Plastic Magnet Prinsip Kerja Generator MPFA

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 Universitas Sumatera Utara 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. Gambar 2.7 Alnico magnet Universitas Sumatera Utara

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 Am dan induksi V.detm2 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. Universitas Sumatera Utara

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 6Fe 2 O 3 dan strontium ferrite SrO x 6Fe 2 O 3 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 Universitas Sumatera Utara 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 Universitas Sumatera Utara

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 Universitas Sumatera Utara 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 Universitas Sumatera Utara 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. Gambar 2.12 Magnet permanen Surface Mounted Universitas Sumatera Utara 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 Gambar 2.14 Magnet permanen; a Tipe N-N dan b Tipe N-S Universitas Sumatera Utara

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. Universitas Sumatera Utara 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 Universitas Sumatera Utara 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. Universitas Sumatera Utara 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 Wbm 2 A = Luas permukaan bidang penampang kumparan stator m 2 θ = Sudut antara garis gaya magnet dengan permukaan bidang θ 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