Les trains à sustentation magnétique allya.srivastava.over-blog.com Groupe : Axel, Paul, Morgan et César 2012/2013 1
SOMMAIRE Introduction I) Principe de Fonctionnement A) Principe de Lévitation B) Principe de propulsion II) Comparaison des trois trains A) Coût, rentabilité, vitesse B) Développement Durable III) Expérience IV) Conclusion 2
Introduction : Nous avons choisis de vous faire découvrir les Trains à Sustentations Magnétiques, par le biais de notre TPE. Nous nous sommes intéressés aux trains à sustentation électromagnétique dont les principaux représentants sont : le Transrapid Allemand et le Transrapid de Shanghai. En parallèle, le représentant du Train à sustentation électrodynamique est : le Maglev Japonais. Pour mieux connaitre ces systèmes, voici un petit historique : Le Transrapid Allemand (électromagnétique) Le Maglev Japonais (électrodynamique) 3
Nous allons vous présenter ces deux systèmes, totalement différents de la technologie Française du TGV : tout d abord, nous évoquerons le Principe de Fonctionnement des trains à sustentation magnétique, en expliquant leurs principes de Lévitation et le principe de propulsion du train à sustentation électromagnétique. Ensuite, nous établirons des comparaisons entre ces trois systèmes, notamment sur le coût, la rentabilité, sans oublier d aborder le thème du Développement Durable. Nous avons étudiés les multiples Avantages, ainsi que les inconvénients de ce nouveau mode de transport en commun selon plusieurs facteurs que nous détaillerons dans la suite de ce TPE. Enfin, nous vous démontrerons les principes de lévitation et de propulsion des trains par le biais d une petite expérience très simple. Nous avons construit notre TPE sur les bases de plusieurs problématiques : Le train à sustentation magnétique sera-t-il un transport du futur? Les trains à sustentation magnétique sont-ils en accord avec le développement durable? Toutes ces questions seront abordées, et obtiendront une réponse pour déterminer si les Trains à sustentation magnétique sont vraiment l Avenir de la nouvelle technologie. 4
I) Principe de fonctionnement A) Principe de lévitation TPE Trains à Sustentation Magnétique a)trains à sustentation électrodynamique La lévitation d un train à sustentation électrodynamique est faite grâce à des bobines supraconductrices placées dans les wagons. Les supraconducteurs sont des matériaux dont le principe est de n avoir aucune résistance électrique et de repousser les champs magnétiques à une température proche du 0 absolu. Les premières bobines étaient en niobiumtitane et nécessitait, pour fonctionner une température de 4Kelvin. Maintenant les bobines supraconductrices sont en yttrium et nécessitent une température de 50Kelvin. En conséquence, la présence de supraconducteurs nécessite un système de refroidissement sophistiqué. Le train lévite donc une fois les électroaimants mis sous tension. Ces bobines en yttrium sont enfermées sous vide dans une coque qui maintient une température inférieur à 50K pendant 9h. Le trajet effectué par un train qui lévite de cette manière doit donc être inférieur à 9h. L action des électroaimants, avec les supraconducteurs qui fait léviter le train est appelée force Laplace. La représentation de se système est le maglev Japonais qui fait un trajet de Tokyo à Osaka qui a une durée d une heure. b) Trains à sustentation électromagnétique Le train électromagnétique lévite grâce à des aimants placés dans les wagons et des électroaimants placés sur les rails. Les électroaimants sur les rails ne sont pas tous toujours alimentés en électricité. Ils sont alimentés par secteurs se qui permet de ne pas dépenser de l électricité sur une partie du rail ou il n y a pas de train. Pour calculer l intensité nécessaire pour faire léviter le train, il faut connaître la nature du champ magnétique. 5
Il existe deux noyaux d électroaimants différents : noyau d air et noyau ferromagnétique et donc deux champ magnétiques différents. Le champ magnétique d un noyau d air est : B est le champ magnétique en Tesla = n = N/L ; N est le nombre de spire et L la longueur de l enroulement. y est la perméabilité du vide (en kg*m*a^-2*sec^-2) I est l intensité le traversant en A Le champ magnétique d un noyau ferromagnétique est de : = Par rapport au noyau d air, on a l apparition de k qui est la perméabilité du noyau ferromagnétique (en H/m). La force nécessaire pour soulever un seule wagon est déterminée par la formule : F=m*g F est la force en Newton m= M (masse) / le nombre d électroaimant g = 9.8m/s² Le train ayant une masse de 45 tonnes et 16 électroaimant ; m=2812.5kg Donc la force nécessaire à soulever un wagon est de 27591N. Pour créer une force de répulsion de 27591 newton, il faut un champ magnétique de : F : force en Newton = 8 10 S : surface en m² Donc B = 2,6 Teslas 6
On peut donc utiliser un électroaimant car ils peuvent créer un champ magnétique de 10 à 100 teslas pour les maximums. Pour finir on calcule l intensité nécessaire dans les rails pour le faire avancer : I est l intensité du courant (en Ampère) B est le champ magnétique (en Tesla) = Y est la perméabilité du vide (en kg*m*a^-2*sec^-2) K est la perméabilité du noyau ferromagnétique (en kg*m*a^-2*sec^-2) N est le nombre de spire L est la longueur de l enroulement(en m) Donc I = 25.8 A Donc un courant de 25.8A permettrait d annuler la masse de 45 tonnes d un train électromagnétique. Même si ce chiffre parait étonnamment grand, il existe des moyens pour le réduire comme utiliser des matériaux avec une perméabilité du noyau ferreux plus élevé. Mais, ici le problème était simplifié, car sur le terrain, les ingénieurs doivent prendre en compte plusieurs éléments qui influent sur la lévitation comme le vent ou encore les courants de Foucault. 7
B) Principe de propulsion Nous allons maintenant nous intéresser au principe de propulsion du train à sustentation électromagnétique : pour se déplacer, ce type de train uti- lise le Moteur Linéaire Synchrone. Ce moteur consiste en l attraction, et la répulsion d électroaimants, grâce à l électricité envoyée dans les rails de guidage. Les rails sont mis sous tension uniquement en présence du train, pour éviter une surconsommation inutile sur l ensemble de la ligne. Les pôles sont en changement permanent sur les rails : le pôle Sud de- le train à vient pôle Nord, et inversement. Tout ce procédé fait donc avancer une grande vitesse, tout en lévitant comme expliqué précédemment. Toute une procédure doit être respectée pour le bon fonctionnement du train : il existe plusieurs phases de lancements de manière progressive. Ce moteur permet de varier la vitesse du train en fonctionn du courant altrain accélère, ternatif envoyé dans les rails : plus ce courant est élevé, plus le et inversement. Ce système est progressif : le courant augmentee sur environ les ¾ du trajet, et diminue ensuite pour l arrivée en gare. Ce courant est sous con- (avec un cou- trôle permanent, et assure une stabilité au train à grande vitesse rant maximum). 8
II) Comparaisons des trois trains : A) Coût, rentabilité, vitesse... Nous avons établi un comparatif entre trois types de train : Le TGV (train classique Français), le Maglev Japonais (train électrodynamique) et le Transrapid Chinois (train électromagnétique). Nous les avons comparés par rapport à différents critères : la vitesse, la consommation, le coût, la rentabilité Voici nos résultats détaillés : Au niveau de la vitesse on constate que les trains à sustentation magnétiques sont les plus rapides. On a enregistré une vitesse record de 572 km/h pour le Maglev Japonais dans la catégorie des trains à sustentation électrodynamique. En revanche, le Transrapid a une vitesse plus constante et moyenne de 245 km/h. C est donc le train à sustentation électromagnétique qui reste le plus intéressant au niveau de la vitesse moyenne. 700 600 500 400 300 200 100 0 TGV Maglev Transrapid Vitesse max (km) vitesse moyenne (km) Au niveau de la nuisance sonore, les trains électromagnétiques sont les moins bruyants avec 25 décibels pour le train à sustentation électromagnétique à cause du frottement des roues contre les rails lors du départ. Le Maglev se place en deuxième position avec 35 décibels, et le TGV s avère être le plus bruyant avec tout de même 92 décibels! (relevés réalisés à une distance d 1 mètre des trains) Étudions maintenant la perte, et la consommation énergétique des trains : -Les trains à sustentation magnétique en général ont une perte énergétique quasinulle : le Maglev a tout de même une légère perte thermique due au refroidissement des supraconducteurs servant à la lévitation du train. Le train électromagnétique, lui, n a aucune perte énergétique. 9
Tous les trains ont une perte de vitesse à cause de la résistance aérodynamique. De plus, le TGV est beaucoup plus lourd que les trains à sustentation magnétiques, ce qui explique en partie l écart de vitesse. Le TGV totalise une perte énergétique totale de 3%. Au niveau de la consommation énergétique, les trains à sustentation magnétique sont les moins «énergivores», avec une égalité de 47 W/km/personnes, contre une consommation moyenne de 86 W/km/pers pour le TGV. 100 80 60 40 20 train classique (Wh/km) maglev (Wh/km) 0 200km/h 300km/h 400km/h Il est évident que ces trains à sustentation nécessitent des rails spéciaux : Le coup d'installation de ces rails est plus élevé pour le train magnétique dû à une technologie plus sophistiquée. En conséquence, le prix du trajet, payé par les utilisateurs du train, devrait être assez élevé. Or, comme la distance parcourue aller-retour par les trains est en moyenne de 60 kilomètres, alors le prix reste très raisonnable avec un ticket à 7 Euros par personnes. (Prix du Transrapid) Le prix au kilomètre, payé par l organisme de gestion du Transrapid, est en moyenne au même coût (0.15 à 0.29 pour le TGV, et 0.25 pour le Transrapid) Le Maglev Japonais n'est pas encore ouvert au publique, nous ne pouvons donc pas fournir d information sur le coût du trajet. En conclusion, on peut dire que les trains à sustentation électromagnétique sont bien plus intéressants tout d'abord pour leur consommation et leur perte énergétique puis par une vitesse moyenne plus élevée ainsi que leur faible nuisance sonore. Cependant notre passé fait que le TGV est déjà installé dans la majeur partie de notre pays, et sur les principales lignes. Le Maglev ou le Transrapid arrivera-t-il à détrôner le TGV? 10
III) l expérience : Nous avons décidés de vous présenter le principe de lévitation du train à sustentation électromagnétique. En effet ce principe de lévitation se fait à l aide de bobines placées dans les rails qui, lorsqu elles sont mises sous tension repoussent les aimants positionnés dans le train. Nous avons récupéré les bobines sur des contacteurs, des aimants en laboratoire de physique. Après plusieurs essais nous avons pu démontrer ce phénomène de lévitation. Nos aimants sont repoussés par les bobines, cependant, nous ne pouvons pas le faire léviter car pour que la lévitation soit effective, il est nécessaire de prendre en compte les électroaimants de guidage qui permettent au train de ne pas dérailler. Nous avons pensé au départ qu il suffisait de construire une piste de guidage pour que le train ne parte pas sur le côté. Nous y avons fixé les bobines à une distance définit. Un problème est survenu, le train ne lévitait pas! C est à ce moment que nous avons compris qu il manquait les électroaimants de guidage. De plus, le champ magnétique n était pas assez fort pour soulever l aimant accroché au train. Au final, le principe peut être démontré qu avec un simple aimant, ne faisant qu avancer en jonchant la piste. 11
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IV) Conclusion : Rappel des problématiques : Le train à sustentation sera-t-il un transport du futur? Sera-t-il en accord avec le développement durable? Nous avons, pendant nos recherches, pu démontrer que le principe de lévitation et de propulsion de ces deux trains est tout à fait réalisable. Ces trains sont nettement plus avantageux au niveau du développement durable par rapport à un TGV. Les trains à sustentations sont des moyens de transports sûr, qui sont adoptés dans certains pays et qui le seront dans d autre comme le Maglev qui sera ouvert au public à partir de 2020. En contreparties, ces trains ne peuvent pas remplacer les TGV en France par exemple, car le coût de désinstallation et d installation serait bien trop important. Le point positif de ce train, c est que d un point de vue écologique, social et économique, il remplit des critères intéressants. En conclusion, le train à sustentation pourrait être un transport du futur dans certains pays, dans lesquels des lignes d autres types de train ne sont pas déjà installées. 13