Hyperloop Alpha Intro

Figure 21. Rotor and stator 3D diagram 

Each  accelerator  has  two  70  MVA  inverters,  one  to  accelerate  the  outgoing 

capsule, and one to capture the energy from the incoming capsule. Inverters in 

the  10+  MVA  power  range  are  not  unusual  in  mining,  drives  for  large  cargo 

ships,  and  railway  traction.  Moreover,  100+  MVA  drives  are  commercially 

available.  Relatively  inexpensive  semiconductor  switches  allow  the  central 

inverters to energize only the section of track occupied by a capsule, improving 

the power factor seen by the inverters. 

The  inverters  are  physically  located  at  the  highest  speed  end  of  the  track  to 

minimize conductor cost. 

Rotor (mounted to capsule) 

Stator (mounted to tube) 

 

Page 36 

 

Linear motors for 

departure track

Linear motors for 

arrival track

High speed (760mph) end

Traction power = 50MW

Energy storage

E = 38 MWhr

P

RMS

 = 37MW

P

PEAK

 = 56MW

Solar system

Distributed along length, 285MW peak power total

HVDC bus

M

M

M

M

M

M

M

M

Low speed (300mph) end

Traction power = 20MW

Traction inverters

70MVA each

Solid-state switches

6MW grid 

connection and grid 

tie inverter

 

Figure 22. Linear accelerator concept for capsule acceleration and deceleration between 300 

and 760 mph (480 and 1,220 kph).

 

4.3.1. Capsule Components (Rotor) 

The  rotor  of  the  linear  accelerators  is  very simple  –  an  aluminum  blade  49  ft 

(15 m) long, 1.5 ft (0.45 m) tall, and 2 in. (50 mm) thick. Current flows mainly 

in the outer 0.4 in. (10 mm) of this blade, allowing it to be hollow to decrease 

weight and cost. 

The  gap  between the  rotor  and the  stator is  0.8  in. (20  mm)  on  each  side. A 

combination  of  the  capsule  control  system  and  electromagnetic  centering 

forces allows the capsule to safely enter, stay within, and exit such a precise 

gap. 

 

Page 37 

 

 

 

Figure 23. Magnetic field strength inside linear induction motor

 

4.3.2. Tube Components (Stator) 

 

The stator is mounted to the bottom of the tube over the entire 2.5 miles (4.0 

km) it takes to accelerate and decelerate between 300 and 760 mph (480 and 

1,220 km). It is approximately  1.6 ft (0.5 m) wide (including the air gap) and 

4.0 in. (10 cm) tall, and weighs 530 lb/ft (800 kg/m). 

Laid out symmetrically on each side of the rotor, its electrical configuration is 

3-phase, 1 slot per pole per phase, with a variable linear pitch (1.3 ft or 0.4 m 

maximum).  The  number  of  turns  per  slot  also  varies  along  the  length  of  the 

stator, allowing the inverter to operate at nearly constant phase voltage, which 

simplifies  the  power  electronics  design.  The  two  halves  of  the  stator  require 

bracing  to  resist  the  magnetic  forces  of  20  lb

f

/ft  (300N/m)  that  try  to  bring 

them together. 

Rotor aluminum (mounted to capsule) 

Stator iron (mounted to tube) 

Copper coils 

Air gap 

 

Page 38 

 

 

Figure 24. Cross section of rotor inside stator

 

4.3.3. Energy Storage Components 

Energy storage allows this linear accelerator to only draw its average power of 

8,000 hp (6 MW) (rather than the peak power of 74,000 hp or 55 MW) from its 

solar array. 

Building the energy storage element out of the same lithium ion cells available 

in  the  Tesla  Model  S  is  economical.  A  battery  array  with  enough  power 

capability  to  provide  the  worst-case  smoothing  power  has  a  lot  of  energy  – 

launching 1 capsule only uses 0.5% of the total energy – so degradation due to 

cycling is not an issue. With proper construction and controls, the battery could 

be directly connected to the HVDC bus, eliminating the need for an additional 

DC/DC converter to connect it to the propulsion system. 

4.3.4. Cost 

As described above, the propulsion elements on the capsule are limited to the 

rotor  and  not  expected  to  cost  any  more  than  $3  million  USD  for  the  overall 

system. The bulk of the propulsion cost is for the stator elements connected to 

the  track  and  for  the  inverters  to  drive  the  stator.  All  tube-side  propulsion 

costs together for all linear accelerators add up to $140 million USD. 

