commit to user
Reduksi Cogging Torque Pada Motor Brushless DC Inner Rotor
Buried Permanent Magnet
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh :
ADITYA MUHAMMAD NUR NIM. I 0408022
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2014
commit to user iii
commit to user iv
PERSEMBAHAN
Dengan segala kerendahan hati seraya mengucapkan syukur kehadirat Illahi, kupersembahkan tulisan ini kepada :
1. Allah SWT, pemilik segala keagungan, kemuliaan, kekuatan dan keperkasaan. Segala yang kualami adalah kehendak-Mu, semua yang kuhadapi adalah kemauan-Mu, segala puji hanya bagi-Mu, ya Allah, pengatur alam semesta, tempat bergantung segala sesuatu, tempatku memohon pertolongan.
2. Junjungan Nabi besar Muhammad SAW, Manusia terbaik di muka bumi, uswatunhasanah, penyempurna akhlak, shollawat serta salam semoga selalu tercurah padanya, keluarga, sahabat dan pengikutnya yang istiqomah sampai akhir zaman.
3. Kasih sayang dan cinta yang tak pernah putus dari Bapak, Ibu, dan semua keluarga tercinta. Kasih sayang kalian tak akan pernah kulupakan sepanjang hidupku.
4. Profesor Muhammad Nizam dan Bapak Sukmaji Indro Cahyono ST, M.Eng yang bersedia membimbing saya dalam menyelesaikan tugas akhir. 5. Seluruh dosen, karyawan, dan mahasiswa Teknik Mesin UNS.
commit to user v
Reduksi Cogging torque Pada Motor Brushless DC Inner Rotor Buried Permanent
Magnet
Aditya Muhammad Nur
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia
E-mail : adityam_n@hotmail.com
ABSTRAK
Penelitian ini menyelidiki reduksi cogging torque pada motor BLDC dengan rotor dalam dan permanen magnet dalam menggunakan metode yang digunakan pada motor BLDC dengan rotor luar dan permanen magnet luar. Metode reduksi berupa puntiran (skewing), bukaan slot (slot opening), dan rasio busur kutub (pole arc coefficient) diterapkan pada motor. Motor yang dianalisa memiliki spesifikasi 36 slot dan 12 kutub. Pembuatan model elemen hingga, karakteristik elektromagnetik dan efek cogging torque dibuat dan dianalisa menggunakan program ANSYS MAXWELL. Grafik cogging torque akan digunakan untuk mengukur perubahan cogging torque pada setiap variasi. Hasil simulasi menunjukkan, ketiga metode diatas berhasil menurunkan efek cogging torque pada motor BLDC dengan rotor dalam dan permanen magnet dalam hingga mencapai 100% pada variasi puntiran. Optimasi diperoleh dengan mengkombinsaikan puntiran sebesar 0.3 stator pitch dan bukaan slot 2mm.
Kata Kunci : Motor brushless DC permanent magnet, cogging torque, puntiran, bukaan mulut slot, koefisien busur kutub
commit to user vi
Cogging Torque Reduction on Inner Rotor Buried Permanent Magnet Brushless DC Motor
Aditya Muhammad Nur
Departement of Mechanical Engineering Engineering Faculty of Sebelas Maret University
Surakarta, Indonesia E-mail : adityam_n@hotmail.com
ABSTRACT
This study investigated the reduction of cogging torque in a inner rotor buried permanent magnet BLDC motor with method used in the BLDC motor with outer rotor surface permanent magnet. Reduction methods such as skewing, slot opening, and pole arc coefficient was applied to the motor. specifications of analyzed motor are 36 slots and 12 poles. Finite element modeling, electromagnetic characteristics and effects of cogging torque was created and analyzed using program ANSYS MAXWELL. Cogging torque curves was used to measure changes in each variation of the cogging torque. Simulation results show that the above three methods succeeded in reducing the effects of cogging torque on the inner rotor buried permanent magnet BLDC motor to 100% with skewing. Optimization was obtained by combining skewing of 0.3 stator slot pitch and 2mm slot opening.
