Bench testing of hybrid ems prototype

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Aim: To test the levitation performance of a hybrid EMS prototype.

Materials and Methods: a levitation test setup with a 18 mm thick steel rail was constructed on a basis of the certified test bench 1958U-10-1 for measurement in the range up to 100 kN. The attractive force was investigated by varying the air gap size and coil current. Measured data were compared with parametric simulations.

Results: Experimental and numerical results agreed with the accuracy required for practical application.

Conclusions: A prototype of hybrid EMS (HEMS) for maglev transport has been designed, built, and tested at JSC “NIIEFA”. The HEMS concept has an advantage of reduced power loss and low stray field. The bench testing has proved good levitation performance and low power consumption of the proposed design. The measured data were used to check design solutions and verify 3D numerical models of the magnets. The comparison demonstrated a good match between measurements and simulations.

About the authors

Sergey G. Akulitzky

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: akulictkiy@sintez.niiefa.spb.su
ORCID iD: 0000-0001-8659-2243
SPIN-code: 1738-3510
Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Victor M. Amoskov

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: amoskov-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9781-9116
SPIN-code: 2436-3828
Scopus Author ID: 6701846033

PhD in Physics and Mathematics

Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Darya N. Arslanova

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: arslanova-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3791-723X
SPIN-code: 3234-8141
Scopus Author ID: 55314279800

MSc

Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Andrei A. Belov

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: avm@sintez.niiefa.spb.su
ORCID iD: 0000-0001-7040-6741

MSc

Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Vasiliev N. Vyacheslav

Joint Stock Company “NIIEFA”

Author for correspondence.
Email: vvnm@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1218-6274
SPIN-code: 5444-8639
Scopus Author ID: 7005989574
Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Sergey V. Gavrilov

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: gavrilovsv@sintez.niiefa.spb.su
ORCID iD: 0000-0002-8886-6989
Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Valery V. Deomidov

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: deomidov@icloud.com
ORCID iD: 0000-0003-2795-8342

MSc

Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Anatoly A. Zaytzev

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Email: nocpp@pgups.ru
ORCID iD: 0000-0002-1342-8036
SPIN-code: 9477-4316
Scopus Author ID: 57199509604

Doctor of Economic Sciences, Professor, Head of the Scientific and Educational Center for Passenger Transportation

Russian Federation, 190131, St. Petersburg, Moskovsky pr., 9

Marina V. Kaparkova

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: kaparkova-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3489-5581
SPIN-code: 6881-2266
Scopus Author ID: 12445243900
Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Roman V. Korotkov

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: roman.korotkov@sintez.niiefa.spb.su
ORCID iD: 0000-0001-6161-7184
SPIN-code: 6137-1024

MSc

Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Vladimir P. Kukhtin

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: kukhtin-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6925-6141
SPIN-code: 1628-3135
Scopus Author ID: 35353250700

PhD in Physics and Mathematics

Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Alexey N. Labusov

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: labusov@sintez.niiefa.spb.su
ORCID iD: 0000-0003-2264-677X
SPIN-code: 4734-7358

PhD in Physics and Mathematics

Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Evgeny A. Lamzin

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: lamzin-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6072-5711
SPIN-code: 8287-7879
Scopus Author ID: 12756829300

DSc in Physics and Mathematics

Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Mikhail S. Larionov

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: larionov-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8570-7210
Scopus Author ID: 36443801800
Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Nicolai A. Makhankov

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: makhankovna@sintez.niiefa.spb.su
ORCID iD: 0000-0002-9264-0296
SPIN-code: 2463-8007

MSc

Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Andrey N. Nezhentzev

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: nezhentzev-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8724-7211
SPIN-code: 7319-8924
Scopus Author ID: 57201374326
Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Dmitry A. Ovsyannikov

St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design; Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: d-ovs@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4191-8494
SPIN-code: 5657-4707

MSc

Russian Federation, St. Petersburg

Igor Yu. Rodin

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: rodin@sintez.niiefa.spb.su
SPIN-code: 4935-6473
Scopus Author ID: 7005063976

