FR3040963A1 - TRANSPORT SYSTEM WITH IMPROVED MAGNETIC LEVITATION - Google Patents
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Abstract
Il est proposé un système de transport à lévitation magnétique comprenant : - un moyen de guidage magnétique (11) ; - un véhicule mobile en translation (120) placé au dessus dudit moyen de guidage magnétique, le véhicule étant doté d'un châssis (13) ; - un jeu de modules supraconducteurs à lévitation magnétique (140) localisés sur la face inférieure du châssis du véhicule et alignés pour faire face audit moyen de guidage magnétique de façon à léviter au dessus dudit moyen de guidage magnétique ; - pour chaque module, des moyens de répulsion magnétique (15) placés entre la face inférieure du châssis et ledit module, et configurés pour être mécaniquement solidaires de la face inférieure du châssis et pour être en lévitation au dessus dudit module.There is provided a magnetic levitation transport system comprising: magnetic guiding means (11); - a vehicle movable in translation (120) placed above said magnetic guiding means, the vehicle being provided with a frame (13); a set of magnetic levitation superconducting modules (140) located on the underside of the vehicle chassis and aligned to face said magnetic guiding means so as to levitate above said magnetic guiding means; - For each module, magnetic repulsion means (15) placed between the underside of the frame and said module, and configured to be mechanically secured to the underside of the frame and to be levitated above said module.
Description
Système de transport à lévitation magnétique amélioréeImproved magnetic levitation transport system
1. DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne le transport à lévitation magnétique.FIELD OF THE INVENTION The invention relates to magnetic levitation transport.
Plus particulièrement, l'invention porte sur un système de transport par véhicule en lévitation magnétique.More particularly, the invention relates to a vehicle transport system in magnetic levitation.
La lévitation magnétique est un phénomène bien connu grâce auquel un objet peut être maintenu en suspension à une certaine distance au dessus d'une surface, au moyen de forces magnétiques compensant le champ gravitationnel qui s'exerce sur l'objet.Magnetic levitation is a well-known phenomenon whereby an object can be held in suspension at a distance above a surface by means of magnetic forces compensating for the gravitational field on the object.
On entend par « véhicule » dans la suite du présent document, tout moyen de transport destiné au déplacement de personnes ou d’objets, tels que métro, tramway, train, ascenseur, chariot de transport, etc..The term "vehicle" in the remainder of this document means any means of transport intended for the movement of persons or objects, such as the metro, tramway, train, elevator, transport trolley, etc.
2. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE2. TECHNOLOGICAL BACKGROUND
Dans la suite de ce document et pour illustrer l'invention, on s'attache à la décrire dans le domaine du transport en commun. Mais l’invention ne se limite pas à ce domaine en particulier. Elle présente un intérêt pour tout système de transport à lévitation magnétique devant faire face à une problématique proche ou similaire.In the remainder of this document and to illustrate the invention, we attempt to describe it in the field of public transport. But the invention is not limited to this particular field. It is of interest for any magnetic levitation transport system facing a similar or similar problem.
Les trains à lévitation magnétique représentent une avancée considérable dans le domaine du transport terrestre. Contrairement aux trains traditionnels qui roulent sur des rails en acier, les trains à lévitation magnétique ne sont pas en contact direct avec leur (ou leurs) rail(s), ce qui présente un certain nombre d'avantages. En effet, l'absence de frottement mécanique avec les rails permet de limiter les nuisances sonores et les vibrations mécaniques, et d'atteindre des vitesses plus élevées. Récemment, les constructeurs ont mis au point une technologie de transport par lévitation basée sur l'utilisation de modules supraconducteurs,appelée « MagLev-Cobra » (G.G. Sotelo,« Operational Test of a fuit scale superconducting Maglev Vehicle Unit», 2011). Comme illustré sur les figures 1 à 3, ce système de transport 1 est composé de rails de guidage magnétiques la, lb et d'un véhicule 2 mobile au dessus de ces rails. Le véhicule 2 est doté d'un châssis 3 sur lequel sont fixés des modules supraconducteurs 4a, 4b constitués chacun d'un cryostat comprenant un liquide cryogénique dans lequel baigne un bloc supraconducteur 6. Les modules 4a, 4b situés sur la face inférieure du châssis font face aux rails la, lb de façon à former une force magnétique de répulsion permettant au véhicule 2 de léviter au dessus des rails. Afin de générer cette force magnétique de répulsion, le bloc de supraconducteur est maintenu en dessous de sa température critique de fonctionnement grâce au liquide cryogénique (-196°C par exemple avec de l'azote liquide).Magnetic levitation trains represent a considerable advance in the field of land transport. Unlike traditional trains that run on steel rails, magnetic levitation trains are not in direct contact with their (or their) rail (s), which has a number of advantages. Indeed, the absence of mechanical friction with the rails makes it possible to limit noise pollution and mechanical vibrations, and to reach higher speeds. Recently, manufacturers have developed a levitation transport technology based on the use of superconducting modules, called "MagLev-Cobra" (G. G. Sotelo, "Operational Test of a Superconducting Maglev Vehicle Unit", 2011). As illustrated in Figures 1 to 3, this transport system 1 is composed of magnetic guide rails la, lb and a vehicle 2 mobile above these rails. The vehicle 2 is provided with a chassis 3 on which are fixed superconducting modules 4a, 4b each consisting of a cryostat comprising a cryogenic liquid in which a superconducting block 16 is embedded. The modules 4a, 4b located on the underside of the chassis face the rails la, lb so as to form a magnetic repulsion force allowing the vehicle 2 to levitate above the rails. In order to generate this repulsive magnetic force, the superconductor block is kept below its critical operating temperature thanks to the cryogenic liquid (-196 ° C for example with liquid nitrogen).
