Et svinghjul er en tung skive eller et tungt hjul, der er fastgjort til en roterende aksel. Svinghjul anvendes til lagring af kinetisk energi. Svinghjulets momentum gør, at det ikke let ændrer sin omdrejningshastighed. På grund af dette hjælper svinghjul med at holde akslen roterende med samme hastighed. Dette er en hjælp, når det drejningsmoment, der påføres akslen, ændres ofte. Et ujævnt drejningsmoment kan ændre rotationshastigheden. Fordi svinghjulet modstår ændringer i hastigheden, mindsker det virkningerne af ujævnt drejningsmoment. Motorer, der anvender stempler til at levere kraft, har normalt et ujævnt drejningsmoment og anvender svinghjul til at løse dette problem.

Det kræver energi at få et hjul (et hvilket som helst hjul) til at rotere. Hvis der er lidt friktion (gode lejer), vil det blive ved med at dreje længe. Når der er brug for energi, kan den tages fra hjulet igen. Det er altså et simpelt mekanisk middel til at lagre energi. Mængden af lagret energi er en funktion af vægten og rotationshastigheden - det kræver mere energi at få et tungere hjul til at rotere hurtigere. En anden faktor er radius (størrelse), for jo længere væk fra aksen en del af hjulet er, jo mere energi skal der bruges til at få det til at rotere. Disse tre faktorer kan repræsenteres ved M (masse), ω {\displaystyle \omega } {\displaystyle \omega }(vinkelhastighed) og R (radius). Ved at kombinere de to nedenstående ligninger fås ω {\displaystyle \omega } {\displaystyle \omega }2MR2/4. Et fluehjul er ikke et hvilket som helst hjul, men er specielt designet til at lagre energi. Det skal derfor være tungt og/eller rotere hurtigt. Nogle busser har f.eks. et svinghjul, som bruges til at stoppe og starte. Når bussen standser (f.eks. for et trafiklys), er svinghjulet forbundet med hjulene, så rotationsenergien overføres til det, så bussen bremser, mens svinghjulet accelererer. Når bussen så skal begynde at køre igen, forbindes det igen, og energien overføres tilbage. Man ønsker naturligvis ikke at slæbe et tungt hjul rundt i en bus, så det er lavet af et lettere materiale, der kan tåle ekstremt hurtig rotation.

Funktion og energilagring

Et svinghjul fungerer ved at omdanne tilført arbejde til rotationsenergi. Når et svinghjul accelereres, øges dets kinetiske energi; når det decelereres, kan denne energi udnyttes igen. Den generelle formel for den lagrede energi i et roterende legeme er:

E = 1/2 · I · ω², hvor I er legemets inertimoment (moment of inertia) og ω er vinkelhastigheden.

For en homogen, massiv skive eller et solidt hjul er I = 1/2 · M · R², hvilket giver energien:

E = 1/4 · M · R² · ω².

Det viser, at både massen (M), størrelsen (R) og især vinkelhastigheden (ω) har stor betydning. Fordobling af ω fire- ganger øger energien (da ω²), mens forøgelse af masseenheden eller radius kun skalerer lineært eller kvadratisk afhængigt af formen.

Konstruktion og materialer

Svinghjul kan være:

  • massive skiver (særligt i gamle maskiner),
  • ringe eller fælger med massen koncentreret i periferien (giver højere effektivitet pr. masse),
  • kompositrotorer (f.eks. kulfiber) designet til høje omdrejninger med lav vægt.

Materialevalg og design afhænger af ønsket energitæthed og maksimum rotationshastighed. Højere hastigheder giver højere energitæthed, men stiller store krav til materiale-styrke og balance. For at minimere tab anvendes ofte vakuumkapsling for at reducere luftmodstand, og magnetiske lejer (f.eks. magnetiske eller superledende lagre) minimerer mekanisk friktion og slid.

Sikkerhed og risici

Et hurtigt roterende svinghjul indeholder meget energi og kan ved materielt svigt fragmentere eksplosivt. Derfor anvendes:

  • forstærkede containment-kasser (mekanisk indespærring),
  • overvågning af vibrationer og balance,
  • materialer med høj trækstyrke og god fraktur-sejhed,
  • begrænsning af rotationshastighed (sikkerhedsgrænser) og redundans i lejerne.

Anvendelser

Svinghjul bruges i mange sammenhænge:

  • Forbrændingsmotorer: Udjævning af ujævn kraftlevering fra stempler (som nævnt i indledningen).
  • Køretøjer: Busser og tog har/har haft mekaniske systemer til at lagre bremseenergi i svinghjul og give den tilbage ved acceleration.
  • Regenerativ bremsning og motorsport: KERS-systemer (Kinetic Energy Recovery Systems) på racerbiler bruger ofte svinghjul til korttidslagring af energi.
  • Netstabilisering og UPS: Kommercielle flywheel-energy-storage (FES) enheder kan levere korttidstryk ved strømsvigt eller stabilisere netfrekvensen med hurtige effektudladninger.
  • Satellitter og rumfart: Reaction wheels og momentum wheels (beslægtede koncepter) bruges til præcis orientering (attitude control), selvom deres primære funktion er styresignal, ikke energilagring.

Fordele og ulemper

Fordele:

  • Høj effektlevering og -optagelse (hurtige cykler).
  • Lang cykluslevetid (tåler mange opladnings-/afladningscykler uden signifikant forringelse).
  • Ingen kemisk nedbrydning som i batterier.

Ulemper:

  • Relativt lav energitæthed sammenlignet med kemiske batterier (afhængigt af design).
  • Kræver robustt, sikkert indkapslingsdesign ved høje hastigheder.
  • Kan være dyre i materiale- og fremstillingsomkostninger for højtydende rotorer (f.eks. kulfiber).

Praktiske overvejelser

Ved valg af svinghjulssystem overvejes:

  • hvor hurtigt energien skal leveres (effekt),
  • hvor meget energi der skal lagres (kapacitet),
  • levetid og vedligeholdelseskrav,
  • omkostninger og sikkerhedsforanstaltninger.

I moderne anvendelser kombineres ofte svinghjulsteknologi med elektronik til styring af energistrømme, sensorer til tilstandsovervågning og nødstop for at sikre pålidelig og sikker drift.

Samlet set er svinghjul en effektiv, mekanisk metode til hurtig energilagring og -afgivelse, særligt når man har brug for høj effekt over korte perioder eller lang levetid uden kemisk forringelse.