In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we r  Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S )  Vol.  10, No.  1, Mar ch 2019,  pp.  74~82  IS S N : 2088- 86 94,  D O I :   10.11 5 9 1 /ij ped s . v10 . i 1.pp 7 4 -8 2           74     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i a e score . com / j o u r na l s / i n d e x . p hp/IJ PED S   Hybrid electromagnetic sus pensi o n for high-speed   vac uum   transport       Nik o la y   Gr ebenni k o v 1 ,  Alexand e r   Kiree v 2 , Nik ol ay  Ko z hemy ak a 3 ,  Ge n n a d y  Kon on ov 4   1 , 2, 3, 4 Clos ed  J oi n t -S to ck  C omp a ny   S cien tifi c-Tech nical  Cent e r P R IVO D -N ,   Novocherkas sk, Russi a   1 Ros t ov St ate T r ansp ort   Univ ers ity   ( RSTU),   R ostov - on -Don ,   R uss i a   2 P l at ov  S outh-Ru ss ian   Stat e  P o ly t e ch ni c Univ ersit y   ( N P I), N ovo ch e r ka ssk , Rus sia       Art i cl e In fo     ABSTRACT A r tic le hist o r y :   Re ce i v e d  Ju n  5 ,   2018   Re vise d O c t   2 9 ,  2018   Ac ce p t ed  No v   1 5 ,  2 018      Th e  gi ven   pap e r  pres e n ts   a   h ybri d   e l ectrom a gnetic  s us pen s i on  de si gned  f or   hi gh -speed   v acuum   t ran s po rt,  w h ere  th e  m a in   l evi t a t i on  f o rce  is   g en erated   b y   perm an e n t  m a gnet s ,  whil e  th e   el ectrom a g n et  c on trol s  th e  air  gap .  T h e  com p uter  m o d e l   i s   desig n ed  b y  m ean s  o f   M ATL A B/ Sim u link  s o ft ware   pack ag e,  w h i ch   a ll ow s   us  t o   simu lat e   t he  d yn a m i c   o p e rat i o n al  m o des   of  t h e   sy st e m .  The  calcul a ted  stu d i e s  are  carri ed  o ut   w hen   the  v e hi cle   acc elerati ng  to   1 00 0  km/h   w it h  a cco un t  of   t rack  i rregu la ri ti es.   P e rm a n ent   m a gn e t s  in corp orated   i n  th e  s y st em   o f  el ectrom a g n et ic  s u s pen s i on  m a ke  i t   possible  t o  redu ce th e energ y  co n su m p t i o n  needed  f or l ev it ation   f o rce g e ner ation.    K eyw ord s :   A i r ga ps   Elec trom ag ne ti c  suspe n s i o n   Energ y   e ff ic ie ncy   Lev ita t i on    M a g n e ti c   l e vi ta t i on   Co pyri gh t © 2 019 In stit u t e  of Advanced  En gi neeri n g  an d  S c ien ce.   All  rights   res e rv ed.  Corres pon d i n g  Au th or:   N . V .  G rebe nni ko v,  Close d   J oi nt-S toc k   C ompa ny  S c i e nt ifi c -Tec hn i c a l  Ce n ter   P R IV O D -N ,    K r ivos h l y k ova   4 A ,   N ovoc he rkass k ,  Ros t o v  re g io n,  Russia , P ost a l  code :   3 4 642 8.    Em ail:   g r e b en ni kov nv@ mai l .ru       1.   I N TR OD U C TI O N   The   c onc e p t  o f   h i gh-s p ee d   l a nd   t ra n s por t   deve l opm en t  p r ov ides   f o r  t h e  a b s e n c e   o f   “ w h e e l - r a i l ”   con t ac t   sys t e m .  Instead,   va rio u s  ve hi c l e   l e v i t a tio n  sy ste m s  are   p ropos ed :  a i r  be ar i n g  sus p en sion  [1] ,   elec tr oma gne t i c   l e v i t a ti on  [2 ]- [4]  or  e le ctrod y n am ic  l e v ita ti on   [ 5].   Th e  prese n t   pa pe r  show s  t h e   hy br id   elec tr oma gne t i c   suspe n s i o n   [ 6],   w h er e  the   levi t a t i o n   f orce   i s  g e n erat e d   b y   p e rma n ent   mag n e ts,  wh e r ea s  t h e  elec tr oma gne t  is  u se d  t o   r eg u l ate   the   a i r  ga p   [7] .   A t  lea s t  f o u r  hy bri d   l ev i t at ion   m o d u l es   a r e   i ns ta l l e d   a t  th e   veh i c l e.   T he y  con s ist  of  U - s ha pe d  e l ec tro m a gnet s   e q u i p p e d   w ith  per m a n en t  ma gne ts  a t   the  e nd  o f   e ac h .   T he   bl oc k  d i a g ra m  of  t he   h y b ri d  ele c tr oma gne t i c  susp ens i on  a r e  show n  i n   F i gure  1.  T he  w i n d i ng s  o f   U - s haped   elec tr oma gne t a r e  pow ere d  by U Z  conve rter .     O n e   o f   t he  p r o b l em s  for   h i gh-s p e e d   vac u um  t ra nsp o r t   ( HS V T )   movi ng  i n   v acu um   c o n d i tio ns   (disc h ar ge d e n vi r onme n t) is t h e rem oval o f  he a t e n e r g y  lo s ses.  The hy bri d  e l e c t rom a g n e tic sus pe n s i on a llow s   a l lo ws  u s  to   r ed u ce  t h e  e n e r gy   c o n s u mpti o n   n eed ed   f o r   l ev i t a ti o n   force   ge ner a t i o n   a nd,   a s  a  re sul t ,  t o   r e duc e   the   hea t   l o s se s  a m oun t.  A n o t h er   p r oble m   i s  tha t   t he  h y b ri d  elec tr om agne ti c   sus p en si o n   i s   an  uns ta bl e  system   and  so,   a   quick  r esponse c o n t r o l   s y ste m   i s  requ ire d  t o re gu la te  it.    