Une des principales problématiques des constructeurs repose sur le fait que les forces de répulsion exercées sur chaque bloc supraconducteur doivent être transmises efficacement au module qui le contient, puis au châssis sur lequel il est fixé. Or, l'emploi de forces de répulsion de plus en plus importantes (par exemple pour des véhicules de poids élevés) nécessite de renforcer les liaisons mécaniques 5 entre les modules et le châssis, ce qui augmente les pertes thermiques de liaisons et donc le coût de maintien à basse température des modules.One of the main problems of manufacturers is that the repulsive forces exerted on each superconducting block must be effectively transmitted to the module that contains it, then to the chassis on which it is fixed. However, the use of increasingly important repulsion forces (for example for vehicles of high weight) requires strengthening the mechanical links 5 between the modules and the chassis, which increases the thermal losses of connections and therefore the cost keeping the modules at a low temperature.
Il apparaîtrait donc particulièrement intéressant de pouvoir concevoir un système de transport à lévitation magnétique à l'aide d'un dispositif présentant peu de déperdition thermique, ce qui permettrait d'utiliser des forces de répulsion plus élevées sans engendrer de surcoût de maintien en température des supraconducteurs.It would therefore be particularly interesting to be able to design a magnetic levitation transport system using a device with little heat loss, which would allow to use higher repulsion forces without generating extra cost of maintaining temperature superconductors.
3. OBJECTIFS DE L'INVENTION L'invention, dans au moins un mode de réalisation, a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique.OBJECTIVES OF THE INVENTION The invention, in at least one embodiment, has the particular objective of overcoming these various disadvantages of the state of the art.
Plus précisément, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un objectif est de fournir un système de transport à lévitation magnétique qui permette d'utiliser des forces de répulsion élevées tout en préservant le coût de maintien en température des supraconducteurs.More specifically, in at least one embodiment of the invention, one objective is to provide a magnetic levitation transport system that allows the use of high repulsion forces while preserving the temperature maintenance cost of the superconductors.
Au moins un mode de réalisation de l'invention a également pour objectif de fournir un système de transport à lévitation magnétique qui permette d'isoler thermiquement les modules supraconducteurs du châssis.At least one embodiment of the invention also aims to provide a magnetic levitation transport system that allows to thermally isolate the superconducting modules of the chassis.
Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir un système de transport qui soit simple à mettre en œuvre, tout en conservant un coût de production raisonnable.Another objective of at least one embodiment of the invention is to provide a transport system that is simple to implement, while maintaining a reasonable cost of production.
4. EXPOSÉ DE L'INVENTION4. PRESENTATION OF THE INVENTION
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé un système de transport à lévitation magnétique comprenant : un moyen de guidage magnétique; un véhicule mobile en translation placé au dessus dudit moyen de guidage magnétique, le véhicule étant doté d'un châssis ; un jeu de modules supraconducteurs à lévitation magnétique localisés en dessous de la face inférieure du châssis du véhicule et alignés pour faire face audit moyen de guidage magnétique de façon à léviter au dessus dudit moyen de guidage magnétique ; pour au moins un module supraconducteur, des moyens de répulsion magnétique placés entre la face inférieure du châssis et la face supérieure dudit au moins un module supraconducteur, lesdits moyens de répulsion magnétique étant configurés d'une part pour être mécaniquement solidaires de la face inférieure du châssis et d'autre part de façon à créer une force de répulsion magnétique pour mettre les dits moyens de répulsion magnétique solidaires du châssis en lévitation au dessus dudit au moins un module supraconducteur.In a particular embodiment of the invention, there is provided a magnetic levitation transport system comprising: magnetic guiding means; a vehicle movable in translation placed above said magnetic guiding means, the vehicle being provided with a frame; a set of magnetic levitation superconducting modules located below the underside of the vehicle frame and aligned to face said magnetic guide means so as to levitate above said magnetic guide means; for at least one superconductive module, magnetic repulsion means placed between the lower face of the frame and the upper face of said at least one superconducting module, said magnetic repulsion means being configured on the one hand to be mechanically integral with the lower face of the chassis and secondly so as to create a magnetic repulsion force to put said magnetic repulsion means integral with the chassis levitated above said at least one superconducting module.
Le principe général de l'invention consiste donc à remplacer les liaisons mécaniques entre les modules supraconducteurs et le châssis du véhicule par une liaison magnétique qui assure la transmission des forces de répulsion magnétique au châssis. Le châssis du véhicule est alors en lévitation magnétique au dessus des modules supraconducteurs, eux-mêmes en lévitation au dessus du moyen de guidage magnétique. L'invention propose ainsi un système à double suspension magnétique particulièrement bien adapté à la transmission de forces de répulsion magnétique au véhicule. Ainsi, contrairement aux systèmes de transport classiques, les modules supraconducteurs n'étant plus liés mécaniquement au châssis, il est donc possible de générer des forces de répulsion plus élevées tout en préservant le coût de maintien en température des supraconducteurs.The general principle of the invention is therefore to replace the mechanical links between the superconducting modules and the vehicle frame by a magnetic link which ensures the transmission of magnetic repulsion forces to the chassis. The chassis of the vehicle is then magnetically levitated above the superconducting modules themselves levitated above the magnetic guide means. The invention thus proposes a double magnetic suspension system particularly well adapted to the transmission of magnetic repulsion forces to the vehicle. Thus, unlike conventional transport systems, the superconducting modules are no longer mechanically linked to the chassis, it is therefore possible to generate higher repulsion forces while preserving the temperature maintenance cost of the superconductors.
Selon un aspect particulier de l'invention, les moyens de répulsion magnétique comprennent au moins un aimant permanent.According to a particular aspect of the invention, the magnetic repulsion means comprise at least one permanent magnet.
Ainsi, les forces de répulsions générées entre les modules supraconducteurs et le châssis sont assurées par des moyens de répulsion magnétique sous forme d'aimants permanents.Thus, the repulsion forces generated between the superconducting modules and the frame are provided by magnetic repulsion means in the form of permanent magnets.
Selon un autre aspect particulier de l'invention, ledit au moins un aimant permanent est de formule Nd2Fei4B.According to another particular aspect of the invention, said at least one permanent magnet is of formula Nd2Fei4B.
