TPE le train magnetique

TPE – Trains à Sustentation Magnétique
Les trains à sustentation
magnétique
allya.srivastava.over-blog.com
Groupe : Axel, Paul, Morgan et César
2012/2013
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TPE – Trains à Sustentation Magnétique
SOMMAIRE
Introduction
I)
Principe de Fonctionnement
A) Principe de Lévitation
B) Principe de propulsion
II)
Comparaison des trois trains
A) Coût, rentabilité, vitesse…
B) Développement Durable
III) Expérience
IV) Conclusion
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TPE – Trains à Sustentation Magnétique
Introduction :
Nous avons choisis de vous faire découvrir les Trains à Sustentations
Magnétiques, par le biais de notre TPE. Nous nous sommes intéressés aux
trains à sustentation électromagnétique dont les principaux représentants
sont : le Transrapid Allemand et le Transrapid de Shanghai. En parallèle, le
représentant du Train à sustentation électrodynamique
électrody
est : le Maglev
Japonais.
Pour mieux connaitre ces systèmes, voici un petit historique :
Le Transrapid Allemand (électromagnétique)
Le Maglev Japonais (électrodynamique)
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TPE – Trains à Sustentation Magnétique
Nous allons vous présenter ces deux systèmes, totalement différents de la
technologie Française du TGV : tout d’abord, nous évoquerons le Principe de
Fonctionnement des trains à sustentation magnétique, en expliquant leurs
principes de Lévitation et le principe de propulsion du train à sustentation
électromagnétique. Ensuite, nous établirons des comparaisons entre ces trois
systèmes, notamment sur le coût, la rentabilité, sans oublier d’aborder le
thème du Développement Durable.
Nous avons étudiés les multiples Avantages, ainsi que les inconvénients de ce
nouveau mode de transport en commun selon plusieurs facteurs que nous
détaillerons dans la suite de ce TPE.
Enfin, nous vous démontrerons les principes de lévitation et de propulsion des
trains par le biais d’une petite expérience très simple.
Nous avons construit notre TPE sur les bases de plusieurs problématiques :
• Le train à sustentation magnétique sera-t-il un transport du futur ?
• Les trains à sustentation magnétique sont-ils en accord avec le
développement durable ?
Toutes ces questions seront abordées, et obtiendront une réponse pour
déterminer si les Trains à sustentation magnétique sont vraiment l’Avenir de la
nouvelle technologie.
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I) Principe de fonctionnement
A) Principe de lévitation
a)Trains à sustentation électrodynamique
La lévitation d’un train à sustentation électrodynamique est faite grâce à des
bobines supraconductrices placées dans les wagons.
Les supraconducteurs sont des matériaux dont le principe est de n‘avoir
aucune résistance électrique et de repousser les champs magnétiques à une
température proche du 0 absolu. Les premières bobines étaient en niobiumtitane et nécessitait, pour fonctionner une température de 4Kelvin. Maintenant
les bobines supraconductrices sont en yttrium et nécessitent une température
de 50Kelvin.
En conséquence, la présence de supraconducteurs nécessite un système
de refroidissement sophistiqué. Le train lévite donc une fois les électroaimants
mis sous tension. Ces bobines en yttrium sont enfermées sous vide dans une
coque qui maintient une température inférieur à 50K pendant 9h. Le trajet
effectué par un train qui lévite de cette manière doit donc être inférieur à 9h.
L’action des électroaimants, avec les supraconducteurs qui fait léviter le train
est appelée force Laplace.
La représentation de se système est le maglev Japonais qui fait un trajet de
Tokyo à Osaka qui a une durée d’une heure.
b) Trains à sustentation électromagnétique
Le train électromagnétique lévite grâce à des aimants placés dans les wagons
et des électroaimants placés sur les rails.
Les électroaimants sur les rails ne sont pas tous toujours alimentés en
électricité. Ils sont alimentés par secteurs se qui permet de ne pas dépenser de
l’électricité sur une partie du rail ou il n’y a pas de train.
Pour calculer l’intensité nécessaire pour faire léviter le train, il faut connaître la
nature du champ magnétique.
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Il existe deux noyaux d’électroaimants différents : noyau d’air et noyau
ferromagnétique et donc deux champ magnétiques différents.
Le champ magnétique d’un noyau d’air est :
‫ݕ = ܤ‬଴ ∗ ݊ ∗ ‫ܫ‬
B est le champ magnétique en Tesla
n = N/L ; N est le nombre de spire et L la longueur de l’enroulement.
y est la perméabilité du vide (en kg*m*A^-2*sec^-2)
I est l’intensité le traversant en A
Le champ magnétique d’un noyau ferromagnétique est de :
‫ݕ = ܤ‬଴ ∗ ݇ ∗ ݊ ∗ ‫ܫ‬
Par rapport au noyau d’air, on a l’apparition de k qui est la perméabilité du
noyau ferromagnétique (en H/m).
