## PENGARUH VARIASI PENAMBAHAN LAPISAN MAGNET DAN JARAK CELAH UDARA ROTOR TERHADAP KINERJA MOTOR DC MAGNET PERMANEN
Sri Kurniati 1* , Sudirman Syam 2
1,2 Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Sains dan Teknik, Universitas Nusa Cendana, Kupang,
Nusa Tenggara Timur, Indonesia
1 sri_kurniati@staf.undana.ac.id
2 sudirman_s@staf.undana.ac.id
Abstract—A  rectangular  NdFeB  permanent  magnet  DC motor design has been made and tested experimentally. The use of  rectangular  permanent  magnet  rotor  teeth  made  in  layers aims to increase the torque of the DC motor. Measurement and testing of DC motor force and torque using a spring balance. In addition,  the  adjustment  of  the  air  gap  and  the  addition  of  a magnetic layer were carried out to determine the performance of a DC motor with varying rotation. This DC motor design has eight poles with 150 turns per coil and an arrangement of 1-4 layers of permanent magnets with an air gap of 1-4 mm. The results showed that the more layers of permanent magnets with a  smaller  rotor  and  stator  magnetic  air  gap,  the  greater  the torque.  In  measuring  the  motor's  torque  with  four  layers  of permanent magnets for an air gap of 1 mm with a field voltage of  50  Volts,  the  electrical-torque  is  0.6910  N-m,  and  the mechanical-torque is 0.027 N-m at a speed of 780 Rpm. Then at a  voltage  of  60  Volts  with  the  same  air  gap  distance,  an electrical-torque  of  0.085  N-m  is obtained  and  a  mechanical- torque of 0.0293 with a speed of 860 rpm.
Keywords — NdFeB  Magnet,  Electrical-torque,  Mechanical- torque, Rotation
Intisari —Sebuah  desain  motor  DC  magnet  permanen NdFeB  persegipanjang  telah  dibuat  dan  diuji  secara ekperimental.  Penggunaan  gigi  rotor  magnet  permanen persegi  panjang  dibuat  secara  berlapis  bertujuan  untuk meningkatkan  torsi  motor  DC.  Pengukuran  dan  pengujian gaya dan torsi motor DC menggunkan sebuah neraca pegas. Selain  itu,  pengaturan  jarak  celah  udara  dan  penambahan lapisan magnet  dilakukan  untuk  mengetahui  kinerja  motor DC  magnet  permanen  dengan  putaran  yang  bervariasi. Desain  motor  DC  magnet  permanen  ini  memiliki  8  kutub dengan 150 lilitan per kumparan dan susunan 1  - 4 lapisan magnet permanen dengan jarak celah udara dari 1 - 4 mm. Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  semakin  banyak susunan lapisan magnet permanen dengan jarak celah udara magnet  rotor  dan  stator  yang  semakin  kecil  akan menghasilkan  torsi  yang  semakin  besar.  Pada  pengukuran torsi motor dengan 4 lapisan magnet permanen untuk jarak celah udara 1 mm dengan tegangan medan 50 Volt diperoleh torsi  elektris  0,6910  N-m,  torsi  mekanis  0,027  N-m  dengan kecapatan  putaran  780  rpm.  Kemudian  pada  tegangan  60 Volt dengan jarak celah udara 1 mm diperoleh torsi elektris 0,0853  N-m  dan  torsi  mekanis  0,02925  dengan  kecepatan putaran 860 rpm.
Kata  Kunci—Magnet  NdFeB,  Torsi-listrik,  Torsi-mekanis, Putaran

## I. PENDAHULUAN
Motor  magnet  permanen  pertama  kali  ditemukan  dan dipatenkan  oleh  Howard  Johnson  di  Tahun  1980-an. Prinsip  kerjanya  berdasarkan gaya tolak menolak magnet sejenis  yang  dipasang  pada  rotor  dan  stator.  Gaya  tolak inilah yang akan diubah menjadi energi putar.  Konstruksi utama  dari  motor magnet  permanen  terdiri  dari  rotor  dan stator.  Rotor  memiliki  sumbu  putar  yang  memungkinkan bagian  ini  berputar  karena  daya  dorong  yang  didapatkan dari gaya tolak menolak magnet yang ada dikedua bagian utama motor magnet permanen tersebut [1].
Pengembangan  bahan  magnet  baru  dengan  kerapatan energi  tinggi  dan  koersivitas  tinggi  telah  meningkatkan desain motor magnet permanen. Magnet kerapatan energi tinggi  memungkinkan  peningkatan  celah  udara  tanpa pengurangan kepadatan medan magnet di celah udara. Hal ini  juga  menyebabkan  peningkatan  minat  penelitian  pada motor sinkron magnet permanen tanpa slot untuk aplikasi kinerja tinggi. Menurut [2], konfigurasi tanpa slot memiliki beberapa  keuntungan  dibandingkan  dengan  mesin  berinti besi seperti, tidak ada torsi cogging, tidak ada saturasi besi pada gigi stator, dan tidak ada rugi-rugi inti rotor sehingga dapat mengurangi rugi-rugi inti secara signifikan.
Saat ini, telah banyak dikembangkan motor DC magnet seperti magnet permanen jenis NdFeB yang menghasilkan rugi  yang  rendah  sehingga  menghasilkan  kinerja  motor magnet yang tinggi. Magnet NdFeB memiliki sifat magnet yang  sangat  baik  seperti  pada  nilai  induksi  remanen, koersivitas  dan  energi  produk  yang  lebih  tinggi  pula dibandingkan dengan magnet permanen lain [3, 4]. Dengan memiliki  sifat  magnetik  yang  tinggi,  dalam  aplikasinya magnet  NdFeB dapat berukuran lebih kecil. Karakteristik bahan  tersebut  memungkinkan  untuk  dapat  dimanfaatkan sebagai salah satu alternatif desain motor yang lebih efektif dan efesien [5, 6].
