uji fungsi magnet permanen elastis p3ib pada motor listrik arus

.511
ProsidingSeminar Nasional Bahan Magnet I
Serpong,11 Oktober2000
ISSN 1411 -7630
UJI FUNGSI MAGNET PERMANEN ELASTIS P3IB
PADA MOTOR LISTRIK ARUS SEARAH
Gunawan, Achmad Hindasyah, Ridwan, Wagiyo, Agus S.
PuslitbangIptek Bahan-BATAN
KawasanPuspiptek,Serpong,Tangerang
ABSTRAK
UJI FUNGSI MAGNET PERMANEN ELASTIS P3IB PADA MOTOR LISTRIKARUS SEARAH. Akhir-akhir ini
bahan magnet permanen elastis telah berhasil dibuat di Puslitbang Iptek Bahan (P3IB)-BATAN. Untuk mengetahui unjuk
kerjanya, eksperimen pemakaian bahan magnet permanen elastis P31B pada motor arus searahberdaya rendah telah dilakukan
dan hasilnya diuraikan pada makalah ini. Cuplikan magnet permanenelastis (MTI-PIB) dipasangpada motor arus searahdengan
teganganjepit 2,99 Volt, kemudian dilakukan pengukuran tahanan kawat dan arusjangkar sertapengukuran tegangan dan kecepatan
putaran jangkar. Pengukuran yang sarnajuga dilakukan terhadap magnet permanen kaku dati motor mainan anak-anak yang
diperoleh di pasaran (MTI-PAS). Dari basil eksperimen diperoleh bahwa magnet permanen elastis P31B telah dapat berfungsi
untuk menjalankan motor arus searahberdaya rendah. Torsi basil perhitungan dati putaran motor cenderung meningkat dengan
menurunnya putaran jangkar sesuai dengan literatur.
Kala Kunci : Motor listrik arus searah,magnetpermanenelastik,putaranjangkar,arusjangkar.
ABSTRACT
THE FUNCTIONAL TEST OFP3IB ELASTIC PERMANENT MAGNET ON ANELECTRIC
DIRECT CUR.
RENT MOTOR. Recently, elastic permanent magnets have been developed at the Research and Development Center for
Materials Science and Technology (P31B)-BATAN. To obtain the performance of the home-made magnets,functional tests have
been carried out on a low powered direct current motor using these magnets. The elastic permanent magnet(MTl-PlB) was
installed in a 2.99 Volt dc-motor, then the resistanceand the current of the armature as well as the voltage and the rotational speed
of the armature were measured. The same test was also performed on the commercial rigid permanent magnet (MTI-PAS). Based
on the experimental results, it was obtained that the elastic magnet produced by P3lB is able to run the low powered dc-motor.
The motor torque calculated from the rotational speed tends to increase by decreasing the rotation of amarture as described in
literature.
Key Word: dc -motor, elastic permanent magnet, rotational speed of armature, current of armature.
PENDAHULUAN
Akhir-akhir ini bahan magnet permanen banyak
dimanfaatkan untuk berbagai jenis aplikasi. Aplikasi
magnet permanen yang paling sederhanaadalah sebagai
alat penahan atau penggantung kertas pada papan
white-board. Dalam bidang instrumentasi, magnet
permanenbanyak digunakan pada peralatan ukur listrik
seperti alat ukur tahanan, arus dan tegangan listrik.
Selain itu, bahan magnet permane:n juga banyak
digunakan pada motor listrik, mulai illlri motor untuk
mainananak, untuk audio dan video tape recorder hingga
motor untuk menggerakkan kompolnen-komponen
otomotif(wipe1; power window) danm{~sindipabrik [1].
Umumnya, magnet yang digun;ikan pada motor
listrik saatini berupa bahan magnetpem 1allenkaku/tidak
elastis. Bentuk magnet yang dipakai kebanyakan
berbentuk lempengan lengkung atau cincin dengan
ukuran yang bervariasi. Disamping itu, fl uks medanmagnet yang digunakan juga bervariasi t(~rgantung pada
daya atau torsi yang diperlukan. Denga n majunya ilmu
82
pengetahuandan teknologi bahan, dalam beberapatahun
terc)khirini, Penelitidi Puslitbang Iptek Bahan(p3IB) telah
merintis pengembangan pembuatan magnet pennanen
elastis.
Sekarangmagnet permanen elastis telah berhasil
dibuat di P3IB-BATAN. Untuk mengetahui unjuk
kerjanya dalam aplikasi praktis, uji coba bahan magnet
permanenterseputtelah dilakukan pada motor listrik arus
searahberdayarendah. Arus dan kecepatanputar jangkar
motor diukur, kemudian datanya dianalisis dan hasilnya
diuraikan pacta makalah ini. Hasil eksperimen
menunjukkanbahwa magnetpermanenelastisP31Btelah
dapatcliaplikasikanpactamotor listrik arus searahberdaya
rendatl.
