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渦電流ブレーキは、誘導ブレーキ、ファラデーブレーキ、電気ブレーキ、電気減速装置とも呼ばれ、渦電流を発生させて運動エネルギーを熱として散逸させることで、移動物体を減速または停止させる装置です。摩擦ブレーキでは、押し付けられた2つの表面間の摩擦によって移動物体を停止させる抗力が生じますが、渦電流ブレーキでは、電磁誘導によって導体に誘導される渦電流によって、磁石と近くの導電性物体との間に相対運動する電磁力が抗力として作用します。
静止した磁石のそばを移動する導電性表面は、ファラデーの電磁誘導の法則に従って、磁場によって渦電流と呼ばれる円形の電流を発生させます。レンツの法則によれば、この循環電流は磁石の磁場に逆らう独自の磁場を生成します。そのため、移動する導体は、速度に比例した抵抗力によって磁石から運動を妨げられます。移動する物体の運動エネルギーは、導体の電気抵抗を流れる電流によって発生する熱として散逸されます。
渦電流ブレーキでは、永久磁石または電磁石によって磁場が生成されます。電磁石システムでは、電磁石の巻線に流れる電流を変化させることで、制動力をオン/オフ（または可変）できます。もう1つの利点は、ブレーキが摩擦によって作動しないため、摩耗するブレーキシューの表面がなく、摩擦ブレーキのように交換する必要がないことです。欠点は、制動力がブレーキの相対速度に比例するため、摩擦ブレーキの静止摩擦によって提供されるような、移動物体が静止しているときの保持力がブレーキにないことです。したがって、車両では摩擦ブレーキを併用する必要があります。
場合によっては、モーターやその他の機械内部に蓄積された運動エネルギーを利用して、関連する電磁石を駆動します。その結果、電源が切断されるとモーターやその他の機械は急速に停止します。このような設計では、減速時に関連する部品が動作限界を超える負荷を受けないよう注意する必要があります。減速時の負荷は、通常動作時の設計加速力を大幅に超える可能性があるためです。
渦電流ブレーキは、高速列車やジェットコースターの減速、セミトレーラートラックの摩擦ブレーキの補助としてブレーキの摩耗や過熱を防ぐため、電源が切れた際に電動工具を素早く停止させるため、そして電力会社が使用する電気メーターなどに使用されています。
渦電流ブレーキは、直線状の棒または円盤状の導電性金属片で構成され、永久磁石または電磁石の磁場の中を移動します。金属片が静止した磁石を通過する際、磁場によって金属内に誘導される渦電流と呼ばれる円形の電流により、磁石は金属片の動きに抵抗する抗力を及ぼします。なお、導電性シート[?]は鉄や鋼鉄などの強磁性金属ではなく、通常は磁石に引き付けられない銅またはアルミニウムが使用されます。ブレーキは、強磁性金属が磁石に単純に引き付けられることによって作動するわけではありません。
右の図をご覧ください。磁石の下を右方向に移動する金属板（C）を示しています。磁石の北極Nの磁場（B、緑色の矢印）が金属板を貫通しています。金属板が移動しているため、金属板を貫通する磁束は変化しています。磁石の先端部（左側）の下にある金属板の部分では、磁石に近づくにつれて磁場が強くなります。ファラデーの電磁誘導の法則により、この磁場は金属板に反時計回りの電流（I、赤色）を誘起します。これが渦電流です。一方、磁石の後端部（右側）では、金属板を貫通する磁場が弱まり、金属板に時計回りの渦電流が誘起されます。
この動作を理解する別の方法は、金属板中の自由電荷キャリア（電子）が右方向に移動しているため、ローレンツ力によって磁場が横方向の力を及ぼすと考えることです。電荷の速度vは右方向で、磁場Bは下向きなので、右手の法則から、正電荷qに対するローレンツ力v × Bは図の後方（板の移動方向を向いている場合は左側）に向かいます。これにより、磁石の下の後方に向かって電流Iが発生し、磁場外の板の一部を時計回りに右方向、反時計回りに左方向の 2 つの電流で一周して、再び磁石の前面に戻ります。金属中の移動電荷キャリアである電子は実際には負の電荷を持っているため、その運動は図示されている通常の電流とは逆方向になります。
アンペールの周回法則で説明されているように、これらの円形電流はそれぞれ逆磁場（青い矢印）を生成し、レンツの法則に従って磁場の変化に抵抗し、シートに抗力を発生させます。これがブレーキによって加えられる制動力です。磁石の先端（左側）では、右手の法則により、反時計回りの電流が上向きの磁場を生成し、磁石の磁場に抵抗して、シートと磁石の先端との間に反発力を生じさせます。一方、後端（右側）では、時計回りの電流が下向きの磁場を生成し、磁石の磁場と同じ方向になり、シートと磁石の後端との間に引力を生じさせます。これらの力はどちらもシートの動きに抵抗します。この抗力を克服するために消費される運動エネルギーは、金属の抵抗を流れる電流によって熱として散逸されるため、磁石の下の金属は温かくなります。
渦電流ブレーキの制動力は速度Vに正確に比例するため、液体中の粘性摩擦と同様の働きをします。制動力は速度が低下するにつれて減少します。導電シートが静止している場合、シートの各部分を通過する磁場は一定で時間とともに変化しないため、渦電流は誘起されず、磁石と導体の間に力は働きません。したがって、渦電流ブレーキには保持力がありません。
渦電流ブレーキには2つの形状があります。
両者とも、物理的な動作原理は同じです。
