the experience of me: BLDC Motor

Pengertian BLDC Motor

Anda memiliki beberapa pilihan ketika datang untuk menentukan mana motor yang Anda perlukan untuk aplikasi apa pun atau proyek Anda, dan pilihan Anda akan tergantung pada berbagai faktor. Beberapa masalah yang Anda perlu mempertimbangkan untuk motor Anda adalah biaya, jumlah daya yang Anda butuhkan dan berapa lama Anda membutuhkannya. Jika Anda memiliki proyek atau aplikasi di mana Anda hanya perlu sebuah motor untuk penggunaan jangka pendek, Anda dapat memilih yang lebih murah yang dapat aus lebih cepat. Jika pekerjaan Anda mengharuskan motor yang akan berlangsung selama mungkin, Anda mungkin ingin mempertimbangkan motor BLDC.

Motor dc tanpa sikat atau disebut Brushless DC Motor. Brushless DC Motor adalah suatu jenis motor-sinkron. Artinya medan magnet yang dihasilkan oleh stator dan medan magnet yang dihasilkan oleh rotor berputar di frekuensi yang sama. BLDC motor tidak mengalami Slip, tidak seperti yang terjadi pada motor induksi biasa. Motor jenis ini mempunyai permanen magnet pada bagian "rotor" sedangkan elektro-magnet pada bagian "stator"-nya. Setelah itu, dengan menggunakan sebuah rangkaian sederhana (simpel computer system), maka kita dapat merubah arus di eletro-magnet ketika bagian "rotor"-nya berputar.

Motor Brushless Direct Current( BLDC) adalah salah satu jenis motor yang cepat populer. BLDC motor digunakan di dunia industri seperti Permobilan, Atmosphere, Konsumen, Otomasi Medis, Industri dan Peralatan Instrumentasi. Sesuai dengan namanya, BLDC motor tidak menggunakan sikat atau Brush untuk pergantian medan magnet(komutasi), tetapi dilakukan secara elektronis commutated. Motor BLDC mempunyai banyak keuntungan dibandingkan dengan DC motor dan Motor induksi biasa.

$Description: C:\Users\user\Desktop\TUGAS BLDC MESIN LISTRIK (RANDY)\gambar BLDC MOTOR\MCG Brushless DC Motors.jpg$

gambar. BLDC Motor

Brushless DC (BLDC) motor adalah pilihan ideal untuk aplikasi yang memerlukan keandalan yang tinggi, efisiensi tinggi, dan tinggi power-to-volume rasio. Secara umum, motor BLDC dianggap motor performa tinggi yang mampu memberikan jumlah besar torsi pada rentang kecepatan yang luas. BLDC motor adalah turunan dari motor DC yang paling umum digunakan, DC disikat motor, dan mereka berbagi sama torsi dan karakteristik kinerja kecepatan kurva. Perbedaan utama antara keduanya adalah penggunaan kuas. BLDC motor tidak memiliki sikat (maka nama "brushless DC") dan harus secara elektronik commutated.

Keuntungan BLDC motor listrik:

Jika Anda masih tidak yakin apakah motor ini tepat untuk Anda, berikut adalah rincian dasar beberapa keuntungan utama dari motor BLDC.

High Speed Operasi - Sebuah motor BLDC dapat beroperasi pada kecepatan di atas 10.000 rpm dalam kondisi dimuat dan dibongkar.
Responsif & Percepatan Cepat - batin rotor Brushless DC motor memiliki inersia rotor rendah, yang memungkinkan mereka untuk mempercepat, mengurangi kecepatan, dan membalik arah dengan cepat.
High Power Density - BLDC motor memiliki torsi berjalan tertinggi per inci kubik setiap motor DC.
Keandalan tinggi - BLDC motor tidak memiliki sikat, yang berarti mereka lebih handal dan memiliki harapan hidup lebih dari 10.000 jam. Hal ini menghasilkan lebih sedikit kasus penggantian atau perbaikan secara keseluruhan dan kurang down time untuk proyek Anda.

· Kecepatan yang lebih baik untuk melawan karakteristik tenaga putaran

· Efisiensi tinggi

· Tahan lama atau usia pakainya lebih lama

· Nyaris tanpa suara bila dioperasikan

1. Konstruksi

Setiap motor BLDC memiliki dua bagian utama, rotor (bagian berputar) dan stator (bagian stasioner). Bagian penting lainnya dari motor adalah gulungan stator dan magnet rotor.

a. Rotor

Rotor adalah bagian pada motor yang berputar karena adanya gaya elektromagnetik dari stator, dimana pada motor DC brushless bagian rotornya berbeda dengan rotor pada motor DC konvensional yang hanya tersusun dari satu buah elektromagnet yang berada diantara brushes (sikat) yang terhubung pada dua buah motor hingga delapan pasang kutub magnet permanen berbentuk persegi pajang yang saling direkatkan menggunakan semacam “epoxy” dan tidak ada brushes-nya.