Ce type d'aimant permanent est particulièrement bien adapté aux nouvelles technologies de transport à lévitation magnétiques, telles que les trains à sustentation magnétique.This type of permanent magnet is particularly well suited to new magnetic levitation transport technologies, such as magnetic levitation trains.
Selon une caractéristique particulière, les moyens de répulsion magnétique comprennent un réseau d'aimants permanents disposés selon une configuration de type Halbach.According to one particular characteristic, the magnetic repulsion means comprise an array of permanent magnets arranged in a Halbach-type configuration.
Selon une caractéristique particulière, ledit au moins un module supraconducteur comprend un cryostat lui-même comprenant au moins un élément supraconducteur et un fluide cryogénique maintenant ledit au moins un élément supraconducteur en dessous d'une température critique de fonctionnement.According to a particular characteristic, said at least one superconducting module comprises a cryostat itself comprising at least one superconducting element and a cryogenic fluid keeping said at least one superconductive element below a critical operating temperature.
La température critique dépend de la nature du supraconducteur utilisé.The critical temperature depends on the nature of the superconductor used.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit au moins un élément supraconducteur appartient au groupe comprenant : un élément supraconducteur de formule XBa2Cu307, avec X représente une terre rare de symbole Y, Nd, Sm, Gd ou Eu ; un élément supraconducteur de formule MgB2; un élément supraconducteur de formule BiaCabSrcCUdOx ; un élément supraconducteur à base de fer et dont la température critique est supérieure à 30K.According to a particular aspect of the invention, said at least one superconducting element belongs to the group comprising: a superconducting element of formula XBa2Cu307, with X representing a rare earth of symbol Y, Nd, Sm, Gd or Eu; a superconducting element of formula MgB2; a superconducting element of formula BiaCabSrcCUdOx; a superconducting element based on iron and whose critical temperature is greater than 30K.
Cette liste n'est pas exhaustive.This list is not exhaustive.
La température critique est de 92 K pour le supraconducteur YBCO, de 39 K pour le supraconducteur MgB2. Un élément supraconducteur à base de fer envisageable par exemple pour la présente invention est le composé (Ba, K)Fe2As2 dont la température critique est de 38 K.The critical temperature is 92 K for the superconductor YBCO, 39 K for the superconductor MgB2. An iron-based superconducting element that can be envisaged, for example, for the present invention is the compound (Ba, K) Fe2As2 whose critical temperature is 38 K.
Selon un aspect particulièrement avantageux, le module supraconducteur comprend un premier et un second élément supraconducteur superposés et mécaniquement solidaires, ledit premier élément supraconducteur étant associé audit moyen de guidage magnétique et ledit second élément supraconducteur étant associé auxdits moyens de répulsion magnétiques.According to a particularly advantageous aspect, the superconducting module comprises superconducting first and second superposed and mechanically integral elements, said first superconducting element being associated with said magnetic guiding means and said second superconducting element being associated with said magnetic repulsion means.
Selon un mode de réalisation particulier de configuration du système, ledit moyen de guidage magnétique et lesdits moyens de répulsion magnétiques sont de polarités opposées et sont séparés d'une distance qui est inférieure à une distance d'écartement critique au delà de laquelle la force de répulsion magnétique produite par le moyen de guidage magnétique et les moyens de répulsion magnétiques ne s'exerce plus entre eux.According to a particular embodiment of system configuration, said magnetic guiding means and said magnetic repulsion means are of opposite polarities and are separated by a distance which is less than a critical spacing distance beyond which the force of magnetic repulsion produced by the magnetic guiding means and the magnetic repulsion means is no longer exerted between them.
Ainsi, grâce à cette configuration, on obtient deux dispositifs magnétiques de polarités opposées, le premier étant constitué de l'élément supraconducteur en partie inférieure du module et du moyen de guidage et le second étant constitué de l'élément supraconducteur en partie supérieure du module et des moyens de répulsion magnétique solidarisés au châssis. Lorsque la distance séparant ledit moyen de guidage magnétique et lesdits moyens de répulsion magnétique est inférieure à la distance d'écartement critique, s'ajoute alors une force de répulsion supplémentaire due à la répulsion magnétique entre les moyens de répulsion magnétique et le moyen de guidage magnétique de polarités opposées, amplifiant les forces de lévitation agissant sur le châssis du véhicule. On privilégie ainsi le renforcement de la force de lévitation par rapport à la stabilité du système.Thus, thanks to this configuration, two magnetic devices of opposite polarity are obtained, the first being constituted by the superconducting element in the lower part of the module and the guiding means and the second being constituted by the superconducting element in the upper part of the module. and magnetic repulsion means secured to the frame. When the distance separating said magnetic guiding means and said magnetic repulsion means is less than the critical spacing distance, then an additional repulsion force is added due to the magnetic repulsion between the magnetic repulsion means and the guiding means. magnet of opposite polarities, amplifying the levitation forces acting on the chassis of the vehicle. This favors the reinforcement of the levitation force with respect to the stability of the system.
Selon une variante de réalisation de configuration du système, ledit moyen de guidage magnétique et lesdits moyens de répulsion magnétiques sont de polarités opposées et sont séparés d'une distance qui est supérieure à une distance d'écartement critique au delà de laquelle la force de répulsion magnétique produite par le moyen de guidage magnétique et les moyens de répulsion magnétiques ne s'exerce plus entre eux.According to an alternative embodiment of the system configuration, said magnetic guiding means and said magnetic repulsion means are of opposite polarities and are separated by a distance which is greater than a critical spacing distance beyond which the repulsion force magnetic produced by the magnetic guiding means and the magnetic repulsion means is no longer exerted between them.
