7 1.
Hanya menganalisa motor listrik arus searah mewakili motor listrik secara umum.
2. Pembahasan Ferrofluid hanya secara umum dan konsentrasi penulisan
pada aplikasinya untuk meningkatkan effisiensi motor listrik. 3.
Tidak menguraikan penurunan rumus untuk membuktikan judul diatas tetapi akan lebih menggunakan rumusan empiris dari literature jika ada.
1.4 SISTEMATIKA PENULISAN
Penulisan tugas akhir ini disusun secara sistematis sebagai berikut :
BAB I PENDAHULUAN
Bagian ini berisi mengenai latar belakang masalah, tujuan penulisan, pembatasan masalah, metodologi penelitian dan sistematika penulisan
BAB II MESIN ARUS SEARAH
Bagian ini menjabarkan tentang konstruksi, prinsip kerja, karakteristik dari motor arus searah. Dalam bab ini juga akan dijabarkan dengan jelas tentang
sistem magnet dari suatu mesin arus searah.
BAB III FERROFLUID
Bagian ini berisi tentang uraian tentang ferrofluid meliputi karakteristik magnetis dan mekanis, aplikasi dan aspek aspek yang berhubungan dengan
penggunaannya dalam meningkatkan effisiensi motor listrik.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
8
BAB IV
PENGGUNAAN FERROFLUID UNTUK MENINGKATKAN EFISIENSI MOTOR ARUS SEARAH
Bagian ini berisi tentang uraian dan penjabaran penggunaan ferrofluid dalam meningkatkan effisiensi motor arus searah yang meliputi konsep dasar,
pertimbangan rugi rugi akibat cairan ferrofluid dan analisanya yang menjabarkan dengan jelas bagaimana ferrofluid dapat meningkatkan
effisiensi motor listrik.
BAB V KESIMPULAN
Bagian ini berisi tentang kesimpulan dari studi yang telah dilakukan.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
9
BAB II MOTOR ARUS SEARAH
2.1 Prinsip Kerja 2.1.1 Pengantar
Motor arus searah adalah suatu mesin yang berfungsi mengubah energi listrik arus searah menjadi energi mekanis berupa putaran dari pada rotor.
Antara motor arus dan generator arus searah tidak ada perbedaan konstruksi. Pada prinsipnya motor arus searah “dapat dipakai” sebagai generator
arus searah sebaliknya generator arus searah “dapat dipakai” sebagai motor arus searah. Dengan ketentuan bahwa generator arus searah yang dimaksudkan disini
bukanlah generator arus searah dengan penyearah silicondioda, tetapi dengan penyearah mekanis komutator. Generator arus searah yang berdasarkan prinsip
generator arus searah yang dilengkapi penyearah silicondioda tidak dapat dioperasikan sebagai motor arus searah.
Berdasarkan hasil percobaan Oerstedt yang mengatakan bahwa jarum kompas akan menyimpang apabila berada di dekat kawat yang berarus. Jarum
kompas akan menyimpang bila disekitarnya terdapat medan magnet. Dari percobaan ini dapat disimpulkan bahwa disekitar kawat berarus listrik terdapat
medan-medan magnet. Bilamana arus listrik yang mengalir dalam kawat arahnya menjauhi kita
maju, maka medan-medan yang terbentuk disekitar kawat arahnya searah dengan putaran jarum jam. Sebaliknya bilamana arus listrik mengalir mengalir
dalam kawat arahnya mendekati kita mundur maka medan-medan magnet yang
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
10 terbentuk disekitar kawat arahnya berlawanan dengan arah putaran jarum jam.
Percobaan Maxwell. Prinsip dasar dari Motor arus searah adalah : Jika sebuah kawat berarus
diletakkan antara kutub magnet U-S, maka pada kawat itu akan bekerja suatu gaya yang menggerakkan kawat tersebut.
Arah gerak kawat itu dapat ditentukan dengan “Kaidah Tangan Kiri” yang berbunyi sebagai berikut : “Apabila tangan kiri terbuka diletakkan diantara kutub
U dan S, sehingga garis-garis gaya yang keluar dari kutub Utara menembus telapak tangan kiri dan arus didalam kawat mengalir searah dengan arah keempat
jari, maka kawat itu akan mendapat gaya yang arahnya sesuai dengan arah ibu jari. Perhatikan Gambar 2.1
Gambar 2.1 Kaidah tangan kiri
Gambar 2.2 Perubahan garis gaya disekitar kawat berarus
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
11 Besarnya gaya tersebut adalah:
F=BIL 1.10 -1 [dyne]
Dimana : B : kepadatan fluks magnet dalam satuan gauss
L : panjang penghantar dalam satuan cm I : Arus listrik yang mengalir Ampere
Dalam satuan mks, F=BIl Newton Dimana :
B: Kepadatan fluks magnet dalam satuan weber l : dalam satuan meter
I : dalam satuan ampere Jika sebatang kawat terdapat diantara kutub U-S dengan garis garis gaya yang
homogen, sedangkan didalam kawat ini mengalir arus listrik yang arahnya menjauhi kita s, maka disebelah kanan kawat garis gaya kutub magnet dan garis
gaya arus listrik sama arahnya dan disebelah kiri kawat arahnya berlawanan, sehingga bentuk medan magnet akan berubah seperti Gambar 2.2.
Gambar 2.3 Belitan berarus terletak dalam medan magnet
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
12 Jika sebuah belitan terletak dalam medan magnet yang homogen, maka
karena kedua sisi belitan itu mempunyai arus yang arahnya berlawanan, sehingga arah gerakan seperti ditunjukkan pada gambar 2.4
Gambar 2.4 Arah putaran pada kumparan berarus yang terletak dalam medan magnet
Gambar 2.5 Torsi resultan ditimbulkan oleh gaya-gaya pada masing-masing sisi kumparan
Rotor motor arus searah tidak hanya satu tetapi terdiri dari kumparan dan komutator yang banyak untuk mendapatkan torsi yang terus menerus Lihat
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
13 gambar 2.5. Pada mesin berkutub 4 terbangkitnya torsi digambarkan pada
gambar 2.6.
Gambar 2.6 Torsi resultan pada mesin berkutub 4
2.1.2 Torsi
Yang dimaksud dengan torsi adalah putaran atau pemuntiran dari suatu gaya terhadap suatu poros. Ini diukur dengan hasil kali gaya itu dengan jari-jari
lingkaran dimana gaya tersebut bekerja. Perhatikan Gambar 2.7
Gambar 2.7 Pulley dengan jari-jari r diberikan gaya F Pada suatu pulley dengan jari-jari r meter bekerja suatu gaya F Newton yang
menyebabkan pulley berputar dengan kecepatan n putaran per detik.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
14 Torsi T=Fxr Newton meter N-m
Usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut pada satu putaran = gaya x jarak
= F x 2 π r Joule
Daya yang dibangkitkan : = F x 2
π r x n jouledetik = Fxrx
π r jouledetik Jika 2
πn adalah kecepatan sudut ω dalam raddetik. F x r = torsi T.
Jadi daya yang dibangkitkan = T x ω jouledetik
= T x ω watt.
2.1.3 Torsi Jangkar
Misalkan Ta adalah torsi yang dibangkitkan oleh jangkar motor yang berputar dengan kecepatan n putaran per detik. Jika Ta dalam satuan N-m, maka
daya yang dibangkitkan : Ta x 2 π n watt
Jika telah diketahui bahwa daya listrik yang diubah menjadi daya mekanis pada jangkar adalah : Ea.Ia watt
Dari persamaan diatas didapat bahwa Ta x 2
π n = Ea.Ia
Oleh karena Ea= a
P n Z
φ Volt, maka
Ta x 2 π n =
a P
n Z φ.Ia atau
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
15 Ta= 12
π a
P n Z
φ.Ia Nm
Ta = 0,159 a
P n Z
φ.Ia Nm
Ta = 0,10162 a
P n Z
φ.Ia kg m
Dari persamaan diatas didapatkan bahwa Ta ≈ φ Ia
a. Untuk motor seri, φ sebanding dengan Ia sebelum jenuh, jadi Ta ≈ Ia
2
b. Untuk motor shunt, φ konstan sehingga Ta ≈ Ia
Juga terlihat bahwa : Ta = 12
π n
Ia Ea.
