Brevet FR2448468A1 — publié le 19800905

La présente invention, due à Messieurs SIKA Zigurd Karlovich, APSIT Voldemar Voldemarovich, DAUGULIS Khubert Loevich et KURKALOV Ivan Ivanovich, concerne des dispositifs de stabilisation transversale du mouvement d'un véhicule de transport terrestre rapide. Le dispositif de stabilisation transversale, objet de la présente invention, peut etre appliqué notamment dans le cas de la sustentation électrodynamique d'un véhicule. On connut divers moyens de transport terrestre rapide à coussin d'air, à sustentation électromagnétique ou électrodynamique, et à moteurs de propulsion linéaire asynchrone ou linéaire synchrone. Afin d'atteindre une stabilisation transversale d'un véhicule mû par de tels moyens de transport, sans utiliser de contacts mécaniques, on a recours à des dispositifs de stabilisation électromagnétiques ou électrodynamiques. Les dispositifs de stabilisation électromagnétiques sont basés sur l'attraction exercée par des électro-aimants, installés de chaque côté du véhicule, sur des rails ferromagnétiques.Les systèmes de stabilisation électrodynamiques sont basés sur la répulsion exercée par des bobines d'excitation, installées sur le véhicule, sur des barres à réactance,répulsion due aux forces a d'interaction du champ magnétique des bobines d'excitation et des courants induits par ces memes bobines dans les organes à réactance des barres. Les avantages des systèmes électrodynamiques de stabilisation par rapport aux systèmes électromagnétiques résident en ce qu'ils ne demandent aucun contrôle ni régulation de l'écartement entre les bobines et la barre à réactance. En ce qui concerne les systèmes de stabilisation à électro-aimants, l'écartement entre l'électro-aimant et le rail ferromagnétique doit etre contrôlé et réglé en permanence en fonction de l'augmentation ou de la diminution du courant dans les enroulements de l'électro- aimant. Par ailleurs, les systèmes de stabilisation électrodynamiques admettent un écartement qui dépasse d'un ordre de grandeur celui des systèmes de stabilisation électromagnétiques. On connut des systèmes de stabilisation électrodynamiques comprenant une barre à réactance installée verticalement ou sous un autre angle sur la voie. Cette barre est constituée par un ruban métallique continu ou sous forme d'une rangée de boucles en court-circuit. Ces systèmes comprennent aussi des blocs de bobines d'excitation installés sur le véhicule et qui se déplacent avec ledit véhicule le long de la barre, ces blocs de bobines engendrant, par interaction avec les organes à réactance de la barre, des forces de stabilisation maintenant le véhicule sur la voie. Etant donné que les forces de stabilisation agissent dans le sens horizontal, elles atteignent leur valeur maximale dans le cas de la position verticale des barres à réactance Les barres à réactance étant positionnées sous un certain angle, les forces de stabilisation constituent la composante horizontale des forces d'interaction des bobines d'excitation et des organes à réactance des barres. Les inconvénients des barres à réactance verticales et inclinées sont dus au profil complexe de la surface de voie, et à l'évacuation difficile de la neige à l'aide d'engins, en cas d'exploitation ouverte de la voie, du fait de l'existence de parties saillantes dans le plan vertical. On connaltégalement des dispositifs de stabilisation électrodynamiques comprenant des barres à réactance posées horizontalement sur la voie et formées par des boucles en court-circuit torsadées dans leur partie médiane et ayant la forme d'un huit (brevet américain nO 3 470 828 ; Revue "CRYOGENICS" July, 1975, article intitulé "Canadian developments in superconducting Madlev and linear synchronous motors"). L'exécution des boucles en court-circuit en forme de huit assure, lors de la circulation du véhicule, un contresens de la force électromotrice induite respectivement dans les deux parties des boucles sous l'action des bobines d'excitation installées sur le véhicule. Lorsque le véhicule circule le long de l'axe de la voie, les valeurs absolues de ces forces électromotrices sont égales et, par conséquent, le courant dans la boucle en