## ANALISA PEMODELAN GENERATOR MAGNET PERMANEN TIGA PHASA DENGAN SUSUNAN MAGNET ROTOR MENGIKUTI IPM – V
REZI HIDAYAT 1* , FAHMI ALFIANSYAH 2 , AFIF FADILA 3 , ANDI SYOFIAN 4 , ANGGUN ANUGRAH 5 , PERDANA PUTERA 6
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Institut Teknologi Padang 12345
Departement Of Electrical And Electronic Engineering, University Of Nottingham, England Portland Building, University Of Nottingham Students' Union, University Park, Nottingham 6 Email: rezi.hidayat25@gmail.com 1
Abstract: This  article  is  a  study  analysis  for  converting  an  automotive  alternator  with  a maximum  output  of  24  volts  100  A,  into  a  three-phase  permanent  magnet  generator  by replacing  the  alternator  rotor  with  a  permanent  magnet  rotor.  The  arrangement  of  the magnets is similar to the arrangement of an Interior Permanent Magnet (IPM) rotor in a 12- pole  V  model.  Analysis  is  carried  out  using  COMSOL  Multiphysics®  software,  modeling permanent magnet generators adapting the shape of the alternator and the shape and number of  coils  on  the  alternator  stator  are  maintained  (not  changed).  Finite  Element  Method simulation results using N52 Neodymium Magnets on the rotor, the output voltage amplitude is 4.5 volts with an AC frequency of 50 Hz (at a speed of 500 rpm). The AC waveform of the modified generator output is not purely sinusoidal. Keywords : Generator, Permanent Magnets, Finite Element Method, Neodymium
Abstrak: Artikel  ini  merupakan  analisa  studi  untuk  pengubahan  alternator  otomatif  dengan output maksimum 24 volt 100 A, menjadi generator magnet permanen tiga phasa dengan cara mengganti rotor alternator tersebut menjadi rotor magnet permanen. Dengan susunan magnet- magnetnya mirip dengan susunan rotor Interior Magnet Permanen (IPM) dalam model huruf V sebanyak  12  kutub.  Analisa  dilakukan  dengan  menggunakan software COMSOL Multiphysics ®,  pemodelan  generator  magnet  permanen  mengadaptasi  bentuk  alternator  serta bentuk dan jumlah kumparan pada stator alternator yang dipertahankan (tidak di rubah). Hasil simulasi Finite  Element  Method menggunakan  Magnet  Neodymium  N52  pada  rotornya,  di dapat amplitudo tegangan keluarannya sebesar 4,5 volt dengan frekuensi AC nya 50 Hz (pada kecepatan 500 rpm). Adapun bentuk gelombang  AC dari  keluaran  generator  hasil  modifikasi ini tidak murni sinusoidal.
Kata kunci : Generator, Magnet Permanen, Finite Element Method , Neodymium

## A. Pendahuluan
Generator magnet permanen merupakan generator magnet permanen yang menghasilkan listrik dari perubahan fluks magnetik pada stator yang dipengaruhi perputaran rotor (Vehicles, 2022).  Kinerja  generator  magnet  permanen  dipengaruhi  dari  beberapa  faktor  seperti  desain stator  dan  rotor,  serta  material  yang  digunakan  pada  pembuatan  generator  magnet  permanen (Boldea, 2017)(Desain dkk, 2021).
Penelitian  ini  diharapkan  dapat  meningkatkan  pemahaman  tentang  generator  magnet permanen  itu  sendiri.  Beberapa  harapan  yang  dapat  diinginkan  dalam  penelitian  mengenai generator  magnet  permanen  termasuk  peningkatan  efisiensi,  optimasi  desain,    dan  kondisi yang  optimal  dalam  pengoperasian  generator  magnet  permanen  (Andika  &  Hamzah, 2018)(Motor dkk, 2019).
