(Skripsi) Oleh - digilib.unila.ac.iddigilib.unila.ac.id/55578/3/Skripsi Full Teks tanpa Bab...

ANALISIS PEMODELAN MOTOR BRUSHLESS DC 1500 RPM

UNTUK APLIKASI UAV (UNMANNED AERIAL VEHICLE)

(Skripsi)

Oleh

NADIA JULIAN PUTRI

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2018

ABSTRACT

ANALYSIS OF 1500 RPM MOTOR BRUSHLESS DC MODELING FOR UNMANNED AERIAL VEHICLE APPLICATION

By

NADIA JULIAN PUTRI

Brushless DC motors have advantages compared to DC and induction motors

which are rotational and torque speeds that are easily controlled, and produce

large torque, and have high efficiency. With these advantages brushless DC

motors can be applied for Unmanned Aerial Vehicle (UAV) technology. Modeling

of brushless DC motors using MotorSolve and Matlab software to calculate motor

size parameters. The initial specifications for brushless DC motors are 1000 Watt

power, 1500 rpm rotational speed, 50 Hz frequency and the type of magnet used

NFeB (Neodymium Iron Boron) with the number of poles which is 4. Brushless

DC motors are designed by varying the number of slots 12, 18, 24, and 36 with

motor diameters of 50 mm, 70 mm, 100 mm,and 150 mm. The results of the

brushless DC motors design are compared based on the rotor type, the inner rotor

and outer rotor. Testing the different types of rotors and changes in the number of

slots resulted that the highest flux density value is the type of outer rotor with a

number of 24 slots of 2.47 T, the lowest value of cogging torque is the type of

outer rotor with 0.179 Nm, the highest back EMF value the type of inner rotor

with the number of slots 36 is 223 volts, and the highest torque value is the

highest type of inner rotor which is the type of inner rotor with the number 12

slots of 6.76 Nm. The results of the efficiency of this design that the more number

of slots the greater the efficiency of brushless DC motors. The highest efficiency is

the type of inner rotor with the number of slots 36 by 97%.

Keywords : Brushless DC motors, inner rotor, outer rotor, flux density, cogging

torque, back EMF, torque, efficiency.

ABSTRAK

ANALISIS PEMODELAN MOTOR BRUSHLESS DC 1500 RPM UNTUK

APLIKASI UAV (UNMANNED AERIAL VEHICLE)

Oleh

NADIA JULIAN PUTRI

Motor brushless DC memiliki keunggulan lebih dibandingkan motor DC dan

motor induksi dimana kecepatan putaran dan torsi yang mudah dikendalikan, dan

menghasilkan torsi besar, serta memiliki efisiensi tinggi. Dengan keunggulan ini

motor DC brushless dapat diterapkan untuk teknologi Unmanned Aerial Vehicle

(UAV). Pemodelan motor brushless DC menggunakan software MotorSolve dan

Matlab untuk menghitung parameter ukuran motor. Spesifikasi awal untuk motor

brushless DC adalah daya 1000 Watt, kecepatan putaran 1500 rpm, frekuensi 50

Hz dan jenis magnet yang digunakan NFeB (Neodymium Iron Boron) dengan

jumlah kutub yaitu 4. Motor brushless DC dirancang dengan memvariasikan

jumlah slot 12, 18, 24, dan 36 dengan diameter motor 50 mm, 70 mm, 100 mm,

dan 150 mm. Hasil pemodelan motor brushless DC dibandingkan berdasarkan

jenis rotor, inner rotor dan outer rotor. Pengujian variasi jenis rotor dan

perubahan jumlah slot menghasilkan nilai kerapatan fluks tertinggi adalah tipe

yaitu jenis inner rotor dengan jumlah slot 24 sebesar 2,47 T, nilai cogging torque

terendah adalah jenis outer rotor sebesar 0,179. Nm, nilai back EMF tertinggi

jenis inner rotor dengan jumlah slot 36 sebesar 223 volt, dan nilai torsi tertinggi

adalah jenis inner rotor tertinggi dengan jumlah slot 12 sebsar 6,76 Nm. Hasil

efisiensi desain ini yaitu semakin banyak jumlah slot semakin besar efisiensi

motor brushless DC. Efisiensi tertinggi adalah jenis inner rotor dalam dengan

jumlah slot 36 sebesar 97%.

Kata kunci: Motor brushless DC, inner rotor, outer rotor, kerapatan fluks,

cogging torque, Back EMF, torsi, efisiensi.

ANALISIS PEMODELAN MOTOR BRUSHLESS DC 1500 RPM UNTUK

APLIKASI UAV (UNMANNED AERIAL VEHICLE)

Oleh

NADIA JULIAN PUTRI

Skripsi

Sebagai salah satu syarat mencapai gelar

SARJANA TEKNIK

Pada

Jurusan Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Lampung

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2018

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Bukittinggi pada tanggal 04 Juli 1996,

anak dari bapak Zulkifli dan ibu Titin Dyatinah, anak ke dua

dari 3 bersaudara. Pendidikan sekolah dasar, diselesaikan

pada tahun 2008 di SDN 08 Durian, sekolah menengah

pertama diselesaikan di SMP N 11 Bandar Lampung pada

tahun 2011, kemudian penulis melanjutkan pendidikan sekolah menengah akhir di

SMA N 06 Bandar Lampung.

Pada tahun 2014 penulis, melanjutkan pendidikan di Universitas Lampung dengan

jalur SNMPTN(Seleksi Nasional Masuk Perguruan Tinggi Negeri) 2014. Selama

menimba ilmu di Universitas Lampung penulis aktif dalam organisasi Himpunan

Mahasiswa Elektro (HIMATRO) menjabat sebagai anggota Kominfo pada tahun

2015 dan anggota Kerohanian pada tahun 2016, dan Forum Silahturahim dan

Studi Islam Fakultas Teknik Universitas Lampung(FOSSI FT UNILA) menjabat

sebagai sekretaris biro usaha mandiri.

Penulis pernah melakukan kerja praktik di PT. Lentera Bumi Nusantara, Jawa

Barat Indonesia pada tahun 2017 dan melaksanakan Kuliah Kerja Nyata di Desa

Labuhan Ratu III, Kecamatan Labuhan Ratu Kabupaten Lampung Timur, Provinsi

Lampung pada tahun 2016.

