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FISICA III2003ESTUDIO DE LAS APLICACIONES PRÁCTICAS DELA LEVITACIÓN MAGNÉTICA(TRENES MAGLEV)Autor: Gabriel Perren-1-

FISICA III2003INDICEIntroducción .3Sistema de funcionamiento del tren de levitaciónmagnética de alta velocidad.41. Principio de levitación magnética.41.1. EMS: Suspensión electromagnética.41.2. EDS: Suspensión Electrodinámica.62. Principio de guía lateral.83. Principio de propulsión.93.1. LSM: Motor Lineal Síncrono.104. Mecanismo de frenada.12El último avance en tecnología Maglev: La Inductrack.13Aplicación futura de la tecnología maglev: Lanzadera espacial de levitaciónmagnética.15Fuentes.16-2-

FISICA III2003IntroducciónLlamamos “levitación magnética” al fenómeno por el cual un dado materialpuede, literalmente, levitar gracias a la repulsión existente entre los polosiguales de dos imanes o bien debido a lo que se conoce como “EfectoMeissner”, propiedad inherente a los superconductores. La superconductividades una característica de algunos compuestos, los cuales, por debajo de unacierta temperatura crítica, no oponen resistencia al paso de la corriente; esdecir: son materiales que pueden alcanzar una resistencia nula. En estascondiciones de temperatura no solamente son capaces de transportar energíaeléctrica sin ningún tipo de pérdidas, sino que además poseen la propiedad derechazar las líneas de un campo magnético aplicado. Se denomina “EfectoMeissner” a esta capacidad de los superconductores de rechazar un campomagnético que intente penetrar en su interior; de manera que si acercamos unimán a un superconductor, se genera una fuerza magnética de repulsión la cuales capaz de contrarrestar el peso del imán produciendo así la levitación delmismo.Hoy día el uso más extendido del fenómeno de levitación magnética se da enlos trenes de levitación magnética. Un tren de levitación magnética es unvehículo que utiliza las ondas magnéticas para suspenderse por encima delcarril (algunos de estos trenes van a 1 cm por encima de la vía y otros puedenlevitar hasta 15 cm) e impulsarse a lo largo de un carril-guía. Si bien existenotras aplicaciones como, por ejemplo, las montañas rusas de levitaciónmagnética o, lo que en la actualidad se encuentra bajo investigación, lapropulsión de naves espaciales mediante este mismo fenómeno (lo que semenciona más adelante), estas se basan en los mismos principios que lostrenes tanto para mantenerse levitando como para impulsarse a lo largo de uncarril-guía. Por esta razón este trabajo se centrará en los trenes de levitaciónmagnética y más aún, en el principio de funcionamiento de estos, dándolemenos importancia a otros aspectos como: impacto ecológico, viabilidadeconómica (excepto en el caso de la propulsión de naves espaciales, donde seconvierte en tema prioritario), confort, tendido estratégico de vías, diferentesdiseños, etc.-3-

FISICA III2003Sistema de funcionamiento del tren de levitación magnética dealta velocidadA continuación se exponen los cuatro principios básicos por los cuales funcionaun tren maglev.1. Principio de levitación magnéticaLa levitación en un tren maglev, se consigue mediante la interacción decampos magnéticos que dan lugar a fuerzas de atracción o repulsión,dependiendo del diseño del vehículo, es decir, según si el tren utilice unsistema EMS (electromagnetic suspension o suspensión electromagnética) oEDS (electrdynamic suspension o suspensión electrodinámica).La principal diferencia entre un sistema EMS y un EDS es que en el primero lalevitación del tren es producida por la atracción entre las bobinas colocadas enel vehículo y la vía, y en el segundo se consigue la levitación gracias a fuerzasde repulsión entre estas.1.1.EMS: Suspensión electromagnéticaEn el caso del EMS, la parte inferior del tren queda por debajo de una guía dematerial ferromagnético, que no posee magnetismo permanente.-4-

