Mesin Listrik 1 >> Motor DC Penguat Terpisah

1 Teknik Elektro - Fakultas Teknik – Universitas Negeri Padang

MOTOR DC PENGUAT TERPISAH

Prinsip Motor DC

Motor DC (Direct Current) bekerja dengan prinsip, ketika sejumlah arus yang mengalir di dalam

sebuah penghantar diletakkan di dalam sebuah medan magnet, maka terjadi sebuah torsi dan

mempunyai kecenderungan untuk berputar (bergerak). Ini dikenal sebagai aksi mesin penggerak.

Jika arah arus listrik dalam penghantar dibalik, maka arah putaran juga terbalik. Saat medan

magnet dan medan listrik berinteraksi, keduanya menghasilkan energi mekanik. Atas dasar itulah

motor DC bekerja. Arah dari putaran motor ditentukan oleh kaidah tangan kiri Fleming.

Gambar 1. Kaidah Tangan Kiri Fleming

Gambar 1 menjelaskan bahwa arah arus ditunjukkan oleh jari tengah, arah garis gaya medan

magnet ditunjukkan oleh jari telunjuk dan arah putaran motor ditunjukkan oleh jari jempol.

Secara struktur dan konstruksi, motor DC ialah sama dengan generator DC tapi secara

kelistrikannya berbeda. Maka dari hal ini motor dan generator DC lebih sering disebut sebagai

mesin DC saja. Yang membuat berbeda secara kelistrikannya maksudnya ialah jika kita ingin

menjadikan mesin DC tersebut menjadi motor maka sumber listrik diberikan ke kumparan

penguat medan magnet (eksitasi) dan kumparan jangkar. Untuk mesin DC yang menggunakan

magnet permanen cukup memberikan sumber listrik ke kumparan jangkar saja.

Jika kita ingin menjadikan mesin DC ini menjadi generator maka sumber listrik diberikan ke

kumparan penguat medan magnet saja dan jangkar harus diputar. Dari kumparan jangkar inilah

keluar GGL. Untuk mesin DC magnet permanen maka cukup hanya jangkarnya diputar maka GGL

timbul pada kumparan jangkar.

Mesin Listrik 1 >> Motor DC Penguat Terpisah

2 Teknik Elektro - Fakultas Teknik – Universitas Negeri Padang

Gambar 2. Blok Diagram Kerja Motor DC

Dari gambar 2, motor DC disuplai tegangan E dan arus I menuju terminal kelistrikan atau terminal

input dan terminal mekanikal dihasilkan torsi T dan kecepatan ω. Terminal input dan output

merupakan variabel Motor DC yang dihubungkan sebagai parameter K.

T = K . I & E = K . ω

Jadi dari gambar tersebut kita dapat mengerti bahwa motor DC hanyalah fenomena yang

berlawanan dari sebuah generator DC. Kita dapat membuat operasi membangkitkan dan

menggerakkan dari mesin yang sama.

Konstruksi Motor DC

Ada dua komponen utama motor DC yaitu stator dan rotor. Stator merupakan bagian yang diam

yang juga berfungsi sebagai rumah (bodi) motor yang di dalamnya juga terdiri dari kumparan

penguat medan magnet dan terminal motor. Rotor merupakan bagian yang berputar yang

menghasilkan putaran mekanik. Selain dari komponen utama tersebut ada bagian pendukung

yaitu kuk (gandar/housing/yoke) motor, kutub motor, kumparan penguat medan magnet,

kumparan jangkar, komutator dan sikat arang.

Gambar 3. Gambaran Konstruksi Motor DC

Mesin Listrik 1 >> Motor DC Penguat Terpisah

3 Teknik Elektro - Fakultas Teknik – Universitas Negeri Padang

Kuk (gandar/yoke/housing)

Kerangka magnet atau yoke motor DC dibuat dari besi atau baja dan bentuknya merupakan

bagian integrasi dari stator motor. Fungsi utamanya ialah melindungi dan menutupi bagian dalam

stator serta menyangga jangkar. Yoke juga berfungsi untuk melindungi sistem kutub medan

magnet dan penguat medan magnet.

Gambar 4. Bentuk Yoke Motor DC

Kutub Motor DC

Kutub ini dibuat menempel pada dinding yoke. Konstruksi dasar kutub ini terdiri dari dua bagian

yaitu, inti kutub dan sepatu kutub. Keduanya ditumpuk bersama dengan menggunakan tekanan

hidrolik kemudian ditempelkan pada yoke. Pada sepatu kutub tersedia slot untuk meletakkan

kumparan penguat medan magnet.

