PROPOSAL TUGAS AKHIR

PENGARUH KETEBALAN YOKE ROTOR, JARAK ANTAR

KUTUB DAN JENIS MATERIAL MAGNET PERMANEN PADA ROTOR

STATOR TANPA INTI GENERATOR AXIAL PUTARAN RENDAH

1 FASA MENGGUNAKAN FEMM 4.2

Oleh:

DEDEK MUKTIANTO

H1C010044

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN

UNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNIK

JURUSAN TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

PURBALINGGA

2014

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Judul Penelitian

Pengaruh ketebalan yoke rotor,jarak antar kutub dan jenis material

magnet permanen pada rotor stator tanpa inti generator axial putaran rendah

1fasa menggunakan femm 4.2.

1.2. Latar Belakang

Dewasa ini kebutuhan akan energi listrik telah menjadi suatu kebutuhan

utama bagi manusia. Berbagai cara dilakukan agar kebutuhan listrik tersebut

dapat terpenuhi, baik secara kuantitas, kualitas maupun ketersediaan listrik

tersebut. Salah satu cara yang dapat dilakukan adalah dengan cara

mengoptimalkan sistem pembangkitan yang ada atau dengan memberdayaan

sumber daya alam yang ada semaksimal mungkin. Saat ini, penelitian dan

pengembangan tentang sumber energi listrik terus dilakukan untuk mendapat

sumber energi listrik alternatif, terutama yang menggunakan sumber energi

terbarukan.

Salah satu perangkat sumber energi listrik terbarukan yang

dikembangkan adalah generator magnet permanen fluks axial. Generator

adalah mesin yang dapat mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.

Pada umumnya, peneilitian dan pengembangan generator dilakukan pada

parameter-parameter yang mempengaruhi kinerja generator, baik optimasi

parameter pada stator maupun optimasi parameter rotor generator untuk

mendapatkan desain generator yang dapat bekerja secara optimal.

3

Pada generator putaran rendah, maka dibutuhkan kutub yang cukup

banyak untuk bisa menghasilkan suatu frekuensi yang cukup tinggi,

sebagaimana rumus putaran pada generator AC, n=120 f

p , dimana jumlah

kutub ( p ) berbanding terbalik dengan putaran generator (n ) sehingga jika

putarannya rendah harus menggunakan kutub yang cukup banyak untuk

mendapatkan besarnya frekuensi yang ideal untuk sebuah pembangkitan

tenaga listrik, yakni 50-60 Hz.

Generator magnet permanen fluks aksial tidak membutuhkan energi

listrik awal untuk membuat medan magnetnya, berbeda dengan pembangkit

konvensional yang mana biasanya menggunakan generator kecepatan tinggi

fluks radial. Pada pembangkit konvensional membutuhkan energi listrik awal

untuk mendapatkan medan magnetnya serta membutuhkan transmisi gearbox

untuk menyamakan putaran antara turbin dengan generator sehingga pada

masing-masing didapatkan putaran yang sama. Sebagai solusinya maka pada

penelitian ini digunakan mesin jenis magnet permanen fluks aksial (AFPM)

kutub banyak sebagai solusi mengatasi kekurangan kekurangan yang dimiliki

oleh pengganti eksitasi.

Pada penulisan skripsi ini, penulis membahas tentang pengaruh

ketebalan yoke rotor, jarak antar kutub dan jenis material magnet permanen

pada rotor stator tanpa inti generator axial putaran rendah 1 fasa

menggunakan femm 4.2. Studi dilakukan pada pengaruh ketebalan yoke rotor,

jarak antar kutub dan jenis material magnet sehingga didapat desain rotor yang

dapat mengasilkan kuat medan magnet yang optimum.

Pembuatan studi ini, diharapkan dapat digunakan sebagai sumber data

dalam perancangan dan pembuatan generator sinkron magnet permanen yang

dapat menghasilkan kuat medan magnet yang optimum.

1.3. Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang di atas, maka perumusan masalah penelitian

ini adalah sebagai berikut :

1. Bagaimana mendesain generator magnet permanen putaran rendah.

2. Bagaimana memaksimalkan kerapatan fluks dalam konstruksi rotor stator

tanpa inti.

1.4. Batasan Masalah

Agar penelitian lebih fokus dan terarah, maka perlu adanya batasan

masalah. Adapun batasan masalah penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Tidak melakukan analisis terhadap rugi-rugi, pembebanan dan torsi pada

generator magnet permanen.

2. Tipe generator yang menjadi studi desain adalah generator sinkron

magnet permanen fluks aksial jenis cakram dengan dua rotor dan satu

stator tanpa inti (coreless).

3. Parameter desain generator adalah tebal yoke rotor ,material magnet dan

jarak antar kutub magnet . Optimasi variasi parameter disimulasikan

untuk mendapat titik optimum yang menghasilkan kuat fluks magnet

optimum.

