Bab V

MOTOR KHUSUS.

5.1. Motor Reluktansi

Motor reluktansi adalah motor sinkron yang beroperasi tanpa adanya eksitasi

dari sumber dc, yang operasinya bergantung dari perbedaan dan reluktansi dalam

kuadran titik. Motor fraksional biasanya dalam bentuk satu phasa dan dalam aplikasinya

membutuhkan kecepatan sinkron yang tepat seperti pada jam listrik ataupun peralatan

waktu. Motor reluktansi sinkron adalah versi lain dari motor tipe rotor sangkar, sinkron

disini mengimplikasikan motor berputar pada kecepatan sinkron pada keadaan normal,

tergantung beban yang dipakai, selama beban lebih rendah dari pada level tertentu.

Karakteristik antara torka dan kecepatan ditunjukkan oleh gambar a dibawah.

Karakteristiknya sama seperti motor induksi sangkar bajing, tapi perbedaan yang unik

adalah pada saat kecepatannya mendekati kecepatan sinkron maka akan tertarik dengan

sangat cepat. Pada keadaan ini, distribusi fluks dapat dilihat pada gambar 5.1.

Gambar 5.1. karakteristik antara torka dan kecepatan

162

Gambar 5.2. Distibusi fluks pada rotor kutup tonjol

Distribusi fluks dan pergerakan rotor berada pada kecepatan yang sama dan

fluks melintasi gap terkecil. ’Reluktansi ’ berarti keengganan melakukan sesuatu, dan

dalam persamaan elektromagnetik berarti rasistansi magnetic. Fulks magnetic adalah

reluktansi untuk melintasi air gap yang besar pada perpotongan, dalam kata lain air gap

yang besar mengandung reluktansi yang besar. Dimana flluks magnetic menunjukkan

kecenderungan untuk melintasi air gap yang terdekat. Prinsip ini berlaku pada saat

kutup tonjol rotor berputar pada kecepatan sinkron. Dengan catatan apabila rotor tidak

mempunyai konduktor sangkar bajing, maka tidak akan dapat berputar. Motor

reluktansi biasanya dipakai untuk peralatan pemutar pada player yang terdapat pada

komputer.

Motor reluktansi bekerja berdasarkan operasi torka reluktansi. Torka reluktansi

adalah torka yang diinduksikan pada besi dalam medan magnet eksternal, yang

mengakibatkan besi mengalami kenaikan medan magnet eksternal. Torka ini terjadi

karena medan eksternal menginduksikan medan megnet internal pada besi, dan torka

yang terjadi pada dua medan ini, memutar sekitar objek berurutan dengan medan

eksternal.

163

Dengan memperhatikan motor reluktnasi dasar seperti pada gambar 5.3 (a), yang

mana diasumsikan reluktansi magnetik adalah fungsi dari sudut posisi rotor denga

persamaan :

5.1

dan grafiknya diillustrasikan pada gambar 5.3(b)

Ggl induksi yang terbangkit pada belitan jika resistansinya diabaikan adalah:

5.2

dimana:

5.3

dan

5.4

Persamaan torka elektromagmetik sebagai fungsi fluks dan reluktansi:

5.5

Dengan mengsubsitusi persamaan 5.1 dan 5.3. ke persamaan 5.5. akan diperoleh:

5.6

direduksi menjadi:

5.7

Jika rotor diputar pada m rad/s sehingga posisinya:

164

Gambar 1.3. a Motor reluktansi dasar, b. grafik hubungan antara reluktansi dan pergeseran rotor

Gambar 5.3. (a) Bentuk dasar motor reluktansi, (b) Grafik hubungan antara reluktansi dan pergeseran rotor

= mt + 5.8

subsitusi persamaan 5.8 pada 5.7, menghasilkan :

5.9

dengan nilai rata-rata:

5.10

subsitusi persamaan 1.4. ke 1.0

5.11

Dengan menggunakan persamaan dan dengan menetapkan

Dan mensubsitusikannya pada persamaan 5.11. diperoleh:

5.12

Motor reluktansi biasanya distarting sebagai motor induksi dengan memasang

konduktor sangkar pada muka kutub rotornya. Rotor motor reluktansi konvensional

diperlihatpan pada gambar 5.4

165

Gambar 5.4. penampang rotor motor reluktansi: (a) rotor empat kutub sederhana, (b) rotor enam kutub

5.2. Motor stepper.

Motor step (stepper motor) merupakan bentuk motor serempak yang dirancang

untuk berputar sebesar beberapa derajat untuk setiap pulsa listrik yang diterima oleh

bagian pengaturnya. Contoh stepnya adalah 2, 2,5, 5, 7,5, dan 150 tiap pulsa. Motor step

dipergunakan pada sistem pengaturan digital, di mana motor menerima perintah simpal-

terbuka berupa sederetan pulsa untuk memutar poros atau menggerakkan suatu

lempengan dan suatu jarak tertentu. Contoh penerapan motor tersebut adalah untuk

menempatkan suatu meja-kerja dalam dua dimensi untuk pengeboran otomatis

mengikuti perintah-perintah kedudukan-lubang pada pita. Dengan motor step, suatu

sensor kedudukan dan sistem umpan-balik biasanya tidak diperlukan agar anggota

keluaran mengikuti perintah-perintah masukan. Motor step dibuat agar dapat mengikuti

sinyal pada kecepatan sampai dengan 1200 pulsa tiap detik dan dengan ukuran daya

yang setara sampai dengan beberapa daya kuda.

