Prinsip Kerja Motor Listrik DC

Motor listrik adalah sebuah mesin listrik yang berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Motor listrik pertama kali diciptakan dengan menggunakan sumber arus listrik searah atau DC (Direct Current) oleh beberapa ilmuwan seperti Englishman Peter Barlow (1822), Prussian Moritz Jacobi (1834), dan William Sturgeon (1832). Perkembangan motor listrik DC tidak dapat terlepas dari sebuah fenomena induksi elektromagnetik yang diperkenalkan oleh Michael Faraday (1831) dan terkenal dengan sebutan Hukum Faraday.

Namun justru di akhir abad 19, puluhan tahun setelah para ilmuwan memperkenalkan motor listrik, John Ambrose Fleming memperkenalkan sebuah sistem mneumonik untuk memudahkan kita memahami fenomena yang terjadi pada motor listrik dan generator listrik. Sistem mneumonik tersebut Fleming sebut dengan kaidah tangan kiri untuk motor listrik, dan kaidah tangan kanan untuk generator listrik. Kaidah ini memudahkan kita untuk menentukan arah gaya dorong, arah medan magnet, serta arah arus listrik pada sebuah sistem induksi elektromagnetik.

IMG_2227.PNG

Kaidah Tangan Kiri
(Sumber)

Gambar di atas adalah kaidah tangan kiri yang diperkenalkan oleh Fleming untuk memudahkan kita memahami fenomena induksi elektromagnetik pada motor listrik. Tirukan saja susunan jari tangan kiri Anda untuk membentuk konfigurasi seperti gambar di atas. Sekarang yang perlu kita ingat adalah dengan konfigurasi jari tangan kiri seperti ini maka jari tengah Anda menunjukkan arah arus listrik, jari telunjuk Anda menunjukkan arah medan magnet, sedangkan ibu jari Anda menunjukkan gaya dorong yang terjadi akibat fenomena induksi elektromagnetik. Arah dari ketiga parameter pada kaidah tangan kiri ini berlaku untuk semua motor listrik dan bekerja secara alami selayaknya Anda mengenal gaya gravitasi bumi maupun gaya tarik menarik antara dua kutub magnet yang berbeda.

IMG_2228.JPG

Skema Dasar Motor Listrik DC

Selanjutnya untuk lebih memahami bagaimana sebuah motor listrik dapat bekerja, mari kita perhatikan gambar skema motor listrik DC di atas. Pada skema di atas, rotor motor diskemakan dengan sebuah kawat angker penghantar listrik (armature) yang membentuk persegi panjang. Pada kedua ujung kawat angker terpasang komutator berbentuk lingkaran yang terbelah di tengahnya, komponen ini sering kita dengar dengan sebutan cincin belah. Cincin belah termasuk bagian dari rotor, sehingga ia ikut berputar dengan rotor. Sedangkan stator motor tersusun atas dua magnet dengan kutub berbeda yang saling berhadapan. Pada bagian yang kontak langsung dengan cincin belah, stator dilengkapi dengan sikat karbon yang berfungsi untuk menghubungkan arus listrik dari sumber tegangan ke kumparan rotor.

Sumber tegangan DC diilustrasikan dengan gambar baterai pada skema motor DC di atas. Masing-masing kutub baterai terhubung dengan sikat karbon, sehingga tercipta arus listrik DC dengan arah arus dari kutub positif ke negatif melewati sikat karbon, satu bagian cincin belah, kawat angker (armature), kembali ke cincin belah, sikat karbon dan ke kutub negatif baterai.