Karya Sederhana Ini Saya Persembahkan Kepada Orang Tua Saya

Zulkifli & Titin Dyatinah

Yang telah membesarkan saya dengan penuh cinta, dan tidak hentinya selalu

berjuang dan berdoa, memberikan dukungan demi kesuksesan anaknya.

Taklupa Kepada Saudara Ku Tersayang

Reisa Dyasvaro Zulanda Putri

Agillean Pangestu Putra

Yang selalu menyemangati, berdoa, memberikan masukan setiap saat.

MOTTO

“Tiada daya dan upaya serta kekuatan kecuali dengan pertolongan Allah”

Rasulullah shallallahu ‘alaihi wa sallam bersabda, “Semangatlah dalam hal yang

bermanfaat untukmu, minta tolonglah pada Allah dan jangan malas (patah

semangat)”

(HR. Muslim no. 2664)

“Allah tidak membebani seseorang melainkan sesuai dengan kesanggupannya”

(Surat Al-Baqoroh : 286)

“Ijazah itu tanda anda pernah sekolah. Bukan tanda anda pernah berpikir”

(Rocky Gerung)

SANWACANA

Assalamu’alikum Warahmatullahiwabarokatuh

Puji syukur kepada Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan innayah-Nya

penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Doa serta salam senantiasa dilimpahkan

kepada sahabat dan umat islam sampai akhir zaman.

Skripsi yang berjudul “ANALISIS PEMODELAN MOTOR BRUSHLESS DC

1500 RPM UNTUK APLIKASI UAV (UNMANNED AERIAL VEHICLE)”

sebagai salah satu syarat untuk menggapai gelar Sarjana Teknik pada Jurusan

Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Lampung.

Selama proses pengerjaan skripsi ini, penulis menyampaikan terimakasih kepada

semua pihak yang telah membantu penulis untuk menyelesaikan skripsi dengan

baik dan tepat pada waktu khususnya kepada:

1. Bapak Prof. Suharno. M.Sc., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Teknik

2. Bapak Dr. Ing. Ardian Ulvan, S.T., M.Sc. selaku Ketua Jurusan Teknik

Elektro Universitas Lampung.

3. Ibu Dr. Eng. Endah Komalasari selaku Dosen Pembimbing Utama Tugas

akhir.

4. Bapak Ir. Noer Soedjarwanto, M. T. selaku Dosen Pembimbing Kedua

Tugas Akhir.

5. Bapak Dr. Eng. Charles Ronald H selaku penguji pada tugas akhir.

6. Bapak serta Ibu dosen Jurusan Teknik Elektro atas didikan, bimbingan,

serta ilmu pengetahuan yang telah diberikan.

7. Mbak Ning dan jajaran staff administrasi Jurusan Teknik Elektro

Universitas Lampung.

8. Teman-teman Teknik Elektro serta keluarga besar Himatro.

9. Teman-teman Aqilatur Rohmah, Meri Kusumawati, Oka Ayulestari,

Rahma Ferika Shaumi, Rikawati Safitri, Suci Prischayani

Pertiwi,Widiastuti Ariana, Yuliana Fistriani Hayon.

10. Teman-teman Kerja Praktik Bagus, Aqila, Yuli, Agung, dan Rika.

Semoga Allah senantiasa membalas kebaikan kita menjadi nilai ibadah. Amin

Penulis menyadari bahwa skripsi ini tak luput dari kesalahan dan jauh dari

sempurna, oleh karena itu penulis sangat berterimakasih atas saran dan kritik

yang membangun agar ada perbaikan dalam masa yang akan datang, Semoga

skripsi ini berguna dan bermanfaat bagi kita semua.

Wassalamu’alikum Warahmatullahiwabarokatuh

Bandar lampung, 13 Desember 2018

Penulis

Nadia Julian Putri

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK .................................................................................................................... i

LEMBAR JUDUL ...................................................................................................... iii

LEMBAR PENGESAHAN ........................................................................................ v

SANWACANA ............................................................................................................ x

DAFTAR ISI .............................................................................................................. xii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ xiv

DAFTAR TABEL ..................................................................................................... xv

I. PENDAHULUAN ...................................................................................... 1

1.1.Latar Belakang ...................................................................................... 1

1.2.Tujuan Penelitian .................................................................................. 2

1.3.Manfaat Penelitian ................................................................................ 3

1.4.Rumusan Masalah ................................................................................. 3

1.5.Batasan Masalah.................................................................................... 4

1.6.Hipotesis ................................................................................................ 4

1.7.Sistematika Penulisan ........................................................................... 4

II. TINJAUAN PUSTAKA ............................................................................ 6

2.1.Motor Brushless DC .............................................................................. 6

2.2.Pengukuran Elekrik dan Mekanik ......................................................... 9

2.3.Rangkaian Ekivalen Motor Brushless DC .......................................... 10

2.4.Strukur Motor Brusless DC ................................................................. 12

2.5.Perhitungan Perancangan Motor ......................................................... 16

2.6.Perhitungan Efisiensi .......................................................................... 17

2.7.Unmanned Aerial Vehicle ................................................................... 19

III. METODE PENELITIAN ....................................................................... 20

3.1.Waktu dan Tempat Penelitian ............................................................. 20

3.2.Alat dan Bahan .................................................................................... 20

3.3.Spesifikasi Alat ................................................................................... 20

3.4.Prosedur Penelitian.............................................................................. 21

3.5.Analisa Data Hasil Penelitian ............................................................. 24

3.6.Diagram Alir Penelitian ...................................................................... 24

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................... 27

4.1.Pemodelan Motor Brushless DC ......................................................... 27

4.2.Hasil Simulasi Motor Brushless DC ................................................... 32

4.2.1. Kerapatan Fluks Magnet ................................................... 32

4.2.2. Data Cogging Torque ........................................................ 40

4.2.3. Data Back EMF ................................................................. 47

4.2.4. Data Torka Vs Kecepatan ................................................. 53

4.2.5. Hasil Efisiensi ................................................................... 58

V. SIMPULAN DAN SARAN .................................................................... 61

5.1.Simpulan ............................................................................................. 61

