गतिपालक चक्र

गतिपालक चक्र (फ्लाई व्हील) यांत्रिक उपकरण है जो घूर्णन ऊर्जा को संग्रहीत करने के लिए कोणीय गति के संरक्षण का उपयोग करता है, जड़ता के क्षण के उत्पाद और इसकी घूर्णन गति के वर्ग के उत्पाद के लिए आनुपातिक ऊर्जा का रूप विशेष रूप से, यह मानते हुए कि गतिपालक चक्र की जड़ता का क्षण स्थिर है (अर्ताथ, निश्चित द्रव्यमान के साथ गतिपालक चक्र और कुछ निश्चित अक्ष के बारे में घूमने वाले क्षेत्र के दूसरे क्षण) तो संग्रहीत (घूर्णन) ऊर्जा सीधे अपनी घूर्णन गति के वर्ग के साथ जुड़ी होती है।

चूंकि गतिपालक चक्र बाद में उपयोग के लिए यांत्रिक ऊर्जा को संग्रहीत करने का कार्य करता है, इसलिए इसे प्रारंभ करनेवाला के गतिज ऊर्जा एनालॉग के रूप में विचार करना स्वाभाविक है। इस प्रकार उपयुक्त रूप से अमूर्त होने के पश्चात, ऊर्जा भंडारण के इस साझा किए हुए सिद्धांत को संचायक (ऊर्जा) की सामान्यीकृत अवधारणा में वर्णित किया गया है।अन्य प्रकार के संचयकों के साथ, गतिपालक चक्र प्रणाली के बिजली उत्पादन में पर्याप्त रूप से छोटे विचलन को सुचारू रूप से सुचारू करता है, जिससे यूक्ति के यांत्रिक वेग (कोणीय, या अन्यथा) के संबंध में लो पास फिल्टर की भूमिका प्रभावी रूप से खेलता है। अधिक सटीक रूप से, गतिपालक चक्र की संग्रहीत ऊर्जा बिजली इनपुट में बूंद पर बिजली उत्पादन में उछाल दान करेगी और इसके विपरीत घूर्णन ऊर्जा के रूप में किसी भी अतिरिक्त बिजली इनपुट (यूक्ति-जनरेटेड पावर) को अवशोषित करेगी।

एक गतिपालक चक्र के सामान्य उपयोगों में पारस्परिक इंजनों में बिजली उत्पादन को चौरसाई करना, गतिपालक चक्र ऊर्जा भंडारण, स्रोत की तुलना में उच्च दरों पर ऊर्जा प्रदान करना, जाइरोस्कोप और प्रतिक्रिया पहिया का उपयोग करके यांत्रिक प्रणाली के उन्मुखीकरण को नियंत्रित करना, गतिपालक चक्र सामान्यतः स्टील और घूर्णन से बने होते हैं। पारंपरिक बीयरिंगों पर; ये सामान्यतः कुछ हजार आरपीएम की अधिकतम क्रांति दर तक सीमित होते हैं। उच्च ऊर्जा घनत्व गतिपालक चक्र कार्बन फाइबर कंपोजिट से बना हो सकता है और चुंबकीय बीयरिंग को नियोजित करता है, जिससे उन्हें 60,000 RPM (1 kHz) तक की गति से घूमने में सक्षम बनाया जा सकता है।

अनुप्रयोग
गतिपालक चक्र का उपयोग अधिकांशतः उन प्रणालियों में निरंतर बिजली उत्पादन प्रदान करने के लिए किया जाता है जहां ऊर्जा स्रोत निरंतर नहीं है। उदाहरण के लिए, गतिपालक चक्र का उपयोग पारस्परिक इंजन में क्रैंकशाफ्ट के तेजी से कोणीय वेग के उतार -चढ़ाव को चिकना करने के लिए किया जाता है। इस स्थिति में, क्रैंकशाफ्ट गतिपालक चक्र ऊर्जा को संग्रहीत करता है जब टॉर्क को फायरिंग पिस्टन द्वारा उस पर लगाया जाता है और फिर उस ऊर्जा को पिस्टन में वापस लौटता है जिससे कि हवा और ईंधन के नए चार्ज को संपीड़ित किया जा सके। एक अन्य उदाहरण घर्षण मोटर है जो ट्वाय कार जैसे उपकरणों को शक्ति प्रदान करता है। इस प्रकार बिना रुके और सस्ती स्थितियों में, लागत को बचाने के लिए, गतिपालक चक्र के द्रव्यमान का थोक पहिया के रिम की ओर है। घूर्णन की धुरी से द्रव्यमान को दूर धकेलने से किसी दिए गए कुल द्रव्यमान के लिए घूर्णन जड़ता बढ़ जाती है।

