## SIMULASI EFISIENSI MOTOR LISTRIK AXIAL BLDC DENGAN BAHAN SOFT MAGNETIK VARIASI KOMPAKSI DAN PERLAKUAN PANAS MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK ANSYS MAXWELL
Rino Herwangga 1 , Muh Nizam 1 , Miftahul Anwar 1 1 Teknik Mesin – Universitas Sebelas Maret e-mail address : Rino.herwangga@yahoo.com
Keywords :
Soft  Magnetic    Composite, VSM,  Ansys  Maxwell,  Rmxprt, Efficiency of electric motor.

## Abstrak :
The  research  was  conducted  to  determine  the  efficiency  of  electric motors  with  soft  magnetic  composite  and  laminate  by  used  software Ansys Maxwell. Soft magnetic composite material which was given 4, 5, and 6 tons of compaction pressure from previous research performed to fill  the  input  data  on  electric  motor  efficiency  simulation.  The  used datas  were  hysterisis  curve  which  are  resulted  of  VSM  (Vibrating Sample  Magnetometer)  testing.  Ansys  Maxwell  Rmxprt  was  used  to simulate  efficiency  of  electric  motor.  The  results  of  Ansys  Maxwell Rmxprt simulation were a relation curve between the efficiency and the rotation  of  the  electric  motor.  The  results  simulation  of  efficiency electric  motor  using  soft  magnetic  composite  core  furthermore compared to the efficiency value of electric motor using laminate core. The  results  showed  that  the  efficiency  value  of  electric  motor  with  soft magnetic composite with compacting pressure 4, 5 and 6 tons was 89,94 %,  89,97  %,  and  90,62  %  respectively.  Efficiency  value  of  electric motor with core laminate material was 91,22 %. The simulation showed that  the  value  of  a  compaction  pressure  given  on  soft  magnetic composite  material  affect  on  the  efficiency  of  electrical  motor.  As  a conclusion  of  this  research  that  the  efficiency  value  of  electric  motor trend increase with the value of compacting pressure on the material.

## PENDAHULUAN
Dalam perkembangan zaman saat ini pemanfaatan  magnet  sangat  banyak,  salah  satunya pada  motor.  Dalam  suatu  rangkaian  motor  terdapat dua fungsi magnet, yaitu pada permanent magnet dan soft  magnetic . Permanent  magnet adalah  magnet yang sifat kemagnetannya tetap (terjadi dalam waktu yang relatif lama). Magnet ini berupa jenis besi yang disebut  Lodstone.  Sifat  atom  magnet  tetap  tidak sama  dengan  sifat  atom  magnet  tidak  tetap.  Pada bahan  magnet,  garis  edar  elektron  pada  atom  yang satu  dan  lainnya  membentuk  formasi  yang  sejajar dan  selalu  tetap.  Sedangkan  pada  bahan yang  bukan magnet,  arah  garis  edar  elektron  pada  setiap  atom tidak  teratur.  Dan soft  magnet adalah  suatu  bahan yang hanya dapat menghasilkan medan magnet yang bersifat  sementara.  Menghasilkan  magnet  dengan cara  dialiri  listrik  atau  dengan  digosok-gosokkan dengan  magnet  alam.  Agar  medan  magnet  yang dihasilkan  cukup  kuat,  kumparan  diisi  dengan  besi atau  bahan  sejenis  besi  dan  sistem  ini  disebut electromagnet.
Soft  magnet merupakan  pilihan  yang  tepat untuk  penggunaan  pada  arus  bolak-balik  atau frekuensi tinggi, karena soft magnet bisa mengalami magnetisasi dan dapat di demagnetisasi berulang kali selama selang satu detik. Pada umumnya soft magnet terbuat  dari  bahan  utama  serbuk  Fe.  Kemurnian  Fe sangat  berpengaruh  terhadap  sifat-sifat  kemagnetan seperti  koersivitas  dan    permeabilitas.    Semakin tinggi  kemurnian  Fe  akan  berpengaruh  pada permeabilitasnya yang juga semakin tinggi.
Penelitian  ini  dilakukan  untuk  mengetahui kinerja soft  magnetic dengan  bahan  serbuk  besi  dari Fe  murni  dengan  metode  metalurgi  serbuk  dengan mempertimbangkan  polaritas,  permeabilitas,  rugi- rugi  dan  menekan  biaya  produksi.  Penelitian  ini dilakukan  dengan  perlakuan annealing .  Setelah  itu hasilnya  dilihat  struktur  mikronya  dan  juga  uji  sifat magnetiknya.