Keywords-Brushless DC permanent magnet motors, cogging torque, skewing, slot mouth opening
commit to user vii
KATA PENGANTAR
Puji syukur alhamdulillah penulis haturkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan Skripsi “Reduksi Cogging Torque Pada Motor Permanent Magnet Brushless DC Dengan Rotor Dalam dan Magnet Dalam” ini dengan baik.
Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Dalam Penyelesaian Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada :
1. Profesor Muhammad Nizam, selaku Pembimbing I atas bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini.
2. Bapak Sukmaji Indro Cahyono, ST, M.Eng, selaku Pembimbing II yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.
3. Bapak Didik Djoko Susilo, ST, MT, dan Bapak Purwadi Joko Widodo, ST, M.Kom selaku dosen penguji tugas akhir saya yang telah memberi saran yang membangun. 4. Dr. Triyono, ST, MT, selaku Pembimbing Akademis yang telah menggantikan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas Sebelas Maret ini.
5. Bapak Wahyu Purwo Raharjo, ST. MT, selaku koordinator Tugas Akhir
6. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1.
7. Ayah, Ibu, dan seluruh keluarga yang telah memberikan do’a restu, motivasi, dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir.
8. Teman-teman teknik mesin angkatan 2008 beserta kakak dan adik angkatan di teknik mesin UNS.
commit to user viii
9. Semua pihak yang telah membantu dalam melaksanakan dan menyusun laporan Tugas Akhir ini yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu.
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak untuk memperbaiki dan menyempurnakan skripsi ini.
Akhir kata, penulis berharap, semoga skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya.
Surakarta, April 2014
commit to user ix DAFTAR ISI
Halaman
Halaman Judul ... i
Halaman Surat Penugasan ... ii
Halaman Pengesahan ... iii
Halaman Persembahan ... iv
Abstrak ... v
Kata Pengantar ………... ... vii
Daftar Isi ... ix
Daftar Gambar ... xi
Daftar Tabel ... xiii
Daftar Notasi ... xiv
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang Masalah ... 1
1.2. Perumusan Masalah ... 2
1.3. Tujuan Penelitian ... 2
1.4. Batasan Masalah ... 2
1.5. Manfaat Penelitian………. ... 3
BAB II DASAR TEORI ... 4
2.1.Penelitian Terdahulu ... 4
2.2.Motor Brushless DC Magnet Permanen (BLDC-PM) ... 5
2.3. Desain Motor ... 7
2.4. Riak Torsi (Torque Ripple) ... 9
2.5. Cogging Torque ... 10
2.6. Analisa Cogging torque ... 11
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 14
3.1. Lokasi Penelitian ... 15
3.2. Alat Penelitian ... 14
3.3.Prosedur Penelitian ... 14
commit to user x
3.5. Diagram Alir Penelitian ... 20
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN……….. ... 21
4.1. Pembuatan Model Elemen Hingga ... 21
4.2. Operasi Mesh ... 22
4.3. Karakteristik Elektromagnetik ... 23
4.4. Reduksi Cogging Torque ... 25
4.4.1 Penerapan Puntiran (Skewing) ... 25
4.4.2 Penerapan Variasi Bukaan Slot (Slot Opening Width) ... 28
4.4.3 Penerapan Koefisien Busur Kutub (Pole Arc Coefficient) 30
4.4.4 Metode Optimasi... 33 BAB V PENUTUP ... 37 5.1. Kesimpulan ... 37 5.2. Saran ... 38 DAFTAR PUSTAKA ... 39 LAMPIRAN……….. . 40
