La transmission d'électricité, aussi bien transfert de signaux que transfert de puissance depuis une station vers un objet mobile par rapport à la station (train, pont roulant, véhicule...) et réciproquement s'effectue souvent via un ou plusieurs systèmes comportant un ou plusieurs conducteurs de l'électricité, substantiellement rigides ou relativement peu déformables lorsqu'ils sont en conditions normales d'utilisation, appelé « système de conducteurs » par la suite, unidimensionnels (glissière, rail, caténaire, etc. ) ou multidimensionnels (tôles, grillages, etc. ) contre lesquels viennent interagir un ou plusieurs systèmes de captage d'électricité (archet, galet avec ou sans gorge, frotteur, patin, doigt...) pouvant se déplacer par rapport au système de conducteurs. L'interaction permettant la transmission d'électricité consiste en un contact (frottement et/ou roulement), ou une proximité telle que l'électricité se transmet par arcs électriques, influence ou autre. Un tel système de captage est généralement fixé sur un équipage (sabot, pantographe, perche, pivot...) lié rigidement ou non au mobile.

Il est nécessaire que la pression exercée par le système de captage contre le système de conducteurs soit importante pour que l'électricité soit transmise dans de bonnes conditions. C'est le cas quand les pertes d'énergie dues à la résistance ou à l'impédance électrique entre le système de captage et le système de conducteurs (appelée dans la suite « résistance de transmission ») sont faibles par rapport à la puissance transmise, qu'il y a un minimum d'arcs électriques qui provoquent piqûres, usure, dissipation d'énergie et destruction des surfaces en interaction mme à faible vitesse, et que leurs caractéristiques varient le moins possible pendant la durée de vie du dispositif et au cours du déplacement du système de captage par rapport au système de conducteurs.

Classiquement, ce contact ou cette proximité est assuré en appliquant au système de captage un système de forces mécaniques issues par exemple de ressorts, vérins, servomécanismes, déflecteurs, pesanteur, déformation élastique ou autre qui le pousse et le plaque contre le système de conducteurs. Ce système de forces mécaniques de poussée a en général pour effet parasite de déformer le système de conducteurs, en particulier car celui-ci possède une certaine liberté et une certaine élasticité.

Plus la vitesse du mobile est élevée, plus il devient difficile d'assurer en permanence ledit contact ou ladite proximité correcte et constante, car en particulier les phénomènes dynamiques concernant ladite déformation, résultant notamment de phénomènes de résonance, variation d'écartement, etc. deviennent prépondérants ; ces difficultés résultent directement du fait que le système de captage exerce une poussée contre le système de conducteurs.

C'est un facteur limitatif majeur de la vitesse des trains rapides, dans lesquels au moins un système de captage (par exemple un archet) solidaire d'un équipage mobile (par exemple pantographe) est poussé vers un système de conducteurs (par exemple caténaire). Un tel ensemble dans lequel le système de conducteurs comporte une partie linéique tendue sur laquelle interagit directement ou indirectement le système de captage est appelé par la suite « système caténaire/capteur et dérivés ». A cause de cette poussée sur le système de conducteurs, le système de captage génère dans le système de conducteurs une onde perturbante (perturbation d'étrave), qui se propage dans toutes les directions dans le système de conducteurs à une certaine vitesse appelée vitesse critique (de l'ordre de quelques centaines de km/h) dépendant des caractéristiques (en particulier élasticité, géométrie, nature et écartement des ancrages, tension...) de celui-ci.

Si la vitesse du mobile devient du mme ordre de grandeur que ladite vitesse critique, il se produit des phénomènes similaires au passage du mur du son pour un avion, ou au passage de la vague d'étrave pour un bateau, avec en particulier des décollements du système de captage, qui empchent une transmission correcte de l'électricité.

Pour éviter ces phénomènes et assurer une vitesse critique supérieure à la vitesse du train, on tend la caténaire, mais cette tension (plusieurs milliers de daN) est limitée par la résistance mécanique de celle ci et les coûts de réalisation et d'exploitation élevés du système de conducteurs et de son système de tension.

Par ailleurs, la nécessité en particulier d'éviter des déformations trop importantes du système de conducteurs lors du passage du système de captage, impose une force de poussée (et donc une pression de contact) relativement faible, ce qui favorise les décollements générateurs d'arcs électriques et augmente la résistance de transmission, dégradant ainsi la qualité du système de transmission d'électricité.

