21

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Perancangan Generator Fluks Aksial

Generator flux axial merupakan jenis mesin listrik yang dapat menghasilkan

energi listrik dengan arah flux dalam tegak lurus. Tipe generator ini akan terus

dikembangkan dengan berbagai desain yang berbeda-beda untuk mendapatkan tingkat

efisiensi yang tinggi untuk diimplementasikan dengan sumber daya alam yang ada.

Generator fluks aksial menggunakan rotor ganda dan stator tunggal tanpa inti besi

adalah salah satu pengembangan generator fluks aksial. Generator ini biasanya

digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan kecepatan rendah. Generator ini

menggunakan rotor ganda yang mengapit stator di tengah-tengahnya. Bagian stator

adalah kumparan tanpa inti besi sedangkan bagian rotor terdiri dari beberapa pasang

magnet permanen yang berfungsi sebagai pembangkit medan utama. Semakin besar

luas permukaan permanen dari magnet yang digunakan, maka semakin banyak fluks

magnetik yang dihasilkan oleh magnet permanen dan menembus kumparan pada stator,

sehingga Gaya Gerak Listrik (GGL) induksi yang dibangkitkan juga lebih tinggi.

Pada perancangan atau desain generator fluks aksial akan menggunakan

software magnet infolityca yang akan diimplementasikan menjadi sebuah hardware

generator permanen magnet fluks aksial dengan menggunakan bahan atau material dan

ukuran sesuai dengan spesifikasi desain yang dibuat. Bagian-bagian inti dari generator

fluks aksial adalah rotor dan stator.

3.2 Flowchart

Dalam metodologi penelitian tugas akhir untuk merancang sebuah generator

diawali dengan membuat rencana dalam proses pembuatan generator tersebut, maka

tahapan-tahapan yang perlu dilakukan untuk proses mulai dari desain, pemilihan

material,perakitan setiap komponen generator, dan melakukan pengujian generator

sehingga didapat hasil keluaran generator. Tahapan-tahapan nya sebagai berikut :

22

Y T

Gambar 3.1 Tahapan Perancangan Generator Flux Axial

Merakit generator permanen

magnet fluks aksial

Desain generator rotor

dan stator flux axial

Pencarian material dan

komponen Generator Fluks

Aksial

Pengujian RPM dan

tegangan output

Selesai

Perbaikan

Hasil dan Pembahasan

Mulai

23

3.3 Rancangan Stator

Stator akan dirancang dengan menggunakan jenis stator yang tidak memiliki

inti besi pada kumparan, sehingga konstruksi pada stator hanya terdiri dari kumparan

konduktor dan tatakan penyangga (yoke).

3.3.1 Menentukan Jumlah Kumparan

Jumlah kumparan = 15 buah. Nilai ini didapatkan dari besarnya jumlah magnet

pada rotor jumlah magnet adalah 20 buah dengan 10 kutub yang saling berhadapan,

agar keliling stator menyesuaikan keliling rotor. Pertimbangan lain adalah agar

kumparan dapat sepenuhnya tersapu oleh fluks magnetik.

GMPAF 15 Slots-10 Poles (Double Rotor-Single Stator)

𝑄1 = 𝑆1

𝑃=

15

20

3.3.2 Menentukan Jumlah Lilitan Kumparan Stator

Jumlah lilitan = 15 buah, Nilai ini didapat dari rumus tegangan induksi yang

didapat pada generator dengan pertimbangan untuk meraih tegangan 18-24 Vac serta

parameter yang telah ada seperti frekuensi sebesar 50 Hz, fluks magnet (Φmaks)

sebesar 0,000202 Webber, jumlah kumparan sebesar 15 buah serta jumlah fasa sebesar

3 buah maka dapat dihitung dengan menggunakan pers. 2.6 sebagai berikut:

𝐸𝑟𝑚𝑠 =𝐸𝑚𝑎𝑘𝑠

√2=

2𝜋

√2× 𝑁 × 𝑓 × Φmaks ×

𝑁𝑠

𝑁𝑝ℎ

18 =2𝜋

√2× 𝑁 × 50 × 0.000202 ×

15

3

N= 18

4.44×50×0.000202×5

N= 80. 278 = 80 liltan

24

3.3.3 Menentukan Diameter Kawat

Email Diameter kawat email = 0,1 cm. Nilai ini didapatkan pada referensi

kawat email, besar arus yang dibutuhkan sebesar 15 A mendekati nilai 15 A yang mana

besar arus tersebut dapat dialirkan dengan kawat email berdiameter 1 mm. Besarnya

nilai arus ini bergantung dari besar diameter kawat email, semakin besar diameter

kawat, maka semakin besar pula arus yang mengalir.

Tabel 3.1 Kuat Hantar Arus Pada Kawat Email

No.1

Penampang kawat

email (mm)

Kemampuan

membawa arus

(ampere)

1 0.5 3

2 0.75 12

3 1 15

4 1.5 18

5 2.5 26

6 4 34

pada perancangan ini berdasarkan tabel diatas diameter kawat email yang

digunakan berukuran 1 mm, kawat email yang berukuran 1 mm memiliki kemampuan

membawa arus sebesar 15 ampere, pada perancangan ini banyaknya jumlah lilitan nya

adalah 80 turns (lilitan).

