Motor DC

Motor DC merupakan perangkat elektronika mekanik yang berfungsi mengubah energi listrik searah (dc) menjadi energi mekanik (gerak berputar). Motor dc sendiri berdasarkan komutator dibagi menjadi dua jenis yaitu :

1. Motor dc dengan sikat (Brushed motor dc) : Motor dc dimana komutator terhubung langsung dengan sumber catu daya dengan konduktor yang disebut dengan sikat (brush)
2. Motor dc tanpa sikat (Brushless motor dc) : Motor dc dimana komutator berupa rangkaian elektronika sehingga komutator tidak terhubung secara langsung dengan catu daya.

1. Brushed Motor DC

Gambar 1 menunjukan bagian-bagian dari brushed motor dc 

Gambar 1. Bagian-bagian brushed motor dc

Fungsi bagian-bagian pada brusehd motor dc :

1. Sikat (brushed)  : Berfungsi menghubungkan catu daya listrik dc ke komutator sehingga arus dc dapat mengalir pada lilitan atau winding.
2. Stator : Bagian motor dc yang tidak bergerak. Pada Gambar 1 ditunjukan sebagai casing atau rumah motor. Casing atau rumah motor juga berfungsi sebagai tempat magnet permanen agar tidak bergerak saat terjadi guncangan pada badan motor. 
3. Rotor : Bagian motor dc yang berputar, terhubung dengan poros.
4. Komutator : Merupakan logam yang bersegmen yang berfungsi sebagai switch putar untuk memutus arus pada salah satu segmen lilitan dan menyambung segmen llilitan lainnya sehingga saat ada arus listrik dc motor akan berputar.
5. Armature atau anker : Merupakan rumah tempat winding atau lilitan dan biasanya memiliki lapisan baja dengan permabilitas tinggi untuk meningkatkan interaksi fluks magnetik.

Sebelum masuk pada materi perhitungan elektronika motor dc, ada beberapa hal dasar yang perlu diketahui dalam memahami motor dc yaitu medan magnet dan variabel pengukuran pada motor dc karena medan magnet merupakan faktor utama motor dc dapat berputar sedangkan variabel digunakan sebagai acuan pengukuran dan perhitungan pada motor dc. 

Dasar medan magnet 

Gambar 2 menunjukan bahwa saat sebuah konduktor dialiri arus listrik maka terjadi induksi medan magnet melingkar disekitar konduktor tersebut.

Gambar 2. Dasar medan magnet pada sebuah konduktor

Rotasi motor (Armature) disebabkan oleh gaya tarik dan tolak serentak antara medan elektromagnet didalam armature dengan medan magnet permanen yang ditunjukan pada Gambar 3.

Gambar 3. Ilustrasi Armature winding ditengah medan magnet permanen

Gambar 4a menunjukan saat sebuah konduktor belum dialiri arus listrik dc tidak ada gangguan yang menyebabkan konduktor tersebut memiliki gaya untuk bergerak. Pada Gambar 4b menunjukan bahwa saat sebuah konduktor didalam medan magnet permanen dialiri arus listrik maka disekeliling konduktor tersebut terdapat medan elektromagnet yang mengganggu medan magnet permanen dan hal itu menimbulkan gaya pada konduktor tersebut untuk bergerak keluar dari medan magnet permanen.

Gambar 4. Ilustrasi Force atau gaya disebabkan magnet permanen dan elektromagnet

Gambar 5 menunjukan aturan tangan kiri Fleming yang menggambarkan arah rotasi atau putar motor dimana ibu jari menyatakan arah putar atau rotasi motor, jari telunjuk menunjukan arah medan magnet permanen dari kutub Utara ke Selatan, dan jari tengah menyetakan arah arus listrik pada konduktor atau lilitan. Berdasarkan aturan tangan kiri Fleming arah putar motor pada Gambar 5 adalah ke atas.  

Gambar 5. Aturan tangan kiri Fleming

Gambar 6 menunjukan bagaimana cara menentukan arah putar motor dc menggunakan  aturan tangan kiri Fleming. Pada Gambar 6A menunjukan bahwa jari tengah disejajarkan dengan sumber +, jari telenjuk menunjukan arah medan magnet dari North ke South maka konduktor pada sisi + bergerak kearah sesuai ibu jari yaitu ke atas dan konduktor pada sisi - akan turun. Jika sumber arus dibalik polaritasnya maka konduktor akan berputar berlawanan arah.