4. Tidak membahas generator Asinkron.

5. Analisis menggunakan perangkat lunak Finite Element Method Magnetics

(FEMM) versi 4.2.

6. Pengujian ini hanya mencari nilai tegangan keluaran (Vrms) dan daya

masukan generator dari masing-masing stator saat generator dalam

kondisi tanpa beban.

1.5. Hipotesa

Optimasi ketebalan yoke rotor,jarak antar kutub dan jenis material

magnet permanen menghasilkan generator yang mempunyai kerapatan fluks

maksimum.

1.6. Tujuan Penelitian

1. Menganalisis pengaruh ketebalan yoke rotor,jarak antar kutub dan jenis

material magnet permanen, stator tanpa inti pada generator axial magnet

permanen putaran rendah 1 fasa.

2. Menganalisis optimasi pemasangan magnet .

1.7. ManfaatPenelitian

Manfaat yang diperoleh dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Memberikan wawasan serta keterampilan bagi peneliti dalam mendesain

generator magnet permanen putaran rendah.

2. Memberikan kontribusi dalam penggunaan dan pemanfaatan sumber daya

air pada skala kecil untuk dijadikan sumber energi listrik yang dapat

bermanfaat bagi masyarakat, khususnya masyarakat yang tinggal di daerah

pedesaan dan pegunungan.

3. Sebagai referensi dan pedoman untuk pengembangan generator sinkron

magnet permanen dengan kapasitas yang lebih besar.

1.8 Metode Pengumpulan Data

Metode yang digunakan untuk mengumpulkan data dalam penelitian ini adalah:

1. Studi Literatur

Dilaksanakan dengan dilakukan dengan mempelajari dan membaca

berbagai sumber referensi yang berasal dari media cetak maupun media

elektronik untuk kemudian dikaji lebih lanjut.

2. Studi Laboratorium

Berupa eksperimen yang dilakukan penulis untuk mendapatkan data

yang dibutuhkan dalam penelitian ini.

3. Wawancara

Berupa pengumpulan informasi dan konsultasi secara lisan dengan

dosen pembimbing maupun kepada pihak-pihak yang berkompeten serta

dapat menunjang penelitian ini.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pengertian Generator

Generator merupakan mesin berputar yang dapat mengubah tenaga

mekanis menjadi energi listrik melalui proses induksi elektromagnetik.

Generator ini memperoleh energi mekanis dari prime mover atau penggerak

mula. Penggerak mula ini bisa berupa air, angin, uap, diesel, atau jenis

penggerak mula yang lain. Jadi disini generator berfungsi untuk mengubah

tenaga mekanik menjadi tenaga listrik yang mempunyai prinsip kerja yaitu

bilamana rotor diputar maka belitan kawatnya akan memotong gaya-gaya

magnit pada kutub magnit, sehingga terjadi perbedaan tegangan, dengan

dasar inilah timbullah arus listrik, arus melalui kabel/kawat yang ke dua

ujungnya dihubungkan dengan cincin geser. Pada cincin-cincin tersebut

menggeser sikat-sikat, sebagai terminal penghubung keluar.

Bagian bagian generator yaitu

1. Rotor

Adalah bagian yang berputar yang mempunyai bagian terdiri dari poros,

inti, kumparan, cincin geser, dan sikat-sikat.

2. Stator

Adalah bagian yang tak berputar (diam) yang mempunyai bagian terdiri

dari rangka stator yang merupakan salah satu bagian utama dari generator

yang terbuat dari besi tuang dan ini merupakan rumah dari semua bagian-

bagian generator, kutub utama beserta belitannya, kutub-kutub pembantu

beserta belitannya, bantalan-bantalan poros.

Berdasarkan pada Gambar 2.1 prinsip dari generator ini adalah

berdasarkan hukum Faraday yakni apabila suatu penghantar diputarkan di

dalam medan magnet, sehingga memotong-motong garis gaya magnit maka

pada ujung-ujung penghantar akan timbul ggl (gaya gerak listrik) dengan

satuan volt (Dahono, Pekik Argo, 2008).

Gambar 1. Penghantar dalam medan magnet timbul ggl

2.2.Generator Sinkron

Generator arus bolak-balik disebut juga generator sinkron atau

alternator sinkron. Pada prinsipnya yakni penggerak mula memutar rotor

generator, kemudian rotor yang mengandung medan magnet (magnet bisa

berasal dari magnet permanen atau magnet yang ditimbulkan dari eksitasi)

menimbulkan fluks magnet yang berpotongan dengan konduktor pada stator

dan menghasilkan tegangan pada stator (Zuhal, 1995).