एक गतिपालक चक्र का उपयोग बिजली के स्तर पर ऊर्जा के आंतरायिक पल्स की आपूर्ति करने के लिए भी किया जा सकता है जो इसके ऊर्जा स्रोत की क्षमताओं से अधिक है। यह समय की अवधि में गतिपालक चक्र में ऊर्जा जमा करके प्राप्त किया जाता है, दर पर जो ऊर्जा स्रोत के साथ संगत होता है, और फिर अपेक्षाकृत कम समय में ऊर्जा को जारी करने पर ऊर्जा को जारी करता है जब इसकी आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, गतिपालक चक्र का उपयोग पावर हैमर और रिवेटिंग मशीन में किया जाता है।

गतिपालक चक्र का उपयोग दिशा को नियंत्रित करने और अवांछित गतियों का विरोध करने के लिए किया जा सकता है। इस संदर्भ में गतिपालक चक्र में अनुप्रयोगों की विस्तृत श्रृंखला है: इंस्ट्रूमेंटेशन, जहाज की स्थिरता, उपग्रह स्थिरीकरण (प्रतिक्रिया पहिया) के लिए गायरोस्कोप, खिलौने के घूर्णन (घर्षण मोटर) रखते हुए, चुंबकीय रूप से स्तरीय वस्तुओं (घूर्णन-स्थिर चुंबकीय लेविटेशन) को स्थिर करते हुए देखा जा सकता हैं।

गतिपालक चक्र का उपयोग इलेक्ट्रिक कम्पेसाटर के रूप में भी किया जा सकता है, तुल्यकालिक कंडेनसर की तरह, जो या तो प्रतिक्रियाशील शक्ति का उत्पादन या सिंक कर सकता है, लेकिन वास्तविक शक्ति को प्रभावित नहीं करेगा। उस आवेदन के उद्देश्य यूक्ति के पावर फैक्टर में सुधार करना या ग्रिड वोल्टेज को समायोजित करना है।सामान्यतः, इस क्षेत्र में उपयोग किए जाने वाले गतिपालक चक्र संरचना और स्थापना में समान होते हैं, जो सिंक्रोनस मोटर के रूप में होते हैं (लेकिन इसे इस संदर्भ में सिंक्रोनस कम्पेसाटर या समकालिक संघनक कहा जाता है)। सिंगल फेज प्रेरण मशीन की तरह गतिपालक चक्र का उपयोग करके कुछ अन्य प्रकार के कम्पेसाटर भी हैं। लेकिन यहां के मूल विचार समान हैं, गतिपालक चक्र को उस आवृत्ति पर बिल्कुल घूर्णन करने के लिए नियंत्रित किया जाता है जिसे आप क्षतिपूर्ति करना चाहते हैं। सिंक्रोनस कम्पेसाटर के लिए, आपको रोटर और स्टेटर के वोल्टेज को चरण में भी रखने की आवश्यकता है, जो कि रोटर के चुंबकीय क्षेत्र और चरण में कुल चुंबकीय क्षेत्र ( घूर्णन संदर्भ फ्रेम में) के समान है।