Dalam penelitian komponen soft magnetic pada motor  listrik,  percobaan  yang  terbaik  adalah langsung  pada  sistem  nyata,  tetapi  dalam  suatu masalah yang cukup rumit, hal ini memerlukan
tenaga, biaya besar dan waktu yang relatif lama jika eksperimen  dicoba  secara  real.  Oleh  karena  itu simulasi  dibutuhkan  untuk  mempermudah  suatu penelitian  dan  untuk  mengurangi  resiko  kegagalan pada  penelitian  itu  sendiri.  Simulasi  merupakan suatu  teknik  meniru  operasi-operasi  atau  proses- proses  yang  terjadi  dalam  suatu  sistem  dengan bantuan  perangkat  komputer.  Dengan  melakukan simulasi  ini  dalam  waktu  singkat  dapat  menentukan parameter  yang  tepat  serta  dengan  biaya  yang  tidak terlalu  besar  karena  semuannya  cukup  dilakukan dengan  komputer.  Salah  satu  perangkat  lunak  yang bisa mensimulasikan soft magnetic pada motor listrik adalah Ansys  Maxwell .  Dengan  menggunakan perangkat lunak Ansys Maxwell kita dapat mengetahui  hasil  efisiensi  pada  motor  listrik. Ansys Maxwell memang  khusus  untuk  menganalisa  suatu motor  listrik,  aktuator,  transformer,  dan  lilitan. Sehingga  kita  bisa  mengetahui  dan  menganalisa bahan soft magnetic terhadap efisiensi motor listrik.

## METODOLOGI PENELITIAN
Pada  penelitian  ini  dilakukan  proses  simulasi untuk  mengetahui  efisiensi  motor  listrik  Axial BLDC dengan menggunakan perangkat lunak Ansys Maxwell .  Penelitian  ini  dilakukan  pada  bagian soft magnetic dengan  bahan laminate dan  variasi kompaksi 4, 5, 6 ton yang telah diberikan perlakuan annealing  dengan  suhu  600ºC.  Bahan  magnetik lunak  dibuat  menggunakan  serbuk  besi  dan epoxy pengikat.  Rasio  serbuk  besi  dan  epoxy  adalah  5% volume epoxy. Data  pada  proses  simulasi Ansys Maxwell didapat  dari  pengujian  VSM  ( Vibrating Sample  Magnetometer )  dengan  pembacaan  dari kurva histerisis.

## HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian VSM (Vibrating Sample Magnetometer)
Pengujian  VSM  dilakukan  di  Pusat  Sains  dan Teknologi  Bahan  Maju  –  BATAN.  Pengujian dilakukan  pada  empat  sampel  bahan  diantaranya: bahan laminate , bahan serbuk besi dengan kompaksi 4, 5 dan 6 ton. Untuk menentukan magnet tergolong pada  jenis soft-magnetic atau hard-magnetic dapat dilihat  dari  besarnya  nilai  koersivitas.  Koersivitas atau  gaya  koersivitas  yaitu  medan  gaya  yang diperlukan  untuk  menghilangkan  induksi  remanen setelah  melalui  proses  induksi  elektromagnetik. Berikut  ini  adalah  kurva  histerisis  bahan  hasil pengujian VSM.

## Gambar 1. Kurva Histerisis Uji VSM Spesimen
Laminate
Gambar 2. Kurva Histerisis Uji VSM Spesimen Soft- Magnetic Composite dengan Tekanan Kompaksi 4 Ton .
Gambar 3. Kurva Histerisis Uji VSM Spesimen Soft- Magnetic Composite dengan Tekanan Kompaksi 5 Ton.
Gambar 4. Kurva Histerisis Uji VSM Spesimen Soft- Magnetic Composite dengan Tekanan Kompaksi 6 Ton.
Volume 17 Nomor 2 September 2018
Untuk  bahan  yang  memiliki  koersivitas  yang besar  ( 𝐻𝑐 >  1  kA/m )  disebut hard-magnetic, sedangkan  untuk  bahan  yang  memiliki  koersivitas kecil  ( 𝐻𝑐 <  1  kA/m )  disebut soft-magnetic. Kurva histerisis  hasil  pengujian  VSM  yang  diperoleh  dari spesimen laminate ,  4  ,  5,  6  ton  tergolong  pada soft- magnetic material. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 1. dengan kurva histerisis yang cenderung kurus dan nilai medan koersivitas ( Hc ) lebih kecil dari 1 kA/m yaitu  sebesar Hc =  -2,70  kA/m.  Sedangkan  untuk besarnya nilai induksi saturasi ( Bs ) adalah 3,41 Tesla dan  induksi  remanen  ( Br )  nilainya  0,068  Tesla. Spesimen laminate memiliki  nilai  permeabilitas sebesar 4,09 Wb/Am.
