## Generator Magnet Permanen Sebagai Pembangkit Listrik Putaran Rendah

## Permanent Magnet Generator as Low Speed Electric Power Plant
Hari Prasetijo #1 , Ropiudin #2 , Budi Dharmawan #3
aydinhari@yahoo.com #1 ropizi@yahoo.com #2 b_dharmawan@yahoo.co.id #3
Program Studi Teknik Elektro Unsoed #1
Program Studi Teknik Pertanian Unsoed #2
Program Studi Agribisnis Unsoed #3
Abstract — Development renewable energy as electrical energy  need to be followed by provision of low speed generator, especially for small-scale use of alternative energy.  This study discusses the design of low speed synchronous generator using permanent magnets for producing magnetic flux in the rotor.  Stator coils are designed so that on  the rotation of 500 rpm generator can produce 5 watts output power at 3 phase voltage 12 Vac .
Keyword — Renewable energi, permanen magnet generator, generator design .

## P ENDAHULUAN
Pemanfaatan  energi  terbarukan  seperti  energi  air, energi  angin  dan  energi  termal  matahari  sebagai sumber  energi  listrik  alternatif  skala  kecil  memerlukan generator  yang  sesuai  karena  energi  mekanik  berupa putaran  yang  dihasilkan  oleh  sumber  energi  tersebut umumnya  pada  putaran  yang  rendah.    Oleh  karena  itu perlu  pengembangan  generator  sinkron  yang  mampu menghasilkan  tegangan  dan  frekuensi  yang  diperlukan pada  putaran  yang  relatif  rendah.    Tulisan  ini menjelaskan  desain  generator  menggunakan  magnet sebagai pengganti kumparan jangkar pada rotor sebagai sumber  fluks  magnet  dan  kumparan  kawat  tembaga (email)  sebagai  kumparan  jangkar  pada  stator  yang dikenal sebagai generator magnet  permanen. Generator ini didesain untuk menghasilkan daya listrik 5 watt pada tegangan 3 fasa 12 Vac.

## ROTOR
Rotor  merupakan  bagian  generator  yang  berputar . Rotor  generator  magnet  permanen  tersusun  dari sejumlah  magnet  permanen  sebagai  penghasil  medan magnet yang diperlukan dalam pembangkitan tegangan generator.  Magnet  permanen  disusun  pada  sepasang media  berbentuk  piringan  dengan  posisi  berhadapan mengapit stator sedemikian sehingga fluks magnet yang melingkupi kumparan stator dari masing masing magnet permanen saling memperkuat.  Agar dapat berputar dua piringan  tersebut  dihubungkan  pada  shaft  yang tersambung dengan poros menuju penggerak mula.
Gambar  1  menunjukkan  magnet  permanen  yang disusun pada media berbentuk piringan.

## Gambar 1. Susunan magnet permanen pada piringan rotor
Untuk  dapat  berfungsi  sebagai  rotor  maka  dua piringan tersebut disusun pada shaft seperti ditunjukkan pada gambar 2.
Gambar 2. Susunan rotor pada shaft

## INDUKSI ELEKTROMAGNET
Pada generator terjadi induksi elektro magnetik yang mengacu  pada  hukum  Faraday  dan  Lenz.  Hukum Faraday  menjelaskan  bahwa  Adanya  perubahan  fluks magnetik  yang  melingkupi  suatu  kumparan  akan menimbulkan  ggl  induksi  pada  ujung-ujung  kumparan tersebut, hal tersebut sesuai dengan persamaan
dt d N e
   . Sedangkan  hukum  Lenz  menjelaskan  bahwa  GGL induksi yang muncul berarah melawan perubahan fluks menyebabkannya arus yang mengalir atau dengan kata lain  bahwa  arus  induksi  menghasilkan  medan  magnet yang  melawan  perubahan  fluks  magnet  yang menghasilkan  arus  induksi,  seperti  tujukkan  pada gambar 3.