इतिहास
गतिपालक चक्र का सिद्धांत निओलिथिक स्पिंडल (वस्त्र) और कुम्हार के पहिये में पाया जाता है, साथ ही प्राचीनता में परिपत्र तेज पत्थर भी। 11 वीं शताब्दी की प्रारंभ में इब्न बेसिल ने नोरिया और साकी में गतिपालक चक्र पर उपयोग किया। घूर्णन की गति को बराबर करने के लिए सामान्य यांत्रिक उपकरण के रूप में गतिपालक चक्र का उपयोग, अमेरिकी मध्ययुगीन लिन व्हाइट के अनुसार, जर्मन आर्टिसन थियोफिलस प्रेस्बिटर (सीए 1070-1125) के डी डाइवर्सिबस आर्टिबस (विभिन्न कलाओं पर) में दर्ज किया गया है। डब्ल्यूएचओ अपनी कई मशीनों में यूक्ति को लागू करने के लिए रिकॉर्ड करता है। औद्योगिक क्रांति में, जेम्स वॉट ने भाप का इंजन में गतिपालक चक्र के विकास में योगदान दिया, और उनके समकालीन जेम्स पिकार्ड ने रोटरी मोशन में पारस्परिक गति को बदलने के लिए क्रैंक (तंत्र) के साथ संयुक्त रूप से गतिपालक चक्र का उपयोग किया।

भौतिकी
किसी गतिपालक चक्र की कताई हेतु उपयोग किया जाने वाला पहिया, या डिस्क, या रोटर होता है, जो इसकी समरूपता अक्ष के चारों ओर घूमता है।ऊर्जा को गतिज ऊर्जा के रूप में संग्रहीत किया जाता है, अधिक विशेष रूप से घूर्णन ऊर्जा, विकट की: रोटर, और इसकी गणना की जा सकती है $\frac{1}{2} I \omega^2$ ।ω कोणीय वेग है, और $$ I $$ समरूपता की धुरी के बारे में गतिपालक चक्र की जड़ता का क्षण है।जड़ता का क्षण कताई वस्तु पर लागू टोक़ के प्रतिरोध का उपाय है (अर्ताथ जड़ता का क्षण जितना अधिक होता है, किसी दिए गए टोक़ को लागू होने पर धीमी गति से बढ़ेगा)। जड़ता के क्षण को द्रव्यमान ($m$ ) और त्रिज्या ($$r$$) द्वारा जाना जा सकता है। एक ठोस सिलेंडर के लिए यह $\frac{1}{2} mr^2$ है, पतली दीवार वाले खाली सिलेंडर के लिए यह लगभग $m r^2$  है , और निरंतर घनत्व के साथ मोटी दीवार वाले खाली सिलेंडर के लिए यह $\frac{1}{2} m({r_\mathrm{external}}^2 - {r_\mathrm{internal}}^2) $  है। एक इलेक्ट्रिक मोटर-संचालित गतिपालक चक्र व्यवहार में सरल है। इलेक्ट्रिक मोटर की आउटपुट पावर गतिपालक चक्र की आउटपुट पावर के लगभग बराबर है। इसकी गणना की जा सकती है $(V_i)(V_t)\left ( \frac{\sin(\delta)}{X_S}\right )$, कहां $$V_i$$ रोटर (विद्युत) घुमावदार का वोल्टेज है, $$V_t$$ स्टेटर वोल्टेज है, और $$\delta$$ दो वोल्टेज के बीच का कोण है।घूर्णन ऊर्जा की बढ़ती मात्रा को रोटर बिखरने तक गतिपालक चक्र में संग्रहीत किया जा सकता है।यह तब होता है जब रोटर के भीतर घेरा तनाव रोटर सामग्री की अंतिम तन्यता ताकत से अधिक हो जाता है। तन्य तनाव की गणना $$ \rho r^2 \omega^2 $$ द्वारा की जा सकती है, जहां $$ \rho $$ सिलेंडर का घनत्व है, $$ r $$ सिलेंडर का त्रिज्या है, और $$ \omega $$ सिलेंडर का कोणीय वेग है।

