## RANCANG  BANGUN  GENERATOR  FLUKS  AKSIAL MAGNET  PERMANEN  SATU  FASA  12  KUTUB  DENGAN STATOR GANDA
Muhammad Khairul Amri Rosa 1* , Jorinaldi 2 , Humiras Feryanson Sianipar 3
1,2 Program Profesi Insinyur Sekolah Pascasarjana Universitas Andalas; Kampus Limau Manis, Padang, Sumatera Barat
3 Program Studi Teknik Elektro Universitas Bengkulu
Riwayat artikel: Received: 20 Juli 2023 Accepted: 12 Agustus 2023 Published: 11 September 2023
Keywords: generator fluks aksial, satator ganda, variasi celah udara.
Corespondent Email: amri@unib.ac.id
Abstrak. Pada  penelitian  ini  dikembangkan  desain  generator  magnet permanen satu fasa fluks aksial dengan stator ganda untuk meningkatkan daya yang dibangkitkan oleh generator. Generator didesain menggunakan 12 kutub sehingga  dapat  digunakan  pada  pada  putaran  rendah  yang  biasanya  dapat dihasilkan  oleh  sumber-sumber  energi  terbarukan.  Desain  generator  yang dikembangkan pada penelitian ini terdiri dari 2 piringan cakram berbahan besi (Fe) sebagai rangka stator sekaligus inti jangkar dan piringan rotor berbahan besi dengan magnet 12 permanen jenis neodymium (NdFeb) dengan susunan U-S yang ditanamkan pada slot yang dicetak pada inti  ditempatkan diantara dua jangkar. Pada tiap inti jangkar masing-masing dipasangkan 12 kumparan kumparan.  Dari  hasil  pengujian  tanpa  beban,  tegangan  output  generator generator berubah secara linier dengan perubahan lebar celah udara. Dari hasil pengujian  pada  putaran  160  rpm,  dihasilkan  tegangan  output  tanpa  beban sebesar 35,73 volt dan menurun secara linier dengan pertambahan lebar celah udara. Pada putaran 500 rpm, generator membangkitkan tegangan sebesar 87,6 volt  pada  frekuensi  50  Hz.  Dari  hasil  pengujian,  daya  maksimum  yang dihasilkan oleh generator berbanding lurus dengan pertambahan kecepatan.
Abstract. In this research, the design of a single-phase axial flux permanent magnet  generator  with  double  stator  was  developed  to  increase  the  power produced by the generator. The generator is designed using 12 poles that can be  used  at  low  speed  which  can  usually  be  produced  by  renewable  energy sources. The design of the generator developed in this study consists of 2 discs made of iron (Fe) as the stator frame as well as the anchor core and a rotor disk made of iron with 12 permanent magnets of the neodymium (NdFeb) type with a U-S arrangement implanted in a slot printed on the core placed between the two anchors. At each anchor core each 12 coils are paired. From the no- load test results, the generator output voltage changes linearly with changes in the width of the air gap. From the test results at 160 rpm, the no-load output voltage is 35.73 volts and decreases linearly with the increase in the width of the air gap. At 500 rpm, the generator generates a voltage of 87.6 volts at a frequency of 50 Hz. From the test results, the maximum power generated by the generator is directly proportional to the increase in speed.