Generator AC bekerja berdasarkan atas prinsip dasar induksi

elektromagnetik. Tegangan bolak-balik akan dibangkitkan oleh putaran

medan magnetik dalam kumparan jangkar yang diam. Dalam hal ini

kumparan medan terletak pada bagian yang sama dengan rotor dari

generator. Nilai dari tegangan yang dibangkitkan bergantung pada :

1. Jumlah dari lilitan dalam kumparan.

2. Kuat medan magnetik, makin kuat medan makin besar tegangan yang

diinduksikan.

3. Kecepatan putar dari generator itu sendiri.

Generator arus bolak-balik memberikan hubungan yang sangat

penting dalam proses perubahan energi dari batu bara, minyak, gas, uranium

air, angin ke dalam bentuk yang bermanfaat untuk digunakan dalam industri

atau rumah tangga. Dalam generator arus bolak-balik, pada umumnya

medan diletakan pada bagian yang berputar atau rotor dan lilitan jangkar

pada bagian yang diam atau stator dari mesin (Zuhal, 1995).

2.3. Prinsip Kerja Generator Sinkron Secara Umum

Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan

magnet homogen, maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan

tersebut. Medan magnet bisa dihasilkan oleh kumparan yang dialiri arus DC

atau oleh magnet tetap (Zuhal, 1995).

Pada mesin tipe kutub eksternal (external pole generator) medan

magnet diletakkan pada stator, yang mana energi listrik dibangkitkan pada

kumparan rotor. Hal ini dapat menimbulkan kerusakan pada slip ring dan

karbon sikat, sehingga menimbulkan permasalahan pada pembangkitan daya

tinggi. Untuk mengatasi permasalahan ini, digunakan tipe generator dengan

kutub internal (internal pole generator), yang mana medan magnet

dibangkitkan oleh kutub rotor dan tegangan AC dibangkitkan pada

rangkaian stator. Tegangan yang dihasilkan akan sinusoidal jika rapat fluks

magnet pada celah udara terdistribusi sinusoidal dan rotor diputar pada

kecepatan konstan. Tegangan AC tiga fasa dibangkitkan pada mesin sinkron

kutub internal pada tiga kumparan stator yang diset sedemikian rupa

sehingga membentuk beda fasa dengan sudut 120°. Namun pada mesin

sinkron yang dirancang khusus untuk tegangan keluaran AC satu fasa,

bentuk gelombangnya berupa sinusoidal tanpa ada beda sudut.

Pada rotor kutub sepatu, fluks terdistribusi sinusoidal didapatkan

dengan mendesain bentuk sepatu kutub. Sedangkan pada rotor silinder,

kumparan rotor disusun secara khusus untuk mendapatkan fluks terdistribusi

secara sinusoidal. Untuk tipe generator dengan kutub internal (internal pole

generator), suplai DC yang dihubungkan ke kumparan rotor melalui slip ring

dan sikat untuk menghasilkan medan magnet merupakan eksitasi daya

rendah. Jika rotor menggunakan magnet permanen, maka tidak ada slip ring

dan sikat karbon tidak begitu diperlukan karena tidak memerlukan tambahan

arus DC sebagai eksitasi untuk menghasilkan fluks magnetnya.

2.4. Generator Sinkron Magnet Permanen Fluks Aksial (GSMPFA)

Axial Flux Permanent Magnet (AFPM) yang biasa disebut mesin disc-

type merupakan sebuah mesin alternatif atas mesin Radial Flux Permanent

Magnet (RFPM) berbentuk silinder, dikarenakan bentuknya seperti Pancake

yang terlihat rapi dan tersusun padat sehingga menghasilkan berat jenis daya

(daya keluaran per massa/volume mesin) yang lebih besar.

Generator Fluks Aksial adalah suatu mesin fluks aksial yang dapat

mengkonversikan energi mekanik menjadi energi listrik yang menghasilkan

arus bolak–balik yang terdiri dari stator dan rotor dengan memiliki arah

aliran fluks yang memotong stator secara aksial. Generator fluks aksial ini

memiliki ukuran yang jauh lebih kecil dari yang biasanya dan sering

dimanfaatkan untuk pembangkit listrik tenaga angin (Howey, D.A., 2009).

Prinsip kerja generator fluks aksial sebenarnya tidak jauh berbeda

dengan prinsip kerja generator konvensional pada umumnya. Penggunaan

magnet permanen menghasilkan medan magnet yang tetap sehingga tidak

memerlukan pencatuan arus searah untuk menghasilkan medan magnet.

Sedangkan fluks aksialdiperoleh dari magnet permanen yang telah diberikan

perlakuan khusus sehingga arah garis-garis gaya magnet keluar dari kutub

magnet secara aksial atau vertikal. Generator ini juga memiliki konstruksi

umum yang sama yaitu terdapat rotor yang memiliki magnet permanen

sebagai sumber medan magnet, kumparan stator sebagai tempat terjadinya

induksi elektromagnetik dan celah udara antara rotor dan stator (Darabi.