La force nécessaire pour soulever un seule wagon est déterminée par la
formule : F=m*g
F est la force en Newton
m= M (masse) / le nombre d’électroaimant
g = 9.8m/s²
Le train ayant une masse de 45 tonnes et 16 électroaimant ; m=2812.5Kg
Donc la force nécessaire à soulever un wagon est de 27591N.
Pour créer une force de répulsion de 27591 newton, il faut un champ
magnétique de :
‫ ∗ ܨ‬8 ∗ ܲ݅
‫=ܤ‬ඨ
ܵ ∗ 10଻
F : force en Newton
S : surface en m²
Donc B = 2,6 Teslas
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On peut donc utiliser un électroaimant car ils peuvent créer un champ
magnétique de 10 à 100 teslas pour les maximums.
Pour finir on calcule l’intensité nécessaire dans les rails pour le faire avancer :
‫=ܫ‬
ሺ‫ܮ ∗ ܤ‬ሻ
ܰ∗‫ݕ∗ܭ‬
I est l’intensité du courant (en Ampère)
B est le champ magnétique (en Tesla)
Y est la perméabilité du vide (en kg*m*A^-2*sec^-2)
K est la perméabilité du noyau ferromagnétique (en kg*m*A^-2*sec^-2)
N est le nombre de spire
L est la longueur de l’enroulement(en m)
Donc I = 25.8 A
Donc un courant de 25.8A permettrait d’annuler la masse de 45 tonnes d’un
train électromagnétique.
Même si ce chiffre parait étonnamment grand, il existe des moyens pour le
réduire comme utiliser des matériaux avec une perméabilité du noyau ferreux
plus élevé.
Mais, ici le problème était simplifié, car sur le terrain, les ingénieurs
doivent prendre en compte plusieurs éléments qui influent sur la lévitation
comme le vent ou encore les courants de Foucault.
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B) Principe de propulsion
Nous allons maintenant nous intéresser au principe de propulsion du
train à sustentation
stentation électromagnétique : pour se déplacer, ce type de train utiut
lise le Moteur Linéaire Synchrone.
Ce moteur consiste en l’attraction, et la répulsion d’électroaimants, grâce
à l’électricité envoyée dans les rails de guidage. Les rails sont mis sous tension
uniquement en présence du train, pour éviter une surconsommation inutile sur
l’ensemble de la ligne.
Les pôles sont en changement permanent sur les rails : le pôle Sud ded
vient pôle Nord, et inversement. Tout ce procédé fait donc avancer le train à
une grande vitesse, tout en lévitant comme expliqué précédemment.
Toute une procédure doit être respectée pour le bon fonctionnement du train :
il existe plusieurs phases de lancements
lancements de manière progressive.
Ce moteur permet de varier la vitesse du train en fonction du courant ala
ternatif envoyé dans les rails : plus ce courant est élevé, plus le train accélère,
et inversement. Ce système est progressif : le courant augmente sur environ les
¾ du trajet, et diminue ensuite pour l’arrivée en gare. Ce courant est sous conco
trôle permanent, et assure une stabilité au train à grande vitesse (avec un couco
rant maximum).
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II) Comparaisons des trois trains :
A)
Coût, rentabilité, vitesse...
Nous avons établi un comparatif entre trois types de train : Le TGV (train classique
Français), le Maglev Japonais (train électrodynamique) et le Transrapid Chinois (train
électromagnétique).
Nous les avons comparés par rapport à différents critères : la vitesse, la
consommation, le coût, la rentabilité… Voici nos résultats détaillés :
Au niveau de la vitesse on constate que les trains à sustentation magnétiques
sont les plus rapides. On a enregistré une vitesse record de 572 km/h pour le Maglev
Japonais dans la catégorie des trains à sustentation électrodynamique.
En revanche, le Transrapid a une vitesse plus constante et moyenne de 245 km/h.
C’est donc le train à sustentation électromagnétique qui reste le plus intéressant au
niveau de la vitesse moyenne.
700
600
500
400
300
200
100
0
Vitesse max (km)
vitesse moyenne (km)
TGV
Maglev
Transrapid
Au niveau de la nuisance sonore, les trains électromagnétiques sont les moins
bruyants avec 25 décibels pour le train à sustentation électromagnétique à cause du
frottement des roues contre les rails lors du départ.
