Cavalcare l'onda dei veicoli elettrici

Perché le tecnologie dei motori rotativi potrebbero superare i motori lineari negli ascensori senza fune

di James Hutchinson e Daniel Johnson

La corsa allo sviluppo di sistemi di ascensori senza fune pratici ha subito una forte accelerazione nell'ultimo decennio. Con l'aumento della popolazione urbana e il continuo raggiungimento di altezze senza precedenti da parte degli edifici, il settore del trasporto verticale (VT) sta esplorando sempre più alternative ai tradizionali sistemi a fune.

La maggior parte dei progetti attuali di ascensori senza fune si basa su sistemi di propulsione a motore lineare, resi popolari per la prima volta dai treni a levitazione magnetica. Questi sistemi sono eleganti in teoria e tecnologicamente impressionanti nella pratica; tuttavia, una domanda importante rimane in gran parte senza risposta nel settore: i motori lineari rappresentano la migliore architettura di propulsione a lungo termine per gli ascensori senza fune? Noi di Hyprlift crediamo che la risposta possa essere "no".

Riteniamo invece che il futuro della trasmissione verticale senza funi possa appartenere, in definitiva, ai sistemi basati su tecnologie di motori elettrici rotativi, in particolare a quelli in grado di sfruttare lo straordinario ritmo di innovazione attualmente imposto dall'industria globale dei veicoli elettrici (EV).

La questione strategica nascosta dietro gli ascensori senza fune

Gran parte del dibattito nel settore degli ascensori senza funi si concentra sulla "geometria del movimento", che comprende la traslazione multidirezionale, l'efficienza del pozzo, il miglioramento della produttività, l'eliminazione delle funi e la riduzione dell'ingombro del nucleo. Tutti questi aspetti sono importanti. Ma c'è un'altra domanda che potrebbe rivelarsi ancora più cruciale: quale architettura di propulsione migliorerà più rapidamente nei prossimi 20 anni? 

Non si tratta solo di una questione tecnica. È anche una questione economica e industriale, perché i futuri vincitori nel settore della virtualizzazione potrebbero non essere semplicemente i sistemi che funzionano meglio oggi, ma i sistemi integrati nei più grandi ecosistemi di innovazione del mondo.

Il futuro della trasmissione verticale senza funi potrebbe appartenere, in definitiva, ai sistemi basati su tecnologie di motori elettrici rotativi, in particolare a quelli in grado di sfruttare lo straordinario ritmo di innovazione attualmente imposto dall'industria globale dei veicoli elettrici (EV).

L'ipotesi del motore lineare

Molti progetti di ascensori senza fune utilizzano motori a induzione lineare o motori sincroni lineari. In termini semplici, un motore lineare può essere immaginato come un motore rotativo "srotolato" in linea retta. Anziché produrre coppia rotazionale, il motore genera una spinta lineare diretta sul "rotore" parallela al piano dello "statore".

Questo approccio offre alcune caratteristiche interessanti, tra cui la propulsione a trasmissione diretta, l'eliminazione della conversione da rotativo a lineare, l'assenza di perdite per attrito o vibrazioni e un funzionamento più silenzioso. Questi vantaggi hanno reso i motori lineari un successo nelle applicazioni a levitazione magnetica, come i sistemi di trasporto persone per interni, i sistemi di automazione industriale e almeno una linea ferroviaria pendolare (la SCMaglev giapponese, la cui apertura è prevista per il 2034).

Tuttavia, i motori lineari introducono anche significativi compromessi ingegneristici che diventano particolarmente importanti nelle applicazioni per ascensori.

