Karakteristik Motor Arus-Searah Rangkaian Magnet Mesin

17 4. Arah GGL induksi tersebut berlawanan dengan arah GGL sumber sehingga kita sebut GGL lawan. Jadi GGL lawan pada motor arus-searah adalah GGL yang terjadi pada jangkar motor arus-searah pada waktu motor dioperasikanberputar, yang disebabkan karena jangkar tersebut berputar dalam medan magnet. Pada motor arus searah penguatan bebas arah GGL lawan menentang arah GGL sumber, sehingga pada waktu motor beroperasi arus jangkarnya menjadi : Ia = Ra Ea V − Dimana V: tegangan jepit sumber Ea : GGL lawan Ra: tahanan jangkar Besarnya GGL lawan E adalah : E = a P . 60 n . Z. φ Volt

2.2 Karakteristik Motor Arus-Searah

Untuk menentukan karakteristik-karakteristik suatu motor arus-searah perlu diingat 2 rumus pokok yaitu: 1. Persamaan kecepatan n = φ. . C Ra Ia V − 2. Persamaan torsi T=k.Ia. φ Dengan berdasarkan persamaan-persamaan diatas akan membantu dalam menduga sifat-sifat dari motor arus-searah dengan hubungan yang berbeda seri, shunt, kompon. Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 18 Dalam tulisan ini akan dibicarakan 3 macam karakteristik pada masing masing jenis motor. Karakteristik-karakteristik tersebut akan banyak memberikan informasi-informasi dalam pemilihan suatu motor arus-searah untuk penggunaan yang tepat dan sesuai. Karakteristik-karakteristik itu adalah : 1. Putaran sebagai fungsi arus jangkar karakteristik putaran n=f Ia, V konstan Gambar 2.9 Karakteristik putaran 2. Torsi sebagai fungsi arus jangkar karakteristik torsi T=f Ia, V konstan Gambar 2.10 Karakteristik Torsi Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 19 3. Putaran sebagai fungsi torsi karakteristik mekanis n=fT, V konstan Gambar 2.11 Karakteristik mekanis motor arus searah

2.3 Hantaran Magnet

2.3.1 Penampang menurut Bidang Gerakan.

Hantaran magnet diperlukan sebagai penghantar, medium, saluran, jembatan, lintasan; dan wahana dialirkannya arus-gaya-magnet. Hantaran magnet merupakan lintasan tempat dialirkannya arus-gaya-manet selama mesin bekerja, baik arus-gaya-magnet medan utama yaitu medan magnet yang dibangkitkan ggm penguatan maupun arus-gaya-magnet ggm reaksi yaitu medan magnet yang dibangkitkan hantaran listrik jangkar sebagai akibat pengaliran arus beban didalamnya. Pada mesin listrik berputar, seperti mesin arus searah, terdapat dua bagian hantaran magnet, yaitu : 1. Hantaran magnet diam, yaitu hantaran magnet yang menjadi bagian tetap mesin yang disebut stator, karena bersifat tidak bergerak atau statik. Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 20 2. Hantaran Magnet Bergerak. Terdiri dari dua jenis, yaitu ; a pemutar rotor, bagian hantaran magnet yang menjadi bagian bergerak mesin untuk gerakan berputar angular, dan b pejalan runner yaitu bagian hantaran magnet yang bergerak dalam garis lurus linear. Bagian bergerak disebut juga bagian dinamik mesin arus searah. Gambar 2.12 memperlihatkan tampak lintang hantaran magnet mesin arus searah. Pada gambar diperlihatkan hanya sepasang kutub. Gambar 2.12a dan Gambar 2.12c mewakili mesin berputar, sementara Gambar 2.12c dan Gambar 2.12d memperlihatkan mesin-mesin yang bergerak dalam garis lurus linear. Gambar 2.12a dan Gambar 2.12b mewakili mesin-mesin dengan medan diam dan jangka berputarbergerak, sementara Gambar 2.12c dan Gambar 2.12d memperlihatkan mesin-mesin dengan medan berputarbergerak dan jangkar diam. Meskipun peninjauan ini hanya memperlihatkan gerakan relatif, yaitu dengan sepintas lalu tampaknya gerakan yang satu dengan mudah dapat diperoleh dengan membalik gerakan lainnya, namun dalam praktek tidaklah semudah anggapan tersebut, oleh karena itu terdapat dua jenis mesin yang berbeda, yaitu: 1. Mesin jangkar berputarberjalan dengan medan diam. 2. Mesin medan berputarberjalan dengan jangkar diam. Jenis pertama umumnya dilaksanakan pada mesin-mesin arus searah. Sementara jenis kedua hingga saat ini, belum memiliki pemakaian praktis pada mesin arus searah karena sukarnya pembuatan perangkat komutasi yang berfungsi mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah. Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 21 Gambar 2.12 Tampak lintang hantaran magnet mesin arus searah

