Pembuatan dan Uji Kelistrikan Generator Magnet Permanen Fluks Aksial

(1)

PEMBUATAN DAN UJI KELISTRIKAN GENERATOR

MAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL

SKRIPSI

KARYAMAN HARTO ZEBUA 120801038

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

(2)

PEMBUATAN DAN UJI KELISTRIKAN GENERATOR

MAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL

SKRIPSI

Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains

KARYAMAN HARTO ZEBUA 120801038

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

(3)

PERSETUJUAN

Judul : Pembuatan dan Uji Kelistrikan Generator

Magnet Permanen Fluks Aksial

Kategori : Skripsi

Nama : Karyaman Harto Zebua

Nomor Induk Mahasiswa : 120801038

Program studi : Sarjana (S1) Fisika

Departemen : Fisika

Fakultas : Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sumatera Utara

(4)

PERNYATAAN

PEMBUATAN DAN UJI KELISTRIKAN GENERATOR MAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL

SKRIPSI

Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil karya sendiri. Kecuali beberapa

kutipan dan ringkasan yang masing – masing disebutkan sumbernya.

Medan, Mei 2016

KARYAMAN HARTO ZEBUA

(5)

PEMBUATAN DAN UJI KELISTRIKAN GENERATOR MAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL

ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian pembuatan dan uji kelistrikan generator magnet

permanen fluks aksial AC 1 fasa menggunakan magnet NdFeB. Generator

dirancang bertipe stator dan rotor tunggal. Pengujian dilakuan dengan cara

membandingan tiga jenis rotor dengan dimensi dan jumlah magnet yang berbeda.

Pengujian dilakukan dalam dua tahap yaitu pengujian tanpa beban dan penggujian

berbeban lampu AC 5W/220V pada kecepatan 200 rpm – 320 rpm dengan interval

10 rpm. Hasil pengujian tegangan keluaran tertinggi pada kecepatan 320 rpm

adalah 142.6 Volt tanpa beban dengan frekuensi 32.08 Hz dan 124.0 Volt

menggunakan beban dengan frekuensi 32.04 Hz.

Kata kunci : generator MPFA, jarak celah , distribusi fluks magnet, dan

(6)

MANUFACTUR AND ELECTRICAL TEST OF AXIAL FLUXS PERMANENT MAGNETIC GENERATOR

ABSTRACT

Had made reseach manufactur and electrical test of axial fluxs permanent

magnetic generator 1 phase using NdFeB (Neodymiun-Iron-Boron) magnetic.

Types of generator designed is single stator and single rotor. The testing do with

method compared to three type of rotor with dimensions and sum of rotor which

different. The testing do in two phase that is testing no load and testing load lamp

AC 5W/220V at rotation 200 rpm – 320 rpm with interval 10 rpm. The result

maximum output voltage at rotation 320 rpm is 142,6 Volt without load with

output frequency 32,08 Hz and 124.0 Volt using load lamp AC 5W/220V with

output frequency 32.04 Hz.

Key word : generator of AFPM, air gap, the distribustion of magnetic flux, and

(7)

PENGHARGAAN

Puji dan syukur saya panjatkan kepada Yesus Kristus atas berkat dan kasih

setianya yang selalu menyertai dan memberi kemudahan sehingga saya dapat

menyelesaikan skripsi ini.

Tugas akhir ini merupakan salah satu proses untuk memperoleh gelar

sarjana pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas

Sumatera Utara Medan. Untuk memenuhi persyaratan tersebut diatas saya

mengerjakan tugas akhir dengan judul : “PEMBUATAN DAN UJI KELISTRIKAN GENERATOR MAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL”, yang dilaksanakan di laboratorium Magnet P2F LIPI Serpong Tangerang Selatan

sesuai dengan waktu yang ditetapkan.

Penulis menyadari bahwa selama proses sampai terselesaikannya

penyusunan skripsi ini banyak sekali bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak.

Dengan segala kerendahan hati, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih

dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Dr. Kerista Sebayang, MS. sebagai Dekan, dan Pembantu Dekan

FMIPA USU.

2. Bapak Dr. Marhaposan Situmorang selaku Ketua Departemen Fisika, dan

Drs.Syahrul Humaidi, M.Sc selaku Sekretaris Departemen Fisika FMIPA USU,

Kak Tini, Bang Jo dan Kak Yuspa selaku staf Departemen Fisika, seluruh

dosen, staf dan pegawai Departemen Fisika FMIPA USU yang telah membantu

dan membimbing dalam menimba ilmu dan menyelesaikan skripsi ini.

3. Bapak Dr. Marhaphosan Situmorang, Bapak Dr. Ing. Priyo Sardjono M.Sc. dan

Bapak Ir. Muljadi, M.Si. selaku Dosen pembimbing penulis yang telah

meluangkan waktu untuk membimbing, mengarahkan dalam melaksanakan

penelitian hingga penyelesaian penulisan skripsi ini, serta kepada Ibu Dr.

Nenen Rusneni, M.T, Bapak Prof. Dr. Masno Ginting M.Sc dan Bapak Prof.

