Studio su macchine sincrone lineari a magneti permanenti per ascensori senza fune

di Albert So e WL Chan

Questo documento è stato presentato all'Elevcon 2023 a Praga, Repubblica Ceca.

Parole chiave: Motore lineare, senza funi, a magnete permanente, modello di simulazione

Astratto

È piuttosto certo che i sistemi di ascensore multidimensionali domineranno presto il settore degli ascensori nei prossimi anni grazie al primo sviluppo di successo di MULTI™ di TK Elevator (TKE). Per facilitare tale progettazione, è necessario implementare il concetto di ascensori senza fune e l’adozione di macchine sincrone lineari a magneti permanenti (LPMSM) come quelle utilizzate nel sistema MULTI è una scelta ovvia. Senza l'esistenza di funi di sollevamento, le cabine dell'ascensore non solo possono viaggiare lungo tutte e tre le direzioni, ma il numero di cabine in un vano corsa non è limitato a due. Abbiamo effettuato una serie di studi accademici per valutare le prestazioni di tali LPMSM in varie condizioni mediante simulazione. In questo articolo, che è un riassunto dei nostri lavori precedenti con alcuni nuovi input, il metodo di controllo per realizzare la cinematica richiesta durante un viaggio a pieno carico, l'impatto di diversi parametri elettrici sul consumo energetico e, soprattutto, l'analisi verrà discussa la soluzione associata al funzionamento di emergenza in caso di vera interruzione di corrente. Verranno inoltre considerati modelli di macchine a magneti permanenti superficiali e salienti. Questo è fondamentalmente un documento di revisione basato su una serie di precedenti pubblicazioni degli autori.

1. introduzione

Al momento della stesura di questo documento, l'edificio più alto del mondo era ancora il Burj Khalifa, che si trova a Dubai. All'inizio del 21° secolo, le Torri Petronas di Kuala Lumpur, in Malesia, erano considerate "le più alte del mondo" con un'altezza di 452 m. Poi, nel 2004, il Taipei 101 a Taipei, Taiwan, è diventato il più alto con un'altezza di 508 m. Nel 2009, la distinzione si è spostata al Burj Khalifa di Dubai con un'altezza di 828 m. Tali documenti potrebbero essere facilmente reperiti sul sito ufficiale del Council on Tall Buildings and Urban Habitat (CTBUH), fondato nel 1969. 

Il prossimo campione potrebbe essere la Jeddah Tower (precedentemente denominata Kingdom Tower) a Jeddah, in Arabia Saudita, sebbene sia ancora in costruzione. Inizialmente previsto per il completamento nel 2020, l'altezza originariamente progettata sarebbe stata di circa 1,600 m (quasi 1 mi.), così chiamata informalmente "Mile-High Tower". Le ultime informazioni hanno mostrato che avrebbe raggiunto solo 1 km di altezza, con oltre 167 piani. Altri grattacieli esistenti nel mondo includono il Merdeka 118 a Kuala Lumpur, in Malesia, con un'altezza di 680 m; la Shanghai Tower a Shanghai, in Cina, alta 632 m; e le Torri Abraj Al-Bait alla Mecca, Arabia Saudita, con un'altezza di 601 m.

Oltre a questi record mondiali contemporanei, altri in cima alla lista “in costruzione” del 2022 potrebbero includere il Goldin Finance Building a Tianjin, in Cina, con un’altezza prevista di 597 m; il Greenland Jinmao International Financial Center a Wuhan, Cina, con un'altezza prevista di 500 m; e il Suzhou Zhongnan Center a Suzhou, Cina, con un'altezza prevista di 500 m. È un dato di fatto, la maggior parte dei grattacieli “in costruzione” di alto livello presenti nell’elenco si trovano in Cina. Si può facilmente constatare che la tendenza mondiale degli edifici compete per un nuovo record in termini di altezza.

