Sviluppo tecnologico dell'ascensore ad altissima velocità con una velocità di 1,200 mpm

Come è stato sviluppato l'ascensore più veloce del mondo

di Tetsuya Nakayama, Hideka Matsuoka, Yoshiki Higashida, Jun Ohtsuki, Keizo Nakamura e Kazuhisa Mori

Questo documento è stato presentato a  Madrid 2016, il Congresso Internazionale sulle Tecnologie di Trasporto Verticale, e pubblicato per la prima volta nel libro IAEE Tecnologia degli ascensori 21, a cura di A. Lustig. È una ristampa con il permesso dell'Associazione Internazionale degli Ingegneri degli Ascensori  (sito web: www.elevcon.com).

Negli ultimi anni è emerso un numero crescente di grattacieli ed edifici di grandi dimensioni in tutto il mondo, anche in Asia e in Medio Oriente. Ciò ha creato la necessità di ascensori ad altissima velocità e capacità. Hitachi, Ltd. ha sviluppato un ascensore ad altissima velocità con una velocità di 1,200 mpm per soddisfare le crescenti esigenze del mondo. Questo articolo descrive le tecnologie alla base del sistema di guida e controllo, della sicurezza e del comfort di guida dell'ascensore più veloce del mondo.

Introduzione

L'aumento globale dei piani di costruzione per grattacieli di altezza 500-600 m ha richiesto una maggiore domanda di ascensori con maggiore velocità ed efficienza di trasporto.^[1] In risposta a ciò, Hitachi ha sviluppato l'ascensore ad altissima velocità più veloce al mondo (secondo i dati interni Hitachi del 14 settembre 2015) con una velocità nominale di 1,200 mpm.

Abbiamo integrato le seguenti tecnologie in questo ascensore ad altissima velocità:

1. Un sistema di guida e controllo per raggiungere la velocità più elevata al mondo
2. Un dispositivo di regolazione e frenatura che garantisce un arresto di emergenza sicuro
3. Attrezzatura di guida per auto che previene le vibrazioni laterali per ridurre la sensazione di orecchio bloccato.

Inoltre, questo ascensore sarà in funzione presso il complesso edilizio ultra alto in Cina nel 2016.

Contesto dello sviluppo

La storia dello sviluppo degli ascensori ad altissima velocità e di grande capacità è iniziata alla fine degli anni '1960 per la costruzione di grattacieli domestici, in particolare l'"edificio Kasumigaseki". A quel tempo, la velocità nominale più elevata per gli ascensori per uso passeggeri nel mercato interno era di 150 mpm, mentre la velocità nominale richiesta per l'edificio Kasumigaseki era il doppio di quella di 300 mpm. Pertanto, abbiamo costruito una torre di ricerca per ascensori con un'altezza di 90 m a Mito Works (prefettura di Ibaraki, Giappone), che all'epoca era la più alta del suo genere al mondo.

In quella torre sono stati sviluppati e testati un'accurata tecnologia di controllo della velocità e dispositivi di soppressione delle vibrazioni e del rumore, nonché dispositivi di sicurezza ad alta velocità. Ciò ha facilitato il completamento dell'ascensore ad alta velocità in grado di viaggiare a una velocità di 300 mpm, come richiesto dall'edificio Kasumigaseki.^[2]

A seguito di questo successo, gli ascensori con velocità più elevate sono stati sviluppati uno dopo l'altro, fino al momento in cui nel 1993 è stato sviluppato l'ascensore più veloce del mondo con una velocità nominale di 810 mpm.^[3]

Tuttavia, il mercato asiatico (il mercato cinese, in particolare) è cresciuto rapidamente dall'inizio degli anni 2000. Allo stesso tempo, le aziende di ascensori di tutto il mondo sono entrate nel mercato, costringendoci ad affrontare una forte concorrenza.

Inoltre, soprattutto in Medio Oriente, i nuovi edifici tendono ad essere ultra alti e di grandi dimensioni. Ciò ha portato alla richiesta di ascensori ad altissima velocità e grande capacità per quegli edifici.^[4] Per questo motivo, abbiamo continuato a sviluppare tecnologie per migliorare ulteriormente la sicurezza, l'efficienza e il comfort sulla base della conoscenza degli ascensori ad altissima velocità che era stata raggiunta finora. Per rafforzare le sue capacità di sviluppo del prodotto nel mercato globale, abbiamo iniziato l'uso della torre di ricerca "G213TOWER" alta 1 m che era la struttura di ricerca per ascensori più alta del mondo (secondo i dati interni Hitachi del 14 settembre 2015) in 2010.^[5] In risposta alle richieste di ascensori ad alta velocità e grande capacità, abbiamo eseguito numerosi esperimenti per migliorare i suoi prodotti in considerazione della sicurezza, del comfort e dell'ambiente.

