Pembuatan dan Uji Kelistrikan Generator Magnet Permanen Fluks Aksial

(1)

Hasil Simulasi generator MPFA menggunakan rotor magnet ukuran 3 cm x 6.5 cm

(2)

(3)

Hasil Simulasi generator MPFA menggunakan rotor magnet ukuran 3 cm x 6.5 cm

(4)

(5)

1. Bahan

Magnet NdFeB Magnet NdFeB Magnet NdFeB Ukuran 3 cm x 6.5 cm Ukuran 4 cm x 5 cm Ukuran 5 cm x 12 cm

Kawat Tembaga Resin dan Katalis Mat

(6)

Gerinda Bor Alat Pengelas

Solder Tachometer Multimeter Digital

Gauss Meter Motor AC Variac Transformer

(7)

Abdul. Multi, Dkk. 2013. Determining the Air Gap Length of an Axial Flux Wound Rotor Synchronous Generator. Depok : Universitas Indonesia. Akbar, Maulana. 2012. Rancangan Bangun Generator Turbin Angin Axial Tiga

Fasa Untuk Kecepatan Angin Rendah. Depok : Universitas Indonesia. Alam, M. F. 2013 .Simulasi Pengaruh Ketebalan Yoke Rotor, Jarak Antara Kutub

dan Jenis Material Magnet Permanen Terhadap Rapat Fluks Pada Gnenerator Sinkron Fluks Aksial. Semarang : Universitas Diponegoro. Alqodri, M. F. 2015. Rancangan Bangun Generator Fluks Aksial Putaran Rendah

Magnet Permanen Jenis Neodymiun (NdFeB) Untuk Turbin Angin Sumbu Vertikal Tipe Double-Stage Savonius. Jakarta : Universitas Negeri Jakarta.

Apriansyah. M. R. 2014. Simulasi Dan Analisis Generator Listrik Fluks Aksial Berbasis Rotor Magnet Permanen dengan Bentuk Rectangular dan Circular. Jakarta : STT – PLN.

Chan T. F dan L.L. Lai.2007. An Axial-Flux Permanent-Magnet Synchronous Generator for a Direct-Coupled Wind- Turbine Sistem.

Dimas, W. J, dkk. 2011.Perancangan Generator Fluks Aksial Putaran Rendah Magnet Permanen Jenis Neodymium (NdFeB) Dengan Variasi Celah Udara. Semarang : Universitas Diponegoro.

Fahey, Steven. 2006. Basic Principle of the Homemade Axial Flux Alternator. Gieras, J. F, dkk. 2004. Axial Fluks Permanent Magnet Brushless Machines.

USA : Kluwer Academic Publisher.

Hamzah, Ja’far. 2015. Pembuatan Prototip Generator Magnet Permanen Fluks

Aksial untuk pemanfaatan pada Turbin Angin. Jakarta : STT – PLN. Howey D. A. 2009. Axial Flux Permanent Magnet Generators For Pico-

Hydropower. South Kensington : Electrical Engineering Department, Imperial College.

(8)

Parviainen, Asko. 2005. Design of Axial Flux Permanent Magnet Low Speed Machines and Performance Comparison Between Radial Flux and Axial Flux Machines. [Tesis]. Finland : Lappeenranta Univesity of Technology. Prasetijo. Hari. 2014. Prototipe Generator Magnet Permanen Axial AC 1 Fasa

Putaran Rendah Sebagai Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Piko Hidro. Puwakerto : Universitas Jendral Soedirman.

Purnawan, B. S. 2012. Perancangan Pembangkit Listrik Sederhana Menggunakan Generator Mini Magnet Permanen. Bogor : Universitas Pakuan.

Ramadhan, Fajar. 2012. Analisa Perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro di Desa Karang Tengah. Bogor : Universitas Pakuan.

Sharma, Pawan, dkk. 2011. Permanent- Magnet Induction Generators. New Delhi: Indian Institute of Technology Delhi.

Siswoyo. 2008. Teknik Listrik Industri. Jakarta : Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan.

Sofian. Edy. 2011. Studi Bentuk Rotor Magnet Permanen pada Generator Sinkron Magnet Permanen Fluks Aksial Tanpa Inti Stator. Depok : Universitas Indonesia.

Zuhal, 1990. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya. Jakarta : PT. Gramedia.

YMetin, Aydin, dkk. 2001. Torus Concept Machine : Pre-

Prototyping Design Assesment for two Major Topologies. University of Wisconsin-Madison College of Enginering.

Metin Aydin, Surong Huang, Thomas A Lipo, A New Axial Flux Surface

Mounted Permanent Magnet Machine Capable of Field Control. University of Wisconsin-Madison College of Enginering. 2001.

Hideki Kobayashi, Yuhito Doi, Koji Miyata, Takehisa Minowa. Design of The Axial-Flux Permanent Magnet Coreless Generator For The Multi-Megawatts Wind Turbine, Magnetic Materials R&D Center, Shin-Etsu Chemical Co., Ltd, 2-1-5 Kitago, Echizen-shi,Fukui, Japan.

(9)

Matieland, 2009.

Sumanto, MA. 1993. Motor Listrik Arus Bolak- Balik. Jogjakarta : Andi. Waluyo Dimas. Perancangan Generator Fluks Aksial Putaran Rendah Magnet

Permanen Neodymium Dengan Variasi Celah Udara. Teknik Elektro. Universitas Diponegoro. Semarang.

Widodo, Muh.Hasan Ashari. 2011. Modifikasi Generator Sebagai Penghasil Listrik Untuk Pltb Tipe Vertikal Axis. Surakarta : Universitas Muhammadiyah.

Yanti, Yunnies, Tesis: Rancang Bangun Generator Mini Type Axial

Menggunakan Magnet Permanen NdFeB. Teknik Elektro. Institut Sains dan Teknologi Nasional, Jakarta, Indonesia. 2003

Yushak Windu. Simulasi dan Analisis Pengaruh Jumlah Magnet Pada Rotor Generator Magnet Permanen Fluks Aksial Terhadap Tegangan Keluaran. Teknik Elektro. Sekolah Tinggi Teknik-PLN. Jakarta. 2014

(10)

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian ini dimulai selama 3 bulan dari bulan Januari 2016 sampai April 2016 di Pusat Penelitian Fisika (PPF) Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) Puspitek Serpong.

3.2 Bahan dan Peralatan Penelitian 3.2.1 Bahan

a. Kawat Tembaga

Berfungsi untuk membuat lilitan kumparan b. Ampelas

Berfungsi untuk menghaluskan permukaan stator c. Magnet NdFeB

Berfungsi sebagai bahan yang akan diuji pada penelitian d. Resin dan Katalis

Berfungsi sebagai bahan utama pembuatan cetakan stator generator e. Kaca

Berfungsi sebagai tempat cetakan pembuatan stator generator f. Acrilic

Berfungsi sebagai tempat meletakkan magnet permanen yang digunakan pada perancangan rotor generator

g. Lampu AC 5W/220V

Berfungsi sebagai beban yang digunakan pada penelitian h. Mat

Berfungsi sebagai pengikat atau pelapis resin yang dicetak

3.2.2 Peralatan a. Gaussmeter

(11)

b. Tachometer

Berfungsi untuk mengukur kecepatan putaran rotor generator c. Motor AC

Berfungsi sebagai alat pengerak pada generator d. Multimeter Digital

Berfungsi untuk mengukur tegangan keluaran generator e. Solder

Berfungsi untuk melekatkan kabel yang digunakan pada generator f. Variac transformer

Berfungsi untuk mengubah tegangan keluaran AC yang masuk ke motor AC g. Pengaris

Berfungsi sebagai alat ukur yang digunakan pada pembuatan dan perakitan generator

h. Alat pengelas

Berfungsi untuk menyambungkan besi tempat dudukan generator i. Bor Besi

Berfungsi untuk melubangi besi sebagai tempat memasang baut yang digunakan pada pembuatan generator

j. Gerinda

(12)

3.3 Diagram Alir Penelitian yang disesuaikan dengan dimensi rotor

Pembuatan tempat dudukan magnet yang disesuaikan dengan dimensi rotor

Pembuatan kumparan yang disesuaikan dengan dimensi stator

Pembuatan tempat adonan yang digunakan untuk menanam kumparan pada permukaan stator

Penanaman kumparan, penanaman stator, dan pengeringan

Peletakan magnet pada acrylic dan pengeleman magnet

Pembuatan lubang poros, dan pemasangan plat besi pada rotor

(13)

3.4 Desain Model Generator MPFA

Desain model pada generator ini adalah generator magnet permanen fluks aksial tanpa inti dengan bagian utamanya terdiri dari stator dan rotor yang dipisahkan oleh celah udara (air gap) dengan jarak yang sangat dekat. Jarak yang sangat dekat ini bertujuan untuk memaksimalkan jumlah fluks magnet yang melewati kumparan. Bentuk generator MPFA yang dibuat pada penelitian ini seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 3.1 Model generator MPFA

Pada perancangan generator, stator dibuat satu buah untuk tempat lilitan kumparan dengan susunaan kumparan seri dan stator digunakan pada semua rotor yang dibuat, sedangkan pada rotor generator dibuat tiga buah untuk tempat magnet dengan diameter yang sesuaikan dengan dimensi magnet. Selain perancangan desain generator, tempat dudukan generator dibuat juga, ini digunakan untuk tempat peletakan generator yang sudah didesain sehingga lebih memudahkan untuk melakukan pengujian generator. Desain generator pada perancangan ini terdiri dari tiga bagian utama, yaitu:

1. Stator generator. 2. Rotor Generator. 3. Celah udara (air gap)

(14)

menggunakan ukuran magnet yang berbeda, generator diubah kecepatan putaran rotor menggunakan motor AC sebagai pengerak mula-mula.

