Progettazione e sviluppo di macchine per ascensori ad alta velocità

Un'indagine sulla durata della fune e sul cedimento dei cuscinetti

Parole chiave: Ascensori ad alta velocità, Motore magnetico permanente (PM), Coppia, Dimensioni del motore, Diametro della puleggia motrice D, Diametro delle funi d, Rapporto tra D e d, Usura, Guasto dei cuscinetti, Numero di funi, Peso delle funi di sospensione, Peso delle funi di compensazione

Astratto

Oggigiorno, i motori a magneti permanenti (PM), al posto dei motori a corrente alternata con riduttore o dei motori a corrente continua senza riduttore, sono ampiamente utilizzati negli ascensori con sala macchine sopraelevata. La dimensione di un motore a magneti permanenti è determinata dalla coppia applicata, ovvero: Coppia = Forza motrice x Raggio. Per ridurre al minimo la coppia e quindi i costi di produzione, il raggio della puleggia motrice deve essere il più piccolo possibile.

Tradizionalmente, il diametro della puleggia si basa sullo standard per le funi d'acciaio, che richiede che sia almeno 40 volte il diametro della fune (d). Tuttavia, il codice e lo standard rappresentano il requisito minimo per la sicurezza piuttosto che per la qualità: per ottenere una qualità accettabile per gli ascensori, per unità di media o alta altezza, il rapporto tra D e d deve essere maggiore.
di 40.

La durata massima delle funi e il diametro minimo della puleggia motrice, il peso massimo delle funi (comprese le funi di compensazione) e il diametro minimo della puleggia sono due coppie di contraddizioni. Se si applica D/d=40 a tutti gli ascensori, si verificheranno problemi enormi. Pertanto, l'autore fornisce alcuni suggerimenti riguardo a D/d:

1. Sfondo

L'articolo del tuo autore Progettazione e sviluppo di ascensori MRL è stato pubblicato su ELEVATOR WORLD nell'agosto 2020 e EW Middle East nel quarto trimestre del 4 (in inglese e arabo).

Poiché la progettazione di ascensori senza locale macchina (MRL) si basa sul motore a magneti permanenti (PM), la scelta del motore a magneti permanenti più adatto è fondamentale. Per questo motivo, ho condotto un'intensa ricerca sui motori a magneti permanenti dal 2004; i punti chiave per la scelta dei motori a magneti permanenti sono:

• La dimensione del motore PM è determinata dalla coppia applicata piuttosto che dalla potenza.
• La potenza del motore PM è variabile nella zona di velocità effettiva (Figura 7), a differenza del motore CA convenzionale.
• Rispetto a un motore PM convenzionale a matita, un motore PM a disco/piatto è sempre la prima scelta per la progettazione di un ascensore MRL.

Inoltre, l'autore ha ricevuto l'approvazione di alcune gare d'appalto che utilizzavano soluzioni MRL per ascensori con locale macchine soprastante, al fine di ridurre al minimo i costi. Particolare attenzione deve essere prestata agli ascensori con "locale macchine piccolo" per edifici di media altezza. Il semplice spostamento del macchinario di un ascensore MRL dal vano al locale macchine per realizzare un ascensore con locale macchine soprastante non è accettabile.

La Figura 2 è una proposta di gara per un ascensore di servizio da 2500 kg in un edificio per uffici di 18 piani. Le specifiche richiedono che l'ascensore abbia una velocità di 1.6 m/s e che la macchina sia di tipo piatto con un diametro minimo della puleggia motrice D/diametro della fune d non inferiore a 45, e che la fune sia di 2:1. Tuttavia, la proposta di gara prevedeva che la macchina avesse un rapporto D/d=40 con fune 4:1 a una velocità massima di 1.0 m/s.

