Estudio sobre máquinas síncronas lineales de imanes permanentes para ascensores sin cables

por Albert So y WL Chan

Este artículo se presentó en Elevcon 2023 en Praga, República Checa.

Palabras clave: Motor lineal, sin cuerda, imán permanente, modelo de simulación.

Resumen

Es bastante seguro que los sistemas de ascensores multidimensionales pronto dominarán la industria de los ascensores en los próximos años gracias al primer desarrollo exitoso del MULTI™ de TK Elevator (TKE). Para facilitar dicho diseño, se debe implementar el concepto de ascensores sin cables, y la adopción de máquinas lineales síncronas de imanes permanentes (LPMSM), como las utilizadas en el sistema MULTI, es una opción obvia. Sin la existencia de cables de elevación, las cabinas del ascensor no sólo pueden viajar en las tres direcciones, sino que el número de cabinas en un hueco no se limita a dos. Llevamos a cabo una serie de estudios académicos para evaluar el rendimiento de dichos LPMSM en diversas condiciones mediante simulación. En este artículo, que es un resumen de nuestros trabajos anteriores con algunos aportes nuevos, el método de control para realizar la cinemática requerida en un viaje de carga completa, el impacto de diferentes parámetros eléctricos en el consumo de energía y, lo más importante, el método analítico. Se discutirá la solución asociada con la operación de emergencia en caso de un verdadero corte de energía. También se considerarán modelos de máquinas de imanes permanentes salientes y de superficie. Este es básicamente un artículo de revisión basado en una serie de publicaciones anteriores de los autores.

1. Introducción

Hasta el momento en que se redactó este artículo, el edificio más alto del mundo seguía siendo el Burj Khalifa, ubicado en Dubai. A principios del siglo XXI, las Torres Petronas en Kuala Lumpur, Malasia, eran consideradas "las más altas del mundo" con una altura de 21 m. Luego, en 452, Taipei 2004 en Taipei, Taiwán, se convirtió en el más alto con una altura de 101 m. En 508, la distinción pasó al Burj Khalifa en Dubai con una altura de 2009 m. Estos registros se pueden encontrar fácilmente en el sitio web oficial del Consejo de Edificios Altos y Hábitat Urbano (CTBUH), que se formó en 828. 

El próximo campeón puede ser la Torre Jeddah (anteriormente llamada Kingdom Tower) en Jeddah, Arabia Saudita, aunque todavía está en construcción. Inicialmente prevista para su finalización en 2020, la altura tal como se diseñó originalmente habría sido de alrededor de 1,600 m (casi 1 milla), por lo que se la llamó informalmente "Torre de una milla de altura". Las últimas informaciones mostraban que sólo alcanzaría 1 km de altura y más de 167 plantas. Otros rascacielos existentes en el mundo incluyen el Merdeka 118 en Kuala Lumpur, Malasia, con una altura de 680 m; la Torre Shanghai en Shanghai, China, con una altura de 632 m; y las Torres Abraj Al-Bait en La Meca, Arabia Saudita, con una altura de 601 m.

Además de estos récords mundiales contemporáneos, otros que encabezan la lista de “en construcción” de 2022 pueden incluir el edificio Goldin Finance en Tianjin, China, con una altura esperada de 597 m; el Centro Financiero Internacional Jinmao de Groenlandia en Wuhan, China, con una altura prevista de 500 m; y el Centro Suzhou Zhongnan en Suzhou, China, con una altura prevista de 500 m. De hecho, la mayoría de los rascacielos "en construcción" mejor clasificados de la lista se encuentran en China. Se puede ver fácilmente que la tendencia mundial en construcción compite por un nuevo récord en términos de altura.

