Train à sustentation magnétique
train utilisant les forces magnétiques pour se déplacer De Wikipédia, l'encyclopédie libre
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Un train à sustentation magnétique ou Maglev est un train utilisant les forces magnétiques pour se déplacer. Il utilise le phénomène de sustentation électromagnétique et n'est donc pas en contact avec des rails, contrairement aux trains classiques. Ce procédé permet de supprimer la résistance au roulement et d'atteindre des vitesses plus élevées : le record est de 603 km/h obtenu en , soit 28,2 km/h de plus que le record d'un train classique (574,8 km/h par une version modifiée du TGV en 2007). Maglev est l'acronyme anglais pour Magnetic levitation.
Il existe deux principaux types de trains à sustentation magnétique :
La propulsion est assurée par un moteur linéaire synchrone.
Après près de soixante années (1962-2022) de recherche et d'essais, seules six lignes fonctionnent pour une longueur de ligne cumulée d'environ 74 km :
Le Japon développe un projet de train appelé Shinkansen Chūō. Sur une ligne d'essai de 42,8 km, située dans la préfecture de Yamanashi, le prototype atteint 590 km/h le [13], puis 603 km/h le suivant[14]. L'objectif est de construire une ligne assurant la liaison Tokyo-Ōsaka (400 km à vol d'oiseau) en une heure (travaux en cours depuis ) ; l'ouverture du premier tronçon Tokyo-Nagoya initialement prévue en 2027 a été reportée à 2034 et celle du second tronçon Nagoya-Osaka plus tard avec l'aide de fonds publics (à l'origine, l'ouverture était prévue en 2045 pour le second tronçon).
Début 2010, la compagnie JR Central a annoncé[15] vouloir développer le Maglev à l'étranger, avec deux compagnies américaines[16]. La compagnie estimait en 2010 que 150 sites dans le monde sont des marchés potentiels pour le Shinkansen ou le SCMaglev, dont entre Tampa, Orlando et Miami, entre Las Vegas et Los Angeles, au Texas et dans le Midwest, ou entre Baltimore et Washington, D.C., entre Chattanooga et Atlanta, ou encore en Pennsylvanie, éventuellement en bénéficiant d'une partie des 8 milliards de dollars promis le par le président Barack Obama pour des projets innovants et économes en énergie de lignes à grande vitesse.
Le Transrapid était un projet allemand réalisé par plusieurs sociétés dont Siemens et MBB qui avait réalisé le premier prototype dans les années 1970.
En août 2024, la Chine a réussi un test clé pour son projet Hyperloop maglev, visant des vitesses proches de celles des avions. Ce test, réalisé dans un tube à faible pression à Datong, valide l’intégration des systèmes. L’objectif est de réduire le trajet Pékin-Shanghai à 90 minutes[17].
Le projet futuriste Swissmetro fait appel aux mêmes procédés mais les double par l'utilisation de tunnels sous vide partiel d'air. Ceci a l'avantage de réduire la friction de l'air qui devient très importante au-delà de 150 km/h[18]. Il a été abandonné en 2009.
Dans l'imagination du public, un train à sustentation magnétique ou « maglev » évoque souvent le concept d'un monorail en hauteur avec une propulsion par moteur linéaire.
Les systèmes à sustentation magnétique peuvent être monorail ou à double rail – le SCMaglev. MLX01, par exemple, utilise une voie en tranchée – et tous les trains monorail ne sont pas des trains à sustentation magnétique. Certains systèmes de transport ferroviaire incorporent des moteurs linéaires mais n'utilisent l'électromagnétisme que pour la propulsion, sans faire léviter le véhicule. C'est le cas du monorail de Moscou, actuellement le seul train monorail à moteur linéaire sans suspension magnétique en service. A l'instar des voies ordinaires les voies à sustentation magnétique, monorail ou non, peuvent également être construites au niveau du sol ou installées dans des tunnels. Certains trains a sustentation magnétique intègrent des roues et fonctionnent comme des véhicules à roues à moteur linéaire à des vitesses plus lentes, mais lévitent à des vitesses plus élevées. C'est généralement le cas des trains à sustentation magnétique électrodynamiques. Des facteurs aérodynamiques peuvent également jouer un rôle dans la lévitation de ces trains.
