Volante

Dispositivo mecánico para almacenar energía rotacional.

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

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

Dado que un volante de inercia sirve para almacenar energía mecánica para su uso posterior, es natural considerarlo como un análogo de energía cinética de un condensador 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 de inercia suaviza inherentemente desviaciones suficientemente pequeñas en la salida de potencia de un sistema, desempeñando así efectivamente 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 de inercia donará un aumento repentino en la salida de potencia ante una caída en la entrada de potencia y, a la inversa, absorberá cualquier exceso de entrada de potencia (potencia generada por el sistema) en forma de energía rotacional.

Los usos comunes de un volante de inercia incluyen suavizar la salida de potencia en motores alternativos , almacenamiento de energía , entrega de energía a velocidades más altas que la fuente, controlando la orientación de un sistema mecánico usando un giroscopio y una rueda de reacción , etc. Los volantes de inercia generalmente están hechos de acero y giran sobre cojinetes convencionales; estos generalmente están limitados a una velocidad máxima de revolución de unos pocos miles de RPM . ^[1] Los volantes de inercia 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]

Historia

Un volante de inercia variable, concebido por Leonardo da Vinci

El principio del volante se encuentra en el huso neolítico y en la rueda de alfarero , así como en las piedras de afilar circulares de la antigüedad. ^[3] A principios del siglo XI, Ibn Bassal fue pionero en el uso del volante en norias y saqiyah . ^[4] El uso del volante como dispositivo mecánico general para igualar la velocidad de rotación está, según el medievalista estadounidense Lynn White , registrado en el De diversibus artibus (Sobre varias artes) del artesano alemán Theophilus Presbyter (ca. 1070-1125) que registra la aplicación del dispositivo en varias de sus máquinas. ^{[3] [5]}

En la Revolución Industrial , James Watt contribuyó al desarrollo del volante de inercia en la máquina de vapor , y su contemporáneo James Pickard utilizó un volante de inercia combinado con una manivela para transformar el movimiento alternativo en movimiento rotatorio. ^[6]

Física

Un volante de inercia producido en serie

La energía cinética (o más específicamente la energía rotacional ) almacenada por el rotor del volante se puede calcular mediante . ω es la velocidad angular , y es el momento de inercia del volante sobre su eje de simetría. El momento de inercia es una medida de resistencia al torque aplicado sobre un objeto giratorio (es decir, cuanto mayor sea el momento de inercia, más lento se acelerará cuando se aplique un torque dado). El momento de inercia se puede calcular para formas cilíndricas usando masa ( ) y radio ( ). Para un cilindro sólido es , para un cilindro vacío de paredes delgadas es aproximadamente , y para un cilindro vacío de paredes gruesas con densidad constante es . ^[7] ${\textstyle {\frac {1}{2}}I\omega ^{2}}$ ${\displaystyle I}$ ${\textstyle m}$ ${\displaystyle r}$ ${\textstyle {\frac {1}{2}}mr^{2}}$ ${\textstyle mr^{2}}$ ${\textstyle {\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})}$

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 . 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. ^{[ cita requerida ]} ${\textstyle {\frac {\sigma _{t}}{\rho }}}$

En la práctica, es común utilizar un volante de inercia accionado por un motor eléctrico. La potencia de salida del motor eléctrico es aproximadamente igual a la potencia de salida del volante de inercia. Se puede calcular mediante , donde es el voltaje del devanado del rotor , es el voltaje del estator y es el ángulo entre dos voltajes. Se pueden almacenar cantidades cada vez mayores de energía de rotación en el volante de inercia hasta que el rotor se rompa. Esto sucede cuando la tensión circunferencial dentro del rotor excede la resistencia máxima a la tracción del material del rotor. La tensión de tracción se puede calcular mediante , donde es la densidad del cilindro, es el radio del cilindro y es la velocidad angular del cilindro. ${\textstyle (V_{i})(V_{t})\left({\frac {\sin(\delta )}{X_{S}}}\right)}$ ${\displaystyle V_{i}}$ ${\displaystyle V_{t}}$ ${\displaystyle \delta }$ ${\displaystyle \rho r^{2}\omega ^{2}}$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle \omega }$

Diseño

Un volante con borde tiene un borde , un cubo y radios . ^[8] El cálculo del momento de inercia del volante se puede analizar más fácilmente aplicando varias simplificaciones. Un método es suponer que los radios, el eje y el cubo tienen momentos de inercia cero, y el momento de inercia del volante proviene solo del borde. Otro es agrupar los momentos de inercia de los radios, el cubo y el eje se pueden estimar como un porcentaje del momento de inercia del volante, con la mayoría proveniente del borde, de modo que . Por ejemplo, si los momentos de inercia del cubo, los radios y el eje se consideran insignificantes, y el espesor del borde es muy pequeño en comparación con su radio medio ( ), el radio de rotación del borde es igual a su radio medio y, por lo tanto , . ^{[ cita requerida ]} ${\displaystyle I_{\mathrm {rim} }=KI_{\mathrm {flywheel} }}$ ${\displaystyle R}$ ${\textstyle I_{\mathrm {rim} }=M_{\mathrm {rim} }R^{2}}$

