Hoogratas on raske ketas või ratas, mis on kinnitatud pöörleva võlli külge. Selliseid rattaid kasutatakse peamiselt kineetilise energia salvestamiseks: hoog teeb selle nii, et hooratas ei muuda oma pöörlemiskiirust kergesti. Seetõttu aitavad hoorattad hoida võlli pöörlemist stabiilsena ka siis, kui võllile rakendatav pöördemoment muutub sagedasti või on ebaühtlane. Eriti levinud on hoorattad mootorites, kus silindrite töökäikud tekitavad pulsatiivset (võnkuvat) pöördemomenti — hooratas silub need kõikumised ja muudab jõuülekande sujuvamaks.

Tööpõhimõte

Hooratta põhiomadus on oma inertsi tõttu säilitada pöörlemisliikumist. Kui hooratas pöörlemisel aeglustub või kiireneb, toimub energiate vahetus: energiat saab hoorattasse lisada (kiirendades seda) või sellest ära võtta (pidurdades ratast). Kui süsteemis on vähe hõõrdumist ja kvaliteetsed laagrid, võib hooratas säilitada pöörlemist pikka aega, muutes selle tõhusa mehaanilise energiasalvesti.

Energia ja valemid

Hooratta salvestatud kineetilise energia E sõltub sellest, kui suur on tema pöörlemine ja kui suur on selle massi jaotumine raadiuse suhtes. Üldine valem pöörlevatele kehadele on

E = 1/2 · I · ω2,

kus I on kehade inertsimoment ja ω on pöörlemise nurkkiirus (rad/s). Kui hooratas on kujult ühtlane ketas (õhukese kettana eeldatud), on inertsimoment I = 1/2 · M · R2, kus M on mass ja R on raadius. Kombineerides saab kiirte energia avaldada kujul

E = 1/4 · M · R2 · ω2.

Siin on oluline, et ω (nurkkiirus) väljendatakse rad/s. (Konverteerimine pöörlemiskiirusest rpm-ides: ω = 2π · rpm/60.) {\displaystyle \omega } Valem näitab selgelt kolumnõtkust: energia on proportsionaalne massi, ruudulise raadiuse ja ruudulise nurkkiiruse korrutisega. {\displaystyle \omega }

Konstruktsioon ja materjalid

Hoorataste disain sõltub soovitud energiahulgast ja töökiirusest. On kaks peamist lähenemist:

  • raskemad, aeglasemalt pöörlevad hoorattad (tavaliselt metallist): suurem mass annab suure inertsi, kuid madalam maksimaalne pöörlemiskiirus;
  • kergekaalulised, kiiresti pöörlevad hoorattad (sageli süsinikkiust või komposiitmaterjalidest): väiksem mass, kuid palju kõrgemad pöörlemiskiirused annavad suure energiatiheduse, sest energia kasvab ω2.

Kiire pöörlemise korral peab materjal taluma suureid tsentrifugaaljõude, mistõttu kasutatakse tugevaid ja elastseid komposiite või terase konstruktsioone koos turvakattega.

Rakendused

Hoorattaid kasutatakse mitmes valdkonnas:

  • transpordis (näiteks busside energiasalvestus ehk lendurirattad peatamise ja uuesti käivitamise ajal); originaalnäites on buss, kus hooratas võtab pidurdamisel üle ratta kineetilise energia ja annab selle tagasi käivitamisel;
  • elektrivõrkudes ja energia salvestussüsteemides lühiajalise häälestamiseks ja võimsuse sujuvamaks pakkumiseks (nt sageduse stabiliseerimine);
  • industriaalsetes seadmetes pöördemomendi tasandamiseks ja varuenergia pakkumiseks voolukatkestuse korral (UPS-laadsed rakendused);
  • kosmose- ja lennundusrakendustes, kus neid kasutatakse ka orientatsiooni stabiliseerimiseks (roti inertsi abil).

Eelised ja piirangud

  • Eelised: kiire laadimine ja tühjendamine, pikk töötsükkel, kõrge efektiivsus lühiajalise salvestuse puhul, väga kiire võime pöördemomenti stabiliseerida.
  • Piirangud: piirangud materjalide ja turvalisuse tõttu (rikkumine kiire pöörlemise ajal võib olla ohtlik), energiasalvestus sõltub eriti kiirusest (ω2 faktor), kaotused vibratsiooni, hõõrdumise ja õhukoormuse tõttu ning vajadus vaakumkorpusete ja/või magnetlaagrite järele suurte süsteemide juures.

Ohutus ja hooldus

Suure energiatihedusega hoorataste puhul on väga oluline:

  • õige konstrueerimine ja tasakaalustamine, et vältida ebanormaalseid vibreid;
  • kaitsev kesta või konteineri kasutamine, et rike ei põhjustaks lahtilenduvaid osakesi;
  • kvaliteetsed laagrid (võib kasutada ka magnetlaagreid) ja vaakumkambri lahendused, et vähendada hõõrdumist ja õhukuumi kahju;
  • regulaarne hooldus ja kiiruse ning temperatuuri järelevalve.

Kokkuvõtlikult on hooratas lihtne ja efektiivne mehaaniline viis kineetilise energia lühiajaliseks salvestamiseks ja pöördemomendi kõikumiste tasandamiseks. Disainivalikud — suur mass vs kõrge pöörlemiskiirus ning kasutatud materjalid — määravad seadme sobivuse konkreetseks rakenduslikuks vajaduseks.