WO2017045926A1 - Systeme de transport a levitation magnetique - Google Patents

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WO2017045926A1 PCT/EP2016/070549 EP2016070549W WO2017045926A1 WO 2017045926 A1 WO2017045926 A1 WO 2017045926A1 EP 2016070549 W EP2016070549 W EP 2016070549W WO 2017045926 A1 WO2017045926 A1 WO 2017045926A1
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magnetic
superconducting
guiding means
repulsion
distance
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Pierre Bernstein
Jacques NOUDEM
Benoît BOUGLE
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Caen Normandie
Ecole Nationale Superieure dIngenieurs de Caen
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Caen Normandie
Ecole Nationale Superieure dIngenieurs de Caen
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61B—RAILWAY SYSTEMS; EQUIPMENT THEREFOR NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61B13/00—Other railway systems
    • B61B13/08—Sliding or levitation systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L13/00—Electric propulsion for monorail vehicles, suspension vehicles or rack railways; Magnetic suspension or levitation for vehicles
    • B60L13/04—Magnetic suspension or levitation for vehicles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/0408—Passive magnetic bearings
    • F16C32/0436—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
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2326/00—Articles relating to transporting
    • F16C2326/10—Railway vehicles

Definitions

  • the invention relates to magnetic levitation transport.
  • the invention relates to a magnetic levitation vehicle transport system.
  • 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 that compensate for the gravitational field on the object.
  • Vehicle means in the following of this document, any means of transport intended for the movement of persons or objects, such as metro, tramway, train, elevator, transport trolley, etc.
  • Magnetic levitation trains represent a considerable advance in the field of land transport. Unlike traditional trains running on steel rails, magnetic levitation trains are not in direct contact with their (or their) rail (s), which has a number of advantages. In fact, the absence of mechanical friction with the rails makes it possible to limit sound vibrations and mechanical vibrations, and to reach higher speeds.
  • this transport system 1 is composed of magnetic guiding rails 1a, 1b and a vehicle 2 movable above these rails.
  • the vehicle 2 has a chassis 3 on which are fixed superconducting modules 4a, 4b each consisting of a cryostat comprising a cryogenic liquid in which bathes a
  • the modules 4a, 4b located on the underside of the frame face the rails 1a, 1b so as to form a repulsive magnetic force allowing the vehicle 2 to levitate above the rails.
  • the superconductor block is kept below its critical operating temperature thanks to the cryogenic liquid (-196 ° C for example with liquid nitrogen).
  • the invention in at least one embodiment, has in particular the objective of overcoming these various disadvantages of the state of the art.
  • 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 superconductors. .
  • At least one embodiment of the invention also aims to provide a magnetically levitated transport system that thermally isolates the superconducting modules from the chassis.
  • 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. PRESENTATION OF THE INVENTION
  • a magnetic levitation transport system comprising:
  • 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 the magnetic guide means so as to levitate above the magnetic guide means;
  • magnetic repulsion means placed between the underside 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 underside of the chassis and on the other hand 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.
  • the general principle of the invention therefore consists in replacing the mechanical links between the superconducting modules and the chassis of the vehicle by a magnetic connection which ensures the transmission of magnetic repulsion forces to the chassis.
  • the chassis of the vehicle is then magnetically levitated above the prconducteur modules themselves levitated above the magnetic guiding means.
  • the invention thus proposes a double magnetic suspension system particularly well adapted to the transmission of magnetic repulsion forces to the vehicle.
  • the superconducting modules are no longer mechanically linked to the chassis, so it is possible to generate higher repulsion forces while preserving the temperature maintenance cost of the superconductors.
  • the magnetic repulsion means comprise at least one permanent magnet.
  • the repulsion forces generated between the superconducting modules and the frame are provided by magnetic repulsion means in the form of permanent magnets.
  • said at least one permanent magnet is of formula Nd 2 Fei 4 B.
  • This type of permanent magnet is particularly well suited to new magnetic levitation transport technologies, such as magnetic levitation trains.
  • the magnetic repulsion means comprise an array of permanent magnets arranged in a configuration of the type
  • 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.
