전자기 클러치와 전자기 브레이크란? 그 종류와 구조

전자기 브레이크는 동력을 차단하기 위한 기계적 요소입니다.
전자기력을 이용하여 다양한 운동을 정지·유지하거나 감속시킬 수 있습니다.
실제로는 이송물의 승강 장치 등에서 자주 사용됩니다.

아래 그림과 같이 이송부를 특정 위치까지 상승시키거나, 정해진 위치에서 정지시킬 때 브레이크를 이용합니다.

위와 같은 역할 외에도 '정지 상태를 유지하는' 역할도 있습니다.
유지란 기계나 장치에서 멈춘 위치에서 움직이지 않도록 하는 기능을 말합니다. 예를
들어 아래 그림에서는 로봇이 이송물을 승강대에 올리는 작업 중, 승강대를 정해진 위치에 계속 유지하기 위해 브레이크를 사용하고 있습니다.

전자기 클러치는 전자기 작동을 통해 구동 측에서 동력을 전달하거나 차단하기 위한 기계적 요소입니다.
간단히 말해, 동력을 멈추지 않고도 동력을 분리하거나 연결할 수 있습니다.

전자기 클러치는 전자기 브레이크에 비해 그 작동 원리나 역할을 이해하기 어려울 수 있으므로, 우선 아래 동영상을 시청해 보시기 바랍니다.

클러치가 어떻게 사용되는지 예를 들어 설명하자면, 아래 그림과 같이 전동기(모터)와 컨베이어(부하) 사이에 장착함으로써, 모터의 동력을 컨베이어에 전달하거나 차단하는 기능을 동력을 멈추지 않고(모터 등을 끄지 않고) 수행할 수 있습니다.

클러치를 이해하는 데 있어 가장 중요한 점은 '동력을 멈추지 않고 동력을 제어할 수 있다'는 것입니다. 이 그림에서는
하나의 모터로 3대의 컨베이어를 구동하고 있지만, 예를 들어 어떤 하나라도 예기치 못한 상황 등으로 멈춰야 할 상황이 발생했다고 가정해 봅시다. 그럴
때 클러치를 이용하면 모터(나머지 2대)를 멈추지 않고 필요한 컨베이어만 멈출 수 있습니다.

미키 풀리의 전자기 브레이크에는 자화 작동형과 비자화 작동형이라는 방식이 있습니다.
전자기 브레이크를 다룰 때 ‘자화’나 ‘비자화’라는 용어가 자주 사용되는데, ‘자화’는 ‘전원이 공급될 때 작동한다’는 의미를 지닙니다.
‘비자화’는 그 반대로 ‘전원이 공급되지 않을 때 작동한다’는 의미를 가집니다.

즉, 자석 작동형 브레이크는 전원이 공급되었을 때 작동하고, 비자석 작동형 브레이크는 전원이 차단되었을 때 작동하도록 되어 있습니다.

무자석 작동형 브레이크는 주로 기계나 장치의 비상 시 제동·유지 등의 용도로 이용됩니다. 예를
들어 고소 작업차 등은 이상 등이 발생하여 갑자기 전원이 차단될 경우, 이 브레이크가 없으면 물건을 싣는 부분(버킷)이 내려갈 가능성이 있습니다. 무자석
작동형 브레이크를 장착해 두면, 전원 차단 시 브레이크로서의 역할을 수행하므로 버킷을 그 자리에서 유지할 수 있습니다.

미키 풀리의 전자기 클러치에는 마찰식인 ‘자석 작동형 클러치’와 맞물림식인 ‘투스 클러치’가 있습니다. 각각 토크를 발생시키는 방식이 다릅니다.

자석 작동식 클러치는 마찰재를 서로 밀착시켜 전달 토크를 발생시켜 작동합니다.
톱 클러치는 ‘톱’이라 불리는 기어의 맞물림에 의한 힘으로 전달 토크를 발생시킵니다.
따라서 톱 클러치는 자석 작동식 클러치보다 더 큰 토크를 발생시킬 수 있습니다.

자석 작동식 브레이크의 구조와 작동
원리는 비교적 이해하기 쉽습니다. 자석 브레이크에는 축과 함께 움직이는 가동부와 벽 등에 고정되어 움직이지 않는 고정부가 있습니다. 이
그림에서 빨간 부분이 움직이는 곳이고, 파란 부분이 움직이지 않는 곳입니다. 이
빨간 부분과 파란 부분 사이에는 틈이 있습니다. 이 틈 덕분에 빨간 부분은 움직일 수 있게 되어 있습니다.

간단히 설명하자면, 축과 함께 움직이는 빨간 부분이 파란색 고정 부분으로 끌려가 밀착됨으로써, 마찰(과 자력)의 힘으로 축의 회전이 멈추고 브레이크의 역할을 하게 됩니다.

