BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka Kül (2015) meneliti

BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka
Kül (2015) meneliti tentang penerapan metode elemen hingga untuk
menentukan performa Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor
(LSPMSM). Penelitian dilakukan untuk merancang desain motor LSPMSM pada
aplikasi kipas dengan torsi maksimal. Perangkat lunak RMxprt (Rotating Machine
Expert) ANSYS Maxwell digunakan untuk mensimulasikan desain lilitan bahan
magnet, rotor dan slot stator. Karakteristik dari motor sinkron dan torsi diteliti dan
dievaluasi. Kemudian efek dari torsi pengereman
(breaking torque) diteliti.
Penelitian dilakukan pada motor tiga fase 1.1 kW 4 poles. Parameter rotor dan
stator dari motor diubah tetapi dimensi dari motor tidak diubah. Kemudian desain
motor dibuat menggunakan RMxprt untuk memperoleh kurva torsi, efisiensi dan
faktor daya. Pada penelitian ini menjelaskan bahwa torsi pengereman tergantung
pada posisi dan dimensi magnet. Jadi apabila dimensi magnet dikurangi maka
breaking torque akan menurun. Selain berpengaruh pada breaking torque, efek
dimensi magnet mempengaruhi efisiensi dan faktor daya dari motor listrik. Jika
dimensi magnet lebih kecil efisiensi faktor daya menjadi menurun.
Taufik, dkk (2012) meneliti inti magnet dengan bahan baja karbon rendah
dari PT. Krakatau Steel. Bahan tersebut dianalisa dengan karakterisasi VSM
(vibrating sample magnetometer) untuk mengetahui sifat kemagnetan dan EDX
(energy dispercive X-ray spectroscopy) untuk mengetahui komposisi kandungan
unsur bahan magnet. Hasil dari karakterisasi VSM berupa kurva B-H dan
disimulasikan menggunakan perangkat lunak opera 3D. Pada pengujian VSM
disiapkan dua sampel bahan yaitu bahan A dan bahan B dengan ukuran sampel
1mm x 1mm x 10mm. Pengujian dilakukan dalam tiga posisi yang berbeda
terhadap arah medan magnet induksi H. Dengan mengubah posisi sampel
menghasilkan kurva B-H yang berbeda dan pada posisi ketiga gradien/kemiringan
yang lebih besar. Hal ini menunjukkan bahwa sifat magnet dari bahan tersebut
4
5
bersifat anisotropik. Anisotropik adalah suatu properti fisik yang nilainya berbeda
jika diukur dengan arah pengukuran yang berbeda. Pada pengujian EDX sama
seperti pada pengujian VSM membuat dua sampel bahan yaitu bahan A dan bahan
B dengan ukuran sampel 5mm x 5mm x 2mm. Hasil analisis sampel dengan EDX
untuk bahan A mengandung Fe 95,01%, C 4,74%, Si 0,26% . Sedangkan bahan B
mengandung Fe 96,14%, C 3,78%, Si 0,08%. Hasil ini sebanding dengan hasil
analisis VSM dimana bahan B yang memiliki kandungan Fe yang lebih besar dari
bahan A menghasilkan kurva B-H dengan kemiringan yang besar. Dari hasil uji
EDX kedua bahan memiliki kandungan karbon yang masih besar. Semakin kecil
kandungan karbon pada besi akan menghasilkan sifat magnet yang lebih baik.
Apabila sampel memiliki kandungan karbon yang masih besar maka akan
membutuhkan arus yang lebih besar. Ketika sifat magnet dari suatu bahan sudah
diperoleh maka dilakukan simulasi untuk menganalisis kelayakan sampel yang
dibuat untuk magnet siklotron. Simulasi menggunakan perangkat lunak Opera-3d
menggunakan modul TOSCA. Pada proses simulasi Opera-3D dengan
menggunakan data bahan magnet B pada posisi ketiga yang diperoleh dari analisis
VSM, besarnya medan magnet yang dihasilkan sangat kecil yaitu tidak lebih dari
0,2 T pada NI = 41040 lilitan per kumparan. Untuk meningkatkan medan magnet
menjadi 1,3 T maka diperlukan NI = 180.000 lilitan per kumparan. Dengan NI
yang lebih besar dapat mengakibatkan dimensi magnet menjadi lebih besar dan
kebutuhan pendingin menjadi besar sehingga membutuhkan arus yang lebih besar.
