El Tren Magnético, Maglev: Descripción y Funcionamiento

El Tren Magnético, también conocido como tren de levitación magnética o Maglev en inglés, es un tipo de vehículo flotante que funciona a través de la atracción electromagnética o la repulsión. El funcionamiento de estos trenes se basa en los hechos básicos de la fuerza magnética, lo cual es que los polos magnéticos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen, y es mediante esta propiedad que los trenes pueden moverse a través de cierta vía o conducto.

Éste es un tema interesante para abordar en el curso ya que incorpora varios elementos de diversos temas vistos en el mismo, como lo son los materiales superconductores y, principalmente, el campo magnético y sus propiedades. Una de las razones es cómo uno de los usos más prácticos que se les da a estas propiedades modernizó una tecnología antigua como lo son los trenes, que aparecieron por primera vez en el siglo XIX.

Mediante la transición que sufrieron al convertir su funcionamiento de estar basado en el vapor a la fuerza magnética no sólo se logró hacerlos más veloces, sino que se volvieron más eficientes, además que ser una tecnología que no daña al medio ambiente, por lo que se puede decir que es un gran avance en la industria del transporte en su transición a fuentes de energía más saludables para el planeta.

Los trenes electromagnéticos fueron conceptualizados por primera vez a inicios del siglo XX por Robert Goddard y Emile Bachelet, cuando concibieron trenes sin fricción que levitaban o se propulsaban por la fuerza de campos magnéticos. Durante los siguientes 50 años, fueron muchos los inventores que llegaron a patentar sistemas de transporte electromagnético, como lo hicieron Alfred Zehden en 1902 y 1907, F. S. Smith, también en 1907, y Hermann Kemper en 1937 y 1941.

Uno de los primeros tipos de tren electromagnético fue descrito en Sistema de Transporte Magnético, de G. R. Polgreen (1959), en donde se describe el funcionamiento de un hipotético tren que funcionaba mediante la fuerza magnética y la infraestructura necesaria para llevarlo a cabo. Y en la década de 1960, varios científicos estadounidenses incluyendo a James Powell y Gordon Danby desarrollaron diversas patentes incluyendo el desarrollo de un motor eléctrico lineal, el cual es la base de todos los diseños de trenes electromagnéticos hasta la fecha.

Antes de ser desarrollados comercialmente, existieron varios prototipos de tren electromagnético alrededor del mundo. Emile Bachelet desarrollo uno con una pista en forma de U con un carro por debajo, usando cepillos de zapatos para mantener el carro alineado con los imanes que se encontraban debajo del riel inferior. Estos imanes se encienden cuando el tren pasa y una corriente de alta frecuencia provee el campo magnético necesario para elevar el tren, el cual se movía hacia adelante a medida que los anillos magnéticos se energizan cuando el tren ingresaba a cada anillo.

El modelo, a pesar de tener éxito, enfrentó problemas técnicos. El costo del cobre usado para la pista y la dificultad de proporcionar la energía necesaria a ésta hacían que desarrollarlos a gran escala resultara imposible, especialmente tomando en cuenta el problema que tuvo en mantener un campo magnético estable.

Sin embargo, a medida que pasaron los años, la tecnología continuó avanzando, y el desarrollo de imanes superconductores y motores lineales renovó el interés en los trenes electromagnéticos. Los nuevos imanes proporcionaron un campo magnético de mayor magnitud y a la vez requerían menos poder eléctrico, lo cual bajo el costo para manufacturar las vías de tren.

El motor lineal, por su parte, era un concepto bastante simple, donde con un motor eléctrico regular que constaba de anillos de imanes fijos y un grupo de imanes giratorios central los cuáles fueron llamados estator y rotor respectivamente.

Este motor se combinó con un campo magnético oscilante, proporcionando la elevación y tracción, y mediante esta idea Eric Laithwaite desarrolló el primer tren magnético, conocido como un aerodeslizador de pista, ya que el prototipo inicial utilizaba aire para elevarse sobre la pista. A pesar de que en las primeras pruebas el tren logró llegar a 100 mph, el proyecto fue cancelado debido a su alto costo.

El primer sistema comercial de trenes electromagnéticos fue un tren de baja velocidad construido en Birmingham, Inglaterra, el cual se movía desde el Aeropuerto Internacional de Birmingham hasta la estación Internacional de Trenes de Birmingham. Este sistema operó desde 1984 hasta 1995, cuando fue descontinuado debido a problemas con los sistemas electrónicos, los cuales lo volvieron ineficaz.

