Instituto Tecnológico Superior

Zacatecas Sur

PROTOCOLO DE INVESTIGACIÓN

Implementación del tren de levitación magnética

INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA V

MATERIA: Taller de investigación I

PRESENTA: German Casas Rodríguez

DOCENTE: Dr. Juan Rubén Delgado Contreras

Tlaltenango de Sánchez Román, Zac., 23 de Noviembre de 2015

1 ANTECEDENTES DEL PROBLEMA

La elección de este tema a investigar es para tener el conocimiento sobre el

funcionamiento del tren de levitación, ya que está conformado principalmente por

imanes, pero como es que no tiende a irse hacia los lados, si siempre va en sentido

horizontal sobre sus guías. Así como también al utilizar este tipo de trenes, que

nuevo prospectos traería consigo, ya sea aprovechar el magnetismo de las vías

para generar electricidad, etc., no solamente utilizar el magnetismo para el tren si

no usarlo para otro tipo de uso que tenga que ver con electricidad.

En lo que respecta a su viabilidad de investigación, se podría calificar como buen,

ya que aún no se implementa en muchos lugares este tipo de tecnología y medio

de transporte, y con esto, se puede deducir que aspectos son necesarios para

implementar en más lugares, si es costo o no, y que si puede mejorar. Con ello

poder lograr quizá la implementación y/o al menos el diseño básico o prototipo para

la implementación de un tren de levitación magnética.

Actualmente se tiene el problema en todo el mundo sobre la contaminación y lo

relacionado a ello, principalmente ocasionada por los diferentes tipos de medios de

transporte, que arrojan monóxido de carbono, lo cual es muy contaminante. En los

transportes públicos como metros o trenes ligeros son de electricidad pero también

se está consumiendo la electricidad en grandes cantidades, lo cual genera mucho

costo, por ende con la implementación de los tresnes de levitación se podrán ir

mejorando los transportes principalmente los que son de vías férreas como trenes

ligeros, o metros que están en la ciudad de México D.F., Monterrey y Guadalajara,

es donde principalmente existe este problema de contaminación, pero con esto

podemos llegar a ayudar a disminuir la contaminación y así mejorar el costo del

transporte público para los usuarios y también ayudar a disminuir la contaminación.

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Actualmente en la República Mexicana se tiende por la preocupación de nuevas

tecnologías hacia el mejoramiento de nuestro entorno, por lo cual la tecnología del

tren de levitación está abandonada dentro de las investigaciones por falta de

conocimiento y por la implementación de esta nueva forma de transporte público,

como también el cómo poder aprovechar la energía con otros métodos distintos a

los que estamos acostumbrados, sabiendo que no son energías renovables y en

algunas ocasiones otras contaminantes. Así pues se pretende recopilar la

información necesaria para poder determinar cómo proveer de otra forma la energía

desde un medio de transporte innovador.

El problema a solucionar es aquel de la falta de ampliación e investigación de la

utilización de nuevas energías que a su vez sean provenientes de recursos

renovables, simultáneamente encontramos la falta de movilidad existente en

nuestro país y su complicación que representa trasladarse de un lugar a otro, tiempo

ahorrado en cada viaje, la optimización y utilización de nuevos mecanismos como

funcionamiento distintos a los ya conocidos, haciendo enfoque a las ciudades de

gran magnitud poblacional y territorial.

3 JUSTIFICACIÓN

Con esta investigación se trata de dejar en claro que beneficios nos contraería la

implementación del tren de levitación en nuestro país, así como el aprovechamiento

de otra posible vía de producción de energía eléctrica. Pero sin embargo, sin dejar

pasar, se realizara ara el bien de la sociedad dentro del costo del transporte público

y como parte también al beneficio del medio ambiento y el bienestar de las

personas.