Les deux principaux types de technologie de sustentation magnétique sont :
Dans les systèmes de suspension électromagnétique (EMS), le train enveloppe la voie. Des matériaux magnétiques sont disposés sur la partie inférieure de la voie. Des électroaimants sont fixés au train sous la voie et orientés vers le haut pour soulever le train. Le système est généralement disposé sur une série de bras en forme de C, la partie supérieure du bras étant fixée au véhicule, et le bord intérieur inférieur contenant les électroaimants. Le train repose sur la voie uniquement à l'arrêt et un système de contrôle asservi des électroaimants soulève le train lors de la mise en route. Certains systèmes combinent des aimants permanents et des électroaimants afin de diminuer la taille de ceux-ci et de leur électronique de contrôle[21].
L'attraction magnétique varie de manière inverse au carré de la distance, de sorte que des changements mineurs de distance entre les aimants et le rail produisent des variations de forces importantes. Ces changements de force sont dynamiquement instables - un léger écart par rapport à la position optimale a tendance à augmenter, ce qui nécessite des systèmes de rétroaction sophistiqués pour maintenir une distance constante par rapport au rail, (environ 15 mm)[22],[23].
Le principal avantage des systèmes suspendus à électroaimants est qu'ils fonctionnent à toutes les vitesses, contrairement aux systèmes électrodynamiques qui ne fonctionnent qu'à partir d'une vitesse minimale. Cela élimine la nécessité d'un système de train d’atterrissage à basse vitesse et peut simplifier l'aménagement des voies. En revanche, l'instabilité dynamique exige des tolérances de réalisation de la voie très précises, ce qui peut compenser cet avantage. Eric Laithwaite craignait que pour respecter les tolérances requises, il faille augmenter l'écart entre les aimants et le rail au point où les aimants seraient d'une taille déraisonnable[24]. En pratique, ce problème a été résolu grâce à des systèmes de rétroaction améliorés, qui prennent en charge les tolérances requises mais la distance moyenne à la voie est généralement inférieure à celle des systèmes électrodynamiques.
Dans une suspension électrodynamique (EDS), la voie est constituée de matériaux conducteurs en principe amagnétiques (cuivre ou aluminium). Le déplacement d'aimants contenus dans le train induit un courant électrique dans la voie et donc un champ magnétique qui interagit avec les champs magnétiques des aimants du train. Le train est mis en lévitation et centré par les interactions entre ces champs magnétiques[25]. Dans certaines configurations, le train ne peut être mis en lévitation que par des forces répulsives. Dans les premiers stades de développement du SCmaglev sur la piste d'essai de Miyazaki, un système purement répulsif a été utilisé puis a évolué vers un système mélangeant forces d'attraction et de répulsion[26]. Le champ magnétique est produit soit par des aimants supraconducteurs (comme dans le SCMaglev), soit par un réseau d'aimants permanents (comme dans la voie de type Inductrack (en)). Les forces répulsives et attractives entre la voie et le train sont créés par les champs magnétiques dans la voie obtenus par induction électromagnétique dans des boucles réalisées avec des fils ou des empilements de bandes en matériau conducteur.
L'un des principaux avantages des systèmes Maglev EDS est qu'ils sont dynamiquement stables – les changements de distance entre la piste et les aimants créent de fortes forces pour ramener le système à sa position initiale[24]. En outre, la force d'attraction varie de manière inverse, ce qui permet d'obtenir les mêmes effets de réglage. Aucun contrôle actif de la rétroaction n'est nécessaire mais des résonances sont possibles parce qu'il y a peu d'amortissement.