Gambar 5. Gambaran Kutub Motor DC

Mesin Listrik 1 >> Motor DC Penguat Terpisah

4 Teknik Elektro - Fakultas Teknik – Universitas Negeri Padang

Kumparan Penguat Medan Magnet

Kumparan penguat medan magnet dibuat dari kawat email tembaga yang digulung pada slot

sepatu kutub. Kumparan ini bekerja dengan prinsip elektromagnetik, yang mana menghasilkan

fluks magnet saat dialiri arus listrik.

Gambar 6. Gambaran Kumparan Penguat Medan Magnet

Kumparan Jangkar

Kumparan jangkar motor DC diletakkan pada rotor. Kumparan jangkar ini dibuat dengan laminasi

baja silikon yang rendah histeresis untuk mengurangi kehilangan magnetik seperti histeresis dan

arus Eddy. Lembaran laminasi baja ini ditumpuk membentuk struktur silinder dari inti jangkar.

Gambar 7. Gambaran Lembaran Laminasi Baja Untuk Kumparan Jangkar

Inti jangkar juga tersedia slot untuk kumparan jangkar.

Mesin Listrik 1 >> Motor DC Penguat Terpisah

5 Teknik Elektro - Fakultas Teknik – Universitas Negeri Padang

Komutator Motor DC

Komutator dibuat dari kumpulan tumpukan segmen tembaga, di antara segmen tersebut diisolasi

mika. Fungsi utamanya dari komutator ialah media penghantar bergerak dari sikat arang menuju

kumparan jangkar.

Gambar 8. Gambaran Bentuk Komutator

Sikat Arang Motor DC

Sikat arang dibuat dari karbon atau grafit, materi ini dapat membuat kontak berputar pada

komutator. Sikat arang digunakan untuk penghantar dari terminal suplai menuju komutator lalu

ke kumparan jangkar.

Gambar 9. Gambar Bentuk Sikat Arang

Mesin Listrik 1 >> Motor DC Penguat Terpisah

6 Teknik Elektro - Fakultas Teknik – Universitas Negeri Padang

Torsi Motor DC

Torsi dihasilkan berdasarkan energinya, bersinggungan dengan arah putaran jangkar dikalikan

dengan jarak.

T = F . cos α . w . r

T = B . I . L . w . r. cos α

T = k . ϕ . Ia

dimana α ialah sudut antara posisi awal jangkar dengan posisi sesudah berputar.

Gambar 10. Gambaran Tentang Torsi Motor DC

Jenis-Jenis Motor DC

Motor DC banyak digunakan pada peralatan teknik. Contohnya untuk starter mesin mobil atau

sepeda motor, dari ukuran kecil hingga yang besar. Ini dikarenakan torsi awal yang dihasilkan oleh

motor DC lebih besar dibanding motor AC sehingga dapat menggerakkan start awal mesin untuk

melakukan pembakaran.

Motor DC dikategorikan menjadi tiga jenis utama, yaitu penguat terpisah, penguat sendiri dan

magnet permanen. Untuk penguat sendiri dibagi lagi menjadi tiga macam, yaitu penguat seri,

penguat paralel (shunt) dan penguat kompon. Penguat kompon juga ada dua jenis, yaitu kompon

komulatif dan kompon diferensial. Kedua kompon ini sama-sama memiliki dua jenis lagi, yaitu

kompon panjang dan kompon pendek.

Mesin Listrik 1 >> Motor DC Penguat Terpisah

7 Teknik Elektro - Fakultas Teknik – Universitas Negeri Padang

Gambar 11. Kategori Jenis-Jenis Motor DC

Pada kali ini hanya dibahas tentang motor DC penguat terpisah saja.

Motor DC Penguat Terpisah

Sesuai dengan namanya, motor DC ini mempunyai penguat medan magnet yang disuplai terpisah

dengan suplai untuk kumparan jangkar. Dari persamaan torsi motor DC kita tahu bahwa T = K . ϕ .

Ia. Jadi di sini torsi bisa divariasikan dengan mengatur fluks ϕ penguat medan magnet dan

terbebas dari arus kumparan jangkar Ia.

Dengan terpisahnya suplai untuk penguat medan magnet, maka motor jenis ini dapat diatur

kecepatan putarnya. Pada kenyataannya terdapat dua hal yang berpengaruh untuk motor ini yaitu

tegangan dan fluks medan magnet.