## Gambar 3. Prinsip hukum Lenz
Pada  generator  tipe  axial,  fluks  magnet  tidak  akan banyak  terjadi  saat  magnet  tidak  bergerak,  tetapi  saat piringan  dua  rotor  digerakkan  maka  akan  dihasilkan tegangan potensial seperti ditunjukkan oleh gambar   4. Perubahan  kecepatan  akan  mempengaruhi  besar potensial tegangan yang dihasilkan

## Gambar 4. Pembangkitan listrik pada kumparan

## STATOR
Stator  generator  magnet  permanen  merupakan kumparan  medan,  tersusun  dari  beberapa  kumparan kawat  (coil)  email  yang  dilapisi  dengan  bahan  isolator. Jumlah  kumparan  mempengaruhi  kuantitas  tegangan keluaran generator. Hubungan seri beberapa kumparan menentukan  keluaran  tegangan  generator  menjadi  1 fasa  atau  3  fasa.  Gambar  5  menunjukkan  3  kumparan kawat email.

## Gambar 5. Kumparan kawat email
Agar dapat berfungsi sebagai stator kumparan kawat email  disusun  membentuk  piringan    pada  suatu  media dengan  reluktansi  (tahanan  aliran  fluks)  rendah. Gambar  6  menunjukkan  susunan  12  kumparan membentuk piringan dengan tegangan keluaran 3 fasa.

## Gambar 6. Susunan kumparan stator
Hubungan  kumparan  untuk  mendapatkan  tegangan keluaran  generator  3  fasa  dibedakan  menjadi  2  jenis yaitu, hubungan kumparan bintang (star) dan hubungan
Generator Magnet Permanen sebagai Pembangkit Listrik Putaran Rendah  : 70 -77
kumparan  segitiga  (delta).    Pada  jenis  hubungan kumparan  star,  masing-masing  pangkal  kelompok kumparan kawat tembaga (kumparan fasa) dihubungkan menjadi satu, seperti ditunjukkan pada gambar 7.   Pada jenis kumparan delta, pangkal dan ujung masing-masing kumparan  fasa  saling  dihubungkan.    Ujung  kumparan fasa  R  dengan  pangkal  kumparan  fasa  S,  ujung kumparan fasa S dengan pangkal kumparan fasa T dan ujung kumparan fasa T dengan pangkal kumparan fasa R, seperti pada gambar 8.
Gambar 7. Hubungan kumparan star
Gambar 8. Hubungan kumparan delta

## METODE
Metode  yang  digunakan  dalam  studi  ini  adalah perhitungan dengan memperhatikan keluaran generator sebagai konstanta pada kisaran :
- daya 5 watt
- tegangan 3 fasa 12 Vac
- frekuensi 50 Hz
Tahapan yang dilakukan :
1.  Menentukan  :  dimensi  dan  struktur  rotor, kerapatan  fluks  magnet,  jumlah  kutub,  berat magnet, berat piringan rotor
2.  Menentukan : dimensi dan struktur stator 3.  Menentukan  :  konfigurasi  lilitan.  Jumlah  lilitan per kumparan, arus
4.  Menganalisa  tegangan  output  generator, frekuensi, daya keluaran.

## PERANCANGAN GENERATOR
Pada prinsipnya perancangan generator meliputi rotor dan  stator  untuk  membentuk  konstruksi  generator seperti ditunjukkan pada gambar 9.
Gambar 9. Konstruksi generator

## PERANCANGAN ROTOR
A. Menentukan Jumlah Rotor Kutub rotor tersusun dari dua buah magnet permanan yang  berhadapan  dengan  syarat  bahwa  kutub  magnet yang  berhadapan  berbeda  jenis  seperti  tampak  pada gambar  10,  agar  terjadi  gaya  tarik  menarik  sehingga dengan  adanya  kumparan  stator  diantara  kedua  rotor maka akan tercipta gaya induksi elektromagnetik.