Lorsque la distance séparant ledit moyen de guidage magnétique et lesdits moyens de répulsion magnétiques est supérieure à la distance d'écartement critique, on renforce la stabilité du système en découplant les forces magnétiques s'exerçant entre le moyen de guidage magnétique et ledit au moins un module supraconducteur et celles s'exerçant entre ledit au moins un module supraconducteur et le châssis du véhicule. On privilégie ainsi la stabilité du système au renforcement de la force de lévitation.When the distance separating said magnetic guiding means and said magnetic repulsion means is greater than the critical spacing distance, the stability of the system is enhanced by uncoupling the magnetic forces acting between the magnetic guiding means and said at least one superconducting module and those exerted between said at least one superconducting module and the chassis of the vehicle. This favors the stability of the system to reinforce the levitation force.
Selon une autre variante de réalisation de configuration du système, ledit moyen de guidage magnétique et lesdits moyens de répulsion magnétiques sont de même polarité et sont séparés d'une distance qui est supérieure à une distance d'écartement critique au delà de laquelle la force d'attraction magnétique produite entre le moyen de guidage magnétique et les moyens de répulsion magnétiques ne s'exerce plus entre eux.According to another alternative embodiment of the system configuration, said magnetic guiding means and said magnetic repulsion means are of the same polarity and are separated by a distance which is greater than a critical spacing distance beyond which the force of Magnetic attraction produced between the magnetic guiding means and the magnetic repulsion means is no longer practiced between them.
Dans cette configuration, le système est opérationnel et fonctionne si la distance entre ledit moyen de guidage magnétique et lesdits moyens de répulsion magnétiques est suffisamment grande pour que la force attractive entre ces deux éléments magnétiques soit négligeable devant les autres forces magnétiques.In this configuration, the system is operational and operates if the distance between said magnetic guiding means and said magnetic repulsion means is sufficiently large so that the attractive force between these two magnetic elements is negligible compared to other magnetic forces.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit moyen de guidage magnétique est à base d'aimants permanents appartenant au groupe comprenant : - les aimants permanents de formule Nd2Fei4B ; - les aimants permanents à base de cobalt et de samarium.According to a particular aspect of the invention, said magnetic guiding means is based on permanent magnets belonging to the group comprising: permanent magnets of formula Nd2Fei4B; permanent magnets based on cobalt and samarium.
Cette liste n'est pas exhaustive. Tout autre aimant présentant un champ coercitif et une aimantation rémanente du même ordre de grandeur que les aimants de formule Nd2Fei4B peuvent être mis en œuvre.This list is not exhaustive. Any other magnet having a coercive field and a remanent magnetization of the same order of magnitude as the magnets of formula Nd2Fei4B may be implemented.
Selon un aspect particulier de l'invention, les aimants permanents dudit moyen de guidage magnétique sont disposés selon une configuration de type Halbach. A noter que d'autres configurations d'aimants permettant de générer un champ élevé au niveau des supraconducteurs peuvent être envisagé sans sortir du cadre de l'invention, comme par exemple celles représentées sur la figure 2 de l'article « Experiments in a Real Scale MagLev Vehicle Prototype » par G.G.Sotelo et Al. paru dans « Journal of Physics: Conférence Sériés », volume 234, page 032054 en 2010 ou bien celles illustrées sur la figure 1 de l'article « Optimization of a superconducting linear lévitation System using a soft ferromagnet », publié par S. Agramunt et al., dans la revue « Physica C » (2013), volume 487, pages 11 à 15.According to a particular aspect of the invention, the permanent magnets of said magnetic guiding means are arranged in a Halbach-type configuration. Note that other configurations of magnets for generating a high field at the superconductors can be envisaged without departing from the scope of the invention, such as those shown in Figure 2 of the article "Experiments in a Real Scale MagLev Vehicle Prototype "by GGSotelo et al. Published in" Journal of Physics: Serial Conference ", volume 234, page 032054 in 2010 or those illustrated in Figure 1 of the article" Optimization of a superconducting linear levitation System using a soft ferromagnet ", published by S. Agramunt et al., in the journal" Physica C "(2013), volume 487, pages 11-15.
Selon un autre aspect particulier de l'invention, ledit moyen de guidage magnétique appartient au groupe comprenant : au moins un rail magnétique ; au moins une voie magnétique.According to another particular aspect of the invention, said magnetic guidance means belongs to the group comprising: at least one magnetic rail; at least one magnetic path.
5. LISTE DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels : la figure 1, déjà décrite en relation avec l'art antérieur, présente un exemple simplifié d'un système de transport à lévitation magnétique connu de l'état de la technique ; la figure 2 représente une vue du système de transport illustré sur la figure 1 selon le plan de coupe A-A; la figure 3 représente la structure du système de transport illustré sur la figure 1 selon le plan de coupe B-B; la figure 4 présente une vue en coupe de la structure d'un système de transport à lévitation magnétique selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; la figure 5 présente une vue en coupe de la structure d'un système de transport à lévitation magnétique selon une variante de réalisation de l'invention ; la figure 6 illustre un exemple de réseau d'aimants permanents distribués selon une configuration de type « Halbach », pouvant être mis en œuvre dans le moyen de guidage magnétique selon l'invention; la figure 7 illustre un exemple de réseau d'aimants permanents distribués selon une configuration de type « Halbach », utilisé en tant que moyen de répulsion magnétique selon l'invention.5. LIST OF FIGURES Other features and advantages of the invention will appear on reading the following description, given by way of indicative and nonlimiting example, and the appended drawings, in which: FIG. 1, already described in FIG. relation with the prior art, presents a simplified example of a magnetic levitation transport system known from the state of the art; FIG. 2 represents a view of the transport system illustrated in FIG. 1 along the sectional plane A-A; FIG. 3 represents the structure of the transport system illustrated in FIG. 1 along the section plane B-B; Figure 4 shows a sectional view of the structure of a magnetic levitation transport system according to a particular embodiment of the invention; Figure 5 shows a sectional view of the structure of a magnetic levitation transport system according to an alternative embodiment of the invention; FIG. 6 illustrates an example of a network of permanent magnets distributed in a "Halbach" type configuration, which can be implemented in the magnetic guidance means according to the invention; FIG. 7 illustrates an example of a permanent magnet array distributed in a "Halbach" type configuration, used as a magnetic repulsion means according to the invention.