court-circuit est égal à zéro. Il n'y a donc pas, dans ce cas, de forces de stabilisation et de freinage. Si le véhicule s'écarte de l'axe de la voie, le flux magnétique des bobines d'excitation qui traverse une partie de chaque boucle en court-circuit dépasse le flux magnétique qui traverse l'autre partie de la boucle considérée. La force électromotrice, engendrée dans la boucle en court-citcuit, n'est donc pas égale à zéro, ce qui a pour effet d'assurer l'induction d'un courant dans cette boucle et, en conséquence, l'apparition de forces de stabilisation. Les inconvénients de tels dispositifs de stabilisation sont les suivants - fabrication compliquée des boucles en court-circuit sous forme de huit - installation compliquée desdites boucles sur la voie au-dessus de l'enroulement d'induit du moteur linéaire asynchrone - impossibilité de créer des efforts supplémentaires de sustentation - dépense importante de métal pour la réalisation des boucles en court-circuit, ce qui est dû aux barrettes métalliques reliant les deux parties de chaque boucle. On connait, par ailleurs, des dispositifs de stabilisation électrodynamiques, permettant de pallier les inconvénients susmentionnés, dans lesquels les boucles en court-circuit ne sont pas torsadées dans leur partie médiane et sont formées par des points équipotentiels, reliés entre eux, de deux enroulements d'induit parallèles du moteur linéaire synchrone du véhicule (brevet de la République Fédérale d'Allemagne nO 2 607 261). Les inconvénients de ces derniers dispositifs sont les suivants - afin d'assurer le courant zéro dans les boucles, il est nécessaire de créer un flux magnétique total entre les boucles et les bobines d'excitation égal à zéro, ce qui, avec la configuration adoptée des boucles en court-circuit, oblige à prévoir deux rangées parallèles de bobines d'excitation sur le véhicule ;; - obligation de prévoir un nombre important de connexions électriques des boucles en court-circuit avec l'enroulement d'induit, ce qui rend difficile l'assemblage et réduit la fiabilité de fonctionnement du dispositif - impossibilité de créer des efforts de sustentation supplémentaires - dépense importante de métal due à la surépaisseur de l'enroule- ment d'induit prévue pour laisser passer les courants des boucles en court-circuit en plus du courant d'induit, ainsi qu'à la présence obligée de barrettes entre les enroulements d'induit. La présente invention a pour objet de procurer un dispositif de stabilisation du mouvement transversale d'un véhicule de transport terrestre rapide, dans lequel les éléments à réactance soient exécutés de façon à obtenir un flux magnétique total nul entre eux et les bobines d'excitation, avec utilisation, au niveau du véhicule, d'une seule rangée de bobines d'excitation, et, sur la voie, de boucles en court-circuit en forme de huit qui ne soient pas torsadées dans leur partie médiane. le dispo9fif selon 15nvenffnXpour la stabilisadon transversab du mouvement d'un véhicule de transport terrestre rapide, comprend des bobines d'excitation situées le long du fond du véhicule et des boucles en court-circuit situées horizontalement le long de la voie, le susdit dispositif étant caractérisé en ce que les boucles en court-circuit sont positionnées le long de la voie en deux rangées parallèles dans les zones des projections des faces latérales des bobines d'excitation sur la susdite voie, à une distance telle, à partir de l'axe de la voie, que le flux magnétique total du champ des bobines d'excitation et des boucles en courtcircuit soit égal à zéro. L'exécution des boucles en court-circuit en deux rangées parallèles dans les zones des projections des faces latérales des bobines d'excitation assure la position des boucles en courtcircuit dans la zone de changement de sens de la composante normale du flux magnétique de la bobine d'excitation, c'est-à-dire aux points de croisement de la courbe de la composante normale de l'induction magnétique de la bobine d'excitation avec l'axe zéro d'abscisses. Avec un tel emplacement, chaque boucle en courtcircuit est traversée simultanément par les flux magnétiques provenant des bobines d'excitation qui sont dirigés vers le haut