Diseño y desarrollo de elevadores MRL

Un relato de primera mano de los orígenes de los LMR modernos

En 1996 se anunció un avance tecnológico: una forma de ubicar un motor de imán permanente (PM) sin engranajes directamente en el eje para eliminar la sala de máquinas. Aunque el motor PM iba a ser pequeño, produciría un alto par para impulsar directamente el automóvil y el contrapeso en un rango de RPM de uno a 1,000 (frente a las RPM tradicionales del motor inductivo de uno a 100). Para obtener la mayor fuerza motriz (par de torsión dividido por el radio) como sea posible, el radio de la polea motriz sería lo más pequeño posible y la relación del cableado sería lo más grande posible, como 2: 1 o 4: 1.

Fondo

Su autor ha estudiado la tecnología de ascensores sin cuarto de máquinas (MRL) desde que se unió a Quality Lift Products Ltd. (QLP) como ingeniero de desarrollo de productos en 2003. La empresa había suministrado ascensores MRL al mercado del Reino Unido desde 2002. Con 1: 1 cuerdas en voladizo, el diseño era caro y estaba mal diseñado; tampoco fue bueno para una capacidad superior a 1000 kg, ya que todas las cargas fueron tomadas por una pared en un lado del pozo. Al desarrollar productos futuros para QLP, me esforcé mucho en cambiar el cableado a 2: 1.

En 2004, tuve la oportunidad de hacer el diseño conceptual del ascensor MRL para el proyecto del Metro de Londres (LU) contratado por lo que este artículo llamará “Compañía A”, que instalaría aproximadamente 120 ascensores para los Juegos Olímpicos de 2012. Envié dos modelos conceptuales 3D a la empresa A y LU, y uno fue aceptado. El competidor en el proyecto se llamará
"Compañía B." Esta empresa ya había sido proveedora de todos los equipos eléctricos para ese proyecto. Mi diseño finalmente ayudó a QLP a ser el proveedor, proporcionando todo el equipo mecánico. 

Las razones por las que LU quería elevadores MRL hechos a medida son:

• Estos ascensores MRL debían tener entradas pasantes, mientras que la mayoría de los pozos existentes en las estaciones LU eran anchos pero poco profundos (en profundidad). Un elevador MRL típico con entradas pasantes no fue posible encajar en los ejes, ya que la máquina está montada en uno de los rieles de guía de la cabina y el contrapeso se acomoda en el lado del eje y desplaza el riel de guía de la cabina, que requiere más profundidad del eje.
• Los ascensores MRL de algunos fabricantes usaban cinturones para conducir la cabina del ascensor, lo que no era una buena solución para las estaciones de metro. Como las correas eran productos nuevos en ese momento, su fiabilidad aún no había sido probada por el mercado (Figura 2).
• En ese momento, un fabricante tenía elevadores MRL con la colocación del motor directamente sobre el techo del automóvil, lo que requería más espacio para la cabeza (Figura 3). (El elevador MRL global actual de la compañía ha estado en producción desde 2005, pero se lanzó en el mercado del Reino Unido en 2007-2008. El diseño era similar al mío, que hice al menos un año antes, y la capacidad de mi diseño es mayor que los ascensores de la empresa, que tienen una capacidad máxima de 1000 kg.)
• Los elevadores MRL estándar de otros proveedores europeos eran de uso liviano y no eran adecuados para el transporte público.
• LU quería que los ascensores pudieran ser mantenidos por cualquier empresa británica independiente de servicios de ascensores, por lo que prefirieron un fabricante independiente. Esto fue especialmente cierto para los equipos eléctricos.

La empresa A empleó a QLP para diseñar el levantamiento de MRL de modo que no utilizara productos de la competencia y no se involucrara en cuestiones de patentes. 

Componentes críticos

Un imán de neodimio es un material particulado de tierras raras fabricado a partir de una aleación de neodimio, hierro y boro para formar la estructura cristalina tetragonal Nd2Fe14B. Este material constituye actualmente el tipo de material particulado más resistente (ELEVATOR WORLD, abril de 2019).