5.2.Saran .................................................................................................... 61

DAFTAR PUSTAKA

DAFTAR GAMBAR

1. Motor Brushless DC .......................................................................................... 5

2. Rangkaian ekivalensi motor Brushless DC ..................................................... 10

3. Dimensi utama motor Brushless DC ............................................................... 13

4. Dimensi slot stator .......................................................................................... 14

5. Exterior Rotor ................................................................................................. 16

6. Interior Rotor .................................................................................................. 17

7. Motor Brushless DC yang digunakan pada UAV ........................................... 19

8. Tampilan awal software MotorSolve .............................................................. 22

9. Diagram Alir Penelitian .................................................................................. 25

10. Diagram Alir Perhitungan ............................................................................... 26

11. Motor Brushless DC jenis inner rotor ............................................................. 30

12. Motor Brushless DC jenis outer rotor ............................................................ 31

13. Plotting kerapatan fluks magnet jenis inner rotor 12 slot ............................... 32

14. Plotting kerapatan fluks magnet jenis outer rotor 12 slot .............................. 33

15. Plotting kerapatan fluks magnet jenis inner rotor 18 slot .............................. 34






21. Arah fluks magnet pada pemodelan motor brushless DC .............................. 39

22. Cogging torque inner rotor 12 slot ................................................................. 41

23. Cogging torque outer rotor 12 slot ................................................................. 41







30. Back EMF inner rotor 12 slot ......................................................................... 47

31. Back EMF outer rotor 12 slot ......................................................................... 48







38. Winding faktor ............................................................................................... 52

39. Torka vs kecepatan inner rotor 12 slot .......................................................... 53

40. Torka vs kecepatan outer rotor 12 slot .......................................................... 53







DAFTAR TABEL

1. Parameter pemodelan motor brushless DC ..................................................... 28

2. Data hasil kerapatan fluks magnet tertinggi dan terendah .............................. 38

3. Data hasil cogging torque ............................................................................... 45

4. Data air gap .................................................................................................... 46

5. Data hasil Back emf ......................................................................................... 51

6. Data hasil torka vs kecepatan .......................................................................... 58

7. Data Efisiensi motor brushless DC ................................................................. 59

8. Data hasil perbandingan efisiensi hasil simulasi dan teori ............................. 59

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Seiring dengan perkembangan zaman, dibutuhkan adanya perkembangan

teknologi pada motor penggerak. Kebutuhan motor penggerak yang lebih

efisien dengan torsi yang tinggi dan kecepatan putaran motor yang mudah

untuk dikendalikan. Motor yang umum digunakan yaitu motor arus searah

(DC) dan motor induksi. Motor DC memiliki efisiensi yang tinggi dengan

biaya perawatan tinggi, sedangkan motor induksi memiliki biaya perawatan

yang rendah dengan efisiensi yang rendah dan mudah panas.

Motor brushless DC adalah salah satu jenis motor listrik yang dapat

mengubah energi listrik menjadi energi gerak. Dari berbagai jenis motor,

motor brushless DC memiliki keunggulan. Keunggulan dari motor brushless

DC yaitu kecepatan putar dan torsi yang mudah dikendalikan, dan

menghasilkan torsi yang besar, serta memiliki efisiensi yang tinggi. Motor

brushless DC ini menggunakan magnet permanen pada rotornya.

Motor brushless DC dapat diterapkan pada Unmanned Aerial Vehicle (UAV).

Perkembangan teknologi UAV tidak sebanding dengan perkembangan motor

listrik, khususnya motor brushless DC di Indonesia. Di Indonesia sendiri

2

belum ada perusahaan yang memproduksi motor brushless DC. Pada UAV,

motor brushless DC digunakan untuk menggerakkan propeller yang membuat

pesawat dapat terbang.

Berdasarkan letak rotornya, motor brushless DC memiliki dua jenis yaitu jenis

inner rotor dan outer rotor. Jenis inner rotor memiliki efisiensi yang tinggi

dibandingkan dengan outer rotor[1]. Achmad Abdul Ghoni memodelkan

motor brushless DC 36 slot 24 pole dan 36 slot 16 pole jenis outer rotor.

Hasil penelitiannya menunjukan bahwa pemodelan 36 slot 16 pole memiliki

efisiensi yang tinggi dibandingkan dengan model 36 slot 24 pole[2]. Rotor

motor brushless DC menggunakan magnet permanen jenis SmCo yang

menghasilkan efisiensi motor lebih besar daripada ferrite[3]. Magnet

permanen SmCo merupakan salah satu jenis magnet rare-earth yang mana

jenis ini sama dengan NdFeB yang memiliki fluks magnetik yang tinggi.

Pada penelitian ini akan dimodelkan motor brushless DC dengan jumlah

kutub empat dengan berbagai variasi jumlah slot menggunakan software

MotorSolve dimana diameter motor terdapat perubahan sesuai dengan jumlah

slot, sedangkan ketebalan magnet, lebar celah udara, dan kecepatan motor

1500 rpm diasumsikan sama untuk setiap pemodelan. Untuk mendapatkan

efisiensi yang tinggi dan cogging torque yang rendah, maka pada penelitian

ini dibandingkan hasil rancangan antara inner rotor dan outer rotor.

1.2. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut :

3

1. Memodelkan motor brushless DC magnet permanen 4 kutub dengan jenis

memvariasikan jumlah slot 12, 18, 24, dan 36 dengan kecepatan putar

1500 rpm.

2. Membandingkan model antara inner rotor dengan outer rotor.

3. Memahami fenomena kerapatan fluks, cogging torque, back emf, dan

torka vs kecepatan pada motor brushless DC magnet permanen.

1.3. Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Dapat merancang motor brushless DC magnet permanen yang dapat

digunakan dibidang UAV.

2. Dapat mengetahui perbedaan antara jenis inner rotor dan outer rotor.

3. Dapat memahami dan menganalisa kerapatan fluks, cogging torque, back

emf, dan torka vs kecepatan pada motor brushless DC untuk mendapatkan

kinerja motor yang optimal.

1.4. Rumusan Masalah

Rumusan masalah dari penelitian ini sebagai berikut :

1. Bagaimana merancang motor BLDC magnet permanen dengan kecepatan

1500 rpm.

