ISSN(p): 2338-8323  | ISSN(e): 2459-9638 | Vol. 8 | No. 3 | Halaman 602 - 614
DOI : http://dx.doi.org/10.26760/elkomika.v8i3.602

## Desain dan Simulasi GMP Fluks Aksial Berbasis Dimensi Magnet Permanen Komersil

## PUDJI IRASARI, PUJI WIDIYANTO, MUHAMMAD FATHUL HIKMAWAN
Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Indonesia Email: pudj002@lipi.go.id
Received 20 Februari 2020 | Revised 28 Maret 2020 | Accepted 3 Mei 2020

## ABSTRAK
Makalah  ini  membahas  desain  dan  simulasi  generator  magnet  permanen  fluks aksial 500 W, 220 V, 500 rpm, 1 fasa, stator tunggal tanpa inti besi lunak dan rotor ganda  berbahan  baja  karbon.  Tujuan  studi  adalah  untuk  mengetahui  performa generator pada dua jenis pembebanan yaitu beban R L dan Z L . Metode perhitungan desain dilakukan secara analitik dan numerik menggunakan perangkat lunak FEMM 4.2 dengan berbasis pada dimensi magnet permanen komersil. Performa generator yang  dianalisis  meliputi  tegangan  terminal,  daya  keluaran  dan  efisiensi.  Hasil simulasi menunjukkan bahwa ketika diberi beban R L , daya keluaran dan efisiensi generator lebih tinggi dibanding ketika diberi beban Z L . Grafik tegangan terminal dari  kedua  jenis  pembebanan  tersebut  sebagian  berimpit  tetapi  pada  beban  R L tingkat penurunannya lebih tajam disebabkan tegangan jatuhnya lebih besar. Dari semua  hasil  perhitungan  dan  simulasi,  dapat  disimpulkan  bahwa  generator menunjukkan performa yang baik pada kedua jenis pembebanan dengan efisiensi sekitar 80%.
Kata  kunci :  generator,  magnet  permanen,  fluks  aksial,  stator  tunggal,  rotor ganda

## ABSTRACT
This paper discusses the design and simulation of 500 W, 220 V, 500 rpm axial flux permanent magnet generators, with the construction of coreless, single stator, and double rotor made of carbon steel. This study aims to find out the performance of the generators in two types of loadings, namely R L and Z L loads. The design calculation method is done analytically and numerically using FEMM 4.2 software based  on  the  dimensions  of  commercial  permanent  magnets.  The  generator performances analyzed include the terminal voltage, the output power, and the efficiency. From the simulation results, it is known that under load R L , the output power and efficiency are higher than under load Z L . The terminal voltage graphs of the two types of loadings partially coincide but at the R L load, the rate of the decline is sharper due to the greater voltage drop. From all the results, it can be concluded that the generator shows good performance on both types of loads with a quite high efficiency, which is around 80%.
Keywords : generator, permanent magnet, axial flux, single stator, double rotor