Tabel 3.2 Ukuran stator

No. Keterangan Ukuran

1. Diamater stator 220 m

2. Ketebalan stator 20 mm

Stator dengan ukuran diameter 220 cm dapat memuat 15 kumparan berbentuk

trapezoidal secara maksimal dengan ukuran kumparan yang disesuaikan dan memiliki

80 lilitan per kumparan.

25

Gambar 3.2 Skematik ukuran kumparan

Tabel 3.3 Ukuran kumparan

No Simbol Keterangan Ukuran

1. Wso Lebar bagian luar 50 mm

2. Wci Lebar bagian dalam 15 mm

3. Wco Lebar lubang bagain

luar

30 mm

4. Wsi Lebar lubang bagian

dalam

5 mm

5. Pk Panjang 70 mm

6. Tk Tebal 10 mm

Kumparan yang dirancang memiliki tipe non-overlapping yang bertujuan

memaksimalkan induksi medan magnet pada kumparan dan menghindari penambahan

ketebalan pada stator [9].

26

Gambar 3.3 Skematik ukuran kumparan dengan stator

Gambar 3.4 Stator hasil desain/rancangan

27

Tabel 3.4 Ukuran jari – jari stator

No Simbol Keterangan Ukuran

1. rco Jari-jari lubang stator bagian luar 105

2. rci Jari-jari lubang stator bagian dalam 55

3. rso Jari-jari bagian luar stator 115

4. rsi Jari-jari dalam luar stator 45

1. Menghitung luas area slot, 𝐴𝑠

𝐴𝑠 = (𝜋(184 × 10−3)2 − (120 × 10−3)2

4

1

18− (2.5 × 10−3) . (3 × 10−3)

−(𝜋)(120 × 10−3) − (2.5 × 10−3)(18)

18(3 × 10−3)

− (9 × 10−3)(184 × 10−3) − (120 × 10−3) − (2)(3 × 10−3)

2)

= 𝟓𝟐𝟓, 𝟏 × 𝟏𝟎−𝟔𝒎𝟐

2. Menghitung luas area slot yang dapat terisi oleh lilitan, 𝐴0

𝐴0 = 525,1 × 10−6 .30

100= 𝟏𝟓𝟕, 𝟓𝟑 . 𝟏𝟎−𝟔𝒎𝟐

3. Menghitung jari-jari kawat penghantar, 𝑟𝑐𝑢

𝑟𝑐𝑢 = √157,53 . 10−6 . 0,3

2 . 73 . 𝜋= 𝟎, 𝟑𝟐 𝒎𝒎𝟐

3.4 Rancangan Rotor

Rancangan ukuran rotor dapat disesuaikan dengan ukuran stator,dimana

magnet permanen saling berhadapan ditengah – tengah sisi depan dan belakang

kumparan. Bahan yang digunakan sebagai tatakan penyangga rotor yaitu besi (Fe),

sehingga magnet dapat diletakan pada tatakan penyangga tanpa harus menanam

magnet permanen tersebut.

Untuk menentukan kecepatan motor karena sudah diketahui nilai dari jumlah kutub

dan frekuensi yang dinginkan persamaannya adalah.

28

𝑓 =𝑝

2×

𝑛

60

Dimana :

P = Jumlah kutub

n = kecepatan putar rotor (rpm)

f = frekuensi (Hz)

Diketahui : f = 50 Hz, P = 10 kutub

Ditanyakan n = ?

Maka:

50 =10

2×

𝑛

60= 600 rpm

Untuk mencari atau menentukan jarak antar magnet adalah.

𝝉𝒇 = 𝐬𝐢𝐧 𝟑𝟎 × 𝒃

Dimana :

𝝉𝒇 = Jarak antar magnet (cm)

𝒃 = Panjang magnet (cm)

Diketahui ukuran magnet yang digunakan : 40 x 20 x 2mm

Panjang = 40 mm

Lebar = 20 mm

Tebal = 2mm

Maka: 𝝉𝒇 = 𝐬𝐢𝐧 𝟑𝟎 × 𝒃 = 𝟏

𝟐× 𝟒

= 2 cm

29

Gambar 3.5 Kontruksi rotor

Tabel 3.5 Ukuran yoke rotor

No Keterangan Ukuran

1. Diameter 220 mm

2. Ketebalan 20 mm

Untuk mencari keliling rotor :

𝐊𝐫 = (𝛕𝐟 × 𝟏𝟐) + (𝐚 × 𝟏𝟐)

Dimana :

Kr = Keliling Rotor (cm)

𝝉𝒇 =Jarak antar magnet (cm)

a = Lebar magnet (cm)

30

diketahui : 𝝉𝒇 = 2 cm

a = 2 cm

Kr = (τf × 12) + (a × 12) = ( 2 x 12) + ( 2 x 12)

= 48 cm

Menghitung luas area perkutub, 𝑆𝑚

𝑆𝑚 = 𝜋115 . 10−3+ 110 . 10−3

2.