Biasanya motor step dirancang dengan suatu lilitan stator fasa-banyak, kutub-

banyak, yang tidak tak-seperti lilitan pada mesin konvensional. Umumnya

menggunakan lilitan 3- dan 4-fasa, jumlah kutubnya ditentukan oleh perubahan sudut

yang diperlukan tiap pulsa masukan. Rotornya dapat berupa jenis reluktansi-variabel

atau magnit-permanen. Motor step bekerja dengan rangkaian logika penggerak luar;

pada saat deretan pulsa diberikan pada masukan rangkaian penggerak, rangkaian

tersebut memberikan arus yang cukup pada lilitan stator dan motor, agar sumbu medan

Celah-udara bergerak bersamaan dengan ptjlsa masukan. Tergantung pada laju pulsa

dan momen-kakas beban, termasuk pengaruh kelembaman, rotor mengikuti sumbu

medan magnetis celah-udara berdasarkan momen-kakas reluktansi dan/atau momen

kakas magnit-permanen.

Dasar cara kerja suatu motor step 4-fasa dengan suatu rotor 2-kutub ditunjukkan

pada Gambar 5-5. Rotornya dapat berupa ferro-magnetik atau magnit permanen. Rotor

mengikuti sudut = 0,45, 900, … pada saat lilitan diteral sesuai urutan Na, Na + Nb,

Nb, … Motor step pada Gambar 5-5 dapat juga dipergunakan untuk step 900 dengan

meneral hanya satu kumparan saja. Pada hal yang terakhir, hanya dapat menggunakan

rotor magnit permanen. Kurva sudut-momen kakas untuk kedua jenis rotor

diperlihatkan pada Gambar 5-6, pada saat rotor magnit-permanen inencapai momen-

kakas puncak ketika peneralan beringsut 90o, rotor ferromagnetik mempunyai momen-

kakas nol dan dapat bergerak ke arah inana saja. Rotor magnit-permanen mempunyai

166

penampilan lebih yaitu kedudukan rotornya ditentukan oleh arus lilitan tanpa

keraguan, sedangkan rotor feromagnetik mempunyai dua kemungkinan kedudukan bagi

setiap pola aruslilitan. Pola lilitan dapat digambarkan untuk step-step sebesar 22,50,

11,250, dan lebih kecil lagi, setiap pulsa pada rangkaian masukan. Untuk memperoleh

sudut step yang relatif kecil, dapat dipergunakan suatu konstruksi diferensial, seperti

terlihat pada Gambar 5-7. Stator mempunyai lilitan 2-fasa, sedangkan rotornya

mempunyai lima buah kutub tonjol

167

Gambar 5-5 Diagram dasar motor step 4-fasa

Gambar 5.6 Kurva perubahan torka untuk pola lilitan motor step dari gambar 5-7: (a) Rotor magnet permanen, (b) rotor variabel reluktans

Kedudukan yang diperlihatkan tersebut adalah untuk arus pada hutan Na. Apabila

sekarang arus dipindahkan ke hilitan Nb, rotor akan berputar dengan sudut 0 = 900 —

720 = 180 untuk meluruskan kutub 2 dengan sumbu Nb. Rotornya dapat berupa

feromagnetik atau dapat menggunakan konstruksi magnit-permanen. Magnit permanen

biasanya ditempatkan pada kedudukan sumbu seperti tampak pada Gambar 5-8 dengan

lempengan ujung fereomagnetik membentuk kutub-kutubnya. Konstruksi demikian

cenderung untuk mengurangi momen-kakas reluktansi dan membuat motor memberikan

tanggapan yang halus terhadap arus hilitan. Disamping itu juga memberikan beban

magnetis seragam pada bahan magnit-permanen.

Karakteristik motor step biasanya dinyatakan sebagai momen-kakas terhadap laju

step dan pulsa yang diberikan pada bagian penggerak, seperti pada Gambar 5-8. Pada

saat laju step meningkat, motor dapat memberikan momen-kakas yang lebih kecil

karena rotor mempunyai waktu yang lebih pendek untuk menggerakkan beban dan satu

kedudukan ke kedudukan berikutnya ketika pola arus-lilitan stator beringsut. Rentang

saat dihidupkan pada Gambar 5-9 merupakan daerah di mana kedudukan beban

mengikuti pulsa-pulsa tanpa kehilangan step. Rentang “slew” adalah daerah di mana

kecepatan beban mengikuti laju pulsa tanpa kehilangan step tetapi tidak dapat

dihidupkan, dihentikan atau dibalik arahnya bila diperintahkan. Titik momen-kakas

maksimum adalah momen-kakas bertahan maksimum dan motor yang diteral pada suatu

beb~an mantap. Pada beban ringan, laju slew maksimum dapat mencapai sebesar 10

kali laju tanggapan kedudukan.