Adapun  masalah  yang  timbul  bagaimana  membuat  generator  sinkron  memiliki kelebihan yang dimiliki oleh generator asinkron. Yaitu generator sinkron ini dapat beroperasi tanpa menggunakan sikat karbon ( carbon brush ). Sehingga generator sinkron ini tidak perlu di berikan arus eksitasi (sehingga lebih hemat daya), dan tentu saja tidak lagi menggunakan sikat arang ( brushless ), yang menjadikannya generator sinkron ini nantinya lebih hemat dan minim perawatan (Ramana dkk, 2022). Dimana pada penelitian ini membuat generator yang memiliki frekuensi dan tegangan yang stabil dan memiliki efisiensi yang tinggi tanpa harus memerlukan singkronisasi dan tidak memerlukan sumber daya eksternal (Boldea, 2017).
Adapun metode yang dipakai untuk mendapatkan generator magnet permanen tersebut, penulis  mencoba  menerapkan  desain  susunan  magnet-magnet  permanen  dengan  konfigurasi huruf  V  vertikal,  yang  kutub-kutubnya  akan  silih  berganti  dari  utara  ke  selatan  secara beriringan  (ada  12  kutub  magnet  pada  rotornya).  Susunan  ini  akan  penulis  validasi  dengan menggunakan software Finite Element Method (FEM)(Ramadhan dan Tamam, 2021)(Zaputra dan Gusnita, 2022)(Saputra dan Aini, 2021)(Manishe dkk, 2021). Untuk meninjau sebaran dan kerapatan  fluks-fluks  magnet  permanen  dari  rotor  ke  stator,  selain  itu  juga  untuk  meniunjau prediksi  bentuk  gelombang  tegangan  dari  keluaran  generator  tersebut  pada  frekuensi  50  Hz (Andika dan Hamzah, 2018).
Adapun urgensi dari penelitian ini adalah sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan studi  di  program  sarjana  teknik  elektro  Institut  Teknologi  Padang.  Selain  itu  juga  untuk melihat apakah desain susunan magnet-magnet permanen yang ditempatkan di rotor mengikuti desain motor permanen magnet (Liu dkk, 2022)(Liang dkk, 2016) apakah dapat menghasilkan keluaran generator seperti yang diharapkan.

## B. Metodologi Penelitian
Jenis  penelitian  ini  berbasis  pengujian  menggunakan  aplikasi.  Pemodelan  dan  simulasi dilakukan  menjadi  ilustrasi  identifikasi  sistem  atau  indera  yang  sesungguhnya.  Proses  ini untuk  mempermudahkan  peneliti  memodifikasi  dan  memprediksi  sistem  agar  tidak mengakibatkan  resiko  kerusakan,  hal  ini  dikarenakan  lebih  mudah  dan  ekonomis  (Takahashi dkk, 2018). Nilai yg dihasilkan pemodelan dan simulasi diharapkan bisa mendekati yang akan terjadi sesungguhnya dengan langkah yang di uraikan pada Gambar 1.
Gambar 5. Flowchart penelitian
Tahap  Penyelidikan  Bagaimana  Bentuk  Fluks-Fluks  Magnetik  Dari  Susunan  Magnet- Magnet  Permanen  Pada  Rotor. Tahap  penyelidikan  mengenai  bentuk  fluks  magnetik  dari susunan magnet permanen pada rotor generator menggunakan metode Finite Element Method (FEM)  merupakan  pendekatan  yang  canggih  dan  efektif  dalam  pemodelan  sistem elektromagnetik. Dengan menerapkan (FEM), para peneliti dapat menghasilkan simulasi yang sangat akurat terkait distribusi fluks magnetik di sepanjang rotor.
Tahap  Penyelidikan  Bagaimana  Bentuk  Fluks-Fluks  Magnetik  Dari  Susunan  Magnet- Magnet Permanen Pada Rotor Mempengaruhi Inti Besi Pada Stator (Pakai Coil). Tahap penyelidikan mengenai bagaimana bentuk fluks magnetik dari susunan magnet permanen pada rotor  generator  mempengaruhi  inti  besi  pada  stator  dengan  menggunakan Finite  Element
Method (FEM),  merupakan  pendekatan  holistik  yang  memungkinkan  pemodelan  interaksi kompleks antara rotor dan stator. Dengan menerapkan (FEM) pada struktur generator, peneliti dapat memperoleh pemahaman mendalam tentang bagaimana fluks magnetik yang dihasilkan oleh  rotor  dengan  susunan  magnet  permanen  berinteraksi  dengan  inti  besi  pada  stator  yang dilengkapi  dengan  coil.  (FEM)  memungkinkan  simulasi  yang  akurat  terkait  distribusi  fluks magnetik  di  sepanjang  inti  besi  dan  coil  stator,  memungkinkan  analisis  terhadap  pengaruh perubahan  pada  susunan  magnet  permanen  rotor  terhadap  respons  sistem  keseluruhan.  Hasil dari penelitian ini dapat memberikan wawasan krusial untuk optimisasi desain rotor dan stator, memastikan  bahwa  interaksi  antara  magnet  permanen  dan  coil  stator  menghasilkan  efisiensi energi yang optimal dalam generator.