Dettagli e funzionalità di sviluppo

Tecnologia del sistema di guida e di controllo

È stato sviluppato un motore sincrono a magneti permanenti da 330 kW che adotta un profilo sottile ma raggiunge l'elevata potenza richiesta per azionare l'ascensore a una velocità di 1,200 mpm (Figura 3).^[6-10]

La perdita di potenza elettrica durante l'accelerazione dell'ascensore è stata ridotta applicando al motore rotori in lamiera d'acciaio laminata. Ciò ha comportato la riduzione della larghezza della macchina di trazione del 13%, aumentando al contempo la potenza nominale del motore di circa 1.3 volte (rispetto alla macchina di trazione a potenza massima utilizzata nei prodotti Hitachi convenzionali tramite dati interni Hitachi a settembre 2015) .^[11]

Inoltre, la capacità di uscita dell'inverter che aziona il motore è di 2,200 kVA, una delle più grandi al mondo per l'uso in ascensori. La capacità e il risparmio di spazio del pannello di controllo (Figura 4) sono stati aumentati posizionando due inverter costituiti da quattro transistor bipolari a gate isolato collegati in parallelo. I fili che formano la fune principale dell'auto sono stati rinforzati per migliorare la resistenza specifica, riducendo così il peso al 30% in meno rispetto a quello della fune convenzionale.

Tecnologia dei dispositivi di sicurezza

È stato sviluppato un dispositivo di frenatura che utilizza guarnizioni ad alta resistenza al calore. Nell'improbabile caso in cui venga rilevata un'anomalia dal sistema dell'ascensore, questo dispositivo è in grado di resistere al calore generato dall'azione frenante necessaria per fermare in sicurezza un'auto da una velocità nominale di 1,200 mpm. Inoltre, per gli ascensori di edifici ultra alti con lunghe corse, il limite della velocità di discesa è fissato a 600 mpm, mentre la velocità di salita è fissata a 1,200 mpm.^[12] Questo perché la sensazione di orecchio bloccato causata dalle differenze di pressione dell'aria è prominente nei passeggeri durante la discesa dell'ascensore.

Il governatore, avendo un design compatto, è in grado di misurare la velocità dell'ascensore durante la sua salita e discesa attraverso l'utilizzo di funzioni indipendenti, garantendo così la sicurezza dei passeggeri. Inoltre, la profondità della fossa nel vano corsa viene notevolmente ridotta mediante l'applicazione del respingente telescopico estensibile in quattro fasi (Figura 6), anziché dei respingenti allargati.

Tecnologia strutturale dell'auto

Per il comfort dei passeggeri, sono state installate guide a rulli attive (Figura 7) ai quattro angoli dell'auto (superiore, inferiore, sinistra e destra) per ridurre le vibrazioni causate dalla pluralità di modalità di vibrazione dell'auto. Inoltre, viene contenuto il disturbo alla vettura causato dalla leggera deformazione delle rotaie di guida e dalla pressione del vento, riducendo così circa il 70% delle vibrazioni. Ciò fornisce ai passeggeri una guida confortevole durante il funzionamento ad alta velocità (Figura 8).^[13-16] 

Inoltre, è stata sviluppata una struttura a capsula per il raddrizzamento dell'aria eseguendo analisi dei fluidi (Figura 9) e test nella galleria del vento per ridurre il rumore aerodinamico e le forze del fluido indotte quando l'auto e il suo contrappeso si incrociano. Inoltre, il comfort di guida è prodotto dall'installazione di apparecchiature di controllo della pressione atmosferica, che regolano la pressione dell'aria per ridurre la sensazione di orecchio bloccato dei passeggeri a causa delle variazioni della pressione atmosferica durante il viaggio dell'ascensore.

Apparecchiatura di prova di valutazione

La valutazione combinata della grande macchina da trazione e del suo apparato di controllo della guida ad alta capacità è stata effettuata presso la G1TOWER (Figura 10). Anche i dispositivi di sicurezza, come il paracadute, il regolatore e il respingente, sono stati testati e verificati lì. Inoltre, sono state effettuate valutazioni delle vibrazioni e del rumore dell'auto durante il funzionamento ad altissima velocità applicando guide attive, che hanno ridotto significativamente le vibrazioni dell'auto causate dalla curvatura della rotaia, e una copertura raddrizzatrice, che ha ridotto il rumore del vento.

Un dispositivo di prova dell'equivalenza del suolo (Figura 11) è stato utilizzato per replicare le forze d'inerzia delle condizioni effettive durante la corsa dell'ascensore. Questo dispositivo ha simulato le condizioni di un funzionamento a 1,200 mpm, che ha permesso di testare l'ascensore che altrimenti sarebbe stato impossibile a causa della mancanza di corsa alla G1TOWER. Durante il test sono state controllate anche le prestazioni della macchina di trazione, del freno e del pannello di controllo.

