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와전류제동

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목차

1. 개요

와전류 제동은 자기장을 이용하여 물체의 움직임을 제어하는 제동 방식이다. 전자석이나 영구 자석의 자기장 내에서 금속 도체가 움직일 때 발생하는 와전류를 이용하여 제동력을 얻는다. 이 제동 방식은 열차, 롤러코스터, 다이나모미터 등에 사용되며, 디스크식과 레일식이 있다. 레일식 와전류 제동은 레일에 직접 와전류를 발생시켜 제동하는 방식으로, 마찰이 없고 고속에서 효과적이다. 다이나모미터 와전류 흡수기는 엔진의 부하를 조절하는 데 사용되기도 한다.

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와전류제동
개요
종류제동 장치
작동 방식전자기 유도
사용 분야기차
롤러코스터
전기 기기
작동 원리
핵심 원리페러데이 전자기 유도 법칙
제동력 조절자기장의 세기 또는 금속판의 속도를 조절하여 제동력을 제어할 수 있다.
장점 및 단점
장점마찰이 없어 소음이 적고 마모가 적다.
유지 보수가 용이하다.
응답 속도가 빠르다.
정밀한 제어가 가능하다.
단점속도가 낮아질수록 제동력이 감소한다.
외부 전원 공급이 필요할 수 있다. (전자석 사용 시)
금속판의 과열 가능성이 있다.
응용 분야
롤러코스터롤러코스터의 속도 제어 및 정지에 사용된다.
기타전기 자동차의 회생 제동 시스템
산업용 기계의 정밀 제어
항공기의 랜딩 기어
관련 용어
관련 용어와전류
전자기 유도
렌츠의 법칙
제동력
참고 문헌
참고 문헌와전류 제동 관련 학술 논문 및 기술 자료

2. 원리 및 메커니즘

와전류제동은 프랑스의 레옹 푸코가 발견한 현상을 이용한다. 레일 가까이에 전자석을 설치하고 제동이 필요할 때 자력을 가하면, 레일에 와전류가 발생하여 제동력이 생긴다. 자석의 N극과 S극을 전후 방향으로 배열하면 레일은 N극과 S극이 서로 접근하는 것과 같아지며, 이로 인해 자계(磁界)의 변화에 따라 렌츠의 법칙에 의해 제동력이 발생한다.

와전류 브레이크는 영구 자석이나 전자석의 자기장 안에서 움직이는 금속 조각(직선 막대 또는 디스크)으로 구성된다. 금속이 고정된 자석을 지나 움직이면, 자석은 금속에 저항력을 가하여 움직임을 방해한다.

와전류 브레이크는 다음 두 가지 형태로 제공된다.


  • ''선형'' 와전류 브레이크: 전도성 조각은 자석이 따라 움직이는 직선 레일 또는 트랙이다.
  • ''원형'', ''디스크'' 또는 ''회전'' 와전류 브레이크: 도체는 자석 극 사이에서 회전하는 평평한 디스크 회전자이다.


두 형태 모두 물리적 작동 원리는 동일하다.

2. 1. 로렌츠 힘

레일 가까이에 전자석을 설치하여 제동력이 필요할 때 자력을 가하면, 레일에 와전류가 발생하여 제동력이 생긴다. 자석의 N극과 S극을 전후 방향으로 배열하면 레일은 N극과 S극이 서로 접근하는 것과 같아진다. 이로 인해 자계(磁界)가 변화하면서 레일에 와전류가 발생하고, 렌츠의 법칙에 따라 제동력이 얻어진다.[1]

차량의 운동 에너지는 레일의 와전류로 바뀌고, 손실된 전류는 최종적으로 열 에너지로 변환되어 레일을 데운다.[1]

와전류 브레이크는 영구 자석이나 전자석의 자기장 안에서 움직이는 금속 조각(직선 막대 또는 디스크)으로 구성된다. 고정된 자석을 지나 금속이 움직이면, 자석은 금속에 저항력을 가하여 움직임을 방해한다. 이는 금속에 유도된 자기장에 의해 와전류라는 원형 전류가 발생하기 때문이다. 전도성 시트는 철이나 강철과 같은 강자성체 금속이 아닌, 구리나 알루미늄으로 만들어진다. 브레이크는 강자성 금속이 자석에 단순히 인력으로 작동하지 않는다.[4]

