PENGARUH GEOMETRI LEBAR TEETH PADA TORSI MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR MENGGUNAKAN DESIGN
HASIL DAN PEMBAHSAN
Pembuatan model merupakan tingkatan awal dalam sebuah rancangan, pada perancangan generator Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) dengan memakai software design electromagnetic berbasis Finite Element Method (FEM).
PMSG yang akan dibuat model yaitu dengan seperempat model yang memiliki 12 slot dan 8 kutub. Penggambaran model pada software design electromagnetic berbasis Finite Element Method (FEM) dapat menggunakan toolbar atau pada menu “draw”. Toolbar tersebut dapat dipakai untuk menggambar garis, lingkaran dan busur. Hasil model garis seperempat model PMSG 12 slot 8 kutub seperti pada Gambar 2 yang kemudian akan ditambahkan komponen-komponennya berdasarkan garis model yang telah dibuat.
Gambar 2. Model ¼ PMSG dalam garis Komponen pada PMSG yaitu rotor, stator, permanen magnet, celah udara, dan ruang udara yang posisi setiap komponennya seperti pada Gambar 2. Dan untuk ukuran dari masing-masing komponen yang dibuat seperti terlihat pada Gambar 3. Ukuran tersebut mengacu pada ukuran PMSG yang ada pada Wind Turbin TSD-500.
Gambar 3. Komponen-komponen dalam ¼ PMSG
Gambar 4. Ukuran kompone dalam model
¼ PMSG
Setelah ukuran dan model PMSG sudah jadi, pembuatan komponen dilakukan dengan memilih bagian komponen dengan menggunakan menu (Select Construction Slice Surfaces) kemudian klik ikon untuk membuat komponen. Kemudian akan muncul kotak dialog yang diisi dengan nama komponen, material, jenis dari komponen yang akan digunakan dan ketebalan komponennya. Berikut pada Tabel 1 merupakan ketentuan ketebalan dan jenis material masing-masing komponen. [6]
Tabel 1 Daftar bahan komponen bagian – bagian generator
Komponen Bahan Ketebalan
Stator Carpenter :
Silicon Steel 40
Milimeter Kumparan Copper : 5,77e7Siemens/meter 40
Milimeter Celah
udara AIR 40
Milimeter Permanent
Magnet PM12: Br 1.2 mur
1.0 40
Milimeter Rotor Carpenter :
Silicon Steel 40
Milimeter Ruang
Udara AIR 40
Milimeter Pada software desaign electromagnetic dengan basis Finite Element Method (FEM) dalam analisis perhitungannya menggunkan metode numeris seperti aliran fluks, potensial dan struktur elektromagnetik. Dengan tujuan bahwa software ini dalam penyelesaian masalah menggunakan Finite Element dimana memecah atau membagi dari bagian besar menjadi bagian yang kecil. Kemudian rangkaian yang sudah dibagi menjadi bagian yang kecil dirangkai kembali menjadi satu rangkaian utuh.
FEM memerlukan perhatian pada proses meshing. Meshing sendiri pembagian analisis dari permasalahan yang besar dibagi pada bagian kecil.
Semakin kecil pembagiannya semakain akurat dalam hasil perhitungannya.
Secara perhitungan dengan mencacah bagian menjadi bagian kecil dengan software desaign electromagnetic berbasis Finite Element Method (FEM), hasilnya tidak sama persis sesuai dengan analisis rumus. Secara default meshing-nya akan berbentuk seperti Gambar 4, dapat dilihat bahwa pembagiannya masih besar, maka diperlukan untuk mengatur meshing-nya agar perhitungannya akan lebih akurat.
Gambar 4 Default meshing pada software design electromagnetic Komponen-komponen yang perlu dilakukan meshing yaitu rotor, stator, permanen magnet, celah udara, dan ruang udara dengan tujuan untuk mengetahui aliran fluks magnet. Pengaturan meshing dengan klik kanan pada komponen, kemudian pilih properties. Maka akan muncul kotak dialog propesties. Pada tab Mesh dan berikan centang pada maximum element size lalu masukan nilainya yang sudah ditetapkan sesuai pada tabel 2.
