Improving the efficiency and end-use of energy distribution can significantly reduce global energy consumption. As the magnetic contactor (MC) is the most common switchgear used for control in most grids, minimizing its energy consumption has motivated the development of a permanent magnet (PM) MC that exhibits several advantages over conventional solenoid MCs. However, analyzing the transient magnetic behavior of a PM MC requires computationally expensive 3D finite element analysis (FEA). Herein, a modified version of a recently proposed nonlinear transient path energy method (NT-PEM) is proposed as an analytical alternative to FEA. Within the modification to NT-PEM, a new topology for nonlinear dynamic magnetic equivalent circuit (ND-MEC) is proposed with a methodology for accurate evaluation of stray and leakage flux path parameters. For coil leakage reluctances, a novel path function based on a conchoid’s arc is proposed. For stray reluctances, a path function based on the average length of an elliptical arc is proposed. This path function, along with the proposed permeability correction for nonlinear core reluctance calculation routines, led to a four-fold reduction in NT-PEM analysis time from the original version of the proposed method. The feasibility of the proposed NT-PEM is verified via comparison with commercial 3D FEA and experimental data obtained from a PM MC with a single coil and single PM. NT-PEM and FEA equally displayed accurate results, indicating that NT-PEM is a promising computationally efficient alternative to FEA owing to significantly reduced analysis time, which is essential when considering numerous designs and design parameters.

中文翻译：

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通过考虑杂散和漏磁通的新型计算高效分析方法分析永磁磁接触器的非线性动力学

提高能源分配的效率和最终用途可以显着降低全球能源消耗。由于磁性接触器 (MC) 是大多数电网中用于控制的最常见开关设备，因此最大限度地减少其能耗已推动开发永磁 (PM) MC，该永磁接触器与传统螺线管 MC 相比具有多种优势。然而，分析 PM MC 的瞬态磁行为需要计算成本高昂的 3D 有限元分析 (FEA)。在此，最近提出的非线性瞬态路径能量方法 (NT-PEM) 的修改版本被提议作为 FEA 的分析替代方案。在对 NT-PEM 的修改中，提出了一种用于非线性动态磁等效电路 (ND-MEC) 的新拓扑，其中包含一种用于准确评估杂散和漏磁通路径参数的方法。针对线圈漏磁阻，提出了一种基于贝壳弧的新型路径函数。对于杂散磁阻，提出了一种基于椭圆弧平均长度的路径函数。该路径函数以及针对非线性磁芯磁阻计算例程所建议的磁导率校正，使 NT-PEM 分析时间比所建议方法的原始版本减少了四倍。通过与商业 3D FEA 和从具有单个线圈和单个 PM 的 PM MC 获得的实验数据进行比较，验证了所提出的 NT-PEM 的可行性。NT-PEM 和 FEA 同样显示出准确的结果，表明 NT-PEM 是 FEA 的一种有前途的计算效率替代方案，因为它显着减少了分析时间，这在考虑众多设计和设计参数时至关重要。提出了一种基于贝壳弧的新路径函数。对于杂散磁阻，提出了一种基于椭圆弧平均长度的路径函数。该路径函数以及针对非线性磁芯磁阻计算例程所建议的磁导率校正，使 NT-PEM 分析时间比所建议方法的原始版本减少了四倍。通过与商业 3D FEA 和从具有单个线圈和单个 PM 的 PM MC 获得的实验数据进行比较，验证了所提出的 NT-PEM 的可行性。NT-PEM 和 FEA 同样显示出准确的结果，表明 NT-PEM 是 FEA 的一种有前途的计算效率替代方案，因为它显着减少了分析时间，这在考虑众多设计和设计参数时至关重要。提出了一种基于贝壳弧的新路径函数。对于杂散磁阻，提出了一种基于椭圆弧平均长度的路径函数。该路径函数以及针对非线性磁芯磁阻计算例程所建议的磁导率校正，使 NT-PEM 分析时间比所建议方法的原始版本减少了四倍。通过与商业 3D FEA 和从具有单个线圈和单个 PM 的 PM MC 获得的实验数据进行比较，验证了所提出的 NT-PEM 的可行性。NT-PEM 和 FEA 同样显示出准确的结果，表明 NT-PEM 是 FEA 的一种有前途的计算效率替代方案，因为它显着减少了分析时间，这在考虑众多设计和设计参数时至关重要。