Nm = 0159 n
Ia Ea.
Nm
= 0,0162 n
Ia Ea.
kg m
2.1.4 Torsi Poros
Keseluruhan torsi jangkar tersebut tidak semua berubah menjadi usaha berguna, sebab terdapat rugi-rugi besi dan rugi-rugi gesek pada motor. Torsi yang
berubah menjadi usaha berguna disebut Torsi poros Tsh. HP dari motor diperoleh dengan menggunakan torsi poros yang disebut brake horse power
BHP, sebab HP tersebut diperoleh pada pengereman. BHP =
5 ,
735 .
2 .
n Tsh
π maka
Tsh = n
BHP π
2 .
5 ,
73
Selisih Ta – Tsh disebut torsi rugi-rugi Jadi torsi rugi = 0,159 x
n gesek
dan besi
rugi rugi
− [Nm]
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
16 =
0,0162 x
n gesek
dan besi
rugi rugi
− [Nm]
2.1.5 GGL-Lawan E
Misal tahanan dari sebuah jangkar motor arus searah 10HP 110 V adalah 0,05 ohm. Apabila jangkar ini dihubungkan dengan sumber 110 V, maka menurut
hokum ohm arus jangkar Ia = 110V0,05Ohm = 2200 A Apabila jangkar tersebut berputar dalam medan magnetnya, arus jangkar Ia tidak
bias dihitung berdasarkan hokum ohm seperti diatas. Dalam hal ini jangkar dari motor arus searah sama halnya dengan jangkar dari suatu generator, sehingga
terjadi GGL lawan.
Gambar 2.8 Proses timbulnya GGL lawan Proses terjadinya GGL lawan adalah lihat Gambar 2.8:
1. Kumparan jangkar terletak diantara kutub-kutub magnet diberi sumber
arus-searah. 2.
Pada kumparan-kumparan jangkar timbul torsi, sehingga jangkar berputar arahnya sesuai dengan humum tangan kiri.
3. Dalam hal ini jangkar berputar dalam medan magnet sehingga timbul GGL
arah GGL induksi tersebut sesuai dengan hukum tangan kanan.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
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
Arus-gaya-magnet yang mengalir dalam rangkaian magnet mesin pada hakikatnya adalah berkas elemen tabung arus-gaya
∆Φ berpenampang ∆S, yang jumlahnya sedemikian besar, sehingga dalam system magnet mesin dihasilkan
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
40 arus-gaya-magnet tanpa beban sebesar
Φ
δ
= Φ
0,
dengan Φ
δ
menyatakan arus-gaya- magnet yang menerobos celah udara mesin antara bagian diam stator dan bagian
bergerak rotor Setiap tabung gaya memiliki arus-gaya
∆Φ dan induksi B, yang harganya dapat berdeda-beda sesuai dengan permeabilitas
µ
m
atau dayahantar Λ
m
arus-gaya–magnet, meskipun tegangan magnet F atau kuat medan magnet H yang menggerakkan setiap tabung gaya besarnya sama dan tetap.
Secara matematika dapat dinyatakan : Φ
=
∑
∆
n 1
Φ [Wb]
Dengan n menyatakan jumlah elemen tabung magnet yang terdapat dalam penampang yang menembus celah udara dihadapan sepatu kutub antara bagian
diam dan bagian bergerak rotor. Angka n sangat besar. Semakin besar n, semakin telitilah hasil perhitungan
Φ
0.
Untuk menentukan besarnya tegangan magnet yang diperlukan untuk mengalirkan arus-gaya-magnet
Φ
0,
pertama-tama harus ditentukan lebih dahulu tegangan yang diperlukan untuk melewatkan arus-gaya-magnet menjalani penggal
lintasan tabung gaya, seperti : 1
Medium bukan-magnet : celah udaral
s
, alur rotor l
a
. 2
Medium magnet atau bahan feromagnet: gigi rotor l
g
, dan gadar stator l
GS
, inti kutub l
i
, dan gandar rotor l
GS
. Dalam rangkaian listrik berlaku Hukum Ohm yang menyatakan tegangan
atau ggl listrik yang diperlukan untuk mengalirkan arus dalam sebuah rangkaian tertutup adalah sama dengan jumlah jatuh tegangan yang terdapat dalam elemen-
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
41 elemen yang menyusun rangkaian tersebut, sementara Hukum Ohm untuk arus-
gaya-magnet disebut Hukum Hopkinson yang menyatakan tegangan atau ggm magnet yang dibutuhkan untuk mengalirkan arus-gaya-magnet menelusuri
rangkaian atau huntaian hantaran magnet tertutup adalah sama dengan jumlah jatuh tegangan magnet yang terdapat dalam rangkaian magnet tertutup, tepatnya
dalam setiap penggal lintasan magnet yang menyusun rangkaian magnet tertutup mesin arus searah dibicarakan.
Dari persamaan arus gaya tabung diperoleh : F =
∆Φ R
m
[AB] Hambatan Magnet
R
m
= S
l
m
∆ µ
[ABWb] Dengan
L = penunjang lintasan arus-gaya-magnet dalam rangkaian magnet yang dibicaranakan m.
µ
m
= sifat dapat ditembus arus-gaya-magnet dari bahan magnet yang digunakan
∆S = elemen luas penampang tabung gaya bahan yang dibahas m
2
. Sehingga, dapat ditulis :
F = ∆Φ
S l
m
∆ µ
[AB]
Bila diterapkan pada setiap penggal lintasan bahan magnet yang dijalani elemen tagung gaya, lihat Gambar 2.20 dan 2.21, maka tegangan megnet tanpa
beban dalam tabung gaya tertutup adalah : 1 menelusuri alur :
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
42 F
0a
= 2 ∆Φ
[
a b
GS
S l
∆ µ
2 1
+
a b
a
S l
∆
µ +
b b
i
S l
∆
µ +
u
S l
∆
µ
δ
+
b b
GR
S l
∆ µ
2 1
]
[AB]
2 menelusuri gigi : F
0g
= 2 ∆Φ
[
b b
GS
S l
∆ µ
2 1
+
b b
g
S l
∆ µ
+
b b
i
S l
∆
µ +
u
S l
∆
µ
δ
+
b b
GR
S l
∆ µ
2 1
]
[AB]
Dengan µ
b
= permeabilitas ferromagnet µ
= permeabilitas udara µ
a
= permeabilitas penghantar berpenyekat µ
a =
µ ∆S
b
= penampang tabung gaya dalam besi m
2
. ∆S
a
= penampang tabung gaya dalam alurm
2
. ∆S
u
= penampang tabung gaya dalam udara m
2
. F
0a
dan F
0b
menyatakan jumlah tegangan magnet yang diperlukan untuk mengalirkan arus gaya magnet sebarang tabung gaya menelusuri lintasan tertutup
melalui alur atau gigi mesin arus searah. Jadi, tegangan magnet yang diperlukan untuk mengalirkan arus gaya
magnet pada seluruh penampang rangkaian magnet tertutup mesin arus searah yang terdiri atas n buah tabung gaya adalah :
F = n2
∆Φ n
1
[
a b
GS
S l
∆
µ
2
+
a
n n
a a
S l
∆
µ +
g
n n
b b
g
S l
∆ µ
+
b b
i
S l
∆
µ +
S l
∆
µ
δ
+
GR b
GR
S l
∆ µ
2
2 1
]
[AB]
Atau,
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
43 F
= n2 Φ
[
GS b
GS
S l
µ
2
+
a a
S l
µ +
g b
g
S l
µ +
i b
i
S l
µ +
S l
µ
δ
+
GR b
GR
S l
µ
2
]
[AB]
dengan S
GS
= irisan arus-gaya-magnet dalam gander stator m
2
S
GR
= irisan arus-gaya-magnet dalam gander rotot m
2
S
a
= irisan arus-gaya-magnet dalam seluruh alur m
2
S
g
= irisan arus-gaya-magnet dalam seluruh gigi m
2
S
i
= irisan arus-gaya-magnet dalam inti kutub m
2
Atau, F
= 2
12
F
GS
+ F
ag
+ F
i
+ F
δ
+
12
F
GR
[AB]
2.5.1 Tegangan Magnet Celah Udara
Udara merupakan hambatan utama dalam pengaliran arus-gaya-magnet mesin listrik. Hambatan pada medium ini besarnya hamper dua pertiga dari
seluruh hambatan terhadap pengaliran arus-gaya-magnet yang terdapat dalam lintasan magnet tertutup dalam mesin. Berarti, ketelitian perhitungan jatuh
tegangan magnet dalam medium akan menentukan ketelitian akhir pada perhitungan tegangan magnet secara keseluruhan.
