飞轮
飞轮是一种机械装置，它使用角动量的保护来存储旋转能。一种与惯性矩和旋转速度平方的产物成比例的动能形式。特别是，假设飞轮的惯性矩是恒定的（即，具有固定质量的飞轮和第二次固定轴的区域旋转时刻），则存储的（旋转）能量与其旋转速度的平方直接相关。
由于飞轮用于存储机械能供以后使用，因此自然可以将其视为电感器的动能类似物。一旦适当抽象，这种共享的能量存储原理就会在蓄能器的广义概念中描述。与其他类型的蓄能器一样，飞轮固有地在系统的功率输出中固有地平滑了足够小的偏差，从而有效地扮演了低通滤波器在系统的机械速度（角度或其他方式）方面的作用。更确切地说，飞轮的存储能量将在功率输入下降时捐赠功率输出激增，相反，将以旋转能量的形式吸收任何多余的功率输入（系统生成的功率）。
飞轮的常见用途包括在往复发动机中平滑功率输出，储能，以比来源更高的速率传递能量，使用陀螺仪和反应轮控制机械系统的方向。飞轮通常由钢制成，并旋转常规轴承；这些通常仅限于几千rpm的最大革命率。高能密度飞轮可以由碳纤维复合材料制成并采用磁性轴承，从而使它们能够以高达60,000 rpm（1 kHz ）的速度旋转。
历史
飞轮的原理位于新石器时代的纺锤体和陶器的轮子中，以及古代的圆形锐化石头。在11世纪初期，伊本·巴萨尔（Ibn Bassal）率先在诺里亚（Noria ）和萨奇亚（ Saqiyah）中使用飞轮。根据美国中世纪主义的林恩·怀特（ Lynn White）的说法，将飞轮用作一般机械装置来均衡旋转速度，记录在Diversibus Artibus （在各种艺术上）的德国工匠Theophilus Presbyter （约1070–1125）谁记录在他的几台机器中使用该设备的记录。
在工业革命中，詹姆斯·瓦特（James Watt）为蒸汽机中的飞轮开发做出了贡献，他的当代詹姆斯·皮卡德（James Pickard）使用飞轮和曲柄相结合，将往复运动转变为旋转运动。
物理
可以通过飞轮转子存储的动能（或更具体的旋转能）可以通过。 ω是角速度，是飞轮围绕其对称轴的惯性矩。惯性矩是对施加在旋转物体上的扭矩的抗性的度量（即惯性矩越高，当施加给定的扭矩时，惯性量越高，它将加速速度）。惯性矩可以通过质量（）和半径（）知道。对于固体圆柱体，对于一个薄壁的空缸而言，它大约是，对于厚壁的空圆柱体，它是恒定密度的。
对于给定的飞轮设计，动能与箍应力与材料密度和质量的比例成正比。飞轮的特定拉伸强度可以定义为。特异性拉伸强度最高的飞轮材料每单位质量的能量最高。这就是为什么碳纤维是感兴趣的材料的原因之一。对于给定的设计，存储的能量与箍应力和体积成正比。
电动机驱动的飞轮在实践中很常见。电动机的输出功率大约等于飞轮的输出功率。它可以通过转子绕组的电压为定子电压来计算，而这是两个电压之间的角度。旋转能量增加的量可以存储在飞轮中，直到转子破碎。当转子内的箍应力超过转子材料的最终拉伸强度时，就会发生这种情况。可以通过圆柱体的密度是圆柱体的半径来计算拉伸应力，并且是圆柱体的角速度。
设计
带轮的飞轮具有轮辋，一个轮毂和辐条。通过应用各种简化，可以更轻松地分析飞轮惯性矩的计算。一种方法是假设辐条，轴和枢纽的惯性矩为零，而飞轮的惯性瞬间仅来自边缘。另一个是将辐条的惯性束缚，轮毂和轴可能估计为飞轮惯性时刻的百分比，而大部分来自边缘，因此。例如，如果轮毂，辐条和轴的惯性矩被认为可以忽略不计，并且与平均半径相比，轮辋的厚度非常小（），则轮辋的旋转半径等于其平均半径，因此。
