WO2015121507A2 - Cryostat, véhicule de transport à sustentation magnétique et système de transport à sustentation magnétique associés - Google Patents

Cryostat, véhicule de transport à sustentation magnétique et système de transport à sustentation magnétique associés Download PDF

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WO2015121507A2
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Pierre Bernstein
Jacques NOUDEM
Muhamad ABURAS
Elisabeth DELIVET
Benoit BOUGLE
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    • B60L13/04—Magnetic suspension or levitation for vehicles
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    • F16C32/0438—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part with a superconducting body, e.g. a body made of high temperature superconducting material such as YBaCuO

Definitions

  • the present invention relates to a cryostat intended to be integrated in a magnetic levitation transport system, the cryostat comprising at least one superconducting element and an envelope inside which each superconducting element is arranged, the cryostat being adapted to maintain each element superconductor at a desired temperature and the envelope extending along a longitudinal axis.
  • the present invention also relates to a magnetically levitated transport vehicle comprising such a cryostat and a magnetically levitated transport system comprising such a vehicle.
  • the magnetic levitation means In the field of magnetic levitation transport systems, it is known to use a vehicle with magnetic levitation comprising magnetic levitation means capable of interacting with a magnetic path, in order to keep the vehicle levitated above the track.
  • the magnetic levitation means generally comprise cryostats, within which are disposed at least one superconducting element and a heat transfer fluid for cooling and maintaining at a desired temperature each superconducting element. It is the interaction between each superconducting element and the magnetic path that induces a magnetic levitation force exerted between the track and each superconducting element and causing the vehicle to lift above the magnetic track.
  • Such a superconducting element is, for example, described in EP 1 390 992 B1, which has superconducting magnesium diboride-based elements suitable for use in levitating systems.
  • the induced levitation force when such a superconducting element is positioned above a magnetic path, that is to say immersed in a magnetic induction field, is limited and insufficient to maintain a lift. vehicle such as a railway vehicle.
  • cryostats comprising a plurality of superconducting elements, so that the cryostats are capable of inducing a levitation force sufficient to allow levitation or levitation of the railway vehicle.
  • cryostats are expensive and induce, when they are arranged above the magnetic path, a levitation force limited in size.
  • the object of the invention is therefore to propose a cryostat integrating superconducting elements whose manufacturing cost is reduced and which is capable of inducing, when it interacts with a magnetic induction field, an optimized levitation force, in particular relatively at its height.
  • the invention relates to a cryostat of the aforementioned type, characterized in that the length of each superconducting element along the longitudinal axis is between 30% and 100% of the length of the envelope, and in that each superconducting element is a massive element of superconducting material.
  • each superconducting element has a substantial length, compared to the size of the cryostat, makes it possible to minimize the number of superconducting elements disposed in the envelope of the cryostat, while optimizing the lift force to be induced by the cryostat.
  • such a cryostat further comprises one or more of the following characteristics, taken alone or in any technically permissible combination:
  • each superconducting element is based on magnesium diboride
  • each superconductive element has, in a horizontal sectional plane perpendicular to a vertical axis of the cryostat, a horizontal section in the form of a perforated surface;
  • the horizontal section has an area of between 2% and 75%, preferably between 5% and 30%, of the area of the total surface delimited by an outer contour of the horizontal section;
  • the horizontal section has an outer contour and an inner contour of generally rectangular or elliptical shape
  • the superconducting element or elements occupy, along a transverse axis of the cryostat, perpendicular to the longitudinal axis, between 60% and 100% of the width of the envelope 34;
  • the length of the envelope is between 30 cm and 3 m, preferably between 40 cm and 150 cm.
  • the subject of the invention is also a magnetically levitated transport vehicle comprising at least one cryostat as defined above, the cryostat being intended to be positioned opposite a magnetic path over which the vehicle is able to move.
  • the invention further relates to a magnetically levitated transport system comprising a magnetic path comprising permanent magnets and a plurality of distinct ferromagnetic elements, each ferromagnetic element defining a north or south magnetic pole, and a levitation vehicle.
  • magnetic device characterized in that the magnetic levitation vehicle is as defined above, and in that each cryostat is capable of interacting with a magnetic induction field generated by the magnetic path.
  • the number of superconducting elements of each cryostat is equal to the number of ferromagnetic elements between two permanent magnets in a cross sectional plane perpendicular to the magnetic path.
  • FIG. 1 is a partial schematic representation of a magnetically levitated transport system according to the invention, comprising a magnetic pathway and a magnetic levitation vehicle equipped with a cryostat, in a first plane of transverse section P1 perpendicular to the magnetic path passing through an extremal face of superconductors integrated in the cryostat along a longitudinal axis X;
  • FIG. 2 is a schematic representation of the cryostat of FIG. 1 along a second transverse cross sectional plane P2 passing through a geometric center of the cryostat;
  • FIG. 3 is a schematic representation of the cryostat of Figures 1 and 2 according to a horizontal sectional plane P3 parallel to the magnetic path.
  • the magnetically levitated transport system 10 shown in FIG. 1 comprises a magnetic path 12 and a vehicle 14 with magnetic levitation.
  • the rail 16 comprises a plurality of permanent magnets 18, as well as external ferromagnetic elements 20 and internal ferromagnetic elements 22 magnetized by the permanent magnets 18.