위 그림을 보면, 자석 아래에서 오른쪽으로 움직이는 금속판 ''(C)''가 있다. 자석의 북극 ''N''의 자기장 ''(B, 녹색 화살표)''이 시트를 통과한다. 금속이 움직이면서 시트를 통과하는 자기 선속이 변한다. 자석 앞쪽 가장자리 아래 시트 부분 ''(왼쪽)''에서는 자기장이 증가하고, 패러데이 유도 법칙에 따라 시계 반대 방향으로 전류 ''(I, 빨간색)''가 유도된다. 이것이 와전류이다. 자석 뒤쪽 가장자리 ''(오른쪽)''에서는 자기장이 감소하여 시계 방향 와전류가 유도된다.[4]

금속 시트 내 자유 전하 운반자(전자)가 오른쪽으로 움직이면, 자기장은 로렌츠 힘에 의해 옆으로 힘을 가한다. 전하 속도 '''''v'''''가 오른쪽, 자기장 '''''B'''''가 아래쪽이므로, 오른손 법칙에 따라 양전하에 가해지는 로렌츠 힘 ''q'''''v'''''×'''''B'''''는 그림에서 뒤쪽(왼쪽)을 향한다. 이로 인해 자석 아래 전류 ''I''가 발생하고, 시트 자기장 외부를 통해 두 전류로 원을 그리며 시계 방향(오른쪽), 시계 반대 방향(왼쪽)으로 돌아 다시 자석 앞으로 간다. 금속의 이동 가능한 전하 운반자(전자)는 음전하이므로, 이동 방향은 표시된 정상 전류와 반대이다.[4]

앙페르 회로 법칙에 따르면, 각 원형 전류는 렌츠의 법칙에 따라 자기장 변화에 반대하는 반대 자기장('' 파란색 화살표'')을 생성하여 저항력을 유발한다. 자석 앞쪽 가장자리 ''(왼쪽)''에서 시계 반대 방향 전류는 위를 향하는 자기장을 생성, 반발력을 유발한다. 뒤쪽 가장자리 ''(오른쪽)''에서 시계 방향 전류는 아래쪽을 향하는 자기장을 생성, 인력을 생성한다. 이 두 힘은 모두 시트 움직임에 반대한다. 이 저항력을 극복하는 데 소모되는 운동 에너지는 금속의 전기 저항을 통해 흐르는 전류에 의해 열로 소산되어, 금속은 자석 아래에서 따뜻해진다.[4]

와전류 브레이크의 제동력은 속도 ''V''에 정확히 비례하여 액체의 점성 마찰처럼 작용하며, 속도가 감소하면 제동력도 감소한다. 전도성 시트가 고정되면 자기장이 일정하여 와전류가 유도되지 않고, 자석과 도체 사이에 힘이 없다. 따라서 와전류 브레이크는 고정력이 없다.[4]

와전류 브레이크는 두 가지 형태로 제공된다.[4]

  • ''선형'' 와전류 브레이크: 전도성 조각은 자석이 따라 움직이는 직선 레일 또는 트랙이다.
  • ''원형'', ''디스크'' 또는 ''회전'' 와전류 브레이크: 도체는 자석 극 사이에서 회전하는 평평한 디스크 회전자이다.

물리적인 작동 원리는 두 가지 모두 동일하다.

2. 2. 에너지 변환

차량의 운동 에너지는 레일의 와전류로 바뀌고, 그렇게 손실된 전류가 최종적으로 열 에너지로 변환되어 레일을 데우게 된다.[1]

와전류 브레이크는 영구 자석 또는 전자석 중 하나인 자석의 자기장 안을 움직이는 금속의 전도성 조각(직선 막대 또는 디스크)으로 구성된다.[1] 고정된 자석을 지나 움직일 때, 자석은 금속에 저항력을 가하여 금속의 움직임에 반대한다.[1] 이는 금속에 유도된 자기장에 의해 와전류라고 하는 원형 전류 때문이다.[1] 전도성 시트는 철 또는 강철과 같은 강자성체 금속으로 만들어지지 않고, 일반적으로 구리 또는 알루미늄이 사용되며, 이는 자석에 끌리지 않는다.[1] 브레이크는 강자성 금속이 자석에 단순하게 인력으로 작동하지 않는다.[1]

오른쪽 그림은 자석 아래에서 오른쪽으로 움직이는 금속판 ''(C)''을 보여준다. 자석의 북극 ''N''의 자기장 ''(B, 녹색 화살표)''이 시트를 통과한다.[1] 금속이 움직이기 때문에 시트를 통과하는 자기 선속이 변화한다.[1] 자석의 앞쪽 가장자리 아래 시트 부분 ''(왼쪽)''에서 시트를 통과하는 자기장이 자석에 가까워짐에 따라 증가한다.[1] 패러데이 유도 법칙에 따르면 이 필드는 시트에 시계 반대 방향으로 전류 ''(I, 빨간색)''의 흐름을 유도한다.[1] 이것이 와전류이다.[1] 반대로 자석의 뒤쪽 가장자리 ''(오른쪽)''에서 시트를 통과하는 자기장이 감소하여 시트에 시계 방향 와전류를 유도한다.[1]

