BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Kajian Pustaka

Penelitian selanjutnya M. Wildan Hilmi (2011), yaitu mengatur kecepatan motor DC

magnet permanen dengan menggunakan sensor rotary, pada aplikasi pengaturan kecepatan

motor DC dengan menggunakan sensor rotary ini dibutuhkan motor dengan kecepatan tinggi

sehingga pemilihan motor harus meningkatkan kecepatan tinggi. Dimana spesifikasi motor

penggerak adalah: tegangan 12 VDC, Arus 3 A, Daya motor 40 W, kecepatan 2350 Rpm, Torsi

140 N cm dan penggerak sensor yang dibutuhkan roda untuk memutar sensor dengan tujuan

mensimulasikan putaran roda, spesifikasi motor tersebut adalah: tegangan 12 VDC, Daya motor

24 W, Kecepatan 500 rpm, Torsi 25 N cm. dari hasil pengujian dan analisa bahwa alat pengatur

kecepatan motor DC magnet permanen dengan menggunakan sensor rotary berhasil dibuat

sesuai dengan rancangan spesifikasi yang ditentukan.

Penelitian selanjutnya P.S Huda dan M. Nur Yuniarto (2014), mengenai Axial Flux

Coreless Brushless DC Motor. Motor hasil rancang bangun mengenai Axial Flux Coreless

Brushless DC Motor memiliki daya output 345 Watt tidak jauh dari yang di harapkan yakni 500

Watt. Hasil rancang bangun Axial Flux Coreless Brushless DC Motor memiliki efisiensi

maksimum 84.31 % pada kecepatan putar 553.4 Rpm, dan torsi peak 15.85 N/m. untuk

memaksimalkan output 345 W agar mendekati 500 W maka dilakukan adalah menaikan operasi

controller, yang secara teoritis meningkatkan daya sesuai dengan persamaan dasar. Daya output

maksimum didapat 49.07 V dan arus 9.03 A, efisiensi 77.9 % maka tegangan dinaikan V=

(500/77.9%)/9.03=71.09 V.

2.2 Dasar Teori

2.2.1 Motor listrik DC

Motor Dc merupakan mesin listrik yang memerlukan suplai tegangan searah untuk

pengoprasianya. Motor ini memiliki kesederhanaan dalam pengoprasiannya tetapi di sisi lain

memerlukan perawatan berkala dan harganya mahal. Di lapangan jenis motor DC bermacam-

macam, diantaranya motor DC penguat terpisah, motor DC penguat seri, motor DC penguat

shunt dan motor DC penguat compound. Untuk dapat mengoperasikan dan melakukan perawatan

motor DC maka perlu dipahami konsep dasar bagaimana suatu motor DC berputar. Bagian-

bagian motor DC juga perlu dikenali seperti stator, rotor, komutator sikat dan elemen motor

lainnya. Karakteristik motor juga harus dipahami agar dalam pengoprasianya, motor dapat

bekerja dengan optimal.

Teori dasar dari motor DC diawali dengan sebuah konduktor yang dialiri listrik berada di

dalam suatu medan magnetik akan mengalami gaya tarik yang arahnya tegak lurus terhadap arus

listrik dan medan magnetik konduktor bisa terbuat dari besi, tembaga atau aluminium.

(a) Pengaturan percobaan (b) Arah I, F dan B saling lurus

Gambar 2.1 Gaya pada kawat di dalam medan magnetik

Untuk membuktikan dapat dilakukan percobaan menggunakan magnet U, kawat dan baterai.

Lalu atur sesuai gambar 1.1. Maka pada kawat akan ada hentakan saat baterai dihubungkan.

Besarnya magnitude dari gaya tersebut dapat dihitung persamaan berikut:

F=IBLsinθ……………………………………….(1)

Dengan

F= gaya pada konduktor (newton)

I = arus pada konduktor (ampere)

B= kerapatan fluks magnetik (Gauss)

L= panjang kawat (meter)

Θ= sudut antara arus dan medan magnetik

Motor listrik memanfaatkan prinsip ini untuk membuat suatu putaran yaitu dengan

membentuk kawat menjadi suatu lup dan menempatkan di dalam medaan magnetik. (Gambar

1.2)

Gambar 2.2 Motor DC konvensional

Lup atau kumparan ini akan berputar pada suatu sumbu yang diperlihatkan pada gambar

