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
θ
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
Menurut Hukum Faraday apabila sebuah magnet digerakkan keluar masuk disekitar kumparan atau lilitan kawat sehingga terjadi perubahan fluks magnet
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.
Kata magnet berasal dari Magnesia, nama suatu kota di kawasan Asia. Di kota inilah orang-orang Yunani sekitar tahun 600 SM menemukan sifat magnetik dari mineral magnetik. Magnet dapat dibuat dari bahan besi, baja, dan campuran logam lainnya. Hingga saat ini, magnet banyak dimanfaatkan untuk perangkat elektronik, seperti bel listrik, telepon, dan mikrofon. Berdasarkan asalnya, magnet dibagi menjadi dua kelompok, yaitu magnet alam dan magnet buatan. Magnet alam adalah magnet yang ditemukan di alam, sedangkan magnet buatan adalah magnet yang sengaja dibuat oleh manusia. Magnet buatan selanjutnya terbagi lagi menjadi magnet tetap (permanen) dan magnet sementara. Magnet tetap adalah
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
Magnet Samarium-Cobalt adalah salah satu dari dua jenis magnet bumi yang langka, merupakan magnet permanen yang kuat yang terbuat dari paduan samarium dan kobalt. Mereka dikembangkan pada awal tahun 1970. Mereka umumnya-terkuat kedua jenis magnet dibuat, kurang kuat dari magnet neodymium , tetapi memiliki peringkat temperatur yang lebih tinggi dan lebih tinggi koersivitas. Mereka rapuh, dan rawan terhadap retak dan chipping. Samarium-kobalt magnet memiliki produk-produk energi maksimum (BH max)
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
Fleksibel (Karet) magnet dibuat dengan mencampur ferit atau bubuk Neodymium magnet dan pengikat karet sintetis atau alami. Fleksibel (Karet) magnet dibuat dengan menggulung atau metode ekstrusi. Magnet plastik dibuat karena keuntungan dari magnet ini fleksibilitas, biaya rendah, dan kemudahan dalam
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.
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 diabaikan; medan magnet keras memerlukan energi lebih banyak sehingga pada kondisi-ruang, demagnetisasi dapat diabaikan.
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
Dari kurva terdebut dapat terlihat bahwa neodymium-iron-boron (NdFeB) merupakan bahan paling baik. NdFeB mempunyai densitas fluks yang lebih besar
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)
Gambar 2.10 Arah fluks magnet pada generator; (a) Magnet fluks radial dan (b) Magnet permanen fluks aksial
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
Generator magnet permanen fluks aksial (MPFA) adalah suatu mesin yang dapat mengkonversikan energi mekanik menjadi energi listrik yang menghasilkan arus bolak-balik (AC), generator terdiri dari rotor dan stator dengan memiliki arah aliran fluks yang memotong stator secara aksial. Generator MPFA merupakan salah satu tipe alternatif selain generator magnet fluks radial. Generator jenis ini memiliki konstruksi yang kompak, berbentuk piringan, dan kerapatan daya yang besar. Pada mesin listrik berjenis fluks aksial digunakan magnet permanen sebagai sumber utama penghasil fluks magnet. Penggunaan magnet permanen pada mesin listrik ini dapat menghasilkan fluks magnet pada celah udara tanpa perlu eksitasi, dan tanpa disipasi daya listrik. Untuk generator magnet permanen digunakan sistem penguatan sendiri. Sistem penguatan ini digunakan pada generator tanpa
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
Rotor pada generator magnet permanen fluks aksial (MPFA) terdiri dari dua komponen utama yakni magnet permanen dan tatakan penyangga yang berupa piringan, pada tatakan penyangga dipilih bahan yang keras dan kokoh, ini berfungsi untuk mempertahankan lebar celah udara antara kutub magnet permanen konstan. Pada umumnya tatakan penyangga ini terbuat dari inti besi
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.