작용을 이해하는 또 다른 방법은 금속 시트 내 자유 전하 운반자(전자)가 오른쪽으로 움직이므로 자기장이 로렌츠 힘으로 인해 옆으로 힘을 가하는 것을 보는 것이다.[1] 전하의 속도 '''''v'''''가 오른쪽이고 자기장 '''''B'''''가 아래로 향해 있기 때문에 오른손 법칙에 따르면 양전하에 가해지는 로렌츠 힘 ''q'''v'''''×'''''B'''''는 그림에서 뒤쪽으로 향한다(시트의 이동 방향을 바라볼 때 왼쪽).[1] 이로 인해 자석 아래의 뒤쪽으로의 전류 ''I''가 발생하며, 이 전류는 시트의 자기장 외부 부분을 통해 두 개의 전류로 원을 그리며 시계 방향으로 오른쪽으로, 시계 반대 방향으로 왼쪽으로 돌아서 다시 자석 앞으로 간다.[1] 금속의 이동 가능한 전하 운반자(전자)는 실제로 음전하를 띠고 있으므로 이동 방향은 표시된 정상 전류와 반대이다.[1]

앙페르 회로 법칙에 설명된 바와 같이, 이러한 각 원형 전류는 렌츠의 법칙에 따라 자기장의 변화에 반대하는 반대 자기장 (''파란색 화살표'')을 생성하여 브레이크가 가하는 제동력인 시트에 저항력을 유발한다.[1] 자석의 앞쪽 가장자리 ''(왼쪽)''에서 오른손 법칙에 따라 시계 반대 방향 전류는 위를 향하는 자기장을 생성하여 자석의 필드에 반대하여 시트와 자석의 앞쪽 가장자리 사이에 반발력을 유발한다.[1] 반대로, 뒤쪽 가장자리 ''(오른쪽)''에서 시계 방향 전류는 자석의 필드와 같은 방향으로 아래쪽을 향하는 자기장을 생성하여 시트와 자석의 뒤쪽 가장자리 사이에 인력을 생성한다.[1] 이 두 힘은 모두 시트의 움직임에 반대한다.[1] 이 저항력을 극복하는 데 소모되는 운동 에너지는 금속의 전기 저항을 통해 흐르는 전류에 의해 열로 소산되므로 금속은 자석 아래에서 따뜻해진다.[1]

와전류 브레이크의 제동력은 속도 ''V''에 정확히 비례하므로 액체의 점성 마찰과 유사하게 작용한다.[1] 제동력은 속도가 감소함에 따라 감소한다.[1] 전도성 시트가 고정되어 있으면 각 부분의 자기장이 일정하고 시간에 따라 변하지 않으므로 와전류가 유도되지 않고 자석과 도체 사이에 힘이 없다.[1] 따라서 와전류 브레이크는 고정력이 없다.[1]

3. 종류

와전류 제동은 작동 방식에 따라 디스크식과 선형(레일식)으로 나눌 수 있다.


  • 디스크식: 700계 신칸센과 같은 일본 고속 열차나 전력 계량기 등에 사용된다. 회전하는 금속 디스크에 자기장을 가하여 와전류를 발생시켜 제동력을 얻는다.
  • 선형 (레일식): ICE 3와 같은 일부 철도 차량이나 롤러코스터에 사용된다. 레일 위에 전자석을 배치하여 레일에 와전류를 발생시켜 제동력을 얻는다. 레일과 직접 접촉하지 않아 마모가 없고, 소음이나 냄새가 적다.


700계 신칸센의 디스크 와전류 제동 장치

3. 1. 디스크식 와전류 제동

일본 신칸센 700계 전동차의 디스크식 와전류 제동장치


디스크식 와전류 제동은 차축에 전자석을 부착한 금속 디스크를 설치하고, 제동 시 전자석에서 회전 자기장을 발생시켜 와전류와 자기장이 작용하여 플레밍의 왼손 법칙에 따른 전자력을 얻는 방식이다. 이 힘은 차륜의 회전을 방해하는 방향으로 작용하여 감속한다.[1]