실제 사진은 이렇습니다.
브레이크가 꺼져 있을 때는 왼쪽 핸들을 자유롭게 돌릴 수 있지만, 브레이크를 켜면 축과 함께 회전하던 가동부가 고정부에 밀착됩니다.
그러면 축이 회전할 수 없게 되어 핸들을 돌릴 수 없게 됩니다.

간단히 설명하면 이렇지만, 아래에서 작동 원리에 대해 좀 더 자세히 설명하겠습니다. 위 그림을 보면서 읽으면 이해하기 쉽습니다.

먼저, 브레이크의 전원이 켜지면 코일에 전류가 흐릅니다. 그러면 코일 주변의 브레이크 스테이터가 전자석과 같은 역할을 하게 됩니다. 그렇게
되면 자력에 의해 브레이크 아머처가 브레이크 스테이터 쪽으로 끌려갑니다.
이때, 가동 부분인 아머처 허브와 브레이크 아머처 사이에는 ‘정하중 형상 판스프링’이라는 부품이 있습니다.
그 '정하중 형상 판스프링'이 스프링의 역할을 하여, 브레이크 아머처만을 축 방향(브레이크 스테이터가 있는 방향)으로 움직일 수 있게 합니다. 이렇게
하여 브레이크 아머처는 자력에 의해 브레이크 스테이터에 밀착됩니다. 이때 라이닝이라고 불리는 마찰재에 의해 마찰력이 발생하여 제동이 가능해지는 것입니다.

전원을 껐을 때는 이 자기 회로가 소멸되고, '판 스프링'의 탄성력에 의해 브레이크 아머처가 원래 위치로 돌아가며, 브레이크는 해제 상태가 됩니다.

다음은 자석 작동식 클러치입니다.
클러치의 작동 원리를 이해하기 어려울 수 있어 동영상을 제작했습니다. 영상을 보시면 클러치가 어떻게 움직이며 동력을 제어하는지 알 수 있을 것입니다.

아래에서 작동 원리에 대한 자세한 설명을 드리겠습니다.

아래 이미지의 풀리 부분으로 동력을 전달하기 위해 클러치가 어떤 동작을 하는지 예를 들어 살펴보겠습니다.

먼저, 빨간색으로 표시된 부분은 로터라고 불리며, 축과 함께 움직이는 부분입니다. 전원을
켜면 스테이터라고 불리는 이 부분에 내장된 코일이 전기를 띠게 됩니다.
그러면 스테이터 전체가 자석과 같은 역할을 하게 됩니다.

여기서 발생한 자력이 로터 부분을 지나 아머처라고 불리는 부분을 끌어당깁니다. 빨간
테두리의 회전 부분과 아머처 부분이 밀착되어 풀리가 움직이게 됩니다.

전원을 끄면 자기 회로가 소멸되어 로터는 암추어를 끌어당기는 힘을 잃게 됩니다. 또한, 이 풀리와 암추어 사이에 있는 ‘판 스프링’이라는 부품에 의해 암추어는 원래 위치로 돌아갑니다. 이렇게 하여 클러치는 해제 상태가 되어 동력 전달이 차단된 상태가 됩니다.

무자석 작동형 브레이크의 작동 원리를 쉽게 이해할 수 있는 동영상을 준비했습니다. 이 동영상을 보시면 무자석 브레이크의 작동 원리를 더 잘 이해하실 수 있을 것입니다.

아래에서 무자석 브레이크의 작동 원리에 대해 더 자세히 설명해 드리겠습니다.

↑무자석 작동형 브레이크는 지금까지 설명해 드린 자석 작동형과는 달리, 스프링의 힘으로 토크를 발생시킵니다. 작동
원리는 자석 작동형보다 더 간단합니다.

간단히 설명하자면, 축과
함께 회전하는 빨간 부분이 녹색 부분에 의해 밀려 올라가면서, 파란색 고정 부분에 눌려 축의 회전이 멈추고 브레이크의 역할을 수행합니다.

↑비자석 작동형 브레이크는 자석 작동형 브레이크와 달리 전원이 OFF일 때 브레이크가 작동합니다. 전원이
OFF 상태일 때는 축과 함께 회전하는 빨간 부분이 녹색 부분의 스프링에 의해 밀려 올라갑니다.
그렇게 빨간 부분이 파란 부분에 밀착됨으로써 축이 움직이지 않게 되어, 브레이크가 작동하고 있는 상태가 됩니다.

↑전원이 켜지면 코일이 자기 회로를 형성합니다. (빨간 점선) 그러면
지금까지 빨간 부분을 밀어 올리던 스프링이 자력에 밀려, 이번에는 녹색 부분이 파란 부분으로 끌려가 밀착됩니다.
그러면 빨간 부분이 해제되어 축이 회전하게 됩니다.