Untuk apa motor listrik

MOTOR LISTRIK
Untuk apa motor listrik ?
Motor listrik sudah menjadi kebutuhan kita sehari-hari untuk menggerakkan peralatan dan
mesin yang membantu perkerjaan. Untuk memutar baling-baling pada kipas angin,
digunakan motor listrik. Demikian juga, motor listrik digunakan pada peralatan rumah
tangga lainnya seperti: hair dryer, blender, pompa air, mesin cuci, mesin jahit, bor listrik
dll. Mesin-mesin pertanian terutama mesin pengolahan hasil pertanian dan mesin-mesin di
industri pun banyak yang menggunakan tenaga putarnya dari motor listrik. Pada motor
bakar, motor listrik digunakan sebagai motor starter. Pada traktor pertanian, motor listrik
dugunakan pada motor starter dan wiper. Penggunaan motor listrik ini semakin
berkembang karena memiliki keunggulan dibandingkan motor bakar, misalnya: a)
kebisingan dan getaran lebih rendah, b) kecepatan putaran motor bisa diatur, c) lebih bersih,
d) lebih kompak, dan e) hemat dalam pemeliharaan.
Apa kelebihan motor listrik dari motor bakar:
?
☺ Tidak memerlukan sumber energi
☺ Kebisingan dan getaran lebih rendah
☺ Bertenaga besar
Bila jawaban benar, dapat dilanjutkan !
Bagaimana bentuk motor listrik ?
Motor listrik memiliki berbagai ukuran, tergantung pada besarnya daya putar yang
dihasilkannya. Seperti terlihat pada Gambar 1 dan 2, ukuran motor listrik ada yang sebesar
jari jempol seperti untuk penggerak mobil balapan mainan, ada pula yang berukuran besar
untuk menggerakkan mesin industri.
Bagian-bagian utama motor listrik adalah: 1) rotor atau poros yang berputarnya, 2) stator
atau bagian rumah motor yang diam, dan 3) bodi motor yang menyatukan semua bagian
motor.
Gambar 2
Gambar 1
1
Bagaimana cara kerja motor listrik ?
Sebuah motor listrik menggunakan energi listrik untuk menghasilkan energi mekanis.
Proses kebalikan, yang menggunakan energi mekanis untuk menghasilkan energi listrik,
dilakukan dengan sebuah genertor atau dynamo. Motor-motor traksi yang dulu digunakan
pada lokomotif sering memiliki fungsi ganda bila lokomotif tersebut dilengkapi dengan
pengerem dinamis. Motor listrik bekerja dengan elektromagnetisme, tetapi motor yang
berdasarkan phenomena elektromekanis, seperti gaya elektro statis dan efek piezoelektrik
dan motor thermal, juga ada. Prinsip dasar pada motor yang berbasis elektromagnetik
adalah memanfaatkan gaya mekanis pada kawat-kawat pembawa arus yang berada di
dalam sebuah medan magnet. Gaya itu dapat dijelaskan dengan hukum Gaya Lorentz dan
tegak lurus terhadap kawat dan medan magnet. Kebanyakan motor magnetis berupa rotari,
tetapi motor linier pun ada.
Pada sebuah motor rotari, bagian berputar (biasanya di bagian dalam) disebut dengan rotor,
dan bagian yang diam disebut stator. Rotor berputar karena kawat-kawat dan medan
magnet disusun sedemikian rupa sehingga torsi dihasilkan pada poros rotor. Motor
memiliki elektromagnet (magnet listrik) yang dililitkan pada rangka (frame) yang disebut
armature. Yang tepat, armature ini merupakan bagian dari motor di mana input tegangan
listrik disuplai. Baik rotor atau stator dapat bertindak sebagai armature, tergantung pada
desian motornya.
Ada berapa macam motor listrik ?
Secara klasik, motor listrik dapat dibagi dua macam yaitu 1) motor DC (arus searah) dan 2)
motor AC (arus bolak-balik). Namun demikian, trend sekarang dengan perkembangan
konrol elektronik di mana drivers modern memindahkan commutator keluar dari cangkang
motor. Untuk jenis motor baru ini, rangkaian penggerak (driver) dirilei untuk
membangkitkan arus penggerak sinusoidal AC, atau sejemisalnya. Dua contoh terbaik
adalah: 1) motor DC brushless, dan 2) stepping motor, di mana kedua motor tersebut
merpakan motor polyphase yang memerlukan kontrol elekronik eksternal.
