Kerugian adalah berhubungan dengan selisih antara daya sebenarnya yang diberikan pada mesin dan daya yang diasilkan oleh mesin tersebut.
Input - Output = Rugi-rugi
Rugi-rugi yang terjadi pada mesin listrik seperti halnya generator atau motor terbagi dalam tiga kelompok utama yaitu Rugi tembaga, rugi besi serta rugi gesekan dan celah udara. Semua kerugian ini menghasilkan panas pada beberapa bagian mesin. Hal ini memerlukan daya yang cukup besar yang harus diberikan pada mesin. Rugi-rugi yang terjadi di dalam motor DC dapat dibagi ke dalam lima kategori dasar yaitu :
1. Rugi-Rugi Tembaga (Rugi I2R) 2. Rugi-Rugi Sikat
3. Rugi-Rugi Inti 4. Rugi-Rugi Mekanis 5. Rugi-Rugi Beban Stray
2.4.1. Rugi-Rugi Tembaga (I2R)
Rugi-rugi tembaga adalah rugi-rugi daya yang terjadi di dalam kumparan medan dan kumparan jangkar motor. Karena kawat tembaga kedua kumparan tersebut memiliki nilai resistansi Rf dan Ra, maka jika mengalir arus DC sebesar If dan Ia akan menyebabkan kerugian daya yang dihitung dengan persamaan :
Pa = Ia2Ra………...………...….……(12) dan
Pf = If2Rf………..…..……....……(13) Di mana : Pa = rugi tembaga kumparan jangkar
Pf = rugi tembaga kumparan medan
Ia = arus jangkar Ra = resistansi jangkar If = arus medan Rf = resistansi medan
Besarnya resistansi kumparan medan dan kumparan jangkar dapat diukur langsung dengan ohmmeter atau dengan metode volt-amperemeter. Di mana dalam pengukuran resistansi kumparan medan dengan metode volt-amperemeter dilakukan dengan memberikan tegangan DC pada terminal kumparan medan sedemikian rupa sehingga mengalir arus medan sebesar arus nominalnya. Nilai arus dan tegangan diukur sehingga diperoleh nilai resistansi kumparan medan sebesar Rf = Vfdc/Ifdc.
Sedangkan untuk mengukur tahanan jangkar dengan metode volt-amperemeter dilakukan dengan memberikan tegangan DC pada komutator yang berada tepat di bawah sikat-sikat yang polaritasnya berbeda sedemikian rupa sehingga mengalir arus
jangkar sebesar arus beban penuhnya dengan jangkar dalam kondisi ditahan/diblok. Nilai tegangan
dan arus diukur sehingga diperoleh nilai resistansi jangkar sebesar Ra = Vadc/Iadc.
Namun perlu diperhatikan bahwa di dalam perhitungan rugi-rugi tembaga jangkar, nilai resistansi jangkar yang dimasukkan ke dalam perhitungan biasanya sudah mencakup nilai resistansi sikat dan tahanan kontak sikat. Sehingga dalam pengukuran resistansi jangkar dengan ohmmeter ataupun dengan metode volt-amperemeter biasanya tegangan DC diberikan langsung pada terminal jangkar yang ditarik dari sikat-sikatnya.
2.4.2. Rugi-Rugi Sikat
Jika kumparan jangkar motor DC dialiri arus listrik DC maka sikat-sikatnya juga akan dialiri arus yang sama. Karena sikat memiliki nilai resistansi sikat dan juga tahanan kontak antara permukaan sikat dengan komutator maka terdapat rugi jatuh tegangan pada sikat yang dinyatakan dengan Vbd. Jatuh tegangan sikat ini menyebabkan timbulnya rugi-rugi daya sebesar :
Pbd = Vbd.Ia………...……….(14) Dimana : Pbd = rugi daya akibat jatuh tegangan sikat Ia = arus jangkar
Vbd = jatuh tegangan sikat
Besarnya nilai jatuh tegangan sikat-sikat pada motor DC hampir konstan dalam rentang arus jangkar yang besar. Dengan demikian, telah dibuat ketetapan untuk jatuh tegangan sikat ini sebagai berikut :
Sikat-sikat grafit dan karbon, terpasang paralel…………..1 Volt
Sikat-sikat grafit dan karbon, tidak terpasang paralel…….1 2 1
Volt
Sikat-sikat logam grafit, terpasang paralel…………..…... 4 1
Nilai jatuh tegangan sikat ini dianggap sama untuk setiap arus beban dalam perhitungan efisiensi motor.