2. Bagaimana memilih spesifikasi dalam simulasi pemodelan motor BLDC

magnet permanen.

3. Bagaimana menghasilkan kinerja motor yang optimal.

4

1.5. Batasan masalah

Batasan masalah dari penelitian ini sebagai berikut :

1. Merancang motor brushless DC magnet permanen dengan jumlah kutub 4

dan memvariasikan jumlah slot 12, 18, 24, dan 36.

2. Simulasi dan pemodelan menggunakan software Motorsolve dalam

merancang motor brushless DC magnet permanen.

3. Membandingakan hasil simulasi antara inner rotor dan outer rotor.

4. Menganalisa hasil keluaran pada software yang berupa, kerapatan fluks,

cogging torque, back emf, dan torka vs kecepatan.

1.6. Hipotesis

Penelitian ini memodelkan motor brushless DC magnet permanen dengan

jumlah kutub 4 dengan memvariasikan jumlah slot 12, 18, 24, dan 36

dengan asumsi diameter motor, ketebalan magnet, lebar celah udara, dan

kecepatan motor yaitu 1500 rpm tetap. Akan dilakukan analisa mengenai

kerapatan fluks, cogging torque, back emf, dan torka vs kecepatan.

Penelitian membandingkan antara inner rotor dan outer rotor untuk

mendapatkan efisiensi yang tinggi dengan cogging torque rendah.

Pemodelan motor brushless DC magnet permanen ini menggunakan

software Motorsolve.

1.7. Sistematika Penulisan

5

Sistematika penulisan dari penelitian ini sebgai berikut :

I. PENDAHULUAN

Bab ini berisi tentang latar belakang penelitian, tujuan penelitian, manfaat

penelitian, rumusan masalah, batasan masalah, hipotesis, dan sistematika

penulisan laporan penelitian.

II. TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini berisi tentang penjelasan secara umum mengenai teori dasar yang

menjadi acuan dari judul penelitian maupun referensi dari berbagai sumber

terkait dalam penelitian ini.

III. METODE PENELITIAN

Bab ini berisi tentang tahapan dari penelitian yaitu waktu, tempat, alat, bahan,

prosedur, dan metode yang digunakan dalam penelitian ini.

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisi tentang hasil dari penelitian yang diperoleh, pembahasan, dan

analisa dari penelitian yang telah dilakukan.

V. KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi tentang kesimpulan yang diperoleh dari analisa hasil

pembahasan pada penelitian dan saran dari penulis untuk referensi penelitian

selanjutnya.

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Motor Brushless DC

Motor brushless DC disebut sebagai motor sinkron, karena medan magnet

yang dihasilkan oleh rotor dan medan magnet yang dihasilkan oleh stator

berputar dengan frekuensi yang sama. Motor brushless DC tidak

menggunakan sikat (brush), sehingga biaya perawatan nya rendah dan

memiliki kecepatan putar yang tinggi. Motor brushless DC tergolong motor

listrik AC 3 fasa, disebut BLDC karena menggunakan sumber DC sebagai

sumber energi utamanya, lalu diubah menjadi tegangan AC menggunakan

inverter 3 fasa[4].

Rotor pada motor brushless DC menggunakan magnet permanen, dan pada

stator terdapat kumparan. Magnet permanen inilah yang menghasilkan medan

magnet pada rotor, medan magnet juga dihasilkan pada kumparan stator yang

ditimbulkan dari pemberian input arus listrik. Pengoperasian motor brushless

DC didasarkan pada interaksi gaya sederhana antara magnet permanen yang

merupakan sumber medan magnet dan elektromagnetik.

7

Gambar 2.1. Motor brushless DC[5]

Ketika kumparan A diberi energi kutub berlawanan antara rotor dan stator

akan tarik menarik, sehingga kutub rotor bergerak mendekati stator, ketika

rotor mendekati kumparan A, kumparan B diberi energi, saat rotor mendekati

kumparan B, kumparan C diberi energi.

Bagian motor brushless DC yang bergerak yaitu rotor, di rotor terdapat

magnet permanen yang menghasilkan fluks magnet, fluks magnet yang

dihasilkan oleh medan magnet dari rotor menembus kumparan dengan besar

sesuai dengan persamaan,

Φ = B. A cos θ (2.1)

Dimana Φ yaitu fluks magnet (Wb), B kerapatan fluks magnet (T), dan A

yaitu luas bidang. Besar nilai fluks magnet akan berubah-ubah seiring dengan

perubahan θ, perubahan fluks magnetik akan menghasilkan gaya gerak listrik

(ggl) induksi. Kuat medan magnet (H) berbanding lurus dengan jumlah lilitan

(N) dan besar arus pada kawat kumparan (I) dan berbanding terbalik dengan

panjang kumparan (l).

8

H = 𝑁.𝐼

𝑙 (2.2)

Medan magnet tersusun dari garis-garis gaya magnet yang keluar dari kutub

utara dan masuk ke kutub selatan dan memiliki reluktansi (Ɽ), besarnya garis-

garis gaya magnet yaitu,

F = N. I (2.3)

Dimana F yaitu garis-garis gaya magnet, N yaitu lilitan, dan A yaitu arus

(ampere). Reluktansi berbanding terbalik dengan fluks magnet.

Φ = 𝐹

Ɽ =

𝑁.𝐼

Ɽ (2.4)

Perubahan fluks magnet pada stator akan menghasilkan back emf (Eb) yang

besarnya,

Eb = (Nph. 1) kw. Nt. D. Lstk. Bg. ω (2.5)

Dimana Nph merupakan jumlah fasa, kw merupakan winding factor yang

besarnya kw=kd. kp, apabila jenis motor menggunakan 3 fasa maka nilai kd=1,

kp=cos(a/2) dimana a=coil pitch-pole pitch=(2π/Ns) – (2π/Np). Bg merupakan

kerapatan fluks magnet di celah udara yang besarnya, Φg = Bg. Ag = Bg. Rro .

θP . Lstk, Lstk merupakan stack length dan ω yaitu kecepatan rotasional motor.

