Présentation

Edit:18 oct. 2017, Cre:17 août 2008

Véhicule à sustentation magnétique

‘Magnetic Levitation’: sustentation magnétique.
Pourquoi faire des véhicules à sustentation magnétiques ?

  • Il n’y a pas de bruits de roulement.
  • Il n’y a pas d’usure de la voie ni des roues donc moins d’entretien.
  • Il y a moins de frottements donc moins d’énergie dépensée (cependant les systèmes EDS ont une ‘trainée’ magnétique).
  • Il n’y a pas de déraillement possible, la plupart des systèmes emprisonnant la voie.
  • On peut aller plus vite qu’un train classique.

Quels sont les problèmes?

  • Les systèmes sont nouveaux, il faut donc valider la technique.
  • Le prix est élevé pour les systèmes haute vitesse (Transrapid, JR-Maglev).
  • Les aiguillages sont généralement plus compliqués que pour un train classique.
  • Il n’y a pas d’inter-opérabilité avec les voies existantes.
  • Les gens qui habitent près des voies sont préoccupés par les champs magnétiques générés (En Chine, il y a eu des manifestations).

Il existe trois types de sustentation magnétique:

  • La sustentation par attraction, ou des électroaimants sont asservis pour maintenir une distance précise par rapport à un rail en fer. La distance est de l’ordre de 1 cm. En anglais ‘EMS’ pour ElectroMagnetic Sustentation. Exemples: Transrapid, Linimo, AMT, M3, Maglev urbains chinois.
  • La sustentation par répulsion en mouvement. Des aimants permanents sont installés sur le véhicule et la piste est construite avec un rail amagnétique. Lorsque le véhicule se déplace, il crée un courant électrique dans une piste en aluminium ou en cuivre. Ce courant crée un champ magnétique qui s’oppose à celui des aimants et le véhicule est soulevé par cette répulsion. Il n’y a donc sustentation que lorsqu’une certaine vitesse est atteinte, mais il n’y a aucune régulation électronique. La distance va de 4 à 15 cm. Il faut des roues pour pouvoir accélérer avant le ‘décollage’. En anglais ‘EDS’ Pour ElectroDynamic Sustentation. Exemples:JR-Maglev, General Atomics, les premières versions de Skytran.
  • La sustentation par répulsion statique. Des aimants de sens opposés montés dans le véhicule et dans la piste se repoussent. Il faut donc une grande quantité d’aimants. Exemple: LevX.

Il y a aussi des systèmes mixtes:

  • Le système proposé par M3, avec des aimants permanents compensant la charge moyenne et des électroaimants pour la charge résiduelle et la régulation de distance. Les électroaimants n’étant utilisés que pour une fraction de la masse sont réduits ainsi que l’électronique de commande. Ceci étant moins contraignant, on peut utiliser des électroaimants plus puissants pour augmenter la distance entre le véhicule et la voie.
  • Le nouveau système proposé par Skytran, ou des aimants permanents font face à des plaques latérales en aluminium et sont inclinés pour ajuster la lévitation. L’inclinaison est asservie pour maintenir la hauteur. C’est comparable à un système de freinage magnétique de montagnes russes qui serait incliné pour développer une poussée.
C’est un système original ou la lévitation est régulée mécaniquement et non par une variation de champ magnétique.

Et deux types de moteurs:

  • Les moteurs synchrones: Des électroaimants installés d’un coté créent un champ magnétique qui se déplace à une vitesse donnée. De l’autre coté, des aimants sont installées à intervalles réguliers. Le champ magnétique qui se déplace reste en face des aimants, d’ou l’appellation moteur synchrone. En anglais ‘LSM’ Linear synchronous motor.
  • Les moteurs asynchrones: Des électroaimants installés d’un coté créent un champ magnétique qui se déplace à une vitesse donnée. De l’autre coté une piste en cuivre, en aluminium ou en acier à ‘cage d’écureuil’. Le champ magnétique qui se déplace crée un courant qui génère un autre champ magnétique et les champs s’attirent. Le champ de la piste n’étant pas figé se déplace et il n’y a pas synchronisme entre les déplacements. En anglais ‘LIM’ Linear induction motor.