This cost is roughly divided as followed:  

-

 

Stator and structure materials = 54% 

Stator iron 

Stator windings 

Rotor 

 

Page 39 

 

-

 

Power electronics (traction inverters, grid tie inverters) = 33% 

-

 

Energy storage = 13% 

The solar array and associated electronics provide the required average power 

of  28,000  hp  (21  MW)  and  are  expected  to  cost  approximately  $210  million 

USD. 

4.3.5. Propulsion for Passenger Plus Vehicle System 

Compared  to  the  passenger-only  capsule,  the  passenger  plus  vehicle  capsule 

weighs more, requires a more powerful compressor, and has 50% higher total 

drag. This increases both the peak and continuous power requirements on the 

propulsion system, so that the Hyperloop now consumes an average of 66,000 

hp (49 MW). However, there is still more than enough solar power available on 

the wider tubes (122,000 hp or 91 MW, on average) to provide this. 

The expected total cost for this larger propulsion system is $691  million USD, 

divided as follows: 

-

 

66,000  hp  (49  MW)  (yearly  average  requirement)  solar  array:  $490  million 

USD 

-

 

Propulsion system total: $200 million USD 

o

 

Stator and structure materials = 47% 

o

 

Power electronics = 37% 

o

 

Energy storage = 16% 

4.4. Route 

The  Hyperloop  will  be  capable  of  traveling  between  Los  Angeles  and  San 

Francisco  in  approximately  35  minutes.  This  requirement  tends  to  size  other 

portions of the system. Given the performance specification of the Hyperloop, 

a  route  has  been  devised  to  satisfy  this  design  requirement.  The  Hyperloop 

route should be based on several considerations, including: 

1.

 

Maintaining the tube as closely as possible to existing rights of way (e.g., 

following the I-5). 

2.

 

Limiting  the  maximum  capsule  speed  to  760  mph  (1,220  kph)  for 

aerodynamic considerations. 

3.

 

Limiting accelerations on the passengers to 0.5g. 

4.

 

Optimizing  locations  of  the  linear  motor  tube  sections  driving  the 

capsules. 

5.

 

Local  geographical  constraints,  including  location  of  urban  areas, 

mountain  ranges,  reservoirs,  national  parks,  roads,  railroads,  airports, 

etc. The route must respect existing structures. 

 

Page 40 

 

For  aerodynamic  efficiency,  the  speed  of  a  capsule  in  the  Hyperloop  is 

typically: 



 

300 mph (480 kph) where local geography necessitates a tube bend radii 

< 1.0 mile (1.6 km) 



 

760  mph  (1,220  kph)  where  local  geography  allows  a  tube  bend  >  3.0 

miles (4.8 km) or where local geography permits a straight tube. 

These  bend  radii  have  been  calculated  so  that  the  passenger  does  not 

experience  inertial  accelerations  that  exceed  0.5g.  This  is  deemed  the 

maximum  inertial  acceleration  that  can  be  comfortably  sustained  by  humans 

for  short  periods.  To  further  reduce  the  inertial  acceleration  experienced  by 

passengers,  the  capsule  and/or  tube  will  incorporate  a  mechanism  that  will 

allow a degree of ‘banking’. 

The Hyperloop route was created by the authors using Google Earth. 

 

Page 41 

 

 

Figure 25. Overview of Hyperloop route from Los Angeles to San Francisco. 

4.4.1. Route Optimization 

In  order  to  avoid  bend  radii  that  would  lead  to  uncomfortable  passenger 

inertial  accelerations  and  hence  limit  speed,  it  is  necessary  to  optimize  the 

route.  This  can  be  achieved  by  deviating  from  the  current  highway  system, 

earth removal, constructing pylons to achieve elevation change or tunneling. 

The proposed route considers a combination of 20, 50, and 100 ft (6, 15, and 30 

m,  respectively)  pylon  heights  to  raise  and  lower  the  Hyperloop  tube  over 

geographical obstacles. A total tunnel length of 15.2 miles (24.5 km) has been 

 

Page 42 

 

included  in  this  optimization  where  extreme  local  gradients  (>6%)  would 

preclude  the  use  of  pylons.  Tunneling  cost  estimations  are  estimated  at  $50 

million  per  mile  ($31  million  per  km).  The  small  diameter  of  the  Hyperloop 

tube should keep tunneling costs to a far more reasonable level than traditional 

automotive and rail tunnels. 

The route has been divided into the following sections: 



 

Los Angeles/Grapevine – South and North 



 

I-5 



 

I-580/San Francisco Bay 

Summary 

•

 

300 mph (480 kph) for the Los Angeles Grapevine South section at 0.5g. 

Total time of 167 seconds 

•

 

555 mph (890 kph) for the Los Angeles Grapevine North section at 0.5g. 

Total travel time of 435 seconds 

•

 

760 mph (1,220 kph ) along I-5 at 0.5g. 

