Un freno de corrientes parásitas , también conocido como freno de inducción , freno de Faraday , freno eléctrico o retardador eléctrico , es un dispositivo utilizado para frenar o detener un objeto en movimiento generando corrientes parásitas y disipando así su energía cinética en forma de calor. A diferencia de los frenos de fricción , donde la fuerza de arrastre que detiene el objeto en movimiento es proporcionada por la fricción entre dos superficies presionadas entre sí, la fuerza de arrastre en un freno de corrientes parásitas es una fuerza electromagnética entre un imán y un objeto conductor cercano en movimiento relativo, debido al remolino. Corrientes inducidas en el conductor mediante inducción electromagnética .
Una superficie conductora que pasa junto a un imán estacionario desarrolla corrientes eléctricas circulares llamadas corrientes parásitas inducidas en ella por el campo magnético , como lo describe la ley de inducción de Faraday . Según la ley de Lenz , las corrientes circulantes crean su propio campo magnético que se opone al campo del imán. Así, el conductor en movimiento experimenta una fuerza de arrastre del imán que se opone a su movimiento, proporcional a su velocidad. La energía cinética del objeto en movimiento se disipa en forma de calor generado por la corriente que fluye a través de la resistencia eléctrica del conductor.
En un freno de corrientes parásitas, el campo magnético puede ser creado por un imán permanente o un electroimán . Con un sistema de electroimán, la fuerza de frenado se puede activar y desactivar (o variar) variando la corriente eléctrica en los devanados del electroimán. Otra ventaja es que como el freno no funciona por fricción , no hay superficies de zapatas que se desgasten , eliminando el reemplazo como ocurre con los frenos de fricción. Una desventaja es que, dado que la fuerza de frenado es proporcional a la velocidad relativa del freno, el freno no tiene fuerza de retención cuando el objeto en movimiento está estacionario, como lo proporciona la fricción estática en un freno de fricción, por lo que en los vehículos debe complementarse con una freno de fricción.
En algunos casos, la energía en forma de impulso almacenada dentro de un motor u otra máquina se utiliza para energizar los electroimanes involucrados. El resultado es un motor u otra máquina que rápidamente se detiene cuando se corta la energía. Se debe tener cuidado en dichos diseños para garantizar que los componentes involucrados no se esfuercen más allá de los límites operativos durante dicha desaceleración, que puede exceder en gran medida las fuerzas de aceleración de diseño durante la operación normal.
Los frenos de corrientes parásitas se utilizan para frenar trenes de alta velocidad y montañas rusas , como complemento de los frenos de fricción en camiones semirremolque para ayudar a prevenir el desgaste y el sobrecalentamiento de los frenos, para detener rápidamente las herramientas eléctricas cuando se corta la energía y en los medidores eléctricos utilizados. por empresas eléctricas.
Un freno de corrientes parásitas consiste en una pieza de metal conductora, ya sea una barra recta o un disco, que se mueve a través del campo magnético de un imán, ya sea un imán permanente o un electroimán . Cuando pasa por el imán estacionario , el imán ejerce una fuerza de arrastre sobre el metal que se opone a su movimiento, debido a corrientes eléctricas circulares llamadas corrientes parásitas inducidas en el metal por el campo magnético . Tenga en cuenta que la lámina conductora [?] no está hecha de metal ferromagnético como hierro o acero; normalmente se utiliza cobre o aluminio, que no son atraídos por un imán. El freno no funciona por la simple atracción de un metal ferromagnético hacia el imán.
Vea el diagrama a la derecha. Muestra una lámina de metal (C) que se mueve hacia la derecha debajo de un imán. El campo magnético ( B, flechas verdes ) del polo norte N del imán pasa a través de la lámina. Dado que el metal se mueve, el flujo magnético a través de la lámina cambia. En la parte de la hoja debajo del borde anterior del imán (lado izquierdo), el campo magnético a través de la hoja aumenta a medida que se acerca al imán. A partir de la ley de inducción de Faraday , este campo induce un flujo de corriente eléctrica en sentido antihorario ( I, rojo ) en la lámina. Esta es la corriente de Foucault. Por el contrario, en el borde posterior del imán (lado derecho), el campo magnético a través de la lámina disminuye, lo que induce una corriente parásita en el sentido de las agujas del reloj en la lámina.
