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Technologie[modifier | modifier le code]

Articles connexes : SCMaglev#Technologie, Transrapid#Technologie et Lévitation magnétique.

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. DE m^me que les 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.

MLX01 Bogie de train à sustentation magnétique à Aimant supraconducteur

Les deux principaux types de technologie de sustentation magnétique sont

  • Une Sustentation électromagnétique (EMS), des électroaimants à commande électronique dans le train l'attirent sur une voie magnétiquement conductrice (généralement en acier).
  • Une Sustentation électrodynamique (EDS) utilise des électro-aimants supraconducteurs ou des aimants permanents puissants qui créent un champ magnétique, lequel induit des courants dans les conducteurs métalliques voisins lors d'un mouvement relatif, ce qui soulève le train vers une position de lévitation fixée par la voie.

Sustentation électromagnétique (EMS)[modifier | modifier le code]

Article détaillé : sustentation électromagnétique.
Une suspension électromagnétique (EMS) est utilisée pour faire léviter le Transrapid sur sa voie, de façon à permettre une vitesse supérieure aux trains à roues[1][2]

Dans les systèmes de suspension électromagnétique (EMS), le train lévite au-dessus d'un rail en acier tandis que les électroaimants, fixés au train, sont orientés vers le dessous du rail. 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 aimants. Le rail est situé à l'intérieur du C, entre les bords supérieur et inférieur.

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 forces très variables. 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). [3][4]

Le principal avantage des systèmes à leviers magnétiques suspendus est qu'ils fonctionnent à toutes les vitesses, contrairement aux systèmes électrodynamiques, qui ne fonctionnent qu'à une vitesse minimale d'environ 30 km/h. Cela élimine la nécessité d'un système de suspension séparé à basse vitesse et peut simplifier l'aménagement des voies. En revanche, l'instabilité dynamique exige de fines tolérances de la voie, 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 déraisonnableme.[5] En pratique, ce problème a été résolu grâce à des systèmes de rétroaction améliorés, qui prennent en charge les tolérances requises.

Sustentation électrodynamique (EDS)[modifier | modifier le code]

Article détaillé : sustentation électrodynamique.
La suspension EDS du SCMaglev japonais est alimentée par les champs magnétiques induits de chaque côté du véhicule par le passage des aimants supraconducteurs du véhicule.
Fichier:Propulsion Maglev.svg
EDS Propulsion Maglev par bobines de propulsion

Dans une suspension électrodynamique (EDS), le rail et le train exercent tous deux un champ magnétique, et le train est mis en lévitation par la force répulsive et attractive entre ces champs magnétiques.[6] Dans certaines configurations, le train ne peut être mis en lévitation que par la force répulsive. Dans les premiers stades de développement du maglev sur la piste d'essai de Miyazaki, un système purement répulsif a été utilisé au lieu du système EDS, plus tard répulsif et attrayant. [7] Le champ magnétique est produit soit par des aimants supraconducteurs (comme dans JR-Maglev), soit par un réseau d'aimants permanents (comme dans la voie de type en:Inductrack). La force répulsive et attractive de la piste est créée par un champ magnétique créé par induction électromagnétique dans les fils ou autres bandes conductrices de la piste.

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.[5] 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.

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.[7] A plus haute vitesse, les autres modes de traînée dominent.[5]

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. [5] 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 génère 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.

Voies[modifier | modifier le code]

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 magnétique. Toutes les mises en œuvre opérationnelles de la technologie à sustentation magnétique ont des roues basiques 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.[5]

Évaluation[modifier | modifier le code]

Chaque principe de lévitation magnétique pour les voyages en train comporte des avantages et des inconvénients.

rowspan="9" | &nbsp ; 'Pros '. &nbsp ; 'Cons''Cons
EMS[8][9] (Suspension 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[10][11]
(Suspension électrodynamique) 		Les aimants embarqués et la relativement grande distance entre le rail et le train permettent d'atteindre les vitesses les plus élevées jamais enregistrées pour un train avec (603 km/h) et une capacité de charge importante; ce train a réussi ses essais en utilisant la supraconductivité à haute température dans ses aimants embarqués, refroidis par un liquide peu coûteux, l'azote. 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 ; [citation nécessaire] le véhicule doit avoir des roues pour les déplacements à faible vitesse.
Le système de type en:Inductrack[12][13] (Suspension passive par aimants permanents) Sécurité 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 toute sécurité ; Les aimants permanents en réseau de Halbach peuvent s'avérer plus efficaces que les électroaimants. 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.

