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LEVITAÇÃO E PROPULSÃO ELETRODINÂMICASISTEMAS MAGLEV

Alexandre Brincalepe CampoDoutor em Engenharia Elétrica pela Escola Politécnica da USP

Professor da Área de Eletrônica e do Curso de Tecnologia Industrial do. CEFET-SP

Os primeiros protótipos de trens que levitam sobre trilhos (SistemasMAGLEV) foram idealizados e construí dos a partir do início do século XX, eao longo dos últimos cem anos muitos desenvolvimentos foram realizados.A levitação e o guiamento podem ser obtidos através de forças produzidaspor campos eletromagnéticos gerados por poderosos eletroímãs ou porbobinas supercondutoras. No entanto, esta tecnologia ainda não conseguiuavançar além das linhas experimentais e invadir nosso dia-a-dia,proporcionando todas as vantagens que sempre foram previstas. Nesteartigo serão apresentados alguns conceitos sobre esta tecnologia,procurando discutir os motivos que levaram esses sistemas a se tornarema menina dos olhos da tecnologia de alguns países, prometendo grandesmudanças nos sistemas de transporte em um futuro próximo.

INTRODUÇÃO

Em qualquer filme de ficção científicaas personagens eventualmente utilizamsistemas fantásticos de transporte quepropiciam o rápido movimento entre doispontos quaisquer. Cada autor imagina umasolução mais ousada e diferente, sendoque alguns ainda procuram algumafundamentação física para os sistemasinventados, mas muitos simplesmentedeixam a criatividade fluir sem qualquerimpedimento que a física ou a engenhariapossam levantar. Alguns desenvolvimentostécnicos ocorridos nos últimos cem anosviabilizaram a construção de algunssistemas de transporte de alta velocidadesobre trilhos com os quais os autores deficção científica do início do século ficariamsimplesmente maravilhados. Basicamentepoderíamos relacionar algumas tecnologiasque foram desenvolvidas .~propiciaram arealização de alguns sonhos sobre atécnica: a descoberta do fenômeno físicoda supercondutividade, osdesenvolvimentos realizados comdispositivos eletrônicos semicondutores, osnovos materiais disponíveis para aconstrução de estruturas mecânicas de

grande resistência física e a crescentecapacidade computacional de pequenosmicroprocessadores integrados.

MAGLEV NO MUNDO

Em diversas partes do mundo muitascombinações de tecnologias para aconstrução de trens de alta velocidadepodem ser encontradas. Os sistemas maisdesenvolvidos até o momento e commaiores perspectivas econômicas são: oprojeto Transrapid, desenvolvido por umconjunto de empresas alemãs e quepossui uma linha experimental emfuncionamento, o projeto do metrô suíçoSwissmetro, o sistema eletromagnéticojaponês HSST, além dos sistemaseletrodinâmicos desenvolvidos pelaempresa americana MAGLEV2000 e pelogrupo Japan Railway, que se encontra emtestes em Yamanashi, no Japão.

No Brasil, entre os trabalhosdesenvolvidos com sistemas MAGLEV,destaca-se a pesquisa realizada naUniversidade Federal do Rio de Janeiro(UFRJ), onde estão sendo desenvolvidasalgumas das aplicações da levitação

SINIRCIA 7

Levitação e Propulsão Eletrodinâmica Sistemas MaglevAlexandre Brincalepe Campo

magnética supercondutora do tipo SQL(Superconduding Quantum Levitation).Este projeto estuda mancais auto-estáveispara máquinas lineares e rotativas, atravésda construção e operação de protótiposcom supercondutores de alta temperaturacrítica (ATe) e magnetos permanentes,dispositivos que aplicam os efeitos dasupercondutividade. No Laboratório deAutomação e Controle da USP (LAC),também foi desenvolvido e construído umprotótipo de um veículo de levitaçãoeletromagnética, utilizando-se princípiossemelhantes ao projeto Transrapid e umprotótipo de um sistema eletrodinâmico,que serão descritos ao longo deste artigo.