Untuk menentukan tegangan magnet yang diperlukan dalam celah udara, peta perjalanan arus-gaya-magnet dalam celah udara harus digambar terlebih
dahulu, mulai dari hantaran magnet diam stator menuju hantaran magnet bergerak rotor dengan teliti. Gambar peta harus memperlihatkan perjalanan arus-
gaya-magnet dan bidang seragam magnet atau eksponensial yang selalu tegaklurus terhadap arah jalannya arus-gaya-magnet. Untuk melakukan
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
44 peninjauan harus dipahami pengertian satuan tabung magnet STM bangun
kubus. Selanjutnya, ruang celah udara antara bagian diam dan bagian bergerak di
sekitar sepatu kutub dibagi ke dalam beberapa kawasan peninjauan. Pada tahap ini, permukaan luar rotor dianggap rata dan halus, dalam arti belum diberi alur
untuk penempatan penghantar-penghantar berpenyekat. Panjang kutub dan gander rotor dalam arah poros dapat dipilih sedemikian besar, sehingga tabung-tabung
gaya magnet yang keluar dari sepatu kutub menuju hantaran magnet bergerak terletak dalam bidang datar yang selalu tegaklurus terhadap sumbu poros. Selain
itu, permeabilitas hantaran ferromagnet dianggap sedemikian besarnya, sehingga didalamnya sama sekali tidak terdapat hambatan terhadap pengaliran arus-gaya-
magnet. Jadi permukaan hantaran magnet diam sepatu kutub dan bergerak
permukaan rotor dapat dinyatakan sebagai bagian-bagian awal dan akhir bidang- bidang ekipotensial magnet. Tabung-tabung gaya magnet selalu bersikap tegak
lurus terhadap bidang ekipotensial magnet tersebut, baik ketika akan meninggalkan sepatu kutub utara ataupun saat mencapai permukaan rotor.
Bila melukiskan jalannya arus-gaya-magnet dan bidang ekipotensial, harus selalu diupayakan menampilkan STM dengan irisan bujursangkar elementer yang
berlaku bagi kawasan yang bersangkutan dengan ukuran tabung : panjang δ
x
, lebar b
x
dan kedalaman 1 yang dipilih sedemikian rupa, sehingga bangun sisi- sisinya dapat tergambar dengan sebaik mungkin. Pada gambar 2.23 dapat dilihat
bahwa untuk kawasan I dapat dibuat bujursangkar dengan rusuk cukup besar. Selanjutnya dalam kawasan II bujursangkar yang ditampilkan haruslah lebih kecil,
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
45 pada kawasan III bujursangkar yang tampil semakin kecil dan akhirnya dalam
kawasan IV akan tampil bujursangkar dengan rusuk terkecil
Gambar 2.23 STM dengan irisan bujursangkar elementer Perlu diingat bahwa pembagian kawasan didepan sepatu kutub menjadi
empat bukanlah yang terbaik, karena dapat saja dibuat lebih banyak. Bila jumlah kawasan lebih sedikit, bangun bujursangkat elementer atau STM yang terbentuk
akan kurang sempurna, sehingga hasil perhitungannya kurang teliti karena pengisian kawasan oleh bujursangkat STM yang tidak benar benar sempurna.
Hambaran arus-gaya-magnet dalam sebuah STM adalah : R
m STM
=
x
b l
µ
δ
=
x x
b
µ δ
= 1
µ [ABWb]
Dengan panjang lintasan celah udara diambil l
δ
= δ
x
, lebar b
x
, dan kedalaman 1. Karena daya hantar magnet STM adalah kebalikan hambatannya, sehingga dapat
ditulis : Λ
m STM =
µ [WbAB]
Jadi, dapat dikatakan bahwa hambatan arus-gaya –magnet, atau sebaliknya dayahantar arus-gaya-magnet sebuah STM selalu besar dan tetap harganya. Jika
celah udara adalah rata dan tebal celah udara antara bagian diam dan bergerak
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
46 mesin selalu teap, maka arus-gaya-magnetnya akan selalu berjalan sejajar, karena
arus-gaya-magnet tersebut selalu berjalan tegaklurus terhadap permukaan- permukaan hantaran magnet yang juga bertindak sebagai bidang-bidang seragam
tegangan magnet atau ekipotensial. Karena nilai hambatan arus-gaya-magnet atau dayahantar tabung gaya
STM besarnya tetap, maka penempatan tegangan magnet sebesar F
δ
ke dalam STM akan menimbulkan aliran arus-gaya-magnet tabung sebesar :
∆Φ = Φ
STM
=
STM m
R F
δ
= µ
F
δ0
[Wb]
Atau, dinyatakan dengan dayahantar magnet: Φ
STM
= F
δ0
. Λ
STM
= µ
F
δ0
[Wb] Arus-gaya-magnet setiap tabung gaya di setiap bagian kawasan yang
ditinjau besarnya sama untuk mesin arus searah kutub rata dengan tebal celah udara sebesar satu STM.
Jadi, jumlah arus-gaya-magnet keseluruhan dalam rangkaian magnet tertutup mesin adalah :
Φ = n
∆Φ = nΦ
STM
= µ
F
δ0
[W] dengan n menyatakan jumlah tabung arus-gaya-magnet dari ukuran tabung gaya
yang ditinjau. Dari sini diperoleh bahwa nilai tegangan magnet atau gaya gerak magnet
ggm yang diperlukan untuk mengalirkan arus-gaya-magnet Φ
menerobos celah udara setebal satu STM pada mesin arus searah kutub rata adalah :
F
δ
=
2
µ
Φ
atau F
δ
= µ
B
[AB]
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
47 dengan B
menyatakan induksi tabung gaya menyeberangi celah udara. Pada gambar 2.23 terlihat bahwa hanya dalam daerah I medan magnet
celah udara yang memenuhi ketentuan mesin arus searah kutub rata yang STM- nya benar-benar mempunyai bangun bujursangkar sempurna berusukkan tebal
celah udara. Dalam daerah II, STM dengan ukuran daerah I akan memperlihatkan
bangun STM yang tidak bujursangkar lagi. Oleh Karena itu, untuk daerah ini harus dicari ukuran STM dengan rusuk
δ
x
dan b
x
yang baru, yang tentu saja lebih kecil dibandingkan dengan STM yang terdapat dalam daerah I sedemikian rupa,
sehingga daerah II ini didapat dipenuhi dengan baik oleh jumlah besar bujursangkar STM ukuran yang terakhir. Daerah III membutuhkan bujursangkar
STM yang yang lebih kecil lagi, sedangkan daerah IV memerlukan bujur sangkar STM terkecil. Bila ukuran STM telah sesuai untuk masing-masing kawasan dan
dikerjakan dengan sebaik-baiknya akan diperoleh lukisan jaringan laba-laba yang terdiri dari kotak-kotak disekitar sepatu kutub yang mengmabil bangun bujur
sangkar dari berbagai ukuran. Karena jaringan ini terbentuk dari berbagai bangun bujursangkar kuadratis, maka gambaran medan yang dihasilkan disebut lukisan
medan kuadratis LMK. Tegangan magnet mesin arus searah dengan celah udara yang tidak rata
dengan ketebalan δ
, kelipatan rusuk STM, besarnya : F
δrata-rata
= 2 µ
B
k
δ
δ [AB]
Dengan k
δ
= koefisien celah udara tidak rata, dan k
δ
1.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
48 δ
= tebal celah udara pada sepanjang sumbu kutub Dengan bantuan lukisan medan kuadratis bersama dan tegangan magnet F
dapat dibuat kurva yang memperlihatkan bentuk penyebaran induksi dalam celah udara pada sepanjang lebar kutub
τ mesin. Jika panjang dalam arah poros adalah 1, maka luas penampang tabung
arus-gaya-magnet adalah: S
STM
= b
x
. 1
[m
2
] Jadi, induksi dalam tabung arus-gaya-magnet adalah:
B
δx
=
STM STM
S Φ
=
1 .
x x
x
b b
F
µ δ
δ =
µ
x
F
δ
δ
Dari persamaan diatas terlihat bahwa induksi dalam celah pada tegangan magnet tertentu berbanding terbalik dengan panjang lintasan arus-gaya-magnet
tabung baya yang dilalui sepanjang celah udara. Berdasarkan persamaan tersebut, maka induksi dalam celah udara dapat
dilukiskan dalam bentuk lengkung fungsi B = f α Gambar 2.24.