Gambar 6. Arah putar armature dengan aturan tangan kiri Fleming 

Gambar 7 menunjukan armature pada motor dc dengan brushed komutator terdiri dari lilitan atau winding yang dibungkus inti besi atau baja untuk meningkatkan interaksi medan magnetik antara medan elektromagnet dan medan magnet permanen.

Gambar 7. Armature (anker) motor dc

Variabel dasar pada teori motor dc :

1. Applied Voltage (V) : Merupakan sumber tegangan yang diberikan pada motor dc.
2. Stall Torque (τs) : Torsi maksimum atau beban maksimum yang ditanggung motor dc yang menyebabkan motor dc tidak berputar.
3. Stall current (Is) : Arus maksimum dimana saat motor dc mengalami stall torque.
4. Free speed (ωfree): Kecepatan berputar motor dc tanpa beban.
5. Resistance (R) : Hambatan murni pada motor dc, umumnya diukur saat motor dc mengalami stall current. 
6. Back EMC (Ve) : Tegangan yang dihasilkan oleh motor saat berputar sehingga terdapat ada arus listrik yang arahnya melawan arus sumber listrik dc.

Karakterisitik motor dc

1. Saat beban motor dc makin meningkat, motor dc akan menarik arus lebih besar dari sumber listrik dc dan tentu saja perputaran motor dc menjadi pelan karena beban motor. 
2. Torsi yang disediakan oleh motor dc selalu sama dengan bebannya.
3. Kecepatan motor dc berbanding terbalik dengan arus tetapi sebanding dengan tegangan.
4. Peningkatan beban motor dc memperlambat putaran motor sehingga mengurangi sesuatu yang disebut sebagai Counter Electromotive Force (CEMF) yang membuat arus motor dc meningkat.

Rumus yang umum digunakan untuk menghitung besarnya torque motor (τm) dan kecepatan putar motor dc (ωmotor) adalah sebagai berikut :

Perhitungan arus, torsi dan kecepatan putar motor dc

Contoh perhitungan arus , kecepatan dan torsi motor dc dapat dicari melalui spesifikasi motor dc seperti di bawah :

• Free speed : 100 rpm (rotasi per menit)
• Stall torsi :  8,6 in-lbs
• Stall current : 2,6 A
• Free current 0,18 A
• Tegangan pada motor 7.2 Volt (Vs)

Dari spesifikasi diatas dapat dicari Kecepatan motor dan arus motor saat diberi beban beban 3 in-lbs.

a. Langkah pertama : Cari nilai resistansi (R) dari spesifikasi stall torsi dimana saat motor tidak berputar karena beban penuh (ω = 0, Ve = 0)
R = (Vs - Ve) / I stall 
R = (7,2 - 0) / 2,6 A
R =  2,77 Ω

b. Langkah kedua : Cari nilai tegangan back emf menggunakan spesifikasi arus yang mengalir pada motor keadaan free running. 
Ve = Vs - I.R
Ve = 7,2 - (0,18 . 2,77)
Ve = 6,7 Volt

c. Langkah ketiga : Cari nilai ke 
Ve = ke . ω free  

ke = Ve / ω free 
ω free = 100 rpm = 10, 47 rad / s
ke = 6,7 / 10,47 = 0,64

d. Langkah keempat : Tentukan kecepatan motor saat diberi bebean 3 in - lbs 

ω motor = ωfree ( 1 - (τm / τs))
ω motor = 10,47 ( 1 -  ( 3 in -lbs / 8,6 in-lbs) )
ω motor = 6,805 rad / s

d. Langkah keempat : Menghitung arus motor dc saat diberi beban 3 in-lbs
Perlu menghitung Ve saat  ω motor = 6,805 rad / s 
Ve  = ke . ω motor
Ve = 0,64 . 6,805 = 4,355 Volt
I motor = (Vs - Ve) / R
I motor = (7,2- 4,355 ) / 2,77
I motor = 1,027 A

EoF