TEom
Motor listrik merupakan alat untuk mengubah
ener:gilistrik menjadi energimekanik atau energiputaran.
Vii Fungsi Magnet Permanen ElastisP3lB PadaMotor Listrik Arus Searah (Gunawan)
Secara fisik, motor listrik arus searah dibangun dari
kumparanjangkaryang diletakkan di dalammedan magnet. Pacta poros jangkar dipasang sebuah komutator
yang dihubungkan dengan sikat-sikat ke sumber
tegangan. Motor listrik ini bekerja berdasarkan pacta
momen gaya yang timbul hila kumparan yang berada
dalam medan magnet dialiri arus listrik.
Bila kawatjangkar dihubungkandengan sumber
tegangan,maka kawat sebelahkiri dan kanan dari poros
jangkar mendapat gaya yang ber1awanansehinggapacta
kumparan bekerja kopel gaya yang menyebabkanjangkar
berputar. Besar momen gaya atau torsi putaran jangkar
motor dapat ditentukan menggunakan persamaan[2],
-O,159x
cl>x1jxZ
x K -60x
A
'l" -
-
Ex lJ
2
[ Nm
]
1Z"xn
dengan,
(1)
cI>
lj
Z
K
A
: Fluks magnet [ Wb]
: Arusjangkar[A]
: Banyaknya alur jangkar
: Jumlah kutub
: Jumlah cabang paralel kumparan
E
n
: Gayagerak listrik [Volt]
: Putaranjangkar [rpm]
jangkar
dengan
U
E
R
(2)
: Teganganjepit [Volt]
: Gayagerak listrik [Volt]
: Tahananjangkar [Ohm]
dapat dihitung menggunakan persamaan[2],
dengan
ExAx60
II> x: Jumlah
Z x K
=putaranjangkarmotor
[rpm]
(3)
n
Selain torsi daDputaran motor, salah satu besaran
penting dari sebuah motor adalah daya daD rendemen
atau efisiensi. Besar daya dari suatu motor arus searah
dapat ditentukan dengan persamaan [2],
Pk=TX~
uji dengan magnet pasar diberi nama MTI-PAS30 dan
MTI-PAS65 masing-masing untuk kumparan jangkar
sebanyak 30 dan 65 lilitan.
Pacta pengujian ini digunakan beberapa jenis
peralatan,yaitu sumbertegangan listrik searah(tegangan
dc) serta multimeter dan Gauss-meter. Untuk mengukur
kecepatanputaran jangkar motor digunakan tachometer
merk SanwaSE-I 00.
Eksperimen dilakukan dengan tahapan sebagai
berikut. Sebelum motor dijalankan, besarmedan magnet
dan hambatan kawat lilitan jangkar motor diukur.
Selanjutnya motor diputar dengan memberikan tegangan
jepit (U) tetap sebesar 2.99 Volt dan dilakukan
pengukuran arus listrik yang mengalir melalui jangkar.
tegangan listrik pada kedua ujung terminal kawat sikat
(brush) dan kecepatan putaran motor dengan diagram
rangkaian pengukuran seperti pada Gambar 1.
Magnetpennanen
~:.1-1fi-~~6-tor-dc
Tachometer
~
Ampermeter
M
:..(4)
Rendemen motor (11)ditentukan dari perbandingan daya
yang dihasilkan oleh motor (Pk) dengan daya yang
diserap motor (Pm) dengan [4],
Pk
1] = p;xlOO%
Sebagai bahan uji digunakan dua jenis magnet
permanen. Magnet jenis pertama adalah magnet
permanen elastis yang dibuat di Bidang Zat Mampat,
P3IB-BATAN dan magnetjenis kedua adalah magnet
permanen kaku dari pasaran yang dipakai pacta motor
mainan anak-anak, keduanya berbentuk lempengan.
MagnetP3IB memiliki ukuran (12mm xl3 mm x2 rom),
sedangkan magnet dari pasaran mempunyai ukuran (
12mmx 15mmx2mm).Datapengukuranmedanmagnet
(B) dengan Gauss-meteruntuk masing-masing cuplikan
dapat dilihat pada lampiran I.
Sebagai motor uji digunakan motor listrik arus
searahdenganteganganjepit sekitar 3 volt dan kumparan
jangkar (N) sebanyak30 dan 65lilitan. Cuplikan uji dengan
magnetP3IB diberinamaMTI-PIB30 untuk N =30 lilitan
danMTI-PIB65 untuk N = 65lilitan, sedangkancuplikan
3. Metodaeksperimen
Sedangkan besar putaran motor listrik yang dihasilkan
n=
.Bahan
2. Peralatan
Pada sebuah motor, hubungan antara tegangan jepit
dengan arus jangkar dapat dinyatakan dengan
persamaan[3.],
U= E + Ij x R
TATAKERJA
A
I
--.-.
