Trains à lévitation magnétique[modifier | modifier le code]

Magnétisme[modifier | modifier le code]

Quand un matériau est soumis à une excitation magnétique, de nombreux comportements différents peuvent être attendus à cause des différentes susceptibilités magnétiques notés X_m.

On distingue plusieurs types de magnétisme : le diamagnétisme, le paramagnétisme, le ferromagnétisme et le ferrimagnétisme.[1]

Le diamagnétisme[modifier | modifier le code]

Le diamagnétisme est un comportement de la matière lorsqu’elle est soumise à un champ magnétique en créant une faible aimantation opposée au champ appliqué. Ce comportement conduit à un phénomène de répulsion.

Ce phénomène peut être masqué par d’autres effets tels que le paramagnétisme et le ferromagnétisme lorsque ceux-ci existent dans le même matériau.

Les supraconducteurs sont considérés comme des diamagnétiques parfaits offrant une grande résistance au passage du champ magnétique. Ils permettent de créer un phénomène de répulsion suffisamment fort pour léviter des objets.

Le paramagnétisme[modifier | modifier le code]

Lors de l’application d’un champ magnétique extérieur à des matériaux paramagnétiques, il existe des moments magnétiques élémentaires permanents. Ces moments présents sont alignés dans la direction du champ, d’où la susceptibilité magnétique positive appelée « aimantation ».

Cependant, si aucun champ magnétique extérieur n’est appliqué, les moments magnétiques élémentaires du matériau sont orientés au hasard, le moment résultant est nul.

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Le ferromagnétisme[modifier | modifier le code]

Lors de l’application ou non d’un champ magnétique extérieur à des matériaux ferromagnétiques, les moments magnétiques sont ordonnés et parallèles entre eux sous l’effet du champ interne du métal. Il y a aimantation même sans champ excitateur.

Cependant, si la température est trop élevée, les moments magnétiques se désordonnent. Le matériel ferromagnétique devient paramagnétique.

Le ferrimagnétisme[modifier | modifier le code]

Le ferrimagnétisme est le magnétisme d'une classe d'oxydes appelés ferrites, famille d'oxydes de fer particuliers, ont des propriétés similaires aux substances ferromagnétiques : ils possèdent une aimantation résultante non nulle en l'absence de champ magnétique extérieur et sont donc considérés comme des aimants.

Contrairement aux matériaux ferromagnétiques, les corps ferrimagnétiques sont des isolants électriques, ce qui les rend très intéressants dans l'industrie.

Matériaux utilisés[modifier | modifier le code]

Les aimants permanents[modifier | modifier le code]

On appelle « aimant permanent » tout corps capable d’attirer d’autres corps en fer, en cobalt et en nickel (appelés matériaux « ferromagnétiques») et vice versa. Ils contiennent presque toujours des atomes d'au moins un des éléments chimiques suivants : fer, cobalt ou nickel, ou de la famille des lanthanides (terres rares). Ces éléments présentent des propriétés magnétiques mais ne sont pas forcément utilisables seuls comme aimants permanents. On utilise donc des alliages présentant des propriétés ferromagnétiques dures. Les aimants synthétiques sont produits par frittage d'un alliage de poudres de terres rares qui forme alors une céramique polarisée sous le champ intense d'un électroaimant.[2]

Les matériaux durs sont intéressants pour réaliser des aimants permanents car ils présentent des cycles d'hystérésis larges. Les grandeurs principales à prendre en compte sont

- Br : l'induction rémanente, proportionnelle à l'aimantation du matériau,

- HcM :une mesure de la capacité du matériau à garder cette aimantation.

Matériaux	Br en tesla	Hc en kA/m	T° de Curie en °C	Remarques diverses
Aciers	0,001 à 0,02	6 à 19	750	Anciens aimants
Ferrites	0,2 à 0,4	200	300	Les moins chers
Alnico	1,2	50	750 à 850	Se désaimantent facilement
Samarium cobalt	1,1	800	700 à 800	Prix élevé à cause du cobalt
Néodyme fer bore	1,3	1500	310	Prix en hausse (terres rares), sujet à l'oxydation

Lien entre les aimants permanents et la lévitation[modifier | modifier le code]

Si on place un aimant permanent au-dessus d'un autre aimant avec des pôles opposés, ils vont se repousser mais le système est instable. Si on lâche l'un des aimants, il va se retourner pour venir se coller à l'autre. Cependant, si l'un des aimants a un point d'appui qui l'empêche de basculer, on bénéficie encore de l'effet de sustentation magnétique et l'on réduit les frottements.

Il est possible de faire léviter un objet en modifiant constamment la force d'un champ magnétique produit par des électro-aimants à l'aide d'une boucle de rétroaction. Dans la plupart des cas, l'effet de sustentation est principalement dû à des aimants permanents, car ils ne possèdent pas de dissipation de puissance et les électro-aimants sont utilisés uniquement pour la stabilisation.[2]

Les supraconducteurs[modifier | modifier le code]

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 K.

Cependant 0 K correspond à -273.15 °C ce zéro est appelé 0 absolu, étant la limite théorique à partir de laquelle les vibrations atomiques sont nulles. Limite inatteignable puisque refroidir quelque chose à 0 k induirait que l’on a utilisé quelque chose de plus froid pour le faire, or on ne peut descendre en-dessous de 0 K.

Sa découverte n’a pu se faire que dans un laboratoire capable de liquéfier l’hélium c’est-à-dire d’obtenir une température en dessous de 4,2 K (-268,8°C). Ceci a été réalisé dans le laboratoire de Kamerling Onnes à Leyde en Hollande en 1908

Les premières bobines étaient en niobium titane et nécessitaient, pour fonctionner une température de 4 K. Maintenant les bobines supraconductrices sont en yttrium et nécessitent une température de 50 K..

En fait, plus de la moitié des éléments de base de la classification périodique sont supraconducteurs si on les refroidit suffisamment. Dans certains cas, il faut en plus appliquer une pression sur le matériau.

Le record du supraconducteur à haute pression (1.5 millions de bars) est décerné au sulfate d’hydrogène record 203,15K soit −70 °C.

A pression ambiante, il n’est que de 133 K soit -140,15 °C, atteint par un cuprate, la molécule Hg Ba2 Ca2 Cu3 Ox.[3]

Lien entre les supraconducteurs et la lévitation[modifier | modifier le code]

L’action des électroaimants, avec les supraconducteurs qui fait léviter le train est appelée force Laplace.

Aux températures ordinaires, les métaux ont une certaine résistance au flux des électrons, due à la vibration des atomes. Mais, à mesure que la température diminue, ces atomes vibrent de moins en moins et la résistance baisse lentement jusqu'à la température critique où la résistance tombe à zéro.

Le lien avec le champ magnétique : l´effet Meissner ; lorsqu´on applique un champ magnétique à une substance supraconductrice à une température T supérieure à la température critique Tc, les lignes d´induction pénètrent dans l´échantillon.

Le champ induit par un supraconducteur par effet Meissner repousse la source du champ appliqué, et va par conséquent repousser l´aimant associé à ce champ.

Cela implique que si un aimant est placé au-dessus d´un supraconducteur, quand le supraconducteur est au-dessus de sa température critique, et qu´on refroidit ce dernier en dessous de la température critique Tc, le supraconducteur va alors repousser le champ magnétique de l´aimant.

L´aimant lui-même est alors repoussé et lévite au-dessus du supraconducteur. Pour que cette expérience soit une réussite, la force de répulsion doit être supérieure au poids de l´aimant.[4]

Principe de lévitation[modifier | modifier le code]

Définition[modifier | modifier le code]

La lévitation magnétique peut être définie en étant le principe qui compense le poids d’un objet grâce à une force créée par des aimants.

Tout objet, quelle que soit sa nature, lévite s’il est suspendu en équilibre stable sous l’action de forces sans qu’il soit en contact direct avec son environnement proche.

La lévitation peut être réalisée dans différents environnements : air, vide et milieux liquides, mais elle est utilisée cependant plus communément dans l’air. La lévitation peut être de différentes natures selon l’origine des forces mises en jeu pour stabiliser l’objet. Ainsi, la lévitation telle qu’elle a été définie, peut être d’origine magnétique, aérodynamique, électrostatique, acoustique et lumineuse.[5]

Expérience[modifier | modifier le code]

Soit une expérience utilisant des aimants puissants et du carbone pyrolitique, un matériau qui a la propriété d'être fortement diamagnétique. C’est une véritable expérience de lévitation magnétique sans matériaux supraconducteurs et sans azote liquide.

Il n'est pas possible d'obtenir une lévitation stable en plaçant un aimant au-dessus d'un autre de manière à ce qu'ils se repoussent : Ceux-ci vont toujours se réorienter de manière à s'attirer.

Pour observer de la lévitation magnétique stable, une possibilité est d'exploiter le diamagnétisme des matériaux.