3.4.1 Perancangan Stator Generator MPFA

Stator generator adalah bagian dari generator berupa kumparan kawat tembaga yang dirancang untuk menerima induksi magnet dari rotor sehingga terdapat aliran fluks magnet yang mengalir pada kumparan tersebut atau arus listrik. Stator yang akan dibuat pada penelitian ini adalah stator tanpa inti besi (coreless) dengan bagian tengah stator berupa celah udara dan stator juga dibuat untuk menghasilkan tegangan satu fase dengan 6 buah lilitan kumparan yang sama. Susunan kumparan yang digunakan menggunakan susunan non-overlapping yaitu kumparan disusun secara berjajar tepat berada di samping dengan sesama kumparan dengan bentuk persegi panjang bagian dalamnya dan berbentuk lingkaran bagian luarnya. Untuk setiap model generator yang dibuat, desain stator selalu dibuat sama dan identik. Pada table berikut ini menunjukkan spesifikasi desain stator yang dibuat.

Tabel 3.1 Spesifikasi desain stator generator MPFA

Parameter Lambang Keterangan

Jenis kawat - Type-1PEW/300

Diameter kawat D 0.03 cm

Jumlah lilitan N 1000 lilitan

Jumlah Kumparan Ns 6 kumparan

Konfigurasi lilitan - Seri

Jumlah fasa Nph 1 fasa

(15)

Gambar 3.2 Bentuk stator generator MPFA

3.4.2 Perancangan Rotor Generator MPFA

Rotor adalah bagian generator yang bergerak (berputar) pada sumbu rotor, pada penelitian ini rotor digunakan sebagai tempat magnet permanen diletakkan dan magnet yang digunakan terdiri dari tiga jenis ukuran magnet. Rotor menggunakan bahan acrylic dengan diameter 29 cm dan tebal 0.5 cm, bahan ini dipilih karena sifat yang seperti kaca dan mudah dibentuk.

Pemasangan magnet permanen pada tatakan penyangan dilakukan dengan cara menanam magnet pada sisi bagian dalam tatakan biasanya pemasangan seperti ini disebut dengan Magnet Permanen Embedded. Tabel berikut ini menunjukkan spesifikasi magnet yang digunakan pada penelitian.

Tabel 3.2 Spesifikasi desain rotor generator MPFA

Parameter Lambang Ukuran Magnet NdFeB

3 cm x 6.5 cm 4 cm x 5 cm 5 cm x 12 cm Kerapatan

Fluks Magnet Br 3928.8 Gauss 3861.8 Gauss 3515.5 Gauss Dimensi

Magnet P, L, T

6.5 cm, 3 cm, 1 cm

5 cm, 4 cm, 1 cm

12 cm, 5 cm, 1 cm Diameter Rotor D, T 19 cm, 0.5 cm 19 cm, 0.5 cm 19 cm, 0.5 cm

Jumlah Magnet N 6 6 4

Jarak Antar

(16)

Jari-jari magnet rin 7.5 cm 8 cm 4.5 cm

ro 14 cm 13 cm 13 cm

Luas

Penampang A 19.5 cm 2

20 cm2 60 cm2

Pada perancangan tempat tatakan magnet, tatakan disesuai dengan dimensi magnet dan posisi kumparan pada rotor, ini bertujuan agar jarak antar magnet tiap rotor sama dan untuk memaksimalkan fluks magnet yang melewati kumparan pada stator. Pada gambar berikut menunjukan letak masing-masing magnet pada rotor generator MPFA.

Gambar 3.3 Letak magnet ukuran 3 cm x 6.5 cm pada rotor generator MPFA

(17)

Gambar 3.5 Letak magnet ukuran 3 cm x 6.5 cm pada rotor generator MPFA

Pada gambar diatas , sisi bagian depan yang digunakan untuk menghasilkan induksi magnet pada rotor dan disusun sama rata dengan permukaan arcalic , sedangkan pada sisi bagian belakang dipasang plat besi berbentuk lingkaran, ini dipasang agar posisi magnet pada tatakan tidak bergerak pada saat generator dijalankan

3.4.3 Celah Udara (Air Gap)

Celah udara memengang peranan sangat penting dalam pembuatan generator magnet permanen, karena melalui celah inilah tegangan dapat diinduksi pada kumparan stator, dengan demikin dalam pembuatan generator ini harus harus diperhatikan lebar celah yang dibuat dan diupayakan lebar celah tidak mengalami perubahan pada saat generator sedang berputar, karena jika terjadi perubahan maka tegangan dan arus yang dihasilkan akan ikut mengalami perubahan.

Pada penelitian ini, lebar celah udara yang dimaksud adalah sisi bagian yang memisahkan antar permukaan rotor dan stator yang saling berhadapan, lebar celah udara yang digunakan pada penelitian ini adalah 0.5 cm dan digunakan pada semua jenis rotor yang diuji.

3.5 Pengujian Generator MPFA

(18)

interval 10 rpm. Ketika kecepatan rotor mencapai yang diinginkan maka dicatat tegangan dan arus yang terbaca pada tiap rotor yang berbeda secara bergantian. Pada pengujian ini, ada dua pengujian yang dilakukan, yaitu pengujian tanpa beban dan pengujian berbeban.

3.5.1 Pengujian Generator MPFA Tanpa Beban

Pada pengujian ini, generator tidak diberikan beban disini tegangan dan arus output diuji tanpa memberikan beban (beban yang digunakan adalah lampu AC 5V/7W) dengan langkah-langkah pengujian sebagai berikut:

Langkah-langkahnya sebagai berikut:

1. Diatur tegangan motor AC menggunakan regulator variac transformer, sehingga didapat kecepatan rotor generator 200 rpm

2. Tidak ada beban yang dihubungkan pada generator 3. Dicatat output tengangan dan arus AC yang dihasilkan

4. Diulangi kembali untuk kecepatan 210 rpm sampai 320 dengan interval 10 rpm

5. Diulangi langkah satu sampai empat untuk rotor yang lain

3.5.2 Pengujian Generator MPFA Berbeban

Pada pengujian ini, generator diberikan beban lampu AC 5W/220V dan dihitung tegangan dan arus dan tegangan pada saat diberi beban dengan langkah-langkah sebgai berikut:

1. Diatur tegangan motor AC menggunakan regulator variac transformer, sehingga didapat kecepatan rotor generator 200 rpm

2. Generator dihubungkan dengan lampu AC 5W/220V 3. Dicatat output tengangan dan arus AC yang dihasilkan

4. Diulangi kembali untuk kecepatan 210 sampai 320 rpm dengan interval 10 rpm

(19)

1

2

3

4

5

6

V

A

Trafo

Osiloskop

Generator

AC

S

220V

5V

Gambar 3.6 Pengujian generator MPFA Keterangan :

1. Tachometer

2. Variac Tranformer

3. Multimeter Digital 4. Lampu AC 5W/220V 5. Osiloskop Digital 6. Trafo Step-Down

3.5.3 Rangkaian Listrik Pengujian Generator MPFA

Rangkaian listrik pengujian generator MPFA ditunjukkan pada gambar berikut:

(20)

Dalam skematik di atas, pengujian generator dilakukan dengan dua tahap pengujian, yaitu pengujian tanpa beban dan berbeban. Pada pengujian tanpa beban rangkaian listrik generator tidak dihubungkan dengan beban (saklar S tidak dihubungkan) sedangkan pada pengujian berbeban rangkaian dihubungkan dengan beban (saklar S dihubungkan), kemudian keluaran generator diukur menggunakan multimeter digital, untuk melihat bentuk sinyal generator rangkaian dihubungkan dengan osiloskop. Karena keluaran generator terlalu besar sedangkan osiloskop hanya mampu menampilkan sinyal tegangan rendah. Maka, tegangan yang masuk ke osiloskop perlu dihubungkan dengan trafo step down ini bertujuan untuk mengurangi tegangan yang masuk ke osiloskop sehingga sinyal tegangan masing-masing rotor dapat ditampilkan pada layar osiloskop.

