BRUSHLESS DC MOTOR (BLDC MOTOR)
Pendahuluan
Brushless DC motor telah digunakan secara komersial sejak Tahun 1886. Motor BLDC mulai populer pada tahun 1992. Keterbatasan motor DC (menggunakan sikat sebagai media hantar arus dari sumber ke komutator), telah diatasi oleh motor BLDC ini, penggunaan sumber DC untuk pengontrolan, dan tanpa adanya brush adalah ciri utama dari motor BLDC. BLDC motor menghasilkan torsi maksimal saat putaran awal, selanjutnya torsi akan menurun seiring dengan bertambahnya kecepatan motor.
Gambar 1. Grafik torsi terhadap kecepatan motor
BLDC motor adalah suatu jenis motor sinkron. Artinya medan magnet yang dihasilkan oleh stator dan medan magnet rotor berputar di frekuensi dan kecepatan yang sama. BLDC motor tidak mengalami slip, tidak seperti yang terjadi pada motor induksi biasa. BLDC Motor merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan, dll. Digunakan di industri mapun di rumah, seperti: mixer, bor listrik, kipas angin. BLDC
Motor kadangkala disebut “kuda kerja” nya industri sebab diperkirakan bahwa
motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri.
Bagian-bagian Utama
Motor ini terdiri dari empat bagian utama, yaitu: rotor, stator, hall sensor, dan rangkaian kontrol. Stator. Stator suatu BLDC motor terdiri dari tumpukan baja laminasi dengan lilitan ditempatkan di slot. Secara kebiasaan, stator menyerupai motor induksi; tetapi lilitannya dibuat sedikit berbeda. Kebanyakan BLDC motor mempunyai tiga gulungan-stator dihubungkan secara bintang. Masing-Masing ini lil itan dibangun dengan banyak coil saling behubungan untuk membentuk suatu lilitan. Satu atau lebih coil ditempatkan dalam slot dan mereka saling behubungan untuk membuat suatu lilitan. Masing-Masing ini lilitan dibagi-bagikan diatas batas luar stator untuk membentuk suatu bilangan genap kutub. Ada dua jenis gulungan-stator: bentuk trapesium dan motor sinusoidal. Pembedaan ini dibuat atas dasar interkoneksi coil di dalam gulungan-stator untuk memberikan tipe yang berbeda terhadap Back Electromotive Force (EMF) terdapat dua macam koneksi gulungan yang digunakan pada stator motor BLDC,yaitu koneksi bintang dan segitiga.
Bentuk stator Bentuk koneksi pada stator
Rotor. 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 ferit 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 f lux yang rendah untuk ukuran volume material yang diperlukan untuk membuat rotor. Seakarang ini sedang dikembangkan material campuran logam yang diharapkan bisa memberikan perbandingan size-to-weight yang lebih tinggi dan tenaga putaran yang lebih untuk motor ukuran sama yang menggunakan magnit ferrite. Neodymium (Nd), Samarium Unsur kimia/kobalt (Smco) dan campuran logam Neodymium, dan Ferrite Borium ( Ndfeb) adalah beberapa contoh logam magnit yang sudah mulai jarang. Sebuah motor BLDC mempunyai magnet permanen yang berputar dengan tetap pada sumbu motor, dengan menggunakan rotor berupa magnet maka tidak dibutuhkan lagi komutator.
Gambar 2. Rotor BLDC motor
Hall Sensor
Tidak sama dengan DC motor brushed, putaran suatu BLDC motor dikendalikan secara elektronis. Dalam proses berputarnya motor BLDC, gulungan-stator harus diberi tenaga dengan suatu urutan. Hal ini penting untuk mengetahui posisi rotor sehingga kontrol dapat mengetahui lilitan mana yang harus diberi tegangan sesuai urutan.Posisi rotor, digunakanlah Hall Sensor yang ditempelkan ke dalam stator. Pemasangan Hall sensor ini harus benar-benar sesuai dengan posisi magnet pada rotor. Kesalahan posisi pada pemasangan akan m enyebabkan kesalahan pula pada saat pemberian tegangan pada lilitan stator. Biasanya Hall sensor ini dipasang
pada suatu board atau PCB dengan posisi yang sudah fix kira-kira selisih 60° sampai 120° antara sensor yang satu dengan yang lain.