2.3.2 Bagian-Bagian Hantaran Magnet

Selain dibagi menjadi bagian diam dan bagian bergerak, hantaran magnet mesin arus searah masih dapat dibagi menurut perjalanan arus-gaya-magnet, ke dalam penggal-penggal lintasan, lihat Gambar 2.13. Gambar 2.13 memperlihatkan lintasan arus-gaya-magnet mesin arus searah berupa rangkaian elemen tabung arus-gaya-magnet ∆Φ tertutup sempurna, disingkat tabung gaya. Pada gambar terlihat bahwa lintasan yang dilalui terbelah menjadi dua bagian simetris yang dipisahkan oleh sumbu lintang sb-q. Penggal-penggal lintasan untuk setengah bagian simetris pertama tersusun dari : 1. 12 l GR = setengah penggal lintasan gandar motor 2. l g = l a = l ag = penggal lintasan pada gigi atau alur 3. l i = penggal lintasan pada inti kutub 4. 12 l GS = setengah penggal lintasan gandar stator Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 22 5. l δ = penggal lintasan dalam celah udara. Jadi, panjang seluruh lintasan perjalanan arus-gaya-magnet pada sepasang kutub mesin arus searah yang melalui gigi : l Mg = 2 12 l GS + l g + l i + l δ + ½ l GR [m] Sementara yang melalui alur : l Ma = 2 12 l GS + l a + l i + l δ + ½ l GR [m] Gambar 2.13 lintasan arus-gaya-magnet mesin arus searah Gambar 2.14 memperlihatkan alur dan gigi bagian bergerak mesin arus searah yang diperbesar. Garis-garis m dan n memperlihatkan sumbu-sumbu elemen tabung arus-gaya-magnet ∆Φ yang meninggalkan stator setelah menembus celah udara, dan memasuki rotor masing-masing melalui gigi dan alur pada bagian bergerak rotor. Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 23 Gambar 2.14 Alur dan gigi bagian bergerak mesin arus searah Gambar 2.15 Lengkung B=fH untuk alur dan gigi bagian bergerak mesin arus searah Sesungguhnya arus-gaya-magnet cenderung untuk berusaha mengalir hanya melalui gigi, yang memiliki hambatan arus-gaya-magnet yang lebih rendah. Namun, apabila kejenuhan pada bagian ini gigi rotor telah tercapai lihat titik A mengarah ke atas pada Gambar 2.15, maka kecenderungan tersebut menjadi hilang karena hambatan arus-gaya-magnet sekarang menjadi sama besar, baik pada gigi maupun dalam alur. Sehingga, jalannya elemen arus-gaya-magnet m dan n menjadi semakin sejajar. Perhatikan Gambar 2.15 Daerah O-A menyatakan kawasan harga induksi rendah, dengan nilai hambatan magnet pada gigi jauh lebih tinggi dibandingkan yang dalam alur. Sedangkan diatas titik A, hantaran magnet tersebut praktis berharga sama di mana-mana. Menurut fungsinya, hantaran magnet mempunyai tugas sebagai berikut : Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 24 Gandar Rotor Gandar Rotor berfungsi sebagai hantaran magnet bergerak. Pada permukaan lingkaran luar gandar ini digali alur-alur parit-parit dengan kedalaman tertentu, tegak lurus arah gerakan atau sejajar dengan arah poros pada mesin berputar. Garis putus-putus pada Gambar 2.13 memperlihatkan pada bagian ini adanya bentuk alur dan gigi. Alur-alur diperlukan untuk menempatkan hantaran listrik berpenyekat penghantar berisolasi. Penghantar menjadi tempat dibangkitkannya gaya gerak listrik ggl akibat berpotongan dengan medan magnet karena bergerak pada kerja pembangkit dan merupakan tempat dihasilkannya gaya-gerak-mekanikggmek