To  t e s t  t h e  c o n t r o l  m o des,  a   c om pu t e r  m odel  of  a   hybr id  e l e c t ro m a g n e tic  s us pen s i o n  [8]  w i th  a   con t ro l  s y s t em   i s  bui l t ,  w h ic h  ope rate s  ac c o rd in g  to   t he   d a t a   c omi n g  fr om   c urrent   s e n sors  Т А   a nd  air  ga p   sens ors  BZ.  I f   d ev ia ti o n   f r o m   the   set  a i r   ga p   va lue ,   t he  c orre c tive   ac ti o n   s ho u l d  be  i mm edia te ly  e ffe c t e d  b y   app l yi ng  vo l t a g e  to  w i ndi ng s  o f   t he  U -sh a pe d   elec trom agne t .   T he   l ar ge r  t h e  dev i a t io n,  t he  g rea t er  t he   corr ecti v e  effe ct  h as  t o  be .  The   m o st  h i gh- qua l i t y   c o n t ro l  has  be e n   p rove d  b y   t he  s ys tem   ha vi n g   a n   in t e rm edia te  li n k   form i n g a   q u ad rat i c   d ep end e n c e  [9 ] o f   t he  a i r  ga p  varia tio n, w h i c h  is the   i n p u t  s igna l for t h e  P I D   contro l l e r   o f  t h e  cur r en t  val u e  i n   t he   w i n d i ng s  of  a   U - s ha p e d  e l e c t r o m a g n e t .  T h e   a i r  g a p  c o n t r o l  s y s t e m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst     I S S N :   2088- 86 94       H y brid elec t r o m ag net i c suspe n sio n  for  hi g h -spee d   v a cu um   tr ans p o r t  (Nik o l ay   G r ebe nni k o v)  75 is  b ase d   o n  t h e  “ z e r o  pow er ”  pr i n c i p l e   [1 0 ]   i n  the  nom i n a t e  o p e r a t i o n  m o d e  [ 1 1 ] .   T h e  a i r  g a p  v a l u e   v a r i e s   depe n d i n g on t h e ex terna l  l oa d  i n  the   w a y   t h a t the   a v era g e c u rr e n t   va l u e o f  the   c ontro l e l ec t r oma gne t te nds t o  ze ro.  Thi s   a ppr oa ch a ll ow s  minimiz i ng  the   e n e r g y  c onsum p tio n  fo r  t h e  levitation  force  generati on.             F i gure   1.  B loc k  dia gra m   o f a   hy bri d  e lec t ro m a gne tic  s us p e ns i o n       2.   DYNA M I C M O DES  SIM U LATIO N   I n   o rde r   t o  sim u la te the dyna mic   con d i t i o n s   o ccur r i ng  in  t he   h y brid  e lec t rom a gne t i c   s u s p en sio n ,   it  is  wo rt h w hil e   a pp l y i n g   th e   p r i n c i pl e s   o f  th e   co mp ut er  m o d e l i ng   d e s i gn  de sc ribe d  in  [ 12] ,   [13] .  The  m odel  i s   base d  on   t he   d iffere n t ia l   e qua t i o n s   sy ste m   d e s cri b i n g  the   e l e c t ri cal   a nd   m e c ha n i c a l  pr ocesses   w i t h i n     the s y stem .    EM P M 2 EM P M z 2 d( i , z ) d ( z ) vR i w , dt dt dz mF ( i , z ) F ( z ) m g f . dt     ( 1 )     wher e  i   i s  t h e  curr ent  in   t he   w i n d i n g ,  z  i s   t h e   a i r   g a p ,   w   i s  the   num ber  o f   w i n d i ng  turns,   EM   i s  t h e   fl ux  lin ka ge   o f  the   w i n d i n g,  PM   i s  th e  ma gne tic  f l u x  o f   t he  p er ma nen t   m a gne t,  g i s   t he  g ra v i t y   a cc eler at i o n,   m   i s   t h e   l e v it at ion   obj e c t   mas s ,  R   i s  th e   co pp er  r e s i s t a n c e,  v   i s  t h e   w i nd i ng  p o w e r  supp ly  v ol tage,   EM F  i s   t h e   elec tr oma gne t i c   force ,   PM F   i s  the pe rm anen t  magne t for ce,   z f  is the  pert urbi n g  f orce .  The   nec e s s ary  in form ation  fo r  t h e   com p uter   m ode lin g  i s   t he  r esu l t s  o f   e lectr o m a gne tic   c a l c u l a t i o n   (depe nde nc y o f   f l u x   l i nk a g e  EM (i , z ) ,  elec troma g net i c  f o rce   EM F( i , z )   a s  t h e   fu nc t i o n   o f   cu r r ent  an d  a i r  ga p,  grav ita t i o n   f orce   o f  t h e  pe rma n en t  m a g n et  a s  the  a i r   ga p  func t i on   PM F( z ) )  perfo rm ed  by  me an s  of  t he  f in ite   elem en ts  m et h o d   ( F EМM).  The  ca lc ula tio n  by  FE M M   i s  run  for  t h e   m o d u le   o f  the   hy bri d   e l e c t ro m a gnet i c   suspens i on,   that   i s  we   c onsider  together  t he   a ssem b ly  o f  a  U-sh ap ed   e l e c t ro magn e t   a nd   p e r man e nt   m ag n e t s .  A s   a   c alcu la ti on  re s u lt,   w e   i n s t a n tly  o b t a i n   the  le v ita t i o n   f o r ce  de pe nde nce   o f   t he  h yb rid  e l ec t r op e r m a nent   ma gnet  mo du l e   EPM F( i , z )   a s  the  fu nc t i on  of  c urr e n t   a nd  a i r  gap.  