Výtahy budoucnosti

12.11.4

Výtahy budoucnosti

Ing. Bohumír Číhal

Technologie magnetické levitace začíná pohánět rychlovlaky. V budoucnu se předpokládá daleko širší využití, mimo jiné v architektuře. Německá průmyslová společnost ThyssenKrupp, zabývající se primárně vývojem automobilových komponent, se zaměřila v této oblasti na využití pro maglev výtahy.

Vynález výtahu v polovině devatenáctého století umožnil zcela zásadní proměnu prostředí, ve kterém se pohybujeme. Historie výtahů současné koncepce počala v roce 1853 vynálezem výtahu s použitím lana, kladky a závaží. Výtah měl podobu dnešní konstrukce: po stranách byl veden vodítky a měl bezpečnostní zařízení, tzv. zachycovače. Vynálezcem byl dnes již legendární Elisha G. Otis. V roce 1880 instaloval německý elektrotechnik a podnikatel Werner von Siemens výtah s elektrickým pohonem na průmyslové výstavě v Mannheimu.

Obr. č. 1: Historické události E. G. Otise a Wernera von Siemense

V roce 1903 použily elektrické výtahy ozubené převody a umožnily tím obsluhovat až 100 poschodí. Původní jednorychlostní motory byly nahrazeny motory multirychlostními a technologie elektromagnetu nahradila ruční přepínání a brzdění. Výtahy byly vybaveny ovládacími tlačítky a signálními systémy. Pronikavý rozvoj výtahové techniky neustal ani po druhé světové válce, zejména v postupném přechodu řídicích systémů od reléových, přes tranzistorové k mikroprocesorům. Výškové budovy a mrakodrapy se díky výtahům mohly stát skutečností. Světový výtahový trh postupně ovládlo několik velkých firem s celosvětovou působností, včetně českých.

Přes neustálý technologický rozvoj se vlastní princip výtahu nezměnil více než půldruhé století. Globální trendy přitom naznačují, že v budoucnosti bude čím dál víc lidí žít v obřích městech plných výškových budov. Dnešní téměř kilometrové budovy dosahují na fyzikální hranice materiálů, zejména ocelových lan klasických výtahů a jejich rozlehlost komplikuje vodorovnou obslužnost. Nastal zřejmě čas na principiální změnu.

Tyto problém řeší např. všesměrový magnetický výtah společnosti ThyssenKrupp, který nabízí překročení limitů ve výšce i tvaru budov. Podobný princip si patentovala také americká firma MagneMotion. V dalším textu se s tímto typem vyvíjených výtahů seznámíme a navíc představíme některé úspěšné aplikace využívající tento princip pohybu. Vzhledem k tomu, že jejich funkci umožňuje působení magnetické levitace v kombinaci s lineárními pohony, bude třeba si principy těchto pojmů a jejich funkci v zařízení podrobněji objasnit.

Výtahový systém MULTI

Celý systém společnosti ThyssenKrupp, včetně vertikálně-horizontálních šachet s přítomností magnetické levitace v nich, se jmenuje MULTI. Každá kabina je vybavena lineárním elektrickým motorem a nadnášena na magnetickém polštáři, což činí tento systém analogický magneticky nadnášeným rychlovlakům (princip maglev), až na mnohem nižší rychlost do 5 metrů za sekundu (18 km/h). Firma ThyssenKrupp uvádí, že její systém MULTI bude pro rozlehlé a vysoké budovy efektivnější a prostorově úspornější než stávající výtahové systémy.

Koncepce systému poskytuje řadu výhod. Díky konstrukci bez lan a kabelů, využívající technologie magnetické levitace, může několik výtahových kabin fungovat v jediné šachtě a kabina může jezdit jak vertikálně, tak horizontálně. To zvyšuje přepravní kapacitu až o 50 % a současně snižuje nároky na prostor výtahové šachty v budově.

