La tecnologia del trasporto guidato a levitazione magnetica

Che cosa sono i sistemi a levitazione magnetica? Quali tecnologie esistono nel trasporto guidato e come funzionano?

In questo approfondimento il Prof. Ing. Guido Caposio, descrive i tre sistemi presenti sul mercato basati sulla tecnologia della levitazione magnetica: il Sistema Maglev, il Sistema HYPERLOOP e il Sistema IRONLEV, fornendo anche un confronto finale tra le linee ad AV tradizionali e i sistemi a levitazione magnetica.

1. Sistemi a levitazione magnetica

La levitazione magnetica, nell’ambito del trasporto guidato, opera con l’azione di forze elettromagnetiche per la mobilità del vettore basata sul principio di base del magnetismo per cui due poli magnetici uguali si respingono, mentre due poli opposti si attraggono. 

Ad esempio in un sistema di trasporto ferroviario su rotaia lungo le carrozze che compongono il convoglio si possono posizionare elettromagneti (o bobine superconduttrici) con lo scopo  di generare un campo magnetico da corrente elettrica e lungo i binari disporre bobine alimentate da una corrente trifase. 

Pertanto, il treno verrebbe costantemente attratto e spinto indietro nella direzione del suo moto, mentre la propulsione potrebbe essere fornita da un motore lineare sincrono.

ll motore lineare sincrono nei treni può essere costituito da un rotore (posto sul binario) e da uno statore (posto sotto il carro), entrambi separati tra loro.

La ricerca di tecnologie avanzate con l’uso principalmente della levitazione magnetica e non solo, nell’ambito del trasporto guidato, per la realizzazione di sistemi che fossero in grado di fornire alte prestazioni di velocità, ha permesso di ottenere risultati allineati a quelli aeronautici ma a più contenuto impatto ambientale.

Inoltre i sistemi a levitazione magnetica garantiscono un consumo energetico, a parità di lunghezza di viaggio e medesima velocità operativa, molto inferiore rispetto ai sistemi ferroviari su ruota.

Le tecnologie moderne del settore, già sperimentate, si possono inquadrare in tre sistemi: 

• Sistema MAGLEV (Magnetic Levitation – levitazione magnetica) che utilizza magneti superconduttori per far librare il convoglio sopra un binario elettrico, viaggiando a oltre 600 km/h. Raggiungere e mantenere l’equilibrio del convoglio sulla via di corsa è un’azione complessa entrando in gioco forze gravitazionali, elettriche e magnetiche.
  
  
• Sistema HYPERLOOP (Brevetto della Hyperloop Transportation Technologies) che utilizza tubi a bassa pressione per poter spingere capsule, che possono contenere passeggeri o merci, fino a velocità di 1.200 - 1.220 km/h. Le capsule si muovono su un cuscino d'aria generato attraverso più aperture nella sua base, così da ridurre ulteriormente l'attrito. In alternativa si possono utilizzare magneti permanenti per la levitazione magnetica delle capsule.
  
  
• Sistema IRONLEV che utilizza un carrello a levitazione magnetica, studiato per funzionare sulle vie di corsa ferroviarie già esistenti sino a velocità di 500 km/h. 
  Il sistema si potrà applicare su treni di nuova generazione, sostituendo le ruote con pattini a levitazione magnetica appositamente studiati.

2. Il Sistema Maglev 

La levitazione magnetica è una tecnologia di trasporto mediante la quale i convogli si muovono guidati e spinti da campi magnetici mentre sono sospesi sopra una via di corsa (guideway realizzata con materiali tradizionali acciaio, calcestruzzo e alluminio), senza essere fisicamente a contatto con alcuna superficie di scorrimento. 

Il Maglev utilizza un motore lineare e i cui avvolgimenti elettrici sono posizionati sul guideway, in modo da produrre un campo elettromagnetico.

Il convoglio, essendo sospeso in aria, non ha contatto con la via di corsa e quindi l'unica forza che si oppone al moto è quella dovuta alla resistenza all'aria. 

Di conseguenza il Maglev è in grado di viaggiare a velocità elevatissime con un consumo di energia contenuto e un livello di rumore accettabile.

Alcune tipologie di convogli realizzati sono in grado di viaggiare ad oltre 600 km/h, velocità comparabile con quella del trasporto aereo. 

Il principio di funzionamento del Maglev si può così riassumere:

• utilizzando due magneti accostati con i poli opposti su di una superficie liscia, attraverso il blocco di uno dei magneti avviene lo scivolamento del secondo sulla superficie liscia.   