디스크 전자기 브레이크는 열차와 같은 차량 및 원형 톱과 같은 전동 공구에 사용되어 전원을 끄면 블레이드를 빠르게 멈추게 한다. 디스크 와전류 브레이크는 차량 바퀴의 차축에 부착된 전도성이 있는 비강자성 금속 디스크(회전자)로 구성되며, 디스크 양쪽에 극이 있는 전자석이 있어 자기장이 디스크를 통과한다. 전자석은 제동력을 변화시킬 수 있다. 전자석 코일에 전류가 흐르지 않으면 제동력이 없고, 운전자가 브레이크 페달을 밟으면 전류가 전자석 코일을 통과하여 자기장을 생성한다. 코일의 전류가 클수록 와전류가 커지고 제동력이 강해진다. 전동 공구 브레이크는 전원이 꺼지면 연결 장치를 통해 디스크에 인접하게 이동하는 영구 자석을 사용한다. 차량의 운동 에너지는 디스크의 저항을 통과하는 와전류에 의해 줄 가열로 소산되므로, 기존의 마찰 디스크 브레이크와 마찬가지로 디스크가 뜨거워진다. 선형 브레이크와 달리 디스크의 금속은 자기장을 반복적으로 통과하므로 디스크 와전류 브레이크는 선형 와전류 브레이크보다 더 뜨거워진다.[1]

3. 1. 1. 구조 및 장단점



와전류제동은 차축에 전자석을 부착한 금속 디스크를 설치하고, 제동 시 전자석에서 회전 자기장을 발생시켜 와전류와 자기장의 상호작용으로 플레밍의 왼손 법칙에 따른 전자력을 얻는 방식이다. 이 힘은 차륜의 회전을 방해하는 방향으로 작용하여 감속을 일으킨다.

와전류제동의 장점은 다음과 같다.

  • 모터가 없는 차량에도 탑재할 수 있다.
  • 비접촉식 제동이므로 브레이크 디스크나 패드의 마모가 없다.
  • 다른 전동차의 발전제동, 회생제동과 제동력을 균형 있게 맞추기 쉽다.


반면, 와전류제동에는 다음과 같은 단점이 있다.

  • 강력한 전자석이 필요하여 농형 3상 유도전동기를 사용하는 교류 모터보다 무거워, 차량 전체 중량, 특히 스프링하 질량을 증가시킨다.
  • 회생제동과 달리 전력을 소비하므로 에너지 절약 측면에서 불리하다.


이러한 단점 때문에 JR 동일본은 1994년 E1계 이후 신칸센 차량에는 경량화를 위해 부수차에 와전류식 디스크 제동을 탑재하지 않고, 전동차에 새로운 회생제동 제어 방식을 추가하여 회생제동의 제동력을 높여 제동력을 확보하고 있다.

3. 1. 2. 대한민국에서의 적용

대한민국에서는 와전류 제동 장치가 직접적으로 언급되거나 사용된 사례는 제시된 원본 자료에 나타나 있지 않다. 그러나 일본 신칸센 열차의 사례를 통해 와전류 제동 시스템의 발전 과정을 간략하게 살펴볼 수 있다.

일본 신칸센 열차는 100계 신칸센 이후 객차에 원형 와전류 브레이크 시스템을 사용했다. 그러나 N700계 신칸센에서는 회생 제동 방식을 채택하면서 와전류 브레이크를 사용하지 않게 되었다. 회생 제동은 바퀴를 구동하는 모터를 발전기로 사용하여 전기를 생산하고, 이 전기를 배터리 충전에 사용하여 에너지를 재사용하는 방식이다.[1]

3. 2. 레일식 와전류 제동

레일식 와전류 제동은 전자석을 이용하여 레일에 와전류를 발생시켜 제동력을 얻는 방식이다. 레일과 직접 접촉하지 않아 마모, 소음, 악취가 발생하지 않지만, 저속에서는 효과가 없어 다른 제동 수단과 병용해야 한다. 고속에서는 비상 제동 및 상용 제동에 모두 사용할 수 있다.[1]

디스크식 와전류 제동과 유사하나, 레일식은 레일에 직접 와전류를 발생시켜 점착 계수의 영향을 받지 않으므로 고속에서 더 유리하다. 전자흡착제동과는 비접촉식이라는 점과 와전류 발생을 위한 자석 극성 배열이 다르다는 차이점이 있다.

