Reduksi Cogging Torque Pada Motor Brushless DC Inner Rotor Buried Permanent Magnet SKRIPSI

Transkripsi

1 Reduksi Cogging Torque Pada Motor Brushless DC Inner Rotor Buried Permanent Magnet SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh : ADITYA MUHAMMAD NUR NIM. I JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2014

2

3

4 iii

5 PERSEMBAHAN Dengan segala kerendahan hati seraya mengucapkan syukur kehadirat Illahi, kupersembahkan tulisan ini kepada : 1. Allah SWT, pemilik segala keagungan, kemuliaan, kekuatan dan keperkasaan. Segala yang kualami adalah kehendak-mu, semua yang kuhadapi adalah kemauan-mu, segala puji hanya bagi-mu, ya Allah, pengatur alam semesta, tempat bergantung segala sesuatu, tempatku memohon pertolongan. 2. Junjungan Nabi besar Muhammad SAW, Manusia terbaik di muka bumi, uswatunhasanah, penyempurna akhlak, shollawat serta salam semoga selalu tercurah padanya, keluarga, sahabat dan pengikutnya yang istiqomah sampai akhir zaman. 3. Kasih sayang dan cinta yang tak pernah putus dari Bapak, Ibu, dan semua keluarga tercinta. Kasih sayang kalian tak akan pernah kulupakan sepanjang hidupku. 4. Profesor Muhammad Nizam dan Bapak Sukmaji Indro Cahyono ST, M.Eng yang bersedia membimbing saya dalam menyelesaikan tugas akhir. 5. Seluruh dosen, karyawan, dan mahasiswa Teknik Mesin UNS. iv

6 Reduksi Cogging torque Pada Motor Brushless DC Inner Rotor Buried Permanent Magnet Aditya Muhammad Nur Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia adityam_n@hotmail.com ABSTRAK Penelitian ini menyelidiki reduksi cogging torque pada motor BLDC dengan rotor dalam dan permanen magnet dalam menggunakan metode yang digunakan pada motor BLDC dengan rotor luar dan permanen magnet luar. Metode reduksi berupa puntiran (skewing), bukaan slot (slot opening), dan rasio busur kutub (pole arc coefficient) diterapkan pada motor. Motor yang dianalisa memiliki spesifikasi 36 slot dan 12 kutub. Pembuatan model elemen hingga, karakteristik elektromagnetik dan efek cogging torque dibuat dan dianalisa menggunakan program ANSYS MAXWELL. Grafik cogging torque akan digunakan untuk mengukur perubahan cogging torque pada setiap variasi. Hasil simulasi menunjukkan, ketiga metode diatas berhasil menurunkan efek cogging torque pada motor BLDC dengan rotor dalam dan permanen magnet dalam hingga mencapai 100% pada variasi puntiran. Optimasi diperoleh dengan mengkombinsaikan puntiran sebesar 0.3 stator pitch dan bukaan slot 2mm. Kata Kunci : Motor brushless DC permanent magnet, cogging torque, puntiran, bukaan mulut slot, koefisien busur kutub v

7 Cogging Torque Reduction on Inner Rotor Buried Permanent Magnet Brushless DC Motor Aditya Muhammad Nur Departement of Mechanical Engineering Engineering Faculty of Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia adityam_n@hotmail.com ABSTRACT This study investigated the reduction of cogging torque in a inner rotor buried permanent magnet BLDC motor with method used in the BLDC motor with outer rotor surface permanent magnet. Reduction methods such as skewing, slot opening, and pole arc coefficient was applied to the motor. specifications of analyzed motor are 36 slots and 12 poles. Finite element modeling, electromagnetic characteristics and effects of cogging torque was created and analyzed using program ANSYS MAXWELL. Cogging torque curves was used to measure changes in each variation of the cogging torque. Simulation results show that the above three methods succeeded in reducing the effects of cogging torque on the inner rotor buried permanent magnet BLDC motor to 100% with skewing. Optimization was obtained by combining skewing of 0.3 stator slot pitch and 2mm slot opening. Keywords-Brushless DC permanent magnet motors, cogging torque, skewing, slot mouth opening vi

8 KATA PENGANTAR Puji syukur alhamdulillah penulis haturkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan Skripsi Reduksi Cogging Torque Pada Motor Permanent Magnet Brushless DC Dengan Rotor Dalam dan Magnet Dalam ini dengan baik. Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam Penyelesaian Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada : 1. Profesor Muhammad Nizam, selaku Pembimbing I atas bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini. 2. Bapak Sukmaji Indro Cahyono, ST, M.Eng, selaku Pembimbing II yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis. 3. Bapak Didik Djoko Susilo, ST, MT, dan Bapak Purwadi Joko Widodo, ST, M.Kom selaku dosen penguji tugas akhir saya yang telah memberi saran yang membangun. 4. Dr. Triyono, ST, MT, selaku Pembimbing Akademis yang telah menggantikan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas Sebelas Maret ini. 5. Bapak Wahyu Purwo Raharjo, ST. MT, selaku koordinator Tugas Akhir 6. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1. 7. Ayah, Ibu, dan seluruh keluarga yang telah memberikan do a restu, motivasi, dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir. 8. Teman-teman teknik mesin angkatan 2008 beserta kakak dan adik angkatan di teknik mesin UNS. vii