Investigasi  Pergerakan  Aliran Fluks  Medan  Magnet  Di  Inti  Stator  Saat  Rotor    Magnet Permanent  Berputar. Investigasi  pergerakan  aliran  fluks  medan  magnet  di  inti  stator  saat rotor  magnet  permanen  berputar  menjadi  fokus  penting  dalam  pengembangan  generator. Ketika  rotor  dengan  magnet  permanen  bergerak,  perubahan  posisi  magnet  menyebabkan variasi dalam medan magnet yang menciptakan aliran fluks di sepanjang inti stator. Pada tahap ini,  metode  simulasi  seperti Finite  Element  Method (FEM)  digunakan  untuk  memodelkan dengan  rinci  interaksi  ini.  Algoritma  matematis  memungkinkan  pemodelan  perubahan  fluks magnetik seiring pergerakan rotor, menghasilkan visualisasi yang menggambarkan perubahan distribusi  fluks  di  inti  stator.  Investigasi  ini  tidak  hanya  melibatkan  analisis  bagaimana  fluks magnetik berubah, tetapi juga bagaimana perubahan tersebut berpengaruh pada  coil di stator, menghasilkan  arus  listrik  yang  mendrive  output  generator.  Hasil  dari  investigasi  ini memberikan  pemahaman  yang  dalam  terhadap  dinamika  aliran  fluks,  memungkinkan optimisasi  desain  sistem  yang  mencapai  efisiensi  tinggi  dalam  mengubah  energi  mekanis menjadi energi listrik.

## C.Hasil dan Pembahasan

## Investigasi Pengaruh letak dan Susunan Magnet Permanent Tanpa Coil.
Tujuan  dari  hasil  simulasi  ini  adalah,  untuk  melihat  kutub  utara  dan  kutub  selatan  dari magnet permanen dengan konfigurasi magnet huruf V vertikal pada rotor yang dibuat menjadi 12 kutub, serta melihat fluks-fluks medan magnet ke stator core (inti besi stator) yang dapat di lihat dari gambar di bawah ini.
Gambar 2. Kekuatan flux magnet permanen dari susunan magnet IPM - V vertikal Kuat medan magnet dan arah fluks magnet pada simulasi ini bisa kita lihat dari gambar di atas. Pada  simulasi  kali  ini  menggunakan  magnet  permanen  jenis  Neodymium  dengan  kekuatan magnet  berkisar  20.000  –  25.000  Gaus  atau  setara  dengan  2  –  2,5  Tesla.  Terlihat  jelas  arah fluks magnet pada  rotor masuk melewati sela-sela coil yang dimana fluks magnet dari  kutub utara  menuju  kutub  selatan.  Begitu  juga  sebaliknya,  dari  kutub  selatan  menuju  kutub  utara. Hal ini bisa diketahui dari warna fluks magnet dan arah panah dari fluks magnet yang telah di plot pada simulasi. Selain itu, kuat medan magnet dan sebaran fluks-fluks magnet pada stator dapat kita lihat dari gambar tersebut.
Investigasi  Bentuk  Fluks  –  Fluks  Magnetic  Dari  Susunan  Magnet  Magnet    Permanent Pada Rotor Mempengaruhi Inti Besi Pada Stator (Ada Coil)
Pada  simulasi  ini  kita  bisa  melihat  pengaruh  fluks-fluks  medan  magnet  ketika  coil  terpasang pada inti besi stator, dari konfigurasi magnet yang vertikal. Hal ini bisa kita lihat hasil gambar simulasi di bawah ini .