Gambar 2.24 Lengkung B = f α induksi dalam celah udara
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
49
2.5.2 Tegangan Magnet Gigi dan Alur
Setelah melewati celah udara antara bagian diam dan bergerak, arus-gaya- magnet
φ memasuki bagian bergerak hantaran magnet rotor lewat gigi dan alur.
Pada nilai induksi yang rendah, B 1,8 T, dapat dikatakan hampir seluruh arus-
gaya-magnet φ
memasuki rotor hanya melalui gigi, yang memiliki hambatan rendah terhadap pengaliran arus-gaya-magnet. Selanjutnya, bila induksi dalam
celah udara melampaui batas harga yang disebutkan di atas, B 1,8 T, maka
kepadatan arus-gaya-magnet dalam gigi akan memperbesar hambatan terhadap pengaliran arus-gaya-magnet. Dengan demikian, hambatan dalam gigi menyamai
hambatan atas arus-gaya-magnet dalam alur sehingga, arus-gaya-magnet segera melimpahkan diri ke dalam alur yang berdampingan.
Untuk gigi yang telah jenuh, besar arus-gaya-magnet yang melewati lebar t
x
dan terdapat pada kedalaman x dari permukaan gigi, lihat Gambar 2.25, adalah: Φ
t
= Φ
gx
+ Φ
ax
[Wb]
Gambar 2.25 arus-gaya-magnet pada gigi yang telah jenuh Gambar 2.26 memperlihatkan hubungan B
gx
= fH diturunkan dari bahan hantaran magnet mesin B = fH yang dipilih. Selanjunya dapat pula diturunkan
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
50 hubungan kuat medan H sebagai fungsi kedalaman x, lihat Gambar 2.23, lewat
hubungan :
Gambar 2.26 hubungan B
gx
= fH Tegangan magnet yang dibutuhkan untuk mengalirkan arus-gaya-magnet
dalam lebar gelombang gigi dan alur adalah :
F
ga
= 2
∫
= =
g h
x x
x x
d H
.
[AB] Yang merupakan luas bagian terarsir Gambar 2.26
2.5.3 Tegangan Magnet Gandar Rotor
Gandar rotor merupakan bagian yang dimasuki arus-gaya-magnet. Penampang bagian gandar ini praktis tidak mengalami banyak perubahan mulai
dari pangkal gigi atau alur sumbu kutub yang ditinjau hingga pangkal gigi dan alur sumbu kutub berikutnya dalam jarak langkah
τ. Oleh karena itu, kuat medan magnet H pada sepanjang gandar adalah tetap. Dari lengkung B = fH bahan
baja yang dipilh, dengan harga induksi B
GR
diperoleh kuat medan H
GR
gandar rotor.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
51 Gambar 2.27 Lengkung B=fH Gandar rotor
Tegangan magnet yang dibutuhkan untuk mengalirkan arus-gaya-magnet melalui gandar rotor adalah :
F
GR
=
p h
h D
GR g
2 2
− −
π . H
GR
[AB] Arus-gaya-magnet yang mengalir melalui penggal ini adalah :
Φ
GS
= 2
Φ [Wb]
2.5.4 Tegangan Magnet Gandar Stator
Seperti halnya cara penentuan tegangan magnet dalam gandar rotor, maka untuk menentukan tegangan magnet dalam gandar stator juga harus menetapkan
terlebih dahulu nilai induksi yang diperlukan dan bahan hantaran magnet yang digunakan. Dengan cara demikian diperoleh harga H
GS
untuk induksi B
GS
yang mengalir dalam gandar stator, sebagaimana halnya gandar rotor. Tegangan
magnet yang diperlukan untuk mengalirkan arus gaya magnet melalui gandar stator besarnya :
F
GS
= p
h l
D
GS i
2 2
2 +
+ +
δ π
. H
GS
[AB] Arus-gaya-magnet yang mengalir lewat gandar stator adalah :
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
52 Φ
GS
= 2
Φ [Wb]
2.5.5 Tegangan Magnet Inti Kutub
Cara menentukan tegangan magnet dalam inti kutub mesin arus searah sama dengan penentuan tegangan manet pada penggal-penggal lintasan lainnya.
Namun dalam hal ini harus memperhatikan adanya medan bocor kutub Φ
σ
. Gambar 2.28 memperlihatkan irisan-irisan inti kutub mesin arus searah
yang sejajar bidang melalui sumbu kutub dan tegak lurus poros Gambar 2.28a, dan bidang melalui poros dan sebuah sumbu kutub Gambar 2.28b. Kumparan
penguatan dilukiskan dengan garis putus-putus terbagi rata dan menempel pada inti kutub dalam ketinggian l
p
terlihat tidak mengambil ruang sama sekali.
Gambar 2.28.a irisan-irisan inti kutub yang sejajar bidang melalui sumbu kutub dan
tegak lurus poros Gambar 2.28.b irisan-irisan inti
kutub yang sejajar bidang melalui poros dan sebuah sumbu kutub
Karena sebuah kutub dari setiap pasang, memerlukan gaya-gerak- magnet ggm sebesar :
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
53 F
p
= 2
F [AB]
Maka, beban garis-lurus linear kumparan penguatan mesin besarnya : A
p
=
p
l 1
. 2
F [Abm]
dan bernilai tetap sepanjang tinggi inti kutub. Selanjutnya, bila semua hantaran magnet bertindak sebagai bidang-bidang
ekipotensial terhadap medan magnet, karena permeabilitas bahan feromagnet diambil mendekati takberhingga, maka perjalanan tabung-tabung gaya magnet
bocor menggunakan STM sebagaimana dikemukakan sebelumnya dapat dilihat
pada Gambar 2.28.
Medan bocor sejajar bidang melalui sumbu kutub dan poros adalah :
Φ
σ1
= µ
. n
σ1
. F
[Wb] Sementara medan bocor sejajar bidang melalui sumbu kutub dan poros adalah :
Φ
σ1
= µ
. n
σ2
. F
[Wb] Dengan n
σ1
an n
σ2
menyatakan jumlah elemen STM yang keluar dari masing- masing sisi inti kutub, baik yang tegak lurus terhadap poros ataupun yng sejajar
poros. Jadi, arus-gaya-magnet medan bocor seluruhnya adalah :
Φ
σ
= Φ
σ1
+ Φ
σ2
[Wb] Bila arus-gaya-magnet guna efektif pada kerja tanpa beban adalah
Φ , maka
arus-gaya-magnet yang bergerak melalui inti kutub adalah :
Φ
i
= Φ
+ Φ
σ
[Wb] Atau dapat ditulis :
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
54
Φ
i
= k
σ
Φ
[Wb] Dengan k
σ
= Φ
+ Φ
σ
Φ menyatakan koefisien bocor inti kutub yang harganya
ditentukan oleh : a. bangun permukaan sepatu dan inti kutub, b kedudukan masing-masing kutub satu terhadap lainnya, dan c tata letak bahan pelengkap
bahan tambahan bangunan mesin listrik termasuk kumparan penguatan dan lain sebagainya yang letaknya berdekatan dengan inti kutub dan bersifat magnet.
Singkatnya, koefisien bocor inti kutub ini ditentukan oleh susunan geometri ruang disekitar inti dan sifat bahan yang mengitari inti tersebut, khususnya bahan yang
bersifat magnet. Bila diberikan penampang inti kutub S
i,
nilai induksi yang melalui penampang adalah :
B
i
=
i i
S Φ
[T] Nilai induksi ada inti biasanya diambil berkisar antara 1,5 hingga 1,75 tesla.