  • the rail 16 is in the Halbach configuration and is composed, along a transverse axis Y perpendicular to the track 12, of an alternation of permanent magnets 18 and external ferromagnetic elements 20 and / or or internal 22.
  • polarization arrows 24 are represented on the permanent magnets 18 and indicate the axis of South / North polarity of the permanent magnets 18, that is to say the polarization of the permanent magnets 18.
  • the permanent magnets 18 generate a magnetic induction field B1, not shown, also called the magnetic induction field of the rail 16.
  • the external ferromagnetic elements 20 are positioned on outer edges 25A, 25B of the rail 16.
  • the internal ferromagnetic elements 22 are positioned between the outer edges 25A, 25B.
  • the internal ferromagnetic elements 22 are each included, along the transverse axis Y, between two permanent magnets 18. More specifically, the internal ferromagnetic elements 22 are each sandwiched between two permanent magnets 18.
  • the internal ferromagnetic elements 22 each further rest, along a vertical axis Z perpendicular to the magnetic path 12 and to the transverse axis Y, on a permanent magnet 18.
  • the external and internal ferromagnetic elements 20 are arranged in the upper part of the rail 16, facing the vehicle 14.
  • the external and internal ferromagnetic elements 20 are made of ferromagnetic material, for example steel, and form either a North pole or a South pole, depending on the polarity of the permanent magnets 18 which are contiguous to them.
  • each ferromagnetic element 20, 22 forms a North Pole, when the polarization arrows 24 of the permanent magnet (s) 18 contiguous to the ferromagnetic element point towards the ferromagnetic element 20, 22.
  • each ferromagnetic element 20, 22 forms a south pole, when the polarization arrows 24 of the permanent magnet or magnets 18 contiguous to the ferromagnetic element 20, 22 point in a direction opposite to that of the ferromagnetic element 20, 22.
  • the external and internal ferromagnetic elements 20 enable the magnetic induction field B1 to be guided towards the upper surface of the rail 16 and the vehicle 14, so that the vehicle 14 can interact with the magnetic induction field B1.
  • the vehicle with magnetic levitation 14 comprises a train 26 and a cryostat 28, arranged at the bottom of the train 26, so as to be positioned facing the magnetic track 12 and more precisely the rail 16.
  • the vehicle 14 comprises several reams 26 each provided with at least two cryostats 28, with each cryostat 28 which is opposite one of the rails 16 of the magnetic path 12.
  • the train 26 comprises a cooling system 30 of the cryostat 28, adapted to refrigerate a heat transfer fluid C circulating in the cryostat 28.
  • the cooling system 30 is, for example, adapted to maintain the heat transfer fluid C at a desired temperature, for example of the order of 30 Kelvin (K).
  • the cryostat 28 comprises a housing 32, an envelope 34 and two superconducting elements 36 included in the housing 32.
  • the envelope 34 is an inner envelope and contains the superconducting elements 36 and the heat transfer fluid C.
  • cryostat 28 is adapted to maintain each superconductor 36 at the desired temperature using the heat transfer fluid C.
  • the cryostat 28 comprises a thermal insulator 38 disposed between the housing 32 and the envelope 34.
  • the cryostat 28 is mechanically integral with the train 26.
  • the casing 34 is supplied with heat transfer fluid C, which is for example liquid helium, by means of the cooling system 30 and via tubes 40 for circulating heat transfer fluid C.
  • heat transfer fluid C which is for example liquid helium
  • the casing 34 extends along a longitudinal axis X, perpendicular to the first transverse section plane P1 and parallel to the magnetic channel 12.
  • the casing 34 has a length L1, measured along the longitudinal axis X, for example between 30 cm and 3 m, preferably between 40 cm and 150 cm.
  • the width W1 of the envelope 34, measured along the transverse axis Y is of the order of the width of the rail 16, for example between 15 cm and 40 cm.
  • Each superconducting element 36 is arranged at the bottom of the envelope 34 and is intended to be positioned above the rail 16.
  • the number of superconducting elements 36 is advantageously equal to the number of internal ferromagnetic elements 22.
  • Each superconducting element 36 is disposed facing one of the internal ferromagnetic elements 22 between two permanent magnets 18 in the transverse section plane P1, and is advantageously centered on the corresponding inner ferromagnetic element 22 along the transverse axis Y.
  • the length L2 of each superconducting element 36 is between 30% and 100% of the length L1 of the envelope 34.
  • the length L2 of each element superconductor 36 is of the order of 90% of the length L1 of the envelope 34.
  • each superconducting element 36 has a height H2, measured along the vertical axis Z, of between 0.3 cm and 15 cm, preferably between 0.5 cm and 5 cm.
  • the width W2 of each superconducting element 36, measured along the transverse axis Y, is between 30% and 50% of the width W1 of the envelope 34, and the superconducting elements 36 occupy, along the transverse axis Y between 60% and 100% of the width of the envelope 34.
  • Each superconducting element 36 is based on magnesium diboride (MgB 2) and is advantageously a solid magnesium diboride element.
  • solid element diboride magnesium is meant a structurally monoblock component, not associated with a support medium, and consisting essentially of magnesium diboride, that is to say for example, more than 95% of magnesium diboride .
  • each superconducting element 36 is in a superconducting material other than diboride magnesium such as a member of the cuprate or pnicture family.
  • each superconducting element 36 is a solid element of superconducting material.