Aunque la altura oficial del Burj Khalifa es de 828 m, la altura del piso ocupable más alto del edificio es de sólo 586 m, lo que equivale al piso 163. Dicho esto, esta es la altura exacta a la que se requiere el servicio de ascensor. En general, se sabe que los ascensores tradicionales son ineficaces para dar servicio a edificios de gran altura, ya que suponen una pérdida de tiempo y un coste prohibitivo. Según IBM (2010), el tiempo acumulado que los trabajadores de oficina pasan esperando los ascensores en los últimos 12 meses (2009-2010) ascendió a 92 años en 16 áreas metropolitanas de EE. UU. A medida que los edificios crecen, los ascensores tienen que dar servicio a muchos más ocupantes. demandando así muchos más ascensores y huecos de ascensor. Ascher (2013) opina que cada fila adicional de ascensores reduce la superficie disponible para alquiler o venta, lo que reduce el potencial de ingresos del edificio. Ken Yeang (1996), un renombrado arquitecto y ecologista, proporciona directrices sobre la proporción de espacio aceptable en edificios de gran altura, siendo la superficie neta a bruta no inferior al 75%, mientras que una cifra superior al 80% al 85% debería ser mejor. Sujeto al hecho de que los ascensores son una limitación de tamaño en estos edificios de gran altura, debería abandonarse el enfoque convencional de hasta dos cabinas por caja de ascensor. Dado que los ascensores tradicionales para edificios de gran altura funcionan con tracción por cable, es imposible colocar demasiadas cabinas en un mismo hueco. Además, a medida que la longitud de los cables de elevación se hace más larga, los objetos pueden alcanzar fácilmente el nivel de resonancia y la vibración de los cables se vuelve mucho mayor durante la operación (DOE, 2016) porque la frecuencia natural de un trozo de cable depende de la longitud (Halliday et al. , 2015) mientras que dicha longitud sigue cambiando cuando el automóvil se mueve hacia arriba y hacia abajo. De ahí que sea muy difícil evitar que las cuerdas alcancen su frecuencia natural (Yang et al., 2017).

La conclusión simple es que las cabinas de los ascensores de gran altura deben funcionar sin cables mediante la manipulación de motores lineales. Esto no es una idea nueva. Ya en 1981, se presentó una patente estadounidense (US 4402386A), denominada “Ascensor autopropulsado que utiliza un motor eléctrico lineal como contrapeso.” Aunque este sistema todavía está cableado, la polea impulsora principal convencional en la parte superior del hueco del ascensor no existe. El motor de inducción lineal se instala en el contrapeso cilíndrico que está conectado a la cabina del ascensor mediante cuerdas a través de poleas en la parte superior del hueco del ascensor (Janovsky, 1993). En otras palabras, el contrapeso recibe energía para subir y bajar la cabina del ascensor. La primera patente sin cables se presentó en 1991 (US 5234079A), donde los imanes permanentes se montan en el costado de la cabina del ascensor y los devanados del estator se montan en el costado de los rieles guía. El rotor de imán permanente del automóvil está orientado hacia los devanados del estator. Cuando se acciona, se puede producir un empuje hacia arriba. No hay cuerda ni contrapeso, lo que permite disponer de la mayor cantidad posible de cabinas de ascensor independientes en un mismo hueco vertical. Los imanes están cubiertos con una fina lámina de plástico para permitir una fácil eliminación del polvo de hierro que se deposita en la superficie de vez en cuando (Janovsky, 1993). 

Los motores lineales se han utilizado en otros sectores industriales, en particular en el sistema ferroviario de levitación magnética y en accionamientos industriales en fábricas (Boldea et al., 2001; Glatzel et al., 1980; Morizane et al., 2000). En la última década, se han realizado más estudios académicos sobre ascensores multicabina accionados por motores lineales (Takahashi et al., 2008; Onat, 2010). En sus estudios, el imperativo empleo de motores lineales para accionar ascensores sin cable es afirmativo. Anteriormente se consideraron los motores de inducción lineal y los motores de reluctancia conmutada, pero su relación entre carga útil y peso propio era relativamente baja. Por lo tanto, se recomendó el uso de LPMSM. Además, se sugirió que una parte importante del coste era el estator, ya que tenía que abarcar toda la longitud del hueco del ascensor. Por lo tanto, se adoptó la disposición PMSM con núcleo de aire con devanados estacionarios a lo largo del hueco del ascensor, mientras que se instalaron imanes permanentes en la cabina del ascensor ya que no era práctico sujetar cables eléctricos largos al motor, que es la cabina del ascensor. Y se adoptó el tipo Halbach de disposición de imán permanente para reducir el efecto de prominencia. 

La implementación real de LPMSM en un sistema de ascensor fue exitosa en Alemania (Appunn et al., 2018), lo que se analiza con más detalle en la siguiente sección.