2.5.6 Tegangan Magnet Mesin
Tegangan magnet mesin adalah penjumlahan elemen-elemen jatuh tegangan yang diperlukan untuk pengaliran arus-gaya-magnet dalam setiap
penggal lintasan yang membentuk rangkaian magnet tertutup mesin arus searah. Selanjutnya, tegangan magnet mesin dihitung berdasarkan angka besaran normal
yang ditetapkan untuk mesin arus searah yang bersangkutan seperti tegangan kerja U
n
dan kecepatan berputar poros n
n
sehingga diperoleh harga arus-gaya- magnet tanpa beban mesin.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
55 Dengan memasukkan faktor pengali terhadap harga arus-gaya-magnet
beban ini, seperti : k = 0,25; 0,50; 0,7;, 1,00; dan 1,25, maka dapat ditemukan harga-harga tegangan magnet F bersesuaian mesin sebagai fungsi dari arus-
gaya-magnet Φ yang dinyatakan dengan hubungan besaran :
Φ = fF
Hubungan besaran pada Persaman diatas disebut lengkung pemagnetan rangkaian magnet LPRM mesin, merupakan perilaku atau karakteristik
rangkaian magnet mesin arus searah. Pada lengkung pemagnetan tersebut diperlihatkan pula harga-harga tegangan magnet yang berasal dari berbagai
penggal lintasan yang dijalani seperti gandar stator, gandar rotor, gigi, dan alur, inti, dan celah udara.
Gambar 2.28 memperlihatkan bentuk lengkung pemagnetan Φ = f F
yang dikemukakan di atas. Hingga harga arus-gaya-magnet kurang dari 50, bangun lengkung memperlihatkan sifat garis lurus karena harga induksi dalam
hantaran magnet fero masih belum memperlihatkan gejala kejenuhan, dan bagian terbesar tegangan magnet yang diperlukan hanya untuk mengatasi hambatan pada
penggal hantaran bukan-manet atau celah udara. Bila arus-gaya-magnet meningkat di atas 50, maka lengkung mulai menyimpang dari garis lurus serta
melengkung ke kanan.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
56 Gambar 2.29 Lengkung pemagnetan
Φ = f F Hal ini mengisyaratan mulai muncul kejenuhan dalam salah satu penggal
rangkaian magnet khususnya gigi-gigi, dan hantaran magnet fero kini mulai mengambil bagian yang semakin besar dari tegangan magnet mesin.
Pada nilai arus-gaya-magnet Φ
diperoleh perbandingan :
δ
F F
= ab
ac = k
µ
Persamaan diatas menyatakan koefisien kejenuhan rangkaian magnet mesin, yang memperlihatkan permintaan perbandingan tegangan magnet F
dalam rangkaian magnet tertutup yang terdiri dari sejumlah penggal magnet dengan tegangan
magnet F
δ
dalam celah udara, untuk mempertahankan arus-gaya-magnet yang diinginkan mengalir
Φ .
Koefisien kejenuhan ini dapat bernilai antara 1,1 – 1,4 dan munculnya kejenuhan dalam rangkaian magnet dapat mempengaruhi perilaku kerja mesin
arus searah.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
57
2.5.7 Sistem Magnet Mesin
Sistem magnet mesin adalah keseluruhan rangkaian arus-gaya-magnet tertutup berikut medium, sumber tegangan magnet, sumber daya penguatan,
kendali medan yang terdapat pada sebuah mesin arus searah. Pada mesin dengan sepasang kutub 2p = 2 terdapat dua berkas rangkaian arus-gaya-magnet tertutup.
Mesin arus searah dengan kutub banyak 2p 2 memiliki 2p buah berkas rangkaian arus-gaya-magnet tertutup. Keseluruhan berkas-berkas rangkaian
magnet tertutup dan medium yang dilalui berkas-berkas serta tegangan-tegangan magnet yang menggerakkannya, termasuk dalam system magnet mesin arus
searah.
2.6 Fungsi Sistem Magnet
1. Sistem magnet mesin berperan sebagai tempat pengaliran arus gaya magnet dengan keenganan atau reluktansi yang serendah-rendahnya atau tempat
pengaliran arus gaya magnet dengan daya tembus atau permeabilitas magnet yang setinggi-tingginya
2. Sistem magnet mesin merupakan tempat berlangsungnya kerjasama atau interaksi antara:
2.a tegangan atau ggm magnet aksi Fp berasal dari kumparan penguat-an 2.b tegangan atau ggm magnet reaksi Fa berasal dari kumparan jangkar
2.c tegangan atau ggm magnet pengimbang yang berasal dari kumparan kompensasi Fk dan atau kumparan kutub Bantu Fkb
3. System magnet mesin merupakan tempat bekerjanya gaya gerak mekanik ggmek:
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
58 3.a ggmek aksi asal hantaran listrik atau penghantar rotor jangkar
3.b ggmek reaksi yang dipindahkan medan magnet lewat celah udara menuju sepatu dan inti kutub hingga tiba di gander stator
4. Dalam system mekanik mesin, hantaran magnet rotor, bersama-sama dengan massa yang tergabung kedalam rotor lainnya, juga bertindak sebagai tempat
penampung atau reservoir tenaga gerak atau mekanik, baik yang berasal dari penggerak mula kerja pembangkit, maupun dari pengubahan atau konversi
langsung tenaga listrik kerja penggerak untuk diteruskan ke mesin beban.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
59
BAB III KEMAGNETAN DAN FERROFLUID
3.1 Kemagnetan
3.1.1 Kemagnetan atomis, paramagnet dan diamagnet
Ketika ada arus listrik mengalir maka medan magnet juga dibangkitkan. Dalam atom atom, orbit pergerakan dari elektron disekitar inti
dan proton didalam inti atom menghasilkan medan magnet. Bagaimanapun, karena kontribusi medan magnet induksi inti atom dua ribu kali lebih kecil
dari elektron , medan magnet ini biasanya diabaikan. Banyak atom atom memiliki besaran momen magnetik permanent dalam ukuran 10
-23
Am
2
. Total Momen magnetik dari sebuah atom, biasanya nol karena arah momen
atomis yang tidak beraturan lihat gambar 3.1a. Total momen magnetik dari sebuah atom dapat dirubah dengan menempatkan atom tersebut pada sebuah
medan magnet eksternal H. Pengaruh dari H biasanya dapat diekspresikan sebagai M=
χH, dimana M=Σ
i
m
i
adalah magnetisasi total momen dua kutub per volume unit, V adalah volume dari sistem, dan
χ adalah suseptibilitas, menjelaskan besarnya pengaruh terhadap medan magnetik eksternal. Secara
rinci, pengaruh dari medan magnet eksternal dapat dibagi dalam 2 bagian. Yang pertama medan eksternal menjelaskan torsi
τ=mxH pada momen atomis yang memaksa mereka untuk searah dengan H. Karena rotasi
Brownian berlawanan arah dengan jajaran, sudut jajaran tergantung pada kuat medan magnet dan suhu. Jajaran dari dua kutub dengan H memberikan
kontribusi positip pada χ, disebut dengan suseptibilitas paramagnetik. Yang
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
60 kedua medan eksternal menginduksikan perubahan pada pergerakan orbital
dari elektron, yang akan menghasilkan medan magnet yang berlawanan dengan medan eksternal. Hal ini memberikan pengaruh negatif pada
χ, disebut dengan suseptibilitas diamagnetik. Suseptibilitas diamagnetik tidak
dipengaruhi oleh suhu dan ada pada setiap atom, tidak termasuk bila ada momen magnetik permanen.
Tergantung daripada suseptibilitas total, material diklasifikasikan sebagai paramagnet
χ 0, dan besarnya antara 10
-5
sampai 10
-3
atau diamagnet χ0 besarnya -10
-5
.
3.1.2 Ferromagnet, antiferromagnet dan ferrimagnet
Dalam bagian sebelumnya, matrial magnetic digambarkan sebagai suatu system yang terdiri dari atom atom dengan dua kutup tanpa interaksi.