Pada  gambar  2.  yaitu  spesimen  4  ton  memiliki nilai medan koersivitas ( Hc ) lebih kecil dari 1 kA/m yaitu sebesar -4,56 kA/m. Sedangkan untuk besarnya nilai induksi saturasi ( Bs ) adalah 1,53 Tesla, induksi remanen ( Br ) dari spesimen soft-magnetic composite dengan tekanan kompaksi 4 ton sebesar 0,026 Tesla. Spesimen  ini  memiliki  nilai  permeabilitas  sebesar 1,81 Wb/Am.
Pada  gambar  3.  yaitu  spesimen  5  ton  memiliki nilai medan koersivitas ( Hc ) lebih kecil dari 1 kA/m yaitu  sebesar  -6,25  kA/m.  Oleh  karena  itu  kurva histeresis  spesimen soft  magnetic  composite dengan tekanan  kompaksi  5  ton  terlihat  kurus.  Sedangkan untuk besarnya nilai induksi saturasi ( Bs ) adalah 1,62 Tesla  dan  induksi  remanen  ( Br )  dari  spesimen soft- magnetic composite dengan tekanan kompaksi 5 ton sebesar  0,029  Tesla.  Spesimen soft  magnetic composite dengan  tekanan  kompaksi  5  ton  ini memiliki nilai permeabilitas sebesar 1,91 Wb/Am.
Pada  gambar  4.  nilai  medan  koersivitas  ( Hc ) lebih  kecil  dari  1  kA/m  yaitu  sebesar  -6,28  kA/m. Oleh  karena  itu  kurva  histeresis  spesimen soft magnetic  composite dengan  tekanan  kompaksi 6  ton terlihat  kurus.  Sedangkan  untuk  besarnya  nilai induksi  saturasi  ( Bs )  adalah  1,89  Tesla  dan  induksi remanen ( Br ) dari spesimen soft-magnetic composite dengan tekanan kompaksi 6 ton sebesar 0,041 Tesla. Spesimen  ini  memiliki  nilai  permeabilitas  sebesar 2,37  Wb/Am.  Nilai  permeabilitas  didapatkan  dari rumus  Permeabilitas  magnetik  ( µ r )  =  Permeabilitas bahan  ( µ )  /  Permeabilitas  udara  ( µ 0 ) . Dapat  dilihat bahwa  setiap  penambahan  nilai  kompaksi  pada spesimen soft magnetic composite dapat meningkatkan  nilai  induksi  magnetik  ( B ).  Hal  ini disebabkan  oleh  semakin  tinggi  gaya  tekan  atau kompaksi  yang  diberikan  pada  serbuk  maka  ikatan butiran partikel bahan menjadi semakin kuat
sehingga  jarak  antar  partikel  menjadi  semakin  rapat atau semakin kecil. Seiring dengan semakin rapatnya jarak  antar  partikel  maka  kandungan  resin  yang terdapat  dalam  spesimen  semakin  berkurang. Sehingga spesimen mudah untuk menerima induksi.
Gambar 5. Grafik hubungan antara B dan H pada spesimen laminate, spesimen soft magnetic composite dengan nilai tekanan kompaksi 4 ton, spesimen soft magnetic composite dengan nilai tekanan kompaksi 5 ton, spesimen soft magnetic composite dengan nilai tekanan kompaksi 6 ton.
Pada  Gambar  5.  di  atas,  dapat  dilihat  bahwa induksi  magnetik  ( B )  spesimen laminate nilainya lebih  tinggi  dibandingkan  dengan  nilai  induksi magnetik spesimen soft magnetic composite . Menurut  Levebre  (1997)  kandungan  resin  yang terdapat  pada  spesimen soft  magnetic  composite dapat  menghambat  proses  induksi  magnet.  Resin dapat  menghambat  induksi  magnet  karena  resin termasuk  ke  dalam  bahan  insulator.  Insulator  adalah materi  yang  dapat  mencegah  penghantaran  muatan listrik.  Oleh  sebab  itu  nilai  induksi  magnetik  bahan laminate lebih  tinggi  dibandingkan  induksi  magnet bahan soft  magnetic  composite karena  bahan laminate tidak memiliki kandungan resin.