Enfin, comme ladite perturbation d'étrave ne s'amortit que lentement, il est nécessaire d'avoir une distance minimale entre deux systèmes de captage souvent supérieure à la longueur du mobile. Cela oblige donc à faire transiter toute la puissance nécessaire par un système de captage unique, avec des inconvénients importants en terme de fiabilité, coût, usure, densité très élevée de courant qui limite les puissances transmises et peut rendre nécessaire une coûteuse caténaire multiple, et impose de plus la présence d'un câble de transport d'énergie à très haute tension entre les motrices situées aux extrémités. Un tel câble est d'ailleurs parfois interdit dans certains pays à cause de réglementations strictes liées à la sécurité. On retrouve aussi un système similaire dans le cas des tramways, des trolleybus, des métros et plus généralement de beaucoup de types de véhicules à propulsion électrique.

L'objet de l'invention est de remplacer partiellement ou totalement ledit système de forces de poussée exercé par le système de captage contre le système de conducteurs par un ensemble de forces d'attraction d'origine magnétique entre lesdits systèmes, ou portion (s) de ceux-ci. On obtient donc une pression correcte par une attirance modulable entre lesdits systèmes mais sans, ou avec moins d'effets parasites (en particulier déformations du système de conducteurs). Ces forces d'attraction magnétique sont générées par des champs magnétiques judicieusement créés et guidés.

Cette invention s'applique quel que soit le type d'interaction utilisée pour transmettre l'électricité, que ce soit par contact (à titre non limitatif : frottement, roulement), et/ou par la proximité desdits systèmes (à titre non limitatif : arc électrique, ionisation), le système de captage pouvant coopérer avec tout type de mobile se déplaçant par rapport au système de conducteurs, qui lui-mme peut tre fixe ou mobile.

Elle concerne le transfert de puissance électrique aussi bien vers le mobile (par exemple : propulsion) que depuis celui-ci (par exemple : freinage électromagnétique à récupération), ainsi que la transmission de signaux électriques dans les 2 sens.

En particulier, l'invention s'applique aux systèmes caténaire/capteur et dérivés présentés ci-dessus. Dans ce cas, elle permet de réduire, supprimer ou mme inverser ladite force d'appui contre la caténaire qui perturbe celle-ci. On minimise ou supprime ainsi la cause des perturbations (ondulation de la caténaire), ce qui permet en particulier de travailler depuis l'arrt jusqu'à la vitesse critique et au dessus. La pression de contact

n'est plus limitée par les déplacements maximums admissibles (d'un pantographe ou d'une caténaire par exemple) et peut donc tre aussi élevée que souhaité, ce qui permet donc une bien meilleure qualité du système de transmission d'électricité. L'ensemble des problèmes évoqués plus haut est donc diminué ou supprimé. La vitesse d'un mobile n'est plus limitée par un problème de contact.

L'invention concerne aussi le système de conducteurs et/ou le système de captage proprement dits quand ils permettent de et/ou sont conçus en particulier pour réaliser un dispositif générant un système de forces d'attraction magnétique entre système de conducteurs et système de captage, grâce, de manière non limitative, à leurs natures, leurs géométries, leur comportements, leur mode d'utilisation et/ou leur fabrication, et ce en particulier dans le cadre de systèmes caténaire/capteur et dérivés.

Les éléments du système de conducteurs peuvent tre d'une grande diversité de formes et sections (à titre non limitatif : fil, ruban, barre, plat, T ou U inversé, 8 aplati, <BR> <BR> oméga, torsadé, toronné, grillage, tôle, etc. ), permettant en particulier de maintenir en position ledit système tout en évitant de faire obstacle à l'interaction avec le système de captage. La ou les parties du système de conducteurs en interaction avec le système de captage présentent préférentiellement une forme aplatie afin de maximiser la surface d'interaction électrique, tout en optimisant le guidage des lignes de champ magnétique.