Ni la voie de type en:Inductrack 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.

Propulsion[modifier | modifier le code]

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.

Stabilité[modifier | modifier le code]

Le théorème d'Earnshaw montre qu'aucune combinaison d'aimants statiques ne peut être en équilibre stable.[14] 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.

Système de guidage[modifier | modifier le code]

Certains systèmes utilisent des systèmes à courant nul (aussi appelés parfois systèmes à flux nul).[6][15] 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 génère un champ qui le pousse/tire naturellement en ligne.

Tubes sous vide[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Vactrain.

Certains systèmes (notamment le système Swissmetro) proposent l'utilisation de la technologie des trains a 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. [16]

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.[17]

Utilisation de l'énergie[modifier | modifier le code]

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. [18] 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.[19]

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.

Comparaison avec les trains conventionnels[modifier | modifier le code]

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. [20]

  • Vitesse: Le train à sustentation magnétique permet des vitesses de pointe plus élevées que le rail conventionnel, mais certains trains à grande vitesse sur roues ont démontré des vitesses similaires en exploitation normale.
  • Entretien : les trains à sustentation magnétique actuellement en service ont montré que l'entretien des voies de guidage était faible. L'entretien des véhicules est également faible (basé sur les heures de fonctionnement, plutôt que sur la vitesse ou la distance parcourue). Le rail traditionnel est soumis à une usure mécanique qui augmente rapidement avec la vitesse, ce qui augmente également la maintenance. Par exemple: l'usure des freins et des caténaires a causé des problèmes pour le Fastech 360 rail Shinkansen. Le train à sustentation magnétique permettrait d'éliminer ces problèmes.
  • Météo : Le trains à sustentation magnétique sont peu affectés par la neige, la glace, le froid intense, la pluie ou les vents violents. Cependant, ils n'ont pas fonctionné dans les conditions aussi variées que les systèmes ferroviaires traditionnels basés sur la friction. Les véhicules à lévitation magnétique accélèrent et décélèrent plus vite que les systèmes mécaniques, indépendamment de l'épaisseur du rail de guidage ou de la pente de la pente, car ce sont des systèmes sans contact.[20]
  • La voie : les trains Maglev ne sont pas compatibles avec les voies conventionnelles, et nécessitent donc une infrastructure sur mesure pour l'ensemble de leur parcours. En revanche, les trains à grande vitesse conventionnels tels que le TGV peuvent circuler, bien qu'à vitesse réduite, sur l'infrastructure ferroviaire existante, ce qui réduit les dépenses là où de nouvelles infrastructures seraient particulièrement coûteuses (comme les approches finales des terminaux urbains), ou sur des extensions où le trafic ne justifie pas de nouvelles infrastructures. John Harding, ancien responsable scientifique des trains à sustentation magnétique de l' Administration fédérale des chemins de fer US, a affirmé que des infrastructures de train à sustentation magnétique séparées sont plus que rentables avec des niveaux plus élevés de disponibilité opérationnelle par tous les temps et des coûts de maintenance nominaux. Ces affirmations doivent encore être prouvées dans un contexte opérationnel intense et elles ne tiennent pas compte des coûts de construction plus élevés des trains à sustentation magnétique.
  • "l'efficacité" : le rail conventionnel est probablement plus efficace à faible vitesse. Mais en raison de l'absence de contact physique entre la voie et le véhicule, les trains à sustentation magnétique n'ont aucune résistance au roulement, ne laissant que la résistance aérodynamique et la traînée électromagnétique, ce qui peut améliorer l'efficacité énergétique. [21]

Certains systèmes, cependant, tels que la Central Japan Railway Company SCMaglev utiliser des pneus en caoutchouc à basse vitesse, ce qui réduit les gains d'efficacité.[citation nécessaire]