  • the critical temperature depends on the nature of the superconductor used.
  • said at least one superconducting element belongs to the group comprising:
  • a superconducting element of formula XBa 2 Cu 3 O 7 with X representing a rare earth of symbol Y, Nd, Sm, Gd or Eu;
  • 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) Fe 2 As 2 whose critical temperature is 38 K.
  • the superconducting module comprises a superposed first and second superconducting element and mechanically integral, said first superconducting element being associated with said magnetic guiding means and said second superconducting element being associated with said magnetic repulsion means.
  • 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.
  • 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 magnetic repulsion force produced by the magnetic guiding means and the magnetic repulsion means is no longer exerted between them.
  • 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 magnetic attraction force produced between the magnetic guiding means and the magnetic repulsion means is no longer exerted between them.
  • the system is operational and not function if the distance between led it means of magnetic guidance and said magnetic repulsion means is sufficiently large that the attractive force between these two magnetic elements is negligible in front of other magnetic forces.
  • said magnetic guiding means is based on permanent magnets belonging to the group comprising:
  • the permanent magnets of said magnetic guiding means are arranged according to a configuration of Halbach type.
  • said magnetic guidance means belongs to the group comprising:
  • FIG. 1 already described in connection 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.
  • 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 according to a configuration of the "Halbach” type, which can be implemented in the magnetic guiding means according to the invention
  • FIG. 7 illustrates an example of a permanent magnet array distributed in a "Halbach” configuration, used as a magnetic repulsion means according to the invention.
  • 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:
  • 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.
  • Each magnetic rail comprises an array of permanent magnets of formula Nd 2 Fei 4 B, arranged in a "Halbach” type configuration as shown in the diagram of FIG. 6.
  • 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.
  • Those skilled in the art can 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.
  • the configuration of the "Halbach" type is a particular non-limiting example.
  • 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 modules 14 are regularly distributed under the chassis and aligned in such a way that to face the magnetic guiding means 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 gaseous (at 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 type YBa 2 Cu 3 O 7 (also commonly called "YBCO").
  • the cryostatic reservoir and the cryogenic fluid ensure the maintenance of the superconductor 16 below a certain temperature, called the critical temperature Te, so that it develops its magnetic properties.
  • the critical temperature for the superconductor YBa 2 Cu 3 O 7 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, generating a levitation of the vehicle 12 above the magnetic guiding means 11, when the difference between the 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.
  • the magnetic repulsion force produced compensates for the gravitational field acting on the vehicle 12.
  • 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.
  • 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 levitating a few centimeters above the guiding means 11.
  • This list is not exhaustive.
  • the critical temperature for example, is 92 K for the YBCO superconductor, 39 K for the MgB 2 superconductor and 38 K for the (Ba, K) Fe 2 As 2 superconductor.
  • the transport system 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 chassis and interact with said superconducting module 14 so that a magnetic repulsion force is generated on the repulsion means 15, causing the levitation of these latter, and thus of the vehicle 12, above said superconducting module 14, when the superconductor
  • the magnetic repulsion means 15 consist of a network of permanent magnets, of formula Nd 2 Fei 4 B, distributed in a "Halbach" type configuration, as illustrated in FIG. 7.
  • 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 modu, without leaving the frame of the invention.
  • Any material based on permanent magnets can be used to create a high remanent field, ie equal to or greater than 0.5 T, and having a high coercive field, i.e. equal to or greater than 1000 kA / m.
  • a high remanent field ie equal to or greater than 0.5 T
  • a high coercive field i.e. equal to or greater than 1000 kA / m.
  • an array of permanent magnets whose chemical formula includes samarium and cobalt and whose remanent magnetic field can reach 1.1 T and the coercive force of 2000 kA / m can be considered.
  • the veh icule 12 is found in magnetic levitation above the superconducting modu 14, which itself is levitated above the magnetic guiding means 11.
  • the invention therefore proposes a double magnetic suspension system, A magnetic suspension is present on either side of the superconducting module 14.