## 1. PENDAHULUAN
Sebagai negara tropis, Indonesia tidak memiliki kecepatan angin rata-rata yang tinggi seperti halnya negara-negara subtropis. Kecepatan angin Indonesia cukup rendah, yakni berada pada kisaran  2,5  -  6  m/s (Dewata,  dkk,  2015) .  Berdasarkan  hasil  pengukuran (Dida,  dkk, 2016) ,  kecepatan  angin sebesar 6  - 12  m/s  terjadi  khususnya  di perairan  sebelah  selatan khatulistiwa.  Di  wilayah-wilayah  dengan  kecepatan  angin  yang  relatif  kecil,  pemanfaatan energi  angin  untuk  pembangkit  listrik  dilakukan  dengan  membuat  turbin  angin  skala  kecil berkapasitas  puluhan  hingga  ratusan  watt.  Konstruksi  turbin  angin  juga  cukup  sederhana sehingga memungkinkan untuk dikerjakan oleh bengkel atau industri kecil lokal.
Penguasaan  teknologi turbin  angin  makin  banyak  dilakukan  di  Indonesia  sejak  tersedianya magnet permanen NdFeB secara komersial dengan harga yang semakin terjangkau. Magnet NdFeB  mempermudah  desainer  dalam  merancang  generator  dengan  kutub  banyak  untuk menghasilkan kecepatan yang sangat rendah. Dengan demikian generator dan baling-baling turbin tidak perlu dihubungkan melalui transmisi mekanik atau dapat dihubungkan langsung dalam satu poros.
Ditinjau dari arah fluks magnet di celah udara, Generator Magnet Permanen (GMP) ada dua jenis, yaitu GMP fluks aksial dan fluks radial. Salah satu kelemahan GMP adalah adanya torsi cogging yang disebabkan oleh gaya tarik menarik antara fluks magnet rotor dengan gigi stator. Pada  daerah  dengan  kecepatan  angin  rendah,  torsi cogging  menjadi  masalah  karena dibutuhkan kecepatan angin yang lebih tinggi untuk mulai memutar turbin ( cut-in wind speed). Torsi cogging dapat dieliminir dengan menggunakan stator tanpa gigi (toothless stator) atau tanpa  inti  besi  lunak  ( coreless  stator).  Kedua  konstruksi  tersebut  banyak  dijumpai  pada Generator  Magnet  Permanen  Fluks  Aksial  (GMPFA).  Tidak  adanya  gigi  dan  inti  besi  lunak membuat  proses  manufaktur  generator  menjadi  lebih  mudah.  Untuk  menyatukan  atau menempatkan lilitan, bahan non-magnetik seperti resin, umumnya digunakan.
Penelitian  dan  pengembangan  teknologi  turbin  angin  skala  kecil  telah  banyak  dilakukan  di Indonesia, baik itu berupa penelitian komponen maupun sistem. Salah satu penelitian sistem turbin angin dilakukan oleh (Nakhoda & Saleh, 2016) dengan membuat turbin angin sumbu vertikal model Savonius dan generatornya dari jenis GMPFA stator tunggal dan rotor tunggal. GMPFA didesain untuk membangkitkan daya 615 W pada 50 Hz. Pembuatan dan pengujian GMPFA stator tunggal dan rotor tunggal dilakukan oleh (Wijaya, W., & Nugroho, 2014) . Dalam penelitian ini generator didesain dengan 24 kutub, statornya tanpa inti besi lunak, dan dari  hasil  uji  diperoleh  daya  keluaran  sebesar  28.99  W  pada  50  Hz.  Penelitian  lain  terkait GMPFA  dilakukan  oleh (Kasim,  dkk,  2016) dan (Wirtayasa,  dkk,  2017) .  Selain  itu, (Kasim, dkk., 2016) juga  mengkaji dampak variasi  lebar celah udara  terhadap  performa generator. Kontrol daya turbin angin skala kecil 500 W, 3 fasa, 180 V, 3A, dibuat dan diuji oleh (Robiansyah, 2017) .
Dalam makalah ini akan didesain dan disimulasikan GMPFA 1 fasa, 500 W, 500 rpm, 220 V, stator  tunggal,  rotor  ganda.  Studi  dilakukan  untuk  mengetahui  performa  generator  dalam kondisi berbeban resistif murni R L dan resistif-induktif dihubung seri ( Z L ).
Desain dilakukan berbasis pada dimensi magnet permanen komersil yang dapat diperoleh dari penyedia  daring  dalam  negeri.  Permasalahan  yang  perlu  diperhatikan  ketika  mendesain dengan ukuran dan kekuatan magnet yang sudah ditetapkan adalah bahwa lebar kutub stator tidak dapat ditentukan mengikuti  keinginan perancang. Ada batasan  nilai  rasio  lebar kutub rotor terhadap kutub stator yang harus dipenuhi bila ingin mendapatkan performa mesin yang baik.  Dengan  terbatasnya  lebar  kutub  stator  berarti  terbatas  pula  ruang  untuk  lilitan  yang
menyebabkan variasi jumlah dan diameter lilitan yang dapat disusun juga menjadi terbatas. Kondisi tersebut menyebabkan daya dan tegangan menjadi kontradiktif, artinya bila besarnya tegangan telah terpenuhi tetapi diinginkan daya yang lebih besar maka diameter lilitan harus diperbesar atau sebaliknya bila besarnya daya telah tercapai tetapi diinginkan tegangan yang lebih tinggi maka jumlah lilitan harus diperbanyak. Apabila ruang yang tersedia tidak cukup untuk menampung dua kebutuhan tersebut sekaligus maka hanya salah satu parameter yang dapat dipenuhi, umumnya adalah tegangan dengan pertimbangan bahwa kekurangan daya dapat diatasi dengan  menambah  jumlah  unit  generator. Metode  perhitungan desain dalam studi ini akan dilakukan secara analitik dan numerik menggunakan perangkat lunak FEMM 4.2. Performa generator yang dianalisis meliputi tegangan terminal, daya keluaran dan efisiensi.