Keuntungan dan motor step adalah ukurannya yang lebih kecil dan harga dan

168

Gambar 5-8. Penampang motor step untuk operasi deferensial

bagian penggerak-motor yang lebih rendah dibandingkan dengan bagian yang sama dan

sistem kedudukan sebanding atau sistem servo kecepatan. Contoh motor step reluktansi

variabel yang bekerja pada step yang kecil, 150 atau lebih kecil, atau pada laju

tanggapan kedudukan maksimum sampai dengan 1200 pulsa tiap detik. Contoh berjenis

magnit-permanen bekerja pada step yang lebih besar, sampai dengan 900, dan pada Iaju

tanggapan maksimum sebesar 300 pulsa tiap detik. Penerapan di antaranya adalah untuk

menempatkan meja bagi peralatan mesin, mesin-cetak baris, penggerak pita rekainan,

penggerak pena perekam, plotter X — Y ; motor step yang sangat kecil dipergunakan

sebagai penggerak kertas cetak pada kalkulator tangan.

169

Gambar 5-9 : Rotor motor step dengan magnet permanen menyumbu

Gambar 5-10: Karakteristik torka motor step terhadap laju pulsa

5.2.1. Motor Stepper single track.

Motor Steper single track untuk 4 fase stepper dua kutub diperlihatkan pada

gambar 5. 11 dan langkah kerja motor stepper single track untuk 4 fase dapat dilihat

pada gambar 5.12.

.

(a)

(b)

( c)

170

Gambar 5.12 : Langkah kerja motor step dari gambar 5-5.

Gambar 5-11 : Model dasar motor stepper 4 phasa dua kutub

Pada Gambar 5-12 menerangkan mode operasi untuk 450 Step dengan arah

searah jarum jam dimana belitan diberikan energi A, A+B, B, B+C.Ketika Belitan A

dieksitasi rotor berada pada phasa A, kemudian bila belitan A dan B dieksitasi

menyebabkan rotor bergerak 450 searah jarum jam, kemudian berpindah 450 untuk

eksitasi B dan arah putaran dibalik dengan membalik arah switch komponen yaitu A,

A+D, D, D+C.

Gambar 5-13 memperlihatkan motor stepper dua kutub tiga phasa dengan tiga

mode operasi seperti ditunjukkan tabel 5-1 (a), (b), (c).

Tabel 5-1: mode opeasi motor step dalam gambar 5-13(a)

Ia Ib Ic + 0 0 00 + 0 600 0 + 120+ 0 0 180

(b)

Ia Ib Ic

+ + 0 300 + + 90+ 0 + 150+ + 0 210

171

Gambar 5-13 : Motor step 3 fasa 2 kutub

(c)Ia Ib Ic  + 0 0 0+ + 0 300 + 0 600 + + 900 0 + 120+ 0 + 150+ 0 0 180

Motor stepper variabel reluktansi bekerja pada langkah yang kecil,150 atau lebih

kecil,atau pada laju tanggapan kedudukan maksimum sampai dengan 1200 pulsa pulsa

tiap detik .

5.2.2. Motor Stepper Multi Stack:

Model-model motor reluktansi multi stack diperlihatkan pada gambar 5-14.

Belitan stator untuk membangkitkan medan lilit melintang (konsentris ) terhadap sumbu

motor, ketiga belitan ini disuplai dari sumber tiga pulsa atau tiga fasa. Biasanya

digunakan untuk step yang lebih halus. Bila x adalah jumlah gerigi rotor per stack,

maka jarak antara pusat gerigi adalah:

=

dan jika N jumlah stack maka jarak yang ditempu setiap stepnya adalah:

dan jumlah step perputaran adalah:

Gambar rangkaian Motor step variabel reluktansi tiga stack dapat dilihat pada

gambar 3. 14.

Gambar 5-14 : Motor step variabel reluktansi tiga stack,

172

Gambar 5.15 : Penampang model lain motor variabel reluktansi multi stack step 12 gerigi dengan 3 gerigi perkutub

Jika motor step seperti gambar 5-16(b) terdiri dari 3 stack dan mempunyai jarak

gerigi = , jarak langkah ( ) dan jumlah langkah perputaran (n) adalah:

n=

5.2.3. Motor Stepper Magnet Permanent rotor silinder

Motor stepper magnet permanent mempunyai rotor yang dibuat dari magnet

permanen. Salah satu model dasar motor step magnet permanen dimana rotor dibuat

dari bahan meganet permanen berbentuk silinder diperlihatkan pada gambar 5-16.

Motor ini memiliki dua kutub rotor dan statornya supply dua phasa.Aksi stepper

diberikan oleh switching arus ia dan ib. Motor stepper magnet permanent ini

mempunyai konstruksi stator hampir sama dengan tipe variable reluctance tapi rotornya

terbuat dari bahan magnet permanent. Motor Stepper magnit permanent bekerja pada

langkah yang lebih besar, sampai dengan 900 dan pada laju tanggapan maksimum

sebesar 300 pulsa tiap detik.

