Pengembangan Generator Mini Dengan Menggunakan

Magnet Permanen

Hariyotejo Pujowidodo, Jefri Helian, Gatot Eka Pramono, Abrar RidwanDepartemen Teknik Mesin, Program Pasca Sarjana, Fakultas Teknik

Universitas Indonesia, Indonesia

Abstract

As we know, Indonesia has an energy problem, especially electrical power.

This crisis is occurring everywhere, not only in the small cities even big cities is crisis

too. Electrical power is now becoming the basic need of human live, our live is

depends on electrical power.

Our researches try to resolve this problem by developing small size electric

generator with permanent magnet which can use to produce a small amount of

electricity for daily home uses. This generator can be driven by windmill, watermill or

any mechanical resources. Permanent-magnet generators have been used for wind

turbines for many years. Many small For wind turbine generators, the design

philosophy must cover the following characteristics: low cost, light weight, low speed,

high torque, and variable speed generation. The generator is easy to manufacture and

the design can be scaled up for a larger size without major retooling.

The generator has two major part, stator and rotor. Stator consists of 12 wire

windings (coil) which divide by 3 phases and each coil has 100 winding of copper

wire. There are two Rotors made from steel and consists of 12 permanent magnet

each. And finally we assembly and tests in laboratory.

Keyword: generator, magnet permanent, rotor, stator, fluks magnet

PENDAHULUAN

Krisis energi yang melanda Indonesia, khususnya energi listrik telah

memaksa berbagai pihak untuk mencari solusi dalam mengatasi persoalan ini.

Banyak sekali penelitian yang telah dilakukan untuk mencari sumber energi

1

alternatif selain dari minyak bumi dan batubara. Pemanfaatan enrgi matahari,

angin dan air sudah banyak dilakukan baik dalam sekala kecil maupun besar.

Salah satu yang sedang popular adalah pemanfaatan tenaga air dan angin. Banyak

sekali orang membuat kincir angin dan kincir air untuk dirubah menjadi energi

listrik. Kedua jenis kincir ini pastilah membutuhkan generator untuk merubah

energi mekanis menjadi energi listrik yang dinamakan generator.

Generator yang tersedia banyak dipasaran biasanya berjenis high speed

induction generator dimana pada generator jenis ini membutuhkan putaran tinggi

dan juga membutuhkan energi listrik awal untuk membuat medan magnetnya.

Sedangkan pada penggunaan kincir angin/listrik dibutuhkan generator yang

berjenis lowspeed dan tanpa energi listrik awal, karena biasanya ditempatkan di

daerah-daerah yang tidak memiliki aliran listrik. Oleh sebab itulah, kami

mengembangkan generator mini yang bisa digunakan pada kincir angin/air

ataupun sumber penggerak yang lain.

Generator yang dibuat haruslah murah, mudah dibuat, mudah

perawatannya, lowspeed ,high torque serta bisa dikembangkan (scaled up). Desain

generator yang seperti inilah yang kelompok kami kembangkan, yaitu generator

mini dengan menggunakan permanent magnet berjenis rare magnet (NdFeB),

axial flux.

DESAIN DAN KALKULASI

Secara garis besar, generator memiliki 2 komponen utama, yaitu stator

dan rotor yang menentukan jenis dan karakteristik generator. Dan kalkulasi dari

tegangan yang dihasilkan dapt dihitung dengan sebuah persamaan tegangan.

2

Gambar 1. Konsep Generator

StatorStator terbuat dari terdiri dari bebrapa coil atau kumparan dari kawat

tembaga yang dilapisi oleh bahan isolator. Jumlah kumparan menentukan

tegangan yang bisa dikeluarkan oleh generator tersebut. Stator yang kami buat

terdiri dari 12 kumparan yang masing-masing kumparan terdiri atas 100 lilitan

dan tiap 4 kumparan digabung secara seri sehingga didapat 3 fasa tegangan.

Kemudian coil tersebut kami cetak dalam cetakan resin sehingga membentuk

suatu piringan dengan diameter 16 cm.

3

Gambar 2. Stator

Rotor

Rotor terbuat dari besi karbon yang ditempatkan magnet permanent

(NdFeB) pada permukaanya sejumlah 12. pada generator ini terdapat 2 buah rotor

yang mengapit stator dengan polaritas medan magnet yang berlawanan sehingga

fluks magnet yang melewati kumparan bisa diperkuat. Antara 2 rotor tersebuat

disambungkan dengan poros yang kemudiam poros inilah yang diputar oleh

tenaga penggerak, baik itu kincir angi/air ataupun sumber penggerak yang lain.

