Les trains maglev utilisent le magnétisme pour léviter au-dessus des voies sur lesquelles ils voyagent. Ils sont plus rapides, plus efficaces et plus écologiques que les trains à roues modernes. Il se peut qu’un jour bientôt, la technologie maglev soit courante dans le monde entier. Cet article passe en revue l’histoire de ces trains, leur fonctionnement, ainsi que leurs avantages et leurs inconvénients. Il aborde également l’importance de l’électrotechnique dans le développement du maglev et comment les ingénieurs électriciens peuvent faire de cette technologie la prochaine révolution des transports.

Introduction

Imaginez un train sans roues. Au lieu de rouler le long de la piste, il flotte tranquillement au-dessus et glisse doucement de l’origine à la destination sans jamais toucher un rail. Cela peut ressembler à de la science-fiction, mais des exemples de cette technologie existent déjà dans un certain nombre d’endroits dans le monde. Ils sont connus sous le nom de trains maglev (dérivé du terme lévitation magnétique). Ces locomotives futuristes offrent de nombreuses possibilités de voyage nouvelles et passionnantes. Ils ont le potentiel d’être plus rapides, plus sûrs et plus écoénergétiques que les systèmes de transport conventionnels. Bien que ces trains soient rares pour le moment, ils sont un foyer de recherche dans la communauté du génie électrique. En conséquence, maglev peut être monnaie courante plus tôt que vous ne le pensez.

Histoire de Maglev

Les idées fondamentales derrière la technologie maglev remontent au début du 20e siècle. De nombreux travaux ont été consacrés à la préparation de ces trains, notamment le développement de moteurs électriques et la recherche sur le magnétisme. Quelques scientifiques, à savoir Robert Goddard et Emile Bachelet, ont même osé proposer un véhicule qui flotterait à l’aide d’aimants (Yadav, 2013). En 1934, un Allemand du nom d’Hermann Kemper a obtenu un brevet pour le premier concept de train magnétique en lévitation (Yadav, 2013). Ce n’est que dans les années 1960 que l’idée a vraiment commencé à se manifester. À cette époque, l’Allemagne et le Japon ont commencé à rechercher le potentiel du maglev. Au cours des années 70 et 80, les deux pays ont fait de grands progrès dans le développement de ces trains. L’Allemagne a construit et testé une série de prototypes de systèmes maglev et a appelé leur conception le TransRapid (Figure 1). Les trains ont atteint des vitesses de plus de 402 km / h sur la piste d’essai (Luu, 2005). Le Japon a également testé deux séries de leurs propres conceptions, appelées ML-500 et plus tard MLU. Leurs trains ont pu dépasser 483 km / h (300 mi / h) (Luu, 2005).

Figure 1

Transrapid sur un centre de test en Allemagne près de Brême. Source: © Stahlkocher / CC BY-SA 3.0

Le Japon a poursuivi le développement de sa technologie maglev dans les années 90 et au-delà. Ils ont testé une nouvelle série, appelée MLX, qui a cassé 563 km / h en 2003 (Yadav, 2013). Aucune ligne commerciale n’a été établie dans le pays, mais elle mène toujours des recherches. En Allemagne, une ligne commerciale TransRapid reliant Berlin et Hambourg a été proposée en 1992. Cependant, en 2000, le gouvernement a arrêté le projet (Luu, 2005). Tout n’a pas été perdu, cependant, comme les Chinois l’ont remarqué et ont chargé les Allemands de construire un train TransRapid à Shanghai. Le Shanghai Maglev (figure 2), issu de cette entreprise, est désormais le seul train à grande vitesse maglev à usage commercial. Il transporte des passagers sur une distance de 19 miles (30 km) en 8 minutes, atteignant une vitesse maximale de plus de 250 mph (431 km / h) (Coates, 2004). Ainsi, la Chine est rapidement devenue un acteur majeur sur le marché mondial du maglev. Le pays prévoit de poursuivre le développement de son infrastructure maglev.

Figure 2

Shanghai Maglev quittant l’aéroport international de Pudong, avec la carte ferroviaire de Shanghai Transit Map indiquant l’itinéraire vers Longyang Road. Sources du collage: © Alex Needham / Public Domain and Metropedia

Comment ça marche?

Les trains Maglev n’ont ni roues ni rails. Comme le montre la figure 3, ils ont des rails de guidage, et ils flottent le long de ces rails de guidage sans jamais les toucher.

Figure 3

Comparaison roue-rail et guidages. Source: Auteur, dérivé de Lee (2006).

Il y a trois parties essentielles pour réaliser la fonctionnalité maglev: la lévitation, la propulsion et le guidage (comme vu ci-dessous).

