Design, Analysis, and Performance Measurement of BLDCM for Electric Scooter Seng-Chi Chen Ying-Jyh Lin Ming-Mao Hsu Yung-Nan Hu Department of Electrical Engineering DAYEH University Changhua, R.O.C. Tel +886-4-8511888#2202 Fax +886-4-8511245 24V, 430W Abstract The issue of environmental protection has become an international concern. Transport systems change current states to new forms. The electric cars gradually replace gasoline or diesel vehicles, their engines to electric motors. Currently, electric car and hybrid electric vehicle have been investigated. They were fruitful research results. In this work, a 24 V, 430 W, permanent magnet brushless DC motor has been designed for use in light electric scooter. First of all, we write a comprehensive specification for the low-voltage motor, and then perform motor design, finite element analysis, and obtain Back EMF waveform, followed by mechanical design. Finally, we construct a multi-dynamometer test platform and measure the motor characteristic curves. The measured data meet the requirements of the motor design. Keywords: Scooter, permanent magnet, brushless DC motors (BLDCM), magnetic circuit analysis, dynamometer. [1] () 10000 rpm E-mail amtf.csg@mail.dyu.edu.tw [1, 8-10] 1 24 V, 430 W, 2500 RPM (1) 1403
1 430 W 24 VDC 2500 rpm F 1 40 C 1.65 Nm 35CS300 50 mm SAE1020 30 23.5 A N38H 0.0815 V/(rad/sec) 0.07 Nm/A (2) N38H (3) [7] 0.35mm 35CS300 (4) (5) 8 12 (6) [2] ( ) PWM PWM PAM 1 12 8, 1 2 8 12 A, B, C [13,14] 2 [2] 2 Phase A Phase B Phase C In Out In Out In Out 1 2 3 4 2 6 4 5 6 7 5 6 7 8 9 10 8 9 10 11 12 1 11 12 2 3 8 8 4 1.7 Tesla 5 985 RPM 8.0 V 6 1404
中華民國第三十一屆電力工程研討會 台灣 台南 2010 年 12 月 3-4 日 馬達機械設計立體圖 主要由軸心 前蓋 軸承 端 蓋 轉子 定子 絕緣套管及外框組成 圖 6 無刷馬達立體圖 五 量測設備建構 本文建構一套動力量測平台 量測馬達轉速 轉 矩 輸入電流及電壓 進而計算馬達輸入功率及輸出功 率和效率 並繪製馬達特性曲線[3-5, 11] 本文所建置的量測平台為被動型動力計 主要由表 2 中的儀器組成 此平台的優越性 包含了有簡單且完 整的人機控制介面 提供精準轉扭負載 煞車和外接控 制面板 為自動化馬達動力量測設備 圖 3 磁通分布圖 設備名稱 1.個人電腦 2.控制器 3.電力分析儀 4.磁滯式煞車 圖 4 磁通密度分布圖 5.接線面板 表 2 動力計儀器設備 功用 電腦中搭配人機介面軟體與 GPIB 卡硬 體 發送控制訊號與讀取電力分析儀與 控制器所回傳的訊號 由電腦設定參數經控制器至磁滯煞 車 令磁滯煞車產生負載轉矩 讀取輸入至馬達與驅動器的電壓及電 流值 與待測馬達經聯軸器連接 提供馬達負 載轉矩 量測電壓/電流及連接電源使用 Back EMF Constant vs. Rotor Position L-L AB( 8 L-L Back EMF Constant (Vs/rad) 6 4 2 0-2 -4-6 -8 0 20 40 60 80 Rotor Position (Mech. Degree) 圖 5 反電動勢波形 100 ) 動力計量測系統連結方式如下[6, 12]: HD800 磁滯 式煞車 以 IEEE 488.2 連接至 DSP6000 控制器 並利 用 WT 210/230 電力分析儀 經 IEEE 488.2 與控制器並 聯至個人電腦中之 GPIB 卡 並撰寫人機介面進行控制 與資料的擷取 而控制面板則是為了方便外接量取數據 和電源輸入之用 圖 7 為動力計的架構與流程 以本文 直流無刷馬達為例 操作步驟如下: 1. 將待測馬達與磁滯式煞車以聯軸器連接固定 並調 整 XYZ 方向使其對心 並防止抖動 2. 由直流電源供應器輸入待測直流無刷馬達所需之 24VDC 電源 並經由電力分析儀擷取輸入電壓 電流及功率值至個人電腦 3. 啟用個人電腦中之人機介面調整 DSP6000 控制器 所需 PID 控制參數 額定轉矩 額定轉速等參數 設定值 4. 驅動器驅動待測馬達旋轉至無載轉速後 DSP6000 控制器緩慢進行煞車 電腦進行自動量測及數據的 擷取與繪圖 直至馬達轉速低於額定轉速或更低的 轉速 1405
中華民國第三十一屆電力工程研討會 台灣 台南 2010 年 12 月 3-4 日 GPIB擷取 轉矩與速度 特性曲線繪製 DSP6000控制器 轉矩與速度 回傳 GPIB擷取輸入 電壓與電流 GPIB Card PID 參數設定 圖 9 所示為馬達轉速對輸入電壓及電流之特性曲 線圖 馬達電壓維持 24 VDC 馬達空載電流 4.13 A 最 大電流值 33.46A 圖 10 為馬達輸入與輸出功率 馬達最大功率 540W 額 定功率 430 W 圖 11 所示為轉速對效率與轉矩之特性曲 線 最高效率發生在轉速約 2750 RPM 為 80% 電力分析儀WT210/WT230 輸入電壓及電流 PID控制 - 24V直 流電源 供應器 - 圖 9 轉速-電壓/電流特性曲線圖 DU HD800磁滯式煞車 DV 空氣壓縮機冷卻 聯軸器 連結 待測直流 無刷馬達 (內置驅動器) 馬 達 電 源 輸 入 DW 接線面板 U V W E 圖 7 動力計控制與接線方塊圖 六 實驗結果 所建置動力計測試平台如圖 8 所示 馬達從空載轉 速開始加載直到轉速為零 並進行有關輸入電壓 電 流 功率 輸出功率 轉矩和效率等數據擷取 並利用 電腦繪製特性曲線 如圖 9 至圖 11 所示 圖 10 轉速-輸入功率/輸出功率特性曲線圖 圖 11 轉速-效率/轉矩特性曲線圖 圖 8 被動型動力計測試平台 圖 12 為實際量測之反電動勢波形 圖 13 為量測波 形與模擬波形之比較 1406