Cependant, à faible vitesse, le courant induit dans ces bobines et le flux magnétique qui en résulte ne sont pas assez importants pour faire léviter le train. Pour cette raison, le train doit avoir des roues ou une autre forme de train d'atterrissage pour soutenir le train jusqu'à ce qu'il atteigne la vitesse de décollage. Étant donné qu'un train peut s'arrêter à n'importe quel endroit, en raison de problèmes d'équipement par exemple, l'ensemble de la voie doit pouvoir supporter à la fois une exploitation à basse et à haute vitesse.
Un autre inconvénient est que le système EDS crée naturellement un champ dans la voie à l'avant et à l'arrière des aimants de levage, qui agit contre les aimants et crée une traînée magnétique. Ceci n'est généralement préoccupant qu'à basse vitesse, et c'est l'une des raisons pour lesquelles JR a abandonné un système purement répulsif et a adopté le système de lévitation avec des parois latérales[26]. À plus haute vitesse, les autres modes de traînée dominent[24].
La force de traînée peut toutefois être utilisée à l'avantage du système électrodynamique, car elle crée une force variable dans les rails qui peut être utilisée comme système réactionnel pour entraîner le train, sans qu'il soit nécessaire de disposer d'une plaque de réaction séparée, comme dans la plupart des systèmes à moteur linéaire. Laithwaite a dirigé le développement de tels systèmes de « flux transversal » dans son laboratoire de l'Imperial College[24]. Une autre solution consiste à utiliser des bobines de propulsion sur le rail de guidage pour exercer une force sur les aimants du train et faire avancer celui-ci. Les bobines de propulsion qui exercent une force sur le train sont en fait un moteur linéaire : un courant alternatif dans les bobines engendre un champ magnétique variant continuellement qui avance le long de la voie. La fréquence du courant alternatif est synchronisée pour correspondre à la vitesse du train. Le décalage entre le champ exercé par les aimants sur le train et le champ appliqué crée une force qui fait avancer le train.
La conception d'un train à sustentation magnétique ne concerne pas uniquement les véhicules, mais aussi le système ferroviaire, spécifiquement conçu pour la lévitation et la propulsion magnétiques. Toutes les mises en œuvre opérationnelles de la technologie à sustentation magnétique ont des roues ordinaires et ne sont pas compatibles avec les voies ferrées conventionnelles. Comme ils ne peuvent pas partager l'infrastructure existante, les systèmes à sustentation magnétique doivent être conçus comme des systèmes autonomes. Le système à sustentation magnétique SPM est interopérable avec les voies ferrées en acier et permettrait aux véhicules à sustentation magnétique et aux trains conventionnels de circuler sur les mêmes voies. MAN en Allemagne a également conçu un système de train à sustentation magnétique qui fonctionnait avec des rails conventionnels, mais son développement n'a pas abouti[24].
Chaque principe de lévitation magnétique pour les voyages en train comporte des avantages et des inconvénients.
| Technologie | Avantages | Inconvénients | ||
| EMS[27],[28] (Sustentation électromagnétique) | Les champs magnétiques à l'intérieur et à l'extérieur du véhicule sont inférieurs à ceux de l'EDS ; technologie éprouvée, disponible dans le commerce ; vitesses élevées (500 km/h) ; pas besoin de roues ni de système de propulsion secondaire. | La séparation entre le véhicule et la voie de guidage doit être constamment surveillée et corrigée en raison de la nature instable de l'attraction électromagnétique ; l'instabilité inhérente du système et les corrections constantes requises par les systèmes extérieurs peuvent induire des vibrations. | ||
| EDS de type SCMaglev[29],[30] (Sustentation électrodynamique) |