V = Ea + Ia . Ra

jika E = c n ϕ

maka Vt = c n ϕ + Ia . Ra

n = Vt – Ia . Ra : c ϕ

Mesin Listrik 1 >> Motor DC Penguat Terpisah

8 Teknik Elektro - Fakultas Teknik – Universitas Negeri Padang

n : kecepatan

c : konstanta

Ra : tahanan jangkar

Vt : tegangan terminal motor

Ia : arus jangkar

ϕ : fluks magnet

Fluks medan secara umum biasanya diusahakan dalam kondisi konstan dan tegangan sumber

ditambah linier hingga kecepatan motor nominal. Kemudian setelah kecepatan nominal, untuk

menjaga agar tidak melebihi kecepatan nominal maka tegangan sumber dibiarkan konstan dan

fluks kumparan penguat medan diperkecil dengan mengurangi arus medan (If). Saat itu terjadi

pelemahan magnet kumparan penguat medan.

Rangkaian Motor DC Penguat Terpisah

M

Vf

IfRf

Lf

Ra

Ia

La

Va

Gambar 12. Gambar Rangkaian Ekuivalen Motor DC Penguat Terpisah

Persamaan Rangkaian Motor DC Penguat Terpisah

Vf = Rf . If + Lf

Volt

Vt = k . ϕ . ω . m + La

Ra . Ia Volt

Ti = k . ϕ . Ia – j

– T loss

Pada keadaan steady, turunan terhadap fungsi waktu ialah nol dan jika variabel If, Ia dan ωm

konstan maka diperoleh persamaan berikut:

Vf = Rf . If Volt

Vt = k . ϕ . ω . m + Ra . Ia . Volt

Ti = k . ϕ . Ia – T loss Nm

Mesin Listrik 1 >> Motor DC Penguat Terpisah

9 Teknik Elektro - Fakultas Teknik – Universitas Negeri Padang

Tegangan GGL lawan yang dihasilkan pada kumparan jangkar saat bekerja ialah:

ea = k . ϕ . ω . m Volt

Saat motor start, GGL lawan nilainya nol sehingga arus pada kumparan jangkar cukup besar. Torsi

pada motor ini ialah:

T = k . ϕ . Ia Nm

ωm =

-

Cara yang digunakan untuk mengatur kecepatan motor DC penguat terpisah ialah mengacu pada

persamaan Vf = Rf . If + Lf

Volt. Pada saat steady, kecepatan motor ini dapat diatur langsung

dengan mengatur nilai tegangan jangkar Vt , kemudian juga dengan mengatur nilai fluks ϕ

penguat medan magnet dengan cara menambah arus medan If.

Karakteristik Motor DC Penguat Terpisah

Saat tegangan sumber yang diberikan pada kumparan penguat medan magnet diatur konstan

pada harga maksimum motor maka fluks motor ϕ yang dihasilkan menjadi besar sehingga Vt

konstan. Hubungan antara torsi dan kecepatan dapat digambarkan dengan hubungan antara dua

buah garis lurus dengan kemiringan garis gradien negatif yang kecil dengan perpotongan yang

terletak pada sumbu kecepatan. Jika proses dari motor ini dihubungkan pada suatu sistem

mekanik (diberi beban mekanik pada motor) maka sistem akan bekerja pada poin P1 dimana

merupakan titik pertemuan antara dua buah garis.

Jika motor tidak dihubungkan dengan beban mekanik maka motor akan bekerja pada poin P0.

Untuk kumparan jangkar yang disuplai oleh sumber yang terkendali tegangan DC maka

kecepatannya dapat diatur mulai dari nol sampai harga Vt pada nilai maksimum.

Gambar 13. Grafik Hubungan Antara Torsi dan Kecepatan Motor

Mesin Listrik 1 >> Motor DC Penguat Terpisah

10 Teknik Elektro - Fakultas Teknik – Universitas Negeri Padang

Gambar 14. Grafik Metode Pengaturan Kecepatan Motor dengan Mengatur Tegangan V t dan Menjaga Konstan Nilai If dari

Fluks ϕ

Gambar 15. Grafik Metode Pengaturan Kecepatan Motor dengan Mengatur Nilai If dari Fluks ϕ dan Menjaga Nilai

Tegangan Vt Konstan

Referensi

http://www.electrical4u.com/electrical-motor/dc-motor.php

http://www.electrical4u.com/electrical-motor/principle-of-dc-motor.php

http://www.electrical4u.com/electrical-motor/types-of-dc-motor.php

http://tarn2007.blogspot.com/2011/10/motor-arus-searah.html

http://digilib.polsri.ac.id/files/disk1/72/ssptpolsri-gdl-rizkylazua-3596-10-13020-8--4.pdf