3. 2. 1. 원리 및 특징

독일의 ICE 3에 탑재된 레일식 와전류 제동장치


전자석으로 레일에 와전류를 발생시켜 제동력을 얻는 방식이다. 레일 가까이에(7mm 정도) 전자석을 설치해 제동력이 필요할 때 이를 여자(励磁)하여 자력으로 레일에 와전류를 발생시켜 제동력을 얻는다. 자석의 N-S극을 전후방향으로 늘어놓으면 레일은 N극과 S극이 서로 접근하듯이 되는데, 이로 인한 자계(磁界)의 변화에 따라 레일에 와전류가 발생, 렌츠의 법칙에 의해 제동력을 얻을 수 있다.[1]

이에 따라 차량의 운동 에너지는 레일의 와전류로 바뀌고, 그렇게 손실된 전류가 최종적으로 열 에너지로 변환되어 레일을 데우게 된다.

이 제동의 원리라고 할 수 있는 자계 속에서 회전하는 원반에 와전류가 발생하는 현상을 발견한 것은 프랑스의 레옹 푸코이다. 레일 사이에 물리적 접촉이 없으며 바퀴에 제륜자를 접촉시키는 방식도 아니기 때문에 레일·차륜·제륜자 등이 마모·파손되는 기계적인 결손이 발생하지 않는다. 또 소음이나 악취등도 만들지 않는다.[1]

다만 저속에서는 효과가 거의 없어 정차시키기 위한 제동방식으로는 사용할 수 없어 다른 제동수단과 병용해야 한다. 고속에서는 비상제동에도 상용제동에도 이용 가능하다.[1]

EU의 범 유럽 고속철도에 관한 상호운용성에 대한 기술사양(TSI:Technical Specifications for Interoperatibility)에서는 신조되는 고속철도 차량은 반드시 와전류제동을 장착할 것을 요구하고 있다. 처음으로 이 방식의 제동장치를 영업운전에 투입한 것은 독일의 ICE 3이다.

선형 와전류 제동 장치는 기차와 같은 일부 철도 차량에 사용된다. 이는 놀이기구의 끝에서 차량을 부드럽게 정지시키기 위해 롤러코스터에 사용된다.

선형 와전류 제동 장치는 레일을 따라 배치된 전기 코일이 있는 자기 요크로 구성되어 있으며, 이는 남극과 북극으로 교대로 자화된다. 이 자석은 레일에 닿지 않고 레일에서 약 7mm의 일정한 작은 거리를 유지한다(와전류 제동 장치는 브레이크 슈와 레일의 마찰에 의해 제동력을 발휘하는 또 다른 장치인 자기 브레이크와 혼동해서는 안 된다). 마찰과 운동 에너지를 기반으로 하는 기계식 브레이크와 달리, 와전류 제동 장치는 전자기력을 사용하여 물체의 움직임을 멈춘다. 이는 전도성 레일에 와전류의 폐쇄 루프를 유도하여 기차의 움직임에 반대하는 반대 자기장을 생성함으로써 디스크 와전류 제동 장치와 동일하게 작동한다.

움직이는 차량의 운동 에너지는 레일의 전기 저항을 통해 흐르는 와전류에 의해 열로 변환되어 레일이 따뜻해진다. 선형 브레이크의 장점은 디스크의 각 부분이 브레이크를 반복적으로 통과하는 디스크 브레이크와 달리 레일의 각 부분이 브레이크의 자기장을 한 번만 통과하므로 레일이 디스크만큼 뜨거워지지 않아 선형 브레이크가 더 많은 에너지를 소산하고 디스크 브레이크보다 더 높은 정격 출력을 가질 수 있다는 것이다.

와전류 브레이크는 레일과 기계적 접촉이 없어 마모가 없으며 소음이나 냄새가 발생하지 않는다. 와전류 브레이크는 저속에서는 사용할 수 없지만 고속에서는 비상 제동 및 서비스 제동에 사용할 수 있다.[1]

범유럽 고속철도에 대한 EU의 TSI(상호 운용성을 위한 기술 사양)는 새로 건설된 모든 고속철도 노선에서 와전류 브레이크를 사용할 수 있도록 권장한다.

현대 롤러코스터는 이러한 유형의 제동 장치를 사용한다. 정전으로 인한 위험을 피하기 위해 전자기장 대신 영구 자석을 사용하여 전원이 필요하지 않다. 이 응용 프로그램은 전자기장만큼 쉽게 제동 강도를 조정할 수 있는 가능성이 없다.