3.5.4 Pengujian GMFA Menggunakan Simulasi

Setelah melakukan pengujian generator, langkah selanjutnya adalah membuat simulasi yang akan menampilkan output keluaran generator. Perangkat lunak yang digunakan pada simulasi ini adalah software Delphi V7.0. Dalam pembuatan simulasi, parameter yang digunakan pada simulasi berdasakan rumus secara teori yang digunakan pada generator MPFA, kemudian data akan ditampilkan berupa tabel dan grafik keluaran generator pada kecepatan 200 rpm sampai 320 rpm dengan interval 10 rpm. Setelah itu data yang ditampilkan pada software dibandingkan dengan data hasil pengujian.

(21)

4.1 Hasil Spesifikasi Generator MPFA

4.1.1 Hasil Spesifikasi Stator Generator MPFA

Jumlah lilitan tiap kumparan pada stator yang dibuat adalah sama dengan spesifikasi kumparanya, sebagai berikut :

Spesifikasi kumparan :

Diameter kawat (Dk) : 0.0003 m Panjang bagian luar (po) : 0.07 m Panjang bagian dalam (pin) : 0.04 m Lebar bagian luar (lo) : 0.05 m Lebar bagian dalam (lin) : 0.02 m Tebal kumparan (tk) : 0.006 m Gambar 4.1 Spesifikasi kumparan

stator generator MPFA

Untuk menghitung banyak lilitan (N) pada kumparan yang telah dibuat digunakan persamaan berikut:

N = (po- pin) t

= ( - ) = 1000 lilitan

(22)

rin

Pada gambar berikut ini menunjukan spesifikasi rotor yang dibuat:

Spesifikasi stator :

Diameter stator (Ds) : 0.38 m Jari-jari dalam kumparan (rin) : 0.07 m Jari-jari bagian luar (ro) : 0.14 m

4.1.2 Hasil Spesifikasi Rotor Generator MPFA

Rotor yang dibuat pada pengujian ini ada sebanyak 3 buah, yaitu untuk magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm dengan jumlah magnet 6 buah, 4 cm x 5 cm dengan jumlah magnet 6 buah, dan 5 cm x 12 cm dengan jumlah magnet 4 buah. Pada gambar berikut ini menunjukan hasil perhitungan spesifikasi masing-masing rotor yang dibuat:

a. Magnet NdFeB berukuran 3 cm x 6.5 cm

Spesifikasi rotor:

(23)

- Menghitung luas maksimum magnet (Amaks)

- Menghitung kerapatan fluks magnet pada kumparan (Bmaks) Remanasi magnet (Br) = 3861.76 Gauss = 0.386176 T

- Menghitung frekuensi keluaran generator pada kecepatan 320 rpm fkeluaran = n

= = 32 Hz

- Menghitung tegangan keluaran generator pada kecepatan 320 rpm Ekeluaran = N f Φ

Ns

N_ph

(24)

r

in

- Menghitung luas maksimum magnet (Amaks) Amaks = (ro- rin)- τf (ro- rin)

= ( - )- ( - ) = 19.478 x 10-4 m2

(25)

r

in

ro

τ

f

= = 32 Hz

- Menghitung tegangan keluaran generator pada kecepatan 320 rpm Ekeluaran = N f Φ Ns

(26)

Jara celah udara (δ) = cm = -3

= = 21.33 Hz

- Menghitung tegangan keluaran generator pada kecepatan 320 rpm Ekeluaran = N f Φ

Ns

N_ph

= 1.11 x 1000 x 21.33 x 17.229597 x 10-4 x

= 244.759864 Volt = 244.8 Volt

4.2 Data Hasil Pengukuran Kerapatan Fluks Magnet yang Digunakan

(27)

Pada tabel berikut ini menunjukan data distribusi kerapatan fluks masing-masing magnet yang digunakan.

(28)

Gambar 4.6 Grafik distribusi kerapatan fluks magnet NdFeB

Dari hasil data pengujian diatas diperoleh, besar kerapatan fluks magnet rata-rata yang digunakan pada pengujian GMPFA untuk magnet berukuran 5 cm x 12 cm, 3 cm x 6.5 cm, dan 4 cm x 5 cm berturut-turut adalah 3515.49 Gauss, 3861.76 Gauss, dan 3928.83 Gauss. Besar kerapatan fluks magnet kemudian diubah ke satuan Tesla, ini bertujuan untuk menyamakan satuan yang digunakan pada pegujian berikutnya. Dimana 1 gauss = 10-4 T, jadi besar fluks magnet untuk magnet berukuran 5 cm x 12 cm, 3 cm x 6.5 cm, dan 4 cm x 5 cm berturut-turut adalah 0.35 T, 0.39 T, dan 0.39 T.

Dari garik distribusi diatas terlihat bahwa, besar distribusi kerapatan fluks magnet yang paling banyak untuk semua magnet terletak diantar 3000 sampai 4000 gauss. Jika diubah kesatuan Tesla besar distribusi kerapatan magnet berada diantara 0.3 T sampai 0.4 T.

4.3 Data Hasil Pengujian Generator MPFA

Pengujian generator magnet permanen fluks aksial dilakukan dengan mengkopel generator MPFA dengan motor listrik AC dimana kecepatan rotor diatur dengan mengubah kecepatan motor listrik AC, dengan cara mengatur tegangan masukan motor menggunakan transformator variac maka motor akan berputar dari

(29)

kecepatan rendah sampai kecepatan tinggi, pada pengujian ini diatur kecepatannya dari 200 rpm sampai 320 rpm dengan interval 10 rpm.

Pengujian generator MPFA dilakukan dalam tiga kali pengujian, yaitu pengujian pada rotor generator menggunakan magnet yang berukuran 4 cm x 5 cm, 3 cm x 6.5 cm, dan 5 cm x 12 cm. pengujian dilakukan untuk mendapatkan data keluaran berupa tegangan, arus, dan frekuensi, serta tampilan gelombang sinusoidal masing-masing tengangan keluaran rotor menggunakan osiloskop.

4.3.1 Data Hasil Pengujian Rotor Magnet Berukuran 3 cm x 6.5 cm

Pada pengujian generator MPFA untuk rotor berukuran 3 cm x 6.5 cm, pengujianya masih sama dengan cara pengujian generator sebelumnya, yaitu pengujian generator tanpa beban dan yang menggunakan beban lampu AC 5W/220V. Data hasil pengujian keluaran generator adalah sebagai berikut :

Tabel 4.2 Data hasil pengujian rotor magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm Pengujian Magnet NdFeB Berukuran 3 cm x 6.5 cm

(30)

Gambar 4.7 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap frekuensi keluaran generator MPFA saat tanpa beban dengan berbeban menggunakan magnet NdFeB

berukuran 3 cm x 6.5 cm

Gambar 4.8 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap tegangan keluaran generator MPFA saat tanpa beban dengan berbeban menggunakan magnet NdFeB

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

Fr

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

(31)

Gambar 4.9 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap arus keluaran Generator MPFA dengan beban lampu AC 5W/220V mengunakan magnet NdFeB

Gambar 4.10 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap daya keluaran generator MPFA dengan beban lampu AC 5W/220V mengunakan magnet NdFeB

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

Arus

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

(32)

Pengujian generator MPFA menggunakan rotor berukuran 3 cm x 6.5 cm dilakukan dengan cara menvariasikan kecepatan putaran rotor dari kecepatan putaran 200 rpm sampai 320 rpm dengan interval 10 rpm. Keluaran generator yang diuji pada penelitian ini adalah perbandingan frekuensi keluaran saat tanpa beban dan berbeban, perbandingan tegangan keluaran saat tanpa beban dan berbeban, arus keluaran saat diberi beban, dan daya keluaran saat diberi beban.

Pada grafik 4.8 memperlihatkan perbedaan frekuensi keluaran saat tanpa beban dan berbeban, dari grafik menunjukkan hubungan yang berbanding lurus antara frekuensi keluaran terhadap kecepatan putaran rotor, yaitu semakin cepat rotor berputar semakin besar frekuensi keluaran yang dihasilkan dan memenuhi persamaan garis y = 0.0993x + 0.2454 untuk pengujian tanpa beban dan y = 0.1x + 0.0186 untuk penngujian mengunakan beban. _{Dari grafik menunjukkan tidak}

ada pengaruh perubahan frekuensi generator saat tanpa beban dan diberi beban. Pada grafik 4.9 memperlihatkan perbedaan tegangan keluaran saat tanpa beban dan berbeban, dari grafik menunjukkan hubungan yang berbanding lurus antara tegangan keluaran terhadap kecepatan putaran rotor, yaitu semakin cepat rotor berputar semakin besar tegangan keluaran yang dihasilkan dan memenuhi persamaan garis y = 0.4294x - 3.1429 untuk pengujian tanpa beban dan y = 0.3877x - 6.7912 untuk penngujian mengunakan beban. _{Dari grafik menunjukkan}

penurunan tegangan keluaran ketika generator dihubungan dengan beban lampu AC 5W/220V, penurunan tegangan terjadi karena sebagian tegangan generator digunakan untuk menghidupkan beban lampu AC 5W/220V dengan penurunan tegangan 1.14 kali – 1.16 kali.