T h i s  approac h   m a k e s   i t   p oss i b l e  to  s im pli f y   the s y stem  (1)  a nd de scr i be  i t  in t he  f ol low i n g   w ay:     EP M 2 EP M z 2 d( i , z ) vR i , dt dz mF ( i , z ) m g f . dt    ( 2 )     I n   o rder  t o  d o   r e s ear ch,  the   com p u t e r   m ode l  of  t he   h y b ri d  elec t r o m a gne ti c   suspe n s i o n   i s   deve lo pe d  by MA T L A B / S imuli n k softw a r e  pa c ka ge a n d  show n i n  F ig ure  2.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94    I nt  J  P ow   E l e c  &  Dr i  S y st,   Vol.   10,   N o.   1 ,  Mar c h  2 0 1 9   :     74  –  82   76     F i gur e  2.   B l o c k   d i a gr am   o f   a  hy br i d   e l e c t r o m a gnet i c  su s p e n sio n       Th e   c o mp ut e r   m o d e l  con s i s t s   o f  t h e  fo llo w i ng   c o m pone n t s:   t h e   u n i t   f or   s olu t i o n  of  e lec t r i ca l  pr o c esses   eq u a ti o n s  –  E l ec tr i c ;  the   un it   f or   s o l uti on  of   m ec han i c a l   p ro c e sses   eq u a ti on s  –   M ech an i c   a nd   cont r o l   system  unit –  Control S y st em .    2. 1.   E l ect ric  un i t   The  Elec tric  u n i t   is  s how n   in  F ig ure  3  is  d e s igne d   for  sol u ti o n   o f   di ffe r e n t ial  e qua t i o n s  of     el ec t r i c al  p ro c e sse s.           F i gur e  3.   E lec t r i c  un it  str u ct u r e       T h e   ma in   e l e me n t   i s   a   T abl e C u rre nt   u ni t ,   w hic h   c o n ta in s  t h e  ta bu lar   da t a   o f  t h e  e l e c tr om ag net   w i n d i n gs  c ur r e nt   d e p e nde nc e   a s   a   f u n ct i on  of  a ir   g a p   a nd   f l u x  l in ka g e   (, ) if z .   This  d e p e nde nc e  is   ob ta ine d   by  pr oce s s i n g   t he  c alcu la t i o n   r esu l t s   o f  t h e  hy br id  e l ec tr om ag n e t i c   suspe n sio n   3 D   mo del  a n d,   a s  a   r e sult,   w e  ge t  the   fol l o wing  d e pen d e n c e :   (, ) fi z .  Rs   e l e ment   t a k es  i nt o   a c c oun t   t h e  vo l t a g e   d ecre a s e   a t  the  c o p p e r   r e s i s ta nce   o f   e lec t r o ma gne t  w i n d i ngs.   T h e  c o ntr o l  of   v ol ta ge  s up p l y  t o   e lec t r o ma gne t  w i n d i ngs  i s   pe r f or m e d  by  Sw it c h   u n i t .   T o  kee p   t he  s e t   c ur r e nt  v a l ue ,   Relay   u n i t   i s   u se d  w h ic h  ge n e r a tes  the   hy st er e s is   e ffe c t   w he n  c o mm utin g  the   Sw it c h   k e y .   The   a l l o w a ble   am pli t u d e   h y s ter e si s  val u e  is  d e t er m i ne d  by  t h e   c a pab i l ity  o f   the   e l em ent   ba se   o f   sem i c o n duc t o r   de vi c e s   us i n g  i n  t h e   su pp l y in g  s y stem   o f  t h e  h ybr id   e l e c tr om agne t i c   s uspe nsio n.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st    I S S N :  2088- 86 94       H y bri d  e l e c t ro m a g n et ic sus p e n s i o n  f o r hi g h - s pee d   vac u um  tr ansp o r t  ( N ik ol ay  G r ebe n n i kov )   77 The  lower  t h e  hyste res i s  a m p l i t u de ,  t h e  mor e   p rec i se l y   t he  r egu l a t i o n   i s  c a r r i e d  o u t   a n d   t h e  e f f e c t i v e   va lue   of   t he   c ur r e nt  i n  the  e l ec tr oma gne t  w i n d i n gs  i s  de c r ea sed ,   w h e r e a s  t h e   fr e que n c y  o f   s em ico n duc t o r   ke y s   s w i t c hin g   i s   i nc r e a s ed.   T h e  lev i t a ti on   f o r ce  is  de t e r m in e d   b y   the   o b ta i n ed   c ur r e n t   v al ue;   f o r   th is  pur pos e ,   the   Ta b l e Fo rc e   b l o ck   i s  pr ov i d ed,   w h i c h   co n t ai ns  t a b ula r   d a t a   o f   t he   l e v i t a t i o n   f o r c e  de pe nde nce   o f   t he  hy br i d   e l e c t r o m a gnet i c  m o d u le  a s  a  f unc tio n  o f   a ir   g a p   a n d   c ur r e n t  i n   w in din g s   EPM F( i , z )   a s  show n    in  F igu r e  4 .           F i gur e   4.   L evi t a ti o n   f or ce  de p e nde nce  EP M F( i , z )       2 . 2 .   M ech a n ic un it   The  m ech a n i c   u n i t  is   s h o w n   i n   F i gur e  5  is   d e s i g ne d  to   s o l ve   t he   d iffer e nt i a l  e qua t i on s   o f   v e h ic le  ve r t i c al   m o v e m ent.   I n  a d dit i on,   t he r e   i s  a  R e ac ti o n   F or c e   u n i t ,   w hi ch   i s  u s ed  t o   li mit  th e   ob j ect  m ov e m e n t   w i t h i n   t he  p e r m i ssi ble  a i r   gap.   T he   limi t a t ion  occur s   b o t h  fr om   a bove  ( in  c a s e   of   t he  a i r   g ap  d ec r e a s i ng  to   z e r o )   a nd  fr om   b el ow   ( i n   c ase   of  t he  a i r   g a p   i nc r e a s in g  t o   t he   m a xim u m  set  va l u e) .  