Sebbene l'altezza ufficiale del Burj Khalifa sia di 828 m, l'altezza del piano più alto occupabile all'interno dell'edificio è di soli 586 m, che equivale al 163° piano. Detto questo, questa è l'altezza esatta alla quale è richiesto il servizio dell'ascensore. È generalmente noto che gli ascensori tradizionali sono inefficienti nel servire edifici molto alti, poiché fanno perdere tempo e hanno costi proibitivi. Secondo IBM (2010), il tempo complessivo trascorso dagli impiegati in attesa degli ascensori negli ultimi 12 mesi (2009-2010) è stato pari a 92 anni in 16 aree metropolitane degli Stati Uniti. Man mano che gli edifici diventano più alti, gli ascensori devono servire molti più occupanti, richiedendo così molti più ascensori e vani ascensore. Ascher (2013) è del parere che ogni ulteriore serie di ascensori riduca la superficie disponibile per l'affitto o la vendita, riducendo così il potenziale di reddito dell'edificio. Ken Yeang (1996), un rinomato architetto ed ecologista, fornisce linee guida riguardanti il ​​rapporto tra lo spazio accettabile negli edifici molto alti, dove la superficie netta/lorda non è inferiore al 75%, mentre una cifra più alta è pari all'80%. all'85% dovrebbe essere migliore. Fermo restando il fatto che gli ascensori rappresentano un vincolo dimensionale per questi grattacieli, l’approccio convenzionale di un massimo di due cabine per vano corsa dovrebbe essere abbandonato. Poiché gli ascensori tradizionali per grattacieli sono azionati da funi mediante trazione, è impossibile mettere troppe auto in un unico vano corsa. Inoltre, man mano che la lunghezza delle funi di sollevamento aumenta, gli oggetti possono facilmente raggiungere il livello di risonanza e la vibrazione delle funi diventa molto maggiore durante il funzionamento (DOE, 2016) perché la frequenza naturale di un pezzo di fune dipende dalla lunghezza (Halliday et al. , 2015) mentre tale lunghezza continua a cambiare quando l'auto si muove su e giù. Pertanto, è molto difficile impedire alle corde di raggiungere la loro frequenza naturale (Yang et al., 2017).

La semplice conclusione è che le cabine degli ascensori per questi altissimi ascensori devono funzionare senza funi manipolando gli azionamenti dei motori lineari. Questa non è un'idea nuova. Già nel 1981 venne depositato un brevetto statunitense (US 4402386A), denominato “Ascensore autoalimentato che utilizza un motore elettrico lineare come contrappeso.” Sebbene questo sistema sia ancora dotato di corde, la puleggia motrice principale convenzionale nella parte superiore del vano corsa non esiste. Il motore lineare a induzione è installato sul contrappeso cilindrico collegato alla cabina dell'ascensore tramite funi tramite pulegge sulla parte superiore del vano corsa (Janovsky, 1993). In altre parole, il contrappeso viene alimentato per sollevare e abbassare la cabina dell'ascensore. Il primo brevetto senza fune è stato depositato nel 1991 (US 5234079A), dove i magneti permanenti sono montati sul lato della cabina dell'ascensore e gli avvolgimenti dello statore sono montati sul lato delle guide. Il rotore a magnete permanente dell'auto è rivolto verso gli avvolgimenti dello statore. Quando alimentato, è possibile produrre una spinta verso l'alto. Non sono presenti né funi né contrappesi, facilitando così il maggior numero possibile di cabine indipendenti nello stesso vano verticale. I magneti sono ricoperti da un sottile foglio di plastica per consentire una facile rimozione della polvere di ferro che di tanto in tanto si deposita sulla superficie (Janovsky, 1993). 

I motori lineari sono stati utilizzati in altri settori industriali, in particolare nel sistema ferroviario a levitazione magnetica e negli azionamenti industriali nelle fabbriche (Boldea et al., 2001; Glatzel et al., 1980; Morizane et al., 2000). Negli ultimi dieci anni sono stati condotti studi accademici sugli ascensori multicabina a motore lineare (Takahashi et al., 2008; Onat, 2010). Nei loro studi, l’imperativo impiego di motori lineari per azionare ascensori senza fune è affermativo. I motori a induzione lineare e i motori a riluttanza commutata sono stati presi in considerazione in precedenza, ma il loro rapporto tra carico utile e peso proprio era relativamente basso. Pertanto, è stato raccomandato l'uso di LPMSM. Inoltre, è stato suggerito che la maggior parte del costo fosse dovuto allo statore, poiché doveva coprire l'intera lunghezza del vano corsa. Pertanto, è stata adottata la disposizione PMSM con nucleo in aria con avvolgimenti stazionari lungo il vano corsa, mentre sulla cabina dell'ascensore sono stati installati magneti permanenti poiché non era pratico collegare lunghi cavi elettrici al motore, che è la cabina dell'ascensore. E il tipo Halbach di disposizione dei magneti permanenti è stato adottato per ridurre l'effetto della salienza. 

L'implementazione reale degli LPMSM su un sistema di ascensori ha avuto successo in Germania (Appunn et al., 2018), come verrà discusso più dettagliatamente nella sezione successiva.