Tabel 2 Nilai meshing pada tiap-tiap komponen
Komponen Nilai Meshing
Stator 1
Rotor 1
Permanen
magnet 1
Ruang Udara 3
Pengaturan ini untuk menentukan ukuran maksimum dari elemen yang dibuat. Setelah dilakukan pengaturan maka pembagian elemen akan lebih kecil sehingga hasil perhitungannya akurat.
Hasil pengaturan meshing seperti pada Gambar 5 dimana pembagian elemennya jauh lebih rapat dan kecil dari pada sebelumnya.
Gambar 5 Hasil pengaturan meshing
Bagian yang paling penting untuk diatur meshing-nya adalah celah udara karena fluks magnet berpindah dari rotor ke stator melalui celah udara, selain itu komponen ini juga merupakan pemisah antara bagian yang bergerak dengan bagian yang tidak bergerak. Maka dari itu, celah udara ini dibagi menjadi 2 bagian agar akurat.
Pengaturan meshing pada celah udara ini menggunakan toolbar yang berfungsi untuk membagi titik-titik mesh sehingga mesh yang terbentuk akan lebih teratur sehingga perpindahan fluks dari permanen magnet ke stator dapat terbagi rata. Hasil pengaturan meshing pada celah udara ditunjukkan oleh Gambar 6[7].
Gambar 6 Meshing pada celah udara Dalam melakukan analisis torsi cogging, kita menggunakan software design electromagnetic dilakukan dengan mensolving menggunakan transient 2d with motion. transient 2d with motion ini dapat melakukan simulasi dengan cara memutar sebuah benda sekaligus sesuai dengan sudut sumbu yang sudah diatur atau ditentukan sebelumnya, jadi untuk analisis torsi cogging mengharuskan memutar bagain rotor air gap, rotor, dan permanen magnet.
Pada pengaturan mensolving menggunakan transient 2d with motion berguna untuk mengatur mengenai kecepatan putaran bagian dari rotor air gap, rotor, dan permanen magnet. Pengaturan kecepatan perputarannya yaitu dari 0 detik sampai 100 detik dengan perpindahan sudut 0.5 derajat ditunjukan oleh gambar 7. Pada mensolving menggunakan transient 2d with motion ini unuk analisis torsi cogging ini dilakukan dengan mangatur waktu perputarannya yaitu 0 detik sampai 30 detik dengan hasil analisis selama 1 detik, maksudnya yaitu start awal nol detik dan akan berhenti setelah 30 detik dan analisis torsi cogging dilakukan setiap 1 detik ditunjukan oleh gambar 8.
Gambar 7 Pengaturan kecepatan putaran dan perpindahan sudut
Gambar 8 Pengaturan waktu kecepatan
Gambar 9 Desain dengan lebar teeth 8 Desain dengan lebar teeth 8 mmmm permanent magnet synchronous generator ini di analisis tanpa menggunakan lilitan kumparan seperti pada gambar 9, hal ini bertujuan untuk meneruskan fluks magnet yang terjadi diantara permanen magnet dengan stator dapat berjalan dengan lancar tanpa adanya gangguan dari kumparan yang memungkinkan timbul konduktivitas yang menarik fluks yang mengalir ke stator (pada teeth stator) dengan variasi permeansi (kemampuan
suatu material meneruskan fluks magnet) di daerah airgap. Pada hasil simulasi dengan desain dengan lebar teeth 8 mm permanent magnet synchronous generator, didapatkan nilai dimana nilai puncak positif dan nilai puncak negatif yaitu 0,68267 Nm dan -0.5932 Nm [8]. Hasil data nilai puncak positif dan nilai puncak negative didapatkan dari dari setiap titik perputarannya sebesar 0.5 derajat dimana hasil setiap titik perputarannya akan dimasukan ke dalam microsoft excel diolah agar mendapatkan nilai puncak postif dan nilai puncak negatif untuk menghasilkan nilai torsi cogging-nya seperti pada tabel 3. Pada desain dengan lebar teeth 8 mm permanent magnet synchronous generator ini yaitu 1.2759 Nm seperti pada tabel 4.
Adapun juga hasil gelombang torsi cogging yang dihasilkan seperti pada gambar 3.10 [9].
