas . Nueva York: Marcel Dekker. ISBN 978-0-8247-4308-6.
14. Kumar, Mouleeswaran Senthil; Kumar, Yogesh (2012). "Optimización de materiales de volante mediante algoritmo genético" (PDF) . Acta Technica Corviniensis-Bulletin of Engineering . Archivado (PDF) desde el original el 1 de noviembre de 2015 . Consultado el 1 de noviembre de 2015 .
15. "Almacenamiento de energía de volante, UPS, sin batería, cojinete magnético activo, cojinetes magnéticos, energía cinética, generador de motor magnético, convertidor de potencia bidireccional - Calnetix" . www.calnetix.com . Archivado desde el original el 1 de noviembre de 2017 . Consultado el 2 de mayo de 2018 .
16. "Calculadora de energía del volante" . Botlanta.org. 2004-01-07. Archivado desde el original el 25 de julio de 2011 . Consultado el 30 de noviembre de 2010 .
17. "amortiguadores de energía" . Home.hccnet.nl. Archivado desde el original el 26 de noviembre de 2010 . Consultado el 30 de noviembre de 2010 .
18. "Mensaje de la cátedra | Departamento de Física | Universidad de la Isla del Príncipe Eduardo" . Upei.ca. Archivado desde el original el 30 de abril de 2010 . Consultado el 30 de noviembre de 2010 .
19. "Densidad del acero" . Hypertextbook.com. 1998-01-20. Archivado desde el original el 25 de noviembre de 2010 . Consultado el 30 de noviembre de 2010 .
20. Desarrollo de tecnología de contención y rotor de volante, año fiscal 83. Livermore, Calif: Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, 1983. págs. 1-2
21. Li, Xiaojun; Anvari, Bahar; Palazzolo, Alan; Wang, Zhiyang; Toliyat, Hamid (14 de agosto de 2018). "Un sistema de almacenamiento de energía de volante a escala de servicios públicos con un rotor de acero de alta resistencia sin eje, sin cubo" . Transacciones IEEE sobre electrónica industrial . 65 (8): 6667–6675. doi : 10.1109 / TIE.2017.2772205 . S2CID 4557504 . 
22. Li, Xiaojun; Palazzolo, Alan (7 de mayo de 2018). "Control de múltiples entradas y múltiples salidas de un volante de inercia de almacenamiento de energía sin eje a escala de servicios públicos con un cojinete magnético de combinación de cinco grados de libertad". Revista de sistemas dinámicos, medición y control . 140 (10): 101008. doi : 10.1115 / 1.4039857 . ISSN 0022-0434 . 
23. Genta, G. (1985), "Aplicación de los sistemas de almacenamiento de energía del volante", Almacenamiento de energía cinética , Elsevier, págs. 27-46, doi : 10.1016 / b978-0-408-01396-3.50007-2 , ISBN 9780408013963
24. Egorova, Olga; Barbashov, Nikolay (20 de abril de 2020). Actas del Simposio 2020 USCToMM sobre sistemas mecánicos y robótica . Springer Nature. págs. 117-118. ISBN 978-3-030-43929-3.
25. [1] , "Маховик", publicado el 15 de mayo de 1964 
26. "Tecnología | KEST | Almacenamiento de energía cinética" . KEST Energy . Consultado el 29 de julio de 2020 .
27. Genta, G. (24 de abril de 2014). Almacenamiento de energía cinética: teoría y práctica de sistemas avanzados de volante . Butterworth-Heinemann. ISBN 978-1-4831-0159-0.

• Weissbach, RS; Karady, GG; Farmer, RG (abril de 2001). "Una fuente de alimentación ininterrumpida combinada y un compensador de voltaje dinámico mediante un sistema de almacenamiento de energía por volante". Transacciones IEEE sobre suministro de energía . 16 (2): 265–270. doi : 10.1109 / 61.915493 . ISSN  0885-8977 .
• "Generadores síncronos I" (PDF) .
• https://pserc.wisc.edu/documents/general_information/presentations/presentations_by_pserc_university_members/heydt_synchronous_mach_sep03.pdf

Enlaces externos

Busque flywheel en Wiktionary, el diccionario gratuito.

• Medios relacionados con volantes en Wikimedia Commons
• Baterías del volante en la cosa interesante del día .
• Tecnología de estabilización de microrredes basada en volante. , ABB
• PowerStore