Figure 4

Lévitation, propulsion et guidage en maglev. Source: Auteur, dérivé de Lee (2006).

Lévitation

La lévitation est la capacité du train à rester suspendu au-dessus de la voie. Il existe deux types importants de technologie de lévitation:

• Suspension électromagnétique (EMS): EMS (Figure 5) utilise la force d’attraction des électroaimants placés sur la voie de guidage et sur le train pour réaliser la lévitation.Les avantages de cette méthode sont qu’elle est plus simple à mettre en œuvre que la suspension électrodynamique (discutée ci-dessous) et qu’elle maintient la lévitation à vitesse nulle. Les inconvénients sont que le système est intrinsèquement instable. À grande vitesse, il devient difficile de maintenir la distance correcte entre le train et la voie de guidage. Si cette distance ne peut être respectée, le train échouera à léviter et s’arrêtera. Pour tenir compte de cela, le système EMS nécessite des systèmes complexes de contrôle du feedback pour garantir que le train est toujours stable (Lee, 2006).

Figure 5

Suspension électromagnétique (EMS). Utilise des forces magnétiques attractives. Source: Auteur, dérivé de Lee (2006).

• Suspension électrodynamique (EDS): EDS (Figure 6) utilise la force répulsive d’aimants (supraconducteurs) placés sur la voie de guidage et sur le train pour atteindre la lévitation. Les aimants se croisent pendant que le train roule et génèrent la force répulsive. Les avantages de cette méthode sont qu’elle est incroyablement stable à haute vitesse. Le maintien d’une distance correcte entre le train et la voie de guidage n’est pas un problème (Lee, 2006). Les inconvénients sont qu’une vitesse suffisante doit être augmentée pour que le train puisse léviter du tout. De plus, ce système est beaucoup plus complexe et coûteux à mettre en œuvre.

Figure 6

Suspension électrodynamique (EDS). Utilise des forces magnétiques répulsives. Source: Auteur, dérivé de Lee (2006).

Propulsion

La propulsion est la force qui fait avancer le train. Maglev utilise un moteur électrique linéaire pour réaliser la propulsion. Un moteur rotatif électrique normal utilise le magnétisme pour créer un couple et faire tourner un essieu. Il comporte une pièce fixe, le stator, qui entoure une pièce tournante, le rotor. Le stator est utilisé pour générer un champ magnétique tournant. Ce champ induit une force de rotation sur le rotor, ce qui le fait tourner. Un moteur linéaire en est simplement une version déroulée (voir Figure 7). Le stator est posé à plat et le rotor repose au-dessus. Au lieu d’un champ magnétique rotatif, le stator génère un champ qui se déplace sur sa longueur. De même, au lieu d’une force de rotation, le rotor subit une force linéaire qui le tire vers le bas du stator. Ainsi, un moteur électrique linéaire produit directement un mouvement en ligne droite. Cependant, ce moteur ne peut produire une force que lorsque le rotor est au-dessus du stator. Une fois que le rotor a atteint la fin, il cesse de bouger.

Figure 7

Moteur rotatif versus moteur linéaire. Source: Auteur, dérivé de Lee (2006).

Lors de la description d’un moteur linéaire, la norme consiste à utiliser le terme «primaire» au lieu de «stator» et «secondaire» au lieu de «rotor». Dans les trains maglev, le secondaire est attaché au bas des wagons et le primaire est dans la voie de guidage. Ainsi, un champ magnétique est envoyé le long de la voie de guidage et il entraîne le train après lui. D’une certaine manière, alors, toute la longueur d’une voie maglev peut être considérée comme faisant partie du moteur du train. Le système qui a été décrit jusqu’à présent est un moteur à induction linéaire (LIM). C’est ce qu’on appelle parce que le champ magnétique dans le primaire induit un champ magnétique dans le secondaire. C’est l’interaction entre le champ d’origine et le champ induit qui entraîne l’entraînement du secondaire. Cependant, dans cette configuration, le secondaire est toujours légèrement en retard sur le champ mobile du primaire. Ce décalage est une source de perte d’énergie et de vitesse. Dans un moteur synchrone linéaire (LSM), le décalage est supprimé en attachant des aimants permanents au secondaire. Parce que le secondaire produit maintenant son propre champ magnétique stationnaire, il se déplace vers le bas du primaire en synchronisation avec le champ en mouvement – d’où le nom de cette variante de moteur (Gieras, 2011). Parce que les LSM sont plus rapides et plus efficaces, ils sont le moteur de choix dans les trains maglev à grande vitesse (Lee, 2006).

