SOUBIGOU Antoine LE GUENNOU Pascal GE1

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1 SOUBIGOU Antoine LE GUENNOU Pascal GE1 Année 2001 Professeur : Mr Sturtzer

2 I. Introduction Aimants de supraconduction, sûreté, fiabilité II. Intérêt Grandes vitesses, usure, coût. III. Principe III.1. Principe de lévitation magnétique III.2. Principe de propulsion III.3. Principe de guidage latéral IV. En détails IV.1. La voiture IV.2. L aimant de supraconduction IV.3. Voie de guidage IV.3.1. Les faisceaux IV.3.2. L installation des panneaux V. Conclusion Futures utilisations, avantages et inconvénients. 2

3 I Introduction Un système élevé superbe de transport à grande vitesse doté d un système d'entraînement non adhésif qui est indépendant des forces de friction entre roue et rail fut un rêve de longue date pour les ingénieurs ferroviaires. Le train Maglev (Magnetique levitation train), combinant les aimants de supraconduction et la technologie linéaire de moteur, assure un fonctionnement parfait à vitesse élevée, une grande sûreté, de la fiabilité, de basses influences sur l'environnement ainsi qu un entretien considérablement réduit. Les objectifs de développement sont les suivant : freins aérodynamiques, qui utilisent la drague aérodynamique des panneaux sur le toit de voiture, et freins à disque pour le fonctionnement à vitesse élevée; les enroulements sur la voie utiles pour la lévitation de paroi latérale; un circuit d'alimentation de haute puissance pour des inverseurs de la modulation de largeur d'impulsion (PWM) à l'aide de thyristors d'arrêt de porte (GTO); le changement de voie pour le dépassement à vitesse réduite ou élevée. Ligne d essai de Yamanashi Un développement limite s'est produit pour Maglev en 1990 lorsqu il a gagné le statut d'un projet national. Le ministre du transport a autorisé la construction de le ligne d essai de Yamanashi, visant la confirmation finale de Maglev pour l'usage pratique. Elle a été ouverte le 3 avril 1997 et est maintenant utilisée pour réaliser les essais courants. La même année, le véhicule MLX01 de Maglev (en image plus loin ) comprenant trois voitures, a réalisé des records de vitesses mondiales atteignant un maximum de 531 km/h dans un véhicule équipé le 12 décembre, et une vitesse maximum de 550 km/h dans un véhicule non piloté le 24 décembre. Le 18 Mars 1999, MLX01, avec cette fois ci cinq voitures a atteint une vitesse maximum de 548 km/h. Le 14 Avril 1999, cette composition de cinq voitures a surpassé l'enregistrement de vitesse du train de trois voitures, atteignant une vitesse maximum de 552 km/h dans un passage équipé de véhicule. 3

4 II Intérêt Ces trains à lévitation présentent plusieurs avantages : outre le fait qu'ils circulent à de très hautes vitesses (ce qui raccourcit la durée des trajets), ils n'usent pas les voies (car il n'y a pas de contact direct), et le problème du captage du courant par pantographe ne se pose plus. Les contraintes des trains sur rails (contact pantographe-caténaire, adhérence, freinage, signalisation) n'autorisent pas aujourd'hui des vitesses commerciales au-delà de 350 km/h. Les trains à lévitation semblent donc prometteurs, mais les problèmes liés à leur mise au point (entre autres le problème du captage de l'énergie - il n'y a plus de contact!) et les infrastructures nécessaires font qu'aujourd'hui, les trains conventionnels ont encore de beaux jours de recherche devant eux. Mais de plus en plus de région s intéresse à ce système, par exemple un projet au alentour d atlanta est en discussion, mais encore, l aérospatial serait intéressée par ce système pour propulser les navettes du sol, l avantage principal étant le carburant en moins. III Principe Cette dernière est basée sur la répulsion entre les éléments embarquées sur le train et des plaques conductrices (ou des bobines court-circuitées) situées sur la voie. L'avantage des bobines est de réduire la puissance dissipée. L'entrefer (distance sol-train) peut être de 10 cm si les aimants du train sont suffisamment puissants. Il faut faire appel à la supraconductivité. Par interaction entre un inducteur embarqué et des bobines sur la voie, le train se meut pour le plus grand bonheur des ruminants. Le Maglev est donc un système dans lequel le véhicule fonctionne en lévitation sur la voie de guidage (correspondant aux voies ferroviaires des chemins de fer conventionnels) en utilisant les forces électromagnétiques entre les aimants super conducteur à bord du véhicule et des enroulements sur le rail. Ce qui suit est une explication générale du principe de Maglev. On y décrit trois principes fondamentaux qui assure la bonne lévitation du train. III.1. Principe de lévitation magnétique Les " 8 " sont composés d enroulements de lévitation installés sur les parois latérales de la voie de guidage. Quand les aimants de supraconduction, à bord du véhicule, passent à une grande vitesse à quelques centimètres au-dessous du centre de ces enroulements, un courant électrique est induit dans les enroulements, qui agissent alors en tant qu'électro-aimants temporairement. En conséquence, il y a des forces qui poussent l'aimant super conducteur vers le haut et d autres qui les tirent vers le haut simultanément, faisant léviter de ce fait le Maglev. III.2. Principe de propulsion Une force répulsive et une force attrayante induite entre les aimants sont employées pour propulser le véhicule (aimant de supraconduction). Les enroulements de propulsion situés sur les parois latérales des deux côtés de la voie de guidage sont activés par un courant alternatif triphasé d'une sous-station, créant un champ magnétique de décalage sur la voie de guidage. Les aimants de supraconduction à bord sont attirés et poussés par la zone de décalage, propulsant alors le véhicule Maglev. 4