Gambar 3. Rotor

4

Tegangan Induksi

Generator di desain untuk bekerja pada putaran 400 rpm dengan

frekwensi tegangan 40 Hz. Tegangan induksi yang dihasilkan oleh generator ini

dapat dihitung dengan persamaan:

Erms = Tegangan induksi (Volt)

N = Jumlah lilitan per kumparan

ƒ = Frekwensi (Hz)

Φmax = Fluks magnet (Wb)

Ns = Jumlah kumparan

Nph = Jumlah fasa

Amagn = Area magnet

Bmax =Densitas fluks maksimum

ro = Radius luar magnet

ri = Radius dalam magnet

τƒ = Jarak antar magnet

Nm = Jumlah magnet

5

Br = Densitas fluks magnet

Lm = Panjang magnet

δ = Jarak antara rotor dengan stator

Dengan menggunakan program excel, maka tegangan generator yang

kami desain adalah sebesar 11,2 volt dan tegangan maksimal adalah 15,8 volt.

Tegangan sebesar ini sudah bisa kita gunakan untuk mengisi (charging)

baterai/aki mobil untuk kemudian bisa kita pergunakan listriknya.

Tabel 1. Hasil perhitungan tegangan induksi

rms voltage Erms 11.21068762 Bmax 0.09119maximum voltage Emax 15.85430647 L 0.004number of turn pr. coil, N 100 X 0.005electric frequency f 40 R 0.003peak value of the fundamental flux from the magnets,

fmax 0.000157706

Br 1number of slots Ns 12number of phases. Nph 3magnet area Amagn 0.00588maximum fundamental air gap flux density from the magnets.

Bmax 0.026820698

outer magnet radius, ro 0.0725 inner magnet radius, ri 0.0475spacing between magnets tf 0.006number of magnets. Nm 12the remanent flux density of the magnet,

Br 0.091190372

is the magnet length lm 0.005the air gap length between one rotor disc and stator disc

d 0.012

6

UJI COBA GENERATOR

Karena keterbatasan material, maka kami hanya mencoba generator

dengan menggunakan magnet permanent dari harddisk bekas. Kami menguji

dengan menggunakan mesin bubut sebagai tenaga penggerak, 7 buah magnet (14

pole), 12 buah magnet (24 pole) dan sebuah kumparan yang terdiri dari 200, 400,

dan 700 lilitan. Sebagai beban, kami menggunakan lampu mobil 50 watt. Kami

kemudian mengukur hasil keluaran tegangan kumparan baik itu tanpa beban dan

dengan beban dengan putaran mesin 200, 400, dan 600 rpm. Hasil yang diperoleh

adalah sebagai berikut :

Tabel 2. hasil ujicoba generator

rpm Jumlah lilitan

jumlah pole

tegangan tanpa beban

tegangan dengan beban

200 200 14 2.3 2.1200 200 24 3.2 3.1200 400 14 4.4 3.8200 400 24 7.8 6.5200 700 14 6.5 4.3200 700 24 13.9 9.3

         400 200 14 3.4 3.2400 200 24 5.5 5.1400 400 14 7.3 6.1400 400 24 11.8 9.9400 700 14 11.1 7400 700 24 19.2 10.8

         600 200 14 5.5 4.8600 200 24 9.5 9.1600 400 14 11.3 9.1600 400 24 18.6 14.6600 700 14 18.6 10.5600 700 24 30.9 14.6

Dari hasil diatas, diperoleh bahwa pada jumlah lilitan 400, 400 rpm dan

jumlah pole 24, tegangan yang diperoleh adalah 11.8 volt AC ketika tanpa beban

dan 9.9 volt ketika diberi beban. Hal ini tidak berbeda jauh dengan hasil

perhitungan kami yaitu 11,2 volt. Tegangan sebesar ini, apabila diubah ke DC

maka tegangan yang dihasilkannya adalah sebesar 9,9 X √2 = 14 volt DC.

7

Tegangan sebesar ini cukup untuk mengisi (charging) baterai/aki mobil untuk

kemudian bisa kita pergunakan listriknya.

Gambar 4. Magnet permanen

Gambar 5. Kumparan

Gambar 6. Ujicoba generator

8

Gambar 7. Dengan beban lampu 50 watt

KESIMPULAN

Generator dengan menggunakan magnet permanent sangat efisien untuk

digunakan keperluan kincir angin/air karena mampu bekerja baik pada kecepatan

putar yang rendah. Kemudahan dalam pembuatan dan juga scale up generator ini

sangat memudahkan kita dalam mendisain suatu generator dengan kapasitas daya

tertentu, tegangan tertentu dan juga kecepatan kerja tertentu hanya dengan

merubah - rubah parameter seperti kekuatan fluks magnet, jumlah kumparan dan

lilitannya, jumlah magnet serta ukuran diameter kawat. Hal inilah yang menjadi

salah satu kelebihan dari generator magnet permanen ini sehingga generator jenis

ini akan terus dipakai dan dikembangkan untuk memperoleh generator yang

terbaik dan pada akhirnya dapat mengatasi permasalahan krisi energi listrik yang

terjadi.

9