Gambar 3. Penyebaran fluks magnet tipe IPM - V Shape 12 kutub 36 slot vertikal Dapat dilihat dari gambar di atas, bentuk fluks-fluks medan magnet pada rotor dipengaruhi inti besi  stator,  kuat  medan  magnet  pada  stator  perlahan  melemah  ketika  jarak  antara  stator  dan rotor  semakin  menjauh.  Pada  simulasi  dengan  model  magnet  tipe  IPM  -  V  vertikal  memiliki pendistribusian  fluks  magnet  yang  merata,  dimana  distribusi  fluks  magnet  dari  rotor  menuju stator  melewati  semua  sela  sela  slot  pada  stator.  Pendistribusian  fluks  magnet  dapat dipengaruhi dari bentuk  kutub pada magnet yang kita buat, oleh karena itu penyebaran fluks- fluks magnetnya merata dan memiliki karakteristik yang lebih optimal. Dari simulasi tersebut didapatkan  hasil  amplitudo  tegangan  keluarannya  sebesar  4,5  volt  dengan  frekuensi  50  Hz (pada  kecepatan  500  rpm).  Dengan  gelombang  sinusoidal  tapi  tidak  murni,  seperti  gambar dibawah ini:

## Gambar 4. Hasil keluaran tegangan generator magnet permanen

## Investigasi  Pergerakan  Aliran  Fluks  Medan  Magnet  Diinti  Stator  Saat  Rotor  Magnet Permanen Berputar.
Setelah  hasil  simulasinya  telah  keluar  berupa  tegangan  dan  fluks  concatenanted  dengan gelombang sinusoidal tidak murni, fenomena rotor di putar berotasi pada porosnya dapat juga kita lihat pada hasil simulasi di animation. Kita bisa melihat perubahan dan perpindahan fluks magnet pada stator seiring berputarnya rotor. Hal ini dapat kita lihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 5. Gambar setelah rotor diputar Investigasi  pergerakan  aliran  fluks  medan  magnet  di  inti  stator  saat  rotor  magnet  permanen berputar  adalah  aspek  kunci  dalam  pemahaman  operasi  generator.  Saat  rotor  berputar, perubahan  posisi  magnet  permanen  mempengaruhi  medan  magnet  yang  diterima  oleh  inti stator.  Fenomena  ini  menciptakan  pergerakan  dinamis  dari  fluks  magnetik  di  sepanjang  inti stator.  Melalui  metode  simulasi  seperti Finite  Element  Method (FEM)  atau  metode  numerik lainnya, peneliti dapat memodelkan secara rinci perubahan distribusi fluks magnetik sepanjang inti  stator  seiring  dengan  rotasi  rotor.  Hasil  investigasi  ini  memberikan  wawasan  mendalam tentang  bagaimana  aliran  fluks  magnetik  berubah  selama  putaran  rotor  dan  bagaimana  hal tersebut  memengaruhi  pembangkitan  arus  listrik  di  coil  stator.  Dengan  memahami  dinamika ini,  penelitian  ini  mendukung  pengembangan  desain  generator  yang  optimal,  meningkatkan efisiensi konversi energi mekanis menjadi energi listrik.

## D. Penutup
Berdasarkan hasil simulasi dari generator magnet permanen dengan magnet rotor tipe IPM – V dapat  disimpulkan  bahwa,  generator  magnet  tipe  V  vertikal  dapat  dibuat  menjadi  generator singkron  dengan  keunggulan  generator  asingkron.  Tegangan  yang  dihasilkan  dari  simulasi generator magnet permanen sangat ditentukan dari beberapa aspek seperti bahan material yang dipakai, jenis kekuatan medan magnet, jarak antara rotor dan stator serta jumlah lilitan kawat pada stator. Fluks-fluks pada rotor sangat  dipengaruhi dari inti besi pada stator, yang dimana fluks-fluks magnet permanen pada kutub utara masuk ke dalam stator melewati sela sela coil dan kemudian kembali ke magnet menuju kutub selatan, begitu juga sebaliknya kutub selatan pada  magnet  masuk  ke  dalam  stator  kemudian  kembali  lagi  menuju  magnet  kutub  utara. Karakteristik stator yang diberikan lilitan coil fluks-fluks magnet pada stator yang dipengaruhi dari  perputaran  rotor  yang    menghasilkan  tegangan  amplitudo  sekitar  4,5  volt  tiga  phasa dengan  gelombang  sinusoidal  yang  tidak  murni.  Selain  itu  dari  simulasi  ini  kita  bisa  melihat kuat  medan  magnet  pada  rotor  yang  dapat  dilihat  dari  hasil  simulasi  yang  menunjukkan kekuatan medan magnet dan sebaran fluks-fluks magnet yang lebih optimal.