2. Aplicación real de LPMSM en ascensores

2.1 El MULTI™

El nombre comercial MULTI™ apareció por primera vez en 2016 (Appunn et al., 2016), cuando el sistema se estaba probando en la torre de pruebas de TKE en Rottweil, Alemania. Según Appunn et al. (2016), se instaló una vitrina a gran escala donde se llevaron a cabo la puesta en servicio y pruebas exhaustivas. Con el nombre MULTI, cada caja de ascensor puede albergar tantos coches como sea práctico, reduciendo así el espacio que ocupan las cajas de ascensor en un edificio de gran altura. Cada cabina de ascensor lleva un trineo en la parte posterior, que aloja el yugo de imán permanente secundario del LPMSM, mientras que la parte principal consta de múltiples unidades de bobina en configuración de doble matriz colocadas a lo largo de los huecos del ascensor. Todas las bobinas son energizadas por unidades inversoras basadas en IGBT distribuidas a lo largo de los huecos del ascensor. En la configuración de doble matriz, ocho controladores de motor y unidades de bobina actúan en un solo vagón. 

En las intersecciones de los carriles verticales y horizontales de los huecos del ascensor se pueden ubicar cuatro intercambiadores. El trineo situado en la parte trasera de cada vagón puede girar 90° en una plataforma giratoria, es decir, el intercambiador sobre raíles. Cada intercambiador es un dispositivo de giro directo que hace girar el trineo y el motor lineal mientras el carro permanece vertical mediante un enclavamiento. Luego, el carro puede moverse horizontalmente hasta llegar a otro intercambiador donde el trineo puede restablecer su dirección vertical.

La detección de la posición de la cabina es de suma importancia cuando se utiliza un sensor especial, el efecto mutuo entre la báscula en la cabina y los cabezales de los sensores a lo largo del hueco del ascensor. La precisión de la detección de posición se reduce a micrómetros. Cada automóvil está equipado con dos sistemas de frenado mecánico, es decir, el freno de funcionamiento y el paracaídas. Según Appunn et al. (2016), la prueba se realizó con dos coches bajo dos escenarios. En el escenario uno, se permitió que dos vagones de diferentes pesos subieran y bajaran juntos a lo largo de dos huecos de ascensor verticales independientes con una velocidad nominal de 5 m/s y una tasa de aceleración de 1.2 m/s.². Aquí se consumió la potencia eléctrica máxima y se midió y probó la eficacia del amortiguador de energía. En el escenario dos, tres vagones de diferentes pesos se movían a lo largo de huecos de ascensor tanto verticales como horizontales con una velocidad vertical de 5 m/s y una velocidad horizontal de 0.2 m/s; la aceleración máxima fue de 1.2 m/s² y 0.4m/s^2, respectivamente.

Para facilitar la construcción de ascensores sin cable similares con el uso de LPMSM, es posible que se requieran algunas tecnologías desarrolladas por otros, como se analiza a continuación.

2.2 Mejora del empuje del LPMSM

Según Cui et al. (2020) y Hu et al. (2021), el LPMSM de doble cara es un mejor candidato para los ascensores sin cable debido a la alta densidad de empuje por unidad de longitud, la cancelación de la fuerza normal de doble cara y una mejor estabilidad del empuje contra la fluctuación del entrehierro. Sin embargo, debido a la precisión de la instalación, el entrehierro de los LPMSM de doble cara puede desviarse durante el funcionamiento, lo que provoca problemas de desgaste y ruido por vibración. Ajustar el campo magnético del entrehierro de estos motores puede ajustar la fuerza normal (Pang et al., 2021; Cao et al., 2021) de modo que el entrehierro vuelva a la posición de equilibrio y la influencia debida a dicha desviación del entrehierro pueda ser reducido. Por lo tanto, tanto la potencia de empuje como las regulaciones de fuerza normal son necesarias para los LPMSM de doble cara. Se desarrolló un LPMSM guiado por suspensión (Xu et al., 2022) en el que se integran un motor de polo saliente y un motor magnetizador de CC junto con la adición de un devanado de excitación de CC al núcleo secundario. 

Otro enfoque fue la adopción del análisis de elementos finitos para mejorar la fuerza media y al mismo tiempo reducir las ondulaciones de la fuerza debido a la saturación mediante la reorganización de las bobinas de la armadura de acuerdo con la técnica de estrella de ranuras modificada (Souissi et al., 2021).