Ahmad et al., 2012). Berikut konstruksi umum generator fluks aksial seperti

pada gambar 2.3 :

Gambar 2.2. Konstruksi Umum Generator Fluks Aksial (Fatkhurrohman, 2013)

2.5. Rotor (AFPM)

Rotor merupakan bagian generator yang bergerak atau berputar. Rotor

berfungsi sebagai kumparan medan untuk menghasilkan fluks. Rotor terbuat

dari plat berbentuk cakram yang didalamnya terdapat magnet. Magnet yang

digunakan untuk AFPM ini adalah magnet permanen. Bentuknya yang

menyerupai piringan, rotor jenis ini memiliki beberapa keuntungan, yakni

jumlah kutubnya bisa dengan mudah diatur dengan mengatur jumlah magnet

yang digunakan. Pada prakteknya rotor dapat ditempatkan di tengah, yakni

diantara dua stator, maupun dua rotor mengapit satu stator di tengah. Atau

bisa juga hanya terdiri dari satu stator dan satu rotor. Pada rotor terdapat

beberapa kutub, jumlah kutub magnet yang digunakan untuk masing-masing

piringan rotor dapat ditentukan menggunakan persamaan (2.1) sebagai

berikut :

f = p2

xn

60

p = 120 f

n ........................................(2.1)

Keterangan:n = Kecepatan putar rotor (rpm)

p= Jumlah kutub rotor

f = frekuensi (Hz).

Perputaran rotor akan memutar medan magnet yang dihasilkan oleh

kumparan medan. Medan putar yang dihasilkan pada rotor akan

diinduksikan pada kumparan jangkar sehingga pada kumparan jangkar yang

terletak di stator akan menghasilkan fluks magnetik yang berubah-ubah

besarnya terhadap waktu. Adanya perubahan fluks magnetik yang

melingkupi suatu kumparan terhadap waktu akan menimbulkan ggl induksi

pada akhir kumparan tersebut (Junianto, 2013).

2.6. Material Yoke Rotor

Pada generator sederhana, yoke biasanya terbuat dari bahan besi. Tapi

untuk generator yang lebih besar menggunakan material yoke yang terbuat

dari baja. Secara umum, fungsi rotor adalah :

a. Sebagai bahan material untuk penampang magnet permanen dan

sebagai pelindung mesin.

b. Membawa fluks magnetic yang dihasilkan oleh magnet permanen.

Material yang baik digunakan untuk yoke adalah material yang

memiliki permeabilitas dan knduktifitas elektrik relative tinggi. Material

yang memiliki karakteristik ini disebut juga dengan material ferromagnetij,

missal seperti besi, cobalt dan nikel. Material feeromagnetik adalah salah

suatu benda yang dapat dibuat menjadi magnet, karena electron-elektron

pada atom benda itu mudah untuk diarahkan gerakannya oleh medan magnet

dari luar. Keuntungan menggunakan material ferromagnetic sebagai inti besi

pada generator sinkron adalah dimungkinkan memperoleh fluks yang

berlipat ganda (Zuhal, 1995).

2.7. Stator AFPM

Stator merupakan bagian dari generator yang statis (diam atau tidak

berubah).Stator terdiri dari kumparan dari bahan tembaga, jumlah kumparan

menentukan tegangan yang bisa dikeluarkan oleh generator tersebut.

Kumparan-kumparan tersebut digabung secara seri. Untuk generator tiga

fase, kumparan-kumparan yang digabung seri tersebut menghasilkan 3 fase

tegangan, sehingga masing-masing fasa terdiri dari n/3 kumparan yang

disusun secara seri, dimana n merupakan banyaknya gulungan kumparan,

namun jika dirancang generator 1 fase, maka fase tersebut terdiri dari n

kumparan yang disusun seri atau dengan kata lain semua kumparan disusun

seri yang bermuara pada satu titik. (Junianto, 2013).

2.8. Magnet Permanen

Sebagai penghasil medan magnet utama, medan magnet pada rotor

merupakan medan magnet permanent yang kuat. Magnet permanen tidak

memiliki kumparan penguat dan tidak menghasilkan disipasi daya elektrik.