Akan tetapi, walaupun material magnet permanent dan desain motor magnet telah mengalami perkembangan yang pesat,  terdapat  beberapa  parameter  yang  mempengaruhi kinerja motor DC tersebut. Salah satu  diantaranya adalah jarak  celah  udara  magnet  rotor-stator.  Rotor  motor  dapat berputar  akibat  adanya  gaya  dorong  tarik  menarik  antara magnet  stator  dan  magnet  rotor  pada  posisi  dan  jarak tertentu  antara  keduanya.  Hubungan  gaya  dorong  rotor mempunyai torsi terhadap jarak antara magnet rotor-stator adalah  berbanding  terbalik,  sedangkan  hubungan  antara
gaya  dorong  dan  torsi  terhadap  posisi  sudut  magnet berbanding  lurus.  Hal  ini  menunjukan  bahwa  adanya hubungan  antara  putaran  motor  dan  jarak  antara  magnet rotor-stator,  sudut  yang  dibentuk  oleh  kedua  magnet  dan jumlah pasang magnet yang digunakan [1]. Selain itu, nilai fluks  magnet  juga  turut  berperan  penting  dalam meningkatkan  torsi  motor.  Hal  ini  telah  dianalisis menggunakan metode elemen hingga atau Finite Element Method (FEM) oleh [7].
Berkaitan  dengan  itu,  beberapa  studi  lainnya menjelaskan bahwa salah satu teknik untuk meningkatkan torsi  magnet  permanen  adalah  dengan  menggunakan segmen  magnet  permanen  yang  disusun  secara  berlapis. Dengan memasang magnet permanen secara berlapis sama dengan  menghubungkan  magnet  secara  paralel.  Dalam teori  rangkaian  magnet  terdapat  kesamaaan  dalam rangkaian  listrik.  Sifat  rangkaian  magnet  yang  disusun secara  paralel  sama  dengan  menghubungkan  tahanan paralel dalam rangkaian listrik. Artinya, apabila rangkaian magnet  disusun  secara  paralel  sama  dengan  menurunkan nilai reluktansi yang berbanding terbalik dengan nilai flux. Menurut [8] apabila nilai reluktansi rendah maka, nilai flux akan  menjadi  lebih  tinggi  dan  dapat  meningkatkan  torsi dari  motor.  Oleh  karena  itu,  tujuan  dari  paper  ini  adalah untuk mengetahui pengaruh pengaruh penambahan lapisan magnet  dan  jarak  celah  udara  antara  rotor  dan  stator terhadap kinerja motor magnet permanen.

## II. LANDASAN TEORI
A. Motor DC Magnet Permanen Motor  DC  magnet  permanen  dapat  didefinisikan sebagai  motor  yang  mencakup  kutub  magnet  permanen. Motor DC ini terdiri dari dua bagian yaitu stator dan rotor. Stator  adalah  bagian  yang  diam  dan  rotor  adalah  bagian yang  ikut  berputar.    Pada  motor  ini,  magnet  dapat digunakan  untuk  membuat  fluks  bekerja  di  dalam  celah udara di tempat gulungan medan. Rotor motor DC magnet permanen  termasuk  inti  angker  dinamo,  komutator,  dan belitan  angker  dinamo.  Fungsi  utama  dari  belitan  medan adalah untuk menghasilkan fluks magnetic yang berfungsi didalam  celah  udara  serta wound pada  stator  motor sementara belitan dinamo dapat memutar rotor.
- Rotor
Rotor pada motor ini berbentuk disk atau piringan yang bisa dibuat dari berbagai macam jenis bahan. Pada bagian rotor inilah ditempatkan magnet permanen yang berfungsi sebagai  kumparan  medannya.  Rotor  pada  generator  ini merupakan bagian yang dapat berputar.
- Stator
Stator  merupakan  bagian  yang  diam,  pada  dasarnya stator  merupakan  tempat  dibangkitkan  ggl  induksi  pada medan  magnet  pada  motor  magnet  permanen.  Rangkaian medan  yang  berfungsi  untuk  menghasilkan  fluksi  utama dibentuk  dari  kumparan  pada  setiap  kutub.  Pada aplikasinya  rangkaian  medan  dapat  dihubungkan  dengan kumparan  jangkar  baik  seri  maupun  paralel  dan  juga dihubungkan tersendiri langsung kepada sumber tegangan sesuai  dengan  jenis  penguatan  pada  motor.  Untuk menghitung  banyak  lilitan  ( N )  pada  kumparan  dapat dihitung dengan rumus:
▪ Langkah pertama, dilakukan perhitungan fluks magnet maksimal dengan menggunakan persamaan (1):
𝐵 𝑚𝑎𝑥 = 𝐵 𝑟 𝑙 𝑚 𝑙 𝑚+ 𝛿 (1)
dimana:
B r = kerapatan fluks (T) 𝛿
= lebar celah udara (m) 𝑙 m = tinggi magnet (m)
B max = fluks magnet maksimal (T)
▪ Selain itu, juga dihitung  luasan magnet  menggunakan persamaan (2):
𝐴 𝑚 = 𝜋 ( 𝑟 0 2 −𝑟 𝑖 2 )− 𝑟𝑓 (𝑟 0 − 𝑟 𝑖 )𝑁 𝑚 𝑁 𝑚 (2)
dimana:
𝐴 𝑚 = luasan magnet ( 𝑚 2 ) 𝑟 0 = radius luar magnet (m)
𝑟 𝑖 = radius dalam magnet (m) 𝑁 𝑚 = jumlah magnet
𝑟 f   = jarak antar kutub magnet (m)
▪ Dari  persamaan  (1)  dan  (2)  dapat  dihitung  nilai  fluks maksimal menggunakan persamaan (3):
ø 𝑚𝑎𝑥 = 𝐴 𝑚 × 𝐵 𝑚𝑎𝑥 (3)
dimana:
𝐴 𝑚 = luasan magnet ( 𝑚 2 ) 𝐵 𝑚𝑎𝑥 = Fluks magnet maksimal (T) ø 𝑚𝑎𝑥 = Fluks maksimum (Wb)
▪ Selanjutnya, untuk jumlah lilitan pada stator generator digunakan persamaan (4) dan (5):
N = 𝐸 4,44 𝑥 𝑓 𝑥 𝐾 𝑤1 𝑥 𝛷 (4)
▪ Jumlah lilitan disetiap kutub kumparan:
= 𝑁 𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑘𝑢𝑚𝑝𝑎𝑟𝑎𝑛 (5) dimana : N = jumlah lilitan E = tegangan fasa (volt)
f = frekuensi (Hz)
𝐾 𝑤1 = faktor belitan (0,8) Φ   = fluks magnet (Wb)
- Celah Udara
Celah udara atau air gap merupakan bagian celah yang terdapat  di  antara  rotor  dan  stator,  dimana  tempat  ini merupakan  tempat  berpindahnya  fluks  magnet  dan menginduksi  kumparan  atau  lilitan  kawat  pada  stator. Besarnya celah udara ini mempengaruhi penginduksian ke kumparan stator.
