Dalam industri pengontrol cairan mini, motor tanpa sikat adalah sumber daya inti untuk peralatan utama, termasuk pompa air mini dan pompa vakum mini. Katup solenoid kecil bekerja sama dengan motor untuk mencapai pengaturan aliran otomatis. Baru-baru ini, banyak pembeli peralatan berfokus pada kinerja BLDC; oleh karena itu, kami meluncurkan artikel sains populer berseri untuk mengungkap pengetahuan inti tentang motor efisiensi tinggi ini.
Memahami prinsip dan penerapan motor efisiensi tinggi: Motor listrik mengubah energi listrik yang disuplai menjadi energi mekanik. Berbagai jenis motor listrik banyak digunakan. Diantaranya, motor DC brushless (BLDC) sangat efisien dan memiliki kemampuan pengendalian yang sangat baik, serta banyak digunakan dalam banyak aplikasi. Dibandingkan dengan jenis motor lainnya, motor BLDC mempunyai keunggulan dalam penghematan energi.
Motor listrik adalah mesin transmisi listrik.
Ketika para insinyur menghadapi tantangan merancang peralatan listrik untuk melakukan tugas mekanis, mereka mungkin mempertimbangkan bagaimana sinyal listrik diubah menjadi energi. Oleh karena itu, aktuator dan motor merupakan salah satu perangkat yang mengubah sinyal listrik menjadi gerak. Motor mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.
Motor listrik yang paling sederhana adalah motor DC brushless. Pada motor jenis ini, arus mengalir melalui kumparan yang ditempatkan dalam medan magnet tetap. Arus menghasilkan medan magnet pada kumparan; Hal ini menyebabkan rangkaian kumparan berputar karena setiap kumparan didorong menjauh dari kutubnya sendiri dan ditarik menuju kutub dengan medan magnet tetap. Untuk mempertahankan putaran, arus perlu dibalik secara konstan, menyebabkan polaritas kumparan terus menerus terbalik, sehingga kumparan terus “mengejar” kutub medan magnet yang berlawanan. Daya ke kumparan disuplai oleh sikat konduktif tetap yang menghubungi komutator yang berputar; perputaran komutator menyebabkan arus mengalir melalui kumparan dengan arah yang berlawanan. Komutator dan sikat merupakan komponen utama yang membedakan motor DC brushed dengan motor lainnya.
Gambar 1 mengilustrasikan prinsip umum motor DC yang disikat.
Gambar 1 mengilustrasikan prinsip umum motor DC yang disikat.
Gambar 1: Pengoperasian motor DC yang disikat.
Sikat tetap menyuplai energi listrik ke komutator yang berputar. Saat komutator berputar, komutator terus menerus membalikkan arah arus yang mengalir ke kumparan, sehingga membalikkan polaritas kumparan dan menjaganya tetap berputar ke kanan. Komutator berputar karena dihubungkan dengan rotor tempat kumparan dipasang.
Jenis Motorik Umum
Motor berbeda dalam jenis dayanya (AC atau DC) dan metode menghasilkan putaran (Gambar 2). Di bawah ini, kami perkenalkan secara singkat karakteristik dan penerapan masing-masing jenis.
Gambar 2: Berbagai Jenis Motor
Motor DC yang disikat memiliki desain yang sederhana, mudah dikendalikan, dan banyak digunakan untuk membuka dan menutup baki disk. Di mobil, mereka biasanya digunakan untuk menarik kembali, memanjangkan, dan memposisikan jendela samping elektrik. Rendahnya biaya motor ini membuatnya cocok untuk banyak aplikasi. Namun kekurangannya adalah sikat dan komutator cenderung cepat aus karena kontak yang terus menerus sehingga memerlukan penggantian yang sering dan perawatan yang teratur.
Motor stepper digerakkan oleh pulsa; untuk setiap pulsa yang diterima, ia berputar dengan sudut (langkah) tertentu. Karena proses putarannya sepenuhnya dikendalikan oleh jumlah pulsa yang diterima, maka motor ini banyak digunakan untuk pengaturan posisi. Mereka sering digunakan untuk mengontrol proses pengumpanan kertas di mesin faks dan printer—karena perangkat ini mengumpankan kertas dalam langkah-langkah yang tetap, dan langkah-langkah ini mudah dikorelasikan dengan jumlah pulsa. Kontrol jeda juga mudah diterapkan, karena putaran motor segera berhenti ketika sinyal pulsa terganggu.
Saat menggunakan motor sinkron, putarannya disinkronkan dengan frekuensi arus catu daya. Motor ini biasanya digunakan untuk menggerakkan baki berputar di oven microwave; roda gigi reduksi pada unit motor memberikan kecepatan putaran yang sesuai untuk memanaskan makanan. Motor induksi, kecepatan putarannya bervariasi menurut frekuensi, tetapi pergerakannya tidak sinkron. Dulu, motor ini biasa digunakan pada kipas angin listrik dan mesin cuci.
Ada berbagai jenis motor yang umum digunakan; pada bagian ini, kita akan melihat kelebihan dan penerapan motor DC brushless.
Mengapa motor BLDC berputar?
