글쓴이 : SOONDORI
소용돌이의 와(渦)를 쓴 와전류.
다른 말로는 소용돌이의 ‘에디'(Eddy)를 쓰는 ‘에디 커런트'(Eddy Current), 간혹 ‘푸코 전류'(Foucault Current)라고 한다. 기본은 전자기 유도 현상으로, 전자기장이 금속 면에 가해지면 표면에 작은 맴돌이 전류가 생긴다는 것.
(출처 : https://medium.com/@mtapas/eddy-current-testing-in-metals-11bd0f4642f2)
그 맴돌이 전류는 인가된 전자기장의 순탄한 행동을 방해하는 요인(=위 그림의 C)으로 작용하기 때문에, 어떤 정/부의 효과가 있다.
그 효과라고 함은,
○ 전자기장 방사 코일과 그 옆에 픽업 센서를 두고 순철 판을 근접시키면, 와전류 작용에 의한 ‘방사 코일 대 감지 코일 반응’의 상관관계가 도출된다. 대략은 선형인 그 상관관계에 기대어 인덕티브 근접센서(Proximity Sensor, 글 하단 참고)를 만들기.
* 관련 글 : 아날로그 AM/FM과 산업용 물체 감지 기술 (1)
이격 거리를 um 단위로 민감하게 관측할 수 있으므로 도막 두께를 측정하는 데에도 쓴다.
○ 단단히 고정한 방사 코일로 아주 강력한 전자기장을 생성하여 브레이크 디스크에 인가하면, 운동하는 물체를 제동할 수 있다. 대출력 견인 기차, 대형 중장비에서 널리 사용 중.
1) 원형 에디 커언트 브레이크 : 일본 고속 철도 차량의 예. 원형 로터에 붙는 마찰 패드가 없음.
(출처 : https://www.comsol.com/blogs/how-eddy-current-braking-technology-is-freeing-us-from-friction/)
2) 선형(Liner) 에디 커런트 브레이크 : 독일 고속 철도 차량의 예. 아예 철로를 붙잡자고 늘어지자는 아이디어. (모종의 선로 강화 대책가 있어야 할 듯)
(출처 : https://www.ijert.org/research/braking-systems-in-railway-vehicles-IJERTV4IS010360.pdf)
3) 캐터필러 광산용 트럭의 제동 브레이크 : 건물 몇 층 높이의 거대 질량을 가진 자동차이고, 항사우적재함에 몇백 톤 돌멩이가 잔뜩이라니… 마찰식 브레이크로는 답이 안 나온다. 그래서 리타더(Retarder) 즉, 에디 커런트 브레이크를 사용함.
제동 코일에 대전류를 흘리려면, 확실한 대안이 필요하다.
고속철도는 공급 선로에서 받으면 그만인데… 광산 트럭은? 탑재된 거대 엔진이 곧 발전기. 코일 제동뿐만 아니라 사람 키보다 큰 바퀴의 구동도 전기모터로 처리한다. 그렇게 보면, 자동차가 아니라 굴러다니는 거대한 전기 시스템인 셈. 그래서, 차값만 100억대라 ~카던가?
○ 위와 같은 리타더를 땅바닥에 붙이고 자동차 제동마력을 측정하는 사례. 모터 스포츠용이나 자동차검사소의 매립형 다이나모는 다 그렇게…
높은 곳에서 뚝! 떨어지는 자이로드롭의 브레이킹 시스템도 같은 원리를 이용한다. 그 경우도 기계식 마찰 제동은 말이 안 됨.
○ 에디 커런트의 작용을 더 적극적으로 이용하는 사례가 인덕션 오븐이다. 구동 코일 → 전자기장 → 철제 냄비에 에디 커런트 흐름 → 전류가 한곳에 집중해서 빙글빙글 흐르니까 발열.
(출처 : https://www.canarymedia.com/articles/electrification/how-do-induction-stoves-actually-work)
○ 요즘은 원격검침 기능 포함 디지털 방식으로 바뀌었지만… 구형 가정용 전력계에서, 빙글빙글 돌아가던 그것도 있다.
○ 로렌츠의 힘(*)으로 텅스텐 탄도체를 초고속으로 날리는 레일건(Rail Gun)에서, 인가 전류(=발사용 전자기장) 대 에디 커런트가 생성하는 2차 전자기장의 충돌은 심각한 발열의 원인이라고 한다.
그 발열은 곧 와전류 손실(Eddy Current Loss)이다. 전원 트랜스포머의 철손(鐵損)과 같은 것으로… “큰 한방을 노리시는데, 그냥 되는 게 어딨노?”
(출처 : https://cove.army.gov.au/article/future-battlefield-what-impact-will-railguns-have)
* Lorentz Force. 논리상 전자기 에너지만으로 보잉 747을 날릴 수 있음. 1895년, 핸드릭 로렌츠가 소개한 전자기장과 힘의 관계식. 한 줄 공식은, F = q × (E + v × B)이다. q는 전하량, E는 전기장, v는 속도, B는 B-H 곡선의 자기장.
○ 기타 활용 사례로… 제조 물품의 균열 등 결함을 비파괴 검사(NDT; Non-Destructive Test) 하는 시스템, 비철 금속과 금속을 자동 분리하는 시스템, 리터더를 변형한 전자기 커플러 장치(=와전류 드라이브) 등이 있음. 더 찾아보면 사례는 아주 많을 것.
(출처 : https://www.powermag.in/eddy-current-variable-speed-drives/)
(출처 : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S089268751830582X)
○ 빈티지 오디오 세상에서는… 에디 커런트 모터도 있다.