Tous les matériaux interagissent avec un champ magnétique. Pour faire léviter un objet dans un champ magnétique, il faut évidemment une force répulsive. On va donc utiliser un matériau diamagnétique : le carbone pyrolitique. Il se présente sous la forme de feuilles de quelques millimètres d'épaisseur. C'est un matériau artificiel qui est obtenu par cristallisation de graphène, qui est un arrangement bidimensionnel d'atomes de carbone.

Il faut des aimants très puissants pour cette expérience : des aimants en néodyme fer bore souvent appelés aimants en néodyme.

Insérer le cutter est assez délicat, car le carbone pyrolitique est assez friable. Une fois inséré, il doit cependant être possible de séparer la feuille en deux feuillets proprement, car la feuille est constituée de nombreuses couches qui se décollent aisément.

La feuille de carbone pyrolitique est découpée en carré. La longueur du côté du carré doit être à peu près égale à la diagonale d'une face d'un des quatre aimants.

Pour chaque aimant, il faut repèrer les pôles. Il ne s'agit pas de différencier le pôle nord du pôle sud, mais de déterminer quelles sont les deux faces opposées qui correspondent aux pôles. Une face correspondant à un pôle peut être reconnue de différentes manières :

Un objet en fer (la lame du cutter par exemple) est attiré plus fortement par un pôle que par une autre face.

Lorsqu'un objet en fer est approché d'une face portant un des deux pôles de l'aimant, l'objet est attiré vers le centre de la face. Pour une face qui ne porte pas un pôle, l'objet aura tendance à être dévier vers un des bords de la face.

- Pôles d'un aimant cubique. Le champ magnétique est le plus puissant près des pôles nord et sud (faces unicolores du dessus et du dessous).

Il faut ensuite assembler les aimants de manière à n'avoir que des pôles vers le haut. Les contraintes d'attirance des aimants font que la surface obtenue alternera des pôles nord et sud en "damier":

Il faut placer le carré de carbone pyrolitique au-dessus des aimants : il se maintient en lévitation.

Applications[modifier | modifier le code]

Train à sustentation électromagnétique (ou EMS) : Train Transrapid[modifier | modifier le code]

Le Transrapid est un projet allemand dont l’origine remonte au début des années 70. Le ministère fédéral de la recherche et de la technologie, soucieuse de trouver des modes de transports publics moins lourds pour les finances que les modes classiques et plus doux pour l’environnement, avait lancé un programme de recherche sur les trains rapides. Après évaluation des diverses options, le ministère retint en 1977 la technologie du train à sustentation magnétique, d’où naquit le projet de Transrapid.

Lévitation[modifier | modifier le code]

La lévitation du Transrapid est dû à des électro-aimants placés sous le train qui vont interagir avec des barres de fer laminées placées dans la voie monorail en forme de T. En effet, ces électroaimants sont attirés par les barres de fer laminé sans rentrer en contact avec le rail.

Un électroaimant est placé sur la partie inférieure du train situé en dessous du rail sur lequel il circule. Des barres de fer laminées sont placées en dessous des rails de façon qu'elles se trouvent au-dessus des électroaimants. Les électroaimants sont attirés par les barres de fer laminées sans rentrer en contact avec elles. Cela permet donc au train de léviter sans avoir de contact avec le rail. Les électroaimants sur les rails ne sont pas tous toujours alimentés en électricité. Ils sont alimentés par secteurs ce qui permet de ne pas dépenser de l’électricité sur une partie du rail ou il n’y a pas de train.[6]

Exemple de calcul du champ magnétique nécessaire pour mettre en lévitation un wagon:

Le champ magnétique d’un noyau ferromagnétique est de :

B= y₀*k*n*I

₋ 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 facteur k est la perméabilité du noyau ferromagnétique (en H/m)

La force nécessaire pour soulever un seul 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 électroaimants donc 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 :

B= $\surd (F*8*Pi/S*10^{7})$

Donc B=2,6 tesla

On peut donc utiliser des électroaimants car ils peuvent créer un champ magnétique de 10 à 100 teslas.

Principe de propulsion[modifier | modifier le code]

La propulsion du train est assurée par un moteur linéaire à stator long synchrone qui génère des forces longitudinales. Ce moteur comprend des bobinages triphasés disposés sur la voie et des électro-aimants installés sur le véhicule. Le principe de propulsion est basé sur l’attraction et la répulsion d’électroaimants, grâce à l’électricité envoyée dans les rails de guidage. Les rails sont mis 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 nord devient pôle sud et inversement. Tout ce procédé fait donc avancer le train à une grande vitesse, tout en lévitant.