$Description: H:\TA C UCUP\Laporan Proyek Akhir\gambar\motor_rotor_showing_brushless_exciter_rotor_and_rectifier_assembly._ts_22_pole7000_hp327_rpm12000_volts3_phase60_cycle.8_pf_with_ar8_pole50_kw125_v_brushless_exciter.__sjpg32614.jpg$

gambar 1.1 Rotor BLDC

Rotor dibuat dari magnet tetap dan dapat desain dari dua sampai delapan kutub Magnet Utara(N) atau Selatan(S). Material magnetis yang bagus sangat diperlukan untuk mendapatkan kerapatan medan magnet yang bagus pula. Biasanya magnet ferrit yang dipakai untuk membuat magnet tetap. Tetapi dewasa ini dengan kemajuan teknologi, campuran logam sudah kurang populer untuk digunakan.Benar sekali magnet Ferrit lebih murah, tetapi material ini mempunyai kekurangan yaitu flux density yang rendah untuk ukuran volume material yang diperlukan untuk membentuk rotor.

b. Stator

Stator adalah bagian pada motor yang diam/statis dimana fungsinya adalah sebagai medan putar motor untuk memberikan gaya elektromagnetik pada rotor sehingga motor dapat berputar. Pada motor DC brushless statornya terdiri dari 12 belitan (elektromagnet) yang bekerja secara elektromagnetik dimana stator pada motor DC brushless terhubung dengan tiga buah kabel untuk disambungkan pada rangkaian kontrol sedangkan pada motor DC konvensional statornya terdiri dari dua buah kutub magnet permanen.

gambar 1.2 Stator BLDC

Belitan stator pada motor DC brushless terdiri dari dua jenis, yaitu belitan stator jenis trapezoidal dan jenis sinusoidal.Yang menjadi dasar perbedaan kedua jenis belitan stator tersebut terletak pada hubungan antara koil dan belitan stator yang bertujuan untuk memberikan EMF (Electro Motive Force) balik yang berbeda.

EMF balik sendiri adalah tegangan balik yang dihasilkan oleh belitan motor BLDC ketika motor BLDC tersebut berputar yang memiliki polaritas tegangan berlawanan arahnya dengan tegangan sumber yang dibangkitkan. Besarnya EMF balik dipengaruhi oleh kecepatan sudut putaran motor (ω), medan magnet yang dihasilkan rotor (B), dan banyaknya lilitan pada belitan stator (N) sehingga besarnya EMF balik dapat dihitung dengan persamaan :

EMF balik = B.N.1.r.ω

dimana : B = kerapatan medan magnet yang dihasilkan rotor (Tesla)

N = banyaknya lilitan pada belitan stator per phasa

1 = panjangnya batang rotor (m)

r = jari-jari dalam motor (m)

ω = kecepatan sudut putaran motor (rad) (dimana ω=2πf

Ketika motor BLDC sudah dibuat, jumlah lilitan pada stator dan besarnya medan magnet yang dihasilkan nilainya sudah dibuat konstan sehingga yang mempengaruhi besarnya EMF balik adalah besarnya kecepatan sudut yang dihasilkan motor, semakin besar kecepatan sudut yang dihasilkan. Perubahan besarnya EMF balik ini mempengaruhi torsi motor BLDC, apabila kecepatan motor yang dihasilkan lebih besar dari tegangan potensial pada belitan stator sehingga arus yang mengalir pada stator akan turun dan torsi pun akan ikut turun, sebagaimana rumus torsi pada BLDC motor menurut persamaan diatas bahwa besarnya torsi yang dihasilkan motor BLDC dapat dihitung dengan :

T = Krms. Ф.I (Nm)

Dimana : Krms = tegangan rata-rata konstan (Volt)

Ф = besarnya fluks magnet (Tesla)

I = besarnya arus (Ampere)

Karena berbanding lurus dengan faktor-faktor lain yang mempengaruhi torsi maka kenaikan dan penurunan arus sangat berpengaruh pada besarnya torsi yang dihasilkan motor BLDC.

c. Axle

Axle atau sumbu adalah batang yang berfungsi sebagai sumbu putar motor, terpusat pada rotor dan dirangkai bersama rotor.