## 2. METODOLOGI PENELITIAN

## 2.1 Pemilihan Tipe Rotor
Sebelum melakukan perhitungan desain, tipe rotor harus ditetapkan terlebih dahulu. Gambar 1 memperlihatkan topologi GMPFA stator tunggal tanpa inti besi lunak dan rotor ganda yang memperlihatkan posisi seluruh komponen utamanya.

## Gambar 1. Topologi GMPFA
Stator merupakan bagian yang statis atau diam, berbentuk piringan yang terbuat dari bahan non-magnetis dan berfungsi sebagai tempat lilitan kawat tembaga. Rotor adalah bagian yang berputar,  berbentuk  piringan  dari  baja  karbon  atau  laminasi  baja  listrik  dan  di  dalamnya disusun magnet permanen.
Dari Gambar 1 dapat dilihat bahwa tipe rotor yang digunakan adalah tipe inset, yaitu bagian ketebalan  magnet  permanen  ditanam  dalam  piringan  rotor  sehingga  hanya  permukaannya saja yang nampak di celah udara. Tipe rotor lain yang juga banyak digunakan adalah tipe rotor yang magnet permanennya direkatkan pada permukaan piringan ( surface permanent magnet rotor). Tipe tersebut lebih mudah dimanufaktur tetapi memiliki resiko lebih tinggi dalam hal magnet permanen terlepas dari tempat kedudukannya saat generator berputar. Berdasarkan pertimbangan tersebut maka tipe rotor inset yang dipilih dalam studi ini.