2. I problemi 

L'autore è stato invitato a indagare su un problema con gli ascensori per passeggeri in un hotel di lusso in Cina nel marzo 2024. L'altezza di percorrenza è di 330 m e i quattro ascensori per passeggeri da 1600 kg, con una velocità di 10 m/s, avevano già subito due sostituzioni di funi da quando l'hotel aveva aperto 14 anni prima. 

Oltre a questo, mi è stato detto che non solo le pulegge motrici erano gravemente usurate, ma anche i cuscinetti delle macchine erano stati sostituiti almeno una volta in meno di un decennio. Inoltre, alcuni degli alberi delle pulegge motrici erano gravemente danneggiati a causa del cedimento dei cuscinetti.

Il diametro delle funi, d=19 mm, è stato trovato sulla targhetta delle macchine e il numero delle funi era 10. Le pulegge motrici hanno un diametro D= 900 o 760 secondo il manuale di uso e manutenzione, ma dovrebbe essere 760 secondo la misurazione visiva. In tal caso, D/d=760/19=40, che soddisfa di poco il requisito minimo del codice e della norma.

Al contrario, c'erano due ascensori di servizio con la stessa capacità, ma la velocità era di 7 m/s. Avevano esattamente gli stessi macchinari, ma il numero di funi era nove invece di 10. Quei due ascensori di servizio erano molto trafficati, funzionavano ininterrottamente tutti i giorni, ma non presentavano i problemi sopra menzionati. 

Confrontando i dati di altri produttori di ascensori, il produttore A ha un ascensore da 1600 kg con una velocità di 10 m/s, che utilizza nove funi d16 e una puleggia motrice con diametro D=900 mm, D/d=900/16=56.25. In alternativa, il produttore B ha un ascensore da 1600 kg con una velocità di 10 m/s, che utilizza 10 funi d16. La puleggia motrice ha un diametro D=860 mm, D/d=860/16=53.75. Da qui si può osservare che: se D=900, il diametro della fune d=16 mm con nove funi è l'opzione migliore, poiché il peso totale delle funi è il minimo.

Dalla Figura 3, la fune d16 ha una massa di 1.03 kg/m. Se l'altezza di percorrenza è di 330 m, comprese le funi di compensazione, il peso totale delle 10 funi d16 è di 6798 kg e il peso totale delle nove funi d16 è di 6118 kg.

La corda d19 ha una massa di 1.45 kg/m. Se l'altezza di percorrenza è di 330 m, includere le corde di compensazione. Il peso totale delle 10 corde d19 è di 9570 kg. Il peso totale delle nove corde d19 è di 8613 kg; la differenza (il peso di una singola corda) è di 957 kg.

La differenza tra 10 funi d19 e 10 funi d16 è 9570 kg - 6798 kg = 2772 kg. Poiché le funi sono avvolte due volte, il carico statico causato dalle 10 funi d19 sulla puleggia motrice è di 4026 kg maggiore di quello di 10 funi d16. Il carico statico causato dalle 10 funi d19 sulla puleggia motrice è di 6904 kg (circa 7 t), maggiore di quello di nove funi d16.

3. Le ragioni 

L'ascensore MRL è il risultato dell'innovazione dei motori a magneti permanenti (PM). Oggigiorno, i motori a magneti permanenti (PM), al posto dei motori a corrente alternata con riduttore o dei motori a corrente continua senza riduttore, sono ampiamente utilizzati negli ascensori con sala macchine sopraelevata. Sebbene il motore a magneti permanenti sia di piccole dimensioni, può generare una coppia elevata per azionare direttamente la cabina e il contrappeso tramite le funi in un intervallo di giri effettivi compreso tra un millesimo e un centesimo di millesimo, rispetto ai tradizionali motori induttivi che operano a una velocità di rotazione nominale compresa tra 100 millesimi e 10 millesimi di quella nominale con alimentazione CA a 1,000 Hz. Pertanto, il riduttore può essere rimosso dall'ascensore. 