Perbedaan yang cukup nyata adalah pada jenis: 1) motor serempak (synchronous) dan 2)
motor tak serempak (asynchronous). Pada jenis motor serempak, rotor berputar serempak
(sinkron) dengan oscillating field atau arus (misalnya motor dengan magnet permanen).
Sebagai kontras, sebuah motor tak serempak didesain untuk slip; contohnya pada motor
AC tipe induksi (motor induksi) yang harus slip untuk menghasilkan torsi.
Bagaimanakah jenis-jenis dan prinsip kerja motor DC ?
2
Sebuah motor DC didesain untuk bergerak dengan daya listrik DC. Tipe motor DC yang
populer adalah jenis brushed (bersikat) dan jenis brushless (tanpa sikat), di mana masingmasing menggunakan commutation internal dan eksternal untuk menciptakan arus osilasi
AC dari sumber arus DC.
Gambar 3. Beberapa contoh motor DC
Motor DC Bersikat (Brushed DC motor)
Motor DC klasik menghasilkan arus osilasi dalam sebuah rotor lilitan dengan sebuah
commutator split ring, dan sebuah stator berupa magnet lilit maupun magnet permanen.
Sebuah rotor terdiri dari sebuah koil yang melilit rotor yang bertenaga arus listirk batere
atau sejenisnya.
Motor DC tak Bersikat (Brushless DC motor)
Banyaknya keterbatasan dari commutator motor DC klasik adalah akibat kebutuhan sikat
untuk menekan commutator yang mengakibatkan gesekan. Pada kecepatan tinggi, sikatsikat kesulitan dalam menjaga kontaknya. Sikat dapat oleng dan membuat ketidak
seragaman pada permukaan commutator, yang menghasilkan loncatan api. Hal ini
membatasi kecepatan maskimum dari motor. Kerapatan arus per unit luasa dari sikat
membatasi outmpu dari motor. Ketidak sempurnaan kontak juga menyebabkan electrical
noise. Sikat sering aus dan perlu penggantian, dan commutator perlu dipelihara. Komponen
commutator pada motor ukuran besar merupakan elemen yang mahal, memerlukan
pemasangan yang presisi dari bagian-bagiannya.
Masalah tersebut diatasi pada motor tanpa sikat (brushless motor). Pada motor jenis ini,
“rotating switch” mekanis atau susunan comutator/brushgear diganti dengan sebuah switch
elektronik yang disinkronkan dengan posisi dari rotor. Motor tanpa sikat ini memiliki
efisiensi 85-90%, sedangkan motor DC dengan brushgear memiliki efisiensi 75-80%.
Motor DC tak bersikat biasanya digunakan bila kontor kecepatan yang presisi dibutuhkan,
seperti pada disk drives komputer atau pada video cassette recorders, kipas, laser printer
dan mesin photocopy. Ada beberapa keuntungan dari motor jenis ini dibandingkan motor
convensional:
☺ Dibandingkan dengan kipas motor AC menggunakan motor Shded-pole, motor DC tak
bersikat sangan efisien, bergerak lebih dingin sehingga meningkatkan umur kerja
bantalan kipas.
3
☺ Tanpa sebuah komutator yang sering aus, umur kerja motor DC tak bersikat lebih lama
dan noise yang lebih kecil.
☺ Motor dapat dengan mudah disinkronkan dengan sebuah clock internal atau eksternal,
untuk kontrol kecepatan yang lebih presisi.
☺ Karena tidak terjadi percikan listrik, seperti yang terjadi pada morot dengan sikat,
membuatnya cocok untuk lingkungan dengan bahaya terbakar seperti bahan kimia atau
bahan bakar.
☺ Motor jenis ini sering digunakan pada peralatan kecil seperti komputer dan sejenisnya.
☺ Motor ini juga lebih senyap yang merupakan keuntungan bila dipasang pada peralatan
yang memberikan getaran.
Motor DC tak bersikat yang modern memiliki variasi daya dari satu Watt hingga beberapa
kilowatt. Motor ukuran besar hingga 100 kW digunakan pada mobil listrik.
Coreless DC Motor
Motor-motor yang diterangkan di muka memerlukan bagian besi (baja) pada rotor yang
berputar; torsi dihasilkan pada lilitan elektromagnet. Bentuk lain dari jenis tersebut adalah
motor DC tanpa inti (coreless DC motor) yang merupakan bentuk khusus dari motor DC
bersikat atau tak bersikat. Untuk keperluan percepatan yang tinggi, motor-motor tersebut
memiliki sebuah rotor tanpa inti besi. Rotor dapat berupa sebuah silinder berisi lilitan di
dalam magnet stator, sebuah keranjang di sekeliling magnet stator, atau sebuah plat panci
yang bergerak diantara magnet stator atas dan bawah.