Seperti bahan ferromagnetik yang lain, sebuah magnet permanen dapat

digambarkan oleh B-H Hysteresis Loop. Magnet permanen merupakan

material feromagnetik yang memiliki Hysteresis Loop yang lebar. Histeresis

Loop yang lebar menunjukkan sedikitnya pengaruh induksi dari luar

terhadap magnet tersebut. Magnet permanen dibuat atas perlakuan khusus

pada besi atau baja sehingga mayoritas dari garis-garis medan magnet yang

keluar dari kutub hanya mengarah ke atas dan bawah secara vertikal seperti

pada gambar 2.5 di bawah ini :

Gambar 2.3. Ilustrasi Aliran Garis-Garis Medan Magnet (Gieras dkk, 2008)

Terdapat dua tipe dari magnet langka yang masih ada di bumi, yaitu

magnet SmCo (Samarium-Cobalt) dan magnet NdFeB (Neodymium-Iron-

Boron). Penggunaan Rare-earth Nd-Fe-B magnet dapat memberikan Power

Density yang tinggi dalam volume material yang kecil sehingga membantu

desainer untuk memproduksi mesin berkualitas terbaik dengan sedikit rugi-

rugi daya dan materialyang lebih ringan. Selain itu, mesin dengan stator

tanpa inti dapat bekerja denganjika menggunakan teknologi Nd-Fe-B ini.

Ada tiga jenis pembagian magnet permanen yang digunakan untuk mesin

elektrik, diantaranya yaitu:

a. Alnicos (Al, Ni, Co, Fe);

b. Ceramics (Ferrites), contohnya Barium Ferrite BaOx6Fe2O3 dan

Strontium Ferrite SrOx6Fe2O3;

c. Rare-earth materials, contohnya Samarium-Cobalt (SmCo)

danNeodymium-Iron-Boron (NdFeB).

Berikut kurva karakteristik Hysteresis Magnetic seperti pada gambar 2.6 di

bawah ini :

Gambar 2.4. Kurva karakteristik Hysteresis Magnetic beberapa material (Gieras dkk, 2008)

Berdasarkan kurva karakteristik Hysteresis, Neodymium-Iron-Boron

menjadi bahan yang paling baik dari ketiga jenis bahan yang lain. NdFeB

mempunyai densitas fluks yang lebih besar dibandingkan bahan

feromagnetik yang lain. Selain itu, harga dari NdFeB saat ini menjadi lebih

terjangkau. Itulah sebabnya saat ini banyak digunakan ferimagnetik jenis ini.

Berikut spesifikasi material magnet permanen pada tabel 2.1 di bawah ini :

Tabel 2.1. Spesifikasi material magnet permanen (Gieras dkk, 2008).

Material Magnet

Energi Maksimum-

Bhmax (MGOe)

Kepadatan Fluks

Magnet- Br (gauss)

Daya Tarik-Hc (Koe)

Temperatur

Kerja C

Keramik 5 3.4 3950 2400 400

Alniko 5 3.9 10900 620 540

Alniko cetak 8 5.3 8200 1650 540Samarium

kobalt 20 (1.5)20 9000 8000 260

Samarium kobalt 28

(2.17)

28 10500 9500 350

Neodymium N42

45 13500 10800 80

Neodymium 33 UH

33 11500 10700 180

Dari tabel 2.1 di atas, bisa kita lihat material magnet Neodymium N42

mempunyai energi maksimal (Bhmax) sebesar 45 MGOe. Energi maksimal

ini merupakan energi produk yang menyatakan jumlah energi yang

tersimpan dalam magnet persatuan volume. Neodymium N42 mempunyai Br

sebesar 13500 Gauss. Br merupakan induksi magnetik yang tersisa dalam

bahan magnetik jenuh setelah bidang magnetizing dihapus. Selain itu,

Neodymium N42 mempunyai daya tarik Hc sebesar 10800 Koe. Daya tarik

yang dimaksud, yaitu kekuatan medan magnet yang diperlukan untuk

menarik bahan yang mempunyai konduktivitas seperti besi dan baja. Dalam

pengoperasiannya, Neodymium N42 juga mempunyai temperatur maksimal

sebesar 80C dan jika lebih dari 80C, maka Neodymium N42 tidak dapat

bekerja secara maksimal.

Generator dengan magnet permanen memiliki tingkat efisiensi yang

lebih baik dibandingkan dengan generator induksi karena tidak ada rugi

yang dihasilkan sehingga banyak digunakan terutama untuk turbin angin.

Bentuknya yang lebih sederhana membuat generator magnet permanen

menjadi lebih rapi, ringan, dan tersusun padat walaupun harganya lebih

mahal karena kelangkaan magnet permanen di bumi. Akan tetapi, generator

magnet permanen tidak dapat diatur seberapa besar eksitasi yang diberikan

kepada generator karena fluks magnetik yang dihasilkan magnet ini tetap

sehingga arus eksitasi yang dihasilkan pun tidak dapat diubah sesuai dengan

kebutuhan (Gieras dkk, 2008).

