Apa yang memungkinkan ventilator untuk menyinkronkan sempurna dengan irama pernapasan pasien? Apa yang memberikan presisi pada alat bedah pada skala mikroskopis? Jawabannya seringkali terletak pada motor DC tanpa sikat berkecepatan tinggi yang ringkas namun bertenaga. Karena aplikasi medis dan industri menuntut kinerja yang semakin canggih, para insinyur menghadapi tantangan kritis untuk mengoptimalkan motor-motor ini guna menjaga efisiensi dan stabilitas pada kecepatan rotasi tinggi.

Daya mekanik mewakili hasil kali torsi dan kecepatan rotasi. Dalam kerangka teknologi motor yang mapan, peningkatan daya terutama mengikuti dua jalur: meningkatkan torsi atau meningkatkan kecepatan. Torsi kontinu biasanya berkorelasi dengan dimensi motor dan menghadapi batasan dari kapasitas disipasi termal. Selama motor macet atau operasi kecepatan rendah, hampir semua kehilangan energi berubah menjadi pemanasan Joule.

Parameter kinerja utama meliputi:

• T = Torsi motor
• RTh1 = Resistansi termal kumparan ke stator
• RTh2 = Resistansi termal stator ke udara
• K = Konstanta torsi motor
• R = Resistansi kumparan motor
• Pj = Kehilangan daya efek Joule
• ΔT = Kenaikan suhu kumparan maksimum yang diizinkan

Hubungan muncul sebagai: ΔT = (RTh1 + RTh2) · Pj = (RTh1 + RTh2) · R · I² = (RTh1 + RTh2) · R · T²/K²

Istilah (RTh1 + RTh2)·R/K² berfungsi sebagai angka penting untuk evaluasi motor. Nilai yang lebih rendah menunjukkan kinerja yang lebih unggul. Motor berkinerja tinggi yang ideal menggabungkan resistansi minimal dengan konstanta torsi tinggi.

Konstanta torsi bergantung pada desain rangkaian magnetik, menjadikan optimasi fluks magnetik melalui lilitan sebagai tujuan desain utama. Bahan magnetik canggih seperti neodymium-iron-boron (NeoFe) dengan produk energi mendekati 50 MGoe merupakan solusi yang efektif. Mengurangi kerugian Joule memerlukan memaksimalkan penampang konduktor untuk meminimalkan resistansi tembaga.

Bahkan dengan rasio R/K² yang dioptimalkan, torsi maksimum tetap dibatasi secara termal oleh dimensi motor. Peningkatan kecepatan menghadirkan strategi optimasi daya alternatif.

Meskipun secara teoritis sederhana melalui penyesuaian tegangan, peningkatan kecepatan memperkenalkan tantangan termal tambahan dari:

• Kerugian besi
• Kerugian gesekan bantalan
• Kerugian yang diinduksi riak arus

Kerugian besi terdiri dari komponen arus eddy dan histeresis. Arus eddy timbul dari variasi fluks magnetik yang menginduksi arus di dalam inti besi laminasi.

Hubungan utama:

• Kerugian arus eddy ≈ χ·B²·ω² (berbanding lurus dengan induksi magnetik dan kuadrat frekuensi)
• Kerugian histeresis = μ·λ·B²·ω² (bergantung pada permeabilitas dan koersivitas material)

Laminasi yang lebih tipis dan bahan resistivitas yang lebih tinggi mengurangi arus eddy, sementara paduan koersivitas rendah seperti besi-nikel (Fe-Ni) meminimalkan kerugian histeresis. Motor multi-kutub sering menghadapi batasan kecepatan karena ketergantungan frekuensi kuadrat ini.

Motor DC tanpa sikat dibagi menjadi dua kategori utama berdasarkan konfigurasi stator:

Motor Stator Ber slot: Fitur kumparan yang dililit di dalam slot stator. Celah udara minimal antara laminasi dan magnet memungkinkan induksi magnetik tinggi dengan magnet berdiameter lebih kecil. Namun, batasan ruang slot membatasi volume tembaga dan mempersulit proses pelilitan. Desain ber slot menawarkan resistansi termal dan kekokohan mekanis yang unggul, meskipun mereka menunjukkan torsi cogging yang dapat dikurangi melalui laminasi miring.

Motor Stator Tanpa Slot: Menggunakan kumparan pra-lilitan, yang mendukung diri sendiri yang dimasukkan langsung ke dalam celah udara. Peningkatan celah udara mengurangi induksi magnetik, biasanya dikompensasi melalui magnet yang lebih besar. Desain ini menghilangkan torsi cogging sepenuhnya dan menunjukkan kerugian besi yang berkurang pada kecepatan tinggi, meskipun inersia rotor meningkat dengan kuadrat diameter. Konfigurasi tanpa slot sering mencapai rasio R/K² yang unggul melalui keseimbangan induksi magnetik dan volume tembaga yang dioptimalkan.

Pemilihan motor memerlukan analisis yang cermat terhadap titik operasi khusus aplikasi yang ditentukan oleh persyaratan torsi dan kecepatan. Dua aplikasi medis ilustratif menunjukkan proses optimasi ini:

Motor Ventilator Kecepatan Tinggi: Harus berakselerasi dari stasioner ke 50.000 RPM dalam hitungan milidetik sambil menyinkronkan dengan pola pernapasan pasien. Permintaan torsi utama berasal dari akselerasi impeller, dengan manajemen termal menjadi kritis untuk kenyamanan pasien dan umur panjang bantalan. Pengembangan seri motor terbaru secara khusus mengoptimalkan rasio kerugian Joule-ke-besi untuk kondisi yang menantang ini.

Motor Handpiece Bedah: Beroperasi pada kecepatan ekstrem dalam faktor bentuk yang ringkas sambil mempertahankan suhu eksternal yang rendah untuk kenyamanan ahli bedah. Desain berdiameter 16mm canggih menghasilkan beberapa ons-inci torsi pada 80.000 RPM dengan suhu permukaan di bawah 43°C, sambil tahan terhadap lebih dari 3.000 siklus sterilisasi autoclave.

Melalui kemajuan material yang berkelanjutan dan optimasi khusus aplikasi, motor DC tanpa sikat modern memenuhi persyaratan kinerja yang semakin ketat di seluruh aplikasi medis dan industri. Analisis spesifikasi yang tepat tetap penting untuk memberikan desain optimal yang menyeimbangkan produksi torsi, manajemen termal, dan keandalan operasional.