khonsa imaroh unit 1
TRANSCRIPT
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
1/21
LAPORAN PRAKTIKUM
MEDAN ELEKTROMAGNETIS
(TEE 212 P)
UNIT I
DISTRIBUSI FLUKS LISTRIK PADA INTI DENGAN FEMM
Nama : Khonsa Imaroh
NIM : 13/352818/TK/41306
Kel. hari/jam : Rabu / 13.00
Tgl. Praktikum : 20 April 2016
LABORATORIUM LISTRIK DASAR
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO & TEKNOLOGI INFORMASI
FAKULTAS TEKNIK UGM
YOGYAKARTA
2016
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
2/21
TUJUAN PERCOBAAN
- Mengetahui distribusi magnet pada rangkaian magnetis
- Mengetahui korelasi antara celah udara pada penampang dengan nilai fluks dan rapat
fluks yang dihasilkan
ANALISA DAN PERHITUNGAN
Pada percobaan ini ingin dianalisis distribusi magnet pada sebuah rangkaian magnetis.
Gambar tersebut adalah benda dengan bentuk permukaan persegi yang terbuat dari
silicon iron. Panjang dan lebarnya adalah 20 cm, tebal penampangnya adalah 5 cm dan lebar
celahnya adalah satu cm. Pada bagian kiri terdapat lilitan kawat yang akan dialiri arus dengan
jumlah lilitan 200. Arus yang melewati dibuat bernilai 4 Ampere.
1. Kurva kerapatan fluks terhadap kuat medan magnet (B-H)
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
3/21
Pada kurva B-H terlihat kerapatan fluks meningkat (naik dan mengarah ke kanan)
artinya seberapa jauh pengaruh kerapatan fluks (B) terhadap kenaikan kuat medan (H).
Kerapatan fluks (B) naik dengan cepat diikuti kenaikan kuat medan (H) sampai mencapai nilai
400 At/m dan kerapatan fluks (B) mencapai 1,2 T. Pada titik ini terjadi saturasi (kejenuhan),
sehingga kenaikan kuat medan (H) tidak banyak berpengaruh terhadap kenaikan kerapatan
fluks (B), bahkan hampir tidak ada kenaikan.
Kurva B-H menunjukkan hubungan antara sifat magnetik suatu bahan dengan
permeabilitas. Permeabilitas ( permeability ) adalah kemampuan suatu benda untuk dilewati
garis gaya magnet. Permeabilitas dinyatakan dengan simbol µ (mu). Benda yang mudah
dilewati garis gaya magnet disebut memiliki permeabilitas tinggi. Berdasarkan hasil dari kurva
kerapatan fluks terhadap kuat medan magnet (B-H) dapat dilihat permeabilitas suatu bahan
yang tidak linear kemudian menjadi linear.
MMF
MMF adalah singkatan dari Magnetomotive Force (mmf) atau gaya gerak magnet (ggm).
Gaya gerak magnet adalah perbedaan potensial magnet yang cenderung menggerakkan fluks,
dapat dihitung dengan,
F = Ni
F adalah gaya, N adalah jumlah lilitan dan i adalah besarnya nilai arus yang melewati
kawat tersebut. Semakin besar arus yang mengalir di dalam suatu kumparan, semakin besar
kuat medannya. Begitu juga semakin banyak lilitan kawatnya, semakin banyak dihasilkan garis
gaya magnet.
Pada kurva B-H jumlah kuat medan (H) sama dengan gaya gerak magnet (Ni) dibagi
dengan panjang bahan (l) ditempatkan pada sumbu horizontal dari grafik.
H = Ni/l
Sedangkan pada sumbu vertikal, jumlah kerapatan fluks (B) sama dengan total fluks
dibagi dengan luas penampang bahan.
B = Φ/A
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
4/21
Karena H = Ni/l dan B = Φ/A maka terlihat bahwa kuat medan (H) sebanding dengan
gaya gerak magnet (Ni) dan kerapatan fluks (B) sebanding dengan garis fluks (Φ).
Histeresis Magnet
Berdasarkan hasil dari kurva B-H bisa didapatkan sifat magnet yaitu fenomena histeresis
magnet. Sebagaimana istilah umum histeresis berarti ketertinggalan antara input dan output
dalam sistem karena perubahan arah. Dalam sistem magnet histeresis terlihat dalam bahan
ferromagnetik yang cenderung tetap termagnetisasi atau masih ada magnet sisa pada bahan
setelah gaya magnet dihilangkan.
Jika arus dialirkan pada suatu kumparan elektromagnetik, maka akan timbul medan
magnet di sekitarnya, ketika arus dinaikkan maka medan magnet yang timbul akan meningkat
sampai titik konstan, hal ini menandakan bahwa inti feromagnetik telah mencapai maksimal. Jika arus dihentikan, fluks magnetik tidak sepenuhnya hilang karena bahan inti elektromagnetik
masih mempertahankan sifat kemagnetan.
Kemampuan untuk mempertahankan sifat magnet setelah arus dihentikan disebut
retentivity, sedangkan jumlah fluks magnetik yang masih ada disebut Magnetisme Residual.
Ketika fluks telah mencapai maksimal (jenuh) dan arus diturunkan maka akan terjadi pelebaran
nilai H (Coersive Force). Sifat retentivity, Magnetisme Residual dan Coersive Force dijelaskan
pada kurva histeresis yang ditunjukkan pada gambar berikut
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
5/21
2. Hasil Running (Simulasi)
Berdasarkan hasil running (simulasi) didapatkan gambar seperti berikut
Fluks Magnetik
Gambar di atas merupakan fluks magnetik yang melewati silicon iron dan celah udara
pada rangkaian magnetik. Fluks magnetik adalah ukuran atau jumlah medan magnet (B) yang
melewati luas penampang tertentu (A). Fluks yang melewati celah udara merupakan fluks yang bocor. Kebocoran fluks terjadi karena ada beberapa fluks yang tidak menembus inti besi (silicon
iron). Kebocoran fluks menyebabkan rugi daya sehingga diusahakan nilainya sekecil mungkin
namun hal ini menyebabkan nilai arus saturasi pada inti dapat meningkat sehingga inti tidak
mudah rusak.
