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Comboios de Levitação Magnética (MagLev)
Introdução:
Os comboios de levitação magnética ao contrário dos habituais comboios não têm rodas, eixos, transmissão e linhas aéreas. As rodas e os carris da via férrea são substituídos por um sistema electromagnético capaz de suportar o peso do comboio sem qualquer contacto físico. Eles não rodam, flutuam!
Levitação por repulsão magnética
Image of Maglev
A levitação por repulsão magnética é principalmente utilizada nos protótipos japoneses e baseia-se na utilização de bobinas supercondutoras capazes de criar fortes campos magnéticos.
Estas bobinas localizadas no interior do comboio (tendo uma refrigeração especial) induzem nas bobinas encontradas nos trilhos uma corrente eléctrica, que por sua vez gera um campo magnético induzido e contrário ao que lhe foi aplicado. Proporcionando assim a levitação do comboio pela força de repulsão magnética, entre o trilho e a bobina supercondutora.
As bobinas de levitação são colocadas nas partes laterais da pista do comboio com uma configuração em “8”.
Quando as bobinas supercondutoras passam com uma velocidade elevada a alguns cm acima do centro dessas bobinas, uma corrente eléctrica é induzida dentro da bobina, a qual age como um electroíman temporário.
Portanto, haverá uma força que irá empurrar as bobinas supercondutoras, para cima, enquanto que outra força puxará para cima simultaneamente, devido à sua configuração em “8”. Assim ocorre a levitação do comboio.
Para manter o comboio no seu trilho as bobinas de levitação que estão uma em frente à outra, são conectadas por baixo do trilho, formando um loop (laço).
Caso o veiculo maglev se aproxime das laterais do trilho, ele induzirá uma corrente eléctrica através do loop, resultando uma força de repulsão da bobina de levitação desse mesmo lado e uma força de atracção na bobina de levitação do lado contrário com o outro lado do veículo. Assim o veículo permanecerá no centro do trilho.
A propulsão do veículo baseia-se na força de repulsão e atracção induzidas entre os ímans. As bobinas de propulsão localizadas nas laterais do corredor são alimentadas por uma corrente trifásica de uma subestação, criando um deslocamento do campo magnético ao longo do corredor. As bobinas supercondutoras serão atraídas e empurradas por esses campos magnéticos em movimento, que ira propulsionar o veículo.
· Mudança de instalações (pistas)
As mudanças de pista são indispensáveis nas viagens de comboios, dependendo da velocidade há três tipos, para velocidades elevadas, baixas e estacionamento do veículo.
Um “atravessador” é instalado na trajectória de transição, entre a linha recta principal onde o veículo viaja levitado a alta velocidade e o ramo da curva onde o veículo circula sobre rodas a baixa velocidade.
Este tipo de transição está empregue em terminais onde a linha começa e acaba; e onde rodas de baixa velocidade tomam lugar na recta principal e no ramo da curva. Neste tipo de transição a trajectória é formada simplesmente por muros de mudança (selecção) em vez de vigas, verticais ou laterais.
A frente e a retaguarda permitem que os muros laterais se movam lateralmente, enquanto que as partes do meio permitem que os muros laterais se movam verticalmente.
Supercondutores:
Um dos principais materiais utilizados neste sistema são os supercondutores, que têm como característica principal a perda de resistência à corrente eléctrica quando estão abaixo de uma certa temperatura critica (Tc), Estes dividem-se em dois tipos, supercondutores do tipo 1 e supercondutores do tipo 2.
Existe um determinado tipo de supercondutores, nomeadamente supercondutores do tipo 1, onde se verifica que a transição para o estado de supercondutor a baixa temperatura acontece abruptamente e é acompanhada pelo efeito de Meissner.
Esse efeito que talvez seja a característica mais famosa dos supercondutores, é a causa de levitação magnética de um íman. A explicação para o fenómeno está na repulsão total dos campos magnéticos externos, o que faz com que o campo magnético interno seja nulo, desde que o campo magnético externo aplicado não seja muito intenso.
A maioria dos materiais, como vidro, madeira e água, também repele campos magnéticos externos, o que faz com que o campo no interior deles seja diferente do campo externo aplicado. A este efeito dá-se o nome de diamagnetismo e tem origem no movimento orbital dos electrões que criam pequenos “loopings” de correntes.
Elas por sua vez, criam campos magnéticos e com a aplicação de um campo magnético externo tendem a alinhar-se de tal forma que se oponham ao campo aplicado. No caso dos condutores normais, alem do alinhamento orbital dos electrões, correntes de blindagem são induzidas no material e cancelam parte do campo magnético no seu interior.
Se considerar-mos um condutor ideal onde resistência é nula, o cancelamento do campo é total, caracterizando o chamado “diamagnetismo perfeito”. Nos supercondutores do tipo 1, o cancelamento do campo magnético também é total, porém esse comportamento é distinto do diamagnetismo perfeito.
Nos supercondutores do tipo 2, a transição para o estado de supercondutor é gradual com presença de um estado intermediário, além disso, o efeito de Meissner não é perfeito, visto que, o material permite a penetração de algum campo magnético. Estes supercondutores têm temperaturas críticas muito mais elevadas do que as do tipo 1.
Supercondutores utilizados
Cada supercondutor SCM (SuperConductingMagnet) utilizado neste sistema, consistem em 4 bobinas supercondutoras. A parte cilíndrica do topo (figura 1) contém hélio e nitrogénio liquefeito, na unidade de baixo encontra-se a bobina supercondutora gerando pólos N e S alternadamente. Na ponta do tanque está junto o refrigerador, que serve para reliquefazer o gás hélio uma vez vaporizado pela absorção de calor e distúrbios externos durante a viagem.