Total travel time of 1,518 seconds 

•

 

555  mph  (890  kph)  along  I-580  slowing  to  300  mph  (480  kph)  into  San 

Francisco.  

 

Total travel time of 2,134 seconds (35 minutes) 

The  speed  (Figure  26)  along  the  Hyperloop  and  distance  (Figure  27)  as  a 

function of time summarize the route. 

 

Page 43 

 

 

Figure 26. Speed of capsule as a function of time from Los Angeles departure. 

 

Figure 27. Distance of capsule as a function of time from Los Angeles departure. 

 

Page 44 

 

4.4.1.1. Los Angeles/Grapevine - South 

Visualization -  

The  preliminary  route  is  shown  in  yellow.  Bend  radii  are 

shown  in  red.  The  green  dashed  line  delineates  the 

north/south Grapevine definition in this document. 

Route - 

Follows I-5 through Santa Clarita and Castaic.  

 

Figure 28. Los Angeles/Grapevine South Section of proposed Hyperloop route. 

 

Page 45 

 

Table 3. Los Angeles/Grapevine South data at 300 mph (480 kph). 

Criteria

 

0.5g

 

  Acceleration

 

Min. bend radius at  

300 mph (483 kph)

 

2.28 miles 

(3.67 km) 

Section Distance

 

13.4 miles 

(21.6 km)

 

Journey time

 

167.6 seconds

 

Tunnel distance

 

1.0 miles 

(1.61 km)

 

No. of 20 ft (6 m)

 

pylons

 

563

 

No. of 50 ft (15 m)

 

pylons

 

80

 

No. of 100 ft (30 m)  

Pylons 

12

 

Additional length 

 

Required

 

1.20 miles 

(1.93 km)

 

 

4.4.1.2. Los Angeles/Grapevine – North 

Visualization -  

The  preliminary  route  is  shown  in  yellow.  Bend  radii  are 

shown  in  red.  The  green  dashed  line  delineates  the 

north/south Grapevine definition in this document. 

Route - 

Significant  deviation  from  I-5  in  order  to  increase  bend 

radius and develop straight sections. 

 

Page 46 

 

 

Figure 29. Los Angeles/Grapevine North Section of proposed Hyperloop route. 

 

 

 

Page 47 

 

Table 4. Los Angeles/Grapevine North data at 555 mph (890 kph). 

Criteria

 

0.5g

 

Acceleration

 

Min. bend radius at 

555 mph (890 kph)

 

7.80 miles 

(12.6 km)

 

Distance

 

40.0 miles 

(64.4 km)

 

Journey time

 

267.4 seconds

 

Tunnel distance

 

10.7 miles 

(17.2 km) 

No. of 20 ft (6 m)

 

Pylons

 

492

 

No. of 50 ft (15 m)

 

Pylons

 

260

 

No. of 100 ft (30 m) 

Pylons

 

795

 

Additional length

 

required

 

24 miles 

(38.6 km) 

 

4.4.1.2. Center Section of I-5 

Visualization -  

The  preliminary  route  is  shown  in  yellow.  Bend  radii  are 

shown in red. 

Route - 

Follows I-5 to minimize land/right of way purchase costs. 

 

Page 48 

 

 

Figure 30. I-5 Section of proposed Hyperloop route. 

 

 

 

Page 49 

 

Table 5. I-5 Section data at 760 mph (1,120 kph). 

Criteria

 

0.5g

 

Acceleration

 

Min. bend radius at 760 

mph (1,220 kph)

 

14.6 miles 

(23.5 km) 

Distance

 

227 miles 

(365 km)

 

Journey time

 

1,173.0 seconds

 

Tunnel distance

 

0 miles 

(0 km)

 

No. of 20 ft (6 m)

 

pylons

 

10,930

 

No. of 50 ft (15 m)

 

pylons

 

1,056

 

No. of 100 ft (30 m)  

pylons

 

0

 

Additional length

 

required

 

14 miles 

(22.5 km)

 

 

4.4.1.3. I-580/San Francisco Bay 

Visualization -  

The  preliminary  route  is  shown  in  yellow.  Bend  radii  are 

shown in red. 

Route - 

Follows I-580 to minimize land/right of way purchase costs. 

Deviation  from  I-580  West  of  Dublin  in  order  to  develop 

straight sections. 

 

 

 

Page 50 

 

 

Figure 31. I-580/San Francisco Bay Section of proposed Hyperloop route. 

 

Table 6. I-580/San Francisco Bay Section data at 300, 555, and 760 mph (480, 890, and 1,120 

kph, respectively). 