Tabel 3. Titik perputaran pada lebar teeth 8 mm
mech(˚)Deg Deg cogging(˚) Cog tw 8(Nm)
0 0 -0,153896008
0,5 12 -0,019906603
1 24 -0,20025998
1,5 36 -0,331632304
2 48 -0,443070206
2,5 60 -0,533427647
3 72 -0,591980801
3,5 84 -0,593217548
4 96 -0,507829426
4,5 108 -0,331748542
5 120 -0,150623837
5,5 132 -0,125863787
6 144 -0,034166023
6,5 156 0,002697416
7 168 0,010159831
7,5 180 0,002568425
8 192 -0,006560417
8,5 204 -0,000504458
9 216 0,037958582
9,5 228 0,124608969
10 240 0,266834896
10,5 252 0,455026646
11 264 0,61582813
11,5 276 0,682668225
12 288 0,673537525
12,5 300 0,617336857
13 312 0,525075467
13,5 324 0,408398386
14 336 0,27826703
14,5 348 0,140339963
15 360 -2,10e-03
Tabel 4 Nilai torsi cogging pada lebar
Gambar 10. Gelombang torsi cogging pada lebar teeth 8 mm
Gambar 11. Desain dengan lebar teeth 10 mm
Desain dengan lebar teeth 10 mm permanent magnet synchronous generator ini di analisis tanpa menggunakan lilitan kumparan seperti pada gambar 11, hal ini bertujuan untuk meneruskan fluks magnet yang terjadi diantara permanen magnet dengan stator dapat berjalan dengan lancar tanpa adanya gangguan dari kumparan yang memungkinkan timbul konduktivitas yang menarik fluks yang mengalir ke stator (pada teeth stator) dengan variasi permeansi (kemampuan suatu material meneruskan fluks magnet) di daerah airgap. Pada hasil
simulasi dengan desain dengan lebar teeth 10 mm permanent magnet synchronous generator, didapatkan nilai dimana nilai puncak positif dan nilai puncak negatif yaitu 0.957568 Nm dan -0.88068 Nm [8]. Hasil data nilai puncak positif dan nilai puncak negatif didapatkan dari dari setiap titik perputarannya sebesar 0.5 derajat dimana hasil setiap titik perputarannya akan dimasukan ke dalam microsoft excel diolah agar mendapatkan nilai puncak postif dan nilai puncak negative untuk menghasilkan nilai torsi cogging-nya seperti pada tabel 5. Pada desain dengan lebar teeth 10 mm permanent magnet synchronous generator ini yaitu 1.838258 Nm seperti pada tabel 6.
Adapun juga hasil gelombang torsi cogging yang dihasilkan seperti pada gambar 3.12 [9].
Tabel 5 Titik perputaran pada lebar teeth 10 mm
mech(˚)Deg Deg cogging(˚) Cog tw 10 (Nm)
0 0 -8.45E-05
0,5 12 -0.027591928
1 24 -0.216972041
1,5 36 -0.361476697
2 48 -0.491440274
2,5 60 -0.616146893
3 72 -0.731339742
3,5 84 -0.822024866
4 96 -0.879188658
4,5 108 -0.880689700
5 120 -0.801884264
5,5 132 -0.73014259
6 144 -0.494904737
6,5 156 -0.292144694
7 168 -0.132941183
7,5 180 -0.000609788
8 192 0.132395207
8,5 204 0.292127632
9 216 0.495524321
9,5 228 0.725865335
10 240 0.891806271
10,5 252 0.957568912
11 264 0.950659997
11,5 276 0.895244159
12 288 0.808227568
12,5 300 0.699028089
13 312 0.573796539
13,5 324 0.440136466
14 336 0.297575363
14,5 348 0.149078074
15 360 -8.45E-05
Tabel 6. Nilai torsi cogging pada lebar teeth 10 mm
Peak positif
Gambar 12 Gelombang torsi cogging pada lebar teeth 10 mm
Gambar 13 Desain dengan lebar teeth 14 mm
Desain dengan lebar teeth 14 mm permanent magnet synchronous generator ini di analisis tanpa menggunakan lilitan kumparan seperti pada gambar 13, hal ini bertujuan untuk meneruskan fluks magnet yang terjadi diantara permanen magnet dengan stator dapat berjalan dengan lancar tanpa adanya gangguan dari kumparan yang memungkinkan timbul konduktivitas yang menarik fluks yang mengalir ke stator (pada teeth stator) dengan variasi permeansi (kemampuan suatu material meneruskan fluks magnet) di daerah airgap. Pada hasil simulasi dengan Desain dengan lebar
teeth 14 mm permanent magnet synchronous generator ,didapatkan nilai dimana nilai puncak positif dan nilai puncak negatif yaitu 1.31116 Nm dan -1.252638 Nm [8]. Hasil data nilai puncak positif dan nilai puncak negatif didapatkan dari dari setiap titik perputarannya sebesar 0.5 derajat dimana hasil setiap titik perputarannya akan dimasukan ke dalam microsoft excel diolah agar mendapatkan nilai puncak postif dan nilai puncak negatif untuk menghasilkan nilai torsi cogging-nya seperti pada tabel 7. Pada desain dengan lebar teeth 14 mm permanent magnet synchronous generator ini yaitu 2.563803 Nm. Adapun juga hasil gelombang torsi cogging yang dihasilkan seperti pada gambar 14 [9].