  • the superconducting modules are no longer mechanically linked to the chassis, which makes it possible to generate more repulsive forces. while preserving the temperature maintenance cost of the superconductors (since the thermal losses are considerably reduced).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • FIG. 5 represents a magnetic levitation transport system according to an alternative embodiment of the invention.
  • the superconducting module 140 of the vehicle 120 illustrated in FIG. 5 comprises two superposed and mechanically integral superconducting blocks 141 and 142.
  • the principle here is to associate the superconductor
  • 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 means of magnetic guidance 11 and the magnetic repulsion means 15 no longer interact with one another or are negligible compared to other magnetic forces acting in the system. Below this critical spacing distance, the magnetic forces for levitating the vehicle 120 are reinforced by the repetitive interaction between magnets.
  • this variant makes it possible to obtain two magnetic devices of opposite polarities (the first consisting of the superconducting element at the lower end 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) 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.
  • the magnetic rail and the magnetic repulsion means may be of the same polarity. In this case, they must be separated by a distance which 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.
  • 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 the other magnetic forces.

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Abstract

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.

Description

Système de transport à lévitation magnétique
1. DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne le transport à lévitation magnétique.
Plus particulièrement, l'invention porte sur un système de transport par véhicu le en lévitation magnétique.
La lévitation magnétique est u n phénomène bien connu grâce auquel u n 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.
On entend par « véhicu le » 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..
2. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE
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.
Les trains à lévitation magnétique représentent une avancée considérable dans le domaine du transport terrestre. Contrairement aux trains traditionnels qui rou lent su r des rails en acier, les trains à lévitation magnétique ne sont pas en contact direct avec leur (ou leu rs) rail(s), ce qui présente un certain nombre d'avantages. En effet, l'absence de frottement mécanique avec les rails permet de limiter les nu isances 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 su r l'utilisation de modules supraconducteurs,appelée « MagLev-Cobra » (G. G. Sotelo, « Operational Test of a full scale superconducting Maglev Vehicle Unit », 2011 ). Comme illustré sur les figures 1 à 3, ce système de transport 1 est composé de rails de gu idage magnétiques la, lb et d'u n véhicule 2 mobile au dessus de ces rails. Le véhicule 2 est doté d'un châssis 3 sur lequel sont fixés des modules supraconducteu rs 4a, 4b constitués chacun d'un cryostat comprenant un liquide cryogén ique dans lequel baigne un bloc supraconducteu r 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 véhicu le 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 fonction nement grâce au liquide cryogén ique (-196°C par exemple avec de l'azote liquide).
U ne 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 températu re des modules.
Il apparaîtrait donc particu lièrement intéressant de pouvoir concevoir un système de transport à lévitation magnétique à l'aide d'u n dispositif présentant peu de déperd ition thermique, ce qui permettrait d'utiliser des forces de répulsion plus élevées sans engendrer de surcoût de maintien en température des su praconducteu rs.
3. OBJECTIFS DE L'INVENTION
L'invention, dans au moins un mode de réalisation, a notamment pou r objectif de pallier ces différents inconvén ients de l'état de la tech nique.
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 répu lsion élevées tout en préservant le coût de maintien en température des supraconducteu rs.
Au moins un mode de réalisation de l'invention a également pour objectif de fou rn ir un système de transport à lévitation magnétique qui permette d'isoler thermiquement les modules supraconducteurs du châssis.
U n 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. 4. EXPOSÉ DE L'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 véhicu le étant doté d'un châssis ;
un jeu de modules supraconducteu rs à lévitation magnétique localisés en dessous de la face inférieure du châssis du véhicule et alignés pour faire face aud it moyen de guidage magnétique de façon à léviter au dessus dud it moyen de guidage magnétique ;
pou r au moins un module su praconducteu r, 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 configu rés 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 répu lsion magnétique solidaires du châssis en lévitation au dessus dudit au moins un module supraconducteur.