Obr. č. 2: Princip změny směru pohybu výtahu

Obr. č. 3: Konkrétní ukázka řešení změny pohybu

Kabiny se mohou pohybovat po stranách bez omezení výšky. Systém tím otevírá nebývalé možnosti architektury a designu budov, nabízí kreativnější, vyšší a uživatelsky přívětivější řešení. Nové budovy ztratí prakticky jakákoliv omezení v růstu do výšky či šířky, způsobená omezenou pevností lan a jejich vlastní hmotností nebo nárůstem počtu výtahových šachet (současný limit v délce lan pro výtahy činí zhruba 600 metrů). Také tvary budov budou moci být rozmanitější a členitější. Plocha výtahových šachet v průřezu budovy bude moci být navíc menší než dnes. Optimální výška budovy pro nasazení systému MULTI začíná od hranice 300 metrů.

Obr. č. 4: Představa možného uspořádání výtahového systému výškové stavby

Vícenásobné kabiny v jedné šachtě znamenají, že cestující by nikdy nemuseli čekat na výtah více než 15 až 30 sekund. Spotřeba energie proti klasickým výtahům by měla klesnout o 50 % a potřebný prostor v budovách o 25 %.

V listopadu 2015 představila firma ThyssenKrupp ve španělském Gijónu, kde se nachází inovační centrum společnosti, funkční zmenšeninu výtahu MULTI v měřítku 1:3. První praktické testy byly navržené v 244 metrů vysoké a veřejně přístupné testovací budově v Rottweilu v Německu.

Testovací věž v Rottweilu

Testovací věž Thyssenkrupp v Rottweilu od roku 2017 řeší jak nejrychleji, nejefektivněji, nejbezpečněji a nejpohodlněji přesunout pasažéry do určitého bodu. Ve dvanácti různých šachtách se ověřují budoucí výtahová řešení s maximální rychlostí 64,8 km/h.

Obr. č. 5: Testovací věž v Rottweilu

Část šachet končí v polovině výšky věže. Vzniklý objem v horní polovině se používá jako vzduchová buňka. V ní je uloženo veškeré teplo generované zařízeními, jako jsou motory a počítače, a poté je přenášeno přes výměníky tepla do místností, které vyžadují vytápění. Ve výšce 220 metrů se nachází konferenční úroveň.

Pro systém MULTI jsou vyhrazeny tři propojené šachty, které umožňují tomuto výtahu pohybovat se ve věži též horizontálně.

Výtahový systém MULTI využívá při své konstrukci řešení lineárních posunů kabin z firmou Thyssenkrupp realizovaného výtahového systému TWIN. U tohoto systému se seznámíme i s principem lineárních motorů.

Výtahy TWIN

Obr. č. 6: Systém dvou kabin v šachtě TWIN

Výtahový systém TWIN je první výtahový systém se dvěma nezávislými kabinami v jedné šachtě. Obě kabiny výtahu se pohybují nad sebou po stejných vodicích kolejnicích. Každá kabina je vybavena vlastní hnací výtahovou kladkou. Při stejné přepravní kapacitě přináší toto řešení 25% úsporou prostoru a stanoví nové normy pro vysoký výkon. Systém TWIN je vhodný pro budovy vysoké 50 až 250 m. Maximální rychlost se udává 7,0 m/s (25,2 km/hod), maximální kapacita 1 800 kg. Bezpečnostní koncepce testovaná organizací TÜV vyhoví nejpřísnějším požadavkům.

Lineární pohony

Lineární pohony jsou motory, které konají lineární pohyb. Elektrickou energii transformují přímo na mechanickou energii posuvu. Jejich konstrukce je známá stejně dlouho jako konstrukce rotačních strojů. Lineární motor můžeme pro představu získat z rotačního motoru tím, že vinutí motoru rozvineme do roviny, jak je znázorněno na následujícím obrázku.

Obr. č. 7: Vznik lineárního motoru z rotačního

Je-li vinutí napájeno, vznikne posuvné pole a magnetické póly se pohybují v rovině jedním směrem, např. zleva doprava.

Dnes se jeví využití lineárních motorů jako velmi perspektivní jak u strojů v továrnách, tak i v dopravě. U strojů se dosáhne vysoké dynamiky, zvýšení přesnosti a minimálního opotřebení mechanizmu, což prodlužuje jejich životnost. V dopravě se tyto motory používají zejména u magneticky levitovaných vlaků.

