Introduction

Les freins magnétiques sont apparus sur les montagnes russes en 2000. Le premier coaster qui y a eu le droit est Millennium Force, le gigacoaster Intamin de Cedar Point.

Alors qu’y avait-il avant comme technologie ? Eh bien il s’agissait de freins dits à friction. En effet, c’est une lame située sous chaque wagon du train qui est serrée par les deux patins du frein, situé sur le rail. C’est un système à air comprimé qui permet la fermeture et l’ouverture des patins.  C’est encore la technologie utilisée sur la plupart des montagnes russes dans le monde entier.

Mais alors à quoi bon inventer un nouveau système ?
S’il est évident que le frein à friction pose des problèmes d’usure des lame et patins, le freinage magnétique  permet déjà de régler ce souci (nous verrons pourquoi plus tard). De plus, sa facilité de mise en oeuvre, sans air comprimé ni câbles électriques, est un atout certain. Parmi d’autres avantages détaillés plus loin dans notre étude, nous avons vu la création d’un nouveau type de frein : les trim breaks. Ces derniers, très utilisés par Intamin et B&M, permettent de freiner le train en plein parcours pour que celui-ci passe le camel back plus lentement, les forces G ressenties par les passagers seront donc plus faibles.

Le but de ce reportage est très simple : après avoir expliqué la solution technique retenue par le constructeur Intamin, nous verrons ensuite physiquement le phénomène. Enfin, nous mènerons une petite expérience avec un chariot pour bien voir le freinage.

La solution d’Intamin

Freins magnétiques

On comprend bien ici le fonctionnement des freins magnétiques, selon Intamin.
Une lame en matériau conducteur électriquement mais non magnétique (soit cuivre ou aluminium mais surtout pas de l’acier !) est attachée au train. Sur le rail, deux aimants, l’un de pôle Sud et l’autre de pôle Nord, sont placés en vis-à-vis. La lame passe dans l’espace libre entre les deux aimants lors du passage du train. Le train est alors freiné.

Mais ceci n’est qu’un schéma ! Voici le système réel :

Les ingénieurs utilisent le diagramme FAST pour expliquer les besoins d’un système et les solutions retenues. Voici celui du frein magnétique Intamin.

Freins magnétiques

À gauche, on peut lire 2 grandes fonctions que le frein doit pouvoir assumer, déclinées ensuite en plusieurs petites fonctions. Devant chacune d’elles, la solution apportée par le constructeur est explicitée, puis fléchée vers la photo pour situer l’élément.

La particularité d’Intamin, c’est d’avoir une surface adaptable de lame entre ses aimants. Oula ?! En fait la force de freinage dépend de cette surface, on le verra plus tard. On voit sur la photo un petit vérin qui permet de tirer le porte-aimants + aimants vers l’extérieur du rail. Ceux qui jouent à No Limits connaissent bien cette solution car c’est fortement accentué dans le jeu…Freins magnétiques

La petite figure ci-contre sert à montrer ce phénomène. On y voit le système avec un angle de 0°, et une surface de lame entre les aimants en bleu, puis le système en pointillé avec un angle maximal. Dans ce dernier cas, seule la partie jaune de la lame est entre les aimants. On verra ensuite pourquoi cela joue sur le freinage 😉

Modélisation

Bon alors c’est ici qu’on va expliquer ce qui se passe vraiment dans la lame et les aimants pour obtenir un freinage !

Freins magnétiques

Ce qui compte en fait le plus, c’est le mouvement de la lame dans les aimants. Sans ce mouvement, il n’y aurait pas de freinage. Je m’explique :
1) Les aimants en vis-à-vis créent un champ magnétique B.
2) Le mouvement de la lame dans ce champ va créer une tension électrique, appelée force électro-motrice. Selon la loi de Faraday, ce courant s’oppose au mouvement de la lame.
3) Cette tension va créer un courant, appelé courant de Foucault.
4) Les courants de Foucault créent une force de Laplace.

Vous l’aurez compris, je ne m’amuserais à donner toutes les équations associées à ces phénomènes. Ce qui compte, c’est la formule suivante, de la fameuse force de Laplace FL :

Freins magnétiques

On peut faire des commentaires sur cette formule. On voit qu’elle est proportionnelle au champ magnétique B au carré, ainsi qu’à la vitesse v du train. Mais surtout, on voit qu’il y a un signe “moins” devant cette formule. La force de Laplace s’oppose donc à la vitesse de la lame : le train est donc freiné !

Mais le fait que cette force de freinage soit proportionnelle à la vitesse a un inconvénient ! En effet, si le freinage est donc efficace à grande vitesse, on voit que plus la vitesse du train diminue, plus le freinage est…faible, donc inefficace ! Voilà donc pourquoi des freins magnétiques ne peuvent jamais arrêter complètement un train ! Ils sont donc toujours couplés avec des freins à friction.

Mais rien de tel qu’une petite expérience pour bien visualiser tout ça, en vrai !