FISICA III2003(Figura 1.1, esquema de la suspensión EMS)Cuando se ponen en marcha los electroimanes situados sobre el vehículo, segenera una fuerza de atracción. Ya que el carril no puede moverse, son loselectroimanes los que se mueven en dirección a éste elevando con ellos el trencompleto. Sensores en el tren se encargan de regular la corriente circulante enlas bobinas, como resultado el tren circulará a una distancia deaproximadamente un centímetro del carril guía. Unos electroimanesencargados de la guía lateral del vehículo serán colocados en los laterales deltren de manera que quede garantizado su centrado en la vía (esto se detalla enel punto 1.3).La principal ventaja de las suspensiones EMS es que usan electroimanes envez de los complicados imanes superconductores que exige la suspensión EDS(de lo que se habla en el siguiente punto). Por no necesitar imanessuperconductores, no son necesarios complicados y costosos sistemas derefrigeración. Aunque el consumo actual del EMS es inferior al del EDS, seespera que, con el avance de las investigaciones en superconductividad, losconsumos de las suspensiones EDS bajen considerablemente.Aún así los trenes de suspensión EMS sufren ciertas limitaciones, laprincipal es su inestabilidad. Cuando la distancia entre la guía y loselectroimanes disminuye, la fuerza de atracción crece y, aunque la corrienteeléctrica circulante en los electroimanes puede ser regulada inmediatamente,-5-

FISICA III2003existe el peligro de que aparezcan vibraciones o de que el tren toque la guía.Otra de las limitaciones de este diseño es la enorme precisión necesaria en suconstrucción, lo cual encarece su producción. Una pequeña desviación deunos pocos milímetros a lo largo de la estructura del tren puede provocar undesastre. Además, con unas tolerancias tan pequeñas un simple terremotopodría destruir completamente todo un sistema de líneas maglev. Por otro ladola amplitud del hueco entre vehículo y guía no puede ampliarse porque el costode esto haría al sistema prohibitivo.1.2. EDS: Suspensión ElectrodinámicaLa levitación EDS se basa en la propiedad de ciertos materiales de rechazarcualquier campo magnético que intente penetrar en ellos. Esta propiedad se daen superconductores y es llamada Efecto Meissner, como se explicó conanterioridad. La suspensión, por tanto, consiste en que el superconductorrechazará las líneas de campo magnético de manera que no pasen por suinterior, lo que provocará la elevación del tren. En diversos prototipos desuspensión EDS se ubica un material superconductor a los lados de la parteinferior del vehículo, tal como puede observarse en la figura:(Figura 1.2.1, esquema de la suspensión EDS)-6-

FISICA III2003Este pasa a unos centímetros de un conjunto de bobinas situadas sobre elcarril guía. Al moverse el vehículo a lo largo del carril se inducirá una corrienteen las bobinas de este, las cuales actuarán entonces como electroimanes. Alinteractuar con los superconductores montados en el tren, se producirá lalevitación. Debido a esto, la fuerza de levitación será cero cuando el vehículose encuentre parado; para esto el tren tiene incorporadas unas ruedasneumáticas. Estas funcionan de la siguiente manera: como la fuerza delevitación aumenta con la velocidad, cuando la velocidad alcanzada por el trenes la suficiente para que este se eleve, las ruedas quedan entonces “en el aire”y por lo tanto, inutilizadas. De la misma manera, cuando la velocidad empieza adisminuir, lo que hace que disminuya la fuerza repulsiva, el tren comienza adescender hasta que las ruedas quedan apoyadas, y así se detiene.Este sistema permite levitaciones de hasta 15 cm, lo cual supera por mucho alsistema EMS. Esto permite hacer guías menos precisas para este tipo deMaglevs y los protege de los daños que pequeñas deformaciones enterremotos pudieran producir. Además, un tren con suspensión EDS se amoldaa las curvas compensando la aceleración lateral inclinándose, de manera queninguna perturbación es sentida dentro del vehículo.Una desventaja de este sistema es que la utilización directa desuperconductores provoca grandes campos magnéticos dentro del vehículo, osea la zona donde se encuentran los pasajeros, por lo que se deben utilizarcomplejos sistemas de aislamiento de la radiación magnética (sobre lossuperconductores) para no perjudicar la salud de los pasajeros, ya que essabido que una continua exposición a campos magnéticos muy intensos puedecontribuir al desarrollo de ciertas enfermedades como el cáncer. Esto contrastacon el sistema EMS, en el cual el campo magnético usado para la levitación,guía y propulsión del tren, se concentra en la brecha entre el vehículo y elcarril-guía. Fuera de esta brecha, la intensidad del campo magnético disminuyede manera tal que en la cabina donde viajan los pasajeros su intensidad escomparable con la del campo magnético terrestre. Esto se muestra en lasiguiente gráfica (datos del tren de levitación magnética alemán):-7-