Il faut noter que les moteurs linéaires sont utilisés pour des métros et trains classiques (à roues).

Les aimants des moteurs ou des pistes peuvent soit être des aimants permanents, soit des électroaimants. Lorsque l’on utilise des électroaimants, il est possible d’utiliser des bobines avec des fils supra-conducteurs (dont la résistance est nulle), qui nécessitent un refroidissement à basse température mais permettent des champs magnétique très intenses puisqu’il n’y a aucune perte.

Une propulsion très particulière est celle de la nouvelle version de Skytran ou un assemblage d’aimants permanents montés en hélice est mis en rotation dans un tube en aluminium. Au lieu d’avoir un champ tournant, on fait physiquement tourner les aimants et l’inclinaison des aimants assure l’avancement. Ceci implique qu’il y a en fait deux moteurs: le premier entraînant le groupe d’aimants, et le groupe d’aimants tournants qui constitue un moteur de propulsion asynchrone. Chacun de ces moteurs ayant ses propres pertes, on peut se poser la question du rendement global, mais aucune information n’est disponible.

Le moteur, c’est à dire l’ensemble des électroaimants qui crée un champ magnétique glissant peuvent être dans le véhicule ou dans la voie. Exemples de moteurs dans la voie: Transrapid, General Atomics. Exemples de moteurs dans le véhicule: Linimo, AMT.

Les avantages d’avoir le moteur dans la voie sont:

  • Il y a très peu d’équipements dans le véhicule qui reste très léger.
  • Le véhicule se déplace à la vitesse du champ magnétique et sa position est donc parfaitement connue (avec un moteur synchrone). On peut avoir plusieurs véhicules se suivant à intervalles très rapprochés sans prévoir de système de calcul particulier, les véhicules pouvant être synchronisés.
  • Il n’y a pas besoin de transférer de la puissance électrique dans le véhicule (pas de caténaire)

Les inconvénients:

  • La quantité d’équipements dans la voie est conséquente en terme de câblage et de fers de guidage de champs magnétiques
  • Il faut prévoir des boitiers de commande et de contrôle à intervalles de quelques kilomètres, ce qui fait beaucoup d’électronique sur des liaisons longues.
  • En cas de panne de l’électronique, on perd la synchronicité des déplacements, ce qui pose problème s’il y a plusieurs véhicules.

Les avantages d’avoir le moteur dans le véhicule sont:

  • La voie peut être (surtout dans le cas des moteurs LIM) très simple et peu coûteuse.
  • Le véhicule peut être autonome et assurer sa propre sécurité.

Les inconvénients:

  • Il faut avoir un moteur et de l’électronique embarquée
  • Il faut capter du courant depuis la voie (ou avoir des batteries)
  • La puissance est limitée (si l’on veut faire de la haute vitesse)

La suspension:
La distance entre le véhicule et la voie n’étant pas constante, on peut avoir un certain amortissement lié à la sustentation magnétique. dans le cas d’une EDS, cette distance étant faible (< 10mm), l’amortissement est très faible.
Certains véhicules comportent donc une autre suspension entre la caisse du véhicule et les bogies, elle est dite ‘suspension secondaire’ et est généralement faite à l’aide de coussins pneumatiques, de la même manière que pour un TGV.

On voit donc qu’il y a beaucoup de combinaisons possibles entre les solutions exposées ci-dessus.
Quelques exemples:

  • Transrapid (en opération a Shanghai): 500 km/h. Véhicule suspendu (EMS), moteur synchrone dans la voie, pas de suspension secondaire (la voie est ajustée au millimètre).
  • Linimo (en opération au Japon): 100 km/h. Véhicule suspendu (EMS), moteur asynchrone dans le véhicule, suspension secondaire.
  • JR-Maglev (prototype fonctionnel): 540 km/h. Véhicule repoussé (EDS), aimants supraconducteurs dans le véhicule, moteur dans la voie.
  • AMT (prototype fonctionnel): ? km/h. Véhicule suspendu (EMS), moteur asynchrone dans le véhicule, pas de suspension secondaire (?)
  • General atomics (prototype voie/bogies): ? km/h. Véhicule supporté par aimants permanents (EDS), moteur synchrone dans la voie.

