78
BAB IV PENGGUNAAN FERROFLUID UNTUK MENINGKATKAN EFFISIENSI
MOTOR ARUS SEARAH
4.1 Pengantar
Penggunaan ferrofluid akhir akhir ini semakin berkembang, hal ini disebabkan karena diversifikasi dari kekayaan sifat fluida ini. Ferrofluid
digunakan pada mesin mesin sebagai pelumas, bearing, sealing dan peredam getaran, pada thermodinamika aplikasinya mulai dari pendinginan dan
pemindahan panas konveksi sampai kepada elektrodinamika termasuk transmisi daya, pompa dan juga sensor-sensor. Sebagian besar keuntungan aplikasinya
adalah mulai dari kemungkinan kemudahan pengaturan posisi dengan medan magnet tanpa elemen mekanis yang menjamin ketahanannya.
Dalam bab ini akan diuraikan tentang cara memperbesar torsi pada mesin arus searah dengan menggunakan ferrofluid pada celah udara antara stator dan
rotor. Keuntungan dari sifat cair dan permeabilitas yang tinggi dari ferrofluid memungkinkan hal ini terjadi. Sifat cairnya memungkinkan ferrofluid untuk
ditempatkan pada celah stator-rotor tanpa menghalangi gerak rotor. Permeabilitas yang tinggi dari Ferrofluid akan mengakibatkan penurunan resistansi magnet dari
motor arus searah yang akan menurunkan nilai arus untuk torsi yang konstan. Disisi lain tambahan torsi pengereman yang diakibatkan oleh gesekan karena
kekentalan dari fluida harus juga dipertimbangkan.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
79
4.2 Konsep Dasar 4.2.1 Rangkaian Magnet Motor Arus Searah
Rangkaian magnet adalah kesatuan sejumlah perjalanan elemen arus gaya magnet atau tabung gaya
∆Φ tertutup yang membentuk berkas perjalanan arus gaya magnet lintasan tertutup
Φ=Σ∆Φ yang menghasilkan arus gaya medan magnet utama mesin arus searah
a. Motor arus searah b. Aliran garis-garis gaya magnet
Gambar 4.1 Motor Arus Searah dan aliran garis-garis gaya magnet Pada gambar 4.1.b diperlihatkan aliran garis-garis 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
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
80 penggal lintasan dari hantaran magnet mesin arus searah. Sebuah Motor Arus
Searah dapat disusun sebagai rangkaian magnet yang akan berguna dalam menganalisa sebuah motor dari sisi kemagnetan, seperti yang diperlihatkan pada
gambar dibawah ini:
Gambar 4.2 Rangkaian magnet mesin arus searah Berdasarkan Gambar diatas dapat dilihat bahwa lintasan arus-gaya magnet
melalui hantaran magnet yang terbuat dari dua jenis medium, yaitu: 4
lintasan feromagnet
12
l
GS
+ l
i
+ ½ l
GR
5 lintasan penghantar berpenyekat l
a
6 lintasan celah udara l
δ
Karena nilai hambatan magnet pada lintasan penghantar berpenyekat relatif jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan nilai hambatan magnet pada lintasan
ferromagnet dan lintasan celah udara maka dalam perhitungan lintasan penghantar berpenyekat dapat diabaikan. Sehingga rangkaian magnet diatas dapat
disederhanakan menjadi hanya dua komponen seperti gambar berikut :
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
81 Gambar 4.3 Rangkaian magnet mesin arus searah yang disederhanakan
Dari Gambar 4.3 jelas dapat terlihat bahwa ada dua komponen hambatan magnet dan hambatan magnet terbesar adalah pada celah udara. Semakin kecil
hambatan total rangkaian magnet akan membutuhkan tegangan magnet yang kecil juga. Apabila hambatan celah udara diganti dengan bahan lain ferrofluid yang
memiliki hambatan magnet rendah akan menurunkan secara signifikan hambatan mangnet rangkaian.
4.2.2 Konstruksi Penggunaan Ferrofluid pada Motor Arus Searah
Ferrofluid diinjeksikan kedalam celah stator dan rotor sampai seluruh celah antara stator dan rotor dipenuhi oleh ferrofluid lihat gambar 4.4.
Gambar 4.4 Penggunaan ferrofluid pada celah stator rotor Rm
ferromagnet
Rm
celah udara
F
Ferrofluid pada celah
stator-rotor Stator
Rotor
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
82 Dalam hal ini dibutuhkan konstruksi dan segel seal khusus yang akan mencegah
ferrofluid dari kebocoran. Sifat cair yang dimiliki ferrofluid memungkinkan cairan ini diinjeksikan ke celah antara rotor dan stator dan rotor akan dapat bergerak
dengan bebas.
4.2.3 Menentukan Permeabilitas Relatif
Pada kenyataannya besarnya nilai permeabilitas dari ferrofluid akan berubah sesuai dengan perubahan nilai kekuatan medan magnet. Untuk
mendapatkan permeabilitas yang akurat maka celah antara rotor dan stator dibagi dalam beberapa lapisan.
4.3. Analisa penggunaan ferrofluid untuk meningkatkan efisiensi motor arus searah
Dengan rangkaian magnet ini dapat dilakukan analisa melalui perhitungan- perhitungan untuk mendapatkan perbedaan antara kondisi ketika celah stator
berisi udara dan ketika ferrofluid diaplikasikan. - Motor Arus Searah Sederhana dengan celah stator-rotor berisi udara
Gambar 4.5 Rangkaian motor arus searah sederhana
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
83 Pada Gambar 4.5 diatas ditunjukkan rangkaian magnet dari suatu motor
arus searah yang disederhanakan. Luas penampang dari setiap celah udara adalah sebesar 18cm
2
dan lebar dari setiap celah udara adalah sebesar 0,05cm. Diameter dari inti rotor adalah sebesar 4 cm.
