Progettazione e sviluppo di ascensori MRL

Un resoconto di prima mano delle origini del moderno MRL

Nel 1996 è stata annunciata una svolta tecnologica: un modo per posizionare un motore a magneti permanenti (PM) senza ingranaggi direttamente nell'albero per eliminare la sala macchine. Sebbene il motore PM dovesse essere piccolo, produrrebbe una coppia elevata per azionare direttamente l'auto e il contrappeso in un intervallo di giri da uno a 1,000 (rispetto ai tradizionali giri del motore induttivo da uno a 100). Per ottenere una forza motrice quanto più grande possibile (coppia divisa per raggio), il raggio della puleggia motrice sarebbe il più piccolo possibile e il rapporto della fune sarebbe il più grande possibile, ad esempio 2:1 o 4: 1.

sfondo

L'autore ha studiato la tecnologia degli ascensori senza locale macchina (MRL) da quando è entrato a far parte della Quality Lift Products Ltd. (QLP) come ingegnere di sviluppo del prodotto nel 2003. L'azienda ha fornito ascensori MRL al mercato del Regno Unito dal 2002. Con 1:1 funi a sbalzo, il design era costoso e mal progettato; né andava bene per portate superiori a 1000 kg, poiché tutti i carichi venivano presi da una parete su un lato del pozzo. Nello sviluppo di prodotti futuri per QLP, ho cercato molto duramente di cambiare la corda in 2:1.

Nel 2004, ho avuto la possibilità di realizzare il progetto concettuale dell'ascensore MRL per il progetto della metropolitana di Londra (LU) affidato a quella che questo articolo chiamerà "Società A", che installerebbe circa 120 ascensori per i Giochi Olimpici del 2012. Ho presentato due modelli concettuali 3D alla società A e LU e uno è stato accettato. Verrà chiamato il concorrente del progetto
“Società B.” Questa società era già stata fornitrice di tutte le apparecchiature elettriche per quel progetto. Il mio progetto alla fine ha aiutato QLP a essere il fornitore, fornendo tutte le attrezzature meccaniche. 

I motivi per cui LU ha voluto ascensori MRL su misura sono:

• Questi ascensori MRL dovevano avere ingressi passanti, mentre la maggior parte dei vani esistenti nelle stazioni LU erano larghi ma poco profondi (in profondità). Un tipico ascensore MRL con ingressi passanti non è stato possibile inserire nei vani, in quanto la macchina è montata su una delle guide di cabina e il contrappeso è alloggiato a lato del vano e sfalsa la guida di cabina, il che richiede maggiore profondità dell'albero.
• Gli ascensori MRL di alcuni produttori utilizzavano cinghie per azionare la cabina dell'ascensore, il che non era una buona soluzione per le stazioni della metropolitana. Poiché le cinghie erano prodotti nuovi all'epoca, la loro affidabilità doveva ancora essere testata dal mercato (Figura 2).
• All'epoca, un produttore disponeva di ascensori MRL con posizionamento del motore direttamente sopra il tetto dell'auto, che richiedeva più spazio per la testa (Figura 3). (L'attuale ascensore MRL globale dell'azienda è in produzione dal 2005, ma è stato lanciato nel mercato britannico nel 2007-2008. Il design era simile al mio, che ho realizzato almeno un anno prima, e la capacità del mio design è maggiore degli ascensori dell'azienda, che hanno una portata massima di 1000 kg.)
• Gli ascensori MRL standard di altri fornitori europei erano leggeri e non adatti al trasporto pubblico.
• LU voleva che gli ascensori potessero essere mantenuti da qualsiasi società britannica indipendente di servizi di ascensori, quindi hanno preferito un produttore indipendente. Ciò era particolarmente vero per le apparecchiature elettriche.

L'azienda A ha impiegato QLP per progettare l'ascensore MRL in modo che non utilizzasse i prodotti della concorrenza e non venisse coinvolta in questioni relative ai brevetti. 