Aksi stepper motor step dalam gambar 5-15 diberikan melalui switching arus ia

dan ib. Terdapat tiga mode operasi seperti diberikan dalam tabel 5-2 untuk

menghasilkan putaran yang searah jarum jam.

173

Perbandingan torka motor step variabel reluktansi sederhana dan motor step magnet

permanen rotor silinder sederhana diperlihatkan pada gambar 16 .

Tabel 5-2 mode operasi motor step dari gambar 5-15(a)

Ia Ib + 0 00 + 90- 0 1800 - 270+ 0 0

(b)Ia Ib + + 45- + 135- - 225+ - 315+ + 45

174

Gambar 5-15 : Motor step magnet permanen

U

S

(b)

(a)

T

( c) Ia Ib + 0 0+ + 450 + 90- + 135- 0 180- - 2250 - 270+ - 315+ 0 0

Gambar 5-16 : (a) motor step magnet permanen, (b) torkanya

5.2.4. Motor Stepper Magnet Permanent rotor piringan

Struktur rotor piringan dimaksudkan untuk mengurangi inersia, model dasar

motor ini seperti yang diilustrasikan pada gambar 5-17. Struktur piringan dapat juga

digunakan untuk rotor magnet permanen sebuah motor stepper. Inersia rotasinya

tidaklah begitu rendah, karena terbuat dari bahan yang eksotis yang lebih berat dari

gelas optik. Namun, jumlah kutub (segmen) magnetiknya dapat lebih banyak karena

motor ini bukan salient. Setiap segmen magnetik permanen adalah utara pada salah satu

sisi piringan dan selatan pada sisi yang lain.

Celah segmen adalah sedemikian hingga ketika segmen piringan sejajar dengan

kutub stator A pada bagian atas, celah netral sejajar dengan kutub stator B pada bagian

bawah. Oleh kerena itu, dengan switch-OFF salah satu kumparan kutub stator dan

secara simultan switch-ON kumparan kutub yang lain, piringan rotor akan bergerak

(step) pada jarak antara tempat netral dan kutub rotor.

175

Gambar 5-17 : (a) Motor step magnet permanen rotor piringan, (b) urutan penyalaan transistor

Jika jumlah segmen rotor adalah 100, jarak angular antar kutub adalah 3,60. oleh

karena sudut step adalah setengah dari 3,60, atau 1,80, karenanya rotor berpindah antara

kutub dan daerah netral terdekat.

Gambar 3-17 (b) menunjukkan urutan pensaklaran transistor untuk kedua arah

gerakan. Jika QA1 ON menyebabkan kutub stator A menjadi selatan pada sisi depan pada

piringan dan utara pada sisi belakang. QA2 membalikan polaritas magnetic tersebut. QB1

ON menyebabkan kutub stator B menjadi utara pada sisi depan dan selatan pada sisi

belakang. QB2 membalikan polaritas magnetik tersebut.

Dengan meng-energize kedua kumparan A dan B secara simultan dapat

memungkinkan untuk memperoleh setengah step dengan sebuah motor stepper magnet

permanen piringan.

5.2.5. Motor step tipe hybrid

Motor stepper hybrid merupakan suatu kombinasi dari motor stepper magnet-

permanen dan motor stepper variable reluktance seperti pada gambar 5-18 berikut ini.

Gambar 5-18. Motor stepper tipe hybrid

Motor stepper tipe hybrid ini terdiri atas dua atau lebih stack dimana setiap stack

terdiri atas sebuah rotor dan sebuah stator yang bergigi. Gigi-gigi dari stator diberi

lilitan fase. Antara kedua stack terdapat sebuah magnet permanen. Keistimewaan dari

motor stepper tipe hybrid ini adalah efisiensi yang tinggi dan sudut step yang kecil.

Konstruksi kedua stack motor stepper ini identik, tetapi bila gigi-gigi kedua

statornya segaris, gigi-gigi kedua rotornya diberi sudut indeks ½ Pr (Pr = tooth pitch

rotor). Lilitan-lilitan fase stator terbagi atas kutub-kutub stator dari masing-masing fase.

Magnet permanen antara kedua rotor memagnetisasi kedua rotor menjadi kutub utara

176

(N) dan kutub selatan (S). Arah fluks magnetik dalam masing-masing kutub stator

ditentukan oleh arah magnetisasi kutub-kutub ini, yang pada gilirannya ditentukan oleh

arah arus fasenya.

Untuk membalikkan arah magnetisasi kutub-kutub stator, dapat digunakan dua

cara, yaitu :

1) dengan membalikkan arah arus fasenya dengan menggunakan dua catu daya

(bipolar drive).

2) Menggunakan dua kumparan fase yang arah lilitannya dibuat berlawanan,

sehingga dapat digunakan satu catu daya saja (unipolar drive).