Drs. Pardamean Sebayang M.Sc, yang telah banyak memberikan banyak

(8)

4. Bapak Ahmad yang telah membantu saya membuat kerangka desain generator

hingga selesai dan kepada Bang Anggi yang selalu memberi masukan dan

saran serta dorongan motivasi selama saya berada di ruangan Workshop.

5. Keluarga Besar P2F LIPI: Bapak Dr.Bambang Widyatmoko, M.Eng, selaku

kepala Laboratorium Pusat Penelitian Fisika P2F-LIPI Serpong. Ibu Ani,

Bapak Lukman Faris, Bapak satpam dan seluruh staff LIPI yang telah

membantu selama melakukan penelitian di P2F LIPI.

6. Yang terkhusus kepada saudara – saudara saya yang ada di kampung maupun

yang lagi kuliah, yang selalu mendoakan saya dan yang selalu memberikan

dukungan dana, sehingga saya bisa menyelesaikan Skripsi saya.

7. Terkhususnya buat teman saya Tania, Melpa, dan Elisabet yang selalu

membantu kami memasak makan dan teman yang selalu ada waktu di ajak

bercanda selama melakukan penelitian di Fisika LIPI.

8. Kepada teman – teman seperjuangan di ruangan magnetizer (Mareanus, Taufik,

Firman, Indah, Hanifah, dan Devi) yang selalu memberikan saya dorongan

motivasi.

9. Kepada teman – teman saya Fisika 2012 yang selalu memberikan dukungan

dan memdoakan saya sehingga saya bisa menyelesaikan skripsi ini tepat waktu.

Penulis menyadari bahwa penulisan ini masih jauh dari kesempurnaan.

Maka dari itu, penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun

untuk memyempurnakan skripsi ini. Semoga dapat bermanfaat bagi penulis dan

pembaca.

Medan, Mei 2016

(9)

DAFTAR ISI

1.3 Tujuan Penelitian 2

1.4 Manfaat Penelitian 2

1.5 Batasan Masalah 2

1.6 Sistematika Penulisan 2

BAB 2 TINJAUAN TEORI

2.1 Prinsip Dasar Induksi Magnet 5

2.1.1 Medan Magnet 5

2.1.2 Fluks Magnet 5

2.1.3 Hukum Faraday pada Induksi Magnet 6

2.2 Kemagnetan 7

2.2.1 Macam – Macam Magnet Permanen 8

2.2.2 Karakteristik Magnet Permanen 11

(10)

2.3.1 Generator Magnet Permanen Fluks Radial 14

2.3.2 Generator Magnet Permanen Fluks Aksial 14

2.4 Rotor Generator MPFA 15

2.4.1 Magnet Permanen Surface Mounted 16

2.4.2 Magnet Permanen Embedded 17

2.4.3 Kombinasi Magnet Permanen 17

2.5 Stator Generator MPFA 18

2.5.1 Stator Bentuk Torus 18

2.5.2 Stator Tanpa Inti 19

2.5.3 Celah Udara (Air Gap) 19

2.6 Prinsip Kerja Generator MPFA 20

2.7 Persamaan yang Digunakan pada Generator MPFA 21

2.7.1 Persamaan Fluks pada Permukaan Stator 21

2.7.2 Persamaan Tegangan Induksi pada Generator MPFA 23

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian 25

3.2 Bahan dan Peralatan Penelitian 25

3.2.1 Bahan 25

3.2.2 Peralatan 25

3.3 Diagram Alir Penelitian 27

3.4 Desain Model Generator MPFA 28

3.4.1 Perancangan Stator Generator MPFA 29

3.4.2 Perancangan Rotor Generator MPFA 30

3.4.3 Celah Udara (Air Gap) 32

3.5 Pengujian Generator MPFA 32

3.5.1 Pengujian Generator MPFA Tanpa Beban 33

3.5.2 Pengujian Generator MPFA Berbeban 33

3.5.3 Rangkaian Listrik Pengujian Generator MPFA 34

(11)

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil Spesifikasi Generator MPFA 36

4.1.1 Hasil Spesifikasi Stator Generator MPFA 36

4.1.2 Hasil Spesifikasi Rotor Generator MPFA 37

4.2 Data Hasil Pengukuran kerapatan Fluks Magnet yang Digunakan 41

4.3 Data Hasil Pengujian Generator MPFA 43

4.3.1 Data Hasil Pengujian Rotor Magnet Berukuran 3 cm x 6.5 cm 44

4.3.2 Data Hasil Pengujian Rotor Magnet Berukuran 4 cm x 5 cm 48

4.3.3 Data Hasil Pengujian Rotor Magnet Berukuran 5 cm x 12 cm 52

4.4 Analisa Gelombang Sinusoidal Tegangan Keluaran Generator

MPFA pada Osiloskop 56

4.4.1 Gelombang Sinusoidal Tegangan Keluaran Magnet Berukuran

3 cm x 6.5 cm 56

4 cm x 5 cm 57

5 cm x 12 cm 58

4.5 Analisa Perbandingan Hasil Pengujian Keluaran Generator MPFA 59

4.6 Analisa Perbandingan Hasil Pengujian dengan Hasil Simulasi 63

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan 65

5.2 Saran 65

(12)