## 2.2  Penentuan Parameter Awal Desain
Parameter  awal  desain  atau  biasa  disebut  juga  dengan  parameter  masukan  terdiri  dari parameter mekanikal dan elektrikal. Parameter awal mekanikal berupa dimensi dari komponen utama  generator,  yaitu  stator  dan  rotor.  Kedua  komponen  tersebut  dianggap  sebagai komponen utama karena terkait langsung dengan proses konversi energi listrik. Dimensi dari komponen  utama  yang  harus  dihitung  adalah  dimensi  arah  radial  dan  arah  aksial  seperti diperlihatkan pada Gambar 2(a) & (b).
(a)
(b)
Gambar 2. Dimensi GMPFA, (a) Dimensi Arah Radial (b) Dimensi Arah Aksial
Prosedur desain GMPFA berbasis pada dimensi magnet permanen dilakukan mengikuti tahapan yang ditunjukkan oleh diagram alir pada Gambar 3.
Gambar 3. Diagram Alir Desain GMPFA Berbasis pada Dimensi Magnet Permanen
Lebar kutub rotor rata-rata b p(rata) diperoleh dengan menghitung nilai rata-rata dari b p(r1)-(r3) dimana b p(r2) adalah lebar busur yang dihasilkan oleh r rata pada kutub rotor. Dengan cara yang sama, b p(r1) dan b p(r3) adalah lebar busur pada jari-jari yang bersesuaian r1 dan r3. Lilitan stator
berbentuk lingkaran mengikuti bentuk magnet permanen. Apabila GMPFA dibentangkan, maka lebar kutub stator dan rotor dapat dilihat seperti pada Gambar 4.
Gambar 4. Lebar kutub stator dan rotor
Besarnya lebar kutub stator  adalah
𝜏 = (1)
dengan p = jumlah pasang kutub.
Lebar kutub stator rata-rata  (rata) dihitung dengan cara yang sama seperti mendapatkan b p(rata) . Selanjutnya rasio lebar kutub rotor terhadap kutub stator  i :
𝜶 𝐢 = 𝑩 𝒓𝒂𝒕𝒂 𝑩 𝒎𝒈 = 𝒃 𝐩(𝐫𝐚𝐭𝐚) 𝝉 (𝐫𝐚𝐭𝐚) (2)
dimana B rata =  kerapatan  fluks  celah  udara  rata-rata, B m g =  kerapatan  fluks  celah  udara maksimum.
Nilai  i berada pada rentang 0,55 <  i < 1 (Dalcali & Akbaba, 2017) ( Gieras, 2010) . Nilai tersebut berpengaruh terhadap bentuk gelombang tegangan yang diinduksikan ke lilitan stator yang merupakan fungsi dari gelombang kerapatan fluks magnet di celah udara. Dalam studi ini,  i ditetapkan sekitar 0,85.
Dari nilai  i tersebut dapat diperoleh sebagian besar dimensi generator arah radial. Selanjutnya nilai  awal  parameter  elektrikal  juga  ditetapkan,  dan  seluruh  nilai  awal  untuk  perhitungan desain ditampilkan dalam Tabel 1.
Tabel 1. Nilai Awal Desain GMPFA Parameter, simbol Nilai Satuan  Parameter, simbol Nilai  Satuan Dimensi Parameter elektrikal Diameter magnet, d m 0.030  m Daya keluaran, P o 500  W Tebal magnet, t m 0.003  m Tegangan terminal, V 220  V Jarak antar magnet, w t 0.004  m Faktor daya, c os  0.85 Jari-jari dalam magnet, r i 0.050  m Efisiensi,  0.8  % Jari-jari luar magnet, r o 0.080  m Frekuensi, f 50  Hz Jari-jari rata-rata magnet, r rata 0.065  m Jumlah pasang kutub, p 6  pasang Lebar celah udara, g 0.001  m Jumlah kutub, 2 p 12  kutub Tebal piringan rotor, t p 0.007  m Jumlah fasa, m 1  fasa Jumlah alur stator, S 1 12  alur Jumlah koil/kutub/fasa, q 1
Lebar yoke rotor y r dan tebal piringan t p dihitung secara bersamaan. Dua dimensi tersebut harus dapat menjamin bahwa kerapatan fluks magnet yang melalui yoke rotor B y r berada di
bawah saturasi atau kejenuhan magnetik material. Hubungan antara ketiga parameter y r , t p , dan B y r dinyatakan dalam Persamaan (3) (Boldea, 2006) :
𝐵 = (3)
dimana  f = fluks magnet di celah udara (T) dan B yr ditetapkan sebesar 1 T.
Material piringan rotor umumnya adalah baja dengan kandungan karbon yang sangat rendah. Baja karbon banyak digunakan karena memiliki karakteristik mekanik yang baik dan harganya murah (Tumanski,  2011) .  Dalam  studi  ini,  bahan  magnetik  lunak  yang  digunakan  untuk piringan rotor adalah baja karbon 1117 yang karakteristiknya diperoleh dari pustaka perangkat lunak FEMM 4.2 dan diperlihatkan pada Gambar 5.
Jari-jari luar piringan r po : 𝑟 = 𝑟 + 𝑦 (4)
Tebal aksial lilitan stator t ls dan jarak antar permukaan magnet t am dapat diketahui setelah diperoleh besarnya diameter dan jumlah lilitan melalui perhitungan parameter elektrikal.
Gambar 5. Karakteristik Magnetik Baja Karbon 1117