Le principe général de l'invention consiste donc à remplacer les liaisons mécaniques entre les modules supraconducteurs et le châssis du véhicu le par une liaison magnétique qui assure la transmission des forces de répu lsion magnétique au châssis. Le châssis du véhicule est alors en lévitation magnétique au dessus des modules su praconducteurs, eux- mêmes en lévitation au dessus du moyen de guidage magnétique. L'invention propose ainsi un système à double suspension magnétique particulièrement bien ada pté 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 répu lsion plus élevées tout en préservant le coût de maintien en température des supraconducteurs.
Selon un aspect particulier de l'invention, les moyens de répulsion magnétique comprennent au moins u n aimant permanent. 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.
Selon un autre aspect particulier de l'invention, ledit au moins un aimant permanent est de formule 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.
Selon une caractéristique particulière, les moyens de répulsion magnétique comprennent un réseau d'aimants permanents disposés selon une configuration de type
Halbach.
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.
La température critique dépend de la nature du supraconducteur utilisé.
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 BiaCa SrcCUdOx ;
un élément supraconducteur à base de fer et dont la température critique est supérieure à 30K.
Cette liste n'est pas 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.
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 gu idage magnétique et ledit second élément supraconducteur étant associé auxdits moyens de répulsion magnétiques.
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 produ ite par le moyen de guidage magnétique et les moyens de répulsion magnétiques ne s'exerce plus entre eux.
Ainsi, grâce à cette configuration, on obtient deux dispositifs magnétiques de polarités opposées, le premier étant constitué de l'élément supraconducteur en partie inférieu re du modu le 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 répu lsion magnétique et le moyen de guidage magnétique de polarités opposées, amplifiant les forces de lévitation agissant sur le châssis du véh icule. On privilégie ainsi le renforcement de la force de lévitation par rapport à la stabilité du système.
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'u ne distance qui est su périeure à une d istance d'écartement critique au delà de laquelle la force de répulsion magnétique produ ite par le moyen de guidage magnétique et les moyens de répulsion magnétiques ne s'exerce plus entre eux.
Lorsque la distance séparant ledit moyen de gu idage 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 u n module supraconducteur et celles s'exerçant entre led it au moins un module supraconducteur et le châssis du véhicu le. On privilégie ainsi la stabilité du système au renforcement de la force de lévitation. Selon une autre variante de réalisation de configuration du système, ledit moyen de gu idage magnétique et lesdits moyens de répulsion magnétiques sont de même polarité et sont séparés d'une d istance qui est supérieure à une d istance d'écartement critique au delà de laquelle la force d'attraction magnétique produ ite entre le moyen de guidage magnétique et les moyens de répulsion magnétiques ne s'exerce plus entre eux.
Dans cette configuration, le système est opérationnel et fonction ne si la distance entre led it 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.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit moyen de guidage magnétique est à base d'aimants permanents appartenant au grou pe comprenant :
- les aimants permanents de formule Nd2Fei4B ;
- les aimants permanents à base de cobalt et de samarium.
Cette liste n'est pas exhaustive. Tout autre aimant présentant un champ coercitif et u ne aimantation rémanente du même ordre de grandeur que les aimants de formule Nd2Fei4B peuvent être mis en œuvre.
Selon u n aspect particulier de l'invention, les aimants permanents dudit moyen de guidage magnétique sont disposés selon une configu ration de type Halbach.
A noter que d'autres configurations d'aimants permettant de générer u n champ élevé au niveau des su praconducteu rs peuvent être envisagé sans sortir du cadre de l'invention, comme par exemple celles représentées sur la figu re 2 de l'article « Experiments in a Real Scale MagLev Vehicle Prototype » par G.G.Sotelo et Al. paru dans « Journal of Physics: Conférence Séries », 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), volu me 487, pages 11 à 15.
Selon un autre aspect particu lier de l'invention, ledit moyen de guidage magnétique appartient au groupe comprenant :
au moins un rail magnétique ;
au moins une voie magnétique. 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 figu re 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 u ne variante de réalisation de l'invention ;
la figu re 6 illustre un exemple de réseau d'aimants permanents distribués selon une configu ration de type « Halbach », pouvant être mis en œuvre dans le moyen de gu idage magnétique selon l'invention;
la figu re 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.
6. DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Sur toutes les figures du présent document, les éléments et étapes identiques sont désignés par une même référence numérique.