Componenti critici

Un magnete al neodimio è un PM di terre rare fatto da una lega di neodimio, ferro e boro per formare la struttura cristallina tetragonale Nd2Fe14B. Questo materiale attualmente comprende il tipo più forte di PM (ELEVATOR WORLD, aprile 2019).

Un motore elettrico sincrono è un motore a corrente alternata caratterizzato da un rotore che gira con bobine che fanno passare i magneti alla stessa velocità della corrente alternata (AC) e il campo magnetico risultante che lo guida. Un altro modo per dirlo è che ha zero slittamento nelle normali condizioni operative. (Confronta questo con un motore a induzione, che deve slittare per produrre coppia.) Funzionano in modo sincrono con la frequenza di linea. Come con i motori a induzione a gabbia di scoiattolo, la velocità è determinata dal numero di coppie di poli e dalla frequenza di linea. I motori sincroni sono disponibili da taglie subfrazionarie, autoeccitate, a taglie industriali ad alta potenza, eccitate in corrente continua. Nella gamma di potenza frazionaria, la maggior parte dei motori sincroni viene utilizzata dove è richiesta una velocità costante precisa. Nelle taglie industriali di alta potenza, il motore sincrono svolge due importanti funzioni. Innanzitutto, è un mezzo altamente efficiente per convertire l'energia CA in lavoro. In secondo luogo, può funzionare al fattore di potenza principale o unitario e quindi fornire la correzione del fattore di potenza.

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).

A causa della saturazione magnetica, l'intensità del campo magnetico non può essere aumentata all'infinito. Per aumentare la coppia sono disponibili solo due modi: aumentare il diametro del motore e/o aumentare la lunghezza del motore. Ecco perché i motori PM sono solitamente realizzati in piano (sottili ma di grande diametro) per ottenere la massima coppia possibile. Un altro scopo di un rotatore di grande diametro è quello di ottenere un rapporto maggiore tra il rotatore e la puleggia motrice. La Figura 4 mostra un concetto simile per aumentare la coppia senza utilizzare un cambio. Poiché la coppia è proporzionale al quadrato del raggio, è indispensabile iniziare con un motore PM (piatto) quando si progettano gli ascensori MRL.

Relazione tra D/d e Rope Life

F = T/R dove F = forza motrice, T = coppia e R = raggio. Un modo per avere abbastanza F con una velocità di rotazione del motore costante è quello di rendere il raggio della puleggia motrice il più piccolo possibile. Tuttavia, il diametro della puleggia deve essere maggiore di 40 volte il diametro della fune. Normalmente, nella progettazione dell'ascensore MRL, il diametro della fune (d) selezionato è 8 mm (più specificamente, 7.92 mm). Il diametro della puleggia (D) è 40 X d = 320 mm. Se il diametro della fune è troppo piccolo, saranno necessarie troppe funi sotto carico. Con un motore PM a matita, D deve essere il più piccolo possibile, motivo per cui alcuni produttori di MRL devono utilizzare le cinghie, invece delle funi, per azionare la cabina dell'ascensore e il contrappeso. È importante notare che D/d dovrebbe essere almeno 45; in caso contrario, le funi si usurano molto rapidamente, possibilmente ridotte a meno di due anni per un sollevamento molto impegnato.

Velocità ed efficacia ideali

Poiché la maggior parte dei motori PM è progettata per funi 2:1, supporre che la velocità di un ascensore (V) sia 1 m/s e d = 320 mm. Quindi, la velocità di rotazione per la fune 2:1 sarebbe di 240 giri/min. Se la fune è 1:1, la velocità è la metà di quella di 2:1. I motori PM hanno ampi intervalli di velocità; la velocità di rotazione ideale può essere di 400 giri/min (per velocità di 1.6 m/s) o superiore.

