BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Kendaraan Listrik

Kendaraan listrik merupakan kendaraan yang bergerak dengan satu atau lebih motor listrik, dari energi listrik yang disimpan pada baterai yang diisi ulang atau perangkat penyimpanan energi lainnya. Motor listrik menghasilkan kendaraan listrik dengan torsi yang instan, sehingga dapat menciptakan akselerasi yang kuat dan halus.

Kendaraan listrik memiliki beberapa kelebihan potensial apabila dibandingkan dengan kendaraan konvensional lainnya, terutama pada kendaraan listrik yang tidak menghasilkan emisi seperti kendaraan bermotor bakar. Selain itu, kendaraan listrik juga mengurangi emisi gas rumah kaca karena tidak membutuhkan bahan bakar fosil sebagai penggerak utamanya (binusuniversity, 2018)

Keunggulan lainnya pada teknologi kendaraan listrik adalah kemampuan fast charging, long range per charging dan harga yang kompetitif. Selain itu, pada teknologi kendaraan listrik, akan ditemukan komponen utama penyusun kendaraan listrik tersebut seperti baterai, kontroler, motor listrik dan juga komponen penunjang lainnya seperti frame dan peralatan mekanik lainnya. Salah satu topik utama penelitian kendaraan listrik adalah desain motor penggerak yang terdapat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Mobil listrik enggang EVO III (Penulis, 2021)

Tantangan dalam perkembangan penelitian motor listrik, yaitu mampu merancang motor dengan ukuran kecil namun torsi yang besar dan efisiensi tinggi. Ketika merancang sebuah motor, harus diperhatikan parameter mekanik dan listrik yang diperlukan seperti daya, torsi, kecepatan, dan efisiensi (Jacek and Wing, 2002).

2.2 Dinamika Kendaraan

Pada kendaraan terdapat beberapa gaya-gaya yang berkerja seperti gaya hambat putar (𝐹_𝑟) dan gaya hambat aerodinamis (𝐹_𝑎) , dimana nilai gaya digunakan untuk mencari nilai daya dalam satuan W yang dibutuhkan untuk mengatasi gaya tersebut.

Hubungan antara 𝐹_𝑟 dan 𝐹_𝑎 pada mobil listrik terdapat pada Gambar 2.2. Jenis gaya hambat putar atau biasa disebut dengan rolling resistance, adalah gaya hambat yang diakibatkan oleh gesekan antara ban dengan permukaan jalan. Untuk mencari gaya hambatan putar (𝐹_𝑟), dapat dituliskan melalui persamaan 2.1. Dimana nilai hambatan putar dipengaruhi oleh koefisien hambatan putar (𝐶_𝑟𝑟), berat kendaraan (𝑀), dan akselerasi akibat gravitasi (𝑔). Gambar 2.3 menjelaskan hubungan antara tekanan ban dengan koefisien hambat putar sebagai berikut:

𝐹_𝑟 = 𝐶_𝑟𝑟× 𝑀 × 𝑔 (2.1)

Gambar 2.2 Gaya tahanan putar dan gaya tahanan aerodinamis (Chawrasia, Chanda and Banerjee, 2020)

Gambar 2.3 Grafik tekanan ban terhadap koefisien hambat putar (Chawrasia, Chanda and Banerjee, 2020)

Setelah mendapat nilai hambat putar (𝐹_𝑟), maka dapat menghitung daya yang dibutuhkan untuk mengatasi hambat putar menggunakan persamaan 2.2.

𝑃_𝑟 =𝐹_𝑟× 𝑣

3600 (2.2)

Selanjutnya gaya hambat aerodinamis (𝐹_𝑎) atau biasa disebut drag force. Drag force merupakan gaya dorong yang menghambat kendaraan dikarenakan arah dari drag force yang berlawanan dengan arah dari laju kendaraan. Terdapat beberapa jenis gaya hambat angin (drag force) yaitu hambatan bentuk, hambatan pusaran / turbulensi, hambatan tonjolan dan hambatan aliran dalam. Dengan demikian, besarnya gaya hambat angin dapat dihitung dengan persamaan 2.3 berikut.

𝐹_𝑎=1

2𝐶_𝑑𝐴𝜌𝑣² (2.3)

Gaya aerodinamis dipengaruhi oleh drag koefisien area (CdA), kerapatan massa udara (ρ), dan kecepatan maksimal kendaraan (v). Setelah mendapatkan nilai gaya hambat aerodinamis, maka dapat menghitung daya yang dibutuhkan untuk mengatasi gaya hambat aerodinamis menggunakan persamaan 2.4.