Untuk menggerakkan rotor dibutuhkan torsi (T) yang besarnya berbanding

lurus dengan back emf[6],

T = Eb

𝜔 = (Nph. 1) kw. Nt. D. Lstk. Bg. I (2.6)

Ketika rotor berputar maka reluktansi di celah udara juga berubah sehingga

terjadilah cogging torque (Tcog). Cogging torque terjadi di celah udara antara

9

rotor dan stator yang besarnya yaitu, cogging torque berbanding lurus dengan

fluks magnet pada celah udara (Φg)

Tcog = -1

2 Φg

𝑑𝑅

𝑑𝜃 (2.7)

Pilihan terbaik untuk mengurangi cogging torque dengan mengurangi

reluktansi pada celah udara (R).

2.2. Pengukuran Elektrik dan Meknik

Dalam motor listrik umum untuk menentukan dua ukuran posisi dan

kecepatan yang terkait. Ketika poros rotor berputar satu revolusi, rotor

melintasi 360 derajat mekanik (° M) atau 2π radian mekanik (radM). Setelah

melintas 360 derajat maka, rotor segera kembali ke tempat dimulai[7].

Hubungan mekanik dan elektrik yaitu :

Θe = 𝑁𝑚

2 𝜃𝑚 (2.8)

Dimana, θe dan θm adalah posisi elektrik dan mekanik, dan Nm adalah jumlah

kutub magnet yang menghadap celah udara di sekitarnya. Dalam hal ini Np =

Nm / 2. Np adalah jumlah pasangan kutub magnet yang menghadap celah

udara.

Θe = Np. θ (2.9)

Hubungan antara frekuensi elektrik dan mekanik adalah

ωe = Np. ωm (2.10)

Dimana ωe dan ωm adalah frekuensi elektrik dan mekanik.

10

Untuk kecepatan mekanik yaitu

ωm = 𝜋

30 S =

𝑆

30 (2.11)

fe = 𝑁𝑚

120 S =

𝑁𝑝

60 S (2.12)

Persamaan terakhir ini berguna untuk menggambarkan tingkat atau frekuensi

di mana pergantian harus terjadi untuk motor berputar pada kecepatan tertentu

dalam rpm. Kebalikan dari frekuensi ini memberikan periode waktu komutasi,

yaitu, lamanya waktu di mana energi fase menyelesaikan satu siklus operasi.

2.3. Rangkaian Ekivalen Motor Brushless DC

Ketika rotor diam, satu-satunya hambatan aliran arus yaitu impedansi yang

terdiri dari resistansi yaitu R dan induktansi dimana X=ω.L dalam gulungan.

Gambar 2.2. Rangkaian ekivalensi motor brushless DC

Ketika motor berputar, magnet permanen pada rotor berputar melewati

kumparan stator dan menginduksi potensial listrik dalam kumparan yang

disebut Back Electromotive Force (BEMF) dimana nilai BEMF yaitu

E=j.ω.λm. Sehingga persamaan rangkaian diatas yaitu

V = E + (R+j.ω.L).I (2.13)

Dimana :

V = Tegangan (Volt)

11

E = BEMF (Volt)

R = Resistansi (Ohm)

j = Momen inersia

ω = Kecepatan rotor (rad/s)

λm = flux linkage

I = Arus (Ampere)

Untuk daya mekanik maksimum pada kecepatan tertentu yaitu,

Pem = m |E| |I| = m.ω |λm| |I| (2.14)

Dimana m merupakan jumlah fasa.

Torka elektromagnetik,

Tem = 𝑃𝑒𝑚

𝜔𝑟 =

𝑚.𝜔 |𝜆𝑚||𝐼|

𝜔𝑟 (2.15)

Dimana, ωr = 2.𝜔

𝑝 ,p merupakan jumlah kutub, sehingga persamaan diatas

dapat ditulis

Tem = 𝑚.𝑝

2 |λm| |I| (2.16)

Maka torka beban, Tload = Tem – Tlosses, dimana Tlosses merupakan total

torka yang disebabkan oleh gesekan, windage, rugi-rugi besi, Sehingga nilai

torka elektromagnetik dan BEMF menjadi,

Tem = 𝑚.𝑝

2 λm.I (2.17)

E = 𝑝

2. ωr.λm (2.18)

Asumsikan bahwa ω.L<<R maka nilai tegangan,

12

V = E + R.I (2.19)

Berdasarkan persamaan (2.17) dan (2.18) maka persamaan tegangan,

V = 𝑝

2 ωr.λm +

2 𝑅

𝑚.𝑝.𝜆𝑚.Tem (2.20)

2.4. Struktur Motor Brushless DC

Konstruksi motor brushless sangat mirip dengan motor ac, yang dikenal

sebagai motor sinkron magnet permanen. Kumparan pada stator mirip dengan

yang ada di motor ac polyphase, dan rotor terdiri dari satu atau lebih magnet

permanen.

1.3.1. Dimensi motor brushless DC

Gambar 2.3. Dimensi utama motor BLDC [8]

Dimensi utama motor brushless DC didefinisikan sebagai berikut:

1. Diameter luar stator (stator outer diameter): Jarak maksimum

antara pusat motor dan stator lingkar luar disebut jari-jari luar

stator. Dua kali jari-jari luar stator adalah diameter luar stator.

2. Diameter dalam stator (stator inner diameter): Jarak maksimum

antara pusat motor dan stator lingkar dalam disebut jari-jari bagian

13

dalam stator. Dua kali jari-jari bagian dalam stator adalah stator

diameter dalam.

3. Diameter luar rotor (rotor outer diameter): Jarak maksimum antara

pusat motor dan lingkar luar rotor disebut rotor jari-jari luar. Dua

kali radius luar rotor adalah diameter luar rotor.

4. Diameter dalam rotor (rotor inner diameter): Jarak maksimum

antara pusat motor dan lingkar dalam rotor disebut rotor dalam

radius. Dua kali radius bagian dalam rotor adalah diameter dalam

rotor.

5. Ketebalan magnet (magnet thickness): Jarak maksimum antara titik

tengah bagian atas magnet dan titik tengah dari bagian bawah

magnet.

6. Celah udara (air gap): Celah antara lingkar luar rotor dan lingkar

dalam stator.