6. DESCRIPTION DÉTAILLÉE6. DETAILED DESCRIPTION
Sur toutes les figures du présent document, les éléments et étapes identiques sont désignés par une même référence numérique.In all the figures of this document, the elements and identical steps are designated by the same numerical reference.
La figure 4 représente la structure d'un système de transport à lévitation magnétique selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Ce système de transport comprend plus particulièrement : un moyen de guidage magnétique 11, composé par exemple de deux rails magnétiques; un véhicule mobile en translation 12, tel qu'un train par exemple, placé au dessus du moyen de guidage magnétique 11.FIG. 4 represents the structure of a magnetic levitation transport system according to a particular embodiment of the invention. This transport system more particularly comprises: a magnetic guiding means 11, composed for example of two magnetic rails; a vehicle movable in translation 12, such as a train for example, placed above the magnetic guiding means 11.
Chaque rail magnétique comprend un réseau d'aimants permanents de formule Nd2Fei4B, disposés selon une configuration de type « Halbach » comme illustré sur le schéma de la figure 6.Each magnetic rail comprises a network of permanent magnets of formula Nd2Fei4B, arranged in a "Halbach" type configuration as shown in the diagram of FIG. 6.
Bien entendu, il s'agit là d'un exemple particulier et d'autres types d'aimant permanent remplissant la même fonction peuvent être utilisés sans sortir du cadre de l'invention, comme par exemple les aimants à base de samarium et de cobalt. Plus généralement, chaque rail peut être réalisé à partir de tout matériau à base d'aimant permanent dans la mesure où le champ magnétique créé et son champ coercitif sont suffisamment élevés. L’homme du métier saura choisir la nature des aimants permanents permettant de réaliser les conditions ci-dessus, en fonction notamment de la masse du véhicule à faire léviter et de la nature des supraconducteurs avec lesquels les aimants devront interagir. De même, la configuration de type « Halbach » est un exemple particulier non limitatif. D'autres configurations d'aimants peuvent être utilisées sans sortir du cadre de l'invention, comme par exemple celles illustrées dans le document intitulé « Optimization of a superconducting linear lévitation System using a soft ferromagnet », publié par S. Agramunt et al. , dans la revue « Physica C » (2013), volume 487, pages 11 à 15.Of course, this is a particular example and other types of permanent magnet performing the same function can be used without departing from the scope of the invention, such as samarium and cobalt magnets . More generally, each rail can be made from any permanent magnet-based material to the extent that the magnetic field created and its coercive field are sufficiently high. The skilled person will be able to choose the nature of the permanent magnets to achieve the above conditions, depending in particular on the mass of the vehicle to levitate and the nature of the superconductors with which the magnets will interact. Similarly, the "Halbach" type configuration is a particular, non-limiting example. Other configurations of magnets can be used without departing from the scope of the invention, as for example those illustrated in the document entitled "Optimization of a superconducting linear levitation System using a soft ferromagnet", published by S. Agramunt et al. , in the journal "Physica C" (2013), volume 487, pages 11 to 15.
Le véhicule 12 est doté d'un châssis 13 et d'une pluralité de modules supraconducteurs à lévitation magnétique 14 localisés en dessous de la face inférieure du châssis 13. Les modules supraconducteurs 14 sont répartis régulièrement sous le châssis et alignés de façon à faire face au moyen de guidage magnétique 11. Chaque module supraconducteur 14 est composé d'un réservoir cryostatique rempli d'un fluide cryogénique 17, tel que de l'azote liquide par exemple (-196 °C) ou bien de l'hélium gazeux (à quelques degrés ou dizaines de degré au dessus de sa température de passage à l'état liquide (-269 °C)), dans lequel baigne un supraconducteur 16, par exemple de type YBa2Cu307 (aussi communément appelé « YBCO »). Le réservoir cryostatique et le fluide cryogénique assurent le maintien du supraconducteur 16 en dessous d'une certaine température, appelée température critique Te, pour qu'il développe ses propriétés magnétiques. A titre d'exemple, la température critique pour le supraconducteur YBa2Cu307est de 92 K (soit -181°C). Si ce supraconducteur est refroidi en-dessous de cette température critique, une force de répulsion magnétique s'exerce sur le module supraconducteur 14, engendrant une lévitation du véhicule 12 au dessus du moyen de guidage magnétique 11, lorsque la distance entre le moyen de guidage 11 et module supraconducteur 14 est inférieure à une distance d'écartement critique (seuil), au delà de laquelle la force magnétique ne compense plus le champ gravitationnel s'exerçant sur le véhicule. Autrement dit, en deçà de cette distance d'écartement critique, la force de répulsion magnétique produite compense le champ gravitationnel s'exerçant sur le véhicule 12. Par exemple, lorsque le supraconducteur 16 est refroidi en dessous de la température critique Te, si la distance d'écartement critique est de 30 mm, une force de répulsion sera produite si la distance entre le moyen de guidage 11 et module supraconducteur 14 est inférieure à 30 mm. En pratique, plus la distance entre le moyen de guidage 11 et le module supraconducteur 14 diminue, plus la force de répulsion magnétique produite augmente.The vehicle 12 is provided with a chassis 13 and a plurality of magnetically levitated superconducting modules 14 located below the underside of the frame 13. The superconducting modules 14 are regularly distributed under the chassis and aligned so as to face by means of magnetic guidance 11. Each superconducting module 14 is composed of a cryostatic tank filled with a cryogenic fluid 17, such as liquid nitrogen for example (-196 ° C) or helium gas (with a few degrees or tens of degrees above its temperature of transition to the liquid state (-269 ° C)), in which is embedded a superconductor 16, for example of the type YBa2Cu307 (also commonly called "YBCO"). The cryostatic tank and the cryogenic fluid maintain the superconductor 16 below a certain temperature, called critical temperature Te, so that it develops its magnetic properties. By way of example, the critical temperature for the YBa2Cu307 superconductor is 92 K (ie -181 ° C). If this superconductor is cooled below this critical temperature, a magnetic repulsion force is exerted on the superconducting module 14, causing a levitation of the vehicle 12 above the magnetic guiding means 11, when the distance between the guide means 11 and superconducting module 14 is less than a critical spacing distance (threshold), beyond which the magnetic force no longer compensates the gravitational field acting on the vehicle. In other words, below this critical separation distance, the magnetic repulsion force produced compensates for the gravitational field acting on the vehicle 12. For example, when the superconductor 16 is cooled below the critical temperature Te, if the critical gap distance is 30 mm, a repulsive force will be produced if the distance between the guide means 11 and superconducting module 14 is less than 30 mm. In practice, the smaller the distance between the guiding means 11 and the superconducting module 14, the greater the magnetic repulsion force produced increases.