akibat pengaliran arus listrik dalam penghantar-penghantar ketika berada dalam medan magnet pada kerja penggerak. Kesatuan hantaran magnet rotor dengan penghantar-penghantar atau hantaran listrik berpenyekat penghantar berpenyekat tersusun ke dalam lilitan yang membentuk kumparan disebut jangkar mesin arus searah. Sisa kedalaman gandar rotor berfungsi sebagai badan gandar, dan selain bersama-sama gigi memegang penghantar-penghantar kumparan berpenyekat pada tempatnya juga menjadi lintasan pengalian arus-gaya-magnet dan menjadi penerima atau pendukung gaya dan puntir elektro-magnet yang dibangkitkan atau diterima mesin arus searah lewat penghantar-penghantarnya. Celah Udara Celah udara berfungsi sebagai media pemisah antara bagian bergerak dengan bagian diam hantaran magnet. Panjang lintasan celah udara ini bervariasi. Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 25 Mesin dengan celah udara tetap mempunyai tebal celah udara yang seragam antara bagian diam dan bagian bergerak di sepanjang permukaan kutub dalam arah putaran. Dalam praktek, tebal celah udara tidaklah dibuat benar-benar seragam, tetapi melebar mendekati kedua arah tepi kutub ditinjau dari kedudukan sumbunya. Hal ini dimaksudkan agar kebocoran arus-gaya-magnet antara kutub berbeda polaritas yang berdampingan menjadi sekecil-kecilnya. Celah udara terlebar terdapat pada sumbu lintang, yaitu sumbu yang tepat berada diantara dua buah sumbu kutub atau sumbu bujur yang berdekatan. Celah udara diperoleh karena adanya bagian menonjol kutub-kutub diatas gandar stator yang menuju ke poros mesin; kutub-kutub dibuat menonjol agar tersedia ruang di sekitar inti kutub sebagai tempat kumparan penguatan mesin. Celah udara juga bertindak sebagai hantaran bukan magnet dalam penyaluran arus-gaya-magnet yang keluar masuk antara bagian diam dan bagian bergerak relatif antara bagian diam dan bagian bergerak. Inti Kutub Inti beserta sepatu kutub berfungsi sebagai tempat pemegang kumparan penguatan sekaligus menjadi lintasan arus-gaya-magnet pada bagian diam.. Bersama-sama dengan kumparan penguatan, inti kutub membangkitkan tegangan magnet arus-gaya-magnet [ggm] yang bertugas mengalirkan arus- gaya-magnet dalam rangkaian magnet mesin dengan nilai induksi tertentu. Inti bersama-sama dengan sepatu kutub juga menerima gaya dan puntir elektro-magnet yang dihasilkan dari interaksi elektromagnet antara medan magnet Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 26 dan penghantar berarus pada bagian bergerak, yang selanjutnya diteruskan ke inti kutub menuju ke gandar stator, dan akhirnya tiba di pondasi mesin. Gandar Stator Berlawanan dengan gandar rotor, gandar stator bersama-sama dengan inti kutub membentuk hantaran magnet diam. Pada permukaan gandar stator ini dibuat parit untuk menempatkan inti-inti kutub mesin arus searah, agar inti-inti tersebut dapat terpegang pada tempatnya dengan baik dalam jarak kutub τ yang telah ditetapkan. Selain sebagai jembatan bagi arus-gaya-magnet antara kutub yang bertetangga, maka gandar stator juga menerima gaya dan punter yang diteruskan oleh seluruh inti-inti kutub mesin. Gaya dan punter ini kemudian diteruskan ke fondasi mesin arus searah oeh gandar stator