Nekoubin (2011) meneliti tentang pengaruh struktur slot stator dan
switching angle pada cylindrical single-phase brushless direct current motor
(BLDC) terhadap efisiensi motor. BLDC motor dengan tiga struktur slot stator
yang berbeda dirancang dengan menggunakan perangkat lunak RMxprt Ansys
Maxwell untuk mengetahui efisiensi BLDC motor pada kondisi full-load.
Kemudian motor BLDC dengan struktur slot stator yang berbeda dirancang
dengan menggunakan perangkat lunak Maxwell 3D dan eletrokmagnetiknya
dianalisa dengan metode elemen hingga. Setelah mendesain stator dengan jenis
struktur pertama dan mensimulasikannya dengan beban penuh, efisiensi yang
dihasilkan yaitu sebesar 79,6 %. Kemudian dianalisa elektromagnetnya
menggunakan Maxwell 3D dengan hasil air gap lux sebesar 0,661 T dan
6
inductance leakage sebesar 0,00381 H. Kemudian mendesain stator dengan jenis
struktur yang kedua dan mensimulasikannya dengan beban penuh, efisiensi yang
dihasilkan naik dari desain stator yang pertama yaitu sebesar 81,3 %. Hasil analisa
elektromagnetnya yaitu air gap flux sebesar 0,675 T dan inductance leakage
sebesar 0,00272 H. Setelah itu mendesain stator dengan jenis struktur yang ketiga
dan mensimulasikannya dengan beban penuh, efisiensi yang dihasilkan yaitu
sebesar 89,9 % dan hasil anlisa elektromagnetnya air gap lux sebesar 0,661 T dan
inductance leakage sebesar 0,00381 H. Efisiensi dari motor BLDC meningkat
secara signifikan dibandingkan dengan dua desain sebelumnya. Hasil penelitian
menunjukkan bahwa slot stator memainkan peran penting dalam meningkatkan
efisiensi motor BLDC dan dengan mengubah struktur slot stator efisiensi motor
BLDC akan berubah.
Nekoubin (2011) meneliti efek struktur rotor pada line start synchronous
permanent magnet motor (LSPMM) terhadap efisiensi motor listrik. Penelitian
dilakukan dengan membuat tiga desain struktur rotor kemudian dianalisa efek
struktur rotor pada LSPMM terhadap efisiensi motor listrik dan total loss.
Pembuatan design motor menggunakan program RMxprt pada perangkat lunak
Ansys Maxwell menggunakan parameter yang sudah ditentukan pada jurnal. Hasil
dari penelitian menunjukkan dari tiga struktur rotor yang dimodelkan dengan
speed yang sama sebesar 1500 rpm adalah struktur ketiga mempunyai total loss
yang sedikit yaitu sebesar 102,801 W dan mempunyai efisiensi yang tinggi yaitu
sebesar 92,075 % dibandingkan struktur pertama yang mempunyai total loss yang
masih tinggi yaitu 1366,65 W dan memiliki efisiensi rendah yaitu sebesar 31,919
%. Sementara struktur rotor kedua mempunyai total loss sebesar 211,35 W dan
efisiensi sebesar 72,162 %. Sehingga struktur rotor ketiga adalah bentuk struktur
yang baik untuk digunakan pada LSPMM motor. Hasil penelitian menunjukkan
bahwa struktur rotor memainkan peran penting dalam meningkatkan efisiensi
LSPMM motor dan dengan mengubah struktur garis arus rotor, total loss, dan
efisiensi akan berubah.
Paulus (2007) membuat soft magnetic materials untuk aplikasi arus DC
pada peralatan elektronik juga untuk magnet permanen. Meneliti pengaruh
7
tekanan kompaksi dan waktu penahanan temperatur sintering terhadap sifat
magnetik dan kekerasan pada pembuatan iron soft magnetik dari serbuk besi.
Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah serbuk besi. Setelah melalui
proses pengayakan didapatkan butiran serbuk besi dengan ukuran mesh 100s.