## 2.3  Perhitungan Parameter Elektrikal
Arus  jangkar I a dan  diameter  kawat  lilitan d w dihitung  dengan  persamaan (Gieras,  dkk, 2008) (Irasari, dkk, 2013) :
𝐼 = (5) 𝐴 = (6) 𝑑 = (7)
dimana: A w = luas penampang kawat lilitan (mm 2 ), J = kerapatan arus (A/mm 2 ), ditetapkan J = 3 A/mm 2 .
Besarnya tegangan induksi E f ketika fluks magnet di celah udara  f berputar dengan frekuensi f  dan memotong lilitan stator adalah:
𝐸 = 4.44𝑓𝑁 𝑘 𝛷 (8) 𝛷 = 𝛼 𝐵 𝐷 (1 − 𝑘 ) (9) 𝐵 = [ ( . )/ ] (10)
𝑘 = (11)
dimana N 1 = jumlah lilitan seri dalam 1 fasa, k w1 = faktor lilit pada harmonik fundamental, D o = 2  r o ,  rrec = permeabilitas relatif magnet = 1,05, B mg = kerapatan fluks maksimum di celah udara (T), B r = kerapatan fluks remanensi = 1,4 T, k sat = faktor jenuh magnetik material yang nilainya k sat  1.
B mg pada Persamaan (10) divalidasi melalui simulasi fluks magnetik menggunakan perangkat lunak FEMM 4.2. Dari simulasi tersebut juga akan diperoleh bentuk gelombang kerapatan fluks magnet di celah udara serta pola distribusi fluks magnet pada stator dan rotor.
Resistansi kawat lilitan R 1 , reaktansi bocor alur X 1 serta reaktansi bersama X a sumbu d dan q dihitung dengan persamaan:
𝑅 = (12) 𝑋 = 4𝜋𝑓𝜇 (𝜆 + 𝜆 + 𝜆 ) (13) 𝑋 = 2𝑚𝜇 𝑓 𝑘 (14) 𝑋 = 2𝑚𝜇 𝑓 𝑘 (15)
dimana  = massa jenis tembaga = 1,72  10 -8 (  .m), L w = panjang kawat lilitan (m), L i = panjang  efektif  lilitan  stator  arah  radial,  s = permeansi  bocor  alur,  e =  permeansi bocor ujung lilitan,  1d = permeansi fluks bocor diferensial, g ’ dan g ’ q = celah udara ekuivalen sumbu d dan sumbu q, k fd dan k f q = faktor bentuk reaksi jangkar sumbu d dan q.
Faktor  bentuk  reaksi  jangkar  didefinisikan  sebagai  rasio  amplitudo  kerapatan  fluks  pada harmonik pertama terhadap nilai maksimum komponen normal kerapatan fluks reaksi jangkar. Untuk rotor tipe inset, k fd dan k fq dihitung dengan persamaan:
𝑘 = 𝛼 𝜋 + sin 𝛼 𝜋 + 𝑐 (𝜋 − 𝛼 𝜋 − sin 𝛼 𝜋) (16) 𝑘 = (𝛼 𝜋 − sin 𝛼 𝜋) + 𝜋(1 − 𝛼 ) + sin 𝛼 𝜋 (17) 𝑐 = 1 + ℎ/𝑔 (18)
dimana h = kedalaman magnet permanen ditanam dalam piringan rotor (m).
Reaktansi  sinkron X s dan  arus  jangkar I a pada  sumbu  d  dan  q,  diperoleh  menggunakan persamaan:
𝑋 = 𝑋 + 𝑋 (19)
𝑋 = 𝑋 + 𝑋 (20) 𝐼 = ( ) ( ) ( ) (21) 𝐼 = ( ) ( ) ( ) (22) 𝐼 = 𝐼 + 𝐼 (23)
Besarnya tegangan terminal adalah:
𝑉 = (𝐸 − 𝐼 𝑅 ) − 𝐼 𝑋 − (𝐼 𝑋 ) (24)
Daya, rugi daya serta efisiensi dihitung dengan persamaan-persamaan berikut:
𝑃 = 𝑚 𝐸  𝐼 cos 𝜓 (25) 𝜓 = arccos (26) 𝑃 = 𝑃 − 𝑃 (27) 𝑃 = 𝑃 + 𝑃 + 𝑃 + 𝑃 (28) 𝜂 = × 100% (29)
P elm = daya elektro magnetik (W),  = sudut daya beban, cos  = faktor daya beban, P rugi = rugi daya total (W), P cu = rugi tembaga (W), P c = rugi inti (W), P fric = rugi gesekan bantalan poros, P wd = rugi hambatan angin di celah udara (W),  = efisiensi (%).