Guidage

Le guidage est ce qui maintient le train centré sur le voie de guidage. Pour le maglev à grande vitesse, des forces magnétiques répulsives sont utilisées pour y parvenir (Figure 8). Dans le TransRapid, il y a deux rails électromagnétiques placés sur le train face à chaque côté de la voie de guidage. Ces rails empêchent le train de se déplacer trop loin de sa trajectoire (Lee, 2006). Dans le MLX, le guidage est couplé au système de lévitation. Les rails de lévitation de chaque côté du train sont reliés les uns aux autres. Par cette connexion, lorsque le train se rapproche d’un côté, une force de rappel est induite qui le repousse vers le centre. Ainsi, le MLX est à la fois lévité et guidé en même temps (Lee, 2006).

Figure 8

Système de guidage de Transrapid et MLX. Les deux utilisent des aimants répulsifs. Source: Auteur, dérivé de Lee (2006).

Avantages de Maglev

L’attraction la plus évidente des trains maglev est qu’ils peuvent voyager plus vite que les trains traditionnels. Le seul maglev commercial à grande vitesse, le Shanghai Maglev, est maintenant le train le plus rapide qui existe.Il parcourt plus de 80 km / h (80 km / h) plus vite que le rail à roue à grande vitesse le plus rapide (320 km / h Hayabusa, 2013). Et ce n’est que le premier. L’absence de friction entre le train et la voie de guidage supprime de nombreuses limites qui limitaient les trains traditionnels. Maglev ne fera qu’accélérer d’ici (Luu, 2005). Il existe d’autres qualités plus subtiles qui rendent également le maglev attractif:

• Longévité: les roues et les rails conventionnels subissent beaucoup de stress au fil du temps. Ils doivent être remplacés et réparés périodiquement pour rester fonctionnels. Dans maglev, il n’y a pas de contact entre le train et la voie de guidage, donc il y a beaucoup moins d’usure. La durée de vie des pièces maglev est bien plus longue en raison de ce fait (Powell, 2003). Sur le plan économique, il s’agit d’un incitatif, car la réparation et l’entretien sont des activités coûteuses et chronophages.
• Sécurité: il peut sembler contre-intuitif que ces trains soient plus sûrs, car ils voyagent beaucoup plus vite que leurs roues homologues. C’est vrai néanmoins. Les trains Maglev sont presque impossibles à dérailler (Luu, 2005). Il faudrait quelque chose comme un effondrement complet de la voie de guidage pour séparer un train de sa voie. De plus, la météo n’est pas vraiment un problème. Étant donné que les trains ne dépendent pas du frottement pour le mouvement, la neige, la glace et la pluie ont peu ou pas d’effet (Luu, 2005). Enfin, il est facile d’élever les rails de guidage. Si les trains circulent sur des voies à dix pieds au-dessus du sol, le risque de collision avec un objet sur sa trajectoire est moindre (Luu, 2005).
• Efficacité énergétique: un autre avantage de la lévitation est que ces trains ne perdez aucune énergie au frottement. Cela leur donne un avantage en termes d’efficacité (Wang 2010). La consommation d’énergie est essentielle au succès d’un système de transport. Une grande partie du coût d’exploitation est consacrée au paiement de l’électricité. Par conséquent, cet avantage en termes d’efficacité est très important. Cependant, bien que les trains maglev soient plus efficaces, ils ne sont actuellement pas beaucoup plus efficaces que les trains à grande vitesse modernes. Cependant, ils ont le potentiel d’être bien supérieurs dans cette catégorie.
• Impact environnemental: les trains Maglev peuvent effectuer des virages plus serrés que les trains à grande vitesse. Cela permet de construire des voies de guidage qui peuvent mieux naviguer sur le terrain (Wang 2010). Les chemins peuvent être conçus pour avoir le moins d’effet possible sur l’environnement. Les rails de guidage occupent également moins de surface que les rails (Wang 2010). Cela réduit davantage l’impact environnemental. Et, comme indiqué précédemment, les rails de guidage sont facilement soulevés du sol (Luu, 2005). Les plantes et les animaux sont plus en sécurité avec le train qui circule au-dessus d’eux, et ne passe pas à côté d’eux.
• Pollution sonore: lorsque vous envisagez un projet de transport, le bruit (dans des limites raisonnables) n’est pas aussi important un souci d’économie ou de sécurité. Cependant, la réduction du bruit est toujours considérée comme une caractéristique positive. Les trains Maglev sont plus silencieux que les trains contemporains, c’est donc un autre point en leur faveur (Wang, 2010).