Material di kompaksi dengan tekanan yang berbeda yaitu dengan variasi
penekanan 4, 5 dan 6 ton dilanjutkan proses sintering, Sintering yang dilakukan
pada penelitian menggunakan suhu 10 oC/menit sampai temperatur 1000oC, dan
dengan waktu penahanan (holding time) masing-masing selama 30, 60, dan 90
menit di dalam oven. Setelah itu temperatur diturunkan hingga temperatur kamar.
Nilai induksi remanen magnetik akan meningkat dengan meningkatnya tekanan
kompaksi dan akan menurun dengan semakin lamanya waktu penahanan (holding
time) temperatur sintering dan nilai kekerasan magnet akan meningkat seiring
dengan meningkatnya tekanan kompaksi dan lama waktu penahanan temperatur
sintering. Kemudian dilakukan pengujian X-ray diffraction (XRD) teknik ini
digunakan untuk mengidentifikasi fasa kristalin dalam material dengan cara
menentukan parameter struktur kisi serta untuk mendapatkan ukuran partikel.
Setelah itu dilakukan pengujian X-ray Fluorescence (XRF) spektroskopi
merupakan teknik analisis unsur yang membentuk suatu material dengan
menjadikan interaksi sinar-X dengan material analit sebagai dasarnya. Hasil
pengujian terdapat kandungan Fe 67,93 % dan C 0,23 %. Dari hasil uji memiliki
kandungan Fe yang rendah. Semakin kecil kandungan karbon pada besi akan
menghasilkan sifat magnet yang lebih baik. Kemudian dilakukan pengujian VSM
untuk mendapatkan kurva histerisis. Kurva yang dihasilkan menunjukkan bahwa
bahan bersifat soft magnetic. Yang berbeda hanya pada nilai induksi remanen (Br)
dimana induksi remanen bahan yang disintering selama 30 menit yaitu sebesar
230 Gauss sedangkan bahan yang disintering selama 90 menit sebesar 150 Gauss.
Nilai induksi remanen magnetik yang paling tinggi diperoleh dengan tekanan
kompaksi 6 ton dan holding time 30 menit yaitu sebesar 14 Gauss. Nilai kekerasan
magnet yang paling tinggi diperoleh dengan tekanan kompaksi 6 ton dan holding
time 90 menit yaitu sebesar 562,7 HV.
2.2.Dasar Teori
8
2.2.1. Magnet
Magnet adalah suatu benda yang mempunyai medan magnet. Asal kata
magnet yaitu berasal dari kata magnesia yaitu nama suatu daerah di Asia dan
ditemukan sekitar 4000 tahun yang lalu. Benda yang dapat menarik logam
terutama besi atau baja inilah yang disebut magnet. Magnet sudah banyak
diterapkan pada peralatan yang sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari,
antara lain pada motor listrik, generator listrik, satelit, sistim pemantau radar,
central lock pintu mobil, lampu, perangkat pengangkat dan penarik benda logam
pada pesawat angkat, kereta api cepat, bel listrik, dinamo, alat-alat ukur listrik,
kompas yang semuanya menggunakan bahan magnet.
Magnet dapat diproduksi dari bahan besi, baja, dan campuran logam serta
telah banyak dimanfaatkan untuk industri otomotif dan lainnya. Sebuah magnet
terdiri atas magnet-magnet kecil yang memiliki arah yang sama (tersusun teratur),
magnet-magnet kecil ini disebut magnet elementer. Pada logam yang bukan
magnet, magnet elementernya mempunyai arah sembarangan (tidak teratur)
sehingga efeknya saling meniadakan, yang mengakibatkan tidak adanya kutubkutub magnet pada ujung logam. Setiap magnet memiliki dua kutub, yaitu: utara
dan selatan. Kutub magnet adalah daerah yang berada pada ujung-ujung magnet
dengan kekuatan magnet yang paling besar berada pada kutub-kutubnya. Satuan
intensitas magnet menurut sistem metrik Satuan Internasional (SI) adalah Tesla
dan SI unit untuk total fluks magnetik adalah weber (1 weber/m2 = 1 tesla) yang
mempengaruhi luasan satu meter persegi. (Afza, 2011)
2.2.1.1. Medan Magnet
Daerah di sekitar magnet yang masih merasakan adanya gaya magnet
disebut medan magnet. Jika sebatang magnet diletakkan dalam suatu ruang, maka
terjadi perubahan dalam ruang ini yaitu dalam setiap titik dalam ruang akan
terdapat medan. Arah medan magnetik di suatu titik didefenisikan sebagai arah
yang ditunjukkan oleh kutub utara jarum kompas ketika ditempatkan pada titik
tersebut. (Afza, 2011).