Usin g  t h is  u n i t  al l o w s   u s   to  r e a c h   t he   p r o t o t ype  s i m i l a r i t y  t o   t he  r e a l  ob je ct  a nd  r e d u c e  t h e  t i m e   n e e d e d   f o r  c o n t r o l     al go r i th ms d e b u ggi ng .            F i gur e   5.   M ec h a nic  u n it  s t r u c t ur e       2 . 3 .     C o nt r o l   s y s t e m  u ni t    The  Co ntr o l  S y st e m   u n i t   i s   s how n  i n   F ig ur e  6  is  d e v el o p ed  i n  ac co rd an ce   w i t h  t h e  hyb rid   e l e c tr om agne t i c   s uspe ns ion  bloc k  d i a g r a m   show n  in  F i g ur e   1,   a nd   i t   con s is t s   o f  th e   c u r r ent  hig h - spe e d   c o n t r o ller   ( P I D   C o n t r o lle r   1)   i n  the   elec tr om agne t   w i nd i n g s   a s  a  func t i o n   o f   the   qua dr at ic   d e v ia tio n  of  t he  a ir   ga p  f r om  t he  s et  v a l ue .   The  s econ d   c o n t r o lle r   (P I D   C on tr o ller   2 )   is  s low e r   and  i t  i s  des i gne d  to  c or r e c t   t he  a ir   ga p  se tt ing  i n   o r d er   t o  m i nimi ze   t he  a ver a ge  c ur r e nt  i n  e l ec t r o m a gne t   w i n d in gs.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94    I nt  J  P ow   E l e c  &  Dr i  S y st,   Vol.   10,   N o.   1 ,  Mar c h  2 0 1 9   :     74  –  82   78     F i gur e  6.   S t r uctur e   o f  the   C o n t r o l  S y stem   uni t       3.   RESU L T S  A ND ANALY S IS  3. 1.   Var i at ion   in  v er tica l lo ad  A t  t h e  f i r s t  s t a g e  o f   t h e   r e s e a r c h ,   t h e   s y s t e m  s t a b i l i t y  h a s  b e en  s im ula t e d   w he n  a  s h ar p  c h an g i n g   o f  the  ver t ica l   l oa d  ( s he dd i ng/r i s e ) .   T r a nsie nt  p r o ce sses  ar e  in ve s t i g a t ed  w he n  the r e  i s   a n  a b r upt  c han g e  of   t he  ve r t i c al   l oa d  d u e to   t he   m a ss  cha n g i n g  b y  5 0   %   p e r  one   h y b r i d l ev i t a t ion   modu le.   A t   t he   t im e  t =   5  s,   t h e   l oad   is  d ec r e a s e d .   A t   t he  tim e  t  =  10  s,   t he  l oad  is  i n c r e ased.   Fig u r e  7  s h o w s  o s c i l l o g r a m s   o f  t h e  l e v i t a t i o n   f o r c e ,   a i r   gap,   c ur r e nt  i n  the  c o n t r o l   w i n d in g,   a n d   p ow er   c onsum p tio n  d u r i ng  the   t r a n sie n t   pr oce s s.              (a)  (b )    F i gur e   7.   ( a)   O sc ill o g r a m s   o f   the  pr oce s se s  w h en  t he  w or k   load  i s  d ec re a s ed  b y   5 0  %   a n d     ( b )   in c r e a sed  by  50  %        B a se d  o n   t he   c om pu ter  sim u la t i o n   r esu l t s ,   it  is  o bv iou s   t ha t  th e   pr op ose d   s ys tem   o f   t he  h ybr id  e l e c tr om agne t i c   s us pens i o n  a n d   t h e  de ve lope d  c o n t r o l  s y s t e m   s uc c eed   i n  wor k i n g   o u t  in  t ime   t h e   loa d   c h an g i n g   w h i c h   f a lls  a t   t h e  le vi ta ti o n   m od ul e .   I t  ne e d s  2. 5  s  t o  st a b il ize   t h e  tran sie n t  pr o c ess  a f t e r  the   dr am ati c   l oad  chan g i n g .   Th e   gr eates t  e n er g y   c ons ump t i o n   occ u r s   a t   t h e   t i m e  o f   a   s udde n   l o a d   c h a n g e .  Th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st    I S S N :  2088- 86 94       H y bri d  e l e c t ro m a g n et ic sus p e n s i o n  f o r hi g h - s pee d   vac u um  tr ansp o r t  ( N ik ol ay  G r ebe n n i kov )   79 pe ak  p ower  e xpe n d ed  o n  st abi l i za ti o n   i nc rea s e s   w i t h  t h e  i n c r ea s e  of  t he  m a g n itu de   o f  t h e  abr u p t   l oa d   c h an g i n g .   T he   e ner g y  cons umpt i on  w h e n   t he   l oa d  r i s i ng  is  h i g h e r   t ha n  w h e n   t he  l oa d   she d d i ng.     3 . 2 .   M o v e ment  w ith  a c co u n t   o f   t h e   t ra ck  st r ucture   p er t u rb a t io n s  T h e   se con d   s ta g e   o f  th e   re searc h   i s  t h e  si m u l a ti on   o f   t h e  l e vit a tio n  pr oc ess  in  t he  m o v e m e nt  w i t h  a ccou n t   o f   t h e  tr ac k s t r u c t ur e   per t ur bat i on s.  The  l ev i t a t ion  si m u lat i on  i n  m ovem e nt  h a s   b ee n  per f or m e d  u nde r   di ffere n t   lo ads  pe r  one  m o d u l e .  This  a rt icle dem on stra te s  t h e  s imu l a t io n  r e su lt s for  a  ful l   loa d   o f  1 50  k g   p e r  a   m odu le  w he n  s i mula ti ng  t h e  t r ac k  str u ct ur e   per t ur bat i on s.    The  tra c k   i rr eg ular it ies  due  t o   the  t r ack  “ sag g i n g”  a t   the   su pp or ti ng  po les   a r e  ta ken  e q u a l  to  4   mm  pe r   3 0   m e t er s  of  t he  t r a c k .   