乘着电动汽车浪潮前进

为什么旋转电机技术在无绳电梯领域可能超越直线电机？

作者：詹姆斯·哈钦森和丹尼尔·约翰逊

过去十年间，实用型无绳电梯系统的研发竞赛显著加速。随着城市人口增长和建筑物不断攀升至前所未有的高度，垂直运输（VT）行业正日益探索传统绳索系统的替代方案。

目前大多数无绳电梯方案都依赖于直线电机推进系统，该系统最初由磁悬浮列车推广应用。这些系统理论上精妙，技术上也令人印象深刻；然而，业内仍存在一个尚未得到充分解决的重要问题：直线电机是否是无绳电梯的最佳长期推进架构？在Hyprlift，我们认为答案可能是“否”。

相反，我们认为无绳VT的未来最终可能属于围绕旋转电机技术构建的系统——特别是那些能够利用全球电动汽车（EV）行业目前所推动的非凡创新速度的系统。

无绳电梯背后隐藏的战略问题

围绕无绳电梯的行业讨论大多集中在“运动几何”上，包括多方向运行、井道效率、吞吐量提升、无需绳索以及减少核心筒占地面积。这些固然重要。但还有一个问题或许更为关键：未来20年，哪种推进架构的改进速度会更快？ 

这不仅仅是一个技术问题，也是一个经济和产业问题，因为未来的VT赢家可能不仅仅是目前运行最好的系统，而是与全球最大的创新生态系统相连的系统。

无绳VT的未来最终可能属于围绕旋转电机技术构建的系统——特别是那些能够利用全球电动汽车（EV）行业目前所推动的非凡创新速度的系统。

线性电机假设

许多无绳电梯设计方案都采用直线感应电机或直线同步电机。简单来说，直线电机可以看作是将旋转电机“展开”成一条直线。与产生旋转扭矩不同，直线电机在“转子”上产生与“定子”平面平行的直接直线推力。

这种方法具有一些吸引人的特点，包括直接驱动推进、无需旋转到线性的转换、无摩擦或振动损耗以及运行更安静。这些优势使得线性电机在磁悬浮应用中取得了成功，例如室内“旅客捷运系统”、工业自动化系统以及至少一条通勤铁路（日本的SCMaglev，预计于2034年开通）。

然而，直线电机也带来了重要的工程权衡，这在电梯应用中尤为重要。

基础设施问题

直线电机电梯系统面临的最大挑战之一源于其基础设施要求。在大多数直线推进架构中，推进系统的重要部分必须嵌入井道内。这些部件包括电磁定子组件（铜线圈、特殊磁芯材料、固态继电器）、配电网络（铜线、变压器、稳压电源）、热管理系统（强制风冷和循环液冷）以及精确的对准要求。随着建筑高度的增加，这些基础设施负担也会相应增加。

与传统的绳索系统相比，直线电机系统所需的复杂基础设施带来了一些实际挑战，包括设计/安装复杂性增加、材料成本增加、维护通道难以进入以及热管理要求增加。

实际上，建筑物本身成为了推进机器的一部分。 

一种不同的方法：动态牵引推进

Hyprlift 采用了一种名为动态牵引推进的替代架构。

Hyprlift 系统并非依靠沿竖井全长分布的线性电机单元，而是利用每辆车（驾驶室）上动态牵引架构内的旋转电机，产生可控的牵引力，对抗现有的被动导轨基础设施，从而实现自推进、无绳操作，对竖井或建筑物的影响最小。

这造就了一种截然不同的系统架构：这些系统不再像以往那样在建筑物内安装推进基础设施，而是主要集中在车辆本身。这种区别可能会产生深远的长期影响。

为什么电动汽车行业如此重要

旋转电机架构最重要的优势可能不在于电机本身，而在于整个全球汽车行业目前正在投入数万亿美元来改进它们。

现代电动汽车的发展在许多方面都在取得进步：电机效率、扭矩/功率密度、电力电子、热管理、更轻更强的材料、人工智能辅助电机控制、再生系统、制造规模和可靠性等等。 

由于电动汽车制造商在全球范围内展开大规模竞争，此次创新周期正以惊人的速度发生。因此，旋转电机技术的进步速度比历史上任何时期都更快。

重要的是，电梯公司无需自行承担这些技术进步的费用，他们只需将其整合到现有系统中即可。

基于旋转电机技术的无绳电梯系统正有效地搭上电动汽车行业创新浪潮的顺风车。随着电动汽车推进系统的改进，先进电梯系统所需的核心使能技术也在不断进步。

乘着电动汽车创新浪潮

基于旋转电机技术的无绳电梯系统正有效地搭上电动汽车行业创新浪潮的顺风车。随着电动汽车推进系统的改进，先进电梯系统所需的核心使能技术也在不断进步。这包括功率密度、效率、冷却系统、驱动电子设备、电机控制器、预测软件系统、可靠性和可制造性的提升。

相比之下，直线电机系统所处的产业生态系统规模要小得多。虽然直线电机技术不断进步，但其背后的投资规模远不及目前驱动电动汽车推进系统的规模。这种不对称性至关重要。

效率考虑因素

直线感应电机也面临着一些固有的物理挑战。其中最著名的挑战之一是“末端效应”损耗，这是因为直线电机的磁场在行程末端附近会偏离理想的运动形状，导致效率降低。

与旋转电机相比，直线电机通常需要更大的运动元件和固定元件之间的气隙，这会增加产生类似力输出所需的功率，从而进一步降低效率。

相比之下，旋转电机受益于数十年来在电磁场几何结构、热设计、可制造性设计、控制系统和电力电子技术等方面的优化。由于电动汽车的需求，这些以及其他方面的改进步伐正在不断加快。

软件正成为推进技术的关键

重塑推进技术的另一大趋势是软件定义控制。现代电动汽车推进系统越来越依赖于专业的软件系统来最大限度地发挥物理硬件的性能，包括实时扭矩优化、预测性热管理、人工智能辅助效率调节、先进的矢量控制和容错驱动系统。

由于竞争激烈，尤其是在汽车市场，支撑这一技术生态系统的软件正在快速发展。基于旋转电机的无绳电梯架构有望直接利用这些技术进步。在许多方面，电动推进的未来将同样受到软件和硬件的驱动。

长期技术发展势头

与其他行业（包括汽车或消费电子行业）相比，电梯行业的发展历来较为缓慢。无绳电梯系统为我们提供了一个难得的机会，让我们重新思考整个电梯行业背后的推进架构。

在评估长期技术时，不仅要考虑其当前的性能，还要考虑其未来的发展势头。与庞大的工业生态系统相联系的技术能够受益于更快的创新周期、更丰富的工程人才储备、更高效的供应链、更低的制造成本以及更可靠的软件。

如今，旋转电机技术正处于现代史上规模最大的工业变革之一的核心地位。而直线电机系统则不然。

无绳电梯的未来

线性电机系统仍然是令人瞩目的工程成就，并可能继续在包括垂直交通在内的多种交通方式中发挥重要作用。然而，随着电梯行业从原型系统向可扩展的全球部署转型，更广泛的经济和技术因素将变得日益重要。

问题不再仅仅是：“线性电机能否驱动电梯？” 显然，它们可以。现在的问题必须是：“哪种推进架构最有利于在未来几十年内发展？”

在Hyprlift，我们相信答案在于一种能够充分利用全球旋转电机技术加速发展的架构。因为归根结底，无绳电梯的未来不仅取决于电梯的运行方式，还取决于哪些行业正在推动其背后的技术发展。