Un motor eléctrico síncrono es un motor de CA que se distingue por un rotor que gira con bobinas que pasan imanes a la misma velocidad que la corriente alterna (CA) y el campo magnético resultante que lo impulsa. Otra forma de decir esto es que tiene deslizamiento cero en las condiciones de funcionamiento habituales. (Compare esto con un motor de inducción, que debe deslizarse para producir torque). Operan sincrónicamente con la frecuencia de línea. Al igual que con los motores de inducción de jaula de ardilla, la velocidad está determinada por el número de pares de polos y la frecuencia de la línea. Los motores síncronos están disponibles desde tamaños sub-fraccionales, autoexcitados hasta tamaños industriales de alta potencia, excitados por corriente continua. En el rango de potencia fraccionada, la mayoría de los motores síncronos se utilizan cuando se requiere una velocidad constante precisa. En tamaños industriales de alta potencia, el motor síncrono proporciona dos funciones importantes. Primero, es un medio altamente eficiente de convertir la energía CA en trabajo. En segundo lugar, puede funcionar con un factor de potencia unitario o adelantado y, por lo tanto, proporcionar una corrección del factor de potencia.

Características del motor PM

T = BLR2πRA = 2BA (πR²L) = 2BAV (1) donde T = par (total), B = intensidad del campo magnético, L = longitud del conductor en el campo magnético, R = radio equivalente del motor y V = volumen del motor ( sección equivalente del motor de longitud X).

Debido a la saturación magnética, la intensidad del campo magnético no se puede aumentar infinitamente. Para aumentar el par, solo hay dos formas disponibles: aumentar el diámetro del motor y / o aumentar la longitud del motor. Es por eso que los motores PM se suelen hacer planos (delgados pero de gran diámetro) para obtener el par más alto posible. Otro propósito de un rotor de gran diámetro es obtener una relación mayor entre el rotor y la polea motriz. La figura 4 muestra un concepto similar para aumentar el par sin utilizar una caja de cambios. Como el par es proporcional al cuadrado del radio, es imperativo comenzar con un motor PM (plano) al diseñar los elevadores MRL.

Relación entre D / d y la vida de la cuerda

F = T / R donde F = fuerza motriz, T = par y R = radio. Una forma de tener suficiente F bajo una velocidad de rotación constante del motor es hacer que el radio de la polea motriz sea lo más pequeño posible. Sin embargo, el diámetro de la polea debe ser mayor que 40 veces el diámetro del cable. Normalmente, en el diseño de elevación MRL, el diámetro del cable (d) seleccionado es de 8 mm (más específicamente, 7.92 mm). El diámetro de la polea (D) es 40 X d = 320 mm. Si el diámetro de la cuerda es demasiado pequeño, necesitará demasiadas cuerdas cuando esté bajo carga. Con un motor PM de estilo lápiz, D tiene que ser lo más pequeño posible, por lo que algunos fabricantes de MRL tienen que usar las correas, en lugar de cuerdas, para impulsar la cabina del ascensor y el contrapeso. Es importante señalar que D / d debe ser de al menos 45; de lo contrario, las cuerdas se desgastarán muy rápidamente, posiblemente reducidas a menos de dos años para un levantamiento muy ajetreado.

Velocidad y eficacia ideales

Como la mayoría de los motores de imán permanente están diseñados para cables 2: 1, suponga que la velocidad de elevación (V) es de 1 m / syd = 320 mm. Entonces, la velocidad de rotación para cuerdas 2: 1 sería de 240 rpm. Si la cuerda es 1: 1, la velocidad es la mitad que la de 2: 1. Los motores PM tienen amplios rangos de velocidad; La velocidad de rotación ideal puede ser de 400 rpm (para una velocidad de 1.6 m / s) o superior.