5 III.3. Principe de guidage latéral Les enroulements de lévitation se faisant face sont reliés sous la voie de guidage, constituant alors une boucle. Quand le véhicule, contenant l aimant, se déplace transversalement, un courant électrique est induit dans la boucle, ayant pour résultat une force répulsive agissant sur les enroulements de lévitation les plus proches du wagon et une force attractive agissant sur les enroulements de lévitation les plus loin. Ainsi, une voiture courante est toujours située bien au centre de la voie de guidage. IV En détail Nous allons maintenant voir plus en détail le véhicule de Maglev, ses caractéristiques générales (portes, intérieur, freins aérodynamiques, arrangement) mais aussi certains schéma vous nous permettre de mieux visualiser la technologie de guidage et de propulsion du train (chariots, aimants ). IV.1. la voiture Avant du MLX01 en aero-wedge Arrière du MLX01 en double cusp MLX01 (X signifie Expérimental) est le premier train (composé de 3 voitures) à rouler sur la ligne d essai de Yamanashi. Les voitures principales sont conçues dans deux modèles: le double cusp et l aero-wedge, pour réduire au minimum la résistance aérodynamique lors des grandes vitesses. Et en prévision d'essai habités, les deux voitures principales sont équipées de sièges. MLX01 est complété de freins de sauvegarde à bord, à savoir des freins aérodynamiques et des freins à disque, bien prouvés sur les plus anciennes versions. 5

6 Caractéristiques du wagon : Dimension de la voiture (m) Longueur*Largeur*Hauteur Voiture principale 28,0 x 2,90 x 3,32 Voiture centrale 21,6 x 2,90 x 3,32 Enroulement de supra conduction (enroulement de Sc) Force magnétique (ka) * Nombre de pôles * nombre de rangées Poids (t) Nombre de voiture Capacité d accueil Voiture principale * 1 29,0 Voiture principale * 2 30,0 Voiture centrale : 20,0 Vitesse maximale (km/h) Voiture de tête : 2 Voiture centrale : 1 Site de passage Voiture principale * 1 : 46 Voiture principale * 2 : 30 Année de mise en service 700 x 4 x (prévus) Voie d essai de Yamanashi 1996 Chariot de guidage 6

7 IV.2. L aimant de supraconduction Le SCM (SuperConducting Magnet soit l aimant de supraconduction) est l'élément principal de supraconduction du Maglev. Deux SCM sont montés sur chaque wagon. Chaque SCM de la ligne d essai de Yamanashi se compose de 4 enroulements de supraconducteurs. Le SCM a l avantage d avoir une fiabilité ainsi qu une longévité élevée, incarnant les accomplissements de la piste d essai de Miyazaki. L'unité cylindrique visible au dessus est un réservoir contenant un mélange d hélium et d azote liquéfiés. L'unité inférieure est un enroulement de supraconducteur générant alternativement des pôles N et pôles S. À une extrémité du réservoir se trouve le réfrigérateur à bord intégralement attaché, qui sert a liquéfier l'hélium une fois celui-ci vaporisé par absorption régulière de chaleur et par les perturbations externes crées durant le trajet. Voici un schéma de cet élément : 7

