Brevet FR2291075A1 — publié le 19760611

La présente invention concerne les dispositifs de sustentation magnétique pour véhicules destinés à se déplacer le long d'une voie électriquement conductrice. Elle présente une application importante, bien que non exclusive, constituée par la sustentation magnétique des véhicules lourds, tels que les trains devant circuler à grande vitesse. Les termes "dispositif de sustentation* devront être interpretés dans un sens large et comme désignant tout dispositif destiné à exercer une force ayant une composante perpendiculaire au sens de déplacement du véhicule : en d'autres termes, un tel dispositif peut être utilisé non seulement pour exercer une force équili- brantlepoids du véhicule, mais aussi un effort de guidage. On a déjà proposé d'utiliser des dispositifs de sustentation magnétique pour véhicules destinés à se déplacer le long d'une voie conductrice, dispositifs comportant un bobinage supraconducteur placé dans un cryostat, d'axe perpendiculaire à la voie, destiné à être parcouru par un courant continu. Plusieurs dispositifs de ce type sont prévus sur le véhicule, chaque bobinage supraconducteur étant solidement fixé au cassis du véhicule. Les forces de pression électromagnétiques ainsi obtenues permettent d'équilibrer le poids du véhicule et éventuellement les forces supplémentaires qui s'exercent sur lui, notamment en virage .La forme de la voie, itemplacement des bobinages des divers dispositifs, la disposition relative de la voie et des bobinages sont prévus pour assurer une sustentation stable au cours du déplacement, soit que la stabilité soit inhérente (cas de la lévitation répulsive) soit qu'elle implique un circuit d'asservissement en courant (cas de la lévitation attractive). L'utilisation des supraconducteurs pour constituer les bobinages est séduisante étant donné que l'on peut y faire circuler sans pertes des courants très intenses, donc d'obtenir des inductions très élevées (plusieurs Teslas) dans des volumes importants. En conséquence, on peut avoir une force de sustentation importante tout en conservant une garde par rapport à la voie très supérieure à celle que l'on peut obtenir économiquement avec des bobinages en matériau conducteur classique. Cette garde au sol importante permet à son tour de prévoir des débattements d'amplitude importante en cas de perturbations, donc d'avoir une suspension beaucoup moins raide qu'en cas de sustentation magnétique classique. En contrepartie, l'emploi de supraconducteurs pour constituer un bobinage implique de maintenir celui-ci à très basse température (de l'ordre de 4,2 K dans le cas desmatériaux supraconducteurs actuellement disponibles). Par ailleurs, l'amortissement des oscillations provoquées par les irrégularités de la voie oblige à prévoir une régulation de l'induction par une boucle de contre-réaction à une fréquence qui peut être relativement élevée. Etant donné l'hystérésis élevée des matériaux supraconducteurs, une modulation du courant traversant le bobinage se traduirait par un dégagement thermique important, et donc par une augmentation de la puissance frigorifique nécessaire pour maintenir le bobinage à basse température.Pour résoudre ce problème, il a déjà été proposé (Proceedings of the IEEE, Volume 61, No. 5, mai 1973) d'associer à chaque bobinage supraconducteur un enroulement supplémentaire en matériau conducteur classique, muni d'un circuit d'asservissement qui y fait circuler un courant variable d'amortissement en cas de perturbations. Mais ce perfectionnement laisse subsister le défaut principal des dispositifs suivant l'art antérieur : la force de sustentation devant être transmise par le bobinage ou les bobinages supraconducteurs au châssis du véhicule, il est nécessaire de relier le bobinage ou les bobinages au véhicule par des charpentes qui doivent être extrêmement robustes puisqu'elles transmettent l'intégralité des efforts.Même en constituant ces charpentes en matériau à faible conductivité thermique (composite fibres de verre-époxy par exemple), l'importance de la charpente se traduit par un flux thermique très élevé entre le bobinage à 4,2 K et le véhicule à température ambiante. La présente invention vise à fournir un dispositif de sustentation répondant mieux que ceux antérieurement proposés aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il écarte dans une large mesure les inconvénients ci-dessus. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif du genre ci-dessus défini comportant des enroulements auxiliaires fixés au véhicule et des moyens pour faire circuler dans les enroulements auxiliaires des courants d'intensité telle que les efforts et couples de sustentation soient au moins en majeure partie transmis entre les enroulements auxiliaires et le véhicule. Grâce à cette disposition, il est possible de relier le bobinage supraconducteur au véhicule par des moyens de faible résistance mécanique, à faible conductivité thermique, donc de réduire dans un rapport important la puissance frigorifique nécessaire pour maintenir le bobinage à sa température de supraconductivité. Le réglage des courants qui traversent les enroulements auxiliaires peut être effectué par un circuit d'asservissement dont l'élément sensible est constitué par des jauges de mesure de contraintes placées sur la structure de liaison entre l'enroulement supraconducteur et le châssis du véhicule. Les enroulements auxiliaires peuvent notamment comporter un enroulement coaxial au bobinage supraconducteur, avantageusement placé entre ce bobinage et la voie conductrice, ainsi qu'un ou plusieurs couples d'enroulements, les deux enroulements de chaque couple ayant un axe perpendiculaire à celui du bobinage supraconducteur. Ainsi, l'enroulement coaxial au bobinage permet de compenser les efforts perpendiculaires à la voie, tandis que les paires d'enroulements auxiliaires compensent les couples. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs qui en constituent des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures 1 et 2 qui l'accompagnent et qui montrent deux variantes d'un seul des dispositifs de sustentation d'un véhicule qui peut être muni de plusieurs dispositifs similaires. La figure 1 montre la voie 10, en matériau électriquement bon conducteur (aluminium ou alliage à base d'aluminium par exemple) que l'on supposera par la suite horizontaE pour plus de simplicité. Cette voie présente une configuration comparable à celles qui ont déjà été proposées. Le véhicule dont le plancher Il est schématiquement indiqué au-dessus de la voie, comporte plusieurs dispositifs de sustentation dont un seul apparait, en coupe verticale, sur la figure. Ce dispositif comporte un bobinage supraconducteur 12 à axe vertical qui, en fonctionnement, est parcouru par un courant électrique continu donnant naissance à une induction de plusieurs Teslas. Le bobinage 12 est enfermé dans un cryostat 13, constitué par une enceinte à double envelopoe,l'espace compris entre les deux enveloppes étant sous vide et occupé parun super isolant. Le bobinage 12 est fixé au châssis 20 du véhicule (ou au couvercle du cryostat) par une structure légère 15 en matériau à faible conductivité thermique (acier inoxydable par exemple). Cette structure n'a en principe à supporter que le poids du bobinage.En fait, il est nécessaire de la prévoir avec un coefficient de sécurité suffisant pour qu'elle puisse supporter les efforts dus aux transitoires, aux secousses et aux sollicitations subies par le véhicule lors de son déplacement. Sur la figure unique, la structure 15 a été schématisée par de simples montants munis d'organes détecteurs permettant de calculer les efforts et couples transmis par la structure. Il peut s'agir de jauges de contrainte 21 fournissant des signaux électriques à un circuit de calcul 22 qui sera décrit plus loin. Le bobinage supraconaucteur 12 est parcouru par le courant continu d'excitation de la machine, constant en régime permanent. Le bobinage supraconducteur 12- peut être réalisé suivant la technologie habituelle des aimants supraconducteurs, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de décrire ici sa constitution en détail. Le matériau supraconducteur peut notamment être du type composite multifilamentaire associant des filaments élémentaires d'un alliage de niobium et de titane noyés dans une matrice de cuivre ou de cupro-nickel et mis sous forme de fils à section circulaire ou, mieux, rectangulaire.Les différents conducteurs élémentaires, convenablement isolés, peuvent par exemple être montés dans des rainures ou encoches ménagées à la périphérie d'un mandrin cylindrique (non représenté)en un matériau isolant ou encore en un métal ayant une bonne résistance