9
Medan magnet dapat dihasilkan secara elektromagnetik, yaitu dengan cara
melewatkan arus listrik pada konduktor seperti ditunjukan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1. (a) ilustrasi medan magnet yang timbul di sekitar koil tembaga
(solenoid), (b) ilustrasi kuat medan magnet yang meningkat di
sekitar solenoid jika diletakkan inti besi pada bagian dalam
solenoid. (Smith,F.William)
Pada gambar 2.1 (b) ditunjukkan kuat medan magnet yang meningkat
dengan adanya inti besi pada solenoid. Peningkatan kuat medan magnet berasal
dari medan magnet solenoid ditambah medan magnet luar yang berasal dari
magnetisasi besi.
Kuat medan magnet dapat dinyatakan dengan persamaan :
(2.1)
dimana :
I = Arus (ampere)
H = Kuat medan magnet (ampere/meter)
N = cacah lilitan
Kuat medan magnet juga bisa dinyatakan dalam satuan oersteds (Oe),
dengan 1 A/m = 4π x 10-3 Oe. (Smith,F.William).
10
2.2.1.2. Sifat-Sifat Magnet.
1.
Induksi remanen (Br)
Induksi magnetik yang tertinggal dalam sirkuit magnetik (besi lunak)
setelah memindahkan atau menghilangkan pengaruh medan magnetik. Ketika
arus dialirkan pada sebuah kumparan yang melilit besi lunak maka terjadi
orientasi pada partikel-partikel yang ada dalam besi. Orientasi ini mengubah
atau mengarahkan pada kutub utara dan selatan.
2.
Permeabilitas magnet (μ)
Daya hantar atau permeabilitas magnet (diberi lambang μ) adalah
parameter bahan yang menentukan besarnya fluks magnetik. Untuk
menghitung nilai permeabilitas magnet pada suatu bahan dapat dilakukan
dengan menggunakan rumus berikut:
µ = B/H
dimana: µ
(2.2)
= permeabilitas magnet (Wb/Am)
B
= rapat fluks magnetik (Tesla)
H
= kuat medan magnet (A/m)
(Sumber: William D. Callister, 2007)
Rasio B/H disebut dengan permeabilitas, nilai rasio B/H yang tinggi di
kurva histerisis menunjukkan bahwa magnetisasi mudah terjadi karena
diperlukan medan magnet yang kecil untuk menghasilkan rapat fluks yang
tinggi (induksi). Dan sebaliknya jika nilai rasio B/H rendah pada kurva
histerisis maka magnetisasi sulit untuk dilakukan. Sedangkan untuk mencari
nilai permeabilitas relatif dari bahan magnetik dapat dihitung menggunakan
rumus berikut:
µr = µ/µ0
dimana:
μ = permeabilitas magnet (Wb/Am)
μo = permeabilitas vacuum
μr = permeabilitas relatif
(2.3)
11
3. Gaya koersif (Hc)
Medan daya yang diperlukan untuk menghilangkan induksi remanen
setelah melalui proses induksi elektromagnetik.
Medan koersivitas atau gaya koersivitas yaitu medan gaya yang
diperlukan untuk menghilangkan induksi remanen setelah melalui proses
induksi elektromagnetik. Dari besarnya koersivitas inilah yang menentukan
magnet tergolong pada jenis soft-magnetic atau hard-magnetic. Untuk bahan
yang memiliki koersivitas yang besar (Hc > 1 kA/m) disebut hard-magnetic,
sedangkan untuk bahan yang memiliki koersivitas kecil (Hc < 1 kA/m)
disebut soft-magnetic. Pada soft magnetic materials besarnya gaya koersif
yang dibutuhkan lebih kecil daripada permanen magnet. Besarnya nilai
koersivitas dapat diketahui dari kurva histerisis, yang memiliki satuan
ampere-turn/meter (A/m). (Asyer, 2007)
4.