PhD in Physics and Mathematics

Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Sergey E. Sytchevsky

St. Petersburg State University; Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: sytch-sie@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1527-4015
SPIN-code: 3073-0334
Scopus Author ID: 6602159085

DSc in Physics and Mathematics, Full Professor

Russian Federation, St. Petersburg

Maria V. Sukhanova

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: suhanova@sintez.niiefa.spb.su
ORCID iD: 0000-0001-9449-8708
Scopus Author ID: 7003295498

PhD in Engineering

Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Nicolai A. Shatil

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: shatiln@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8529-130X
SPIN-code: 2818-0206
Scopus Author ID: 6507475131

PhD in Engineering

Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Alexander A. Shkulepa

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: shkulepa@sintez.niiefa.spb.su
ORCID iD: 0000-0002-3450-6662
Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

Alexey A. Firsov

Joint Stock Company “NIIEFA”

Email: firsov-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7846-8717
SPIN-code: 7943-4297
Scopus Author ID: 56069602000
Russian Federation, 196641, St. Petersburg, Metallostroy, road to Metallostroy, 3

References

  1. Журавлев Ю.Н. Активные магнитные подшипники. Теория, расчет, применение. СПб.: Политехника, 2003. 206 с. [Zhuravljov JuN. Aktivnye magnitnye podshipniki. Teoriya, raschyot, primenenie. SPb: Politehnika, 2003. 206 s. (In Russ.)]. Ссылка активна на: 27.10.2021. Доступно по: https://www.studmed.ru/zhuravlev-yun-aktivnye-magnitnye-podshipniki-teoriya-raschet-primenenie-2003_ae0c7437419.html
  2. Tzeng YK, Wang TC. Optimal design of the electromagnetic levitation with permanent and electro magnets. IEEE Transaction on Magnetics. 1994;30(6):4731-733. doi: 10.1109/20.334204
  3. Onuki T, Toda Y. Optimal Design of Hybrid Magnet in Maglev System with Both Permanent and Electro Magnets. IEEE Transaction on Magnetics. 1993;29(2):1783-1786. doi: 10.1109/20.250751
  4. Kim K, Han H, Kim C, Yang S. Dynamic Analysis of a Maglev Conveyor Using an EM-PM Hybrid Magnet. Journal of Electrical Engineering and Technology. 2013;8(6):1571-1578. doi: 10.5370/JEET.2013.8.6.1571
  5. Kim C-H, Cho H-W, Lee J-M, et al. Zero-power control of magnetic levitation vehicles with permanent magnets. ICCAS 2010: Proceedings of the International Conference on Control, Automation and Systems; 2010 Oct 27-30; Gyeonggi-do, Korea (South). 2010. p. 732-735. doi: 10.1109/ICCAS.2010.5670118
  6. Safaei F, Suratgar AA, Afshar A, et al. Characteristics Optimization of the Maglev Train Hybrid Suspension System Using Genetic Algorithm. IEEE Transactions on Energy Conversion. 2015;30(3):1163-1170. doi: 10.1109/tec.2014.2388155
  7. Erkan K, Okur B, Koseki T, et al. Experimental evaluation of zero-power levitation control by transfer function approach for a 4-pole hybrid electromagnet. In: Proceeding of the 2011 IEEE International Conference on Mechatronics; 2011 April 13-15; Istanbul, Turkey. 2011. p. 23-28, doi: 10.1109/ICMECH.2011.5971299
  8. Morishita M, Azukizawa T, Kanda S, et al. A new MAGLEV system for magnetically levitated carrier system. IEEE Transactions on Vehicular Technology. 1989;38(4):230-236. doi: 10.1109/25.45486
  9. Wang TC, Tzeng YK. A new electromagnetic levitation system for rapid transit and high speed transportation. IEEE Transactions on Magnetics. 1994;30(6):4734-4736. doi: 10.1109/20.334205
  10. Патент РФ на изобретение № RU2739939/ 30.12.2020. Бюл. № 1. Амосков В.М., Арсланова Д.Н., Белов А.В., Васильев В.Н., Кухтин В.П., Капаркова М.В., Ламзин Е.А., Ларионов М.С., Неженцев А.Н., Родин И.Ю., Сычевский С.Е., Фирсов А.А., Шатиль Н.А. «Гибридный электромагнит для системы маглев». [Pat. RUS № RU2739939/ 30.12.2020. Byul. № 1. Amoskov V.M., Arslanova D.N., Belov A.V., et al. “Gibridnyj jelektromagnit dlya sistemy maglev”. (In Russ.)]. Дата обращения: 27.10.2021. Режим доступа: https://patenton.ru/patent/RU2739939C1