FISICA III2003(Figura 1.2.2, campo electromagnético producido por el sistema EMS)Otra desventaja son los grandes costos de los materiales superconductores yde los potentes sistemas de refrigeración necesarios para mantener a estos auna baja temperatura.2. Principio de guía lateralLos maglev necesitan, además del sistema de levitación magnética unsistema de guía lateral que asegure que el vehículo no roce el carril guía comoconsecuencia de perturbaciones externas que pueda sufrir.En la suspensión EMS, se instalan unos imanes en los laterales del tren loscuales, a diferencia de los ubicados para permitir al tren levitar y moverse,solamente actuarán cuando este se desplace lateralmente, ejerciendo fuerzasde atracción del lado que más se aleje de la vía.En el sistema EDS son los superconductores y las bobinas de levitación losencargados del guiado lateral del tren. Las bobinas de levitación estánconectadas por debajo del carril-guía formando un lazo:-8-

FISICA III2003(Figura 2, principio de guía lateral)Así, cuando el vehículo se desplaza lateralmente, una corriente eléctrica esinducida en el lazo, lo que da como resultado una fuerza repulsiva del lado máscercano a las bobinas de levitación, obligando al vehículo a centrarse.Si el tren por alguna causa se hundiese en el carril-guía este respondería conun aumento de la fuerza repulsiva, lo cual equilibraría este acercamiento; encontraste con el sistema EMS en el cual la fuerza atractiva aumenta si elvehículo se acerca a la guía.3. Principio de propulsiónUn tren maglev es propulsado mediante un motor lineal. El funcionamiento deun motor lineal deriva de un motor eléctrico convencional donde el estator esabierto y “desenrollado” a lo largo del carril-guía en ambos lados, como se veen la figura:(Figura 3, esquema de un motor lineal en un tren Maglev)-9-

FISICA III2003La propulsión, tanto en EDS como en EMS, se logra generalmente mediante lautilización del LSM, linear synchronous motor o motor lineal síncrono.3.1. LSM: Motor Lineal SíncronoEste sistema de propulsión utiliza como estator un circuito de bobinas sobre lavía, por el cual circula una corriente alterna trifásica controlada. El rotor estacompuesto por los electroimanes del tren, en el caso de un EMS, o las bobinassuperconductoras en un EDS.El campo magnético que crea la corriente alterna del estator interactúa con elrotor (electroimanes o bobinas superconductoras) creando una sucesión depolos norte y sur que empujarán y tirarán del vehículo hacia delante, comomuestra la figura:(Figura 3.1.1, propulsión de un tren Maglev)Este campo magnético (también llamado "onda magnética") viajará junto al trena través del carril-guía, permitiéndole a este acelerar. Así, el rotor viajará a lamisma velocidad que el campo magnético.La regulación de la velocidad del tren se logra bien regulando la frecuencia dela onda magnética (o sea, variando la frecuencia de la corriente alterna) o bienvariando el número de espiras por unidad de longitud en el estator y el rotor.Una característica importante de este sistema es que la energía que mueve altren no la provee el mismo tren, sino que esta es proveída por las vías. Estopermite evitar un malgasto de energía fraccionando la vía en secciones, de- 10 -

FISICA III2003manera que cada una tenga su alimentación, de esta manera solamenteestarán activos aquellos tramos de la vía por los que en ese momento estétransitando el tren.(Figura 3.1.2, suministro de energía a la vía)Los trenes maglev, gracias a su sistema de propulsión, son capaces de circularpor desniveles de hasta 10 grados, en contraste con los trenes convencionalesque sólo pueden circular por pendientes con desniveles de hasta 4 grados.(Figura 3.1.3, ascenso de pendientes)- 11 -

FISICA III2003Además la velocidad que alcanzan los trenes maglev es muy superior a laalcanzada por los trenes convencionales (inclusive los trenes eléctricos),llegando hasta 500 Km/h (hasta el momento) y su consumo es de solamente un40 % del combustible usado por un automóvil por pasajero y milla, debido a lareducción del rozamiento con la vía.4. Mecanismo de frenadaEl frenado del tren maglev se consigue, como la propulsión, gracias al motorlineal. Esto se logra invirtiendo la polaridad de la co