Un volante sin eje elimina los agujeros anulares, el eje o el cubo. Tiene una densidad de energía más alta que el diseño convencional ^[9] pero requiere un sistema de control y cojinete magnético especializado. ^[10] La energía específica de un volante está determinada por , donde es el factor de forma, la resistencia a la tracción del material y la densidad. ^{[ cita requerida ]} 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, de un límite teórico de aproximadamente 1. ^[11] ${\textstyle {\frac {E}{M}}=K{\frac {\sigma }{\rho }}}$ ${\displaystyle K}$ ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \rho }$

Un supervolante consta de un núcleo sólido (cubo) y múltiples capas delgadas de materiales flexibles de alta resistencia (como aceros especiales, compuestos de fibra de carbono, fibra de vidrio o grafeno) enrolladas a su alrededor. ^[12] En comparación con los volantes convencionales, los supervolantes pueden almacenar más energía y son más seguros de operar. ^[13] En caso de falla, un supervolante no explota ni se rompe 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 de la carcasa, evitando así cualquier destrucción adicional. Aunque el valor exacto de la densidad de energía de un supervolante dependería del material utilizado, teóricamente podría ser tan alto como 1200 Wh (4,4 MJ) por kg de masa para supervolantes de grafeno. ^{[ cita requerida ]} El primer supervolante fue patentado en 1964 por el científico soviético-ruso Nurbei Guilia. ^{[14] [15]}

Materiales

Los volantes de inercia están hechos de muchos materiales diferentes; la aplicación determina la elección del material. Los volantes de inercia pequeños hechos de plomo se encuentran en los juguetes de los niños. ^{[ cita requerida ]} Los volantes de inercia de hierro fundido se utilizan en las antiguas máquinas de vapor. Los volantes de inercia utilizados en los motores de los automóviles están hechos de hierro fundido o nodular, acero o aluminio. ^[16] Se han propuesto volantes de inercia hechos de acero de alta resistencia o compuestos para su uso en sistemas de almacenamiento de energía y de frenado de vehículos.

La eficiencia de un volante de inercia 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 de inercia, aumenta la energía almacenada; sin embargo, también aumentan las tensiones. Si la tensión circunferencial supera la resistencia a la tracción del material, el volante de inercia se romperá. Por lo tanto, la resistencia a la tracción limita la cantidad de energía que puede almacenar un volante de inercia.

En este contexto, el uso de plomo para un volante de inercia en un juguete infantil no es eficiente; sin embargo, la velocidad del volante de inercia 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 de inercia 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 lo tanto, la selección del material depende de la aplicación. ^[17]

Aplicaciones

Un tractor Landini con volante a la vista

Los volantes de inercia se utilizan a menudo para proporcionar una salida de potencia continua en sistemas donde la fuente de energía no es continua. Por ejemplo, un volante de inercia se utiliza para suavizar las fluctuaciones rápidas de la velocidad angular del cigüeñal en un motor alternativo. En este caso, un volante de inercia del cigüeñal almacena energía cuando un pistón de encendido ejerce un par 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 impulsa dispositivos como los coches de juguete . En casos sin estrés y económicos, para ahorrar costes, la mayor parte de la masa del volante de inercia está hacia el borde de la rueda. Al alejar la masa del eje de rotación, aumenta la inercia rotacional para una masa total dada.

Un volante de inercia también se puede utilizar 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 de inercia durante un período de tiempo, a una velocidad compatible con la fuente de energía, y luego liberando energía a una velocidad mucho mayor durante un tiempo relativamente corto cuando es necesario. Por ejemplo, los volantes de inercia se utilizan en martillos mecánicos y remachadoras .

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

Los volantes de inercia también se pueden utilizar como compensadores eléctricos, como un compensador síncrono , que puede producir o absorber potencia reactiva pero no afectaría a 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 de inercia utilizados en este campo son similares en estructura e instalación al motor síncrono (pero se denomina compensador síncrono o condensador síncrono en este contexto). También hay otros tipos de compensadores que utilizan volantes de inercia, como la máquina de inducción monofásica. Pero las ideas básicas aquí son las mismas, los volantes de inercia se controlan 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 la referencia del marco giratorio ).