3.1 Caratteristiche del motore PM 

T = BLR2πRA = 2BA(πR²L) = 2BAV^[1]

dove T=coppia (totale), B=intensità del campo magnetico, L=lunghezza del conduttore nel campo magnetico, R=raggio equivalente del motore e V=volume del motore (sezione equivalente del motore di lunghezza X L). 

A causa della saturazione magnetica, l'intensità del campo magnetico non può essere aumentata all'infinito. Per aumentare la coppia, ci sono solo due modi: aumentare il diametro del motore e/o aumentarne la lunghezza. Per questo motivo, i motori a magneti permanenti sono solitamente realizzati piatti (sottili ma con un diametro maggiore) per ottenere la coppia più elevata possibile. Un altro scopo di un rotore di grande diametro è quello di ottenere un rapporto di riduzione maggiore tra il rotore e la puleggia motrice, come mostrato in Figura 12. 

Poiché la coppia è proporzionale al quadrato del raggio, quando si progettano ascensori MRL è fondamentale iniziare con un motore PM (piatto).

3.2 Relazione tra D/d e durata della corda 

F = T/r 

dove F = forza motrice, T = coppia e r = raggio della puleggia motrice. Un modo per ottenere F sufficiente è ridurre al minimo il raggio della puleggia motrice. Tuttavia, secondo il codice e la norma per gli ascensori, il rapporto tra il diametro primitivo di pulegge, pulegge o tamburi e il diametro nominale delle funi di sospensione deve essere almeno pari a 40, indipendentemente dal numero di trefoli delle funi di sospensione. 

Con un motore PM a matita, D deve essere il più piccolo possibile, motivo per cui alcuni produttori di ascensori hanno scelto di utilizzare cinghie anziché funi per azionare la cabina e il contrappeso. È importante notare che D/d dovrebbe essere almeno 45; altrimenti, le funi si usureranno molto rapidamente, riducendosi potenzialmente a meno di due anni per un ascensore molto utilizzato. 

Risultati dei calcoli di diversi (D Diametro Puleggia Motrice)/d (Diametro Fune) utilizzando un calcolatore del ciclo di vita della fune fornito da PFEIFER Drako:

• Quando D = 320 mm, d = 8 mm e D/d = 40, il ciclo di vita medio = 542,000.
• Quando D = 360 mm, d = 8 mm e D/d = 45, il ciclo di vita medio = 1,393,000 (2.57 volte quello del punto 1 sopra).
• Quando D = 400 mm, d = 8 mm e D/d = 50, il ciclo di vita medio = 2,011,000 (3.71 volte quello del punto 1 sopra).
• Quando D = 480 mm, d = 8 mm e D/d = 60, il ciclo di vita medio = 3,526,000 (6.5 volte quello del punto 1 sopra).
• In Europa, sono presenti molti ascensori MRL in edifici residenziali bassi per i quali un D/d = 40 può essere accettabile. Poiché le macchine dei moderni ascensori MRL utilizzano normalmente motori a magneti permanenti (PM), alcuni produttori potrebbero utilizzare un D/d il più vicino possibile a 40. In tal caso, è necessario prestare particolare attenzione al calcolo del ciclo di vita delle funi, soprattutto per gli ascensori destinati all'installazione in edifici adibiti a uffici.

4. Soluzioni

In passato, l'autore ha svolto attività di consulenza per un progetto di uffici di 20 piani. Il diametro della puleggia motrice era D=600 mm, il diametro delle funi d=13, quindi D/d=600/13=46.15. La portata era di 2500 kg alla velocità di 3.5 m/s con rapporto di tiro 2:1. La durata delle funi era la preoccupazione principale all'epoca. Infine, l'appaltatore dell'ascensore ha concordato che la manutenzione completa avrebbe incluso una garanzia di 10 anni sulla durata delle funi.