et par ceux qui sont dirigés vers le bas. Dans le cas d'une position symétrique du véhicule par rapport à l'axe de la voie, la somme des flux magnétiques traversant la boucle et dirigés vers le haut ou vers le bas est égale à zéro.L'axe de la boucle en court-circuit ne coïncide alors pas avec le point de croissent de la courbe de la composante normale de l'induction magnétique de la bobine d'excitation avec l'axe zéro d'abscisses (ce point sera dénommé dans la suite le point zéro de la composante normale de l'induction magnétique), étant donné que la courbe de la composante normale de l'induction magnétique est asymétrique par rapport au point zéro, et que la boucle en court-circuit est symétrique par rapport à son propre axe. La distance entre l'axe de la voie et le point zéro de la composante normale de l'induction magnétique dépend essentiellement de deux valeurs : premièrement, de l'écartement entre les bobines d'excitation et les boucles en court-circuit, c'est-à-dire de la hauteur de vol du véhicule, et, deuxièmement, de la forme et du nombre de spires d'enroulement des bobines d'excitation. En outre, cette distance dépend, dans un degré- moindre, d'autres facteurs secondaires, à savoir de la présence d'un écran entre les bobines d'excitation et l'habitacle du véhicule,de la permet abilité magnétique des matériaux du véhicule et de la voie, de leur homogénéité, etc. Dans les conditions actuelles des hauteurs de vol à sustentation électrodynamique (variant de 10 à 30 cm et des formes variées de bobines d'excitation,le point zéro de la composante normale de l'induction magnétique peut s'écarter des axes verticaux de la section des faces latérales des bobines d'excitation d'une distance de 3 à 5 cm tout en restant cependant dans la zone des projections des faces latérales des bobines d'excitation sur la voie. La différence des flux magnétiques des bobines d'excitation, dirigés respectivement vers le haut et vers le bas,traversant les boucles en court-circuit détermine la valeur du courant d'excitation induit dans ces boucles lors du mouvement du véhicule.En présence d 'un flux total non nul il se produit une excitation du courant électrique dans la boucle en court-circuit0 L'interaction de ce courant avec le champ des bobines d'excitation donne naissance à une force d'interaction électromagnétique dirigée vers le véhicule. Si, par contre, le flux total est nul,aucun courant ne s'induit dans la boucle en court-circuit et,par conséquent,la force d'interaction électromagnétique est également nulle. Il est à noter que le courant dans la boucle en court-circuit est déterminé, non seulement par le champ de la bobine d'excitation dans la zone de projection de laquelle elle se trouve, mais aussi par les champs d'autres bobines d'excitation voisines, c'est-à-dire, par le flux magnétique total de la boucle eEde boutes i3 bobines d'excitation. Grâce à la disposition suivant laquelle les boucles en courtcircuit sont écartées de l'axe de la voie d'une distance telle que le flux magnétique total du champ des bobines d'excitation et des boucles en court-circuit est nul, il ne se crée pas d'efforts de stabilisation et de freinage lors du mouvement du véhicule le long de la voie tant que ledit véhicule ne s'écarte pas de 1' axe de ladite voie, mais des efforts de stabilisation apparaissent par contre quand le véhicule s'écarte de l'axe de la voie, ces efforts servant à recentrer le véhicule par rapport à l'axe de la voie. Il est intéressant que les boucles en court-circuit soient rectangulaires0 Une telle configuration des boucles en court-circuit garantit l'absence complète du courant lorsque le flux magnétique total de chaque boucle et de toutes les bobines d'excitation est égal à zéro. On a constaté au cours des essais que, dans le cas de boucles en court-circuit de largeur variable (par exemple, rondes ou ovalisées), il n'est pas possible, en changeant l'écartement entre les axes de la voie et les boucles en court-circuit, d'obtenir une position des boucles en court-circuit sur la voie telle que la somme des flux magnétiques passant par chaque boucle vers le bas soit exactement nulle Cela s'explique, comme déjà indiqué, par le