1

16. 47 . 10−3 = 𝟏, 𝟎𝟒 × 𝟏𝟎−𝟑 m2

Menghitung luas ekuivalen celah udara, 𝑆𝑔

𝑆𝑔 = 𝜋 .(118×10−3)+120×10−3)

2.

1

18. 47 × 10−3 = 𝟎, 𝟗𝟕 × 𝟏𝟎−𝟑m2

Menghitung koefisien permaence, Pc

𝑃𝑐 =(5 × 10−3)(0,97 × 10−3)

(1 × 10−3)(1,04 × 10−3).1.2

1.1= 𝟓, 𝟏

Menghitung kemiringan kurva demagnetisasi, 𝜇𝑟

𝜇𝑟 = 1,39

1060650 .

107

4. 𝜋= 𝟏, 𝟎𝟑

Menghitung kerapatan fluks di titik pengoperasian generator, 𝐵𝑑

𝐵𝑑 =(5,1)(1.39)

5,1 + 1.03= 𝟏. 𝟏𝟓 𝑻

Menghitung kerapatan fluks celah udara, 𝐵𝑔

𝐵𝑔 =(1.15)(1,04 × 10−3)

(1.2)(0,97 × 10−3)= 𝟏, 𝟎𝟑 𝑻

Menghitung nilai fluks medan magnet, Φ

Φmax = (2,03)(1 × 10−4) = 𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟐𝟎𝟐 𝑾𝒃

Luas permukaan magnet NdFeB per-poles (Sm) :

Sm = 𝜋 𝐷𝑖+𝐷𝑎

2+

1

𝑃 𝐿ℎ

= 3.14 𝑥50 +220

2𝑥

1

8𝑥 40

= 2.1195 mm

Luas Equivalen gap (Sg)

31

Sg = 𝜋 𝐷𝑖+𝐷𝑎

2+

Qc

𝑄𝑠 𝐿𝑎

= 3.14 𝑥50 +220

2𝑥

12

80𝑥 10

= 635.85 mm

Fluks magnetik (∅) :

Kf = 1.07

Kr = 1.04

Koefisien permeances (Pc) :

𝑃𝑐 = 𝐿𝑚 ∗ 𝑆𝑔

𝛿𝑔 ∗ 𝑆𝑚 𝑥

𝐾𝑓

𝐾𝑟

= 2 ∗ 635.85

3 ∗ 2.1195 𝑥

1.07

1.04

= 0.20576

Nilai (flux density) kerapatan fluks pada GMPAF :

𝜇𝑟 =𝐵𝑟

𝐻𝑒 𝑥

107

4 𝑥 𝜋

Br = 0.7 Weber

bHc = 265 x 10−3 A/m

He = 286.5 x 10−3 A/m

𝜇𝑟 =𝐵𝑟

286.5 𝑥 10−3 𝑥

107

4 𝑥 3.14

= 0.20055 x 7.850.000

= 1.60 𝑚𝑚2

𝐵𝑑 =𝑃𝑐

𝑃𝑐 𝑥

Br

𝜇𝑟

=60

60 𝑥

0.7

1.60

= 0.4375 (𝑊𝑏/𝑚2)

1. Magnetic flux density pada air gap (𝐵𝑔 𝑑𝑎𝑛 𝐵′𝑔) :

𝐵𝑑 =𝐵𝑑

𝐾𝑓 𝑥

𝑆𝑚

𝑆𝑔

=0.4375

1.07 𝑥

248.6 𝑥 10−3

201.3525

=0.1087625

215.447175

32

= 0.5048 (Wb / 𝑚2)

Rata-rata gelombang sinusoida pada B’g :

𝐵𝑑 =2

𝜋 𝑥 𝐵𝑔

=2

3.14 𝑥 0.5048

= 0.3215 (Wb / 𝑚2)

3.4.1 Magnet

Jenis magnet permanen yang akan digunakan dalam perancangan rotor tersebut

adalah jenis magnet permanen neodynium iron-boron (NdFeB) N52. Magnet permanen

jenis ini memiliki nilai medan magnet dan kerapatan fluks magnet yang lebih besar

dibandingkan jenis magnet permanen lainnya yaitu sebasar 1,2 tesla. Penggunaan jenis

magnet permanen neodynium-iron-boron (NdFeB) bertujuan untuk memperoleh nilai

fluks magnet yang maksimal sehingga memperoleh tegangan induksi yang maksimal.

Penentuan ukuran magnet permanen yang digunakan berdasarkan kemampuan peneliti

dalam memperoleh magnet permanen tersebut.

Gambar 3.6 Magnet Permanen Neodymium

33

Tabel 3.6 Ukuran Magnet Neodymium

No Keterangan Ukuran

1. Panjang 40 mm

2. Lebar 20 mm

3 Tebal 2 mm

3.5 Celah Udara

Setelah kontruksi rotor dan stator sudah dibuat pemodelannya,maka ruang yang

tersisa antara rotor dan stator itu didefinisikan sebagai celah udaranya.

Gambar 3.7 Desain full generator fluks aksial