Il problema delle infrastrutture

Alcune delle maggiori sfide relative ai sistemi di ascensori a motore lineare derivano dai requisiti infrastrutturali. Nella maggior parte delle architetture di propulsione lineare, parti significative dei sistemi di propulsione devono essere integrate all'interno del vano ascensore stesso. Queste possono includere componenti dello statore elettromagnetico (bobine di rame, materiali magnetici speciali per il nucleo, relè a stato solido), reti di distribuzione dell'energia (cablaggio in rame, trasformatori, alimentatori di regolazione), sistemi di gestione termica (sia ad aria forzata che a liquido circolante) e requisiti di allineamento precisi. Con l'aumentare dell'altezza degli edifici, questo onere infrastrutturale cresce di conseguenza.

La complessa infrastruttura necessaria per i sistemi a motore lineare crea diverse sfide pratiche rispetto ai sistemi a fune convenzionali, tra cui una maggiore complessità di progettazione/installazione, costi dei materiali, difficoltà di accesso per la manutenzione e esigenze di gestione termica.

Di fatto, l'edificio stesso diventa parte integrante del sistema di propulsione. 

Un approccio diverso: la propulsione dinamico-trattiva

Hyprlift ha perseguito un'architettura alternativa nota come propulsione dinamico-traente.

Anziché affidarsi a unità motorizzate lineari distribuite lungo l'intera lunghezza di un pozzo, il sistema Hyprlift utilizza motori rotativi all'interno di un'architettura dinamico-traente a bordo di ciascun veicolo (cabina) che genera forze di trazione controllate contro l'infrastruttura di guide passive esistente, consentendo un funzionamento semovente e senza funi con un impatto minimo sul pozzo o sull'edificio.

Ciò crea un'architettura di sistema fondamentalmente diversa: anziché installare infrastrutture di propulsione all'interno dell'edificio, questi sistemi sono concentrati principalmente all'interno dei veicoli stessi. Tale distinzione potrebbe avere profonde implicazioni a lungo termine.

Perché l'industria dei veicoli elettrici è importante

Il vantaggio più importante dell'architettura dei motori rotativi potrebbe non risiedere nei motori stessi, bensì nel fatto che l'intera industria automobilistica globale sta investendo migliaia di miliardi di dollari per migliorarli.

Lo sviluppo dei veicoli elettrici moderni sta progredendo su molti fronti: efficienza del motore, densità di coppia/potenza, elettronica di potenza, gestione termica, materiali più leggeri e resistenti, controllo del motore assistito dall'IA, sistemi rigenerativi, scalabilità e affidabilità della produzione e altro ancora. 

Questo ciclo di innovazione si sta verificando a una velocità straordinaria perché i produttori di veicoli elettrici competono a livello globale e su scala enorme. Di conseguenza, la tecnologia dei motori rotativi sta migliorando oggi più rapidamente che in qualsiasi altro momento della storia.

È importante sottolineare che le aziende produttrici di ascensori non devono finanziare direttamente questi progressi. Possono semplicemente integrarli nei loro sistemi.

I sistemi di ascensori senza fune basati su tecnologie a motore rotativo stanno cavalcando l'onda dell'innovazione del settore dei veicoli elettrici. Con il miglioramento dei sistemi di propulsione dei veicoli elettrici, migliorano anche le tecnologie abilitanti fondamentali necessarie per i sistemi di ascensori avanzati.

Cavalcare l'onda dell'innovazione dei veicoli elettrici

I sistemi di ascensori senza fune basati su tecnologie a motore rotativo stanno cavalcando l'onda dell'innovazione del settore dei veicoli elettrici. Con il miglioramento dei sistemi di propulsione dei veicoli elettrici, migliorano anche le tecnologie abilitanti fondamentali necessarie per i sistemi di ascensori avanzati. Ciò include miglioramenti in termini di densità di potenza, efficienza, sistemi di raffreddamento, elettronica di azionamento, controllori di motori, sistemi software predittivi, affidabilità e producibilità.

I sistemi di motori lineari, al contrario, si inseriscono in un ecosistema industriale molto più ristretto. Sebbene i motori lineari continuino a evolversi, l'entità degli investimenti a loro dedicati è ben lontana da quella che attualmente caratterizza i sistemi di propulsione dei veicoli elettrici. Questa asimmetria è significativa.