fait que, pour obtenir un courant égal à zéro dans la boucle, il est nécessaire d'installer la boucle à différentes distances du point zéro en fonction de la largeur de la boucle en court-circuit. Dans le cas d'utilisation d'une boucle de largeur variable, ces écartements seront différents pour diverses sections d'une même boucle. Il ne sera donc pas possible de choisir un écartement tel à partir de l'axe de la voie jusqu'à l'axe de la boucle en courtcircuit à largeur variable, que le flux magnétique total d'une telle boucle et de toutes les bobines d'excitation soit exactement nul, et, en conséquence, qu'il n'y ait aucune induction de courants ni apparition de forces d'interaction électromagnétique avec les bobines d'excitation.On peut tout au plus choisir un écartement tel,à partir de l'axe de la voie jusqu'à l'axe de la boucle en court-circuit, que le courant induit dans la boucle soit minimal, Or, étant donné que lorsque la valeur minimale du courant dans la boucle en court-circuit décroît, et que la sensibilité du dispositif de stabilisation transversale augmente, c'est l'utilisation d'une boucle en court-circuit de forme rectangulaire qui est la plus avantageuse. Il est avantageux de réaliser les boucles en courtcircuit par les arêtes périphériques de trous percés dans des rubans métalliques disposés le long de la voie. Une telle conception des boucles, d'une part, simplifie leur procédé de fabrication et leur montage sur la surface de la voie, et, d'autre part, permet d'utiliser les rubans métalliques en tant que barres à réactance, principale ou supplémentaire, pour la sustentation électrodynamique, ce qui permet d'utiliser les bobines d'excitation du système sustentateur électrodynamique pour la stabilisation du véhicule Il est intéressant que la valeur de l'écartement des axes verticaux des bobines d'excitation ne soit pas multiple de la longueur des boucles en couR circuit. Cela permet d'employer les bobines d'excitation du moteur linéaire synchrone, représentant un système inducteur alternatif, pour !'excitation des boucles en court-circuit du système de stabilisation. Dans le cas d'utilisation de systèmes d'excitation inducteurs alternatifs dans lesquels les bobines d'excitation d'une polarité alternent avec les bobines d'excitation d'autre polarité, il peut se présenter des positions relatives comme des bobines d'excitation et des boucles en court-circuit,tellesque deux boucles ou plus peuvent se trouver simultanément dans des positions symétriques par rapport aux neutres du champ magnétique des piles voisins. Ces boucles sont alors simultanément traversées par des flux magnétiques de valeur égale mais de sens opposé des pôles voisins. Il en résulte que le flux total,passant à travers ces boucles est égal à zéro pour n'importe quel écartement de la boucle de l'axe du véhicule.C'est pourquoi il ne produit alors aucun courant dans les susdites boucles en court-circuit lorsque le véhicule s'écarte de l'axe de l'axe de la voie et, par conséquent, aucune face de stabilisation n?est engeùdree. Si la valeur de l'écartement des axes verticaux des bobines d'excitation n'est pas multiple de la longueur des boucles en court-circuit, une seule boucle peut se trouver être symétrique par rapport au neutre du champ magnétique d'une des paires de po- les voisins, ce qui évite un affaiblissement périodique de l'effort de stabilisation. Le dispositif de stabilisation transversale de mouvement d'un véhicule de transport terrestre rapide selon l'invention est plus simple et plus pratique, du point de vue de sa fabrication et de son exploitation que les systèmes sustentateurs électrodynamiques connus. En outre, le dispositif selon l'invention est aisément compatible avec les barres à réactance pour la sustentation électrodynamique. L'invention sera mieux comprise encore à l'aide de la description donnée ci-après de modes de réalisation préférés mais non limitatifs, description se référant- aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une représentation schématique en coupe transversale de la disposition mutuelle, conforme à l'invention, de bobines d'excitation installées sur le véhicule et de boucles en court-circuit