Dynamic Modelling of Twin Harmonic Counter-Rotating PMSM for Booster Pump in Pumped Storage Hydropower

Abstract

En prototype av en permanentmagnet synkronmotor med utpregede poler og doble rotorer har blitt grundig simulert gjennom endelig elementanalyse i COMSOL. De to rotorene utnytter positiv og negativ sekvens harmoniske komponenter i en konsentrert trefasevikling for å drive kontraroterende bevegelse i en enkelt stator. Dynamiske belastningsforsøk er konstruert i COMSOL og løst på NTNUs bergningsklynge IDUN. Distribuerte parameterkombinasjoner gir en hastighetsøkning i beregninger på 92,67 % på IDUN, sammenlignet med en arbeidsstasjon med Intel Xeon W-2295 CPU og 64 GB RAM. 22-pol- og 26-pol rotorene klarer å motstå et belastningstrinn på henholdsvis 28,02 Nm og 30,98 Nm uten en motorregulator i de dynamiske simuleringene. Effektivitetskart viser en effektivitet på 91,4 % for 22-pol rotoren og 89,27 % for 26-pol rotoren, langs det tiltenkte dreiemoment-hastighetsområdet til en boosterpumpe.

A prototype of a dual rotor surface mounted permanent magnet motor has been extensively simulated through finite element analysis (FEA) in COMSOL. The two rotors utilize positive and negative sequence harmonic components of a concentrated three phase winding layout to drive counter-rotation in a single stator. Dynamic load modeling experiments are constructed in COMSOL, and solved on NTNU’s high performance computing cluster (HPC) IDUN. Distributed parametric sweeps give computational speedups of 92.67 % on the HPC, compared to a 64 GB RAM Intel Xeon W-2295 CPU workstation. The 22 pole and 26 pole rotors manage to withstand a load step of 28.02 Nm and 30.98 Nm without a motor controller in the dynamic simulations. Efficiency maps exhibit 91.4 % efficiency of the 22 pole rotor and 89.27 % efficiency of the 26 pole rotor, along the intended torque-speed operational area of a booster pump.