bab iii metodologi penelitianeprints.umm.ac.id/40994/4/bab iii.pdf5 2.5 26 6 4 34 . ... menghitung...
TRANSCRIPT
21
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Perancangan Generator Fluks Aksial
Generator flux axial merupakan jenis mesin listrik yang dapat menghasilkan
energi listrik dengan arah flux dalam tegak lurus. Tipe generator ini akan terus
dikembangkan dengan berbagai desain yang berbeda-beda untuk mendapatkan tingkat
efisiensi yang tinggi untuk diimplementasikan dengan sumber daya alam yang ada.
Generator fluks aksial menggunakan rotor ganda dan stator tunggal tanpa inti besi
adalah salah satu pengembangan generator fluks aksial. Generator ini biasanya
digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan kecepatan rendah. Generator ini
menggunakan rotor ganda yang mengapit stator di tengah-tengahnya. Bagian stator
adalah kumparan tanpa inti besi sedangkan bagian rotor terdiri dari beberapa pasang
magnet permanen yang berfungsi sebagai pembangkit medan utama. Semakin besar
luas permukaan permanen dari magnet yang digunakan, maka semakin banyak fluks
magnetik yang dihasilkan oleh magnet permanen dan menembus kumparan pada stator,
sehingga Gaya Gerak Listrik (GGL) induksi yang dibangkitkan juga lebih tinggi.
Pada perancangan atau desain generator fluks aksial akan menggunakan
software magnet infolityca yang akan diimplementasikan menjadi sebuah hardware
generator permanen magnet fluks aksial dengan menggunakan bahan atau material dan
ukuran sesuai dengan spesifikasi desain yang dibuat. Bagian-bagian inti dari generator
fluks aksial adalah rotor dan stator.
3.2 Flowchart
Dalam metodologi penelitian tugas akhir untuk merancang sebuah generator
diawali dengan membuat rencana dalam proses pembuatan generator tersebut, maka
tahapan-tahapan yang perlu dilakukan untuk proses mulai dari desain, pemilihan
material,perakitan setiap komponen generator, dan melakukan pengujian generator
sehingga didapat hasil keluaran generator. Tahapan-tahapan nya sebagai berikut :
22
Y T
Gambar 3.1 Tahapan Perancangan Generator Flux Axial
Merakit generator permanen
magnet fluks aksial
Desain generator rotor
dan stator flux axial
Pencarian material dan
komponen Generator Fluks
Aksial
Pengujian RPM dan
tegangan output
Selesai
Perbaikan
Hasil dan Pembahasan
Mulai
23
3.3 Rancangan Stator
Stator akan dirancang dengan menggunakan jenis stator yang tidak memiliki
inti besi pada kumparan, sehingga konstruksi pada stator hanya terdiri dari kumparan
konduktor dan tatakan penyangga (yoke).
3.3.1 Menentukan Jumlah Kumparan
Jumlah kumparan = 15 buah. Nilai ini didapatkan dari besarnya jumlah magnet
pada rotor jumlah magnet adalah 20 buah dengan 10 kutub yang saling berhadapan,
agar keliling stator menyesuaikan keliling rotor. Pertimbangan lain adalah agar
kumparan dapat sepenuhnya tersapu oleh fluks magnetik.
GMPAF 15 Slots-10 Poles (Double Rotor-Single Stator)
π1 = π1
π=
15
20
3.3.2 Menentukan Jumlah Lilitan Kumparan Stator
Jumlah lilitan = 15 buah, Nilai ini didapat dari rumus tegangan induksi yang
didapat pada generator dengan pertimbangan untuk meraih tegangan 18-24 Vac serta
parameter yang telah ada seperti frekuensi sebesar 50 Hz, fluks magnet (Ξ¦maks)
sebesar 0,000202 Webber, jumlah kumparan sebesar 15 buah serta jumlah fasa sebesar
3 buah maka dapat dihitung dengan menggunakan pers. 2.6 sebagai berikut:
πΈπππ =πΈππππ
β2=
2π
β2Γ π Γ π Γ Ξ¦maks Γ
ππ
ππβ
18 =2π
β2Γ π Γ 50 Γ 0.000202 Γ
15
3
N= 18
4.44Γ50Γ0.000202Γ5
N= 80. 278 = 80 liltan
24
3.3.3 Menentukan Diameter Kawat
Email Diameter kawat email = 0,1 cm. Nilai ini didapatkan pada referensi
kawat email, besar arus yang dibutuhkan sebesar 15 A mendekati nilai 15 A yang mana
besar arus tersebut dapat dialirkan dengan kawat email berdiameter 1 mm. Besarnya
nilai arus ini bergantung dari besar diameter kawat email, semakin besar diameter
kawat, maka semakin besar pula arus yang mengalir.