## Gambar 10. Urutan kutub magnet
Dalam menentukan jumlah kutub di setiap rotor dalam perancangan  ini  didasari  oleh  rumus    pada  pers.  (1) dengan  beberapa  nilai  yang  telah  diketahui  yaitu frekuensi dan jumlah putaran.
60 2 n x p f 
................................................................. (1)
n = Kecepatan putar rotor (rpm)
p = Jumlah kutub rotor
f = frekuensi (Hz)
50  = ) 2 ( p x ) 60 500 ( 50  = ) 2 ( p x 8,333 p   = 12

## B. Menentukan Jenis Magnet
Magnet  permanen  yang  digunakan  dalam perancangan  ini  adalah  jenis  magnet  NdFeb (Neodymium-Iron-Boron)  karena  magnet  ini  memiliki maximum  energy  product  (BHmax)  paling  tinggi,  yaitu hingga 440 KJ/m3 (Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik,LIPI.2008). Jenis dari magnet NdFeb sangat bervariasi  tergantung  dari  kebutuhannya.  Tipe  magnet NdFeb  yang  digunakan  dalam  PMG  ini  yakni  NdFeb N42  Ni,  yang  memiliki  ukuran  10  x  20  x  10  (mm), berbentuk  balok  dan  terbuat  dari  bahan  nikel  dengan spesifikasi ditunjukkan pada tabel 1.
T ABEL 1. S PESIFIKASI M AGNET N D F E B N42 N I
C. Menentukan Jarak Antar Magnet dan Keliling Rotor Dengan  mengacu  tehadap  gambar  11.  Jarak  antar magnet dapat di cari dengan menggunakan persamaan 2 :
τ ƒ = Sin 30 o x b   ................................................................. (2)
dengan τ ƒ = Jarak antar magnet (cm) b = Panjang Magnet (cm)
(Jarak Antar Magnet) τ ƒ = Sin 30 o x b
= ) 2 1 ( x 2 = 1 cm Hasil  dari  nilai  jarak  antar  magnet  ini  akan  digunakan untuk mencari keliling rotor.
Untuk mencari keliling rotor masih mengacu terhadap gambar 11, dengan menggunakan persamaan 3:
Kr = ( τ ƒ x 12) + ( a x 12) ...................................................... (3)
dengan Kr = Keliling rotor (cm) τ ƒ  = Jarak antar magnet (cm) a   = Lebar magnet (cm)
(Keliling rotor)  Kr = ( τ ƒ x 12) + ( a x 12) = (1 x 12) + ( 1 x 12)
= 24 cm
Gambar 11. Piringan rotor dan kutub magnet
D. Menentukan Tebal Piringan Rotor
Tebal  piringan  rotor  (Tr)  =  0,5  cm.  Nilai  ini didapatkan  dari  pertimbangan  tebal  magnet  sebesar  1 cm  (Tm),  dimana  akan  diambil    tebal  magnet  sebesar 0,25 cm (Tpr) akan di tempelkan ke dalam piringan rotor dengan  tujuan  supaya  magnet    bisa  kokoh/  tidak bergerak  pada  saat  rotor  berputar.  Dan  kemudian  sisa dari  tebal  magnet  sebesar  0,75  cm  (Tmr)  yang digunakan untuk gesekan dengan kumparan stator yang akan menghasilkan GGL induksi. Gambar tebal piringan rotor seperti tampak pada gambar 12.
Generator Magnet Permanen sebagai Pembangkit Listrik Putaran Rendah  : 70 -77
E. Menentukan Berat Piringan Rotor
Dalam  menentukan  piringan  rotor  seperti tamapak  pada  gambar.17,  yang  digunakan  dalam perancangan  PMG  tipe  Axial  ini  menggunakan persamaan 4:
Bpr = Kr x Tpr x ρ besi ....................................................... (4)
dengan Bpr = Berat piringan rotor (Kg) Kr   = Keliling rotor (cm) Tpr  = Tebal piringan rotor  (cm) ρ = massa jenis besi
(Berat piringan rotor) Bpr = Kr x Tpr x ρ besi
= 24 x 0,5 x 0,0786 = 0,9432 Kg
Karena  di  perancangan  PMG  tipe Axial  ini menggunakan 2 piringan rotor jadi berat 2 piringan rotor = 2 x 0,9432 = 1,8864 Kg.