𝑃_𝑎=𝐹_𝑎× 𝑣

3600 (2.4)

2.3 Konsep Umum BLDC

Motor listrik adalah alat yang digunakan untuk mengubah energi listrik yang berupa tegangan dan arus menjadi energi mekanik berupa torsi dan kecepatan. Motor listrik memilki beberapa jenis yaitu motor induksi, motor DC, motor BLDC, dan telah dikembangkan untuk memenuhi berbagai macam kebutuhan. Salah satunya adalah motor BLDC (Hanselman, 2003). Klasifikasi dari mesin listrik yang ada dapat dilihat pada Gambar 2.4

Motor BLDC merupakan motor sinkron yang menggunakan pengontrol khusus yaitu inverter, dimana masukan dari sumber listrik berupa tegangan arus searah (DC) dan diubah menjadi arus bolak-balik untuk pengontrolan motor. Pengaplikasian motor jenis ini biasanya digunakan pada kendaraan listrik, seperti sepeda listrik, kipas berbagai kecepatan, CD player, dan peralatan otomasi industri (Jacek and Wing, 2002).

Motor BLDC menurut klasifikasi mesin listrik merupakan motor AC, disebut BLDC karena back electromotive force (back - EMF) dari motor ini berbentuk sinyal trapezoidal yang memiliki sinyal puncak seperti sinyal DC seperti pada Gambar 2.5.

Adapun klasifikasi mesin listrik secara umum terdapat pada Gambar 2.4 sebagai berikut (Hanselman, 2003).

Electric Motor

AC DC

Homopolar _Commutator Asynchronous synchronous

Induction BLDC Sinewave Reluctance Step Hysteresis PM Wound Field

Shunt Compound Series Switched

Reluctance

Synchronous Reluctance

Hybrid PM Variable

Reluctance

Polyphase Single Phase

Wound Rotor

Squirrel

Cage Capacitor Shaded Pole

Gambar 2.4 Klasifikasi mesin listrik (Hanselman, 2003).

Gambar 2. 5 Back-EMF BLDC

2.4 Prinsip Kerja Motor BLDC

Prinsip kerja suatu motor didasarkan pada gaya tarik atau tolakan antar kutub magnet. Dengan menggunakan motor tiga fasa yang ditunjukkan pada Gambar 2.6, proses dimulai ketika arus mengalir melalui salah satu dari tiga belitan stator dan kutub magnet dihasilkan, yang menarik magnet permanen terdekat dari kutub yang berlawanan. Rotor akan bergerak ke arah belitan stator induksi berikutnya. Arus sinusoidal tiga fasa yang diterapkan pada belitan stator menyebabkannya menginduksi setiap belitan secara bergantian dan menghasilkan medan magnet yang berputar. Ini akan menyebabkan rotor berputar sesuai dengan medan putar dan menghasilkan kecepatan dan torsi. Besarnya torsi tergantung pada amplitudo arus dan jumlah lilitan pada belitan stator, kekuatan dan ukuran magnet permanen, celah udara antara rotor dan belitan serta panjang lengan putar (Zhao and Yangwei, 2011).

Gambar 2.6 Prinsip kerja motor listrik (Zhao and Yangwei, 2011).

2.5 Konstruksi Motor BLDC

Gambar 2.7 Konstruksi dari BLDC motor (Kenjō and Nagamori, 1985)

Motor terdiri dari dua bagian utama yaitu stator dan rotor. Bagian stator adalah bagian tetap dari motor, dan bagian rotor adalah bagian yang berputar. Bagian rotor BLDC memiliki magnet permanen, dan pada stator terdapat gulungan dinamo.

Komponen lain dalam BLDC adalah elemen Hall, yang dapat digunakan untuk menentukan posisi medan magnet. Kontruksi dari BLDC dilihat pada Gambar 2.7.

Gambar 2.8 Radial-flux (kiri) dan axial-flux (kanan) (Hendershot et al., 2016).

Berdasarkan arah flux magnetik pada motor listrik terdapat 2 jenis motor yaitu tipe axial- flux dan radial-flux. Penampakan dari kedua tipe ini dapat dilihat pada Gambar 2.8.

Gambar 2.9 Interior-rotor (kiri) dan exterior-rotor (kanan) (Hendershot et al., 2016).

Pada tipe radial magnet permanen diletakkan diatas pemukaan rotor yang dikopling dengan shaft. Flux magnetik dihasilkan mengarah secara radial dan tegak lurus terhadap shaft diarahkan agar memotong belitan stator yang disusun di sisi stator.

Sedangkan pada tipe aksial, rotor bebentuk disk dikopling dengan shaft, dimana magnet permanen diletakkan di permukaan rotor untuk menghasilkan flux magnetik yang berarah tidak menyebar, melainkan hanya secara axial dan paralel dengan shaft.

Motor tipe radial terbagi menjadi 2 tipe berdasarkan tata letak rotornya yaitu dengan konstruksi interior-rotor dan exterior-rotor, dapat dilihat pada Gambar 2.9.

2.6 Parameter Perancangan Motor

BLDC

2.6.1 Torsi dan Kecepatan

A. Torsi

Motor BLDC dapat diamati melalui grafik karakteristik antara kecepatan dengan torsi yang akan ditunjukkan pada Gambar 2.10. Selama operasi terus menerus motor dapat dimuat ke torsi pengenal, dalam BLDC motor torsi tetap konstan untuk rentang kecepatan hingga kecepatan terukur. Motor dapat dijalankan hingga kecepatan maksimum yang bisa mencapai 150% dari nilai kecepatan, tetapi torsi mulai turun.

Penggunaan yang sering memulai dan berhenti serta pembalikan rotasi yang sering dengan beban pada motor akan menuntut lebih banyak torsi daripada torsi terukur.

Persyaratan ini datang untuk waktu yang singkat, terutama ketika motor mulai pada saat berhenti dan selama akselerasi. Motor dapat memberikan torsi yang lebih tinggi hingga puncak torsi, asalkan mengikuti kurva torsi kecepatan (Yedamale, 2003).

Gambar 2.10 Grafik karakteristik torsi terhadap kecepatan dengan beban

Torsi elektromagnetik pada motor BLDC didapatkan dari arus (I) yang mengalir pada dua fasa belitan yang memiliki konfigurasi concentrated, sehingga setiap fasa memiliki perbedaan 120 derajat elektrik. Hal berikut dapat ditunjukkan melalui persamaan 2.5

𝑇 =2 3∙ 𝑍 ∙𝐷

2∙ 𝐵 ∙ 𝐼 ∙ 𝐿_𝑠𝑡 (2.5)

Dari persamaan diatas dapat diketahui bahwa nilai torsi pada motor BLDC diperngaruhi oleh total konduktor pada motor (Z), diameter stator (D), kerapatan flux (B), arus dc (I) dan panjang stator (L). (Hendershot et al., 2016)

B. Kecepatan Motor BLDC

Kecepatan motor diperoleh menurut fungsi mobilitas dalam rotor sebagai akibatnya bisa menggerakkan sumbu penghubung antara motor dan stator. Gesekan dinamis ada karena gesekan kental bantalan bola, serta untuk eddy current pada stator berasal dari medan magnet yang berputar. Jumlah kutub magnet yang berada pada stator mempunyai nilai yang berbanding lurus dengan torsi dalam motor, namun mempunyai nilai yg berbanding terbalik terhadap kecepatan putaran motor. Hal berikut dapat ditunjukkan melalui persamaan 2.6 (Hendershot et al., 2016).

𝑁_𝑝=30𝑛_𝑔𝑉

𝜋𝑅_𝑤 (2.6)

2.6.2 Konstanta Back-EMF dan Konstanta Torsi (Hendershot et al., 2016)

Konstanta back-emf (𝑘_𝑒) dan konstanta torsi (𝑘_𝑡) berfungsi untuk menyamakan motor dengan pengaturan, terutama saat memperoleh motor dan driver dihasilkan melalui sumber yang berbeda. Nilai 𝑘_𝑒 dan 𝑘_𝑡 digunakan untuk merancang sistem pengaturan motor servo kendaraan listrik. Nilai 𝑘_𝑒 motor BLDC tiga fasa dapat ditunjukkan melalui persamaan (2.7) dengan satuan Vs/rad.

𝐾_𝑒 = 𝑉 𝑁_𝑝∙2𝜋

60

(2.7) Dari persamaan diatas dapat diketahui bahwa nilai konstanta back emf dipengaruhi oleh tegangan (V) dan jumlah poles (𝑁_𝑝). Untuk persamaan 𝑘_𝑡 dapat ditunjukkan melalui persamaan 2.8

𝑘𝑒= 𝑘𝑡 (2.8)

2.6.3 Tegangan dan Arus

A. Tegangan

Tegangan pada kendaraan listrik biasanya berasal dari baterai. Tegangan pada baterai merupakan beda potensial antara anoda dan katoda, sehingga baterai atau sel dapat mengalirkan arus listrik. Besarnya tegangan baterai saat diberi beban tergantung pada nilai arus, keadaan muatan, umur baterai, dan periode penyimpanan. Ada dua jenis tegangan pada baterai, yaitu tegangan sel tertutup dan tegangan sel terbuka.

Tegangan sel terbuka dapat digunakan untuk menentukan keadaan muatan baterai (stete of charge). SOC adalah kapasitas baterai yang terseimpan terhadap kapasitas baterai maksimal. Tegangan sel tertutup adalah tegangan ketika baterai dihubungkan ke sebuah beban, sedangkan tegangan sel terbuka adalah tegangan ketika baterai tidak dihubungkan ke beban. Sedangkan tegangan nominal adalah besarnya nilai tegangan referensi dari baterai atau tegangan normal baterai. Besarnya tegangan nominal baterai berbeda-beda, hal itu dipengaruhi oleh karakteristik baterai (Yantoro, Dwi, 2019).

B. Arus

Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir tiap satuan waktu, dalam Satuan Internasional memiliki lambang (I) dan disebutkan dalam satuan ampere.

Konsep yang harus kita pegang tentang arus listrik adalah: arus mengalir sesuai kebutuhan beban. Semakin beban meminta besar maka arus yang mengalir semakin besar, begitupula sebaliknya. Hal ini dapat ditunjukkan melalui persamaan 2.9 (Yantoro, Dwi, 2019).

𝐼 = 𝑇

𝐾_{𝑇−𝑟𝑚𝑠} (2.9)

2.6.4 Dimensi Motor

Dalam menentukan dimensi motor hal yang harus diperhatikan selain menentukan panjang stator, diameter luar motor dan jari-jari motor adalah menentukan TRV seperti pada Gambar 2.9. TRV merupakan kepadatan torsi per volume rotor.

Secara umum, volume rotor mesin listrik dapat ditentukan dengan menggunakan metode TRV. Namun, nilai TRV tergantung pada desain perangkat, keberadaan magnet permanen (PM), dan bahan dari mana PM dibuat. Setelah nilai TRV ditentukan, diameter luar (Dro) dan panjang tumpukan (Lst) rotor dapat ditunjukkan melalui persamaan 2.11

𝑇𝑅𝑉 = 𝑇

𝜋𝑅²𝐿_𝑠𝑡 (2.10)

Gambar 2.11 Torque per unit rotor volume (TRV) (Chawrasia, Chanda and Banerjee, 2020)

2.6.5 Celah Udara (Air Gap)

Lebar celah udara tergantung pada ukuran motor yang dirancang. Lebar celah udara 0,005” sampai 0,001” direkomendasikan untuk motor dengan ukuran kecil.

Lebar celah udara 0,015” sampai 0,02” direkomendasikan untuk motor dengan ukuran sedang. Lebar celah udara 0,025” sampai 0,035” direkomendasikan untuk ukuran motor dengan ukuran besar. (Hendershot et al., 2016)

2.6.6

Slots

dan

Poles

Dalam pemilihan jumlah slots dan poles dipengaruhi oleh beberapa faktor adalah sebagai berikut:

1. Kecepatan putar, 2. Proses produksi motor, 3. Jenis rotor BLDC,

4. Material magnet permanen, dan

faktor-faktor diatas perlu diperhatikan dalam pemilihan jumlah slots dan poles agar sesuai dengan kebutuhan motor BLDC. Pada motor dengan torsi yang lebih halus digunakan banyak slots dan poles, sedangkan untuk motor dengan kecepatan tinggi menggunakan jumlah slots dan poles yang lebih sedikit. Aturan umum pada motor BLDC tiga fasa adalah jumlah slots berkelipatan tiga dan jumlah poles berkelipatan dua. (Hendershot et al., 2016)

Tabel 2.1 Kombinasi Slots/Poles untuk Motor 3-fasa (Hendershot et al., 2016) Slots 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 Poles 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 Poles 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 Poles 6 8 10 6 8 8 6 8 8 6 8 8 6 8 Poles 8 10 8 14 10 8 10 10 8 10 10 8 10 Poles 12 18 12 16 16 10 30 14 10 14 14 10 14 Poles 14 20 12 22 20 12 16 16 12 16

Poles 16 18 26 22 14 26 26 14 20 Poles 20 26 16 28 28 16 32 Poles 22 28 22 32 32 20 34 Poles 24 24 34 34 28 38 Poles 26 30 40 Poles 28 32 Poles 30 34 Poles 32 38 Poles 40

2.6.7 Rotor

A. Dimensi Rotor

Rotor merupakan bagian yang bergerak atau bersifat dinamis pada motor. Rotor sendiri berfungsi untuk menghasilkan gerakan mekanik melalui shaft-nya. Rotor pada motor axial brushless direct current terdiri dari beberapa magnet permanen yang menempel pada sisi rotor (Fawaid, 2019).

Pada motor, flux melintas dari rotor ke stator dengan arah radial. Sebagian besar motor berjenis inner rotor dan stator luar. Sampai saat ini anggapan rotor adalah memiliki magnet yang dipasang di permukaan. Gambar 2.12 berikut menunjukkan berbagai jenis inner rotor yang paling umum.

Gambar 2.12 Jenis-jenis inner rotor (Hanselman, 2003)

Rotor magnet yang dipasang di permukaan yang ditunjukkan pada Gambar 2.12 yang memiliki beberapa jenis peletakan. Perbedaan antara magnet yang ditunjukkan pada Gambar (a) hingga (c) signifikan ketika jumlah kutub magnet sedikit tetapi berkurang ketika jumlah kutub magnet meningkat. Secara umum diasumsikan bahwa bentuk magnet menentukan arah magnetisasinya. Artinya, magnetisasi adalah radial untuk magnet busur radial yang ditunjukkan pada Gambar (a), dan lurus melalui, sejajar dengan tepi magnet yang ditunjukkan pada Gambar (b) dan (c). Asumsi ini mungkin benar dalam beberapa kasus, tetapi arah magnetisasi ditentukan oleh perlengkapan yang digunakan untuk memagnetisasi magnet. Bagaimanapun, arah magnetisasi memiliki dampak yang lebih kecil pada kinerja motor karena jumlah kutub magnet meningkat. (Hanselman, 2003)

B. Dimensi Magnet

Magnet permanen merupakan material logam yang dapat menghasilkan medan magnet secara alami dan sukar untuk dihilangkan. Banyak jenis material magnet permanen yang ada dengan berbagai macam bentuk yang berbeda. Magnet permanen diletakan pada bagian rotor. Berdasarkan posisi pemasangan magnet permanen pada rotor, maka jenis rotor terbagi atas dua jenis yaitu surface-magnet rotor ditampilkan pada Gambar 2.13 (a) dan embed-magnet rotor ditampilkan pada Gambar 2.13 (b).

Pemilihan jenis rotor tergantung pada kondisi dan kebutuhan dari motor yang dirancang (Hendershot et al., 2016).

Magnet permanen digunakan pada motor BLDC sebagai sumber flux yang akan mempengaruhi kinerja dari motor. Setiap jenis magnet permanen memiliki performa yang berbeda-beda tergantung bahan materialnya. Jenis-jenis magnet permanen yang pada umumnya yang digunakan pada motor BLDC antara lain alnico magnet, ferrite magnet dan rare-earth magnet (Kenjō and Nagamori, 1985).

Magnet permanen jenis Neodymium iron boron (NdFeB) termasuk pada jenis magnet permanen rare-earth. Neodymium iron boron (NdFeB) memiliki performa yang lebih baik dibandingkan permanen magnet jenis alnico dan ferrite. Karakteristik magnet permanen yang digunakan ditampilkan melalui kurva B-H pada Gambar 2.14

Karakteristik kurva B-H dari ketiga jenis magnet permanen ini sangat bervariasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.14 adalah sebagai berikut:

1. Magnet alnico memberikan kerapatan flux magnet yang sangat tinggi dan koersivitas yang rendah. Ketika koersivitas rendah dan dua kutub magnet yang berlawanan saling berdekatan, kutub magnet saling melemahkan. Oleh karena itu, magnet alnico digunakan setelah magnetisasi longitudinal.

2. Magnet ferrite (magnet keramik). Tidak seperti magnet alnico, magnet ini memiliki kerapatan flux magnet yang rendah tetapi koersivitas yang tinggi. Oleh karena itu, dapat ditarik melintasi lebarnya karena koersivitasnya yang tinggi.

Magnet ferrite banyak digunakan karena bahan dan biaya produksinya yang rendah. (Kenjō and Nagamori, 1985)

Gambar 2.13 Jenis rotor berdasarkan posisi magnet : (a) surface-magnet rotor, (b) embed-magnet rotor (Hendershot et al., 2016).

Gambar 2.14 Kurva B-H neodymium iron boron (NdFeB) kelas N35 (Hendershot et al., 2016).

2.6.8 Stator

A. Dimensi Stator

Stator memiliki fungsi sebagai medan putar motor untuk menghasilkan gaya elektromagnetik pada rotor sehingga mampu membangkitkan gaya mekanik. Stator terdiri dari laminasi besi dengan ukuran dan jumlah laminasi tertentu sesuai dengan desain dari motor. Pada bagian motor listrik terdapat kawat pada stator yang berfungsi untuk menghasilkan medan elektromagnetik. Kawat ini dilapisi oleh sebuah pelapis yang disebut sebagai email (enameled wire). Dalam menentukan ukuran kawat, besar diameternya dinyatakan dalam bentuk standar American Wire Gauge (AWG) (Fawaid, 2019).

Kumparan atau belitan tembaga pada motor BLDC terdapat pada bagian stator, sedangkan pada bagian rotor terdapat magnet permanen, berdasarkan arah flux magnetik, motor BLDC terbagi atas 2 jenis yaitu radial-flux yang ditunjukkan pada Gambar 2.15. (a, b) dan axial-flux yang ditunjukkan pada Gambar 2.15. (c, d). Pada tipe radial-flux magnet permanen diletakkan pada rotor dengan flux magnetik menyebar secara radial. Arah flux pada tipe axial-flux menyebar secara aksial atau sejajar dengan shaft motor. Motor BLDC tipe axial-flux memiliki bentuk rotor dan stator berupa disk.

Tipe motor radial-flux terbagi atas dua jenis yaitu interior-rotor, ditunjukan pada Gambar 2.15. (a) dan jenis exterior-rotor, ditunjukan pada Gambar 2.15. (b).

Konstruksi motor jenis interior-rotor yaitu posisi rotor berada di dalam dan stator berada di luar. Konstruksi jenis exterior-rotor posisi rotor berada di luar dan stator berada di dalam.

Setiap jenis motor BLDC tersebut memiliki karakteristik yang berbeda-beda.

Jenis motor axial-flux memiliki karakteristik berkecepatan rendah dengan torsi yang konstan. Jenis ini sesuai untuk kebutuhan beban dengan sedikit variasi perubahan kecepatan. Kebutuhan beban dengan torsi tinggi dan berkecepatan rendah maka direkomendasikan untuk menggunakan motor dengan jenis interior-rotor motor. Beban dengan kebutuhan kecepatan tinggi maka direkomendasikan menggunakan jenis exterior-rotor motor (Hendershot et al., 2016).

Gambar 2.15 Kombinasi-kombinasi posisi antara stator dengan rotor : (a) interior-rotor, (b) exterior-rotor, dan (c,d) axial-flux (Hanselman, 2003).

B. Ukuran Slots

Stator memiliki gigi yang menonjol ke arah magnet pada rotor. Di antara gigi ada slots yang ditempati oleh belitan. Setiap belitan bergerak dari satu slots, melintasi sejumlah gigi, lalu turun ke slots berikutnya. Gigi yang dilingkupi oleh belitan membentuk kutub untuk kumparan itu. Ketika belitan fasa diberi energi secara individual, rotor berputar sejajar dengan kutub magnet pada stator.

Penggunaan slots untuk menahan kumparan menempatkan kendala mendasar pada desain motor. Kendala ini paling baik dipahami dengan mempertimbangkan slots representatif yang ditunjukkan pada Gambar 2.16 Jelas terlihat dari gambar bahwa kawat bundar tidak dapat mengisi slots seluruhnya. Gap ada antara lilitan kawat dan bentuk slots yang tidak sama membatasi kemampuan untuk membentuk lilitan secara seragam. Akibatnya akan lebih mudah untuk menghubungkan luas penampang slots

Gambar 2.16 Representasi slots (Hendershot et al., 2016)

dengan luas penampang kawat dengan mendefinisikan faktor pengisian celah kawat kosong di mana As adalah luas penampang slots, N adalah jumlah lilitan dalam slots, dan Awb adalah luas penampang kawat telanjang. Selain itu, akan lebih mudah untuk menentukan faktor pengisian slots kawat tertutup di mana Awc adalah luas penampang kawat tertutup. Isolasi kawat membutuhkan ruang bukan nol, Kwb<Kwc. Untuk slots persegi panjang yang diisi secara seragam dengan kawat yang ditumpuk dalam baris dan kolom, ada batas atas untuk Kwc. Seperti ditunjukkan pada Gambar 2.17, batas atas diberikan oleh rasio luas penampang kawat tertutup dengan luas persegi yang melingkupinya.

Gambar 2. 17 Kawat tertutup dan kotak yang menutupinya (Hendershot et al., 2016)

Faktor pengisian slots yang dapat dicapai bergantung pada teknologi yang digunakan untuk memutar gulungan di dalam slots atau memasukkan gulungan yang telah dibentuk sebelumnya ke dalam slots. Pengisian slots yang dapat dicapai juga berkurang dengan adanya slots liner atau penambahan bahan isolasi ke permukaan slots bagian dalam untuk menghilangkan abrasi dan korsleting listrik antara belitan motor dan laminasi stator. Tanpa menimbulkan biaya yang besar, umumnya mungkin untuk mencapai di sekitar Kwb=50% dan Kwc=60%, tergantung pada ukuran motor, bentuk slots dan jumlah putaran (Hanselman, 2003).

C. Stator Yoke

Gambar 2.18 Kemungkinan stator untuk motor dalam stator (Hanselman, 2003) Stator sekarang memiliki gigi yang menonjol kearah magnet pada rotor Dari bagian luar baja yang disebut dengan stator yoke atau besi belakang. Pada dasarnya, stator dapat ditempatkan dengan atau tanpa slots seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.17 (a) dan (b). Stator dengan slots memiliki celah udara magnetik kecil sehingga membuat koefisien permeans dan kerapatan flux celah udara yang dihasilkan lebih besar.

Stator tanpa slots seperti ditunjukkan pada Gambar 2.18 (b), ada banyak ruang untuk lilitan pada motor tanpa slots, tetapi konduktivitas termal yang berkurang pada permukaan stator mengurangi kerapatan arus yang masuk kedalam lilitan. Hal ini mendorong koefisien permeans dan kerapatan flux celah udara menjadi turun.

Akibatnya, kinerja motor yang menggunakan konstruksi stator tanpa slots selalu jauh lebih rendah daripada stator dengan slots.

Stator yang tidak memiliki bukaan slots seperti ditunjukkan pada Gambar 2.18 (c), gigi stator dihubungkan pada jari-jari dalam dan berakhir pada stator yoke.

Konstruksi ini memudahkan proses penggulungan motor karena lilitan dimasukan melalui gigi stator dari luar tanpa dimasukkan melalui lubang slots kecil dari dalam.

Bagian stator yoke adalah reluctances konstanta flux yang menunjukkan dua gigi terhubung di setiap bagian yoke. Magnetomotive force (MMF) pada setiap sambungan bagian gigi dan yoke relatif terhadap titik tengah diberi tanda nomor gigi sebagai 𝐹_𝑗𝑡, dimana k adalah nomor gigi. Hal ini dapat ditunjukkan melalui persamaan 2.11.

𝑊_𝑠𝑦 = ф_𝑝

2 × 𝐵_𝑠𝑦× 𝐿_𝑠𝑡 (2.11)

ф_𝑝 adalah flux per poles, 𝐵_𝑠𝑦 adalah target flux density in stator yoke (Hanselman, 2003).

D. Lilitan (Hendershot et al., 2016)

Lilitan pada motor BLDC berada pada bagian stator yang telah memiliki aturan dalam konfigurasinya. Lilitan pada motor BLDC dengan jenis interior-rotor sama seperti motor induksi tiga fasa, sedangkan pada jenis exterior-rotor sama seperti lilitan jangkar pada motor dc. Sehingga konfigurasi lilitan motor BLDC memiliki aturan yang sama.

Saat merancang lilitan, dikenal istilah coil span atau winding pitch. Coil span maksimum (𝜎_𝑚𝑎𝑥) bernilai lebih kecil dari bilangan integer (next lowest integer) yang didapat dari hasil pembagian antara jumlah poles (𝑁_𝑚). Hal ini dapat ditunjukkan melalui persamaan 2.12.

𝜎_𝑚𝑎𝑥 = 𝑀𝑎𝑥 𝑐𝑜𝑖𝑙 𝑠𝑝𝑎𝑛 (𝑠𝑙𝑜𝑡𝑠) = 𝑁𝐿𝐼 [𝑠𝑡𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑠𝑙𝑜𝑡 (𝑁_{𝑠𝑙𝑜𝑡𝑠})

𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑙𝑒𝑠 (2𝑝) ] (2.12)

NLI adalah Next Lowest Integer yang berarti pembulatan terkecil dari hasil pembagian anatara jumlah slots dan jumlah poles.

Nilai bilangan pecahan akan mempengaruhi aturan urutan lilitan perfasa. Coil span merupakan selang teeth yang akan terbelit disetiap coilnya. Nilai coil span ditentukan secara bebas dengan aturan lebih kecil atau sama besar dengan 𝜎_𝑚𝑎𝑥. Nilai dari bilangan pecahan (𝜀) dan nilai dari coil span (𝜎) yang ditunjukkan melalui persamaan 2.13.

𝑁_{𝑠𝑙𝑜𝑡𝑠}

2𝑝 = 𝜎_𝑚𝑎𝑥+ 𝜀 (2.13)

Dalam menentukan urutan belitan perfasa memiliki aturan dimana ditentukan melalui nilai dari slots forward (𝑆_𝑓). Slots forward merupakan interval slots berikutnya dari slots urutan sebelumnya. Nilai dari slots forward dapat ditunjukkan melalui persamaan 2.14.

𝑆_𝑓 = {𝜎_𝑚𝑎𝑥+ 1, 𝑗𝑖𝑘𝑎 𝜀 > 0,5

𝑁_𝑠𝑠− 𝜎_𝑚𝑎𝑥, 𝑗𝑖𝑘𝑎 𝜀 ≤ 0,5 (2.14)

𝑁_𝑠𝑠 adalah adalah slots per section yaitu nilai pembagian antara jumlah slots dengan highest common factor (HCF) dari coils per phase (𝐶_𝑝ℎ) dan jumlah pasang kutub (𝑝), dapat ditunjukkan melalui persamaan 2.15.

𝑁_𝑠𝑠= 𝑁𝑠𝑙𝑜𝑡𝑠

𝐻𝐶𝐹[𝐶_𝑝ℎ, 𝑝] (2.15)

Aturan ini digunakan untuk memastikan bahwa tidak ada kesalahan peletakan fasa atau kesalahan fasa yang terjadi saat menentukan urutan lilitan.

Terdapat dua cara untuk menghubungkan lilitan per coil pada setiap fasa yaitu menghubungkan secara seri, paralel atau kombinasi antara seri-paralel. Biasanya hubungan lilitan per coil pada motor dihubungkan secara seri. Ini karena hubungan seri adalah cara paling sederhana untuk menerapkannya. Posisi awal slots pada fasa pertama dilakukan secara acak. Setelah menentukan urutan lilitan fasa pertama, untuk menentukan posisi slots awal fasa kedua dan fasa ketiga, harus menentukan nilai offset.

Jika fasa pertama dimulai dari slots pertama, maka fasa kedua dimulai dari slots

pertama + offset. Nilai offset adalah bilangan bulat positif dan dapat ditunjukkan melalui persamaan 2.16 (Hendershot et al., 2016).

𝑂𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 =2

3×𝑁_{𝑠𝑙𝑜𝑡𝑠}

2𝑝 + 𝑘 ×𝑁_{𝑠𝑙𝑜𝑡𝑠}

2𝑝 , 𝑘 = 1,2,3 … (2.16)

2.7 J-MAG Express Online (Corporation, 2013)

J-MAG Express dapat diakses menggunakan link berikut express.jmag- international.com/express, Software ini dapat diakses dengan free license dengan cara mendapaftarkan akun pada website diatas, dibutuhkan waktu beberapa hari untuk mendapatkan akun yang terverifikasi oleh J-MAG Express. Terdapat beberapa langkah untuk mendapatkan akun free license dari J-MAG Express langkah pertama dengan memasukkan email yang akan didaftarkan, langkah kedua adalah memverifikasi ID name dan password yang akan dikirim melalui email, langkah ketiga akan mendapatkan nomer pendaftaran dan link yang digunakan untuk pengisian data diri, dan langkah keempat setelah melengkapi data diri maka membutuhkan waktu maksimal 72 jam untuk persetujuan pembuatan akun, apabila telah selesai diverifikasi selanjutnya login menggunakan email dan password yang telah didaftarkan. Tampilan menu login dapat dilihat pada Gambar 2.19.

Gambar 2.19 Login J-MAG express online

Setelah login maka akan muncul tampilan seperti pada Gambar 2.20 dimana terdapat pemilihan template tipe motor yang akan di desain.

Gambar 2.20 Pemilihan template tipe motor

Terdapat beberapa jenis template tipe motor seperti brushless motor (IPM), brushless motor (SPM), brushless motor (Outer rotor/IPM), brushless motor (Outer rotor/SPM), dan lain-lain. Terlihat pada Gambar 2.21 terlihat beberapa kombinasi rotor dan stator jenis brushless motor SPM. Yang dapat kita gunakan untuk merancang motor sesuai dengan keinginan.

Gambar 2.21 Template kombinasi rotor dan stator motor jenis brushless motor SPM

Setiap kombinasi rotor dan stator akan memiliki jenis magnet dan bentuk slots yang berbeda. Setiap kombinasi dapat disesuaikan dengan aplikasi dari desain motor yang ingin di rancang.

Gambar 2.22 Kebutuhan spesifikasi target motor yang akan dirancang

Setelah memilih konfigurasi rotor dan stator akan muncul tampilan kebutuhan target spesifikasi motor. Pada Gambar 2.22 merupakan tampilan target spesifikasi motor yang nantinya akan di rancang. Parameternya terdiri dari daya rata-rata, torsi maksimum, kecepatan putar maksimum, jumlah poless, jumlah slots, tegangan sumber, arus maksimum, maksimum diameter luar dari motor, Panjang maksimum motor, lilitan dan magnet.

Gambar 2.23 Tampilan ukuran motor

Pada Gambar 2.23 merupakan tampilan untuk memasukkan parameter dimensi motor. Terdapat beberapa parameter untuk menentukan dimensi motor yang terdiri dari diameter luar motor, lebar air gap, jumlah slots pada stator, diameter luar stator, diameter dalam stator, lebar gigi slots stator,

Gambar 2.24 Tampilan material untuk motor

setelah memasukan parameter dimensi motor, langkah selanjutnya pada Gambar 2.24 adalah memasukkan parameter bahan yang akan digunakan pada rotor, stator dan magnet yang akan digunakan pada motor.

Gambar 2.25 Tampilan parameter lilitan

Setelah memilih material untuk motor yang akan di rancang. Selanjutnya pada Gambar 2.25 merupakan tampilan parameter lilitan yang akan dirancang.

Gambar 2.26 Tampilan parameter drive

Pada Gambar 2.26 merupakan tampilan untuk memasukkan parameter drive berupa tegangan dan arus motor. Langkah selanjutnya adalah melakukan perancangan pada parameter yang sudah di masukkan sebelumnya dengan memilih simbol lampu seperti pada Gambar 2.26.

2.8 Penelitian Terdahulu

Berikut adalah rangkuman hasil penelitian terdahulu yang memiliki keterkaitan dengan penelitian yang akan dilakukan.

Tabel 2.2 Tabel Penelitian Terdahulu (Penulis, 2021).

No Nama dan Tahun Publikasi

Hasil

1 (Katoch, et al., 2019)

Metode : Design and Implementation of Smart Electric Bike Eco-Friendly

Hasil : Fokus utama kami adalah pada sektor otomotif di mana kami mengubah sepeda konvensional menjadi sepeda listrik. Dalam sepeda listrik ini kami menggunakan motor listrik (motor BLDC) sebagai pengganti mesin bakar karena polusi yang lebih sedikit, biaya perawatan yang rendah, mengurangi

No Nama dan Tahun Publikasi

Hasil

kebisingan. Sepeda ini memanfaatkan energi kimia yang disimpan dalam kemasan baterai yang dapat diisi ulang.

2 (Chawrasia, et al., 2020)

Metode : Design and Analysis of In-Wheel Motor for an Electric Vehicle

Hasil : Pada penelitian ini dirancang motor yang kompak, efisien dan torsi tinggi. Desain ini, sebagian besar asumsi dan kalkulasi parameter yang diperlukan juga ditampilkan dengan justifikasi yang tepat. Dalam pendekatan desain dan analisis ini, plot grafis memperoleh hasil revile yang sesuai dengan persyaratan kami.

3 (Khande, et al., 2020)

Metode : Design and Development of Electric Scooter

Hasil : Industri roda dua India telah menganut konsep baru Electric Bikes dan Scooters yang merupakan moda transportasi pribadi yang sangat populer di negara-negara maju seperti Amerika, Jepang dan Cina. Jadi sepeda atau skuter bermuatan listrik memiliki masa depan yang sangat cerah di bidang transportasi pribadi. Makalah ini mempelajari tentang desain dan pengembangan dan perbandingan berbagai bagian komponen. Juga komponen elektrik roda dua seperti Battery, Charger dan BLDC motor