En d'autres termes, le moyen de guidage 11 et le module supraconducteur 14 sont configurés pour produire une force de répulsion s'exerçant sur le module 14 et qui soit suffisante pour que le véhicule 2, par transfert de force, adopte une position en lévitation de quelques centimètres au dessus du moyen de guidage 11. D'autres types de supraconducteur réalisant la même fonction peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l'invention, comme par exemple : un supraconducteur de formule XBa2Cu307 avec X représentant une terre rare Y, Nd, Sm, Eu ou Gd, un supraconducteur de formule MgB2, un supraconducteur de formule BiaCabSrcCUdOx dont les propriétés supraconductrices apparaissent pour différents ratios a:b:c:d:x (tel que Bi2Sr2CaCu208 et Bi2Sr2Ca2Cu3Oi0 par exemple), un élément supraconducteur de formule (Ba, K)Fe2As2. Cette liste n'est pas exhaustive. L'homme du métier adaptera la nature des aimants permanents ainsi que celle du (des) supraconducteur(s) utilisé(s) de sorte que, en dessous de la température critique de fonctionnement, la force de répulsion produite équilibre le poids du véhicule à une distance du moyen de guidage garantissant le fonctionnement du système de transport. L'homme du métier adaptera également la température de refroidissement en fonction du (des) supraconducteur(s) utilisés dans le modules supraconducteurs 14 pour qu'il développe ses propriétés magnétiques conjointement avec le moyen de guidage magnétique 11. La température critique par exemple est de 92 K pour le supraconducteur YBCO, de 39 K pour le supraconducteur MgB2 et de 38 K pour le supraconducteur (Ba, K)Fe2As2.In other words, the guiding means 11 and the superconducting module 14 are configured to produce a repulsion force acting on the module 14 and which is sufficient for the vehicle 2, by transfer of force, to adopt a position in position. levitation a few centimeters above the guide means 11. Other types of superconductor performing the same function can be envisaged without departing from the scope of the invention, such as for example: a superconductor of formula XBa2Cu307 with X representing a rare earth Y , Nd, Sm, Eu or Gd, a superconductor of formula MgB2, a superconductor of formula BiaCabSrcCUdOx whose superconducting properties appear for different ratios a: b: c: d: x (such as Bi2Sr2CaCu208 and Bi2Sr2Ca2Cu3Oi0 for example), a superconducting element of formula (Ba, K) Fe2As2. This list is not exhaustive. The person skilled in the art will adapt the nature of the permanent magnets as well as that of the superconductor (s) used so that, below the critical operating temperature, the repulsive force produced balances the weight of the vehicle with a distance from the guiding means ensuring the operation of the transport system. Those skilled in the art will also adapt the cooling temperature according to the superconductor (s) used in the superconducting modules 14 so that it develops its magnetic properties together with the magnetic guiding means 11. The critical temperature for example is 92 K for the superconductor YBCO, 39 K for the superconductor MgB2 and 38 K for the superconductor (Ba, K) Fe2As2.
Pour chaque module supraconducteur 14, le système de transport selon l'invention comprend en outre des moyens de répulsion magnétique 15 compris entre la face inférieure du châssis 13 et la face supérieure dudit module supraconducteur 14. Ces moyens de répulsion 15 sont fixés mécaniquement au châssis et interagissent avec ledit module supraconducteur 14 de sorte qu'une force de répulsion magnétique soit engendrée sur les moyens de répulsion 15, entraînant la lévitation de ces derniers, et donc du véhicule 12, au dessus du dit module supraconducteur 14, lorsque le supraconducteur 16 est refroidi en dessous de la température critique Te. A noter que cet effet est obtenu lorsque la distance entre le module supraconducteur 14 et les moyens de répulsion magnétique 15 est inférieure à une distance d'écartement critique (seuil), au delà de laquelle la force magnétique n'est plus suffisante pour compenser le champ gravitationnel s'exerçant sur le véhicule 12. Autrement dit, en dessous de cette distance d'écartement critique, la force de répulsion magnétique produite compense le champ gravitationnel s'exerçant sur le véhicule 12.For each superconducting module 14, the transport system according to the invention further comprises magnetic repulsion means 15 between the underside of the frame 13 and the upper face of said superconducting module 14. These repulsion means 15 are mechanically fixed to the frame and interact with said superconducting module 14 so that a magnetic repulsion force is generated on the repulsion means 15, causing the levitation thereof, and thus the vehicle 12, above said superconducting module 14, when the superconductor 16 is cooled below the critical temperature Te. Note that this effect is obtained when the distance between the superconducting module 14 and the magnetic repulsion means 15 is less than a critical spacing distance (threshold), beyond which the magnetic force is no longer sufficient to compensate the gravitational field exerted on the vehicle 12. In other words, below this critical spacing distance, the magnetic repulsion force produced compensates the gravitational field acting on the vehicle 12.