SCM of the Yamanashi Maglev Test Line (cut model)
Figura 1
SCM of the Yamanashi Maglev Test Line
· Bobinas colocadas na chão da pista:
Bobina de levitação
Bobina de Propulsão
Existem dois tipos destas bobinas supercondutoras: bobinas de propulsão para propulsionar o veículo e bobinas de levitação para levitar o veículo e mantê-lo em pista, ou seja, guiá-lo lateralmente. Quando circula corrente eléctrica nestas bobinas encaixadas na pista, o veículo maglev pode andar.
Na linha de testes de Yamanashi maglev, as bobinas de propulsão estão dispostas em duas camadas sobrepostas, para reduzir os distúrbios electromagnéticos externos, e as bobinas de levitação são colocadas nestas bobinas de propulsão.
Ambas as bobinas de propulsão e levitação são enroladas com fios de alumínio e moldadas com resina. As bobinas de propulsão têm de ser isoladas electricamente e fortes mecanicamente, enquanto que as bobinas de levitação apenas precisam de ser mecanicamente fortes.
Para isso, as bobinas de propulsão são moldadas com resina epoxy (“não encontrei tradução para esta palavra”), enquanto que as bobinas de levitação são moldadas com resina de poliester insaturado respectivamente reforçado com fibra de vidro.
Vantagens:
· Eficiência na energia: Pela utilização da levitação magnética e da propulsão eléctrica. Por exemplo, o sistema maglev consome cerca de 1/7 da energia gasta por um boeing 737-300 numa viagem de 202-998Km;
· Não utiliza combustíveis fosseis;
· Eficiência mecânica: Resultados da redução drástica do atrito e perdas de energia por aquecimento na operação do veiculo;
· Velocidades elevadas;
· Desgastes e manutenções mínimas
Desvantagens:
· A maior desvantagem é a utilização de sistemas de refrigeração para as bobines supercondutoras usadas para levitar o veiculo
· Sistema de levitação:
O sistema de levitação do comboio funciona como o próprio nome indica de acordo com o princípio de levitação magnética. Este usa as forças atractivas entre materiais electromagnéticos (condutores metálicos que produzem um campo magnético ao serem atravessados por corrente eléctrica) controlados electronicamente no veículo e a reacção ferromagnética dos carris, induzida na parte debaixo da linha.
O suporte magnético debaixo da linha puxa o veículo para cima, enquanto que os laterais (guidance magnets) mantêm-no lateralmente em pista. Os ímans de suspensão (levitação) e orientação estão dispostos em ambos os lados ao longo de todo o comprimento do veículo.
Um sistema de controlo electrónico super seguro assegura que o veículo flutua com uma distância média de 10mm da linha. A distância entre a parte de cima da linha e a parte inferior do veículo durante a levitação é de 150mm, permitindo que flutue por cima de objectos como por exemplo uma camada de neve.
O desenho do sistema de levitação, orientação e propulsão do comboio é modular, falha tolerante e equipado com um sistema de diagnóstico automático. Isto garante que a falha de componentes individuais não resulte num distúrbio na operação.
· Sistema de propulsão:
Em contraste com o comboio tradicional, o componente primário de propulsão do sistema transrapid maglev, não está instalado no veículo mas sim na pista.
O motor linear de estator sincronizado do transrapid é usado para propulsão e travagem. O funcionamento deste pode ser associado ao funcionamento de um motor eléctrico normal (de rotação), onde o estator foi cortado e estendido ao longo de ambos os lados da linha (pista), ficando o suporte magnético no veículo a funcionar como rotor. Assim em vez de um campo magnético rotacional teremos um campo magnético “viajante” criado pelo motor.
Adicionando corrente alternada ao motor trifásico, um campo electromagnético viajante é gerado, o que faz com que o veículo se mova ao longo da pista, puxado pelo suporte magnético que funciona como componente excitado.
A velocidade pode ser continuamente controlada regulando a frequência da corrente alternada. Se a direcção do campo “viajante” for alterada para sentido contrário ao que estava a ser aplicado, o motor comporta-se como um gerador e trava o veículo sem qualquer contacto. A energia proveniente da travagem pode ser regenerada para a rede eléctrica pública.
O motor instalado na linha, está dividido em secções (figura 2) que só são alimentadas quando o veículo passa pelas mesmas. A localização e instalação da potência das subestações depende dos requerimentos do sistema de propulsão. Em secções onde é necessário um grande impulso, por exemplo, aceleração e travagem, a potência das subestações são mais elevadas do que nas secções onde a viagem é constante.
O suporte magnético (responsável pela levitação) e o sistema de orientação (ímans laterais) é alimentado por energia sem contacto dos geradores lineares integrados no suporte magnético, não sendo assim necessárias linhas aéreas. No caso de uma falha de energia, serão as baterias presentes no veículo que se encarregarão de fornecer potência, essas baterias são carregadas pelos geradores lineares durante a viagem.
· Pista elevada:
A pista elevada é especialmente apropriada para áreas onde a linha no chão iria afectar as plantações, os animais, enfim por razões ambientais e por trajectos de tráfego que não possam ser efectuados devido à construção desta linha. As colunas têm alturas superiores a 20m, e a viga normal é estendida a mais de 31m concedendo flexibilidade de adaptação da pista á topografia.
As pistas duplas e simples (comprimento das vigas de 6m a 62m) podem ser construídas em aço, betão, ou podem ser provenientes de construções hibridas. A via pode ser instalada junto ao chão ou elevada, dependendo da localização. A distância das duas pistas de centro-a-centro da via dupla é de 4.4m para mais de 300km/h e 5.1m para mais de 500Km/h. A medida da pista é de 2.8m.
· Mudanças de pista:
O sistema transrapid maglev utiliza aço maleável para a mudança de pista. Consiste numa viga de aço em forma de caixa com comprimentos entre 78m e 148m, que são dobrados elasticamente por meio de controladores electromagnéticos e seguramente trancado na posição final. Este funcionamento é controlado e salvaguardado electronicamente.