Le système de conducteurs peut tre d'une grande diversité de natures : conducteurs homogènes ou non, réalisés d'une pièce ou par assemblages intimes ou non (à titre non limitatif : soudure, collage, rivetage, boulonnage, extrusion, sertissage, tissage, tressage, torons mixtes, placage, dépôt...) d'un ou plusieurs matériaux ferromagnétiques ou ferrimagnétiques, et de zéro ou plusieurs matériaux possédant une ou plusieurs autres caractéristiques remarquables, telles que à titre non limitatif : bonne conductibilité électrique, bonnes caractéristiques mécaniques, bonnes qualités de glissement, bonne résistance à l'usure, bonne résistance aux effets néfastes des arcs électriques, bonne résistance aux intempéries et variations de température, dilatation adaptée, coût faible...

Ses caractéristiques (par exemple : nature, forme, section) peuvent varier localement, par exemple en fonction de la proximité de points d'ancrage, afin en particulier de compenser les irrégularités créées par ceux-ci.

Le système de captage peut avoir une structure homogène ou hétérogène, rigide, élastique ou déformable, comprendre des mécanismes (cas des galets rotatifs par

exemple), comprendre des parties conductrices et des parties non conductrices de l'électricité, et, suivant les modes de réalisation de l'invention, tre aussi réalisé totalement ou partiellement dans un matériau ferromagnétique ou ferrimagnétique, sans que cela soit obligatoire.

Le ou les champs magnétiques peuvent tre crées par exemple par un système d'aimants permanents, un système de conducteurs parcourus par l'électricité (électro- aimants) ou toute combinaison. Les champs magnétiques peuvent tre continus ou discontinus, constants ou variables (à titre non limitatif : pulsés, alternatifs, ou toute combinaison) ; dans le cas de champs variables, la fréquence de variation est choisie judicieusement afin d'éviter en particulier tout phénomène de résonance néfaste, tout en maintenant une bonne attraction entre lesdits systèmes.

Il est possible d'ajuster ou de faire varier dynamiquement (en particulier par asservissement) les forces d'attraction magnétique pour optimiser le système de transmission en fonction de tous critères, en particulier d'une ou plusieurs grandeurs physiques mesurées ou estimées, telles que, de manière non limitative : la géométrie et caractéristiques (en particulier de nature, électriques, mécaniques, d'état de surface, de glissement, de résistance de contact, de position d'un équipage mobile) des systèmes de conducteurs et de captage, un possible écartement entre eux, la position relative du système de conducteurs par rapport au mobile, la valeur de la pression de contact, les caractéristiques (en particulier nature, intensité, tension) de l'électricité à transmettre, la vitesse du mobile, l'usure (en particulier la variation de caractéristiques mécaniques, géométriques, chimiques ou électriques au cours du temps), les conditions climatiques (en particulier température, hygrométrie, précipitations...), la résistance à l'avancement, les arcs électriques, etc. Ceci peut tre réalisé en variant l'intensité du ou des systèmes de champs magnétiques crées grâce par exemple dans le cas d'électro-aimants à l'activation d'un nombre variable de spires, ou encore une variation (ou inversion) analogique ou par modulation de largeur d'impulsion du courant dans ceux-ci. Il est aussi possible de faire varier cette force en court-circuitant au moins certaines des lignes de champ magnétique pour les empcher de se refermer à travers l'autre système, ou en changeant des géométries tant au sein du système de captage que du système de conducteurs (à titre non limitatif : modification de la reluctance ou d'un entrefer, court- circuit magnétique, déplacement d'éléments de production de champs magnétiques), rendant ainsi lesdits systèmes plus ou moins adhérents.

Il est en particulier possible de réaliser cette variation de l'intensité du contact entre lesdits systèmes sans aucune pièce en mouvement, ce qui permet des asservissements beaucoup plus rapides, moins chers et plus fiables que les systèmes existants (par exemple : mécaniques, électromécaniques, pneumatiques ou hydrauliques...) qui de plus ne se contentent que de moduler une force de poussée, avec tous les inconvénients décrits ci-dessus. Disposer d'un moyen de modulation de la force d'attraction magnétique avec un temps de réponse très court (absence de pièces en mouvement) permet aussi des asservissements impossibles à réaliser autrement, tels que l'asservissement en temps réel de la force d'attraction à la valeur instantanée de la « résistance de transmission » afin de supprimer tout décollement. Cette résistance peut tre soit mesurée en particulier à l'emplacement du frotteur ou à proximité, soit estimée, de manière directe ou indirecte.