Dans l'exemple illustré ici, les moyens de répulsion magnétique 15 sont constitués d'un réseau d'aimants permanents, de formule Nd2Fei4B, distribués selon une configuration de type « Halbach », comme illustré sur la figure 7. Bien sûr, l'invention ne se limite pas à cet exemple particulier, mais peut s'appliquer à tout type de moyens de répulsion magnétique dont la fonction est de produire une force de répulsion magnétique sur un module supraconducteur, sans sortir du cadre de l'invention. On pourrait envisager par exemple l'utilisation d'un simple bloc d'aimant permanent ou d'un autre assemblage d'aimants permanents remplissant la fonction de moyens de répulsion magnétique conformément à l'invention. L'homme du métier adaptera la nature des aimants permanents utilisés en tant que moyens de répulsion magnétique 15 selon l'invention de sorte que la force de répulsion produite équilibre le poids du véhicule à une distance du module supraconducteur garantissant le fonctionnement et la stabilité du système de transport. On pourra utiliser tout matériau à base d'aimants permanents permettant de créer un champ rémanent élevé, c'est-à-dire égal ou supérieur à 0,5 T, et possédant un champ coercitif élevé, c'est-à-dire égal ou supérieur à 1000 kA/m. On pourrait envisager d'implémenter par exemple un réseau d'aimants permanents dont la formule chimique comprend du samarium et du cobalt et dont le champ magnétique rémanent peut atteindre 1.1 T et le champ coercitif 2000 kA/m.In the example illustrated here, the magnetic repulsion means 15 consist of an array of permanent magnets, of formula Nd2Fei4B, distributed in a "Halbach" type configuration, as illustrated in FIG. 7. Of course, the The invention is not limited to this particular example, but can be applied to any type of magnetic repulsion means whose function is to produce a magnetic repulsion force on a superconducting module, without departing from the scope of the invention. One could consider for example the use of a single permanent magnet block or another assembly of permanent magnets performing the function of magnetic repulsion means according to the invention. Those skilled in the art will adapt the nature of the permanent magnets used as magnetic repulsion means according to the invention so that the repulsion force produced balances the weight of the vehicle at a distance from the superconducting module ensuring the operation and stability of the transport system. Any material based on permanent magnets can be used to create a high residual field, that is to say equal to or greater than 0.5 T, and having a high coercive field, that is to say equal or greater than 1000 kA / m. One could consider implementing for example a network of permanent magnets whose chemical formula comprises samarium and cobalt and whose remanent magnetic field can reach 1.1 T and the coercive field 2000 kA / m.
Dans cette configuration, le véhicule 12 se retrouve en lévitation magnétique au dessus du module supraconducteur 14, qui se retrouve lui-même en lévitation au dessus du moyen de guidage magnétique 11. L'invention propose donc un système à double suspension magnétique, une suspension magnétique étant présente de part et d'autre du module supraconducteur 14. Ainsi, contrairement aux systèmes de transport à lévitation classiques, les modules supraconducteurs ne sont plus liés mécaniquement au châssis, ce qui permet de générer des forces de répulsion plus élevées tout en préservant le coût de maintien en température des supraconducteurs (puisque les pertes thermiques sont considérablement réduites).In this configuration, the vehicle 12 is found in magnetic levitation above the superconducting module 14, which is itself levitated above the magnetic guide means 11. The invention therefore proposes a double magnetic suspension system, a suspension This magnetic circuit is present on both sides of the superconducting module 14. Thus, unlike conventional levitation transport systems, the superconducting modules are no longer mechanically linked to the chassis, which makes it possible to generate higher repulsion forces while preserving the temperature maintenance cost of the superconductors (since the thermal losses are considerably reduced).
Les inventeurs ont découvert qu'en fonction de la structure et des dimensions des moyens de répulsion magnétiques 15, il existe une plage de distances entre les moyens de répulsion magnétique 15 et le rail 11 pour laquelle le système dans son ensemble est stable même si les moyens de répulsion magnétique 15 et le rail 11 présentent des polarités opposées. A titre d'exemple, si les moyens de répulsion magnétiques 15 sont identiques à ceux de guidage magnétique 11, la stabilité est obtenue si la distance entre les moyens de répulsion magnétique 15 et le module supraconducteur 14 est égale ou proche de celle entre le rail 11 et le module supraconducteur 14.The inventors have discovered that, depending on the structure and the dimensions of the magnetic repulsion means 15, there is a range of distances between the magnetic repulsion means 15 and the rail 11 for which the system as a whole is stable even if the magnetic repulsion means 15 and the rail 11 have opposite polarities. By way of example, if the magnetic repulsion means 15 are identical to those of magnetic guidance 11, the stability is obtained if the distance between the magnetic repulsion means 15 and the superconducting module 14 is equal to or close to that between the rail 11 and the superconducting module 14.
Le système de transport selon l'invention peut également comprendre des moyens d'amortissement élastique (non illustrés sur les figures) placés sur les moyens de répulsion magnétique 15 et le châssis 13, dont le rôle serait d'absorber au moins partiellement les contraintes mécaniques agissant sur les moyens de répulsion magnétique 15. L'homme du métier est à même de définir les forces de répulsion magnétique respectivement entre le moyen de guidage et le module supraconducteur, et entre le module supraconducteur et le dispositif de répulsion, nécessaires à la mise en lévitation du véhicule.The transport system according to the invention may also comprise elastic damping means (not shown in the figures) placed on the magnetic repulsion means 15 and the frame 13, the role of which would be to absorb at least partially the mechanical stresses acting on the magnetic repulsion means 15. The skilled person is able to define the magnetic repulsion forces respectively between the guide means and the superconducting module, and between the superconducting module and the repulsion device, necessary for the implementation. in levitation of the vehicle.
La figure 5 représente un système de transport à lévitation magnétique selon une variante de réalisation de l'invention. A la différence du système présenté à la figure 4, le module supraconducteur 140 du véhicule 120 illustré sur la figure 5 comprend deux blocs supraconducteurs 141 et 142 superposés et mécaniquement solidaires. Le principe ici est d'associer le supraconducteur 141 disposée en partie supérieure du module 140 avec les moyens de répulsion magnétique 15 fixés au châssis 13 et le supraconducteur 142 disposée en partie inférieure du module 140 avec le moyen de guidage magnétique 11, de façon à former un système à double suspension magnétique conformément à l'invention.FIG. 5 represents a magnetic levitation transport system according to an alternative embodiment of the invention. Unlike the system shown in Figure 4, the superconducting module 140 of the vehicle 120 shown in Figure 5 comprises two superconducting blocks 141 and 142 superimposed and mechanically secured. The principle here is to associate the superconductor 141 disposed in the upper part of the module 140 with the magnetic repulsion means 15 fixed to the frame 13 and the superconductor 142 disposed in the lower part of the module 140 with the magnetic guide means 11, so as to forming a double magnetic suspension system according to the invention.