La tecnologia di sospensione è stata studiata con l’applicazione di tre tipologie alternative:

• la prima è la sospensione elettromagnetica, in cui sono utilizzati elettromagneti convenzionali che sorreggono il treno sopra la via di corsa;
• la seconda, invece, è la sospensione elettrodinamica, che sfrutta le polarità opposte dei magneti del veicolo e delle rotaie, mettendo in movimento il veicolo con la forza repulsiva fra di essi;
• la terza si basa sull'effetto di repulsione di elementi magnetici permanenti posti sul veicolo. Il sistema utilizza elettromagneti non alimentati (passivi) e magneti permanenti. 

Le prime due tipologie di tecnologia sopracitate, per consentire il movimento del convoglio mantenendolo sospeso sopra la via di corsa, utilizzano un’onda magnetica che si propaga lungo la guideway. 

2.1 Sistema a sospensione elettromagnetica (EMS)

La sospensione elettromagnetica è un sistema di levitazione che utilizza una forza magnetica attrattiva per mezzo della quale elettromagneti convenzionali collocati all’interno delle due estremità curve site sotto e sui fianchi interni del convoglio, interagiscono e sono attratti da sbarre ferromagnetiche poste sulla guideway stessa (Fig.1). 

Questo sistema, intrinsecamente instabile, è reso operativo da sistemi di controllo elettronici che mantengono costante l'apertura d’aria tra il veicolo e la guideway. Tale distanza, approssimativamente di 15 mm, deve essere costantemente misurata e corretta per impedire al veicolo di urtare contro la guideway stessa. 

Le variazioni dei carichi trasportati in termini di peso, carichi dinamici e irregolarità della guideway sono compensate dal cambiamento dell'intensità del campo magnetico in risposta alle diverse misurazioni dell'apertura d'aria ossia la distanza tra convoglio e guideway. 

Nel sistema EMS, i magneti avvolgono le sbarre d’acciaio della pista e sono controllati attivamente da sensori elettronici che misurano l’apertura d'aria.                                                   

Fig. 1

2.2 Sistema a sospensione elettrodinamica (EDS)

Questo sistema, per ottenere la levitazione, utilizza le forze opposte tra i magneti installati sotto il convoglio e le strisce o gli avvolgimenti elettricamente conduttivi, siti sulla guideway.

Il sistema è intrinsecamente stabile e non richiede monitoraggi e correzioni. 

Inoltre, tra la guideway e il convoglio vi è un’apertura d'aria relativamente ampia, in genere compresa tra 100 e 150 mm.

I convogli EDS (Fig. 2) utilizzano magneti superconduttori, estremamente potenti e leggeri ma più costosi dei magneti convenzionali e richiedono un sistema di refrigerazione installato sul convoglio che li mantenga a bassa temperatura. 

La levitazione in un sistema EDS è il risultato del movimento relativo fra i magneti e le bobine. Questo tipo di levitazione è intrinsecamente stabile sopra di una certa soglia di velocità. 

Le correnti indotte esercitano una forza per muovere i magneti in modo che possano interagire con le bobine generando un flusso magnetico. 

 Fig. 2

2.3 Sistema a sospensione con magneti permanenti (Inductrack)

Questa tecnologia, la più economica e promettente, si basa sull'effetto di repulsione di elementi magnetici permanenti posti sul veicolo. Il sistema utilizza elettromagneti non alimentati (passivi) e magneti permanenti (Fig. 3).

Nella condizione di fermo, il convoglio poggia su ruote di gomma. Per iniziare a muoversi, il convoglio avanza lentamente sulle ruote, consentendo ai magneti sotto il treno di interagire con quelli dei binari.

Una volta che il convoglio raggiunga i 150 km/h, la forza magnetica è sufficiente da permetterne un sollevamento di 100 mm da terra, eliminando l’attrito e per consentire di operare a velocità sempre più elevate.

L’unico requisito richiesto, per mantenere la levitazione, è il movimento del convoglio a bassa velocità (pochi Km/h, all'incirca a passo d'uomo). 

I circuiti conduttori sul tracciato traggono energia dal movimento del treno (questo viene denominato trascinamento magnetico), assicurando una buona efficienza.

I magneti e il carrello sono alimentati solo nella fase di accelerazione del carrello.