  11. Патент РФ на изобретение № RU2743753/ 25.02.2021. Бюл. № 6. Амосков В.М., Арсланова Д.Н., Белов А.В., Васильев В.Н., Кухтин В.П., Капаркова М.В., Ламзин Е.А., Ларионов М.С., Неженцев А.Н., Родин И.Ю., Сычевский С.Е., Фирсов А.А., Шатиль Н.А. «Гибридный магнит без полей рассеяния для системы маглев». [Pat. RUS № RU2743753/ 25.02.2021. Byul. № 6. Amoskov V.M., Arslanova D.N., Belov A.V., et al. “Gibridnyj magnit bez poley rassejaniya dlya sistemy maglev”. (In Russ.)]. Дата обращения: 27.10.2021. Режим доступа: https://patenton.ru/patent/RU2743753C1
  12. Amoskov VM, Arslanova DN, Bazarov AM, et al. Simulation of electrodynamic suspension systems for levitating vehicles. I. Modelling of electromagnetic behaviour of maglev vehicles with electrodynamic suspension. Vestnik of Saint Petersburg University. Series 10. Applied mathematics. Computer science. Control processes. 2014;4:5-15.
  13. Амосков В.М., Арсланова Д.Н., Базаров А.М. и др. Численное моделирование электродинамических подвесов левитационных транспортных систем. II. Верификация вычислительных моделей// Вестник Санкт-Петербургского университета. – 2015. – Сер. 10. – Вып. 2. – С. 18-32. [Amoskov VM, Arslanova DN, Bazarov AM, et al. Simulation of electrodynamic suspension systems for levitating vehicles. II. Validation of computational models. Vestnik of Saint Petersburg University. Series 10. Applied mathematics. Computer science. Control processes. 2015;2:18-32. (In Russ.)].
  14. Амосков В.М., Арсланова Д.Н., Базаров А.М. и др. Численное моделирование электродинамических подвесов левитационных транспортных систем. III. ЭДП с непрерывной путевой структурой // Вестник Санкт-Петербургского университета. – 2015. – Сер. 10. – Вып. 3. – С. 4–21. [Amoskov VM, Arslanova DN, Bazarov AM, et al. Simulation of electrodynamic suspension systems for levitating vehicles. III. Continuous track systems. Vestnik of Saint Petersburg University. Series 10. Applied mathematics. Computer science. Control processes. 2015;3:4-21. (In Russ.)] .
  15. Амосков В.М., Арсланова Д.Н., Базаров А.М. и др. Численное моделирование электродинамических подвесов левитационных транспортных систем. IV. ЭДП с дискретной путевой структурой // Вестник Санкт-Петербургского университета. – 2016. – Сер. 10. – Вып. 3. – С. 4–17. [Amoskov VM, Arslanova DN, Bazarov AM, et al. Simulation of electrodynamic suspension systems for levitating vehicles. IV. Discrete track systems. Vestnik of Saint Petersburg University. Series 10. Applied mathematics. Computer science. Control processes. 2016;3:4-17 (In Russ.)]. doi: 10.21638/11701/spbu10.2016.301
  16. Amoskov VM, Arslanova DN, Bazarov AM, et al. Simulations of maglev EDS performance with detailed numerical models. Vestnik of Saint Petersburg University. Series Applied mathematics. Computer science. Control processes. 2018;14(4):286-301. doi: 10.21638/11702/spbu10.2018.402
  17. Amoskov VM, Arslanova DN, Bazarov AM, et al. Modeling EMS maglev systems to develop control algorithms. Cybernetics and physics. 2018;7(1):11-17. doi: 10.35470/2226-4116-2018-7-1-11-17
  18. Andreev EN, Arslanova DN, Akhmetzyanova EV, et al. Combined electromagnetic suspensions with reduced energy consumption for levitation vehicles. Technical Physics. 2019;64(7):1060-1065. doi: 10.1134/S1063784219070041
  19. Amoskov VM, Belov AV, Belyakov VA, et al. Computation technology based on KOMPOT and KLONDIKE codes for magnetostatic simulations in tokamaks. Plasma Devices and Operations. 2008;16(2):89-103. doi: 10.1080/10519990802018023
  20. Суханова М.В., Гаврилов С.В., Акулицкий С.Г. и др. Механические испытания электрической изоляции катушки PF 1 при температуре 77К // Тезисы докладов III Национальной конференции по прикладной сверхпроводимости НКПС-2015. 25-26 ноября 2015; НИЦ «Курчатовский институт», Москва: Курчатовский ин-т, 2015. – 127 с. [Suhanova MV, Gavrilov SV, Akulickij SG, et al. Mehanicheskie ispytanija jelektricheskoj izoljacii katushki PF 1 pri temperature 77K. In: Tezisy dokladov III Nacional'noj konferencii po prikladnoj sverhprovodimosti NKPS-2015. 2015 Nov 25-26, Moscow, Kurchatov Inst. Moscow: NRCKI; 2015. p.127 (In Russ.)].