situées sur la voie,ainsi que d'une courbe de répartition de la composante normale de l'induction magnétique de la bobine d'excitation suivant la largeur du chemin au niveau de sa voie; la figure 2 montre, vue par en dessus, la disposition des boucles en court-circuit sur la voie; la figure 3 représente un autre mode de réalisation des boucles en court-circuit disposées sur la voie;; la figure 4 montre un mode de réalisation de boucles en court-circuit formées par les arêtes d'orifices ménagés dans des rubans métalliques; la figure 5 enfin, représente la disposition mutuelle longitudinale des bobines d'excitation installées sur le véhicule et des boucles en court-circuit installées sur la voie. Le dispositif de stabilisation transversale du mouvement d'un véhicule de transport terrestre rapide, illustré fig. 1, comprend des bobines d'excitation 1 installées le long du fond du véhicule 2. Le long du chemin, sur sa voie 3, sont fixées dans la zone des projections des faces latérales 4 des bobines d'excitation 1, des boucles en court-circuit 5 de forme annulaire (fig. 2). Les enroulements des bobines d'excitation 1 sont exécutés en matériau superconducteur, par exemple en alliage NbTi. Il est aussi possible d'exécuter les enroulements des bobines d'excitation 1 en d'autres matériaux superconducteurs, par exemple, en Nb3Sn, NbZr, etc. Les bobines d'excitation 1 sont posées parallèlement à la voie 3 et sont fixées à l'intérieur d'un cryostat (non représenté) avec calorifugeage.Les boucles en court-circuit 5 sont exécutées en un matériau possédant une haute conductibilité électrique, notamment en aluminium. Il est possible d'exécuter les boucles en court-circuit 5 en d'autres matériaux possédant une haute conductibilité électrique, par exemple, en cuivre, laiton, bronzeetc. La position exacte des boucles en court-circuit 5 sur la voie 3, par rapport à son axe, est déterminée à partir de la courbe 6 de répartition de la composante normale de l'induction magnétique de la bobine d'excitation I sur la largeur du chemin au niveau de sa voie 3.Les boucles en courtcircuit 5 sont installées à une distance telle, à partir de l'axe de la voie, qu'une surface 7 caractérisant le flux magnétique dirigé vers le haut est égale à une surface 8 caractérisant le flux magnétique dirigé vers le bas,pour chacune des boucles en court-circuit 5 traversées par ces flux,le flux magnétique total du champ des bobines d'excitation 1 avec les boucles en courtcircuit 5 étant alors nul. Un autre mode de réalisation des boucles en court-circuit 5 situées sur la voie 3 est montré sur la fig.3 où les éléments similaires portent les mêmes nombres de référence. Dans ce mode de réalisation,les boucles en court-circuit 5 sont rectangulaires e Un autre mode de réalisation des boucles en court-circuit 5 situées sur la voie 3 est montré sur la fig.4 Dans ce cas aussi, les éléments sW res portent ksmêmes nombresde reférence. Dans ce mode de réalisation, surla voie 3 sont Sxees latéralement et parallèlement l'un à l'autresdes nlbans métalliques 9 constitués en un matériau ayant une haute conductibilité électrique,notamment en aluminium. Les boucles en court-ccuLt 5 sont formées par desorifices rectangulaires découpés danslesrubans métalliqEs 9dansles zonesde projection des faces latérales 4 des bob'nes d 'excitation 1 sur la voie 3. Les rubans mé talques 9 peurent être exécutés sous forme d'un ensemble unique arec la barre à réactance du système sustentateur électrodynamique. Lorsqu'on utilise un système alternatif inducteur d'excitation, les bobines d'excitation lade polarité nord (fig. 5), et les bobines d'excitation lb de polarité sud, sont disposées alternativement le long du fond du véhicule 2. La valeur de l'écartement des axes verticaux des bobines d'excitation 1 ntest pas multiple de celle de la longueur des boucles en court-circuit 5. Ainsi, dans le cas d'un écartement des axes verticaux des bobines d'excitation 1 égal à 1m, la dimension de la boucle en courtcircuit 5 dans le sens longitudinal peut être égale à 0,3m. Le fonctionnement d tun tel dispositif de stabilisation transversale du mouvement d'un véhicule de transport terrestre rapide est le suivant. Lorsque