  • "Poids" : les électroaimants de nombreux modèles de SGE et de SDE nécessitent entre 1 et 2 kilowatts par tonne. [22] L'utilisation d'aimants supraconducteurs peut réduire la consommation d'énergie des électroaimants. Un véhicule Transrapid Maglev de 50 tonnes peut soulever 20 tonnes supplémentaires, pour un total de 70 tonnes, ce qui consomme 70 -140 kWhp.[citation nécessaire] La plupart de l'énergie utilisée pour le TRI sert à la propulsion et à surmonter la résistance de l'air à des vitesses supérieures à 160 km/h.[citation nécessaire]
  • "Répartition de masse" : Une voie 'normale' à grande vitesse nécessite plus de support et de construction à cause de sa charge concentrée sur les roues. Les voitures à sustentation magnétique sont plus légères et leur poids est répartis de manière plus uniforme.[23]
  • "Bruit": Comme la principale source de bruit d'un train à sustentation magnétique provient de l'air déplacé plutôt que du contact des roues avec les rails, les trains à sustentation magnétique font moins de bruit qu'un train conventionnel à vitesse équivalente. Cependant, le profil psychoacoustique du train à sustentation magnétique peut réduire cet avantage : une étude a conclu que le bruit du train à sustentation magnétique devrait être évalué comme celui du trafic routier, alors que les trains conventionnels connaissent un "bonus" de 5-10 dB, car ils sont considérés comme moins gênants au même niveau sonore.[24][25][26]
  • Fiabilité des aimants : les aimants supraconducteurs sont généralement utilisés pour générer les puissants champs magnétiques qui font léviter et propulser les trains. Ces aimants doivent être maintenus en dessous de leur température critique (celle-ci varie de 4,2 Kelvin à 77 Kelvin, selon le matériau). Les nouveaux alliages et les nouvelles techniques de fabrication des supraconducteurs et des systèmes de refroidissement ont permis de résoudre ce problème.
  • Systèmes de contrôle : aucun système de signalisation n'est nécessaire pour les trains à grande vitesse, car ces systèmes sont contrôlés par ordinateur. Les opérateurs humains ne peuvent pas réagir assez vite pour gérer ces trains à grande vitesse. Les systèmes à grande vitesse nécessitent des droits de passage spécifiques et sont généralement surélevés. Des tours de communication doivent être en contact permanent avec les trains. Il n'y a pas non plus besoin de sifflets ou de klaxons pour les trains.
  • Terrain : les trains à sustentation magnétique sont généralement capables de monter des pentes plus importantes, offrant plus de flexibilité sur le choix de la route et une réduction du nombre ds tunnels.[23] Cependant, leur grande vitesse et leur besoin accru de contrôle rendent difficile l'adaptation d'un maglev avec un terrain complexe, comme une colline incurvée. Les trains traditionnels peuvent plus facilement suivre le flanc d'une colline ou serpenter dans une forêt.

Comparaison avec l'avion[modifier | modifier le code]

Différences entre l'avion et le voyage en train à sustentation magnétique:

  • Efficacité : Pour les systèmes à sustentation magnétique, le rapport entre la portance et la traînée peut dépasser celui des avions (par exemple la voie de type en:Inductrack peut approcher un ratio de 200:1 à grande vitesse, meilleur que celui de n'importe quel avion). Cela peut rendre les trains à sustentation magnétique plus efficaces au kilomètre. Cependant, à des vitesses de croisière élevées, la traînée aérodynamique est beaucoup plus importante que la traînée induite par la voie. Les avions à réaction profitent de la faible densité de l'air à haute altitude pour réduire considérablement la traînée aérodynamique. Par conséquent, malgré leur désavantage en termes de rapport entre la portance et la traînée, ils peuvent se déplacer plus efficacement à grande vitesse que les trains maglev qui opèrent au niveau de la mer {{citation nécessaire}date=Juin 2014}}.
  • Choix des parcours : les trains à sustentation magnétique offrent des temps de parcours compétitifs pour des distances de 800 km ou moins. En outre, les ascenseurs peuvent facilement desservir des destinations intermédiaires.
  • Disponibilité : les trains à sustentation magnétique sont peu affectés par la météo [citation nécessaire].
  • Temps total de voyage : les trains à sustentation magnétique ne sont pas soumis aux protocoles de sécurité étendus auxquels sont confrontés les voyageurs aériens, et il n'y a pas de temps de roulage ou de file d'attente pour le décollage et l'atterrissage[citation nécessaire].