  • Each superconducting element 36 is, for example, obtained from a mold inside which a magnesium diboride powder is compacted and then heated.
  • Superconductive element manufacturing methods are described, for example, in US Pat. No. 7,569,520 or US 2007/0123427.
  • each superconducting element 36 is in the form of a tube extending around a central axis parallel to the vertical axis Z.
  • each superconducting element 36 has a through-orifice according to FIG. corresponding central axis forming a central portion 41 perforated.
  • each superconducting element 36 has, in the horizontal sectional plane P3, a horizontal section S1 shaped perforated rectangle.
  • the horizontal section S1 is delimited by an outer contour 42, as well as an inner contour 44 surrounding the central openwork portion 41 of rectangular shape in FIG.
  • the outer contour 42 and the inner contour 44 are of generally rectangular shape and are positioned around the corresponding central axis.
  • the horizontal section S1 has an area of between 2% and 75%, preferably between 5% and 30% of the area of the total surface delimited by the outer contour 42.
  • each superconducting element 36 has, in the second cross-sectional plane P2, a transverse section S2 formed of two rectangular faces, separated from each other by the perforated central portion 41.
  • the thickness E2 of each of the rectangular faces, measured along the transverse axis Y, is identical and globally constant along the longitudinal axis X.
  • each rectangular face has an identical and constant area along the longitudinal axis X, comprised between 5% and 30% of the area resulting from the product of the height H2 and the width W2 of each superconducting element 36, know W2 * H2.
  • each superconducting element 36 are adapted to induce an optimized magnetic levitation force on the vehicle 14 and in particular on the train 26, when the vehicle 14 is disposed above the rail 16.
  • the cryostat 28 comprises superconducting elements 36 of optimized shape and size for inducing a magnetic levitation force F of optimized value when the cryostat 28 is above the rail 16, that is to say when the cryostat 28 interacts with the magnetic induction field B1 generated by the rail 16.
  • the magnetic levitation force F is exerted between the rail 16, which forms a source of magnetic induction field B1, and each superconducting element 36.
  • the magnetic levitation force F is an increasing function of the magnetic moment of the superconducting elements 36, when they interact with the magnetic induction field B1. More specifically, the magnetic moment of the superconducting elements 36 is induced by electric currents created in the superconducting elements 36, when the superconducting elements 36 are immersed in the magnetic induction field B1 and undergo stresses, such as their weight or the weight of the train 26, tending to change their position relative to the rail 16. However, according to Lenz's law, the electric currents created, produce a magnetic induction field which opposes the magnetic induction field B1 generated by the rail, which causes the appearance of the levitation force F and explains the phenomenon of levitation.
  • the dimensions of the superconducting elements 36 make it possible to generate an optimized levitation force F, especially in comparison with a plurality usually found in the prior art of superconductors 36 joined to each other to form a face of width W2 and of length L2.
  • the magnetic moment of a superconducting element comprising a predetermined area face positioned opposite a magnetic source is greater than the magnetic moment of a plurality of superconducting elements defining a face equivalent to the area face. predetermined. It As a result, the lift force F proper to be induced by the cryostat 28, which is an increasing function of the magnetic moment of each superconducting element 36, is improved.
  • the use of the heat transfer fluid C contributes to the lift of the vehicle 14 in that the cooling below their critical temperature of the superconducting elements 36, all other things being equal, makes it possible to increase the suitable current density. to go through them without causing the loss of their superconducting character. Since the magnetic moment of the superconducting elements 36 is an increasing function of the current density passing through them, cooling the superconducting elements 36 via the heat transfer fluid C below their critical temperature makes it possible to increase the magnetic moment and therefore the force of sustenance F.
  • the fact that the superconducting elements 36 have a horizontal section S1 in the form of a perforated surface allows a saving of material and a reduction of the weight of each superconducting element 36, while generally retaining the same lift force F as when the superconducting elements have a horizontal section not perforated.
  • the currents induced in each superconducting element 36 originate at the periphery of the superconducting element 36, and the current density in a non-perforated central portion of a superconducting element is generally negligible.
  • cryostat 28 has an optimized weight and cost of manufacture, since the weight and manufacturing cost of each superconducting element 36 is reduced, and is capable of inducing an optimized levitation force.
  • the number of cryostats 28 necessary for the magnetic levitation of a given mass is, for example, reduced by a factor of 4 or 5 since the lift force F suitable for being induced by the cryostat 28 is optimized.
  • cryostats 28 necessary for the lift of the vehicle 14 is reduced, as is the cost of manufacturing the vehicle 14.
  • each superconducting element 36 has a massive diboride magnesium structure makes it possible to offer, when the cryostat 28 is positioned above the rail 16, an optimized magnetic moment in each superconductor 36 and in particular greater than the magnetic moment proper. to be obtained by an assembly of superconducting elements such as wires or ribbons.
  • each superconducting element 36 has, in the horizontal sectional plane P3, a perforated surface of generally annular shape defining an inner contour and an outer contour elliptical, or circular.
  • the number of superconducting elements 36 is a multiple of the number of internal ferromagnetic elements 22 and the superconducting elements 36 are distributed in the longitudinal direction X of the envelope 34, their longitudinal axis being advantageously aligned with a direction according to which the internal ferromagnetic elements 22 extend.
  • the number of superconducting elements 36 is between 1 and 12 for each cryostat 28.