mécanique et bon conducteur de la chaleur. Si l'on utilise une matière plastique, celle-ci est avantageusement armée de fibres. Parmi les produits métalliques utilisables, on peut notamment citer les alliages légers à base-d'aluminium. Le bobinage inducteur 12 et le mandrin qui le porte sont pourvus de canaux de refroidissement destinés à permettre au fluide cryogénique de circuler. Le bobinage inducteur étant soumis aux contraintes magnétiques dues à son champ propre et aux contraintes mécaniques dues à la force centrifuge lors du fonctionnement, il doit être bloqué sur le mandrin. Ce résultat peut être atteint en utilisant des cales d'encoches en matériau à bonne résistance mécanique, des frettes métalliques et/ou encore une imprégnation de résine thermodurcissable. Le bobinage inducteur 12 est alimenté en courant continu depuis le véhicule au moins pendant la période de démarrage, par des conducteurs non représentés, conçus de façon à réduire le plus possible les apports de chaleur vers la zone à basse température. Un interrupteur supraconducteur (non représenté) ouvert lors de la montée en régime, peut être prévu et se fermer en régime permanent de façon à boucler sur lui-même l'enroulement 12 et à piéger le flux magnétique nécessaire au fonctionnement. externe L'alimentation est alors interrompue. La paroi/du cryostat 13, en matériau bon conducteur de l'électricité (alliage d'aluminium par exemple) constitue un écran électromagnétique de protection du bobinage inducteur. Un tel écran (qui peut être distinct du cryostat) est nécessaire car lthystérèse magnétique des supraconducteurs impose de les soustraire aux variations rapides de champ magnétique. Le cryostat est muni de moyens d'alimentation en fluide de maintien aux températures cryogéniques. Dans le mode de réalisation illustré schématiquement, ces moyens comprennent une tubulure centrale 23 placée dans l'axe du cryostat et par lequel on injecte le fluide cryogène, qui peut être de l'hélium liquide ou, mieux encore, de l'hélium hypercritique. L'hélium vaporisé revient dans l'espace 24 autour de la tubulure 23 et est évacué par une conduite (non représentée). En fonctionnement normal, c'est-à-dire lorsque le véhicule se déplace dans la direction OX de la voie, le bobinage 12 utilisé isolément serait soumis à trois types d'efforts : une force de sustentation perpendiculaire à la voie, suivant la direction OZ ; une force de tramée, très inférieure à la précédente suivant la direction opposée à OX, et enfin un couple de basculement autour d'un axe OY transversal à la voie. A ces efforts, qui s'exercent lors du déplacement en ligne droite, peuvent s'ajouter en virage des efforts complémentaires suivant d'autres directions. Le dispositif suivant l'invention comporte des moyens qui soustraient le bobinage 12 à ces efforts, au moins en majeure partie. Dans le mode particulier de réalisation illustré à titre d'exemple sur la figure, les efforts sont compensés au moyen d'un enroulement 16 d'axe confondu avec celui du bobinage supraconducteur 12 et d'un couple d'enroulements 17 et 18. Les enroulements 17 et 18 sont placés symétriquement par rapport à l'axe du bobinage supraconducteur et leur axe commun est per pendiculaire à celui du bobinage.On voit que, lorsque les enroulements 17 et 18 sont parcourus par des courants égaux et de même sens, ils créent uniquement un couple de torsion autour de Oy sur le bobinage 12. Lorsque les enroulements 17 et 18 sont au contraire parcourus par des courants de sens contraire, ils créent une force de direction OX sur le bobinage 12. Par consé- quent, en réglant les courants dans les enroulements 17 et 18 de façon que leur somme et leur différence soient convenables, on compense respectivement le couple de torsion et la force de tramée exercés sur le bobinage 12. Les enroulements 16, 17 et 18 sont en matériau conducteur classique (cuivre en général). Ils-fonctionnent à une température proche de celle de l'atmosphère ambiante, sont de construction très rigide et fixé solidement au chassis du véhicule : en effet, l'enroulement 16 par exemple supporte presque intégralement le poids du véhicule lors du fonctionnement. La puissance dissipée dans ces enroulements doit être évacuée soit par ventilation naturelle, soit par circulation d'un liquide de refroidissement (eau désionisée ou huile par exemple). La