와전류 Eddy Current 와류손 성층철심 맴돌이전류

와전류 Eddy Current의 개념에 대해 알아보겠습니다. 맴돌이 전류라고도 하는 와전류와 와류손의 관계와 와류손 계산방법을 살펴보고 변압기 등에서 성층철심을 사용하는 이유도 알아보겠습니다.

 

와전류 Eddy Current 와류손

아래 그림처럼 금속 등 도체판에 변화하는 자속을 투과하면 오른나사의 법칙에 따라 자속이 통과하는 방향과 수직인 평면상에 자속을 중심으로 동심원으로 전류가 흐르게 됩니다. 이 전류를 와전류  Eddy Current라고 합니다. 

 

와전류 Eddy Current

와전류는 이처럼 도체가 움직이는 경우에도 발생하지만 자속이 변화하는 경우에도 발생합니다. 

1) 도체가 움직이는 경우

 

와전류

 

2) 자속이 변화하는 경우 

 

와전류

 

자속이 커지면 와전류도 커지므로 와전류로 인해 와류손이 발생하여 철심의 온도상승 원인이 됩니다. 따라서 변압기 등 전기기기에서는 철심을 설계할 때 와류손을 적게 하기 위해 많은 고민 끝에 얇은 철판을 절연하여 겹쳐서 사용하기에 이르렀습니다.

 

성층철심 (와전류 억제)

 

와류손은 철심의 단면적이 동일하더라도 성층하는 철심의 두께에 비례합니다. 그래서 와류손을 줄이려면 성층의 두께를 줄일 필요가 있습니다.

 

 

최대 자속밀도 B_m, 주파수 f 일때 와류손 P_e는 다음과 같이 계산할 수 있습니다. 

 

P_e = α f²B_m²

 

와전류는 손실만 있어서 부정적으로 생각할 수 있으나 맴돌이 전류제동이나 유도 전기로 등에 활용할 수 있습니다. 이때 와전류를 맴돌이전류라고도 불립니다. 또 다른 말로는 푸코전류 Foucault Current라고도 합니다.

 

이 맴돌이전류를 철도차량의 제동에 응용하려는 시도도 있었습니다. 기존의 바퀴와 레일 사이의 마찰력을 이용한 브레이크는 소음과 마모를 가져오지만 바퀴의 전자석과 레일 사이의 제동력에 작용하는 힘을 응용하면 직접 닿지 않기 때문에 브레이크 힘을 크게 하더라도 미끄러지거나 소음, 마모가 발생하지 않습니다. 

 

한전에서 계량기 즉 적산전력계도 비슷한 원리입니다. 전력에 비례하는 구동 힘과 속도에 비례하는 제동힘의 균형으로 수용가가 사용하는 전력에 비례하여 회전 속도를 얻게 되는데 이 제동에 와전류 제동을 사용합니다. 이를 와전류 브레이크라고 합니다. 와전류 제동은 레코드 플레이어에서 레코드 판의 속도 조절에 사용되기도 합니다.