1 课题背景及研究意义

电梯作为生活中常见的特种载人设备，其快速、节约空间的优点在全世界范围内广泛投入使用。然而，电梯的安全性不容忽视。2018年，中国发生电梯自由下坠事故共32起，死亡23人。电梯事故作为重大民生问题必须受到重视。自2018年发生的电梯事故中有16起都是设备问题引起的，说明传统的电梯保险装置不足以保证电梯绝对的安全，而目前的电梯保护装置大多数采用机械方式，使用液压杆等制动装置实现，但该种方法效率较低，可靠性不够高；少部分电梯使用了基于转子失电制动的摩擦式制动器，但目前即使在拥有完善的电气制动和机械开关的情况下，也无法避免因维护不善和过度超载导致缆绳老化出现的自由下坠事故。此外，传统电梯所使用的摩擦式制动器加液压缓冲器的受环境限制，结构成本要求较高，制动过程中电梯的势能被转变为制动器与缓冲器的热能浪费，无法实现能量的重复利用。因此，本研究项目拟应用电磁阻尼原理实现非接触式电梯自由下落保护的目的，同时运用磁场梯度变化回收势能，将其转化为电能储存。这种基于电磁阻尼的自由下落保护装置原理是，将配重磁铁放置于螺线管线圈内部，电梯的自由下坠带动配重磁体运动在线圈上产生涡流；如果让螺线管线圈短路，则配重磁体将匀速运动，从而使轿厢不发生自由落体运动直至停止。在这个过程中，势能将会转变为螺线管线圈的电能回收。因此，在本研究项目中，磁铁的强度、螺线管的规格、轿厢的最大载重量、能量回收特性与能量回收率均需要通过有限元计算优化设计。

2. 国内外研究现状

直线型电励磁涡流制动的原理是通过励磁电源对线圈绕组通电产生磁场，导体板与励磁绕组的相对运动使导体板表面产生感应涡流。在励磁绕组产生的磁场和感应涡流产生的磁场中，绕组的运动受到与运动方向相反的制动力，励磁绕组与导体板之间的相对运动受到阻碍。

罗马尼亚的Boldea等人提出了直线型电励磁涡流制动的解析模型。首先将励磁绕组等效为无限薄的电流层，根据分层理论，可以进一步推导出涡流制动力的公式。最后，通过实验可以验证，解析模型的准确性。但制动力表达式相对复杂，无法直观分析励磁参数与涡流制动力之间的关系，对涡流制动的优化设计不利^【1】。

另外，很多国内外学者分析了直线型励磁涡流制动的电磁参数对涡流制动力特性以及制动力大小的影响，并通过有限元仿真设计出直线型电励磁涡流制动的电磁参数，以使其制动特性最优。^【2-7】

埃及开罗大学的Adly等提出了一种基于粒子群算法的直线型电励磁涡流制动优化方法。利用仿真分析，可以实现在某一速度下最大化的减少制动距离^【8】。与有限元法比较，基于粒子群算法的直线型电励磁涡流制动优化方法最大优点是能够保证达到涡流制动的预期目标情况下，计算速度较快，对计算机硬件的要求也较低。目前直线型电励磁涡流制动已在轨道制动中得到应用，通过在列车两侧安装电磁铁，使其在通电并与钢轨的发生相对运动的时候，轨道表面产生励磁涡流，实现列车减速制动的目标。此种涡流制动方案除了制动迅速、摩擦小、噪声小等优点外，还能通过调节电磁铁的励磁电流，控制不同工作状况下的制动力。但直线型电励磁涡流制动在轨道制动的应用过程中存在一个局限性，当列车处于速度较低状况时，涡流较小，从而制动力也较低。为改善列车在低速运动时，涡流制动的相关性能，韩国的Ryoo等提出了一种保持涡流制动力恒定的控制算法，该算法可以根据列车速度的变化调节励磁电流大小，使涡流制动力保持相对稳定。通过实验验证，在列车整个工作速度下，涡流制动输出制动力近似保持恒定，验证了该控制算法的可行性与准确性^【9】。但此方法也有一定局限性:在处于低速时，电磁铁励磁绕组中的控制电流较高，易导致装置温度过高以至损坏等情况。针对这个问题，实际应用中应采用涡流制动与传统的摩擦制动相结合的方案，列车处于高速区时采用涡流制动，处于低速区时采用摩擦制动^【10-13】。

下面介绍一种施工升降机永磁涡流防坠落装置研究方法。

某SSD型升降机永磁涡流防坠落装置示意图,如图1所示。将永磁涡流防坠落磁铁组安装在某SSD型升降机吊笼与标准节导体管结合的位置。当坠落发生时时,磁铁组与导体管的相对运动产生感应涡流，吊笼制动受到电磁制动力,吊笼以安全速度匀速落回地面。

图1 某SSD型升降机永磁涡流防坠落装置示意图