Dengan menggunakan magnet permanen sebagai penghasil medan

magnet utama, generator ini tidak membutuhkan lagi adanya pencatuan arus

DC sehingga biaya dan tenaga untuk merawat serta mengganti komponen-

komponen pencatuan tersebut dapat dihilangkan. Terdapat dua buah tipe

generator magnet permanen bila dikategorikan berdasarkan arah fluks-fluks

magnetik, yaitu tipe fluks radial dan fluks aksial.

Terdapat beberapa macam bentuk magnet permanen yang baik

digunakan dalam mesin AFPM, yaitu trapezoidal, persegi (rectangular) dan

bulat (circular). Bentuk-bentuk magnet tersebut disesuaikan dengan jumlah

dan susunan kumparan stator dengan mempertimbangkan efisiensi dan

keselarasan antara rotor dan stator. Perbedaan bentuk diantara ketiganya

dapat dilihat pada gambar 2.7 di bawah ini :

Gambar 2.5. Bentuk-bentuk Kutub Magnet Permanen

(a) Rectangular, (b) Trapezoidal, (c) Lingkaran

2.9. Desain Magnet

Desain rotor pada generator magnet permanen axial memiliki 2 jenis

yaitu surface mounted dan surface inset seperti yang terlihat pada gambar

2. .Surface mounted adalah jenis rotor yang penempatan magnet

permanennya berada di luar permukaan penampang atau yoke pada rotor,

sedangkan surface inset merupakan jenis rotor yang penempatannya berada

di dalam penampang atau yoke rotor. Pada pernilitian ini yang digunakan

adalah perpaduan antara surface mounted dan surface inset dengan variasi

pada jarak pemasangan magnet yang dimasukan kedalam penampang atau

yoke. Adapun besarannya adalah 0%, 5%,10% dan 50% dari tebal magnet

yang dimasukan kedalam penampang atau yoke.

Perpaduan teknik ini digunakan karena dalam perancangan rotor jenis

ini lebih mudah dikonfigurasi karena strukturnya relative sederhana untuk

diproduksi dan stabil saat pada putaran yang diinginkan( Parviainen,2005).

2.10. Perhitungan Tegangan AFPM

Tegangan listrik yang dibangkitkan oleh generator magnet permanen ini

dapat dirumuskan melalui persamaan (2.3).

Erms=Emax

√2=2 π

√2×N×f ×Φmax×

N s

N ph(2.3)

Dengan :

Erms = Tegangan induksi keluaran dari generator (volt)

N = Jumlah lilitan per kumparan.

f = Frekuensi elektris (Hz)

Φmax = fluks magnet (Wb)

N s = Jumlah kumparan

N ph = Jumlah fasa (1 fase atau 3 fase)

2.11. Perhitungan Fluks Magnet

Fluks magnetik adalah ukuran atau jumlah medan magnet B

(Tesla) yang melewati luas penampang tertentu. Satuan fluks magnetik

dengan satuan adalah weber (Wb).

Φmax dapat dihitung dengan rumusan:

Φmax=Amagn⋅Bmax(2.4)

Amagn = Area magnet (m2)

Bmax = Densitas fluks maksimum (weber)

Amagn=π⋅(r o

2−ri2 )−τ f (ro−ri )⋅Nm

N m

Dengan :

ro = Radius luar magnet (m)

ri = Radius dalam magnet (m)

τ f = Jarak antar magnet (m)

Nm = Jumlah magnet

(2.5)

2.12. Kerapatan Fluks magnet Maximum

Kerapatan fluks magnet adalah jumlah garis gaya tiap satuan luas yang

tegak lurus kuat medan magnet. Fluks density dapat dirumuskan sebagai

berikut :

Bmax=Br⋅lm

lm+δ (2.6)

Dengan :

B max = Kerapatan fluks magnet maximum (tesla)

Br= Kerapatan fluks magnet (tesla)

lm = Ketebalan magnet (m)

δ = Jarak antara rotor dengan stator (m)

2.13. Perhitungan Rating Daya Keluaran Generator

Kapasitas daya keluaran dari sebuah generator ditentukan oleh besar

tegangan generator dan kemampuan hantar arus (KHA) kawat dari stator

pada generator tersebut. Untuk daya generator (watt) dapat dicari dengan

rumus pada persamaan (2.7) :

P = V I (2.7)

P = Kapasitas daya generator (watt)

V = Tegangan generator (volt)

I = Kemampuan hantar arus kawat stator / KHA (ampere)

2.14. Finite Element Method Magnetics ( FEMM)

FEMM adalah sebuah paket program yang digunakan untuk

memecahkan masalah elektromagnetis.Program ini dikhususkan untuk

permasalahan seperti linear dan non linear low frequency magnetic, linear

electrostatic problem dan heat flow problem.

Perangkat lunak FEMM yang digunakan pada pengujian ini adalah

versi 4.2.

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian

Pada penelitian tugas akhir dilakukan di Laboratorium Energi Teknik

Elektro Universitas Jenderal Soedirman pada bulan november 2014-maret

2015.