2.3.3 Bahan Hantaran Magnet

Dari bahasan diatas jelas terlihat bahwa untuk membuat hantaran magnet diperlukan bahan yang memenuhi persyaratan tertentu. Salah satu ketentuan yang harus dipenuhi oleh bahan adalah bersifat mudah menghantarkan arus-gaya- magnet, ditandai dengan rendahnya hambatan terhadap pengaliran arus-gaya- magnet. Gambar 2.16 memperlihatkan bahan yang berada dalam lintasan magnet tertutup ke dalam rangkaian yang diberi tegangan magnet. Arus-gaya-magnet yang mengalir dalam lintasan yang ditinjau dapat diperoleh melalui persamaan : Φ = Rm F [Wb] Dengan Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 27 Φ = arus-gaya-magnet Wb F = tegangan magnet atau ggm yang ditempakan dalam rangkaian magnet mesin dan menurut Hukum I Maxwell besarnya : F = ∫ H l dl [AB] dengan H l = kuat medan magnet pada sepanjang arah garis singgung lintasan ABm dl = panjang elemen lintasan m R m = hambatan reluktansi arus-gaya-magnet mengalir melalui bahan ABWb. Setiap benda padat, cair, dan gas yang terdapat di alam dapat bertindak sebagai hantaran magnet yang ditempatkan dalam rangkaian magnet tertutup, lihat Gambar 2.16b. Hasil pengukuran nilai induksi B yang diperoleh dari kuat medan H yang diberikan pada berbagai macam benda atau medium dilukiskan dalam hubungan fungsi yang ditampilkan dalam bidang kordinat B = fH, lihat Gambar 2.16a. Gambar 2.16 Lengkung B=fH untuk alur dan gigi bagian bergerak mesin arus searah Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 28 Karena kuat medan H adalah tegangan magnet yang diberikan persatuan panjang lintasan medium percobaan yang dilalui dan diinduksi B adalah besar arus-gaya-magnet per satuan luas penampang bahan percobaan tersebut, maka akan sangat menarik untuk mengetahui hubungan antara kedua besaran ini. Apabila bahan-bahan yang ditempatkan memperlihatkan hubungan tidak garis- lurus linear, maka dapat diturunkan hubungan : B = µ H [T] dengan B = induksi yang diperoleh dalam medium percobaan T = Wbm 2 , T adalah singkatan tesla H = kuat mean magnet yang ditempatkan ABm µ = permeabilitas atau sifat dapat ditembus arus-gaya-magnet atau bahan hantaran magnet yang digunakan. Apabila diambil µ sebagai besaran rata-rata yang harganya tetap bagi medium dalam daerah pengamatan fungsi B = fH yang terletak antara H = - H maks dan H = + H maks , maka lengkung-lengkung yang diperoleh bagi berbagai jenis bahan percobaan ditunjukkan dalam garis-garis lurus yang menempati kuadran pertama dan keempat µ adalah besaran posistif dari nol ampai tak berhingga.