- Komutator Untuk  memperoleh  tegangan  searah  diperlukan  alat penyearah  yang  disebut  komutator  dan  sikat.  Komutator terdiri  dari  sejumlah  segmen  tembaga  yang  berbentuk lempengan-lempengan yang dirakit ke dalam silinder yang terpasang  pada  poros.  Setiap  lempengan  atau  segmen- segmen komutator terisolasi dengan baik antara satu sama lainnya. Kegunaannya adalah untuk membalikan arah arus listrik  dalam  kumparan  motor  DC  dan  juga  membantu dalam  transmisi  arus  antara  kumparan  motor  DC  dan sumber daya.
- Sikat
Sikat-sikat  ini  berfungsi  sebagai  jembatan  bagi  aliran arus  ke  kumparan  jangkar.  Dimana  permukaan  sikat ditekan  ke  permukaan  segmen  komutator  untuk menyalurkan  arus  listrik.  Besarnya  tekanan  pegas  dapat diatur  sesuai  dengan  keinginan.  Disamping  itu  sikat memegang  peranan  penting  untuk  terjadinya  komutasi. Karbon yang ada diusahakan memiliki konduktivitas yang tinggi  untuk  mengurangi  rugi-rugi  listrik.  Agar  gesekan antar komutator-komutator dan sikat tidak mengakibatkan arusnya komutator. Maka sikat harus lebih lunak dari pada komutator .
B.  Analogi Rangkaian Magnet dan Rangkaian Listrik Gambar  1  memperlihatkan  ekivalen  dari "rangkaian listrik" dan "rangkaian magnet" yang merupakan salah satu  metode  pendekatan  yang  dapat  digunakan  untuk membantu memberikan gambaran umum tentang fenomena magnet. Diagram rangkaian ini, tampak bahwa "sirkuit listrik" dan "sirkuit magnetik" adalah setara/sama.
Oleh  karena  itu  hubungan  secara  matematis  dari  kedua rangkaian juga sama.
Gambar 1. (a) Ekivalen Rangkaian Listrik dan (b)
Analogi Rangkaian Magnet
Berdasarkan  Gambar  1,  ada  beberapa  kesamaan  / kesetaraan  parameter  antara  rangkaian  listrik  dan  sirkuit magnetik seperti yang diberikan dalam Tabel 1.
Table 1. Analogi Kuantitas Rangkaian Listrik dan Rangkaian Magnet Rangkaian Listrik Satuan Rangkaian Magnet Satuan Tegangan ( v) Volt Gaya Gerak Magnet (F = Ni) Amp-turns Arus ( i) Ampere Fluks Magnet ( φ) Webers Wb Tahanan (R) Ohm Reluktans  ( 𝕽 ) Amp-turns/Wb Konduktivitas  (1/ ρ) Mho Permeabilitas ( μ) Wb/A-t-m Kerapatan Arus ( J) A/m 2 Kerapatan Fluks Magnet ( B)
Wb / m 2 = teslas T Medan Listrik  ( E) Newton/Coulomb (N/C) Intensitas medan Magnet  ( H) Amp-turn/m
Persamaan (1)  identik dengan Hukum Ohm:
𝐼 = 𝑉 𝑅 (1)
Untuk  rangkaian  magnetik,  efek  yang  diinginkan adalah  fluks  (φ),  sedangkan  penyebab  gaya  magnet  ( ℱ ) adalah  gaya  luar  (tekanan)  yang  diperlukan  untuk menentukan garis fluks magnet dalam material magnetik. Resistansi terhadap penentuan fluks (φ) adalah reluktansi ( ℜ ), sehingga nilai persamaan di atas diberikan oleh:
𝜑 = ℱ ℜ (2)
Selanjutnya,  dengan  menggunakan  analogi  "penyebab" hukum tegangan Kirchhoff, persamaan dapat diperoleh:
∑ ℱ = 0 0
(Untuk rangkaian listrik)
(3)
Persamaan ini menyatakan bahwa jumlah kenaikan aljabar dan  penurunan  gaya  gerak  magnetik  di  sekitar    loop tertutup  pada  sirkuit  magnetik  adalah  nol.  Dengan demikian, jumlah peningkatan gaya magnet  sama dengan jumlah  penurunan  gaya  magnet  di  sekitar  loop  tertutup. Kondisi  ini  dinyatakan  dalam  suatu  persamaan  yang disebut    Hukum  Rangkaian  Ampere.  Jika  persamaan  ini diterapkan  pada  rangkaian  magnetik,  maka    gaya  gerak magnet dilambangkan dengan:
ℱ = 𝑁 𝐼 (At)
(4)

## III. METODE PENELITIAN
A. Alat Penelitian Alat  penelitian  yang  digunakan  untuk  melakukan pengujian  desain  pada  Motor  DC  Magnet  Permanen sebagai berikut:
- Multimeter
- Teslameter
- Tachometer
- Spring balance (Neraca pegas)
- Power suplay (Regulator DC)
B. Bahan yang digunakan
- Seperangkat lapisan magnet jenis NdFeB dengan ukuran 10 mm x 20 mm x 1 mm.
