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Lineare Synchronmotoraufzüge werden Realität

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AWE-Aufzug in der Testanlage von FEC in Cincinnati

Die Vorteile der Linear-Synchron-Technologie für Industrie- und Personenaufzüge

von James G. Wieler und Dr. Richard D. Thornton

Seit mehr als einem Jahrzehnt hat die US Navy das Konzept eines „vollelektrischen“ Schiffes vorangetrieben. Das primäre Ziel besteht darin, schiffsseitige hydraulische, pneumatische, dampf- und mechanisch angetriebene Systeme zu eliminieren, die ineffizient sind, nicht die erforderliche Leistungsfähigkeit aufweisen und eine umfangreiche Wartung erfordern. Die Linear-Synchron-Motor-Technologie (LSM) von MagneMotion wurde als Teil der Lösung der Marine ausgewählt.

Die Entwicklung des Flugzeugträgeraufzugs Advanced Weapons Elevator (AWE) durch MagneMotion begann 2003 mit der Entwicklung und Konstruktion eines Proof-of-Concept-Systems. MagneMotion, eine Partnerschaft mit Federal Equipment Co. (FEC) aus Cincinnati, war eines von zwei Teams, die 2004 Aufträge erhielten. Das System wurde seitdem durch eine Reihe von Funktions- und Umwelttests, einschließlich Schock, Vibration und elektromagnetischer Interferenz, qualifiziert. Die Produktion von 11 AWE-Aufzugssätzen wurde 2011 abgeschlossen, und FEC und MagneMotion haben seitdem mit der Aufzugsproduktion für das nächste Transportunternehmen begonnen.  

Das LSM-System macht Hydraulik, Gegengewichte, Kabel und Flaschenzugsysteme überflüssig. Es ist schneller, sicherer, umweltfreundlicher und effizienter und hat eine höhere Tragfähigkeit als bestehende Munitionsaufzüge der Marine. Mit der Fähigkeit, Lasten über 20 t zu transportieren, könnte dieses System auch eine Lösung für viele gewerbliche Aufzüge darstellen.

LSM Aufzugstechnik

In einem früheren Artikel (ELEVATOR WORLD, September 2006) wurden das Design und die Vorteile von LSM-Aufzügen ausführlich behandelt, daher werden hier nur die wichtigsten Merkmale diskutiert. Die Aufzüge von MagneMotion verwenden LSM-Statoren und -Führungsschienen an der Schachtwand sowie Permanentmagnet-(PM-)Arrays an Aufzugskabinen mit Führungsrädern und Bremsen. Ströme in den LSM-Statorwicklungen erzeugen ein Magnetfeld, das mit PMs interagiert, um Kraft zu erzeugen. Controller erzeugen Erregerströme, die die Kabine gemäß den Anweisungen eines Steuersystems bewegen, das die Steuerung von Beschleunigung, Geschwindigkeit und Ziel beinhaltet. Die genaue Position ist dem Design des LSM-Antriebs inhärent, sodass die automatische Steuerung vereinfacht wird. Jedes Fahrzeug wird unabhängig gesteuert, und viele Fahrzeuge können in einem einzigen Schacht betrieben werden. Die induktive Energieübertragung wird verwendet, um die Energiespeicherkomponenten an Bord aufzuladen, die die Beleuchtungs- und Kommunikationseinrichtungen der Kabine mit Strom versorgen.

Bremsen sind das wichtigste Sicherheitsmerkmal für jeden Aufzug, auch für LSM-angetriebene Systeme. Um ein hohes Maß an Sicherheit zu erreichen, verwenden wir für die AWE-Anwendung redundante mechanische Bremsen. Im Stillstand wird die Kabine durch mechanische Keilbremsen unterstützt. Während der Fahrt kann das LSM alle Bremsfunktionen übernehmen. Beim Anhalten einer Plattform wirken elektrisch betätigte Keilbremsen an der Plattform auf die Führungsschienen. Federn bewirken, dass die Bremsen einrücken, wenn kein Strom angelegt wird, und Magnetspulen halten die Federn zurück, wenn die Bremsen gelöst werden. Bei diesem Ansatz sind die Bremsen „ausfallsicher“, da sie bei Leistungsverlust einfallen. Diese Bremsen sind „selbsterregend“, d. h. sobald sie beginnen, die Statorschienen zu greifen, bewirkt die auf das Fahrzeug ausgeübte Bremskraft, dass sich der Griff festigt und die Bremskraft erhöht. Die Bremsen sind so konstruiert, dass das Fahrzeug bei betätigter Bremse eine kurze Strecke angehoben werden kann. Diese Funktion wird verwendet, um die Last der Plattform zu messen und zu überprüfen, ob der Aufzug nicht überlastet ist, bevor die Bremsen gelöst werden.