1.3.4 Bahan Feromagnet

Feromagnet merupakan bahan satu-satunya yang kini banyak digunakan dalam pembuatan hantaran magnet mesin listrik, karena bahan feromagnet memiliki hambatan yang sangat rendah terhadap pengaliran arus-gaya-magnet dan kekuatan mekaniknya sangat tangguh. Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 29 Berkat teknologi pembuatan bahan metalurgi, teknik pencampuran unsur, bahan feromagnet dapat memiliki permeabilitas yang sangat baik. Selain itu teknik tersebut membuatnya mampu menyimpan dan mempertahankan sifat magnet, sehingga bila ke dalam bahan feromagnet dialirkan arus-gaya-magnet sekali saja, maka bahan tersebut segera berubah menjadi magnet tetap permanen. Berbeda dengan bahan yang dikemukakan pada bagian sebelumnya bahan feromagnet sesungguhnya tidak memiliki sifat tembus arus-gaya-magnet permeabilitas bernilai tetap atau konstan. Pada pemberian penguatan eksitasi antara harga kuat medan magnet –H maks dan -H maks , bentuk lengkung B = f H yang susungguhnya adalah seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.17. Gambar 2.17 Lengkung pemagnetan B=fH Permeabilitas diperoleh dengan mencari perbandingan diferensial melalui persamaan : Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 30 µ = H B ∆ ∆ = tg β Pada sepanjang lengkung B = f H yang ternyata mempelihatkan nilai tidak tetap. Perbandingan di atas juga menyatakan tangen atau koefisien arah garis singgung pada sembarang titik lengkung yang saling tergeser, dalam bahasa Yunani disebut hysteresis. Bahan feromagnet yang banyak digunakan dalam bangunan mesin listrik ada dua jenis, yaitu besi dan baja. Besi Terdapat dua jenis besi dalam istilah metalurgi ilmu pengolahan logam, yaitu besi putih dan kelabu. Pada tahap awal pembuatan mesin listrik besi banyak digunakan untuk pembuatan hantaran magnet dan seluruh sistem mekanik serta rumah mesin arus searah. Setelah mesin arus bolak-balik ditemukan, pemakaian besi sebagai hantaran magnet berkurang dengan cepat, karena sifat magnetnya µ rendah dan rugi-besi-nya relatif tinggi. Dewasa ini, besi digunakan pada pembuatan hantaran magnet mesin arus searah dan arus bolak-balik, khususnya bagian-bagian yang tidak mengalami perubahan arus-gaya-magnet yang berarti, baik amplitudo atau arahnya; seperti bagian stator mesin arus searah atau rotor mesin serempak medan berputar. Inipun terbatas pelaksanaannya pada mesin berdaya kecil. Peralihan konstruksi hantaran magnet ke sistem laminasi lempeng-lempeng baja yang berlapis-lapis dengan penyekat lapisan kertas di antaranya bertujuan mengurangi dengan tajam rugi- besi oleh timbulnya pulsasi medan karena adanya susunan gigi alur yang terletak Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 31 disekitar celah udara. Rugi-besi ini menyebabkan besi sebagai hantaran magnet menjadi cepat usang. Baja Menurut teknologi pembuatannya, dikenal berbagai jenis baja, yaitu baja giling rolled steel, baja tempa forged steel, baja campuran alloyed steel, dan baja tuang cast steel. Baja Giling Dari cara pembuatan bahan feromagnet, baja ternyata merupakan struktur terpadu konglomerat antara ferit dengan sejumlah unsur lain yang terikat pada ferit selama proses peleburan. Karena baja giling dihasilkan dari penggilingan dingin, maka biji-biji feritnya tertarik melebar kearah tarikan. Pengolahan ini menyebabkan ketidakrataan sifat magnet dan mekanik bahan hantaran magnet dan menyebabkan lengkung rugi histeresis menjadi besar, sehingga rugi histeresis rangkaian magnet mesin secara keseluruhan cukup tinggi. Pengaruh buruk lain terhadap bahan hantaran magnet adalah akibat proses pengerjaan atau fabrikasi, seperti pemotongan lembaran, pelubangan atau perforasi alur, dan penyusunan ke dalam paket sistem magnet mesin. Untuk memulihkan sifat magnet bahan ke keadaan semula, yakni keadaan sebelum penggilingan dan pengerjaan dingin, maka bahan hantaran magnet harus dipanaskan ulang dengan memasukkannya ke dalam paket tungku hingga mencapai temperatur sekitar 800 o C, sehingga bangun butir-butir feritnya dapat kembali seperti semula. Pada suhu ini biji-biji ferit akan kembali membesar Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 32 dan menyebabkan bidang lengkung histeresis B = fH menyusut. Untuk menghindarkan oksidasi yang berlebihan selama proses pemanasan ulang, udara dalam ruang pemanasan harus diganti dengan gas netral. Dewasa ini, pada beragam bahan feromagnet sering kali diberi tambahan unsur silisium Si. Unsur ini memiliki dua kegunaan : 1. Mengubah unsur karbon yang terdapat dalam bahan magnet dari sementit ke grafit, sehingga menghasilkan bangun lengkung histeresis yang lebih kecil. 