DASAR MESIN DC

Konstruksi Mesin DC

Konstruksi fisik mesin DC terdiri atas dua bagian yaitu bagian yang

berputar disebut rotor dan bagian yang stasioner disebut stator. Bagian stasioner

mesin tersusun atas rangka (frame) yang menyediakan dukungan fisik, dan

batangan kutub yangt berfungsi menyediakan lintasan fluks magnet pada mesin.

Ujung dari batang kutub yang berada dekat permukaan rotor disebut sepatu kutub.

Permukaan luar pada sepatu kutub disebut ”pole face”, jarak antara pole face

dengan rotor disebut “air gap”.

Pada mesin DC terdapat dua kumparan yaitu kumparan jangkar dan

kumparan medan. Kumparan jangkar didefinisikan sebagai kumparan dimana

tegangan diinduksikan, dan kumparan medan adalah kumparan yang

menghasilkan medan magnet utama pada mesin. Pada mesin DC normal,

kumparan jangkar terletak di rotor dan kumparan medan pada stator.

Kutub utama mesin DC terbuat dari material yang dilaminasi, kutub pada

mesin DC dinamakan kutub “salient” oleh karena bentuknya yang menonjol ke

luar dari permukaan stator. Kutub interpole diletakkan diantara medan utama.

Rotor pada mesin DC tersusun atas batangan baja dengan inti dibentuk

diatasnya. Inti rotor tersusun atas banyak laminasi dari lempengan baja, dengan

“notch” di sepanjang permukaan luarnya untuk meletakkan kumparan jangkar.

Komutator dipasang pada batang (shaft) rotor pada salah satu ujung inti rotor.

Belitan jangkar dipasangkan di dalam slot pada inti dan ujung-ujungnya

dihubungkan ke segmen komutator.

Gambar 3.1 Konstruksi mesin DC (a) Penampang Mesin (b) Konstruksi kutub

Komutator dan Sikat

Komutator pada mesin DC umumnya dibuat dari batangan tembaga yang

diisolasi dengan bahan tipe mika. Batangan tembaga dibuat cukup tebal untuk

memungkinkan penggunaan normal hingga masa life time motor. Sikat pada

mesin terbuat dari karbon, graphite, metal graphite atau campuran karbon dan

graphite. Karbon mempunyai konduktivitas tinggi untuk mengurangi rugi-rugi

elektrik dan mempunyai koefisien gesekan rendah untuk mengurangi penggunaan

berlebih. Sikat dibuat dari material lebih lunak daripada material pada segmen

komutator, sehingga permukaan komutator akan aus lebih sedikit. Pemilihan

tingkat kekerasan sikat harus dikompromikan, jika terlalu lunak maka sikat harus

sering diganti, jika terlalu keras maka permukaan komutator akan cepat rusak.

Gambar 3.2 Komutator

Prinsip Kerja Mesin DC

Gambar menunjukkan mesin DC sederhana dengan sebuah loop kawat

yang berputar pada sumbu tetap. Bagian yang berputar ini disebut rotor sedangkan

bagian yang stasioner dinamakan stator. Medan magnet mesin disuplai oleh kutub

magnet utara dan selatan pada stator.

Induksi Tegangan pada Kawat Berputar

Jika rotor mesin berputar, maka tegangan akan terinduksi pada kumparan

kawat. Tegangan induksi ini berubah-ubah arah setiap setengah putaran, sehingga

merupakan tegangan bolak-balik:

e = Emaks sin ω t

Untuk memperoleh tegangan searah, maka digunakan alat penyearah yang disebut

komutator dan sikat.

Besar tegangan yang dibangkitkan adalah sama dengan hasil perkalian

“product” fluks di dalam mesin dengan kecepatan putaran mesin dikalikan dengan

sebuah konstanta yang merepresentasikan konstruksi mekanik mesin.

Secara umum tegangan pada mesin dipengaruhi oleh tiga faktor yang sama

yaitu:

1. fluks di dalam mesin

2. kecepatan putaran

3. konstanta ynag merepresentasikan konstruksi mesin

Tegangan keluaran kumparan jangkar dalam prakteknya sama dengan

jumlah konduktor per jalur pararel dikalikan tegangan induksi pada masing-

masing konduktor. Tegangan pada satu konduktor adalah:

eind = v B l

Sehingga tegangan keluaran kumparan jangakar adalah:

alBvZ

Ea =

Dimana Z adalah jumlah keseluruhan konduktor dan a adalah jumlah jalur pararel

konduktor.

Kecepatan masin-masing konduktor pada rotor adalah v = r ω, sehingga:

alBrZ

Eaω

=

Fluks pada satu kutub adalah sama dengan rapat fluks dikalikan dengan luasan

yang dilingkupi, atau:

φ = B Ap

Sementara rotor mesin berbentuk silinder mempunyai luasan:

A =2 π r l

Jika ada P kutub pada mesin, maka area masin-masing kutub merupakan luasan

total A dibagi jumlah kutub P.