- Dua piringan akrilik
- Belitan kumparan stator
- Capasitor DC 450 𝜇 F/500 VDC
- Poros/AS

## C. Metode Penelitian
Metode  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah metode  eksperimental  dengan  melakukan  perancangan, pembuatan,  dan  pengujian  torsi  motor  DC  magnet permanen.  Pengujian  dan  pengambilan  data  dilakukan  di Laboratorium  Teknik Elektro,  Fakutas  Sains  dan Teknik, Universitas  Nusa  Cendana.  Parameter  yang  diuji  pada desain  motor  DC  ini  adalah  kecepatan  putaran  dan  torsi motor  terhadap  pengaruh  tegangan  input  dan  variasi lapisan  magnet  rotor.  Gambar  2  dan  3  memperlihatkan desain  pengujian  torsi  motor  dan  pengujian  prototipe  di Laboratorium.
(a) F1 F2 D 1 2 3 4 5 6 (b)
Gambar 2. Desain Pengujian; (a) Pengujian Elektris; (b) Pengujian Mekanis Keterangan: 1. Ulir pengatur beban
2. Neraca Pegas ( Spring Balance )
3. Sabuk transmisi
4. Motor penggerak
5. Pully
6. Rangka
(a) (b)
Gambar 3. Pengujian Prototipe Motor DC Magnet Permanen; (a) Tampak Depan; (b) Tampak Samping
D.  Desain Motor DC Magnet Permanen
1.   Rotor magnet permanen
Rotor  merupakan  bagian  generator  yang  berputar, terbuat  dari  papan akrilik  berbentuk  lingkaran.  Gambar  4 memperlihatkan desain rotor dalam empat variasi, masing- masing dipasangkan magnet 1 lapis, 2 lapis, 3 lapis dan 4 lapis.
2. Desain Stator Motor DC Magnet Permanen Stator  adalah  bagian  yang  diam,  stator  dibuat menggunakan  bahan  akrilik.  Pada  stator  dipasang  lilitan kumparan  yang  disusun  secara  seri.  Kumparan  stator dirancang  sebanyak  150  per  lumparan  yang  terdiri  dari  8 kutub yang sesuai dengan perhitungan pada belitan stator.
Gambar 5. Desain Kumparan Stator 3. Desain prototipe motor Gambar  5  memperlihatkan  desain  prototipe  motor magnet  permanen  yanga  menggunaan  magnet  NdFeB persegipanjang yang disusun menjadi empat lapis.
Gambar 6. Desain Prototipe Motor Magnet Permanen E.  Diagram Alir Penelitian
Tahapan  penelitian  ini  sesuai  diagram  alir  yang diperlihatkan dalam Gambar 7.
Gambar 7. Diagram Alir Penelitian

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

## A. Spesifikasi Hasil Perancangan Motor Magnet
Hasil  perancangan  pada  desain  motor  DC  magnet permanen  jenis  NdFeB  dapat  dilihat  spesifikasinya  pada Tabel 2.
Tabel 2.  Spesifikasi Generator Parameter Nilai Kerapatan Fluks  (Br) - 1 lapis magnet
- 2 lapis magnet
- 3 lapis magnet
- 4 lapis magnet
117,97 mT 147,66 mT 181,25 mT 202,51 mT Jumlah Magnet 16 buah Radius dalam Magnet 0.145 m Radius luar Magnet 0.165 m Celah udara 1, 2, 3, 4 (mm) Diameter Rotor 20 cm Ketebalan rotor 8 mm Diameter puli 4.5 cm Kecepatan putaran 750 Rpm Jumlah lilitan 150 Jumlah kutub 8 Jumlah Phasa 1 Dimensi magnet : panjang 2 cm Lebar magnet 1 cm Tinggi magnet 1 mm Frekuensi 50 Hz

## B. Perhitungan Belitan Stator
▪ Fluks magnet rata-rata
𝐵 𝑚𝑎𝑥 = 0.2025117 0,02 0,02+0,004 = 0.144 𝑚T
▪ Luasan Magnet
𝐴 𝑚 = 3.14 ( 0.165 2 −0.145 2 )− 0.022 (0.165− 0.145)16 16
= 0.77675 𝑚 2
▪ Fluks magnet maksimal
ø 𝑚𝑎𝑥 = 0.77675 𝑚 2 × 0.144 T = 0.111852 Wb
▪ Menentukan banyak lilitan (E = 24 V)
N = 24 4.44 𝑥 50 𝑥 0.8𝑥 0.111852 = 1208.16 belitan.
Jumlah lilitan tiap kumparan:
= 1208.16 8 = 151.020 ≈ 150 lilitan perkumparan.
B.  Pengujian  Komposisi  Rotor  Magnet  yang  Disusun secara  Berlapis
Dalam pengujian motor magnet ini diberikan tegangan input (tegangan medan stator) yang bervariasi pada setiap lapisan  magnet  yakni  40V,  50V  dan  60  V.    Berdasarkan Gambar 2, pengukuran dilakukan untuk memperoleh nilai torsi mekanis dan torsi elektris sesuai dengan variasi beban yang  diberikan.  Torsi  mekanis  diperoleh  berdasarkan pengukuran  gaya,  sedangkan  torsi  listrik  diperoleh berdasarkan pengukuran daya output motor yang terukur. Dalam  hal  ini  pemberian  beban  dilakukan  dengan mengatur  ulir  dari  neraca  pegas  sampai  motor  berhenti berputar.  Kemudian  dilakukan  variasi  dengan  mengatur jarak celah udara piringan rotor dan stator dari 1 – 4 mm.
Untuk  membandingkan  torsi  dengan  beban  yang  di variasikan  terhadap  jarak  celah  udara  dapat  terlihat  pada Tabel 3. Data hasil pengujian putaran, arus, tegangan dan besar  gaya  yang  diukur  untuk  magnet  permanen  persegi panjang susunan 1-4 lapisan dengan jarak celah udara 1- 4 mm. Arus yang besar dipengaruhi oleh dimensi kawat dan jumlah  lilitan.  Selain  itu,  Tabel  3  memperlihatkan  juga hasil pengukuran arus dan gaya motor mulai dari beban nol sampai pembebanan penuh (motor berhenti / pengereman).