Estas transições podem ser desenhadas por duas maneiras, ou com estruturas elevadas ou rente ao chão. Na posição de linha recta o veículo pode cruzar o local de transição sem qualquer restrição de velocidade, enquanto que na posição de curvar a velocidade é limitada a 200Km/h (transição de alta velocidade) ou 100km/h (transição de baixa velocidade).
Nas instalações de estacionamento e manutenção, as pistas podem também ser mudadas usando uma mesa de transferência. Esta mesa de transferência opera movendo lateralmente uma recta comprida da pista (com o veículo estacionado no topo) para aceder a pistas múltiplas.
· Sub-estruturas:
A quantidade de trabalho realizado no solo para a construção das fundações da pista, depende das condições desse mesmo solo. Tipicamente as fundações flutuantes são suficientes. Uma grande quantidade de fundações são apenas necessárias, onde o solo apresenta condições físicas deficientes.
Em todos os casos as fundações ficam aproximadamente a 30 cm abaixo da superfície, para minimizar os efeitos das águas correntes e pequenos animais.
· Túneis:
Com a utilização de parâmetros de alinhamento da rota flexíveis, a pista do transrapid pode ser adaptada para uma grande extensão de áreas urbanizáveis. Mesmo assim túneis são necessários para determinados terrenos, como por exemplo montanhas. Estes são sempre mais pequenos do que os túneis dos comboios normais, isto deve-se à forma aerodinâmica do veículo.
· Ligação com outros modos de transporte e caminhos:
As estações do transrapid são normalmente desenhadas de forma a haver uma interacção com os outros sistemas de transporte (caminhos de ferro, estradas e ar). Eles são projectados para serem facilmente acessíveis e estão dispostos de maneira a que o viajante, tenha uma conveniente ligação para comboios de longas distâncias, comboios locais, transportes rodoviários ou até ao aeroporto para destinos mais longínquos.
Os comboios normais e o transrapid complementam-se e são uma atractiva combinação para o viajante.
O grau de aceitamento e económico do maglev depende da acessibilidade das estações. É por isso que é preciso muito cuidado com o planeamento, para assegurar que não só são ligados a caminhos-de-ferro, mas também a estradas.
· Segurança:
É mais seguro despistar-se a 500km/h no veículo transrapid do que em qualquer outro meio de transporte. Teoricamente o veículo não pode descarrilar porque ele “abraça” a linha e desde que não haja passagens de nível, nada se pode pôr no seu caminho. Colisões entre os veículos transrapid estão fora de questão devido ao plano de propulsão do sistema e também porque só é fornecida energia ao motor contido na linha, aquando da sua passagem. Dado que o veículo e o campo magnético gerado pelo motor da linha, movem-se sincronizadamente com a mesma velocidade na mesma direcção. Adicionalmente a secção do motor linear de estator longo que está a mover o veículo, apenas é seleccionada quando o veículo passa nesta.
Outros importantes elementos de protecção são:
– Protecção automática do comboio
– Inspecção automática da linha.
– Protecção dos passageiros durante a entrada e saída na estação, por meio de plataformas, portas e pontes.
– Protecção passiva dos equipamentos para prevenir estragos para a estrutura da linha.
Mesmo que a energia da rede pública seja cortada enquanto o veículo se movimenta, apenas o sistema de propulsão é perdido, de resto, a levitação do veículo e todo o equipamento a bordo é alimentado pelas baterias contidas neste, para que o veículo permaneça levitado e se mova para a frente.
Se a estação for muito longe, o veículo travará automaticamente até parar na próxima área auxiliar de paragem. Estas áreas estão instaladas de propósito ao longo do percurso.
· Consumo de energia:
O veículo transrapid consome menos energia que qualquer outro comboio de alta velocidade. Ou então vendo por outro lado, com a mesma energia consumida a performance do transrapid é substancialmente superior.
As principais razões para tal proeza estão na ausência de atrito entre a linha e o veículo, a alta eficiência do motor e a baixa resistência ao ar, esta última devido á aerodinâmica do veículo.
· Campos magnéticos:
A intensidade do campo magnético gerado pelo transrapid é extremamente baixa, comparando com o campo magnético terrestre. Como mostra o gráfico abaixo, o campo magnético criado por um secador de cabelo, fornos eléctricos, ou televisores são mais fortes que o campo gerado pelo veículo transrapid.
· Vantagens:
– Não polui em toda a sua trajectória
– Não há emissão sonora da propulsão, devido á utilização da tecnologia de levitação magnética, não qualquer contacto mecânico;
– Motor linear síncrono, possibilitando altas potências na aceleração e desaceleração, sendo possível subidas de alto grau de inclinação;
– Baixa utilização de espaço na construção de pistas elevadas. Por exemplo nas áreas agrícolas a pista pode passar por cima das plantações.
· Desvantagens:
– Maior instabilidade por ser baseado em forças de atracção magnética;
– Cada vagão deve possuir circuitos com feedback que controlam a distância entre a pista e o suporte;
– Perdas de energia no controlo dos circuitos ou dos electroímans, podem causar a perda de levitação;
Levitação por indução magnetica
Com o nome de Inductrack é um sistema passivo que não usa ímans supercondutores ou electroímans potentes. Em vez disso são utilizados ímans permanentes à temperatura ambiente, similares a ímans comuns, apenas mais potentes.
Em cada vagão existe na sua superfície uma cadeia rectangular de barras de ímans, chamadas cadeias de Halbach. As barras são colocadas num padrão especial de modo que a orientação magnética de cada barra faça um certo angulo com a orientação magnética da barra adjacente.
Quando as barras são colocadas nessa configuração, as linhas do campo magnético combinam-se para produzir um campo magnético forte debaixo do veiculo, enquanto que acima dela as linhas de campo tendem-se a cancelar.
Nos trilhos são colocadas varias bobinas isoladas entre si e formando um circuito fechado, assemelhando-se a uma moldura rectangular de uma janela. A força de levitação é produzida pela indução magnética nessas bobinas, que geram uma corrente induzida e por sua vez um campo contrario ao da indução, exercendo assim uma força de repulsão.