Il est souhaitable que le système de génération du système de forces d'attraction magnétique soit conçu de manière à maintenir ces forces substantiellement constantes lors d'une possible variation des positions relatives du système de capteurs et du système de conducteurs (par exemple, dans le cas du système caténaire/capteur : caténaire évoluant à droite ou à gauche de l'archet). Ceci est par exemple réalisable en utilisant plusieurs générateurs de champ magnétique, une modulation de l'intensité du champ magnétique crée par chaque générateur, et/ou par un choix judicieux de la géométrie du système de capteurs et du profil des sections du circuit magnétique. Le nombre de systèmes de création de champs magnétiques, leur caractéristiques, la section (constante ou variable) et nature du circuit magnétique (par exemple : archet) sont déterminés de manière en particulier à minimiser la masse du système de captage, tout en assurant un système de forces d'attraction magnétique permettant une bonne transmission d'électricité.

Dans le cas de présence simultanée d'aimants et d'électroaimants, il est possible d'adapter le courant dans le système d'électroaimants de telle sorte que, en service normal, le champ magnétique d'un ou plusieurs électroaimants s'ajoute à celui de un ou plusieurs aimants permanents, mais que lors de la mise en place ou de la suppression de l'interaction, ce champ s'oppose à celui d'un ou plusieurs aimants, réduisant ou supprimant ainsi les forces d'attraction magnétique, et donc les contraintes mécaniques liées au phénomènes de collage magnétique ; ceci est en particulier utile si l'on souhaite séparer le système de captage du système de conducteurs (descente d'un pantographe à

l'arrt par exemple). L'inversion du champ magnétique d'un ou plusieurs électroaimants permet aussi de supprimer une éventuelle aimantation rémanente pouvant exister dans le système de captage et/ou le système de conducteurs. Lesdits aimants permanents peuvent aussi n'tre magnétisés que pendant la position de travail normale du système de captage, et totalement ou partiellement démagnétisés en position de repos, grâce à l'application d'un système de bref champs magnétiques intenses judicieusement créé (électroaimants par exemple).

Lors de la mise en oeuvre de l'invention, il peut tre judicieux de localiser la plus grande partie de l'usure sur le système de captage (par exemple par le choix adapté des natures et duretés relatives des différents composants), et plus particulièrement sur des pièces d'usure remplaçables, ceci est réalisable par exemple en choisissant pour le système de captage un matériau plus tendre que pour le système de conducteurs. De mme, si des phénomènes électrolytiques peuvent se produire (en particulier à cause de la nature des matériaux, de leur potentiel électrochimique et des caractéristiques de l'électricité transmise) on s'efforcera de protéger le système de conducteurs et de reporter les effets néfastes (tels que à titre non limitatif : corrosion, creusement...) sur le système de captage, et en particulier sur lesdites pièces d'usure.

Dans certains modes de réalisation de l'invention, il est possible d'avoir un entrefer magnétique (augmentation de la reluctance) au sein et/ou en périphérie du système de captage et/ou du système de conducteurs. Cet entrefer peut provenir du recouvrement partiel ou total du système de captage et/ou du système de conducteurs par un matériau ayant des caractéristiques magnétiques quelconques, mais possédant d'autres caractéristiques avantageuses ; cet entrefer peut aussi avoir pour objectif principal ou annexe de réduire les phénomènes de collage magnétique lors de la mise en place ou de la suppression du contact, de modifier les caractéristiques des champs magnétiques, et/ou permettre d'isoler électriquement entre elles des portions du contact, permettant ainsi la mesure dynamique de la résistance de transmission.

Il est possible de continuer à utiliser un système de forces de poussée traditionnelles, ou mme de forces de traction, fixes ou variables, de valeurs plus ou moins élevées en mme temps que le système de forces d'attraction magnétique, afin de par exemple positionner l'ensemble en situation de manière fixe ou dynamique, minimiser la perturbation d'étrave, assurer un meilleur amortissement d'éventuelles perturbations, compenser totalement ou partiellement le poids de l'équipage mobile et

du système de captage, renforcer ou diminuer la pression de contact fournie par la force d'attraction magnétique, permettre un fonctionnement en mode dégradé en cas de défaillance du système de production ou de contrôle de l'attraction magnétique. Un système de forces de poussée peut aussi tre appliqué au système de captage en cas de décollement important de celui-ci pour le ramener de nouveau contre le système de conducteurs.