Karena rotor jauh lebih ringan dari rotor konvensional, rotor dapat diakselerasi lebih cepat,
mencapai kecepatan konstan di bawah 1 ms. Hal ini bisa terjadi bila lilitan menggunakan
kawat alumunium dari pada tembaha yang lebih berat. Namun, karena tidak ada logam
pada rotor untuk menyerap panas, motor ukuran kecil pun memerlukan pendingin udara.
Motor-motor tersebut biasa digunakan untuk meggerakkan capstan pada penggerak pita
magnetik, digunakan pada high-performance servo-controlled systems, seperti system
robot humanoid, automasi industri, peralatan medis, dsb.
Bagaimanakah jenis-jenis dan prinsip kerja motor AC ?
Sebuah motor AC digerakkan oleh sebuah arus bolak-balik (AC) dan terdiri dari dua
bagian dasar yaitu:
1. Sebuah stator yang diam memiliki lilitan (koil) yang disuplai arus AC untuk
menghasilkan medan magnet berputar, dan
2. Sebuah rotor di bagian dalam yang disambungkan ke poros keluaran yang diberi
torsi putar oleh medan magnet yang berputar.
4
Ada dua jenis motor AC, tergantung pada tipe rotor yang digunakan:
1. Motor sinkron (serempak), yang berputar persis sesuai dengan frekuensi yang
disuplai atau sepersekian kali dari frekuansi suplainya. Medan magnet pada rotor
dihasilkan dari arus yang dilalukan melalui slip ring atau sebuat magnet permanen.
2. Motor induksi, yang berputar sedikit lebih lambat dari frekuensi yang disuplai.
Medan magnet pada rotor dari motor jenis ini dihasilkan dengan sebuah arus
induksi.
Motor Induksi Tiga-phase (Three-phase AC induction motors)
Gambar 4. Motor induksi AC tiga phase 1 Hp (746 W) dan 25 W dengan motor-motor
kecil dari CD player, mainan dan CD/DVD drive reader head transverse.
Gambar 5. Motor listrik 250 W dari sebuah mecin cuci yang diurai, di mana 12 lilitan
dalam rumah motor (kiri) dan sangkar rotor dengan porosnya.
5
Bila sumber listrik tiga phase ada, maka pada umumnya motor induksi AC tiga phase
digunakan, khusunya untuk motor bertenaga besar. Perbedaan phase pada listrik tiga-phase
memberikan medan elektromagnetik berputar pada motor.
Melalui induksti elektromagnetik, medan magnet berputar menginduksinkan arus dalam
konduktor dari rotor, yang pada gilirannya menset sebuah counterbalancing medan magnet
yang menyebabkan rotor berputar pada arah putaran medan magnet. Rotor harus selalu
berputar lebih lambat dari medan magnet yang berputar yang dihasilkan oleh supplai listrik
tiga phase; bila tidak, maka tidak akan dihasilkan medan counterballance pada rotor.
Motor induksi merupakan motor penggerak di industri, dan motor dengan daya sekitar 500
kW (670 Hp) diproduksi dengan ukuran frame berstandar tinggi. Motor bertenaga lebih
besar dari 10 hingga ribuan kW, untuk compressor pipeline, penggerak terowongan angin
dan sistem konveyor.
Ada dua jenis rotor yang digunakan pada motor induksi yairu: 1) rotor sangkar (squirrel
cage rotor) dan 2) rotor belitan (wound rotor).
Rotor Sangkar
Kebanyakan motor AC menggunakan rotor sangkar, yang sering ditemukan pada motormotor AC untuk keperluan rumah tangga dan industri kecil. Rotor sangkar tersusun oleh
sebuah ring pada ujung-ujung rotor, dengan batang-batang penghubung ring sepanjang
rotor. Biasanya coran alumunium atau tembaga di antara lapisan besi dari rotor, dan
biasanya hanya ring-ring ujungnya yang nampak. Motor dengan efisiensi tinggi biasanya
menggunakan tembaga cor untuk mengurangi tahanan pada rotor.