Seperti namanya, motor DC brushless tidak menggunakan sikat. Pada motor sikat, sikat mentransfer arus ke kumparan pada rotor melalui komutator. Jadi, bagaimana motor brushless mentransfer arus ke kumparan rotor? Tidak ada—karena kumparan tidak terletak pada rotor. Rotor adalah magnet permanen; kumparan tidak berputar tetapi dipasang pada stator. Karena kumparan tidak bergerak, maka sikat dan komutator tidak diperlukan. (Lihat Gambar 3) Pada motor sikat, putaran dicapai dengan mengendalikan medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan pada rotor, sedangkan medan magnet yang dihasilkan oleh magnet stasioner tetap konstan. Untuk mengubah kecepatan putaran, tegangan pada kumparan perlu diubah. Pada motor BLDC, magnet permanen berputar; rotasi dicapai dengan mengubah arah medan elektromagnetik yang dihasilkan oleh kumparan stasioner di sekitarnya. Untuk mengontrol putaran, besaran dan arah arus yang mengalir ke kumparan tersebut perlu diatur.
Gambar 3: Motor BLDC.
Karena rotor merupakan magnet permanen, maka tidak memerlukan arus, sehingga menghilangkan kebutuhan akan sikat dan komutator. Arus ke kumparan stasioner dikendalikan secara eksternal.
Keunggulan Motor BLDC
Motor BLDC dengan tiga kumparan pada stator akan memiliki enam kabel (dua untuk setiap kumparan) yang memanjang dari kumparan tersebut. Dalam sebagian besar implementasi, tiga kabel ini akan dihubungkan secara internal, dengan tiga kabel sisanya memanjang dari bodi motor (berbeda dengan dua kabel motor yang disikat yang dijelaskan sebelumnya). Pengkabelan di dalam casing motor BLDC lebih rumit daripada sekadar menghubungkan terminal positif dan negatif dari unit catu daya; cara kerja motor ini akan kita bahas lebih detail pada Part II seri ini. Di bawah ini kami simpulkan dengan memahami kelebihan motor BLDC.
Keuntungan yang signifikan adalah efisiensi, karena motor ini dapat beroperasi terus menerus pada torsi maksimum. Sebaliknya, motor yang disikat hanya dapat mencapai torsi maksimum pada titik putaran tertentu. Untuk memberikan torsi yang sama seperti motor brushless, motor brushed memerlukan magnet yang lebih besar. Inilah sebabnya mengapa motor BLDC kecil pun dapat menghasilkan tenaga yang besar.
Keuntungan besar kedua yang terkait dengan yang pertama adalah kemampuan pengendalian. Motor BLDC dapat dikontrol melalui mekanisme umpan balik, yang secara tepat menghasilkan torsi dan kecepatan yang dibutuhkan. Kontrol yang tepat, pada gilirannya, mengurangi konsumsi energi dan pembangkitan panas, dan—jika motor bertenaga baterai—memperpanjang masa pakai baterai.
Karena tidak adanya sikat, motor BLDC juga menawarkan daya tahan tinggi dan pembangkitan kebisingan listrik yang rendah. Dengan motor yang disikat, sikat dan komutator menjadi aus karena kontak yang bergerak terus menerus, sehingga menghasilkan percikan api pada titik kontak. Kebisingan listrik, khususnya, dihasilkan dari percikan api kuat yang mudah dihasilkan saat sikat melewati celah komutator. Inilah sebabnya mengapa motor BLDC umumnya dianggap sebagai pilihan yang lebih baik dalam aplikasi dimana kebisingan listrik harus dihindari.
Aplikasi Ideal Motor BLDC
Kita telah melihat bahwa motor BLDC menawarkan efisiensi dan pengendalian yang tinggi, serta memiliki masa pengoperasian yang lama. Jadi apa kegunaannya? Karena efisiensi dan masa pakainya, mereka banyak digunakan dalam peralatan yang beroperasi terus-menerus. Mereka telah lama digunakan pada mesin cuci, AC, dan barang elektronik konsumen lainnya; baru-baru ini, mereka juga muncul di kipas angin, di mana efisiensi tinggi mereka secara signifikan mengurangi konsumsi daya.
Mereka juga digunakan untuk menggerakkan mesin vakum. Dalam satu kasus, perubahan dalam program kendali menghasilkan lonjakan kecepatan yang dramatis—sebuah contoh tingginya tingkat pengendalian yang ditawarkan motor ini.
Motor BLDC juga digunakan untuk menggerakkan hard disk drive; daya tahannya memungkinkan hard disk ini beroperasi dengan andal dalam jangka waktu lama, sementara efisiensi dayanya membantu mengurangi konsumsi energi di sektor yang semakin penting.
Menuju Penerapan yang Lebih Luas di Masa Depan
Kita dapat berharap bahwa di masa depan, motor BLDC akan digunakan secara luas dalam berbagai aplikasi. Misalnya, mereka mungkin banyak digunakan untuk menggerakkan robot layanan—robot kecil yang menyediakan layanan di sektor di luar manufaktur. Orang mungkin berpikir bahwa motor stepper lebih cocok untuk aplikasi jenis ini, karena pulsa dapat digunakan untuk kontrol posisi yang tepat. Namun, motor BLDC lebih cocok untuk mengendalikan gaya. Dengan menggunakan motor stepper, mempertahankan posisi struktur seperti lengan robot memerlukan arus yang relatif besar dan terus menerus. Dengan motor BLDC, arus yang dibutuhkan sebanding dengan gaya eksternal, sehingga menghasilkan pengendalian yang lebih hemat energi. Motor BLDC juga dapat menggantikan motor DC sederhana di kereta golf dan kendaraan bergerak. Selain efisiensi yang lebih tinggi, motor BLDC menawarkan kontrol yang lebih presisi – yang pada gilirannya dapat memperpanjang masa pakai baterai.
Motor BLDC juga ideal untuk drone. Kemampuannya untuk memberikan kontrol yang tepat membuatnya sangat cocok untuk drone multi-rotor, memungkinkan kontrol yang tepat terhadap sikap drone dengan mengontrol kecepatan putaran setiap rotor.