Le Maglev se place en deuxième position avec 35 décibels, et le TGV s’avère être le
plus bruyant avec tout de même 92 décibels ! (relevés réalisés à une distance d’1
mètre des trains)
Étudions maintenant la perte, et la consommation énergétique des trains :
-Les trains à sustentation magnétique en général ont une perte énergétique quasinulle : le Maglev a tout de même une légère perte thermique due au refroidissement
des supraconducteurs servant à la lévitation du train. Le train électromagnétique, lui,
n’a aucune perte énergétique.
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Tous les trains ont une perte de vitesse à cause de la résistance
aérodynamique. De plus, le TGV est beaucoup plus lourd que les trains à sustentation
magnétiques, ce qui explique en partie l’écart de vitesse. Le TGV totalise une perte
énergétique totale de 3%.
Au niveau de la consommation énergétique, les trains à sustentation
magnétique sont les moins « énergivores », avec une égalité de 47 W/km/personnes,
contre une consommation moyenne de 86 W/km/pers pour le TGV.
100
80
train classique
(Wh/km)
60
40
maglev (Wh/km)
20
0
200km/h
300km/h
400km/h
Il est évident que ces trains à sustentation nécessitent des rails spéciaux : Le
coup d'installation de ces rails est plus élevé pour le train magnétique dû à une
technologie plus sophistiquée.
En conséquence, le prix du trajet, payé par les utilisateurs du train, devrait être
assez élevé. Or, comme la distance parcourue aller-retour par les trains est en
moyenne de 60 kilomètres, alors le prix reste très raisonnable avec un ticket à 7
Euros par personnes. (Prix du Transrapid)
Le prix au kilomètre, payé par l’organisme de gestion du Transrapid, est en moyenne
au même coût (0.15 à 0.29 pour le TGV, et 0.25 pour le Transrapid)
Le Maglev Japonais n'est pas encore ouvert au publique, nous ne pouvons donc pas
fournir d’information sur le coût du trajet.
En conclusion, on peut dire que les trains à sustentation électromagnétique
sont bien plus intéressants tout d'abord pour leur consommation et leur perte
énergétique puis par une vitesse moyenne plus élevée ainsi que leur faible nuisance
sonore.
Cependant notre passé fait que le TGV est déjà installé dans la majeur partie de
notre pays, et sur les principales lignes.
Le Maglev ou le Transrapid arrivera-t-il à détrôner le TGV ?
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III) l’expérience :
Nous avons décidés de vous présenter le principe de lévitation du train à
sustentation électromagnétique. En effet ce principe de lévitation se fait à
l’aide de bobines placées dans les rails qui, lorsqu’elles sont mises sous tension
repoussent les aimants positionnés dans le train.
Nous avons récupéré les bobines sur des contacteurs, des aimants en laboratoire de physique. Après plusieurs essais nous avons pu démontrer ce
phénomène de lévitation.
Nos aimants sont repoussés par les bobines, cependant, nous ne pouvons pas
le faire léviter car pour que la lévitation soit effective, il est nécessaire de
prendre en compte les électroaimants de guidage qui permettent au train de
ne pas dérailler.
Nous avons pensé au départ qu’il suffisait de construire une piste de guidage pour que le train ne parte pas sur le côté. Nous y avons fixé les bobines à
une distance définit. Un problème est survenu, le train ne lévitait pas ! C’est à
ce moment que nous avons compris qu’il manquait les électroaimants de guidage. De plus, le champ magnétique n’était pas assez fort pour soulever
l’aimant accroché au train.
Au final, le principe peut être démontré qu’avec un simple aimant, ne
faisant qu’avancer en jonchant la piste.
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IV) Conclusion :
Rappel des problématiques :
• Le train à sustentation sera-t-il un transport du futur? Sera-t-il en accord
avec le développement durable?
Nous avons, pendant nos recherches, pu démontrer que le principe de
lévitation et de propulsion de ces deux trains est tout à fait réalisable. Ces
trains sont nettement plus avantageux au niveau du développement durable
par rapport à un TGV. Les trains à sustentations sont des moyens de transports
sûr, qui sont adoptés dans certains pays et qui le seront dans d’autre comme le
Maglev qui sera ouvert au public à partir de 2020.
En contreparties, ces trains ne peuvent pas remplacer les TGV en France par
exemple, car le coût de désinstallation et d’installation serait bien trop
important.
Le point positif de ce train, c’est que d’un point de vue écologique, social et
économique, il remplit des critères intéressants.
En conclusion, le train à sustentation pourrait être un transport du futur
dans certains pays, dans lesquels des lignes d’autres types de train ne sont pas
déjà installées.
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