Pada bipolar drive, kumparan-kumparan fase stator terdiri atas satu kawat sehingga

untuk membalik arah putaran magnetisasinya, arah arusnya harus dibalik. Karena itu

diperlukan dua catu daya. Sedangkan dengan unipolar drive, masing-masing kumparan

fase stator terdiri atas dua kawat yang dililitkan berlawanan arah. Jadi untuk

membalikkan arah magnetisasinya tidak perlu membalik arah arusnya, tetapi arus yang

sama cukup dipindahkan kelilitan yang lain, sehingga dapat digunakan satu catu daya

saja.

Rangkaian kontrol untuk mengendalikan motor stepper tipe hybrid ini hampir

sama dengan rangkaian kontrol pada motor stepper tipe variable-reluctance seperti

gambar 3-19. Perbedaanya hanya pada struktur kumparan motornya saja.

Gambar 5-19. Kontrol motor stepper tipe hybrid

Walaupun demikian karena bebannya merupakan beban induktif maka selalu

ada tegangan spike yang muncul ketika saklar terbuka. Oleh sebab itu perlu

penambahan dioda yang terpasang paralel dengan kumparan motor stepper seperti

terlihat pada gambar 5.20.

177

Gambar 5-20. Spike Voltage Reducer untuk Motor Stepper Unipolar

Dua buah dioda tambahan diperlukan karena kumparan motor bukanlah

kumparan yang independen, tetapi sebuah kumparan yang mempunyai tap di tengah-

tengah kumparan seperti struktur pada autotransformer. Ketika salah satu saklar dibuka,

maka tegangan spike muncul di kedua ujung kumparan motor tersebut dan di clamp

oleh dua buah dioda ke suplai motor. Tetapi jika salah satu ujung kumparan motor

tersebut tidak floating terhadap suplai motor, maka tegangan spike ini akan lebih negatif

daripada referensi ground. Jika saklar yang digunakan berupa relay, kondisi ini bukan

menjadi masalah. Kondisi ini baru menjadi masalah ketika saklar yang digunakan

adalah saklar semikonduktor seperti transistor atau FET. Untuk membatasi level

tegangan spike dapat pula digunakan kapasitor yang terpasang seperti gambar 5-21.

Gambar 5-21. Pemberian Kapasitor Pembatas Tegangan Spike

178

Ada juga motor stepper tipe hybrid linier dan planar. Kita dapat menjelaskan

prinsip dari hybrid mechanism dengan referensi pada suatu motor stepper tipe hybrid

linier sederhana pada tipe yang diperlihatkan pada gambar 5-22, yang dikenal sebagai

motor linier sawyer. Motor yang disebut ‘slider’, terdiri atas suatu magnet permanen

dan dua elektromagnet A dan B. Fluks magnetik bersama dengan magnet permanen

membentuk suatu lintasan tertutup melewati inti elektromagnet A, celah udara, inti

stator, kembali melewati celah udara, dan elektromagnet B.

Gambar 5-22. Prinsip motor stepper tipe hybrid linier

179

Tidak adanya arus dalam kumparan menyebabkan fluks mengalir melewati

kedua inti gigi seperti yang diperlihatkan dalam elektromagnet B pada gambar 5-22(a)

atau 5-22(c). Bila kumparan di eksitasi, bagaimanapun fluks terkonsentrasi pada satu

gigi seperti yang diperlihatkan dalam elektromagnet A pada gambar 5-22(a). Ini

menyebabkan kerapatan fluks dalam gigi ini menuju maksimum, sementara itu dalam

gigi lainnya dapat diabaikan.

Sekarang, pada gambar 5-22(a), gigi 1 elektromagnet A sejajar dengan salah

satu gigi stator. Bila arus diberikan ke kumparan B dalam arah seperti yang

diperlihatkan pada gambar 5-22 (b), slider akan bergerak ke kanan seperempat pitch

menyebabkan gigi 4 sejajar dengan salah satu gigi stator. Elektromagnet B kemudian

dihilangkan muatan/energinya dan elektromagnet A dieksitasi dengan polaritas yang

berlawanan dari sebelumnya. Hal Ini menghasilkan suatu daya yang menyebabkan gigi

2 pada elektromagnet A sejajar dengan salah satu gigi stator seperti yang terlihat pada

gambar 5-22 (c). Untuk menggerakkan slider selanjutnya pada arah yang sama,

kumparan A dihilangkan muatan/energinya dan kumparan B dieksitasi dengan

polaritas yang berlawanan dari sebelumnya. Langkah ini diperlihatkan seperti pada

gambar 5-22.(d).

5.3. motor Linier induksi

Dengan memahami prinsip kerja motor induksi konvensional yang bergerak

secara rotasi, dapat dibayangkan bagaimana kalau bagian stator dibuat/disusun datar.

Penyusunan mendatar bagian stator tetap akan memberikan gelombang medan berjalan,

bedanya dengan motor induksi konvensinal adalah dengan menyusun mendatar stator

akan memberikan pergerakan gelombang medan yang linier bukan rotasi. Stator datar

menghasilkan medan yang bergerak pada kecepatan konstan dalam garis lurus. Kita

dapat membuktikan bahwa fluks yang melintas pada kecepatan linier sinkron diberikan

oleh :

5.13

dimana :

vs = kecepatan linier sinkron ( m/s )

w = lebar dari satu pole-pitch

f = frekuensi ( Hz )

Catatan bahwa kecepatan linier tidak tergantung pada jumlah kutub tapi hanya

tergantung pada pole-pitch. Karena itu, memungkinkan untuk sebuah stator linier 2-

180

kutub untuk menghasilkan medan bergerak pada kecepatan sama seperti pada stator

linier 6-kutub ( katakan ), jika keduanya mempunyai pole-pitch yang sama.

