Abstrak - Seiring berjalannya waktu dibutuhkan pengembangan teknologi pada motor penggerak pada kendaraan yang beredar dipasaran. Karena sumber energi fosil merupakan energi  yang  tidak  dapat  diperbarui,  maka  pengembangan kendaraan  dengan  listrik  sebagai  sumber  energi  adalah  solusi untuk penghematan energi dimasa depan. Salah satu jenis motor yang tepat untuk digunakan sebagai penggerak kendaraan akan dibahas  pada  tugas  akhir  ini,  yaitu  motor axial  flux  brushless DC.  Motor  yang  digunakan  pada  analisis  ini  dirancang  untuk dapat menghasilkan daya output 12 kW. Analisis yang dilakukan meliputi  parameter  kelistrikan  pada  motordan  rugi-rugi  inti. Analisis  ini  dilakukan  dengan  menggunakan  metode  analisis finite  element .Hasil  desain  didapatkan  desain  motor axial fluxbrushless DC  dengan  ukuran  220  cm  menggunakan  12  slot stator  dan  10  kutub  rotor.  Menghasilkan  daya  output  11,2  kW, dengan kecepatan 2388 rpm, rugi-rugi inti 381,5 watt, torsi 44,78 Nm  dan  efisiensi  79,39  persen.  Motor  ini  memiliki  rating tegangan 400 V DC dan arus masukan pada motor sebesar  29,6 A.  Dari  simulasi  desain  yang  sudah  dibuat  diatas,  dilakukan simulasi  dengan  varaiabel air  gap. Variabel air  gap dilakukan dengan  memotong  bagian  inti  stator  secara  radial.  Variabel air gap membuat  tinggi  inti  stator  di  sisi  jari-jari  luar  lebih  tinggi dibandingkan  tinggi  inti  stator  pada  jari-jari  dalam.  Setiap variabel air  gap yang  dilakukan  haruslah  diberi  kompensasi penambahan ketebalan magnet permanennya. Dari hasil simulasi dengan  variabel air  gap didapatkan  hasil  daya  output  14,5  kW pada kecepatan 2388 rpm, rugi-rugi inti 356,2 W, torsi 38,87 N.m dan efisiensi 78,75 persen.
Kata  Kunci —  Analisa  finite  element,  Motor  axial  flux brushless DC, Variabel air gap

## I. PENDAHULUAN
encuatnya  isu global  warming yang  semakin  parah  di bumi  menuntut  munculnya  teknologi  otomotif  yang ramah  lingkungan.  Penggunaan  mesin  listrik  sebagai penggerak  utama  kendaran  listrik  adalah  solusi  yang  sangat tepat  untuk  menjawab  tuntutan  teknologi  yang  ramah lingkungan. Hal ini dikarenakan mesin listrik yang digunakan sebagai  penggerakv  tidak  menghasilkan  emisi  CO  maupun CO 2 .
Dari berbagai mesin listrik yang sudah ditemukan, salah satu    jenis  mesin  listrik  yang  paling  cocok  untuk  digunakan pada  kendaraan  listrik  adalah axial  flux  brushless DC motor . Keunggulan  dari  motor  jenis  ini  adalah  tingginya  kerapatan daya, efisiensi dan kapasitas perpindahan panasnya. Selain itu keunggulan  yang  paling  menonjol  dari  motor axial  flux brushless DC adalah dimensi konstruksinya yang relatif lebih kecil  dibandingkan  dengan  konstruksi    motor  jenis  lain,
sehingga motor axial flux brushless DC tepat untuk digunakan di  ruangan  yang  terbatas.  Konstruksi  motor axial  flux brushless DC pada dasarnya terdiri dari sebuah piringan rotor yang dapat berputar dengan beberapa magnet yang menempel di  sisi  luasannya  dan  satu  lagi  bagian  stator  yang  berisi  inti dengan  konduktor-konduktor  yang  dibelitkan  pada  slot-slot stator  sebagai  pengakomodasi  piringan  rotor  untuk  bisa berputar [5].
Perkembangan pada  sisi teknologi baterai  dan  teknologi inverter  yang  semakin  berkembang,  akan  sangat  membantu kinerja  motor axial  flux  brushless DC  untuk  diaplikasikan  di dunia industri [1]-[2]. Sumber yang digunakan untuk Tugas  Akhir  ini  memaparkan  desain  dan  analisis variabel air  gap padamotor axial  flux brushless DC single sided dengan menggunakan dengan 1 buah stator dan 1 buah rotor.Penelitian  ini  akan  memaparkan  analisis  parameter  - parameter  kelistrikan  pada  motor  dengan  berbasis  metode finite  element menggunakan software yang  mampu menganalisis berbasis metode tersebut.