Pada sebagian matrial interaksi yang kuat antara dipol dipol mekanika qantum dasar menyebabkan korelasi orientasi yang luas dari dipol atomis
permanent. Pada logam besi sebagai contoh, interaksi dipolar membantu penjajaran dari dipol-dipol gambar 3.1, oleh karena itu material ini
memiliki magnetisasi murni meskipun tidak ada medan eksternal. Material dengan susunan seperti ini disebut dengan ferromagnet dan dikategorikan
dengan suseptibilitas tinggi, biasanya antara 10
-2
sampai 10
6
yang kurang lebihnya tergantung pada kuat medan. Diatas apa yang disebut temperature
Curie , yang mana untuk material tertentu, susunan dipolar didalam
ferromagnet menjadi hilang dan material menjadi paramagnet.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
61 Gambar 3.1 Arah dipol pada 4 tipe material magner : a. Paramagnet
b. Ferromagnet c. Antiferromagnet d. Ferrimagnet Interaksi dipolar tidak selamanya akan menghasilkan magnetisasi
murni. Pada beberapa material yang disebut dengan antiferromagnet, dipol- dipol berdekatan akan berjajar tidak paralel gambar 3.1c. Konsekwensinya
material tersebut tidak memiliki magnetisasi murni ketika tidak ada medan eksternal dan memiliki suseptibilitas yang rendah, biasanya antara 0 sampai
10
-2
. Pada temperature Neel, akan terjadi transisi dari antiferromagnet menjadi paramagnet.
Ferrimagnet membentuk bagian ketiga dari material magnetic dalam susunan dipol-dipol. Dalam skala mikroskop, ferrimagnet kelihatan sama
dengan antiferromagnet, dengan susunan dipol-dipol tetangga yang anti parallel. Bagaimanapun karena jumlah atau besar dari dipol-dipol yang
tertumpu pada satu arah berbeda dengan dengan yang tertumpu pada arah yang berlawanan, ferrimagnet memiliki magnetisasi pada medan nol.
Gambar 3.1d. Oleh karena itu ferrimagnet membentuk ferromagnet pada skala mikroskop. Bahan ferrimagnet yang banyak dikenal adalah magnetit
Fe
3
O
4
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
62 3.1.3 Domain Magnet
Susunan Dipol yang dijabarkan pada bagian sebelumnya adalah dalam daerah yang luas, tetapi biasanya tidak diperluas pada seluruh volume
dari materi uji. Materi uji dibagi bagi menjadi beberapa daerah dimana seluruh dipol membentuk susunan yang panjang sesuai dengan arah tertentu
Gambar 3.2. Arah ini berubah dari daerah yang satu ke daerah yang lain, hal ini akan mengakibatkan adanya kemungkinan bahwa material magnetik
terbesar secara keseluruhan akan menjadi tidak dimagnetisasi, meskipun dalam skala domain mereka dimagnetisasi.
Gambar 3.2 Pada seluruh bahan ferromagnet, arah dipol terbagi atas beberapa daerah
Dalam medan magnet eksternal, arah magnetisasi dari daerah daerah dipaksa untuk searah dengan medan eksternal atau daerah daerah yang
sesuai akan membesar dengan mengorbankan daerah daerah yang tidak sesuai. Kedua mekanisme ini akan meningkatkan nilai magnetisasi dari
keseluruhan material. Dalam kekuatan medan magnet tertentu, seluruh dipol akan sejajar dengan medan dan system telah mencapai titik magnetisasi
jenuh.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
63 Setelah medan ini dihilangkan, magnetisasi cenderung menurun
menuju kondisi semula dengan arah domain tidak beraturan. Bagaimanapun juga, untuk mencapai kondisi seimbang, system mungkin harus melewati
kondisi yang tidak diinginkan yang menjaganya untuk mencapai keseimbangan nyata. Materi yang mencegah relaksasi menuju kondisi tidak
dimagnetisasi disebut dengan magnet keras hard magnetic berlawanan dengan magnet lembut soft magnetic dimana demagnetisasi berlangsung
dengan cepat setelah medan eksternal dihilangkan atau ketika diberikan medan magnet berlawanan yang kecil.
3.2 Ferrofluid 3.2.1 Pengantar
3.2.1.1 Fluida Magnet Fluida yang dapat dikendalikan dengan efektif oleh medan magnet
dengan kuat medan tertentu merupakan suatu tantangan bagi para ilmuwan yang tertarik pada dasar dasar mekanika fluida. Untuk penelitian dasar
pengenalan akan gaya terkendali dalam persamaan dasar hidrodinamik akan membuka wawasan akan hal baru.
Gaya yang dapat divariasikan dalam lingkup luas baik dalam kekuatan dan arah berhubungan dengan aliran biasanya hanya dapat
diaplikasikan secara teori saja. Untuk gaya yang ditunjukkan oleh gradien medan magnet situasinya berubah karena medan magnet dapat divariasikan
dengan baik dalam besar dan arah menggunakan tipe kumparan yang berbeda, sepatu kutup dan magnet permanen. Jika pengaruh magnetik akibat
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
64 dari medan magnet menjadi cukup kuat untuk melawan gaya gravitasi maka
ditemukanlah suatu kelas phenomena hidrodinamik. Perancangan penggunaan fluida sebagai komponen aktif dan pasif
memperbesar peluang baru jika fluida dapat digerakkan atau dipindahkan oleh sebuah gaya yang dapat saja dihasilkan oleh aliran arus listrik dalam
kumparan yang terkendali secara elektronik. Jika gaya yang dibutuhkan dapat dihasilkan oleh medan yang tidak terlalu besar dan juga dapat
dibangkitkan dengan usaha teknis yang relatif kecil maka ide perancangan menggunakan parameter kontrol tambahan akan dapat direalisasikan.
Karena dalam kenyataan tidak ada fluida alami seperti ini, titik awal dari penelitian dalam bidang fluida magnet dapat ditemukan dalam teory
mesin pentransfer panas yang dikendalikan secara magnetik Resler and Rosensweig, 1964. Karena ide awal tersebut telah menunjukkan bahwa
materi fluida dengan kontrol magnet akan dapat memungkinkan perkembangan lebih lanjut dalam berbagai bidan, maka sejak itu usaha
usaha yang gigih telah dilakukan untuk mensintesa untuk menghasilkan fluida diatas. Setelah hasil sistesis pertama stabil pada awal tahun 1960,
perkembangan suspensi yang disebut dengan ferrofluid membuktikan potensi tinggi untuk suatu penelitian baru. Beberapa ratus publikasi ilmuwan
setiap tahun dan ribuan document yang dipatenkan menguatkan penelitian ferrofluid termasuk dalam hubungan dekat dengan teknologi terapan.
Kerumitan sistem dan kesulitan kimia membutuhkan pengetahuan tinggi dalam kimia dan fisika kolloid untuk dapat mensintesa cairan
perbaikan yang baru dan untuk memodifikasi sifat dasar dari suspensi.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
65 Secara umum penelitian ferrofluid membutuhkan karakter tinggi antar
disiplin ilmu, mulai dari ahli kimia, ahli fisika pelaku eksperimen, insinyur, ahli fisika teori, ahli matematika terapan dan medis.
3.2.1.2 Struktur Ferrofluid Ferrofluid adalah fluida magnetik yang disintesa sebagai suspensi
kolloid stabil dari partikel-partikel termagnetisasi permanen, termasuk magnetite Fe3O4, tipikalnya dalam ukuran diameter 10nm. Gerak
Brownian mencegah partikel kecil ini dari pengaruh gravitasi. Surfactant ditempatkan sekitar setiap partikel untuk menyediakan tolakan pada jarak
dekat antara partikel-partikel Gambar 3.3
Gambar 3.3 Sketsa Skematik dari partikel ferrofluid tanpa skala Ferrofluid dari bahasa Latin ferrum, artinya besi adalah sebuah
cairan yang akan menjadi terpolarisasi dengan kuat ketika ditempatkan dalam sebuah medan magnet. Ferrofluid tersusun dari partikel partikel
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
66 ferromagnetik berukuran nano yang dilarutkan dalam suatu fluida pembawa.