Un moyen possible de réalisation de l'invention est de réaliser au moins partiellement le système de conducteurs dans un ou des matériaux possédant des propriétés ferromagnétiques et/ou ferrimagnétiques (avec ou non une aimantation rémanente), et d'utiliser un système de captage comprenant une ou plusieurs parties produisant un système de champs magnétiques qui, en se refermant au moins partiellement à travers lesdits matériaux, génère ou modifie (dans le cas ou le système de conducteurs possède une aimantation rémanente) un système de forces d'attraction entre le système de conducteurs et le système de captage.

La figure 1 représente de manière schématique et non restrictive une réalisation de ce moyen en vue de dessous. La caténaire (1) d'une voie ferrée est réalisée en matériau ferromagnétique (par exemple : acier magnétique). L'archet (2) est réalisé en matériau ferromagnétique (par exemple : fer doux) en forme de U sensiblement horizontal, et frotte contre la caténaire aux points B et C. Il comprend un système d'électroaimants formé de bobinages (3) situés au milieu du U. L'archet est relié au mobile par un pantographe non représenté, qui permet de transmettre l'électricité captée et assure le positionnement correct de l'archet par rapport à la caténaire (grâce à un système de palonniers par exemple). Le retour du courant s'effectue par les roues et les rails. L'archet (2) est mis en contact avec la caténaire (1) aux emplacements B et C par une légère force extérieure créée par le pantographe (via ressorts ou vérins par exemple), juste suffisante pour compenser le poids de l'archet et de l'électroaimant. Le système d'électroaimants est alimenté en courant continu pour créer un champ magnétique selon l'orientation A-D. Les lignes de champ se referment à travers la caténaire via les points B et C, créant en ces points l'attraction magnétique objet de l'invention, en assurant ainsi un bon contact électrique entre archet et caténaire, sans éloignement ni perturbation de celle-ci. Une fois l'attraction magnétique établie, il est possible de moduler, supprimer ou mme inverser la force de poussée créée par le

pantographe. Ce dernier cas (traction au lieu de poussée) permet d'exploiter le fait que la constante de raideur de la caténaire peut tre différente quand elle est tirée que quand elle est poussée, ce qui peut minimiser encore plus les perturbations parasites.

La figure 2 représente de manière schématique et non restrictive en vue de dessous un autre exemple de réalisation de ce moyen. Un archet double sensiblement horizontal formé de 2 lames parallèles en matériau ferromagnétique (5) (6) frotte contre une caténaire (4) en matériau ferromagnétique. Les 2 lames sont reliées par deux électroaimants (7) (8) composés chacun d'un noyau en matériau ferromagnétique et d'une bobine, tous bobinés dans le mme sens et alimentés de manière identique en courant continu, créant ainsi un pôle magnétique positif sur une lame, et négatif sur l'autre. Les lignes de champ magnétique se referment à travers la caténaire, créant ainsi l'attraction magnétique et assurent un bon contact électrique entre archet et caténaire.

Un pantographe non représenté permet le positionnement de l'archet et lui permet de porter correctement contre la caténaire malgré les imperfections de réalisation grâce à un système de palonniers. Il assure de plus la mise en position travail ou repos de ce dernier. L'utilisation de plus d'un électroaimant permet de diminuer la variation des forces d'attraction magnétique lorsque la caténaire évolue de gauche à droite de l'archet.

Un autre moyen d'obtention de cet effet d'attraction magnétique consiste en l'utilisation d'un système de captage réalisé au moins partiellement dans un ou des matériaux possédant des propriétés ferromagnétiques et/ou ferrimagnétiques, et d'un système de conducteurs comprenant une ou plusieurs parties produisant un système de champs magnétiques qui, en se refermant au moins partiellement à travers lesdits matériaux, génère ou modifie un système de forces d'attraction entre le système de conducteurs et le système de captage. Ce moyen peut tre intéressant de par sa simplicité, et la réduction de la masse (et donc de l'inertie) du système de captage qu'il permet. La modulation de l'attraction magnétique peut tre réalisée en modifiant la reluctance magnétique du système de captage, et/ou la modification des caractéristiques magnétiques, géométriques, mécaniques ou de nature du système de conducteurs localement (par rapport à la position des systèmes de maintien en place par exemple).