Les aimants embarqués supraconducteurs et la relativement grande distance entre le rail et le train permettent d'atteindre les vitesses les plus élevées jamais enregistrées pour un train (603 km/h) et une capacité de charge importante; le train de type SCMaglev a réussi ses essais en utilisant la supraconductivité à 'haute température' dans ses aimants embarqués refroidis à l'azote à −196 °C, d'un usage plus aisé que les aimants supraconducteurs « ordinaires » refroidis aux alentours de −270 °C.[réf. nécessaire] | Des champs magnétiques puissants dans le train rendraient le train dangereux pour les passagers équipés de stimulateur cardiaque ou de supports de stockage de données magnétiques tels que des disques durs et des cartes de crédit, ce qui nécessiterait l'utilisation d'un blindage magnétique ; les limitations de l'inductance des voies de guidage limitent la vitesse maximale ; [réf. nécessaire] le véhicule doit avoir des roues pour les déplacements à faible vitesse. | ||
| EDS de type Inductrack (en)[31],[32] (Sustentation électrodynamique par aimants permanents à température ambiante disposés en réseau de Halbach) | Sécurité de la suspension: pas de courant nécessaire pour activer les aimants; le champ magnétique est localisé sous la voiture ; peut générer suffisamment de force à basse vitesse (environ 5 km/h pour la lévitation ; en cas de panne de courant, les voitures s'arrêtent en se posant sur leur train atterrissage ; Les aimants permanents en réseau de Halbach sont plus puissants que des électroaimants et engendrent un champ magnétique assez faible à l'intérieur du véhicule comparable à un système à blindage magnétique. | Nécessite soit des roues, soit des segments de voie mobiles lorsque le véhicule est à l'arrêt. En cours de développement (depuis 2008) ; il n'y a pas de version commerciale ni de prototype à l'échelle réelle. Le système de transport Individuel skyTran a abandonné la sustentation de type InducTrack au profit d'une sustentation magnétique particulière à asservissement mécanique. | ||
Ni la voie de type Inductrack (en) ni la suspension EDS à supraconducteurs ne sont capables de faire léviter les véhicules à l'arrêt, bien que l'Inductrack assure la lévitation à une vitesse beaucoup plus faible; des roues sont nécessaires pour ces systèmes. Les systèmes EMS n'ont pas de roues.
Le Transrapid allemand, le HSST japonais (Linimo), et coréen Rotem. Les trains à sustentation magnétique de type EMS lévitent à l'arrêt, l'électricité étant extraite du rail de guidage à l'aide de rails électriques pour les deux derniers, et sans fil pour le Transrapid. En cas de perte d'énergie sur la voie de guidage pendant le déplacement, le Transrapid est toujours capable de générer de la lévitation jusqu'à une vitesse de 10 km/h, [citation nécessaire] en utilisant l'énergie des batteries de bord. Ce n'est pas le cas des systèmes HSST et Rotem.
Les systèmes EMS tels que HSST/Linimo peuvent fournir à la fois la lévitation et propulsion en utilisant un moteur linéaire embarqué. Mais les systèmes EDS et certains systèmes EMS tels que Transrapid lévitent mais ne propulsent pas. Ces systèmes ont besoin d'une autre technologie pour la propulsion. Un moteur linéaire (bobines de propulsion) monté dans la voie est une solution. Sur de longues distances, l'équipement de toute la voie avec des bobines a un coût très important.
Le théorème d'Earnshaw montre qu'aucune combinaison d'aimants statiques ne peut être en équilibre stable[33]. Par conséquent, un champ magnétique dynamique (variant dans le temps) est nécessaire pour atteindre la stabilisation. Les systèmes EMS reposent sur un régulateur de tension électronique actif qui mesure en permanence la distance d'appui et ajuste le courant de l'électroaimant en conséquence. Les systèmes EDS s'appuient sur des champs magnétiques changeants pour créer des courants, ce qui peut donner une stabilité passive.
Comme les véhicules à sustentation magnétique volent essentiellement, une stabilisation du tangage, du roulis et du lacet est nécessaire. En plus de la rotation, les sursauts (mouvements vers l'avant et vers l'arrière), les oscillations (mouvements latéraux) ou les soulèvements (mouvements vers le haut et vers le bas) peuvent être problématiques.
Les aimants supraconducteurs d'un train au-dessus d'une voie constituée d'un aimant permanent verrouillent le train dans sa position latérale. Il peut se déplacer linéairement le long de la voie, mais pas hors de la voie. Cela est dû à l'effet Meissner et au pinning du flux.