3. 2. 2. 다른 방식과의 비교

전자석으로 레일에 와전류를 발생시켜 제동력을 얻는 방식이다. 레일 사이에 물리적 접촉이 없으며 바퀴에 제륜자를 접촉시키는 방식도 아니기 때문에 레일·차륜·제륜자 등이 마모·파손되는 기계적인 결손이 발생하지 않고, 소음이나 악취도 발생하지 않는다.[1]

저속에서는 효과가 거의 없어 정차시키기 위한 제동방식으로는 사용할 수 없고 다른 제동수단과 병용해야 한다. 고속에서는 비상제동과 상용제동 모두 이용 가능하다.[1]

EU의 범 유럽 고속철도에 관한 상호운용성에 대한 기술사양(TSI:Technical Specifications for Interoperatibility)에서는 신규 고속철도 차량에 와전류제동 장치를 의무적으로 장착하도록 요구하고 있다.[1] 이 방식의 제동장치를 처음으로 영업운전에 투입한 것은 독일의 ICE 3이다.

와전류를 이용해 제동력을 얻는다는 점은 디스크식 와전류제동과 동일하지만, 디스크식 와전류제동은 차축에 설치한 디스크에 자석을 설치해 와전류를 디스크에 발생시키는 반면, 레일식 와전류제동은 레일에 와전류를 발생시킨다.

따라서 디스크식 와전류제동은 바퀴와 레일의 점착에 의한 제약을 받아 강하게 작동시키면 활주 상태가 될 수 있다. 반면, 레일식 와전류제동은 레일과의 직접 작용에 의한 제동방식이므로 점착계수의 영향을 받지 않는다. 일반적으로 고속일수록 점착계수는 낮아지기 때문에 레일식 와전류제동이 유리하다.

레일에 자석을 접근시킨다는 점에서는 전자흡착제동과 비슷하지만, 전자흡착제동은 자석을 레일에 접촉시키는 반면 레일식 와전류제동은 비접촉식이다. 또한, 전자흡착제동은 레일 좌우 방향으로 N-S극을 배열하고 전후방향은 같은 극성이 되도록 하여 속도에 의존하지 않는 제동력을 얻기 위해 와전류 발생을 억제한다. 반면, 레일식 와전류제동은 의도적으로 와전류를 발생시켜 제동력을 얻으므로 극성의 방향이 다르다.

선형 와전류 제동 장치는 롤러코스터에도 사용되는데, 영구 자석을 사용하여 전원이 필요하지 않다는 장점이 있지만, 전자기장을 사용할 때만큼 제동 강도를 쉽게 조절할 수는 없다.

3. 2. 3. 국제적 적용



전자석으로 레일에 와전류를 발생시켜 제동력을 얻는 방식이다. 레일 사이에 물리적 접촉이 없으며 바퀴에 제륜자를 접촉시키는 방식도 아니기 때문에 레일, 차륜, 제륜자 등이 마모되거나 파손되는 기계적인 결손이 발생하지 않는다. 또한 소음이나 악취도 발생하지 않는다.

EU의 범 유럽 고속철도에 관한 상호운용성에 대한 기술사양(TSI:Technical Specifications for Interoperatibility)에서는 신조되는 고속철도 차량은 반드시 와전류제동을 장착할 것을 요구하고 있다.[1] 처음으로 이 방식의 제동장치를 영업운전에 투입한 것은 독일의 ICE 3이다.

선형 와전류 제동 장치는 기차와 같은 일부 철도 차량에 사용된다. 이는 놀이기구의 끝에서 차량을 부드럽게 정지시키기 위해 롤러코스터에도 사용된다.

선형 와전류 제동 장치는 레일을 따라 배치된 전기 코일이 있는 자기 요크로 구성되어 있으며, 이는 남극과 북극으로 교대로 자화된다. 이 자석은 레일에 닿지 않고 레일에서 약 7mm의 일정한 작은 거리를 유지한다. 와전류 제동 장치는 브레이크 슈와 레일의 마찰에 의해 제동력을 발휘하는 자기 브레이크와는 다르게, 전자기력을 사용하여 물체의 움직임을 멈춘다. 이는 전도성 레일에 와전류의 폐쇄 루프를 유도하여 기차의 움직임에 반대하는 반대 자기장을 생성함으로써 디스크 와전류 제동 장치와 동일하게 작동한다.

움직이는 차량의 운동 에너지는 레일의 전기 저항을 통해 흐르는 와전류에 의해 열로 변환되어 레일이 따뜻해진다. 선형 브레이크의 장점은 디스크 브레이크와 달리 레일의 각 부분이 브레이크의 자기장을 한 번만 통과하므로 레일이 디스크만큼 뜨거워지지 않아 선형 브레이크가 더 많은 에너지를 소산하고 디스크 브레이크보다 더 높은 정격 출력을 가질 수 있다는 것이다.