In questo caso, la sostituzione della macchina è impossibile. Poiché la fune è a doppio avvolgimento, è anche impossibile utilizzare funi piatte in fibra di carbonio al posto di funi tonde in acciaio. Di conseguenza, ridurre la velocità da 10 m/s a 7 m/s con nove funi è l'unica soluzione praticabile. 

Senza un'adeguata analisi del traffico, solo in base all'esperienza dell'autore, i quattro ascensori per passeggeri da 1600 kg a 7 m/s che servono i piani dell'hotel in cima all'edificio ad uso misto dovrebbero essere sufficienti e le prestazioni dovrebbero essere in grado di soddisfare i criteri di progettazione.

5. I due tipi di macchine per ascensori     

Poiché l'autore ha dovuto cercare informazioni sulla progettazione di macchine per ascensori ad alta velocità, da questa indagine sono state tratte molte lezioni, in particolare sui tipi di motori PM: in varie applicazioni vengono utilizzati due tipi di macchine elettriche: le macchine a magneti permanenti a flusso radiale (RFPM) e le macchine a magneti permanenti a flusso assiale (AFPM), ciascuna con i suoi vantaggi e svantaggi.

Vantaggi della macchina RFPM

1. Elevata densità di potenza: possono generare più potenza in un volume più piccolo, rendendoli adatti ad applicazioni in cui lo spazio è limitato.
2. Tecnologia matura: le macchine RFPM sono in uso da più tempo e rappresentano una tecnologia più matura, il che significa che esiste una catena di fornitura consolidata per i componenti e un corpus di conoscenze più ampio disponibile per la progettazione e l'ottimizzazione.
3. Costi di produzione inferiori: in alcuni casi, le macchine RFPM possono essere meno costose da produrre rispetto alle macchine AFPM, soprattutto per applicazioni a bassa potenza.
4. Elevata efficienza: le macchine RFPM possono raggiungere elevati livelli di efficienza, soprattutto se ottimizzate per applicazioni specifiche.

Svantaggi della macchina RFPM

1. Peso maggiore
2. Densità di coppia inferiore: potrebbero richiedere dimensioni maggiori per ottenere la stessa coppia in uscita.
3. Opzioni di raffreddamento limitate: il raffreddamento del rotore di una macchina RFPM può essere più impegnativo rispetto alle macchine AFPM, con conseguenti potenziali problemi di gestione termica nelle applicazioni ad alta potenza.

La formula di base per la velocità di un motore a corrente alternata è: RPM = 120*F/P. F è la frequenza di alimentazione elettrica in hertz (Hz) e P è il numero di poli del motore. La velocità massima di un motore a magneti permanenti (PM) con alimentazione a corrente alternata a 50 Hz può essere considerata la velocità nominale o di riferimento. La potenza di un corpo rotante può essere espressa come P = Tω, T = coppia o "momento" (Nm), ω = velocità angolare (r/s) (Figura 7) e la potenza in uscita è una costante; pertanto, l'intervallo di effetto di un motore a magneti permanenti è compreso tra uno e un centesimo della velocità nominale (sotto i 100 Hz).

Vantaggi delle macchine AFPM

1. Design compatto: può essere vantaggioso nelle applicazioni in cui lo spazio è limitato o in cui la riduzione del peso è fondamentale.
2. Maggiore densità di coppia: possono raggiungere una coppia più elevata in un formato più piccolo.
3. Raffreddamento efficiente: la disposizione assiale del percorso del flusso nelle macchine AFPM consente un raffreddamento più efficiente.
4. Installazione flessibile: le macchine AFPM possono essere facilmente integrate in varie configurazioni, semplificando l'installazione e riducendo i requisiti di manutenzione.

Svantaggi delle macchine AFPM

1. Costi di produzione più elevati
2. Catena di fornitura limitata: la catena di fornitura per i componenti specifici delle macchine AFPM potrebbe non essere così consolidata come quella per le macchine RFPM, il che può comportare tempi di consegna più lunghi e costi più elevati per i componenti specializzati.
3. Progettazione complessa: la progettazione delle macchine AFPM richiede un'attenta valutazione di fattori quali i percorsi del flusso magnetico e i canali di raffreddamento.  