“무엇에 의한 통제 상태에서 어떤 일을 한다”는 단어, ‘서보'(Servo)를 강조하면 ‘에디 커런트 서보 모터’가 되는 모터. 흔히 AC/DC 모터는 전자기장의 반발력에 의해 회전하는데, 에디 커런트 모터는 구동 코일의 통제로, 이격된 비자성 금속을 돌린다는 점에서 다르다.
아래와 같은 다극 에디 커런트 유도 전동기에서,
(▲ 데논 DP-80 턴테이블 테이크업 휠에 적용된 AC 서보 모터. 단순한 금속 원통이 신나게 돌아가는 이유는? 출처 : https://djmh.ibuyimall.com/index.php?main_page=product_info&products_id=14945)
(▲ 데논 DH-510/DH-610S 릴 테크의 Capstan 구동용 AC 서보 모터 = 에디 커런트 모터. 출처 : https://audio-database.com/DENON-COLUMBIA/player/dh-610s-e.html#google_vignette)
(▲ 아카이 GX-255 릴데크의 AC 서보 모터. 이 경우는, 아예 ‘Eddy Current Type’이라고 적어 놓았다. 출처 : https://www.ebay.com/itm/165809606840)
다극 구동 코일에서 전자기장 방사 → 금속 회전자 표면에 에디 커런트 생성 → 코일 전자기장이 균일하게 유지된다면, 회전자는 움직이지 않으려고 할 것이다. 그 순간을 다르게 표현하면, 에디 커런트가 접착제와 같은 역할을 하는 것이고 그런 접착제 속성을 적극 확용한 것이 각동 제동기, 리타더 → 이번에는 전자기장을 팽이치기 패턴으로 바꾼다 → 그 패턴에 맞게 접착제 작용은 여하히 유지된다 → 결국, 구동 코일을 적당히 통제하면 (직접 접촉하지 않은) 자력이 없는 단순 금속 유형물 회전자를 적당히 돌릴 수 있다.
참고로,
1) 아래의 턴테이블 서보 모터는 Ring 타입 페라이트 자석을 쓰고 있으므로 에디 커런트 모터가 아님. 그럼에도 등락하는 코일 전자기장 및 제어 회로의 통제를 받기 때문에 AC + Servo Motor이고.
* 관련 글 : LP 판을 돌리는 다양한 방법론
2) 분당 수천 번을 회전하는 하드 디스크의 박막 스핀들 모터 역시 에디 커런트 모터 아님. 그냥… Ring 자석을 쓰는 고정밀 BLDC 모터(Brush-Less DC Motor)이고 통제 구조에 초점을 두면 <DC 서보 모터>이다.
빈티지 오디오 세상의 시각으로 와전류를 바라보면,
1) 전원 트랜스포머의 손실 항목 중 하나인 철손(Iron Loss)은 에디 커런트와 관련이 있다. 까까머리 시절의 2석 라디오에 쓰인 출력 트랜스포머 안에서도 마찬가지.
2) 코일이 있고 전류가 흐르면 무조건 전자기장도 있는 것. 그러므로 작은 IF CAN 코일 안에서, 스피커 구동 코일과 주변 금속 물체 간의 작용에서, 턱턱 붙는 데크 솔레노이드 동작에서, 기타 극미 세상의 어딘가에는 에디 커런트 작용이 있을 것이다. 논리적 상상이지만, 그러한 에디 커런트의 작용을 다 끌어모으면 빈티지 오디오 안의 ‘발열’이 될 것. 전원 트랜스포머야 손으로 만지면 금방 알 수 있으니까 그렇고… 나머지를 합산하면 +0.000…1도쯤 상승한다?
3) 제동을 위한 것이 아니라면, 각종 모터의 에디 커런트는 불편한 항목이다. 최대한 억제되는 게 좋음. 제작사가 알아서 잘하셨을 터.
참고로 아래 실험의 (B)와 같이… 금속 표면에 홈을 가동하고 전류가 맴돌지 않게 만들면 에디 커런트 효과가 반감된다. 그러므로, 에디 커런트 효과에서 ‘맴돌이’가 핵심.
(출처 : https://www.texasgateway.org/resource/64-eddy-currents-and-magnetic-damping)
그렇게 뭐가 맴돌지 않도록 중간에 줄을 빡빡~ 그어버리며 방해하는 것이 흔한 전원 트랜스포머의, EI 코어 등 적층 철심이다. 각 철심을 절연성 수지, 라미네이트로 코팅하여 전류 흐름을 더 확실히 차단하고… 그래서 진공 함침 작업이 매우 중요하다.
와전류를 끼고 사는 Inductive Proximity 센서에 대한 개인 의견.
SICK, Pepperl + Fuchs 등 독일제를 기준으로…
중국제는 정말 형편 없음.
형편 없다고 판단한 배경에는, a) 아무리 졸라도 의미 있는 데이터시트를 제공하지 않는다. 능동형의 “안 준다”가 아니라, 피동형 즉, 없어서 못 주는 것이라는 생각, b) 심히 의심하는 바로서, 단일 모델 하나를 두고 여러 브랜드(=사실상 유통상)가 돌려치기 한다, c) 중국 심천 옆에 있는 홍콩은, 아무래도 메인랜드에 종속된 영업 창구. 그러므로 매한가지이다, d) 이베이 등 거래 사이트에서 ‘중국 출발’이 명기된 독일제, 일제, 미제는 짝퉁일 가능성이 있다. 대충 만든 몇천 원짜리로 개 당 수십 만원을 벌 수 있는데 그냥 놔둔다고?
극명하게 대비되는 조건으로, 대만인의 태도와 대만제는 사뭇 다르더라. 잘 고르니 합격점. 국산품은… Autonics도 큰 관심을 기울이지 않는 단품 시장으로, 딱히 선택 대안이 없더라.