## F.  Menentukan Luasan Area Magnet
Luasan area magnet ini menentukan luasan piringan rotor  dengan  selanjutnya  adanya  syarat  bahwa  luasan piringan  stator  mengikuti  luasan  rotor  dengan  tujuan untuk  mensinkronkan  antara  kutub  magnet  permanen dengan  kumparan  pada  stator.  Skema  rotor  dalam perancangan PMG ini dapat dilihat di gambar 13.
Gambar 13. Skema rotor
Dalam perancangan rotor  ini  dengan bentuk selinder maka  dalam  mencari  luas  area  magnet  menggunakan persamaan 5 ;
Nm Nm r r f r r Amagn i o i o ). ( ) .( 2 2       (5)
Dimana: r o = Radius luar magnet (cm) r i = Radius dalam magnet (cm) τ ƒ = Jarak antar magnet (cm)
N m = Jumlah magnet (Luas area magnet) Nm Nm r r f r r Amagn i o i o ). ( ) .( 2 2       12 12 ). 821 , 1 821 , 3 ( 1 ) 821 , 1 821 , 3 .( 14 , 3 2 2     = 2 cm 2

## G.  Menentukan Densitas Fluks Maksimum
Dalam perancangan rotor  ini  dengan bentuk selinder maka  dalam  mencari  Densitas  Fluks  Maksimum menggunakan persamaan :
   lm lm Br B . max (6)
Dimana: Br =  Densitas  fluks  magnet  (Tesla)  (Nilai  Br merupakan  nilai  ketetapan  dari  jenis magnet NdFeB N42 Ni. Lm
= tebal magnet (cm)
δ atau lg     = Jarak antara rotor dengan stator (cm)
(Densitas Fluks Maksimum)    lm lm Br B . max 2 , 0 1 1 . 3 , 1 

##  = 1,0833 T
H.  Menentukan Kerapatan Fluks Magnetik
Dalam perancangan rotor  ini  dengan bentuk selinder maka  dalam  mencari  Fluks  magnetik  menggunakan persamaan:
max . max B Amagn   (7)
Dimana:
Ø max = Fluks magnetik (Webber)
A magn = Area magnet (cm 2 ) B max = Densitas fluks maksimum
(Fluks Magnet)
max . max B Amagn   0833 , 1 2 max x   = 0,000216667 Webber

## P ERANCANGAN S TATOR

## A.  Menentukan Jumlah Kumparan Stator
Jumlah kumparan  = 12 buah. Nilai ini didapatkan dari besarnya jumlah magnet pada rotor, agar keliling stator menyesuaikan  keliling  rotor.  Pertimbangan  lain  adalah agar  kumparan  dapat  sepenuhnya  tersapu  oleh  fluks magnetik.

## B. Menentukan Jumlah Lilitan Stator
Jumlah  Lilitan  =  63  buah.  Nilai  ini  didapatkan  dari rumus tegangan induksi pada generator:
Nph Ns maks f N Emaks Erms . . . . 2 2 2     (8)
Dimana : E rms = Tegangan induksi (Volt) N = Jumlah lilitan per kumparan ƒ = Frekwensi (Hz) Φ max = Fluks magnet (Wb) N s
= Jumlah kumparan
N ph = Jumlah fasa dengan pertimbangan untuk meraih tegangan 12 Vac serta  parameter  yang  telah  ada  seperti  frekuensi sebesar  50  Hz,    fluks  magnet  ( maks  )  sebesar 0,000216667  Webber,  jumlah  kumparan  sebesar  12 buah  serta    jumlah  fasa  sebesar  3  buah  maka  dapat dihitung dengan menggunakan pers.9 sebagai berikut:
12 = ) 2 14 , 3 2 ( x x N x 50 x 0,000216667 x ) 3 12 (

## N = 63 Lilitan

## C. Menentukan Diameter Kawat Email
Diameter kawat email = 0,04 cm. Nilai ini didapatkan pada  referensi  kawat  email  pada  tabel  4,  besar  arus yang dibutuhkan sebesar 0,301 A mendekati nilai 0,361 A  yang  mana  besar  arus  tersebut  dapat  dialirkan dengan    kawat  email  berdiameter  0,4  mm.  Besarnya nilai  arus  ini  bergantung  dari  besar  diameter  kawat email,  semakin    besar  diameter  kawat,  maka  semakin besar pula arus yang mengalir.