Gambar 4.6 Kurva magnetisasi inti Dari Gambar 4.6 dapat dilihat bahawa kerapatan flux maximum yang mungkin
adalah sekitar 1,3 T. Perhatikan bahwa pengaruh kejenuhan semakin besar untuk nilai kerapatan flux yang lebih besar. Flux total pada inti dapat dihitung yaitu
sebesar φ=BA
= 1.2T.0,04m.0,04m = 0,00192 Wb.
Total Reluktansi dari Inti adalah sebagai berikut: ℜ
TOT
= ℜstator + ℜcelah udara1 + ℜrotor + ℜcelah udara2
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
84 Gambar 4.7 Kurva permeabilitas relatif dari inti
Pada kerapatan fluks sebesar 1,2T, permeabilitas relative µr dari stator adalah
sekitar 3800 lihat gambar 4.7, jadi reluktansi dari stator adalah :
ℜ
stator= Astator
stator lstator
. µ
= 04
. 04
. 10
4 3800
48 ,
7
m m
m H
x
−
π = 62,8 kA.tWb
Pada kerapatan fluks sebesar 1,2 T, permeabilitas relatif µr dari rotor adalah
sekitar 3800 lihat Gambar 4.4, jadi reluktansi motor adalah :
ℜ
rotor= Arotor
rotor lrotor
. µ
= 04
. 04
. 10
4 3800
04 ,
7
m m
m H
x m
−
π = 5,2 kA.tWb
Reluktansi dari kedua celah udara 1 dan 2 adalah :
ℜ
celahudara1=
ℜ
celahudara2= a
Acelahudar celahudara
a lcelahudar
. µ
= 0018
. 10
4 0005
,
2 7
m m
H x
m
−
π = 221 kA.tWb
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
85 Sehingga total reluktansi dari inti adalah :
ℜ
TOT
= ℜstator + ℜcelah udara1 + ℜrotor + ℜcelah udara2
ℜ
TOT
= 62,8+221+5,2+221= 510 kA.tWb GGM yang dibutuhkan adalah :
F = φ.ℜ
TOT
= 0,00192 Wb510kA.tWb = 979 A.t
Karena F = N.i maka dapat ditentukan besarnya nilai arus i bila jumlah lilitan N = 1000 yaitu sebesar : i= FN = 979A.t1000 = 0,979 Ampere
- Motor Arus Searah Sederhana dengan celah stator- rotor berisi Ferrofluid Apabila pada celah udara ditempatkan Ferrofluid sedemikian rupa maka nilai
reluktansi celah udara akan berubah. Dari perhitungan sebelumnya telah didapatkan nilai nilai berikut :
Fluks total pada inti sebesar φ=BA= 1.2T.0,04m.0,04m = 0,00192 Wb.
ℜstator = 62,8 kA.tWb ℜrotor = 5,2 kA.tWb
N = 1000 ℜ
TOT
= ℜstator + ℜcelah udara1 + ℜrotor + ℜcelah udara2
F = φ.ℜ
TOT
ℜcelah udara1 = ℜcelah udara2 Permeabilitas relatif Ferrofluid: 10 perubahan akibat medan magnet diabaikan
Reluktansi dari kedua celah udara 1 dan 2 adalah :
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
86
ℜ
celahudara1=
ℜ
celahudara2 =
a Acelahudar
a lcelahudar
d rFerroflui
µ
= 0018
. 10
0005 ,
2
m m
H m
= 0,02777 kA.tWb Sehingga total reluktansi dari inti adalah :
ℜ
TOT
= ℜstator + ℜcelah udara1 + ℜrotor + ℜcelah udara2
ℜ
TOT
= 62,8+0,02777+5,2+0,02777= 68,05554 kA.tWb GGM yang dibutuhkan adalah :
F = φ.ℜ
TOT
= 0,00192 Wb 68,01388 kA.tWb = 130,666 A.t Karena F = N.i maka dapat ditentukan besarnya nilai arus i bila jumlah lilitan N
= 1000 yaitu sebesar : i= FN 130,666 1000 = 0,131 Ampere Dari perhitungan diatas jelas bahwa terjadi penurunan nilai arus yang
signifikan ketika ferrofluid ditempatkan pada celah stator rotor. Dari persamaan Torsi Jangkar Ta x 2
π n = Ea.Ia, didapat bahwa Ta ≈ φ Ia. Dari persamaan ini terlihat bahwa Ta sebanding dengan Ia, apabila ada kenaikan pada arus masukan
akan mengakibatkan peningkatan Torsi pada jangkar. Dari persamaan Efisiensi =
input output
x 100 , apabila untuk output yang sama dibutuhkan input yang lebih kecil maka akan terjadi peningkatan
effisiensi. Dari perhitungan diatas terlihat bahwa ada penurunan arus masukan input untuk output yang sama ketika ferrofluid diaplikasikan sehingga akan
terjadilah peningkatan efisiensi.
Atmaja Novianto Sembiring : Studi Penggunaan Ferrofluid Untuk Meningkatkan Efisiensi Motor Arus Searah, 2008 USU Repository © 2008
87
4.4 Pertimbangan rugi-rugi gesekan
Kategori