puissance dissipée dans l'enroulement 16 peut être estimée par exemple à 20 kW pour un véhicule dont la fraction de poids supportée par le dispositif est de 100 tonnes. Les enroulements 16, 17 et 18 sont associés à un circuit d'asservissement qui y fait passer des courants continus, d'intensité constante en régime permanent, qui annulent,ou du moins limitent à une valeur inférieure à un seuilsles efforts transmis par la structure 15.Ce circuit comprend le circuit analogique de calcul 22, de constitution classique, qui reçoit les signaux provenant des jauges de contrainte 21 et détermine d'une part la force verticale transmise par la structure 15, d'autre part, le couple de basculement autour de l'axe 0Y transmis par cette structure. Ce circuit 22 : - d'une part, fournit à un générateur de courant continu 25 alimentant l'enroulement 16 un signal de réglage qui tend à amener le courant à une valeur telle que l'effort vertical, déterminé à partir des signaux fournis par les jauges 21, soit nul ou au moins inférieur à un seuil déterminé - d'autre part, fournit à un générateur de courant continu 26 alimentant les enroulements 17 et 18 des signaux représentatifs de la somme et de la différence que doivent présenter ces courants d'alimentation pour annuler, ou du moins maintenir au-dessous d'un seuil prédéterminé, le couple autour de OY et la force suivant OX transmis par la structure 15. Le dispositif peut encore comporter des moyens d'asservissement complémentaires destinés h assurer la stabilité dynamique du système. Ces moyens règlent par exemple le courant d'alimentation de l'enroulement 16, autour de la valeur moyenne fixée par le circuit de calcul 22, pour amortir les oscillations provoquées par les irrégularités de la voie au cours du déplacement. Ce circuit de correction, qui n'agit que sur une fraction faible de l'intensité totale d'alimentation de l'enroulement 16, peut être constitué de façon classique et comporter les réseaux d'avance ou de retard de phase usuels pour assurer la stabilité du système. Des détecteurs d'écartement entre le véhicule et la voie peuvent être utilisés pour fournir le signal d'entrée. Par ailleurs, pour éviter la création de champs magnétiques intenses dans le véhicule, un circuit magnétique fixé au châssis du véhicule peut être disposé autour de la partie supérieure du dispositif. Dans le dispositif illustré en figure 1, l'enroulement 16 est placé à proximité immédiate du plancher 11 du véhicule, ce qui amène dans la plupart des cas, pour des raisons d'encombrement, à écarter le bobinage 12 de ce même plancher, ce qui a un effet défavorable. Mais on peut évidemment inverser la disposition, le bobinage 12 étant à proximité immédiate du plancher tandis que l'enroulement 16 est placé au-delà du bobinage 12 h partir du plancher (c'est-à-dire au-dessus du bobinage 12). Le dispositif dont les composants essentiels sont seuls représentés sur la figure 2 (les composants correspondant à ceux de la figure 1 portant le même numéro de référence pour plus de simplicité) présente cette dernière disposition. De plus, le bobinage 12 est disposé sur des glissières verticales 27 et 28 de façon à pouvoir se déplacer entre des butées inférieures et supérieures, au lieu d'être fixé rigidement au châssis. Dans ce cas, pour une valeur donnée des courants qui parcourent le bobinage supraconducteur 12 et l'enroulement 16, le bobinage 12 supraconducteur, emprisonné magnétiquement entre la voie 10 et l'enroulement 16,prend une position d'équilibre pour laquelle il n'est plus soumis à des efforts verticaux. Dans ce cas, le circuit d'asservissement du courant passant dans l'enroulement 12 peut être prévu pour simplement modifier d'un pourcentage déterminé ou d'un pas déterminé le courant lorsque le bobinage arrive en butée haute ou basse. Ce circuit d'asservissement est donc très simplifié. Dans le mode de réalisation illustré en figure 2, les efforts horizontaux sur le bobinage 12 sont sensiblement annulés non plus au moyen d'une paire d'enroulements 17 et 18, mais à l'aide d'un enroulement supplémentaire 29 similaire à ltenroule- ment 16, mais décalé de celui-ci dans la direction de l'axe OX d'une distance correspondant à peu près à un rayon. Le courant dans l'enroulement 29 est réglé à une valeur convenable par un circuit d'asservissement. Celui qui est représenté de