Tabel 3. Hasil Pengukuran  Rotor Magnet yang disusun secara Berlapis
No Teg. input 1 Lapis 2 Lapis 3 Lapis 4 Lapis Arus  F1 F2 (N)  Arus  F1 F2 (N) Arus  F1 F2 (N) Arus F1 F2 (N) (V) (I) (N) (N)  (Rpm)  (I) (N) (N) (Rpm) (I) (N) (N) (Rpm) (I) (N) (N) (Rpm) 1. 40 2.6 0 0 490 2.6 0 0 535 2.7 0 0 544 4.7 0 0 674 2.5 0.2 0.4 450 2.6 0.2 0.4 500 2.7 0.2 0.4 540 4.5 0.2 0.5 630 0 0.2 0.6 0 0 0.2 0.7 0 2.6 0.2 0.5 509 4.4 0.3 0.7 547 2.5 0.3 0.8 434 4.3 0.3 1 530 2.3 0.3  0.9 379 4.2 0.3 1.1 500 0 0.3 1 0 0 0.3 1.3 0 2. 50 2.8 0 0 550 3.1 0 0 570 3.6 0 0 640 4.8 0 0 780 2.7 0.2 0.5 520 3 0.2 0.5 490 3.5 0.3  0.5 582 4.7 0.2 0.5 730 2.6 0.2 0.6 460 0 0.2 0.8 0 3.3 0.3  0.8 540 4.6 0.3 1 636 3 0.3  0.9 480 0 0.3 1.5 0 2.9 0.3 1 450
0 0.3  1.2 0 3. 60
2.9 0 0 560 3.5 0 0 634 3.7 0 0 734 5.2 0 0 860 2.8 0.2 0.5 520 3.3 0.2 0.5 585 3.6 0.2  0.5 675 5.1 0.2 0.5 820 2.7 0.3 0.7 480 2.8 0.2 0.6 490 3.5 0.3  0.8 619 5 0.2 0.7 767 0 0.3 0.9 0 0 0.2 0.9 0 3.4 0.3 1 589 4.9 0.2 1 730 0 0.4  1.5 0 4.7 0.2 1.3 632 0 0.2 1.5 0
(a) (b)

## (c)                                                                           (d)
Gambar 8. Hubungan Variasi Lapisan Magnet terhadap Tegangan dan Putaran motor: (a) 1 Lapisan Magnet; (b) 2 Lapisan Magnet; (c) 3 Lapisan Magnet; (d) 4 Lapisan Magnet
Gambar  8  memperlihatkan  hubungan  variasi  tegangan input  dan  putaran  dari  motor  dengan  menggunakan  rotor magnet 1 - 4 lapisan magnet dan variasi jarak celah udara 1 - 4 mm. Berdasarkan Gambar 8 (a) terlihat bahwa pada penggunaan  magnet  persegi  panjang  dengan  susunan  1 lapis  ( 117,97  mT ),  motor  magnet  hanya  mampu  berputar pada  jarak  celah  udara  1-2  mm.  Hal  ini  disebabkan pengaruh fluks yang semakin kecil ketika jarak celah udara diperbesar. Kemudian putaran maksimun yang terjadi pada jarak  1  mm  hanya  mencapai  490  Rpm  dengan  tegangan input  40  V DC .  Kecepatan  motor  dapat  dinaikkan  menjadi 550 Rpm dan 560 Rpm dengan menaikkan tegangan input menjadi 50 – 60 Volt.
Selanjutnya, terlihat Gambar 8 (b), (c), dan (d) terjadi peningkatan putaran motor sebanding dengan penambahan lapisan magnet menjadi 2-4 lapis. Pada susunan magnet 2 lapis  (147,66  mT)  dengan  jarak  terkecil  1  mm  dengan tegangan input 40 Volt, diperoleh peningkatan putaran dari 544 Rpm menjadi 674 Rpm. Berturut-turut untuk magnet 3 lapis (181,25 mT) diperoleh peningkatan putaran 544 Rpm, dan  4  lapis  (202,51  mT)  dengan  putaran  674  Rpm. Demikian halnya dengan perubahan tegangan input sampai 60  Volt  diperoleh  putaran  maksimun  menjadi  634  Rpm (magnet 2 lapis), 734 Rpm (magnet 3 Lapis), dan 860 Rpm (magnet 4 lapis).
Seperti  halnya  dengan  magnet  1  lapis,  ketika  jarak celah  udara  diperbesar  maka  penambahan  magnet  2  –  4 lapis juga akan mengalami penurunan putaran. Akan tetapi, berbeda  dengan  susunan  magnet  1  lapis,  dimana penambahan  magnet  2  -  4  lapis  masih  mampu  berputar dengan jarak sampai 4 mm.
C.  Pengujian Torsi Motor DC Magnet Permanen Torsi  adalah  ukuran  kekuatan  atau  gaya  yang  dapat menyebabkan  objek  berputar.  Pengujian  torsi  dilakukan dengan menggunakan desain penelitian seperti Gambar 2. Dalam  pengujian  ini  dilakukan  pengambilan  data  torsi statis  dan  dinamis.  Torsi  statis  adalah  torsi  yang  tidak menghasilkan percepatan sudut dimana kondisi motor DC dalam keadaan mengalami  pengereman atau pembebanan penuh.  Sebaliknya,  torsi  dinamis  adalah  kondisi  dimana motor  DC  dalam  keadaan  berputar  baik  dalam  keadaan berbeban atau tanpa beban. Pengambilan data ini dilakukan pada  setiap  variasi  susunan  magnet  untuk  1  lapisan,  2 lapisan, 3 lapisan dan 4 lapisan  dengan variasi jarak celah udara 1 mm, 2 mm, 3 mm dan 4 mm. Kemudian data yang terukur  ini    masing-masing  dilakukan  perhitungan  torsi sesuai  dengan  rumus  untuk  torsi  mekanis  (pengukuran gaya)  dan  untuk  torsi  elektris  (pengukuran  daya  listrik) sebagai pembanding.