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Maglev systems may be monorail or dual rail—the SCMaglev MLX01 for instance uses a trench-like track—and not all monorail trains are maglevs. Some railway transport systems incorporate linear motors but use electromagnetism only for propulsion, without levitating the vehicle. Such trains have wheels and are not maglevs.[note 1] Maglev tracks, monorail or not, can also be constructed at grade or underground in tunnels. Conversely, non-maglev tracks, monorail or not, can be elevated or underground too. Some maglev trains do incorporate wheels and function like linear motor-propelled wheeled vehicles at slower speeds but levitate at higher speeds. This is typically the case with electrodynamic suspension maglev trains. Aerodynamic factors may also play a role in the levitation of such trains.

MLX01 Maglev train Superconducting magnet bogie

The two main types of maglev technology are:

  • Electromagnetic suspension (EMS), electronically controlled electromagnets in the train attract it to a magnetically conductive (usually steel) track.
  • Electrodynamic suspension (EDS) uses superconducting electromagnets or strong permanent magnets that create a magnetic field, which induces currents in nearby metallic conductors when there is relative movement, which pushes and pulls the train towards the designed levitation position on the guide way.

Electromagnetic suspension (EMS)[modifier | modifier le code]

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Electromagnetic suspension (EMS) is used to levitate the Transrapid on the track, so that the train can be faster than wheeled mass transit systems[27][28]

In electromagnetic suspension (EMS) systems, the train levitates above a steel rail while electromagnets, attached to the train, are oriented toward the rail from below. The system is typically arranged on a series of C-shaped arms, with the upper portion of the arm attached to the vehicle, and the lower inside edge containing the magnets. The rail is situated inside the C, between the upper and lower edges.

Magnetic attraction varies inversely with the square of distance, so minor changes in distance between the magnets and the rail produce greatly varying forces. These changes in force are dynamically unstable—a slight divergence from the optimum position tends to grow, requiring sophisticated feedback systems to maintain a constant distance from the track, (approximately 15 mm [0,59 in]).[29][30]

The major advantage to suspended maglev systems is that they work at all speeds, unlike electrodynamic systems, which only work at a minimum speed of about 30 km/h (19 mph). This eliminates the need for a separate low-speed suspension system, and can simplify track layout. On the downside, the dynamic instability demands fine track tolerances, which can offset this advantage. Eric Laithwaite was concerned that to meet required tolerances, the gap between magnets and rail would have to be increased to the point where the magnets would be unreasonably large.[5] In practice, this problem was addressed through improved feedback systems, which support the required tolerances.

Electrodynamic suspension (EDS)[modifier | modifier le code]

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The Japanese SCMaglev's EDS suspension is powered by the magnetic fields induced either side of the vehicle by the passage of the vehicle's superconducting magnets.
EDS Maglev propulsion via propulsion coils

In electrodynamic suspension (EDS), both the guideway and the train exert a magnetic field, and the train is levitated by the repulsive and attractive force between these magnetic fields.[6] In some configurations, the train can be levitated only by repulsive force. In the early stages of maglev development at the Miyazaki test track, a purely repulsive system was used instead of the later repulsive and attractive EDS system.[7] The magnetic field is produced either by superconducting magnets (as in JR–Maglev) or by an array of permanent magnets (as in Inductrack). The repulsive and attractive force in the track is created by an induced magnetic field in wires or other conducting strips in the track.

A major advantage of EDS maglev systems is that they are dynamically stable—changes in distance between the track and the magnets creates strong forces to return the system to its original position.[5] In addition, the attractive force varies in the opposite manner, providing the same adjustment effects. No active feedback control is needed.