Il sistema Inductrack:

• venne sviluppato originariamente dal fisico Richard Post del Lawrence Livermore National Laboratory per creare un motore magnetico che immagazzinasse energia attraverso il movimento del carrello; 

Fig. 3

• utilizza per stabilizzarsi degli Halbach array (magnete permanente Halbach), costituiti dall’unione di magneti permanenti disposti in modo da rafforzare il campo magnetico lungo una faccia dell'array e contemporaneamente per cancellare con interferenza, il campo magnetico nella faccia opposta. Gli Halbach array quindi, stabilizzano il movimento del treno con le linee di forza magnetiche senza necessità di elettronica.

Si precisa che Halbach array è, come detto, una struttura magnetica. Utilizza una disposizione speciale di unità magnetiche per migliorare l'intensità del campo. 

L'obiettivo è utilizzare la minor quantità di magneti per generare un campo magnetico potente.

Il funzionamento dell’unità Halbach array è schematizzato in Fig. 4. A sinistra della figura è rappresentato un singolo magnete con tutti i poli nord rivolti verso l'alto. 

Attraverso la distribuzione del colore, nella figura è possibile notare che l'intensità del campo magnetico è distribuita sia nella parte inferiore che in quella superiore del magnete.

Fig. 4

Sulla destra della Fig.4 è rappresentato un Halbach array. Il campo magnetico nella parte superiore del magnete è relativamente alto, mentre nella parte inferiore è debole. 

Per le sue eccellenti caratteristiche di distribuzione del campo magnetico, gli Halbach array sono utilizzati nella levitazione magnetica.

Gli array lineari Halbach sono attualmente utilizzati principalmente nei motori lineari.

Il principio di levitazione del treno maglev è legato al magnete mobile che interagisce con il campo magnetico generato dalla corrente indotta nel conduttore per generare forza di levitazione e, contemporaneamente, operare la repulsione magnetica.

Migliorare la galleggiabilità e il rapporto di repulsione è la chiave per ottimizzare le prestazioni del sistema di levitazione, che richiede:

• il peso del magnete di bordo leggero, 
• elevato campo magnetico, 
• campo magnetico uniforme,
• alta affidabilità.

L'Halbach array è installato orizzontalmente al centro del corpo vettura e frontalmente interagisce con l'avvolgimento al centro della pista per generare forza propulsiva. Tale geometria frontale massimizza il campo magnetico con una piccola quantità di magneti, mentre il lato posteriore dell’Halbach array è avvolto da minori campi magnetici.

Le forze magnetiche di sollevamento del convoglio attivano lo spostamento contestuale in avanti mantenendolo al centro dei binari. 

Si tratta della stessa tecnologia utilizzata da Tesla’s Hyperloop, che rende la guida fluida e il convoglio ad alto grado di sicurezza nell’esercizio.

Il sistema Inductrack per i treni maglev evita le problematiche che coinvolgono entrambi i sistemi EMS ed EDS, specialmente per le sospensioni di sicurezza.

Utilizza solo magneti permanenti in un Halbach array montati sul vagone del treno e circuiti conduttivi non alimentati installati sul tracciato per provvedere alla levitazione. 

Come detto l'unico requisito è che il treno, per mantenere la levitazione, debba essere già in movimento a pochi chilometri orari (all'incirca a passo d'uomo).

Ad una certa velocità critica il campo magnetico indotto è abbastanza forte da indurre la levitazione sopra una serie di circuiti del campo. Gli Halbach array si possono distribuire in una configurazione stabile ed essere installati, ad esempio, in un vagone ferroviario.

...CONTINUA

di seguito l'indice dell'approfondimento

INDICE

• 1. SISTEMI A LEVITAZIONE MAGNETICA
• 2. IL SISTEMA MAGLEV
• 2.1 SISTEMA A SOSPENSIONE ELETTROMAGNETICA (EMS)
• 2.2 SISTEMA A SOSPENSIONE ELETTRODINAMICA (EDS)
• 2.3 SISTEMA A SOSPENSIONE CON MAGNETI PERMANENTI (INDUCTRACK)
• 3. SISTEMA HYPERLOOP
• 4. SISTEMA IRONLEV
• 5. CONFRONTO TRA LINEE AD AV TRADIZIONALI E SISTEMI A LEVITAZIONE MAGNETICA QUALE PREMESSA A STUDI DI FATTIBILITÁ
• 6. CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE

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Si ringrazia l'Ordine degli Ingegneri di Torino per la gentile collaborazione