Pada grafik 4.10 memperlihatkan hubungan arus keluaran ketika diberi beban terhadap kecepatan putaran rotor, dari grafik menunjukkan hubungan yang berbanding lurus antara arus keluaran terhadap kecepatan putaran rotor, yaitu semakin cepat rotor berputar semakin besar arus keluaran yang dihasilkan dengan kenaikaan arus rata-rata 0.02 A tiap 10 rpm pada kecepatan 200 rpm sampai 320 rpm dan memenuhi persamaan garis y = 0.0019x - 0.034.

(33)

semakin cepat rotor berputar semakin besar daya keluaran yang dihasilkan dengan kenaikan rata-rata 3.66 Watt tiap 10 rpm pada kecepatan 200 rpm sampai 320 rpm dan memenuhi persamaan garis y = 0.3649x - 49.627.

4.3.2 Data Hasil Pengujian Rotor Magnet Berukuran 4 cm x 5 cm

Pada pengujian generator MPFA menggunakan dua kali pengujian yaitu pengujian generator tanpa beban dan yang menggunakan beban lampu AC 5W/220V. Data hasil pengujian keluaran generator adalah sebagai berikut :

Tabel 4.3 Data hasil pengujian rotor magnet berukuran 4 cm x 5 cm Pengujian Magnet NdFeB Berukuran 4 cm x 5 cm

(34)

Gambar 4.11 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap frekuensi keluaran generator MPFA saat tanpa beban dengan berbeban menggunakan

magnet NdFeB berukuran 4 cm x 5 cm

Gambar 4.12 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap tegangan keluaran Generator MPFA saat tanpa beban dan berbeban menggunakan magnet

NdFeB berukuran 4 cm x 5 cm

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

Fr

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

(35)

Gambar 4.13 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap arus keluaran Generator MPFA dengan beban lampu AC 5W/220V mengunakan magnet NdFeB

berukuran 4 cm x 5 cm

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

Arus

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

(36)

Pengujian generator MPFA menggunakan rotor berukuran 4 cm x 5 cm dilakukan dengan cara menvariasikan kecepatan putaran rotor dari kecepatan putaran 200 rpm sampai 320 rpm dengan interval 10 rpm. Keluaran generator yang diuji pada penelitian ini adalah perbandingan frekuensi keluaran saat tanpa beban dan berbeban, perbandingan tegangan keluaran saat tanpa beban dan berbeban, arus keluaran saat diberi beban, dan daya keluaran saat diberi beban.

Pada grafik 4.11 memperlihatkan perbedaan frekuensi keluaran saat tanpa beban dan berbeban, dari grafik menunjukkan hubungan yang berbanding lurus antara frekuensi keluaran terhadap kecepatan putaran rotor, yaitu semakin cepat rotor berputar semakin besar frekuensi keluaran yang dihasilkan dan memenuhi persamaan garis y = 0.1005x - 0.12 untuk pengujian tanpa beban dan y = 0.0998x + 0.0736 untuk penngujian mengunakan beban. _{Dari grafik menunjukkan tidak}

ada pengaruh perubahan frekuensi generator saat tanpa beban dan diberi beban. Pada grafik 4.12 memperlihatkan perbedaan tegangan keluaran saat tanpa beban dan berbeban, dari grafik menunjukkan hubungan yang berbanding lurus antara tegangan keluaran terhadap kecepatan putaran rotor, yaitu semakin cepat rotor berputar semakin besar tegangan keluaran yang dihasilkan dan memenuhi persamaan garis y = 0.4565x - 3.2626 untuk pengujian tanpa beban dan y = 0.4131x - 7.6835 untuk penngujian mengunakan beban. _{Dari grafik menunjukkan}

(37)

semakin cepat rotor berputar semakin besar daya keluaran yang dihasilkan dengan kenaikan rata-rata 4.08 Watt tiap 10 rpm pada kecepatan 200 rpm sampai 320 rpm dan memenuhi persamaan garis y = 0.4115x - 56.057.

4.3.3 Data Hasil Pengujian Rotor Magnet Berukuran 5 cm x 12 cm

Pada pengujian generator MPFA untuk rotor berukuran 5 cm x 12 cm, pengujianya masih sama dengan cara pengujian generator sebelumnya, yaitu pengujian generator tanpa beban dan yang menggunakan beban lampu AC 5W/220V. Data hasil pengujian keluaran generator adalah sebagai berikut :

Tabel 4.4 Data hasil pengujian rotor magnet berukuran 5 cm x 12 cm Pengujian Magnet NdFeB Berukuran 5 cm x 12 cm

(38)

Gambar 4.15 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap frekuensi keluaran generator MPFA saat tanpa beban dengan berbeban menggunakan

Gambar 4.16 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap tegangan keluaran generator MPFA saat tanpa beban dengan berbeban menggunakan

y = 0.1002x - 0.0774

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

Fr

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

(39)

Gambar 4.17 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap arus keluaran generator MPFA dengan beban lampu AC 5W/220V mengunakan magnet NdFeB

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

Arus

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

(40)

Pengujian generator MPFA menggunakan rotor berukuran 5 cm x 12 cm dilakukan dengan cara menvariasikan kecepatan putaran rotor dari kecepatan putaran 200 rpm sampai 320 rpm dengan interval 10 rpm. Keluaran generator yang diuji pada penelitian ini adalah perbandingan frekuensi keluaran saat tanpa beban dan berbeban, perbandingan tegangan keluaran saat tanpa beban dan berbeban, arus keluaran saat diberi beban, dan daya keluaran saat diberi beban.

Pada grafik 4.15 memperlihatkan perbedaan frekuensi keluaran saat tanpa beban dan berbeban, dari grafik menunjukkan hubungan yang berbanding lurus antara frekuensi keluaran terhadap kecepatan putaran rotor, yaitu semakin cepat rotor berputar semakin besar frekuensi keluaran yang dihasilkan dan memenuhi persamaan garis y = 0.1002x - 0.0774 untuk pengujian tanpa beban dan y = 0.1002x - 0.0774 untuk penngujian mengunakan beban. _{Dari grafik menunjukkan}

tidak ada pengaruh perubahan frekuensi generator saat tanpa beban dan diberi beban.

Pada grafik 4.16 memperlihatkan perbedaan tegangan keluaran saat tanpa beban dan berbeban, dari grafik menunjukkan hubungan yang berbanding lurus antara tegangan keluaran terhadap kecepatan putaran rotor, yaitu semakin cepat rotor berputar semakin besar tegangan keluaran yang dihasilkan dan memenuhi persamaan garis y = 0.3505x - 0.4736 untuk pengujian tanpa beban dan y = 0.3196x - 5.8549 untuk penngujian mengunakan beban. _{Dari grafik menunjukkan}

(41)

berbanding lurus antara daya keluaran terhadap kecepatan putaran rotor, yaitu semakin cepat rotor berputar semakin besar daya keluaran yang dihasilkan dengan kenaikan rata-rata 2.47 Watt tiap 10 rpm pada kecepatan 200 rpm sampai 320 rpm dan memenuhi persamaan garis y = 0.2469x - 33.658.

4.4 Analisa Gelombang Sinusoidal Tegangan Keluaran Generator MPFA pada Osiloskop

Osiloskop yang digunakan pada pengujian adalah osiloskop digital Tekronix TDS-2012B dengan kabel probenya dihubungkan ke channel-1 , karena osiloskop ini hanya mampu menampilkan gelombang pada tegangan kecil maka, tegangan yang masuk ke osiloskop perlu dihubungkan ke trafo step-down dimana tegangan masukan dari generator dihubungkan pada 0 – 220 Volt dan keluaran ke osiloskop dihubungkan ke 0 – 5 volt dengan cara itu sinyal masing-masing generator dapat ditampil tanpa mengubah bentuk gelombang dan frekuensi keluaran dari generator. Berikut ini dijelaskan bentuk gelombang masing-masing generator yang diuji.

4.4.1 Gelombang Sinusoidal Tegangan Keluaran Magnet Berukuran 3 cm x 6.5 cm

Data berikut ini menampilkan gambar gelombang yang dihasilkan generator MPFA menggunakan magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm pada kecepatan 320 rpm.