Tabel 3.1 Kuat Hantar Arus Pada Kawat Email
No.1
Penampang kawat
email (mm)
Kemampuan
membawa arus
(ampere)
1 0.5 3
2 0.75 12
3 1 15
4 1.5 18
5 2.5 26
6 4 34
pada perancangan ini berdasarkan tabel diatas diameter kawat email yang
digunakan berukuran 1 mm, kawat email yang berukuran 1 mm memiliki kemampuan
membawa arus sebesar 15 ampere, pada perancangan ini banyaknya jumlah lilitan nya
adalah 80 turns (lilitan).
Tabel 3.2 Ukuran stator
No. Keterangan Ukuran
1. Diamater stator 220 m
2. Ketebalan stator 20 mm
Stator dengan ukuran diameter 220 cm dapat memuat 15 kumparan berbentuk
trapezoidal secara maksimal dengan ukuran kumparan yang disesuaikan dan memiliki
80 lilitan per kumparan.
25
Gambar 3.2 Skematik ukuran kumparan
Tabel 3.3 Ukuran kumparan
No Simbol Keterangan Ukuran
1. Wso Lebar bagian luar 50 mm
2. Wci Lebar bagian dalam 15 mm
3. Wco Lebar lubang bagain
luar
30 mm
4. Wsi Lebar lubang bagian
dalam
5 mm
5. Pk Panjang 70 mm
6. Tk Tebal 10 mm
Kumparan yang dirancang memiliki tipe non-overlapping yang bertujuan
memaksimalkan induksi medan magnet pada kumparan dan menghindari penambahan
ketebalan pada stator [9].
26
Gambar 3.3 Skematik ukuran kumparan dengan stator
Gambar 3.4 Stator hasil desain/rancangan
27
Tabel 3.4 Ukuran jari β jari stator
No Simbol Keterangan Ukuran
1. rco Jari-jari lubang stator bagian luar 105
2. rci Jari-jari lubang stator bagian dalam 55
3. rso Jari-jari bagian luar stator 115
4. rsi Jari-jari dalam luar stator 45
1. Menghitung luas area slot, π΄π
π΄π = (π(184 Γ 10β3)2 β (120 Γ 10β3)2
4
1
18β (2.5 Γ 10β3) . (3 Γ 10β3)
β(π)(120 Γ 10β3) β (2.5 Γ 10β3)(18)
18(3 Γ 10β3)
β (9 Γ 10β3)(184 Γ 10β3) β (120 Γ 10β3) β (2)(3 Γ 10β3)
2)
= πππ, π Γ ππβπππ
2. Menghitung luas area slot yang dapat terisi oleh lilitan, π΄0
π΄0 = 525,1 Γ 10β6 .30
100= πππ, ππ . ππβπππ
3. Menghitung jari-jari kawat penghantar, πππ’
πππ’ = β157,53 . 10β6 . 0,3
2 . 73 . π= π, ππ πππ
3.4 Rancangan Rotor
Rancangan ukuran rotor dapat disesuaikan dengan ukuran stator,dimana
magnet permanen saling berhadapan ditengah β tengah sisi depan dan belakang
kumparan. Bahan yang digunakan sebagai tatakan penyangga rotor yaitu besi (Fe),
sehingga magnet dapat diletakan pada tatakan penyangga tanpa harus menanam
magnet permanen tersebut.
Untuk menentukan kecepatan motor karena sudah diketahui nilai dari jumlah kutub
dan frekuensi yang dinginkan persamaannya adalah.
28
π =π
2Γ
π
60
Dimana :
P = Jumlah kutub
n = kecepatan putar rotor (rpm)
f = frekuensi (Hz)
Diketahui : f = 50 Hz, P = 10 kutub
Ditanyakan n = ?
Maka:
50 =10
2Γ
π
60= 600 rpm
Untuk mencari atau menentukan jarak antar magnet adalah.
ππ = π¬π’π§ ππ Γ π
Dimana :
ππ = Jarak antar magnet (cm)
π = Panjang magnet (cm)
Diketahui ukuran magnet yang digunakan : 40 x 20 x 2mm
Panjang = 40 mm
Lebar = 20 mm
Tebal = 2mm
Maka: ππ = π¬π’π§ ππ Γ π = π
πΓ π
= 2 cm
29
Gambar 3.5 Kontruksi rotor
Tabel 3.5 Ukuran yoke rotor
No Keterangan Ukuran
1. Diameter 220 mm
2. Ketebalan 20 mm
Untuk mencari keliling rotor :
ππ« = (ππ Γ ππ) + (π Γ ππ)
Dimana :
Kr = Keliling Rotor (cm)
ππ =Jarak antar magnet (cm)
a = Lebar magnet (cm)
30
diketahui : ππ = 2 cm
a = 2 cm
Kr = (Οf Γ 12) + (a Γ 12) = ( 2 x 12) + ( 2 x 12)
= 48 cm
Menghitung luas area perkutub, ππ
ππ = π115 . 10β3+ 110 . 10β3
2.