Vorteile

Zu den Vorteilen des LSM-Aufzugssystems gehören:

  • Keine Seile: Der Schacht kann in jede Höhe ausgefahren werden, da kein Seilgewicht zu bewältigen ist.
  • Höhere Geschwindigkeit und Kapazität: Der LSM-Antrieb ermöglicht Geschwindigkeiten von mehr als 20 mps bei geringen oder keinen Kostensteigerungen. Mehrere Aufzugskabinen können unabhängig voneinander in einem einzigen Schacht fahren, was den Durchsatz und die Effizienz erhöht.
  • Geringere Wartungskosten: Kabellose Aufzüge von LSM haben weniger bewegliche Teile, was den Wartungsaufwand reduziert und gleichzeitig die Zuverlässigkeit erhöht. Der modulare Aufbau ermöglicht einen schnellen Austausch von Komponenten. Das LSM kann die Kabine an der vorgesehenen Stelle verlangsamen, beschleunigen und stoppen, bevor die Feststellbremsen betätigt werden müssen, was zu einem geringeren Bremsverschleiß führt.
  • Sicherheit: LSM-Aufzüge sind mit einem ausgeklügelten Steuerungssystem ausgestattet, das eine positive Fahrzeugrückführung, Antikollisionslogik und redundante Bremsen bietet.
  • Flexible Konfiguration: LSM-Aufzüge können ein Fahrzeug in jede Richtung vorantreiben, und Kabinen können von Schacht zu Schacht umgeschaltet werden, wodurch „Einweg“-Schächte mit jeweils mehreren Kabinen entstehen können. Modulare Statoren ermöglichen es, die Höhe des Aufzugs bei der Installation individuell anzupassen und in Zukunft mit minimalen Unterbrechungen zu erweitern. LSM-Aufzüge können auch geneigte Grundrisse aufnehmen und bieten eine Alternative zu Treppen oder Rolltreppen.

Industrielle Aufzüge

Das AWE-Projekt der Navy hat bewiesen, dass LSM-Aufzüge als Lastenaufzüge und vertikale Plattformaufzüge für Anwendungen in verschiedenen industriellen Umgebungen eingesetzt werden können. Ein- oder mehrpfadige Statoren können verwendet werden, um den Transport schwerster Lasten zu erleichtern, von Frachtcontainern über beladene Stapler, Pkw oder Schüttgut. Die industriellen Aufzugssysteme von MagneMotion können in automatisierte Lager- und Bereitstellungssysteme und bestehende Lagerlogistiksysteme integriert werden, um den vertikalen Transport und den gesamten Materialhandhabungsprozess zu optimieren. LSM Vertikallifte können beispielsweise für den Transport von Fahrzeugen in automatisierten Parkhäusern ausgelegt sein.

Personenaufzüge

Die LSM-Aufzugstechnologie von MagneMotion dient als Alternative zu hydraulischen oder Seilaufzügen. Im Gegensatz zu Seilaufzügen ist die LSM-Technologie bei höheren Geschwindigkeiten effizienter. Noch wichtiger ist, dass LSM-Aufzüge mehrere Kabinen in einem Schacht haben können, wenn gewerbliche Aufzüge durch Länge, Kapazität oder Umgebung begrenzt sind, wodurch die Anzahl der Schächte in einem Gebäude reduziert und mehr vermietbare Fläche geschaffen wird.

Eine wichtige zukünftige Alternative besteht darin, eine horizontale Bewegung der Kabinen zwischen benachbarten Schachtanlagen bereitzustellen. Dies würde eine Planung ähnlich derjenigen ermöglichen, die von automatisierten People Movern verwendet wird. Die Steuerungsmöglichkeiten sind nahezu unbegrenzt, würden aber wahrscheinlich das Umschalten auf Zwischenebenen und mehrere Kabinen für jeden Schacht erfordern. MagneMotion hat LSM-angetriebene Transportsysteme für horizontale Fahrten konstruiert und Weichen entwickelt, die einen Bahnwechsel ermöglichen. Dieselbe Idee kann für Gewerbe-, Wohn-, Industrie- und Vertikalspeichersysteme umgesetzt werden und bietet ein hohes Maß an Sicherheit. Beim horizontalen Schalten kann die Kapazität jedes Schachts bei minimalen Zusatzkosten für ein Schaltsystem deutlich erhöht werden.

