PEMBUATAN DAN UJI KELISTRIKAN GENERATOR MAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL

PEMBUATAN DAN UJI KELISTRIKAN GENERATOR MAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL SKRIPSI KARYAMAN HARTO ZEBUA 120801038 DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016

PEMBUATAN DAN UJI KELISTRIKAN GENERATOR MAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL SKRIPSI Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains KARYAMAN HARTO ZEBUA 120801038 DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016

PERSETUJUAN Judul : Pembuatan dan Uji Kelistrikan Generator Magnet Permanen Fluks Aksial Kategori : Skripsi Nama : Karyaman Harto Zebua Nomor Induk Mahasiswa : 120801038 Program studi : Sarjana (S1) Fisika Departemen : Fisika Fakultas : Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam Disetujui di Medan, Mei 2016 Disetujui Oleh : Pembimbing 1 : Pembimbing 2: Dr. Marhaposan Situmorang Dr. Ing. Priyo Sardjono, M.Sc. NIP : 195510301980031003 NIP : 195312301979031003 Departemen Fisika FMIPA USU Ketua, Dr. Marhaposan Situmorang NIP : 195510301980031003 i

PERNYATAAN PEMBUATAN DAN UJI KELISTRIKAN GENERATOR MAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL SKRIPSI Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil karya sendiri. Kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing masing disebutkan sumbernya. Medan, Mei 2016 KARYAMAN HARTO ZEBUA 120801038 ii

PEMBUATAN DAN UJI KELISTRIKAN GENERATOR MAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL ABSTRAK Telah dilakukan penelitian pembuatan dan uji kelistrikan generator magnet permanen fluks aksial AC 1 fasa menggunakan magnet NdFeB. Generator dirancang bertipe stator dan rotor tunggal. Pengujian dilakuan dengan cara membandingan tiga jenis rotor dengan dimensi dan jumlah magnet yang berbeda. Pengujian dilakukan dalam dua tahap yaitu pengujian tanpa beban dan penggujian berbeban lampu AC 5W/220V pada kecepatan 200 rpm 320 rpm dengan interval 10 rpm. Hasil pengujian tegangan keluaran tertinggi pada kecepatan 320 rpm adalah 142.6 Volt tanpa beban dengan frekuensi 32.08 Hz dan 124.0 Volt menggunakan beban dengan frekuensi 32.04 Hz. Kata kunci : generator MPFA, jarak celah, distribusi fluks magnet, dan keluaran generator iii

MANUFACTUR AND ELECTRICAL TEST OF AXIAL FLUXS PERMANENT MAGNETIC GENERATOR ABSTRACT Had made reseach manufactur and electrical test of axial fluxs permanent magnetic generator 1 phase using NdFeB (Neodymiun-Iron-Boron) magnetic. Types of generator designed is single stator and single rotor. The testing do with method compared to three type of rotor with dimensions and sum of rotor which different. The testing do in two phase that is testing no load and testing load lamp AC 5W/220V at rotation 200 rpm 320 rpm with interval 10 rpm. The result maximum output voltage at rotation 320 rpm is 142,6 Volt without load with output frequency 32,08 Hz and 124.0 Volt using load lamp AC 5W/220V with output frequency 32.04 Hz. Key word : generator of AFPM, air gap, the distribustion of magnetic flux, and output of generator iv

PENGHARGAAN Puji dan syukur saya panjatkan kepada Yesus Kristus atas berkat dan kasih setianya yang selalu menyertai dan memberi kemudahan sehingga saya dapat menyelesaikan skripsi ini. Tugas akhir ini merupakan salah satu proses untuk memperoleh gelar sarjana pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Medan. Untuk memenuhi persyaratan tersebut diatas saya mengerjakan tugas akhir dengan judul : PEMBUATAN DAN UJI KELISTRIKAN GENERATOR MAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL, yang dilaksanakan di laboratorium Magnet P2F LIPI Serpong Tangerang Selatan sesuai dengan waktu yang ditetapkan. Penulis menyadari bahwa selama proses sampai terselesaikannya penyusunan skripsi ini banyak sekali bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Dengan segala kerendahan hati, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Dr. Kerista Sebayang, MS. sebagai Dekan, dan Pembantu Dekan FMIPA USU. 2. Bapak Dr. Marhaposan Situmorang selaku Ketua Departemen Fisika, dan Drs.Syahrul Humaidi, M.Sc selaku Sekretaris Departemen Fisika FMIPA USU, Kak Tini, Bang Jo dan Kak Yuspa selaku staf Departemen Fisika, seluruh dosen, staf dan pegawai Departemen Fisika FMIPA USU yang telah membantu dan membimbing dalam menimba ilmu dan menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Dr. Marhaphosan Situmorang, Bapak Dr. Ing. Priyo Sardjono M.Sc. dan Bapak Ir. Muljadi, M.Si. selaku Dosen pembimbing penulis yang telah meluangkan waktu untuk membimbing, mengarahkan dalam melaksanakan penelitian hingga penyelesaian penulisan skripsi ini, serta kepada Ibu Dr. Nenen Rusneni, M.T, Bapak Prof. Dr. Masno Ginting M.Sc dan Bapak Prof. Drs. Pardamean Sebayang M.Sc, yang telah banyak memberikan banyak masukan dan saran. v