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1  Hasil Perhitungan Parameter Elektrikal
Proses perhitungan parameter elektrikal secara analitik dan numerik merupakan satu kesatuan karena B m g divalidasi  melalui simulasi  magnetik. Apabila terjadi perbedaan nilai B m g setelah validasi maka N 1 harus disesuaikan untuk mendapatkan tegangan yang diinginkan (Persamaan (8) dan (24)). Selain itu d w juga divalidasi untuk disesuaikan dengan diameter kawat yang tersedia  di  pasar  komersil.  Berdasarkan  nilai  awal  desain  pada  Tabel  1,  hasil  perhitungan parameter elektrikal ditampilkan dalam Tabel 2.
Tabel 2. Perbandingan Nilai Awal dan Nilai Validasi Parameter Elektrikal Parameter, simbol Nilai awal Nilai validasi Satuan Daya keluaran, P o 500 579,64  W Arus jangkar, I a 3,34 3,14  A Diameter kawat lilitan, d w 2,09 2  mm Tegangan terminal, V 220 224,27  V Jumlah lilitan, N 1 600 540  lilit
Parameter  elektrikal  yang  lain,  yakni  resistansi,  reaktansi  dan  rugi-rugi daya  yang  dihitung berdasarkan nilai B m g , d w dan N 1 yang telah divalidasi, hasilnya diperlihatkan dalam Tabel 3.
Tabel 3. Hasil Perhitungan Resistansi, Reaktansi dan Rugi Daya Parameter, simbol Nilai Satuan Resistansi stator, R 1 0,3  10 -3  Reaktansi stator, X 1 0,333  Reaktansi bersama sumbu d, X ad 0,171  Reaktansi bersama sumbu q, X aq 0,077  Reaktansi sinkron sumbu d, X sd 0,504  Reaktansi sinkron sumbu q, X sq 0,410  Rugi tembaga, P cu 2,9  10 -3 W Rugi inti, P c 120,59  W Rugi hambatan angin, P wd 7,9  10 -3 W
Rugi gesekan bantalan poros, P fric 4,35  W
Rugi gesekan bantalan poros dihitung dengan asumsi berat poros sama dengan 10% berat piringan.

## 3.2  Hasil Simulasi Fluks Magnetik
Simulasi magnetik dilakukan pada I a = 3,14 A, hasilnya diperlihatkan pada Gambar 6.
(a)
(b)
Gambar 6. Hasil Simulasi Fluks Magnet (a) Kerapatan Fluks Magnet di Celah Udara (b) Distribusi Fluks Magnet pada Stator dan Rotor
Kerapatan fluks magnet hanya dapat diperoleh dari satu sisi celah udara. Amplitudo maksimum terjadi ketika fluks magnet rotor berada di tengah kutub stator (Gambar 6(a)). Dari simulasi ini  didapat  nilai  rata-rata  kerapatan  fluks  celah  udara  komponen  normal B n =  0,1466  T. Mengacu pada Persamaan (2), B n = B rata , sehingga B m g validasi = 2 sisi celah udara  B n /  i =
0,3421 T. Dibandingkan dengan nilai awal B m g = 0,3106 T, terdapat perbedaan sekitar 9,2%. Agar  tegangan  tetap  mendekati  220  V,  nilai N 1 dikoreksi  dan  diperoleh  angka  yang  paling optimum adalah 540 lilit. Hasil akhir untuk V sedikit lebih tinggi dibanding V awal (Tabel 2).
Gambar 6(b) memperlihatkan distribusi fluks magnet pada stator dan rotor dengan pola yang teratur. Kerapatan fluks magnet maksimum pada rotor sebesar 1,929 T masih berada di bawah tingkat kejenuhan magnetik baja karbon 1117.

## 3.3  Hasil Simulasi Karakteristik GMPFA
Performa GMPFA tanpa beban ( V = 0) digambarkan dalam bentuk Grafik E f sebagai fungsi frekuensi f    (Gambar  7).  Dalam  kondisi  ini,  tegangan  yang  dibangkitkan  generator  adalah tegangan induksi E f yang memiliki hubungan proporsional terhadap f.