## 1. PENDAHULUAN
Kebutuhan  akan  energi  listrik  global meningkat  tajam  dalam  beberapa  dekade terakhir  seiring  dengan  perkembangan  dunia
industri  dan  bertambahnya  jumlah  penduduk dunia. Ketergantungan terhadap sumber energi fosil  masih  sangat  tinggi  namun  cadangannya semakin berkurang dari waktu ke waktu, selain
itu,  gas  buang  hasil  pembakaran  juga  dapat mencemari lingkungan [1].
Secara  global,  penggunaan  sumber  energi fosil  secara  intensif  mulai  dialihkan  kepada sumber-sumber  energi  terbarukan.  Sumber energi terbarukan adalah sumber energi ramah lingkungan  yang  tidak  mencemari  lingkungan dan  tidak  memberikan  kontribusi  terhadap perubahan iklim dan pemanasan global seperti pada sumber-sumber tradisional lain [2].
Kendala dalam pemanfaatan sumber-sumber energi  terbarukan  adalah  kontinuitas  dan kestabilan  suplai  yang  tidak  konstan  dan kecepatan  yang  rendah.  Kestablilan  putaran dapat  dicapai  dengan  penggunaan  sistem transmisi  mekanik  menggunakan gearbox [3] atau belt dan pulley ,  namun  penggunaan transmisi  ini  dapat  menyebabkan  losses  dan menurunkan efisiensi generator. Hal ini karena penggunaan  system  transmisi  seperti belt dan pulley akan menimbulkan slip yang menyebabkan  penurunan  daya  atau  putaran sehingga hasil yang diproduksi akan menurun, akibatnya  terjadi  kerugian  produksi  dan pemiliharaan akan bertambah [4].
Pada  penelitian  sebelumnya  telah  diteliti pengaruh  kecepatan  rotor  terhadap  arus  pada tegangan konstan pada generator axial flux satu fasa  yang didesain dengan konfigurasi magnet neodymium dengan  kutub  searah  (U-U)  [5]. Hasil  simulasi  pemodelan  variasi  celah  udara pada  generator  fluks  aksial  memperlihatkan bahwa lebar celah udara yang rapat meningkatkan  daya  output  generator  [6]. Tetapi, dibutuhkan teknologi manufaktur yang tinggi  untuk  menghasilkan  lebar  celah  udara yang  kecil.  Pada  penelitian  ini  output  terbesar dihasilkan dengan kumparan tanpa inti.
Penelitian lainnya mengembangkan generator  axial  1  fasa  rotor  ganda  dengan  16 magnet pada masing-masing rotor.
Menggunakan  9  kumparan  dengan  220  lilitan per kumparan, dihasilkan pengaturan tegangan yang besar generator ketika dibebani mencapai lebih dari 50% [7].
Merujuk kepada beberapa penelitian sebelumnya, pada penelitian ini dikembangkan desain  dan  manufaktur  generator  magnet permanen  fluks  aksial  1  fasa  dengan  stator ganda  dan  magnet  permanen  yang  ditanam dalam  inti  rotor  dengan  susunan  U-S.  Proses manufaktur generator dilakukan secara sederhana menggunakan plasma cutting.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Ggl  induksi  dibangkitkan  ketika  kumparan generator dipotong fluks magnet yang berubah waktu, dan besarnya ggl dipengaruhi oleh laju perubahan  fluks  per  satuan  waktu  yang  mana dapat diperoleh dengan mengatur putaran rotor [8]. Selain putaran, ggl induksi juga ditentukan magnitud  fluks  magnetik  yang  menginduksi kumparan rotor. Magnitud fluks magnetik dapat diatur dengan kuat arus yang diberikan kepada kumparan  [9].  Prinsip  kerja  generator  ini didasarkan pada hukum Faraday.
Generator  magnet  permanen  fluks  aksial atau  axial  flux  permanent  magnet  generator (AFPMG) membangkitkan energi listrik dengan  arah  aliran  fluks  secara  tegak  lurus. Generator  fluks  aksial  telah  dikembangkan dalam berbagai variasi desain diantaranya stator dengan  inti  besi  berbentuk  torus,  stator  tanpa inti besi, dan jumlah gulungan. Sedangkan rotor terdiri  dari  tatakan  penyanggah  magnet permanen  yang  direkatkan  atau  ditanamkan pada  piringan  plat.  Nilai-nilai  parameter pemagnetan  pada  generator  dapat  dihitung menggunakan  persamaan-persamaan  berikut [10].
Φ max = A magn x B max (1)
𝐴 𝑚𝑎𝑔𝑛 = 𝜋(𝑟 𝑜 2 −𝑟 𝑖 2 )−𝜏𝑓(𝑟 𝑜 −𝑟 𝑖 )𝑁 𝑚 𝑁 𝑚 (2)
𝐵 𝑚𝑎𝑥 = 𝐵 𝑟 𝐼 𝑚 𝐼 𝑚 +𝛿 (3)
Prinsip kerja AFPMG hampir sama dengan generator pada umumnya. Perbedaan utamanya terdapat  pada  arah  medan  magnetiknya. Tegangan  akan  terinduksi  pada  konduktor, apabila konduktor tersebut bergerak relatif pada medan magnet sehingga memotong garis-garis gaya magnet. Konstruksi generator diperlihatkan pada Gambar 1 [11].
Stator pada AFPMG ada yang menggunakan inti  besi  dan  ada  yang  tanpa  inti  besi.  Stator tanpa  inti  besi  biasanya  digunakan  untuk putaran  rendah  dan  torsi  beban  yang  rendah. Ketiadaan ini besi bertujuan untuk meminimalisir karena efek coging torque, yakni efek tarik menarik antara inti besi dan magnet permanen  pada  generator  [6,  12].  Terdapat  2 susunan kumparan stator yaitu overlapping dan non-overlapping [13] seperti Gambar 2.