3.2. Alat dan Bahan Penelitian

Alat dan bahan yang dibutuhkan dalam penelitian ini adalah sebagai

berikut:

1) Sebuah unit laptop lenovo G40-30 dengan spesifikasi

a. Intel Celeron ™ CPU intel N2830 2.166 GHz RAM 2 GB

b. Sistem Operasi Microsoft Windows 7 Home Premium 32 Bit

2) Perangkat LunakFinite Element Methode (FEMM) 4.2

3.3. Materi Penelitian

Materi penelitian diambil dari berbagai macam referensi baik berupa

jurnal, buku, blog, dan penerapannya terutama mengenai bagian Generator

Magnet Permanen Aksial sebagai alat pembangkit listrik serta perhitungan

satu fasa.

3.4. Tahapan Penelitian

Metode penelitian yang digunakan terdiri dari beberapa tahap, yaitu:

a) Tahap Persiapan

b) Tahap Perencanaan

c) Tahap Desain dan Analisis

d) Tahap Akhir

3.4.1. Tahap Persiapan

Pada tahap persiapan, penulis melakukan pengumpulan literatur-

literatur berupa jurnal, buku maupun artikel generator magnet

permanen sebagai komponen utama dalam proses pembangkitan, serta

mengkaji hasil penelitian tugas akhir sebelumnya. Pada tugas akhir

ini, penulis melakukan pengembangan tugas akhir sebelumnya yang

berjudul Desain Generator Magnet Permanen Axial Ac 1 Fasa Pada

Putaran Rendah Dengan Kapasitas 100 Watt 48 Volt, dalam

penelitiannya menggunakan magnet permanen N42 sebanyak 10

kutub dan 10 kumparan stator. Dalam perancangannya menggunakan

aplikasi Autocad 2007.

3.4.2. Tahap Perencanaan

Dalam membuat Generator Sinkron Axial Flux Permanent

Magnet dimulai dengan menggambar desain generator menggunakan

perangkat lunak FEMM 4.2 dan merencanakan terlebih dahulu baik

sisi konstruksi maupun sisi elektrikalnya. Perencanaan gambar ini

meliputi jarak magnet yang optimal pada rotor, banyaknya magnet

yang digunakan serta besar geometri dari rotor dan stator yang akan

digunakan.

Generator Sinkron AFPM yang dirancang dan diteliti

mempunyai 2 rotor yang terbentuk dari 10 magnet permanen pada

setiap sisinya dan satu sisi stator yang berupa gulungan, dimana sisi

mempunyai 10 gulungan koil stator. Keunggulan dari generator jenis

ini adalah terletak pada konstruksinya yang sederhana dengan magnet

permanen sehingga mudah dalam perawatan. Disamping itu dengan

bentuk rotornya yang berupa piringan sedemikian hingga jumlah

kutub yang akan dibuat dapat disesuaikan banyaknya, sehingga cocok

untuk pembangkit putaran rendah.

3.4.3. Tahap Desain dan Analisis

Langkah awal sebelum dibuat, generator AFPM ini perlu

ditentukan parameter-parameternya dimana nantinya kita akan

mendapatkan tegangan keluaran dari generator tersebut.

a. Rotor

Karena generator yang akan didesain termasuk generator

putaran rendah maka disini ditentukan putaran generator sebesar

600 rpm, dimana putaran tersebut cocok untuk kondisi di

Indonesia dimana debit air yang tidak terlalu besar dan kecepatan

angin yang rendah.

Gambar 3.1. Rotor Generator Magnet Permanen Axial

b. Jumlah Lilitan

Jumlah lilitan berpengaruh dalam hasil keluaran suatu

generator magnet permanen, karena semakin banyak lilitannya

semakin besar pula tegangan yang dihasilkan, disini ditentukan

banyaknya lilitan sebesar 80 lilitan tiap kumparannya.

c. Jumlah Kutub

Frekuensi generator ditentukan dengan standar 50 Hz

sehingga jika putaran generator turun maka pengaruh dalam

penurun frekuensi tidak terlalu terasa. Berdasarkan persamaan

120f/p, sehingga untuk frekuensi 50 Hz dan putaran diatur

menjadi 600 rpm maka didapatkan hasil yang ideal jumlah

magnet sebanyak 10 buah.

d. Stator Tanpa Inti

Generator yang dibuat berupa generator fluks aksial dua

sisi dimana satu stator akan diapit oleh dua buah sisi rotor. Stator

disini terdiri atas kumparan-kumparan yang digulung dan

disusun seri dengan ketebalan stator adalah 10,4 mm dan tebal

kawat 1.3 mm dan sisi stator mempunyai 10 buah kumparan.