  • the cooling system 30 is included in the cryostat 28.
  • each superconducting element 36 has, in the horizontal section plane P3, a horizontal section in the form of a solid surface.
  • the magnetic path 12 and in particular the rail 16 are in a configuration other than the presented Halbach configuration, such as a Halbach configuration comprising more than two internal pole pieces 22, or a Flux Shaper configuration, with a single configuration. internal pole piece 22.
  • the magnetic path 12 is a monorail track and comprises a single rail 16.
  • cryostats 28 make it possible on the one hand to improve the lift force of the superconducting magnetic levitation systems. for a footprint equivalent to current solutions and, on the other hand, to reduce the cost of the superconductors 36 implemented, to obtain an equivalent lift force.

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Abstract

Cryostat (28) destiné à être intégré dans un système (10) de transport à sustentation magnétique, le cryostat (28) comprenant au moins un élément supraconducteur (36) et une enveloppe (34) à l'intérieur de laquelle sont disposés chaque élément supraconducteur (36). Le cryostat est adapté pour maintenir chaque élément supraconducteur (36) à une température désirée et l'enveloppe (34) s'étend suivant un axe longitudinal (X). La longueur de chaque élément supraconducteur (36) suivant l'axe longitudinal (X), est comprise entre 30% et 100% de la longueur de l'enveloppe (34), et chaque élément supraconducteur est un élément massif en matériau supraconducteur.

Description

Cryostat, véhicule de transport à sustentation magnétique et système de transport à sustentation magnétique associés
La présente invention concerne un cryostat destiné à être intégré dans un système de transport à sustentation magnétique, le cryostat comprenant au moins un élément supraconducteur et une enveloppe à l'intérieur de laquelle sont disposés chaque élément supraconducteur, le cryostat étant adapté pour maintenir chaque élément supraconducteur à une température désirée et l'enveloppe s'étendant suivant un axe longitudinal.
La présente invention concerne également un véhicule de transport à sustentation magnétique comprenant un tel cryostat et un système de transport à sustentation magnétique comprenant un tel véhicule.
Dans le domaine des systèmes de transport à sustentation magnétique, il est connu d'utiliser un véhicule à sustentation magnétique comprenant des moyens de sustentation magnétique, aptes à interagir avec une voie magnétique, afin de maintenir le véhicule en sustentation au-dessus de la voie. Les moyens de sustentation magnétique comprennent généralement des cryostats, à l'intérieur desquels sont disposés au moins un élément supraconducteur et un fluide caloriporteur destiné à refroidir et à maintenir à une température désirée chaque élément supraconducteur. C'est l'interaction entre chaque élément supraconducteur et la voie magnétique qui induit une force de sustentation magnétique, s'exerçant entre la voie et chaque élément supraconducteur et entraînant la sustentation du véhicule au-dessus de la voie magnétique.
Un tel élément supraconducteur est, par exemple, décrit dans le document EP 1 390 992 B1 , qui présente des éléments supraconducteurs à base de magnésium diboride, propres à être utilisés dans des systèmes à sustentation. Cependant, la force de sustentation induite, lorsqu'un tel élément supraconducteur est positionné au-dessus d'une voie magnétique, c'est-à-dire plongé dans un champ d'induction magnétique, est limitée et insuffisante pour maintenir en sustentation un véhicule tel qu'un véhicule ferroviaire.
II est ainsi connu de fabriquer des cryostats comprenant une pluralité d'éléments supraconducteurs, afin que les cryostats soient propres à induire une force de sustentation suffisante pour permettre la sustentation ou lévitation du véhicule ferroviaire. Cependant, de tels cryostats sont coûteux et induisent, lorsqu'ils sont disposés au-dessus de la voie magnétique, une force de sustentation limitée relativement à leur taille. En effet, dans de tels cryostats, afin d'augmenter la force de sustentation propre à être induite par le cryostat lorsqu'il interagit avec un champ d'induction magnétique, il est nécessaire d'augmenter la taille du cryostat afin d'augmenter le nombre d'éléments supraconducteurs compris dans le cryostat.
Le but de l'invention est donc de proposer un cryostat intégrant des éléments supraconducteurs dont le coût de fabrication est réduit et qui est apte à induire, lorsqu'il interagit avec un champ d'induction magnétique, une force de sustentation optimisée, notamment relativement à sa taille.
A cet effet, l'invention concerne un cryostat du type précité, caractérisé en ce que la longueur de chaque élément supraconducteur suivant l'axe longitudinal, est comprise entre 30% et 100% de la longueur de l'enveloppe, et en ce que chaque élément supraconducteur est un élément massif en matériau supraconducteur.
Grâce à l'invention, le coût de fabrication et la force de sustentation propre à être induite par le cryostat, notamment lorsqu'il est positionné au-dessus d'une voie magnétique, sont améliorés. En effet, le fait que chaque élément supraconducteur ait une longueur conséquente, comparativement à la taille du cryostat, permet de minimiser le nombre d'éléments supraconducteurs disposés dans l'enveloppe du cryostat, tout en optimisant la force de sustentation propre à être induite par le cryostat.
Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel cryostat comprend en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement admissibles :
- chaque élément supraconducteur est à base de magnésium diboride ;
- chaque élément supraconducteur a, dans un plan de coupe horizontale perpendiculaire à un axe vertical du cryostat, une section horizontale en forme de surface ajourée ;
- la section horizontale a une aire comprise entre 2% et 75%, de préférence entre 5% et 30%, de l'aire de la surface totale délimitée par un contour externe de la section horizontale ;
- la section horizontale a un contour externe et un contour interne de forme globalement rectangulaire ou elliptique ;
- le ou les éléments supraconducteurs occupent, suivant un axe transversal du cryostat, perpendiculaire à l'axe longitudinal, entre 60% et 100% de la largeur de l'enveloppe 34 ;
- la longueur de l'enveloppe est comprise entre 30 cm et 3 m, de préférence entre 40 cm et 150 cm.
L'invention a également pour objet un véhicule de transport à sustentation magnétique comprenant au moins un cryostat tel que défini ci-dessus, le cryostat étant destiné à être positionné en regard d'une voie magnétique au-dessus de laquelle le véhicule est propre à se déplacer.
L'invention a, en outre, pour objet un système de transport à sustentation magnétique comprenant une voie magnétique comprenant des aimants permanents et une pluralité d'éléments ferromagnétiques distincts, chaque élément ferromagnétique définissant un pôle magnétique Nord ou Sud, et un véhicule à sustentation magnétique, caractérisé en ce que le véhicule à sustentation magnétique est tel que défini ci-dessus, et en ce que chaque cryostat est apte à interagir avec un champ d'induction magnétique généré par la voie magnétique.
Avantageusement, le nombre d'éléments supraconducteurs de chaque cryostat est égal au nombre d'éléments ferromagnétiques compris entre deux aimants permanents suivant un plan de coupe transversale perpendiculaire à la voie magnétique.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront à la lumière de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique partielle d'un système de transport à sustentation magnétique conforme à l'invention, comprenant une voie magnétique et un véhicule à sustentation magnétique muni d'un cryostat, suivant un premier plan de coupe transversale P1 perpendiculaire à la voie magnétique passant par une face extrémale de supraconducteurs intégrés au cryostat suivant un axe longitudinal X;
- la figure 2 est une représentation schématique du cryostat de la figure 1 suivant un second plan de coupe transversale P2 passant par un centre géométrique du cryostat; et
- la figure 3 est une représentation schématique du cryostat des figures 1 et 2 suivant un plan de coupe horizontale P3 parallèle à la voie magnétique.
Le système de transport 10 à sustentation magnétique représenté à la figure 1 comprend une voie magnétique 12 et un véhicule 14 à sustentation magnétique.
Sur la figure 1 , un seul rail 16 de la voie magnétique 12 est représenté.
Le rail 16 comporte une pluralité d'aimants permanents 18, ainsi que des éléments ferromagnétiques externes 20 et des éléments ferromagnétiques internes 22 magnétisés par les aimants permanents 18.
Avantageusement, et comme représenté à la figure 1 , le rail 16 est en configuration Halbach et est composé, suivant un axe transversal Y perpendiculaire à la voie 12, d'une alternance d'aimants permanents 18 et d'éléments ferromagnétiques externes 20 et/ou internes 22. A la figure 1 , des flèches de polarisation 24 sont représentées sur les aimants permanents 18 et indiquent l'axe de polarité Sud/Nord des aimants permanents 18, c'est- à-dire la polarisation des aimants permanents 18.
Les aimants permanents 18 génèrent un champ d'induction magnétique B1 , non représenté, également appelé champ d'induction magnétique du rail 16.
Les éléments ferromagnétiques externes 20 sont positionnés sur des bords extérieurs 25A, 25B du rail 16.
Les éléments ferromagnétiques internes 22 sont positionnés entre les bords extérieurs 25A, 25B. Les éléments ferromagnétiques internes 22 sont chacun compris, suivant l'axe transversal Y, entre deux aimants permanents 18. Plus précisément, les éléments ferromagnétiques internes 22 sont chacun enserrés entre deux aimants permanents 18.
Les éléments ferromagnétiques internes 22 reposent en outre chacun, suivant un axe vertical Z perpendiculaire à la voie magnétique 12 et à l'axe transversal Y, sur un aimant permanent 18.
Les éléments ferromagnétiques externes 20 et internes 22 sont disposé en partie haute du rail 16, en regard du véhicule 14.
Les éléments ferromagnétiques externes 20 et internes 22 sont en matériau ferromagnétique, par exemple en acier, et forment soit un pôle Nord, soit un pôle Sud, en fonction de la polarité des aimants permanents 18 qui leur sont accolés.
Plus précisément, chaque élément ferromagnétique 20, 22, forme un pôle Nord, lorsque les flèches de polarisation 24 du ou des aimants permanents 18 accolés à l'élément ferromagnétique pointent vers l'élément ferromagnétique 20, 22.
De même, chaque élément ferromagnétique 20, 22, forme un pôle Sud, lorsque les flèches de polarisation 24 du ou des aimants permanents 18 accolés à l'élément ferromagnétique 20, 22 pointent dans une direction opposée de celle de l'élément ferromagnétique 20, 22.
Les éléments ferromagnétiques externes 20 et internes 22 permettent le guidage du champ d'induction magnétique B1 vers la surface supérieure du rail 16 et le véhicule 14, afin que le véhicule 14 interagisse avec le champ d'induction magnétique B1 .
