## PISTON Journal of Technical Engineering:

## Pengaruh Geometri dan Kuat Medan Permanen dari Magnet Permanen NdFeB Terhadap Output

## Generator Fluks Aksial
Silviana Simbolon 1,2,a) , Anggit Pringo Tetuko 1,2,4 , Candra Kurniawan 2 ,
Krista Sebayang 3 , dan Perdamean Sebayang 1,2
1 Teknik Mesin, Universitas Pamulang, Jl. Surya Kencana No 1, Tangerang Selatan, 15417
2 Pusat penelitian Fisika LIPI, Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan, 15314
3 Fisika, Universitas Sumatera, Jl. Bioteknologi No 1, Medan, 20155
4 RMIT University, 24 La Trobe St, Melbourne VIC, Australia, 3000
Email: a) simbolonsilvi@gmail.com
Masuk : 2 Mei 2017 Direvisi : 23 Mei 2017 Disetujui : 6 Juni 2017
Abstrak: Pada penelitian ini, telah dilakukan investigasi pengaruh bentuk geometri dan magnetik flux density terhadap output tegangan dari generator axial flux magnet permanen. Model dari generator axial didesain menggunakan sofware 3D Studio Max dan visual basic net express . Pada simulasi dan eksperimen digunakan magnet permanen NdFeB yang dibentuk circular dan rectangular dengan variasi magnetik flux density 0,5; 0,8; 1,1; 1,3 Tesla pada kecepatan rotasi sekitar 260 – 540 rpm. Dari hasil  simulasi  dan  eksperimen  ditunjukkan  bahwa  geometri  magnet  permanen  sangat  mempengaruhi  dalam  menghasilkan magnetik flux  density maksimum.  Hasil  ini  juga  menunjukkan  adanya  korelasi  antara  output  tegangan  maksimum  dengan magnetik fluk density maksimum. Semakin besar magnetik fluk density dan kecepatan rotor putar (rotasi) akan menghasilkan output tegangan yang semakin besar.
Kata kunci: generator , magnetic flux density, rotasi, voltage
Abstract: In this paper, the influence of geometric shapes and magnetic flux density on the maximum Voltage (E max ) of the axial  flux  permanent  magnet  generator  has  been  investigated.  Modeling  of  axial  flux  permanent  magnet  generator  was designed using 3D Studio Max and visual basic net express software. The simulation and experimentally were performed by using NdFeB permanent magnet in the form of rectangular and circular shape with various Magnetic Flux Densities as 0.5, 0.8, 1.1, and 1.3 Tesla at the rotation speed around 260-540 rpm. The obtained results both from simulation and experiment show  that the  magnetic geometry,  in  this  case  the  cross-section  A,  is  directly  proportional to  the maximum  magnetic  flux, (Ф max ). The results also showed that there was a correlation between the maximum Voltage (E max ) and the maximum magnetic flux, ((Ф max ). The increasing of magnetic flux density and rotor rotation increases the output voltage.
Keywords: generator, magnetic flux density, rotation, voltage

## PENDAHULUAN
Pembangkit energi tenaga listrik berbasis mikroelektromekanik Sistem [MEMS] teknologi telah teliti secara ekstensif  selama  beberapa  tahun  terakhir.  Sebagian  besar  penelitian  dilakukan  menggunakan  prinsip damper winding ,  dimana damper adalah  transduser  yang  mengubah  energi  mekanik  menjadi  listrik  energi.  Perangkat jenis  ini  telah  dikembangkan  berdasarkan  Elektrostatik  [1],  elektromagnetik  [2],  [3],  dan  piezoelektrik [4].Generator  magnet  permanen  (PM)  dapat  digunakan  untuk  konversi  Energi  mekanis  rotasi  menjadi  energi listrik  pada  berbagai  aplikasi  dibandingkan  dengan  jenis  mesin  magnet  lainnya,  PM  mesin  memiliki  beberapa keunggulan untuk beberapa aplikasi seperti interaksi magnetik dapat dibentuk sesuai ukuran mesin, sangat murah pembiayaan  jika  dibentuk  dalam  skala  kecil  dan  memiliki  geometri  planar  yang  sangat  konventional  untuk MEMS.    Untuk  alat  berbasis  magnet  permanen  biasanya  menggunakan  magnet  tanah  jarang  karena  memiliki
energy produk yang tinggi sebagai mekanikal elektro maksimum dan magnet NdFeB merupakan magnet dengan energy produk tertinggi [5-8].