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 véh icule mobile en translation 12, tel qu'un train par exemple, placé au dessus du moyen de gu idage magnétique 11.
Chaque rail magnétique comprend u n réseau d'aimants permanents de formule Nd2Fei4B, disposés selon une configuration de type « Halbach » comme illustré sur le schéma de la figure 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 sau ra 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 particu lier non limitatif. D'autres configurations d'aimants peuvent être utilisées sans sortir du cadre de l'invention, comme par exemple celles illustrées dans le docu ment 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.
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 modu les su praconducteu rs 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 températu re 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 flu ide cryogénique assurent le maintien du su praconducteur 16 en dessous d'une certaine température, appelée température critique Te, pou r qu'il développe ses propriétés magnétiques. A titre d'exemple, la température critique pour le supraconducteu r YBa2Cu307est de 92 K (soit -181°C). Si ce supraconducteur est refroidi en-dessous de cette température critique, u ne 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 d istance 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 modu le su praconducteur 14 diminue, plus la force de répu lsion magnétique produ ite augmente.
En d'autres termes, le moyen de gu idage 11 et le module supraconducteur 14 sont configurés pou r produire une force de répulsion s'exerçant sur le module 14 et qui soit suffisante pour que le véhicu le 2, par transfert de force, adopte une position en lévitation de quelques centimètres au dessus du moyen de gu idage 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 u ne terre rare Y, Nd, Sm, Eu ou Gd, un supraconducteur de formule MgB2, u n supraconducteur de formu le BiaCa SrcCUdOx 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 répu lsion produite équ ilibre le poids du véhicule à une d istance 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) supraconducteu r(s) utilisés dans le modules su praconducteurs 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 su praconducteur (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 inférieu re du châssis 13 et la face supérieu re 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 répu lsion 15, entraînant la lévitation de ces dern iers, 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 pou r compenser le champ gravitationnel s'exerçant sur le véhicule 12. Autrement d it, en dessous de cette distance d'écartement critique, la force de répulsion magnétique produ ite compense le champ gravitationnel s'exerçant sur le véhicu le 12.
Dans l'exemple illustré ici, les moyens de répulsion magnétique 15 sont constitués d'u n réseau d'aimants permanents, de formule Nd2Fei4B, distribués selon une configuration de type « Halbach », comme illustré su r 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 u ne force de répulsion magnétique sur un modu le supraconducteur, sans sortir du cad re 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 d istance 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 u n champ rémanent élevé, c'est-à-dire égal ou su périeur à 0,5 T, et possédant un champ coercitif élevé, c'est-à-dire égal ou supérieu r à 1000 kA/m. On pou rrait envisager d'implémenter par exemple un réseau d'aimants permanents dont la formule ch imique comprend du samarium et du cobalt et dont le champ magnétique rémanent peut atteind re 1.1 T et le champ coercitif 2000 kA/m.
Dans cette configuration, le véh icule 12 se retrouve en lévitation magnétique au dessus du modu le 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, u ne suspension magnétique étant présente de part et d'autre du module su praconducteur 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 rédu ites).
Les inventeurs ont découvert qu'en fonction de la structure et des dimensions des moyens de répulsion magnétiques 15, il existe u ne 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 répu lsion 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 d istance 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.
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 su r les moyens de répulsion magnétique 15.
L'homme du métier est à même de définir les forces de répu lsion magnétique respectivement entre le moyen de guidage et le module supraconducteur, et entre le module su praconducteur et le dispositif de répulsion, nécessaires à la mise en lévitation du véhicu le. La figure 5 représente un système de transport à lévitation magnétique selon une variante de réalisation de l'invention.
A la d ifférence du système présenté à la figure 4, le module supraconducteur 140 du véhicule 120 illustré su r la figure 5 comprend deux blocs su praconducteurs 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 inférieu re du modu le 140 avec le moyen de guidage magnétique 11, de façon à former un système à double suspension magnétique conformément à l'invention.
En cas de polarités opposées entre le moyen de gu idage et le d ispositif 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 d istance entre ceux-ci.