## Analisa Efisiensi Motor Listrik
Pada  penelitian  ini  dianalisa  pengaruh soft magnetic  composite terhadap  efisiensi  motor  listrik. Analisa  efisiensi  motor  listrik  didapatkan  dari simulasi Ansys  Maxwell dengan  mengubah  propertis bahan  dari  material  yang  ada  pada  simulasi  dan menggantinya dengan bahan soft magnetic composite. Data  yang  didapatkan  dari  pengujian VSM  berupa  data B dan H . B adalah  induksi magnetik yang dihasilkan. H adalah medan magnetik yang diperlukan untuk menginduksi B . Data tersebut kemudian  dimasukkan  ke  dalam  simulasi Ansys Maxwell .
Gambar 6. Simulasi bahan laminate
Gambar 7. Simulasi bahan soft magnetic kompaksi 4 ton
Gambar 8. Simulasi bahan soft magnetic kompaksi 5
ton
Gambar 9. Simulasi bahan soft magnetic kompaksi 6 ton
Berdasarkan  Gambar  diatas  hasil  dari  simulasi elektromagnetik  didapatkan  efisiensi  motor  listrik dengan  tren  yang  meningkat  setiap  penambahan kompaksi  pada  material soft  magnetic  composite . Semakin  besar  nilai  tekanan  kompaksi  pada spesimen soft  magnetic  composite maka  nilai efisiensi motor listrik akan meningkat. Spesimen soft
magnetic  composite dengan  kompaksi  4,  5,  6  ton memiliki  efisiensi  motor  listrik  sebesar  89,94  %, 89,97  %,  dan  90,62  %.  Sedangkan  untuk  efisiensi motor listrik bahan laminate sebesar 91,22 %.
Gambar 10. Grafik pengaruh tekanan kompaksi terhadap nilai efisiensi motor listrik
Dari  gambar  10.  dapat  dilihat  spesimen  dengan tekanan kompaksi 6 ton nilai efisiensinya mendekati spesimen laminate. Dengan  tren  yang  terlihat  terus meningkat,  nilai  efisiensi  motor  listrik  bahan soft magnetic  composite bisa  lebih  baik  dari  bahan laminate apabila nilai tekanan kompaksi lebih dari 6 ton. Hanya saja karena cetakan yang digunakan tidak mampu  menerima  beban  kompaksi  lebih  dari  6  ton. Menurut  [3],  meningkatnya  efisiensi  seiring  dengan penambahan  tekanan  kompaksi  pada  tiap  bahan soft magnetic  composite disebabkan  oleh  semakin kecilnya  kerugian  arus  eddy  pada  tiap  spesimen. Rugi  arus  eddy  adalah  rugi  yang  disebabkan  oleh terjadinya  arus  pusar  yang  arahnya  berputar-putar didalam inti lilitan. Spesimen laminate memiliki arus pusar  yang  relatif  besar.  Oleh  karena  itu  untuk meminimalkan arus pusar yang dihasilkan, spesimen dibuat  dari  bahan  serbuk  yang  bertujuan  untuk memecah induksi arus eddy.
Berkurangnya  kerugian  arus  eddy  pada  setiap spesimen soft  magnetic  composite menyebabkan core loss pada motor listrik menjadi berkurang.
Tabel 1. Core loss pada motor listrik. No. Material Core Loss (W) 1 Laminate 3,3092 2 Kompaksi 4 ton 3,3089 3 Kompaksi 5 ton 3,3086 4 Kompaksi 6 ton 3,3045
Core loss adalah rugi-rugi yang terdapat pada inti lilitan  motor  listrik. Core  loss pada  motor  listrik berkurang  seiring  dengan  meningkatnya  nilai tekanan  kompaksi  pada  spesimen.  Efisiensi  motor listrik  akan  meningkat  seiring  berkurangnya core loss . Sehingga dapat disimpulkan dengan
Volume 17 Nomor 2 September 2018
berkurangnya  kerugian  akibat  arus  eddy  maka core loss pada  motor  listrik  akan  berkurang  dan menyebabkan  nilai  efisiensi  motor  listrik  akan meningkat. menunjukkan bahwa semakin bertambah tekanan  kompaksi  pada  spesimen soft  magnetic composite ,  maka core  loss pada  motor  listrik semakin menurun.