4. Bapak Ahmad yang telah membantu saya membuat kerangka desain generator hingga selesai dan kepada Bang Anggi yang selalu memberi masukan dan saran serta dorongan motivasi selama saya berada di ruangan Workshop. 5. Keluarga Besar P2F LIPI: Bapak Dr.Bambang Widyatmoko, M.Eng, selaku kepala Laboratorium Pusat Penelitian Fisika P2F-LIPI Serpong. Ibu Ani, Bapak Lukman Faris, Bapak satpam dan seluruh staff LIPI yang telah membantu selama melakukan penelitian di P2F LIPI. 6. Yang terkhusus kepada saudara saudara saya yang ada di kampung maupun yang lagi kuliah, yang selalu mendoakan saya dan yang selalu memberikan dukungan dana, sehingga saya bisa menyelesaikan Skripsi saya. 7. Terkhususnya buat teman saya Tania, Melpa, dan Elisabet yang selalu membantu kami memasak makan dan teman yang selalu ada waktu di ajak bercanda selama melakukan penelitian di Fisika LIPI. 8. Kepada teman teman seperjuangan di ruangan magnetizer (Mareanus, Taufik, Firman, Indah, Hanifah, dan Devi) yang selalu memberikan saya dorongan motivasi. 9. Kepada teman teman saya Fisika 2012 yang selalu memberikan dukungan dan memdoakan saya sehingga saya bisa menyelesaikan skripsi ini tepat waktu. Penulis menyadari bahwa penulisan ini masih jauh dari kesempurnaan. Maka dari itu, penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun untuk memyempurnakan skripsi ini. Semoga dapat bermanfaat bagi penulis dan pembaca. Medan, Mei 2016 Penulis vi

DAFTAR ISI Persetujuan Pernyataan Penghargaan Abstrak Abstract Daftar Isi Daftar Tabel Daftar Gambar Daftar Lampiran Halaman i ii iii iv v vii x xi xv BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 latar Belakang 1 1.2 Rumusan Masalah 2 1.3 Tujuan Penelitian 2 1.4 Manfaat Penelitian 2 1.5 Batasan Masalah 2 1.6 Sistematika Penulisan 2 BAB 2 TINJAUAN TEORI 2.1 Prinsip Dasar Induksi Magnet 5 2.1.1 Medan Magnet 5 2.1.2 Fluks Magnet 5 2.1.3 Hukum Faraday pada Induksi Magnet 6 2.2 Kemagnetan 7 2.2.1 Macam Macam Magnet Permanen 8 2.2.2 Karakteristik Magnet Permanen 11 2.2.3 Perbandingan Magnet Permanen 12 2.3 Generator Magnet 13 vii

2.3.1 Generator Magnet Permanen Fluks Radial 14 2.3.2 Generator Magnet Permanen Fluks Aksial 14 2.4 Rotor Generator MPFA 15 2.4.1 Magnet Permanen Surface Mounted 16 2.4.2 Magnet Permanen Embedded 17 2.4.3 Kombinasi Magnet Permanen 17 2.5 Stator Generator MPFA 18 2.5.1 Stator Bentuk Torus 18 2.5.2 Stator Tanpa Inti 19 2.5.3 Celah Udara (Air Gap) 19 2.6 Prinsip Kerja Generator MPFA 20 2.7 Persamaan yang Digunakan pada Generator MPFA 21 2.7.1 Persamaan Fluks pada Permukaan Stator 21 2.7.2 Persamaan Tegangan Induksi pada Generator MPFA 23 BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian 25 3.2 Bahan dan Peralatan Penelitian 25 3.2.1 Bahan 25 3.2.2 Peralatan 25 3.3 Diagram Alir Penelitian 27 3.4 Desain Model Generator MPFA 28 3.4.1 Perancangan Stator Generator MPFA 29 3.4.2 Perancangan Rotor Generator MPFA 30 3.4.3 Celah Udara (Air Gap) 32 3.5 Pengujian Generator MPFA 32 3.5.1 Pengujian Generator MPFA Tanpa Beban 33 3.5.2 Pengujian Generator MPFA Berbeban 33 3.5.3 Rangkaian Listrik Pengujian Generator MPFA 34 3.5.4 Pengujian Generator MPFA Menggunakan Simulasi 35 viii