Bila sebuah belitan sangkar bajing flat didekatkan dengan stator flat, medan

berjalan akan membawa sangkar bajing disepanjangnya. Dalam praktek, umumnya kita

menggunakan plat aluminium atau tembaga sebagai rotor. Lebih lanjut, untuk

menaikkan daya dan untuk mengurangi reluktansi dari lintasan magnetik, dua stator flat

biasanya disusun berhadap-hadapan, pada sisi berlawanan dari plat aluminium.

Kombinasi ini disebut liniear induction motor / LIM ( motor induksi linier ). Arah dari

motor dapat dibalik dengan cara menukar catuan dua stator.

Sifat dari motor induksi linier hampir sama dengan motor induksi rotasi standar.

Persamaan untuk slip, daya dorong, daya, dan sebagainya juga sama.

1. Slip. Slip didefinisikan sebagai :

5.14

Dimana :

s = slip

vs = kecepatan linier sinkron ( m/s )

v = kecepatan rotor ( atau stator ) ( m/s )

2. Aliran daya aktif. Aliran daya reaktif motor linier sama dengan motor rotasi, kecuali

bahwa stator dan rotornya flat.

5.15

Dimana :

= efisiensi

PL = Daya mekanik pada beban ( W )

Pe = Daya stator ( W )

Pjr = Rugi-rugi rotor ( W )

Pr = Daya rotor ( W )

Pm = Daya mekanik ( W )

3. Daya dorong. Daya dorong yang dihasilkan motor linier adalah :

181

5.16

Dimana :

F = Daya dorong ( N )

Pr = Daya yang ditransmisikan rotor ( W )

vs = Kecepatan linier sinkron ( m/s )

5.3.1. Perkembangan dan Aplikasi Motor Linier Induksi

Nasar dan Boldea ( 1987 ) menjelaskan bahwa motor listrik rotasi telah

digunakan lebih dari 150 tahun dan memiliki aplikasi hampir dimana saja. Sehubungan

dengan motor listrik rotasi, konsep motor linier masih statis perkembangannya selama

beberapa abad. Desain dan aplikasi motor linier jauh ketinggalan. Motor linier masih

terpaku pada aplikasi kecepatan rendah dan tidak efisien. Sejak tahun 1960-an teknologi

kembali hidup dengan riset dan eksperimen. Konsep motor linier sederhana secara

visual dijelas pada gambar 5-23, dengan membandingkan antara motor listrik linier dan

motor listrik rotasi.

Konsep ini mudah dipahami bila kita membayangkan sebuah motor listrik rotasi

dengan tutup luar dibuka. Bila kita pertama membuka armatur rotasi dan poros, yang

tertingal adalah selubung stator, kemudian dibentangkan secara memanjang seperti

gambar 5-24, akan menghasilkan sebuah stator motor linier. Sekarang bayangkan poros

armatur yang dibelah dan dibentang memanjang, maka akan didapatkan rotor dalam hal

182

Gambar 5.23 Konsep dasar motor induksi linier

ini bagian yang bergerak secara linier pada motor linier. Fungsi motor sekarang berubah

dari penghasil gerak rotasi menjadi penghasil gerak linier. Secara histori, aplikasi mesin

dengan gerak linier dikembangkan dari konversi gerak rotasi ke gerak linier, gambar

5-24 dan 5-25 menggambarkan beberapa cara konversi gerak rotasi ke gerak linier

Cara konvensional pertama pada gambar 5-24 menunjukkan konversi rotasi ke

linier menggunakan batang sekrup dan baut. Motor memutar batang sekrup dalam baut

yang didempetkan dengan komponen luncur. Cara ini memiliki keuntungan mekanik

tapi setiap bagian gerakan akan kehilangan keakuratan posisi. Ilustrasi kedua

menggambarkan sistem penggerak rantai sederhana, motor rotasi mentrasnfer daya

gerak / mekanik ke dalam kotak gerigi ( gear box ) yang mengurangi RPM pada bagian

luar gear box dan menggerakan sebuah roda gigi dan rantai yang ditempelkan pada

komponen luncur. Sistem penggerak rantai memiliki banyak bagian gerakan dan sukar

untuk mengkontrol keakuratan posisi. Cara ketiga untuk mendapatkan konversi rotasi ke

linier adalah menggunakan rak bergerigi dan roda gigi seperti gambar 5. 24.