Gaya gerak magnetis (Θ)
Gaya gerak magnetis adalah jumlah dari semua arus dalam beberapa
penghantar yang dilingkupi oleh medan magnet (atau oleh garis fluks
magnetik).
5.
Fluks magnetik (Φ)
Fluks magnetik total adalah jumlah dari semua garis fluks magnetik,
ini berarti bahwa fluks sama besar dibagian dalam dan bagian luar kumparan.
6.
Relukstansi magnet (RM)
Relukstansi magnet tergantung dari panjang jejak fluks magnetik,
bidang penampang lintang A yang ditembus fluks magnetik dan sifat magnet
bahan, tempat medan magnet.
2.2.1.3. Material Magnet Lunak dan Magnet Keras
Material magnetik diklasifikasikan menjadi dua yaitu material magnetic
lemah (soft magnetic materials) maupun material magnetic kuat atau (hard
magnetic materials). Penggolongan ini berdasarkan kekuatan medan koersifnya
dimana soft magnetic atau material magnetic lemah memiliki medan koersif yang
lemah sedangkan material magnetic kuat atau hard magnetic materials memiliki
12
medan koersif yang kuat. Hal ini lebih jelas digambarkan dengan diagram
histerisis atau hysteresis loop sebagai loop.
Gambar 2.2. Kurva histerisis untuk hard material magnet dan soft material
magnet. (Taufik, 2012)
Diagram histeresis pada Gambar 2.2 menunjukkan kurva histeresis untuk
soft magnetic materials dan hard magnetic materials. H adalah medan magnetik
yang diperlukan untuk menginduksi medan berkekuatan B dalam material. Setelah
medan H ditiadakan, dalam spesimen tersisa magnetisme residual Br yang disebut
residual remanen, dan diperlukan medan magnet Hc yang disebut gaya koersif,
yang harus diterapkan dalam arah berlawanan untuk menghilangkan residual
remanen. Soft magnetic materials mudah dimagnetisasi serta mudah pula
mengalami demagnetisasi. Nilai H yang rendah sudah memadai untuk
menginduksi medan B yang kuat pada logam, dan diperlukan medan Hc yang
kecil untuk menghilangkannya. Hard magnetic materials adalah material yang
sulit dimagnetisasi dan sulit di demagnetisasi.
Karena hasil kali medan magnet (A/m) dan induksi (V.det/m2) merupakan
energi per satuan volume, luas daerah hasil integrasi di dalam loop histerisis
adalah sama dengan energi yang diperlukan untuk satu siklus magnetisasi mulai
dari 0 sampai +H hingga –H sampai 0.
Untuk mendapatkan dan mempelajari sifat magnetik suatu bahan perlu
dilakukan pengujian dengan alat yang bernama VSM
(Vibrating Sample
13
Magnetometer). Dengan alat ini akan dapat diperoleh informasi mengenai kurva
histerisis suatu bahan dan besaran-besaran sifat magnetik sebagai akibat
perubahan medan magnet luar yang digambarkan dalam kurva histerisis, sifat
megnetik magnetik bahan sebagai akibat perubahan suhu, dan sifat-sifat magnetik
bahan sebagai fungsi sudut pengukukuran atau kondisi anisotropik bahan.
(Mujamilah, 2000)
2.2.2. Motor Listrik
Motor listrik adalah sebuah perangkat elektromagnetis yang mengubah
energi listrik menjadi energi mekanik. Prinsip kerja pada motor listrik yaitu tenaga
listrik diubah menjadi tenaga mekanik. Perubahan ini dilakukan dengan
mengubah tenaga listrik menjadi magnet yang disebut sebagai elektromagnet.
Apabila kutub magnet yang sama didekatkan maka akan tolak menolak dan jika
kutub magnet yang berbeda didekatkan akan tarik menarik. Dari teori tersebut
dapat diperoleh suatu gerakan jika menempatkan magnet pada sebuah poros yang
dapat berputar, dan magnet yang lain pada suatu kedudukan yang tetap.
Mekanisme kerja motor listrik untuk seluruh jenis motor secara umum
sama arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya. Jika kawat yang
membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah lingkaran (loop), maka kedua sisi
loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet akan mendapatkan gaya pada arah
yang berlawanan. Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar (torque) untuk
memutar kumparan. Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk
memberikan tenaga putaran yang lebih seragam. Medan magnet dihasilkan oleh
susunan elektromagnetik yang disebut kumparan medan magnet.