Dalam pengoperasiannya, motor sangkar dapat dilihat sebagai sebuah transformer dengan
sebuah putaran sekunder - bila rotor tidak berputar serempak dengan medan magnet, arus
rotor yang tinggi diinduksinkan; arus rotor yang besar memagnetkan rotor dan berinteraksi
dengan medan magnet stator untuk membawa rotor pada keserempakan dengan medan
stator. Sebuah motor sangkar tanpa beban pada kecepatan serempak akan mengkonsumsi
daya listrik hanya untuk menjaga kecepatan rotor melawan gesekan dan kehilangan
tahanan. Saat beban mekanis meningkat, sehingga ada beban elektrik, beban elektrik
berhubungan erat dengan beban mekanis. Hal ini mirip dengan sebuah transformer, di
mana beban listrik primet berhubungan dengan beban listrik sekunder.
Untuk menjaga arus induksi pada sangkar dari pembalikan ke supplai, sangkar biasanya
dibuat dengan batang-batang primer.
Beberapa contoh penggunaan motor sangakr adalah pada mesin cuci, mesin pencucu piring,
kipas angin, dsb.
Rotor Belitan
Bila diperlukan kecepatan bervariasi, digunakan rotor belitan. Dalam jenis ini, rotor
memiliki jumlah kutub yang sama dengan stator dan belitannya dibut dari kawat,
dihubungkan ke slip rings pada poros. Sikat karbon menghubungkan slip ring ke sebuah
kontroller eksternal seperti sebuah resister variabel yang memungkinkan perubahan tingkat
slip motor.
6
Dibandingkan dengan rotor sangkar, rotor belitan lebih mahal dan memerlukan
pemeliharaan dari slip ring dan sikatnya, tetapi motor jenis ini merupakan motor standar
untuk kontrol kecepatan yang bervariasi. Saat ini, untuk mengontrol kecepatan dapat
digunakan inventer bertransistor dengan variable-frequency drive dan motor dengan rotor
belitan menjadi tidak umum digunakan.
Beberapa metode untuk starting motor tiga phase dapat digunakan. Bila arus besar dan
torsi start yang tinggi dapat diijinkan, maka motor dapat distart melalui line, dengan
menggunakan tegangan penuh pada terminal-terminalnya (Direct-on-line, DOL). Bila
diperlukan pembatasan arus start (di mana motor lebih besar dibandingkan dengan
kapasitas jaringan dari supply), tegangan start dikurangi dengan induktor series, sebuah
autotransformer, thyristor, atau alat lain. Sebuah cara yang kadang-kadang digunaka adalah
konfigurasi “Bintang-Delta” (Y ), di mana koil motor pertama-tama dihubungkan dalam
wye untuk mengkaselerasi beban, kemudian diswitch ke delta saat beben mencapai
kecepatannya.
Motor jenis ini menjadi lebih umum dalam aplikasi traksi seperti lokomotip, di mana
dikenal dengan motor traksi tak serempak.
Kecepatan motor AC ditentukan dengan frekuensi dari sumber arus AC-nya dan jumlah
kutub dari belitan stator, dengan hubungan:
Ns 
120 F
p
di mana
Ns = kecepatan serempak, dalam rpm
F = frekuensi daya AC
p = jumlah kutup per lilitan phase
Kecepatan putar aktual dari motor induksi akan lebih kecil dari perhitungan kecepatan
serempak dengan sejumlah slip, yang meningkat dengan torsi yang dihasilkan. Tanpa
beban, kecepatan akan mendekati kecepatan serempak. Bila diberi beban, motor standar
memiliki slip 2-3%, motor khusus memiliki sampai 7 % slip, dan motor torsi memiliki
100% slip.
Slip dari motor AC dihitung dengan
S
(N s  Nr )
Ns
di mana
Nr = kecepatan putar, dalam rpm
S = slip normal, 0 sampai 1.
Sebagai contoh, sebuah motor dengan empat kutub beroperasi pada 60 Hz bisa memiliki
plat nama 1725 RPM pada beban penuh, sedangkan bila dihitung kecepatannya 1800 RPM.
7
Motor Serempak Tiga-phase
Bila sambungan ke liitan rotor dilakukan pada slip ring dan pengumpan arus medan yang
terpisah untuk menciptakan medan magnet kontinus (atau bila rotor terdiri dari sebuah
magnet permanen), hasilnya disebut motor serempak karena rotor akan berputar serempak
dengan medan putar yang dihasilkan oleh sumber arus tiga phase. Motor serempak dapat
juga digunakan sebagai sebuah alternator. Motor serempak digunakan sebagari motor
traksi seperti pada TGV.