L'efficacia del motore PM a bassa velocità non può essere molto elevata (dovrebbe essere inferiore all'83%). Alcuni annunci pubblicitari di prodotti dichiaravano un'efficacia superiore al 95%, ovvero alla velocità ideale. Ad esempio, a 1.6 m/s, con fune 2:1, la velocità ideale richiesta è 400 giri/min). A velocità inferiori, come 1 m/s, l'energia persa verrà convertita in calore. Poiché il magnete in terre rare è piuttosto sensibile al surriscaldamento, il motore non funziona molto frequentemente (ad esempio, come farebbe in un grattacielo). Se il motore si surriscalda, quando la temperatura è maggiore di 150°C, può perdere momentaneamente il magnetismo; se si surriscalda troppo gravemente (es. a 370-400°C/cortocircuito), può perdere permanentemente il magnetismo. Questo è il motivo per cui la maggior parte delle installazioni di motori PM deve includere ventilatori.

Accelerazione

Senza un riduttore - che è un amplificatore di coppia, piuttosto che un riduttore di velocità - il fattore di accelerazione del motore PM è molto inferiore a quello di una macchina a ingranaggi, che normalmente è a = 0.5 m/s². Quando l'autore ha progettato gli ascensori MRL a due piani per un progetto, il cliente ha inizialmente specificato una velocità di 1.6 m/s. Ho fatto un calcolo e mostrato i risultati al cliente per dimostrare che 2.56 m è la distanza minima per raggiungere la massima velocità (V = a XT, T = V/a = 1.6/0.5 = 3.2 s, H = 0.5 X a XT² = 2.56 m). Se l'altezza del pavimento è inferiore a 5.12 m (2.56 m X 2), l'auto non raggiungerà mai la massima velocità. Questa velocità più elevata potrebbe far risparmiare solo pochi secondi su una velocità di 1 m/s, ma richiede che l'intero sistema sia progettato per adattarsi alla velocità più elevata. Ciò aumenterebbe il costo totale di almeno il 40%. Inoltre, poiché il motore PM lavorerebbe principalmente a una velocità inferiore a 1.6 m/s, l'efficienza energetica sarebbe scarsa.

Peso dell'automobile

Quando viene applicata una coppia a un corpo, l'accelerazione angolare ( ) è data da = /I. dipende non solo dalla coppia ( ), ma anche dal momento d'inerzia (I) del corpo attorno all'asse dato, che viene determinato mediante l'equazione. Quando è fisso, per avere una maggiore accelerazione, il momento d'inerzia del gruppo ruota motrice deve essere mantenuto il più piccolo possibile. Di conseguenza, la cabina dell'ascensore MRL dovrebbe essere leggera (ad esempio, per un tipico ascensore MRL con una capacità di 1000 kg, il peso della cabina dovrebbe essere 790-1,150 kg). A volte, anche le auto in alluminio vengono utilizzate per ridurre il loro peso per un'accelerazione ragionevole.

Rapporto di corda

La maggior parte degli ascensori MRL utilizza funi 2:1. I vantaggi sono:

• Per ridurre della metà il numero di funi
• Per aumentare facilmente la coppia di due volte all'avviamento e alle basse velocità
• Una riduzione delle dimensioni del 50% a parità di capacità di sollevamento
• Un motore 1:1 è più del 40% più costoso di un motore 2:1.
• La fune 1:1 non è economica per portate superiori a 630 kg.

Velocità

I motori PM hanno un ampio intervallo di velocità variabile, quindi anche la potenza nominale dovrebbe essere variabile. Sarebbe corretto utilizzare lo stesso tipo di motori PM per ascensori a velocità diverse. Ad esempio, lo stesso motore PM potrebbe essere utilizzato per configurazioni di sollevamento MRL di 630 kg a 1 m/s e 630 kg a 1.6 m/s.

Cabina Ascensore Integrata Con Deviatori Sottoporta

I nuovi concetti di design dell'auto per gli ascensori MRL includono la costruzione dell'imbracatura dell'auto con pannelli dell'auto insieme a deviatori sottostanti per avere meno sul cartop. Si noti che è necessaria una balaustra cartop da 700 mm quando lo spazio tra il pannello della cabina e la parete laterale è inferiore a 500 mm; se l'intercapedine è maggiore di 500 mm, l'altezza della balaustra deve essere di 1,100 mm.