Selain rugi jatuh tegangan, terdapat juga rugi sikat yang lain berupa rugi-rugi gesek antara permukaan sikat dengan komutator. Rugi gesek sikat ini sangat kecil sehingga selalu diabaikan dalam perhitungan rugi-rugi motor DC. Pengalaman telah menunjukkan bahwa dari pengujian gesekan sikat yang dibuat di pabrik sebelum permukaan sikat dan komutator menjadi halus karena pengoperasian mesin yang terus menerus, diperoleh hasil yang bervariasi. Namun dari seluruh hasil pengujian tersebut ditetapkan suatu nilai konvensional gesekan sikat tersebut, yang menunjukkan nilai rata-ratanya sebagai berikut :
Tabel 1. Nilai Konvensional Rugi Gesek Sikat Dengan Komutator
Jenis sikat
Watt per kuadrat inchi dari suatu permukaan kontak sikat
per 1000 ft per menit pada permukaan luar komutator Sikat-sikat karbon dan grafit 8 Watt
Sikat-sikat logam grafit 5 Watt
(Sumber : Chester L Dawes, “Electrical Engineering : Direct Current”)
2.4.3. Rugi-Rugi Inti
Rugi-rugi inti terjadi di dalam jangkar motor DC yang disebabkan oleh perputaran jangkar di dalam medan magnet kutub-kutubnya. Ada dua jenis rugi-rugi inti yaitu (1) rugi hysteresis dan (2) rugi arus pusar.
2.4.3.1. Rugi Hysteresis
Rugi hysteresis terjadi di dalam jangkar mesin DC karena setiap bagian jangkar dipengaruhi oleh pembalikan medan magnetik sebagaimana bagian tersebut lewat di bawah kutub-kutub yang berurut.
Gambar 13. Perputaran jangkar di dalam motor dua kutub
Gambar 13 menunjukkan jangkar yang berputar di dalam motor dua kutub. Dengan menganggap ab sebagai potongan kecil dari jangkar. Ketika potongan ab berada di bawah kutub N, garis-garis magnetik lewat dari a ke b. Setengah perputaran selanjutnya, dari potongan besi yang sama berada di bawah kutub S dan garis-garis magnetik lewat dari b ke a sehingga sifat magnet di dalam besi dibalik.
Untuk dapat membalik molekul-molekul magnet secara terus menerus di dalam inti jangkar, sejumlah daya diserap sehingga menyebabkan pemanasan pada inti jangkar. Daya yang diserap dan berubah menjadi panas tersebut dianggap sebagai rugi-rugi di dalam inti jangkar dan disebut sebagai rugi hysteresis
Untuk dapat mengurangi rugi-rugi hysteresis ini di dalam motor DC, inti jangkar di buat dari bahan ferromagnetik yang memiliki koefisien hysteresis Steinmentz yang kecil seperti baja silikon.
2.3.4.2. Rugi Arus Pusar
Sebagai tambahan terhadap tegangan yang diinduksikan di dalam konduktor jangkar, ada juga tegangan yang diinduksikan di dalam inti jangkar. Tegangan ini menghasilkan arus yang bersirkulasi di dalam inti jangkar seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 14. Ini disebut sebagai arus pusar (eddy current) dan daya yang hilang karena alirannya disebut dengan rugi arus pusar.