Le véhicule à sustentation magnétique 14 comprend une rame 26 et un cryostat 28, disposé en partie basse de la rame 26, de manière à être positionné en regard de la voie magnétique 12 et plus précisément du rail 16.
Plus généralement, et de manière non représentée, le véhicule 14 comprend plusieurs rames 26 munies chacune d'au moins deux cryostats 28, avec chaque cryostat 28 qui est en regard de l'un des rails 16 de la voie magnétique 12. La rame 26 comprend un système 30 de refroidissement du cryostat 28, adapté pour réfrigérer un fluide caloriporteur C circulant dans le cryostat 28.
Le système de refroidissement 30 est, par exemple, propre à maintenir le fluide caloriporteur C à une température désirée, par exemple de l'ordre de 30 Kelvin (K).
Le cryostat 28 comprend un boîtier 32, une enveloppe 34 et deux éléments supraconducteurs 36 compris dans le boîtier 32. L'enveloppe 34 est une enveloppe interne et contient les éléments supraconducteurs 36 et le fluide caloriporteur C.
Ainsi, le cryostat 28 est adapté pour maintenir chaque supraconducteur 36 à la température désirée à l'aide du fluide caloriporteur C.
Le cryostat 28 comprend un isolant thermique 38 disposé entre le boîtier 32 et l'enveloppe 34.
Le cryostat 28 est mécaniquement solidaire de la rame 26.
L'enveloppe 34 est alimentée en fluide caloriporteur C, qui est par exemple de l'hélium liquide, à l'aide du système de refroidissement 30 et via des tubes 40 de circulation du fluide caloriporteur C.
L'enveloppe 34 s'étend suivant un axe longitudinal X, perpendiculaire au premier plan de coupe transversale P1 et parallèle à la voie magnétique 12. L'enveloppe 34 a une longueur L1 , mesurée suivant l'axe longitudinal X, par exemple comprise entre 30 cm et 3 m, de préférence entre 40 cm et 150 cm.
La largeur W1 de l'enveloppe 34, mesurée suivant l'axe transversal Y est de l'ordre de la largeur du rail 16, par exemple comprise entre 15 cm et 40 cm.
Chaque élément supraconducteur 36 est disposé en partie basse de l'enveloppe 34 et est destiné à être positionné au-dessus du rail 16.
Le nombre d'éléments supraconducteurs 36 est avantageusement égal au nombre d'éléments ferromagnétiques internes 22.
Chaque élément supraconducteur 36 est disposé en regard de l'un des éléments ferromagnétiques internes 22 compris entre deux aimants permanents 18 suivant le plan de coupe transversale P1 , et est avantageusement centré sur l'élément ferromagnétique interne correspondant 22 suivant l'axe transversal Y.
Comme représenté à la figure 3, la longueur L2 de chaque élément supraconducteur 36, mesurée suivant l'axe longitudinal X, est comprise entre 30% et 100% de la longueur L1 de l'enveloppe 34. Avantageusement, la longueur L2 de chaque élément supraconducteur 36 est de l'ordre de 90% de la longueur L1 de l'enveloppe 34.
Comme représenté à la figure 2, chaque élément supraconducteur 36 a une hauteur H2, mesurée suivant l'axe vertical Z, comprise entre 0,3 cm et 15 cm, de préférence entre 0,5 cm et 5 cm. Avantageusement, la largeur W2 de chaque élément supraconducteur 36, mesurée suivant l'axe transversal Y, est comprise entre 30% et 50% de la largeur W1 de l'enveloppe 34, et les éléments supraconducteurs 36 occupent, suivant l'axe transversal Y, entre 60% et 100% de la largeur de l'enveloppe 34.
Chaque élément supraconducteur 36 est à base de magnésium diboride (MgB2) et est avantageusement un élément massif en magnésium diboride. Par élément massif en magnésium diboride, on entend un élément formant une pièce structurellement monobloc, non associée à un support de maintien, et constituée essentiellement de magnésium diboride, c'est-à-dire par exemple, à plus de 95% de magnésium diboride.
En variante, chaque élément supraconducteur 36 est dans un matériau supraconducteur autre que le magnésium diboride tel qu'un membre de la famille des cuprates ou des pnictures.
Plus généralement, chaque élément supraconducteur 36 est un élément massif en matériau supraconducteur.
Chaque élément supraconducteur 36 est, par exemple, obtenu à partir d'un moule à l'intérieur duquel une poudre de magnésium diboride est compactée puis chauffée. Des méthodes de fabrication d'élément supraconducteur sont par exemple décrites dans US,7,569,520 ou dans US 2007/0123427.
Comme le montre la figure 3, chaque élément supraconducteur 36 est en forme de tube s'étendant autour d'un axe central parallèle à l'axe vertical Z. En d'autres termes, chaque élément supraconducteur 36 présente un orifice traversant suivant l'axe central correspondant formant une partie centrale 41 ajourée.
Autrement formulé, chaque élément supraconducteur 36 a, dans le plan de coupe horizontal P3, une section horizontale S1 en forme de rectangle ajouré.
La section horizontale S1 est délimitée par un contour externe 42, ainsi qu'un contour interne 44 entourant la partie centrale ajourée 41 de forme rectangulaire sur la figure 3.
En d'autres termes, le contour externe 42 et le contour interne 44 sont de forme globalement rectangulaire et sont positionnés autour de l'axe central correspondant.