4 HIPÓTESIS

La implementación del tren de levitación en nuestro país seria de una forma más de

seguir evitando el aumento del monóxido de carbono y/o la contaminación. Ya que

con este nuevo medio de transporte no se gastaría ni combustible, ni energía

eléctrica. Por otra parte además de que la gente pueda trasladarse con mayor

rapidez y menos contaminación, así como se podrá recurrir a una nueva forma de

producción de energía eléctrica mediante el magnetismo como energía renovable

limpia para la utilización del mismo tren, ya sea en los letreros internos o estaciones.

5 OBJETIVOS

5.1 OBJETIVO GENERAL

Analizar los principios de funcionamiento del tren de levitación, desde su

invención hasta la actualidad, así como la utilización del tren de levitación

como medio de transporte y generador de otras energías eléctricas.

5.2 OBJETOS ESPECÍFICOS

Conocer el funcionamiento total del tren de levitación.

Investigar sobre la energía eléctrica mediante el uso del magnetismo.

Analizar la eficiencia del tren de levitación en otras ciudades.

Verificar la posible implementación del tren de levitación en México.

6 MARCO TEÓRICO

La levitación magnética es la acción o fuerza que se le aplica a cualquier objeto, con

el fin de que este permanezca suspendido en el aire, a través de una fuerza

electromagnética. En algunas de las ocasiones, nosotros mismos hemos realizado

este fenómeno a través de dos o más imanes magnéticos omitiendo de que tanta

potencia sean los imanes. Al momento de juntar dos imanes con polos iguales nos

sucede el fenómeno de repelerse entre ellos mismo, debido a esto parecía como si

ambos estuvieran suspendidos en el aire, en caso de poner uno sobre una superficie

plana y el otro arriba.

6.1 SISTEMA MAGLEV

La levitación magnética tiene una gran aplicación, en Japón donde se constituyó la

idea de un tren levitando magnéticamente llamados los MTS (Magnetically

Suspended Transportation System o más conocida como Maglev). Este tipo de

trenes utilizan lo que se llama el efecto Meissner el cual nos dice que los materiales

superconductores tienden a rechazar el campo magnético que intenta penetrar en

ellos. [1]

Se le llama sistema MagLev a cualquier sistema de transporte que utilice como

principio de funcionamiento la "levitación magnética". Desde la década de los

sesenta se vienen haciendo investigaciones y desarrollos que hoy permiten afirmar

que este tipo de sistemas de transporte es mucho más económico, más ecológico,

eficiente, y más rápido que en la actualidad existen. [2]

Para poder realizar la función de la levitación magnética hay que recurrir a la

investigación realizada por Kamerlingh Onnes, relacionado por con el

superconductor el cual nos sirve para generar los campos magnéticos. El estado

superconductor es destruido, cuando el material está por debajo de su temperatura

crítica, solamente si se aplica un campo magnético externo lo suficientemente

intenso (llamado campo crítico, Hc) o bien, si se hace pasar por él una corriente

eléctrica intensa (llamada corriente crítica, Ic). En ciertos compuestos, la

interrupción de la superconductividad se da de manera abrupta; mientras en otros,

esto sucede de manera paulatina; en ellos, el campo va penetrando poco a poco en

vórtices. Fueron Ginzburg y Landau quienes definieron un parámetro del estado

superconductor a partir del cociente de la longitud de coherencia y la longitud de

penetración, identificables en el material; mismo que se conoce, en su honor, como

factor de Ginzburg – Landau. Desde los primeros años de la década de los

cincuenta este factor ha ayudado a las generaciones nuevas de investigadores a

llegar a un punto en el cual, han llegado a la resolución de dos tipos diferentes de

superconductores denominados superconductores: Tipo I y Tipo II como se muestra

en la figura 1. [4]

Figura 1 - Condiciones de diamagnetismo que permiten clasificar a los superconductores en dos tipos.[4]

En el superconductor Tipo I, el campo magnético externo es expulsado del material

mientras dicho campo no exceda Hc; si el campo sobrepasa ese límite la

superconductividad es destruida y el campo penetra completamente en la muestra.