ディスク電磁ブレーキは、列車などの車両や、丸ノコなどの電動工具で、電源が切れたときにブレードを素早く停止させるために使用されています。ディスク渦電流ブレーキは、車両の車輪の車軸に取り付けられた導電性の非強磁性金属ディスク（ローター）と、ディスクの両側に磁極が配置された電磁石で構成されており、磁場はディスクを通過します。電磁石によって制動力を変化させることができます。電磁石の巻線に電流が流れていないときは、制動力は発生しません。運転者がブレーキペダルを踏むと、電磁石の巻線に電流が流れ、磁場が発生します。巻線に流れる電流が大きいほど、渦電流が大きくなり、制動力が強くなります。電動工具のブレーキは永久磁石を使用しており、電源が切れるとリンク機構によってディスクの隣に移動します。車両の運動エネルギーは、ディスクの抵抗を通過する渦電流によるジュール熱として散逸されるため、従来の摩擦ディスクブレーキと同様にディスクは高温になります。ただし、後述の直線ブレーキとは異なり、ディスクの金属は磁場を繰り返し通過するため、ディスク渦電流ブレーキは直線渦電流ブレーキよりも高温になります。
日本の新幹線は、100系新幹線以降、付随車に渦電流ブレーキシステムを採用していた。N700系新幹線では、編成16両のうち14両が電動モーターを使用しているため、渦電流ブレーキを廃止し、回生ブレーキを採用した。回生ブレーキでは、車輪を駆動するモーターが発電機として使用され、電流を生成する。この電流はバッテリーの充電に利用でき、エネルギーを再利用できる。
ほとんどのシャーシダイナモメーターや多くのエンジンダイナモメーターは、エンジンに電気的に調整可能な負荷をかける手段として渦電流ブレーキを使用しています。このような用途では、渦電流ブレーキはしばしば「アブソーバー」と呼ばれます。
安価な空冷式は、一般的にシャーシダイナモメーターで使用され、その本質的に高い慣性を持つスチール製ローターは、欠点ではなく利点となります。一方、高性能エンジンダイナモメーターでは、低慣性、高回転数、液冷式の構成が採用される傾向があります。このような用途における渦電流吸収器の欠点は、高価な交流モーター式ダイナモメーターと比較した場合、失速速度（回転数ゼロ）負荷を提供できないこと、またはエンジンを始動または走行（下り坂シミュレーション）のためにモーター駆動できないことです。
実際にはエネルギーを吸収しないため、放射熱を試験セル領域外に排出するための対策を講じる必要がある。大容量の空気換気装置または水対空気熱交換器は、コストと複雑さを増大させる。一方、高性能の交流モーター式動力計は、エンジンの動力を電力網にクリーンに還元する。
直線渦電流ブレーキは、列車などの一部の鉄道車両に使用されています。また、ジェットコースターでも、乗車終了時に車両をスムーズに停止させるために使用されています。
直線渦電流ブレーキは、レールに沿って配置された電気コイルを備えた磁気ヨークで構成されており、これらのコイルは南極と北極として交互に磁化されます。この磁石はレールに接触せず、レールから約 7 mm の一定の小さな距離に保持されます (渦電流ブレーキは、ブレーキシューとレールの摩擦によって制動力を発揮する磁気ブレーキという別の装置と混同しないでください)。(摩擦と運動エネルギーに基づく機械式ブレーキとは異なり、渦電流ブレーキは電磁気を利用して物体の動きを停止させます。) 導電性レールに渦電流の閉ループを誘導することで、列車の動きに抵抗する逆磁場を発生させるという点で、ディスク渦電流ブレーキと同じ働きをします。
走行車両の運動エネルギーは、レールの電気抵抗を流れる渦電流によって熱に変換され、レールが温まります。リニアブレーキの利点は、ディスクブレーキのようにディスクの各セクションが繰り返し磁場を通過するのではなく、レールの各セクションが一度だけ磁場を通過するため、レールがディスクほど高温にならないことです。そのため、リニアブレーキはディスクブレーキよりも多くのエネルギーを放散でき、より高い出力定格を持つことができます。
渦電流ブレーキはレールと機械的に接触しないため、摩耗がなく、騒音や臭いも発生しません。渦電流ブレーキは低速では使用できませんが、高速では緊急ブレーキや常用ブレーキとして使用できます。[ 1 ]
EUの欧州横断高速鉄道に関するTSI（相互運用性に関する技術仕様）では、新設されるすべての高速鉄道路線において、渦電流ブレーキの導入を可能にすることを推奨している。
現代のジェットコースターはこのタイプのブレーキを採用しています。停電によるリスクを回避するため、電磁石の代わりに永久磁石を使用しているため、電源は不要です。ただし、この方式では電磁石のように簡単にブレーキの強さを調整することはできません。
物理教育では、渦電流と磁気ブレーキの原理を説明するために、簡単な実験が用いられることがあります。強力な磁石を垂直な非鉄金属の導管に落とすと、導管内に渦電流が発生し、これが磁石の落下を遅らせるため、自由落下よりもゆっくりと落下します。ある著者らは次のように説明しています。
磁石をパイプ内を移動する循環する原子電流の集合体とみなすと、レンツの法則によれば、パイプ壁に誘導される渦は、移動する磁石の前方では逆方向に、後方では同方向に循環することになる。しかし、これは移動する磁石が前方では反発され、後方では引きつけられることを意味するため、抵抗力が作用することになる。[ 2 ]
典型的な実験では、生徒は銅管を通る磁石の落下時間が厚紙管を通る磁石の落下時間よりも遅いことを測定し、磁石が落下する際にパイプに巻き付けられたワイヤーのループに誘起される渦電流のパルスをオシロスコープで観察することがあります。 [ 3 ] [ 4 ]