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Spesifikasi Generator MPFA 36 4.1.1 Hasil Spesifikasi Stator Generator MPFA 36 4.1.2 Hasil Spesifikasi Rotor Generator MPFA 37 4.2 Data Hasil Pengukuran kerapatan Fluks Magnet yang Digunakan 41 4.3 Data Hasil Pengujian Generator MPFA 43 4.3.1 Data Hasil Pengujian Rotor Magnet Berukuran 3 cm x 6.5 cm 44 4.3.2 Data Hasil Pengujian Rotor Magnet Berukuran 4 cm x 5 cm 48 4.3.3 Data Hasil Pengujian Rotor Magnet Berukuran 5 cm x 12 cm 52 4.4 Analisa Gelombang Sinusoidal Tegangan Keluaran Generator MPFA pada Osiloskop 56 4.4.1 Gelombang Sinusoidal Tegangan Keluaran Magnet Berukuran 3 cm x 6.5 cm 56 4.4.2 Gelombang Sinusoidal Tegangan Keluaran Magnet Berukuran 4 cm x 5 cm 57 4.4.3 Gelombang Sinusoidal Tegangan Keluaran Magnet Berukuran 5 cm x 12 cm 58 4.5 Analisa Perbandingan Hasil Pengujian Keluaran Generator MPFA 59 4.6 Analisa Perbandingan Hasil Pengujian dengan Hasil Simulasi 63 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan 65 5.2 Saran 65 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN ix

DAFTAR TABEL Halaman Tabel 3.1 Spesifikasi desain stator generator MPFA 29 Tabel 3.2 Spesifikasi desain rotor generator MPFA 30 Tabel 4.1 Data distribusi kerapatan fluks magnet NdFeB 42 Tabel 4.2 Data hasil pengujian rotor magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm 44 Tabel 4.3 Data hasil pengujian rotor magnet berukuran 4 cm x 5 cm 48 Tabel 4.4 Data hasil pengujian rotor magnet berukuran 5 cm x 12 cm 52 x

DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Pola garis garis gaya magnet 5 Gambar 2.2 Arah garis medan magnet; (a) arah tegak lurus dan (b) arah yang membentuk sudut θ terhadap permukaan bidang 6 Gambar 2.3 Neodymun magnets 8 Gambar 2.4 Samarium- Cobalt magnets 9 Gambar 2.5 Ceramic magnets 9 Gambar 2.6 Plastic magnets 10 Gambar 2.7 Alnico magnets 10 Gambar 2.8 Karakteristik magnet permanen 11 Gambar 2.9 Kurva perbandingan karakteristik material magnet permanen 12 Gambar 2.10 Arah fluks magnet pada generator; (a) Aagnet fluks radial dan (b) Magnet permanen fluks aksial 13 Gambar 2.11 Rotor generator MPFA 16 Gambar 2.12 Magnet permanen Surface Mounted 16 Gambar 2.13 Magnet permanen Embedded 17 Gambar 2.14 Magnet permanen; (a) Tipe N-N dan (b) Tipe N-S 17 Gambar 2.15 Generator fluks aksial tipe slot dan aliran fluks tipe slot 18 Gambar 2.16 Generator aksial tipe tanpa slot dan aliran fluks tipe tanpa slot 19 Gambar 2.17 Celah udara (air gap) pada generator MPFA 20 Gambar 2.18 Luas bidang magnet pada rotor 22 Gambar 3.1 Model generator magnet permanen 28 Gambar 3.2 Bentuk stator generator MPFA 30 Gambar 3.3 Letak magnet ukuran 3 cm x 6.5 cm pada rotor generator MPFA 31 Gambar 3.4 Letak magnet ukuran 4 cm x 5 cm pada rotor generator MPFA 31 Gambar 3.5 Letak magnet ukuran 5 cm x 12 cm pada rotor generator MPFA 32 Gambar 3.6 Pengujian generator MPFA 34 Gambar 3.7 Rangkaian pengujian generator MPFA 34 Gambar 3.8 Software simulasi generator MPFA 35 xi

