BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Pustakaabstrak.ta.uns.ac.id/wisuda/upload/I1413008_bab2.pdf ·...

18
4 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

Transcript of BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Pustakaabstrak.ta.uns.ac.id/wisuda/upload/I1413008_bab2.pdf ·...

4

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

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 1000

oC, 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 kutub-

kutub 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 (2.2)

dimana: µ = 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 (2.3)

dimana:

μ = permeabilitas magnet (Wb/Am)

μo = permeabilitas vacuum

μr = permeabilitas relatif

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) (c)

(d) (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.