Historie lineárních motorů

Princip indukčního lineárního motoru objevil Angličan Charles Wheatstone v roce 1841. Jeho návrh, ale nebylo možné realizovat pro řadu nepřesností a chyb. První lineární motor schopný provozu si nechal patentovat německý vědec Alfred Zelen roku 1905. Skutečně plně funkční lineární motor vyvinul v roce 1935 německý fyzik Hermann Kemper a byl následně využitý v leteckých katapultech na válečných lodích během druhé světové války.

Obr. č. 8: Otec maglev pohonů Hermann Kemper

Další rozmach ve využití lineárních motorů byl zejména v průmyslových aplikacích, avšak zřetelný počátek a rozvoj lineárních motorů byl v posledních 70. až 80. letech dvacátého století. Významným datem v historii lineárních motorů je rok 1980. V tomto roce anglický inženýr Hugh Peter Kelly přišel s návrhem lineárního motoru s permanentními magnety. V dnešní době dosáhl tento typ pohonů významného postavení v mnoha odvětvích průmyslu.

Technické řešení lineárních motorů

Z obecných možností technických řešení lineárních motorů (mechanické, hydraulické, pneumatické a varianty elektrické) se z předmětu našeho zájmu zaměříme na přímé lineární motory elektrické.

Lineární motor pracuje na indukčním principu. Statorem je označována primární část, kterou ve většině tvoří svazek složený s feromagnetických plechů a vinutí, uložené v jeho drážkách. Rotor je část sekundární. Jeho konstrukce se liší pro různé typy motorů.

U synchronního motoru se rotor skládá z permanentních magnetů, které jsou vyrobeny ze vzácných zemin (zejména z Ni-Fe-B), které se nalepují na podložku z tvrdého materiálu (např. z oceli).

V případě asynchronního motoru je rotorem klec nakrátko, která se může ukládat do drážek feromagnetického svazku z plechů, nebo je připevněná na ocelovou podložku.

Pokud je do primární části přivedený proud vznikne mezi oběma částmi magnetické pole a tímto jevem dochází k pohybu jezdce. Přivedená velikosti proudu ovlivňuje rychlost, kterou se bude motor pohybovat. Z konstrukčního uspořádání stroje vyplyne, která část motoru se bude pohybovat. Ve většině případů se pohybuje primární část, neboli jezdec po dráze, která je tvořena sekundární částí. Problémem tohoto zapojení je nutnost pohyblivého napájení, snímačů polohy, nebo i přívod chladící tekutiny.

Obr. č. 9: Fyzikální princip lineárního motoru

Nedílnou součástí motoru je odměřovací systém polohy, na který jsou kladeny větší požadavky než u elektronicky komutovaných rotačních motorů. Signál snímače polohy je využíván nejen k určení polohy primárního dílu, ale rovněž k vyhodnocení rychlosti, zrychlení a pro řízení střídače. Inkrementální odměřovací systém pracuje buď na fotoelektrickém, nebo magnetickém principu.

Fotoelektrický princip využívá systém vypálených rysek (optické mřížky), který při pohybu primární části přerušuje světelný (laserový) paprsek. Přerušovaný paprsek je následně převeden na upravený elektrický signál. Systém může pracovat buď na odraz, nebo může reagovat na průchod světelného paprsku.

U magnetického principu je tomu obdobně. Použita je však nosná páska s tenkou záznamovou vrstvou a namagnetovanou "mřížkou". Snímací hlava převádí záznam opět na elektrické pulzy, jejichž počet podává informaci o docílené poloze.

Obr. č. 10: Schéma uspořádání lineárního pohonu vlaku maglev

Magnetická levitace

V odvětví fyziky levitace znamená vznášení se hmotných objektů za překonání gravitační síly. Tohoto se dá například docílit působením silného magnetického pole vlivem supravodivosti.

Druhy magnetické levitace

Druhy magnetické levitace se od sebe liší v použití různých fyzikálních principů. K nejdůležitějším patří:

• Levitace s permanentními magnety

• Levitace s použitím diamagnetika

• Transformační levitace

• Elektrodynamická levitace (EDS)

• Elektromagnetická levitace (EMS)

Hlavní dva druhy (konkurenční) technologie magnetické levitace jsou levitace EDS…