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. A variant of the Russian MTS with EMF based on GEM

Download (109KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. The calculated dependence of the ponderomotor force of attraction of a magnet to a steel plate on the size of the air gap h at different current values: 1st = 13 A, 2nd = 9 A, 3rd = 6 A, 4th = 3 A, 5th = 0 A

Download (49KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. The calculated dependence of the ponderomotor force of attraction of a magnet to a steel plate on the magnitude of the current I at different values of air gaps:1 - h = 4 mm, 2 - h = 5 mm, 3 - h = 6 mm, 4 - h = 7 mm, 5 - h = 8 mm, 6 - h = 9 mm

Download (55KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. The calculated dependence of the ponderomotor force of attraction of a magnet to a steel plate on the magnitude of the current at an air gap h = 4 mm

Download (12KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. A fragment of a test machine with a special device 1 fixed on the traverse of the machine 3. The magnet 2 is attached to the device 1, and the steel plate 4 is attached to the dynamometer rod 5

Download (106KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. The test stand of JSC "NIIEFA" on the basis of the 1958U-10-1 machine of the Metrological Center of LLC "Avtoprogress-M":

Download (135KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. A device with a magnet attached to it (1) and a steel plate (2) connected by means of an attachment unit (3) to a dynamometer rod (4) of the 1958U-10-1 testing machine; guide pins (5) of the device serve to ensure better parallelism of the relative movement of the magnet and plate

Download (24KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Interaction of a magnet and a steel plate during convergence.

Download (49KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Comparison of the values of the ponderomotor force of the hybrid magnet of JSC "NIIEFA" obtained by mathematical modeling (solid lines) and direct physical measurements using the test machine 1958U-10-1 (dashed lines) for a steel plate with a thickness of 18 mm at different gaps: 1 - h = 4.6 mm, 2 - h = 5.2 mm, 3 - h = 6 mm, 4 - h = 7 mm, 5 - h = 8 mm

Download (61KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Vertical (normal to the plane of the poles) the induction component measured (points) and calculated (line) at a height y = 0.4 mm from the plane of the poles in the cross section z = 0

Download (25KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2021 Akulitzky S.G., Amoskov V.M., Arslanova D.N., Belov A.A., Vyacheslav N.V., Gavrilov S.V., Deomidov V.V., Zaytzev A.A., Kaparkova M.V., Korotkov R.V., Kukhtin V.P., Labusov A.N., Lamzin E.A., Larionov M.S., Makhankov N.A., Nezhentzev A.N., Ovsyannikov D.A., Rodin I.Y., Sytchevsky S.E., Sukhanova M.V., Shatil N.A., Shkulepa A.A., Firsov A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

link to the archive of the previous title

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».