8 Taille des pôles Disposition Taille adaptée 1,35 m Force magnétomotrice 4 pôles, 2 rangées (symétrique des deux côtés) Distance de gauche à droite 0,57 m (taille au-dessus de centre d'enroulement de Sc dans la roue) Dimensions d'enroulement de supraconducteur Largeur*longueur 700 ka 2,98 m 1,07 m X 0,5 m (piste d'unité de feuillets magnétiques) système de réfrigération du système Re-liquéfaction circulaire par le refroidissement direct IV.3. Voie de guidage La voie de guidage se compose d'une structure correspondant à la piste conventionnelle, et d enroulement au sol correspondant au moteur conventionnel. C'est un élément essentiel du Maglev. Pour la ligne d'essai de Yamanashi, les trois étapes d'installations suivantes des enroulements au niveau du rail de guidage pour la propulsion, la lévitation, et le guidage latéral sur la voie sont celles adoptés, répondant alors à la meilleure approche commercial. IV.3.1 Les faisceaux Dans l étape dite des faisceaux, la partie de paroi latérale sera constituée seulement de faisceaux en béton. Le processus entier du faisceau fabriqué à l'installation des enroulements ont lieu à l'usine sur le site (yard temporaire). Un faisceau terminé est transporté sur le site de travail sans les enroulements, pour être placé sur deux lits de béton installés à l'avance. 8

9 IV.3.2 L installation des panneaux Dans l usine installée sur place (yard temporaire) le panneau de béton est produit et attaché avec les enroulements. L'assemblage terminé est porté sur le site de travail, où il est fixé, avec 10 boulons, à la paroi latérale érigée à l'avance. IV.3.3 L attache finale Au site de travail dans les tunnels ou sur les passerelles par partie concrète de paroi latérale est produit. Au même site la paroi latérale terminée est directement équipée des enroulements moulus. Sans le besoin d'usine ou de véhicule de transport, cette méthode est économiquement supérieure aux autres deux, mais à ses mensonges d'inconvénient parce qu'elle permet seulement à de légers réglages de différents enroulements moulus de corriger les irrégularités. 9

10 IV.3.4. Alimentation du train L'inverseur installé à la sous-station pour la conversion de puissance est un service pour transformer la puissance assurée à partir de l'entreprise de service public à la fréquence commerciale en un d'une fréquence exigée pour l'exécution de train. Pour la ligne d'essai de Yamanashi Maglev il y a des inverseurs fournis dans trois positionnements respectivement pendant trois phases, de 38 MVA pour la ligne du nord et de 20 MVA pour la ligne du sud. Selon la vitesse de train, les inverseurs du nord de ligne donnent un résultat de fréquence de 0-56 hertz (550 km/h) et les inverseurs du sud de ligne donnent un résultat de fréquence de 0-46 hertz (450 km/h). Le système de commande d'exécution au centre d'essai formule les courbes de passage, qui instruisent à leur tour le système de commande d'entraînement à la sous-station pour la conversion de puissance. Unité de conversion d énergie IV.3.5. les enroulements Enroulement de propulsion Enroulement de lévitation Pour le LSM supraconducteur (LSM étant Le moteur linéaire synchrone), l'enroulement est un élément essentiel correspondant à l'armature dans le moteur conventionnel et aux rails conventionnels. Les enroulements viennent dans deux types : ceux de propulsion pour propulser le véhicule et ceux de lévitation assurant la lévitation du véhicule et pour le guider transversalement. Quand le courant électrique entre dans ces derniers, le véhicule de Maglev peut alors se déplacer. Sur la ligne d essai de Yamanashi, les enroulements de propulsion sont disposés en deux couches superposées pour réduire les perturbations électromagnétiques externes influençant l aimant de supraconduction, les enroulements de lévitation sont placés sur ces enroulements de propulsion. Les enroulements de propulsion et ceux de lévitation sont des conducteurs en aluminium enroulés et moulé avec de la résine. Les enroulements de propulsion sont exigés pour être électriquement isolés et mécaniquement résistant, alors que les enroulements de lévitation sont exigés principalement pour être mécaniquement forts. Par conséquent les enroulements de propulsion sont des bâtis en résine d époxye, alors que les enroulements de lévitation sont des bâtis de résine insaturée de polyester renforcée avec des fibres de verre. 10