2.2.2.1 Jenis–jenis motor listrik
Menurut arah arusnya motor listrik dibagi menjadi dua macam yaitu
menjadi motor AC dan motor DC. (Marc Vila Mani, 2006)
a. Motor AC
Motor arus bolak-balik menggunakan arus listrik yang membalikkan
arahnya secara teratur pada rentang waktu tertentu. Motor listrik memiliki dua
14
buah bagian dasar listrik: "stator" dan "rotor". Stator merupakan komponen listrik
yang statis. Rotor merupakan komponen listrik yang berputar.
b. Motor DC
Motor arus searah (Direct Current) termasuk jenis aktuator yang
menghasilkan gerak dari sumber energi listrik. Motor DC memiliki karakteristik
yang baik, bagian utamanya terdiri dari aktuator (bagian yang selalu berputar) dan
stator (bagian yang diam). Stator merupakan tempat kumparan medan (field
winding) dan rotor merupakan tempat rangkaian jangkar (armature winding).
Prinsip kerja dari motor DC sesuai dengan sifat kemagnetan dimana magnet yang
kutubnya berlawanan arah didekatkan satu sama lain akan saling tarik menarik
dan sebaliknya, magnet yang kutubnya searah akan saling tolak. Arah medan
magnet rotor akan selalu berusaha untuk berada pada posisi yang berlawanan arah
dengan arah medan magnet stator.
Dalam mesin DC, arah medan magnet stator adalah tetap, sehingga untuk
menjaga kontinyuitas momen putar rotor maka arah medan magnet rotor harus
menyesuaikan/ dirubah. Untuk menciptakan efek perubahan arah medan rotor ini
dilakukan dengan merubah arah aliran arus yang mengalir dalam rangkaian
jangkar. Perubahan aliran arus rotor ini dilakukan dengan menghubungkan
rangkaian jangkar dengan sumber tegangan luar melalui sikat (brush) yang
dilengkapi dengan komutator. Cincin komutasi ini berfungsi sebagai alat untuk
menjaga agar posisi medan jangkar selalu optimum dalam menghasilkan momen
putar. Metode pembangkitan medan stator dapat dilakukan dengan magnet
permanen atau elektromagnetis.
Secara umum motor DC dibagi atas 2 macam, yaitu :
1. Brushed DC motor
Brushed motors terdiri dari magnet permanen pada stator dan rotor dengan
dinamo dalam satu set lilitan. Motor DC dengan sikat yang berfungsi sebagai
pengubah arus pada kumparan sedemikian rupa sehingga arah putaran motor akan
selalu sama.
Pada brushed Motor DC, terdapat 2 sumber medan magnet yaitu rotor dan
stator. Biasanya medan pada stator berupa magnet permanen yang memiliki polaritas
(sifat kutub utara atau selatan) yang tetap sedangkan pada rotor polaritas medan
magnet berubah-ubah seiring posisi anguler dari rotor tersebut. Hal tersebut dilakukan
15
agar rotor selalu mendapat gaya (tarik menarik atau tolak menolak) magnet yang
menyebabkan rotasi yang beraturan pada rotor. Pada brushed motor DC, medan
magnet pada rotor dibangkitkan oleh kumparan (koil) yang dialiri oleh arus listrik.
Untuk merubah polaritas (utara selatan) pada kumparan elektromagnet, kita perlu
merubah polaritas (+/-) dari arus yang mengalir didalam kumparan tersebut. Disinilah
sikat karbon/arang yang anda maksud bekerja. Sikat arang/karbon merupakan media
yang menghantarkan sekaligus merubah-rubah polaritas arus listrik kedalam
kumparan pada rotor
Gambar 2.3. Konstruksi brushed motor. (Marc Vila Mani, 2006)
2. Brushless DC motor
Brushless DC motor menggunakan bahan semi konduktor untuk
mengubah maupun membalikan arah putarannya untuk menggerakan motor.
Tingkat kebisingan dari motor jenis ini rendah karena putarannya halus.