2. Applicazione reale degli LPMSM sugli ascensori

2.1 Il MULTI™

Il nome commerciale MULTI™ è apparso per la prima volta nel 2016 (Appunn et al., 2016), quando il sistema veniva testato presso la torre di prova TKE a Rottweil, in Germania. Secondo Appunn et al. (2016), è stata installata una vetrina a grandezza naturale dove sono stati effettuati la messa in servizio e test approfonditi. Con il nome MULTI, ogni vano corsa può ospitare quante più auto possibile, riducendo così l'ingombro dei vani corsa in un grattacielo. Ciascuna cabina dell'ascensore trasporta una slitta sul retro, che accoglie il giogo secondario a magnete permanente dell'LPSMS, mentre la parte primaria è costituita da più unità bobina in configurazione a doppio array posizionate lungo i vani corsa. Tutte le bobine sono energizzate da unità inverter basate su IGBT distribuite lungo i vani corsa. Nella configurazione a doppio array, otto controller motore e unità bobina agiscono su una singola vettura. 

Quattro scambiatori possono essere posizionati alle intersezioni dei binari verticali e orizzontali dei vani corsa. La slitta sul retro di ogni vettura può ruotare di 90° su una piattaforma girevole, ovvero lo scambiatore su rotaie. Ogni scambiatore è un dispositivo di rotazione diretta che fa ruotare la slitta e il motore lineare mentre la cabina rimane verticale tramite un interblocco. Successivamente l'auto può spostarsi orizzontalmente fino a raggiungere un altro scambiatore dove la slitta può essere riportata in direzione verticale.

Il rilevamento della posizione della cabina è della massima importanza laddove viene utilizzato un sensore speciale, l'effetto reciproco tra la scala sulla cabina e le teste dei sensori lungo il vano corsa. La precisione del rilevamento della posizione è fino al micrometro. Ogni vettura è dotata di due sistemi di frenatura meccanica, ovvero il freno di esercizio e il paracadute. Secondo Appunn et al. (2016), la prova è stata effettuata con due auto in due scenari. Nello scenario uno, due auto di peso diverso potevano muoversi su e giù insieme lungo due montacarichi verticali indipendenti con una velocità nominale di 5 m/s e una velocità di accelerazione di 1.2 m/s.². Qui è stata consumata la potenza elettrica di picco ed è stata misurata e testata l'efficacia del buffer energetico. Nello scenario due, tre cabine di peso diverso si muovevano lungo i montanti sia verticali che orizzontali con una velocità verticale di 5 m/s e una velocità orizzontale di 0.2 m/s; l'accelerazione massima è stata di 1.2 m/s² e 0.4 m/s^2, rispettivamente.

Per facilitare la costruzione di ascensori senza fune simili con l'uso di LPMSM, potrebbero essere necessarie alcune tecnologie sviluppate da altri, come discusso di seguito.

2.2 Miglioramento della spinta dell'LPSMS

Secondo Cui et al. (2020) e Hu et al. (2021), l'LPSMM a doppia faccia è un candidato migliore per gli ascensori senza fune grazie all'elevata densità di spinta per unità di lunghezza, all'annullamento della forza normale a doppia faccia e alla migliore stabilità della spinta contro la fluttuazione del traferro. Tuttavia, a causa della precisione dell'installazione, il traferro degli LPMSM a doppia faccia può deviare durante il funzionamento, causando problemi di usura e vibrazioni. La regolazione del campo magnetico del traferro di questi motori può regolare la forza normale (Pang et al., 2021; Cao et al., 2021) in modo che il traferro ritorni alla posizione di equilibrio e l'influenza dovuta a tale deviazione del traferro possa essere ridotto. Pertanto, per gli LPMSM a doppia faccia sono necessarie sia la potenza di spinta che la regolazione della forza normale. È stato sviluppato un LPMSM guidato da sospensione (Xu et al., 2022) in cui un motore a polo saliente e un motore magnetizzante CC sono integrati insieme con l'aggiunta di un avvolgimento di eccitazione CC al nucleo secondario. 

Un altro approccio è stata l'adozione dell'analisi degli elementi finiti per migliorare la forza media riducendo al contempo le increspature di forza dovute alla saturazione riorganizzando le bobine dell'armatura secondo la tecnica della stella delle fessure modificata (Souissi et al., 2021).