Este sistema apenas funciona quando o comboio viaja a uma velocidade limite(a poucos Km/h). Quando o comboio atinge uma velocidade um pouco superior à de uma pessoa andando este levita a poucos centímetros do trilho.
Como a força de levitação aumenta exponencialmente com a diminuição da distância entre o trilho e o veiculo, deste modo é garantida uma certa estabilidade vertical. Para uma estabilidade lateral, é colocado lateralmente ao trilho uma cadeia de Halbach menor, em ambos os lados.
Vantagens:
· Apresenta um sistema mais simples e barato que os mencionados anteriormente.
Desvantagens:
· Utilização de rodas para o movimento inicial, visto que só é possível a levitação acima de uma velocidade limite.
Nota: Este modelo não possui um protótipo da escala real, possuindo apenas um protótipo em laboratório.
Curiosidades
Cabos supercondutores:
Quando descobriram os supercondutores de altas temperaturas (abreviados como HTS) muito era esperado naquela época, como por exemplo energia eléctrica mais limpa e barata. O problema era descobrir de que maneira produzir cabos com supercondutores a altas temperaturas.
Eles são feitos de material cerâmico, semelhante ao empregado em canecas de café. A cerâmica é dura e quebradiça. Encontrar um processo industrial que permita produzir cabos longos e flexíveis de HTS era uma grande dificuldade.
As primeiras tentativas não foram muito rentáveis, visto que os chamados cabos de HTS de “primeira geração” eram muito dispendiosos. Cinco a dez vezes mais caro que um fio de cobre.
Alem disso, o volume de corrente que podiam conduzir ficava muito aquém do seu potencial, apenas duas a três vezes mais que um cabo de cobre, ante um potencial de 100 vezes mais condutividade. Mas agora graças a anos de pesquisa envolvendo experiências a bordo da estação espacial, isto está prestes a mudar.
O centro de supercondutividade e materiais avançados (TcSAM) da universidade de Houston, financiado pela NASA, formou uma parceria com a MetOx para produzir o “grande sucesso” que os ciêntistas andam á procura desde os anos 80.
Um cabo HTS de segunda geração que realize na prática um ganho de 100 vezes em relação á capacidade actual dos fios de cobre, mas com custos de produção semelhantes aos dos fios de cobre convencionais. O que pode diminuir os custos do veículo maglev que utiliza supercondutores.
O método de levitação magnética está a merecer alguma atenção, por parte de todos os meios de transporte. Já existindo em mente muitos protótipos futuristas como:
– Lançador de naves espaciais: equipando a nave com o sistema maglev, proporcionará uma velocidade inicial de subida, com o motor linear síncrono, comparável com os foguetes usados actualmente, embora com um custo muito inferior.
– Autoshuttle: é um projecto alemão de um transporte que utiliza um tipo de veículo maglev, o qual transportará automóveis a uma velocidade muito superior a dos carros, economizando tempo e libertando algum trânsito. Para utilizar o transporte será pago um preço menor que o do combustível gasto na viagem.
Exemplo:
Conduz o seu carro numa auto-estrada. Uma pista de selecção leva-o até á estação de entrada de um novo meio de transporte Autoshuttle. De seguida entra numa cabine transparente individual e desliga o motor do automóvel.
A cabine arranca e leva-o a uma velocidade constante de 180 Km/h, para a sua saída da auto-estrada desejada. O preço é pago durante a viagem com o cartão de crédito. Poderá mudar de destino sempre que quiser.
Se decidir sair na próxima saída, irá parar 3 minutos depois na próxima estação de saída Autoshutle e sair da cabine assim que se abra a porta da frente.
Poderá viajar num autocarro público luxuoso, de Nova York para Washington D.C. (350Km) em 2h30m por 13 Euro. Um camião pesado seria transportado a uma velocidade de 180km/h.
· Relação entre as estações e a velocidade nos comboios de alta-velocidade:
O seguinte gráfico foi publicado na Future Urban Transportation Systems e demonstra como a média da velocidade pode ser afectada, com a variação da distância entre as estações. Isto para apenas comboios de alta velocidade.
* Munich:
Hoje, a linha do comboio normal leva 45 minutos a percorrer a distancia do centro da cidade de Munich até ao aeroporto "Franz-Josef Strauß". Com o sistema de levitação magnética Transrapid esta viagem (37 quilómetros) será concebida em apenas 10 minutos, viajando a uma velocidade máxima de 350Km/h.
A pista do “Transrapid Maglev” está quase colocada junto da auto-estrada e não interfere com nenhuma reserva natural. Todos os anos serão transportados cerca de 7.86 milhões de passageiros, entre a cidade e o aeroporto. Esta linha tem inicio agendado para 2009.
Aeroporto de Munique - Estação principal de Munique
Distancia do trajecto - 38.8 km (24 milhas)
Número de comboios - 5
secções / comboio - 3
Passageiros por comboio - 320
Lugares sentados - 148
Estações - 2
Passageiros anuais - 7.86 Mio. passageiros
Velocidade de operação - 350 km/h, 217 mph
(velocidade média) - (128 km/h, 78 mph)
Tempo de viagem - 10 minutos
Frequência de operação - Todos os 10 minutos
· Projecto Maglev Intercidades California-Nevada
Apesar de não ter sido seleccionado para participar na próxima fase de desenvolvimento do projecto Maglev, Los Angeles e Las Vegas estão à procura de interligarem os seus aeroportos.
A 1ª parte do projecto é ligar Las Vegas a Primm
Distância do trajecto:56 km
Estações:2
Duração da viagem:11 minutos
Numero de comboios:3 (8 secções cada)
Investimento (aprox.):$ 1.3 biliões
Las Vegas - Los Angeles
· Shanghai:
Projecto Shanghai: Do aeroporto de Pudong para Lujiazui
Uma das vantagens para a realização do projecto Shanghai é o avanço para esta inovação da tecnologia dos caminhos-de-ferro para todo o mundo. Esta aplicação é uma ligação de quase 30 Km entre o aeroporto internacional de Shanghai e o centro financeiro em Lujiazui.