Gambar 4.19 Gelombang sinusoidal pengukuran tegangan keluaran pada kecepatan putaran rotor 320 rpm menggunakan magnet NdFeB berukuran 3 cm x

(42)

Pada gambar 4.19 menampilkan bentuk gelombang sinusoidal hasil pengujian generator menggunakan rotor magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm pada kecepatan putaran 320 rpm, dari gambar terlihat bentuk gelombang sinusoidal yang dihasilkan tidak rata (ada getaran), ini disebabkan karena perputaran rotor pada porosnya tidak seimbang, sehingga jarak celah udara antara permukaan rotor pun ikut berubah dengan berubahnya jarak celah udara maka gelombang sinusoidal yang ditampilkan osiloskop tidak rata.

Untuk menghitung besar frekuensi generator, pada gambar ditampilkan langsung besar frekuensi yang dihasilkan, yaitu f = 31.98 Hz. Sedangkan untuk menghitung besar tegangan keluaran generator digunakan rumus : Vkeluaran = VPP/(2 x (Volt/Div)) = (118)/2(20) = 2.95 Volt. Karena generator dihubungkan ke trafo, maka Vkeluaran dikalikan dengan faktor perbandingan trafo (a), yaitu a = VP/Vs = 220V/5V = 44, sehingga keluaran generator yang dihasilkan adalah Vkeluaran = 2.95 Volt x 44 = 129.80 Volt.

4.4.2 Data Gelombang Tegangan Output Menggunakan Magnet Berukuran 4 cm x 5 cm

Data berikut ini menampilkan gambar gelombang yang dihasilkan generator MPFA menggunakan magnet berukuran 4 cm x 5 cm pada kecepatan 320 rpm .

(43)

Pada gambar 4.20 menampilkan bentuk gelombang sinusoidal hasil pengujian generator menggunakan rotor magnet berukuran 4 cm x 5 cm pada kecepatan putaran 320 rpm, dari gambar terlihat bentuk gelombang sinusoidal yang dihasilkan tidak rata (ada getaran), ini disebabkan karena perputaran rotor pada porosnya tidak seimbang, sehingga jarak celah udara antara permukaan rotor pun ikut berubah dengan berubahnya jarak celah udara maka gelombang sinusoidal yang ditampilkan osiloskop tidak rata.

4.4.3 Data Gelombang Tegangan Output Menggunakan Magnet Berukuran 5 cm x 12 cm

Data berikut ini menampilkan gambar gelombang yang dihasilkan generator MPFA menggunakan magnet berukuran 5 cm x 12 cm pada kecepatan 320 rpm.

(44)

Pada gambar 4.21 menampilkan bentuk gelombang sinusoidal hasil pengujian generator menggunakan rotor magnet berukuran 5 cm x 12 cm pada kecepatan putaran 320 rpm, dari gambar terlihat bentuk gelombang sinusoidal yang dihasilkan rata (tidak ada getaran), ini sebabkan karena ukuran magnet yang digunakan besar dan beratnya juga lebih besar dibandingkan dengan rotor magnet yang lain, dengan bertambahnya dimensi dan berat magnet dapat menyeimbangkan perputaran rotor pada generator.

4.5 Analisa Perbandingan Hasil Pengujian Keluaran Generator MPFA

Gambar 4.22 Grafik perbandingan kecepatan putaran rotor dengan tegangan keluaran generator MPFA tanpa beban menggunakan magnet berukuran 3 cm x

6.5 cm, 4 cm x 5 cm, dan 5 cm x 12 cm

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

(45)

Gambar 4.23 Grafik perbandingan kecepatan putaran rotor dengan tegangan keluaran generator MPFA berbeban lampu AC 5W/220V menggunakan magnet

berukuran 3 cm x 6.5 cm, 4 cm x 5 cm, dan 5 cm x 12cm

Gambar 4.24 Grafik perbandingan kecepatan putaran rotor dengan arus keluaran generator MPFA berbeban lampu AC 5W/220V menggunakan magnet berukuran

3 cm x 6.5 cm, 4 cm x 5 cm, dan 5 cm x 12 cm

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

T

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

(46)

Gambar 4.25 Grafik perbandingan kecepatan putaran rotor dengan daya keluaran generator MPFA berbeban lampu AC 5W/220V menggunakan magnet berukuran

3 cm x 6.5 cm, 4 cm x 5 cm, dan 5 cm x 12 cm

Pada percobaan ini dilakukan perbandingan antara tiga rotor generator yang menggunakan magnet NdFeB dengan ukuran masing-masing magnet yang diuji adalah 3 cm x 6.5 cm, 4 cm x 5 cm, dan 5 cm x 12 cm. Dari hasil pengukuran alat Gaussmeter, kerapatan fluks magnet masing-masing magnet berturut-turut adalah 0.3862 T, 0.3929 T, dan 0.3516 T. Berikut ini dibahas hasil perbandingan masing-masing rotor untuk perbandingan tegangan keluaran saat tanpa beban dan berbeban, arus keluaran saat diberi beban, dan daya keluaran saat diberi beban.

Pada gambar 4.22 menunjukkan hasil perbandingan tegangan keluaran generator tanpa diberi beban. Pada kecepatan yang sama, tengangan keluaran yang paling besar adalah magnet berukuran 4 cm x 5 cm dimana pada kecepatan 200 rpm dan 320 rpm tegangan keluarannya adalah 87.9 Volt dan 142.6 Volt, dan keluaran yang paling rendah adalah menggunakan magnet berukuran 5 cm x 12 cm dimana pada kecepatan 200 rpm dan 320 rpm tegangan keluarnya adalah 69.1 Volt dan 111.6 Volt, sedangkan rotor menggunakan magnet 3 cm x 6.5 cm pada kecepatan 200 rpm dan 320 rpm adalah 82.8 Volt dan 133.8 Volt.

Berdasarkan teori besar fluks magnet yang melewati kumparan mempengaruhi tegangan keluaran generator, semakin besar fluks magnet yang

y = 0.3649x - 49.627

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

(47)

melewati kumparan maka keluaran generator juga bertambah. Dari hasil perhitungan yang dibahas pada bagian 4.1 Hasil Spesifikasi Generator MPFA, besar fluks magnet masing-masing generator adalah 172.324 x 10-4 Wb untuk rotor magnet berukuran 5 cm x 12 cm, 680.022 x 10-4 Wb untuk rotor magnet berukuran 4 cm x 5 cm, dan 636.294 x 10-4 Wb untuk rotor magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm. Berarti secara teori seharus tegangan yang paling rendah adalah rotor magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm, dan rotor magnet berukuran 4 cm x 5 cm tengangan keluarannya mendekati magnet berukuran 5 cm x 12 cm.

Tegangan keluaran rotor magnet berukuran 5 cm x 12 cm berada pada titik rendah karena tidak semua fluks magnet mengenai penampang kumparan,yaitu hanya dua buah magnet yang tepat mengenai kumparan pada stator ketika rotor berputar sedangkan empat kumparan yang lainnya tidak kena induksi magnet akibatnya hanya beberapa kumparan saja yang menghasilkan keluaran tegangan generator.

Pada gambar 4.23 menunjukkan hasil perbandingan tegangan keluaran generator menggunakan beban lampu AC 5W/220V. Pada kecepatan yang sama, tengangan keluaran yang paling besar adalah magnet berukuran 4 cm x 5 cm dimana pada kecepatan 200 rpm dan 320 rpm tegangan keluarannya adalah 74.6 Volt dan 124.0 Volt, dan keluaran yang paling rendah adalah menggunakan magnet berukuran 5 cm x 12 cm dimana pada kecepatan 200 rpm dan 320 rpm tegangan keluarnya adalah 58.1 Volt dan 96.4 Volt, sedangkan rotor menggunakan magnet 3 cm x 6.5 cm pada kecepatan 200 rpm dan 320 rpm adalah 70.9 Volt dan 117.5 Volt.

Pada gambar 4.24 menunjukkan hasil perbandingan arus keluaran generator menggunakan beban lampu AC 5W/220V. Pada kecepatan yang sama, arus keluaran yang paling besar adalah magnet berukuran 4 cm x 5 cm dimana pada kecepatan 200 rpm dan 320 rpm arus keluarannya adalah 0.373 A dan 0.620 A, dan arus keluaran yang paling rendah adalah menggunakan magnet berukuran 5 cm x 12 cm dimana pada kecepatan 200 rpm dan 320 rpm arus keluarnya adalah 0.291 A dan 0.482 A, sedangkan rotor menggunakan magnet 3 cm x 6.5 cm pada kecepatan 200 rpm dan 320 rpm adalah 0.354 A dan 0.588 A.