Beberapa alat PM dalam skala mikro telah diteliti sebelumnya, semua menggunakan pendekatan kontruksi yang  berbeda. Penelitian  tentang self  contained driven yang  menggunakan  magnet  NdFeB  telah  memproduksi 1,1  mW  dengan  30  krpm  dengan  diameter  7,5  mm  SU-8  rotor  [9].  Group  lainnya  melaporkan  telah  berhasil mencapai 14,6 mW pada pada 58  krpm menggunakan diameter 8 mm pada  rotor NdFeB. D.P.Arnold membuat sebuah generator berbasis  PM dengan 2,6 watt tegangan AC menjadi 1,1 tegangan dc ke sebuah beban dengan kecepatan rotor 120 krpm menggunakan magnet permanent SmCo berdiameter 9,5 mm [10-11].
Telah banyak dilakukan study kasus tentang pengaruh effek dari bentuk magnet permanen pada karakteristik torque ripple dari mesin [12-14]. Pada penelitian ini, akan dilakukan analisa simulasi dan eksperimen mengenai pengaruh  dari  bentuk  geometri  dan  remanensi  magnet  NdFeB  terhadap  tegangan  maksimum  dari  generator. Simulasi  yang  dilakukan  menggunakan 3D  studio  Max dan Visual  basic  net  express  software .  Variasi  bentuk magnet adalah circular dan rectangular . Pemilihan generator tipe ini memiliki torsi beban yang kecil dan biasanya digunakan  untuk  pembangkit  listrik  tenaga  angin  dan  tidak  menutup  kemungkinan  untuk  pembangkit  energi primer lainnya. Variasi kecepatan rotor sebesar 260-540 rpm dan densitas flux magnetik sebesar 0,5-1,3 Tesla.

## METODOLOGI
Berdasarkan  data  dan  spesifikasi  generator  yang  dibuat,  dapat  diketahui  nilai  kerapatan  fluks  magnet maksimum, B max , fluks maximum, ɸ 𝑚𝑎𝑘𝑠 , frekuensi, 𝑓 dan output tegangan induksi, E 𝑟𝑚𝑠 . Tampilan pengolahan data hasil simulasi generator axial flux permanent magnet dengan menggunakan perangkat lunak visual basic net express , diperlihatkan seperti pada Gambar 1.
Gambar 1. Model Simulasi generator menggunakan 3D studio Max dan Visual basic net express software .
Dalam  ekperimen,  pembuatan  generator  dilakukan  dengan  kontruksi  pada  Gambar  2.  Desain  pemodelan generator  ini  terdiri  dari  tiga  bagian  utama,  yakni  rotor,  stator  dan  celah  udara.  Pada  generator  ini  digunakan magnet permanen NdFeB dengan kerapatan fluks magnet masing-masing 0,5 dan 1,1 Tesla untuk bentuk circular dan rectanguler Pemasangan magnet permanen dengan menggunakan cara embedded dan diletakkan pada salah satu permukaan rotor yang menghadap ke arah stator.
(a) (b)
Gambar 2. Model kontruksi generator fluks aksial dengan geometri (a) circular [15] dan (b) rectangular [16].