PROPULSÃO LINEAR

Basicamente em todos os trensMAGLEVdesenvolvidos, a geração da forçade propulsão é feita através da utilizaçãode motores elétricos lineares. Em qualquercurso superior na área de eletricidade, sãoestudadas as máquinas elétricas rotativas,que são amplamente utilizadas na indústria.No entanto, existe uma máquina elétricalinear equivalente para cada um dos tiposde máquinas rotativas. Na figura abaixo éapresentado um corte de um motorrotativo e seu correspondente linear:

oI••••••••• Q •••••••••••••••••••••••••••••• I~

Figura 1: Motor Linear

Observando a parte de cima dafigura, verifica-se que se trata de um motorelétrico rotativo comum, e que aconveniente aplicação de correntes, nosfios que se encontram na sua parte fixaexterna (estator) , produz o movimentoda peça que se encontra em seu interior(rotor). Na parte de baixo da figura, pode-se ver o mesmo motor elétrico, mas desta

vez, ao invés de gerar uma força derotação na parte móvel, é gerada umaforça de propulsão linear, fazendo a partemóvel iniciar um movimento de translação.O estudo dos motores elétricos lineares évasto e exigiria, por si só, um artigo emque fosse mais detalhada menteapresentados.

LEVITAÇÃOELETROMAGNÉTICA {EML}

Além do sistema de controle dapropulsão, também está presente em umtrem MAGLEVum sistema auxiliar para seucontrole de levitação e de guiamento.Quanto à levitação, entende-se o controleque possibilitará que o trem se mova auma dada altura de levitação sem contatocom os trilhos. O guiamento estárelacionado ao sistema que possibilitará queo trem faça curvas sem contato mecânicocom os trilhos. Em ambos, os casos oprincípio básico para a geração da forçaque impede o contato com os trilhosbaseia-se no controle da força de atraçãoque surge em um material ferromagnéticocolocado numa região próxima de umeletroímã, conforme apresentado na figuraabaixo:

EletroÍrnã

De• e· .e• e

hX .

Frnag

jtMaterial

:::-:::: FenomagnéticoGuia :::.::: .

',' ... P

Eixo Instável: Z

Figura 2: Princípio da Levitação Eletromagnética

Aplicando uma corrente à bobina,surge uma força de atração no materialferromagnético. Essaforça é inversamenteproporcional ao quadrado da distânciaentre o eletroímã e o materialferromagnético e diretamente proporcional

•

Levitação e Propulsão Eletrodinâmica Sistemas Maglev

ao quadrado da corrente aplicada aoeletroímã. Dessa forma, para que adistância entre o eletroímã e o materialferromagnético seja controlada, énecessário acrescentar um sistema demedição da distância em que se encontrao material ferromagnético em relação àbobina. A partir desta medição, a correnteaplicada à bobina é controlada.

a princípio acima apresentado foiutilizado na construção do sistema alemãoconhecido como Transrapid[l]. No tremalemão, foi colocado um conjunto deeletroímãs e sensores de distância e omaterial ferromagnético foi posto ao longoda via. Dessaforma, o controle de levitaçãoe guiamento é realizado em tempo realde modo a manter o trem numa altura delcm dos trilhos, a velocidades que podematingir 500 km/h.

Pode-se imaginar os tremendosproblemas técnicos que foram enfrentadospara a construção deste sistema, pois aaltura de levitação é bastante pequena equalquer deformação na via ouperturbação que ocorra no trem emmovimento - como uma rajada de vento- poderá levar o trem à instabilidade.Apesar de já existir uma linha experimentalem funcionamento e mesmo já tendo sidogasto mais de um bilhão de dólares nodesenvolvimento deste sistema, nenhumalinha comercial ainda foi implantada.Recentemente surgiu o interesse de umgrupo chinês para que uma linha comercialseja construída utilizando a tecnologiaalemã, mas este processo ainda está emsua fase preliminar de estudos deviabilidade.

