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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

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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