Desde la década de 1980, Japón y Alemania han sido los principales impulsores de esta tecnología. En Alemania, el Transrapid Maglev System emplea un sistema de suspensión electromagnética en donde se encuentra un núcleo de imanes bajo el vehículo que son atraídos hacia rieles de acero en las vías. Este sistema es actualmente el más rápido en el mundo, además de ser más eficiente energéticamente que cualquier otro tren de alta velocidad moderno.

En Japón, el programa de Maglev japonés es un sistema electrodinámico basado en el concepto de repulsión propuesto en la década de 1960. El sistema utiliza imanes superconductores a bordo del vehículo que inducen corrientes en las bobinas del estator que se encuentran en los lados de las vías. Una vez que se logra el despegue magnético, el tren levita a 15cm del suelo, mientras que a velocidades bajas se mueve sobre llantas de caucho.

A pesar de que ambos comparten las bases físicas, utilizan sistemas de funcionamiento diferente, uno de ellos siendo la suspensión electromagnética. Ésta se logra mediante electroimanes, los cuales son similares a otros imanes en que atraen objetos metálicos pero su atracción magnética es temporal.

Los electroimanes consisten de un cable o alambre conductor enrollado sobre un pedazo de metal. Cuando se induce una corriente se crea un campo magnético alrededor del cable, magnetizando el metal. En caso de interrumpirse el flujo de corriente, el metal perdería esta propiedad, volviendo los electroimanes muy útiles.

Esta relación entre electricidad y magnetismo fue encontrada cuando James Maxwell observó en 1873 la interacción entre cargas eléctricas positivas y negativas. Maxwell determinó que se atraían y repelían basadas en su orientación. Además, descubrió que los imanes tenían polos donde se concentraban las cargas.

La fuerza del campo magnético que generan los electroimanes depende directamente del número de vueltas que el alambre da alrededor del objeto metálico, y de que tan ajustado este sobre éste, además del material utilizado. Cuando se aplica corriente, el campo magnético penetra el objeto y realinea los átomos, y, cuando éstos están en movimiento en la misma dirección, el campo magnético aumenta.

Otra propiedad de los electroimanes es que, dependiendo de la corriente inducida, la alineación de los átomos cambia, por lo que se puede controlar la magnitud del campo con el flujo de la electricidad. Esto se debe a que los electrones que se mueven por el alambre generan un campo magnético, donde la dirección hacía donde gira y la orbita de los electrones determinan la dirección del campo generado.

Los sistemas de tren electromagnéticos que se basan en la suspensión electromagnética cuentan con tres componentes: una fuente de alto poder eléctrico, bobinas de metal alineadas sobre las vías en que el tren se mueve, y grandes imanes en la parte de abajo del tren. Además, los sistemas cuentan con dos grupos de imanes que cumplen diferentes trabajos, uno repele el tren y lo hace levitar mientras que el otro lo propulsa a lo largo de las vías.

En los trenes de Suspensión Magnética, un riel de dirección se encuentra en la parte inferior del tren. El electroimán se orienta hacia este, creando una fuerza magnética que eleva al tren 1 cm sobre el riel, esta distancia se mantiene tan baja como sea posible para aumentar la fuerza magnética. Esto se debe a que el electroimán repele a los imanes bajo el tren, haciéndolo levitar. Es por esto por lo que el tren levita incluso al no estar en movimiento. Además, otro electroimán protege la estabilidad cuando el tren está en movimiento.

En cuanto a propulsión, se logra a través de un estator lineal que se encuentra debajo de las vías. Este método viene de los motores eléctricos normales, excepto que el estator y el alambre se cortan y colocan en las vías. Lo imanes debajo del tren generan un campo magnético en movimiento al agregar corriente eléctrica.

Otro sistema utilizado en los trenes magnéticos es la Suspensión Electrodinámica. Este sistema se basa en el principio de inducción electromagnética, el cual fue descubierto en 1831 por Michael Faraday, y se basa en la idea de que cambiar un campo magnético causa una inducción de corriente.

Cuando un imán se mueve junto a un conductor, al campo magnético dentro del conductor cambia y una corriente es inducida. Esta corriente generará un campo magnético que tiende a resistir el cambio que causó la inducción, esto de acuerdo a la Ley de Lenz.

Esta ley fue deducida en 1834 por el físico ruso Heinrich Friedrich Emil Lenz, y dice que una corriente eléctrica inducida fluye en tal dirección que la corriente se opone al cambió que la indujo. En la práctica, se define cuando se pone un imán permanente a través de una bobina de alambre, donde una corriente eléctrica será inducida en la bobina, y esta corriente establecerá un campo magnético alrededor de la bobina, convirtiéndolo en un imán. Así, la Ley de Lenz indica la dirección de la corriente inducida.