commit to user xi
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Tipe motor berdasarkan posisi rotor ... 6
Gambar 2.2 Geometri stator secara umum ... 6
Gambar 2.3 Perbedaan antara sudut mekanis dan sudut elektris ... 7
Gambar 2.4 Contoh bentuk stator dan properti geometri ... 8
Gambar 2.5 Core tanpa puntiran dan core dengan puntiran ... 9
Gambar 2.6 Contoh geometri kutub stator ……….. ... 9
Gambar 2.7 Grafik fenomena torque ripple ... 10
Gambar 3.1 Visualisasi properti rotor ... 16
Gambar 3.2 Visualisasi properti slot ... 16
Gambar 3.3 Visualisasi properti rotor ... 17
Gambar 3.4 Visualisasi properti kutub ……….. ... 17
Gambar 3.5 Diagram alir penelitian ……….. ... 19
Gambar 4.1 Validasi properti ... 21
Gambar 4.2a Model visualisasi properti ... 21
Gambar 4.2b Model 2-D elemen hingga ……… .... 21
Gambar 4.3 Set up pembuatan model elemen hingga ... 22
Gambar 4.4 Model dengan operasi mesh ... 22
Gambar 4.5a Set up Length_Coil ... 23
Gambar 4.5b Set up Length_Mag ... 23
Gambar 4.5c Set up Length_Main ... 23
Gambar 4.6 Set up boundary ... 24
Gambar 4.7 Distribusi garis magnetik ... 24
Gambar 4.8 Set up simulasi cogging torque ... 25
Gambar 4.9 Efek cogging torque pada berbagai kondisi puntiran ... 26
Gambar 4.10 Grafik cogging torque variasi puntiran (skew) penelitian Chen et al ... 28
commit to user xii
Gambar 4.12 Grafik cogging torque variasi bukaan slot penelitian Chen et al
... 30
Gambar 4.13 Efek cogging torque pada berbagai koefisien busur kutub .... 31
Gambar 4.14 Grafik cogging torque variasi koefisien busur kutub penelitian Chen et al ... 32
Gambar 4.15 Grafik optimasi metode reduksi 1 ... 33
Gambar 4.16 Grafik optimasi metode reduksi 2 ... 35
commit to user xiii
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 3.1 Properti umum motor (Gundugdu & Kumorgoz) ... 15
Tabel 3.2 Properti stator (Gundugdu & Kumorgoz) ... 16
Tabel 3.3 Properti slot (Gundugdu & Kumorgoz) ... 17
Tabel 3.4 Properti rotor (Gundugdu & Kumorgoz) ... 18
Tabel 3.5 Properti kutub (Gundugdu & Kumorgoz) ... 17
Tabel 3.6 Jenis variasi (Chen et al) ... 18
Tabel 4.1 Penurunan cogging torque variasi puntiran ... 27
Tabel 4.2 Penurunan cogging torque variasi puntiran penelitian Chen et al ... 27
Tabel 4.3 Penurunan cogging torque variasi Slot Opening Width……. ... 29
Tabel 4.4 Penurunan cogging torque variasi bukaan slot penelitian Chen et al ... 30
Tabel 4.5 Penurunan cogging torque variasi Pole Arc Coefficient ... 31
Tabel 4.6 Efektifitas metode optimasi 1 ... 34
Tabel 4.7 Efektifitas metode optimasi 2 ... 35
commit to user xiv
DAFTAR NOTASI
Trip = Riak torsi (N.m)
Tmin = Torsi Minimum (N.m)
Tmax = Torsi Maksimum (N.m)
W = Energi dalam magnetik (J/m3)
α = Sudut putar ( °)
Wgap = Energi magnetik jeda udara (J/m3)
Wpm = Energi magnetik permanen magnet (J/m3)
B = Kepadatan fluks magnetik (Wb/m2)
Br = Fluks magnetik residu (Wb/m2)
h(θ) = Panjang magnetisasi arah radial (A/mf)
g(θ,α) = Distribusi jeda udara efektif arah radial -
rm = Diameter dalam stator (mm)
rout = Diameter luar armature (mm)
m = Jumlah slot -
Nl = Angka puntiran (stator pitch)
P = Jumlah pasangan kutub -
n = Bilangan integer -