## a)
Pemasangan magnet permanen ini dipilih agar tidak mudah lepas dan penyebaran fluks magnet merata. Posisi kutub magnet yang digunakan bertipe utara-selatan (NS) silih berganti terhadap magnet yang disebelahnya dan saling  berhadapan  dengan  kutub  magnet  lainnya.    Pada  penelitian  ini  akan  diuji  generator  yang  telah  dirakit, kemudian  dibandingkan  dengan  hasil  simulasi  agar  dapat  diketahui  sejauh  mana  korelasinya  terhadap  output tegangan induksi, E 𝑟𝑚𝑠 . Beberapa variasi nilai kecepatan putar dan kerapatan fluks magnet juga digunakan untuk perhitungan simulasi untuk mendapatkan output tegangan induksi, E 𝑟𝑚𝑠 .
(1)
Tabel 1. Data spesifikasi dari rotor dan stator pada generator.
Parameter Lambang Bentuk magnet Circular Rectangular A. Rotor o Kerapatan fluks magnet Br (Tesla) 0,5 1,1 o Dimensi magnet (mm) P = 40 o Ф = 50 L = 17 o t = l m = 5 o Jumlah magnet N m (buah) 8 8 o Radius dalam magnet r i (mm) 60 60 o Radius luar magnet r o (mm) 110 120 o Jarak antar magnet 𝜏 f (mm) 35 30 o Kecepatan putar N (rpm) variable variable o Jumlah kutub magnet P (buah) 8 8 B. Stator o Jumlah kumparan N s (buah) 6 6 o Jumlah lilitan N (lilitan) 400 400 o Diameter Yoke D s (mm) 300 300 Jarak celah udara L g (mm) 25 25 Jumlah fasa N ph 1 1 Luas penampang A (cm 2 ) 24 19.625

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 3. Pengaruh rotasi rotor dan bentuk magnet terhadap tegangan generator dengan medan magnet (a) 0,5 Tesla, (b) 0,8 Tesla, (c) 1,1 Tesla, dan (d) 1,3 Tesla menggunakan simulasi.
𝐸 𝑟𝑚𝑠 = 2𝜋 √2 N. f ∅ 𝑚𝑎𝑥 ( 𝑁𝑠 𝑁 𝑃𝐻 ) b)
c) d)
Pada Gambar 3, Dari hasil simulasi diperlihatkan hubungan voltage, E rms terhadap kecepatan putar (rotasi) untuk bentuk magnet permanen circular dan rectangular masing-masing dengan magnetic flux density sebesar 0,5; 0,8;  1,1;  dan  1,3  Tesla.  Dari  Gambar  3(a),  pada  magnetic  flux  density  sebesar  0,5  Tesla,  maka  voltage  yang dihasilkan, E rms dari magnet circular adalah E rms = 0,4152X – 0,001 dan rectangular E rms = 0,64X – 0,1, dimana X =  rotation  (rpm).  Dari  hasil  ini  menunjukkan  bahwa  output  generator  menggunakan  magnet  permanen  bentuk rectangular relatif lebih tinggi dibandingkan bentuk circular, hal ini disebabkan oleh luas penampang magnet yang lebih besar.
Magnetik flux  density sangatlah  berpengaruh  terhadap  output  tegangan,  E rms jika  magnetik flux  density semakin  besar  maka output tegangan  juga  bertambah  besar,  artinya  ada  hubungan  berbanding  lurus  dengan kecepatan putar yang tetap. Output tegangan E rms pada magnetik flux density 0,8 T masing-masing untuk bentuk circular dan rectangular memenuhi  persamaan:  E rms =  0,665X  -0,306  dan  E rms =  1,0214X  –  0,002.  Pada  saat magnetic flux density dinaikkan menjadi 1,1 T maka E rms dari masing-masing bentuk circular dan rectangular adalah E rms = 0,913X + 0,012 dan E rms = 1,4044X -0,0007.
Gambar  4. Pengaruh magnetic  flux  density dan  bentuk  magnet  terhadap  tegangan  generator  dengan  rotasi  rotor  300  dan 500 rpm.
