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