Otra forma de entender la acción es ver que los portadores de carga libres ( electrones ) en la lámina de metal se están moviendo hacia la derecha, por lo que el campo magnético ejerce una fuerza lateral sobre ellos debido a la fuerza de Lorentz . Dado que la velocidad v de las cargas está hacia la derecha y el campo magnético B está dirigido hacia abajo, según la regla de la derecha, la fuerza de Lorentz sobre las cargas positivas q v × B está hacia la parte trasera del diagrama (hacia la izquierda cuando se mira hacia el frente). dirección del movimiento de la hoja) Esto causa una corriente I hacia la parte trasera debajo del imán, que circula a través de partes de la hoja fuera del campo magnético en dos corrientes, en el sentido de las agujas del reloj hacia la derecha y en el sentido contrario a las agujas del reloj hacia la izquierda, hacia el frente de la imán nuevamente. Los portadores de carga móviles en el metal, los electrones , en realidad tienen una carga negativa, por lo que su movimiento es de dirección opuesta a la corriente convencional que se muestra.
Como lo describe la ley del circuito de Ampere , cada una de estas corrientes circulares crea un campo magnético contrario ( flechas azules ), que de acuerdo con la ley de Lenz se opone al cambio de campo magnético, provocando una fuerza de arrastre sobre la lámina que es la fuerza de frenado ejercida por la freno. En el borde delantero del imán (lado izquierdo), según la regla de la mano derecha, la corriente en sentido antihorario crea un campo magnético apuntando hacia arriba, oponiéndose al campo del imán, provocando una fuerza repulsiva entre la hoja y el borde delantero del imán. Por el contrario, en el borde de salida (lado derecho) , la corriente en el sentido de las agujas del reloj provoca un campo magnético apuntando hacia abajo, en la misma dirección que el campo del imán, creando una fuerza de atracción entre la hoja y el borde de salida del imán. Ambas fuerzas se oponen al movimiento de la lámina. La energía cinética que se consume al superar esta fuerza de arrastre se disipa en forma de calor mediante las corrientes que fluyen a través de la resistencia del metal, por lo que el metal se calienta bajo el imán.
La fuerza de frenado de un freno de corrientes parásitas es exactamente proporcional a la velocidad V , por lo que actúa de manera similar a la fricción viscosa en un líquido. La fuerza de frenado disminuye a medida que disminuye la velocidad. Cuando la lámina conductora está estacionaria, el campo magnético que atraviesa cada parte de ella es constante y no cambia con el tiempo, por lo que no se inducen corrientes parásitas y no hay fuerza entre el imán y el conductor. Por tanto, un freno de corrientes parásitas no tiene fuerza de retención.
Los frenos de corrientes parásitas vienen en dos geometrías:
El principio de funcionamiento físico es el mismo para ambos.
Los frenos electromagnéticos de disco se utilizan en vehículos como trenes y herramientas eléctricas como sierras circulares , para detener la hoja rápidamente cuando se corta la energía. Un freno de disco por corrientes parásitas consta de un disco metálico conductor no ferromagnético ( rotor ) unido al eje de la rueda del vehículo, con un electroimán ubicado con sus polos a cada lado del disco, de modo que el campo magnético pasa a través del disco. El electroimán permite variar la fuerza de frenado. Cuando no pasa corriente a través del devanado del electroimán, no hay fuerza de frenado. Cuando el conductor pisa el pedal del freno, la corriente pasa a través de los devanados del electroimán, creando un campo magnético. Cuanto mayor sea la corriente en el devanado, mayores serán las corrientes parásitas y mayor será la fuerza de frenado. Los frenos de herramientas eléctricas utilizan imanes permanentes , que se mueven adyacentes al disco mediante un varillaje cuando se apaga la alimentación. La energía cinética del movimiento del vehículo se disipa en el calentamiento Joule mediante las corrientes parásitas que pasan a través de la resistencia del disco, por lo que, al igual que los frenos de disco de fricción convencionales, el disco se calienta. A diferencia del freno lineal a continuación, el metal del disco pasa repetidamente a través del campo magnético, por lo que los frenos de disco por corrientes parásitas se calientan más que los frenos lineales por corrientes parásitas.
Los trenes Shinkansen japoneses habían empleado un sistema de frenos circulares por corrientes parásitas en los vagones de remolque desde el Shinkansen Serie 100 . El Shinkansen Serie N700 abandonó los frenos de corrientes parásitas en favor de los frenos regenerativos , ya que 14 de los 16 vagones del tren utilizaban motores eléctricos. En los frenos regenerativos, el motor que impulsa la rueda se utiliza como generador para producir corriente eléctrica, que puede usarse para cargar una batería, permitiendo reutilizar la energía.
La mayoría de los dinamómetros de chasis y muchos dinamómetros de motor utilizan un freno de corrientes parásitas como medio para proporcionar una carga ajustable eléctricamente en el motor. En tales aplicaciones, a menudo se les denomina "absorbentes".