BLDC (Brushless Direct Current) motor atau dapat disebut juga dengan
BLAC (Brushless Alternating Current) motor merupakan motor listrik
synchronous AC tiga fasa. Perbedaan pemberian nama ini terjadi karena BLDC
memiliki BEMF (Back Electromotive Force) berbentuk trapezoid sedangkan
BLAC memiliki BEMF berbentuk sinusoidal. Walaupun demikian keduanya
memiliki struktur yang sama dan dapat dikendalikan dengan metode six-step
maupun metode PWM (Pulse Width Modulation). Dibandingkan dengan motor
DC jenis lainnya, BLDC memiliki kecepatan yang lebih tinggi akibat tidak
digunakannya brush. Dibandingkan dengan motor induksi, BLDC memiliki
16
efisiensi yang lebih tinggi karena rotor BLDC terbuat dari magnet permanen.
Walaupun memiliki kelebihan dibandingkan dengan motor jenis lain, metode
pengendalian motor BLDC jauh lebih rumit untuk kecepatan dan torsi yang
konstan, karena tidak adanya brush yang menunjang proses komutasi.
Pada dasarnya ada dua konfigurasi yang mungkin untuk brushless DC
motor sesuai dengan strukturnya yaitu Inner-Rotor Motors dan Outer-Rotor
Motors. Outer-rotor motors memiliki lebih banyak material magnetik dibanding
dengan inner-rotor. Kontruksi dari keduanya ditunjukkan pada gambar 2.4
dibawah ini.
Gambar 2.4. Konstruksi BLDC Inner-Rotor Motors dan Outer-Rotor Motors.
(Marc Vila Mani, 2006)
Secara umum motor BLDC terdiri dari dua bagian yaitu rotor adalah
bagian yang bergerak yang terbuat dari permanen magnet dan stator adalah bagian
yang tidak bergerak yang terdiri dari kumparan. Secara teoritis, BLDC motor
dapat dibuat dengan rangkaian single, 2, 3, 6 dan12 fasa. BLDC menggunakan
sumber DC sebagai sumber energi utama yang kemudian diubah menjadi
tegangan AC dengan menggunakan inverter tiga fasa. Tujuan dari pemberian
tegangan AC tiga fasa pada stator BLDC adalah menciptakan medan magnet putar
stator untuk menarik magnet rotor.
Beberapa keuntungan brushless DC motor dibandingkan dengan motor
DC biasa, antara lain :
1. Lebih tahan lama, karena tidak memerlukan perawatan terhadap sikatnya.
2. Memiliki tingkat efisiensi yang tinggi.
3. Torsi awal yang tinggi.
17
4. Kecepatan yang tinggi, tergantung pada kekuatan medan magnet yang
dihasilkan oleh arus yang dibangkitkan dari kendali penggeraknya.
2.2.2.2 Efisiensi Motor Listrik
Efisiensi suatu motor listrik dinyatakan sebagai persentase perbandingan
antara daya output yang diberikan oleh sebuah motor untuk kerja terhadap daya
input yang dibutuhkan oleh motor listrik. Pada umumnya rumus efisiensi
ditunjukan pada rumus dibawah ini.
Efisiensi =
(2.4)
2.2.3. Ansys Maxwell
ANSYS Maxwell adalah perangkat lunak yang secara khusus dirancang
untuk mensimulasikan dan menganalisa medan elektromagnetik yang berfungsi
untuk merancang dan menganalisis elektromagnetik dan elektromekanis
perangkat 3D dan 2D. Ansys Maxwell menggunakan metode elemen hingga
akurat, frekuensi-domain, medan elektromagnetik dan listrik waktu bervariasi.
Manfaat utama dari Ansys Maxwell adalah proses simulasi secara otomatis. Ada
beberapa langkah yang dapat ditempuh dalam membuat simulasi, salah satunya
menggunakan template yang ada pada Ansys Maxwell. Jika merancang sendiri
maka harus menentukan mesh, parameter, dan fungsi persamaan sendiri.
Pada penelitian ini analisa menggunakan program RMxprt (Rotating Mesin
Expert). RMxprt merupakan bagian/toolbox yang dimiliki oleh Ansys Maxwell.