## II. PARAMETER MOTOR AXIAL FLUX BLDC
Motor Brushless DC  (BLDC)  merupakansalah  satu  jenis motor  DC  yang  memiliki  magnet  permanen  di  bagian  rotor dan  kumparan  jangkar  pada  stator.  Terdapat  dua  jenis  motor BLDC  jika  dilihat  dari  segi  arah  aliran flux nya,  yaitu  radial flux BLDC dan Axialflux BLDC. Motor yang digunakan adalah motor dengan daya  output 12 kW, dengan kecepatan putaran 2388 rpm. Karena struktur motor yang simetris, maka cukupp untuk  mempertimbangkan  hanya  setengah  dari  model geometris motor yang digunakan pada analisis motor. Ukuran utama  pada  motor  Brushless  DC  (BLDC)  akan  ditunjukkan pada Tabel 1.
Gambar 1. Konstruksi stator motor axial flux brushless DC

## Desain dan Analisis Variabel Air Gap pada Motor Axial Flux Brushless DC Berbasis 3D Finite Element Method Untuk Aplikasi Kendaraan Listrik
Achmad Abdul Ghoni, Heri Suryoatmojo,dan Mochamad Ashari Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail : suryomgt@ee.its.ac.id ;asharimd@yahoo.com
M
Pada Gambar 1 dapat dilihat bentuk fisik dari stator yang digunakan  pada  motor axial  flux  brushless DC.  Stator  ini terdiri dari 12 slot stato yang berisi kunparan tembaga, dengan inti stator setinggi 20 mm.

## Gambar 2. Konstruksi rotor motor axial flux brushless DC
Pada Gambar 2 dapat  dilihat  bentuk fisik dari  rotor  motor axial flux brushless DC dengan 10 buah kutub permanen magnet setinggi 8 mm.  Dan  gambar  3  adalah  bentuk  gabungan  dari  staor  dan  rotor motor yang sudah digabungkan.

## Gambar 3. Konstruksi motor axial flux brushless DC
Tabel 1. Data Stator dan Rotor Ukuran Panjang (mm) Panjang inti Stator 20 Diameter Luar Stator 220 Diameter Dalam Stator 104,5 Diameter Luar Rotor 220 Diameter Dalam Rotor 104,5

## III. ANALISIS PARAMETER KELISTRIKAN

## A. Perhitungan Kebutuhan Arus dan Torsi
Kebutuhan  arus  menjadi  salah  satu  parameter  penting dalam  melakukan  desain  motor,  karena  hal  ini  akan menentukan  daya  intput  yang  harus  disediakan  oleh  sumber. Kebutuhan Arus dapat dinyarakan sebagai :
Dalam  menentukan  rating  daya  output  akan  dipengaruhi oleh  torsi  dan  kecepatan  dari  putaran  motor.  Semakin  besar torsi  motor  maupun  kecepatan  putaran  motor  maka  daya output  motor  juga  akan  meningkat.  Torsi  motor  dapat dinyatakan sebagai :
(2)
Dimana :
T  = Torsi output motor (Nm)
B g = Kerapatan fluks pada airgap(Tesla)
q i = Loading Value (Aturn/m) R o = Jari-jari lingkaran luar (mm) K r = perbandingan Jari-jari dalam dan luar

