Motor Listrik

Motor DC

Sebuah motor DC terdiri dari gilungan kawat (coil) yang berputar pada medan Magnet (Gambar 1). Arus pada coil dialurkan melalui brush yang kontak langsung dengan split ring. Coil berada pada medan magnet tetap, dan gaya yang dikeluarkan oleh arus pada kawat menghasilkan torsi pada coil.

Gambar 1. Prinsip dasar motor listrik DC

Gaya F pawa kawat dengan panjang L membawa arus listrik i pada medan magnet B adalah iLB dikali dengan sinus sudut antara B dan i. Arah dari gaya F mengikuti prinsip tangan kanan seperti diperlihatkan pada Gambar 1. Gaya yang diperlihatkan memiliki besaran yang sama namun dengan arah yang berbeda, sehingga gaya-gaya tersebut menghasilkan torsi. Mekanisme kerja mortor listrik DC diperlihatkan pada animasi berikut ini.

 

Generator DC

Motor listrik DC dapat juga berfungsi sebagai generator sebagaimana diperlihatkan pada animasi dibawah ini. Apabila coil yang diputar maka maka akan dihasilkan elekro magnet field.

emf = - d f /dt = - (d/dt) (NBA cos q )

= NBA sin q (d q /dt) = NBA w sin w t.

Motor Listrik AC dan Alternator

Pada motor listrik dengan arus AC tidak diperlukan pembalikan arah arus olej sebab itu tidak diperlukan adanya split ring. Sebagai gantinya digunakan slip yang yang dapat menghubungkan coil ke sumber listrik secara kontinyu sebagaimana yang diperlihatkan pada animasi berikut ini. Sama seperti halnya pada motor DC, apabila coil dari motor AC yang diputar maka akan menghasilkan arus listrik AC.

 

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.

 

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bagaimana cara kerja motor listrik ?

Dasar Elektromekanik

 

 

 

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.

Sejarah motor listrikPada 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 ?

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 masing-masing menggunakan commutation internal dan eksternal untuk menciptakan arus osilasi AC dari sumber arus DC.

Electric motors of various sizes.

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, sikat-sikat 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.

       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 UniversalMotor-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 ?

Sejarah 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.

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)

Three phase AC induction motors rated 1 Hp (746 W) and 25 W with small motors from CD player, toy and CD/DVD drive reader head traverse

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.

 

Disassembled 250W motor from a washing machine. The 12 stator windings are in the housing on the left. Next to it is the "squirrel cage" rotor on its shaft.

 

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.

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 motor-motor 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.

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 D), 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:

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

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.

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.

 

Keutungan Motor Serempak

 

 

 

 

Apakah Anda perlu penjelasan dari beberapa jenis motor listrik lain ? Silakan klik.

o     Motor Torsi

o     Slip Ring

o     Stepper motors

o     Motor Linier

o     Doubly-fed electric motor

o     Singly-fed electric motor

o     Nanotube nanomotor

o     Motor servo dua phase

o     Brushless DC electric motor

o     DC motor starters

o     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. 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.

Lebih jauh dengan motor induksiPhase 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

The Commutating Plane

 

 

 


 

Dynamo Design Variations  

 

 

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