9 9. Semua pihak yang telah membantu dalam melaksanakan dan menyusun laporan Tugas Akhir ini yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak untuk memperbaiki dan menyempurnakan skripsi ini. Akhir kata, penulis berharap, semoga skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya. Surakarta, April 2014 Penulis viii

10 DAFTAR ISI Halaman Halaman Judul... i Halaman Surat Penugasan... ii Halaman Pengesahan... iii Halaman Persembahan... iv Abstrak... v Kata Pengantar vii Daftar Isi... ix Daftar Gambar... xi Daftar Tabel... xiii Daftar Notasi... xiv BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Batasan Masalah Manfaat Penelitian BAB II DASAR TEORI Penelitian Terdahulu Motor Brushless DC Magnet Permanen (BLDC-PM) Desain Motor Riak Torsi (Torque Ripple) Cogging Torque Analisa Cogging torque BAB III METODOLOGI PENELITIAN Lokasi Penelitian Alat Penelitian Prosedur Penelitian Metode Analisa Data ix

11 3.5. Diagram Alir Penelitian BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Pembuatan Model Elemen Hingga Operasi Mesh Karakteristik Elektromagnetik Reduksi Cogging Torque Penerapan Puntiran (Skewing) Penerapan Variasi Bukaan Slot (Slot Opening Width) Penerapan Koefisien Busur Kutub (Pole Arc Coefficient) Metode Optimasi BAB V PENUTUP Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN x

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Tipe motor berdasarkan posisi rotor... 6 Gambar 2.2 Geometri stator secara umum... 6 Gambar 2.3 Perbedaan antara sudut mekanis dan sudut elektris... 7 Gambar 2.4 Contoh bentuk stator dan properti geometri... 8 Gambar 2.5 Core tanpa puntiran dan core dengan puntiran... 9 Gambar 2.6 Contoh geometri kutub stator Gambar 2.7 Grafik fenomena torque ripple Gambar 3.1 Visualisasi properti rotor Gambar 3.2 Visualisasi properti slot Gambar 3.3 Visualisasi properti rotor Gambar 3.4 Visualisasi properti kutub Gambar 3.5 Diagram alir penelitian Gambar 4.1 Validasi properti Gambar 4.2a Model visualisasi properti Gambar 4.2b Model 2-D elemen hingga Gambar 4.3 Set up pembuatan model elemen hingga Gambar 4.4 Model dengan operasi mesh Gambar 4.5a Set up Length_Coil Gambar 4.5b Set up Length_Mag Gambar 4.5c Set up Length_Main Gambar 4.6 Set up boundary Gambar 4.7 Distribusi garis magnetik Gambar 4.8 Set up simulasi cogging torque Gambar 4.9 Efek cogging torque pada berbagai kondisi puntiran Gambar 4.10 Grafik cogging torque variasi puntiran (skew) penelitian Chen et al Gambar 4.11 Efek cogging torque pada berbagai kondisi SOW Halaman xi

13 Gambar 4.12 Grafik cogging torque variasi bukaan slot penelitian Chen et al Gambar 4.13 Efek cogging torque pada berbagai koefisien busur kutub Gambar 4.14 Grafik cogging torque variasi koefisien busur kutub penelitian Chen et al Gambar 4.15 Grafik optimasi metode reduksi Gambar 4.16 Grafik optimasi metode reduksi Gambar 4.17 Grafik optimasi metode reduksi xii

14 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 3.1 Properti umum motor (Gundugdu & Kumorgoz) Tabel 3.2 Properti stator (Gundugdu & Kumorgoz) Tabel 3.3 Properti slot (Gundugdu & Kumorgoz) Tabel 3.4 Properti rotor (Gundugdu & Kumorgoz) Tabel 3.5 Properti kutub (Gundugdu & Kumorgoz) Tabel 3.6 Jenis variasi (Chen et al) Tabel 4.1 Penurunan cogging torque variasi puntiran Tabel 4.2 Penurunan cogging torque variasi puntiran penelitian Chen et al Tabel 4.3 Penurunan cogging torque variasi Slot Opening Width Tabel 4.4 Penurunan cogging torque variasi bukaan slot penelitian Chen et al Tabel 4.5 Penurunan cogging torque variasi Pole Arc Coefficient Tabel 4.6 Efektifitas metode optimasi Tabel 4.7 Efektifitas metode optimasi Tabel 4.8 Efektifitas metode optimasi xiii

15 DAFTAR NOTASI T rip = Riak torsi T min = Torsi Minimum T max = Torsi Maksimum (N.m) (N.m) (N.m) W = Energi dalam magnetik (J/m 3 ) α = Sudut putar ( ) W gap = Energi magnetik jeda udara (J/m 3 ) W pm = Energi magnetik permanen magnet (J/m 3 ) B = Kepadatan fluks magnetik (Wb/m 2 ) B r = Fluks magnetik residu (Wb/m 2 ) h(θ) = Panjang magnetisasi arah radial (A/m f ) g(θ,α) = Distribusi jeda udara efektif arah radial - r m = Diameter dalam stator r out = Diameter luar armature (mm) (mm) m = Jumlah slot - N l = Angka puntiran (stator pitch) P = Jumlah pasangan kutub - n = Bilangan integer - λ = Koefisien busur kutub - xiv