Criteria

 

0.5g

 

Acceleration

 

Min. bend radius at  

300 mph (480 kph)

 

2.28 miles 

(3.67 km)

 

Min. bend radius at  

555 mph (890 kph)

 

7.80 miles 

(12.55 km)

 

Min. bend radius at  

760 mph (1,220 kph)

 

14.6 miles 

(23.5 km)

 

Distance

 

73.9 miles 

(119 km)

 

Journey time

 

626.0 seconds

 

Tunnel distance

 

3.5 miles 

(5.6 km)

 

No. of 20 ft (6 m)

 

pylons

 

2,783

 

No. of 50 ft (15 m)

 

pylons

 

775

 

No. of 100 ft (30 m)  

pylons

 

159

 

Additional length 

 

required

 

5.7 miles 

(9.2 km)

 

 

Page 51 

 

4.4.3. Station Locations 

The  major  stations  for  Hyperloop  are  suggested  based  on  high  traffic  regions 

between  major  cities.  The  largest  cities  by  metro  population  in  California 

according  to  2010  to  2012  estimates  from  various  sources  (Table  7)  are 

considered for station locations. 

Table 7. Largest cities in California by 2013 population. 

City 

Population 

 

(millions) 

Los Angeles 

18.1 

San 

Francisco/San 

Jose 

8.4 

San Diego 

3.1 

Sacramento 

2.6 

Fresno 

1.1 

 

Stations at these major population centers are considered for Hyperloop.  One 

additional  traffic  corridor  to  consider  is  between  Los  Angeles,  California  and 

Las Vegas, Nevada with a metro population of 2.1 million. Significant traffic is 

present through this corridor on a weekly basis. 

 

Page 52 

 

 

Figure 32. Suggested Hyperloop route map (map courtesy of Google Maps). 

The  traffic  between  Los  Angeles,  California  and  San  Francisco/San  Jose, 

California is estimated to be at least 6 million travelers per year. This possibly 

represents the busiest corridor of travel in California. Travel along this corridor 

is  anticipated  to  increase  with  completion  of  the  Hyperloop  due  to  both 

decreased travel time and decreased travel cost.  

Additional Hyperloop stations are suggested at the following major population 

centers: 

1.

 

San Diego, California: 

a.

 

Connects to Los Angeles, California main station. 

b.

 

Capsule departures every 5 minutes. 

c.

 

Transports around 3 million people per year. 

2.

 

Las Vegas, Nevada: 

a.

 

Connects to Los Angeles, California main station. 

b.

 

Uses a portion of the San Diego branch route near Los Angeles and 

tube branches near San Bernardino, California. 

c.

 

Capsule departures every 8 minutes. 

Suggested main route 

Suggested main stations 

Proposed branches 

Proposed branch stations 

 

Page 53 

 

d.

 

Transports around 1.8 million people per year. 

3.

 

Sacramento, California: 

a.

 

Connects to San Francisco, California main station. 

b.

 

Uses  a  portion  of  the  main  route  near  San  Francisco  and  tube 

branches near Stockton, California. 

c.

 

Capsule departures every 15 minutes. 

d.

 

Transports around 1 million people per year. 

4.

 

Fresno, California: 

a.

 

Connects  to  both  San  Francisco,  California  and  Los  Angeles, 

California main stations. 

b.

 

Los Angeles bound travelers: 

i.

 

Uses  the  main  route  closer  to  San  Francisco  plus  a  small 

branch along State Route 41 near Fresno. 

ii.

 

Capsule departures every 15 minutes. 

iii.

 

Transports around 1 million people per year. 

c.

 

San Francisco bound travelers: 

i.

 

Uses  the  main  route  closer  to  Los  Angeles  plus  a  small 

branch along State Route 41 near Fresno. 

ii.

 

Capsule departures every 30 minutes. 

iii.

 

Transports around 0.5 million people per year. 

4.5. Safety and Reliability 

The  design  of  Hyperloop  has  been  considered  from  the  start  with  safety  in 

mind.  Unlike  other  modes  of  transport,  Hyperloop  is  a  single  system  that 

incorporates the vehicle, propulsion system, energy management, timing, and 

route.  Capsules  travel  in  a  carefully  controlled  and  maintained  tube 

environment  making  the  system  is  immune  to  wind,  ice,  fog,  and  rain.  The 

propulsion  system  is  integrated  into  the  tube  and  can  only  accelerate  the 

capsule to speeds that are safe in each section. With human control error and 

unpredictable  weather  removed  from  the  system,  very  few  safety  concerns 

remain. 

Some of the safety scenarios below are unique to the proposed system, but all 

should be considered relative to other forms of transportation. In many cases 

Hyperloop is intrinsically safer than airplanes, trains, or automobiles.