Sin embargo, en el superconductor Tipo II, el campo magnético es expelido del

material mientras su valor esté por debajo de un campo crítico 1 (Hc1); al alcanzar

el campo externo una magnitud mayor a Hc1, se inicia la penetración magnética

coexistiendo el estado superconductor en el bulto del material con zonas normales

(vórtices) como se muestra en la figura. El área cubierta por los vórtices es cada vez

mayor hasta el momento en que el campo sobrepasa un valor Hc2 (campo crítico

2); en ese momento se rompe el estado superconductor y el campo magnético

penetra en el material. Es necesario remarcar que la penetración magnética

en los superconductores Tipo II se produce a través de vórtices que se distribuyen

en una red triangular a lo largo y ancho de la muestra. Son las zonas al interior de

las corrientes circulares las que están en el estado normal. Es esta penetración lo

que hace que la levitación en este tipo de compuestos sea muy estable. Los

superconductores de alta temperatura crítica son del Tipo II. [4]

Una de las aplicaciones más relevantes de este efecto de levitación magnética con

superconductores es la que encontramos en los trenes súper rápidos que cruzan

varios países. Un ejemplo famoso es el tren MagLev (más propiamente conocido

como “The Yamanashi MLX01 MagLev train”) que levita sobre los rieles y alcanza

velocidades de aproximadamente 550 km/h. El principio de funcionamiento de este

trenes basada sobre la suspensión electrodinámica (EDS por sus siglas en inglés)

como se muestra en la figura 2, la cual es una aplicación directa del efecto Meissner

de los superconductores. En este tipo de trenes, su estructura de levitación consiste

de dos elementos magnéticos:

1. Los electroimanes con bobinas colocadas en el riel

2. Los superconductores montados en los vagones del tren. [4]

Figura 2 - Diagrama de un sistema EDS de levitación en el tren MAGLEV.[4]

Este tipo de tren o vehículo de gran velocidad el cual levita sin fricción sobre unas

guías o carriles el cual el tren es impulsado por los campos magnéticos generados.

Los trenes de levitación magnética son considerados el transporte de masas del

futuro. Para el correcto funcionamiento del sistema se implementaron dos principios

de funcionamiento de trenes de levitación magnética. [3]

Un estudio que se llevó a cabo en Alemania muestra cómo comparadamente que

es más económico el transporte con base en electricidad que el transporte en avión

o en medios de transporte que sean de motores de combustión interna normales.

Este tipo de proyecto es muy eficiente ya que gracias a que no existe la fricción

entre los vagones y los rieles de guía, reduce drásticamente los desgastes

mecánicos y pérdidas de los mismos, debido a que solo existe fricción en el aire, al

igual es ecológico mayoritariamente por que no produce las emisiones de dióxido

de carbono a la atmosfera como cualquier transporte de combustión interna, y en lo

principal, que es uno o el único transporte que alcanza velocidades realmente

grandes comparadas con las de otros medios de transporte, sus velocidades

pueden llegar a alcanzar hasta 600 km/h. [2]

Cuando se inicia el movimiento del vehículo a lo largo del carril, se induce una

corriente en las bobinas de éste. Son los campos magnéticos de estos

electroimanes los que son rechazados por los superconductores montados

en el tren; produciéndose así la levitación del mismo. Este tipo de suspensión

requiere que el tren cuente con llantas neumáticas debido a que a bajas velocidades

la fuerza de levitación es insuficiente para mantener al tren en el aire. En este

sistema EDS se presentan levitaciones de hasta 15 cm sobre el riel, garantizando

la integridad del sistema frente a deformaciones. [4]