$Description: H:\TA C UCUP\Laporan Proyek Akhir\gambar\axle.jpg$

gambar 1.3 Axle

d. Sensor Hall

Tidak seperti motor DC brushed komutasi dari motor DC brushless diatur secara elektronik agar motor dapat berputar, stator harus di-energize secara berurutan dan teratur. Sensor hall inilah yang berperan dalam mendeteksi pada bagian rotor mana yang ter-energize oleh fluks magnet sehingga proses komutasi yang berbeda (enam step komutasi) dapat dilakukan oleh stator dengan tepat karena sensor hall ini dipasang menempel pada stator.

gambar 1.4 Posisi Hall Sensor Pada Motor BLDC

Hall sensor ini ditempatkan setiap 120˚ pada jarak antar kutub stator hal ini bertujuan agar deteksi terhadap vector fluks stator yang dihasilkan akurat setiap perpindahan komutasi, arus yang mengalir tetap terjaga konstan pada setiap phasa.

Prinsip kerja hall sensor sendiri membutuhkan arus yang mengalir terus jika ingin digunakan sebagai pendeteksi fluks magnet. Bila butiran-butiran yang terdapat pada gambar 1.4 dimisalkan sebagai gambaran sebagai medan magnet, maka daya elektromagnet dibuat atas dasar gerakan elektron seperti yang diberikan oleh kaedah tangan kiri Fleming. Sewaktu daya elektron dibiaskan pada sisi kiri, akibatnya kutub negatif di sisi kiri dan kutub positifdi sisi yang lain (kanan). Polaritas elektrostatik bergantung pada yang dialami butir apakah berkutub utara atau berkutub selatan, dan digunakan untuk menyatakan sinyal pada posisi rotor dalam batas polaritas magnet. Bila motor DC brushless menggunakan elemen hall sebagai sensor posisi, maka semua elemen-elemen penting dibuat dalam bentuk terpadu sesuai. Misalnya, jika level output adalah H untuk kutub utara, maka level output akan L bila diletakkan pada kutub selatan. Dalam hal ini ketiga IC hall digunakkan sebagai driver untuk motor BLDC tiga phasa.

e. Controller dan Inverter (perubah tegangan DC menjadi AC)

Controller pada motor DC brushless berperan sangat penting dan dapat dikatakan sebagai penunjang utama operasi motor DC brushless karena motor DC brushless membutuhkan suatu trigger pulsa yang masuk ke bagian elektromagnetik (stator) motor DC brushless untuk memberikan pengaturan besarnya arus yang mengalir sehingga putaran motor dapat diatur secara akurat. Inverter pada motor DC brushless berperan untuk mengubah tegangan DC yang masuk controller menjadi tegangan AC karena jenis motor DC brushless biasanya multipole tiga phase maka dibutuhkan inverter tiga phasa tegangan DC menjadi AC agar dapat berputar. Berdasarkan kemampuan control power supply, kita dapat memilih dengan tepat rating tegangan untuk motor yang dibutuhkan. Untuk tegangan 48 volt atau kurang dari itu, biasanya digunakan untuk bidang otomotif, robotic atau penggerak lengan mekanik kecil. Untuk rating tegangan 100 volt dan lebih dari itu digunakan dalam bidang otomasi industri dan penggerak alat-alat industri.

2. Prinsip Kerja

Hal yang paling dasar pada prinsip dasar medan magnet adalah kutub yang sama akan saling tolak menolak sedangkan apabila berlainan kutub maka akan tarik menarik. Jadi jika kita mempunyai dua buah magnet dan menandai satu sisi magnet tersebut dengan north (utara) dan yang lainnya south (selatan), maka bagian sisi north akan coba menarik south, sebaliknya jika sisi north magnet pertama akan menolak sisi north yang kedua dan seterusnya apabila kedua sisi magnet mempunyai kutub yang sama.

gambar 2. Aturan Tangan Kiri Untuk Prinsip Kerja Motor DC

Pada gambar 5 kita dapat melihat dua buah magnet pada motor. Rotor adalah sebuah elektro magnet (magnet yang dihasilkan dari arus listrik) sedangkan sebagai medan magnet digunakan magnet permanen pada medan statornya dan tidak memiliki lilitan penguat medan magnet.

Jika arus DC mengalir, maka rotor akan berputar 180 derajat karena perbedaan kutub antara electromagnet.