## Gambar 7. Karakteristik Generator tanpa Beban
Karakteristik berbeban diperoleh dengan memberikan beban R L dan Z L pada generator. Pada beban Z L , nilai R L yang diberikan sama dengan ketika diberi beban R L murni sedangkan nilai induktansi L  dinaikkan  secara  bertahap.  Pengaruh  pembebanan  terhadap  V,  P o serta  ditampilkan dalam Tabel 4 dan 5.
Tabel 4. Hasil Perhitungan Parameter Elektrikal pada Variasi Beban R L R L (  ) I ad (A) I aq (A) I a (A) V (V) P elm (W) P o (W)  (%) 70 0.02 3.20 3.20  224.276  718.56  593.61  82.61 80 0.01 2.80 2.80  224.277  628.75  503.79  80.13 90 0.01 2.49 2.49  224.277  558.89  433.94  77.64 100 0.01 2.24 2.24  224.278  503.01  378.05  75.16 110 0.01 2.04 2.04  224.278  457.28  332.32  72.67 120 0.01 1.87 1.87  224.279  419.17  294.22  70.19
Tabel 5. Hasil Perhitungan Parameter Elektrikal pada Variasi Beban Z L R L (  ) L (H) X L (  ) Z L (  ) I ad (A) I aq (A) I a (A) V (V) cos  P elm (W) P o (W)  (%) 70 0.1 31.42 76.73 1.21 2.65 2.92  224.276  0.910  595.20  470.24  79.01 80 0.2 47.12 92.85 1.23 2.07 2.41  224.278  0.860  464.47  339.51  73.10 90 0.3 62.83  109.76  1.17 1.67 2.04  224.278  0.818  373.98  249.02  66.59 100 0.4 78.54  127.16  1.09 1.38 1.76  224.279  0.785  309.73  184.77  59.66 110 0.5 94.25  144.85  1.01 1.17 1.54  224.279  0.758  262.62  137.67  52.42 120 0.6  109.96  162.76  0.93 1.01 1.38  224.279  0.736  227.00  102.05  44.95
Agar hubungan antara parameter yang dianalisis dapat dilihat dengan lebih jelas maka hasil perhitungan dalam Tabel 4 dan 5 disajikan kembali dalam bentuk grafik pada Gambar 8-10.
Gambar 8(a) memperlihatkan sebagian grafik V beban R L dan Z L saling berimpit. Namun beban R L mengalirkan I a sedikit lebih tinggi dibanding beban Z L menyebabkan tegangan jatuh yang merupakan fungsi dari I a , R 1 , X sd dan X sq dalam Persamaan (24) menjadi lebih tinggi akibatnya tegangan terminalnya menjadi lebih rendah. Namun pada beban R L , I aq = I a , menghasilkan faktor daya cos  = 1. Dengan faktor daya yang lebih tinggi, daya keluaran P o pada beban R L juga lebih tinggi (Gambar 8(b)).
(a)
(b)
Gambar 8. Karakteristik GMPFA pada Beban R L dan Z L , (a) Tegangan Terminal V, (b) Daya Keluaran P o
Gambar 9 menjelaskan pengaruh penambahan beban induktansi pada pada beban Z L terhadap faktor daya dan memperlihatkan hubungan terbalik antara kedua parameter tersebut.
Gambar 9. Faktor Daya Cos  Fungsi L
Dengan faktor daya yang lebih baik, generator dengan beban R L menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi dibanding dengan beban Z L seperti diperlihatkan pada Gambar 10.
Gambar 10. Efisiensi  Pada Beban R L dan Z L
Pada kedua jenis pembebanan, efisiensi generator makin tinggi ketika arus beban mendekati arus nominal. Kurva efisiensi pada beban R L lebih landai disebabkan faktor dayanya konstan = 1. Sementara itu, kurva efisiensi dengan beban Z L memperlihatkan penurunan yang lebih curam ketika arus beban semakin menjauhi arus nominal atau ketika beban semakin induktif. Efisiensi maksimum hasil simulasi pada beban R L dan Z L masing-masing adalah 82.61% dan 79.01%.