Tabel 7 Titik perputaran pada lebar teeth 14 mm
mech(˚)Deg Deg
cogging(˚) Cog tw 14 (Nm)
0 0 -0.15986503
0,5 12 -0.027770694
1 24 -0.23370451
1,5 36 -0.421597293
2 48 -0.601413964
2,5 60 -0.772766588
3 72 -0.92786059
3,5 84 -1.065827274
4 96 -1.167834179
4,5 108 -1.228532909
5 120 -1.238792076
5,5 132 -1.252638712
6 144 -1.102841459
6,5 156 -0.846582549
7 168 -0.46325264
7,5 180 0.004136882
8 192 0.480274795
8,5 204 0.854911766
9 216 1.11264901
9,5 228 1.256135656
10 240 1.311164922
10,5 252 1.298293673
11 264 1.233599037
11,5 276 1.132559118
12 288 1.002242182
12,5 300 0.854009299
13 312 0.693525578
13,5 324 0.524126919
14 336 0.351279077
14,5 348 0.1760889
15 360 -5.31E-03
Tabel 8 Nilai torsi cogging pada lebar teeth 14 mm
Peak positif 1,311164922 Nm
Peak negative -1,252638712 Nm
Cogging 2,563803635 Nm
Gambar 14 Gelombang torsi cogging pada lebar teeth 14 mm
KESIMPULAN
Dari hasil nilai torsi cogging dengan tiga variasi geometri lebar teeth yaitu 8 mm, 10 mm, dan 14 mm yang sudah disimulasikan didapatkan bahwa semakin kecil lebar teeth, maka nilai torsi cogging juga semakin kecil begitupun sebaliknya jika semakin besar lebar teeth, maka nilai torsi cogging juga semakin besar. berikut gambar 15 menunjukan perbandingan gelombang ke tiga variasi lebar teeth 8 mm, 10 mm, dan 14 mm.
Gambar 15 Gelombang torsi cogging ketiga variasi
PUSTAKA ACUAN
L.A. Nusantara, PENGENALAN TEKNOLOGI PEMANFAATAN. 2014.
N. Madani, A. Cosic, and C. Sadarangani, “A Permanent Magnet Synchronous Generator for a Small Scale Vertical Axis Wind Turbine.”
T. Rokhman, “TORSI,” 2018. [Online].
Available:
https://taufiqurrokhman.wordpress.com/2 018/04/02/apa-itu-torsi/.
D. D. Hanselman, Brushless Permanent Magnet Motor Design, Second. 2006.
I. Corporation, low frequency electromagnetics simulation software.
Canada, 1978.
Z. Guo, “FEM STUDY ON PERMANENT
MAGNET SYNCHRONOUS
GENERATORS FOR SMALL WIND TURBINES 2 . 2 Influence of Magnet Shapes on Output,” no. May, pp. 641–
644, 2005.
L. B. Nusantara, “Tutorial Desain Elektromagnetik PMSG 12S8P,” 2018.
R. Elson, Pelatihan Cogging. Indonesia, 2015.
G. Lee, “Cogging Torque Reduction Design of Dual Stator Radial Flux Permanent Magnet Generator for Small Wind Turbine,” pp. 85–89, 2013.