(48)

menggunakan beban lampu AC 5W/220V. Pada kecepatan yang sama, daya keluaran yang paling besar adalah magnet berukuran 4 cm x 5 cm dimana pada kecepatan 200 rpm dan 320 rpm daya keluarannya adalah 27.826 Watt dan 76.880 Watt, dan daya keluaran yang paling rendah adalah menggunakan magnet berukuran 5 cm x 12 cm dimana pada kecepatan 200 rpm dan 320 rpm daya keluarnya adalah 16.878 Watt dan 46.465 Watt, sedangkan rotor menggunakan magnet 3 cm x 6.5 cm pada kecepatan 200 rpm dan 320 rpm adalah 25.134 Watt dan 69.031 Watt.

4.6 Analisa Perbandingan Hasil Pengujian dengan Hasil Simulasi

Dari hasil pengujian generator MPFA, maka dilakukan perhitungan tegangan keluaran generator secara simulasi. Tujuan melakukan perhitungan ini adalah untuk mengetahui perbandingan hasil pengujian terhadap hasil simulasi. Perhitungan hanya dilakukan pada salah satu jenis rotor yang diuji, yaitu rotor magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm. berikut ini menunjuk perbandingan grafik antar hasil pengujian dan hasil simulasi pada tegangan tanpa beban dengan kecepatan putaran rotor 200 rpm – 320 rpm pada interval 10 rpm.

Gambar 4.26 Grafik perbandingan Tegangan Keluaran Generator MPFA terhadap kecepatan putaran rotor dengan hasil simulasi dan hasil pengujian magnet

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

(49)

(50)

5.1 Kesimpulan

1. Penggunaan magnet berukuran 4 cm x 5 cm adalah keluaran paling tertinggi dari generator yang telah dibuat.

2. Dari hasil pengujian generator semakin cepat putaran rotor maka frekuensi, tegangan, arus, dan daya keluaran generator juga meningkat.

3. Tegangan keluaran maksimal generator pada kecepatan 320 rpm untuk rotor magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm, 4 cm x 5 cm, dan 5 cm x 12 cm adalah 133.8 Volt, 142.6 Volt, dan 111.6 Volt.

4. Arus keluaran maksimal generator pada kecepatan 320 rpm untuk rotor magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm, 4 cm x 5 cm, dan 5 cm x 12 cm adalah 0.588 A, 0.620, dan 0.482 A.

5. Daya keluaran maksimal generator pada kecepatan 320 rpm untuk rotor magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm, 4 cm x 5 cm, dan 5 cm x 12 cm adalah 69.03 Watt, 76.88 Watt, dan 46.46 Watt.

6. Kecepatan putar sangat menentukkan karakteristik dari generator listrik magnet permanen fluks aksial agar mencapai speksifikasi yang sesuai dengan pembangkit listrik tenaga angin dan air.

5.2 Saran

1. Keluaran tegangan dari generator dapat diperbesar, dengan cara meningkatkan kuat medan magnet, memperbanyak jumlah magnet dan menyesuaikan luas penampangnya dengan penampang kumparan yang digunakan.

2. Sebaiknya perlu ditentukan pengerak awal generator agar pengujian dapat berjalan sesuai keinginan.

3. Untuk mendapat hasil keluaran yang maksimal perlu ketelitian dalam pembuatan generator magnet permanen fluks aksial.

(51)

dicapai daya yang lebih tinggi.

(52)

2.1 Prinsip Dasar Induksi Magnet 2.1.1 Medan Magnet

Medan magnet adalah daerah yang ada di sekitar magnet dimana objek-objek magnetik lain dapat terpengaruh oleh gaya magnetismenya. Benda magnetik selalu mencoba untuk mengarahkan diri selaras dengan pengaruh medan magnet disekitarnya. Makin kuat daya megnetisme yang dimiliki oleh suatu benda, maka makin luas pula cangkupan medan magnetnya. Medan magnet tidak dapat dilihat, namun dapat dijelaskan dengan mengamati pengaruh magnet pada benda lain. Seperti dengan cara menaburkan serbu besi disekitar magnet, serbuk-tersebut besi tersebut akan membentuk sebuah pola garis-garis lengkung. Pola garis-garis lengkung yang terbentuk ini merupakan pola garis-garis medan magnetik yang disebut garis gaya magnetik. Garis – garis medan magnet tersebut memiliki sifat sebagai berikut :

1. Garis-garis gaya magnet tidak pernah saling berpotongan

2. Garis-garis gaya magnet selalu keluar dari kutub utara (N) dan masuk ke kutub selatan (S) magnet

3. Garis-garis gaya magnet rapat berarti medan magnetnya kuat

4. Garis-garis gaya magnet renggang berarti medan magnetnya melemah

Gambar 2.1 Pola garis-garis gaya magnet

2.1.2 Fluks Magnet

(53)

θ

kutub utara sumber magnet yang menembus bidang datar secara tegak lurus atau

membentuk sudut kemiringan tertentu (θ). Secara matematis fluks magnet

dirumuskan dengan persamaan :

Φ = B A = B . A (2.1)

Dengan :

Φ = Fluks magnetik (Weber) B = Medan magnet (Wb/m2) A = Luas permukaan (m2)

(a) (b)

Gambar 2.2 Arah garis medan magnet; (a) Arah tegak lurus dan (b) Arah yang membentuk sudut θ terhadap permukaan bidang

Apabila garis garis medan magnet tidak tegak lurus dengan bidang datar maka sudut (θ) mempengaruhi besarnya fluks magnet yang dirumuskan dengan persamaan :

Φ = B.A cos (θ) (2.2)

Dengan :

Φ = Fluks magnetik (Weber) B = Medan magnet (Wb/m2) A = Luas permukaan (m2)

θ = Sudut antara garis gaya magnet dengan permukaan bidang (θ0

)

2.1.3 Hukum Faraday Pada Induksi Magnet

(54)

yang memotong kumparan, maka pada ujung kawat tersebut akan timbul arus dan tegangan listrik. Arus dan tegangan pada ujung kawat tersebut disebut sebagai gaya gerak listrik (GGL). Besar kecilnya GGL tergantung dari 3 hal berikut : 1. Banyaknya lilitan kawat atau kumparan

2. Kecepatan magnet dalam menginduksi kumparan 3. Kekuatan magnet yang digunakan

Besarnya gaya gerak listrik (GGL) yang menimbulkan arus listrik sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang melalui kumparan. Secara matematis dapat dirumuskan dengan persamaan :

Ei = - N x

(2.3)

Dengan :

Ei = Gaya gerak listrik induksi (Volt) N = Banyak lilitan kumparan

∆Φ = Perubahan fluks magnet (Weber)

∆t = Perubahan waktu (sekon) 2.2 Kemagnetan

Kemagnetan adalah suatu sifat zat yang teramati sebagai suatu gaya tarik-menarik antara kutub tidak sejenis atau gaya tolak-menolak antara kutub-kutub senama. Gaya magnet tersebut paling kuat di dekat ujung-ujung atau kutub-kutub magnet. Semua magnet memiliki dua kutub magnet yang berlawanan, utara (U) dan selatan (S). Apabila sebuah magnet batang digantung, maka magnet tersebut akan menunjukan kutub selatan bumi pada kutub utara magnet dan menunjukaan kutub utara bumi pada kutub selatan bumi.

(55)

magnet yang sifat kemagnetannya tetap (terjadi dalam waktu yang relatif lama). Sebaliknya, magnet sementara adalah magnet yang sifat kemagnetannya tidak tetap atau sementara.

2.2.1 Macam - Macam Magnet Permanen a. Neodymun Magnets

Magnet neodymium, merupakan magnet tetap yang paling kuat. Magnet neodymium (juga dikenal sebagai NdFeB, NIB, atau magnet Neo), merupakan sejenis magnet tanah jarang, terbuat dari campuran logam neodymium. Tetragonal Nd2Fe14B memiliki struktur kristal yang sangat tinggi uniaksial anisotropi magnetocrystalline (HA ~ 7 tesla ). Senyawa ini memberikan potensi untuk memiliki tinggi koersivitas (yaitu, ketahanan mengalami kerusakan magnetik).

Sinter Nd2Fe14B cenderung rentan terhadap korosi. Secara khusus, korosi sekecil apapun dapat menyebabkan kerusakan magnet sinter. Masalah ini dibahas dalam banyak produk komersial dengan menyediakan lapisan pelindung.

Gambar 2.3 Neodymun magnets

b. Samarium - Cobalt

(56)

yang berkisar dari 16 oersteds megagauss-(MGOe) menjadi 32 MGOe; batas teoretis mereka adalah 34 MGOe. Jenis magnet ini dapat ditemukan di dalam alat-alat elektronik seperti VCD, DVD, VCR Player, Handphone, dan lain-lain.

Gambar 2.4 Samarium – Cobalt magnets

c. Ceramic Magnet

Ferrites adalah senyawa kimia yang terdiri dari keramik bahan dengan besi (III) oksida (Fe2O3) sebagai komponen utama. Bahan ini digunakan untuk membuat magnet permanen, seperti core ferit untuk transformator, dan berbagai aplikasi lain. Ferit keras banyak digunakan dalam komponen elektronik, diantaranya motor-motor DC kecil, pengeras suara (loud speaker), meteran air, KWH-meter, telephone receiver ,circulator , dan rice cooker.