Rugi arus pusar berlaku sebagai panas yang dapat menaikkan temperatur motor dan menurunkan efisiensinya. Jika suatu inti besi padat digunakan sebagai inti jangkar, resistansi terhadap arus pusar ini akan menjadi kecil karena lebarnya luas penampang inti. Akibatnya, nilai arus pusar dan juga rugi arus pusarnya akan menjadi besar. Besarnya nilai arus pusar dapat dikurangi dengan membuat resistansi inti sebesar mungkin secara praktisnya.
Gambar 14. (a) Arus pusar di dalam inti jangkar yang padat (b) Arus pusar di dalam inti jangkar yang dilaminasi
Resistansi inti dapat ditingkatkan dengan merancang suatu inti yang tipis, berupa lembaran-lembaran besi bulat yang disebut laminasi-laminasi (lihat gambar 15).
Gambar 15. Potongan laminasi inti jangkar
Laminasi-laminasi tersebut diisolai antara satu dengan yang lainnya dengan suatu pembungkus varnish. Pembungkusan dengan isolasi ini akan menghasilkan isolasi yang tinggi, sehingga arus yang mengalir dari satu laminasi ke laminasi
lainnya menjadi sangat kecil. Juga, karena setiap laminasi dibuat sangat tipis, resistansi terhadap arus yang mengalir melalui lebar laminasi juga semakin besar.
Dengan demikian, pelaminasian inti dapat meningkatkan resistansi inti yang pada akhirnya akan mengurangi arus pusar dan juga rugi-rugi yang ditimbulkannya.
2.4.4. Rugi-Rugi Mekanis
Rugi-rugi mekanis di dalam motor DC merupakan rugi-rugi yang berhubungan dengan efek-efek mekanis. Ada dua bentuk dasar rugi-rugi mekanis di dalam motor DC yaitu gesekan dan angin.
Rugi-rugi gesekan adalah rugi-rugi yang disebabkan oleh pergesekan antara permukaan bagian-bagian yang berputar dengan bagian-bagian yang diam dari motor, diantaranya gesekan bearing atau bantalan peluru dengan rumah bearing atau dengan as rotor. Juga gesekan antara permukaan sikat dengan komutator. Karena adanya suatu nilai koefisien gesek antara permukaan bagian-bagian tersebut, walaupun kecil, diperlukan gaya untuk mengimbangi gaya lawan akibat koefisien gesek tersebut jika ingin menggerakkan rotor motor DC tersebut.
Selain itu, panas yang ditimbulkan akibat pergesekan antara permukaan tersebut jika motor berputar juga merupakan rugi-rugi yang perlu dipertimbangkan. Oleh karena itu diperlukan usaha untuk memperkecil rugi-rugi gesek tersebut dengan membuat permukaan sikat yang halus serta penggunaan bearing dengan minyak pendingin yang dipompakan untuk motor DC yang besar.
Sedangkan rugi-rugi angin adalah rugi-rugi yang disebabkan oleh pergesekan antara bagian-bagian motor yang berputar dengan udara di dalam rumah (casing)
dalam motor ataupun gesekan udara dengan kipas pendingin yang dipasangkan pada rotor di dalam motor. Rugi-rugi angin ini bervariasi tergantung pada kecepatan rotasi motor tersebut.
2.4.5. Rugi-Rugi Beban Stray
Rugi-rugi beban stray merupakan rugi-rugi yang disebabkan oleh arus pusar di dalam tembaga dan rugi-rugi inti tambahan di dalam besi, yang timbul karena pendistorsian fluks magnetik oleh arus beban (tidak termasuk yang disebabkan oleh jatuh tegangan IR) dan rugi-rugi hubung singkat komutasi.
Rugi-rugi beban stray ini tidak dapat dikategorikan ke dalam tipe rugi-rugi yang disebutkan di atas. Di dalam perhitungan rugi-rugi motor DC, besarnya rugi-rugi beban stray dinyatakan sebesar ± 1% dari beban penuh.