Vermarktung

Die von einem LSM erzeugte Kraft hängt von der Größe der Statoren und Magnete sowie von der Einschaltdauer ab. Im Gegensatz zu rotierenden Aufzugsmotoren arbeitet jeder Stator mit einem niedrigen Arbeitszyklus und ermöglicht eine höhere Kraft ohne Überhitzung. Abhängig von der erforderlichen Kraft kann es wünschenswert sein, mehr als einen LSM zu haben – der Navy AWE-Motor verwendet vier LSMs, einen an jeder Ecke. Die Statoren von LSM verlaufen über die gesamte Länge des Schachts, sodass sie tendenziell die Kosten dominieren. Die Breite der LSM-Statoren kann durch Verwendung eines längeren Magnetarrays reduziert werden, was es wünschenswert macht, ein möglichst langes Magnetarray zu verwenden.

Aufzugsbremssysteme sind gut bekannt. LSM-Aufzüge verwenden eine Bremse nur, um die Kabine am Zielort oder in Notfällen zu verriegeln. Es ist unwahrscheinlich, dass die für Navy AWE-Anwendungen entwickelten Bremsen im Vergleich zu Standard-Aufzugsbremsprodukten kostengünstig sind. Erste Untersuchungen zeigen, dass es mehrere Hersteller von Schienenbremsen gibt, die für kommerzielle Anwendungen geeignet sind. Die AWE-Anwendung der Navy erforderte umfangreiche Konstruktionsmerkmale und Tests, um die Sicherheits- und Umweltanforderungen zu erfüllen. Daher sind wir zuversichtlich, dass die üblichen Aufzugsvorschriften der American Society of Mechanical Engineers für ein kommerzielles Design erfüllt werden können.

Fazit

Diese Aufzüge haben zahlreiche Qualifikationstests bestanden und haben sich als zuverlässige und sichere Möglichkeit erwiesen, schwere Munition ohne Seile oder Hydraulik zu bewegen. Die Kommerzialisierung des Aufzugs für den Personenverkehr erfordert weitere Investitionen, aber wir glauben, dass die Zukunft vielversprechend ist. MagneMotion untersucht Möglichkeiten zur Weiterentwicklung dieses wichtigen Marktes für LSM-Antriebe.

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James G. Wieler und Dr. Richard D. Thornton

James G. Wieler und Dr. Richard D. Thornton

James G. Wieler ist Vice President Strategische Planung und New Business Development bei MagneMotion, Inc. und verantwortlich für die Unternehmensstrategie, die Planung des langfristigen Wachstums, die Entwicklung von Partnerschaften und die Verfolgung neuer Anwendungen für die M3-Maglev- und LSM-Geschäfte von MagneMotion. Wieler war auch für die MagneMotion-Projekte für die städtische Magnetschwebebahn für die Bundesverkehrsbehörde verantwortlich und hat eine Reihe von Artikeln über städtische Magnetschwebebahnen verfasst oder mitverfasst. Wieler hat einen BS der University of Massachusetts und einen M.Sc der University of Alberta.

Dr. Richard D. Thornton ist Mitbegründer, Vorsitzender und Chief Technology Officer von MagneMotion, Inc. Thornton verfügt über mehr als 40 Jahre Erfahrung als Professor und Forscher in den Bereichen Magnetschwebebahn (Magnetschwebebahn), Linearmotorantrieb, elektromechanische Systeme und Halbleiterbauelemente. Seit 1988 hat Thornton an neuen Ideen für Magnetschwebebahn-Transportsysteme gearbeitet und ein abteilungsübergreifendes Team des Massachusetts Institute of Technology (MIT) gebildet, das langfristige Forschungsaktivitäten für Magnetschwebebahnen in allen Phasen des Magnetschwebebahn-Designs initiierte. Er hat seinen BS in Elektrotechnik von der Princeton University und seinen SM und Sc.D. in Elektrotechnik vom MIT.

Aufzugswelt | Mai 2012 Titelbild

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