No Laboratório de Automação eControle da Escola Politécnica, foiconstruído um protótipo em pequenaescala em que é utilizado o princípiode levitação eletromagnética. a veículopossui quatro sensore s de altura equatro eletroímãs em que as correntessão controladas por um computador.a veículo possui um peso de 100quilogramas e a altura de levitaçãomáxima é de cinco milímetros. Nessesistema ainda não foi adicionado omotor linear que efetuará a propulsão

Alexandre Brincalepe Campo

do veículo. Veja uma foto do sistemana figura abaixo:

Figura 3: Protótipo de um sistemaeletromag nético

LEVITAÇÃOELETRODINÂMICA (EDS)

a controle da altura de levitação edo guiamento pode ser feito a partir daaplicação de outro princípio físico bastantesimples. Aplicando-se uma correnteconstante em uma bobina e movendo-asobre uma superfície metálica plana,surgem correntes induzidas na superfíciedevido à variação do campo magnético.a princípio físico que explica esta relação éconhecido como Lei de Lenz. As correntesinduzidas, por sua vez, geram um campomagnético que atuará sobre a bobinamóvel, fazendo surgir uma força derepulsão sobre esta. Na figura abaixo éapresentada esta relação:

Principio (EDS)

""Correntes Induz.í dasBobinas FixasCurto Círcu'i'tadas

Figura 4: Princípio da Levitação Eletrodinâmica

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o primeiro sistema construído nomundo em que foi utilizado este princípiodata de 1912 e, apesar de ter funcionado,era bastante ineficiente, pois necessitavade uma grande quantidade de energia paralevitar. A viabilização deste tipo de sistemasó foi possível graças à descoberta dofenômeno da supercondutividade, em1911, por Kamerlingh Ohnes. Apósconseguir liquefazer o héllo, colocando-oa uma temperatura próxima do zeroabsoluto, o pesquisador verificou que aresistência elétrica de alguns materiais setornava nula nessa temperatura,possibilitando a aplicação de correntes degrande magnitude, entre 200.000 e400.000 amperes, Dependendo do tipode material, a temperatura crítica, ou seja,a temperatura em que se passa aobservar o fenômeno dasupercondutividade, pode ser diferente.Hoje já são conhecidos materiais queadquirem a propriedade dasupercondutividade a temperaturassuperiores a 100 K ou - 173 De,possibilitando a construção de sistemasbaseados em bobinas supercondutoras.Um exemplo bastante comum de aplicaçãoem que são utilizadas bobinassupercondutoras é o equipamento deressonância magnética.

Em 1966, dois pesquisadoresamericanos patentearam um sistemabaseado em um veículo construído combobinas supercondutoras movendo-sesobre bobinas curto-circuitadas em formade oito. Este sistema foi utilizado naconstrução da linha experimental de 18,5km que se encontra em Yamanashi, noJapão.

Figura 5: Fotografia do trem japonês

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Nesta linha os trens movem-se a velocidades de 500 krn/h emlinhas paralelas, sendo que em 1999foi registrado o recorde mundial develocidade relativa de 1000km/hentre trens movendo-se em sentidocontrário em linhas paralelas.

Ao contrário do sistemaeletromagnético descritoanteriormente, neste sistema alevitação é inerentemente estável,pois as correntes induzidas nasbobinas curto-circuitadasaumentam quando o veículo seaproxima do trilho, garantindo umaaltura de levitação média de 10 cmde altura. Na figura abaixo éapresentado um detalhe da linhautilizada em Yamanashi:

Figura 6: Linha experimental japonesa

Pode-se notar na figura acimaque a via possui suporte para umsistema de suspensão auxiliar sobrerodas, pois a levitação só é obtidaapós o trem atingir velocidadessuperiores a 70 km/h. O sistemajaponês utiliza dois conjuntos debobinas no trilho: um conjunto debobinas ativas que representa omotor linear e um outro conjuntode bobinas curto-circuitadas que éresponsável pela geração das forçasde guiamento e levitação. O preçode uma linha desse tipo é cerca de1,7 vezes maior que o preço deuma linha de trem de altavelocidade sobre trilhos, que podeatingir até 270 krn/h. As pesquisasmais recentes estão sendodirecionadas para minimizar o preçodo sistema, adotando um único

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conjunto de bobinas ativas no trilho paraa obtenção das forças de propulsão,guiamento e levitação.