Expérimentation

Alors est-ce que ça marche vraiment cette histoire de freinage ? Sans fils ? Eh bien on va mener l’expérience pour en avoir le coeur net 😉

Pour cela, NaiRolF et moi avons construit une pente inclinée avec des rails, qui constituent notre montagne russe. En bas de cette pente, il y a une zone de freins constituée de trois paires d’aimants de 1 Tesla chacun (ce qui est quand même élevée comme valeur de champ magnétique !). On devrait avoir un freinage puissant (souvenez-vous de la formule de la force de Laplace !).
Le chariot a quant à lui été conçu par nos soins, à l’aide de bois, de tiges et de roulements achetés dans le commerce. Les roues ont été tournées au tour à bois pour assurer qu’elles soient bien rondes. Voici le dessin de la conception de ce petit véhicule 😉

Freins magnétiques

Voici quelques photos de la pente, du véhicule et des aimants qui matérialisent la zone de freinage :

 

Alors ? Le véhicule sera-t-il freiné ou va-t-il s’écraser en dehors de la rampe ? Eh bien non ! Il est freiné !!

Alors il s’agit ensuite d’avoir des courbes exploitables de la vitesse du chariot en fonction du temps, pour pouvoir les étudier. Pour cela, nous avons donc filmé la descente du chariot, puis nous avons fait une acquisition du film sur le logiciel AviMéca. A l’aide de celui-ci, nous avons pointé grâce à la souris un point sur la roue du chariot, ce à chaque image du film (pour rappel, un film est composé de 24 images par secondes). Le logiciel Regressi a donc ensuite pu tracer une courbe de la position du véhicule en fonction du temps… Par dérivation, nous avons une courbe de la vitesse du chariot par rapport au temps. Étudions-la.

Freins magnétiques

Voici la courbe que nous obtenons :
Freins magnétiques

Comme vous pouvez le voir dans les commentaires ci-dessus à droite, il y a plusieurs phases. Ceux qui savent ce qu’est une loi linéaire et exponentielle décroissante, eh bien tant mieux pour eux… Pour les autres, sachez que ce n’est pas indispensable à comprendre. Ce ne sont que des maths, et c’est la compréhension physique du phénomène qui compte avant tout ici !!

On voit donc que la vitesse augmente d’abord rapidement, de façon linéaire (c’est à dire qu’elle suit une droite). Au point le plus haut, le train entre dans la zone de freinage et cette vitesse diminue donc.
Le plus important, c’est de constater que le freinage s’arrête subitement dans le palier. La vitesse ne ré-augmente pas malgré la pente : le train est toujours dans les freins, mais sa vitesse ne diminue plus ! Nous sommes à la fameuse vitesse palier où le freinage arrive tout juste à compenser la vitesse du véhicule… En réalité, c’est là que les concepteurs auraient placé des freins à friction pour stopper complètement le train.
Alors on voit ce phénomène car notre pente est inclinée. Pour une vraie montagne russe et une zone de freinage plate, les frottements sur les rails feraient freiner doucement le train, même en dehors de la zone de freins…
Finalement, on voit la vitesse augmenter de nouveau : le train a quitté la zone de freinage et repart donc.

Cette expérience met donc bien en valeur les phénomènes dont je vous ai parlés : un freinage efficace (la vitesse diminue beaucoup malgré la faible distance de freinage sur notre maquette) mais qui a ses limites : ils sont incapables de stopper complètement un véhicule.

Conclusion

Si ceux-ci sont utilisés dans d’autres applications telles que le freinage des camions ou des TGV de la ligne Paris Est, en ce qui concerne les coasters, les freins magnétiques permettent un freinage doux, avec moins d’usure que le frein à friction, et sans câblage nécessaire d’air comprimé.

Il est aussi fonctionnel sous un ciel bleu que sous la pluie, contrairement au frein à friction qui voit son coefficient de frottement diminuer, et donc son pouvoir de freinage décroître.

Enfin, il n’y a aucun risque de panne puisque les aimants sont permanents !

Freins magnétiques TGV

Freins magnétiques qui équipent un TGV français.

Sur un bogie de TGV : les aimants sont montés sur la barre, un courant le parcourt et le rail fait office de lame de train de coaster.

Petit rappel maintenant des principales particularités de ce freinage, au vu de l’équation :
– Plus le champ magnétique B est grand, plus la force de freinage (ou de Laplace) est grande,
– Plus la vitesse du véhicule est élevée, plus le freinage est efficace (problème à faible vitesse !),
– Plus la surface entre les deux aimants est grande, plus la force de freinage est élevée,
– Le signe “moins” dans la formule montre bien que la force va dans le sens contraire du déplacement.

Voilà je pense que maintenant vous serez plus à l’aise en sachant que les freins du coaster que vous ridez sont magnétiques ! 🙂

Première publication : janvier 2009 – Dernière actualisation : mars 2017
Reproduction totale ou partielle interdite sans autorisation écrite de Coasters World.
Sources Photos : Coasters World & Florian Brisou (TGV)