Oltre ai motori PM a flusso assiale, un esperto cinese ha posto una domanda al vostro autore: "Per quegli ascensori a due piani da 2250 kg/2250 kg alla velocità di 10 m/s, perché la macchina di un produttore ha un peso di 7500 kg, mentre le macchine dei suoi concorrenti normalmente pesano almeno 15,000 kg?" La mia risposta è stata che la macchina ha motori PM a flusso assiale a doppio lato invece di motori PM a flusso radiale a lato singolo. 

In realtà, consultando il depliant informativo del produttore, gli ascensori a due piani da 2250 kg/2250 kg a 10 m/s, con una potenza in uscita di 330 kW e D=1200 mm, pesano 6150 kg anziché 7500 kg. Le funi sono 14 x d18, 13 x d19 mm o 12 x d22. Penso che 13 x d19 sia l'opzione migliore, con D/d=1200/19=63.15.

6. CONCLUSIONE

L'autore ritiene che le funi piatte in acciaio, le funi in fibra di carbonio e gli ascensori a flusso assiale saranno la direzione di sviluppo del prodotto per gli ascensori ad alta velocità nel breve termine. Da questa analisi sulla durata delle funi e sul cedimento dei cuscinetti, si possono trarre le seguenti conclusioni:

• Poiché il peso totale delle 10 funi d19 (compresa la compensazione) è di 9570 kg, ovvero 5.98 volte la capacità di 1600 kJ, ridurre la capacità da 1600 kg a 1350 kg consentirà di ridurre il peso totale dell'intero sistema solo di 250+0.5X250=375 kg. Ciò contribuirà a migliorare poco sia la durata delle funi che quella dei cuscinetti. 
• I produttori di ascensori non avevano le macchine adatte per gli ascensori per passeggeri a una cabina da 10 m/s. Di conseguenza, "fu impiegato un cane per trainare una carrozza trainata da cavalli" (Figura 1). 
• Utilizzando una macchina di potenza inferiore per l'ascensore con una velocità di 10 m/s, per avere una forza motrice sufficiente come (F=T/r), il diametro della puleggia motrice dovrà essere il più piccolo possibile, ovvero non 900 mm ma 760 mm. Altrimenti, per le macchine sarebbe stata utilizzata una fune 9Xd16. 

• Poiché una puleggia motrice con diametro di 760 mm ha una lunghezza di contatto inferiore rispetto a una con diametro di 900 mm per le funi d16, l'attrito non sarà sufficiente. Di conseguenza, il diametro della fune dovrà essere aumentato a d19 anziché d16, ma 10 funi d19 aumenteranno considerevolmente il peso delle funi (compensazione inclusa); di conseguenza, i cuscinetti saranno gravemente sovraccaricati. Inoltre, poiché D/d è pari a 40, è molto probabile che le 10 funi d19 si usurino entro cinque anni.
• La velocità di 10 m/s è superiore del 42.8% rispetto a quella di 7 m/s, a causa dell'aumento di velocità e del peso eccessivo della fune. Il tempo di accelerazione e decelerazione più lungo del 42.8% causerà il cedimento dei cuscinetti nel giro di pochi anni. D'altra parte, la velocità di 10 m/s potrebbe essere al di fuori dell'intervallo di velocità effettiva di una macchina PM da 7 m/s (Figura 7).  
• Il principale svantaggio delle macchine a flusso assiale è il costo di produzione, dovuto alla limitata catena di fornitura. Tuttavia, rispetto agli enormi vantaggi apportati alle macchine per ascensori ad alta velocità, il costo aggiuntivo può essere trascurato. D'altra parte, la tecnologia delle macchine a flusso assiale è ben consolidata e il brevetto della macchina per ascensori a flusso assiale (Figura 12) è scaduto dal 2016, quindi si prevede che i costi di produzione delle macchine a flusso assiale diminuiranno sempre di più.