## B. Perhitungan Rugi-rugi Inti
Rugi-rugi  yang  terjadi  pada  motor  merupakan  sumber utama  panas  yang  akan  timbul  pada  motor.  Rugi-rugi  yang terjadi diantaranya adalah rugi-rugi inti, rugi-rugi ohmik, dan rugi-rugi  mekanik.  Rugi-rugi  inti  dan  rugi-rugi  ohmik menyumbang  lebih  dari  90%  dari  total  rugi-rugi  yang  terjadi pada  motor.  Besarnya  rugi  inti  besi  yang  terjadi  sangat bergantung  pada  pemilihan  jenis  material  yang  akan digunakan  pada  motor.  Jenis  Material  yang  digunakan  pada tugas  akhir  ini  adalah  M800-50A.  Rugi  inti  besi  dapat dinyatakan sebagai :
(3) (4) (5)
Dimana :
(6) (7)
Dengan Kc, Kh, dan Ke berturut-turut merupakan koefisien rugi-rugi arus eddy , rugi hysteresis , dan excess loss atau rugi- rugi tambahan yang terjadi pada motor. Sedangkan Pv, Ph, Pc dan Pe berturut-turut merupakan rugi inti besi, rugi hysteresis , rugi arus eddy , dan rugi excessive/elebihan rugi-rugi Koefisien rugi-rugi  arus  eddy  klasik,  Kc  dapat  dihitung  dengan persamaan :
(8)
Dimana  σ  adalah  konduktivitas  dan  d  adalah  ketebalan lembar  satu  laminasi.  Untuk  mendapatkan  nilai  K1  dan  K2 harus dilakukan minimalisasi terhadap bentuk kuadrat :
(9)
Dimana Pvi, Bmi merupakan titik ke-i dari data yang diukur pada kurva karakteristik rugi-rugi material. Sedangkang kedua koefisien  rugi-rugi  yang  lain,  yaitu  Ked  an  Kh  dapat  dicari dari persamaan berikut :
(10)
(11)
Dimana  fo  merupakan  frekuensi  uji  yang  digunakan  pada kurva rugi-rugi material. Material yang digunakan adalah besi silikon  M800-50  dengan  kurva  rugi-rugi  untuk  material  jenis ini  pada  frekuensi  50  Hz  akan  dijelaskan  pada  gambar  4 berikut :
Gambar 4. Kurva B-P material M800-50A.

## IV. HASIL SIMULASI DAN ANALISIS DESAIN

## A. Parameter Kelistrikan Moto Axial Flux BLDC
Dengan  perangkat  lunak  berbasis finite  element ,  dari desain motor axial flux BLDC diperoleh parameter kelistrikan yang ada  pada  motor axial flux BLDC. Parameter  kelistrikan yang  dimaksud  diantaranya  adalah  parameter  input  motor yang terdiri dari nilai arus, nilai tegangan, torsi,dan cos α pada motor.  Nilai  arus  dan  tegangan  ini  dipengaruhi  oleh  sumber yang masuk dari rangkaian controller dengan sumber 400 volt DC. Arus yang mengalir bergantung dari jumlah belitan yang digunakan. Pada simulasi ini dilakukan pada rentang waktu 1. Pada  simulasi  ini  diperoleh  nilai  arus  sebesar  29,6  A  dengan waktu  steady-state  pada  waktu  2,5  ms.  Gambar  5  dibawah menjelaskan  bentuk  gelombang  arus  pada  rentang  waktu  15 ms.

## Gambar 5.Bentukgelombang  arus untuk t = 15 ms
Sedangkan  dari  simulasi  nilai  tegangan  pada  stator  diperoleh sebesar  174,5  V.  Nilai  tegangan  pada  stator  merupakan  nilai tegangan  output  dari  inverter.  Gambar  5  di  bawah  akan menampilkan bentuk gelombang tegangan pada  waktu 15 ms dan kondisi steady-state diperoleh pada 2,5 ms.