11 IV Conclusion Ce nouveau moyen de transport qu'est le Maglev est d'abord un projet de recherche et de développement des japonais. Toutefois, alors que ces derniers continuent une recherche poussée sur les performances (notamment les aimants supraconducteurs et leur utilisation pour le train) afin de rentrer dans les dépenses qu'a engendrées cette nouvelle recherche, les américains ont lancé un projet de ligne entre Atlanta et Chattanooga. Quelques écrits décrivent comment il serait possible de lancer une navette spatiale en orbite (voir annexe 2), ce qui économiserait une quantité de carburant considérable sur les fusées. C'est ici une des futurs utilisation de la propulsion magnétique. Le problème français est que le réseau ferroviaire est déjà très important. Il coûterait vraiment trop cher d'essayer de superposer ces deux moyens de transport sur rail. Peut-être que 2 ou 3 lignes Maglev à grande vitesse pourront prendre place, mais pas davantage. Les avantages y sont nombreux. Ce train a une consommation en énergie beaucoup plus faible, l entretien des installations est moindre comparé aux locomotives actuelles, du fait du non frottement, le seul bruit est celui de l air sur la carrosserie, il est très rapide et la pollution générée sur l environnement est quasi nulle. Les inconvénients sont assez rares. Premièrement, vu que cette technologie est encore récente, le prix de l installation de ce type de transport est encore assez élevé. Puis deuxièmement, comme nous l avons déjà dis auparavant, un petit pays comme la France déjà équipé en lignes ferroviaires ne pourra pas avoir un réseau important de train magnétique mais uniquement quelques lignes entre grandes villes. 11

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13 Annexe 1 : Histoire de R&D de Maglev Année Mois Sujet 1962 La recherche de la propulsion linéaire de moteur et du passage au non contact a commencé L'étude des systèmes électrodynamiques de lévitation à l'aide des aimants super conducteurs a commencé formellement LSM-propulsion le véhicule super conducteur qu'expérimental d'essai de Maglev (LSM200) a réussi une lévitation dans le rail. Le véhicule expérimental de LIM-propulsion (ML-100) réussi une lévitation dans le passage Le véhicule super conducteur expérimental d'essai d'aimant de LSM-propulsion (ML100A) a réussi parfaitement le passage de non contact Avr.. Le centre d'essai de Miyazaki Maglev est ouvert. Juillet. L'essai de la voie de guidage de ML-500 inverted-t a commencé à la piste d'essai de Miyazaki Janv.. Passage simulé de tunnel. Mai. Exécuté avec à bord un réfrigérateur d'hélium (ML-500R). DEC. Passage à 517 km/h atteint Nov.. L'essai de MLU9001 sur la voie de guidage de type U a commencé sur la piste d'essai de Miyazaki Maglev Nov.. Essai du train 2 voitures commencé Sept. Essai équipé du train 2 voitures commencé DEC. le train 3 voitures enregistre un passage de 352,4 km/h Janv. Le train 2 voitures non-piloté a atteint 405,3 km/h. Fév. passage de 400,8 km/h du train 2 voitures avec passagés atteint. Avr. Institut de recherche technique ferroviaire réorganisé comme base, assurant le travail de R&D jusqu'ici poursuivi par JNR. Mai. Essai de MLU-002 commencé DEC. Essai de pont de sous-station effectué Mars. Circuit de freinage aérodynamique testé ( MLU001 ). Nov. passage de 394 km/h atteint (MLU002) Mars. Essai de turnout de chariot-type commencé. Nov. Début de phase initiale dans la construction de la ligne d'essai de Yamanashi Maglev célébrée Juin. Essai en utilisant le système de lévitation de paroi latérale commencé. Juin. Essai activé par des inverseurs mis en marche. Oct. MLU002 brûlé vers le bas dans un accident du feu Janv. Essai de MLU-002N commencé Fév. MLU002N a atteint 431 km/h Fév. MLU002N a atteint 411 km/h (équipés) Juillet. Le centre d'essai de Yamanashi Maglev est ouvert. Nov. Essai courant Entraîneur-tiré du véhicule MLX01 sur la ligne d'essai de Yamanashi commencée Avr. Essai courant de MLX01 sur la ligne d'essai de Yamanashi Maglev commencée. Déc. MLX01 a atteint 531 km/h (équipés). Déc. MLX01 a atteint 550 km/h (touchés) DEC. Essai de deux trains se croissant à une vitesse relative de 966 km/h. 13