Celah Udara Celah Udara N N S S Celah Udara Celah Udara N N S S 2.4.2 Magnet Permanen Embedded
Pada tipe ini, magnet permanen tidak hanya ditempelkan tapi juga dapat 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)
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
Pada stator tipe nonslote memiliki bentuk stator yang kumparan lebar dengan kumparan celah udara AC fasa banyak yang dibungkus oleh inti stator yang dihubungkan secara back-to-back, Gambar 2.16.
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)
Celah udara pada generator merupakan tempat berpindahnya fluks magnet pada magnet permanen dan menginduksikan ke kumparan stator. Pada celah udara ini terjadi mekanisme perpindahan atau konversi energi dari mekanik menjadi listrik. Besar atau lebarnya celah udara ini mempengaruhi penginduksian ke kumparan stator. Pada generator fluks aksial celah udara bisa saja lebih dari satu
N S Stator Rotor Shaft Celah Udara Magnet Permanen
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.
Perbedaan mendasar yang membedakan generator konvensional dan generator magnet permanen fluks aksial adalah pada rotor generator terdapat lilitan kumparan yang dililitkan pada lempengan, lilitan kumparan ini yang menjadi sumber utama medan magnet pada generator dengan cara memberikan catu daya pada lilitan kumpara sehingga kumparan menghasilkan medan magnet. Sedangkan pada generator magnet permanen fluks aksial, rotor generator terdiri dari magnet permanen yang memiliki besar medan magnet tetap tanpa harus diberi catu daya dari luar. Besarnya medan magnet pada rotor tergantung dari jenis magnet yang digunakan, semakin besar medan magnet yang digunakan pada rotor, maka fluks magnet yang melewati kumparan semakin besar. Contoh dengan menggunakan magnet NdFeB yang medan magnet lebih kuat dibandingkan jenis magnet lainnya.
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
Semakin kuat medan magnet suatu bahan magnet yang digunakan pada perancangan desain generator, maka besar fluks magnet yang melewati lilitan kumparan pada stator juga semakin besar, besarnya kuat medan magnet suatu bahan magnet dapat diukur menggunakan alat ukur Gaussmeter. Untuk
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)
Sedangkan untuk menghitung besar fluks magnet yang melewati kumparan dirumuskan dengan persamaan ;
Φmaks = Amagnet x Bmax (2.6)
Dengan :
Φmaks = Fluks maksimum yang melewati kumparan (T/m2
) Amagnet = Luasan magnet (m2)
Bmaks = Kuat medan magnet yang melewati kumparan (T)
2.7.2 Persamaan Tegangan Induksi pada Generator MPFA
Besar gaya gerak listrik yang dibangkitkan suatu konduktor dirumuskan dengan persamaan :
e = B x l x v (2.7)
Misalkan konduktor tersebut ada dalam medan fluks, dimana fluks rata-rata perkutub B pada kecepatan n putaran per menit, sehingga B dapat dituliskan :
B = Φ A
= Φ
r
(2.8)
Pada n putaran per menit, kecepatan konduktor adalah :
v = r n
(2.9)
Dengan mengsubtitusikan persamaan (2.8) dan persamaan (2.9) ke persamaan (2.7), diperoleh :
e = Φ n
(2.10)
Jika persamaan (2.3) disuntitusikan kepersamaan (2.10), maka diperoleh :
e = Φ f (2.11)
Besar gaya gerak listrik (GGL) pada generator dipenguhi juga oleh banyaknya konduktor yang digunakan. Pada generator yang menggunakan 1 konduktor, maka dalam mesin tiap N kumparan per fasa terdapat N konduktor per fasa, maka persamaan gaya gerak listrik dapat dituliskan :
e = (Φ f) N
Gaya gerak listrik rata-rata per fasa dikalikan dengan faktor bentuk (kf =
1.11), dituliskan :
Erata-rata= 1.11 N f Φ (2.13)
Maka besar tegangan induksi per fasa yang dibangkitkan oleh oleh kumparan stator dituliskan dengan persamaan :
Eeff = 1.11 N f Φ
Ns
Nph (2.14)
Dengan :
Eeff = Tegangan induksi (Volt)
Φ = fluks per kutub (Wb)
N = Banyak lilitan tiap kumparan Ns = Jumlah kumparan