Nel test del rumore dell'auto (Figura 12), la galleria del vento ha simulato le condizioni di funzionamento dell'ascensore a 1,200 mpm in modo da poter ispezionare l'effetto della capsula di raddrizzamento dell'aria. I risultati della valutazione del rumore presso G1TOWER e l'analisi dei fluidi sono stati quindi confrontati e le condizioni simulate sono state raffinate fino a quando le tecniche di valutazione hanno raggiunto un'elevata precisione.

Un apparato di simulazione della pressione atmosferica (Figura 13) è stato utilizzato per rilevare i modelli di variazione della pressione atmosferica durante la salita e la discesa dell'ascensore. Attraverso questo processo, è stato determinato il modello di pressione atmosferica appropriato per ciascuna specifica dell'ascensore (velocità nominale e corsa) e la sua efficacia è stata confermata.

 Conclusione

L'ascensore da 1,200 mpm per il Guangzhou CTF Finance Center (Figura 14) entrerà in funzione nel 2016. Miriamo a completare l'ascensore perseguendo prestazioni di alta qualità e tecniche di costruzione di alta precisione, sfruttando appieno l'analisi di simulazione e valutazione realistica delle prestazioni dell'ascensore nella G1TOWER.

Guardando al futuro, continueremo a lavorare allo sviluppo di ascensori che offrano valore aggiunto per supportare la costruzione sempre crescente di edifici sempre più alti nei mercati esteri. Inoltre, continueremo a utilizzare le nuove tecnologie e conoscenze ottenute attraverso queste attività di sviluppo per ascensori ad altissima e ad alta velocità e altri prodotti per fornire ambienti di costruzione sicuri, confortevoli e convenienti su scala globale.

Referenze
[1] Nathaniel Hollister e Dr. Antony Wood, “I 20 più alti nel 2020: entrare nell’era dei mega-tall”, ELEVATOR WORLD (2013).
[2] Hideo Miyao, "Il controllo di una macchina a trazione senza ingranaggi con una velocità di 300 m/min", Hitachi Review, (1968).
[3] Masayuki Shigeta, "Sviluppo tecnologico dell'ascensore ad altissima velocità con una velocità di 810 m/min", Hitachi Review, (1993).
[4] Toshiaki Nakagawa, Hideya Kohara, Youichi Sekimoto e Shigeo Nakagaki, "L'ascensore più veloce del mondo", Toshiba Review, vol. 57 n. 6 (2002).
[5] Akihiro Omiya, "La torre di prova più alta del mondo (G1TOWER) cambia il movimento verticale della città di nuova generazione", Hitachi Review, (2010).
[6] Toshiaki Nakagawa, "Nuova tecnologia degli ascensori", Shindenki 2012.10, p. 6-19, (2012).
[7] Kazuhiro Tanaka, Yasuaki Takeda e Shinichi Noda, "Tecnologie avanzate di ascensori per TOKYO SKYTREE", Toshiba Review, vol. 67 n. 11 (2012).
[8] Satoru Kato, Takanori Kamatsu, Kosei Miyamoto e Kazufumi Hirabayashi, "Sistema di controllo della guida di ascensori ad altissima velocità", Mitsubishi Denki Giho, vol. 86 n. 8 (2012).
[9] Zbigniew Jerry Piech, "Tecnologia di propulsione a piani altissimi", Tecnologia degli ascensori 20: Atti di Elevcon 2014, p. 283-289 (2014).
[10] Zbigniew Jerry Piech, "Macchine a magneti permanenti per ascensori in edifici molto alti", Conferenza di Shanghai CTBUH 2014, p. 824-829 (2014).
[11] K.Mori, N.Ohnuma, T.Sakoda, Y.Matsumoto e T.Yabuuchi, "Convertitore di potenza con IGBT collegati in parallelo per ascensori ad altissima velocità", IEE Jpn. Proc. di Ind. Applicat. Soc. (JIASC2015), pag. 295-300, (2015).
[12] Mitsuyoshi Imura, Takeshi Niikawa, Naohiro Shiraishi, Takuo Kugiya e Takashi Kobayashi, "Dispositivo di sicurezza per ascensore ad altissima velocità", Mitsubishi Denki Giho, vol. 86 n. 8 (2012).
[13] Masaji Iida e Yoichi Sakuma, "Comfort dei passeggeri in ascensore ad altissima velocità", Mitsubishi Denki Giho, vol. 86 n. 8 (2012).
[14] Shigenori Matsuo, Masaaki Hirai e Sueyoshi Mizuno, "L'ascensore più veloce del mondo (1010 m/min)", Toshiba Review, vol. 60 n. 4 (2005).
[15] Kenichi Kikuyama, "Informazioni sull'ascensore più veloce di Taipei 101", Kenchikusetsubi e Shoukouki, n. 55 (2005.5).
[16] Hiroaki Mizuguchi, Toshiaki Nakagawa e Yoshiaki Fujita, "Ascensore ad alta velocità a Taipei 101", EW (2005.9).