2.3 Diseño del regulador de exceso de velocidad

Como se mencionó anteriormente, el MULTI está equipado con equipo de seguridad para casos de emergencia. Sujeto a esta actuación, se requiere un limitador de exceso de velocidad sensible. El limitador de velocidad con cable convencional ya no es práctico en términos de ascensores sin cable. Se llevó a cabo un análisis teórico y experimental de un nuevo regulador de velocidad sin contacto y sin cuerda (Onat A. et al., 2022). Al manipular la fuerza inductiva electromagnética para medir la velocidad de movimiento del automóvil, el sensor es accionado mecánicamente por fuerzas de corrientes parásitas y su funcionamiento es independiente del suministro normal de electricidad, por lo que tiene un diseño a prueba de fallos. Se utilizan dos métodos para mejorar la sensibilidad. En primer lugar, las fuerzas de las corrientes parásitas se generan mediante una superposición variable de un imán sobre una placa de reacción, lo que hace que la relación velocidad-fuerza no sea lineal. En segundo lugar, las fuerzas de las corrientes parásitas son moduladas por la velocidad para obtener efectos de resonancia mecánica.

3. Estudio Teórico sobre Aplicaciones LPMSM 

3.1 El modelo de máquina

El modelo de máquina de un LPMSM es muy similar al de uno rotativo (So et al., 2018), Figura 1. Los devanados trifásicos estacionarios (1-2-3) que serán energizados por el inversor IGBT son primero convertido a un sistema estacionario de dos fases (DQ) y finalmente a un sistema rotativo de dos fases (dq) por las famosas transformaciones de Clark-Park. Este sistema giratorio se elige para que sea sincrónico con la velocidad del rotor.   

Cada devanado está representado por R equivalente_s-L_d-L_q circuitos en serie. El voltaje instantáneo aplicado a cada devanado se denota por u_x, mientras que la corriente por yo_x donde x = 1, 2, 3, D, Q, d o q. Ψ_f es el flujo magnético del imán permanente en el rotor, es decir, el secundario de un LPMSM. 

Según (So et al., 2018), la potencia electromagnética, P_em, y la fuerza electromagnética lineal, F_em, del motor están dados por la ecuación 1.

Aquí, v es la velocidad lineal del secundario, p el número de polos, el paso polar, Ψ_d el enlace de flujo a lo largo del eje d, Ψ_q el enlace de flujo magnético a lo largo del eje q y Ψ_f el enlace de flujo magnético del imán permanente, medido en webers. l_d y yo_q son las inductancias de armadura a lo largo del eje d y del eje q, respectivamente. El secundario, o rotor, no tiene devanado sino sólo un imán permanente con enlace de flujo, Ψ_f a lo largo del eje d y no hay ningún imán permanente a lo largo del eje q. Por lo tanto, enlace de flujo total a lo largo del eje d, Ψ_d =L_d i_d + Ψf y el enlace de flujo total a lo largo del eje q, Ψq = Lq iq. Sea Ψ_s ser la suma vectorial de Ψ_d y Ψ_q, y δ sea el ángulo entre Ψ_s y Ψ_d, tenemos la ecuación 2 para el empuje lineal. Si no hay saliente en el secundario, es decir, entrehierro uniforme entre el estator y el rotor, tenemos L_d =L_q =L_s. La ecuación 2 se convierte entonces en la ecuación 3.

Eso explica por qué el control tradicional de PMSM o LPMSM juega con la corriente a lo largo del eje q solo para determinar el par correcto o el empuje correcto. De la ecuación 3, es obvio que se puede obtener un empuje mayor aumentando la corriente a lo largo del eje q y el flujo magnético natural del imán permanente. Sin embargo, resulta costoso instalar imanes permanentes con un flujo elevado. 

3.2 Consideración del consumo de energía

Según So et al. (2018), se encontró que el consumo de energía de un ascensor sin cable basado en LPMSM depende de L_s (se asumió que no hay prominencia), R_s y Ψ_f. La Tabla 1 muestra los parámetros del motor utilizados para llevar a cabo la simulación y se adoptó la cinemática estándar, es decir, un viaje a carga completa que consta de siete procesos, a saber, sacudida, aceleración, sacudida, velocidad nominal, sacudida, desaceleración y sacudida, respectivamente. 

La Tabla 2 muestra que se simularon 18 casos, es decir, tres R diferentes_s, tres L diferentes_s y dos Ψ diferentes_f. Los resultados en la Tabla 2 y la Figura 2 muestran el consumo de potencia o energía versus la velocidad. Los resultados se clasifican en cinco grupos, a saber, A, B, C, D y E. Hay ocho casos del Grupo E que son inestables. Por lo tanto, el rendimiento no se pudo representar en la Figura 2. Por lo tanto, sólo se representan 10 casos en la Figura 2. Cuando L_s y/o R_s son altos, la operación se vuelve inestable. Cuando Ψ_f es alto mientras R_s y yo_s son bajos, se podría lograr un rendimiento muy eficiente. 