Partikel-partikel nano ferromagnetic dilapisi oleh sebuah surfactant untuk mencegah penggumpalan. Gaya Magnet dan Van der Waals. Meskipun
nama ferrofluid mengisyaratkan makna yang sebaliknya, ferrofluid tidak menunjukkan sifat ferromagnetik, karena ferrofluid tidak menahan
magnetisasi ketika tidak ada diberikan medan eksternal. Sebenarnya, Ferrofluid menunjukan sifat paramagnetik dan sering disebut sebagai
“superparamagnet” disebabkan oleh besarnya suseptibilitas magnetiknya. Ferrofluid terdiri dari partikel-partikel nano ferromagnetic yang
sangat kecil, biasanya magnetite, hematite atau kompon lain yang mengandung besi, partikel-partikel nano ini biasanya berdiameter 10
nm.lihat Gambar 3.3 Ukuran ini cukup kecil dalam pengadukan thermal untuk melarutkannya termasuk dalam sebuah cairan pembawa dan untuk
memperbesar respon magnetik secara keseluruhan. Ferrofluid murni bersifat stabil. Hal ini berarti bahwa partikel-partikel
padat tersebut tidak akan menggumpal atau memisah meski dalam medan magnet yang sangat kuat. Bagaimanapun, surfactant akan tetap memelihara
stabilitas ini hanya sampai batas waktu tertentu beberapa tahun dan akhirnya partikel-partikel nano tersebut akan menggumpal dan akan terpisah
dan tidak akan lagi memberikan kontibusi terhadap respon magnetik cairan.
3.2.1.3 Publikasi Ferrofluid Penelitian di bidang ferrofluid telah dilakukan lebih dari 30 tahun.
Tidak hanya publikasi asli atau konferensi yang telah diterbitkan tetapi juga
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
67 buku teks telah dipublikasian, yang memberikan gambaran tentan bidang
tertentu tentang penelusuran fluida yang mengandung partikel nano magnet. Pada tahun 1985 buku yang terkenal ”Ferrohydrodynamics” oleh Ronal
Rosensweig, 1985 telah diterbitkan dan buku ini masih menjadi buku teks untuk orang orang yang akan memasuku penelitian di bidang fluida magnet.
Penjelasan lebih rinci tentang ferrofluid dalam medan magnet diberikan pada buku teks umum kedua ”Magnetic Fluids” oleh Blums, Ceber dan
Maiorov Blums et al., 1997. Setelah kedua buku umum diatas, tidak ada lagi buku yang diterbitkan berisikan tentang ferrofluid secara umum. Semua
buku yang diterbitkan selanjutnya berpusat pada bidang bidang tertentu dengan bereferensi kepada Rosensweig dan Blums untuk hal hal umum.
Bidang transfer panas dan massa dijelaskan oleh Blums, Mikailov dan Ozol dalam bukunya ”Heat and Mass Transfer in MHD Flows” Blums et al.,
1986 yang berisikan bagian khusus tentang transfer panas dan efek transfer massa dalam ferrofluid.
Selanjutnya dua buku tentang aplikasi dari fluida magnet diterbitkan yaitu ”Magnetic Fluids and Applications Handbook” by
Berkovsky and Bashtovoy Berkovsky and Bashtovoy, 1996 dan ”Engineering Applications of Magnetic Fluids” Berkovsky et all., 1993
memberikan pandangan dari berbagai sisi tentang penggunaan ferrofluid di bidang bidang yang berbeda sebagai contoh di bidang Mekanik dan juga
pengobatan.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
68 3.2.2 Karakteristik Ferrofluid
Ferrofluid merupakan fluida magnet yang juga dapat diklasifikasikan dalam super paramagnet karena tingginya magnetisasi jenuhnya diatas Js=150
mT, sejauh ini sekitar 60mT and juga permeabilitas relatif awalnya µ
r
= 10. Karakteristik bahan ini tidak hanya dapat digunakan sebagai penyekat tetapi dapat
juga digunakan dalam bidang elekromagnet.
3.2.2.1 Karakteristik Magnetik Ukuran
partikel Ferrofluid yang sangat kecil D 20 nm
mengakibatkan tidak adanya histerisis. Oleh karena itu sifat kemagnetan ini disebut sebagai superparamagnet. Karakteristik magnetik dari ferrofluid
diindikasikan oleh Kurva Saturasi dan penjabarannya. Sebagai tambahan suseptibilitas dan permeabilitas dan kemampuan ferrofluid bila diberikan
kuat medan magnet.
Magnetisasi
Untuk menurunkan besaran magnetisasi diasusmsikan bahwa gaya antara partikel partakel sangat kecil dan dapat diabaikan. Penjelasan yang
baik diberikan oleh Boltzmannto Statistic. Momen dipol m dari partikel besarnya adalah :
Dimana D adalah diameter dari partikel dan Ms adalah magnetisasi jenuh dari keadaan solid. Karena ukuran partikel magnet yang sangat kecil
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
69 D20nm, daerah daerah magnetic tidak akan terbentuk sehingga tidak
akan ada Histerisis. Oleh karena kemagnetan dengan sifat seperti ini disebut dengan superparamagnet. Berdasarkan teori Langevin :
dan m adalah momen dipol rata rata dari keseluruhan fluida tergada kuat medan
H, adalah permeabilitas magnet dari ruang hampa,
k=1.3810
-23
adalah konstanta Boltzmann dan T adalah suhu. Dari
persamaan diatas dengan mempertimbangkan dimana
φ adalah volume kontraksi dari solid diindikasikan pada cairan. Maka akan
didapatkan :
Gambar 3.4 Kurva saturasi standard dari ferrofluid untuk diameter partikel yang berbeda beda.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
70 Gambar 3.4 diatas menggambarkan hubungan antara magnetisasi jenuh
maksimum dari Fe
3
O
4
M
S
= 446kAm untuk partikel dengan diameter D yang berbeda.
Suseptibilitas
Untuk menentukan titik tengah dari suseptibilitas χ hubungan
berikut digunakan :
Sebagai hasil dari integrasi hubungannya meningkat : yang digambarkan pada ilustrasi. Untuk
α 1 dan Lα=α3 sehingga
persamaan menjadi : dengan
Pada daerah jenuh diperolehlah nilai χ
Gambar 3.5 Ketergantungan dari suseptibilitas dari ferrofluid pada kuat medan magnet H untuk diameter partikel yang berbeda
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
71
Gaya pada batas dua permukaan
Besarnya tekanan menurut Maxwell dihitung pada lapisan perbatasan antara dua material yang berbeda permeabilitasnya. Untuk material dengan
karakteristik bahan non linear, seperti pada ferrofluid berlaku persamaan
berikut:
Bahan dengan permeabilitas seperti ferrofluid yang bila diberikan medan magnet pada permukaannya maka permukaan akan mencoba
melawan gaya tekanan keluar dari fluida. Kuat medan magnet akan menyebabkan situasi dan perubahan bentuk dari fluida sesuai dengan
perubahan dari medan. Berawal dari kuat medan tertentu akan meningkatkan ketidakstabilan permukaan.
Ketika suatu cairan paramagnetik ditempatkan pada suatu medan magnet vertikal yang kuat, permukaannya secara spontan membentuk suatu
pola riak reguler; efek ini dikenal sebagai ketidakstabilan medan normal. Pembentukan riak meningkatkan permukaan energi bebas dan tenaga
gravitasi cairan, tetapi mengurangi tenaga maknetis. Riak akan hanya terbentuk di atas suatu medan magnetik kritis, ketika pengurangan didalam
tenaga maknetis melebihi peningkatan di permukaan dan energi gravitasi. Ferrofluids mempunyai suatu suseptibilitas magnetik tinggi dan medan
magnetik kritis untuk pembentukan riak yang dapat direalisasikan oleh suatu magnet batang kecil Gambar 3.6
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
72 Gambar 3.6 Riak pada Ferrofluid akibat Medan Magnet vertikal yang kuat
3.2.2.2 Karakteristik Mekanis Mekanisme karakteristik suatu fluida sejauh ini hanya kekentalan
viscosity, density kepadatan dan keadaan pengendapan substansial untuk penggunaan teknis. Karena Ferrofluid tidak murni suatu cairan,
kekentalannya tergantung pada cairan pembawa dan ukuran dari partikel besi ditambah dengan ketergantungan pada kuat medan magnet yang
mempengaruhi fluida tersebut. Tanpa adanya medan eksternal sifat ferrofluid sama dengan cairan biasa. Kekentalan dari ferrofluid tergantung
pada cairan pembawa, partikel magnetisasi dan konsentrasi.