## 4. KESIMPULAN
Dalam makalah ini telah dibahas desain dan simulasi generator magnet permanen fluks aksial berbasis  dimensi  magnet  permanen  komersil.  Generator  memiliki  konstruksi  stator  tunggal tanpa  inti  besi  lunak  dan  rotor  ganda  dari  bahan  magnetik  lunak  baja  karbon.  Spesifikasi generator  adalah  500  W,  220  V,  500  rpm,  1  fasa.  Studi  dimaksudkan  untuk  mengetahui performa generator ketika diberi beban R L dan Z L . Hasil simulasi menunjukkan bahwa pada beban R L ,  generator  menghasilkan  daya  keluaran  dan  efisiensi  yang  lebih  tinggi  dibanding pada beban Z L , masing-masing besarnya adalah 593.61 W dan 82.61%. Sementara itu grafik karakteristik tegangan terminal pada kedua jenis beban tersebut sebagian berimpit tetapi pada beban R L tingkat penurunannya lebih besar karena tegangan jatuhnya lebih tinggi. Dari semua hasil  perhitungan  dan  simulasi  dapat  disimpulkan  bahwa  performa  generator  cukup  baik dengan efisiensi sekitar 80% pada kedua jenis pembebanan.

## DAFTAR RUJUKAN
Boldea, I. (2006). Synchronous Generator. USA: CRC Press.
Dalcali, A., & Akbaba, M. (2017). Optimum Pole Arc Offset in Permanent Magnet Synchronous
Generators for Obtaining Lowest Voltage Harmonics. Scientia Iranica D, 24 (6), 3223- 3230.
Dewata, A., Bakar, A. S. A., & Dwicahyo, K. (2015). Pemanfaatan WRF-ARW untuk Simulasi Potensi  Angin  Sebagai  Sumber  Energi  di  Teluk  Bone. Jurnal  Material  dan  Energi Indonesia, 5 (2), 17 – 23.
Dida, H. P., Suparman, S., & Widhiyanuriyawan, D. (2016). Pemetaan Potensi Energi Angin di Perairan Indonesia Berdasarkan Data Satelit QuikScat dan WindSat. Jurnal Rekayasa Mesin, 7 (2), 95-101.
Gieras, J. F. (2010). Permanent Magnet Motor Technology: Design and Application (Third ed.).
US: CRC Press.
Gieras, J. F., Wang, R.-J., & Kamper, M. J. (2008). Axial Flux Permanent Magnet Brushless Machines (2nd ed.). Berlin: Springer.
Irasari,  P.,  Alam,  H.  S.,  &  Kasim,  M.  (2013).  Analytical  Design  Method  of  3  KW,  200  rpm Permanent  Magnet  Generator  for  Renewable  Energy  Power  Plant. Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan, 2(1), 55-66.
Kasim, M., Irasari, P., & Hikmawan, M. F. (2016). Design, Simulation and Analysis of 3 kW Low Speed  Axial  Flux  Permanent  Magnet  Generator .  AIP  Conference,  (pp.  050004-1  - 050004-11)
Kasim, M., Irasari, P., Hikmawan, M. F., Widiyanto, P., & Wirtayasa, K. (2016). Effect of Air
Gap Variation on the Performance of Single Stator Single Rotor Axial Flux Permanent Magnet Generator . ICMSC, (pp. 060001-1 - 060001-9)
Nakhoda,  Y.  I.,  &  Saleh,  C.  (2016).  Rancang  Bangun  Generator  Magnet  Permanen  untuk Pembangkit Tenaga Listrik Skala Kecil Menggunakan Kincir Angin Savonius Portabel. Jurnal SETRUM, 5 (2), 71-76.
Robiansyah,  M. R.  (2017).  Perancangan  Kontroler untuk Turbin  Angin  Skala  Kecil. Seminar Nasional Teknoka, (pp. E6 - E15).
Tumanski, S. (2011). Handbook of Magnetic Measurements (Series in Sensors) (1 ed.). Florida: CRC Press.
Wijaya, F. D., W, Y. S., & Nugroho, R. A. (2014). Perancangan Generator Magnet Permanen Fluks Aksial Putaran Rendah. Annual Engineering Seminar, (pp. B-21 - B-26).
Wirtayasa,  K.,  Irasari, P., Kasim,  M.,  Widiyanto, P.,  &  Hikmawan, M. (2017). Design of An Axial–Flux Permanent-Magnet Generator (AFPMG) 1 kW, 220 Volt, 300 rpm,1 Phase for Pico Hydro Power Plants . International Conference on Sustainable Energy Engineering and Application, (pp. 172 - 179)