rugi-rugi listrik. Agar gesekan antar komutator-komutator dan sikat tidak mengakibatkan arusnya komutator. Maka sikat harus lebih lunak dari pada komutator.
II.3 Prinsip Kerja Motor Arus Searah
Sebuah konduktor yang dialiri arus mempunyai medan magnet disekelilingnya. Pada saat konduktor yang dialiri arus listrik yang ditempatkan pada
suatu medan magnet maka konduktor akan mengalami gaya mekanik, separti diperlihatkan pada gambar:
a b
c
Gambar 2.6 Pengaruh Penempatan Konduktor Berarus Dalam Medan Magnet
Pada gambar 2.6.a menggambarkan sebuah konduktor yang dialiri arus listrik menghasilkan medan magnet disekelilingnya. Arah medan magnet yang
dihasilkan oleh konduktor dapat diperoleh dengan menggunakan kaidah tangan kanan.
Kuat medan tergantung pada besarnya arus yang mengalir pada konduktor. Sedangkan gambar 2.6.b menunjukkan sebuah medan magnet yang diabaikan oleh
Universitas Sumatera Utara
kutub-kutub magnet utara dan selatan. Arah medan magnet adalah dari kutub utara menuju kutub selatan.
Pada saat konduktor dengan arah arus menjauhi pembaca ditempatkan didalam medan magnet seragam, maka medan gabungannya akan seperti yang
ditunjukkan pada gambar 2.6.c daerah di atas konduktor, medan yang ditimbulkan konduktor adalah dari kiri ke kanan, atau pada arah yang sama dengan medan utama.
Hasilnya adalah memperkuat medan atau menambah kerapatan fluksi di atas konduktor dan melemahkan medan atau mengurangi kerapatan fluksi di bawah
konduktor. Dalam keadaan ini, fluksi di daerah di atas konduktor yang kerapatannya
bertambah akan mengusahakan gaya ke bawah kepada konduktor, untuk mengurangi kerapatannya. Hal ini menyebabkan konduktor mengalami gaya berupa dorongan ke
arah bawah. Begitu juga halnya jika arah arus dalam konduktor dibalik. Kerapatan fluksi yang berada di bawah konduktor akan bertambah sedangkan kerapatan fluksi di
atas konduktor berkurang. Sehingga konduktor akan mendapatkan gaya tolak kea rah atas.
Konduktor yang mengalirkan arus dalam medan magnet cenderung bergerak tegak lurus terhadap medan.
Prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat dijelaskan dengan gambar berikut ini.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.7 Prinsip Perputaran Motor DC
Pada saat kumparan medan dihubungkan dengan sumber tegangan, mengalir arus medan pada kumparan medan karena rangkaian tertutup sehingga
menghasilkan fluksi magnet yang arahnya dari kutup utara menuju kutup selatan. Selanjutnya ketika kumparan jangkar dihubungkan kesumber tegangan, pada
kumparan jangkar mengalir arus jangkar . Arus yang mengalir pada konduktor- konduktor kumparan jangkar menimbulkan fluksi magnet yang melingkar. Fluksi
jangkar ini memotong fluksi dari kutub medan, sehingga menyebabkan perubahan kerapatan fluksi dari medan utama. Hal ini menyebabkan jangkar mengalami gaya
sehingga menimbulkan torsi. Gaya yang dihasilkan pada setiap konduktor dari sebuah jangkar, merupakan
akibat aksi gabungan medan utama dan medan disekeliling konduktor. Gaya yang dihasilkan berbanding lurus dengan besar fluksi medan utama dan kuat medan di
sekeliling konduktor. medan di sekeliling masing-masing konduktor jangkar tergantung pada besarnya arus jangkar yang mengalir pada konduktor tersebut. Arah
gaya ini dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8. Aturan Tangan Kiri Untuk Prinsip Kerja Motor dc.
Jika arus jangkar I tegak lurus dengan arah induksi magnetik B maka besar gaya yang dihasilkan oleh arus yang mengalir pada konduktor jangkar yang
ditempatkan dalam suatu medan magnet adalah : F = B . I . l newton...................................................................... 2.1
Dimana : F = Gaya lorenz Newton
I =
Arus yang mengalir pada konduktor jangkar Ampere B = Kerapatan fluksi Weberm
2
l = Panjang konduktor jangkar m
Sedangkan torsi yang dihasilkan motor dapat ditentukan dengan: T = F.r ........................................................................................ 2.2
Bila torsi yang dihasilkan motor lebih besar dari pada torsi beban maka motor akan berputar. Besarnya torsi beban dapat dituliskan dengan:
............................................................................. 2.3
Universitas Sumatera Utara
……………………………………………………….2.4 Dimana :
T = torsi N-m r = jari-jari rotor m
K = konstanta bergantung pada ukuran fisik motor = fluksi setiap kutub
= arus jangkar A P = jumlah kutub
z = jumlah konduktor a = cabang pararel
II..4 Reaksi Jangkar
Reaksi jangkar merupakan pengaruh medan magnet yang disebabkan oleh mengalirnya arus pada jangkar, di mana jangkar tersebut berada di dalam medan
magnet. Reaksi jangkar menyebabkan terjadinya 2 hal, yaitu : 1. Demagnetisasi atau penurunan kerapatan fluksi medan utama.