## Gambar 2 Susunan kumparan Stator AFPMG
Untuk menentukan parameter desain AFPMG,  jarak  magnet  ( Tf )  dan  keliling  rotor ( Kr ) dapat dihitung menggunakan persamaan:
𝑇𝑓 = sin 30  ×  𝑏 (4) 𝐾𝑟 = (𝑇𝑓. 𝑝) + (𝑎. 𝑝) (5)
dimana  a  adalah  lebar  magnet  dan  p  jumlah magnet.
Tegangan  yang  terinduksi  pada  jangkar dapat dihitung menggunakan persamaan [10]
𝐸 𝑖𝑛𝑑 = 4,44. 𝑁. 𝑓. 𝜙 𝑚𝑎𝑥 . 𝑁 𝑠 /𝑁 𝑝ℎ (6)
3. METODE PENELITIAN

## 3.1. Penentuan nilai parameter AFPMG
Penelitian  ini  dimulai  dengan  membuat desain  AFPMG  untuk  menentukan  parameter generator.  Desain  yang  dibuat  diperlihatkan Gambar 3.
Dengan  menggunakan  12  magnet  silinder diameter 3,9 cm berdasarkan Persamaan (4) dan (5) diperoleh keliling rotor sebesar 70,8 cm dan jarak magnet 2 cm. Dari Persamaan (1) sampai (3), diperoleh luas sapuan magnet sebesar 1,6 x 10 -3 m 2 dan  rapat  fluks  maksimum  0,56  T sehingga  fluks  magnetik  adalah  9,023  x  10 -4 Wb.
Berdasarkan  perhitungan  parameter  desain, didapatkan  spesifikasi  desain  generator  fluks aksial magnet permanen sebagaimana diberikan pada Tabel 1.
Gambar 3. Model desain generator
Tabel 1. Spesifikasi Desain Generator Magnet
Permanen Fluks Aksial Satu Fasa Parameter Satuan Nilai Spesifikasi Mekanik Diameter stator cm 29 Diameter rotor cm 30 Tebal piringan stator mm 3 Tebal piringan rotor mm 3 Keliling rotor cm 70,8 Besi as mm 15 Baut stator mm 12 Lubang rotor cm 4 Lubang baut stator mm 12 Diameter kawat mm 0,8 Jumlah magnet 12 Spesifikasi Elektrik Putaran Rpm 100 Tegangan (no load) volt 46,86 Frekuensi Hertz 1,6 Jumlah dan panjang kumparan buah / m 24/18,8 Jumlah lilitan - 7200 Tahanan kumparan Ohm 25 Jumlah magnet 12 Kerapatan fluks magnet Wb/m 2 1,32 Fluks maksimum Wb 9,023.10 -4 Jarak magnet cm 2 Radius dalam magnet cm 9,5 Radius luar magnet cm 13,5 Diameter magnet cm 3,9 Tebal magnet cm 0,37

## 3.2. Proses manufaktur generator
Dari parameter desain yang telah ditetapkan, proses  pembuatan  generator  dilakukan  dengan terlebih dahulu membuat model 3D dari bagian- bagian  yang  akan  dibuat  menggunakan software Inventor  (Gambar  4).  Selanjutnya dilakukan  proses  pembentukan  rangka  stator, dudukan kumparan dan rotor menggunakan plat besi 3 mm dengan plasma cutting .
Gambar 4. Desain 3D stator dan rotor

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Proses  pembentukan  generator  dilakukan dengan plasma  cutting seperti  terlihat  pada Gambar 5 dan hasil rangka generator yang telah terbentuk dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 5 Proses pemotongan plat besi