Distância do trajecto:30 km
Velocidade de operação:430 km/h
Tempo de viagem:8 minutos
Frequência de operação:Todos 10 minutos
Estações:2
Numero de comboios:3 comboios, cada um com 5 secções
(a partir de 2004, cada um com 6 secções)
Passageiros esperados:
2005 - 10 milhões
2010 - 20 milhões
2020 - 33 milhões
Fornecedores:
Veículos, propulsão, sistemas de controlo das operações -Siemens/ThyssenKrupp/, Transrapid International
Infrastructura da pista -Shanghai Maglev Transportation Development Co. Ltd. (SMTDC)
A seguinte fig. demonstra o percurso do comboio
(...)
Trabalho elaborado:Instituto Politécnico de Tomar
Introdução:
Os comboios de levitação magnética ao contrário dos habituais comboios não têm rodas, eixos, transmissão e linhas aéreas. As rodas e os carris da via férrea são substituídos por um sistema electromagnético capaz de suportar o peso do comboio sem qualquer contacto físico. Eles não rodam, flutuam!
Levitação por repulsão magnética
Image of Maglev
A levitação por repulsão magnética é principalmente utilizada nos protótipos japoneses e baseia-se na utilização de bobinas supercondutoras capazes de criar fortes campos magnéticos.
Estas bobinas localizadas no interior do comboio (tendo uma refrigeração especial) induzem nas bobinas encontradas nos trilhos uma corrente eléctrica, que por sua vez gera um campo magnético induzido e contrário ao que lhe foi aplicado. Proporcionando assim a levitação do comboio pela força de repulsão magnética, entre o trilho e a bobina supercondutora.
Quando as bobinas supercondutoras passam com uma velocidade elevada a alguns cm acima do centro dessas bobinas, uma corrente eléctrica é induzida dentro da bobina, a qual age como um electroíman temporário.
Portanto, haverá uma força que irá empurrar as bobinas supercondutoras, para cima, enquanto que outra força puxará para cima simultaneamente, devido à sua configuração em “8”. Assim ocorre a levitação do comboio.
Para manter o comboio no seu trilho as bobinas de levitação que estão uma em frente à outra, são conectadas por baixo do trilho, formando um loop (laço).
Caso o veiculo maglev se aproxime das laterais do trilho, ele induzirá uma corrente eléctrica através do loop, resultando uma força de repulsão da bobina de levitação desse mesmo lado e uma força de atracção na bobina de levitação do lado contrário com o outro lado do veículo. Assim o veículo permanecerá no centro do trilho.
· Mudança de instalações (pistas)
As mudanças de pista são indispensáveis nas viagens de comboios, dependendo da velocidade há três tipos, para velocidades elevadas, baixas e estacionamento do veículo.
Transição de Alta velocidade:
High speed (traverser) type
High speed (traverser) type
Um “atravessador” é instalado na trajectória de transição, entre a linha recta principal onde o veículo viaja levitado a alta velocidade e o ramo da curva onde o veículo circula sobre rodas a baixa velocidade.
Transição de Baixa (mudança de muros laterais) velocidade:
Low-speed (sidewall shifting) type
Low-speed (sidewall shifting) type
Este tipo de transição está empregue em terminais onde a linha começa e acaba; e onde rodas de baixa velocidade tomam lugar na recta principal e no ramo da curva. Neste tipo de transição a trajectória é formada simplesmente por muros de mudança (selecção) em vez de vigas, verticais ou laterais.
A frente e a retaguarda permitem que os muros laterais se movam lateralmente, enquanto que as partes do meio permitem que os muros laterais se movam verticalmente.
Supercondutores:
Um dos principais materiais utilizados neste sistema são os supercondutores, que têm como característica principal a perda de resistência à corrente eléctrica quando estão abaixo de uma certa temperatura critica (Tc), Estes dividem-se em dois tipos, supercondutores do tipo 1 e supercondutores do tipo 2.
Existe um determinado tipo de supercondutores, nomeadamente supercondutores do tipo 1, onde se verifica que a transição para o estado de supercondutor a baixa temperatura acontece abruptamente e é acompanhada pelo efeito de Meissner.
Esse efeito que talvez seja a característica mais famosa dos supercondutores, é a causa de levitação magnética de um íman. A explicação para o fenómeno está na repulsão total dos campos magnéticos externos, o que faz com que o campo magnético interno seja nulo, desde que o campo magnético externo aplicado não seja muito intenso.
A maioria dos materiais, como vidro, madeira e água, também repele campos magnéticos externos, o que faz com que o campo no interior deles seja diferente do campo externo aplicado. A este efeito dá-se o nome de diamagnetismo e tem origem no movimento orbital dos electrões que criam pequenos “loopings” de correntes.
Elas por sua vez, criam campos magnéticos e com a aplicação de um campo magnético externo tendem a alinhar-se de tal forma que se oponham ao campo aplicado. No caso dos condutores normais, alem do alinhamento orbital dos electrões, correntes de blindagem são induzidas no material e cancelam parte do campo magnético no seu interior.
Se considerar-mos um condutor ideal onde resistência é nula, o cancelamento do campo é total, caracterizando o chamado “diamagnetismo perfeito”. Nos supercondutores do tipo 1, o cancelamento do campo magnético também é total, porém esse comportamento é distinto do diamagnetismo perfeito.
Nos supercondutores do tipo 2, a transição para o estado de supercondutor é gradual com presença de um estado intermediário, além disso, o efeito de Meissner não é perfeito, visto que, o material permite a penetração de algum campo magnético. Estes supercondutores têm temperaturas críticas muito mais elevadas do que as do tipo 1.
