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电梯作为固定升降设备,是现代城市内高层建筑中必不可少的一部分。随着城市化的推进,城市人口日益增长,为了适应城市化趋势,城市建筑也因此变得更大更高。在高层建筑中,现有曳引式电梯表现出的运输效率低、候梯时间长、占地面积大和提升高度有限等缺点使得新型电梯的研发愈发重要。无绳电梯,即基于直线电机驱动的电梯,无需使用缆绳且同一井道可以运行多个轿厢。因此,无绳电梯可以很好地克服上述曳引式电梯的缺点。无绳电梯所用直线电机主要有感应直线电机、同步直线电机和开关磁阻直线电机。初级永磁型直线电机作为一种新型直线电机,其永磁体和电枢绕组位于短动子侧,次级长定子仅由导磁铁心构成。因而,该类直线电机非常适合无绳电梯类长行程应用场合。本文提出将磁通切换永磁直线电机应用于驱动无绳电梯。论文的主要研究成果包括以下几个方面:1.结合电梯驱动场合对直线电机推力、推力波动和容错性等的高要求,通过对现有紧凑型细轭部磁通切换永磁直线(Compact Thin Yoke Linear Flux-Switching Permanent Magnet,CTYLFSPM)电机的性能分析,提出了模块化细轭部磁通切换永磁直线(Modular Thin Yoke Linear Flux-Switching Permanent Magnet,MTYLFSPM)电机并阐明了电机的工作原理。采用有限元法分析MTYLFSPM电机的磁场分布、反电动势、电感、推力、端部效应和效率分布等特性。分析结果表明,MTYLFSPM电机具有反电动势对称、推力性能好和容错性强等优点。2.为了提高有限元仿真模型的优化效率,分析了现有基于代理模型的优化(Surrogate-Based Optimization,SBO)算法,提出了一种改进型SBO算法。所提算法采用改进型加点准则,充分利用计算机并行运算能力,提高收敛速度。针对多个测试函数的寻优验证了改进型SBO算法的优势。3.以一个无绳电梯模型为应用对象,采用改进型SBO算法展开了不同极距比τm/τs下MTYLFSPM电机和现有CTYLFSPM电机的优化设计。详细说明了优化设计过程中电流密度如何确定以及优化目标的建立。优化结果表明MTYLFSPM电机中性能最优的极距比是τm/τs=6.5/6,而CTYLFSPM电机中最优的极距比是τm/τs=7/6。两个电机性能很接近,但前者具有后者不具备的强容错性。根据τm/τs=6.5/6的MTYLFSPM电机尺寸参数,完成了一台样机加工。4.建立了MTYLFSPM电机样机的考虑饱和及空间谐波影响的MATLAB/Simulink电机模型。提出了矢量控制和自抗扰控制技术相结合的控制策略。在此基础上,建立了控制系统仿真平台,并完成模拟电梯上下运行的的位移速度复合控制仿真研究。5.搭建了以MTYLFSPM电机样机为核心的电梯系统实验平台,围绕dSPACE控制器搭建了控制系统硬件,编写了相关控制算法。针对样机的反电动势、电感、定位力、静态推力和温升性能展开测试。实现了速度闭环控制实验和模拟电梯上下运行的位移速度复合控制实验。6.展开了基于MTYLFSPM电机的电梯系统在发生断电故障同时机械式制动装置失灵情况下的制动研究。采用外接制动电阻制动的方式,并确定了次级定子材料分别为硅钢片和A3低碳钢下外接制动电阻的阻值以稳定轿厢下坠速度。针对电机次级定子采用A3低碳钢时,进一步研究了断电时机械制动和外接电阻制动都无法启动的极端故障情况,结果表明次级定子涡流产生的制动力将减缓轿厢下坠速度并将轿厢稳定在不大的下坠速度。最终进行了相关实验以验证理论分析的准确性。7.提出了一种集成式细轭部磁通切换永磁直线(Sandwiched Thin Yoke Linear Flux-Switching Permanent Magnet,STYLFSPM)电机,该电机结合了旋转型集成式磁通切换永磁电机和MTYLFSPM电机的结构特点,具有良好的推力性能。利用有限元法分析了该电机的工作原理、电磁性能和效率分布情况。采用改进型SBO算法对不同极距比下的STYLFSPM电机进行优化设计。优化结果表明最优的STYLFSPM电机(τm/τs=8/6)性能相比最优的CTYLFSPM电机和MTYLFSPM电机性能都要高出30%。