1.2. Kumparan ini disebut lilitan armatur. Armature ini ditempatkan di dalam medan magnetik

yang disebut medan. Komutator dan brush mengalirkan arus listrik ke armature dan

menyebabkan armature ini berputar. Pada gambar 1.2.a. arus listrik pada kawat A mengalir

masuk sedangkan pada kawat B arus listrik masuk ke dalam. Sesuai dengan aturan tangan kanan

pada gambar 1.2.b. maka gaya kawat A akan menaik sedangkan gaya pada kawat B akan turun

sehingga kumparan akan berputar searah jarum jam. Pada kawat berputar 90o arus litrik pada

kawat B akan berbalik kearah masuk sedangkan arus listrik pada kawat A akan keluar, ini semua

akibat cincin komutator yang menyentuh kutub yang berbeda pada brush sehingga arah gaya

pada kawat B adalah ke atas dan arah gaya kawat adalah ke bawah sehingga kumparan terus

berputar searah jarum jam.

Torsi adalah gaya putar pada motor. Torsi maksimum pada saat kumparan berada

pada posisi horisontal dan menjadi minimum pada saat kumparan berada pada posisi

vertikal. Sebuah armatur motor DC terdiri dari beberapa kumparan yang membentuk torsi

keseluruhan (gambar 1.3). Setiap kumparan berhubungan dengan komutator yang terpisah.

Gambar 2.3 Armature Motor DC

Parameter penting dalam setiap motor DC adalah torsi ini. Torsi dapat dihitung dari gaya

pada persamaan (1.3) dan bila disederhanakan menjadi

T=KT I A φ............................................................(2)

Dengan:

T= Torsi motor

KT= Konstanta yang tergantung dari konstruksi motor

I A = Arus armatur

φ = fluks magnetik

Motor DC dapat bekerja sebaliknya yaitu mengubah energi mekanik gerak menjadi

energi listrik yang disebut dengan generator. Saat ada gaya putar luar memutar komutator, motor

Dc menimbulkan tegangan disebut electromotive force (EMF). Tapi saat motor DC digerakkan

oleh daya listrik terdapat tegangan balik yang arahnya berlawanan dengan arus armature yang

disebut dengan arus armature disebut dengan counter-electromotive force (CEMF). CEMF ini

mengurangi tegangan armature (V A ). CEMF ini meningkat dengan meningkatnya laju putar

motor dan sebaliknya akan berkurang saat laju motor berkurang.

V A=V ¿−CEMF………………………………………..(3)

Motor DC memiliki kemampuan untuk mempertahankan lajunya saat dihubungkan

dengan beban yang disebut dengan Self-regulation speed. Saat beban meningkat laju berkurang

sekaligus menurunkan CEMF. Saat CEMF menurun tegangan armature akan kembali naik dan

menyebabkan laju motor meningkat kembali.

2.2.2 Brushless DC Motor (BLDC)

Brushless DC motor (BLDC motor) yang juga dikenal sebagai electronically commutated

motors (ECMs) adalah tipe motor sinkron yang memakai sumber listrik arus searah sebagai

tenaganya. Arus searah yang digunakan umumnya bersumber dari arus bolak-balik yang

kemudian disearahkan dengan inverter.

BLDC motor memiliki prinsip kerja yang hampir sama dengan motor stepper namun

penggunaan istilah motor stepper kurang tepat bagi BLDC motor karena pengertian dari motor

stepper itu sendiri digunakan untuk jenis motor yang di desain secara spesifik untuk dapat

dioperasikan dalam mode positioning yang akurat dimana bagian motor mampu berhenti di

posisi angular yang diinginkan.

Dua parameter performa BLDC motor yang paling utama adalah konstanta motor Kv

dan Km.

Secara performa, BLDC motor dapat menghasilkan torsi maksimal pada RPM rendah dan

secara bertahap akan menurun seiring meningkatnya RPM motor. keunggulan BLDC motor

dibandingkan jenis Brushed DC motor lainnya diantaranya efisiensi kerja yang lebih tinggi,

tingkat keausan atau mechanical wear rendah karena tidak menggunakan brush, dan frekuensi

perawatan yang minimal.