Una de las principales ventajas de este tipo de sistemas es que en el vehículo es

mucho más ligero y por ende es mucho más rápido, así como también la potencia

de propulsión resulta más flexible. El hecho de que los trenes no toquen los carriles

guía tiene además otras ventajas: aceleración y frenados más rápidos, mayor

capacidad de subida en cuestas, funcionamiento mejorado en situaciones de lluvia

intensa, nieve y hielo y ruido reducido. Los sistemas maglev también aprovechan al

máximo la energía en rutas de longitudes de varios miles de kilómetros, puesto que

utilizan alrededor de la mitad de energía por pasajero que los aviones comerciales

convencionales. Como otros sistemas de transporte eléctrico, también reducen el

uso de petróleo y contaminan el aire menos que los aviones, locomotoras diésel y

automóviles. [3]

La figura 3 compara el sistema de tracción de los trenes de alta velocidad

convencionales con el sistema de suspensión electromagnética del MAGLEV

Transrapid. Por igual en la tabla 1 podemos apreciar las comparativas de un sistema

de tren Maglev con un sistema de tren convencional. [5]

Figura 3 - Sistemas de tracción entre TAV convencionales y TAV MAGLEV.[5]

Tabla 1 - Comparación de los sistemas de tren Maglev y tren convencional [7]

Sistema de tren Maglev Sistema de tren convencional

Vibración y ruido Sin contactos mecánicos

60-65 dB

Contactos entre rueda y carril de

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

Curva Dentro de un radio de 30

m. Dentro de un radio de 150 m.

Como se muestra en la tabla 2 tenemos otro tipo de comparación con diferentes

tipos de sistemas de trenes, caracterizándose por su velocidad, por la cantidad de

contaminante o no del sistema y por su curvatura.

Tabla 2 - Comparación de características de varios sistemas de transporte [7].

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.

6.2 LEVITACIÓN

Una manera de entender con mayor facilidad la levitación, es colocando dos imanes

con sus polaridades encontradas, lo cual nos ocasionara que ambos imanes de

repelen, y exista un vacío entre ambos imanes. Ese vacío existente se le puede

denominar como el fenómeno de levitación magnética, el cual es principio

fundamental para la levitación de los trenes, como se muestra en la figura 4.

Suspensión electrodinámica (SED): A diferencia de la SEM, que utiliza fuerzas de

atracción, la SED utiliza fuerzas de repulsión a través de magnetos

superconductores enfriados con helio líquido. Cuando se alcanzan velocidades

altas, las corrientes inducidas en las bobinas de las vías generan un campo

magnético que repele al creado por los magnetos en el tren. Este sistema es estable

y no requiere una medición constante del espacio de aire entre magnetos; el

inconveniente es que la levitación se produce a velocidades altas (100 km/h), por lo

que a velocidades menores son necesarias ruedas para apoyar el tren. [5]

Figura 4 - Sistema de levitación SED.[5]

6.3 PROPULSIÓN

La propulsión de los trenes Maglev tiene implementado un motor lineal, el cual es

diferente a un motor rotativo de los convencionales en su uso, dicho motor lineal,

como se muestra en la figura 5, no utiliza un acoplamiento mecánico para generar

un movimiento lineal, así mismo, su estructura es robusta pero a la vez es simple.

[6]

La propulsión de los trenes MAGLEV es gracias al uso de motores lineales de

inducción o motores lineales sincrónicos:

1. Motores de inducción lineales (MIL): En el primario se genera un campo

magnético variable en el tiempo que induce una fuerza electromotriz en una

placa inductora (secundario). Esta fuerza genera corrientes en la placa y se

produce una fuerza de impulso de Lorentz. Hay dos tipos principales de MIL:

primario corto y secundario corto. En el primer caso las bobinas inductoras

se encuentran en el vehículo y la placa inducida está en la vía. En el segundo

caso la placa inducida está en el vagón y las bobinas inductoras en la vía.