2. Magnetisasi silang. Apabila kumparan medan dialiri oleh arus tetapi kumparan jangkar tidak
dialiri oleh arus, maka dengan mengabaikan pengaruh celah udara, jalur fluksi ideal untuk kutub utama dari motor arus searah dua kutub, berasal dari kutub utara menuju
kutub selatan seperti pada gambar 2.9 berikut ini :
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9 Fluksi Yang Dihasilkan Oleh Kumparan Medan
Dari gambar 2.9 dapat dijelaskan bahwa : Fluksi didistribusikan simetris terhadap bidang netral magnetis.
Sikat ditempatkan bertepatan dengan bidang netral magnetis. Bidang netral magnetis didefinisikan sebagai bidang di dalam motor di mana
konduktor bergerak sejajar dengan garis gaya magnet sehingga gaya gerak listrik induksi konduktor pada bidang tersebut adalah nol. Seperti yang terlihat dari gambar
2.11 sikat selalu ditempatkan di sepanjang bidang netral magnetis. Oleh karena itu, bidang netral magnetis juga disebut sebagai sumbu komutasi karena pembalikan arah
arus jangkar berada pada bidang tersebut. Vektor OF
M
mewakili besar dan arah dari fluksi medan utama, di mana vektor ini tegak lurus terhadap bidang netral magnetis.
Sewaktu hanya konduktor jangkar saja yang dialiri oleh arus listrik sementara kumparan medan tidak dieksitasi, maka disekeliling konduktor jangkar timbul ggm
atau fluksi. Gambaran arah garis gaya magnet ditunjukkan pada gambar 2.10 berikut ini :
U S
O
M
Bidang Netral Magnetis
Sikat
F
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.10 Fluksi Yang Dihasilkan Oleh Kumparan Jangkar
Penentuan arah dari garis gaya magnet yang diakibatkan oleh arus jangkar ditentukan dengan aturan putaran sekrup cork-screw rule. Besar dan arah garis gaya
magnet tersebut diwakili oleh vektor OF
A
yang sejajar dengan bidang netral magnetis. Pada prakteknya, sewaktu mesin beroperasi maka konduktor jangkar dan
konduktor medan sama- sama dialiri oleh arus listrik, distribusi fluksi resultan diperoleh dari menggabungkan kedua fluksi tersebut. Oleh karena itu distribusi fluksi
medan utama yang melalui jangkar tidak lagi simetris tetapi sudah mengalami pembelokan saat mendekati konduktor yang dialiri arus tersebut. Hal tersebut
dikarenakan pengaruh fluksi jangkar yang dapat dilihat dari gambar 2.11 berikut ini
U S
β
Bidang netral magnetis lama
Bidang netral magnetis baru
ω
F
A
F
M
O
F
r
Gambar 2.11
Hasil Kombinasi Antara Fluksi Medan dan Fluksi Jangkar Fluksi yang dihasilkan oleh gaya gerak magnet ggm jangkar menentang
fluksi medan utama pada setengah bagian dari salah satu kutubnya dan memperkuat
U S
Bidang Netral Magnetis O
A
F
Universitas Sumatera Utara
fluksi medan utama pada setengah bagian yang lain. Hal ini jelas akan menyebabkan penurunan kerapatan fluksi pada setengah bagian dari salah satu kutubnya dan terjadi
kenaikan pada setengah bagian yang lain di kutub yang sama. Efek dari intensitas medan magnet atau lintasan fluksi pada jangkar yang memotong lintasan fluksi
medan utama ini disebut sebagai reaksi jangkar magnetisasi-silang cross- magnetization.
Magnetisasi-silang ini juga menyebabkan pergeseran bidang netral. Pada Gambar 2.11 terlihat bahwa vektor OFr merupakan resultan vektor OF
A
dan OF
M,
serta posisi bidang netral magnetis yang baru, di mana selalu tegak lurus terhadap vektor OFr. Bidang netral magnetis motor yang baru bergeser sejauh
β karena posisi bidang netral magnetis ini selalu tegak lurus terhadap vektor OF. Dengan pergeseran
bidang netral ini maka sikat juga akan bergeser sejauh pergeseran bidang netral magnetis. Hal ini dapat menimbulkan bunga api di segmen komutator dekat sikat.