490 550 560 460 540 545 30 35 40 45 50 55 60 65 70 400 500 600 700 800 900 Teg a n g a n (V ) Putaran (Rpm) 1   L a p i s a n   M a g n e t   P e r m a n e n 1 mm 2 mm 535 570 634 510 555 610 475 530 580 425 480 530 30 35 40 45 50 55 60 65 70 400 500 600 700 800 900 Teg a n g a n (V ) Putaran (Rpm) 2 Lapisan magnet Permanen 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm 544 640 734 510 600 700 480 540 620 450 500 600 30 35 40 45 50 55 60 65 70 400 500 600 700 800 900 Teg a n g a n (V ) Putaran (Rpm) 3 Lapisan Magnet Permanen 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm 674 780 860 600 651 750 500 576 700 470 538 666 30 35 40 45 50 55 60 65 70 400 500 600 700 800 900 Teg a n g a n (V ) Putaran (Rpm) 4 Lapisan Magnet Permanen 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm
Berdasarkan data dari hasil pengukuran Tabel 3 maka, dapat dihitung nilai torsi elektris dan torsi mekanis dengan mengambil sampel magnet 1 lapis, sebagai berikut:
- Torsi mekanis: 𝜏 𝑚 = 𝐹. 𝑟 (5) Dimana:
F = F 2 - F 1

## 𝐹 = 0.4 − 0.2 = 0.2 𝑁
dan r diperoleh dari diameter puli (D= 45 cm) atau r = 0.0045/2 = 0.0225 m. Dengan demikian diperoleh:
𝜏 𝑚 = 0.2 𝑥 0.0225 = 0.0045 𝑁 − 𝑚
- Torsi elektris 𝜏 𝑒 = 𝑃/𝜔 (6)
dimana: P = V. I        (Watt)                               (7)
= 40 𝑥 2.5 = 100 𝑊𝑎𝑡𝑡 dan 𝜔 = 2𝜋𝑓𝑁
60
𝜔 = 2 𝑥 3.14 𝑥 50 𝑥 450 60 = 141300 60 = 2355 𝑟𝑎𝑑/𝑠 diperoleh:
𝜏 𝑒 = 100 2355 = 0.04246 𝑁 − 𝑚
Dengan cara yang sama, maka nilai torsi mekanis dan torsi  elektris  dapat  diperoleh  berdasarkan  hasil  pengujian pada  setiap  perubahan  beban  yang  diberikan  pada  motor magnet. Gambar 9 dan 10 memperlihatkan  pengujian torsi motor DC untuk komposisi 1 lapisan dan  4 lapisan magnet dengan mengambil sampel jarak celah udara  1 mm.
(a) (b)
Gambar 9. Pengujian Torsi Motor dengan komposisi 1 Lapisan Magnet: (a) Torsi Elektris; (b) Torsi Mekanis
(a) (b)
Gambar 10. Pengujian Torsi Motor dengan komposisi 4 Lapisan Magnet: (a) Torsi Elektris; (b) Torsi Mekanis
Terlihat  bahwa  semakin  besar  input  tegangan  yang diberikan  pada  belitan  medan  stator  sebanding  dengan besar torsi yang dihasilkan oleh motor magnet. Sebaliknya,
semakin  besar  putaran  motor  maka  semakin  kecil  torsi motor yang terjadi. Hal ini sesuai dengan rumus torsi motor yang  diberikan dalam  Pers. (6).  Demikian halnya dengan
0,04246 0,04046 0,054 0,0496 0,0486 0,0645 0,0617 0,0594 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 400 450 500 550 600 To rsi Ele kt ris (N -m) Putaran (Rpm) Torsi Elektris 40 V 50 V 60 V 0,009 0,0045 0,01125 0,009 0,00675 0,0135 0,01125 0,009 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 400 450 500 550 600 To rsi M e ka n is (N -m) Putaran (Rpm) Torsi Mekanis 40 V 50 V 60 V 0,0642 0,062 0,0615 0,0546 0,0533 0,0853 0,077 0,0743 0,0713 0,0693 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 450 550 650 750 850 950 To rsi Ele kt ris (N -m) Putaran (Rpm) Torsi Elektris 40 V 50 V 60 V 0,0225 0,018 0,01575 0,009 0,00675 0 0,027 0,018 0,00675 0 0,02925 0,02475 0,018 0,01125 0,00675 0 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0 200 400 600 800 1000 To rsi M e ka n is (N -m) Putaran (Rpm) Torsi Mekanis 40 V 50 V 60 V
adanya  penambahan  lapisan  gigi  magnet  rotor  juga berpengaruh  terhadap  torsi  yang  terjadi  pada  motor magnet.  Sebagai  contoh,  dalam  pengujian  komposisi magnet  1  lapis  dengan  tegangan  input  40  Volt  diperoleh torsi  elektris  sebesar  0,04246  N-m  dan  mengalami peningkatan sebesar 0,0642 N-m pada komposisi magnet 4 lapis.  Demikian  halnya  untuk  torsi  mekanis,  pada  torsi maksimun  untuk  tegangan  input  40  Volt  diperoleh  0,009 N-m pada komposisi magnet 1 lapis menjadi 0,0225 N-m pada komposisi magnet 4 lapis.
D. Pengaruh Torsi terhadap Jarak Celah Udara dan Variasi Lapisan Magnet
Untuk  mengetahui  pengaruh  torsi  motor  magnet terhadap  jarak  celah  udara  dan  variasi  lapisan  magnet, maka  dalam  pengujian  ini  digunakan  tegangan  input  50 Volt  dan  60  Volt.  Perbandingan  pengukuran  nilai  torsi diukur  berdasarkan  variasi  lapisan  magnet  rotor  dengan komposisi dari 1 sampai 4 lapisan magnet pada jarak celah udara 1 mm.