सामग्री चयन
गतिपालक चक्र कई अलग -अलग सामग्रियों से बने होते हैं, आवेदन सामग्री की पसंद को निर्धारित करता है।सीसा से बने छोटे गतिपालक चक्र बच्चों के खिलौनों में पाए जाते हैं। कास्ट आयरन गतिपालक चक्र का उपयोग पुराने स्टीम इंजन में किया जाता है। कार इंजन में उपयोग किए जाने वाले गतिपालक चक्र कास्ट या नोड्यूलर आयरन, स्टील या एल्यूमीनियम से बने होते हैं। उच्च शक्ति वाले स्टील या कंपोजिट से बने गतिपालक चक्र को वाहन ऊर्जा भंडारण और ब्रेकिंग यूक्ति में उपयोग के लिए प्रस्तावित किया गया है।

एक गतिपालक चक्र की दक्षता ऊर्जा की अधिकतम मात्रा से निर्धारित होती है जो प्रति यूनिट वजन को भंडारण कर सकती है।चूंकि गतिपालक चक्र की घूर्णन गति या कोणीय वेग बढ़ता है, संग्रहीत ऊर्जा बढ़ जाती है; चूंकि, तनाव भी बढ़ते हैं। यदि घेरा तनाव सामग्री की तन्यता ताकत को पार करता है, तो गतिपालक चक्र अलग हो जाएगा। इस प्रकार, तन्य शक्ति ऊर्जा की मात्रा को सीमित करती है जो गतिपालक चक्र भंडारण कर सकती है।

इस संदर्भ में, बच्चे के खिलौने में चक्का के लिए लीड का उपयोग करना कुशल नहीं है;चूंकि, गतिपालक चक्र वेग कभी भी अपने फट वेग के पास नहीं पहुंचता है क्योंकि इस स्थिति में सीमा बच्चे की पुलिंग-पावर है। अन्य अनुप्रयोगों में, जैसे कि ऑटोमोबाइल, गतिपालक चक्र निर्दिष्ट कोणीय वेग पर संचालित होता है और उस स्थान से विवश होता है जिसमें इसे फिट होना चाहिए, इसलिए लक्ष्य प्रति यूनिट मात्रा में संग्रहीत ऊर्जा को अधिकतम करना है।इसलिए सामग्री चयन आवेदन पर निर्भर करता है।

ऊर्जा भंडारण
किसी दिए गए गतिपालक चक्र डिजाइन के लिए, काइनेटिक ऊर्जा सामग्री घनत्व और द्रव्यमान के लिए घेरा तनाव के अनुपात के लिए आनुपातिक है।एक गतिपालक चक्र की विशिष्ट ताकत को $\frac{\sigma_t}{\rho} $ द्वारा परिभाषित किया जा सकता है । उच्चतम विशिष्ट तन्यता ताकत के साथ गतिपालक चक्र सामग्री प्रति यूनिट द्रव्यमान में उच्चतम ऊर्जा भंडारण का उत्पादन करेगी। यह कारण है कि कार्बन फाइबर ब्याज की सामग्री है। किसी दिए गए डिज़ाइन के लिए संग्रहीत ऊर्जा घेरा तनाव और मात्रा के लिए आनुपातिक है।

डिजाइन
एक रिम्ड गतिपालक चक्र में रिम (पहिया), हब और बोला जाता है। गतिपालक चक्र के जड़ता के क्षण की गणना विभिन्न सरलीकरणों को लागू करके अधिक आसानी से विश्लेषण किया जा सकता है। एक विधि यह है कि प्रवक्ता, शाफ्ट और हब के पास जड़ता के शून्य क्षण हैं, और गतिपालक चक्र की जड़ता का क्षण अकेले रिम से है। एक और प्रवक्ता, हब और शाफ्ट की जड़ता के गांठ-तत्व मॉडल के क्षणों का अनुमान है कि रिम से बहुमत के साथ, गतिपालक चक्र के जड़ता के क्षण के प्रतिशत के रूप में अनुमान लगाया जा सकता है, जिससे कि $$I_\mathrm{rim}=KI_\mathrm{flywheel}$$।उदाहरण के लिए, यदि हब, प्रवक्ता और शाफ्ट की जड़ता के क्षणों को नगण्य माना जाता है, और रिम की मोटाई इसके औसत त्रिज्या ($$R$$) की तुलना में बहुत कम है,और इस प्रकार $I_\mathrm{rim}=M_\mathrm{rim}R^2$ रिम के घूर्णन की त्रिज्या इसके औसत त्रिज्या के बराबर है.