Ascensori MRL ad alta velocità

Gli ascensori MRL non sono adatti per i grattacieli. Innanzitutto, poiché il rapporto della fune è 2:1, quando la velocità nominale è maggiore di 3 m/s, la velocità della fune sarà maggiore di 6 m/s, che è troppo veloce per l'intero sistema. In secondo luogo, a causa della lunghezza delle funi e della catena/fune di compensazione, la massa dell'intera puleggia motrice è molto più grande degli ascensori MRL a bassa velocità. Per avere un'accelerazione accettabile, il motore PM dovrebbe essere molto grande. Di conseguenza, il vano ascensore non sarebbe in grado di accogliere la macchina.

MRL Ascensore Protezione UCM

I PM sono installati nei rotori dei motori PM per fornire un campo magnetico permanente, quindi non è necessario indurre un rotore ad alta corrente per il funzionamento del motore. Se si collegano i terminali normalmente chiusi dei contattori principali a una serie di resistori, se i freni si guastano quando l'auto e il contrappeso non sono in equilibrio, il motore PM diventa un generatore di corrente alternata. In questo caso, le correnti elettriche vengono scaricate dai resistori. Sebbene non possano fermare completamente il movimento, producono una coppia resistente contro di esso per rallentarlo considerevolmente. Questo effetto può essere considerato come una protezione da movimento involontario della cabina (UCM) quando i freni si guastano o in caso di malfunzionamento (ad esempio, un incidente reale in cui un tecnico dell'assistenza ha rilasciato a distanza i freni, che ha provocato lo schianto della cabina dell'ascensore contro l'altezza della testata, danneggiando gravemente la cabina dell'ascensore e il tampone di contrappeso).

Brevetti

I criteri per i brevetti nel Regno Unito sono che l'idea non deve essere divulgata in precedenza, deve avere un'attività inventiva e deve essere un'applicazione industriale. Questi hanno una durata di 20 anni. Poiché le regole possono essere complicate e variare da paese a paese, coloro che le cercano dovrebbero ottenere una consulenza professionale (ad es. un agente per i brevetti). Concetti astratti come i seguenti non sono brevettabili nel Regno Unito:

• Teorie scientifiche
• Presentazioni di informazioni
• Programmi per computer
• Metodi di diagnosi

Il tuo autore è entrato a far parte dell'azienda B nel giugno 2008. Mi è stato richiesto di produrre disegni di produzione per un ascensore MRL da 800 kg, che si basava su un progetto di un ascensore MRL da 630 kg esistente in 2D con fune 1:1. Ho colto l'occasione per convertire l'ascensore da 630 kg da disegni 2D a un modello 3D. Sono stato in grado di farlo solo nel corso di un mese, poiché ho compreso appieno il principio del progetto precedente. Inoltre, ho scoperto che si potevano raggiungere i seguenti obiettivi:

• Miglioramenti nella sicurezza
• Riduzione dell'altezza libera di 700 mm
• Meno funi e metà delle forze caricate sulle ruote dentate/deviatrici
• Riduzione dei materiali e dei costi di produzione

Grandi sfide affrontate

La maggior parte dei componenti dell'ascensore è realizzata in lamiera con una tolleranza minima di ±0.5 mm. Poiché l'ascensore è installato in un vano con una tolleranza di ±25 mm, i componenti sono facili da progettare e produrre. Per quanto riguarda il principio di ingegneria, l'autore ha seguito principalmente le norme di sicurezza EN 81-1 per la costruzione e l'installazione di ascensori. Il nuovo ascensore deve essere 2:1, poiché molti layout con funi 2:1 erano stati registrati come brevetti in Europa. Pertanto, evitare di violare i brevetti è stata la più grande sfida del tuo autore.