L-L Back EMF Constant (Vs/rad) 12 13 8 12 / / [1] N. Hashemnia, B. Asaei, Comparative Study of Using Different Electric Motors in the Electric Vehicles, International Conference on Electrical Machines, pp.1-5, 2008. [2] G. H. Jang, J. H. Chang, D. P. Hong, K. S. Kim, Finite-Element Analysis of an Electromechanical Field of a BLDC Motor Considering Speed Control and Mechanical Flexibility, IEEE Transactions on Energy Conversion, pp.945-948, 2002. [3] M. Markovic, A. Hodder, Y. Perriard, An analytical determination of the torque speed and efficiency speed characteristics of a BLDC motor, Energy Conversion Congress and Exposition, pp.168.172, 2009. [4] E. R. Collins, Y. Huang, A Programmable Dynamometer for Testing Rotating Machinery Using a Three-phase Induction Machine, IEEE Transactions on Energy Conversion, pp.521-527, 1994. [5] C. Y. Wu, M. C. Tasi, S.H. Mao, Characteristics Measurement of Direct-Drive Brushless DC Motors without Using Dynamometers, International Conference on Electrical Machines and Systems, pp.15-18, 2009. [6] R. S. Balog, Z. Sorchini, J. W. Kimball, P. L. Chapman, P. T. Krein, Modern Laboratory-Based Education for Power Electronics and Electric Machines, IEEE Transactions on Power Systems, pp.538-547, 2005. [7] Cassat, C. Espanet, N. Wavre, BLDC Motor Stator and Rotor Iron Losses and Thermal Behavior Based on Lumped Schemes and 3-D FEM Analysis, IEEE Transactions on Industry Applications, pp.1314-1322, 2003. [8] Y. Honda, T. Nakamura, T. Higaki, Y. Takeda, Motor Design Considerations and Test Results of an Interior Permanent Magnet Synchronous Motor for Electric Vehicles, IEEE Industry Applications Society, pp.5-9, 1997. [9] Y. P. Yang, J. P. Wang, S. W. Wu, Y. P. Luh, Design and Control of Axial-Flux Brushless DC Wheel Motors for Electric Vehicles Part II Optimal Current Waveforms and Performance Test, IEEE Transactions on Magnetics, pp.1883-1891, 2004. [10] J. Gan, K. T. Chau, C. C. Chan, J. Z. Jiang, A New Surface-Inset, Permanent-Magnet, Brushless DC Motor Drive for Electric Vehicles, IEEE Transactions on Magnetics, pp.3810-3818, 2000. [11] A. S. Nagorny, A simple and accurate method for the experimental performance evaluation of high speed sensorless brushless dc motors, IEEE International Electric Machines and Drives Conference, pp.916-921, 2009. [12] K. Tsuboi, I. Hirotsuka, T. Takegami, M. Nakamura, Basic Concept of an Analytical Calculation Method and Some Test Results for Determination of Constant of Line Start Permanent Magnet Motor, International Conference on Electrical Machines and Systems, pp.3108-3111, 2008. [13] G. H. Jang, C. I. Lee, Dual Winding Method of a BLDC Motor for Large Starting Torque and High Speed, IEEE Transactions on Magnetics, pp.3922-3924, 2005. [14] D. Hanselman, Brushless Permanent Magnet Motor Design, 2nd Edition, The Writers Collective, 2003. 1407