La section horizontale S1 a une aire comprise entre 2% et 75%, de préférence entre 5% et 30% de l'aire de la surface totale délimitée par le contour externe 42.
De même, comme représenté à la figure 2, chaque élément supraconducteur 36 a, dans le second plan de coupe transversale P2, une section transversale S2 formée de deux faces rectangulaires, séparées l'une de l'autre par la partie centrale ajourée 41 . L'épaisseur E2 de chacune des faces rectangulaires, mesurée suivant l'axe transversal Y, est identique et globalement constante le long de l'axe longitudinal X. Avantageusement, chaque face rectangulaire a une aire identique et constante le long de l'axe longitudinal X, comprise entre 5% et 30% de l'aire résultant du produit de la hauteur H2 et de la largeur W2 de chaque élément supraconducteur 36, à savoir W2*H2.
Les dimensions de chaque élément supraconducteur 36 sont adaptées pour induire une force de sustentation magnétique de valeur optimisée sur le véhicule 14 et notamment sur la rame 26, lorsque le véhicule 14 est disposé au-dessus du rail 16.
Plus généralement, le cryostat 28 comprend des éléments supraconducteurs 36 de forme et de dimensions optimisées pour induire une force de sustentation magnétique F de valeur optimisée lorsque le cryostat 28 est au-dessus du rail 16, c'est-à-dire lorsque le cryostat 28 interagit avec le champ d'induction magnétique B1 généré par le rail 16.
La force de sustentation magnétique F s'exerce entre le rail 16, qui forme une source de champ d'induction magnétique B1 , et chaque élément supraconducteur 36.
La force de sustentation magnétique F est une fonction croissante du moment magnétique des éléments supraconducteurs 36, lorsqu'ils interagissent avec le champ d'induction magnétique B1 . Plus précisément, le moment magnétique des éléments supraconducteurs 36 est induit par des courants électriques créés dans les éléments supraconducteurs 36, lorsque les éléments supraconducteurs 36 sont plongés dans le champ d'induction magnétique B1 et subissent des efforts, tel que leur poids ou le poids de la rame 26, tendant à modifier leur position par rapport au rail 16. Or, d'après la loi de Lenz, les courants électriques créés, produisent un champ d'induction magnétique qui s'oppose au champ d'induction magnétique B1 généré par le rail, ce qui provoque l'apparition de la force de sustentation F et explique le phénomène de sustentation.
Ainsi, plus le moment magnétique des éléments supraconducteurs 36 est important, lorsque les éléments supraconducteurs 36 interagissent avec le champ d'induction magnétique B1 du rail 16, plus la force de sustentation F est importante.
Or, pour chaque élément supraconducteur 36, le moment magnétique est approximativement proportionnel au facteur P :
P = W2*L22+ L2*W22.
Ainsi, les dimensions des éléments supraconducteurs 36 permettent de générer une force de sustentation F optimisée, notamment en comparaison d'une pluralité habituellement constatée dans l'art antérieur de supraconducteurs 36 accolés les uns aux autres pour former une face de largeur W2 et de longueur L2.
Plus précisément, le moment magnétique d'un élément supraconducteur comprenant une face d'aire prédéterminée positionnée en regard d'une source magnétique, est supérieure au moment magnétique d'une pluralité d'éléments supraconducteurs définissant une face équivalente à la face d'aire prédéterminée. Il en résulte que la force de sustentation F propre à être induite par le cryostat 28, qui est une fonction croissante du moment magnétique de chaque élément supraconducteur 36, est améliorée.
En outre, l'utilisation du fluide caloriporteur C contribue à la sustentation du véhicule 14 en ce que le refroidissement en-dessous de leur température critique des éléments supraconducteurs 36, toutes choses restant égales par ailleurs, permet d'augmenter la densité de courant apte à les parcourir sans provoquer la perte de leur caractère supraconducteur. Le moment magnétique des éléments supraconducteurs 36 étant une fonction croissante de la densité de courant les parcourant, le fait de refroidir les éléments supraconducteurs 36 via le fluide caloriporteur C en-deçà de leur température critique permet d'augmenter le moment magnétique et donc la force de sustentation F.
De plus, le fait que les éléments supraconducteurs 36 présentent une section horizontale S1 en forme de surface ajourée, permet une économie de matière et une réduction du poids de chaque élément supraconducteur 36, tout en conservant globalement la même force de sustentation F que lorsque les éléments supraconducteurs ont une section horizontale non ajourée. En effet, les courants induits dans chaque élément supraconducteur 36 prennent naissance à la périphérie de l'élément supraconducteur 36, et la densité de courant dans une partie centrale non ajouré d'un élément supraconducteur est généralement négligeable.
Ainsi, le cryostat 28 a un poids et un coût de fabrication optimisés, puisque le poids et le coût de fabrication de chaque élément supraconducteur 36 est réduit, et est apte à induire une force de sustentation optimisée.
Le nombre de cryostats 28 nécessaire à la sustentation magnétique d'une masse donnée est, par exemple, réduit d'un facteur 4 ou 5 puisque la force de sustentation F propre à être induite par le cryostat 28 est optimisée.
Ainsi, le nombre de cryostats 28 nécessaires à la sustentation du véhicule 14 est réduit, de même que le coût de fabrication du véhicule 14.