1.3.2. Dimensi slot stator

Gambar 2.4 Dimensi slot stator [8]

14

Dimensi slot stator motor BLDC didefinisikan sebagai berikut:

1. Slot width lap, Wst: Jarak antara titik awal dan titik akhir dari

pembukaan celah di bagian atas.

2. Slot width bottom, Wsb: Jarak antara titik awal dan titik akhir dari

celah pembukaan di bagian bawah.

3. Tooth width, Wst: Lebar total gigi stator.

4. Back iron length, Wt: Jarak linier antara stator lingkar luar dan

lingkar dalam stator.

5. Slot depth, dg: Jarak maksimum antara titik tengah titik awal dan

titik akhir titik tengah dari gigi slot.

1.3.3. Magnet Permanen

Magnet permanen merupakan salah satu komponen motor brushless

DC yang terletak pada rotor. Magnet permanen inilah yang

menghasilkan medan magnet. Medan magnet digambarkan sebagai

garis-garis gaya yang disebut garis medan magnet, semakin rapat garis

medan, maka semakin tinggi kekuatan medan magnetnya. Garis medan

magnet yang menembus bidang (stator) disebut fluks magnetik.

Φ = E. A (2.22)

Terdapat tiga jenis magnet permanen yaitu magnet alnico, ferrite, dan

rare-earth magnet. Jenis magnet alnico memiliki fluks magnetik yang

tinggi, tetapi sifat magnetnya dapat hilang ketika terjadi stall, jenis

magnet ferrite memiliki fluks magnetik yang rendah, sedangkan jenis

rare-earth magnet memiliki fluks magnet yang tinggi dan tahan

15

terhadap demagnetisasi. Terdapat dua jenis rare-earth magnet yaitu

NdFeB (Neodymium Iron Boron) dan SmCo (Samarium Cobalt). jenis

NdFeB merupakan jenis magnet yang mudah didapatkan sehingga

NdFeB lebih murah dibandingkan SmCo.

Terdapat dua jenis motor brushless DC berdasarkan letak dari rotornya, yaitu :

2. Exterior Rotor

Pada gambar 2.4. tidak menunjukkan komutator atau sikat, sehingga bisa

juga memepresentasikan motor DC brushless eksterior-rotor, dengan

lilitan armature tetap pada stator, dan magnet berputar di luar. Jenis motor

DC brushless ini umumnya ditemukan dalam hard-disk drive untuk

komputer. Diameter yang besar membantu meningkatkan inersia yang

dapat membantu menjaga kecepatan rotasi agar tetap konstan.

Gambar 2.5. Exterior rotor [9]

3. Interior Rotor

16

Magnet berada di rotor. Sikat dan komutator tidak diperlukan karena

belitan berada di stator dan tidak berputar. Diameter rotor kecil

mengurangi inersia dibandingkan dengan exterior-rotor, dan konfigurasi

ini umum dalam sistem servo.

Gambar 2.6. Interior Rotor [9]

2.5. Perhitungan Perancangan Motor

Dalam proses perancangan, variabel input (variabel independen) biasanya

adalah dimensi, kumparan dan bahan dari material magnet sedangkan variabel

dependen (variabel keluaran) biasanya adalah angka kinerja seperti torsi, arus,

efisiensi, kenaikan suhu, dll. Faktanya, banyak variabel independen yang

terlibat dalam proses perancangan harus melalui pengulangan. Artinya,

perancang harus membuat asumsi tertentu, menetapkan nilai-nilai percobaan

untuk variabel independen dan menghitung nilai-nilai dependen[8].

Area slot dapat dihitung sebagai berikut,

17

As = 𝐴𝑐𝑢

𝐾𝑓𝑖𝑙𝑙 (2.23)

Rro = RSi – g; Ns = P x Nph (2.24)

Dimana As yaitu area slot, Acu copper area, Kfill slot fill factor, Rro diameter

rotor luar (mm), Rsi diameter stator dalam (mm), g diameter celah udara

(mm). Ketebalan magnet permanen (Lm) tergantung pada ukuran celah udara,

yaitu Lm = 10 . g.

Wt = 𝐵𝑔

𝑩𝑚𝑎𝑥 𝑇𝑠 (2.25)

Dimana wt merupakan tooth width (mm), Bg/Bmax merupakan kerapatan fluks

dibagi dengan kerapatan fluks maksimum (Wb/m2), dan τs merupakan slot

pitch besar slot pitch yaitu Ts = (2π.Rsi)/Ns, dimana ketebalan slot merupakan

setengah dari slot pitch τs = 0.5 x Ts.

Ukuran back iron depth (dc) dapat dihitung dengan persamaan,

dc =𝐵𝑔

𝑩𝑚𝑎𝑥

𝜋.𝑅𝑠𝑖

𝑁𝑝 (2.26)

2.6. Perhitungan Efisiensi

Pada motor brushless DC terdapat rugi-rugi yang ditimbulkan oleh

komponen-komponen penyusun motor seperti rotor dan stator. Komponen ini

akan menimbulkan rugi-rugi tembaga, inti besi, mekanik seperti hambatan

yang ditimbulkan akibat gesekan dan udara. Faktor yang mempengaruhi rugi-

rugi inti besi yaitu hysteresis dan arus eddy. Besar hysteresis (Pb) dan arus

eddy (Pe) yaitu,

18

Pb = n . Bmax. f. V (2.27)

Pe = Ke. Bmax. f2.t2.V (2.28)

Dimana n dan Ke merupakan konstanta, Bmax kerapatan fluks maksimum

(Wb/m2), f frekuensi (Hz), t ketebalan material (m), dan V merupakan volume

(m3).

Rugi-rugi pada stator salah satunya yaitu rugi-rugi copeer (Rt ) yang besarnya,

Rph =MLT.Tph

𝑎𝑐 (2.29)

Dimana MLT (mean length turn) yang besarnya 2.(Lstk+9.5)+ 2.45 , Vph

yaitu tegangan fasa yang besarnya Vline/√3 , Tph (turn per phase) yang

besarnya 𝑉𝑝ℎ

√2.𝜋.𝑓.𝑓𝑙𝑢𝑥 𝑝𝑒𝑟 𝑝𝑜𝑙𝑒.𝑘𝑤 dan ac merupakan specific electrical

loading yang besarnya 𝐼𝑑.𝑍.𝑁𝑠

𝜋.𝑅𝑠𝑖.