Apakah Anda perlu penjelasan dari beberapa jenis motor listrik lain ? Silakan klik.
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Motor Torsi
Slip Ring
Stepper motors
Motor Linier
Doubly-fed electric motor
Singly-fed electric motor
Nanotube nanomotor
Motor servo dua phase
Brushless DC electric motor
DC motor starters
Simple Two Pole DC Motor
Motor Induksi AC Satu-phase
Pada sumber arus satu-phase, medan magnet putar (medan putar) harus dibuat
menggunakan cara lain selain perbedaan phase (pada motor dua atau tiga phase). Beberapa
cara yang umum digunakan adalah sebagai berikut.
Motor Shaded-pole
shaded-pole motor, digunakan pada peralatan yang memerlukan torsi start yang kecil
seperti pada kipas listrik atau beberapa peralatan rumah lainnya. Pada motor jenis ini,
“shading coils” tembaga putaran tunggal yang kecil menciptakan medan magnet berputar.
8
Bagian dari kutub dikitari oleh sebuah koil tembaga atau strap; arus induksi pada strap
berhadapan dengan perubahan dari fluks melalui koil (Hukum Lenz), sehingga intensitas
medan maksimum bergerak melintasi muka kutub pada setiap putaran, menghasilkan
sebuah medan putar berlevel rendah yang cukup besar untuk memutar rotor dan bebannya.
Rotor mempercepat torsi mencapai level penuh saat medan magnet utama berputar relatip
terhadap rotor putar.
Motor Induksi Split-phase
Jenis lain dari motor AC satu phase adalah split-phase induction motor, yang umum
digunakan pada peralatan seperti mesin cuci. Dibandingkan dengan motor shaded-pole,
motor-motor tersebut dapat menghasilkan torsi start yang lebih tinggi menggunakan
sebuah lilitan start yang khusus sebagai pengganti sebuah switch sentrifugal.
Pada motor split-phase, lilitan start didesain dengan sebuah tanahan yang lebih tinggi dari
lilitan putar. Hal ini menciptakan sebuah rangkaian LR yang sedikit menggeser phase dari
arus di lilitan start. Saat motor distart, lilitan start dihubungkan ke sumber daya via satu set
kontak beban-pegas yang ditekan oleh swtich sentrifugal yang belum berputar. Lilitan start
dibelit dengan lilitan yang lebih sedikit dengan kawat yang lebih kecil dari lilitan utama,
sehingga memliki induktansi (L) lebih kecil dan resistance (R) lebih tinggi. Rasio L/R yang
lebih rendah menghasilkan sebuah geseran phase yang kecil, tidak lebih dari 30o, di antara
fluks akibat lilitan utama dan fluks dari lilitan start. Arah putaran dapat dengan mudah
dipindahkan dengan menukar hubungan-hubungan dari lililitan strat relatip terhadap lilitan
putar.
Phase dari medan magnet pada lilitan start ini digeser dari phase daya utama,
mengakibatkan terciptanya medan putar yang menstart motor. Sekali motor mencapai
kecepatan operasi yang didesain, switch sentrifugal aktip, membuka kontak dan memutus
hubungan lilitan satart dari sumber daya. Motor kemudian beroperasi dengan lilitan putar.
Lilitan start harus diputuskan karena dapat meningkatkan losses pada motor.
Motor dengan start Kapasitor
Pada sebuah motor dengan start kapasitor, sebuah kapasitor start dimasukkan dalam seri
dengan lilitan start, menciptakan sebuah rangkaian LC yang dapat memberikan pergeseran
phase yang lebih besar, dan torsi start yang lebih tinggi.
Jenis lain adalah Permanent Split-Capacitor (PSC) motor .
Apakah Anda perlu penjelasan dari beberapa jenis motor AC lainnya ? Silakan klik.
☺ Repulsion motor
☺ Single-phase AC synchronous motors
9
Motor Starter
Sebuah motor starter diperlukan untuk menghidupkan motor baik kendaraan, traktor
ataupun motor pada sebuah generator set. Konstruksi dari sebuah motor starter kendaraan
diperlihatkan pada Gambar 6. Gambar 7 memperlihatkan sebuah motor stater traktor
pertanian.
Gambar 6. Konstruksi sebuah motor starter kendaraan
Gambar 7. Konstruksi sebuah motor starter traktor
10