Gambar 2.5 Ceramic magnets d. Plastic Magnet

(57)

penggunaan. Magnet plastik biasanya diproduksi dalam bentuk lembaran strip atau yang banyak digunakan dalam mikro-motor, gasket dan lain-lain. Ferit bahan fleksibel berbasis sering dilaminasi dengan vinil dicetak putih atau berwarna.

Gambar 2.6 Plastic magnets

e. Alnico Magnets

Alinco magnet adalah magnet paduan yang mengandung Alumunium (Al), Nikel (Ni), Cobalt (Co). Karena dari tiga unsur tersebut magnet ini sering disebut Alinco. Sebenarnya magnet alinco ini tidak hanya mengandung ketiga unsur saja melainkan ada beberapa unsur mengandung besi dan tembaga, tetapi kandungan besi dan tembaga tersebut relatif sedikit.

Jenis magnet ini dapat ditemukan di dalam alat-alat motor (kipas angin, speaker, mesin motor). Magnet ini juga sering dijumpai dalam lab sekolahan bahkan dapat ditemukan pada sepatu kuda yang berfungsi untuk meningkatkan daya lari kuda.

(58)

2.2.2 Karakteristik Magnet Permanen

Material magnetik diklasifikasikan menjadi dua yaitu material magnetik lemah atau soft magnetic materials maupun material magnetik kuat atau hard

magnetic materials. Penggolongan ini berdasarkan kekuatan medan koersifnya

dimana soft magnetic atau material magnetik lemah memiliki medan koersif yang lemah sedangkan material magnetik kuat atau hard magnetic materials memiliki medan koersif yang kuat. Hal ini lebih jelas digambarkan dengan diagram histerisis atau hysteresis loop sebagai loop.

Gambar 2.8. Histeresis material magnet; (a) Soft magnetic, (b) hard Magnetic

Diagram histeresis diatas menunjukkan kurva histeresis untuk material magnetic lunak pada gambar (a) dan material magnetik keras pada gambar (b). H adalah medan magnetik yang diperlukan untuk menginduksi medan berkekuatan B dalam material. Setelah medan H ditiadakan, dalam specimen tersisa magnetisme residual Br, yang disebut residual remanen, dan diperlukan medan magnet Hc yang disebut gaya koersif, yang harus diterapkan dalam arah berlawanan untuk meniadakannya. Magnet lunak mudah dimagnetisasi serta mudah pula mengalami demagnetisasi dan diperlukan medan Hc yang kecil untuk menghilangkannya. Magnet keras adalah material yang sulit dimagnetisasi dan sulit di demagnetisasi. Karena hasil kali medan magnet (A/m) dan induksi (V.det/m2) merupakan energi per satuan volume, luas daerah hasil integrasi di dalam loop histerisis adalah sama dengan energi yang diperlukan untuk satu siklus magnetisasi mulai dari 0 sampai +H hingga –H sampai 0. energi yang dibutuhkan magnet lunak dapat dapat

(59)

2.2.3 Perbandingan Magnet Permanen

Magnet permanen merupakan komponen utama untuk menghasilkan medan magnet pada celah udara. Medan magnet inilah yang kemudian akan diinduksikan pada kumparan stator untuk menjadi tegangan listrik. Sebagai penghasil medan magnet utama, medan magnet pada rotor merupakan medan magnet permanen yang kuat. Permanen magnet tidak memiliki kumparan penguat dan tidak menghasilkan desipasi daya elektrik. Pada bahan ferromagnetik, permanen magnet dapat digambarkan oleh B-H hysteresis loop. Permanen magnet juga disebut sebagai hard magnetic material, yang artinya material ferromagnetik yang memiliki hysteresis loop yang lebar. Histeresis loop yang lebar menunjukkan sedikitnya pengaruh induksi dari luar terhadap magnet tersebut (flux residu besar). Ada 3 jenis pembagian material magnet permanen yang biasa digunakan pada mesin elektrik, yaitu :

1. Alnicos (Al, Ni, Co, Fe)

2. Ceramics (ferrites), seperti barium ferrite BaO x 6Fe2O3dan strontium ferrite SrO x 6Fe2O3

3. Rare-earth material, seperti samarium-cobalt SmCo dan neodymium- iron- boron NdFeB.

Kurva demagnetisasi dari ketiga bahan ferimagnetik tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9 Kurva perbandingan karakteristik material magnet permanen

(60)

bila dibandingkan dengan bahan ferimagnetik lainnya. Selain itu, neodymium (Nd) merupakan unsur rare-earth yang sangat melimpah dibandingkan Sm sehingga harga NdFeB saat ini menjadi terjangkau. Oleh karena itu, saat ini bahan ferimagnetik jenis NdFeB lebih banyak digunakan untuk berbagai macam aplikasi.

2.3 Generator Magnet

Generator magnet adalah mesin yang menggunakan magnet atau lilitan induksi magnet untuk mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Prinsip kerja generator berdasarkan pada teori induksi medan elektromagnetik, yaitu apabila magnet digerakkan melewati lilitan kumparan, maka kumparan terinduksi sehingga timbul gaya gerak listrik pada kumparan tersebut.

Secara umum generator magnet terdiri atas dua bagian utama, yaitu stator dan rotor. Stator adalah bagian yang diam, dimana pada bagian ini terdapat lilitan kumparan sebagai tempat tengangan utama akan diinduksikan dan rotor adalah bagian yang berputar dan terhubung dengan penggerak utama (prime mover), pada bagian ini magnet permanen diletakkan.

Berdasarkan arah fluks magnet, generator magnet dibedakan dua jenis, yaitu generator magnet fluks radial dan generator magnet permanen fluks aksial. Generator magnet fluks radial adalah generator yang arah fluks magnetnya menyebar (radial), generator jenis ini ditemukan pada generator konvensional, sedangkan pada generator magnet permanen fluks aksial arah fluks magnetnya memotong kumparan stator secara tegak lurus (aksial).

(a) (b)

(61)

2.3.1 Generator Magnet Fluks Radial

Generator magnet fluks radial merupakan tipe generator yang bentuk rotornya silinder dengan arah fluksnya menyebar dan Generator ini juga sering disebut generator konvensional, apabila generator ini menggunakan magnet permanen sebagai sumber fluks magnet, maka generator ini disebut sebagai generator magnet permanen fluks radial (MPFR).

Generator magnet permanen fluks radial (MPFR) memiliki struktur rotor internal dikarenakan letak rotor yang ada di dalam kumparan stator, magnet permanen terletak dibagian luar lingkaran rotor yang dikopling langsung dengan poros. Fluks magnet yang dihasilkan oleh generator MPFR mengarah secara menyebar (radial) dan tegak lurus terhadap poros (shaff) sehingga fluks-fluks yang dihasilkan akan memotong kumparan stator yang disusun di sisi luar rotor.

Garis-garis medan magnet pada generator MPFR hanya terdapat pada celah diantara rotor dan stator sehingga daya keluaran tidak dapat ditingkatkan, kecuali dengan melapisi sisi stator dengan baja silikon berlapis-lapis. Namun, pelapisan sisi stator dengan baja silikon berlapis ini dapat mengakibatkan penurunan keluaran mesin saat starting dikarenakan adanya gaya tarik-menarik antara magnet dengan lapisan stator. Efisiensi yang dimiliki mesin juga menurun disebabkan karena adanya rugi-rugi inti pada sisi stator.

2.3.2 Generator Magnet Permanen Fluks Aksial

(62)

sikat (brushless alternator).

Generator ini berbeda dengan generator konvensional lainnya yang arah fluksnya secara radial. Generator fluks aksial dapat dibuat dengan ukuran yang jauh lebih kecil dan cocok digunakan pada generator yang daya putarnya rendah, karena generator ini dapat menghasilkan arus listrik hanya dengan putaran rendah. Biasanya generator fluks aksial dimanfaatkan untuk pembangkit listrik tenaga angin dan air.

Beberapa kelebihan dari generator MPFA dibandingkan dengan generator fluks radial antara lain :

1. Memiliki dimensi rotor yang pendek pada sumbu aksialnya, sehingga konstruksi mesin yang lebih pendek dan kompak.

2. Memiliki tingkat efisiensi yang tinggi karena penggunaan magnet permanen, sehingga tidak diperlukan adanya pembangkit (exciter) dan sikat.

3. Memiliki kerapatan daya yang lebih tinggi dengan ukuran yang lebih kecil. 4. Memiliki struktur yang lebih kuat dibandingkan dengan generator fluks radial.