2.3 Progettazione del limitatore di velocità

Come accennato in precedenza, il MULTI è dotato di dispositivi di sicurezza per le emergenze. In base a questa attivazione è necessario un limitatore di velocità sensibile. Il tradizionale limitatore di velocità a fune non è più pratico in termini di ascensori senza fune. È stata effettuata un'analisi teorica e sperimentale di un nuovo limitatore di velocità senza contatto e senza fune (Onat A. et al., 2022). Manipolando la forza induttiva elettromagnetica per misurare la velocità di movimento dell'auto, il sensore viene azionato meccanicamente dalle forze delle correnti parassite e il suo funzionamento è indipendente dalla normale fornitura di elettricità, quindi un design a prova di guasto. Per migliorare la sensibilità vengono utilizzati due metodi. Innanzitutto, le forze delle correnti parassite vengono generate attraverso una sovrapposizione variabile di un magnete su una piastra di reazione, rendendo la relazione velocità-forza non lineare. In secondo luogo, le forze delle correnti parassite vengono modulate dalla velocità per ottenere effetti di risonanza meccanica.

3. Studio teorico sulle applicazioni LPMSM 

3.1 Il modello della macchina

Il modello di macchina di un LPMSM è molto simile a quello di un rotativo (So et al., 2018), Figura 1. Gli avvolgimenti trifase stazionari (1-2-3) da energizzare dall'inverter IGBT sono i primi convertito in un sistema bifase stazionario (DQ) ed infine ad un sistema bifase rotante (dq) dalle famose trasformazioni di Clark-Park. Questo sistema rotante viene scelto per essere sincrono con la velocità del rotore.   

Ciascun avvolgimento è rappresentato da R equivalente_s-L_d-L_q circuiti in serie. La tensione istantanea applicata a ciascun avvolgimento è indicata con u_x, mentre la corrente da i_x dove x = 1, 2, 3, D, Q, d o q. Ψ_f è il flusso magnetico del magnete permanente sul rotore, cioè il secondario di un LPMSM. 

Secondo (So et al., 2018), la potenza elettromagnetica, P_em, e la forza elettromagnetica lineare, F_em, del motore sono dati dall'equazione 1.

Qui, v è la velocità lineare del secondario, p il numero di poli, il passo dei poli, Ψ_d il collegamento del flusso lungo l'asse d, Ψ_q il collegamento del flusso magnetico lungo l'asse q e Ψ_f il collegamento del flusso magnetico del magnete permanente, misurato in weber. l_d e io_q sono le induttanze dell'armatura lungo l'asse d e l'asse q, rispettivamente. Il secondario, o rotore, non ha avvolgimento ma solo un magnete permanente con collegamento di flusso, Ψ_f lungo l'asse d e non vi è alcun magnete permanente lungo l'asse q. Quindi, flusso concatenato totale lungo l'asse d, Ψ_d =L_d i_d + Ψf e il flusso concatenato totale lungo l'asse q, Ψq = Lq iq. Sia Ψ_s essere la somma vettoriale di Ψ_d e Ψ_qe δ è l'angolo compreso tra Ψ_s e Ψ_d, abbiamo l'equazione 2 per la spinta lineare. Se non c'è salienza al secondario, cioè traferro uniforme tra statore e rotore, abbiamo L_d =L_q =L_s. L'equazione 2 diventa quindi l'equazione 3.

Ciò spiega perché il controllo tradizionale di PMSM o LPMSM sfrutta la corrente lungo l'asse q solo per determinare la giusta coppia o la giusta spinta. Dall'equazione 3 è ovvio che è possibile ottenere una spinta maggiore aumentando la corrente lungo l'asse q e il flusso magnetico naturale del magnete permanente. Tuttavia, è costoso installare magneti permanenti con un flusso elevato. 

3.2 Considerazione del consumo energetico

Secondo So et al. (2018), è stato riscontrato che il consumo energetico di un ascensore senza fune basato su LPMSM dipende da L_s (si presupponeva la non salienza), R_s e Ψ_f. La tabella 1 mostra i parametri del motore utilizzati per eseguire la simulazione ed è stata adottata la cinematica standard, ovvero un viaggio a pieno carico composto da sette processi, vale a dire, jerk, accelerazione, jerk, velocità nominale, jerk, decelerazione e jerk, rispettivamente. 

La tabella 2 mostra che sono stati simulati 18 casi, ovvero tre diversi R_s, tre diversi L_s e due diversi Ψ_f. I risultati nella Tabella 2 e nella Figura 2 mostrano il consumo di potenza o energia rispetto alla velocità. I risultati sono classificati in cinque gruppi, vale a dire A, B, C, D ed E. Ci sono otto casi del gruppo E che sono instabili. Pertanto, non è stato possibile rappresentare le prestazioni nella Figura 2. Pertanto, nella Figura 10 sono illustrati solo 2 casi. Quando L_s e/o R_s sono/è elevati, il funzionamento diventa instabile. Quando Ψ_f è alto mentre R_s e io_s sono bassi, è possibile ottenere prestazioni molto efficienti. 

3.3 Frenata rigenerativa

Durante il normale funzionamento, a causa dell'assenza di funi e contrappesi, un ascensore senza funi deve essere frenato in modalità rigenerativa quando viaggia verso il basso. Naturalmente, se la MULTI è dotata di freno meccanico, questo può essere utilizzato solo a vettura completamente ferma. Inoltre, in caso di emergenza, quando si verifica una vera e propria interruzione di corrente, la frenata rigenerativa dovrebbe essere il primo mezzo sebbene il MULTI possa essere dotato di un dispositivo di sicurezza meccanico.

È stata analizzata la forza frenante prodotta nel processo di frenata rigenerativa ed è stata ricavata l'espressione dello spazio di frenata minimo per una frenata sicura dell'ascensore (Gao et al., 2019). In quel documento, utilizzando il metodo degli elementi finiti, è stata ulteriormente analizzata la relazione tra la forza frenante e la velocità di caduta dell'auto durante il processo di frenata rigenerativa ed è stata studiata l'influenza della resistenza in serie esterna e della lunghezza del traferro del motore sulla forza frenante. 

Secondo Janovsky (1993), le bobine primarie fissate al lato delle rotaie di guida descritte nel brevetto US 5234079A potrebbero essere cortocircuitate durante un evento di interruzione di corrente per eseguire la frenatura dinamica. È stato inoltre affermato che, se l'impedenza percentuale della bobina primaria è del 5%, la velocità di discesa può essere mantenuta al 5% del valore nominale o inferiore.

È stata ricavata una formula per determinare la velocità terminale di caduta dell'ascensore in tali condizioni, come mostrato nell'equazione 4.

Qui, M è la massa totale dell'auto compreso tutto, cioè la gabbia, le strutture e il pieno carico. v- è la velocità terminale. Risolvendo l'equazione quadratica 4, è possibile stimare tale velocità terminale in base ai parametri della macchina. E i risultati della simulazione con combinazioni selezionate sono mostrati nella Figura 3. Si può vedere che una velocità terminale molto bassa - inferiore alla normale velocità di manutenzione - potrebbe essere ottenuta con un numero di poli inferiore, un R più piccolo_s e io_s. Con una velocità di caduta del terminale così bassa, il carico sulla progettazione del paracadute meccanico potrebbe essere notevolmente ridotto. È stato proposto in So et al. (2018) che in questo caso potrebbe essere utilizzato il metodo dell’inversione dei poli.  

3.4 L'esistenza della salienza

Molto spesso è inevitabile che la salienza esista perché è una progettazione comune nella costruzione dei motori. L'equazione 2 viene rivisitata. Quando, l_d ≠ l_q, la forza motrice diventa più complicata poiché dipende sia da sinδ che da sin(2δ). Quindi è necessario un algoritmo di controllo più sofisticato. Questa situazione è stata ulteriormente studiata dagli autori (So et al., 2019). Quando non c’è salienza, due controllori sono considerati abbastanza buoni (So et al., 2018), uno per i_d e uno per i_q. Molto spesso, io_d è regolato per essere il più vicino possibile allo zero per un rapporto coppia-corrente più elevato. Con salienza, è stato aggiunto un ulteriore controller per fornire il setpoint di i_q mentre il set-point di i_d è stato mantenuto costante. Di fatto, l'idea del metodo della coppia massima per corrente di armatura suggerito per i motori sincroni permanenti rotanti (Morimoto et al., 1994) potrebbe essere adottata anche qui per gli LPMSM per determinare la relazione desiderabile tra i_d e io_q ogni volta che io_q cambia in risposta alle variazioni di coppia. 

4. CONCLUSIONE

In questo articolo vengono evidenziate le ragioni per cui gli ascensori senza fune basati su LPMSM diventeranno la tendenza futura, seguite da una breve descrizione della dimostrazione unica al mondo. Successivamente vengono discusse le varie tecnologie coinvolte nella realizzazione di un tale sistema, inclusa la progettazione del limitatore di velocità e il miglioramento della spinta degli LPMSM da parte di altri. Successivamente, vari studi precedenti mediante simulazione condotti dagli autori di questo articolo vengono brevemente esaminati con enfasi sul consumo di energia, sulla frenata rigenerativa e sulla salienza dei poli. Si spera che più ricercatori possano esaminare questo progetto di ascensore del futuro per migliorare i sistemi di servizi degli edifici molto alti.

Referenze

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