Como los polos se repelen, la Ley de Lenz establece que cuando se acerca el polo norte a la bobina la corriente fluye de tal manera que el lado de la bobina que esté mas cerca del polo del imán se convierta en un polo igual para repeler el imán. Al alejar el imán, la corriente inducida regresa a su anterior estado para producir una fuerza de atracción con el imán.

Otra ley importante en este sistema es la Ley de Inducción de Faraday, la cual dice que una diferencia potencial es inducida en un circuito cuando el número de líneas de campo magnético que pasan a través del circuito cambia con el tiempo. Cualquier cambio en el magnetismo de una bobina causara que un voltaje sea inducido en la bobina. Sin importar como se produzca el cambio, el voltaje se generará.

Este cambio puede ser producido al cambiar la magnitud del campo magnético, acercando o alejando un imán de la bobina, moviendo la bobina del campo magnético, etc.

Esta ley es fundamental, ya que resume las maneras en que un voltaje puede ser generado, además de que dicho voltaje en la bobina es igual al negativo de la velocidad de cambio del flujo magnético por el número de vueltas en la bobina. La Ley de Faraday esta dada por la fórmula:

ℰ=dΦ/dt​

Mediante el funcionamiento de estas leyes, el tren viaja a través de vías que contienen una serie de bobinas en cada lado. Cuando el tren pasa a alta velocidad, los imanes superconductores inducen una corriente en las bobinas. Así, cuando el imán pasa por debajo del centro de las bobinas el cambio de flujo magnético en la mitad inferior de la bobina es mayor que en la superior, y una corriente inducida genera una fuerza magnética. Ambas mitades tienen el mismo polo que su contraparte en el imán, generando una repulsión que impulsa al tren hacia arriba, haciéndolo levitar.

Dicho esto, el tren no puede levitar si los imanes no están en movimiento, por lo que el tren no puede levitar estando en reposo, y es por eso que necesita llantas para iniciar a moverse.

Descripción detallada / Funcionamiento

Los trenes Maglev trabajan sobre el principio de repulsión magnética entre los coches y la pista. La palabra maglev es en realidad una combinación de las palabras ‘magnético’ y ‘levitación’.

Es un sistema de transporte de trenes que utiliza dos juegos de imanes, uno para repeler y empujar el tren hacia arriba sobre la vía, luego otro juego para mover el tren flotante a gran velocidad aprovechando la casi nula fricción. Un tren maglev puede competir con trenes de alta velocidad y aviones.

El funcionamiento de los trenes magnéticos se puede estudiar desde tres ramas:

Levitacion,  Propulsion, Dirección

LevitacionUn tren magnético levita sobre la vía por la fuerza magnética y luego flota sobre la vía. En otras palabras, un tren magnético no tiene contacto físico con la guía (vía) mientras avanzan. El tren magnético se levita en la guía (vía) con la ayuda de imanes. Sin embargo, los imanes ordinarios no pueden flotar de manera estable un tren.

Considere dos piezas de imanes colocados lado a lado como se muestra en la figura de abajo, la parte superior (azul) de los imanes es el polo norte y la parte inferior (roja) de los imanes es el polo sur. Si coloca otras dos piezas de imanes en estos imanes de tal manera que el polo norte esté mirando hacia el polo norte, entonces se repelen y también notará que no puede colocar un imán que esté frente al mismo polo de manera estable encima del otro. Por lo tanto, levitar un tren puede no ser tan fácil como te imaginas.

Un tren magnético o un tren de levitación magnética no tiene un motor en la parte delantera para jalar de los vagones del tren, sino que utilizan los principios básicos de los electroimanes. Usando los electroimanes podemos levitar el tren magnético.

Los trenes de levitación magnética están alimentados por un campo magnético creado por las bobinas electrificadas en las paredes de la vía y la vía. Hay tres partes en este sistema:

1.   Una gran fuente de energía eléctrica.
2.   Bobinas de metal que recubren una guía (pista)
3.   Amplios imanes de guía colocados en la parte inferior del tren.

Que son los electroimanes?El electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético es producido por una corriente eléctrica. Un electroimán simple consiste en una bobina de alambre envuelta alrededor de un núcleo de hierro. Sabemos que la electricidad y el magnetismo están estrechamente relacionados entre sí. La corriente eléctrica que fluye a través de un núcleo de alambre produce un campo magnético a su alrededor.

Cuando la corriente eléctrica pasa a través de la bobina de alambre, se produce un campo magnético alrededor del núcleo de hierro. Un núcleo de material ferromagnético como el hierro sirve para aumentar el campo magnético creado.