无轴飞轮消除了环形孔，轴或轮毂。它具有比常规设计更高的能量密度，但需要专门的磁性轴承和控制系统。飞轮的特定能量取决于形状因子，材料的拉伸强度和密度。尽管典型的飞轮的形状因子为0.3，但无轴飞轮的形状因子接近0.6，而理论极限约为1。
Superflywheel由固体芯（轮毂）以及高强度柔性材料（例如特殊钢，碳纤维复合材料，玻璃纤维或石墨烯）的多层层组成。与传统的飞轮相比，Superflywheels可以存储更多的能量，并且更安全。如果发生故障，那么超级飞轮不会像常规飞轮那样爆炸或爆炸成大碎片，而是将其分成层。然后，分离的层通过滑到围墙的内壁，从而降低了超级蝇轮的速度，从而阻止了任何进一步的破坏。尽管超级蝇轮的能量密度的确切值取决于所使用的材料，但对于石墨烯Superflywheels来说，从理论上讲，它可能高达1200 WH（4.4 MJ）质量。苏联科学家Nurbei Guilia在1964年获得了第一批超级蝇轮专利。
材料
飞轮由许多不同的材料制成；应用确定材料的选择。在儿童玩具中发现了由铅制成的小型飞轮。铸铁飞轮用于旧蒸汽机。汽车发动机中使用的飞轮由铸铁，钢或铝制成。已经提出了由高强度钢或复合材料制成的飞轮用于车辆储能和制动系统。
飞轮的效率取决于它可以存储每单位重量的最大能量。随着飞轮的旋转速度或角速度的增加，存储的能量增加。但是，应力也会增加。如果箍应力超过了材料的拉伸强度，则飞轮将分解。因此，拉伸强度限制了飞轮可以存储的能量。
在这种情况下，在儿童玩具中使用铅用于飞轮的情况并不高效。但是，飞轮速度永远不会接近其突发速度，因为在这种情况下的极限是孩子的拉力。在其他应用（例如汽车）中，飞轮以指定的角速度运行，并受其必须适合的空间的约束，因此目标是最大化单位体积的存储能量。因此，材料选择取决于应用程序。
申请
飞轮通常用于在能源不连续的系统中提供连续的功率输出。例如，使用飞轮来平滑往复式发动机中曲轴的快速角速度波动。在这种情况下，曲轴飞轮通过射击活塞在其上施加扭矩时会存储能量，然后将能量返回活塞以压缩新鲜的空气和燃料。另一个例子是摩擦电机，该电动机为设备（例如玩具车）提供动力。在无压力和廉价的情况下，为了节省成本，飞轮的大部分质量都朝向车轮的边缘。将质量从旋转轴上推开会增强旋转惯性，以达到给定的总质量。
飞轮还可以用超过其能源能力的功率水平提供间歇性能量脉冲。这是通过在一段时间内以与能源兼容的速率在飞轮中积聚能量，然后在需要时以相对短的时间以更高的速度释放能量的速率来实现的。例如，飞轮用于锤锤和铆接机中。
飞轮可用于控制方向并反对不必要的运动。在这种情况下，飞轮具有广泛的应用：用于仪器的陀螺仪，船舶稳定性，卫星稳定（反应轮），保持玩具旋转旋转（摩擦电动机），稳定磁性倾斜的物体（旋转稳定的磁性磁悬浮）。
飞轮也可以用作同步补偿器，可以用作电力补偿器，可以产生或下沉的反应能力，但不会影响实际功率。该应用的目的是提高系统的功率因数或调整电网电压。通常，在此领域中使用的飞轮在结构和安装上与同步电动机相似（但在这种情况下称为同步补偿器或同步冷凝器）。还有其他一些使用飞轮的补偿器，例如单相感应机。但是，这里的基本想法是相同的，飞轮被控制以准确地按照您要补偿的频率旋转。对于同步补偿器，您还需要将转子和定子的电压保持在相位，这与将转子的磁场和总磁场保持相同（在旋转框架参考中）相同。