Pembuatan dan Uji Kelistrikan Generator Magnet Permanen Fluks Aksial
BAB 2
TINJAUAN TEORI
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
Fluks magnet adalah merupakan garis-garis medan magnet yang berasal dari
Universitas Sumatera Utara
6
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)
θ
(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
Universitas Sumatera Utara
7
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
Universitas Sumatera Utara
8
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)
Universitas Sumatera Utara
9
yang berkisar dari 16 oersteds megagauss-(MGOe) menjadi 32 MGOe; batas
teoretis mereka adalah 34 MGOe. Jenis magnet ini dapat ditemukan di dalam alatalat 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
10
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
11
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.
Universitas Sumatera Utara
12
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 6Fe2O3 dan strontium ferrite
SrO x 6Fe2O3
3. Rare-earth material, seperti samarium-cobalt SmCo dan neodymium- ironboron 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
13
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
14
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
15
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
16
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
17
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 (NorthNorth) 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.
N
S
N
Celah Udara
Celah Udara
N
S
(a)
S
S
N
(b)
Gambar 2.14 Magnet permanen; (a) Tipe N-N dan (b) Tipe N-S
Universitas Sumatera Utara
18
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
19
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
20
tergantung banyaknya stator atau rotor yang digunakan pada generator tersebut
tentunya berbeda dengan celah udara pada generator radial.
Celah Udara
Rotor
S
Stator
Shaft
N
Magnet
Permanen
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
21
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
Universitas Sumatera Utara
22
menghitung besar medan magnet yang melewati kumparan pada stator digunakan
persamaan :
Bmax = Br x
lm
(2.4)
m
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)
= Radius luar magnet (m)
rin
= Radius dalam magnet (m)
P
= Jumlah kutub magnet
τf
= Jarak antara kutub magnet (m)
τf
rin
ro
ro
Gambar 2.18 Luas bidang magnet pada rotor
Universitas Sumatera Utara
23
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=Bxlxv
(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
(2.8)
r
Pada n putaran per menit, kecepatan konduktor adalah :
r
v=
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
=Φ
f)
f
N
N
(2.12)
Universitas Sumatera Utara
24
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
Nph = Jumlah fasa
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN TEORI
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
Fluks magnet adalah merupakan garis-garis medan magnet yang berasal dari
Universitas Sumatera Utara
6
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)
θ
(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
Universitas Sumatera Utara
7
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
Universitas Sumatera Utara
8
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)
Universitas Sumatera Utara
9
yang berkisar dari 16 oersteds megagauss-(MGOe) menjadi 32 MGOe; batas
teoretis mereka adalah 34 MGOe. Jenis magnet ini dapat ditemukan di dalam alatalat 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
10
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
11
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.
Universitas Sumatera Utara
12
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 6Fe2O3 dan strontium ferrite
SrO x 6Fe2O3
3. Rare-earth material, seperti samarium-cobalt SmCo dan neodymium- ironboron 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
13
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
14
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
15
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
16
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
17
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 (NorthNorth) 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.
N
S
N
Celah Udara
Celah Udara
N
S
(a)
S
S
N
(b)
Gambar 2.14 Magnet permanen; (a) Tipe N-N dan (b) Tipe N-S
Universitas Sumatera Utara
18
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
19
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
20
tergantung banyaknya stator atau rotor yang digunakan pada generator tersebut
tentunya berbeda dengan celah udara pada generator radial.
Celah Udara
Rotor
S
Stator
Shaft
N
Magnet
Permanen
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
21
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
Universitas Sumatera Utara
22
menghitung besar medan magnet yang melewati kumparan pada stator digunakan
persamaan :
Bmax = Br x
lm
(2.4)
m
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)
= Radius luar magnet (m)
rin
= Radius dalam magnet (m)
P
= Jumlah kutub magnet
τf
= Jarak antara kutub magnet (m)
τf
rin
ro
ro
Gambar 2.18 Luas bidang magnet pada rotor
Universitas Sumatera Utara
23
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=Bxlxv
(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
(2.8)
r
Pada n putaran per menit, kecepatan konduktor adalah :
r
v=
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
=Φ
f)
f
N
N
(2.12)
Universitas Sumatera Utara
24
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
Nph = Jumlah fasa
Universitas Sumatera Utara