Gambar 3. Bentuk hall sensor Gambar 3. Bentuk hall sensor Namun sekarang hall sensor mulai ditinggalkan, dan diganti dengan resolver. Fungsi dari Resolver ini sama dengan Hall Sensor hanya bentuk dan cara menentukan posisi magnet rotor berbeda. Resolver sebenarnya gabungan dari Ro tary Encoder dan Hall Sensor. Satu sisi Encoder difungsikan sebagai Speed feedback sekaligus juga sebagai penentu posisi rotor, sedangkan hall sensor untuk melihat posisi medan magnet rotor.
Rangkaian Pengendalian
Untuk menghasilkan medan putar pada motor D C,koneksi sumber ke rotor menggunakan brush namun pada BLDC moto r,pemberian sumber dilakukan oleh sebuah rangkaian pengontrol,rangkaian ini mendapat sumber dari listrik DC yang kemudian diolah sehingga menghasilkan gelombang sinusoida atau kotak stator, Kontrol ini mendapat masukan data dari hall sensor utuk mengatur pemberian sumber pada stator.
Gambar 4. Rangkaian kontrol
Keunggulan
Jika dibandingkan antara motor DC dan motor AC, maka BLDC motor mempunyai banyak keunggulan, diantaranya adalah:
. Torsi lebih besar. Motor BLDC pada umumnya mempunyai torsi yang lebih besar,hal ini disebabkan medan tarik yang dihasilkan oleh stator sepenuhnya diterima oleh rotor karena rotor terbuat dari medan magnet permanen. . Tidak menyebabkan kebisingan. Saat kita menggunakan motor dc,gesekan antara komutator dan brush akan menghasilkan suara,hal ini akan menghasilkan ketidak nyamanan,tetapi tidak sama halnya dengan motor BLDC,dengan tidak adanya komutatot,menyebabkan tidak adanya kebisingan yang ditimbulkan. . Lebih tahan lama. Bagian yang sering diganti pada penggunan motor DC adalah Brush dan komutator,hal ini karena pada saat motor DC bekerja,terjadi gesekan secara terus menerus antara komutator dan brush,permukaan brush akan menipis sedikit demi sedikit seiring berjalannya waktu,sehingga kita harus melakukan penggantian brush motor,tetapi jika kita menggunakan BLDC motor,dengan tidak adanya brush dan komutator maka motor akan tahan lama. . Tidak adanya bunga api pada komutator. Hubungan antara brush dan komutator yang longgar menyebabkan terjadinya percikan api diantara keduanya,hal ini akan berbahaya jika motor digunakan pada industri yang sensitif terhadap percikan api,tetapi dengan menggunakan BLDC motor,dengan tidak adanya komutator dan brush menyebabkan tidak adanya percikan api yang dirimbulkan oleh motor. . Tidak adanya belitan pada rotor. Motor BLDC tidak mengalami gaya sentrifugal, karena gulungan didukung oleh suatu body sehingga motor dapat didinginkan dengan mudah. Jadi, tidak membutuhkan aliran udara untuk mendinginkan motor. Hal ini menyebabkan motor BLDC tersebut dapat sepenuhnya tetutup dan terlindung dari kotoran atau bahan asing lainnya. . Area pengaplikasiannya dapat diperluas, termasuk daerah-daerah ledakan
berbahaya. Kelemahan Selain keunggulan yang dimiliki, motor BLDCpun memiliki kelemahan. Diantaranya adalah: . Biaya pengadaan yang tinggi. Hal ini disebabkan karena Hall sensor mempunyai berbgai alat pengontrol untuk menjalankannya,sedangkan pada motor DC hanya menggunakan pengontrol berupa variable resistor. . membutuhkan pengendali kecepatan elektronik untuk menjalankannya. Namun dari kelebihan dan kelemahan yang dimil iki,Motor BLDC tetap lebih efisien untuk mengkonversi listrik menjadi energi mekanik dari motor DC bersikat. kelebihan ini terutama disebabkan tidak adanya k erugian listrik dan gesekan brush. Di bawah beban mekanik tinggi, motor BLDC dan motor dengan sikat berkualitas tinggi sebanding dalam efisiensinya. Ada 2 konfigurasi listrik yang digunakan untuk menjalankan stator yaitu kofigurasi delta dan wye. Motor yang menggunakan konfigurasi delta mempunyai torsi yang rendah pada kecepatan yang rendah, namun dapat menghasilkan putaran yang tinggi. Sedangkan konfigurasi wye mempunyai torsi yang tinggi pada kecepatan yang rendah, tetapi tidak bisa menghasilkan putaran yang tinggi. Meskipun efisiensi sangat dipengaruhi oleh konstruksi motor, konfigr asi bintang biasanya lebih efisien. Meskipun BLDC motor identik dengan motor DC permanen, namun sinyal sinusoida yang menyuplai stator BLDC dihasilkan dari suatu sumber DC yang diolah oleh pengontrol. Vector drive adalah pengendali motor yang mengubah sinyal DC menjadi AC. Alat ini adalah suatu alat inverter yang sangat canggih. Inverter atau alat pengubah arus DC ke AC biasanya mahal dan kurang efisien. Tetapi inverter ini memiliki keuntungan, yaitu dapat menjalankkan motor dengan lancar pada kecepatan yang rendah. Lain halnya dengan motor DC, yang putarannya tidak konstan saat kecepatannya rendah.