Plr

PAAp

π2==

Maka fluks total per kutub pada mesin adalah:

PlrB

AB pπ2

==Φ

Sehingga tegangan induksi pada mesin DC dinyatakan oleh:

aPZK

KEa

PZa

lBrZE

a

a

π

ω

ωπ

ω

2

2

=

Φ=

Φ=

=

ω adlah kecepatan sudut dengan satuan radius per detik. Jika kecepatan

dinyatakan dalam rpm, dimana ω = 2π /60 × n, maka besar tegangan induksi

adalah:

Ea = C φ n

Dengan aPZC

60=

Dimana:

φ = fluks pada mesin (weber)

n = kecepatan putaran

Z = jumlah konduktor

P = jumlah kutub

a = jumlah jalur pararel konduktor

C = konstanta

Induksi Torsi pada Kumparan Kawat

Misal sebuah batere dihubungkan pada mesin (kumparan jangkar),

sehingga susunan mesin menjadi seperti pada gambar, maka pada kawat akan

terinduksi torsi sehingga kawat akan bergerak (berputar) pada sumbunya. Besar

torsi yang dihasilkan merupakan perkalian antara fluks pada mesin dengan arus

mesin dan konstanta yang merepresentasikan konstruksi mesin jadi torsi pada

mesin tergantung pada:

1. fluks pada mesin (φ)

2. arus jangkar (Ia)

3. konstanta yang merepresentasikan konstruksi mesin (K)

Besar torsi induksi pada mesin DC dinyatakan oleh persamaan:

aind Ia

PZT Φ=

π2

atau Tind = K φ Ia

dengan a

PZKπ2

=

dimana Ia adalah arus jangkar pada mesin.

Komutasi pada Mesin DC

Komutasi merupakan proses pengubahan tegangan dan arus AC pada rotor

mesin Dc menjadi tegangan dan arus DC pada terminalnya. Apabila pada kedua

ujung kumparan dipasangkan cincin, tegangan yang keluar dari ujung kumparan

ini merupakan suatu gelombang sinusoid dengan setengah siklus negatifnya

dibalik menjaddi positif. Dengan demikian tegangan yang keluar meupakan suatu

tegangan searah.

Gambar , memperlihatkan saat-saat komutator berada dibawah sikat, yang

pada bidang netral (bidang yang tegak lurus terhadap sumbu fluks utama).

Gambar 3.2 Prinsip kerja komutator

Misalnya pada t = t0, “segmen komutator” tepat berimpit dengan sikat. Dan

misalkan ada dua jalan pararel dalam kumparan jangkar tersebut, sehingga arus

jangkar Ia yang mengalir pada masing-masing jalan pararel adalah Ia /2 dengan

arah seperti ynag ditunjukkan pada gambar. Dengan demikian arus yang mengalir

pada kumparan A = Ia /2 dan arahnya ke kanan. Jika arah perputaran jangkar

dimisalkan ke arah kanan (lihat gambar di atas), dan pada saat t = t1 sikat terletak

antara dua komutator dengan perbandingan 1:3 (lihat gambar b), maka distribusi

arus pada masing-masing komutator adalah Ia /4 pada komutator sebelah kiri, dan

3Ia /4 pada komutator sebelah kanan.

Dari Hukum Kirchoff untuk arus, kita dapatkan besar arus yang mengalir

pada kumparan A = Ia /4 dengan arah masih tetap ke kanan. Pada t = t2, sikat tepat

berada di tengah-tengah antara dua segmen komutator tersebut, maka terlihat

bahwa tidak ada arus ynag mengalir pada kumparan A (keadaan ini sma halnya

seperti ketika kumparan A tepat berada pada bidang netral). Pada t = t3, sikat

berada antara dua segmen komutator dengan perbandingan letak 1:3 (liaht gambar

d), di sini arus yang mengalir pada kumparan A = Ia /4, dengan arah arus terbalik

yaitu ke kiri. Akhirnya pada t = t4, sikat meniggalkan segmen komutator sebelah

kanan dan tepat berada pada segmen komutator sebelah kiri. Pada kumparan A

mengalir arus sebesar Ia /2 yang arahnya ke kiri.

Demikianlah dengan adanya arus yang berbalik arah dalam kumparan

jangkar yang berputar dalam medan magnet, dihasilkan tegangan induksi (ggl)

dengan bentuk gelombang seperti terlihat pada gambar:

Gambar 3.3 Bentuk gelombang tegangan searah

Jika arus dalam kumparan A digambarkan sebagai fungsi waktu diperoleh fungsi

linear. Fungsi tersebut merupakan fungsi linier komutasi yang dihasilkan jika

rapat arus dalam sikat seragam. Tetapi karena adanya pengaruh induktansi

kumparan dan tahanan sikat untuk arus yang cukup besar, maka fungsi tersebut

tidak linier lagi, melainkan berupa garis lengkung. Untuk mengkompensasi hal di

atas, ditambahkan suatu kutub pembantu dan kumparan kompensasi. Jika

kumparan kompensasi dapat menetralisasi reaksi jangkar, besarnya ggm yang

diperlukan pada kutub pembantu sama dengan ggm untuk pengaruh induktans

pada kumparan.