와전류 브레이크는 레일과 기계적 접촉이 없어 마모가 없으며 소음이나 냄새가 발생하지 않는다. 저속에서는 사용할 수 없지만 고속에서는 비상 제동 및 서비스 제동에 사용할 수 있다.[1]

범유럽 고속철도에 대한 EU의 TSI(상호 운용성을 위한 기술 사양)는 새로 건설된 모든 고속철도 노선에서 와전류 브레이크를 사용할 수 있도록 권장한다.

현대 롤러코스터는 이러한 유형의 제동 장치를 사용한다. 정전으로 인한 위험을 피하기 위해 전자기장 대신 영구 자석을 사용하여 전원이 필요하지 않다. 이 응용 프로그램은 전자기장만큼 쉽게 제동 강도를 조정할 수 있는 가능성이 없다.

4. 다이나모미터 와전류 흡수기

6분짜리 '작동 방식 비디오' 튜토리얼로 엔진 다이너모미터와 섀시 다이노 와전류 흡수기의 작동 방식을 설명합니다.


대부분의 섀시 다이너모미터와 많은 엔진 다이노는 와전류 브레이크를 사용하여 엔진에 전기적으로 조정 가능한 부하를 제공한다. 이러한 응용 분야에서는 종종 "흡수기"라고 한다.

저렴한 공랭식 버전은 일반적으로 섀시 다이너모미터에 사용되며, 여기서 본질적으로 관성이 큰 강철 로터는 단점보다는 장점이다. 반대로, 성능 엔진 다이너모미터는 낮은 관성, 고 RPM, 수랭식 구성을 사용하는 경향이 있다. 이러한 응용 분야에서 와전류 흡수기의 단점은 고가의 AC 모터 기반 다이너모미터와 비교했을 때, 시동 속도(0 RPM) 부하를 제공하거나 엔진에 동력을 공급할 수 없다는 것이다(시동 또는 모터링(내리막길 시뮬레이션)을 위해).

와전류 흡수기는 실제로 에너지를 흡수하지 않기 때문에 방사된 열을 테스트 셀 영역 밖으로 전달하기 위한 조치가 제공되어야 한다. 대용량 공기 환기 또는 물-공기 열 교환기는 추가 비용과 복잡성을 더한다. 반대로, 고급 AC 모터 다이너모미터는 엔진의 동력을 전력망으로 깨끗하게 반환한다.

5. 선형 와전류 제동

선형 와전류 제동 장치는 기차와 같은 일부 철도 차량 및 롤러코스터에 사용된다.[1] 범유럽 고속철도에 대한 EU의 TSI는 새로 건설되는 모든 고속철도 노선에서 와전류 브레이크를 사용할 수 있도록 권장한다. 현대 롤러코스터는 정전의 위험을 피하기 위해 영구 자석을 사용하며, 이 경우 전원이 필요 없지만 제동 강도 조절은 어렵다.

5. 1. 구조 및 작동 원리



선형 와전류 제동 장치는 기차와 같은 일부 철도 차량 및 롤러코스터에 사용되어 놀이기구의 끝에서 차량을 부드럽게 정지시킨다.

선형 와전류 제동 장치는 레일을 따라 배치된 전기 코일이 있는 자기 요크로 구성되어 있으며, 남극과 북극으로 교대로 자화된다. 이 자석은 레일에 닿지 않고 약 7mm의 거리를 유지한다. 와전류 제동 장치는 브레이크 슈와 레일의 마찰로 제동력을 발휘하는 자기 브레이크와는 다르다. 마찰과 운동 에너지를 기반으로 하는 기계식 브레이크와 달리, 와전류 제동 장치는 전자기력을 사용한다. 이는 전도성 레일에 와전류의 폐쇄 루프를 유도하여 기차의 움직임에 반대하는 반대 자기장을 생성함으로써 디스크 와전류 제동 장치와 동일하게 작동한다.

움직이는 차량의 운동 에너지는 레일의 전기 저항을 통해 흐르는 와전류에 의해 열로 변환되어 레일이 따뜻해진다. 선형 브레이크에서 레일의 각 부분은 브레이크의 자기장을 한 번만 통과하므로, 디스크 브레이크처럼 디스크가 반복적으로 자기장을 통과하며 뜨거워지는 현상이 없다. 따라서 선형 브레이크는 더 많은 에너지를 소산하고 디스크 브레이크보다 더 높은 정격 출력을 가질 수 있다.

와전류 브레이크는 레일과 기계적 접촉이 없어 마모가 없으며 소음이나 냄새가 발생하지 않는다. 저속에서는 사용할 수 없지만 고속에서는 비상 제동 및 서비스 제동에 사용할 수 있다.[1]

범유럽 고속철도에 대한 EU의 TSI(상호 운용성을 위한 기술 사양)는 새로 건설되는 모든 고속철도 노선에서 와전류 브레이크를 사용할 수 있도록 권장한다.