2.1 Cara Kerja Motor DC Brushless

Melihat prinsip kerja motor DC brushless dan cara kerja system half bridge pada proses peng-energize-an koil motor DC brushless maka cara kerja putaran motor DC brushless sekarang dapat kita gambarkan, skema cara putaran motor DC brushless adalah sebagai berikut :

gambar 2.1.1 Posisi Komutasi Step 1 Dan 2

Komutasi menghasilkan medan putar. Pada step 1, phasa U dihubungkan ke kutub positif pada bus motor DC brushless Q1, lalu phasa V dihubungkan ke ground netral(kutub negative baterai) melalui Q4, untuk phasa W tidak ter-energize, 2 buah vektor fluks dihasilkan oleh phasa U (panah merah) dan phasa V(panah biru). Jumlah kedua vektor tersebut menghasilkan vektor fluks pada stator(panah hijau) dimana rotor akan berusaha mengikuti arah fluks stator tersebut. Pada kondisi ini motor sedang standby untuk berputar, ketika posisi rotor sudah mencapai posisi tertentu yang diberikan, maka nilai pernyataan logika pada Hall sensor berubah dari “101” ke “001” dan pola tegangan baru tercipta pada motor DC brushless(BLDC) dimana phasa V sekarang tidak ter-energize tetapi phasa W yang sekarang terhubung ke netral ground(Q6) dimana posisi vector fluks stator(panah hijau) sekarang berada pada posisi yang ditunjukan gambar step 2.

gambar 2.1.2 Posisi Komutasi Step 3 Dan 4

Kita sekarang dapat menentukan switch(Q) mana saja yang aktif ketika phasa tertentu yang ter-energize sehingga arah putaran rotor dapat terlihat. Pada step 3 phasa yang aktif adalah W-V dan posisi vector fluks stator berada pada posisi tersebut, lanjut ke step 4 phasa yang aktif adalah U-V dan rotor terus berputar kearah fluks stator pada step 4. (sumber : AVR194 “BLDC motor control using ATmega32M1”)

gambar 2.1.3 Posisi Komutasi Step 5 Dan 6

Pada gambar step 5 dan step 6 terlihat phasa lain lagi yang ter-energize dan arah putaran rotor terus mengikuti arah vektor fluks stator yang dihasilkan dan selanjutnya proses putaran kembali lagi ke step 1. Itulah 6 langkah(step) putaran elektris motor BLDC untuk melakukan 1 putaran penuh mekanis motor BLDC.

3. Penentuan Parameter( Berdasarkan Pengujian)

$Description: I:\bahan BLDC Parameter\halaman65.jpg$ Penentuan parameter dilakukan dengan melakukan pengukuran torsi, arus dan tegangan. Pengukuran Torsi motor dilakukan dengan metode Prony Brake. Pengukuran dengan metode ini ada dua macam yaitu metode satu skala dan dua skala.

a. metode dua skala b. metode satu skala

Karena motor yang digunakan kecil maka digunakan metode satu skala. Untuk menentukan harga torsi maka digunakan persamaan.

T = 9.8 x (W₂ – W₁) x R Nm

Keterangan :

T = Torsi

W₂= Berat Anak Timbangan

W₁ = Skala yang terbaca

R = Jari-jari pulley motor

Pengukuran tegangan dan arus dilakukan dengan menentukan terlebih dahulu putaran motor, yaitu diatur pada kecepatan 700, 1000, 1250, 1500 rpm. Pengukuran dilakukan pada saat

1. Tanpa beban

2. Berbeban I(gerinda dipasang)

3. Berbeban II(gerinda dipasag dan dipakai menggerinda batu)

Motor yang digunakan adalah mator yang digunakan pada gerinda dan geringa yang dipakai adalah gerinda yang sering dipaki dibengkel-bengkel mesin dan las.

Dengan data gerinda sebagai berikut.