## Daftar Pustaka
Vehicles,  A.  T.  (2022). Voltage-Stabilizing  Method  of  Permanent  Magnet  Generator  for Agricultural Transport Vehicles . 1–17.
Boldea,  I.  (2017).  Electric  Generators  and  Motors:  an  overview. CES  Transactions  on Electrical Machines and Systems (CES TEMS) , 1 (1), 3–14.
Desain,  A.,  Generator,  S.,  Magnet,  T.,  Fluks,  P.,  Menggunakan,  A.,  &  Finite,  M.  (2021).
Analisis  desain  stator  generator  tipe  magnet  permanen  fluks  aksial  menggunakan metode finite element analysis (fea) 1,2) . 8 (2), 149–156.
Andika, & Hamzah, A. (2018). Perancangan dan Pembuatan Generator Fluks Radial Tiga Fasa Magnet Permanen Kecepatan Rendah. Universitas Riau , 5 (1), 1–8. Motor,  P.,  Tiga,  S.,  Tipe,  P.,  Pole,  S.,  &  Sinkron,  G.  (2019). Jurnal  simetrik  vol.9,  no.2, desember 2019 . 9 (2), 197–207.
Ramana, T. V., Manaktala, S. S., Valarmathi, K., Doohan, N. V., Shetty, D. K., Kumar, H., & Akwafo, R. (2022). Energy Auditing in Three-Phase Brushless DC Motor Drive Output for  Electrical  Vehicle  Communication  Using  Machine  Learning  Technique. Wireless Communications and Mobile Computing , 2022 . Ramadhan,  A.,  &  Tamam,  M.  T.  (2021).  Perancangan  Permanent  Magnet  Synchronous Generator  Kapasitas  22  KVA  Menggunakan  Metode  Finite  Element  Method. Jurnal Riset Rekayasa Elektro , 3 (2), 83–90.
Zaputra,  T. P., & Gusnita, N. (2022). Analisis Pengaruh Jumlah  Lilitan dan Kecepatan Putar Terhadap  Efisiensi  Pada  Permanent  Magnet  Synchronus  Generator  18  Slot  16  Pole. JTEV (Jurnal Teknik Elektro Dan Vokasional) , 8 (2), 411.
Saputra, R., & Aini, Z. (2021). Analisis Pengaruh Ketebalan dan Jenis  Inti Besi Rotor Stator terhadap  Karakteristik  Generator  Sinkron  Magnet  Permanen  18S16P  Fluks  Radial. Jurnal Sains, Teknologi Dan Industri , 18 (2), 220–227.
Manishe, M. I., Hasibuan, A., & Putri, R. (2021). Perancangan Radial Flux Permanent Magnet Synchronous Generator Sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Angin Menggunakan Finite Element Method (Fem). Jurnal Energi Elektrik , 9 (2), 42.
Liu,  Z.  S.,  Fang,  Z.  W.,  &  Li,  X.  X.  (2022).  Design  of  permanent  magnet  synchronous generator  and  anti-electromagnetic  interference  research. Journal  of  Physics: Conference Series , 2345 (1).
Liang,  P.,  Pei,  Y.,  Chai,  F.,  &  Zhao,  K.  (2016).  Analytical  calculation  of  D-  and  Q-axis inductance  for  interior  permanent  magnet  motors  based  on  winding  function  theory. Energies , 9 (8).
Takahashi, T., Kitao, J., Miyama, Y., Nakano, M., & Yamane, K. (2018). Permanent Magnet Type Rotating Electrical Machine . https://patents.google.com/patent/CN111149281A/en