1
16. 47 . 10β3 = π, ππ Γ ππβπ m2
Menghitung luas ekuivalen celah udara, ππ
ππ = π .(118Γ10β3)+120Γ10β3)
2.
1
18. 47 Γ 10β3 = π, ππ Γ ππβπm2
Menghitung koefisien permaence, Pc
ππ =(5 Γ 10β3)(0,97 Γ 10β3)
(1 Γ 10β3)(1,04 Γ 10β3).1.2
1.1= π, π
Menghitung kemiringan kurva demagnetisasi, ππ
ππ = 1,39
1060650 .
107
4. π= π, ππ
Menghitung kerapatan fluks di titik pengoperasian generator, π΅π
π΅π =(5,1)(1.39)
5,1 + 1.03= π. ππ π»
Menghitung kerapatan fluks celah udara, π΅π
π΅π =(1.15)(1,04 Γ 10β3)
(1.2)(0,97 Γ 10β3)= π, ππ π»
Menghitung nilai fluks medan magnet, Ξ¦
Ξ¦max = (2,03)(1 Γ 10β4) = π. ππππππ πΎπ
Luas permukaan magnet NdFeB per-poles (Sm) :
Sm = π π·π+π·π
2+
1
π πΏβ
= 3.14 π₯50 +220
2π₯
1
8π₯ 40
= 2.1195 mm
Luas Equivalen gap (Sg)
31
Sg = π π·π+π·π
2+
Qc
ππ πΏπ
= 3.14 π₯50 +220
2π₯
12
80π₯ 10
= 635.85 mm
Fluks magnetik (β ) :
Kf = 1.07
Kr = 1.04
Koefisien permeances (Pc) :
ππ = πΏπ β ππ
πΏπ β ππ π₯
πΎπ
πΎπ
= 2 β 635.85
3 β 2.1195 π₯
1.07
1.04
= 0.20576
Nilai (flux density) kerapatan fluks pada GMPAF :
ππ =π΅π
π»π π₯
107
4 π₯ π
Br = 0.7 Weber
bHc = 265 x 10β3 A/m
He = 286.5 x 10β3 A/m
ππ =π΅π
286.5 π₯ 10β3 π₯
107
4 π₯ 3.14
= 0.20055 x 7.850.000
= 1.60 ππ2
π΅π =ππ
ππ π₯
Br
ππ
=60
60 π₯
0.7
1.60
= 0.4375 (ππ/π2)
1. Magnetic flux density pada air gap (π΅π πππ π΅β²π) :
π΅π =π΅π
πΎπ π₯
ππ
ππ
=0.4375
1.07 π₯
248.6 π₯ 10β3
201.3525
=0.1087625
215.447175
32
= 0.5048 (Wb / π2)
Rata-rata gelombang sinusoida pada Bβg :
π΅π =2
π π₯ π΅π
=2
3.14 π₯ 0.5048
= 0.3215 (Wb / π2)
3.4.1 Magnet
Jenis magnet permanen yang akan digunakan dalam perancangan rotor tersebut
adalah jenis magnet permanen neodynium iron-boron (NdFeB) N52. Magnet permanen
jenis ini memiliki nilai medan magnet dan kerapatan fluks magnet yang lebih besar
dibandingkan jenis magnet permanen lainnya yaitu sebasar 1,2 tesla. Penggunaan jenis
magnet permanen neodynium-iron-boron (NdFeB) bertujuan untuk memperoleh nilai
fluks magnet yang maksimal sehingga memperoleh tegangan induksi yang maksimal.
Penentuan ukuran magnet permanen yang digunakan berdasarkan kemampuan peneliti
dalam memperoleh magnet permanen tersebut.
Gambar 3.6 Magnet Permanen Neodymium
33
Tabel 3.6 Ukuran Magnet Neodymium
No Keterangan Ukuran
1. Panjang 40 mm
2. Lebar 20 mm
3 Tebal 2 mm
3.5 Celah Udara
Setelah kontruksi rotor dan stator sudah dibuat pemodelannya,maka ruang yang
tersisa antara rotor dan stator itu didefinisikan sebagai celah udaranya.
Gambar 3.7 Desain full generator fluks aksial