## Gambar 6 Rangka generator yang terbentuk

## 4.1. Pengujian tanpa beban
Pengujian ini bertujuan untuk mendapatkan besaran nilai tegangan keluaran generator pada saat  tidak  dibebani  dengan  menggunakan  12 kutub  magnet  yang  terletak  pada  bagian  rotor dan  24  kumparan  pada  kedua  sisi  stator generator yang dirancang. Pengujian dilakukan dengan memutar generator menggunakan motor DC  sebagai  penggerak  mula  ( prime  mover ) dengan  variasi  kecepatan  generator  20  sampai dengan 160 rpm dengan kelipatan 20 rpm dan variasi jarak celah udara yakni 0,5 cm, 1,0 cm, dan 1,5 cm. Hasil pengujian tegangan keluaran tanpa beban pada Tabel 2
Tabel 2 Data pengujian tanpa beban Celah Udara (cm) Putaran (rpm) Tegangan (V) Frekuensi (Hz) 0,5 20 5,34 2,133 40 11,45 3,926 60 16,07 5,88 80 21,02 7,92 100 24,45 10,09 120 28,26 12,05 140 32,5 13,98 160 35,73 15,96 1 20 4,3 2,064 40 9,48 4,051 60 13,09 6,03 80 16,15 8,02 100 19,33 10,04 120 22,42 12,03 140 25,59 14,04 160 28,86 16,01
1,5 20 3,43 2,075 40 6,68 4,041 60 9,76 5,9 80 12,05 8,03 100 15,77 10,07 120 17,73 11,93 140 20,46 14,03 160 22,64 16,04
Berdasarkan  data  pada  pengujian  tanpa beban,  dibentuk  grafik  karakteristik  generator pada  3  variasi  celah  udara.  Grafik  pengujian generator pada keadaan tanpa beban diperlihatkan Gambar 7 dan 8.
Gambar  7  Grafik  tegangan  output  pada pengujian tanpa beban
Gambar  8  Grafik  hubungan  putaran  terhadap frekuensi
Dari  Gambar  7,  karakteristik  tanpa  beban terlihat  bahwa  tegangan  output  generator bertambah  secara  linier  dengan  perubahan kecepatan.  Semakin  rendah  lebar  celah  udara, tegangan  output  juga  menjadi  semakin  besar. Tegangan output paling besar dihasilkan ketika lebar celah udara 0,5 cm atau lebar celah udara terendah  pada  kecepatan  aktual  159,7  rpm sebesar  35,73  Volt.  Proses  manufaktur  yang masih  sederhana  menyebabkan  lebar  celah
udara sulit untuk dikurangi lagi. Dengan proses manufaktur  yang  lebih  baik  dan  lebih  presisi dimungkinkan  pembangkitan  tegangan  yang lebih tinggi dengan lebar celah udara yang lebih kecil.  Gambar  8  memperlihatkan  frekuensi output  generator  berbanding  lurus  dengan putaran dan tidak dipengaruhi celah udara.

## 4.2. Pengujian Hubung Singkat
Pengujian ini dilakukan untuk mendapatkan rating  nilai  arus  yang  dapat  dilalui  oleh kumparan generator yang dirancang. Pengujian dilakukan  dengan  memutar  generator  dengan variasi kecepatan dan variasi lebar celah udara. Gambar  9  memperlihatkan  grafik  hasil pengujian hubung singkat.
Gambar 9 Grafik arus hubung singkat
Gambar 9 menunjukkan arus hubung singkat yang  dibangkitkan  oleh  generator  pada  variasi lebar celah udara 0,5 cm, 1 cm, dan 1,5 cm. Dari hasil  pengujian  hubung  singkat  arus  tertinggi dihasilkan  pada  kecepatan  160  rpm  dan  celah udara sebesar 0,5 cm sebesar 0,41 A. Sementara arus  hubung  singkat  terendah  pada  kecepatan 20 rpm dengan jarak celah udara 1,5 cm sebesar 0,02 A. Kenaikan kecepatan menyebabkan arus hubung  singkat  bertambah  secara  linear. Penampang  kawat  pada  kumparan  sebesar  0,8 mm mampu mengalirkan arus maksimum 1,588 A.
4.3. Pengujian berbeban
a. Pengujian dengan variasi tahanan beban Pegujian ini pada lebar  celah  udara  0,5 cm dengan  variasi  kecepatan  untuk  mengetahui pengaruh  pembebanan  tahanan  R  terhadap keluaran  generator.  Grafik  hasil  pengujian dapat dilihat pada Gambar 10.