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 3.1 Spesifikasi desain stator generator MPFA 29

Tabel 3.2 Spesifikasi desain rotor generator MPFA 30

Tabel 4.1 Data distribusi kerapatan fluks magnet NdFeB 42

Tabel 4.2 Data hasil pengujian rotor magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm 44

Tabel 4.3 Data hasil pengujian rotor magnet berukuran 4 cm x 5 cm 48

(13)

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Pola garis – garis gaya magnet 5

Gambar 2.2 Arah garis medan magnet; (a) arah tegak lurus dan (b) arah yang membentuk sudut θ terhadap permukaan bidang 6

Gambar 2.3 Neodymun magnets 8

Gambar 2.4 Samarium- Cobalt magnets 9

Gambar 2.5 Ceramic magnets 9

Gambar 2.6 Plastic magnets 10

Gambar 2.7 Alnico magnets 10

Gambar 2.8 Karakteristik magnet permanen 11

Gambar 2.9 Kurva perbandingan karakteristik material magnet permanen 12

Gambar 2.10 Arah fluks magnet pada generator; (a) Aagnet fluks radial dan

(b) Magnet permanen fluks aksial 13

Gambar 2.11 Rotor generator MPFA 16

Gambar 2.12 Magnet permanen Surface Mounted 16

Gambar 2.13 Magnet permanen Embedded 17

Gambar 2.14 Magnet permanen; (a) Tipe N-N dan (b) Tipe N-S 17

Gambar 2.15 Generator fluks aksial tipe slot dan aliran fluks tipe slot 18

Gambar 2.16 Generator aksial tipe tanpa slot dan aliran fluks tipe tanpa slot 19

Gambar 2.17 Celah udara (air gap) pada generator MPFA 20

Gambar 2.18 Luas bidang magnet pada rotor 22

Gambar 3.1 Model generator magnet permanen 28

Gambar 3.2 Bentuk stator generator MPFA 30

Gambar 3.3 Letak magnet ukuran 3 cm x 6.5 cm pada rotor generator MPFA 31

Gambar 3.4 Letak magnet ukuran 4 cm x 5 cm pada rotor generator MPFA 31

Gambar 3.5 Letak magnet ukuran 5 cm x 12 cm pada rotor generator MPFA 32

Gambar 3.6 Pengujian generator MPFA 34

(14)

Gambar 4.1 Spesifikasi kumparangenerator MPFA 36

Gambar 4.2 Spesifikasi rotor generator MPFA 37

Gambar 4.3 Spesifikasi rotor magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm 37

Gambar 4.4 Spesifikasi rotor magnet berukuran 4 cm x 5 cm 39

Gambar 4.5 Spesifikasi rotor magnet berukuran 5 cm x 12 cm 40

Gambar 4.6 Grafik distribusi kerapatan fluks magnet NdFeB 43

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 45

Gambar 4.8 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap tegangan

keluaran generator MPFA saat tanpa beban dengan

berbeban menggunakan magnet NdFeB berukuran 3 cm x 6.5 cm 45

Gambar 4.9 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap arus

Keluaran Generator MPFA dengan beban lampu AC

5W/220V mengunakan magnet NdFeB berukuran 3 cm x 6.5 cm 46

Gambar 4.10 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap daya

keluaran generator MPFA dengan beban lampu AC

5W/220V mengunakan magnet NdFeB berukuran 3 cm x 6.5 cm 46

berbeban menggunakan magnet NdFeB berukuran 4 cm x 5 cm 49

keluaran Generator MPFA dengan beban lampu AC

5W/220V mengunakan magnet NdFeB berukuran 4 cm x 5 cm 50

Keluaran generator MPFA dengan beban lampu AC

(15)

Keluaran Generator MPFA dengan beban lampu AC

Keluaran generator MPFA dengan beban lampu AC

Gambar 4.19 Gelombang sinusoidal pengukuran tegangan keluaran pada

kecepatan putaran rotor 320 rpm menggunakan magnet

NdFeB berukuran 3 cm x 6.5 cm dengan pengaturan Volt/Div

20.0 V dan Time/Div 10.0 ms 56

NdFeB berukuran 4 cm x 5 cm dengan pengaturan Volt/Div

NdFeB berukuran 5 cm x 12 cm dengan pengaturan Volt/Div

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 59

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 12 cm 60

Gambar 4.24 Grafik perbandingan kecepatan putaran rotor dengan arus

(16)

dan 5 cm x 12 cm 60

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 61

Gambar 4.26 Grafik perbandingan Tegangan Output Generator MPFA

terhadap kecepatan putaran rotor dengan hasil simulasi dan

(17)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Gambar Tabel Hasil Simulasi

Lampiran 2 Gambar Gelombang Sinusoidal Pada Kecepatan Putaran

320 rpm