Véase también

• Acumulador (energía)
• Embrague
• Sistema de alimentación ininterrumpida rotativo diésel
• Volante de inercia bimasa
• Fidget spinner
• Entrenamiento con volante de inercia
• Lista de momentos de inercia

Referencias

1. "Los volantes de inercia pasan de la tecnología de la era del vapor a la Fórmula 1". Archivado desde el original el 2012-07-03 . Consultado el 2012-07-03 .; "Los volantes de inercia 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 inercia de alta velocidad de 'segunda generación' de Ricardo Kinergy". 2011-08-21. Archivado desde el original el 2012-07-05 . Consultado el 2012-07-03 ., "Avance en la tecnología de volante de inercia de alta velocidad de 'segunda generación' de Ricardo Kinergy"; Fecha de la nota de prensa: 22 de agosto de 2011. Consultado el 3 de julio de 2012.
3. Lynn White, Jr., "Theophilus Redivivus", Tecnología y cultura , vol. 5, núm. 2. (primavera de 1964), Revista, págs. 224-233 (233)
4. Letcher, Trevor M. (2017). Ingeniería de energía eólica: un manual para turbinas eólicas terrestres y marinas . Academic Press . Págs. 127–143. ISBN. 978-0128094518Ibn Bassal (1038-1075 d. C.) de Al Andalus ( Andalucía) fue pionero en el uso de un mecanismo de volante en la noria y la saqiya para suavizar la entrega de potencia desde el dispositivo de accionamiento a la máquina accionada.
5. Lynn White, Jr., "Ingeniería medieval y sociología del conocimiento", The Pacific Historical Review , vol. 44, n.º 1 (febrero de 1975), págs. 1-21 (6)
6. Osbourne, Roger (2013). Hierro, vapor y dinero: la creación de la revolución industrial . Random House. pág. 131. ISBN 9781446483282.
7. Dunn, DJ "Tutorial – Moment of Inertia" (PDF) . FreeStudy.co.uk . p. 10. Archivado (PDF) desde el original el 2012-01-05 . Consultado el 2011-12-01 .
8. Desarrollo de tecnología de contención y rotor de volante, año fiscal 1983. Livermore, California: Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, 1983. págs. 1 y 2.
9. Li, Xiaojun; Anvari, Bahar; Palazzolo, Alan; Wang, Zhiyang; Toliyat, Hamid (14 de agosto de 2018). "Un sistema de almacenamiento de energía con volante a escala de servicios públicos con un rotor de acero de alta resistencia, sin eje ni cubo". IEEE Transactions on Industrial Electronics . 65 (8): 6667–6675. doi :10.1109/TIE.2017.2772205. S2CID  4557504.
10. 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 combinado de cinco grados de libertad". Revista de sistemas dinámicos, medición y control . 140 (10): 101008. doi :10.1115/1.4039857. ISSN  0022-0434.
11. Genta, G. (1985), "Aplicación de sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia", Almacenamiento de energía cinética , Elsevier, págs. 27-46, doi :10.1016/b978-0-408-01396-3.50007-2, ISBN 9780408013963
12. "Tecnología | KEST | Almacenamiento de energía cinética". KEST Energy . Archivado desde el original el 2020-07-27 . Consultado el 2020-07-29 .
13. Genta, G. (24 de abril de 2014). Almacenamiento de energía cinética: teoría y práctica de sistemas avanzados de volante de inercia. Butterworth-Heinemann. ISBN 978-1-4831-0159-0.
14. Egorova, Olga; Barbashov, Nikolay (20 de abril de 2020). Actas del Simposio USCToMM de 2020 sobre sistemas mecánicos y robótica. Springer Nature. págs. 117-118. ISBN 978-3-030-43929-3.
15. [1], "Маховик", publicado el 15 de mayo de 1964 
16. "Volantes de inercia: hierro vs. acero vs. aluminio". Fidanza Performance . Archivado desde el original el 10 de octubre de 2016. Consultado el 6 de octubre de 2016 .
17. Ashby, Michael (2011). Selección de materiales en el diseño mecánico (4.ª ed.). Burlington, MA: Butterworth-Heinemann. pp. 142–146. ISBN 978-0-08-095223-9.

Lectura adicional

• Weissbach, RS; Karady, GG; Farmer, RG (abril de 2001). "Un sistema combinado de suministro de energía ininterrumpible y compensador de voltaje dinámico que utiliza un sistema de almacenamiento de energía de volante de inercia". IEEE Transactions on Power Delivery . 16 (2): 265–270. doi :10.1109/61.915493. ISSN  0885-8977.
• "Generadores síncronos I" (PDF) . Archivado (PDF) del original el 2022-10-09.
• https://pserc.wisc.edu/documents/general_information/presentations/presentations_by_pserc_university_members/heydt_synchronous_mach_sep03.pdf Archivado el 30 de agosto de 2017 en Wayback Machine.

Enlaces externos

• Medios relacionados con Volantes de inercia en Wikimedia Commons
• Baterías de volante de inercia en Cosa interesante del día .
• Tecnología de estabilización de microrredes basada en volantes de inercia, ABB