le véhicule 2 circule le long de l'axe de la voie 3, le champ magnétique des bobines d'excitation I, pour lesquelles la répartition de la composante normale de l'induction suivant la largeur du chemin est représentée par la courbe 6, induit dans les boucles en court-circuit annulaires 5 une force électromotrice dont la valeur totale est voisine de zéro. Dans ce cas, l'aire de la surface 7 qui caractérise le flux magnétique dirigé vers le haut est très proche de celle de la surface 8 qui caractérise le flux magnétique dirigé vers le bas, pour chacune des boucles 5 traversées par ces flux. Si l'on utilise une boucle en court-circuit 5 de forme rectangulaire, quand le véhicule 2 se trouve sur l'axe de la voie les surfaces 7 et 8 sont égales et il n'y a pas de forces d'interaction électromagnétique du champ des bobines d'excitation 1 avec chaque boucle en court-circuit 5, c'est-à-dire que le flux magnétique total des bobines d'excitation I et des boucles en court-circuit 5 est nul. Par contre, dès que le véhicule 2 s'écarte de l'axe de la voie, les bobines d'excitation 1 se déplacent dans le sens transversal par rapport aux boucles en court-circuit 5 et les surfaces 7 et 8 deviennent inégales, ce qui donne naissance à un flux magnétique total traversant les boucles en court-circuit 5/. Le flux magnétique résultant induit dans les boucles en court-circuit 5 une force électromotrice et engendre de ce fait un courant-électrique dans lasdites boucles. L'interaction du courant parcourant les boucles en court-circuit S avec le champ magnétique des bobines d'excitation 1 conduit à la création de forces de stabilisation assurant le recentrage du véhicule 2-. Dans le cas d'utilisation de boucles en court-circuit 5 formées par les bords d'orifices rectangulaires ménagés dans les rubans métalliques 9, le champ magnétique des bobines d'excitation 1 induit dans le matériau du ruban 9, pendant la marche du véhicule 2, des courants tourbillonnaires engendrant des sustentations supplémentaires.Lorsque les rubans métalliques 9 servent en outre de barres à réactance du système sustentateur avec les boucles en court-circuit 5 réalisées sous forme d'orifices, lesdites barres à réactance constituent en même temps les barres à réactance du système de stabilisation Lorsque les bobines d'excitation 1 (fig.5) forment un système alternatif inducteur, par exemple quand elles servent en même temps de bobines d'excitation d'un moteur linéaire synchrone, une seule boucle en court-circuit 5 peut être symétrique à un moment donné, pendant la marche du véhicule 2, par rapport au neutre du champ magnétique d'une paire quelconque de piles voisins et ne point participer de ce fait à la stabilisation du véhicule par rapport à l'axe de la voie. C'est pourquoi il ne se produit aucun affaiblissement périodique de la force de stabilisation, qui pourrait engendrer des oscillations transversales du véhicule 2 en mouvement. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de stabilisation transversale du mouvement d'un véhicule de transport terrestre rapide, comprenant des bobines d'excitation situées le long du fond du véhicule et des boucles en court-circuit disposées horizontalement le long de la voie, le susdit dispositif étant caractérisé en ce que lestjttes -boucles en court-circuit sont installées symétriques par rapport au véhicule en deux rangées parallèles dans les zones des projections des faces latérales desdites bobines d'excitation sur la voie, à une distance telle, à partir de l'axe du chemin, que le flux magnétique total du champ des bobines d'excitation et des boucles en court-circuit soit nul. 2 - Dispositif selon la revendication i, caractérisé en ce que lesdites boucles en court-circuit sont rectangulaires. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdites boucles en court-circuit sont formées par les arêtes périphériques d'orifices pratiqués dans les rubans métalliques disposés le long de la voie. 4 - Dispositif selon lune quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que la valeur de l'écartement des axes verticaux desdites bobines d'excitation n'est pas multiple de celle de la longueur desdites boucles en court-circuit.