La eficacia del motor PM a baja velocidad no puede ser muy alta (debe ser inferior al 83%). Algunos anuncios de productos afirmaron una efectividad superior al 95%, es decir, a la velocidad ideal. Por ejemplo, a 1.6 m / s, con cuerda 2: 1, la velocidad ideal requerida es 400 rpm). A velocidades más bajas, como 1 m / s, la energía perdida se convertirá en calor. Como el imán de tierras raras es bastante sensible al sobrecalentamiento, se impide que el motor funcione con mucha frecuencia (por ejemplo, como lo haría en un edificio alto). Si el motor se sobrecalienta, cuando la temperatura es superior a 150 ° C, puede perder temporalmente el magnetismo; si se sobrecalienta demasiado (por ejemplo, a 370-400 ° C / cortocircuitos), puede perder el magnetismo de forma permanente. Ésta es la razón por la que la mayoría de las instalaciones de motores de imán permanente deben incluir ventiladores.

Aceleración

Sin una caja de cambios, que es un amplificador de par en lugar de un reductor de velocidad, el factor de aceleración del motor PM es mucho menor que el de una máquina con engranajes, que normalmente es a = 0.5 m / s². Cuando su autor diseñó los elevadores MRL de dos pisos para un proyecto, el cliente inicialmente especificó una velocidad de 1.6 m / s. Hice un cálculo y le mostré los resultados al cliente para demostrar que 2.56 m es la distancia mínima para llegar a la velocidad máxima (V = a XT, T = V / a = 1.6 / 0.5 = 3.2 s, H = 0.5 X a X T² = 2.56 m). Si la altura del suelo es inferior a 5.12 m (2.56 m X 2), el automóvil nunca alcanzará la velocidad máxima. Esta velocidad más alta solo podría ahorrar unos segundos a una velocidad de 1 m / s, pero requeriría que todo el sistema se diseñara para adaptarse a la velocidad más alta. Esto aumentaría el costo total en al menos un 40%. Además, como el motor de PM funcionaría principalmente a una velocidad inferior a 1.6 m / s, la eficacia energética sería deficiente.

Peso del auto

Cuando se aplica un par de torsión a un cuerpo, la aceleración angular () viene dada por = / I. depende no solo del par (), sino también del momento de inercia (I) del cuerpo con respecto al eje dado, que se determina mediante la ecuación. Cuando está fijo, para tener una mayor aceleración, el momento de inercia del conjunto de la rueda motriz debe mantenerse lo más pequeño posible. Como resultado, la cabina del ascensor MRL debe ser liviana (por ejemplo, para un ascensor MRL típico con una capacidad de 1000 kg, el peso de la cabina debe ser de 790-1,150 kg). A veces, incluso se utilizan automóviles de aluminio para reducir su peso y lograr una aceleración razonable.

Proporción de cuerda

La mayoría de los elevadores MRL utilizan cuerdas 2: 1. Los beneficios son:

• Reducir a la mitad el número de cuerdas
• Para aumentar fácilmente el par dos veces al arrancar y a bajas velocidades
• Una reducción del 50% de tamaño con la misma capacidad de elevación
• Un motor 1: 1 es más de un 40% más caro que un motor 2: 1.
• El cableado 1: 1 no es económico para capacidades superiores a 630 kg.

Velocidad

Los motores PM tienen un amplio rango de velocidad variable, por lo que la potencia nominal también debe ser variable. Estaría bien usar el mismo tipo de motores PM para ascensores a diferentes velocidades. Por ejemplo, el mismo motor PM podría usarse para configuraciones de elevación MRL de 630 kg a 1 m / sy 630 kg a 1.6 m / s.

Carro elevador integrado con desviadores colgantes

Los nuevos conceptos de diseño de automóviles para elevadores MRL incluyen la construcción de la eslinga del automóvil con paneles de automóvil junto con desviadores colgantes para tener menos en la cartop. Tenga en cuenta que se requiere una balaustrada de cartop de 700 mm cuando el espacio entre el panel de la cabina y la pared lateral es inferior a 500 mm; si el espacio es superior a 500 mm, la altura de la balaustrada debe ser de 1,100 mm.