Pour faire varier la vitesse du train, il faut non seulement faire varier le courant alternatif qui passe dans les bobines, mais aussi ajuster la fréquence du courant alternatif pour permettre la variation des pôles Nord et Sud. Ce moyen de propulsion est donc très économe. Ce système est progressif ¾ du trajet, et diminue ensuite pour l’arrivée en gare. Ce courant est sous contrôle permanent, et assure une stabilité au train à grande vitesse (avec un courant maximum).[6]

Freinage[modifier | modifier le code]

Le freinage se fait par ralentissement des ondes magnétiques qui tirent le train.[6]

Train à sustentation électrodynamique (ou EDS): Train MAGLEV[modifier | modifier le code]

Lévitation[modifier | modifier le code]

Les bobines sont disposées en « 8 » et fonctionnent grâce au principe d’induction électromagnétique. En effet, le courant est induit par le passage du train. Cela nécessite que le train soit en mouvement. C’est pour cela que le train dispose de roues qui se rétractent lorsque celui-ci atteint une vitesse de 160 Km/h.

Les enroulements de lévitation sont installés sur les parois latérales de la voie de guidage. Quand les aimants de supraconduction, à bord du véhicule, passent à 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’électroaimants. Ce courant induit provoque la répulsion dans la boucle inferieure au « 8 » et provoque l’attraction au niveau de la boucle supérieure.

Les enroulements de lévitation se faisant face sont reliés sous la voie de guidage. Quand le véhicule, contenant l’aimant, se déplace transversalement, un courant électrique est induit dans les enroulements de lévitation, 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, le train est toujours situé bien au centre de la voie de guidage.[7]

Principe de propulsion[modifier | modifier le code]

Une force répulsive est une force attrayante induite entre les aimants qui sont employés pour propulser le véhicule. Les enroulements de propulsion situés sur les parois latérales des deux côtés des voies de guidage sont activés par un courant alternatif triphasé. Les aimants de supraconduction à bord sont attirés et repoussés par la zone de décalage, propulsant alors le véhicule Maglev . Le train à sustentation magnétique japonais fonctionne avec un moteur linéaire synchrone et dispose de bobines magnétiques positionnées le long de la rame avec les pôles nord et sud disposés alternativement de l’avant vers l’arrière du train. Des bobines de propulsion sont situées tout le long de la voie. Elles sont alimentées en courant alternatif dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse du train. Ainsi, chaque bobine voit ses pôles s’inverser de manière à ce qu’elle repousse la bobine du train qui vient de passer devant elle et attire celle qui vient vers elle. Toutes les forces exercées sur le train concourent ainsi à le propulser dans le même sens. Le déplacement du train induit alors un courant électrique dans les bobines de sustentation situées au sol. Quand le champ magnétique de ces dernières devient suffisamment important, c’est-à-dire quand le train dépasse les 100 à 150 Km/h, celui-ci lévite de 10 cm du fait de l’interaction entre les bobines sur les bords du train et sur les faces latérales de la voie de guidage. Les aimants embarqués par le train sont des bobines supraconductrices. Autrement dit, elles sont maintenues à une température très basse pour supprimer leur résistance électrique.[8]

Freinage[modifier | modifier le code]

Le freinage s’effectue en inversant la direction du champ magnétique et par des aérofreins situés sur le train.[7]

Avantages et inconvénients[modifier | modifier le code]

Le Transrapid[modifier | modifier le code]

Le Transrapid, d’après SIEMENS, consommerait 30 % d’énergie en moins qu’un TGV capable de rouler aux mêmes vitesses. Sa signature sonore à 450 km/h ne serait pas plus élevée que celle d’un TGV circulant à 300 km/h .

Le Transrapid est donc :

Plus rapide.
Plus économique financièrement, à l’exploitation (la construction est certes beaucoup plus coûteuse que celle d’un train classique).
Plus écologique.
Relativement peu bruyant.

Bien qu’offrant de nombreuses possibilités, les trains à lévitation magnétique ont aussi leurs limites.

En effet, bien qu’étant très économiques en phase d’exploitation, leur développement et leur construction n’en restent pas moins très coûteux, puisque ce sont des budgets qui se chiffrent en milliards d’euros. Cette technologie n’est donc pas accessible à tout pays.