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 produ its 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 véh icule 120 s'en trouvent renforcée grâce à l'interaction répu lsive entre aimants.
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.
Ainsi, cette variante permet d'obtenir deux dispositifs magnétiques de polarités opposées (le premier étant constitué de l'élément supraconducteur en partie inférieu re 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 véhicu le 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 véh icule et le maintien d'u ne 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).
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'u ne distance qui est supérieure à une d istance 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 d istance 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 magnétiques

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de transport à lévitation magnétique comprenant :
un moyen de guidage magnétique (11);
- un véh icule mobile en translation (12) placé au dessus dudit moyen de gu idage magnétique, le véhicu le étant doté d'un châssis (13) ;
un jeu de modules supraconducteurs à lévitation magnétique (14) 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 dud it moyen de guidage magnétique ;
pou r au moins un modu le supraconducteur, des moyens de répulsion magnétique (15) placés entre la face inférieu re du châssis et la face supérieure dud it au moins u n module supraconducteur, lesdits moyens de répulsion magnétique étant configu rés d'une part pour être mécaniquement solidaires de la face inférieu re du châssis et d'autre part de façon à créer une force de répulsion magnétique pour mettre les dits moyens de répu lsion magnétique solidaires du châssis en lévitation au dessus dudit au moins un module supraconducteur,
le système de transport étant caractérisé en ce que ledit au moins un module supraconducteur comprend u n premier (142) et un second (141) élément supraconducteur superposés et mécaniquement solidaires, ledit premier élément supraconducteur étant associé audit moyen de guidage magnétique (11) et ledit second élément supraconducteur étant associé auxdits moyens de répu lsion magnétiques (15).
2. Système selon la revendication 1, dans lequel les moyens de répulsion magnétique (15) compren nent au moins un aimant permanent.
3. Système selon la revend ication 2, dans lequel ledit au moins un aimant permanent est de formule Nd2Fei4B.
4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens de répulsion magnétique (15) comprennent un réseau d'aimants permanents disposés selon u ne configuration de type Halbach.
5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit au moins un module supraconducteur comprend un cryostat lu i-même comprenant au moins u n élément supraconducteur et un fluide cryogénique maintenant ledit au moins un élément supraconducteur en dessous d'une températu re critique de fonctionnement.
6. Système selon la revendication 5, dans lequel ledit au moins un élément supraconducteur appartient au grou pe comprenant :
un élément su praconducteu r de formu le XBa2Cu307, avec X représente une terre rare de symbole Y, Nd, Sm, Eu ou Gd ;
un élément supraconducteur de formule MgB2 ;
- un élément supraconducteur de formule BiaCa SrcCUdOx ;
un élément supraconducteur à base de fer.
7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ledit moyen de guidage magnétique (11) et lesdits moyens de répulsion magnétiques (15) 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 (11) et les moyens de répu lsion magnétiques (15) ne s'exerce plus entre eux.
8. Système selon l'u ne quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ledit moyen de guidage magnétique (11) et lesdits moyens de répulsion magnétiques (15) sont de polarités opposées et sont séparés d'une distance qui est supérieu re à une distance d'écartement critique au delà de laquelle la force de répulsion magnétique produite par le moyen de guidage magnétique (11) et les moyens de répu lsion magnétiques (15) ne s'exerce plus entre eux.
9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ledit moyen de guidage magnétique (11) et lesdits moyens de répulsion magnétiques (15) sont de même polarité et sont séparés d'une distance qui est su périeure à une distance d'écartement critique au delà de laquelle la force d'attraction magnétique produite entre le moyen de gu idage magnétique (11) et les moyens de répulsion magnétiques (15) ne s'exerce plus entre eux.
10. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel ledit moyen de guidage magnétique (11) 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.
11. Système selon l'une quelconque des revend ications 1 à 10, les aimants permanents dudit moyen de guidage magnétique (11) sont disposés selon une configuration de type Halbach.
12. Système selon l'une quelconque des revend ications 1 à 11, dans lequel ledit moyen de guidage magnétique appartient au groupe comprenant :
au moins un rail magnétique ;
au moins une voie magnétique.
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