## KESIMPULAN
Berdasarkan  analisis  data  dan  pembahasan mengenai  pengaruh  proses  pembuatan soft  magnetic composite dengan tekanan kompaksi sebesar 4, 5 dan 6  ton  terhadap  efisiensi  motor  listrik  dapat  diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Pengaruh soft  magnetic dari  serbuk  besi terhadap efisiensi motor listrik dapat disimulasikan  dengan  perangkat  lunak Ansys Maxwell .
2. Hasil simulasi bahan serbuk besi dengan variasi tekanan  kompaksi  sebesar  4,  5  dan  6  ton efisiensinya  cenderung  meningkat  berturut- turut  sebesar  89,94  %,  89,97  %,  dan  90,62  %. Hal  ini  didukung  dengan  berkurangnya  nilai core loss dan meningkatnya nilai permeabilitas bahan.
3. Hasil  dari  penelitian  dan  simulasi  yang dilakukan  dengan  bahan  serbuk  besi  variasi tekanan  kompaksi  sebesar  4,  5  dan  6  ton efisiensinya  masih  dibawah  bahan  laminate. Hal  ini  dikarenakan  kandungan  resin  yang terdapat  pada  material  dapat  menghambat proses induksi magnetik.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Afza dan Erini,  “Pembuatan Magnet Permanen Ba-Heksaferit ( BAO.6Fe2O3) Dengan
Metode  Koopresipitasi  dan  Karakteristiknya. (Studi  Kasus  di  Lembaga  Ilmu  Penelitian Indonesia,  Jakarta).” Skripsi  Program  Sarjana S-1 Sumatera Utara , Medan, 2011.
[2] Asyer dan paulus. Pengaruh Tekanan Kompaksi  dan  Waktu  Penahanan  Temperatur Sintering Terhadap Sifat Magnetik dan Kekerasan Pada Pembuatan Iron Soft Magnetic Dari  Serbuk  Besi. Surabaya  :  Jurusan  Teknik Mesin FTI-ITS, 2007.
[3] Yicheng Chen , “Axial-flux PM Wind Generator with A Soft Magnetic Composite Core , ” FIEEE Department of Electrical & Computer Engineering,  Clarkson  University ,  New  York, 2005.
[4] Dharmawan,  “Pengendalian  Motor  Brushless DC dengan Metode PWM Sinusoidal Menggunakan  Atmega16,” Fakultas  Teknik Jurusan  Teknik  Elektro ,  Universitas Indonesia. 2009.
[5] Ilhan  Tarımer,  “Investigation  of  the  Effects  of Rotor Pole Geometry and Permanent Magnet to
Line Start Permanent Magnet
Synchronous Motor’s Efficiency,” ELECTRONICS AND ELECTRICAL ENGINEERING ISSN 1392 – 1215, vol. 90, no. 2 , 2009
[6] Giancoli,  “Book  Physics:  Principles  with Applications,  6th  edition,” Pearson  Prentice Hall United States , 2006.
[7] L.  P.  Levebvre,  S.  Pelletier,  dan  C.  Gelinas, “Effect of electrical resistivity on core losses in soft  magnetic  iron  powder  materials,” J.  of Magnetism  and  Magnetic  Mater., vol.  176,  pp. L93 L96, 1997.
[8] Jung.  Tae-Uk,  “Low  Cost  Design  Study  of Brushless  DC  Motor  for  Electric  Water  Pump Application,” J.  Electro  Eng.  Technol. ,  vol.  9, no. 3, pp. 942-949, 2014.
[9] T.  Takegami,  K.  Tsuboi,  M.  Hasegawa,  I. Hirotsuka,  and  M.  Nakamura.,  "Calculation method for asynchronous starting characteristics  of  line-start  permanent  magnet synchronous  motor ,"  International  Conference on Electrical Machines and Systems, pp. 1137- 1142, 2010.
[10] Wu.  Yi-Chang  “Magnetic  field  analysis  of  a coaxial  magnetic  gear  mechanism  by  two- dimensional equivalent magnetic circuit network  method  and  finite-element  method,” journal,
[Online] Tersedia:
www.elsevier.com/locate/apm .
[11] William  D.  Callister.  “  Materials  Science  and Engineering  and  Introduction”,  Eigth  edition  - John Wiley & Sons, Inc., 1994.
[12] Huang.  Yunkai,  “Design  and  Analysis  of  a High-Speed  Claw  Pole  Motor  with  Soft Magnetic  Composite  Core,” IEEE, Beijing, China, 2007.