Hasil simulasi juga menunjukkan adanya pengaruh yang sangat signifikan dari rotasi rotor terhadap output tegangan  yang  dihasilkan  generator.  Pada  Gambar  3,  diketahui  bahwa  semakin  besar  rotasi  pada  rotor  maka berbanding lurus dengan hasil tegangan pada generator. Besarnya tegangan yang dibangkitkan tergantung pada kecepatan garis medan magnet yang dipotong atau dalam hal generator AC, besarnya tegangan tergantung pada kuat  medan  dan  kecepatan  rotor.    Dari  hubungan  di  atas  terlihat  bahwa  bentuk  dan  ukuran  magnet  permanen sangat  mempengaruhi  besarnya  magnetic flux  density yang  digunakan.  sangat  mempengaruhi  output  tegangan induksi E rms Yang dihasilkan. Penyebaran luas penampang magnetik flux density terhadap output generator AFPM sesuai dengan rumusan tegangan induksi, E 𝑟𝑚𝑠 = [(2 𝜋 √2. 𝑁 . 𝑓 . ∅ 𝑚𝑎𝑥 )( 𝑁 𝑠 / 𝑁 𝑝ℎ )] = 4.44 𝑁 . 𝑓 . ∅ 𝑚𝑎𝑥 ( 𝑁 𝑠 / 𝑁 𝑝ℎ ).
Hasil eksperimen juga menunjukkan korelasi yang sama diantara bentuk magnet ( circular atau rectangurlar ), magnetic flux density , dan kecepatan putar rotor (rotasi) sangat mempengaruhi output tegangan. Namun output tegangan pada hasil experimen lebih rendah dibandingkan hasil simulasi. Ini disebabkan terjadinya energy loss akibat celah udara ( gap ) yang tidak dapat di hitung dengan menggunakan simulasi.

## KESIMPULAN
Pada penelitian ini telah dilakukan pembuatan generator axial flux magnetic menggunakan magnet NdFeB yang  dibentuk  circular  dan  rectangular.  Pembuatan  generator  telah  diuji  dan  dihitung  secara  simulasi menghasilkan pola yang sesuai, output tegangan, E rms dan frekuensi, f memenuhi persamaan:   E rms = 1,41X – 4,3 dan f = 0,07X +0,05, dimana X adalah  kecepatan  putar rotor pada generator listrik. Semakin tinggi  kecepatan putar rotor generator listrik maka output tegangan induksi, E rms dan frekuensi, f akan semakin besar, dan tingkat kesalahannya  akan  semakin  kecil.  Pada  hasil  eksperimen  magnet  permanent  dengan  bentuk  circular,  diputar dengan kecepatan konstan sebesar 500 rpm akan menghasilkan E rms = 415,16 ∅ - 0,0003. dan dibandingkan dengan
rectangular menghasilkan, E rms = 638,35 ∅ - 0,0004, dimana ∅ = Magnetik flux density (Tesla). Artinya bentuk terutama luas penampang magnet, A (cm 2 ) dan kerapatan fluks magnet, ∅ sangat mempengaruhi output tegangan induksi,  E rms. Dengan  demikian  penyebaran  luas  penampang  magnetic  flux  density  terhadap  output  generator sesuai dengan rumusan tegangan induksi, E 𝑟𝑚𝑠 = [(2 𝜋 √2. 𝑁 . 𝑓 . ∅ 𝑚𝑎𝑥 )( 𝑁 𝑠 / 𝑁 𝑝ℎ )] = 4.44 𝑁 . 𝑓 . ∅ 𝑚𝑎𝑥 ( 𝑁 𝑠 / 𝑁 𝑝ℎ ).

## DAFTAR PUSTAKA
[1]. S. Meninger, J. O. Mur-Miranda, R.  Amirtharajah,  A. P. Chandrakasan, dan J. H. Lang,  “Vibration-to- electric energy conversion,” IEEE Trans. Very Large Scale Integr. (VLSI) Syst. , vol. 9, no. 1, hal. 64–76, 2001.