Konstruksi beberapa BLDC motor menggunakan permanent magnet dibagian yang

berputar rotor dan armature pada bagian stator. Sistem sequencing arus listrik menggunakan

electronic controller sebagai sistem pengganti komutator dengan brushed pada motor DC

konvensional. Electronic controller ini mengubah fasa arus listrik yang menuju gulungan kawat

untuk mendistribusikan daya listrik sehingga dapat menjaga perputaran motor agar tetap konstan.

Dengan cara ini didapatkan beberapa keuntungan yaitu meminimalkan energy losses dan

menghilangkan mechanical wear antara bagian stator dan rotor.

Keunggulan BLDC motor dibandingkan dengan DC motor konvensional antara lain

torque per weight dan per watt lebih besar, peningkatan efisiensi dan reliability, pengurangan

noise atau kebisingan suara, mengeliminasi percikan ion electron dari komutator dan

mengeliminasi electromagnetic interference (EMI).

Daya maksimum yang dapat diberikan pada BLDC motor dibatasi hampir hanya oleh

energi panas atau heat yang dapat melemahkan kekuatan magnet atau merusak selubung insulasi

nya. Kekurangan utama BLDC motor yaitu harganya yang lebih mahal. Hal ini terjadi karena

sistem komutasi motor ini membutuhkan kontrol kecepatan elektronik yang kompleks sementara

brushed DC motor atau motor DC konvensional dapat menggunakan sistem rheostat (variable

rsisitor) yang sangat sederhana untuk bekerja. Selain itu, sistem produksi BLDC motor secara

komersil masih menggunakan proses manual penggulungan kawat secara manual dibandingkan

penggulungan mesin.

BLDC motor memiliki efisiensi yang lebih tinggi untuk mengkonversi daya listrik dari

sumber energi menjadi daya mekanis untuk menggerakan motor. Peningkatan efisiensi ini dapat

tercapai karena tidak adanya electrical dan friction losses yang disebabkan oleh komponen

brushed. Efisiensi maksimal terjadi pada daerah tanpa beban atau no-load dan low-load pada

performance curve dari motor. Sementara pada beban mekanis yang sangat tinggi, efisiensi

BLDC motor dapat setara dengan high-quality DC Brushed motor.

Aplikasi BLDC motor umumnya digunakan pada sistem yang membutuhkan kecepatan

tinggi dan bebas perawatan serta kondisi lingkungan yang melarang adanya percikan listrik

seperti pertambangan atau kondisi dimana adanya peralatan elektronik yang sensitif.

2.2.3 BLDC Hub Motor

Perkembangan teknologi BLDC motor serta berbagai keunggulanya dibandingkan jenis

motor lain membuat aplikasi jenis motor ini menjadi semakin luas. Di sektor transfortasi

khususnya, tidak hanya sepeda listrik yang memanfaatkan keunggulan motor ini namun juga

scooter, solar cars dan banyak mobil listrik.

Untuk aplikasi penggunaan pada sektor transportasi, modifikasi banyak dilakukan pada

perkembanganya dan kini muncul tipe konstriuksi baru dari motor BLDC motor yaitu BLDC

Hub Motor. sesuai dengan namnya BLDC Hub motor digunakan dan dipasang langsung padaa

Hub sehingga berfungsi pula sebagai roda biasa pad umumnya.

Gambar 2.4 BLDC Hub Motor

Konstruksi BLDC Hub motor merupakan inverse atau kebalikan dari konstruksi BLDC

motor yang biasa. Perbedaanya terdapat pada posisi rotor dengan stator yang ditukar. Bagian

rotor dari BLDC Hub Motor sama dengan BLDC biasa yaitu berupa permanent magnet dengan

variasi jumlah kutub yang beragam namun letaknya berbeda. Apabila pada BLDC biasanya

posisi rotor ada di dalam armature dan langsung terhubung ke poros, pada BLDC Hub Motor

terletak rotor ada diluar dan berperan sebagai armature motor itu sendiri. Karena posisinya yang

berada diluar, rotor dapat langsung dihubungkan ke velg atau rim.

Ada dua jenis tipe BLDC Hub Motor secara umum yaitu Hub motor dengan dan tanpa

gear. BLDC Hub Motor dengan gear biasanya menggunakan susunan planetary gear sebagai

sistem transmisi dari motor menuju hub. Sementara BLDC hub Motor tanpa gear di hubungkan

langsung.