Um protótipo construído na EscolaPolitécnica da USP permite o estudo docomportamento de uma bobina móvelsobre um conjunto de bobinas fixas, sendofeito o controle das correntes para que abobina móvel levite sobre as bobinas fixassobre uma mesa.

O sistema idealizado consiste deum conjunto de quarenta bobinas comnúcleo de ar que estão fixas em uma mesae que podem ter suas correntescontroladas individualmente através desinais analógicos enviados por uma placade interface que está ligada a umcomputador pessoal. As quarenta bobinasestão dispostas lado a lado, formando umacircunferência.

Figura 7: Vista Superior do Sistema

Apoiada no centro dacircunferência se encontra umahaste rígida que possui dois grausde liberdade: pode balançar segundoum ângulo 8 e girar sobre o pontode apoio, segundo um ângulo y.Numa das extremidades da haste seencontra presa uma bobina comnúcleo de ar que pode seralimentada por uma corrente fixa,enviada por uma fonte externa,a t r a v é s d e e s c o v a ~) que seencontram no ponto de apoio dahaste rígida. No lado oposto dahaste é colocado um contrapesoque possui a função de diminuir ascorrentes necessárias para aobtenção da levitação, dado que abobina móvel utiliza fio de cobre atemperatura ambiente.


Figura 8: Fotografia do sistema construído

Correntes convenientementeaplicadas às bobinas fixas poderão fazera bobina móvel iniciar um movimentode translação sobre as bobinas fixas demodo a manter uma altura de levitaçãodefinida. Para que o sistema sejarealimentado e tanto a translação dabobina móvel quanto a sua altura delevitação possam ser controladas, foramcolocados dois sensores no sistema.

O sensor de posição angular(ângulo y), que está vinculado ao eixodo suporte central, envia um sinal paraas entradas analógicas da placa deinterface do computador, garantindo ainformação sobre a posição em que seencontra a bobina móvel sobre acircunferência.

O sensor preso à extremidade dahaste rígida mede a altura da bobina móvel(ângulo 8) e essesinal é transmitido atravésde um acoplador óptico para uma dasentradas analógicas da placa de interfacecom o computador pessoal.

bobina haste e contrapesomóvel 1CfE>-' ..,.,...9"'--"\..lI....---<~ ~~~ó

bobina sensor de senscr de posiçãofixa altura angular

Figura 9: Vista Lateral do Sistema

O sistema acima descrito pode servisto em funcionamento no seguinteendereço:

www.lac.usp.br/ •••brinca/tese.html

SIHER<iIA 11


OUTRAS APLICAÇÕES

Os sistemas MAGLEV apresentadosaté este ponto foram idealizados paraserem implantados em linhas quepossuam distâncias de até 500 km, comoentre São Paulo e Rio de Janeiro. Nessasdistâncias, o sistema hoje disponível seriacompetitivo com as linhas aéreas, pois,apesar de trabalhar em menoresvelocidades que um avião, ofereceria ummenor tempo de trânsito de passageirospara embarque e desembarque.

Outras aplicações do mesmo tipo delinha seriam relacionadas ao transporte decargas, dado que o investimento para aconstrução de uma linha de trens de altavelocidade é amortizado ao longo demuitos anos de operação, o transportede cargas poderia minimizar esse tempo.Outro fator positivo associado à tecnologiaé o fato de ser considerada limpa, ou seja,não depende da queima de combustíveisfósseis e causaria impacto na redução daemissão de poluentes.

Aplicações previstas para seremimplantadas em médio prazo incluem trensde altíssima velocidade em túneis de baixapressão. A tecnologia para a construçãodesses túneis já está disponível, sendo queum dos projetos MAGLEV (Metrô Suíço)prevê sua utilização. Nas condições debaixa pressão de um túnel, um trem de40 toneladas com 100 passageiros,movendo-se a velocidades próximas de3.600Kmjh (MACH 3, ou seja, três vezesa velocidade do som no ar), poderia levarpassageiros de Nova Iorque para SãoFrancisco em uma hora e meia.