## Gambar 6. Bentuk gelombang tegangan pada t = 15 ms
Pada simulasi ini, dengan kecepatan referensi yang digunakan sebesar  2388  rpm  diperoleh  nilai  torsi  keluaran  rata-rata sebesar  44,78.  Gambar  7  dan  dibawah  menampilkan  bentuk torsi keluaran tiap waktu.
Gambar 7.Torsi keluaran motor axial flux brushless DC
Parameter kelistrikan berikutnya adalah nilai cos α. Nilai cos α ini  merupakan  perbedaan  sudut  fasa  antara  gelombang tegangan  dan  gelombang  arus  pada  motor.  Nilai  cos  α  dapat dicari dengan perhitungan sebagai berikut :
Dari  persamaan  tersebut  diatas  perlu  diketahui  perbedaan waktu antara arus dan tegangan pada saat bernilai nol dan nilai periode gelombang untuk dapat  menghitung besarnya  nilai  α. Dari  hasil  simulasi  didapatkan  waktu  saat  periode  satu gelombang sebesar t = 5.0251 ms. Sehingga besarnya α dapat dicari dengan :
Sehingga besarnya cos α menjadi cos 21 o = 0.91 Didapatkan  pada  desain  awal  efisiensi  motor axial  flux brushless DC sebesar 79,3 persen.

## B. Karakteristik Medan dan Rugi-rugi Inti pada Stator
Dari simulasi dengan pengambilan data selama 0,1 detik diperoleh  peta  persebaran  fluks  pada  stator.  Nilai  fluks  yang relatif  tinggi  terdapat  pada  slot    dan tooth dimana  terdapat
belitan  tempat  terbangkitnya  medan.    Gambar  8  di  bawah menunjukkan karakteristik medan yang terjadi pada stator
Gambar 8.Bentuk gelombang tegangan pada t = 15 ms
Rugi-rugi  inti  dipengaruhi  oleh  dua  hal,  yaitu  rugi hysteresis dan  rugi  arus eddy yang  timbul  pada  inti  stator. Dimana  rugi-rugi  inti  inti  bergantung  terhadap  nilai  fluks, terutama  fluks  maksimum  yang  timbul  pada  inti  stator.  Pada tabel 4 menampilkan karakteristik medan stator tiap waktu dan diperoleh  nilai  fluks  maksimum  yang  timbul  pada  stator adalah sebesar 2.26 Tesla. Gambar 9  di bawah menampilkan besarnya  rugi-rugi  inti  ( core  loss )  yang  terjadi  pada  motor axial flux brushless DC.

## Gambar 9. Besarnya rugi-rugi inti pada stator
Pada simulasi dengan perangkat lunak Ansys Maxwell seperti yang  ditunjukkan  pada  gambar  8  diatas  menunjukkan  nilai rugi-rugi  inti  pada  tiap  perubahan  wktu.  Dan  dari  gambar diatas  pula  dapat  diketahui  nilai      rata-rata  rugi  inti  yang dihasilkan pada motor adalah sebesar 381,5 watt.