Kebanyakan mesin listrik bekerja pada kerapatan fluksi yang dekat dengan titik jenuhnya, sehingga dapat menimbulkan kejenuhan magnetik. Pengaruh
kejenuhan magnetik terhadap fluksi medan utama dapat dijelaskan dengan bantuan gambar 2.12 sebagai berikut:
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.12 Kurva Pemagnetan Saat Terjadi Reaksi Jangkar
Misalkan fluks sebesar Ox adalah fluksi dihasilkan medan utama tanpa dipengaruh reaksi jangkar. Misalkan pula dengan adanya reaksi jangkar pertambahan-
pengurangan kuat medan magnet ggm yang terjadi pada kutub medan sebesar B ampere-lilitan. Pada lokasi di permukaan kutub di mana gaya gerak magnet ggm
rotor menambahkan ggm kutub terjadi penambahan kerapatan fluks sebesar xy. Sedangkan pada lokasi permukaan kutub di mana ggm rotor mengeliminir ggm kutub
terjadi penurunan kerapatan fluksi sebesar xz, di mana harga xz lebih besar dari pada xy. Oleh karena itu, penjumlahan rata-rata kerapatan fluks yang terjadi adalah
kerapatan fluks kutub yang semakin berkurang. Hal inilah yang disebut sebagai efek demagnetisasi reaksi jangkar dan perlu dicatat bahwa demagnetisasi timbul hanya
karena adanya saturasi magnetik. Untuk mengatasi reaksi jangkar ada tiga cara yang dapat dilakukan, yaitu :
O Φ
gg z
x y
B B
Universitas Sumatera Utara
II.4.1 Pergeseran Sikat
Brush Shifting
Ide dasarnya adalah dengan memindahkan sikat seirama dengan perpindahan bidang netral untuk menghindari percikan bunga api yang timbul. Namun dalam
penerapannya hal ini cukup sulit karena jarak perpindahan bidang netralnya sangat ditentukan oleh besarnya beban yang dipikul, maka jarak perpindahan bidang
netralnya pun berpindah, sehingga sikat harus juga diubah setiap saat, seirama dengan perubahan jarak perpindahan bidang netral. Selain itu pergeseran sikat akan
memperburuk melemahnya fluks akibat reaksi jangkar mesin, selain dengan metode ini mesin arus searah tidak dimungkinkan untuk bekerja sebagai generator akan
menimbulkan percikan api yang lebih besar, dan sangat tidak ekonomis terutama untuk mesin-mesin berukuran kecil.
Adapun efek diperburuknya fluks akibat reaksi jangkar dapat dilihat pada Gambar 2.13 berikut ini. Pada gambar 2.13 a diperlihatkan kondisi ketika bidang
netral mesin bergeser lihat gambar segitiga ggm-nya, sedangkan pada gambar 2.13 b terlihat bidang netral yang bergeser disertai dengan bergesernya sikat mesin.
Akibat pergeseran tersebut lihat gambar segitiga ggm-nya, terlihat ggm resultannya melemah sedemikian rupa.
U S
Bidang Netral lama
Bidang Netral baru
Sikat Arah Rotasi
Motor
U S
Bidang Netral lama
Bidang Netral baru
Sikat Arah Rotasi
Motor
Universitas Sumatera Utara
Γ Γ
Γ
kutub resultan
rotor Γ
resultan
Γ
rotor
Γ
kutub
a b
Gambar 2.13 Pelemahan Ggm Akibat Pergeseran Bidang Netral
II.4.2 Penambahan kutub bantu
interpole
Ide dasar penambahan kutub bantu interpole yaitu jika tegangan pada kawat- kawat yang sedang melakukan proses komutasi penyearahan dibuat nol, maka tidak
akan terdapat percikan bunga api pada sikat-sikat mesin tersebut. Untuk itu, kutub- kutub kecil yang disebut kutub komutasi ditempatkan ditengah-tengah diantara
kutub-kutub utama. Interpole ini dihubungkan seri terhadap kumparan rotor. Sehingga dengan adanya fluks dari interpole ini akan dapat mencegahmengurangi
adanya tegangan yang muncul pada kawat-kawat yang sedang melakukan proses komutasi.
Ketika beban yang dipikul mesin meningkat dan arus rotor pun meningkat, besarnya perubahan pergeseran bidang netral meningkat pula. Hal tersebut akan
menyebabkan timbulnya tegangan pada konduktor-konduktor yang sedang melakukan komutasi. Pada saat itu fluks interpole juga meningkat, menghasilkan
tegangan pada konduktor-konduktor tersebut dan berlawanan dengan tegangan yang timbul akibat pergeseran bidang netral.
Universitas Sumatera Utara
Jangkar
U S
-
+
I
A
I
A
V
T
Gambar 2.14 Motor DC yang Dilengkapi Dengan Kutub Bantu
II.4.3 Belitan Kompensasi
Compensating Windings
Belitan kompensasi ini dihubungkan seri terhadap kumparan, rotor belitan ini bertujuan untuk mengurangi penyimpangan yang timbul akibat reaksi jangkar. Fluks
yang ditimbulkan oleh reaksi jangkar diimbangi oleh fluks yang ditimbulkan oleh belitan kompensasi yang besarnya sama dan berlawanan. Ketika beban berubah,
maka reaksi jangkar yang berubah akan selalu diimbangi oleh fluks belitan kompensasi, sehingga bidang netralnya tidak bergeser.
Teknik ini memiliki kelemahan karena mahal harganya, dan juga masih memerlukan interpole untuk mengatasi tegangan yang tidak dapat diatasi oleh belitan
kompensasi. Karenanya teknik ini digunakan untuk motor-motor yang bekerja ekstra berat, dimana pelemahan fluks akan menjadi masalah yang serius.
II.5 GGL Lawan Pada Motor Arus Searah