Total rugi-rugi akan mempengaruhi daya yang dibutuhkan oleh motor untuk

bekerja dan efisiensi motor, dimana daya output motor yaitu daya input

dikurangi total rugi-rugi yaitu I2.Rph, sehingga semakin besar total rugi-rugi

maka daya outputnya semakin kecil.

Efisiensi motor dapat dihitung dengan persamaan

Efisiensi = Daya Output

Daya Input х 100% (2.30)

19

2.7. Unmanned Aerial Vehicle (UAV)

Unmanned Aerial Vehicle (UAV) merupakan teknologi pesawat tanpa awak

yang telah berkembang pesat seiring berjalannya waktu. Pesawat tanpa awak

merupakan mesin terbang yang dikendalikan jarak jauh oleh pilot atau dapat

mengendalikan dirinya sendiri. Salah satu pesawat tanpa awak yang paling

berkembang yaitu drone. Salah satu komponen utama dari drone yaitu motor

brushless dc. Motor brushless dc digunakan untuk menggerakkan propeller

yang membuat pesawat dapat terbang. Untuk penggunaan motor harus

disesuaikan dengan berat pesawat, ukuran pesawat, dan komponen elektrik

lainnya.

Gambar 2.7. Motor brushless DC yang digunakan pada UAV [10]

Produk motor brushless DC ini merupakan produk luar negeri, diharapkan

dengan adanya penlitian ini dapat merancang motor brushless DC yang dapat

diproduksi di Indonesia.

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian tugas akhir ini dimulai pada bulan Juni 2018 sampai Oktober 2018

bertempat di Laboratorium Konversi Energi Elektrik Jurusan Teknik Elektro

Universitas Lampung.

3.2. Alat dan Bahan

Alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Satu unit laptop ASUS, memory 3Gb, operating windows 32-bit

2. Software MotorSolve 4.1.1

3. Microsoft Office 2007

4. Software Matlab

3.3. Spesifikasi Alat

Spesifikasi alat yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Menggunakan laptop ASUS untuk simulasi memodelkan motor brushless

DC, dan untuk mengerjakan laporan tugas akhir.

2. Menggunakan software MotorSolve 4.1.1 sebagai aplikasi untuk

memodelkan motor brushless DC. Aplikasi ini dapat menghasilkan

keluaran berupa, arus, flux, torka, back-EMF.

21

3. Menggunakan Microsoft Office 2007 untuk membuat laporan penelitian,

power point untuk presentasi, dan pengolah data penelitian.

4. Menggunakan software Matlab untuk membuat program perhitungan

ukuran dan efisiensi motor brushless DC.

3.4. Prosedur Penelitian

Pembuatan tugas akhir ini dilakukan beberapa tahapan sebagai berikut :

3.4.1. Studi Literatur

Pada tahapan studi literatur ini yaitu mencari referensi berupa buku-

buku atau jurnal penelitian, dari internet maupun sumber-sumber

lainnya berkaitan dengan penelitian. Tujuan dari tahapan ini adalah

untuk memahami dan mengerti tentang penelitian yang akan dilakukan

yaitu tentang permodelan motor brushless DC.

3.4.2. Pemodelan motor brushless DC

Pemodelan ini menggunakan software MotorSolve yang menggunakan

metode Finite Element Analysis (FEA) . Pada awal pemodelan yaitu

menentukan diameter motor, jumlah fasa, slot dan kutub yang akan

dirancang dalam penelitian, kemudian menghitung parameter motor,

seperti ketebalan magnet, celah udara, diameter rotor dan stator

menggunakan software Matlab. Setelah spesifikasi motor didapatkan,

selanjutnya melakukan pemodelan pada software MotorSolve, dengan

memasukkan spesifikasi motor yang telah dihitung. Selanjutnya

penentuan material motor yang akan digunakan. Pada penelitian ini

22

motor brushless DC yang dirancang memiliki jumlah kutub 4 dengan

memvariasikan jumlah slot 12, 18, 24, dan 36, dengan asumsi diameter

motor, ketebalan magnet, lebar celah udara, dan kecepatan motor yaitu

1500 rpm tetap. Pemodelan motor brushless DC ini membandingkan

antara jenis inner rotor dan outer rotor, untuk mendapatkan efisiensi

yang tertinggi.

Software MotorSolve merupakan salah produk infolytica. MotorSolve

menggabungkan metode analitik klasik dengan simulasi Finite

Element Analysis (FEA) otomatis dan intuitive interface, khusus untuk

desain mesin elektrik tanpa memerlukan kalibrasi awal. Software

MotorSolve merupakan software yang dapat merancang motor

brushless DC, motor induksi, motor switch reluktansi, motor DC.

Berikut adalah tampilan awal software MotorSolve

Gambar 3.1 Tampilan awal software MotorSolve

MotorSolve mencakup fitur-fitur utama sebagai berikut :

23

1. Dapat merancang jenis motor yaitu motor Brushless DC

(BLDC), mesin Induksi (IM), Switched Reluctance Machines

(SRM) dan Mesin.

2. Pengukuran, pada software ini menetapkan dimensi awal

pengukuran dari desain motor berdasarkan persyaratan output

dan tegangan suplai (tidak ada FEA yang terlibat pada tahap

ini).

3. Terdapat berbagai macam jenis rotor dan stator yang dapat

dipilih sesuai dengan keinginan perancang.

4. Dalam analisis pada MotorSolve, kita dapat memilih analisa

berupa analisis PWM, atau motion analysis.

5. Hasil keluaran dapat berupa bentuk gelombang, bagan, dan plot

medan.

6. Dapat membandingkan dua atau lebih rancangan yang berbeda

dalam desain atau data kinerja.

3.4.3. Pengujian

Pada tahap pengujian ini motor brushless DC akan diuji untuk

mengetahui apakah hasil rancangan memiliki efisiensi lebih besar dari

70% dan sesuai dengan karakteristik motor brushless DC. Pada

software MotorSolve pengujian dilakukan dengan melihat hasil

gelombang keluaran, berupa kerapatan fluks, cogging torque, back

24

emf, dan torka vs kecepatan. Pengujian juga dilakukan dengan

membandingkan inner rotor dan outer rotor.