현대 롤러코스터는 이러한 유형의 제동 장치를 사용한다. 정전으로 인한 위험을 피하기 위해 전자기장 대신 영구 자석을 사용하여 전원이 필요하지 않다. 다만, 이 방식은 전자기장을 사용할 때만큼 제동 강도를 쉽게 조정할 수는 없다.

5. 2. 장점 및 활용

선형 와전류 제동 장치는 기차와 같은 일부 철도 차량에 사용되며, 놀이기구의 끝에서 차량을 부드럽게 정지시키기 위해 롤러코스터에도 사용된다.

선형 와전류 제동 장치는 레일을 따라 배치된 전기 코일이 있는 자기 요크로 구성되어 있으며, 이 코일은 남극과 북극으로 교대로 자화된다. 이 자석은 레일에 닿지 않고 레일에서 약 7mm의 거리를 유지한다. 와전류 제동 장치는 브레이크 슈와 레일의 마찰로 제동력을 발휘하는 자기 브레이크와는 다른 장치이다. 마찰과 운동 에너지를 이용하는 기계식 브레이크와 달리, 와전류 제동 장치는 전자기력을 사용하여 물체의 움직임을 멈춘다. 이는 전도성 레일에 와전류의 폐쇄 루프를 유도하여 기차의 움직임에 반대하는 자기장을 생성함으로써 디스크 와전류 제동 장치와 동일하게 작동한다.

움직이는 차량의 운동 에너지는 레일의 전기 저항을 통해 흐르는 와전류에 의해 열로 변환되어 레일을 따뜻하게 한다. 선형 브레이크는 레일의 각 부분이 브레이크의 자기장을 한 번만 통과하므로, 디스크 브레이크처럼 디스크의 각 부분이 브레이크를 반복적으로 통과하는 것보다 레일이 덜 뜨거워진다. 따라서 선형 브레이크는 더 많은 에너지를 소산하고 디스크 브레이크보다 더 높은 정격 출력을 가질 수 있다.

와전류 브레이크는 레일과 기계적 접촉이 없어 마모가 없으며 소음이나 냄새가 발생하지 않는다. 저속에서는 사용할 수 없지만, 고속에서는 비상 제동 및 서비스 제동에 사용할 수 있다.[1]

범유럽 고속철도에 대한 EU의 TSI(상호 운용성을 위한 기술 사양)는 새로 건설되는 모든 고속철도 노선에서 와전류 브레이크를 사용할 수 있도록 권장한다.

현대 롤러코스터는 이러한 유형의 제동 장치를 사용한다. 정전으로 인한 위험을 피하기 위해 전자기장 대신 영구 자석을 사용하므로 전원이 필요하지 않다. 다만, 이 방식은 전자기장을 사용할 때처럼 제동 강도를 쉽게 조정할 수는 없다.

6. 실험

물리학 교육에서, 간단한 실험은 와전류와 자기 제동의 원리를 설명하기 위해 사용되기도 한다. 강력한 자석을 수직의 비철, 전도성 파이프에 떨어뜨리면, 파이프 내에 와전류가 유도되어 자석의 하강을 늦추므로 자유 낙하하는 것보다 더 느리게 떨어진다. 한 저자는 다음과 같이 설명했다.

자석을 파이프를 통과하는 순환하는 원자 전류의 집합체로 본다면, 렌츠의 법칙은 파이프 벽에 유도된 와류가 움직이는 자석 앞에서 역으로 순환하고 뒤에서는 함께 순환한다는 것을 의미한다. 하지만 이것은 움직이는 자석이 앞에서 밀려나고 뒤에서 끌린다는 것을 의미하며, 따라서 저항력을 받는다.[2]

전형적인 실험에서 학생들은 구리관을 통과하는 자석의 낙하 시간이 골판지 튜브를 통과하는 경우보다 느린 것을 측정하며, 자석이 통과할 때 파이프 주위에 감긴 전선 루프에 유도되는 와전류의 펄스를 오실로스코프를 사용하여 관찰할 수 있다.[3][4]

참조

[1] 간행물 Wirbelstrombremse im ICE 3 als Betriebsbremssystem hoher Leistung 2004
[2] 논문 Electrodynamics of a magnet moving through a conducting pipe
[3] 논문 A quantitative magnetic braking experiment
[4] 논문 Magnetic braking revisited: Activities for the undergraduate laboratory


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