Gambar 4.1 Spesifikasi kumparangenerator MPFA 36 Gambar 4.2 Spesifikasi rotor generator MPFA 37 Gambar 4.3 Spesifikasi rotor magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm 37 Gambar 4.4 Spesifikasi rotor magnet berukuran 4 cm x 5 cm 39 Gambar 4.5 Spesifikasi rotor magnet berukuran 5 cm x 12 cm 40 Gambar 4.6 Grafik distribusi kerapatan fluks magnet NdFeB 43 Gambar 4.7 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap frekuensi keluaran generator MPFA saat tanpa beban dengan berbeban menggunakan magnet NdFeB berukuran 3 cm x 6.5 cm 45 Gambar 4.8 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap tegangan keluaran generator MPFA saat tanpa beban dengan berbeban menggunakan magnet NdFeB berukuran 3 cm x 6.5 cm 45 Gambar 4.9 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap arus Keluaran Generator MPFA dengan beban lampu AC 5W/220V mengunakan magnet NdFeB berukuran 3 cm x 6.5 cm 46 Gambar 4.10 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap daya keluaran generator MPFA dengan beban lampu AC 5W/220V mengunakan magnet NdFeB berukuran 3 cm x 6.5 cm 46 Gambar 4.11 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap frekuensi keluaran generator MPFA saat tanpa beban dengan berbeban menggunakan magnet NdFeB berukuran 4 cm x 5 cm 49 Gambar 4.12 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap tegangan keluaran generator MPFA saat tanpa beban dengan berbeban menggunakan magnet NdFeB berukuran 4 cm x 5 cm 49 Gambar 4.13 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap arus keluaran Generator MPFA dengan beban lampu AC 5W/220V mengunakan magnet NdFeB berukuran 4 cm x 5 cm 50 Gambar 4.14 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap daya Keluaran generator MPFA dengan beban lampu AC 5W/220V mengunakan magnet NdFeB berukuran 4 cm x 5 cm 50 Gambar 4.15 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap frekuensi keluaran generator MPFA saat tanpa beban dengan xii

berbeban menggunakan magnet NdFeB berukuran 5 cm x 12 cm 53 Gambar 4.16 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap tegangan keluaran generator MPFA saat tanpa beban dengan berbeban menggunakan magnet NdFeB berukuran 5 cm x 12 cm 53 Gambar 4.17 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap arus Keluaran Generator MPFA dengan beban lampu AC 5W/220V mengunakan magnet NdFeB berukuran 5 cm x 12 cm 54 Gambar 4.18 Grafik hubungan kecepatan putaran rotor terhadap daya Keluaran generator MPFA dengan beban lampu AC 5W/220V mengunakan magnet NdFeB berukuran 5 cm x 12 cm 54 Gambar 4.19 Gelombang sinusoidal pengukuran tegangan keluaran pada kecepatan putaran rotor 320 rpm menggunakan magnet NdFeB berukuran 3 cm x 6.5 cm dengan pengaturan Volt/Div 20.0 V dan Time/Div 10.0 ms 56 Gambar 4.20 Gelombang sinusoidal pengukuran tegangan keluaran pada kecepatan putaran rotor 320 rpm menggunakan magnet NdFeB berukuran 4 cm x 5 cm dengan pengaturan Volt/Div 20.0 V dan Time/Div 10.0 ms 57 Gambar 4.21 Gelombang sinusoidal pengukuran tegangan keluaran pada kecepatan putaran rotor 320 rpm menggunakan magnet NdFeB berukuran 5 cm x 12 cm dengan pengaturan Volt/Div 20.0 V dan Time/Div 10.0 ms 58 Gambar 4.22 Grafik perbandingan kecepatan putaran rotor dengan tegangan keluaran generator MPFA tanpa beban menggunakan magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm, 4 cm x 5 cm, dan 5 cm x 12 cm 59 Gambar 4.23 Grafik perbandingan kecepatan putaran rotor dengan tegangan keluaran generator MPFA berbeban lampu AC 5W/220V menggunakan magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm, 4 cm x 5 cm, dan 5 cm x 12 cm 60 Gambar 4.24 Grafik perbandingan kecepatan putaran rotor dengan arus keluaran generator MPFA berbeban lampu AC 5W/220V menggunakan magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm, 4 cm x 5 cm, xiii

dan 5 cm x 12 cm 60 Gambar 4.25 Grafik perbandingan kecepatan putaran rotor dengan daya keluaran generator MPFA berbeban lampu AC 5W/220V menggunakan magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm, 4 cm x 5 cm, dan 5 cm x 12 cm 61 Gambar 4.26 Grafik perbandingan Tegangan Output Generator MPFA terhadap kecepatan putaran rotor dengan hasil simulasi dan hasil pengujian magnet berukuran 3 cm x 6.5 cm 63 xiv

DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Lampiran 2 Lampiran 3 Gambar Tabel Hasil Simulasi Gambar Gelombang Sinusoidal Pada Kecepatan Putaran 320 rpm Bahan dan Peralatan Penelitian xv