La macchina per ascensori a flusso assiale con avvolgimento singolo è la prima scelta per gli ascensori ad alta velocità, in particolare per gli ascensori a due piani, perché sono più semplici nella costruzione e il peso della macchina è inferiore alla metà di quello della tradizionale macchina a flusso radiale. 

Quando l'altezza di percorrenza è superiore a 500 m, si dovrebbe prendere in seria considerazione l'ascensore a flusso assiale con funi in fibra di carbonio leggera.

7. Note dell'autore 

I codici e gli standard rappresentano il requisito minimo di sicurezza, non di qualità. Per i produttori di ascensori (come quello in Figura 2), il semplice rispetto del requisito minimo di sicurezza per immettere i propri prodotti sul mercato non è accettabile.

Un D/d di almeno 40 è il requisito minimo di sicurezza, ma non è adatto a tutti gli ascensori. Pertanto, l'autore fornisce alcuni suggerimenti:

• Quando la velocità di un ascensore è inferiore a 1.6 m/s (inclusi), D/d è consentito come minimo pari a 40.
• Quando la velocità è maggiore di 2 m/s (inclusi) e minore di 3.5 m/s (inclusi), D/d deve essere almeno 45.
• Quando la velocità di un ascensore è maggiore di 4 m/s (inclusi) ma minore di 7 m/s (inclusi), il D/d deve essere almeno 50.
• Quando la velocità di un ascensore è maggiore di 8 m/s (inclusi), D/d deve essere almeno 55. 
• Il coefficiente di attrito tra le funi d'acciaio e la puleggia motrice in ferro è tipicamente compreso tra 0.15 e 0.3, ed è molto stabile. Tuttavia, il coefficiente di attrito tra le cinghie d'acciaio rivestite non è solo molto ampio (0.176-0.784).^[6] Inoltre, più a lungo è in servizio, maggiore è il coefficiente. Questo causerà una sovratrazione. Si ritiene che le funi non metalliche abbiano un coefficiente di attrito simile a quello delle cinghie in acciaio a scorrimento. È per questo che nel trasporto verticale (VT) si utilizza l'attrito metallo su metallo per la forza di trazione. Quando la cabina dell'ascensore sale ad alta velocità ma si verifica un arresto di emergenza, se l'attrito è eccessivo, le funi non metalliche e la puleggia motrice avranno poco attrito radente. Questo causerà una forza enorme che impedirà al contrappeso di scendere. Poiché l'impulso F×Δt=M×(V2-V1), poiché il Δt è troppo breve, F sarà molto grande e causerà grossi problemi all'intero sistema. Ecco perché l'autore ritiene che le funi ultraleggere non siano adatte agli ascensori ad alta velocità. Tuttavia, installare l'ABS (sistema frenante antibloccaggio) sui freni dell'ascensore potrebbe essere una soluzione.

Referenze

[1] Progettazione e sviluppo di ascensori MRL, ELEVATOR WORLD numero di agosto 2020 e EW Middle East in Q4 2020. 

[2] Una revisione sistematica della ricerca e degli sviluppi attuali sulle macchine a magneti permanenti a flusso assiale senza nucleo - Habib - 2022 - IET Electric Power Applications - Wiley Online Library

[3] Caratteristiche di azionamento PMSM e curve di vincolo, uk.mathworks.com

[4] Brochure di vendita KONE 

[5] MANUALE OPERATIVO THYSSENKRUPP DRIVE DAB530 Scarica PDF | ManualsLib

[6] Rapporto di indagine e rapporto di valutazione tecnica sull'incidente con lesioni da guasto dell'ascensore "8.26" nella comunità internazionale di Zhong-Fang Ruizhi, distretto di Fu-Rong.

[7] Linkedin.com