La fuerza del campo magnético generado depende de la cantidad de vueltas de la bobina alrededor del núcleo de hierro y la cantidad de corriente que pasa a través de la bobina de alambre. Por lo tanto, mayor el número de vueltas y mayor la corriente eléctrica mayor es el campo magnético.

Hay dos tipos de levitación utilizados en los trenes de Maglev, llamados:

1. Suspensión electromagnética (EMS)
2. Suspensión electrodinámica (EDS)
3. Suspensión electromagnética (EMS)

Los científicos alemanes han diseñado un sistema llamado Transrapid que utiliza la tecnología de Suspensión Electromagnética (EMS) para levitar un tren. Los mismos polos se repelen y los polos opuestos se atraen entre sí. Este es el principio básico usado en Suspensión Electromagnética (EMS)

En este sistema, un riel de guía (vía) está incrustado en la parte inferior del tren. El electroimán de levitación en el tren de aterrizaje debajo del tren está orientado hacia el riel de guía, creando una fuerza magnética que levita el tren a aproximadamente 1 cm por encima del riel de guía. En palabras simples, el electroimán en la guía (vía) repele con los imanes debajo del tren que levita el tren. De modo que incluso cuando el tren está en reposo, todavía está levitado. Otra guía electromagnética salvaguarda la estabilidad en movimiento. La brecha de levitación entre el tren y la vía guía (vía) se mantiene lo más pequeña posible para tener mayores fuerzas magnéticas.

Suspensión electrodinámica (EDS)

Algunos científicos japoneses utilizan la tecnología de suspensión electrodinámica (EDS) para levitar un tren. Mediante el uso de la suspensión electrodinámica (EDS) se pueden alcanzar velocidades mucho más altas. El tren más rápido que corre en el mundo usa el principio eds. Sin embargo, el tren debe correr sobre ruedas hasta que alcance una velocidad de 100 km / h, solo después de lo cual puede ser levitado. En eds, la pista se llama inductrack.

La principal diferencia entre los trenes maglev japoneses (eds) y alemanes (ems) es que los trenes japoneses utilizan electroimanes superconductores superenfriados. Este tipo de electroimán puede conducir electricidad incluso después de apagar la fuente de alimentación. En la suspensión electromagnética (EMS), que utiliza electroimanes estándar, las bobinas solo conducen electricidad cuando hay una fuente de alimentación. Al enfriar las bobinas a temperaturas frías, el sistema de Japón ahorra energía.

En la Suspensión electrodinámica (EDS), tanto la vía de guía (vía) como el tren generan un campo magnético. El tren es levitado por la fuerza repulsiva y atractiva entre estos campos magnéticos.

Cuando movemos un imán al lado de un conductor, el campo magnético en el conductor cambiará y se generará una corriente en el conductor. La corriente generada dentro del conductor genera a su vez un campo magnético. La fuerza magnética generada en el conductor es opuesta a la fuerza magnética del imán. En otras palabras, la fuerza magnética entre el imán y el conductor es repulsiva. Aquí, no estamos utilizando una fuente de alimentación externa para generar un campo magnético en el conductor. En lugar de eso, estamos utilizando un imán externo para generar un campo magnético en el conductor. Cuanto más rápido se mueve el imán al lado del conductor, más fuerte es la fuerza magnética entre el imán y el conductor.

El método de suspensión electrodinámica (EDS) utiliza el principio de inducción electromagnética.

El tren viaja en una guía que tiene una serie de bobinas en forma de “8” en cada lado. El tren maglev que utiliza el método de EDS debe correr sobre sus ruedas hasta alcanzar una velocidad de 100 km / h. Cuando el tren viaja con una alta velocidad de 100 km / h, los imanes superconductores a cada lado del tren generarán una corriente en las bobinas. La corriente en las bobinas generará a su vez un campo magnético.

El truco es que el imán superconductor pasa por debajo del centro de las bobinas en forma de “8”, por lo que el cambio de flujo magnético en la mitad inferior de las bobinas en forma de “8” es mayor que en la mitad superior, y una corriente es Producido, generando una fuerza magnética. El polo magnético en la mitad inferior de las bobinas en forma de ‘8’ es el mismo que el del imán superconductor, mientras que la mitad superior tiene el opuesto exacto, de modo que ambas mitades de las bobinas generan un componente hacia arriba de la fuerza magnética Sobre el imán superconductor y levita el tren. Dado que las bobinas en forma de “8” pueden producir una corriente y generar magnetismo solo cuando los imanes superconductores están en movimiento, el tren no puede ser levitado cuando está en reposo. Por lo tanto, el tren comienza por deslizarse sobre sus ruedas. Cuando la fuerza magnética generada es lo suficientemente grande como para superar el peso del tren, las ruedas se ocultan como las de un avión de despegue.