Ascensores MRL de alta velocidad

Los ascensores MRL no son adecuados para edificios de gran altura. Primero, como la relación de cableado es 2: 1, cuando la velocidad nominal es superior a 3 m / s, la velocidad del cable será superior a 6 m / s, que es demasiado rápida para todo el sistema. En segundo lugar, debido a la longitud de los cables y las cadenas / cables de compensación, la masa de todo el conjunto de la polea motriz es mucho mayor que los elevadores MRL de baja velocidad. Para tener una aceleración aceptable, el motor PM tendría que ser muy grande. Como resultado, el hueco del elevador no podría acomodar la máquina.

Protección MRL Lift UCM

Los PM se instalan en los rotores de los motores de PM para proporcionar un campo magnético permanente, por lo que no es necesario inducir un rotor de alta corriente para que el motor funcione. Si conecta los terminales de los contactores principales normalmente cerrados a un conjunto de resistencias, si los frenos fallan cuando el automóvil y el contrapeso no están en equilibrio, el motor PM se convierte en un generador de CA. En este caso, las resistencias agotan las corrientes eléctricas. Si bien no pueden detener por completo el movimiento, producen un par resistente contra él que lo ralentiza considerablemente. Este efecto se puede considerar como una protección de movimiento involuntario de la cabina (UCM) cuando los frenos fallan o por un mal funcionamiento (por ejemplo, un accidente real en el que un ingeniero de servicio soltó los frenos de forma remota, lo que provocó que la cabina del ascensor se estrellara contra el espacio para la cabeza y dañara seriamente la cabina del ascensor y el tope de contrapeso).

Patentes

Los criterios para las patentes en el Reino Unido son que la idea no debe ser divulgada previamente, debe tener actividad inventiva y debe ser una aplicación industrial. Estos tienen una vida útil de 20 años. Como las reglas pueden ser complicadas y variar de un país a otro, quienes las soliciten deben obtener asesoramiento profesional (por ejemplo, un agente de patentes). Los conceptos abstractos como los siguientes no son patentables en el Reino Unido:

• Teorías científicas
• Presentaciones de información
• Programas de computador
• Métodos de diagnostico

Su autor se unió a la Compañía B en junio de 2008. Se me pidió que produjera dibujos de fabricación para un elevador MRL de 800 kg, que se basaba en un diseño de elevador MRL existente de 630 kg en 2D con cuerdas 1: 1. Aproveché esta oportunidad para convertir el levantamiento de 630 kg de dibujos 2D a un modelo 3D. Pude hacer esto solo en el transcurso de un mes, ya que entendí completamente el principio del diseño anterior. Además, descubrí que se podrían lograr los siguientes objetivos:

• Mejoras en seguridad
• Reducción del espacio para la cabeza de 700 mm
• Menos cuerdas y la mitad de las fuerzas cargadas en las ruedas de engranaje / desviador
• Reducciones de materiales y costes de fabricación

Principales desafíos enfrentados

La mayoría de los componentes del ascensor están hechos de chapa con una tolerancia mínima de ± 0.5 mm. Como el elevador está instalado en un hueco con una tolerancia de ± 25 mm, los componentes son fáciles de diseñar y fabricar. En cuanto al principio de ingeniería, su autor siguió principalmente las Normas de seguridad EN 81-1 para la construcción e instalación de ascensores. El nuevo elevador debe ser 2: 1, ya que muchos diseños con cables 2: 1 se han registrado como patentes en Europa. Por lo tanto, evitar infringir las patentes fue el mayor desafío de su autor.