Las versiones económicas refrigeradas por aire se utilizan normalmente en dinamómetros de chasis, donde sus rotores de acero inherentemente de alta inercia son una ventaja más que una desventaja. Por el contrario, los dinamómetros de motor de alto rendimiento tienden a utilizar configuraciones de baja inercia, altas RPM y refrigeración líquida. Las desventajas de los absorbentes de corrientes parásitas en tales aplicaciones, en comparación con los costosos dinamómetros basados en motores de CA, es su incapacidad para proporcionar una carga de velocidad de pérdida (cero RPM) o para impulsar el motor, para arrancar o conducir (simulación cuesta abajo).
Como en realidad no absorben energía, se deben prever medidas para transferir el calor irradiado fuera del área de la celda de prueba. Ya sea una ventilación de aire de gran volumen o un intercambiador de calor agua-aire añaden costos y complejidad adicionales. Por el contrario, los dinamómetros de motor de CA de alta gama devuelven limpiamente la potencia del motor a la red.
Los frenos lineales de corrientes parásitas se utilizan en algunos vehículos ferroviarios, como los trenes. Se utilizan en las montañas rusas , para detener los coches suavemente al finalizar el recorrido.
El freno de corrientes parásitas lineal consiste en un yugo magnético con bobinas eléctricas colocadas a lo largo del riel, que se magnetizan alternando como polos magnéticos sur y norte. Este imán no toca el carril, sino que se mantiene a una pequeña distancia constante del carril de aproximadamente 7 mm (el freno de corrientes parásitas no debe confundirse con otro dispositivo, el freno magnético, que ejerce su fuerza de frenado por fricción de un freno zapata con el riel). (A diferencia de los frenos mecánicos, que se basan en la fricción y la energía cinética, los frenos de corrientes parásitas dependen del electromagnetismo para detener el movimiento de los objetos). Funciona igual que un freno de disco de corrientes parásitas, al inducir bucles cerrados de corrientes parásitas. corriente en el carril conductor, que generan campos magnéticos contrarios que se oponen al movimiento del tren.
La energía cinética del vehículo en movimiento se convierte en calor mediante la corriente parásita que fluye a través de la resistencia eléctrica del carril, lo que provoca un calentamiento del carril. Una ventaja del freno lineal es que, dado que cada sección del riel pasa solo una vez a través del campo magnético del freno, a diferencia del freno de disco en el que cada sección del disco pasa repetidamente a través del freno, el riel no pasa tan Caliente como un disco, por lo que el freno lineal puede disipar más energía y tener una potencia nominal más alta que los frenos de disco.
El freno de corrientes parásitas no tiene ningún contacto mecánico con el carril, por lo que no se desgasta, y no genera ruido ni olor. El freno de corrientes parásitas no se puede utilizar a bajas velocidades, pero se puede utilizar a altas velocidades para frenado de emergencia y frenado de servicio. [1]
La ETI ( Especificaciones técnicas de interoperabilidad ) de la UE para el ferrocarril transeuropeo de alta velocidad recomienda que todas las líneas de alta velocidad de nueva construcción permitan el freno de corrientes parásitas.
Las montañas rusas modernas utilizan este tipo de frenado. Para evitar el riesgo que suponen los cortes de energía , utilizan imanes permanentes en lugar de electroimanes, por lo que no necesitan suministro eléctrico. Esta aplicación carece de la posibilidad de ajustar la fuerza de frenado tan fácilmente como con los electroimanes.
En la enseñanza de la física, a veces se utiliza un experimento sencillo para ilustrar las corrientes parásitas y el principio detrás del frenado magnético. Cuando se deja caer un imán potente por una tubería conductora vertical, no ferrosa, se inducen corrientes parásitas en la tubería, que retardan el descenso del imán, por lo que cae más lentamente que en caída libre. Como explicó un grupo de autores
Si uno considera el imán como un conjunto de corrientes atómicas circulantes que se mueven a través del tubo, [entonces] la ley de Lenz implica que los remolinos inducidos en la pared del tubo circulan delante del imán en movimiento y cocirculan detrás de él. Pero esto implica que el imán en movimiento es repelido por delante y atraído por detrás, por lo que actúa sobre él una fuerza retardadora. [2]
En experimentos típicos, los estudiantes miden el tiempo más lento de caída del imán a través de un tubo de cobre en comparación con un tubo de cartón, y pueden usar un osciloscopio para observar el pulso de la corriente parásita inducida en un bucle de alambre enrollado alrededor del tubo cuando el imán cae. a través de. [3] [4]