1
~
voltmeter
~
Sumber
\
(5)
Roda
tegangan
OC
Ka\Wtsikat
Gambar I. Diagram rangkaian pengukuran.
-.
~
~
-+--~b
ProsidingSeminar Nasional Bahan Magnet I
Serpong,11 Oktober2000
ISSN 1411 -7630
Tabel I. Data pengukuranarus jangkar (Ij), gaya gerak listrik (E), dan putaran motor (n) serta
data perhitungantorsi, daya dan efisiensi motor uji denganN=30 lilitan.
i
Arus
Putaran
jangkar
(Ii) [A]
motor
(n) [~m]
2.21
I
2.30
2.45
2.50
--1.2L[=:i:22=
~~~~:::~~
2.70
i
2.12
2.09
2.04
204
i
I
!
2.43
5695
4~89
~2Q.4
2858
1490
'3.25
2_32
i
Daya
masukan
! (Pm)~att]
0.0079
0.0102
0.0136
0.0170
Q.Q~.41 i
4152
-Mlli-~~=:~*=
1475
0.0414
0.0488
~~:::~-M2.2.6I ~.~!
2.33
1618
Daya
I
6.69
6.88
7.33
7.48
7.98
7.06
keluaran
(Pk) [Watt]
I
4.69
4.81
5.00
5.10
531
I
8.40t:::~
=
9.00
7.01
9.72
7_54
78
Tabel 2. Data pengukuranarusjangkar (Ij), gaya gerak listrik (E), dan putaranjangkar (n) serta
data perhitungantorsi, daya dan efisiensi motor uji denganN=65 lilitan.
Selanjutnya, torsi putaran motor, daya dan jangkar menurun karena teganganjepit (U) tetap, Untuk
rendemenmotor dihitung dati data-datapengukuran ni1ai putaranjangkar yang sarna (4000 !pm), cuplikan uji
tersebutdenganpersamaan1,4 dan5.
MfI-PIB30 menyeraparos 2,35 Adengandayakeluaran
5,05 Watt, sedangkanarus yang diserap cuplikan Mfl-
HASIL EKSPERIMEN DAN PEMBA-
10,00
HASAN
Hasil pengukuran medan magnet kedua magnet
uji daD hambatan kedua lilitan kumparan jangkar
diberikan pada Lampiran I. Diketahui magnet P3IB
memiliki sebaran medan magnet yang kurang merata
dibandingkan dengan magnet uji dari pasaran. Dari hasil
pengukuran hambatan listrik, penambahan lilitan
mengakibatkan bertambahnya hambatan listrik seperti
ditunjukkan pactalampiran I.
Tabel! menunjukkan hasil pengukuran arus,gaya
gerak listrik dan kecepatan putaran jangkar motor uji
dengan N=30 lilitan , sedangkan hasil pengukuran parameter-parametertersebut untuk motor uji denganN=65
lilitan diperlihatkan pada Tabe12.
Gambar 2a menunjukkan hasil regresi linier data
pengukuran putaran motor terhadap arus jangkar untuk
motoruji dengan N=30, sedangkandata yang sarnauntuk
motor uji denganN=65 diberikan pactaGambar 2b.
Dari Gambar 2 tampak bahwa semakin rendah
putaran motor karena beban yang semakin besar, arus
jangkar meningkat. Hal ini dapat diterangkan daTi
persamaan2 dan 3. Menurut persamaan2, meningk.atnya
arusjangkar mengakibatkangayagerak listrik pactak:awat
84
a
9,00
8;00
$";00
i 26,00
~
~J
~
d ' i(S,OO
4,00
a
--~
:1,00
-e-~
2;00
1.00
0.00
-!FISIENSI
0,00 l.00 2,00 ),00 4,00 5,00 6,00
T
x lOO[Ntn]
10,00
p
9,00
8,00
0-1
"1'7.00
i ::6,00
~ ~ 5,00
! .14.00
\fi 3,00
2,00
1,00
..-P
~
b
-+-Pm
-'-Pk
-.FI$1ENSI
0,00
O;()()1,()()2,()()),()()4,()()5,()()6.()()
Tor81x I()() [Nnl)
Gambar 2. Pengaruh putaran motor terhadap arus jangkar
motor uji.
a. motor uji .:iengan N=30 lilitan;
b. motor uji dengan N=6S.
"'
~
Uji Fungsi Magnet Permanen ElastisP3IB PadaMotor Listrik Arus Searah (Gunawan)
PAS30 yaitu sebesar 2,70 A dengan daya keluaran 5,46
Watt, meskipun beban penyebabnya ( dalam hal ini
torsinya) belum tentu sarna.Kecenderungan yang sarna
juga teIjadi padacuplikanujiMl'I-P1B65 danMl'I-PAS65.