The   i n i tia l  a i r   gap  is  2 2  mm .   D u r i n g  t h e   f i r s t   tw o  sec o nds,   th e   ve hic l e  star ts   c l im b i n g   a nd  the   r a ted  w o r k ing  gap  i s   s et,   a t w h ic h t h e  ave r age   c ur r e nt va l ue   t en ds  t o  zer o.   A t the  tim e  of 2  s ,   the   H S V T   s ta r t s  a cce l e r a t i n g .   F o r   sim u la t i o n   o f  the   hybr id  e le c tr om agn e tic   s u s pe nsi o n,   t he  a c c e l e r ati o n  is   take n   t o   b e   2. 5  m/s 2 .   I t   i s  a s sum e d   t h a t   t h e   s us pe ns io n  r a ils  o f  30  m  lo ng  a r e   sa gg ed   b y   4   mm,   w h i c h  i s   r e pr e s e n te d  b y   a   s in us oida l  si gna l  ( R a i l   a lter a ti o n )   w i t h   a m p l i tu de  o f  2  m m .   The  al ter n a t i n g  fr e q ue ncy  of  t he   a i r   ga p   gr ow s  p r o por t i ona ll y  to  s pe ed.     F i gur e   8  s h ow   t he   r es ul t s   o f  t h e  com p u t e r   m ode lin g.   O sc i l l ogr am s  ar e   de vel o ped  w ith  v isua l  a i d s   o f   MA TLA B  s o f t w a r e   p a c ka ge .   T h e  fo l l ow i n g  os ci llo gr a m s  a r e  pr ese n t e d   i n   Figu re  8   (fro m  th e  to p  to   t h e   bo t t om) :   a.   osc i l l ogr am   o f   the  spe e d  cha n ge   ( S p eed) ;   b.   osc i l l ogr am   o f   the  sin u s o i d a l   s i gna l  ( Rai l  a l t e r a ti on) ,   w h ich   s im ul a t es  t he  t r ack  s t r uct u r e   s agg i ng ;  c.   osc i l l ogr am   o f   the  l e v ita ti on  f o r c e   cha n ge  ( Levi ta t i o n   f or c e ) ;   d.   osc i l l ogr am   o f   the  air   ga p  c h a nge  ( A i r   ga p) ;   e.   osc i l l ogr am   o f   the  ve h i c l e  ver tica l l y   pos i tio n   (V ehic le   Z - p o s i t io n);   f.   osc i l l ogr am   o f   the  cur r e n t   c ha nge  i n  the   co nt r o l  w i n d i n g s  o f   t h e  m a gne t i c   s u sp ens i on  s y st e m   ( Cur r e nt) ;     g.   osc i l l ogr am   o f   the  p o w e r   cons umpt i on  c h an g e   ( P o w e r ) .   The  gi ve n  a b o v e  o s ci l l o g r a m s   d em o n s t r a te  t he   tim e  pe r i o d   o f  0  t o  2  s,   w hic h   c or r e spon ds  w it h  th e   time   o f   s y s tem   t r ans iti on  to  t he  l e v ita t i o n   m ode.   The  t i m e   p er i od  of   2   t o  12 0  s  cor r e sp o n d s   w it h  the  ti me   o f  v e hi c l e ac c e l e rat i on  wi t h   th e c o nstant accelerat i o n   of а = 2 ,5   m/s 2 .             (a)   (b )    F i g u r e   8 . Osc i l lo gra m   o f the  p r oce s se s oc currin g  i n  t h e   tra c tio n  le v i t a ti on  sys t em   w he n  a cce ler a tio n  w i t h   ac cou n t  of  the   tra c k struc t ur e irr e gu lari tie s ( a )  and e n large d   fr a g me nt  ( b)       Whe n   t he  v e h i c le  c lim bs,   the   c o n s um ed   pow e r   o f   o n e   h y b r i d  ele c t r o ma gne t  is  1 60 0  W  ( n o t   in d i cat e d   i n  F i g u r e   8 ,   w h e r ea s  w h en   m o v i ng,   t he  pow e r   r e a c h es  a p p r oxim a te l y   5 0  W  per   o n e  hy br i d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94    I nt  J  P ow   E l e c  &  Dr i  S y st,   Vol.   10,   N o.   1 ,  Mar c h  2 0 1 9   :     74  –  82   80 e l e c tr om agne t.   T he  v e h icle  posi t i on  in  s pa ce   a lo n g   z - a xi s  is  p r a c t i ca ll y  unc ha nge d   w h ic h  cause d  by  the   sy st e m   i n e r t n e ss  a n d   g a p   sign a l   f i l t e ring   i n  t h e  cont ro l   sy st e m   w i t h   t h e  v a ri ab l e   f re qu en cy   d e p e ndi n g   on   spee d.   F i g ur e  8  s h ow   t ha t  t h e   air   gap   s i ze   c han g e s   i n  t h e   sa me   w a y   a s  t h e  r a i l s  d e v i a t i o n .   A s  t h e   s p e e d   incr ease s ,  the  air  ga p  va l u e  alm o s t   c han g es  i n  ac c o rdan c e   w it h  the   give n  exter n a l   i n t er fe r e nce s .   A t   t he   s am e  time ,   t he  v e r tic al  pos iti o n   o f   th e  H S V T   i s  pr a c t i cal l y   unc han g e d   (no   pou ndi ng   o f   HS VT)  a n d   t h e   HS V T   di sp lace me n t   a mpli tude   ( w i t h ou t  sh oc k- abs o r b e r s  a nd  v i br a tio n  d am pers)   i n   s pace   a t  t h e  spee d  of  1 0 0 0   k m/ h   is 0 . 0 6   mm .      3 . 3 .   M o v e ment  o n a  steep   t ra c k   g ra d i ent  The  thir d  rese arc h   s tage  i s  to  s i m u l at e  t h e   lev ita t i o n   p ro ce ss  i n   t he  m o v em ent  wi t h   a ccou n t   o f  th e   stee p  tr ac k  s t r u ct ur e   pe r t ur b a ti o n s.   