2. Meningkatkan tahanan aktif bahan magnet terhadap pengaliran arus listik untuk memperkecil rugi arus-pusar eddy current losses bahan, yang disebut juga Foucault. Peningkatan tahanan aktif bahan hampir sebanding dengan persentase silisium yang ditambahkan. Cara ini dapat digunakan untuk memperkecil rugi arus-pusar, khususnya terhadap medan magnet yang berubah-ubah medan bolak balik. Campuran silisium mendekati 2 akan memperbaiki sifat dapat ditembus arus-gaya-magnet permeabilitas bahan feromagnet terhadap medan magnet lemah dengan mencolok. Tetapi, dalam medan magnet sangat kuat, campuran ini memperlihatkan sifat dapat ditembus permeabilitas yang cenderung menurun. Penambahan silisium juga dapat memperpanjang usia kerja bahan magnet. Hal ini dapat diketahui dari pertumbuhan rugi besi yang relatif lambat terhadap peningkatan usia bahan. Peningkatan kadar silisium di atas 5 menampakkan pengurangan rugi besi bahan yang tidak ekonomis lagi. Campuran silisium yang lebih tinggi akan menjadikan bahan lebih rapuh. Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 33 Masuknya kotoran atau impuritas ke dalam campuran bahan feromagnet baja selama peleburan akan memperburuk sifat-sifat magnet bahan. Untuk memperoleh bahan feromagnet dewasa ini, telah dapat dihasilkan bahan dengan rugi-besi jenis di bawah 1 wattkg bahan, pada harga induksi 1 tesla dan getaran 50 hertz. Penurunan persentase silisium akan memperburuk sifat mekanik bahan, sehingga lebih sukar diolah difabrikasi; bahan menjadi lebih cepat patah dengan hanya beberapa lipatan ulang. Gambar 2.18 memperlihatkan lengkung B = f H dari bahan fero-magnet besi dan baja. Seperti tampak pada gambar, dayahantar arus-gaya-magnet besi µ lebih rendah dari pada baja. Hal ini terlihat dari letak lengkung permagnetan baja yang lebih mendekati sumbu induksi dibandingkan dengan lengkung permagnetan besi. Gambar 2.18 Lengkung B=fH bahan fero-magnet besi dan baja Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 34 Baja Campuran Untuk membuat hantaran magnet medan tetap permanen dibutuhkan baja campuran, yang bila sekali diberi kuat medan magnet yang tinggi akan menyimpan medan magnet sisa yang cukup besar. Permaloy-C yang merupakan campuran Ni 78,5, Fe18, Al 3, dan Mn 0,5 mempunyai permeabilitas awal µ min sebesar 6000. Permeabilitas maksimumnya µ maks sebesar 1 000 000. Harga induksi medan magnet sisa B = 0,45 tesla, dan tegangan magnet pemulih per meter H = 0,035 ABm. Gambar 2.19 memperlihatkan perilaku B = f H dari Permaloy-C dan baja silisium. Gambar 2.19 Lengkung B=fH Permaloy-C dan baja silisium. Baja Tempa Baja tempa forged steel umumnya digunakan untuk pembuatan hantaran magnet bergerak berputar mesin serempak berdaya besar dengan kecepatan poros tinggi, baik sebagai pembangkit atau penggerak. Bila diameter rotor relatif kecil dibandingkan panjangnya, dan jarak sangga bantalan pembangkit turbin-up turbo generator cukup besar, maka Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 35 induksi medan magnet kutub berputar berniali antara 1,5 – 2,0 T akan menyebabkan tegangan mekanik yang bekerja pada rotor sangat besar. Selain itu, harus diperhitungkan keseimbangan dinamik puntir massa yang berputar terhadap titik putarnya, dan reaksi pengimbang bahan rotor terhadap ayunan lentur karena tarikan medan gravitasi bumi terhadap massa berputar tersebut. Hal-hal diatas dimaksudkan untuk memperoleh bahan berkekuatan mekanik sangat tinggi. Baja Tuang Baja tuang dipakai untuk hantaran magnet bagian diam mesin arus searah, seperti gandar stator. Pada mesin arus bolak-balik, khususnya pada pembangkit turbin-up turbo generator, baja tuang juga dipakai sebaga bahan kepala belitan kumparan hantaran listrik berputar yang terletak pada kedua sisi poros, dan disebut gelang rotor. Akhir-akhir ini, gandar stator mesin arus searah lebih banyak dibuat dari baja tuang ketimbang besi, karena selain secara mekanik baja jauh lebih kuat, juga memiliki daya hantar magnet yang lebih baik dari besi tuang. Selain itu, daya hantar magnet baja sangat bervariasi dan perilakunya dapat diatur lewat teknologi pencampuran alloying unsur kimia lain selama proses pembuatan bahan hantaran magnet.