Gambar 5.24 . Cara konvensional mendapatkan gerak linier dari gerak rotasi;

menggunakan batang sekrup dan baut

183

Gambar 5.25 . Cara konvensional mendapatkan gerak linier dari gerak rotasi; menggunakan rak bergerigi dan roda gigi

Seperti pada sistem pengerak rantai motor rotasi mentransfer daya gerak /

mekanik dalam gear box, roda gigi yang berotasi akan menggerakan rak gerigi yang

menempel pada komponen luncur. Salah satu aplikasi terbaru dari motor induksi linier

seperti ditujukkan dalam gambar 5-26, merupakan mesin peluncur pesawat Nasar dan

Boldea ( 1987 ). Peluncur mampu mendorong pesawat jet seberat 10.000-lbs dari

keadaan diam menuju kecepatan 188 knots sejauh 540 feet. Versi modern protipe ini

mampu melontarkan pesawat lebih dari 100.000-lbs dengan kecepatan 200 knots sejauh

330 feet, Lynch ( 1995, Oct. ).

184

Gambar 5-26. Aplikasi motor induksi linier dalam peluncuran pesawat

Gambar 5-27. Aplikasi motor induksi linier dalam simulator tabrakan mobil

Simulator tabrakan mobil menggunakan motor linier untuk mendorong

kendaraan menuju tembok penghalang ditunjukkan dalam gambar 5-27. Karena

kemampuannya amat akurat memberi percepatan massa yang besar dalam jarak yang

pendek, simulasi tes tabrakan mobil ini tetap sama baik diluar maupun didalam ruangan.

Aplikasi lain dari motor induksi linier adalah sebagai peluncur peluru kendali

seperti pada gambar 5.28.

Perkembangan terbaru pada LIM juga dilakukan pada EPFL ( Ecole Polytechnique

Federale de Lausanne ) sekitar tahun 60-an dan 70-an. Hasil praktek diverifikasi tanpa

menggunakan konverter elektronika daya dan kontrol. Hal yang sama pada aplikasi

LIM terbaru, motor ( LIM ) disuplai dengan tegangan variabel dan frekuensi variabel,

tegangan dan frekuensi variabel ini didapat dari inverter PWM IGBT yang disuplai dari

185

dioda penyearah dari jaringan bolak-balik ( AC ). Rangkaian dayanya seperti yang

terlihat pada gambar 5-29 :

Gambar 5-28. Aplikasi motor induksi linier dalam peluncuran peluru kendali

Gambar 5-29. Suplai daya LIM.

186

LIM yang digunakan pada rangkaian gambar 6-6 adalah motor induksi linier tiga

phasa dengan induktor ganda. Belitan dan koneksi pada stator diperlihatkan pada

gambar 5-30:

Gambar 5-30. Skema belitan stator.

5.3.2. Konsep Seraphim ( Segmented Rail Phased Induction Motor )

Selain itu pada Sandia National Laboratories juga dikembangkan motor induksi

linier pulsa untuk kereta api kecepatan tinggi dengan menggunakan konsep SERAPHIM

( Segmented Rail Phased Induction Motor ). Konsep SERAPHIM merupakan konsep

motor induksi linier yang menggunakan pulsa-cepat medan magnetik dan reaksi segmen

rel, sebagai lawan dari medan frekuensi rendah dan reaksi rel kontinu seperti yang

ditemukan pada motor induksi linier konvensional. Pada konsep SERAPHIM, koil pada

kendaraan melawan rel segmen aluminium lihat gambar 5.31(a) dan (b), yang terletak

melintang pada rel.

Eksperimen dilakukan untuk mendemonstrasikan kemungkinan motor induksi pulsa dan

mengumpulkan data yang dibutuhkan untuk perhitungan skala. Sebuah Plat aluminium

14,4 Kg diberi percepatan pada lintasan sepanjang 4 m dengan kecepatan lebih dari 15

m/s ( 33 mph ) dengan puncak daya dorong lebih dari 18 kN ( 4040 pounds force ) per

set koil. Untuk kereta berkecepatan 200 mph, Konsep desain SERAPHIM didasarkan

pada koil dengan kemampuan masing-masingnya menghasilkan daya dorong diatas 3,5

kN, dan 30 pasang koil ditempelkan pada mobil daya. Dua mobil daya, tiap-tiap ujung

dari kereta menyediakan daya 6 MW ( 8.000 hp ) dari dua unit daya utama turbi gas.

Daya dorong sekitar 210.000 N ( 47.100 pounds force ) dan konstan pada kecepatan 200

187

km/hr ( 120 mph ). Komponen utama dari konsep SERAPHIM adalah penggunaan roda

pasif pada rel pendukung untuk kendaraan kecepatan tinggi. Konsep kereta SERAPHIM

diperlihatkan pada gambar 5-31 :

Gambar 5-30: (a) Pasangan koil menbentang pada plat aluminium dan tolakan yang

dihasilkan, (b) Arus berdenyut seiring koil meninggalkan plat

188

(a)

(b)

Gambar 5-31. Konsep kereta SERAPHIM, plat reaksi horizontal ditempatkan antara rel

besi.Suplai daya LIM.

Gambar 5-32 menunjukkan rangkaian dari distribusi daya, koil set, dan rel reaksi.