Propulsion

La propulsión es la acción de empujar el tren hacia adelante. ¿Qué pone a MagLev en movimiento? Su principio básico es simple. Tomemos como ejemplo el MagLev japonés. El tren en movimiento, junto con sus imanes superconductores, produce una corriente en las bobinas a cada lado de la guía. Basado en estas señales, el sistema ingresará corrientes alternas en las bobinas de propulsión a cada lado de la guía, produciendo una serie alterna de polos magnéticos Norte y Sur que tiran y empujan los imanes superconductores y aceleran el tren.

En la figura anterior, el tren se empuja hacia delante debido a la repulsión de los polos sur (S-S) o los polos norte (N-N) y se tira hacia adelante debido a la atracción de polos opuestos (S-N o N-S). Igualmente el tren se mueve continuamente en una dirección hacia adelante.

Levitar un MagLev en movimiento sobre el riel elimina la fuerza de fricción entre el tren y el riel (vía), por lo que el tren puede viajar a una velocidad increíble.

DireccionLas bobinas de propulsión se utilizan como guía. Las bobinas de propulsión se colocan en el lado izquierdo y derecho de la guía.

La corriente se genera en las bobinas cuando el tren se está moviendo, el mismo principio en el que funciona EDS. Las bobinas están conectadas y, por lo tanto, los EMF a ambos lados del tren tienen una dirección opuesta. Por lo tanto, se cancelan entre sí. Así el tren se desplaza en el centro de la guía. Cuando el tren se desvía de su posición central, es decir, cuando se mueve hacia una de las paredes, una de las EMF es mayor que la otra y la EMF resultante depende directamente de la diferencia en la distancia. Como, hay un EMF, también se produce una fuerza magnética resultante. Por lo tanto, la fuerza magnética debida a EMF depende de la diferencia en la distancia. Esta fuerza magnética resultante, llamada fuerza de guía, empuja el tren a la misma distancia y, por lo tanto, se coloca en el centro. Los trenes Maglev se utilizan principalmente para el transporte en Japón, China, Alemania, etc. Todavía no son utilizados por muchos países.

Ventajas

• Alta velocidad:  Como no hay contaco fisico entre el tren y las vias el tren magnetico puede alcanzar mayor velocidad que los trenes communes, comunmente los trenes magneticos viajan a 200km/hr, lo mas rápido que se ha registraod son los 603km/hr.
• Bajo consumo de energia: Los trenes maglev usan 30% menos energía que los trenes comunes, esto debido a que no tienen un motor.
• Poco mantenimiento: Como el tren nunca toca la via, estos necesitan muy poco mantenimiento.
• Clima: Los trenes magneticos rara vez son afectados por nevadas, hielo, lluvia, etcBraking: La velocidad de aceleración y frenado es mejor en los trenes maglev.
• Menos ruido: Como no hay llantas que toquen la via, el tren magnético causa muy poco ruido, el cual es causado por el aire
• Menor contaminacion: El tren magnetico utiliza electricidad creada por energias renovables
• Safety: Los trenes de levitación magnética son mas seguros que los trenes comunes

 

Desventajas

1.  La brecha entre el tren y la guía (vía) debe ser monitoreada y corregida constantemente por los sistemas computacionales para evitar la colisión debido a la naturaleza inestable de la atracción electromagnética.
2.  Aunque los accidentes de tren maglev son infrecuentes, los daños causados por estos accidentes son extremos.

 

Areas de oportunidad

Investigadores chinos de la Universidad Southwest Jiaotong en Chengdu han probado con éxito un prototipo megatérmico superconductor del tren Maglev.

El súper Maglev, al igual que los trenes de levitación magnética actuales, utiliza una fuerte corriente eléctrica para alimentar imanes que permiten que el tren flote por encima de su carril. Esto evita la fricción de la pista experimentada por los trenes regulares de alta velocidad.

Pero ahí es donde termina la similitud. El tren maglev más rápido del mundo está limitado por la resistencia del aire. Ha alcanzado una velocidad máxima de 431 kilómetros por hora.

Un súper maglev podría romper esta barrera de velocidad operando en un tubo de vacío con 10 veces menos que la presión atmosférica normal al nivel del mar. Tal tren podría alcanzar velocidades tan altas como 3.000 kilómetros por hora.