Inconvénients de Maglev

Bien qu’il y ait de nombreux avantages, il sont toujours des raisons pour lesquelles les trains maglev ne sont pas construits partout. La principale raison est peut-être que les rails de guidage maglev ne sont pas compatibles avec l’infrastructure ferroviaire existante. Toute organisation qui tente de mettre en œuvre un système maglev doit partir de zéro et créer un tout nouvel ensemble de pistes. Cela implique un investissement initial très élevé (Coates, 2004). Même si les rails de guidage coûtent moins cher que les rails au fil du temps (Powell, 2003), il est difficile de justifier une telle dépense initiale. Un autre problème est que les trains maglev voyagent vite, mais ils peuvent ne pas voyager assez vite. Les pays disposant déjà de rails à grande vitesse ne veulent pas dépenser des milliards de dollars pour mettre en œuvre un système qui n’est que légèrement meilleur que la solution existante. Le marché de ces trains n’est tout simplement pas très grand pour le moment. Il est difficile de contester que ces trains sont supérieurs aux trains standard. Quoi qu’il en soit, il reste encore du travail à faire avant que cela vaille la peine de les mettre en œuvre dans le monde entier.

Génie électrique à Maglev

Depuis la machine à vapeur, les trains sont traditionnellement dans le domaine des ingénieurs en mécanique . C’étaient tous des moteurs et des essieux, des roues et des moteurs. Cependant, l’introduction de la technologie maglev a brisé cette tradition. Le développement de ces trains a nécessité la participation d’un certain nombre de domaines différents autres que le génie mécanique, y compris la physique et la chimie. Mais surtout, il a amené des ingénieurs électriciens à la table. Depuis le début, les ingénieurs électriciens ont été des contributeurs majeurs au développement de la technologie maglev. Eric Laithwaite, ingénieur électricien, a développé le premier moteur à induction linéaire, un précurseur important et nécessaire des trains maglev. Hermann Kemper, que beaucoup croient être le père de maglev, était également ingénieur électricien. Les ingénieurs électriciens allemands et japonais ont travaillé pour établir les programmes maglev dans leurs pays respectifs.Et aujourd’hui, les ingénieurs électriciens améliorent de plus en plus la technologie afin qu’elle puisse séduire les pays du monde entier. Les trains Maglev ont étonnamment peu de pièces mobiles. Ils concernent tous les courants électriques, les aimants et les boucles de fils. Certains sujets importants dans le domaine sont les champs et les ondes électromagnétiques, la théorie des circuits, les systèmes de contrôle par rétroaction et l’ingénierie électrique. Tout cela relève de l’expertise des ingénieurs électriciens. Par conséquent, ce sont les ingénieurs électriciens qui sont nécessaires pour résoudre les plus gros problèmes auxquels cette technologie est confrontée. Les trains doivent être rendus plus rapides et plus économes en énergie. Pendant tout ce temps, ils doivent rester bien dans les limites de la sécurité. Les rails de guidage doivent être rendus moins chers, plus faciles à mettre en œuvre et peut-être plus compatibles avec les rails existants. Les systèmes de contrôle doivent être rendus parfaits. Tous ces problèmes et bien d’autres appellent un ingénieur électricien à venir élucider ses réponses.

L’avenir de Maglev

La technologie Maglev est très prometteuse pour l’avenir. Il a le potentiel d’être un moyen de transport moins cher, plus rapide, plus sûr et plus écologique que celui que nous avons aujourd’hui. Et avec l’aide de quelques ingénieurs électriciens, cela deviendra tout cela. Il existe des applications possibles pour cette technologie dans tout, des transports publics interurbains aux voyages à travers le pays. Il y a même des propositions pour construire de longs tubes souterrains, aspirer l’air hors des tubes et placer des trains maglev à l’intérieur. Dans ce contexte, il n’y aurait pratiquement aucune résistance au vent, de sorte qu’un train pourrait facilement atteindre des vitesses dépassant la vitesse du son (Thornton, 2007). Bien qu’il puisse s’écouler longtemps avant que cette technologie ne devienne répandue, il est difficile de nier qu’elle le sera à un moment donné. Les avantages sont trop difficiles à ignorer. Pour l’instant, il n’y a qu’un seul train maglev commercial en service, et il a déjà éclipsé tout ce qui l’a précédé. Comment cette technologie évoluera-t-elle et s’améliorera-t-elle à mesure que nous nous dirigeons vers l’avenir? Seul le temps le dira. Mais il est très plausible que nous nous trouvions maintenant au bord du précipice d’une révolution des transports. Pour ma part, j’ai hâte de traverser la campagne à 300 km / h dans une boîte d’aimants en lévitation.

Bibliographie

Liens suggérés

Voir aussi

• Véhicules autonomes
• Batteries électriques pour énergie renouvelable
• Infrastructure intelligente