## D. Menentukan Dimensi Kumparan Stator
Dimensi kumparan seperti tampak pada gambar 14 :
Gambar 14. Kumparan 3 dimensi
i. Sisi  atas titik tengah kumparan =  0,5 cm. Nilai ini  didapatkan  dari  50%  lebarnya  magnet  agar tercipta  gaya  induksi  elektromagnetik  yang maksimal.  Pertimbangan  lain  adalah  agar ukuran  dimensi  kumparan  mendekati  ukuran dimensi  magnet  sehingga  tercipta  luasan piringan  stator  mendekati  nilai  luasan  piringan rotor.  Sisi  atas  titik  tengah  kumparan dilambangkan dengan  huruf a seperti  pada gambar 14.
ii. Sisi  samping  titik  tengah  kumparan  =  1  cm. Nilai  ini  didapatkan  dari  50%  panjangnya magnet agar tercipta gaya Induksi Elektromagnetik  yang maksimal. Pertimbangan lain  adalah  agar  ukuran  dimensi  kumparan mendekati  ukuran  dimensi  magnet  sehingga tercipta  luasan  piringan  stator  mendekati  nilai luasan piringan rotor.  Sisi  samping titik tengah kumparan  dilambangkan  dengan  huruf b seperti pada gambar 14.
iii. Sisi atas kumparan = 1,134980315 cm. Nilai ini didapatkan  dari  2  kalinya  lebar  kumparan ditambah sisi atas titik tengah kumparan, maka (2 x 0,317490157 cm) + 0,5 cm = 1,134980315 cm.  Sisi  atas  kumparan  dilambangkan  dengan huruf d seperti pada gambar 14.
iv. Sisi  samping  kumparan  =  1,634980315  cm. Nilai  ini  didapatkan  dari  dari  2  kalinya  lebar kumparan  ditambah  sisi  samping  titik  tengah kumparan, maka maka (2 x 0,317490157 cm) + 1  cm  =  1,634980315  cm.  Sisi  samping kumparan  dilambangkan  dengan  huruf e seperti pada gambar 14.
v. Tebal dan lebar kumparan = 0,317490157 cm. Nilai  ini  didapatkan  dari  nilai  sisi  dari  luasan kumparan,  sehingga  jika  lilitan  berjumlah  61 buah maka,
Generator Magnet Permanen sebagai Pembangkit Listrik Putaran Rendah  : 70 -77
Gambar 15 Tebal dan lebar kumparan 3 dimensi Jumlah kawat email yang menyusun sisi pada tebal atau lebar  sebesar 63 =  7.93725393  buah.  Sehingga dengan ukuran kawat email berdiameter 0,4 mm, maka lebar  atau  tebal  kumparan  sebesar  7.93725393  x  0,04 cm  =  0,317490157  cm  seperti  pada  gambar  12.  Tebal atau  lebar  kumparan  dilambangkan  dengan  huruf e seperti pada gambar 14.

## E.  Menentukan Dimensi Piringan Stator
Dimensi  piringan  stator  seperti  tampak  pada gambar 16 :
1)  Keliling  stator  =  23,42964566  cm.  Nilai  ini didapatkan dari c x 12 celah antar  kumparan lalu dijumlahkan dengan a x 12 buah kumparan.
2)  Radius  luar  kumparan  atau  stator  =  3,730835297 cm. Nilai ini didapatkan dari rumus keliling lingkaran stator  yaitu  23,42964566  cm =  2 π r,  maka  r  = 3,730835297 cm.
3)  Radius  dalam  kumparan  atau  stator  =  2,10  cm. Nilai ini didapatkan dari radius luar kumparan atau stator dikurangi b .
4)  Tebal piringan stator = 0,5 cm. Nilai ini didapatkan dari  pertimbangan  tebal  kumparan  sebesar 0,317490157  cm,  sehingga  ada  sisa  0.182509843 cm untuk bagian luar resin yang melindungi seluruh kumparan.
Gambar 16. Piringan stator dan kumparan stator

## F.  Menghitung  Analisis    Tegangan  Keluaran Generator
Berdasarkan  parameter  nilai  keluaran  tegangan generator  yang  diinginkan  sebesar  12  Vac.  Dalam perencanaan  pasti  akan  selalu  ada  perbedaan  yakni dengan mengacu terhadap pers.9.

## Nph
Ns maks f N Emaks Erms . . . . 2 2 2     Erms = ) 2 14 , 3 2 ( x x 63 x 50 x 0,000216667 x ) 3 12 (

## Erms = 12,1 Vac
Maka  didapatkan  nilai  tegangan  keluaran  sebesar  12,1 Vac  adanya  selisih  dengan  nilai  tegangan  yang diinginkan sebesar 0,1 Vac.

## G.  Menghitung Frekuensi (Hz)
Dalam  perancangan  PMG  tipe  Axial  ini  diinginkan frekuensi  sebesar  50  Hz,  dimana  nilai  50  Hz  ini merupakan standar frekuensi di Indonesia.
Untuk menghitung nilai frekuensi digunakan persamaan :
60 2 n x p f 
(9)
Dimana :
F = Frekuensi (Hz)
n =  Kecepatan  putar  rotor  (rpm)  (nilai  putaran  telah ditentukan sebesar 500 rpm)
P = Jumlah kutub rotor
60 2 n x p f  = ) 2 12 ( x ) 60 500 ( = 50 Hz Nilai  frekuensi  yang  didapat  berdasarkan  perhitungan sebesar 50 Hz.

## H.  Menghitung Daya Keluaran
Dalam  perancangan  PMG  tipe  Axial  ini  diinginkan daya  keluaran  sebesar  5  Watt.  Dalam  perancangan PMG ini untuk menghitung daya keluaran menggunakan persamaan :
P = V.I.Cos φ . 3 (10)
Dimana: P = Daya Keluran (KVA) V = Tegangan keluaran generator (Volt)
I  = Arus (Ampere) Cos φ = 0,8 (nilai yang diinginkan)
(Daya Keluaran) P = V.I.Cos φ . 3
= 12 x 0,361 x 0,8 x 3
= 6 Watt
Nilai  daya  keluaran  yang  didapat  berdasarkan perhitungan  sebesar  6,003  Watt,  nilai  ini  berbeda dengan  nilai  yang  diinginkan  sebesar  5  Watt.  Hal  ini dikarenakan  tidak  tersedianya  kawat  email  dipasaran yang  sesuai  dengan  keiinginan  si  perancang.dan akhirnya  di  pilih  kawat  email  yang  mempunyai  aliran arus  yang  mendekati  nilai  perancangan  yakni  0,361  A dengan diameter kawat 0,4 mm.

## KESIMPULAN
1.  Putaran rotor dalam perancangan generator dapat dicapai dengan menentukan jumlah kutub rotor.
2.  Tegangan  generator  dipengaruhi  oleh  kerapatan fluks yang dihasilkan magnet permanen dan jumlah lilitan stator.
3.  Daya aktif generator akan dipengaruhi faktor daya.
4.  Perancangan generator magnet permanen menghasilkan  spesifikasi  generator  3  fasa hubungan belitan Y, tegangan 12,1 Vac, daya aktif 6 watt, frekuensi 50 Hz pada putaran nominal 500 rpm.

## D AFTAR P USTAKA
Khennas, Smail. 2001. PMG Construction Manual. England Warlock,  Engineering.  2003.  10  KW,  15 φ Axial  Flux  Pancake Generator For 2-blade Wind Turbine.
F. Price, Garrison, D. Batzel, Todd. Comanescu, Mihai. And A. Muller, Bruce. 2008. Design and Testing of a Permanent Magnet Axial Flux  Wind  Power Generator. Pennsylvania  State  University: Altoona College.
Irasari,  Pudji.  2008.  Metode  Perancangan  Generator  Magnet Permanen  Berbasis  Pada  Dimensi  Stator  Yang  Sudah  Ada. LIPI: Bandung.
Fahey,  Steven.  2006.  Basic  Principles  Of  The  Homemade  Axial  Flux Alternator.
Pujowidodo, Hariyotejo. Helian, Jefri Helian. Eka Pramono, Gatot dan
Ridwan,  Abrar. Pengembangan  Generator  Mini  Dengan Menggunakan Magnet Permanen. Departemen Teknik Mesin, Program  Pasca  Sarjana,  Fakultas  Teknik  Universitas Indonesia : Indonesia.