However, at slow speeds, the current induced in these coils and the resultant magnetic flux is not large enough to levitate the train. For this reason, the train must have wheels or some other form of landing gear to support the train until it reaches take-off speed. Since a train may stop at any location, due to equipment problems for instance, the entire track must be able to support both low- and high-speed operation.

Another downside is that the EDS system naturally creates a field in the track in front and to the rear of the lift magnets, which acts against the magnets and creates magnetic drag. This is generally only a concern at low speeds, and is one of the reasons why JR abandoned a purely repulsive system and adopted the sidewall levitation system.[7] At higher speeds other modes of drag dominate.[5]

The drag force can be used to the electrodynamic system's advantage, however, as it creates a varying force in the rails that can be used as a reactionary system to drive the train, without the need for a separate reaction plate, as in most linear motor systems. Laithwaite led development of such "traverse-flux" systems at his Imperial College laboratory.[5] Alternatively, propulsion coils on the guideway are used to exert a force on the magnets in the train and make the train move forward. The propulsion coils that exert a force on the train are effectively a linear motor: an alternating current through the coils generates a continuously varying magnetic field that moves forward along the track. The frequency of the alternating current is synchronized to match the speed of the train. The offset between the field exerted by magnets on the train and the applied field creates a force moving the train forward.

Tracks[modifier | modifier le code]

The term "maglev" refers not only to the vehicles, but to the railway system as well, specifically designed for magnetic levitation and propulsion. All operational implementations of maglev technology make minimal use of wheeled train technology and are not compatible with conventional rail tracks. Because they cannot share existing infrastructure, maglev systems must be designed as standalone systems. The SPM maglev system is inter-operable with steel rail tracks and would permit maglev vehicles and conventional trains to operate on the same tracks. MAN in Germany also designed a maglev system that worked with conventional rails, but it was never fully developed.[5]

Evaluation[modifier | modifier le code]

Each implementation of the magnetic levitation principle for train-type travel involves advantages and disadvantages.

Technology   Pros   Cons
EMS[31][32] (Electromagnetic suspension) Magnetic fields inside and outside the vehicle are less than EDS; proven, commercially available technology; high speeds (500 km/h or 310 mph); no wheels or secondary propulsion system needed. The separation between the vehicle and the guideway must be constantly monitored and corrected due to the unstable nature of electromagnetic attraction; the system's inherent instability and the required constant corrections by outside systems may induce vibration.
EDS[33][34]
(Electrodynamic suspension) 		Onboard magnets and large margin between rail and train enable highest-recorded speeds (603 km/h or 375 mph) and heavy load capacity; demonstrated successful operations using high-temperature superconductors in its onboard magnets, cooled with inexpensive liquid nitrogen. Strong magnetic fields on the train would make the train unsafe for passengers with pacemakers or magnetic data storage media such as hard drives and credit cards, necessitating the use of magnetic shielding; limitations on guideway inductivity limit maximum speed;[réf. nécessaire] vehicle must be wheeled for travel at low speeds.
Inductrack System[12][35] (Permanent Magnet Passive Suspension) Failsafe Suspension—no power required to activate magnets; Magnetic field is localized below the car; can generate enough force at low speeds (around 5 km/h or 3,1 mph) for levitation; given power failure cars stop safely; Halbach arrays of permanent magnets may prove more cost-effective than electromagnets. Requires either wheels or track segments that move for when the vehicle is stopped. Under development (as of 2008); No commercial version or full-scale prototype.

Neither Inductrack nor the Superconducting EDS are able to levitate vehicles at a standstill, although Inductrack provides levitation at much lower speed; wheels are required for these systems. EMS systems are wheel-free.

The German Transrapid, Japanese HSST (Linimo), and Korean Rotem EMS maglevs levitate at a standstill, with electricity extracted from guideway using power rails for the latter two, and wirelessly for Transrapid. If guideway power is lost on the move, the Transrapid is still able to generate levitation down to 10 km/h (6,2 mph) speed,[réf. nécessaire] using the power from onboard batteries. This is not the case with the HSST and Rotem systems.