## Gambar 10 Grafik Pengaruh Tahanan R terhadap Tegangan Terminal Generator
Dari  Gambar  10  terlihat  bahwa  kenaikan beban  menyebabkan  tegangan  terminal  pada beban akan mengalami penurunan, atau terjadi voltage  drop .  Ini  disebabkan  arus  yang bertambah  sehingga  drop  tegangan  ( 𝑉 𝑑𝑟𝑜𝑝 = 𝐼. 𝑅 )  akan  bertambah  sebagai  akibat  reaksi jangkar.
Dari data pengujian berbeban diperoleh daya yang  dihasilkan  generator  pada  berbagai  nilai tahanan beban yang diberikan pada Tabel 3 dan ditampilkan  dalam  dalam  bentuk  grafik  pada Gambar 11.
Tabel 3. Daya yang dibangkitkan generator
Gambar  11  Grafik  kecepatan  terhadap  daya yang dibangkitkan
Berdasarkan  Gambar  11  terlihat  daya  yang dihasilkan  oleh  generator  bertambah  secara kuadratis  dengan  penurunan  tahanan  beban.
Terlihat bahwa daya output sangat dipengaruhi oleh kecepatan putaran.

## b. Pengujian dengan variasi celah udara
Pegujian  ini  dilakukan  dengan  variasi kecepatan dan lebar celah udara dengan tahanan beban  166,7  Ohm.  Grafik  hasil  pengujian berbeban  dengan  variasi  celah  udara  dapat dilihat pada Gambar 12.
Gambar 12 Daya output sebagai fungsi kecepatan pada variasi celah udara
Dari  grafik  terlihat  bahwa  kenaikan  daya output generator bertambah secara eksponensial dengan  bertambahnya  kecepatan  putaran. Gnerator  akan  menghasilkan  daya  yang  besar ketika  penggerak  mula  mampu  memberikan putaran  yang  cukup.  Sedangkan  jika  putaran kurang,  daya  yang  dihasilkan  menurun  secara eksponensial.
Selain faktor kecepatan putaran rotor, faktor penting  lainnya  adalah  lebar  celah  udara. Peningkatan  daya  yang  tinggi  terjadi  ketika lebar celah udara diperkecil dan menghasilkan kurva kecepatan – daya yang kenaikannya lebih tajam.  Oleh  karenanya,  untuk  menghasilkan daya output yang lebih besar diperlukan proses manufaktur  yang  lebih  presisi  sehingga memungkinkan  celah  udara  yang  sekecil mungkin  sehingga  efisiensi  generator  menjadi tinggi. Regulasi Tegangan pada pengujian berbeban  dengan  perubahan  tahanan  beban diperlihatkan Gambar 13.
Gambar 13 Voltage Regulation sebagai fungsi tahanan beban
Dapat  dilihat  pada  grafik  bahwa  regulasi tegangan  memburuk  dengan  bertambahnya beban,  sehingga  ini  menjadi  limit  beban  yang dapat  ditangani  oleh  generator.  Jika  beban terlalu besar, VR akan semakin besar sehingga tidak mampu memberikan tegangan yang cukup kepada beban.

## 4.4. Pengujian Daya Maksimum Generator
Untuk  mendapatkan  daya  maksimum  yang mampu dihasilkan generator, dilakukan pengujian  pembebanan  generator  dengan tahanan beban yang rendah pada putaran lebih tinggi. Pengujian dilakukan dengan lebar celah udara  0,5  cm.  Grafik  hasil  pengujian diperlihatkan Gambar 14.
Gambar  14  Grafik  karakteristik  putaran terhadap daya maksimum generator
Dari  hasil  pengujian  diperoleh  bahwa  daya output  maksimum  generator  berbanding  lurus dengan kecepatan.
Bentuk  gelombang  output  generator  pada beberapa  variasi  kecepatan  diperlihatkan Gambar 15.
Gambar  4.15.  Bentuk  gelombang  output generator
Bentuk  gelombang  output  yang  dihasilkan oleh generator pada berbagai putaran mendekati sinusoidal  murni.  Untuk  menghasilkan  bentuk gelombang  yang  murni  sinusoidal  dapat ditambahkan filter.