IMG_2229-0.JPG

(a)

IMG_2230.JPG

(b)

IMG_2231.JPG

(c)
Proses Berputarnya Rotor Motor Listrik DC
(Sumber)

Setelah kita memahami konsep kaidah tangan kiri Fleming serta juga komponen-komponen dasar dari motor listrik, maka kita akan dengan mudah memahami bagaimana motor listrik dapat bekerja. Kita mulai dengan gambar (a) di atas, garis medan magnet mengarah ke kiri yang disimbolkan dengan garis biru dan huruf (B). Untuk arah arus listrik ditunjukkan dengan garis berwarna hitam dan huruf (I). Jika kita mencoba menggunakan kaidah tangan kiri kita pada sisi kiri kawat angker, maka akan kita dapatkan bahwa gaya dorong (F) akan mengarah ke atas. Sedangkan untuk sisi kanan kawat angker, kaidah tangan kiri akan menunjukkan bahwa gaya dorong akan mengarah ke bawah. Gaya dorong yang tegak lurus langsung terhadap kawat angker kanan dan kiri ini menghasilkan torsi yang paling besar pada rotor motor. Gaya torsi inilah yang akan memutar rotor motor.

Pada posisi rotor seperti gambar (b), masing-masing cincin belah masih terhubung dengan sikat karbon sehingga arah arus listrik tidak berubah. Dengan cara yang sama menggunakan kaidah tangan kiri, arah gaya dorong juga mengarah ke atas untuk kawat angker kiri dan ke bawah untuk kawat angker kanan. Namun besar gaya torsi yang terjadi adalah lebih kecil sebesar cos α daripada gaya F. Gaya torsi ini masih akan membuat rotor motor berputar searah jarum jam.

Torsi rotor akan menjadi nol pada saat kawat angker berposisi seperti pada gambar (c). Sesuai dengan kaidah tangan kiri, jika pada kawat angker terdapat arus listrik, maka arah gaya dorong kawat juga ke atas atau pun ke bawah. Namun karena gaya tersebut segaris dengan titik poros rotor, atau dapat pula dikatakan tegak lurus dengan arah putaran rotor, maka tidak akan timbul gaya torsi pada kawat angker. Sudut α yang sebesar 90o menjelaskan pula tidak akan timbul gaya torsi pada saat posisi kawat angker demikian, karena nilai dari cos 90o adalah nol. Nilai torsi nol ini tidak akan membuat rotor motor berhenti berputar, karena sifat kelembaman rotor maka rotor akan terus berputar selama masih ada arus listrik yang mengalir pada kawat angker.

Setelah kawat angker melewati fase tegak lurus dan membentuk sudut , arah arus listrik akan mengalir dengan arah yang sama seperti pada saat kawat angker bersudut (gambar b). Komponen komutator yang selalu ikut berputar dengan rotor dan sikat karbon yang selalu diam, menjadi komponen yang akan menjaga arah arus listrik untuk selalu tetap yakni --sesuai gambar skema-- mengalir dari sisi kiri kawat angker ke kanan. Arah arus listrik yang selalu tetap di setiap setengah putaran rotor inilah yang akan membuat rotor motor listrik selalu berputar selama masih ada arus listrik yang mengalir ke kawat angker.

Animasi Prinsip Kerja Motor Listrik DC
(Sumber)

Gaya Lorentz
Gaya dorong pada kawat angker motor listrik dc merupakan salah satu bentuk gaya Lorentz. Gaya Lorentz adalah gaya yang ditimbulkan oleh adanya arus listrik yang berada di dalam sebuah medan magnet. Perhitungan besar gaya Lorentz adalah sesuai dengan rumus berikut:
      F  = B x I x L
Dimana:
      F     = Gaya Lorentz (Newton)
      B     = Medan magnet (Tesla)
      I     = Arus listrik (Ampere)
      L     = Panjang kawat yang dialiri listrik (Meter)

Besar gaya Lorentz berpengaruh langsung terhadap kecepatan putaran serta gaya torsi motor listrik. Sesuai dengan rumusan di atas, maka kecepatan putaran serta torsi motor tergantung dari besar medan magnet, besar arus listrik, serta panjang kawat. Ketiga komponen tersebut dapat direkayasa sehingga didapatkan karakteristik motor listrik yang sesuai dengan yang diinginkan. Merekayasa jumlah lilitan kawat angker serta besar arus listrik yang masuk ke kawat tersebut menjadi dua komponen yang paling mudah dimodifikasi pada sebuah motor listrik.

IMG_1822.JPG

Diagram Motor Listrik Dengan Tiga Lilitan Kawat Angker
(Sumber)


Video Prinsip Kerja Motor Listrik DC

Referensi :

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *