Bagaimana Cara Kerja Dinamo BLDC Brushless DC pada Sepeda Motor Listrik 

Oleh: Ardhy Yuliawan Norma Sakti

Founder Cara Kerja Teknologi, Alumni Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret (UNS) & Engineering Technology SIIT Thammasat University, dengan pengalaman 4 tahun di Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT) dan saat ini di Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN).

BLDC Brushless DC Sepeda Motor Listrik

Dalam era teknologi yang semakin maju, dinamo BLDC (Brushless DC motor) telah menjadi pilihan utama untuk berbagai aplikasi, termasuk sepeda motor listrik.

Motor jenis ini menawarkan efisiensi tinggi dan performa superior dibandingkan motor DC konvensional. Dalam tulisan ini, kita akan mempelajari secara mendalam apa itu BLDC dan Bagaimana Cara Kerja Dinamo BLDC Brushless DC pada Sepeda Motor Listrik.

Kita juga akan membahas peran Electronic Speed Controller (ESC), sirkuit elektronik penting untuk mengendalikan motor BLDC.

Apa Itu Dinamo BLDC Brushless DC?

Dinamo BLDC atau Brushless DC motor adalah motor listrik yang ditenagai oleh arus searah (DC) dan menghasilkan gerakan tanpa menggunakan sikat (brush) seperti pada motor DC konvensional. 

Bedanya, ketiadaan sikat ini menjadi pembeda utama dan membawa berbagai keunggulan.

Saat ini, motor BLDC jauh lebih populer daripada motor DC bersikat tradisional. Alasannya jelas: mereka menawarkan efisiensi yang lebih baik, kemampuan pengendalian torsi dan kecepatan rotasi yang presisi, daya tahan tinggi, dan kebisingan listrik yang rendah.

Berkat tidak adanya sikat, motor BLDC banyak digunakan dalam aplikasi yang membutuhkan efisiensi dan umur panjang, seperti mesin cuci, AC, dan perangkat elektronik konsumen lainnya.

Selain itu, mereka juga ditemukan pada hard disk drive, model RC seperti pesawat dan mobil RC, termasuk, tentunya, pada sepeda motor listrik.

Bagaimana Cara Kerja Dinamo BLDC Brushless DC?

Sebuah motor BLDC terdiri dari dua bagian utama: stator dan rotor. Untuk ilustrasi, rotor adalah magnet permanen dengan dua kutub.

Kita semua tahu bahwa jika kita mengalirkan arus melalui kumparan (coil), kumparan tersebut akan menghasilkan medan magnet, dan arah garis medan magnet atau kutubnya bergantung pada arah arus. 

Jadi, jika kita mengalirkan arus yang sesuai, kumparan akan menghasilkan medan magnet yang akan menarik magnet permanen rotor.

Sekarang, jika kita mengaktifkan setiap kumparan satu per satu secara berurutan, rotor akan terus berputar karena interaksi gaya antara magnet permanen dan elektromagnet.

Untuk meningkatkan efisiensi motor, kita dapat melilitkan dua kumparan berlawanan sebagai satu kumparan dengan cara yang akan menghasilkan kutub berlawanan dengan kutub rotor, sehingga kita akan mendapatkan gaya tarik ganda.

Dengan konfigurasi ini, kita dapat menghasilkan enam kutub pada stator hanya dengan tiga kumparan atau fase. Kita dapat lebih meningkatkan efisiensi dengan memberi energi pada dua kumparan secara bersamaan. Dengan cara itu, satu kumparan akan menarik dan kumparan lainnya akan menolak rotor.

Konstruksi Dinamo BLDC Brushless DC

Pada motor ini, magnet permanen melekat pada rotor. Konduktor pembawa arus atau lilitan angker (armature windings) terletak pada stator. Mereka menggunakan komutasi elektrik untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.

Perbedaan desain utama antara motor bersikat dan tanpa sikat adalah penggantian komutator mekanis dengan sirkuit saklar elektronik. BLDC Motor adalah jenis motor sinkron dalam artian bahwa medan magnet yang dihasilkan oleh stator dan rotor berputar pada frekuensi yang sama.

Motor BLDC tidak memiliki komutator pembawa arus. Medan di dalam motor BLDC dihidupkan melalui amplifier yang dipicu oleh perangkat komutasi seperti optical encoder.

Tata letak motor DC BLDC dapat bervariasi tergantung pada apakah itu gaya “Outrunner” atau “Inrunner”.

• Outrunner: Magnet medan adalah rotor drum yang berputar mengelilingi stator. Gaya ini lebih disukai untuk aplikasi yang membutuhkan torsi tinggi dan RPM tinggi bukanlah persyaratan.
• Inrunner: Stator adalah drum tetap tempat magnet medan berputar. Motor ini dikenal menghasilkan torsi lebih rendah daripada gaya outrunner, tetapi mampu berputar pada RPM yang sangat tinggi.

Prinsip Kerja Dinamo BLDC Brushless DC

Dinamo BLDC bekerja berdasarkan prinsip yang mirip dengan motor DC bersikat. Ini adalah Hukum Gaya Lorentz yang menyatakan bahwa setiap kali konduktor pembawa arus ditempatkan dalam medan magnet, ia akan mengalami gaya. Sebagai konsekuensi dari gaya reaksi, magnet akan mengalami gaya yang sama dan berlawanan.

Pada motor BLDC, konduktor pembawa arus bersifat stasioner (diam) dan magnet permanen bergerak. Ketika kumparan stator mendapatkan suplai dari sumber, ia menjadi elektromagnet dan mulai menghasilkan medan yang seragam di celah udara.

Meskipun sumber suplai adalah DC, saklar menghasilkan bentuk gelombang tegangan AC dengan bentuk trapesium. Karena gaya interaksi antara stator elektromagnet dan rotor magnet permanen, rotor terus berputar.

Dengan pengalihan lilitan sebagai sinyal Tinggi (High) dan Rendah (Low), lilitan yang sesuai diberi energi sebagai kutub Utara dan Selatan. Rotor magnet permanen dengan kutub Utara dan Selatan sejajar dengan kutub stator, yang menyebabkan motor berputar.

Keunggulan Dinamo BLDC Brushless DC

• Perawatan Lebih Sedikit: Karena tidak adanya sikat, perawatan secara keseluruhan lebih rendah.
• Ukuran Lebih Kecil: Dengan karakteristik termal yang jauh lebih unggul, ukuran motor bisa lebih ringkas.
• Rentang Kecepatan Tinggi & Kebisingan Rendah: Motor BLDC memiliki rentang kecepatan yang lebih luas dan menghasilkan kebisingan listrik yang lebih rendah.
• Tidak Ada Komutator Mekanis: Bebas dari masalah yang terkait dengan komutator mekanis.
• Efisiensi Tinggi & Rasio Daya Output ke Ukuran Tinggi: Berkat penggunaan rotor magnet permanen.
• Kecepatan Operasi Tinggi: Bahkan dalam kondisi berbeban maupun tanpa beban, karena tidak ada sikat yang membatasi kecepatan.
• Geometri Motor Lebih Kecil & Bobot Lebih Ringan: Dibandingkan motor DC bersikat dan motor AC induksi.
• Umur Panjang: Tidak diperlukan inspeksi dan perawatan untuk sistem komutator.
• Respons Dinamis Lebih Tinggi: Karena inersia rendah dan lilitan pembawa arus di stator.
• Interferensi Elektromagnetik Lebih Rendah.
• Kebisingan Rendah: Karena tidak adanya sikat.

Keterbatasan Dinamo BLDC Brushless DC

Meskipun memiliki banyak keunggulan, motor BLDC juga memiliki beberapa keterbatasan:

• Biaya Lebih Tinggi: Motor ini umumnya lebih mahal.
• Kontroler Elektronik Mahal: Pengontrol elektronik yang diperlukan untuk mengendalikan motor ini juga mahal.
• Sirkuit Penggerak Kompleks: Membutuhkan sirkuit penggerak yang kompleks.
• Membutuhkan Sensor Tambahan: Seringkali memerlukan sensor tambahan untuk operasi yang optimal.

Aplikasi Dinamo BLDC Brushless DC

Dinamo BLDC (Brushless DC motor) digunakan untuk berbagai kebutuhan aplikasi seperti beban bervariasi, beban konstan, dan aplikasi pemosisian di bidang kendali industri, otomotif, penerbangan, sistem otomasi, peralatan perawatan kesehatan, dan tentunya, sepeda motor listrik.

Beberapa contoh aplikasinya meliputi:

• Hard drive komputer dan pemutar DVD/CD.
• Kendaraan listrik, kendaraan hibrida, dan sepeda listrik.
• Robot industri, mesin perkakas CNC, dan sistem penggerak sabuk sederhana.
• Mesin cuci, kompresor, dan pengering.
• Kipas, pompa, dan blower.

Bagaimana Cara Kerja ESC (Electronic Speed Controller)?

Pada artikel diatas, kita telah menyelami apa itu dinamo BLDC (Brushless DC motor) dan prinsip kerjanya yang revolusioner.

Kini, kita akan membahas komponen krusial yang memungkinkan motor BLDC berfungsi optimal, yaitu ESC (Electronic Speed Controller).

Perangkat ini menjadi "otak" di balik gerakan presisi dinamo BLDC yang banyak digunakan pada sepeda motor listrik.

ESC, atau Electronic Speed Controller, adalah kunci yang mengendalikan gerakan atau kecepatan motor BLDC dengan mengaktifkan MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) yang sesuai untuk menciptakan medan magnet berputar, sehingga motor dapat berputar.

Semakin tinggi frekuensi atau semakin cepat ESC melewati 6 interval, semakin tinggi pula kecepatan motor.

Namun, muncul pertanyaan penting: bagaimana kita tahu kapan harus mengaktifkan fase yang mana? Jawabannya adalah kita perlu mengetahui posisi rotor.

Ada dua metode umum yang digunakan untuk menentukan posisi rotor, yang memungkinkan ESC bekerja dengan cerdas.

Pertama, Menggunakan Sensor Hall-Effect

Metode pertama yang umum adalah dengan menggunakan sensor Hall-effect yang tertanam di dalam stator, tersusun secara merata dengan jarak 120 atau 60 derajat satu sama lain.

Ketika magnet permanen rotor berputar, sensor Hall-effect mendeteksi medan magnet dan menghasilkan logika "tinggi" untuk satu kutub magnet atau logika "rendah" untuk kutub yang berlawanan.

Berdasarkan informasi ini, ESC mengetahui kapan harus mengaktifkan urutan atau interval komutasi berikutnya.

Kedua, Mendeteksi Back EMF (Gaya Gerak Listrik Balik)

Metode umum kedua untuk menentukan posisi rotor adalah melalui pendeteksian back electromotive force atau back EMF. Back EMF terjadi sebagai hasil dari proses yang justru berlawanan dari pembangkitan medan magnet; yaitu, ketika medan magnet yang bergerak atau berubah melewati kumparan, ia menginduksi arus pada kumparan tersebut.

Jadi, ketika medan magnet rotor yang bergerak melewati kumparan yang "bebas" atau yang tidak aktif, ia akan menginduksi aliran arus pada kumparan tersebut dan sebagai hasilnya, akan terjadi penurunan tegangan pada kumparan itu.

ESC menangkap penurunan tegangan ini saat terjadi, dan berdasarkan data tersebut, ia memprediksi atau menghitung kapan interval berikutnya harus berlangsung.

Prinsip Kerja yang Konsisten

Itulah prinsip kerja dasar dari motor BLDC dan ESC. Prinsip ini tetap sama bahkan jika kita meningkatkan jumlah kutub pada rotor dan stator. Kita akan tetap memiliki motor tiga fase; hanya saja, jumlah interval akan meningkat untuk menyelesaikan satu siklus penuh.

Perlu juga disebutkan bahwa motor BLDC dapat berupa tipe inrunner atau outrunner. Motor BLDC inrunner memiliki magnet permanen di dalam elektromagnet, dan sebaliknya, motor outrunner memiliki magnet permanen di luar elektromagnet.

Sekali lagi, keduanya menggunakan prinsip kerja yang sama, dan masing-masing memiliki kelebihan serta kekurangannya sendiri, yang disesuaikan dengan kebutuhan aplikasi, termasuk pada sepeda motor listrik.

Kesimpulan: Dinamo BLDC – Pilihan Unggul untuk Sepeda Motor Listrik Modern

Secara keseluruhan, dinamo BLDC (Brushless DC motor) telah merevolusi industri motor listrik, termasuk penggerak sepeda motor listrik.

Berbeda dengan motor DC konvensional, BLDC beroperasi tanpa sikat, menghasilkan efisiensi yang jauh lebih tinggi, presisi kontrol torsi dan kecepatan yang superior, daya tahan yang lebih baik, dan tingkat kebisingan listrik yang rendah.

Prinsip kerjanya melibatkan interaksi magnetik antara stator yang dialiri listrik dan rotor magnet permanen, dengan komutasi elektrik yang menggantikan sikat mekanis.

Meskipun membutuhkan kontroler elektronik yang lebih kompleks dan mahal, keunggulan dinamo BLDC seperti perawatan minimal, ukuran ringkas, rentang kecepatan tinggi, dan umur panjang menjadikannya pilihan ideal untuk berbagai aplikasi modern yang menuntut performa dan efisiensi tinggi, termasuk di sektor otomotif listrik yang berkembang pesat.

Dengan demikian, pemahaman akan Bagaimana Cara Kerja Dinamo BLDC Brushless DC pada Sepeda Motor Listrik menjadi krusial dalam memahami teknologi kendaraan listrik masa depan.

Tentang Penulis

Ardhy Yuliawan Norma Sakti

Ardhy merupakan founder dari platform Cara Kerja Teknologi. Ardhy menempuh pendidikan S1 Teknik Industri di Universitas Sebelas Maret (UNS) Indonesia dan pendidikan S2 bidang Engineering Technology di SIIT, Thammasat University Thailand. Ardhy memiliki pengalaman kerja selama 4 tahun sebagai staf Insinyur di Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT)  hingga bulan September tahun 2021. Kemudian pada tahun yang sama, Ardhy dipindah tugaskan ke Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN) hingga sekarang.

Protofolio Penulis: Google Scholar | ORCID | SINTA | Scopus