Processo e indagine

Il modello 3D del tuo autore ha permesso di trovare molto rapidamente tutti i problemi nel progetto esistente. Non solo il design presentava problemi di sicurezza, ma richiedeva anche 700 mm di spazio in più rispetto alla maggior parte delle altre marche. La maggior parte dei vani ascensore esistenti aveva un'altezza limitata (circa 2,800-3,500 mm), motivo per cui gli ascensori MRL sono stati molto richiesti per la sostituzione completa degli ascensori negli edifici esistenti.

Liquidazione superiore

Supponendo che la distanza tra il contrappeso e i suoi respingenti sia di 200 mm e la compressione sia di 170 mm (come minimo), devono essere soddisfatte quattro condizioni quando il contrappeso poggia sui suoi respingenti completamente compressi:

• La corsa guidata della cabina, ancora possibile in salita, deve essere uguale o maggiore della corsa minima, data dalla formula 0.1 + 0.035V²(m), dove V è la velocità nominale (m/s).
  L'altezza libera sopra il tetto del box cabina deve essere di almeno 1 + 0.035V² (m).
• La distanza libera tra la parte più bassa del soffitto del vano corsa e la parte più alta dei pattini di guida degli attacchi fune e qualsiasi parte di una porta scorrevole verticale deve essere almeno 0.1 + 0.035V²(m). Inoltre, la distanza tra la parte più bassa del soffitto e la parte più alta di qualsiasi altra attrezzatura fissata sul tetto dell'auto deve essere di almeno 0.3 + 0.035 V² (m).
• Dovrebbe esserci spazio sufficiente sopra l'auto per ospitare un blocco prisma con dimensioni minime 0.5 X 0.6 X 0.8 m appoggiato su una delle sue facce. Con gli ascensori a fune diretta, le funi di sospensione e i loro attacchi possono essere inclusi in questo spazio, a condizione che la distanza tra l'asse della fune e almeno una faccia verticale del blocco non superi i 150 mm.
• Analogamente, quando la cabina poggia sui suoi respingenti completamente compressi, la corsa guidata del contrappeso, che è ancora possibile in salita, deve essere almeno 0.1 + 0.035V²(m).

Profondità fossa

Supponendo che la distanza tra la cabina e i suoi respingenti sia di 50 mm e la compressione sia di 170 mm (come minimo), le seguenti condizioni devono essere soddisfatte quando l'auto poggia sui suoi respingenti completamente compressi:

• Nella fossa deve esserci spazio sufficiente per accogliere un blocco prisma delle dimensioni con dimensioni minime 0.5 X 0.6 X 0.8 m appoggiato su una delle sue facce.
• La distanza netta tra il fondo della fossa e (a) la parte più bassa dei pattini di guida, dei paracadute, delle guide dei piedi o di qualsiasi parte delle porte a scorrimento verticale deve essere di almeno 0.1 m. (b) La parte più bassa della vettura, ad eccezione degli elementi descritti in (a), deve essere di almeno 0.5 m.
• La distanza verticale libera tra la parte superiore dei componenti fissati nella fossa, come un dispositivo di tensionamento per le funi di compensazione, e la parte più bassa della cabina, ad eccezione dei componenti di cui al punto (a) (un punto sopra), deve essere almeno 0.3 m.

Risultati previsti

Altri modelli

Il tuo autore ha anche prodotto altri due modelli per l'azienda B, che erano simili all'ascensore che ho progettato per il progetto LU nel 2004. (Ho visto un progetto simile anche a Sydney, in Australia, nel gennaio 2020). Poiché questi non sono stati adottati, possono essere pubblicati come miei esercizi personali (Figure 16 e 17).

Lezioni

L'autore ha appreso molte soluzioni per la progettazione di ascensori MRL lavorando in una multinazionale. Questo disegno può essere estrapolato nei seguenti modi:

• Le ruote deviatrici possono essere appese sotto le travi di sostegno.
• L'altezza dell'imbracatura può essere ulteriormente ridotta di 200 mm; l'altezza minima può essere modificata a 3,500 mm.
• La profondità della fossa può essere ridotta a 1.350 m.
• D/d dovrebbe essere almeno 45.