Los motores tipo primario corto son más económicos que los secundarios

cortos, pero tienen menor eficiencia que estos últimos a causa del efecto de

borde que presentan estas máquinas lineales. Por ello estos motores se

emplean en trenes MAGLEV de baja potencia y velocidad como el HSST

japonés o el coreano UTM.[5]

2. Motores sincrónicos lineales (MSL): En este caso los campos magnéticos de

la armadura y de campo interactúan para producir el impulso. Su clasificación

es la misma que los MIL. La velocidad se controla por la frecuencia de

alimentación. Estos motores son preferidos por los trenes MAGLEV de alta

velocidad debido a que tienen una alta eficiencia y factor de potencia. El

Transrapid usa electromagnetos de hierro y el MLX usa magnetos

superconductores.[5]

Figura 5 - Motor lineal [8]

6.4 SISTEMA DE GUÍA

Como en cualquier sistema de trenes, se requiere un sistema el cual sirva de guía

para el descarrilamiento de los vagones. Existiendo dos opciones posibles de usar

este sistema de guía para trenes de levitación magnética, de los cuales son

atracción magnética o repulsión magnética:

1. Repulsión magnética: En el MLX al conectar las bobinas de levitación de

ambos lados de la pared, estas actúan como guías. Cuando el tren se desvía

del centro de la pista, se induce una corriente entre estas dos bobinas y se

produce una fuerza de repulsión en lado que está más cerca de la pared, lo

que devuelve al tren a su posición estable. [5]

2. Atracción magnética: Se genera una fuerza de atracción para reducir la

reluctancia y aumentar la inductancia cuando el tren se desplaza

lateralmente. El inconveniente es que estas bobinas están integradas al

sistema guía y no es posible el control a altas velocidades, por lo que esta

forma de guía se usa en trenes como el HSST. [5]

Figura 6 - Detalle del sistema Transrapid.[5]

Figura 7 - Detalle del sistema guía del HSST.[5]

6.5 PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA POR MEDIO DEL

MAGNETISMO

Como las cargas de diferente signo se mueven en direcciones opuestas a un campo

eléctrico dado; es necesario adoptar una convención para asignar un solo sentido a

la corriente. Por convención, se supone que los portadores de carga son positivos

y se dibuja el sentido de la corriente por medio de una flecha en el sentido en que

se moverían tales cargas; o sea, en el sentido del campo eléctrico dentro del

conductor. [9]

La corriente eléctrica genera tres efectos:

1. Efecto calorífico: elevando la temperatura del conductor.

2. Efecto magnético: produciendo campos magnéticos alrededor del conductor.

3. Efecto químico: produciendo reacciones químicas en los ácidos, bases y

sales. [9]

Para poder hacer que se produzca energía eléctrica mediante el magnetismo se

tiene que darse tres condiciones:

1. Tiene que existir un conductor.

2. Tendrá que existir un campo magnético en el conductor.

3. Tiene que haber movimiento entre el conductor y el campo magnético.

Cuando un conductor se mueve a través de un campo magnético, sus electrones

son obligados a deslizarse hacia los extremos, creándose una diferencia de

potencial en ambas terminales. El conductor es una bobina formada por una gran

cantidad de espiras, que están obligadas a girar dentro del campo magnético. De

esta manera el voltaje inducido es obtenido en sus terminales, para su utilización.

Con este principio básico de generador de energía eléctrica se puede de alguna

forma implementar en el sistema de tren de levitación para su uso, ya que existen

dentro del sistema bobinas de magnetización y bobinas de inducción, las cuales las

bobinas de magnetización podrán hacer generar electricidad.

7 METODOLOGÍA

Para dicha investigación se deberá de hacer la recopilación de toda la información

que sea requerida y sea posible de conseguir al momento, asi como también la

realización de una investigación del campo de aplicación o las áreas en las cuales

es donde se va aplicar el tren de levitación. Para ello se tendrá que recurrir al apoyo

de instancias donde cuenten con la información y la tecnología adecuada para poder

realizar un estudio de los diferentes terrenos donde se valla a construir.