Le Maglev[modifier | modifier le code]

Outre son côté spectaculaire, la lévitation magnétique présente plusieurs avantages. D'abord, le Maglev est beaucoup plus silencieux que les trains sur rail comme le TGV français ou le Shinkansen japonais, qui dégagent entre 70 et 80 décibels.

Le Maglev est aussi beaucoup plus rapide. Pour rester sécuritaires, les trains sur rails conventionnels sont limités à une vitesse d'environ 300 km/heure. Dès 1979, un prototype du Maglev franchissait les et en décembre 97, le train filait sans problèmes à sur la ligne expérimentale entre Otsuki et Tsuru.

Les Japonais ont aussi été séduits par l'idée qu'un train à lévitation magnétique serait plus sécuritaire en cas de tremblement de terre. C'est d'ailleurs par hantise des séismes que les Japonais insistent pour faire flotter leur Maglev à au-dessus du sol, malgré le défi technique que cela entraîne.

L'alimentation électrique et le freinage constituent encore les points faibles du Maglev pour sa commercialisation, mais la mise au point progresse.

La ligne Osaka-Tokyo étant très fréquentée (112 000 passagers par jour), le succès du Maglev est pratiquement assuré.

Les Japonais ont déjà investi plus de 13 milliards de dollars dans le Maglev et, crise économique ou pas, ce n'est pas un projet qu'on songe à abandonner. Une fois en place, le train volant devrait transporter 10 000 passagers à l'heure dans chaque direction.

Développement durable[modifier | modifier le code]

Les trains à lévitation magnétique sont nettement plus avantageux au niveau du développement durable par rapport aux trains traditionnels. Les trains à sustentation sont des moyens de transports sûrs, qui sont adoptés dans certains pays et qui le seront dans d’autres 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 ces trains, c’est que d’un point de vue écologique, social et économique, ils remplissent les critères du développement durable.

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.

Future utilisation[modifier | modifier le code]

Une équipe de chercheurs chinois de la Southwest Jiaotong University, a construit un nouveau modèle dénommé SUPER-MAGLEV, ainsi qu'une plateforme de test pour celui-ci. En théorie, ce prototype peut atteindre la vitesse ahurissante de 2900 Km/h. Afin d'atteindre une telle vitesse, les scientifiques ont utilisé un tunnel à vide (un tube à vide en plus gros) afin de réduire la résistance de l'air, qui influe négativement la vitesse des trains à lévitations magnétiques classiques. La pression atmosphérique dans le tube est 10 fois inférieure à celle qu'on trouve au niveau de la mer.

La vitesse que peut atteindre le SUPER-MAGLEV est pour l'instant limitée à cause de la taille de la plateforme de test, qui est de 12 mètres de diamètre.

Avec de plus longs tunnels, les chercheurs indiquent que le SUPERMAGLEV pourrait atteindre une vitesse trois fois supérieure à celle d'un avion commercial.

Réferences[modifier | modifier le code]

[1]-Christian Pigot. La lévitation Diamagnétique à l’Echelle Micrométrique : Applications et Possibilités. Sciences de l’ingénieur [physics]. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2008. Français.

[2]- Pierre BRISSONNEAU Aimants permanents - Principes et circuits Magnétiques Réf. : D2090 V1 l’Institut National Polytechnique de Grenoble : BULCO

[3]I. A. Parinov Microstructure and properties of high-temperature superconductors Parinov I Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012

[4]- Gilles Lenoir. Caractérisation et modélisation du comportement mécanique de matériaux supraconducteurs. Autre. Université Paris-Saclay, 2017. Français. <NNT : 2017SACLC044>.

[5]- Hicham Allag. MODELES ET CALCUL DES SYSTEMES DE SUSPENSION MAGNETIQUE[

PASSIVE -DEVELOPPEMENTS ET CALCULS ANALYTIQUES EN 2D ET 3D DES IN-

TERACTIONS ENTRE AIMANTS PERMANENTS-. Sciences de l'ingénieur [physics]. Université de Grenoble, 2010. Français.

[6]- Jinlin Gong. Modélisation et conception optimale d'un moteur linéaire _a induction pour système de traction ferroviaire. Autre. Ecole Centrale de Lille, 2011. Français. < NNT : 2011ECLI0016

[7]Hamid Yaghoubi The Most Important Maglev Applications Hindawi Publishing Corporation Journal of Engineering Volume 2013, Article ID 537986

[8]-Lionel QUETTIER Ingénieur CONTRIBUTION METHODOLOGIQUE A LA CONCEPTION DE SYSTEMES SUPRACONDUCTEURS DE LEVITATION MAGNETIQUE E.N.S.E.M.