Pengaruh  peningkatan  torsi  motor  untuk  setiap penambahan lapisan magnet NdFeb berbentuk persegipanjang.  Pada  komposisi  magnet  1  lapis  dengan tegangan  input  50  Volt  diperoleh  torsi  mekanis  sebesar 0.01125  N-m  dan  torsi  elektris  sebesar  0,054  N-m. Demikian  halnya  untuk  tegangan  input  60  Volt  terjadi peningkatan torsi mekanis sebesar 0,01575 N-m dan torsi elektris  sebesar  0,0645  N-m.  Selanjutnya,  Terlihat  juga bahwa  adanya  penambahan  setiap  lapisan  pada  magnet rotor  berpengaruh  pada  peningkatan  torsi  motor  pada setiap  lapisannya.  Hal  ini  disebabkan,  karena  adanya pengaruh penambahan fluks magnet ketika lapisan magnet ditambahkan. Sebagai contoh untuk torsi mekanis dengan komposisi  magnet  1 lapis dengan tegangan input 50 Volt berturut-turut diperoleh peningkatan torsi dari 0,01125 N- m menjadi 0, 0135 N-m (2 lapis), 0,0135 N-m (3 lapis) dan 0,027  N-m  (4  lapis).      Disini  juga  terlihat  bahwa,  torsi elektris  lebih  besar  dibandingkan  dengan  torsi  mekanis. Hal  ini  menunjukkan  bahwa  pengukuran  torsi  elektris diperoleh pada daya input motor, sedangkan torsi mekanis diperoleh pada daya output motor.

## E.  Pembahasan Hasil Penelitian
Terdapat  beberapa  parameter  yang  mempengaruhi kinerja  motor  magnet  permanen  seperti  tegangan  input, jarak  celah  udara  dan  fluks  magnet  rotor.  Sesuai  dengan hasil analisis atas pengujian untuk pengaruh tegangan input terhadap  putaran  menunjukan  bahwa,  semakin  besar tegangan  input  semakin  besar  kecepatan  putaran  pada motor  DC  magnet  permanen.  Hal  yang  sama  juga  sudah dikemukan  oleh  [9]  bahwa  nilai  torsi  meningkat  seiring meningkatnya input tegangan. Dalam hal ini menunjukkan bahwa besar tegangan jangkar medan akan mempengaruhi putaran motor DC. Selain itu, arah putaran dari motor DC magnet permanen ditentukan oleh arah arus yang mengalir pada jangkar.
Selanjutnya,  salah  satu  keistimewaan  dari  motor  DC magnet permanen ini adalah kecepatannya dapat dikontrol dengan  mudah.  Kecepatan  motor  magnet  permanen berbanding langsung dengan nilai tegangan yang diberikan di  jangkar  [10].  Sebaliknya,  kecepatan  motor  berbanding terbalik  dengan  torsinya.  Menurut  [11],  torsi  hasil
perhitungan  dari  putaran  motor  cenderung  meningkat dengan  menurunnya  putaran  jangkar  sesuai  dengan literatur.  Seperti  yang  telah  dijelaskan  dalam  Pers.  (5), gaya  yang  timbul  pada  rotor  akan  menghasilkan  momen putar atau torsi.
Kemudian  kecepatan  putaran  juga  dipengaruhi  oleh jarak celah udara dan variasi penambahan lapisan magnet. Artinya bahwa semakin besar penambahan lapisan magnet dengan  jarak  celah  udara  yang  semakin  kecil  maka kecepatan putarannya juga akan semakin besar. Demikian sebaliknya,  semakin kecil lapisan magnet  dan jarak celah udara  semakin  besar  maka  kecepatan  putarannya  akan semakin  menurun.  Berdasarkan  hasil  pengujian  dan pengukuran pada kecepatan putaran pada desain motor DC magnet  permanen  terbukti  bahwa,  dengan  inputan tegangan  medan  tertinggi  60  Volt  terhadap  4  variasi penambahan  lapisan  magnet  diperoleh  kecepatan  putaran yang  lebih  besar.  Pada  penambahan  4  lapisan  magnet diperoleh  kecepatan  putaran  tertinggi  yaitu  860  Rpm dengan  jarak  celah  udara  1  mm  untuk  inputan  tegangan medan 60 Volt. Hasil ini lebih besar dibandingkan dengan inputan  tegangan  medan  40  Volt  dan  50  Volt  terhadap  1 lapisan  magnet,  2  lapisan  magnet  dan  3  lapisan  magnet dengan  jarak  celah  udara  1  -  4  mm.  Hal  yang  sama  juga sudah  dibuktikan  oleh  [12]  dalam  perancangan  magnetic gear.  Ketika  lapisan  magnet  NdFeB  persegi  panjang disusun secara paralel akan mengurangi reluktansi magnet dibanding disusun secara seri sehingga dapat menurunkan reluktansi magnet berkurang dan dapat meningkatkan fluks magnet.
Berkaitan  dengan  pengaruh  lapisan  magnet  rotor terhadap  torsi  motor  DC  magnet  permanen  menunjukan bahwa, penambahan lapisan magnet dapat mempengaruhi perolehan nilai torsi motor. Dalam hal ini, semakin banyak lapisan  magnet  (4  lapisan)  maka  fluks  magnet  akan semakin  besar  sebanding  dengan  nilai  torsi  torsi  motor. Dalam  hal  ini  fluks  magnet  rotor  akan  berpengaruh langsung  dengan  torsi  motor  DC.  Hal  ini  juga menunjukkan  bahwa  semakin  besar  diameter  magnet semakin  besar  juga  fluks  yang  dihasilkan  oleh  magnet tersebut, Dengan demikian, semakin besar diameter motor semakin  besar  torsi  yang  dihasilkan  oleh  motor  magnet. Hal  ini  juga  telah  dikemukan  oleh  [13],  semakin  besar dimensi  magnet  akan  mempengaruhi  torsi  motor.  Seperti yang diperlihatkan dalam Tabel 2 berturut-turut diperoleh pengukuran  fluks  magnet  sebesar  117.97  mT  (1  lapisan magnet),  146.67  mT  (2  lapisan  magnet),  181.25  mT  (3 lapisan  magnet),  dan  202.54  mT  (4  lapisan  magnet). Dengan  penambahan  4  lapisan  magnet  permanen  persegi panjang  memperoleh  nilai  torsi  yang  lebih  besar dibandingkan  dengan  ketiga  variasi  lapisan  magnet lainnya.  Dari  hasil  pengukuran  pada  komposisi  rotor dengan  4  lapisan  magnet  permanen  dengan  tegangan medan 60 Volt, dan jarak celah udara 1 mm diperoleh torsi elektris  maksimum  0,0853N-m,  dan  torsi  mekanis maksimum 0,02925 N-m.