Putaran jangkar motor juga dipengaruhi oleh
jumlah lilitankumparan jangkar. Denganmembandingkan
Gambar 2a dengan Gambar 2b diperoleh bahwa untuk
menghasilkan putaran motor yang sarna (bebannya
belum tentu sarna), motor uji dengan N=65 lilitan
menyerap arus (karena ada beban di roda motor) lebih
kecil dibanding motor uji dengan N=30 lilitan. Hal ini
disebabkan karena meningkatnya jumlah lilitan akan
memperbesarhambatankawatjangkar ( R ) sehinggadati
persamaan2 dapat diketahui bahwa harga arusjangkar Ij
akan mengecil denganmeningkatnya lilitan jangkar.
Gambar 3 dan 4 bertumt-turut menunjukkan
hubungan hasil hitungan torsi putaran jangkar terhadap
dayadan efisiensi motor untuk cuplikan uji denganmagnet permanenelastis P3ffi dan cuplikan uji dengan magnet permanenkaku dati pasaran.
U ntuk menghasilkan torsi putaranjangkar motor
yangbetbeda diperlukan dayalistrik masukan (pm) yang
betbedapula. Dari Gambar3 dan 4 diketahui bahwa torsi
putaran motoryang meningkat meningkat mengakibatkan
meningkatnya arus atau masukandayalistrik. Untuk nilai
hitungan torsi yang sama(0,03 Nm), cuplikan uji dengan
magnet permanen elastis P3ffi membutuhkan masukan
daya listrik sebesar7,75 Watt. Bila digunakan magnet uji
dati pasaran, daya listrik yang diperlukan adalah 8,45
Watt.
Dari Gambar 3 dan 4 diperoleh bahwa efisiensi
motor uji bembah dengan pembahan medan magnet dan
1000
90.
100
10,00
a
9,00
8,00
!-+-~
~ 7,00
J'=: 6,00
!
i
-1.~~~-r'-j
i~~
~ ~ 5,00
D 4,00
!2 3,00
2,00
1,00
0,00
0,00 1.00'2,00 3,00 4,00 5,00 6.00
Trxsi x 100[Nm)
0,00 1,00 2,GO J,OO 4,00 $,00 6,00
Tam
x 100 [Nw)
Garnbar4. Pengaruhtorsi terhadapdaya dan efisiensi motor
uji denganN=65 lilitan; b. cuplikanMTI-PIB65; b. cuplikan
MTI-PAS65
jwnlah lilitan kumparanjangkar. Keduamotor uji memiliki
efisiensi rata-rata dibawah 90 %. Hal ini disebabkan
karena sebagian daya masukan motor hilang menjadi
panas. Motor uji mempunyai efisiensiyang tinggi untuk
torsi putaran motor yang rendahdan harganya menurun
dengan meningkatnya torsi. Dari kedua Gambar tersebut
juga diperoleh informasi bahwa dengan magnet yang
sarna, efisiensi motor uji dapat ditingkatkan dengan
memperbanyakjwnlah lilitan kumparanjangkar.
~ 70.
I :;: 600
a
i .500
d
40.
300
200
...
100
000
100 200
Toni
300
400
500
600
x 100 [Nml
b
KESIMPULAN
Dari basil pengujianbahan magnetperrnanen
menggunakanmotorarussearahberdayarendahdapat
disimpulkansebagaiberikut:
1. Magnet permanen elastis buatan P3IB dapat
diaplikasikanuntuk memutar motor arus searah
berdayarendah.
2. Untuk magnetuji yang sarna,efisiensimotor uji
dapatditingkatkandenganmemperbanyak
jurnlah
lilitankumparanjangkar.
DAFTARPUSTAKA
Gambar 3. Pengaruh torsi terhadap daya clan efisiensi motor
uji dengan N;30 lilitan
a.cuplikan MTI-PIB30;
b. cuplikan MTI-PAS30
[I). SUTRISNO dan TAN IK GIE, Fisiko Dasar, Listrik,
Magnet dan Termofisika, Penerbit ITB, Bandung,
(1983),hal. 79-88.
[2). S.L. UPPAL, Electrical Power, Kanna Publisher,
Delhi, (I984),p.I334-I335,p. 166-167.
85
ProsidingSeminarNasional Bahan Magnet I
Serpong,11 Oktober2000
[3]. ABDUL KADIR, Mesin Arus Searah,Djambatan,
Jakarta,(1980), hal.160-164.
[4]. ICHWAN HARIADI, Dasar-Dasar Teknik Listrik
Arus Searah,Erlangga, Jakarta,(1988), hal' 72-74.
Lampiran I
Tabel data basil pengukuran medan magnet cuplikan uji
menggunakanGauss-meter
hasil pengukuranharnbatanlistrik (R) kumparan
86
ISSN 1411 -7630