3.3 Frenado regenerativo

En funcionamiento normal, debido a la ausencia de cables y contrapesos, un ascensor sin cables debe frenarse en modo regenerativo cuando desciende. Por supuesto, si el MULTI está equipado con freno mecánico, éste sólo podrá utilizarse cuando el coche esté completamente parado. Además, en caso de emergencia, cuando se produzca un auténtico fallo eléctrico, la frenada regenerativa debe ser la primera vía, aunque el MULTI podrá estar equipado con un paracaídas mecánico.

Se analizó la fuerza de frenado producida en el proceso de frenado regenerativo y se derivó la expresión de la distancia mínima de frenado para un frenado seguro del ascensor (Gao et al., 2019). En ese artículo, utilizando el método de elementos finitos, se analizó más a fondo la relación entre la fuerza de frenado y la velocidad de caída del automóvil durante el proceso de frenado regenerativo y se estudió la influencia de la resistencia en serie externa y la longitud del entrehierro del motor en la fuerza de frenado. 

Según Janovsky (1993), las bobinas primarias unidas al costado de los rieles guía descritos en la patente US 5234079A podrían cortocircuitarse durante un evento de corte de energía para realizar el frenado dinámico. Y se afirmó que si el porcentaje de impedancia de la bobina primaria es del 5%, la velocidad de descenso se puede mantener en el 5% del valor nominal o menos.

Se derivó una fórmula para determinar la velocidad de caída terminal del ascensor en tal condición, como se muestra en la ecuación 4.

Aquí, M es la masa total del coche incluyendo todo, es decir, la jaula, las instalaciones y la carga completa. v- es la velocidad terminal. Al resolver la ecuación cuadrática 4, es posible estimar dicha velocidad terminal en función de los parámetros de la máquina. Y los resultados de la simulación bajo combinaciones seleccionadas se muestran en la Figura 3. Se puede ver que se podría obtener una velocidad terminal muy baja (inferior a la velocidad de mantenimiento normal) con menos número de polos, R más pequeño._s y yo_s. Con una velocidad de caída terminal tan baja, la carga sobre el diseño mecánico del paracaídas podría reducirse considerablemente. Fue propuesto en So et al. (2018) que el método de cambio de polos podría usarse aquí.  

3.4 La existencia de la prominencia

Muy a menudo es inevitable que exista prominencia porque es un diseño común en la construcción de motores. Se revisa la ecuación 2. Cuando yo_d ≠L_q, la fuerza impulsora se vuelve más complicada ya que depende tanto de sinδ como de sin(2δ). Entonces, se requiere un algoritmo de control más sofisticado. Los autores estudiaron más a fondo esta situación (So et al., 2019). Cuando no hay prominencia, dos controladores se consideran suficientemente buenos (So et al., 2018), uno para i_d y uno para yo_q. Muy a menudo, yo_d se ajusta para que sea lo más cercano a cero posible para obtener una relación par-corriente más alta. Con prominencia, se agregó un controlador más para proporcionar el punto de ajuste de i_q mientras que el punto de ajuste de i_d se mantuvo constante. De hecho, la idea del método de par máximo por corriente de armadura sugerida para motores rotativos síncronos permanentes (Morimoto et al., 1994) también podría adoptarse aquí para que los LPMSM determinen la relación deseable entre i_{d q} cada vez que yo_q cambia como respuesta a los cambios de torque. 

4. Conclusión

En este artículo, se destacan las razones por las que los ascensores inalámbricos basados ​​en LPMSM se convertirán en la tendencia futura, seguido de una breve descripción de la demostración única en el mundo. Luego, se analizan varias tecnologías involucradas para realizar dicho sistema, incluido el diseño del regulador de velocidad y la mejora del empuje de los LPMSM por parte de otros. Luego, se revisan brevemente diversos estudios previos por simulación realizados por los autores de este artículo con énfasis en el consumo de energía, el frenado regenerativo y la prominencia de los polos. Se espera que más investigadores puedan analizar este diseño de ascensor del futuro para mejorar los sistemas de servicios de los edificios de gran altura.

Referencias

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