Proceso e investigación

El modelo 3D de su autor permitió encontrar muy rápidamente todos los problemas en el diseño existente. El diseño no solo tenía problemas de seguridad, sino que también requería 700 mm más de altura que la mayoría de las otras marcas. La mayoría de los huecos de ascensores existentes tenían espacios para la cabeza limitados (aproximadamente 2,800-3,500 mm), razón por la cual los ascensores MRL han tenido una gran demanda para el reemplazo total de ascensores en edificios existentes.

Liquidación superior

Suponiendo que la distancia entre el contrapeso y sus topes es de 200 mm y la compresión es de 170 mm (como mínimo), se deben cumplir cuatro condiciones cuando el contrapeso descansa sobre sus topes completamente comprimidos:

• El recorrido guiado del automóvil, aún posible en sentido ascendente, debe ser igual o mayor que el recorrido mínimo, dado por la fórmula 0.1 + 0.035V² (m), donde V es la velocidad nominal (m / s).
  La altura libre sobre el techo del recinto del automóvil debe ser de al menos 1 + 0.035 V² (m).
• La distancia libre entre la parte más baja del techo del hueco del ascensor y la parte más alta de las zapatas de guía de los accesorios de cable y cualquier parte de una puerta corredera vertical debe ser de al menos 0.1 + 0.035 V² (m). Además, la distancia entre la parte más baja del techo y la parte más alta de cualquier otro equipo fijado en el techo del automóvil debe ser de al menos 0.3 + 0.035V² (m).
• Debe haber suficiente espacio sobre el carro para acomodar un bloque de prisma con dimensiones mínimas de 0.5 X 0.6 X 0.8 m apoyado en una de sus caras. En los ascensores de cable directo, los cables de suspensión y sus fijaciones pueden incluirse en este espacio, siempre que la distancia entre la línea central del cable y al menos una cara vertical del bloque no supere los 150 mm.
• Del mismo modo, cuando el automóvil descansa sobre sus topes comprimidos al máximo, el recorrido guiado del contrapeso, que aún es posible en dirección ascendente, debe ser de al menos 0.1 + 0.035 V² (m).

Profundidad del pozo

Suponiendo que la distancia entre el automóvil y sus amortiguadores es de 50 mm y la compresión es de 170 mm (como mínimo), se deben cumplir las siguientes condiciones cuando el automóvil descansa sobre sus amortiguadores completamente comprimidos:

• Debe haber suficiente espacio en el foso para acomodar un bloque de prisma de las dimensiones mínimas de 0.5 X 0.6 X 0.8 m apoyado en una de sus caras.
• La distancia libre entre el fondo del foso y (a) la parte más baja de las zapatas de guía, bloques de paracaídas, guías de pie o cualquier parte de las puertas correderas verticales debe ser de al menos 0.1 m. (b) La parte más baja del automóvil, a excepción de los elementos detallados en (a), debe tener al menos 0.5 m.
• La distancia vertical libre entre la parte superior de los componentes fijados en el foso, como un dispositivo tensor para cuerdas de compensación, y la parte más baja del automóvil, a excepción de los componentes detallados en (a) (una viñeta arriba) debe ser de al menos 0.3 metro.

Resultados esperados

Otros modelos

Su autor también produjo otros dos modelos para la Compañía B, que eran similares al ascensor que diseñé para el proyecto LU en 2004 (también vi un diseño similar en Sydney, Australia, en enero de 2020). Dado que estos no fueron adoptados, se permite que se publiquen como mis ejercicios personales (Figuras 16 y 17).

Lecciones

Su autor aprendió muchas soluciones para el diseño de elevadores MRL cuando trabajaba en una corporación multinacional. Este diseño se puede extrapolar de las siguientes formas:

• Las ruedas de desvío se pueden colgar debajo de las vigas de soporte.
• La altura de la eslinga del automóvil se puede reducir aún más en 200 mm; el espacio libre mínimo se puede cambiar a 3,500 mm.
• La profundidad del pozo se puede reducir a 1.350 m.
• D / d debe ser de al menos 45.