T he   s i m ulat i on  of  t h e   t r a n sie n t   pr o c e s s,   w hic h   o c c u r s   w he n  g o i ng  fr om   t h e   h o r i z o n t a l  t r a c k  s e c t i o n  t o   t h e   r i s e   w i t h  s p e c i f i e d  s l o p e  a nd  f u r t he r   move me nt  a lo ng   t he  s lo pe,   is   pe r f or m e d  a t   t he  l in e a r   spee d   o f   t he   H S V T  equa l e d  to  2 78   m /s  a n d  t h e   ste e p  tr ac k  gr a d i e nt  e qua le d  t o   40  ‰.   F i g u r e   9   s h o w s   t he  o sc ill ogr a m s  of   t he  m ov e m e n t   on  a   ste e p  tr ac k  gr a d i e nt .             F i gure  9. O sc illo gra m   o f the   p r oc esses oc curr i n g  in  t he l ev i t a t i o n  sys t e m   w hen  move me nt    on  a   stee p  tr ac k  gr a d i e n t       I t   f o l low s   f r o m  the   osc i l l o gr am s  that  i n  a   ti m e   i nt e r va l  fr om   5   s   t o  12  s,   t her e   i s  a  smoo th  t r a ns i t i o n   fro m  a  ho rizon t a l   t rack   s ectio n   to   t h e   s tee p   t r a ck   g rad i e n t   of   4 0   ‰ ;  t h e  l e n g t h  of   t he  t r a ns iti on  s ecti o n  i s   33 3 6   m .   The r e  has  bee n   t he  f l u c t ua t i n g   c ha nge  o f  t h e  air   gap  va l u e  w i th  t he  d e v iat i on  a m pli t u d e   o f  20  %   r e lat i ve l y   t he   m e a n  va l u e  a n d  t h e   fr e q ue nc y  of   a b o u t  1 0   H z.   T hi s  flu c tu atin g  n a tu re  o f  th e  air  g a p  v a lu e  c h an ge  o c c u r s   due  t o  t h e  tr ac k  i r r e gu lar i t i es .   T h e   pr ese n ce  of   the   t r ans i t i on  sec t i o n  an d   the  m ovem e n t   a t  the   stee p  tr a c k  gr a d i e n t   o f  4 0   ‰   do  no t  pr ac t i c a lly  e f f e c t   o n  t h e  o v e r a ll   p i c t u r e   o f   t h e  p r oc esses   wi th out   a c c o unt  of   t r a c k   i r r e gul a r it i e s.   T he   p ea k  p o w e r   c onsum p t i o n  is   obse r ved   a t  the  be gi nni n g   a nd  e n d i n g   o f   the     tr a n sit i on  sec t i on.     A c c o r d i n g  t o   t he  m ode lin g  te st  r esu l t s ,   t h e   p o w e r   r e qui r e d  for   le v ita t i on  k e e p i ng  i n   s t e a d y  mode s  is  40  W  pe r   o n e   m od u l e   ( f u l l   l oa d  of   1 50   k g   per   a   mo du le)   w h e n   s te ep  m o v in g  w i t h   acc ou nt  o f  tr a c k  ir r e gu lar i tie s.   T he  s pec i f i c   e n er g y   c ons umpt i o n   ne e d e d   f or   l e v i ta t i o n   i s   0. 2 7   W /k g.   T he   c a l cu la t i o n   r esul ts   pe r f or m e d  f o r   e l e c tr od y n am i c   s uspe ns i o n  i s   g i v en  i n  [ 1 4] ,   w h ic h   s h o w s   t hat  the  s p ec i f i c   e ner gy  c ons u m pt i o n  ne ede d   f or   l e v i t at ion  i s   96. 8  W/ k g .   Thu s ,   t h e   r e se ar c h   c a r ried  o u t  has  pr o v ed  t he  a p p l i c a b il it y  of  t he  h ybr id   e l e c tr om agne t i c   s uspe nsio n  f o r   l e v i ta t i o n   g e n er a tio n  i n   h ig h- sp eed  v ac uum v e h i c les .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst     I S S N :   2088- 86 94       H y brid elec t r o m ag net i c suspe n sio n  for  hi g h -spee d   v a cu um   tr ans p o r t  (Nik o l ay   G r ebe nni k o v)  81 4.   CONCL U S ION  The   ar tic l e   h a s   b e e n   r ev iew e d   th e   h ybr id   e l e ctr o m a gne t i c   s us pe n si o n   d es ig ne d  f o r  a   h i gh- sp e e d   veh i c l e.   T he  j o i n t   a p p lic at i o n  of  a n  e l e c t rom a gne t  an d  per m a n en t  m a g n e t s  for   le vi tat i o n  a l l o w s   u s  to  a c h ie ve   the   si g n i f ican t  r e duc ti o n   o f  th e   ene r g y   c onsum pt ion   t o   e ns ure   t h e   v ehi c l e   l ev it at ion .   T h e   l ev it at ion   fo rce   i s   gene ra ted  b y  p er ma n e nt m agnet s  w hi le  t he  e l e ctr o m a gne t  con t ro ls   t he air gap .     A c cordi n g  to  s i m ula t i on  re s u lts  o f  the trac ti o n   l e v i t a t i on  sys t em   o f  t h e  h i gh -speed vac u u m   t r ans por t,   w e   c a n  m ake  th e   fo llow i n g  c o n c l us io ns :     a.   The  co nfirm a ti on o f   t h e  “ ze r o  pow er ”  algori t hm  e ffic i e n cy i n th e  l e vit a ti o n  m o d e   h a s  b e e n  o bt ai n e d;   b.   The  le v ita t i on  a i r   ga p  va l u e  d e pen d s  o n   t he   v ert i cal  l oa d  v a lue   a nd  it  i s   r e gula t e d   i n  the   ra nge  f rom   10   t o   16 m m ;   c.   