## V. ANALISIS VARIABEL AIR GAP
Variasi variabel air gap pada desain utama, berarti hanya melakukan variasi pada nilai variabel air gap saja, sedangkan untuk  semua  parameter  penyusun  motor  dijaga  tetap  stabil. Tujuan  dari  variasi  nilai  variabel  air  gap  ini  adalah  untuk mengetahui  pengaruh  apa  yang  muncul  pada  sebuah  desain motor  apabila  diberikan  perubahan  pada  nilai air  gap radial nya.  Pertambahan  variabel air  gap akan  membuat  torsi bernilai lebih tinggi dan nilai core  loss naik  dari pada desain awal.  Kenaikan  torsi  ini  dibarengi  dengan  naiknya  arus masukan  dari  kontroller,  sehingga  mengakibatkan  efisiensi dari motor memburuk. Oleh karena itu, ketika variabel air gap diimplementasikan  pada  motor  haruslah  diberi  kompensasi berupa penambahan ketebalan magnet permanen.
(a) (b)
Gambar 9. (a) Desain dengan variable air gap berkompensasi,  (b) Desain orisinil motor tanpa variasi
Pada  deain  normal  kerapatan flux pada  stator  memiliki kejenuhan  yang  lebih  tinggi  di  bagian  tengah  dan  jari-jari dalam inti stator. Dari kejenuhan kerapatan flux menyebabkan torsi  yang  dihasilkan  tidak  efisien.  Dengan  variabel air  gap kejenuhan kerapatan flux pada bagian tengah dan jari-jari inti
stator diuraikan sehingga kerapatan flux yang dihasilakan oleh stator menjadi lebih rata pada seluruh permukaannya. Dengan kerapatan  flux  yang  lebih  merata  membuat  torsi  yang dihasilkan motor menjadi lebih efisien dan bernilai lebih besar bila  dibandingkan  dengan  torsi  dari  desain  orisinil  tanpa  ada modifikasi variabel air gap.
Dari  hasil  simulasi  dilakukan  beberapa  kombinasi variabel air  gap dan  kompensasi  penambahan  tebal  magnet permanen  untuk  mendapatkan  kombinasi  dengan  hasil terbaik.Hasil kombinasi terbaik didapat pada  variabel air gap 1,5 mm dan kompensasi penambahan terbal magnet permanen 5  mm  dari  desain  orisinil  awal.  Perbedaan  bentuk  desain ditunjukkan pada Gambar 9:
Didapatkan nilai arus variabel air gap pada motor axial flux brushless DC sebesar 38,87 A, torsi motor sebesar 57,89 N.m pada kecepatan yang dijaga stabil 2388 rpm, dengan nilai core loss yang menurun menjadi 356,2 W. Daya output motor dengan  variabel  air  gap  meningkat  menjadi  14,5  kW  dengan efisiensi yang tidak terlalu banyak berubah, yaitu 78,8 persen.
Pada  tabel  2  diperlihatkan  perbandingan  hasil perbandingan antara desain orisinil dengan desain yang sudah dimodifikasi dengan variable air gap berkompensasi.

## Tabel 2. Perbadingan Hasil Desain
Hasil Analisa Variabel Air Gap dan Penambahan Tebal
Magnet Variabel Desain Motor Variabel Air Gap 0mm Magnet Permanen 8mm Variabel Air Gap 1,5mm Magnet Permanen 13mm Tegangan (V) 174,5 173.2 Arus (A) 29,6 38,87 Torsi (N.m) 44,78 57,89 Daya Input (W) 14.101 18.379,14 Daya Output (W) 11.195 14.474,25 core loss (W) 381.5 356,2 Effisiensi (%) 79.39156 78,74568