Propulsion[modifier | modifier le code]

EMS systems such as HSST/Linimo can provide both levitation and propulsion using an onboard linear motor. But EDS systems and some EMS systems such as Transrapid levitate but do not propel. Such systems need some other technology for propulsion. A linear motor (propulsion coils) mounted in the track is one solution. Over long distances coil costs could be prohibitive.

Stability[modifier | modifier le code]

Earnshaw's theorem shows that no combination of static magnets can be in a stable equilibrium.[36] Therefore a dynamic (time varying) magnetic field is required to achieve stabilization. EMS systems rely on active electronic stabilization that constantly measures the bearing distance and adjusts the electromagnet current accordingly. EDS systems rely on changing magnetic fields to create currents, which can give passive stability.

Because maglev vehicles essentially fly, stabilisation of pitch, roll and yaw is required. In addition to rotation, surge (forward and backward motions), sway (sideways motion) or heave (up and down motions) can be problematic.

Superconducting magnets on a train above a track made out of a permanent magnet lock the train into its lateral position. It can move linearly along the track, but not off the track. This is due to the Meissner effect and flux pinning.

Guidance system[modifier | modifier le code]

Some systems use Null Current systems (also sometimes called Null Flux systems).[6][37] These use a coil that is wound so that it enters two opposing, alternating fields, so that the average flux in the loop is zero. When the vehicle is in the straight ahead position, no current flows, but any moves off-line create flux that generates a field that naturally pushes/pulls it back into line.

Evacuated tubes[modifier | modifier le code]

Erreur : La version française équivalente de {{Main}} est {{Article détaillé}}. Some systems (notably the Swissmetro system) propose the use of vactrains—maglev train technology used in evacuated (airless) tubes, which removes air drag. This has the potential to increase speed and efficiency greatly, as most of the energy for conventional maglev trains is lost to aerodynamic drag.[16]

One potential risk for passengers of trains operating in evacuated tubes is that they could be exposed to the risk of cabin depressurization unless tunnel safety monitoring systems can repressurize the tube in the event of a train malfunction or accident though since trains are likely to operate at or near the Earth's surface, emergency restoration of ambient pressure should be straightforward. The RAND Corporation has depicted a vacuum tube train that could, in theory, cross the Atlantic or the USA in around 21 minutes.[38]

Energy use[modifier | modifier le code]

Energy for maglev trains is used to accelerate the train. Energy may be regained when the train slows down via regenerative braking. It also levitates and stabilises the train's movement. Most of the energy is needed to overcome air drag. Some energy is used for air conditioning, heating, lighting and other miscellany.

At low speeds the percentage of power used for levitation can be significant, consuming up to 15% more power than a subway or light rail service.[39] For short distances the energy used for acceleration might be considerable.

The power used to overcome air drag increases with the cube of the velocity and hence dominates at high speed. The energy needed per unit distance increases by the square of the velocity and the time decreases linearly. For example, 2.5 times as much power is needed to travel at 400 km/h (250 mph) than 300 km/h (190 mph).[40]

Aircraft take advantage of lower air pressure and lower temperatures by cruising at altitude to reduce energy consumption but unlike trains need to carry fuel on board. This has led to the suggestion of conveying maglev vehicles through partially evacuated tubes or tunnels with the possibility of supplying energy from renewable sources.

Comparison with conventional trains[modifier | modifier le code]

Maglev transport is non-contact and electric powered. It relies less or not at all on the wheels, bearings and axles common to wheeled rail systems.[20]

