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 lilitan 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 flux 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 menyebabkan 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 Rotary 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 DC,koneksi sumber ke rotor

menggunakan brush namun pada BLDC motor,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 dimiliki,Motor BLDC tetap lebih

efisien untuk mengkonversi listrik menjadi energi mekanik dari motor DC

bersikat. kelebihan ini terutama disebabkan tidak adanya kerugian 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, konfigrasi 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 (background 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.