Kekentalan Viscosity
Perubahan kekentalan η menjelaskan resistansi yang melawan perpindahan
cairan F adalah kekuatan yang dibutuhkan untuk memindahkan dua permukaan
dari cairan dengan δv adalah kecepatan tegaklurus dengan jarak antar kedua
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
73 permukaan
δb. Kekentalan dinamis diukur dalan Poise P 1 P = 0.1 Nsm
2
. Nilainya sangat tergantung pada perubahan suhu dan akan menurun dengan
kenaikan suhu. Dengan diberikan sebuah medan magnet, partikel partikel dalam ferrofluid akan membentuk rantai satu dengan yang lain, dengan
demikan partikel partikel dapat berputar dengan mudah. Jika sumbu perputaran paralel dengan garis garis fluksi akan mengakibatkan
peningkatan kekentalan tambahan.
Kepadatan
Kepadatan dari bahan ditentukan oleh persamaan dari ukuran dan volumenya. Hal ini tergantung pada kepadatan dari cairan pembawa
ρr dari partikel padan magnet
ρm dan konsentrasi φ. Hubungan jumlahnya sebagai berikut:
dan
3.2.3 Aplikasi dari Ferrofluid
Sifat sifat dan kemampuan ferrofluid untuk dikendalikan telah membuat fluida menjadi sangat berguna dalam bidang teknologi, kedokteran dan membantu
dalam penelitian bahan. Dibawah ini diuraikan bebrapa aplikasi dari ferrofluid: 1. Ferrofluids digunakan untuk membentuk segel cairan di sekitar poros pemutar
pada hard-disk. Poros putar dikelilingi oleh magnet, sejumlah kecil ferrofluid, ditempatkan
pada celah udara antara magnet dan poros, ferrofluid akan dipegang pada tempatnya oleh gaya tarik magnit tersebut. Fluida dari partikel-partikel
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
74 magnet membentuk suatu yang penghalang mencegah puing memasuki bagian
dalam dari hard disk. Bagaimanapun, ferrofluid masih bersifat cukup serupa dengan suatu fluida sebenarnya yang tidak akan menggangu putaran dari
poros. 2. Suspensi pada kenderaan
Jika alat penahan goncangan dari suatu suspensi kenderaan diisi dengan ferrofluid sebagai ganti minyak, dan keseluruhan alat diselubungi oleh
elektromagnet, viskositas dari fluida dalam hal ini besarnya redaman yang diberikan oleh penahan goncangan dapat diubah tergantung pada pilihan
pengendara atau beratbeban yang dibawa oleh kenderaan - atau mungkin saja dengan perubahan dinamis dalam rangka menyediakan stabilitas kendali.
Magneride atau Kontrol pengendara magnetik atau suspensi aktif adalah salah satu dari sistem tersebut yang yang mengijinkan faktor redaman disesuaikan
sekali setiap seperseribu detik sebagai respons atas kondisi-kondisi. Mulai tahun 2007, Perusahaan perakitan mobil BMW menggunakan versi
kepemilikan mereka sendiri dari alat ini, sementara GM perusahaan pertama yang telah melakukan hal yang sama, Audi dan Ferrari menawarkan
MagneRide dalam beragam model.
General Motor dan perusahaan permobilan lain sedang mencari untuk mengembangkan Fluida Magnetorheological sistem kopling yang akan
digunakan untuk sistem tombol tekan penggerak empat roda. Sistem kopling akan menggunakan elektromagnet untuk memperpadat fluida yang akan
mengunci poros penggerak driveshaft ke penggerak kendaraan. 3. Peredam Tipe Cairan
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
75 Peredam type cair pada berbagai penggunaan sedang dan telah dikembangkan.
Peredam ini utamanya digunakan pada industry berat dengan aplikasi pada peredam motor kerja berat, peredam pada ruang operator pada konstruksi
kenderaan dan banyak lagi. Sejak tahun 2006, ilmuwan material dan insinyur mesin sedang bekerja sama untuk mengembangkan peredam gempa yang
berdiri sendiri yang mana, ketika di manapun diposisikan di dalam suatu bangunan, akan beroperasi di dalam frekwensi resonansi bangunan, menyerap
gelombang kejutan perusak dan ayunan dalam struktur bangunan, dengan pemberian peredam ini akan membuat bangunan anti gempa atau setidaknya
tahan gempa. 4. Peralatan Pertahanan Militer
Angkatan Udara Amerika Serikat memperkenalkan suatu cat Material Penyerap Radar Radar Absorbent Material terbuat dari bahan ferrofluid dan
substansi non magnetis yang lain. Dengan mengurangi pemantulan gelombang elektromagnetis, material ini membantu untuk mengurangi ke arah
mengurangi Potongan Melintang Radar pesawat terbang. 5. Luar Angkasa
NASA telah mengadakan percobaan penggunaan ferrofluids di dalam loop tertutup sebagai basis untuk suatu sistem kendali posisi pesawat luar angkasa.
Suatu medan magnet diberikan pada loop ferrofluid untuk merubah momentum sudut dan mempengaruhi perputaran dari pesawat luar angkasa.
6. Pengukuran Ferrofluids mempunyai banyak aplikasi berhubung dengan optik dalam kaitan
dengan sifat bias mereka; itu adalah, masing-masing butir, suatu micromagnet,
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
76 memantulkan cahaya. Aplikasi ini termasuk mengukur viskositas suatu cairan
yang ditempatkan antara suatu polarisator dan suatu penganalisis, yang diterangi oleh suatu helium-neon laser.
7. PengobatanKedokteran Di dalam pengobatan kedokteran, suatu ferrofluid tertentu dapat digunakan
untuk pendeteksian kanker. Ada juga banyak percobaan penggunaan ferrofluids untuk membuang tumor. Ferrofluid akan dipaksa ke dalam tumor
dan kemudian diberikan suatu medan magnet yang berubah-ubah dengan cepat. Hal ini akan menciptakan gesekan, menghasilkan panas, karena
pergerakan dari ferrofluid didalam tumor yang dapat menghancurkan tumor tersebut.
8. Pemindahan panas Suatu medan magnet eksternal dibebankan pada suatu ferrofluid dengan
bermacam-macam kepekaan, misalnya dalam kaitan dengan suatu gradien temperatur, menghasilkan suatu gaya magnet tidak seragam, yang akan
membentuk suatu pemindahan panas yang disebut dengan Konveksi Thermomagnetik. Bentuk pemindahan panas ini dapat digunakan ketika
pemindahan panas konveksi konvensional tidak mencukupi, misalnya dalam peralatan ukuran mikcro atau di bawah kondisi-kondisi gravitasi kurang.
9. Pengeras Suara Loudspeaker Ferrofluids biasanya digunakan pada pengeras suara Loudspeaker untuk
menghilangkan panas diantara kumparan suara dan magnet dan secara pasif meredam pergerakan dari corong. Mereka ditempatkan pada celah udara di
sekitar kumparan suara, yang ditopang oleh magnit permanen.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
77 Gambar 3.7 Pengeras suara dengan ferrofluid
Karena ferrofluids adalah paramagnetik, ferrofluid juga mengikuti Hukum Curie, yang akan menjadi kurang bersifat magnetis pada temperatur lebih
tinggi. Suatu magnit kuat yang ditempatkan dekat kumparan suara yang menghasilkan panas akan selalu menarik ferrofluid yang lebih dingin ke
arahnya lebih daripada ferrofluid lebih panas dengan demikian akan memaksa ferrofluid yang lebih panas keluar, ke arah heat sink. Ini adalah suatu metode
pendingin efisien yang tidak membutuhkan energi masukan tambahan.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
78
BAB IV PENGGUNAAN FERROFLUID UNTUK MENINGKATKAN EFFISIENSI