  • Speed: Maglev allows higher top speeds than conventional rail, but experimental wheel-based high-speed trains have demonstrated similar speeds.
  • Maintenance: Maglev trains currently in operation have demonstrated the need for minimal guideway maintenance. Vehicle maintenance is also minimal (based on hours of operation, rather than on speed or distance traveled). Traditional rail is subject to mechanical wear and tear that increases rapidly with speed, also increasing maintenance.[20] For example: the wearing down of brakes and overhead wire wear have caused problems for the Fastech 360 rail Shinkansen. Maglev would eliminate these issues.
  • Weather: Maglev trains are little affected by snow, ice, severe cold, rain or high winds. However, they have not operated in the wide range of conditions that traditional friction-based rail systems have operated. Maglev vehicles accelerate and decelerate faster than mechanical systems regardless of the slickness of the guideway or the slope of the grade because they are non-contact systems.[20]
  • Track: Maglev trains are not compatible with conventional track, and therefore require custom infrastructure for their entire route. By contrast conventional high-speed trains such as the TGV are able to run, albeit at reduced speeds, on existing rail infrastructure, thus reducing expenditure where new infrastructure would be particularly expensive (such as the final approaches to city terminals), or on extensions where traffic does not justify new infrastructure. John Harding, former chief maglev scientist at the Federal Railroad Administration, claimed that separate maglev infrastructure more than pays for itself with higher levels of all-weather operational availability and nominal maintenance costs. These claims have yet to be proven in an intense operational setting and they do not consider the increased maglev construction costs.
  • Efficiency: Conventional rail is probably more efficient at lower speeds. But due to the lack of physical contact between the track and the vehicle, maglev trains experience no rolling resistance, leaving only air resistance and electromagnetic drag, potentially improving power efficiency.[41] Some systems, however, such as the Central Japan Railway Company SCMaglev use rubber tires at low speeds, reducing efficiency gains.[réf. nécessaire]
  • Weight: The electromagnets in many EMS and EDS designs require between 1 and 2 kilowatts per ton.[42] The use of superconductor magnets can reduce the electromagnets' energy consumption. A 50-ton Transrapid maglev vehicle can lift an additional 20 tons, for a total of 70 tons, which consumes 70–140 kW (94–188 hp).[réf. nécessaire] Most energy use for the TRI is for propulsion and overcoming air resistance at speeds over 100 mph (160 km/h).[réf. nécessaire]
  • Weight loading: High-speed rail requires more support and construction for its concentrated wheel loading. Maglev cars are lighter and distribute weight more evenly.[23]
  • Noise: Because the major source of noise of a maglev train comes from displaced air rather than from wheels touching rails, maglev trains produce less noise than a conventional train at equivalent speeds. However, the psychoacoustic profile of the maglev may reduce this benefit: a study concluded that maglev noise should be rated like road traffic, while conventional trains experience a 5–10 dB "bonus", as they are found less annoying at the same loudness level.[43][44][26]
  • Magnet reliability: Superconducting magnets are generally used to generate the powerful magnetic fields to levitate and propel the trains. These magnets must be kept below their critical temperatures (this ranges from 4.2 K to 77 K, depending on the material). New alloys and manufacturing techniques in superconductors and cooling systems have helped address this issue.
  • Control systems: No signalling systems are needed for high-speed rail, because such systems are computer controlled. Human operators cannot react fast enough to manage high-speed trains. High-speed systems require dedicated rights of way and are usually elevated. Two maglev system microwave towers are in constant contact with trains. There is no need for train whistles or horns, either.
  • Terrain: Maglevs are able to ascend higher grades, offering more routing flexibility and reduced tunneling.[23] However, their high speed and greater need for control make it difficult for a maglev to merge with complex terrain, such as a curved hill. Traditional trains, on the other hand, are able to curve alongside a mountain top or meander through a forest.

Comparison with aircraft[modifier | modifier le code]

Differences between airplane and maglev travel:

  • Efficiency: For maglev systems the lift-to-drag ratio can exceed that of aircraft (for example Inductrack can approach 200:1 at high speed, far higher than any aircraft). This can make maglevs more efficient per kilometer. However, at high cruising speeds, aerodynamic drag is much larger than lift-induced drag. Jets take advantage of low air density at high altitudes to significantly reduce air drag. Hence despite their lift-to-drag ratio disadvantage, they can travel more efficiently at high speeds than maglev trains that operate at sea level.[réf. nécessaire]
  • Routing: Maglevs offer competitive journey times for distances of 800 km (500 mi) or less. Additionally, maglevs can easily serve intermediate destinations.
  • Availability: Maglevs are little affected by weather.[réf. nécessaire]
  • Travel time: Maglevs do not face the extended security protocols faced by air travelers nor is time consumed for taxiing, or for queuing for take-off and landing.[réf. nécessaire]
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