[2]. C. B. Williams, C. Shearwood, M. A. Harradine, P. H. Mellor, T. S. Birch, dan R. B. Yates, “Development of an electromagnetic micro-generator,” IEE Proc. Circuit Device Syst. , vol. 148, no. 6, 2001.
[3]. J. M. H. Lee, S. C. L. Yuen, W. J. Li, dan P. H.W. Leong, “Development of an AA size transducer with micro resonators,” Proc. ISCAS 2003 , vol. 4, hal. 876–879, 2003.
[4]. P.  Glynne-Jones,  S.  P.  Beeby,  dan  N.  M.  White,  “Toward  a  piezoelectric  vibration-powered microgenerator,” IEE Proc. Sci. Meas. Technol. , vol. 148, no. 2, 2001.
[5]. H. Polinder, F.F.A. van der Pijl, G.J. de Vilder, dan P. Tavner, “Comparison of direct-drive and geared generator concepts for wind turbines,” IEEE Trans. Energy Conversion , vol. 21, hal. 725-733, 2006.
[6]. J. F. Gieras, R. J. Wang, dan M. J. Kamper, Axial Flux Permanent Magnet Brushless Machines, 2nd ed., Springer, 2008.
[7]. M. Sadeghierad, A. Darabi, H. Lesani, dan H. Monsef, “Rotor yoke thickness of coreless high speed axial- flux permanent magnet generator,” IEEE Trans. Magn ., vol. 45, no. 4, hal. 2032-2037, 2009.
[8]. W. Fei dan P. C. K. Luk, “Design and performance analysis of a high-speed air-cored axial-flux permanent- magnet generator with circular magnets and coils,” Proc. IEEE int. Eletric Machines & Drives conf ., hal. 1-10, 2009.
[9]. A.  S.  Holmes,  G.  Hong,  dan  K.  R.  Pullen,  “Axial-flux  permanent  magnet  machines  for  micro  power generation,” J. Microelectromech. Syst ., vol. 14, no. 1, hal. 54–62, 2005.
[10]. Das S, Arnold D P, Zana I, Park J-W, Allen M G dan Lang J H, “Microfabricated high-speed axial-flux multi-watt permanent-magnet generators: Part I. Modeling,” J. Microelectromech. Syst. (at press), 2006 [11]. Arnold D P, Das S, Zana I, Park J-W, Lang J H dan Allen M G, “Microfabricated high-speed axial-flux multi-watt permanent-magnet generators: Part II. Design, fabrication, and testing,” J. Microelectromech. Syst. (at press), 2006.
[12]. W. Fei dan P. C.K.  Luk,  “Torque Ripple Reduction of a Direct-Drive Permanent-Magnet Synchronous Machine by Material-Efficient Axial Pole Pairing,” IEEE Transaction on Industrial Electronics , vol. 59, no. 6, 2012.
[13]. N. N. Chen, S. L. Ho, dan W. N. Fu, “Optimization of permanent magnet surface shapes of electric motors for minimization of cogging torque using FEM,” IEEE Trans. Magnetics , vol. 46, no. 6, hal. 2478–2481, 2010.
[14]. D. K. Woo, J. H. Choi, M. Ali, dan H. K. Jung, A Novel Multimodal Optimization Algorithm Applied to Electromagnetic
[15]. L. D. Ferraro, R. Terrigi, dan F. G. Capponi, “Coil and Magnet Shape Optimization of an Ironless AFPM Machine by Means of 3D FEA,” IEEE ., 2007.
[16]. M. Aydin, S. Huang, dan T. A. Lipo, Torus Concept Machine: Pre–Prototyping Design Assesment for Two Major Topologies, University of Wisconsin-Madison College of Enginering. 2004.