Koil-koil tiap-tiapnya mampu menghasilkan daya dorong 3,5 kN, dan 30 pasang koil

ditempelkan pada setiap mobil daya. Dua mobil daya, satu pada tiap ujung kereta,

menyediakan daya 6 MW ( untuk satu mobil daya ).

Modulator daya menghasilkan pulsa daya ke koil ketika koil sejajar dengan

segmen plat. Rangkaian ini menunjukkan penyalaan berurut A, B, C, D ketika kereta

bergerak diatas plat. Bila modul-modul individu dinyalakan pada frekuensi f, maka

frekuensi efektif untuk motor adalah 4f. Demonstrasi pendorong SERAPHIM

dipercepat plat aluminium dengan koil pulsa tetap ditunjukkan dalam gambar 5-33.

189

Gambar 5.32. Demonstrasi pendorong SERAPHIM dipercepat plat aluminium dengan

koil pulsa tetap

Rangkaian penggerak yang ditampilkan lebih cocok dengan motor SERAPHIM

diilustrasikan pada gambar 5-33. Rangkaian ini pada dasarnya adalah sebuah modulator

pulsa membangkitkan rentetan pulsa arus tinggi yang dibutuhkan menyalakan koil

penggerak dan dapat dioperasikan pada nilai pulsa variabel berulang kontinu dari pulsa

tunggal yang mendekati 500 Hz. Daya utama disuplai oleh sebuah generator DC atau

sebuah alternator AC / penyearah.

190

Gambar 5-32. Rangkaian daya SERAPHIM

Keuntungan utama dari modulator adalah bahwa modulator ini dapat

menyediakan energi pulih mengikuti tiap-tiap pulsa. Energi tidak akan hilang menjadi

panas atau dikonversikan menjadi gerakan oleh koil dan reaksi plat dikembalikan ke

kapasitor penyimpan Csn selama setengah siklus dan diperangkap oleh dioda anti-paralel

Dsn pada polaritas asal dari Csn ketika arus menuju nol. Bentuk arus dan tegangan dari

rangkaian modulator seperti gambar 5.34.

191

Gambar 5-33. Rangkaian penggerak SERAPHIM.

(a)

(b)

Gambar 5.34. Bentuk gelombang tegangan dan arus dari rangkaian modulator: (a) arus,

(b) tegangan

192

5.4..motor histerisis

Stator motor histerisis berupa belitan utama dan belitan bantu yang terhubung

dengan kapasitor secara permanen untuk mengeser fasa arus sebabesar 900. Kapasitor

dipilih sedemikian sehingga menghasilkan dua fasa seimbang. Rotor berupa silinder

padat rata dari bahan baja keras (yang mempunyai rugi histerisis yang besar) dan tidak

terdapat belitan atau batang tembaga. Kedua belitan stator didistribusikan hingga dapat

menghasilkan gelombang medan berjalan yang menghampiri sinusoidal dalam ruang,

agar rugi inti oleh harmonik gelombang medan dapat direduksi.

Phenomena histerisis menyebabkan magnetisasi rotor terlambat di belakang

gelombang mmf yang dihasilkan stator. Konsekuensinya, fluks rotor terlambat dengan

sudut terhadap sumbu mmf stator. Gambar 5.35 (a) memperlihatkan kondisi fluks

medan pada saat operasi. Sudut disebut kebergantungan histerisis, cenderung konstan

pada semua kecepatan rotor. Oleh karena itu interaksi torka (torka histerisis) antara

medan stator dan rotor juga konstan pada semua kecepatan ( lihat gambar 5.35 (b)). Di

bawah pengaruh torka histerisis, rotor secara perlahan-lahan dipercepat hingga

mencapai kecepatan sinkron. Ini berbeda dengan phenomena motor reluktansi ketika dia

sinkron.

Gambar 5.35 : (a) Fluks magnetik dalam motor histerisis,(b) Torka histerisis vs kecepatan

Kekonstanan torka histerisis dapat dilihat dari penurunan persamaan berikut:

5.17

dimana B = kerapatan fluks maksimum, f2 = sf = frekuensi rotor

193

Daya melintas celah udara 5.18

Torka terbangkit 5.19

= konstan 5.20

Komponen torka lain adalah yang menghasilkan eddy-current yang terjadi secara

simultan. Ini dapat diturunkan seperti berikut:

5.21

5.22

Seperti yang ditunjukkan dalam persamaan 7.6, torka eddy current bergantung pad slip,

torka ini akan sangat berperan pada saat star dan akan hilang ketika motor sudah

sinkron. Torka eddy current memberikan torka starting yang baik bagi motor ini.

Motor histerisis mempunyai noise yang lebih rendah dibanding dengan motor

induksi satu fasa. Ini disebabkan karena operasi pada satu kecepatan (sinkron) dan

keseimbangan fasa dari dua fasa hampir tidak ada gangguan. Pengoperasian pada

beberapa kecepatan dapat dilakukan dengan merubah jumlah kutub belitan stator.

Kelebihan motor ini karena memiliki torka starting yang baik sehingga cocok digunakan

untuk akselerasi beban dengan berinersial besar..

.

194