Gambar 3.4 Mesin DC dengan kumparan kompensasi

BELITAN MESIN ARUS SEARAH

Belitan Gelung

Kumparan biasanya terdiri atas beberapa lilitan. Kumparan yang

dihubungkan satu sama lain membentuk lilitan. Apabila kumparan dihubungkan

dan dibentuk sedemikian rupa hingga setiap kumparan menggelung kembali ke

sisi kumparan berikutnya, maka hubungan itu disebut belitan gelung. Gambar 3.5

memperlihatkan rotor dengan belitan gelung, 2 kutub, 8 alur dan 8 kumparan.

Karena setiap kumparan mempunyai dua ujung, dan setiap segmen

komutator menghubungkan dua ujung kumparan, terdapatlah segmen komutator

yang saling terisolir. Segmen komutator turut berputar bersama rotor. Setiap sikat

terbuat dari bahan penghantar karbon, tidak turut berputar (diam) tetapi bergerak

pada segmen komutator yang berputar. Agar tegangan sisi kumparan saling

memperbesar, maka bila satu sisi kumparan terletak di bawah kutub utara,

pasangan sisi kumparan lainnya harus terletak di bawah kutub selatan.

Gambar 3.5 Belitan gelung rotor

Dengan memperhatikan (gambar a), jika ditelusuri belitan kumparan 7

yang dimulai dari segmen komutator 7, menuju ujung sisi kumparan 13 terus ke

sisi pasangan kumparan 6 dan berakhir pada segmen komutator 8. Bila kedelapan

kumparan yang ada terus ditelesuri, akan diperoleh belitan tertutup yang

berbentuk gelung.

Bila pada rotor diberikan energi mekanis dengan arah berlawanan jarum

jam, akan diperoleh gaya gerak listrik (ggl) pada masing-masing kumparan. Arah

ggl pada ujung kumparan diperlihatkan dengan tanda (-) dan (x). Dalam posisi

seperti terlihat pada gambar, sikat A dan B menghubungsingkatkan masing-

masing kumparan 5 dan juga kumparan 1. Keadaan ini memang dikehendaki

karena dengan demikian di kumparan 5 dan 1 tidak timbul tegangan. Dengan cara

demikian dapat ditentukan lokasi yang tepat untuk meletakkan sikat, yaitu pada

posisi yang akan menghasilkan tegangan nol di sisi masing-masing kumparan 5

dan 1 tadi. Tegangan yang dibangkitkan pada sisi kumparan yang lain akan saling

menambah secara seri di antara sikat A dan B. Jika beban dihubungkan pada

sikat, arus akan mengalir. Jalur pararel sisi kumparan antara sikat A dan B dapat

dilihat pada gambar b. Dalam contoh keadaan ini, sisi atau ujung kumparan 1, 10,

9, dan 2 bertegangan nol.

Kumparan berputar terhadap waktu, tapi bentuk ggl yang dibangkitkan

adalah sama, karena bila kumparan 1 begerak mengambil posisi kumparan 8,

kumparan 8 akan mengambil posisi kumparan 7 dan seterusnya. Oleh karenanya

tegangan yang dibangkitkan di ujung sikat adalah tegangan searah. Dengan kata

lain tegangan bolak-balik melalui kerja komutator dan sikat telah diubah menjadi

tegangan searah. Pada bentuk belitan gelung jumlah kutub, sikat dan jalur pararel

akan selalu sama. Dalam contoh diatas jumlah kutub, sikat dan jalur paparel

adalah dua.

Belitan Gelombang

Dalam belitan gelombang, kumparan dihubungkan serta dibentuk

sedemikian rupa sehingga berbentuk gelombang. Hubungan ini dapat lebih jelas

bila ditelusuri jalan kumparan pada gambar:

Gambar 3.6 Belitan gelombang

Ganbar di atas juga menunjukkan adanya 4 kutub, 21 kumparan rotor dan terdapat

2 sisi kumparan di masing-masing alur. Yang dimaksud dengan kisar komutator

adalah jumlah segmen komutator yang diperlukan untuk membentangkan suatu

kumparan tertutup. Bila Yc = kisar komutator, p = jumlah kutub, dan c = jumlah

kumparan. Maka berlaku hubungan:

Yc = 2(c + 1)/p

Dalam contoh di atas, di mana p = 4 dan c = 21, diperoleh Yc = 11 atau 10. Dalam

contoh ini diambil harga Yc = 10.

Untuk belitan gelombang, berapa pun jumlah kutub yang ada, jalur pararel dan

sikat akan selalu berjumlah dua. Tidak demikian halnya dengan belitan gelung,

yang jumlah jalur pararelnya sebanding dengan bertambahnya jumlah kutub.

Biasanya belitan gelung digunakan untuk mesin beraliran arus tinggi, sedangkan

belitan gelombang yang selalu hanya mempunyai dua jalur pararel, digunakan

untuk mesin bertegangan tinggi.