Didalam stator kumparan digunakan sebagai jangkar dimana

tegangan keluaran melalui bagian ini.

Tabel 3.1 American Wire Gauge (Junianto, 2013)

AWG

 Diameter Area Resistance Resistance Max

Current

[mm] [mm2] [Ohms / 1000 ft]

 [Ohms / km] [Amperes]

 0000 (4/0)

11.684 107 0.049 0.16072 302

000 (3/0)

10.40384 85 0.0618 0.202704 239

00 (2/0) 9.26592 67.4 0.0779 0.255512 190

0 (1/0) 8.25246 53.5 0.0983 0.322424 150

1 7.34822 42.4 0.1239 0.406392 119

2 6.54304 33.6 0.1563 0.512664 94

3 5.82676 26.7 0.197 0.64616 75

4 5.18922 21.2 0.2485 0.81508 60

5 4.62026 16.8 0.3133 1.027624 47

6 4.1148 13.3 0.3951 1.295928 37

7 3.66522 10.5 0.4982 1.634096 30

8 3.2639 8.37 0.6282 2.060496 24

9 2.90576 6.63 0.7921 2.598088 19

10 2.58826 5.26 0.9989 3.276392 15

11 2.30378 4.17 1.26 4.1328 12

12 2.05232 3.31 1.588 5.20864 9.3

13 1.8288 2.62 2.003 6.56984 7.4

14 1.62814 2.08 2.525 8.282 5.9

15 1.45034 1.65 3.184 10.44352 4.7

16 1.29032 1.31 4.016 13.17248 3.7

17 1.15062 1.04 5.064 16.60992 2.9

18 1.02362 0.823 6.385 20.9428 2.3

19 0.91186 0.653 8.051 26.40728 1.8

20 0.8128 0.518 10.15 33.292 1.5

21 0.7239 0.41 12.8 41.984 1.2

22 0.64516 0.326 16.14 52.9392 0.92

23 0.57404 0.258 20.36 66.7808 0.729

24 0.51054 0.205 25.67 84.1976 0.577

Pada simulasi pengujian dipakai kawat jenis American Wire

Gauge (AWG) tipe AWG 16 dikarenakan diameter kawat yang

dibutuhkan adalah sebesar 1.3 mm. Sesuai pada data Tabel 3.1.

Semakin besar diameter sebuah kawat maka kemampuan hantar arus

(KHA) kawat tersebut akan semakin besar, sehingga rugi-rugi

terhadap daya akan semakin mengecil.

e. Magnet

Jumlah magnet sebanyak 10 buah berjenis NdFeB, dengan tebal

10mm dan jarak antar magnet 26.9mm. Dengan air gap bervariasi

antara 2mm,3mm,4mm dan 5mm. Sedangkan untuk teknik

pemasangan magnet dirotor sebesar 0%,5%,10% dan 50% dari tebal

magnet. Hal ini dikarenakan agar menjaga stabilitas saat berputar

dengan kecepatan 600 rpm.

Setelah gambar selesai dibuat pada perangkat lunak FEMM 4.2 ,

kemudian dilakukan pengujian simulasi. Simulasi yang diujikan antara

lain :

a. Pengaruh ketebalan yoke rotor,jarak antar kutub dan jenis

material

b. Perhitungan nilai fluks pada stator tanpa inti

c. Perhitungan nilai output tegangan dan daya keluaran generator.

Lalu dilanjutkan dengan melakukan perhitungan untuk

mengetahui nulai keluaran generator berdasarkan parameter tersebut.

Perhitungan dilakukan secara manual, dengan persamaan (2.4).

Dimana persamaan ini untuk mendapatkan nilai fluks dari generator

yang akan didisain. Kemudian nilai yang dicari adalah nilai tegangan

(Vrms) dari generator sinkron magnet permanen, sesuai dengan

persamaan (2.3).

3.4.4. Tahap Akhir

Pada tahap akhir ini merupakan tahap penulisan laporan serta

melakukan presentasi atau seminar hasil dari penelitian yang telah

dilakukan. Penyajian utama dalam laporan tugas akhir ini adalah

perhitungan komponen baik rotor maupun stator serta pendesainan

rotor dan stator.

3.5. Jadwal Penelitian

Penelitian dilaksanakan pada bulan November 2014 hingga bulan

Maret 2015 :

Tabel 3.4 Jadwal Penelitian

Kegiatan

Bulan ke-

I II III IV V

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

Tahap persiapan X X X X

Tahap pengumpulan

data X X X X

Tahap analisis X X X X X X X X

Tahap Akhir X X X X

3.6. Alur Penelitian

Tidak

Mulai

Pembuatan Model

Memasukan Parameter

Mensimulasikan dengan FEMM 4.2

Berhasil

Ya

Melakukan Analisis perhitungan

Selesai