La figure 3 représente un exemple de réalisation de cet autre moyen. Le système représenté en coupe verticale se compose d'une caténaire (9) de section en U inversé

réalisée en matériau magnétique possédant une aimantation rémanente, les pôles étant en bout des branches du U, représentés sur le dessin par « + » et «- ». Un archet (10) sensiblement horizontal réalisé en matériau ferromagnétique frotte contre la caténaire et est attiré par elle grâce à la force magnétique objet de l'invention. L'archet est relié au mobile par un pantographe non représenté. Il est possible d'aimanter ou ré aimanter la caténaire après sa pose, par simple application d'un système judicieux de champs magnétiques.

Un autre moyen d'obtention de cet effet d'attraction magnétique consiste en l'utilisation d'un système de captage comprenant une ou plusieurs parties produisant un système de champs magnétiques, et d'un système de conducteurs comprenant une ou plusieurs parties produisant un second système de champs magnétiques. L'ensemble est réalisé de telle sorte que les 2 systèmes de champs magnétiques, en interagissant, génèrent ou modifient un système de forces d'attraction entre le système de conducteurs et le système de captage.

Il est parfaitement possible de combiner plusieurs moyens et mises en oeuvre pour obtenir cet effet d'attraction magnétique. Il est donc possible par exemple d'avoir un système de conducteurs comportant un système d'aimants permanents qui interagit avec un système de captage comportant un système d'aimants et/ou d'électroaimants.

Grâce a un choix judicieux des matériaux du système de captage et du système de conducteurs, ainsi qu'une conception adaptée de l'équipage mobile (en particulier possibilité de créer un système de forces de pression traditionnelles, et respect des cotes d'encombrement des capteurs de courant traditionnels), il est possible de rendre entièrement compatibles les systèmes de captage traditionnels et/ou permettant la réalisation de la présente invention avec les systèmes de conducteurs permettant la réalisation de la présente invention et/ou traditionnels pour permettre leur interopérabilité. Cela autorise en particulier dans le cas des trains et autres véhicules la circulation de mobiles équipés de systèmes de captage permettant la réalisation de l'invention sur des lignes équipées de caténaires traditionnelles, et de mobiles équipés de systèmes de captage traditionnels sur des lignes équipées de caténaires permettant la réalisation de l'invention. On évite ainsi les ruptures de charge et on facilite la mise à niveau progressive du parc roulant et des infrastructures. On permet ainsi également la

mise à jour incrémentale des infrastructures et parcs existants sans coupure longue du trafic. Cela autorise aussi un fonctionnement en mode dégradé en cas de défaillance du système de forces d'attraction magnétique.

Grâce en particulier à la forte diminution des perturbations et du déplacement en éloignement de la caténaire causé par le passage du mobile, il devient possible d'envisager facilement pour des trains ou autres mobiles des vitesses en service commercial largement supérieures à celles déjà atteintes. De telles vitesses élevées, non réalisables en service commercial sans cette invention dans l'état actuel de la technique des trains à grande vitesse (TGV), permettent d'élargir très fortement le domaine d'utilisation privilégié des trains par rapport aux autres moyens de transport.

Ces trains peuvent de plus comporter plusieurs pantographes actifs. On supprime ainsi les limitations de puissance des systèmes traditionnels, et on simplifie l'arrivée de l'énergie là ou elle est utilisée. De plus, ces trains ne nécessitent pas de câble de transmission d'énergie à très haute tension sur toute leur longueur, donc peuvent tre utilisés mme dans les pays possédant des réglementations sécuritaires très strictes.

Une ligne équipée de l'invention autorise donc une tension mécanique de sa caténaire inférieure à celle d'une ligne à grande vitesse traditionnelle tout en assurant une moins grande dégradation des frotteurs et caténaires grâce en particulier à la réduction des arcs électriques générateurs de piqûres, et ceci y compris d'ailleurs aux faibles vitesses, et permet aux trains d'atteindre des vitesses que les oscillations de la caténaire empchaient auparavant.