Considerazioni sull'efficienza

I motori a induzione lineari devono affrontare anche diverse sfide fisiche intrinseche. Una delle più note è la perdita per "effetto terminale", che si verifica perché il campo magnetico di un motore lineare si deforma rispetto alla forma di movimento ideale e funziona in modo meno efficiente in prossimità delle estremità della corsa.

I motori lineari, inoltre, richiedono in genere spazi d'aria maggiori tra gli elementi mobili e quelli fissi rispetto ai motori rotativi, il che aumenta la potenza necessaria per ottenere livelli di forza comparabili, riducendo ulteriormente l'efficienza.

Al contrario, i motori rotativi beneficiano di decenni di ottimizzazione nella geometria del campo elettromagnetico, nella progettazione termica, nella progettazione per la produzione, nei sistemi di controllo e nell'elettronica di potenza. Il ritmo di questi e altri miglioramenti continua ad accelerare a causa della domanda di veicoli elettrici.

Il software sta diventando la chiave della tecnologia di propulsione

Un'altra importante tendenza che sta ridefinendo la tecnologia di propulsione è il controllo definito via software. I moderni sistemi di propulsione per veicoli elettrici si affidano sempre più a software specializzati per massimizzare le prestazioni dell'hardware fisico, tra cui l'ottimizzazione della coppia in tempo reale, la gestione termica predittiva, la messa a punto dell'efficienza assistita dall'intelligenza artificiale, il controllo vettoriale avanzato e i sistemi di azionamento tolleranti ai guasti.

Il software alla base di questo ecosistema tecnologico si sta evolvendo rapidamente a causa dell'intensa concorrenza, soprattutto nel mercato automobilistico. L'architettura degli ascensori senza fune basata su motori rotativi è posizionata per sfruttare direttamente questi progressi. Per molti aspetti, il futuro della propulsione elettrica sarà guidato tanto dal software quanto dall'hardware.

Slancio tecnologico a lungo termine

Il settore degli ascensori si è storicamente evoluto lentamente rispetto ad altri settori, tra cui quello automobilistico o dell'elettronica di consumo. I sistemi senza fune rappresentano una rara opportunità per ripensare l'architettura di propulsione alla base dell'intero settore degli ascensori.

Nella valutazione delle tecnologie a lungo termine, è importante considerare non solo le prestazioni attuali, ma anche le prospettive future. Le tecnologie connesse a vasti ecosistemi industriali beneficiano di cicli di innovazione più rapidi, di un bacino di talenti ingegneristici più ampio, di catene di approvvigionamento più efficienti, di costi di produzione inferiori e di software affidabili.

Oggi, le tecnologie dei motori rotativi sono al centro di una delle più grandi trasformazioni industriali della storia moderna. I sistemi di motori lineari no.

Il futuro degli ascensori senza fune

I sistemi a motore lineare rimangono risultati ingegneristici di tutto rispetto e potrebbero continuare a svolgere un ruolo importante in diverse modalità di trasporto, compresi quelli verticali. Tuttavia, man mano che l'industria degli ascensori passa dai prototipi alla diffusione su scala globale, le forze economiche e tecnologiche più ampie assumeranno un'importanza crescente.

La domanda non può più essere semplicemente: "I motori lineari possono muovere gli ascensori?" Chiaramente, possono. La domanda deve essere: "Quale architettura di propulsione è nella posizione migliore per evolversi nei prossimi decenni?"

Noi di Hyprlift crediamo che la risposta risieda in un'architettura in grado di sfruttare la rapida evoluzione globale delle tecnologie dei motori rotativi. Perché, in fin dei conti, il futuro degli ascensori senza fune potrebbe dipendere non solo da come si muovono, ma anche da quali settori industriali stanno guidando lo sviluppo delle tecnologie che li supportano.