Así mismo, se tiene que analizar las investigaciones obtenidas mediante una o

varias juntas de trabajo, en las cuales se obtendrán y se dispondrán cada uno de

los puntos de cada investigación, esto con el fin de verificar al momento es viable o

no el proyecto para poder continuar con lo mismo o así también poder hacer

correcciones o más investigaciones.

Al momento que se tienen ya un análisis en concreto sobre las investigación y que

se haya aprobado, se tiene que recurrir a juntas con los directos generales de cada

uno de las empresas que se cree, puedan proveer los materiales necesarios para

la construcción del tren de levitación magnética, sabiendo, que pueden ser

proveedores nacionales o bien internacionales.

Es importante ir verificando los avances en dicho proyecto, por lo cual, es factible

realizar juntas de trabajo continuamente para poder analizar los avances que se han

llevado durante el lapso de tiempo que se lleva.

La realización de prototipos o maquetas es importante para así, poderse guiar y

tener un conocimiento más físico del cómo quedaría el proyecto al término de la

construcción, como también se pueden hacer estudios y pruebas de diferentes tipos

al prototipo como pruebas de viento, magnetismo, lluvia, velocidades, sismología,

etc. dichos prototipos se tendrán que presentan en cada una de las juntas de trabajo

para poder presentar las investigaciones y resultados de las pruebas realizadas.

Todas las investigaciones tienen un punto de aprobación y un punto final, en el cual

se analiza más a fondo todas y cada una de las investigaciones realizadas durante

todo el lapso, por ende, en este lapso de tiempo es donde se califica entre juntas de

trabajo si se hace aprobatorio el proyecto o hay modificaciones.

En caso de que se apruebe el proyecto se pasa a la presentación de dicho proyecto

frente a autoridades mayores, para que ellos mismos hagan la aprobación del

proyecto, y por ende, generen los recursos financieros para dicha realización del

proyecto de Tren de Levitación Magnética.

8 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

Núm. Actividades

Semestre Febrero - Julio

Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio

Semanas

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

1. Recopilación

de información

2. Recurrir a

instancias de investigación

3. Analizar las

investigaciones realizadas

4.

Realizar cotizaciones

con proveedores

5. Juntas de

trabajo para los avances

6. Realizar

diferentes prototipos

7. Verificar la

viabilidad del proyecto

8. Presentación del proyecto

9 REFERENCIAS

1. HERNANDEZ GARAY, S. A. N. D. R. A. (2009). Diseño de un controlador

PID por análisis del lugar geométrico de las raíces para un sistema de

levitación (Doctoral dissertation).

2. Rairán, D. (1999). Levitación magnética el sistema de transporte del futuro.

Revista Tecnura, 3(5), 4-10.

3. Herrera, S. B. G., & Torrado, A. M. R. TREN DE LEVITACIÓN

MAGNETICA.

4. ENRÍQUEZ, R. P., & ENRÍQUEZ, D. R. P. EL EFECTO MEISSNER Y LA

LEVITACIÓN MAGNÉTICA. DEPARTAMENTO DE MATEMÁTICAS.

5. Sweet San Martín, O. E. M. (2013). Especificación y análisis de motores

asíncronos para tren de alta velocidad en Chile (Doctoral dissertation,

Universidad de Chile).

6. Morales Aldana, E. (2014). Análisis y diseño de un motor síncrono lineal

como medio de propulsión para un tren de levitación magnética.

7. H. W. Lee, K. C. Kim, and J. Lee, “Review of Maglev Train Technologies”,

IEEE Trans. Magn., Vol. 42, N° 7, July 2006.

8. K. Wako, “Magnetic Levitation (Maglev) Technologies”, Technology, October

2000

9. Héctor Barcos Tíos, Edilberto Rojas Calderón, Elisabeth Restrepo Parra.

Principios de electricidad y magnetismo. Física, Colombia Julio de 2012.