Program ini memberikan analisis medan elektromagnetik, solusi analitis dan dapat
menghitung kinerja motor listrik. Ketika motor listrik dirancang, program
membuat sirkuit listrik secara otomatis. Setelah desain motor telah selesai
kemudian bisa membuat langsung model elemen hingga Maxwell 2D / 3D.
Gambar 2.5. menunjukkan penampang motor. Motor disusun dari stator dengan
dinamo berliku dan rotor yang berisi permanen magnet dan peredam berliku.
(Takegami, Tsuboi, Hasegawa, Hirotsuka, & Nakamura, 2010).
18
Gambar 2.5. Model RMxprt Ansoft Maxwell (Takegami, 2010)
2.2.3.1. Fitur ANSYS Maxwell RMxprt
Simulasi ANSYS Maxwell RMxprt menawarkan berbagai fitur simulasi
motor listrik, diantaranya simulasi motor listrik sinkron, brushed motor,
bruessless motor, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.6. ANSYS Maxwell RMxprt
ini memungkinkan anda untuk dengan mudah memasukkan parameter desain dan
mengevaluasi desain.
Gambar 2.6. Visualisasi set up tipe motor listrik yang akan digunakan
19
Pada perangkat lunak Ansys Maxwell Rmxprt terdapat berbagai jenis slot
stator dan slot rotor pada motor listrik. Slot stator berfungsi untuk mengatur arah
fluks magnetik pada motor listrik. Pada simulasi Ansys Maxwell Rmxprt terdapat
berbagai jenis bentuk slot stator. Adapun dimensi dari slot stator dapat diatur
sesuai dengan kebutuhan. Pada Gambar 2.7. di bawah ini adalah visualisasi dari
jenis-jenis slot stator yang terdapat pada simualasi Ansys Maxwell Rmxprt.
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 2.7. Visualisasi jenis slot stator (a) slot stator tipe 1, (b) slot stator tipe 2,
(c) slot stator tipe 3, (d) slot stator tipe 4.
Dimensi dari slot stator ditunjukkan dengan keterangan sebagai berikut:
Bs0
: lebar mulut slot (mm)
Bs1
: lebar slot top stick (mm)
20
Bs2
: lebar slot bottom stick (mm)
Hs0
: tebal sepatu slot (mm)
Hs1
: busur sepatu slot (mm)
Hs2
: tinggi gigi slot (mm)
Rs
: busur pangkal slot (mm)
Jenis material yang akan digunakan slot stator pada simulasi Ansys
Maxwell Rmxprt dapat diubah sesuai dengan kebutuhan perancangan. Jenis
material yang terdapat pada Ansys Maxwell Rmxprt bermacam-macam mulai dari
material steel, konduktor dan magnet.
Pada Ansys Maxwell Rmxprt terdapat berbagai jenis slot rotor yang akan
digunakan pada simulasi. Adapun dimensi dan jenis material yang digunakan
pada slot rotor dapat diatur sesuai dengan kebutuhan simulasi. Pada Gambar 2.8.
di bawah ini adalah visualisasi dari jenis-jenis slot rotor yang terdapat pada
simulasi Ansys Maxwell Rmxprt.
(a)
(b)
(d)
(c)
(e)
Gambar 2.8. Visualisasi jenis slot rotor (a) slot rotor tipe 1, (b) slot rotor tipe 2,
(c) slot rotor tipe 3, (d) slot rotor tipe 4, (e) slot rotor tipe 5.
21
Salah satu keunggulan utama perangkat lunak Ansys Maxwell Rmxprt
adalah dapat mendesain model motor listrik secara otomatis. Selain itu perangkat
lunak Ansys Maxwell Rmxprt secara otomatis dapat menganalisa dan menghitung
keluaran-keluaran dari motor listrik. Keluaran dari Ansys Maxwell Rmxprt berupa
analisa performa suatu motor listrik dalam bentuk grafik. Grafik yang dihasilkan
diantaranya:
1. Grafik perbandingan antara putaran motor listrik dengan torsi.
2. Grafik perbandingan antara putaran motor listrik dengan daya.
3. Grafik perbandingan antara putaran motor dengan efisiensi.
Setelah desain motor listrik pada Ansys Maxwell Rmxprt selesai kemudian bisa
membuat langsung model bentuk Ansys Maxwell 2D / 3D secara otomatis.