Se denomina levitación al efecto que logra hacer que un objeto o cuerpo se mantenga en suspensión en el aire sin tener ningún tipo de contacto con el que lo hace levitar [16] , dentro de la levitación existen tres tipos de tecnologías:
La suspensión electromagnética (EMS), la suspensión electrodinámica (EDS) y la suspensión electromagnética híbrida (HEMS).
Tabla 2-1. Comparación de los sistemas tren Maglev y tren convencional [4] .
Sistema tren
Maglev convencional Sistema tren
Vibración y ruido Sin contactos mecánicos, 60~65 [dB]
Contactos entre rueda y carril, 75~80 [dB]
Seguridad ninguna posibilidad de descarrilamiento
Descarrilamiento por cualquier defecto
carril-guía Estructura ligera Estructura robusta
Mantenimiento Muy poco Reemplazamiento periódico de ruedas, engranajes, rieles, etc.
Pendiente Entre 80~100/1000 Entre 30~50/1000
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Tabla 2-2. Comparación de las características de varios sistemas de transporte [4] .
Tipo Velocidad Ecológico Curva
Tren convencional
(Rueda metálica en riel)
◦
◦
○
Tren de motor lineal
(rueda en riel)
◦
○
●
Tren Maglev
●
●
●
Ferrocarril
(Neumáticos de caucho)
◦
◦
●
Monorriel
◦
○
●
(◦) Regular, (
○
) Bueno, (●
) Excelente.2.1.1 Suspensión electromagnética (Electromagnetic Suspension, EMS).
La levitación se logra sobre la base de la fuerza de atracción magnética entre un carril y electroimanes, como se muestra en la Figura 2-1. Esta metodología es inherentemente inestable debido a la característica del circuito magnético. Por lo tanto, es indispensable el control preciso del entrehierro, para poder mantener el espacio de aire uniforme. Debido a que EMS utiliza generalmente los espacios de aire pequeños como de 10 mm, mientras la velocidad se hace mayor, es más difícil mantener dicho control. Sin embargo, EMS es técnicamente más fácil que la EDS y es capaz de levitar por sí mismo en velocidades bajas o incluso detenido, lo cual es imposible con el tipo de EDS.
Dentro de la EMS, hay dos tipos de tecnologías de levitación:
Levitación y orientación integrada, tales como el coreano UTM y el japonés HSST. Levitación y orientación separada como el Alemán Transrapid.
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Este último es favorable para la operación en alta velocidad debido a que la levitación y la orientación no interfieren entre sí, pero aumenta el número de controladores. El primero es favorable para la operación en baja velocidad por su bajo costo debido a que el número de electroimanes y controladores se reduce y la fuerza de guía se genera automáticamente por la diferencia de reluctancia. La calificación en cuanto al suministro de energía eléctrica, del tipo integrado es menor que la del tipo separado; a medida que aumenta la velocidad, la interferencia entre la levitación y la orientación aumenta; en el tipo integrado es difícil de controlar la levitación y la orientación de forma simultánea [4] .
Figura 2-1. Suspensión electromagnética, a) levitación y orientación integrada, b) levitación y orientación separada [4] .
En la EMS es necesario emplear electroimanes para poder hacer levitar el tren, por lo que en tramos demasiados largos tendrían un costo significativo en el consumo de energía eléctrica, también se conoce la EMS por medio de la superconductividad, pero esta generalmente se utiliza en EDS. Se le llama superconductividad a la característica que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía, en determinadas condiciones, pero estos materiales tienen un determinado comportamiento magnético; dicho comportamiento no permite que un campo magnético externo penetre, con lo cual se puede lograr que un material levite [17] .
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2.1.2 Suspensión electrodinámica (Electrodynamic Suspension, EDS).
La EDS se rige por utilizar la fuerza de repulsión para levitar, por lo cual, cuando los imanes unidos al tren avanzan hacia adelante en las bobinas inductoras o en las láminas conductoras situadas sobre el carril, se inducen un flujo de corrientes a través de las bobinas o en las láminas conductoras, logrando generar un campo magnético, como se muestra en la Figura 2-2, donde se observa la fuerza de repulsión entre el campo magnético y la levitación magnética del vehículo.
Figura 2-2. Suspensión electrodinámica, a) con imanes permanentes, b) con imanes superconductores [4] .
La EDS es tan estable magnéticamente que no es necesario controlar la distancia del entre hierro, que es alrededor de unos 100 mm, lo cual proporciona fiabilidad para la variación de la carga. La EDS es muy conveniente para aplicarse en trenes de alta velocidad y de carga, pero necesita una velocidad mínima para alcanzar las corrientes inducidas suficientes para lograr la levitación, lo cual obliga a implementar una llanta de goma debajo de cierta velocidad (aproximadamente 100 km/h) [4] .
La tecnología de EDS se divide en dos tipos, de acuerdo al tipo de imanes: Imán permanente (PM)
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Los PM´s tienen una estructura muy simple debido a que no necesitan de suministro de energía eléctrica, estos imanes no tienen alta potencia, por lo cual se utiliza en sistemas pequeños. Los imanes permanentes se arreglan en una matriz de Halbach, la cual aumenta el campo magnético en un lado de la matriz mientras que cancela el campo, llevándolo cerca de cero, en el otro lado como se observa en la Figura 2-3 [18] . Los SCM´s, en comparación con los PM´s, tienen una estructura compleja; además de la evaporación del hielo líquido, causada por el calor generado de las corrientes inducidas, esto además puede causar diversos problemas durante el funcionamiento, por lo que es indispensable un sistema de refrigeración para poder mantener en funcionamiento a los SCM, aunque mantener imanes superconductor de alta temperatura (HTS) a lo largo de toda la pista también, es costoso para el transporte de larga distancia, pero el precio de los HTS´s y sistema de enfriamiento puede ser que se reduzca en gran medida en el futuro [19] . Sin embargo los SCM tienen el record mundial de 581km/h en 2003 en Japón [4] .
Figura 2-3. La cancelación de componentes magnéticos que resulta en un flujo de un solo lado [18] .
2.1.3 Suspensión electromagnética hibrida (Hybrid Electromagnetic Suspension, HEMS).
La HEMS se emplea con el fin de reducir el uso de la energía eléctrica en comparación con la EMS, ya que se emplean imanes permanentes y electroimanes como se muestra en la Figura 2-4. En un cierto estado estacionario del entrehierro, el campo magnético del PM es capaz de soportar el vehículo por sí mismo y la energía eléctrica para los electroimanes que controlan el entrehierro puede ser casi cero. Sin embargo, HEMS requiere una variación mucho más grande de la amplitud de la corriente en comparación con EMS desde el punto de vista de electroimanes porque el PM tiene la misma permeabilidad que el aire [4] .
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Figura 2-4. Suspensión electromagnética hibrida [4] .