Merk = Resibon

Max speed = 14000 rpm

Diameter = 100 mm

Tebal = 2 mm

Diameter lubang = 16 mm

Berat = 30 gram

Hasil pengukuran

$Description: I:\bahan BLDC Parameter\halaman67.jpg$ Tidak Berbeban

Berbeban I

$Description: I:\bahan BLDC Parameter\halaman68.jpg$

Berbeban II

$Description: I:\bahan BLDC Parameter\halaman69.jpg$

Dari hasil pengukuran dapat disimpulkan bahwa

1. Kecepatan putar BLDC Motor berbanding terbalik dan linear terhadap kenaikan torsi

2. Tegangan input dan arus beban berbanding terbalik dan linear terhadap kenaikan torsi

4. Contoh Soal Perhitungan

1. Hitung frekuensi suplai yang diperlukan untuk motor dua belas tiang untuk memutar di (A) 360 rpm, dan (b) 3600 rpm.

2. Sebuah motor DC brushless memiliki 3 fase dan 4 kutub. Ggl yang dihasilkan adalah 220 V rms sinusoidal pada 1000 rpm (tegangan rangkaian terbuka saat diuji sebagai generator dengan drive motor). Menghitung

a. konstan ggl (V / Rad / s);

b. torsi konstan (Nm / A) dengan sudut umpan-balik posisi optimal;

c. kecepatan / torsi kurva, jika resistansi per fase adalah 4 

d. frekuensi suplai pada 1000 rpm;

e. kurva dari daya masukan, daya keluaran dan efisiensi terhadap torsi, dengan asumsi gesekan dan besi kerugian adalah nol;

f. frekuensi dan kecepatan di mana X = L adalah sama dengan resistansi R, jika induktansi fase adalah 5 mH;

g. apa efek pada kurva kecepatan / torsi yaitu efek dari L> 0 dan L ω> R sebagai peningkatan kecepatan?

3. Sebuah motor DC brushless memiliki 3 fase dan 6 kutub. Torsi elektromagnetik adalah 4 Nm dengan arus 0,5 A rms. Gesekan dan besi kerugian menghasilkan perlambatan konstan torsi 0,1 Nm. Resistansi dan induktansi per fase adalah 70  dan 50 mH. Asumsikan umpan-balik posisi optimal. Menghitung

a. torsi dan konstanta ggl;

b. ggl yang dihasilkan untuk kecepatan 600 rpm;

c. kecepatan motor untuk tegangan suplai dari 200 V (rms ac per fase) tanpa beban eksternal;

d. kecepatan, dan efisiensi saat ini untuk beban eksternal dari 4 Nm dan pasokan

e. tegangan 200 V ac rms

f. frekuensi suplai untuk (d) ,dan memeriksa L<R

5. Karakteristik

BLDC motor adalah suatu jenis motor-sinkron. Artinya medan magnet yang dihasilkan oleh stator dan medan magnet yang dihasilkan oleh rotor berputar di frekuensi yang sama. BLDC motor tidak mengalami Slip , tidak seperti yang terjadi pada motor induksi biasa. Motor jenis ini mempunyai permanen magnet pada bagian "rotor" sedangkan elektro-magnet pada bagian "stator"-nya. Kecepatan sinkron bergantung pada (a) frekuensi tegangan dan (b) jumlah kutub dalam mesin, dengan kata lain kecepatan motor independen selama beban dalam kemampuan motor.

BLDC Motor bereaksi sangat cepat terhadap tegangan yang diaplikasikan. Respon yang cepat ini berhubungan dengan masa rotor yang rendah. Efisiensi motor ini tinggi umumnya di atas 75%. Kemudian panas pada BLDC Motor ini sebagian besar dihasilkan oleh kumparan stator. Dibalik kelebihan pasti ada kekurangan. Kekurangan dari BLDC Motor sendiri ialah torsi start yang rendah dan harganya yang maasih relatife mahal.

6. Contoh Aplikasi

Brushless DC motor yang umum digunakan dalam peralatan kecil di mana kontrol kecepatan yang tepat sangat diperlukan, seperti dalam disk drive komputer atau di perekam kaset video, dalam CD, CD-ROM (dll) drive, dan mekanisme dalam kantor produk seperti fans, laser printer dan photocopiers. Mereka memiliki beberapa keunggulan di atas motor konvensional. Namun pada transportasi juga digunakan contohnya ialah penggerak baling-baling pesawat terbang.

$Description: H:\TUGAS BLDC MESIN LISTRIK (RANDY)\gambar BLDC MOTOR\electric bike.jpg$

gambar 6.1 Penggunaan BLDC Motor pada Sepeda

7. Pengaturan/Pengendalian Kecepatan

Kendali BLDC adalah melalui rangkaian elektronik sederhana dengan hall sensor yang menyesuaikan rotasi rotor terhadap stator sehingga aliran arus pada stator selalu mengikuti arah putar rotor. Controller harus mengarahkan putaran rotor, controller memerlukan beberapa cara untuk menentukan orientasi rotor / posisi (relatif terhadap kumparan stator.)