Supercondutores utilizados
Cada supercondutor SCM (SuperConductingMagnet) utilizado neste sistema, consistem em 4 bobinas supercondutoras. A parte cilíndrica do topo (figura 1) contém hélio e nitrogénio liquefeito, na unidade de baixo encontra-se a bobina supercondutora gerando pólos N e S alternadamente. Na ponta do tanque está junto o refrigerador, que serve para reliquefazer o gás hélio uma vez vaporizado pela absorção de calor e distúrbios externos durante a viagem.
SCM of the Yamanashi Maglev Test Line (cut model)
Figura 1
SCM of the Yamanashi Maglev Test Line
· Bobinas colocadas na chão da pista:
Bobina de levitação
Bobina de Propulsão
Existem dois tipos destas bobinas supercondutoras: bobinas de propulsão para propulsionar o veículo e bobinas de levitação para levitar o veículo e mantê-lo em pista, ou seja, guiá-lo lateralmente. Quando circula corrente eléctrica nestas bobinas encaixadas na pista, o veículo maglev pode andar.
Na linha de testes de Yamanashi maglev, as bobinas de propulsão estão dispostas em duas camadas sobrepostas, para reduzir os distúrbios electromagnéticos externos, e as bobinas de levitação são colocadas nestas bobinas de propulsão.
Ambas as bobinas de propulsão e levitação são enroladas com fios de alumínio e moldadas com resina. As bobinas de propulsão têm de ser isoladas electricamente e fortes mecanicamente, enquanto que as bobinas de levitação apenas precisam de ser mecanicamente fortes.
Para isso, as bobinas de propulsão são moldadas com resina epoxy (“não encontrei tradução para esta palavra”), enquanto que as bobinas de levitação são moldadas com resina de poliester insaturado respectivamente reforçado com fibra de vidro.
Vantagens:
· Eficiência na energia: Pela utilização da levitação magnética e da propulsão eléctrica. Por exemplo, o sistema maglev consome cerca de 1/7 da energia gasta por um boeing 737-300 numa viagem de 202-998Km;
· Não utiliza combustíveis fosseis;
· Eficiência mecânica: Resultados da redução drástica do atrito e perdas de energia por aquecimento na operação do veiculo;
· Velocidades elevadas;
· Desgastes e manutenções mínimas
Desvantagens:
· A maior desvantagem é a utilização de sistemas de refrigeração para as bobines supercondutoras usadas para levitar o veiculo
Levitação por atracção magnética
· Sistema de levitação:
O sistema de levitação do comboio funciona como o próprio nome indica de acordo com o princípio de levitação magnética. Este usa as forças atractivas entre materiais electromagnéticos (condutores metálicos que produzem um campo magnético ao serem atravessados por corrente eléctrica) controlados electronicamente no veículo e a reacção ferromagnética dos carris, induzida na parte debaixo da linha.
Um sistema de controlo electrónico super seguro assegura que o veículo flutua com uma distância média de 10mm da linha. A distância entre a parte de cima da linha e a parte inferior do veículo durante a levitação é de 150mm, permitindo que flutue por cima de objectos como por exemplo uma camada de neve.
O desenho do sistema de levitação, orientação e propulsão do comboio é modular, falha tolerante e equipado com um sistema de diagnóstico automático. Isto garante que a falha de componentes individuais não resulte num distúrbio na operação.
· Sistema de propulsão:
Em contraste com o comboio tradicional, o componente primário de propulsão do sistema transrapid maglev, não está instalado no veículo mas sim na pista.
O motor linear de estator sincronizado do transrapid é usado para propulsão e travagem. O funcionamento deste pode ser associado ao funcionamento de um motor eléctrico normal (de rotação), onde o estator foi cortado e estendido ao longo de ambos os lados da linha (pista), ficando o suporte magnético no veículo a funcionar como rotor. Assim em vez de um campo magnético rotacional teremos um campo magnético “viajante” criado pelo motor.
A velocidade pode ser continuamente controlada regulando a frequência da corrente alternada. Se a direcção do campo “viajante” for alterada para sentido contrário ao que estava a ser aplicado, o motor comporta-se como um gerador e trava o veículo sem qualquer contacto. A energia proveniente da travagem pode ser regenerada para a rede eléctrica pública.
O motor instalado na linha, está dividido em secções (figura 2) que só são alimentadas quando o veículo passa pelas mesmas. A localização e instalação da potência das subestações depende dos requerimentos do sistema de propulsão. Em secções onde é necessário um grande impulso, por exemplo, aceleração e travagem, a potência das subestações são mais elevadas do que nas secções onde a viagem é constante.
· Pista elevada:
As pistas duplas e simples (comprimento das vigas de 6m a 62m) podem ser construídas em aço, betão, ou podem ser provenientes de construções hibridas. A via pode ser instalada junto ao chão ou elevada, dependendo da localização. A distância das duas pistas de centro-a-centro da via dupla é de 4.4m para mais de 300km/h e 5.1m para mais de 500Km/h. A medida da pista é de 2.8m.
· Mudanças de pista:
O sistema transrapid maglev utiliza aço maleável para a mudança de pista. Consiste numa viga de aço em forma de caixa com comprimentos entre 78m e 148m, que são dobrados elasticamente por meio de controladores electromagnéticos e seguramente trancado na posição final. Este funcionamento é controlado e salvaguardado electronicamente.
Nas instalações de estacionamento e manutenção, as pistas podem também ser mudadas usando uma mesa de transferência. Esta mesa de transferência opera movendo lateralmente uma recta comprida da pista (com o veículo estacionado no topo) para aceder a pistas múltiplas.
· Sub-estruturas:
A quantidade de trabalho realizado no solo para a construção das fundações da pista, depende das condições desse mesmo solo. Tipicamente as fundações flutuantes são suficientes. Uma grande quantidade de fundações são apenas necessárias, onde o solo apresenta condições físicas deficientes.