Generator MPFA memungkinkan untuk didesain dalam beberapa variasi struktur, misalnya memodifikasi jumlah dan bentuk kumparan pada statornya, pada bentuk magnet permanen pada rotor, maupun celah udara yang efektif. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan daya dan efisiensi yang dibutuhkan.

Generator ini memiliki dua komponen utama, yaitu stator dan rotor yang menentukan jenis dan karakteristik generator. Stator adalah bagian generator yang tidak bergerak dan berfungsi sebagai tempat meletakkan lilitan kumparan untuk menghasilkan energi listrik pada saat rotor berputar. Rotor adalah bagian generator yang berputar dan berfungsi untuk tempat meletakkan magnet permanen.

2.4 Rotor Generator MPFA

(63)

lunak atau soft-iron. Sedangkan untuk magnet permanen biasanya digunakan adalah NdFeB karena keandalannya yang sangat baik. Terdapat dua cara memasang magnet permanen pada tatakan penyangga untuk generator magnet permanen fluks aksial yaitu magnet permanen surface mounted dan magnet permanen embedded.

Gambar 2.11 Rotor generator MPFA

2.4.1 Magnet Permanen Surface Mounted

Pada tipe magnet permanen surface mounted magnet permanen ditempelkan pada permukaan sisi bagian dalam tatakan. Tipe ini memiliki keuntungan yaitu lebih mudah dalam proses pembuatannya sehingga lebih hemat biaya. Selain itu, magnet permanen yang menempel pada tatakan penyangga dapat bertindak sebagai kipas dengan efek ventilasi pada kumparan stator, dimana bentuk magnet permanen surface mounted diperlihatkan pada Gambar 2.12. Saat rotor berputar berfungsi sebagai sistem pendingin sehingga kerapatan arus pada stator lebih besar dan dapat pula mengurangi demagnetisasi pada magnet permanen tersebut.

(64)

Celah Udara ditanam pada sisi bagian dalam tatakan penyangga, bentuk magnet permanen embedded diperlihatkan pada Gambar 2.13. Dengan konstruksi ini, permukaan rotor bagian dalam tetap rata sehingga celah udara (air gap) terlihat dengan jelas.

Gambar 2.13 Magnet permanen Embedded

2.4.3 Kombinasi Magnet Permanen

Rotor pada generator magnet permanen fluks aksial juga dapat dibedakan berdasarkan kombinasi magnet permanen pada rotornya, yaitu tipe N-N (North-North) dan tipe N-S (North-South). Kombinasi ini hanya dapat terjadi pada generator dengan dua rotor atau lebih. Jika salah satu rotor dipasang magnet tipe N dan pada sisi rotor lain yang berhadapan juga dipasang magnet tipe N, maka dapat dikatakan bahwa rotor tersebut bertipe N-N, sedangkan jika magnet yang dipasang berlawanan, tipe N pada satu sisi dan tipe S pada sisi lain, maka rotor tersebut bertipe N-S. Namun, secara umum tipe N-S memiliki keunggulan karena tipe ini cocok untuk stator tanpa inti besi sehingga dapat mengurangi losses generator dan sekaligus meningkatkan kerapatan daya dan efesiensi generator.

(a) (b)

(65)

2.5 Stator Generator MPFA

Stator adalah bagian yang tidak bergerak pada generator magnet permanen fluks aksial dan sebagai tempat meletakkan kumparan generator yang didesain untuk menghasilkan menerima induksi magnet ketika rotor bergerak. Jumlah kumparan pada stator tergantung banyaknya fasa dan daya yang ingin dihasilkan.

Berdasarkan kontruksi statornya, generator magnet permanen fluks aksial dapat dibagi menjadi beberapa bagian, yaitu bentuk torus, tanpa inti besi dan jumlah gulungan.

2.5.1 Stator Bentuk Torus

Pada stator bentuk torus biasanya digunakan untuk penggerak dengan putaran tinggi. Tipe ini memiliki inti besi ditengahnya yang selanjutnya dililitkan kumparan, agar lebih mengoptimalkan fluks yang mengalir. Stator bentuk torus terdiri dari dua jenis yaitu tipe alur (slote) dan tipe tanpa alur (nonslote).

Pada tipe stator dengan alur, dimana arah alur fluks mengalir melewati celah antara sisi-sisi pada statornya, lihat Gambar 2.15. dengan demikian celah udara yang dilewati oleh fluks ini lebih panjang jika dibandingkan dengan tipe stator dengan tanpa alur. Hal ini akan mempengaruhi dari torsi beban yang ditimbulkan pada generator ini.

Gambar 2.15 Generator fluks aksial tipe slot dan aliran fluks tipe slot

(66)

Gambar 2.16 Generator aksial tipe tanpa slot dan aliran fluks tipe tanpa slot

Pada stator dengan tipe alur biasanya antara kumparan diisi dengan resin yang berfungsi sebagai ketahanan dan menghasilkan transfer panas yang lebih baik. Tidak hanya itu, celah udara antara kumparan digunakan sebagai penghasil torsi

.

2.5.2 Stator Tanpa Inti Besi

Stator tanpa inti besi digunakan pada putaran rendah dan torsi beban rendah. Tipe ini memiliki keunggulan dapat meminilisirkan rugi yang terjadi karena efek

coging torque, efek tarik-menarik antara inti besi dan magnet permanen pada

generator aksial.

Pada stator tanpa inti besi susunan kumparannya ada dua macam, ada yang tersusun secara overlapping dan non-overlopping. Stator yang susunannya secara

overlopping susunannya saling tumpang tindih dengan kumparan yang lainnya.

Sedangkan susunan secara non-overlopping susunannya berada tepat disamping dan berhimpitan dengan kumparan lainnya.

2.5.3 Celah Udara (Air Gap)

(67)

N

tergantung banyaknya stator atau rotor yang digunakan pada generator tersebut tentunya berbeda dengan celah udara pada generator radial.

Gambar 2.17 Celah udara (air gap) pada generator MPFA

2.6 Prinsip Kerja Generator MPFA

Pada dasarnya, prinsip kerja generator magnet permanen fluks aksial tidak jauh berbeda dengan generator konvensional pada umumnya yaitu rotor generator berfungsi sebagai penghasil medan magnet utama dan bagian stator berfungsi untuk menerima induksi magnet yang berubah-rubah ketika rotor bergerak sehingga kumparan pada stator timbul gaya gerak listrik (GGL) yang sesuai dengan prinsip induksi elektromagnetik.

(68)

Setelah itu, rotor diputar menggunakan penggerak utama (prime mover) yang terhubung pada poros generator (shaft) sehingga fluks magnet pada rotor akan memotong lilitan kumparan. Perpotongan fluks magnet yang melewati kumparan pada stator memenuhi persamaan (2.2), yaitu :

Φ = B.A cos (θ)

Dengan :

Φ = Fluks magnet pada kumparan (Weber) B = Rapat fluks magnet pada rotor (Wb/m2)

A = Luas permukaan bidang penampang kumparan stator (m2)

θ = Sudut antara garis gaya magnet dengan permukaan bidang (θ0

)

Perputaran rotor pada generator juga menyebabkan terjadi perubahan nilai frekuensi yang dihasilkan, dimana semakin cepat putaran rotor maka frekuensi yang dihasilkan semakin besar. Untuk generator MPFA yang menggunakan 6 buah magnet pada rotor dan 6 buah kumparan pada stator, hubungan antara kecepatan putaran rotor dengan frekuensi dirumuskan dengan persamaan :

f = n

(2.3)

Dengan :

f = frekuensi (Hz)

n = kecepatan medan putar rotor (rpm) P = jumlah kutub pada rotor

2.7 Persamaan yang Digunakan pada Generator MPFA

Dalam perancangan desain generator magnet permanen fluks aksial ini menggunakan persamaan – persamaan yang dapat digunakan untuk mendapatkan nilai keluaran berupa tegangan yang diinginkan. Persamaan tersebut diuraikan seperti dibawah ini.

2.7.1 Persamaan Fluks pada Permukaan Stator

(69)

rin

ro

τf

menghitung besar medan magnet yang melewati kumparan pada stator digunakan persamaan :

Bmax = Br x lm

m

(2.4)

Dengan :

Bmaks = Kuat medan magnet yang melewati kumparan (T) Br = Remanasi magnet (T)

lm = Lebar magnet (m) = Lebar celah udara (m)

Selain kuat medan magnet bahan magnet yang mempengaruhi fluks magnet yang melewati kumparan, luasan magnet juga mempegaruhi fluks magnet yang melewati kumparan. Persamaan luas magnet yang digunakan pada perancangan dirumuskan dengan persamaan :

Amagnet = (ro- rin)- τf (ro- rin)

(2.5)

Dengan :

Amagnet = Luasan magnet (m2) ro = Radius luar magnet (m) rin = Radius dalam magnet (m) P = Jumlah kutub magnet

τf = Jarak antara kutub magnet (m)