原理

  旋转中的飞轮

飞轮是一个延著固定轴旋转的轮子或圆盘，能量以旋转动能的方式储存在转子中：

其中

固体圆柱的转动惯量为 I z = 1 2 m r 2 {\displaystyle I_{z}={\frac {1}{2}}mr^{2}} ,

若是薄壁空心圆柱，转动惯量为 I = m r 2 {\displaystyle I=mr^{2}\,} ,

若是厚壁空心圆柱，转动惯量则为 I = 1 2 m ( r 1 2 + r 2 2 ) {\displaystyle I={\frac {1}{2}}m({r_{1}}^{2}+{r_{2}}^{2})} .

其中 m {\displaystyle m} 表示质量， r {\displaystyle r} 表示半径，在转动惯量列表中可以找到更多的信息。

在使用国际单位制计算时，质量、半径及角速度的单位分别是公斤、米，弧度/秒，所得到的结果会是焦耳。

由于飞轮可储存的能量是和转动惯量成正比，因此在设计飞轮时，会尽量在不变动质量的条件下，去增加其转动惯量，例如说将中间搂空，质量集中在飞轮的外围等作法。

在利用飞轮储存能量时，还需要考虑在转子不变形或断裂的前提下，飞轮可储存的能量上限，主要需考量转子的 环向应力 （ 英语 ： hoop stress ） ：

其中

飞轮储存的能量

范例

以下是一些“飞轮”的范例及其储存的能量， I = kmr 。

飞轮能量和材料的关系

对于相同尺寸外形的飞轮，其动能和环向应力及体积成正比：

若以质量来表示，则其动能和质量成正比，也和单位密度的环向应力成正比：

σ σ --> t ρ ρ --> {\displaystyle {\frac {\sigma _{t}}{\rho }}} 可以称为比强度。若飞轮使用材质的比强度越高，其单位质量下的能量密度也就就越大。

历史

  一个White and Middleton 1898固定式发动机的图，其飞轮是二个一组的

飞轮的概念很早就出现在人类的生活中，新石器时代的纺锤及 陶轮 （ 英语 ： potter"s wheel ） 都有类似飞轮的概念 。

十一世纪时安达卢斯的农艺师Ibn Bassal在其著作《Kitab al-Filaha》中，描述飞轮应用在水力机械中的情形 。

根据从事中世纪研究的学者Lynn White的资料，首次出现使用飞轮来作为稳定转速的记载是在德国艺术家Theophilus Presbyter（约1070-1125）的著作《De diversibus artibus》（On various arts）中，他在他的许多机器中都使用到飞轮 。

在工业革命时，詹姆斯·瓦特将飞轮应用在蒸气机上，而 詹姆斯·皮卡德 （ 英语 ： James Pickard ） 将飞轮和 曲柄 （ 英语 ： Crank (mechanism) ） 一起使用，将往复式运动变成旋转运动。

应用

飞轮应用在车辆上时，需考虑进动的问题。若一个旋转的飞轮受到其他会改变其旋转轴力矩的影响，飞轮的旋转轴也会会绕另一个轴旋转，这个称为进动。一部有垂直轴飞轮的车辆在通过山顶或谷底时，会受到一个横向的动量，用二个旋转方向相反的飞轮即可消除此问题。

在现代的应用中 动量飞轮 （ 英语 ： momentum wheel ） 是一个用在卫星定位用的飞轮，飞轮用来提供其他卫星设备一个正确及固定的方向，不需推力火箭的协助。

飞轮常运用在打洞机及铆钉机中，平时储存马达提供的能量，在需要功率输出时，即可释放原先储存的能量。

配合内燃机

在内燃机的应用上，飞轮是连结到曲轴上的大质量轮子，主要目的是维持曲轴上固定的角速度。

储能装置

密封于真空中的飞轮可以取代充电电池，非常适用于固定式装置，具有寿命长、无记忆效益、数分钟即可充饱、放电速度与电容相近、成本低等优点。

可以用来应付尖峰负载，也可以增加再生能源的稳定性。

参见

陀螺仪

飞轮能量储存

再生制动（Regenerative braking）

参考

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