façon extrêmement schématique en figure 2 comporte un capteur 30 de lexion détection des efforts s'exercent sur l'une des glissières 27 (jauge de contrainte par exemple). Un signal proportionnel à la contrainte détectée est envoyé à un circuit de réglage 31 alimenté par une source 32 de tension continue et qui fait passer dans l'enroulement 29 un courant tendant à annuler la contrainte détectée par le capteur 30. On peut également disposer le bobinage 12 sur des glissières horizontales, ce qui permet de substituer à un circuit 31 d'asservissement en courant proprement dit, un circuit beaucoup plus simple qui modifie simplement le courant d'une valeur dpnnée en cas de venue en butée avant ou arrière du bobinage 12. Il va sans dire que l'invention ne se limite pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples, mais en couvre l'ensemble des variantes restant dans le domaine des équivalences. REVED!TICATIONS 1. Dispositif de sustentation magnétique pour véhicule destiné à se déplacer le long d'une voie électriquement conductrice, comprenant un bobinage supra-conducteur placé dans un cryostat et d'a- xe perpendiculaire à la voie, destiné à être parcouru par un courant continu, un enroulement auxiliaire fixé au véhicule, et des moyens pour faire circuler dans l'enroulement auxiliaire un courant continu d'intensité telle que l'effort de sustentation perpendiculaire à lâ voie soit au moins en majeure partie transmis directement entre l'enroulement auxiliaire et le véhicule, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend au moins un second enroulement auxiliaire également fixé au véhicule et des moyens pour y faire circuler un courant d'intensité telle que les couples de sustentation, et éventuellement les efforts parallèles à la voie, soient, au moins en majeure partie, transmis entre le second ou les seconds enroulements auxiliaires et le véhicule. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les enroulements auxiliaires comportent, en plus d'un premier enroulement coaxial au bobinage supraconducteur, un ou plusieurs couples d'enroulements, les deux enroulements de chaque couple ayant un axe perpendiculaire à celui du bobinage supraconducteur. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les enroulements d'un couple ont un axe parallèle à la direction de déplacement du véhicule le long de la voie. 4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que ledit bobinage supraconducteur est fixé au châssis du véhicule par une structure munie de moyens de détection des efforts et des couples transmis entre ledit bobinage et le châssis. 5. Dispositif suivant la revendication-4, caractérisé par un circuit d'asservissement qui commande le courant traversant les enroulements auxiliaires, en fonction des signaux représentant les forces et les couples transmis par la structure. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ledit circuit d'asservissement règle le courant qui traverse un enroulement auxiliaire coaxial au bobinage supraconducteur à une valeur déterminée pour équilibrer ltefrort transmis par la structure parallèlement à l'axe dudit bobinage. 7. Dispositif suivant la revendication S ou 6, caractérisé en ce que le circuit d'asservissement règle la somme et la différence des courants qui traversent les enroulements auxiliaires d'un meme -couple présentant un axe commun parallèle au sens de déplacement pour compenser respectivement le couple de basculement autour d'un axe transversal à la voie et l'effort de tramée. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le bobinage supraconducteur est disposé sur des glissières lui permettant de se déplacer parallèlement à son axe. 9. Dispositif suivant la revendication 1 ou 8, caractérisé en ce que les enroulements auxiliaires comprennent deux enroulements d'axe parallèle à celui du bobinage supraconducteur, l'un des enroulements auxiliaires étant sensiblement coaxial au bobinage supraconducteur et l'autre étant décalé du premier dans le sens de la voie. 10. Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le premier enroulement auxiliaire est muni d'un dispositif de réglage du courant destiné à compenser les efforts verticaux exercés sur l'enroulement supraconducteur et l'autre d'un circuit de réglage de courant à une valeur compensant les efforts horizontaux-stexerçant sur le bobinage supraconducteur.