Em todos os casos as fundações ficam aproximadamente a 30 cm abaixo da superfície, para minimizar os efeitos das águas correntes e pequenos animais.
· Túneis:
Com a utilização de parâmetros de alinhamento da rota flexíveis, a pista do transrapid pode ser adaptada para uma grande extensão de áreas urbanizáveis. Mesmo assim túneis são necessários para determinados terrenos, como por exemplo montanhas. Estes são sempre mais pequenos do que os túneis dos comboios normais, isto deve-se à forma aerodinâmica do veículo.
· Ligação com outros modos de transporte e caminhos:
As estações do transrapid são normalmente desenhadas de forma a haver uma interacção com os outros sistemas de transporte (caminhos de ferro, estradas e ar). Eles são projectados para serem facilmente acessíveis e estão dispostos de maneira a que o viajante, tenha uma conveniente ligação para comboios de longas distâncias, comboios locais, transportes rodoviários ou até ao aeroporto para destinos mais longínquos.
Os comboios normais e o transrapid complementam-se e são uma atractiva combinação para o viajante.
O grau de aceitamento e económico do maglev depende da acessibilidade das estações. É por isso que é preciso muito cuidado com o planeamento, para assegurar que não só são ligados a caminhos-de-ferro, mas também a estradas.
· Segurança:
É mais seguro despistar-se a 500km/h no veículo transrapid do que em qualquer outro meio de transporte. Teoricamente o veículo não pode descarrilar porque ele “abraça” a linha e desde que não haja passagens de nível, nada se pode pôr no seu caminho. Colisões entre os veículos transrapid estão fora de questão devido ao plano de propulsão do sistema e também porque só é fornecida energia ao motor contido na linha, aquando da sua passagem. Dado que o veículo e o campo magnético gerado pelo motor da linha, movem-se sincronizadamente com a mesma velocidade na mesma direcção. Adicionalmente a secção do motor linear de estator longo que está a mover o veículo, apenas é seleccionada quando o veículo passa nesta.
Outros importantes elementos de protecção são:
– Protecção automática do comboio
– Inspecção automática da linha.
– Protecção dos passageiros durante a entrada e saída na estação, por meio de plataformas, portas e pontes.
– Protecção passiva dos equipamentos para prevenir estragos para a estrutura da linha.
Mesmo que a energia da rede pública seja cortada enquanto o veículo se movimenta, apenas o sistema de propulsão é perdido, de resto, a levitação do veículo e todo o equipamento a bordo é alimentado pelas baterias contidas neste, para que o veículo permaneça levitado e se mova para a frente.
Se a estação for muito longe, o veículo travará automaticamente até parar na próxima área auxiliar de paragem. Estas áreas estão instaladas de propósito ao longo do percurso.
· Consumo de energia:
O veículo transrapid consome menos energia que qualquer outro comboio de alta velocidade. Ou então vendo por outro lado, com a mesma energia consumida a performance do transrapid é substancialmente superior.
As principais razões para tal proeza estão na ausência de atrito entre a linha e o veículo, a alta eficiência do motor e a baixa resistência ao ar, esta última devido á aerodinâmica do veículo.
· Campos magnéticos:
A intensidade do campo magnético gerado pelo transrapid é extremamente baixa, comparando com o campo magnético terrestre. Como mostra o gráfico abaixo, o campo magnético criado por um secador de cabelo, fornos eléctricos, ou televisores são mais fortes que o campo gerado pelo veículo transrapid.
· Vantagens:
– Não polui em toda a sua trajectória
– Não há emissão sonora da propulsão, devido á utilização da tecnologia de levitação magnética, não qualquer contacto mecânico;
– Motor linear síncrono, possibilitando altas potências na aceleração e desaceleração, sendo possível subidas de alto grau de inclinação;
– Baixa utilização de espaço na construção de pistas elevadas. Por exemplo nas áreas agrícolas a pista pode passar por cima das plantações.
· Desvantagens:
– Maior instabilidade por ser baseado em forças de atracção magnética;
– Cada vagão deve possuir circuitos com feedback que controlam a distância entre a pista e o suporte;
– Perdas de energia no controlo dos circuitos ou dos electroímans, podem causar a perda de levitação;
Levitação por indução magnetica
Com o nome de Inductrack é um sistema passivo que não usa ímans supercondutores ou electroímans potentes. Em vez disso são utilizados ímans permanentes à temperatura ambiente, similares a ímans comuns, apenas mais potentes.
Em cada vagão existe na sua superfície uma cadeia rectangular de barras de ímans, chamadas cadeias de Halbach. As barras são colocadas num padrão especial de modo que a orientação magnética de cada barra faça um certo angulo com a orientação magnética da barra adjacente.
Quando as barras são colocadas nessa configuração, as linhas do campo magnético combinam-se para produzir um campo magnético forte debaixo do veiculo, enquanto que acima dela as linhas de campo tendem-se a cancelar.
Nos trilhos são colocadas varias bobinas isoladas entre si e formando um circuito fechado, assemelhando-se a uma moldura rectangular de uma janela. A força de levitação é produzida pela indução magnética nessas bobinas, que geram uma corrente induzida e por sua vez um campo contrario ao da indução, exercendo assim uma força de repulsão.
Este sistema apenas funciona quando o comboio viaja a uma velocidade limite(a poucos Km/h). Quando o comboio atinge uma velocidade um pouco superior à de uma pessoa andando este levita a poucos centímetros do trilho.
Como a força de levitação aumenta exponencialmente com a diminuição da distância entre o trilho e o veiculo, deste modo é garantida uma certa estabilidade vertical. Para uma estabilidade lateral, é colocado lateralmente ao trilho uma cadeia de Halbach menor, em ambos os lados.
Vantagens:
· Apresenta um sistema mais simples e barato que os mencionados anteriormente.
Desvantagens:
· Utilização de rodas para o movimento inicial, visto que só é possível a levitação acima de uma velocidade limite.