Les Maglev à vocation urbaine:

  • LINIMO au Japon, opérationnel
  • RUTM (Hyundai Rotem Urban Transport maglev) en Corée, opérationel Incheon airport Maglev
  • AMT, prototype fonctionnel.
  • Maglev urbains Chinois (il y a plusieurs technologies, la première ligne ayant été installée a Changsha)

Ces trains urbains suspendus à moteur asynchrone LIM sont assez proches dans leur conception, il semble que le train AMT et ROTEM n’aient pas de suspension secondaire. le train AMT a une seule piste de motorisation au centre alors que le ROTEM et LINIMO ont les pistes au dos des rails (ce qui semble préférable car cela fait un dos magnétique à la piste amagnétique).

Les Maglev haute vitesse

  • TRANSRAPID, allemand, en service régulier à Shanghai Chine).
  • JR-MAGLEV, Japonais, prototype, record de vitesse à 603 km/h

Le TRANSRAPID fonctionne bien mais son développement est freiné par un coût de déploiement important (voie complexe nécessitant un ajustement au millimètre). Une liaison en allemagne vient d’être abandonnée.
Le JR-MAGLEV est un train très complexe et lourd, utilisant des aimants supraconducteurs et ayant une voie lourde et encombrante. Son faible rendement et son coût rendent son déploiement difficile.

Les aimants permanents sont actuellement très puissants et leur prix a baissé de manière importante.
Si le fait d’avoir une voie construite avec des aimants permanents peut paraitre économiquement viable, il y a cependant un problème important, la disponibilité en quantité des matériaux constitutifs.
Les aimants permanents, actuellement fabriqués à plus de 90% par la Chine, utilisent des métaux rares, qui sont obtenus actuellement en extrayant d’autre métaux et sont donc un produit dérivé du minage. Leur disponibilité en très grande quantité pose donc des questions importantes. La Chine étant actuellement la principale source, le marché des aimants permanents performants est devenu spéculatif.

Il y a des problèmes spécifiques à chaque système

  • Les systèmes à suspensions actives dépendant du fonctionnement de l’électronique qui doit être fiabilisée et redondante. Il faut aussi une alimentation secourue.
  • Les systèmes de sustentation dynamiques (EDS) ont une ‘trainée’ magnétique (l’effort requis pour déplacer les aimants permanents) qui est loin d’être négligeable, en particulier à basse vitesse.
  • Les systèmes de sustentation dynamiques (EDS) n’ont aucun asservissement de position, il faut donc vérifier que le système est stable et amorti dans toutes les conditions d’utilisation.
  • Les systèmes à répulsion génèrent un champ magnétique important dans le véhicule.

Il est important de noter que Skytran qui proposait au départ un système EDS (similaire à celui développé par General Atomics) présente désormais un système asservi 2. Les motifs du changement n’ont pas été divulgués. La nouvelle voie est probablement moins coûteuse et le changement de voie (aiguillage dans un plan vertical) est assuré par la suspension, ce qui est très simple (les voies étant superposées). Ce système a une trainée qui dépend de l’inclinaison des aimants, mais il n’y a pas de données disponibles.
On ignore s’ils ont rencontrés des problèmes de stabilité avec l’EDS, et le projet de General Atomics étant arrêté, il n’y a pas d’informations nouvelles sur l’EDS.

Liens

Trains

Linimo (Wikipedia) En service depuis 2005
Transrapid (Wikipedia) En service depuis 2002
JR-Maglev (Wikipedia) En dévelopement
M3 (monorails.org) Abandonné:Magnemotion a supprimé toute référence à son projet de train magnétique
M3 (rapport de recherche) Rapport d’essai d’un chassis sur une piste de 78m
AMT (constructor site) En attente depuis 2014
Skytran (Wikipedia) En développement: Évolutions récentes

Livres

Maglev Trains : Key Underlying Technologies
Rising force: The magic of magnetic levitation
Maglev trains (Cutting edge technology)

Nom Type Moteur
(c) Pierre ROUZEAU
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Page mise à jour le 18/10/2017 22:37