En cas de polarités opposées entre le moyen de guidage et le dispositif de répulsion fixé au châssis, comme illustré sur la figure 5 (faces de polarités Sud disposées en regard), une force de répulsion complémentaire peut s'exercer entre le dit moyen de guidage 11 et les dits moyens de répulsion 15, dépendant de la distance entre ceux-ci.In the case of opposite polarities between the guiding means and the repulsion device attached to the frame, as illustrated in FIG. 5 (faces of opposite polarities facing south), a complementary repulsion force can be exerted between said guiding means. 11 and said repulsion means 15, depending on the distance between them.
Pour que cette force complémentaire soit créée, la distance entre les moyens de répulsion magnétique 15 et le rail 11 doit être inférieure à une distance d'écartement critique (seuil) au-delà de laquelle les forces de répulsion magnétique produits par le moyen de guidage magnétique 11 et les moyens de répulsion magnétique 15 n'interagissent plus entre eux ou sont négligeables devant les autres forces magnétiques s'exerçant dans le système. En dessous de cette distance d'écartement critique, les forces magnétiques permettant de mettre en lévitation le véhicule 120 s'en trouvent renforcée grâce à l'interaction répulsive entre aimants.For this complementary force to be created, the distance between the magnetic repulsion means 15 and the rail 11 must be less than a critical spacing distance (threshold) beyond which the magnetic repulsion forces produced by the guide means magnetic 11 and the magnetic repulsion means 15 no longer interact with each other or are negligible compared to the other magnetic forces acting in the system. Below this critical spacing distance, the magnetic forces to levitate the vehicle 120 are enhanced by the repulsive interaction between magnets.
Inversement, si la distance entre les moyens de répulsion magnétiques 15 et le rail 11 supraconducteurs est égale ou supérieure à la distance d'écartement critique, l'interaction entre les moyens de répulsion 15 et le moyen de guidage 11 qui tend à déstabiliser le système devient négligeable devant les autres forces magnétiques (interaction aimant-aimant négligeable ou inexistante) et la stabilisation du système s'en trouve améliorée.Conversely, if the distance between the magnetic repulsion means 15 and the superconducting rail 11 is equal to or greater than the critical spacing distance, the interaction between the repulsion means 15 and the guide means 11 which tends to destabilize the system becomes negligible in the presence of other magnetic forces (magnet-magnet interaction negligible or non-existent) and the stabilization of the system is improved.
Ainsi, cette variante permet d'obtenir deux dispositifs magnétiques de polarités opposées (le premier étant constitué de l'élément supraconducteur en partie inférieure du module et du moyen de guidage et le second étant constitué de l'élément supraconducteur en partie supérieure du module et des moyens de répulsion magnétique solidarisés au châssis) offrant la possibilité d'amplifier les forces de lévitation nécessaires pour faire léviter le véhicule au dessus du moyen de guidage tout en conservant une stabilité satisfaisante du système dans son ensemble. L'homme du métier adaptera la distance entre des deux supraconducteurs 141 et 142, ainsi que la nature, la forme et l'arrangement des matériaux magnétiques utilisés dans les différents éléments du système, de sorte à trouver le meilleur compromis entre le renforcement de la force de lévitation du véhicule et le maintien d'une stabilité satisfaisante du système dans sa globalité (plus cette distance diminue, plus la force de lévitation est renforcée et moins le système est stable, et plus cette distance augmente, plus la stabilité du système est privilégiée et moins la force de lévitation est renforcée).Thus, this variant makes it possible to obtain two magnetic devices of opposite polarities (the first consisting of the superconducting element in the lower part of the module and the guiding means and the second consisting of the superconducting element in the upper part of the module and magnetic repulsion means secured to the frame) providing the possibility of amplifying the levitation forces necessary to levitate the vehicle above the guide means while maintaining a satisfactory stability of the system as a whole. Those skilled in the art will adapt the distance between the two superconductors 141 and 142, as well as the nature, shape and arrangement of the magnetic materials used in the various elements of the system, so as to find the best compromise between the reinforcement of the the levitation force of the vehicle and the maintenance of a satisfactory stability of the system as a whole (the more this distance decreases, the more the levitation force is reinforced and the less the system is stable, and the more this distance increases, the more the stability of the system is privileged and less the levitation force is reinforced).
Selon une variante de réalisation, le rail magnétique et les moyens de répulsion magnétiques peuvent être de même polarité. Dans ce cas, ils doivent être séparés d'une distance qui est supérieure à une distance d'écartement critique au delà de laquelle la force d'attraction magnétique produite entre le rail magnétique et les moyens de répulsion magnétiques ne s'exerce plus entre eux. Dans cette configuration, le système est opérationnel et fonctionne si la distance entre ledit moyen de guidage magnétique et lesdits moyens de répulsion magnétiques est suffisamment grande pour que la force attractive entre ces deux éléments soit négligeable devant les autres forces magnétiquesAccording to an alternative embodiment, the magnetic rail and the magnetic repulsion means may be of the same polarity. In this case, they must be separated by a distance that is greater than a critical spacing distance beyond which the magnetic attraction force produced between the magnetic rail and the magnetic repulsion means is no longer exerted between them . In this configuration, the system is operational and operates if the distance between said magnetic guiding means and said magnetic repulsion means is sufficiently large so that the attractive force between these two elements is negligible compared to other magnetic forces.
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| WO2017045926A1 (en) | 2017-03-23 |
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