## V. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil pengukuran dan analisis  pada desain motor DC magnet permanen dengan menggunakan magnet
NdFeb  persegipanjang  diperoleh  kesimpulan  sebagai berikut:
1. Tegangan input medan dapat mempengaruhi kecepatan putaran  pada  desain  motor  DC  magnet  permanen. Semakin besar tegangan input dengan lapisan magnet yang semakin banyak terhadap jarak celah udara yang semakin  kecil  akan  menghasilkan  kecepatan  putaran yang lebih besar.
2. Variasi penambahan lapisan magnet dapat meningkatkan   torsi motor DC magnet permanen. Hasil pengukuran  membuktikan  bahwa  pada  4  lapisan magnet  memperoleh  nilai  fluks  lebih  besar  sehingga dapat meningkatkan perolehan torsi.
3. Hasil pengujian menunjukan bahwa, jarak celah udara pada  desain  motor  DC  magnet  permanen  dapat berpegaruh pada torsi motor. Semakin kecil jarak celah udara,  torsi  motor  semakin besar, sebaliknya semakin besar  jarak  celah  udara  maka  torsi  motor  DC  magnet permanen  akan  semakin  menurun.  Dari  hasil pengukuran  dapat  membuktikan  bahwa,  jarak  celah udara 1 mm diperoleh torsi yang lebih besar.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan  terima  kasih  kepada  kepala  Laboratorium Teknik  Elektro,  Fakultas  Sains  dan  Teknik  yang  telah memberikan  fasilitas  dalam  pengujian  dan  pengambilan data dalam penelitian ini

## REFERENSI
[1] Sumardjati,  “Motor  Magnet  Permanen  Sebagai  Penghasil Gaya Dan Putaran Tanpa Energi Listrik,” Ind. Res. Work. Natl. Semin. , vol. 3, no. 29, p. 156, 2012.
[2] J. Santiago and H. Bernhoff, “Comparison between axial and radial flux PM coreless machines for flywheel energy storage,” J. Electr. Syst. , vol. 6, no. 2, pp. 1–13, 2010.
[3] M.  J.  Kramer,  R.  W.  Mccallum,  and  I.  A.  Anderson, “Prospects  for  Non-Rare  Earth  Permanent  Magnets  for Traction Motors and Generators,” vol. 64, no. 7, pp. 752– 763, 2012, doi: 10.1007/s11837-012-0351-z.
[4] M. Chen, K. T. Chau, W. Li, and C. Liu, “Development of Non-rare-earth Magnetic Gears for Electric Vehicles,” vol. 10, no. 2, pp. 1607–1613, 2012.
[5] M.  T.  Thompson,  “Practical  Issues in  the  Use  of NdFeB Permanent  Magnets  in  Maglev  ,  Motors  ,  Bearings  and Eddy Current Brakes,” 2008.
[6] M.  Siregar,  L.  E.  Joe,  and  T.  Nur,  “Study  the  Effect  of Combination  of  Shoe  Height  and  Slot  Opening  width  to Reduce  Cogging  Torque  in  Permanent  Magnet  Generator Study the Effect of Combination of Shoe Height and Slot Opening  width  to  Reduce  Cogging  Torque  in  Permanent Magnet Generator,” 2020, doi: 10.1088/1757-
899X/807/1/012011.
[7] N.  Chen,  S.  L.  Ho,  and  W.  N.  Fu,  “Optimization  of Permanent Magnet Surface Shapes of Electric Motors for Minimization of Cogging Torque Using FEM,” vol. 46, no. 6, pp. 2478–2481, 2010.
[8] S.  Syam,  S.  Soeparman,  D.  Widyanuriawan,  and  S. Wahyudi, “IOP Conference Series : Materials Science and Engineering PAPER • OPEN ACCESS A New Design of Magnetic Gear Axial using a Rectangular NdFeB Magnetic Layer  A  New  Design  of  Magnetic  Gear  Axial  using  a Rectangular  NdFeB  Magnetic  Layer,”  2019,  doi: 10.1088/1757-899X/494/1/012053.
[9] S.  A.  Ananda,  J.  S.  S,  and  B.  A.  S,  “Studi  Penggunaan Permanen Magnet Servo Motor Tegangan 460 V DC 1850 Rpm Pada Mesin Potong Karton,” J. Tek. Elektro , vol. 2, no. 2, pp. 98–104, 2002, doi: 10.9744/jte.2.2.
[10]  B.  J.  Hutagaol,  “Analisa  pengaruh  kecepatan  putar  dan beban  terhadap  keluaran  generator  sinkron  tiga  phasa kecepatan rendah,” Saintek ITM , vol. 32, pp. 16–20, 2019.
[11]  A. Hindasyah and S. Agus, “Uji fungsi magnet permanen elastis  p3ib  pada  motor  listrik  arus searah,” Pros.  Semin. Nas. Bahan Magn. I, Serpong , pp. 82–86, 2000.
[12]  S.  Syam,  S.  Kurniati,  and  R.  Ramang,  “Design  and characteristics  of  axial  magnetic  gear  using  rectangular magnet,” J. Eur. des Syst. Autom. , vol. 53, no. 2, pp. 167– 175, 2020, doi: 10.18280/jesa.530202.
[13]  R.  Kumalasari,  “Pengaruh  Diameter  Kumparan  Armature Terhadap Torsi dan Daya Motor Listrik,” Skripsi, Jur. Tek. MEsin, Univ. Negeri Semarang , 2019.