Uma aplicação excêntrica para umsistema MAGLEVseria a de transporte deminerais obtidos em minas de grandeprofundidade. Recentemente, em umcongresso internacional sobre aplicaçõesde sistemas de propulsão e levitaçãoeletromagnética, foram apresentadosestudos sobre a prospecção mineral emminas de diamante da África do Sul parapossibilitara retirada de minérios em grandequantidade de minas de grandeprofundidade através de elevadores semcabos, movidos por motores lineares como

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os sistemas MAGLEVtradicionais.O mercado para lançamento de

satélites é extremamente atraente.Diversas empresas em todo o mundodisputam os lançamentos de cargas parao espaço utilizando foguetes como: ÔnibusEspacial (Space Shuttle), Titan-IV, Atlas,Delta, Ariane-5, além de outros foguetesde diversas agências espaciais em diversospaíses do mundo. No entanto, esseslançamentos são extremamente caros,pois, entre outros fatores, a quantidadede combustível utilizada por um veículolançador é bastante grande, implicando umgrande peso do foguete. Para minimizar opeso do foguete, barateando olançamento de foguetes, está sendodesenvolvido um sistema denominadoMAGLIFrER. Nesse sistema a aceleraçãoinicial do foguete seria obtida através deum grande trilho construído ao longo deuma montanha. O foguete seria aceleradoa grandes velocidades e lançado numaaltitude de 2000 metros, sendo que, apartir daí, seriam acionados os propulsoresde combustível líquido tradicionais. Existempelo menos três grandes centros depesquisas trabalhando neste projeto:NASA, MAGLEV2000 e Boeing. Na figuraabaixo se pode ver uma representaçãodo MAGLIFrER desenvolvido na Boeing.

Figura 10: MAGLIFT Boeing

Uma aplicação que ainda é puraficção científica consiste na construçãode um elevador espacial. Seria umsistema que ligaria um ponto da superfícieda Terra diretamente a um pontogeoestacionário, possibilitando o fáciltransporte de materiais entre a Terra eo espaço. Os desafios tecnológicos para

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a realização desse projeto sãogigantescos, mas, segundo o escritor deficção científica Arthur Clark, "um sistemadesse tipo será construído cinqüentaanos depois que as pessoas deixaremde rir sobre essa idéia". A NASA possuialguns estudos realizados para verificarquais são as dificuldades técnicas paraque esse sistema possa ser construído.

CONCLUSÕES

Apesar de razoavelmente antiga,a tecnologia de sistemas MAGLEV aindanão resultou em aplicaçõescomercialmente viáveis. Apesar disso,pode-se notar, através da análise dosartigos publicados em diversas revistascientíficas da área tecnológica, que estáhavendo um amadurecimento dossistemas projetados e que algumasgrandes iniciativas governamentaisempreendidas nos Estados Unidos, naCoréia e na China prometem aquecer omercado global para sistemas MAGLEV.

As perspectivas para os próximosdez anos são de implantação de algumaslinhas de curta distância (até 100 km)em diversos lugares do mundo. Linhasde mais longa distância dependerão depolíticas específicas voltadas para essetipo de meio de transporte, dado quesão necessários vultosos investimentos


em infra-estrutura. A aviação comercialestá sofrendo uma crise mundial devidoaos atentados terroristas recentes enovas tecnologias de transporte podemfinalmente ter sua oportunidade deimplantação.

REFERÊNCIASBIBLIOGRÁFICAS

[1] ATZPODIEN, H. C. Transrapid on themove. The 16th InternationalConference on Magnetical/yLevitated Systems and LinearDrives, MAGLEV' 2000,Brasil,pp. 8-14, June, 2000.

[2] CAMPO,A. B. Projeto de um sistemade propulsão e levitaçãomagnética com dois graus deliberdade. Dissertação(Mestrado), EPUSP, SãoPaulo,1995.

[3] FUJIE,J. An Advanced Arrangementof the Combined Propulsion,Levitation and Guidance SystemofSuperconducting MAGLEV.IEEETransadions on Magnetics, vol.35, no. 5, September 1999, pp.4049-4051.

Contato com autor:

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