Contributi al progetto

L'autore ha fatto quanto segue durante il lavoro sul progetto:

• Annullato il progetto esistente, che aveva molti problemi di sicurezza nascosti
• Costi notevolmente ridotti e complessità di produzione
• Configurare un potente sistema di progettazione assistita da computer 3D per l'azienda
• Capacità di progettazione migliorata, dagli ascensori MRL su misura con una capacità massima di 800 kg a un'intera serie di ascensori con capacità massime più elevate, pronti per la produzione in serie.

Conclusioni

Si possono trarre le seguenti conclusioni:

• Il design dell'ascensore MRL si basa sul motore PM; è imperativo selezionare quello giusto. Il motore serve come prima considerazione nella progettazione.
• La dimensione del motore PM è determinata dalla coppia applicata, piuttosto che dalla potenza.
• Un rapporto di fune di 2:1 è sempre migliore di 1:1.
• Rispetto a un motore PM convenzionale a matita, un motore PM a disco/piatto è sempre la prima scelta per la progettazione di ascensori MRL.
• La trazione dall'alto è sempre migliore di quella dal basso: in un sistema a trazione dal basso le funi devono essere troppo lunghe e dotate di troppi deviatori, il che ne riduce notevolmente la durata.
• 3 m/s dovrebbe essere la velocità massima per un ascensore MRL; in caso contrario, la velocità della fune è troppo elevata.
• L'altezza massima di viaggio per un ascensore MRL deve essere inferiore a 120 m; in caso contrario, il motore PM può facilmente surriscaldarsi a causa di frequenti arresti/avvii. Gli ordini per ascensori che devono funzionare per un lungo periodo non devono essere evasi con ascensori MRL quando la corsa totale supera i 100 m.
• L'ascensore MRL è un prodotto leggero e non dovrebbe essere raccomandato per scopi pesanti, come per abitazioni pubbliche, parcheggi multipiano o stazioni ferroviarie. Se c'è una necessità speciale, dovrebbero essere impiegate unità MRL di potenza più elevata in modo da consentire un peso maggiore della cabina, rendendo la cabina più robusta (ad esempio, un ascensore MRL standard da 800 kg di capacità modificato come un ascensore da 630 kg- MRL di capacità con una cabina pesante e robusta).
• L'ascensore MRL è stato lanciato per la prima volta nel 1996. Questi brevetti dovrebbero essere scaduti entro la fine del 2016, quindi alcune idee sul design dell'ascensore MRL possono essere utilizzate per qualsiasi progetto. In caso di domande sull'utilizzo, si consiglia di consultare un agente di brevetti per confermare.
• Al giorno d'oggi, i motori PM, al posto delle macchine con riduttore CA o delle macchine senza ingranaggi CC, sono ampiamente utilizzati negli ascensori sopra la sala macchine. Poiché ho sperimentato alcune gare d'appalto che utilizzavano soluzioni di ascensori MRL per ascensori sopra il locale macchine per ridurre al minimo i costi, particolare attenzione deve essere prestata a quegli ascensori "piccolo locale macchine" per edifici di media altezza. Il semplice spostamento della macchina di un ascensore MRL dal vano alla sala macchine per costruire un ascensore sopra il locale macchine non è accettabile, specialmente per gli edifici adibiti ad uffici, per i quali il rapporto di fune degli ascensori sopra il locale macchine dovrebbe essere 1 :1, anziché 2:1. Ciò è dovuto al fatto che una macchina dell'ascensore sopra il locale macchine avrebbe una tolleranza maggiore, una migliore affidabilità e una durata della fune più lunga a 1:1, rispetto a 2:1.

Conformità alle norme

Il gioco superiore e la profondità della fossa in questo articolo erano conformi alla EN81-1:1998 (come il progetto è stato fatto nel 2004-2009).

Referenze

[1] Peizhong Ma. "La soluzione chiave del design MRL", China Elevator, 2002, 13(5): p. 7-10.
[2] Lubomir Janovsky. Progettazione meccanica dell'ascensore, 3a edizione.
[3] Brevetti europei per ascensori MRL