Certains systèmes utilisent des systèmes à courant nul (aussi appelés parfois systèmes à flux nul)[25],[34]. Ces systèmes utilisent une bobine qui est enroulée de manière à entrer dans deux champs opposés et alternatifs, de sorte que le flux moyen dans la boucle est nul. Lorsque le véhicule est en position de marche en ligne droite, aucun courant ne circule, mais tout mouvement hors ligne crée un flux qui engendre un champ qui le pousse/tire naturellement en ligne.
Certains systèmes (notamment le système Swissmetro) proposent l'utilisation de la technologie des trains à tube sous vide d'air, ce qui supprime la traînée aérodynamique. Cela pourrait permettre d'augmenter considérablement la vitesse et l'efficacité, car la majeure partie de l'énergie des trains à sustentation magnétique classiques est perdue en raison de la traînée aérodynamique[35].
Un risque potentiel pour les passagers des trains circulant dans des tubes sous vide est qu'ils pourraient être exposés au risque de dépressurisation de la cabine, à moins que les systèmes de surveillance de la sécurité du tunnel ne puissent re-pressuriser le tube en cas de dysfonctionnement ou d'accident du train ; cependant, comme les trains sont susceptibles de circuler à la surface de la terre ou à proximité, le rétablissement d'urgence de la pression ambiante devrait être simple. La RAND Corporation a décrit un train à tubes sous vide qui pourrait, en théorie, traverser l'Atlantique ou les États-Unis en 21 minutes environ[36].
L'énergie des trains à sustentation magnétique est utilisée pour accélérer le train. L'énergie peut être récupérée lorsque le train ralentit grâce au freinage régénératif. Elle permet également de faire léviter et de stabiliser le mouvement du train. La majeure partie de l'énergie est nécessaire pour surmonter la traînée aérodynamique. Une partie de l'énergie est utilisée pour la climatisation, le chauffage, l'éclairage et autres.
À basse vitesse, le pourcentage de puissance utilisé pour la lévitation peut être important, consommant jusqu'à 15 % de plus qu'un métro ou un train léger[37]. Pour de courtes distances, l'énergie utilisée pour l'accélération peut être considérable.
La puissance utilisée pour vaincre la traînée de l'air augmente avec le cube de la vitesse et domine donc à grande vitesse. L'énergie nécessaire par unité de distance augmente avec le carré de la vitesse et le temps diminue de façon linéaire. Par exemple, il faut 2,5 fois plus de puissance pour voyager à 400 km/h que pour 300 km/h[38].
Les avions tirent parti de la pression atmosphérique et des températures plus basses en naviguant en altitude pour réduire la consommation d'énergie, mais contrairement aux trains ils doivent transporter du carburant à bord. Cela a conduit à la suggestion d'utiliser des trains à sustentation magnétique dans des tubes sous vide d'air partiel ou des tunnels alimentés avec de l'énergie provenant de sources renouvelables.
Le transport par train à sustentation magnétique est sans contact et fonctionne à l'électricité. Il repose moins ou pas du tout sur les roues, les roulements et les essieux communs aux systèmes ferroviaires à roues[39].
Différences entre l'avion et le voyage en train à sustentation magnétique :
Par rapport aux chemins de fer traditionnels, les trains à sustentation magnétique sont réputés présenter des avantages[46] :
Il fut inventé dans l'espoir d'obtenir un meilleur rendement énergétique sur longues distances, en dépit d'un coût prohibitif sur courte distance. Ceci est cependant loin d'être avéré, en particulier si l'on rapporte la consommation totale d'énergie au nombre de passagers transportés.
Ces lignes présentent des inconvénients comparées aux lignes de train traditionnel à grande vitesse (TGV):
Cependant en l'absence de systèmes importants en exploitation, on manque de recul pour apprécier les avantages et inconvénients réels par rapport au chemin de fer classique, notamment sur le plan économique.
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