Gambar 2.5 Konstruksi rotor dan stator BLDC Hub Motor tanpa Gear

(Sumber: http:www.ebikes.ca/hubmotors.shtml)

Gambar 2.6 konstruksi Hub Motor BLDC pada planetary geared hub motor

(sumber:www.avdweb.nl)

Konstruksi BLDC Hub Motor tanpa gear disebut Direct-drive transmission karena tidak

diperlukan lagi sistem transmisi untuk menyalurkan daya mekanis dari motor roda. Hal ini

membuat RPM roda sama dengandi motor dan juga efisiensi kerja di roda sama dengan di motor

karena karakter motor yang memiliki torsi besar di RPM rendah sehingga tidak memerlukan

transmisi untuk menghasilkan torsi besar.

2.2.4 Fluks Magnetik

Fluks magnetik adalah jumlah medan magnetik (garis gaya magnet) yang dihasilkan

sumber magnetik, dilambangkan φ (phi). Satuan fluks magnetik Weber (Wb). Kerapatan fluks

magnet adalah jumlah total fluks yang menembus area yang tegak lurus dengan fluks tersebut, di

rumuskan:

B= φA (2.4)

Dengan:

B = Rapat fluks magnet (T atau Wbm2 )

Φ = Fluks magnet (Wb)

A = Luas penampang (m2)

BAB III

PERANCANGAN

3.1 Alur Penelitian

Pada Bab ini dibahas alur dari penelitian perancangan BLDC Motor 10 KW, yang

diterapkan pada roda sepeda motor dengan ukuran 17 inci. Diagram alur penelitian ditunjukkan

pada gambar 3.1.

Gambar 3.2 Diagram alir perancangan BLDC motor

Perancangan motor listrik BLDC 10 KW di mulai dengan menentukan parameter

spesifikasi motor dari daya, arus, tegangan yang telah di prakiraan dan kemudian menghitung

kecepatan motor, diameter kawat, jumlah lilitan dan torsi motor. setelah mengetahui hasil

prakiraan perhitungan motor listrik BLDC tersebut kemudian menentukan ukuran rotor dan

stator pada motor listrik BLDC, dari hasil prakiraan perhitungan tersebut dapat diketahui

seberapa besar ukuran motor listrik BLDC yang akan diterapkan pada ring 17 inci sepeda motor.

3.2 Peralatan dan bahan

1. Menggunakan Softwere Solidworks yang digunakan untuk merancang komponen utama

motor listrik stator dan rotor.

2. Perancangan motor BLDC dengan daya 10 KW

3.3 Perancangan Model

Pada perancangan motor listrik BLDC 10 KW ini meliputi komponen utama dari motor

listrik yakni perancangan stator dan perancangan rotor. BLDC motor 10 KW yang dirancang

dengan kecepatan 1500 RPM, tegangan 120 Vdc, magnet Neodymium dan penentuan bentuk

rotor yang ditentukan dari besarnya diameter kawat lilitan pada tiap-tiap kumparan yang

terpasang pada stator.

3.2.1 Perancangan Rotor motor listrik BLDC

1. Menghitung jumlah pole magnet

Dengan mengasumsikan kecepatan motor maka jumlah pole dapat di ketahui

dengan rumus n=120. fp

2. Menentukan magnet yang digunakan

Jenis magnet yang digunakan Neodymium batang panjang 50 mm, lebar 15 mm

dan tebal 6 mm

Kerapatan fluks magnet N50 B = 1.425 Tesla

Menentukan fluks magnet ϕ=BxA

3.2.2 Perancangan stator motor listrik BLDC

1. Jumlah fasa yang digunakan yakni 3 fasa

2. Menentukan jumlah kumparan

Rumus perhitungan jumlah kumparan 3 fasa N s=Px N ph

2 , dengan rumus tersebut

maka dapat di ketahui jumlah kumparan pada motor listrik.

Pada tiap kumparan akan di beri lilitan oleh kawat email yang besar kawat

tersebut ditentukan oleh besarnya arus yang akan melewati kawat, semakin besar

arus maka kawat tersebut akan semakin besar.

3. Menentukan jumlah kawat lilitan

Karena jumlah kawat lilitan dan diameter kawat akan berpengaruh terhadap

diameter rotor maka untuk menghitung jumlah lilitan kawan dapat menggunakan

rumus N= E2 πFϕ N s/nph