14 Annexe 2 : propulsion d une fusée Les principaux modes actuels de propulsion spatiale répondent à l'idée très restrictive que l'espace interplanétaire est totalement vide. Ainsi, une fusée pour se mouvoir dans l 'espace doit utiliser un fluide embarqué et communiquer une vitesse d'éjection suffisante à ce fluide pour générer une poussée qui lui permette de se déplacer. Fonctionnels, ses systèmes sont énergiquement peu efficaces car il faut embarquer de très grandes quantités de carburant pour libérer de l'attraction terrestre une petite charge utile. On se propose de montrer, qu'il est envisageable d'utiliser des forces de Laplace pour mettre en orbite un engin spatial. Rappel : Le module d'une force de Laplace F agissant sur un conducteur de longueur l dans un champ magnétique B uniforme est donné par la formule : F= I.B.l.sin(«I,B») (Newton) L : La mesure du conducteur (Mètre) I : L'intensité électrique (Ampère) B : Le module du champ magnétique local (Tesla) «I,B» : L'angle que forment les vecteurs I et B On démontre en physique que dans un champ magnétique uniforme, la résultante des forces de Laplace sur un circuit électrique fermé est nulle. Pour résoudre cette difficulté, il faut générer un champ magnétique local non uniforme. Pour être performant, ce système électromagnétique doit supporter des courants de très forte intensité et ne pas trop dissiper d'énergie par effet joule. Ce type de comportement est envisageable avec des matériaux supraconducteurs que la température très basse du vide stellaire permettrait d'utiliser. Envisageons un conducteur de forme circulaire en présence d'un champ magnétique B radial en tout point du conducteur. On montre que la résultante de Laplace est verticale et dirigée soit vers le haut soit vers le bas suivant le sens du courant I circulant dans la spire (Voir schéma) sa norme est donnée par la relation : F= 2pR.I.B (Newton). A.N : B= 0,1 T, R= 10 m, I= 100 A alors F= 630 N 14

15 Cette force de Laplace déjà très significative est additive. Ainsi, un millier de circuits électromagnétiques de ce type pourraient développer une force de N. Cette force serait suffisante pour dé-graviter une masse de près de 63 tonnes! De plus, la modulation du courant I permet d'obtenir une accélération positive ou négative à volonté!! Mais d'où vient l'énergie transmise au vaisseau? Calculons le travail de la force de Laplace F. Dans un premier temps, tant que F<P le travail de F est nul (pas de déplacement). Lorsque F=P : l'engin est en apesanteur le travail fourni est toujours nul Lorsque F>P on a: de = F.dz or F= 2pR.I.B donc de = I.[(2p.R.dz).B] On identifie la grandeur 2p.R.dz.B comme étant le flux de B sur la surface latérale du cylindre élémentaire de base 2p.R et de hauteur dz. C'est le flux coupé par la spire de rayon R dans son déplacement vertical. Vérifions le bilan énergétique : Une partie de l'énergie est utilisée pour augmenter l'énergie potentielle de la spire et l'autre partie est transformée en énergie cinétique. L'énergie totale du système est donnée par la relation : E= E p + E c = m.g.z + ½.m.V z 2 Dérivons l'énergie du système par rapport au temps, on a : de/dt= mg.v z + m.v z.dv z /dt d'où de/dt= V z.(mg+ma) avec a= dv z /dt Si on applique la relation fondamentale de la dynamique à la spire on peut écrire : F-P= ma Alors de = (mg+ [F-P]).Vz.dt = F.(Vz.dt) = F.dz CQFD Mise en garde, il est possible que le principe de l'action et de la réaction puisse compromettre les résultats en régime permanent (bien que la force de Laplace soit déjà la force de réaction de la force de Lorentz agissant sur les électrons). Il faudra se rappeler que le principe Action/Réaction est pris en défaut dans le domaine des très hautes fréquences (domaine relativiste). 15