De plus, le fait que chaque élément supraconducteur 36 ait une structure massive en magnésium diboride permet d'offrir, lorsque le cryostat 28 est positionné au-dessus du rail 16, un moment magnétique optimisé dans chaque supraconducteur 36 et notamment supérieur au moment magnétique propre à être obtenu par un assemblage d'éléments supraconducteurs tels que des fils ou des rubans.
En variante, chaque élément supraconducteur 36 présente, dans le plan de coupe horizontale P3, une surface ajourée de forme globalement annulaire définissant un contour interne et un contour externe elliptiques, ou circulaires. Selon une autre variante, le nombre d'éléments supraconducteurs 36 est un multiple du nombre d'éléments ferromagnétiques internes 22 et les éléments supraconducteurs 36 sont répartis dans la direction longitudinale X de l'enveloppe 34, leur axe longitudinal étant avantageusement aligné avec une direction suivant laquelle s'étendent les éléments ferromagnétiques internes 22.
Selon une autre variante encore, le nombre d'éléments supraconducteurs 36 est compris entre 1 et 12 pour chaque cryostat 28.
Selon une autre variante, le système de refroidissement 30 est compris dans le cryostat 28.
Selon une autre variante, chaque élément supraconducteur 36 a, dans le plan de coupe horizontale P3, une section horizontale en forme de surface pleine.
Selon une autre variante encore, la voie magnétique 12 et notamment le rail 16 sont dans une configuration autre que la configuration Halbach présentée, telle qu'une configuration Halbach comprenant plus de deux pièces polaires internes 22, ou une configuration Flux Shaper, avec une seule pièce polaire interne 22.
Selon une autre variante, non représentée, la voie magnétique 12 est une voie monorail et comprend un seul rail 16.
Grâce à l'augmentation relative de la taille des éléments supraconducteurs 36 et à l'ajourage des éléments supraconducteurs 36 en leur centre, les cryostats 28 permettent, d'une part, d'améliorer la force de sustentation des systèmes à sustentation magnétique à supraconducteurs pour un encombrement équivalent aux solutions actuelles et, d'autre part, de diminuer le coût des supraconducteurs 36 mis en œuvre, pour obtenir une force de sustentation équivalente.
Les modes de réalisation et variantes envisagés ci-dessus sont propres à être combinés entre eux pour donner lieu à d'autres modes de réalisation de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS 1 .- Cryostat (28) destiné à être intégré dans un système (10) de transport à sustentation magnétique, le cryostat (28) comprenant au moins un élément supraconducteur (36) et une enveloppe (34) à l'intérieur de laquelle sont disposés chaque élément supraconducteur (36), le cryostat étant adapté pour maintenir chaque élément supraconducteur (36) à une température désirée et l'enveloppe (34) s'étendant suivant un axe longitudinal (X), caractérisé en ce que la longueur (L2) de chaque élément supraconducteur (36) suivant l'axe longitudinal (X), est comprise entre 30% et 100% de la longueur (L1 ) de l'enveloppe (34), et en ce que chaque élément supraconducteur est un élément massif en matériau supraconducteur.
2.- Cryostat selon la revendication 1 , caractérisé en ce que chaque élément supraconducteur (36) est à base de magnésium diboride (MgB2).
3. - Cryostat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque élément supraconducteur (36) a, dans un plan de coupe horizontale (P3) perpendiculaire à un axe vertical (Z) du cryostat (28), une section horizontale (S1 ) en forme de surface ajourée.
4. - Cryostat selon la revendication 3, caractérisé en ce que la section horizontale (S1 ) a une aire comprise entre 2% et 75%, de préférence entre 5% et 30%, de l'aire de la surface totale délimitée par un contour externe (42) de la section horizontale (S1 ).
5. - Cryostat selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la section horizontale (S1 ) a un contour externe (42) et un contour interne (44) de forme globalement rectangulaire ou elliptique.
6. - Cryostat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les éléments supraconducteurs (36) occupent, suivant un axe transversal (Y) du cryostat (28), perpendiculaire à l'axe longitudinal (X), entre 60% et 100% de la largeur (W1 ) de l'enveloppe 34.
7.- Cryostat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur (L1 ) de l'enveloppe (34) est comprise entre 30 cm et 3 m, de préférence entre 40 cm et 150 cm.
8.- Véhicule de transport (14) à sustentation magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un cryostat (28) conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, le cryostat (28) étant destiné à être positionné en regard d'une voie magnétique (12) au-dessus de laquelle le véhicule (14) est propre à se déplacer.
9.- Système de transport (10) à sustentation magnétique comprenant :
- une voie magnétique (12) comprenant des aimants permanents (18) et une pluralité d'éléments ferromagnétiques (20, 22) distincts, chaque élément ferromagnétique (20, 22) définissant un pôle magnétique Nord ou Sud, et
- un véhicule (14) à sustentation magnétique,
caractérisé en ce que le véhicule à sustentation magnétique (14) est conforme à la revendication 8, et en ce que chaque cryostat (28) est apte à interagir avec un champ d'induction magnétique (B1 ) généré par la voie magnétique (12)
10.- Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que le nombre d'éléments supraconducteurs (36) de chaque cryostat (28) est égal au nombre d'éléments ferromagnétiques (22) compris entre deux aimants permanents (18) suivant un plan de coupe transversale (P1 ) perpendiculaire à la voie magnétique (12).
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