Nota: Este modelo não possui um protótipo da escala real, possuindo apenas um protótipo em laboratório.
Curiosidades
Cabos supercondutores:
Quando descobriram os supercondutores de altas temperaturas (abreviados como HTS) muito era esperado naquela época, como por exemplo energia eléctrica mais limpa e barata. O problema era descobrir de que maneira produzir cabos com supercondutores a altas temperaturas.
Eles são feitos de material cerâmico, semelhante ao empregado em canecas de café. A cerâmica é dura e quebradiça. Encontrar um processo industrial que permita produzir cabos longos e flexíveis de HTS era uma grande dificuldade.
As primeiras tentativas não foram muito rentáveis, visto que os chamados cabos de HTS de “primeira geração” eram muito dispendiosos. Cinco a dez vezes mais caro que um fio de cobre.
Alem disso, o volume de corrente que podiam conduzir ficava muito aquém do seu potencial, apenas duas a três vezes mais que um cabo de cobre, ante um potencial de 100 vezes mais condutividade. Mas agora graças a anos de pesquisa envolvendo experiências a bordo da estação espacial, isto está prestes a mudar.
Um cabo HTS de segunda geração que realize na prática um ganho de 100 vezes em relação á capacidade actual dos fios de cobre, mas com custos de produção semelhantes aos dos fios de cobre convencionais. O que pode diminuir os custos do veículo maglev que utiliza supercondutores.
O método de levitação magnética está a merecer alguma atenção, por parte de todos os meios de transporte. Já existindo em mente muitos protótipos futuristas como:
– Lançador de naves espaciais: equipando a nave com o sistema maglev, proporcionará uma velocidade inicial de subida, com o motor linear síncrono, comparável com os foguetes usados actualmente, embora com um custo muito inferior.
– Autoshuttle: é um projecto alemão de um transporte que utiliza um tipo de veículo maglev, o qual transportará automóveis a uma velocidade muito superior a dos carros, economizando tempo e libertando algum trânsito. Para utilizar o transporte será pago um preço menor que o do combustível gasto na viagem.
Exemplo:
Conduz o seu carro numa auto-estrada. Uma pista de selecção leva-o até á estação de entrada de um novo meio de transporte Autoshuttle. De seguida entra numa cabine transparente individual e desliga o motor do automóvel.
A cabine arranca e leva-o a uma velocidade constante de 180 Km/h, para a sua saída da auto-estrada desejada. O preço é pago durante a viagem com o cartão de crédito. Poderá mudar de destino sempre que quiser.
Se decidir sair na próxima saída, irá parar 3 minutos depois na próxima estação de saída Autoshutle e sair da cabine assim que se abra a porta da frente.
Poderá viajar num autocarro público luxuoso, de Nova York para Washington D.C. (350Km) em 2h30m por 13 Euro. Um camião pesado seria transportado a uma velocidade de 180km/h.
· Relação entre as estações e a velocidade nos comboios de alta-velocidade:
O seguinte gráfico foi publicado na Future Urban Transportation Systems e demonstra como a média da velocidade pode ser afectada, com a variação da distância entre as estações. Isto para apenas comboios de alta velocidade.
Projectos
* Munich:
Hoje, a linha do comboio normal leva 45 minutos a percorrer a distancia do centro da cidade de Munich até ao aeroporto "Franz-Josef Strauß". Com o sistema de levitação magnética Transrapid esta viagem (37 quilómetros) será concebida em apenas 10 minutos, viajando a uma velocidade máxima de 350Km/h.
A pista do “Transrapid Maglev” está quase colocada junto da auto-estrada e não interfere com nenhuma reserva natural. Todos os anos serão transportados cerca de 7.86 milhões de passageiros, entre a cidade e o aeroporto. Esta linha tem inicio agendado para 2009.
Aeroporto de Munique - Estação principal de Munique
Distancia do trajecto - 38.8 km (24 milhas)
Número de comboios - 5
secções / comboio - 3
Passageiros por comboio - 320
Lugares sentados - 148
Estações - 2
Passageiros anuais - 7.86 Mio. passageiros
Velocidade de operação - 350 km/h, 217 mph
(velocidade média) - (128 km/h, 78 mph)
Tempo de viagem - 10 minutos
Frequência de operação - Todos os 10 minutos
· Projecto Maglev Intercidades California-Nevada
Apesar de não ter sido seleccionado para participar na próxima fase de desenvolvimento do projecto Maglev, Los Angeles e Las Vegas estão à procura de interligarem os seus aeroportos.
A 1ª parte do projecto é ligar Las Vegas a Primm
Distância do trajecto:56 km
Estações:2
Duração da viagem:11 minutos
Numero de comboios:3 (8 secções cada)
Investimento (aprox.):$ 1.3 biliões
Las Vegas - Los Angeles
· Shanghai:
Projecto Shanghai: Do aeroporto de Pudong para Lujiazui
Uma das vantagens para a realização do projecto Shanghai é o avanço para esta inovação da tecnologia dos caminhos-de-ferro para todo o mundo. Esta aplicação é uma ligação de quase 30 Km entre o aeroporto internacional de Shanghai e o centro financeiro em Lujiazui.
Distância do trajecto:30 km
Velocidade de operação:430 km/h
Tempo de viagem:8 minutos
Frequência de operação:Todos 10 minutos
Estações:2
Numero de comboios:3 comboios, cada um com 5 secções
(a partir de 2004, cada um com 6 secções)
Passageiros esperados:
2005 - 10 milhões
2010 - 20 milhões
2020 - 33 milhões
Fornecedores:
Veículos, propulsão, sistemas de controlo das operações -Siemens/ThyssenKrupp/, Transrapid International
Infrastructura da pista -Shanghai Maglev Transportation Development Co. Ltd. (SMTDC)
A seguinte fig. demonstra o percurso do comboio
(...)
Trabalho elaborado:Instituto Politécnico de Tomar