एक शाफ्टलेस गतिपालक चक्र एनलस होल, शाफ्ट या हब को समाप्त करता है।इसमें पारंपरिक डिजाइन की तुलना में अधिक ऊर्जा घनत्व है लेकिन विशेष चुंबकीय असर और नियंत्रण प्रणाली की आवश्यकता होती है। चक्का की विशिष्ट ऊर्जा $\frac{E}{M} = K \frac{\sigma}{\rho} $ द्वारा निर्धारित की जाती है, जिसमें $$K $$ आकार कारक है, $$\sigma $$ सामग्री की तन्यता ताकत और $$\rho $$ घनत्व हैं। जबकि विशिष्ट गतिपालक चक्र में 0.3 का आकार कारक होता है, शाफ्टलेस गतिपालक चक्र में लगभग 1 की सैद्धांतिक सीमा से बाहर 0.6 के करीब आकार का कारक होता है।

एक सुपर फ्लाईवील में ठोस कोर (हब) और उच्च शक्ति वाली लचीली सामग्री (जैसे विशेष स्टील्स, कार्बन फाइबर कंपोजिट, ग्लास फाइबर, या ग्राफीन) के कई पतले परतें होती हैं। पारंपरिक गतिपालक चक्र की तुलना में, सुपरफ्लाइवेल्स अधिक ऊर्जा भंडारण कर सकते हैं और संचालित करने के लिए सुरक्षित हैं। विफलता के स्थिति में, सुपरफ्लाइव्हील नियमित गतिपालक चक्र की तरह बड़े शार्क में विस्फोट या फट नहीं जाता है, बल्कि इसके अतिरिक्त परतों में विभाजित होता है। अलग -अलग परतें तब बाड़े की आंतरिक दीवारों के विरुद्ध फिसलकर सुपरफ्लाइव्हील को धीमा कर देती हैं, इस प्रकार किसी भी आगे विनाश को रोकती हैं। यद्यपि सुपरफ्लाइवेल की ऊर्जा घनत्व का सटीक मूल्य उपयोग की जाने वाली सामग्री पर निर्भर करेगा, यह सैद्धांतिक रूप से ग्राफीन सुपरफ्लाइव्हील्स के लिए 1200 डब्ल्यूएच (4.4 एमजे) प्रति किलोग्राम द्रव्यमान के रूप में उच्च हो सकता है। पहला सुपर गतिपालक चक्र 1964 में सोवियत-रूसी वैज्ञानिक नोबेल गिउलिया द्वारा पेटेंट कराया गया था।

यह भी देखें

 * दोहरी-मास फ्लाईव्हील
 * फ्लाईव्हील एनर्जी स्टोरेज
 * संचायक (ऊर्जा)
 * डीजल रोटरी निर्बाध बिजली की आपूर्ति
 * जड़ता के क्षणों की सूची
 * क्लच
 * फिडगेट स्पिनर
 * फ्लाईव्हील प्रशिक्षण

आगे की पढाई

 * https://pserc.wisc.edu/documents/general_information/presentations/presentations_by_pserc_university_members/heydt_synchronous_mach_sep03.pdf
 * https://pserc.wisc.edu/documents/general_information/presentations/presentations_by_pserc_university_members/heydt_synchronous_mach_sep03.pdf
 * https://pserc.wisc.edu/documents/general_information/presentations/presentations_by_pserc_university_members/heydt_synchronous_mach_sep03.pdf

बाहरी कड़ियाँ

 * Flywheel batteries on Interesting Thing of the Day.
 * Flywheel-based microgrid stabilisation technology., ABB
 * Flywheel-based microgrid stabilisation technology., ABB