The  am plit u d e  curre nt va l u e   o f the   h y b rid e l e c trom ag net i c  susp e n s io n   is 5  a ;  d.   The  m a ximum   curr ent  va lue  in  t he  c o n tro l   w in din g s  o f   t h e   l e v ita tio n  mod u l es  d oes  n o t   e xc ee d  1 2   a .   This  cur r ent is ne e d ed  f or  a  shor t   ti m e   onl y  d u ri n g   t ransie nt m o d e s;   e.   In  s te ad y lev i ta ti o n  sta tes t h e  curr ent va l u e   i n  the  c o n t ro l w i n d i ngs  o f the  l e vi t a tio n  mod u l es te nds  t o  ze ro;   f.   The  m a x i ma l   ele c tr ic  l o sse s  in  t he  l e v ita t i o n   e le c t rom a g n e tic  m odu l e s  (f ull   lo ad   o f   150   k g )   o f   t r ac ti on  lev i t a tio n  sys t e m  in  t h e   stea dy   s t a t e  d o  not  e x c e e d  4 0   w ;   g.   A t   t he  s e c t i o n   of  40  ‰  s l o p e ,   t he   p ow er   r e quir e d  b y   t he  l evi t a t io n  s y st e m   w he n  m ovi ng  a t   t he  s l o pe   i s  alm o st  e qua l  to  t he  pow er  c ons um ed  b y  t h e  le v i ta t i o n   s y s tem   a t   the  hor izo n ta l  sec t io n  w ith  a c c o u n t   o f  trac k struc t ure   per t ur bat i on s.      ACKNOW LEDG E MEN T S  The   w o rk  h a s   b ee n  de vel o p e d  w i t h   s u ppo r t   o f  R u ss ian   M i n i stry  o f   E duca tio n   an d  S c ienc e.   T he   un ique  i de n t i f i e r  of the  app l i e d  r esea rch  i s   R F M EF I579 16 X 0 1 32.       REFE RENCES   [1]   Hyperloop A l pha. [Onli ne ] .   A va ilable: http://w ww.s p acex.com /sit es/sp acex/fi l es/h yp e r l o o p _ a lph a -20 1 3 081 2.p d f  [2]   Th e  w e bsite  o f   th e  E v acuat ed  T u b e  T r ans p o r t  Techn o l ogy.   [ Onlin e ].  A v a i l able:  ht tp: //et3.eu/et 3-onli n e- edu catio n. html    [3]   Ki reev  A . V .,  K o zh em yaka  N .M .,  “ K ono no v  G.N.  P o t en ti al  D ev elo p m e nt   o f   Vehicle  Tract ion  Levit a tion  Sys t ems   with   M agn e ti c  S u sp ensi on,”  I n te r n at io na l J o u r na l o f  P o w e r  E l ectro n i cs an d  Drive Syst ems  ( I JPEDS) ;  6(1):   2 6 -3 1, 2 01 5.   [4]   A.V.  K ireev ,  G.N.  K o non ov ,  A . V .   L eb edev,   “ S tartin g  O p erati n g   M o de  o f   the  Combined  T r action  Levitation  S y s t e m   o f   th e  Veh i cl e  Eq ui pp e d   w it h  M a g n eti c   S us pen s i o n , ”  In te rna tio na l J o urna l o f  Po we r  E l e c t ron i c s  an d Driv e   S y ste m s (I J P ED S) ;  8 ( 1):   17 6-183,   2 0 1 7 .   [5]   Th e  web s i t e  of Hy p erlo op   O n e . [O n li ne].   A va i l a b le:   h ttp s: // hyp e rlo o p - one. c om/b lo g/ how -and -wh y -were-lev i t a ti n g     [6]   Jeo n g - Mi n  Jo,   Yo ung -Jae  Han ,   C h a ng -You ng   L ee,   “ D e si gn   o f  t h e  M i niatu r e  M a g l ev   u si ng  Hybri d   M agn e ts  i n   Magnetic  L evitat i on  S y s te m,”  In tern atio nal Jo urn a l  of   M a th e m atica l ,  Co mp u t a t i o n a l ,  Ph ysi c al,  El ectri cal  a n d  Com put er Engineeri n g ;   6 ( 2 ) :  195-19 8,   201 2.    [7]   Je on g-M i n   Jo  e t.  a l.,  “ D e si gn   an d con t r o l of   t h e minia t ure mag l ev us i n g  el ectro ma gn ets  an d  per m an ent  m agn ets  in   magnetic levit a ti on syst em ,”   C o n t r ol  A utom a t io n   an d  S y st ems  (ICCAS ) .  20 10.    [8]   Greb enni ko v  N.   a nd   K i r eev  A . ,   “ Electro m a gn etic  S usp e ns ion   us ed  f o r  Hi gh -S p eed  V acuum   T rans po rt,”   Int e rnat i o na l  Jo urnal of App lied Engineeri ng  Research ;  12(1 2 ):  3 2 9 3 - 329 7,   2 0 17.   [9]   Greb enni ko v  N. ,  Ki reev  A .   an d  Leb e dev   A. ,   “ C o n tro l   S y s te m   Desig ned   fo r  El ectrom a g n etic  S uspen s io n  o f   H ig h - S p eed  Vacu um  Tran s p o rtatio n , ”   Inter nati o n a l Jou r na l  of  Appli e d Eng i n eerin g  Resea r ch ,   1 2(16 ):  548 5-5 487 ,   2 01 7.  [10]   Ye ou -Kua n g   T ze n g , T.C.  Wa n g ,   “Opt im a l   d e s ig n  o f   t he   e le c t roma g n e t i c  l e v i t a t i o n   w i t h  p e r m a n e n t  a n d  e l e c t r o   m a gn ets, ” IE E E  T r an sactio ns  on  M a g n e tics ,   30(6): 4731-4733, 19 9 4.  [11]   Orl a ndo   H om en  d e  M e ll o,   I saias   d a   S i l va,   F e rnan do   A nto n i o   C a m ar g o ,   Jo sé  R ober t o  Card os o,   O s w al do  Ho rik a wa,  “ Zero  power contr o l e   i n  the si n g le  axi s  cont ro lled ma gnet i c bea r in g , ”   A BCM   Sym p osium   S e ries   i n  Mech atro ni c s ,  5:   3 9 - 48,   2 012.  [12]   Ni kolay  G reb e nn ik ov,   A lex a nder  Ki reev  a nd   G ennad y   K o n o n o v ,   “ C o m p u ter  m o d e li ng   o f   co m b in ed  t ract ion   lev i t a tio n   s y s t e m   eq ui pped   w i t h   l i n ear  swit c hed  relu ctan ce  m o to rs , ”   J o urn a l  o f  E n gine e r in g   an d  Ap p lie d Sc ie nc e s ,  10 (8-1 2):  247 -2 5 1 ,   201 5.   [13]   Ni kolay  G reb e nni ko v,  A l e xan d er  K ireev ,   Nikolay   K ozhem y aka,   “ M a t hem a tical   M od el  o f  Lin ear  S witch e d  Relu ctance  M o tor  w i t h   M utual   Ind u ct a n ce  Con s id erati on,”  Int e rna t i o n a l  Jour na l o f  Po wer E l ectr o n i cs  and  Drive  S y ste m s (I J P ED S) ;  6 ( 1):   26 -31,  20 1 5 .   [14]   M i ch ae l   F l ank l ,  To bi as  W e l l e rdieck,  Ard a   T üys üz,   J ohan n   W .  Kola r,  “ S cali n g   l a w s   f or  e lect rody nam i c  s u sp ensio n   i n   h ig h- s p e e d  tr a n s p o r ta t i on ,”   I E T  E l ect r i c Power App licat ions , 1 2 ( 3): pp . 35 7 – 3 6 4 , 2 01 8.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94    I nt  J  P ow   E l e c  &  Dr i  S y st,   Vol.   10,   N o.   1 ,  Mar c h  2 0 1 9   :     74  –  82   82 BIOGRAPHI E S  OF  AUT HORS    Ni ko l a y  Greb e n ni ko v  recei ved   the  s p eci alt y   o f   a   railw ay  e ng inee r  and   P h . D .  in   f ie l d   o f  techn i cal  sci e nces  a t   t h e  Ro sto v   S tate  T rans po rt U ni versity ,   R u ssia,  i n   2 00 9  and  20 12,   r esp ectiv e l y .   At   p resent  h e  is  a n   assi st ant  p r of es so r  of  t he  L o c om o t i v e  and   L oco m oti v e  F a c ilit i es,   Ro st ov   S t ate  Tran sp ort  Un iv ersit y ,   Russi a .  H e   a l s o  wo rk s   i n   t he  c lo sed   j oin t -s tock   c o m pa ny   « S c ientif i c - Techn i cal   C ent e r  « P RIV O D-N» ,   N o v o ch e r k a ss k,  R u s s i a.  H is   c urren t   r es ea rch   in teres t s  in c l ud e  m odelin g  an d  tes t i ng  o f   e lect rical   s ystem s .   He  i s   th e  auth or  o f   m o r e  th an  30  arti c l es  a n d   5   inventions.         Al exand e r  Kireev   w as  b orn  i n   R u s s i a   in  197 4.  H e  received   the  P h .D .   d e gree  i n   t h e   a rea  of  electri cal m ach in es f ro m  S outh-Ru ss ian  Stat e Tech ni c a l   Univ ersi t y ,  R u s s i a ,  i n   2 0 0 4.   At   p resen t   h e  is  a   g eneral   m an a g er  o f   cl os ed  j oin t -sto ck  c om p a n y   « S cien tif i c-Tech ni cal  C ent e r  «PRI VO D- N»,  N ovocherkassk,  Rus s i a .  He  a ls o  w o rks  assistant  prof ess o r  o f   t he  E l ectri c  p o w e r  su ppl y   and  electri c  dri v e,   S outh- Ru ss ian Stat e Tech nical  Univ e r si t y ,  R u s s i a .  Hi s  cu rrent   r esearch   i nt ere s ts:  elect rical  m achi n es,   f r equ e ncy   co n v ert e rs  a nd  con t ro l  systems .   H e   is the au t h o r o f   m ore than  60   a r ticl e s and   15  in v en t i on s.       Ni ko l a y  Kozh em yak a   w as   b o r n   i n   R ussia  in  1980 .   He  f in ish e d  S out h-Ru ss ian  State  Techn i cal  Un iversit y   ( N P I),  on   " El ectrical   t rans po rt"  s p ecial ty ,  Russia  i n   2 0 0 2 .  He  r ece i v ed   P h D   d egree  in   Techn i cal  S ciences f rom   S o u t h-Ru ss ian Stat e Tech nical  Univ e rsit y,  Ru s s i a ,  in   20 07 .  At   p resent   h e  is   a   t echni cal  d i r ecto r   o f   cl os ed  j oin t -stock   c om pan y   « S c i e ntif ic-T e c hn ical  C ent e r  « P RIVO D-N» ,  Nov o ch erkass k,   R us si a.  H is  m ain  sci e ntific  i n t erest s   a r e   re l a te d  to   p o w e r   con v erto rs  f o r   e l e ct rical   d ri ve,  electri cal  t racti o n   sy st e m s,  a nd  electri cal  v ehi c les .   H e  is   t h e   aut hor  o f   m o re   t h a n  1 5   a rt ic l e s  a n d  5   in ven t i ons .          Gen n ady   Ko no no v  w a s  b o rn  i n  Ru ss ia  i n  1 952.   H e  fin i s h ed   S ou th-R u s s i an   S tate  T echn i cal  Un iversit y   ( N P I),   o n   "Auto m a t ion  an d  Rem o te  C o n t r ol"  s p eci alty,  Rus sia   i n  19 7 9 .     At   p resent  h e  is  a   l eadi ng  speci a l ist  of   c l o se d  join t - s t ock  com pan y   « S c i e ntific-T echni cal  C ent e r  «PRI VO D- N»,  N ovocherkassk,  Rus s i a .  His  main   s cien tific  interest s  are  relat e d  to   M aglev  tran spo r tatio n  s y s t em,   vehi cles   t rac t io n  driv e.   H e   i s   t he  a ut ho r  o f   m o r e  t h an  2 0   a r ti c l es   a nd   7   inventions    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.