Aplikasi Aplikasi Motor BLDC yang dapat kita jumpai pada kehidupan seharihari, diantaranya adalah pada : . Cooling fan pada CPU computer . Motor penggerak pada disket . CD atau DVD player . Baling-baling pada helikopter mainan . Pada kendaraan listrik dan kendaraan hibrida Pada motor yang digunakan di industri, aplikasi motor BLDC semakin meningkat. Karena daya motor BLDC lebih kecil dibandingkan dengan motor AC. Tidak adanya kapasitor dan motor DC secara keseluruhan lebih efisisen. Daya yang kecil, putaran yang tinggi, dan torsi yang besar, tersedianya berbagai macam ukuran, menjadikan prodesen memilih motor BLDC dibandingkan dengan motor DC biasa. Cara Kerja Cara kerja motor BLDC ini adalah sebagai berikut: 1. Arus U masuk ke lilitan L1, arus tersebut akan melewati dan keluar dari L2 menuju V.
2. Arus W masuk ke lilitan L3, arus tersebut akan melewati dan keluar dari L2 menuju V. 3.Arus W masuk ke lilitan L3, arus tersebut akan melewati dan keluar dari L1 menuju
U. 4. Arus V masuk ke lilitan L2, arus tersebut akan melewati dan keluar dari L1 menuju U. 5. Arus U masuk ke lilitan L1, arus tersebut akan melewati dan keluar dari L3 menuju W.
6. Arus V masuk ke lilitan L2, arus tersebut akan melewati dan keluar dari L3 menuju W. 7. Arus U masuk ke lilitan L1, arus tersebut akan melewati dan keluar dari L2 menuju V. Cara Kerja Hall Sensor
Magnet pada stator mengalami perubahan kutub-kutub yang konstan, sehingga rotor akan berputar mengikuti perubahan muatan pada stator.
Gambar 5. Cara kerja hall sensor
Berdasarkan percobaan dan praktek yang dilakukan pada modul ini, keluaran dari suatu motor BLDC sendiri adalah pulsa kotak-kotak dan pulsa sinusoidal.
Gambar 6. Pulsa Kotak-Kotak
Gambar 7. Pulsa sinusoidal
Skema Rangkaian Pengendalian
Skema pengontrolan pada motor BLDC adalah Sumber listrik DC masuk ke dalam rangkaian decoder (background hijau). Keluaran dari decoder adalah listrik 3 fase, listrik ini digunakan untuk memberi suplay pada stator,sehingga menghasilkan putaran medan magnet pada stator (backgro und merah). Mikrokontroler digunakan
untuk sinkronisasi putaran medan magnet antara stator dengan rotor.
Gambar 8. Rangkaian motor BLDC
Gambar 9. Rangkaian ‘Close loop control of BLDC’
Gambar 10. Rangkaian Close loop current control
Gambar 11. Skema rangkaian pada saat sebelum ‘Braking’ dan sesudah ‘Braking’.
Gambar 12. Sebelum ‘Braking’, Motor masih berputar.
Gambar 13. Pada saat ‘Braking’, motor berhenti berputar.
Pada saat motor dalam keadaan berputar, hanya terdapat 2 sumber arus yang masuk kedalam stator untuk membuat medan magnet yang dapat memutarkan stator. Dalam hal ini, untuk memberhentikan putaran rotor yang bergantung pada magnet stator adalah dengan memberikan arus yang sama pada ketiga masukan.