## 5. KESIMPULAN
a. Generator  fluks  aksial  magnet  permanen  1 fasa  yang  dikembangkan  telah  mampu membangkitkan energi listrik dengan bentuk gelombang yang hampir mendekati sinusoidal  murni.  Generator  menghasilkan frekuensi 50 Hz pada putaran 500 rpm. b. Tegangan  output  bertambah  secara  linier terhadap perubahan kecepatan dan meningkat secara ekspoensial terhadap lebar celah udara. Lebar celah udara yang semakin kecil  dapat  meningkatkan  daya  output generator  secara  eksponensial,  namun proses manufaktur sederhana yang dilakukan  pada  penelitian  ini  membatasi lebar celah udara yang dihasilkan.
c. Pengujian daya maksimum generator menghasilkan  hubungan  yang  linier  antara kecepatan putaran dan daya maksimum yang dibangkitkan.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Febrianti,  Isra.  2013.  “Sepeda  Pembangkit Listrik Sebagai Sumber Energy Storage”. ETD Unsyiah.
[2] Al  Amin,  M.  2017.  “Sepeda  Statis  Sebagai Pembangkit  Energi  Listrik  Alternatif  dengan Pemanfaatan  Alternator  Bekas”.  Jurnal Edukasi Elektro 1.2.
[3] Napitupulu Alfon, dkk. 2017. “Analisis Sistem Pembangkit  Energi  Listrik  Pada  Sepeda Statis”. Jakarta: Universitas Pancasila.
[4] Siburian,  James  Domu.  2019.  “Analisa  Slip Transmisi  Pulley  dan  V-Belt  pada  Beban Tertentu dengan Menggunakan Motor Berdaya Seperempat HP”. Riau: Universitas Islam Riau
[5] Putri, Alysa Karisma Addina. 2019. “Rancang
Bangun Generator Flux Satu Fasa Menggunakan Neodymium Iron Boron Magnet
(NdFeB) Silinder dengan Kutub Searah (UU)”.
Jember: Universitas Jember.
[6] Prasetijo,  H.,  &  Waluyo,  S.  2015.  “Optimasi Lebar  Celah  Udara  Generator  Axial  Magnet Permanen  Putaran  Rendah  1  Fasa”.  Jurnal Nasional  Teknik  Elektro  dan  Teknologi Informasi (JNTETI), 4(4), 258-262.
[7] Prayogo, R. S. 2019. “Rancang Bangun Model Generator  Aksial  1  Phasa”.  Palembang: Universitas Muhammadiyah Palembang.
[8] Anonim.  2010.  “Sistem  Kelistrikan  dan Elektronika  pada Kendaraan”. Jakarta: Direktorat  Pembinaan  Sekolah  Menengah Kejuruan.
[9] Zuriman,  Anthony.  2010.  “Mesin  listrik  Arus Bolak-Balik”.  Padang:  Program  Studi  Teknik Elektro S1 Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi.
[10] Nakhoda, Y. 2018. “Design And Implementation  Of  Ls-Pmsg  For  Small  Scale
Hydro  Power  Plant”.  Journal  of  Science  and Applied Engineering (JSAE) 1(2), 96-104.
[11] Rohmah,  A.  2019.  “Rancang  Bangun Generator AC Konstruksi Axial Flux Satu Fasa Menggunakan  Magnet  Neodymium  (NdFeB) Silinder  Dengan  Kutub  Magnet  Berlawanan”.
Jember: Universitas Negeri Jember.
[12] Siburian,  Relygius  Roniasi.  2019.  “Rancang Bangun  Generator  Magnet  Permanen  Fluks Axial 3 Fasa Untuk Penggerak Mula Kecepatan Rendah”.  Bengkulu:  Universitas  Negeri Bengkulu.
[13] Rossouw F.G. 2009. “Analisys and Design of Axial Flux Permanent Wind Generator System for  Direct  Batteray  Charging  Application”. Departement  of  Electrical      and      Electronic
Engineering,  Stellenbosch      University, Matielend.