2.4 Rangkaian Magnet Mesin

Rangkaian magnet adalah kesatuan sejumlah perjalanan elemen arus gaya magnet atau tabung gaya ∆Φ tertutup yang membentuk berkas perjalanan arus Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 36 gaya magnet lintasan tertutup Φ=Σ∆Φ yang menghasilkan arus gaya medan magnet utama mesin arus searah. Medan magnet utama mesin arus searah adalah arus gaya magnet nyata atau efektif Φδ = Φ yang mengalir menyeberangi celah udara lewat penampang kutub dalam celah udara sepanjang lebar kutub τ pada saat mesin bekerja tak berbeban. Gambar 2.20 memperlihatkan skema sepasang kutub mesin arus searah kutub banyak. Pada gambar diperlihatkan jalannya elemen-elemen arus gaya magnet yang bergerak. Gerak elemen-elemen tabung adalah: dari salah satu inti kutub stator → celah udara dihadapan kutub yang sama → gigi dan alur → terpecah ke dalam dua cabang dalam gandar rotor → kembali ke gigi dan alur di hadapan kutub-kutub tetangga berdekatan → celah udara → memasuki inti-inti kutub tetangga dalam arah yang berlawanan → kembali ke gandar stator dari kedua sisi kutub gandar stator → inti kutub stator yang mula mula. Tiap elemen arus gaya magnet atau tabung tabung magnet ini memiliki lintasannya sendiri, masing masing menjalani penggal lintasan dari hantaran magnet mesin arus searah yang diperlihatkan dengan garis tebal, lihat Gambar 2.20. Gambar 2.20 Skema sepasang kutub mesin arus searah kutub banyak Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 37 Perjalanan arus-gaya magnet tersebut dapat diringkas sebagai berikut: inti kutub utara, celah udara, gigi dan alur rotor, gandar rotor, kembali menuju gigi dan alur rotor di hadapan kutub-kutub bertetangga, kembali menuju celah udara, inti kutub selatan, gandar stator dan menuju inti kutub utara. Panjang lintasan arus-gaya magnet ini yakni jumlah panjang penggal lintasan lihat Gambar 2.20, adalah : 1 Menelusuri alur rotor : l Ma = 2 12 l GS + l a + l i + l δ + ½ l GR [m] 2 Menelusuri gigi rotor : l Mg = 2 12 l GS + l g + l i + l δ + ½ l GR [m] Apabila rangkaian magnet mesin ini digantikan dengan rangkaian magnet sederhana, maka diperoleh keadaan seperti yang diperlihatkan Gambar 2.21. Gambar 2.21 Rangkaian magnet mesin arus searah Pada Gambar 2.21 ditampilkan lintasan arus-gaya magnet melalui hantaran magnet yang terbuat dari dua jenis medium, yaitu: 1 lintasan feromagnet 12 l GS + l i + ½ l GR Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 38 2 lintasan penghantar berpenyekat l a 3 lintasan celah udara l δ Gambar 2.21b dan 2.21c memperlihatkan rangkaian pengganti magnet mesin arus searah pada jalur-jalur arus-gaya magnet yang melalui gigi dan alur. Agar arus gaya magnet Φδ = Φ dapat mengalir dalam rangkaian magnet yang menggantikannya, maka rangkaian tersebut harus diberi tegangan magnet atau gaya gerak magnet. Tegangan magnet tanpa beban F adalah ampere-belitan atau kumparan dialiri arus tertentu yang mengikat rangkaian magnet untuk membatasi hambatan arus- gaya magnet yang ada dalam bahan hantaran magnet, sehingga dalam rangkaian dapat dialirkan arus-gaya-magnet atau fluks sebesar Φδ = Φ . Tegangan magnet sebesar itulah yang diperlukan untuk mempertahankan aliran arus-gaya-magnet. Pada elemen tabung gaya sangat kecil yang diperlihatkan pada Gambar 2.21 berlaku : ∆Φ = Rm F [Wb] dengan : ∆Φ = ruas-gaya-magnet dalam elemen penampang ∆S sepanjang lintasan tabung gaya F = tegangan magnet, gaya gerak magnet atau ampere-belitan yang diikatkan atau dililitkan terhadap rangkaian magnet. Rm = hambatan bahan magnet terhadap pengaliran arus-gaya-magnet dalam elemen tabung ditinjau, atau Rm = S dl ∆ ∫ . 1 m µ [ABWb] Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008 39 Dengan : µ m = sifat dapat ditembus arus-gaya-magnet bahan magnet permeabilitas dl = elemen lintasan pada sepanjang tabung-gaya ∆S = elemen penampang tabung gaya magnet. 1Rm = Λm = daya hantar bahan magnet tabung gaya yang ditinjau. Gambar 2.22 Lintasan arus gaya magnet Limit perbandingan differensial : S S ∆ ∆Φ → ∆ lim = B [T] Persamaan ini menyatakan harga induksi B atau arus-gaya-magnet per satuan luas penampang di sepanjang lintasan arus-gaya-magnet yang ditinjau lihat Gambar 2.22.

2.5 Tegangan Magnet