Contribuciones al proyecto

Su autor hizo lo siguiente al trabajar en el proyecto:

• Anuló el diseño existente, que tenía muchos problemas de seguridad ocultos.
• Costos y complejidad de fabricación considerablemente reducidos
• Configurar un potente sistema de diseño asistido por computadora en 3D para la empresa
• Capacidad de diseño mejorada desde elevadores MRL personalizados con una capacidad máxima de 800 kg hasta una serie completa de elevadores con capacidades máximas más altas listas para la fabricación en serie.

Conclusiones

Se pueden sacar las siguientes conclusiones:

• El diseño de elevación MRL se basa en el motor PM; es imperativo seleccionar el correcto. El motor es la primera consideración en el diseño.
• El tamaño del motor PM está determinado por el par aplicado, en lugar de la potencia.
• Una relación de cableado de 2: 1 siempre es mejor que 1: 1.
• En comparación con un motor PM convencional estilo lápiz, un motor PM de disco / plano es siempre la primera opción para el diseño de elevación MRL.
• El accionamiento superior siempre es mejor que el accionamiento inferior: los cables en un sistema de accionamiento inferior deben ser demasiado largos con demasiados desviadores, lo que acorta considerablemente la vida útil del cable.
• 3 m / s debería ser la velocidad máxima para un levantamiento MRL; de lo contrario, la velocidad de la cuerda es demasiado rápida.
• La altura máxima de recorrido para un elevador MRL debe ser inferior a 120 m; de lo contrario, el motor PM puede sobrecalentarse fácilmente debido a paradas / arranques frecuentes. Los pedidos de ascensores que deban funcionar durante mucho tiempo no deben cumplimentarse con ascensores MRL cuando el recorrido total supere los 100 m.
• El elevador MRL es un producto de trabajo ligero y no debe recomendarse para fines de trabajo pesado, como para viviendas públicas, estacionamientos de varios pisos o estaciones de tren. Si hay una necesidad especial, se deben emplear unidades MRL de mayor potencia nominal para que se pueda permitir un mayor peso de la cabina, haciendo que la cabina del elevador sea más robusta (por ejemplo, un elevador MRL estándar de 800 kg de capacidad modificado como un elevador de 630 kg). capacidad de elevación MRL con cabina pesada y robusta).
• El elevador MRL se lanzó por primera vez en 1996. Estas patentes deberían haber expirado a finales de 2016, por lo que algunas ideas del diseño del elevador MRL se pueden utilizar para cualquier proyecto. Si surgen preguntas sobre el uso, se recomienda consultar a un agente de patentes para confirmar.
• Hoy en día, los motores PM, en lugar de las máquinas con engranajes de CA o las máquinas sin engranajes de CC, se utilizan ampliamente en ascensores situados encima de la sala de máquinas. Como he experimentado algunas presentaciones de licitación que utilizaron soluciones de elevación MRL para ascensores de sala de máquinas por encima de los ascensores para reducir el costo al mínimo, se debe prestar especial atención a los ascensores de “sala de máquinas pequeña” para edificios de mediana altura. No es aceptable simplemente mover la máquina de un elevador MRL del pozo a la sala de máquinas para construir un elevador sobre la sala de máquinas, especialmente para edificios de oficinas, para los cuales la relación de cableado de los elevadores sobre la sala de máquinas debe ser 1 : 1, en lugar de 2: 1. Esto se debe a que una máquina elevadora situada encima de la sala de máquinas tendría una mayor tolerancia, una mejor confiabilidad y una vida útil más larga del cable a 1: 1, en lugar de 2: 1.

Cumplimiento de Normas

El espacio libre superior y la profundidad del pozo en este artículo cumplieron con EN81-1: 1998 (ya que el diseño se realizó en 2004-2009).

Referencias

[1] Peizhongma. “La solución clave del diseño de LMR”, China Elevator, 2002, 13(5): pág. 7-10.
[2] Lubomir Janovsky. Diseño mecánico de ascensores, 3ª edición.
[3] Patentes europeas de ascensores MRL