## VI. KESIMPULAN
Permodelan  dari  desain  motor axial  flux  brushless DC ini memiliki diameter luar 220 mm dan berdiameter dalam 104,5  mm.  Motor  ini  memiliki  12  slot  stator  dan  10  kutub permanen  magnet  rotor.  Dari  hasil  pemodelan  desain  utama motor axial  flux  brushless DC  dengan  rating  daya12  kW diperoleh :
1. Tegangan  AC  keluaran  controller  per  fasa  yang dibutuhkan  dari  simulasi  yang  sudah  dilakukan  174,5  V dengan  arus  masukan  29,6  A.  Torsi  output  44,78  N.m pada kecepatan yang dijaga stabil 2388 rpm menghasilkan rating daya output motor 11,2 kW.
2. Desain motor dengan variasi air gap saja mengakibatkan kenaikan nilai kebutuhan tegangan AC input dan arus AC input.  Torsi  output  meningkat  sedangkan  nilai core  loss turun  dengan  efek  samping  nilai  efisiensi  yang  semakin rendah.
3. Penambahan  ketebalan  magnet  permanen  saja,  dapat menaikkan  efisiensi  secara  drastis  dan  memberikan  efek
samping  nilai  torsi  yang  turun  tidak  signifikan  seiring dengan semakin tingginya nilai efisiensi 4. Dari  hasil  simulasi  dengan  variabel air  gap 1,5  mm berkompensasi  penambahan  ketebalan  magnet  permanen 5  mm  pada  motor axial  flux  brushless DC  didapatkan arus  masukan  38,87  A,  torsi  output  57,89  N.m  pada kecepatan  yang  dijaga  stabil  2388  rpm  menghasilkan rating daya output motor 14,5 kW.
5. Variabel air  gap pada  motor axial  flux  brushless DC dapat  meningkatkan  efektivitas  daya  output  motor  tanpa mengubah  dimensi  motor  secara  signifikan,  sehingga sangat  tepat  untuk  diaplikasikan  pada  kendaraan  listrik dengan dimensi ruang yang terbatas.

## VII. DAFTAR PUSTAKA
[1]     Sujatmoko.  B,  Ashari.  M,  Hery.  Mauridhi,  “ Universal  Algorithm Control  for  Asymmetric  Cascaded  Multilevel  Inverter ” International Journal  of  Computer  Applications (0975 – 8887)  Volume  10 – No.6, November 2010.
[2] Sujatmoko. B, Ashari. M, Hery. Mauridhi, “ Improved Voltage Of Cascaded Inverters Using Sine Quantization Progression” , 2010.
[3] Hendrik  Vansompel,  P.  Sergeant,  Luc  Dupré,  A.  Van  den Bossche,“Axial-Flux PM Machines With Variable Air Gap ,” in IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol. 61, NO. 2 , Feb 2014.
[4] Ahmed Hemeida, Peter Sergeant, “Comparison of Methods for Permanent Magnet Eddy Current Loss Computations With and Without Reaction Field Considerations in Axial Flux PMSM,” IEEE Transactions on Magnetics, 2015
[5] Sreeju  S.  Nair,  S.  Nalakath,  “Design  and  Analysis  of  Axial  Flux PermanentMagnet  BLDC  Motor  for  Automotive  Applications,”  in IEEE International Electric Machines & Drives Conference, 2011.
[6] T.  D.  Nguyen,  “Loss  Study  of  a  Novel  Axial  Flux  Permanent Magnet,“,”  in IEEE  International  Electric  Machines  &  Drives Conference, 2011.
[7]   Yilmaz,  Kurtuluş,”Comparison  Of  Axial  Flux  And  Radial  Flux Brushless  Dc  Motor  Topologies  For  Control  Moment  Gyroscope Wheel Applications,” Middle East Technical University, 2009
[8] Jacek  F.  Gieras,  Rong-Jie  Wang,  Maarten  J.  Kamper.  Axial  Flux Permanent  Magnet  Brushless  Machines,  Second  Edition.  Springer. 2008
[9] Hendrik  Vansompel,  “Design  of  an  Energy  Efficient  Axial  Flux Permanent Magnet Machine”. Universiteit Gent, 2013.
[10]  Seyyed Mehdi Mirimani, “Study the Influence of Air-gap Variation on Axial  Forces  in  Axial  Flux  Permanent  Magnet  Motor  Using  3D- FEM”. University of Cassino and Southern Latium , 2012.
[11] Gd.  Bayu  A.  Janardana,  “Desain  Dan  Analisis  Motor  Axial  Flux Brushless  DC  Berbasis  3D  Finite  Element  Method  Untuk  Aplikasi Kendaraan Listrik,” Institut Teknologi Sepuluh Nopember , 2015