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.