3.5. Analisa Data Hasil Pengujian

Setelah memodelkan motor brushless DC dan memperoleh hasil keluarannya

maka, tahap selanjutnya yaitu menganalisa hasil pengujian simulasi pada

MotorSolve dan perhitungan pada Matlab. Hasil pemodelan inner rotor dan

outer rotor dibandingkan, dan dianalisa jenis rotor mana yang memiliki

efisiensi tinggi. Hasil efisiensi yang telah didapatkan dari simulasi ini akan

dibandingkan dengan perhitungan teori, untuk mengetahui nilai error dari

masing-masing pemodelan.

3.6. Diagram Alir Penelitian

Tahapan dari penelitian yang dilakukan yaitu dimulai dari studi literatur,

menentukan rancangan, membuat program perhitungan untuk ukuran dan

efisiensi motor brushless DC, menguji program dengan memasukkan nilai

parameter motor brushless DC, apabila pengujian berhasil maka lanjut dengan

memodelkan motor brushless DC pada software MotorSlove berdasarkan

parameter ukuran hasil perhitungan pada Matlab, analisa karakteristik motor

brushless DC, apabila karakteristik sudah sesuai dan efisiensi motor lebih dari

70 % maka dapat dikatakan penelitin ini berhasil. Semua tahapan ini

dilakukan agar penelitian berjalan dengan teratur sesuai dengan tahapan yang

telah dibuat sehingga meminimalisir terjadinya kesalahan dikemudian hari.

25

Flowchart pada penelitian ini adalah sebagai berikut :

26

Gambar 3.2. Diagram alir Penelitian

Gambar 3.3. Diagram Alir perhitungan

BAB V

SIMPULAN DAN SARAN

5.1. Simpulan

1. Perbedaan jenis rotor dan jumlah slot mempengaruhi nilai kerapatan fluks

magnet pada hasil rancangan, nilai tertinggi terdapat pada rancangan outer

rotor dengan jumlah slot 36 yaitu 2.45 T.

2. Pemodelan outer rotor dengan jumlah slot 36 memiliki nilai cogging torque

terendah sebesar 0.0103 N.m. Jenis outer rotor menghasilkan coging torque

yang lebih rendah dibandingkan jenis inner rotor, dan semakin banyak jumlah

slot maka cogging torque semakin rendah.

3. Berdasarkan hasil simulasi torka vs kecepatan pemodelan inner rotor dengan

jumlah slot 12 menghasilkan torka awal tertinggi yaitu 6.76 N.m kemudian

torka turun hingga kecepatan maksimum.

4. Pemodelan jenis inner rotor dengan jumlah slot 12 memiliki efisiensi yang

tertinggi yaitu sebesar 82.5 % dengan nilai error 0.01.

5.2. Saran

Memvariasikan lebih banyak pemodelan, seperti jumlah slot, jumlah kutub,

diameter motor, magnet permanen, celah udara, material yang digunakan untuk

mendapatkan kinerja motor yang lebih baik.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Wang Yaling, Xu Yanling, “A Design Study of Dual Stator Permanent Magnet

Brushless DC Motor”, TELKOMNIKA, Vol.11, No.4, December 2013,

pp.653-660 ISSN: 1693-6930.

[2] Nistha Shrivastava, Anil Brahmin, “Design of 3-Phase BLDC Motor for

Electric Vehicle Application by Using Finite Element Simulation”, IJETAE, on

volume 4, issue 1, January 2014.

[3] S.Ganesh, Sarah Sankar.S, N.Selvagenesan, ”Design an analysis of BLDC

motor for aerospace application using FEM” in International Conference on

Intelligent Computing, Instrumentation and Control Technologies (ICICICT).

[4] Takashi Kenjo, Shigenobu Nagamori. 2003. “Brushless Motors”. Kanagawa:

Sogo Electronic Press.

[5] http://what-when-how.com/electric-motors/sizing-and-shaping-the-motor-

electric-motors/.

[6] Pinaki Mukherjee, Mainak Sengupta. “Design, Analysis and Fabrication of a

Brush-less DC Motor”. IEEE International Conference on Power Electronics

2014.

[7] J.R. Hendershot, THE Miller. 1994. “Design Of Brushless Permanent-Magnet

Motors”. Oxford: Clarendon Press.

[8] Carunaiselvane.C, S.Jeevananthan, “Generalized Procedure for BLDC Motor

Design and Substantiation in MagNet 7.1.1 Software”, Instrumentation and

Control Technologies (ICICICT) 2012.

[9] Dr. Duane Hanselman. 2003. “Brushless Permanent Magnet Motor Design”.

Amerika: Magna Physics Publishing.

[10] Daren L. Gabriel, Johan Meyer, Francois du Plessis. “Brushless DC Motor

Characterisation and Selection for a Fixed Wing UAV”. IEEE. 2011.

[11] Jacek F. Gieras, Rong-Jie Wang, Maarten J. Kamper. “Axial Flux Permanent

Magnet Brushless Machine”. Kluwer Academic Publisher. New York. 2004.

[12] Garrison, F.Price, Todd, D. Batzel dkk. “Design and testing of a Permanent

Magnet Axial Flux Wind Power Generator”. 2008.

[13] Shubhan Mittal, Varun Kumar Gupta, Prof. R. Sudha. “Implementation and

Realization Of Brushless DC Motor”. IJSER. 2013.

[14] Y.B. Adyapaka Apatya, Aries Subiantoro, Feri Yusivar. “Design and

Prototyping of 3-Phase BLDC Motor”. IEEE. 2017.

[15] Luca Del Ferraro, Roberto Terrigi, Fabio Giulli Capponi. “Coil and Magnet

Shape Optimization of an Ironless AFPM Machine by Means of 3D FEA”.

IEEE. 2007.

(Skripsi) Oleh - digilib.unila.ac.iddigilib.unila.ac.id/55578/3/Skripsi Full Teks tanpa Bab...

Documents

Transcript of (Skripsi) Oleh - digilib.unila.ac.iddigilib.unila.ac.id/55578/3/Skripsi Full Teks tanpa Bab...