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
6/21
3. Analisis Density Plot
Pada tugas ketiga akan dilihat sebaran nilai-nilai besaran magnet pada obyek yang diuji.
Berikut adalah hasilnya.
Warna yang mendekati ungu tua menjelaskan bahwa densitas fluks di area tersebut
bernilai tinggi, sedangkan semakin pudar warnanya (kuning atau mendekati putih) berarti
densitas fluks di area tersebut bernilai rendah.
Hal ini dapat dijelaskan sebagai karena kerapatan fluks magnetik (magnetic flux density)
adalah fluks magnetik per satuan luas pada bidang yang tegak lurus dengan fluks magnet
tersebut. Maka, semakin besar luas area penampangnya, maka akan semakin lemah nilai
kerapatan fluks magnet pada area tersebut.
Efektivitas medan magnetik dalam pemakaian sering ditentukan oleh besarnya
“kerapatan fluks magnetik”, artinya fluks magnetik yang berada pada permukaan yang lebih
luas kerapatannya rendah dan intensitas medannya lebih lemah, sedangkan pada permukaan
yang lebih sempit kerapatan fluks magnetik akan kuat dan intensitas medannya lebih tinggi.
Dengan rumus hitung,
Secara jelas dapat dikatakan bahwa besar nilai kerapatan fluks magnetik berbanding
terbalik dengan luas area penampang suatu obyek.
Pada percobaan ini juga turut dilihat bagaimana intensitas fluks pada obyek yang
sedang diuji ini.
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
7/21
H = L
N x I
H adalah kuat medan, N adalah banyaknya lilitan, I adalah besarnya arus dan L adalah
panjangnya. Dari rumus ini dapat dikatakan bahwa nilai kuat medan berbanding lurus dengan
banyak lilitan dan besarnya arus, dan juga berbanding terbalik dengan panjang.
4. Analisis Arah Distribusi Flux
Pada percobaan ini, ingin diamati bagaimana arah distribusi fluks pada obyek persegi
yang sedang diuji. Pengujian dilakukan dengan cara menjalankan simulasi dalam bentuk
“Vector Plot”.
Hasil yang diperoleh adalah arah distribui fluks dengan arah melawan jarum jam
(counter clock wise).
Hal ini benar karena saat mengatur setting lilitan kawat pada obyek ini, bagian kiri diatur
bernilai -360 sedangkan bagian kanan diatur bernilai +360. Dengan nilai ini, arah aliran fluks
dapat diprediksi dengan menggunakan aturan tangan kanan.
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
8/21
Dengan mengaplikasikan aturan ini, maka dapat diketahui fluks akan mengalir dengan
arah berlawanan jarum jam atau counter clock wise.
Hukum Lens mengatakan bahwa arus induksi mengalir pada penghantar atau kumparan
dengan arah berlawanan dengan gerakan yang menghasilkannya, atau medan magnet yang
ditimbulkannya melawan perubahan fluks magnet yang menimbulkannya.
Hukum Lens dapat digambarkan sebagai berikut.
Jika kutub magnet U didekatkan pada kumparan, maka garis gaya magnet akan
bertambah dengan arah dari B ke A. Hukum Lens mengatakan bahwa ketika muncul garis gaya
magnet, akan muncul pula garis gaya magnet dengan arah A ke B untuk menentang
pertambahan garis gaya tadi. Garis gaya magnet yang baru ini ditimbulkan dari arus induksi
pada kumparan. Sebaliknya, jika kutub U dijauhkan (atau kutub S didekatkan), hal yang
berkebalikan akan terjadi.
Dengan hukum Lens yang berlaku ini, maka nilai total fluks akan selalu konstan karena
setiap ada perubahan akan selalu diikuti oleh timbulnya garis gaya magnet dari arah yang
berkebalikan untuk menghilangkan nilai garis gaya tersebut.
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
9/21
5. Menghitung jumlah fluks magnet dan rapat fluks magnet pada celah
a. Tampilan hasil perhitungan software
Berdasarkan hasil perhitungan software didapatkan
Normal flux = 0.000274112 Webers
Average B.n = 0.182741 Tesla
b. Nilai fluks dan rapat fluks pada celah udara
Pada percobaan ini akan dihitung jumlah fluks magnet dan rapat fluks magnet pada
celah. Dengan asumsi nilai fluks konstan pada sepanjang rangkaian (karena magnetis seri),
maka fluks juga bisa diukur pada salah satu ujung celah udara. Dengan FEMM, akan diukur
nilai fluks dan rerata densitas medan magnet pada salah satu ujung celah udara.
Untuk mencari fluks dan rapat fluks diperlukan nilai reluktansi yang dijelaskan sebagai berikut.
Reluktansi
Reluktansi adalah besarnya fluks magnet yang dihasilkan dalam kumparan bergantung
dari besaran. Rangkaian magnetik terdiri dari beberapa bahan yang bersifat magnet
masing-masing memiliki permeabilitas dan panjang lintasan yang tidak sama. Maka setiap
bagian mempunyai reluktansi yang berbeda pula, sehingga reluktansi total adalah jumlah dari
reluktansi masing-masing bagian.
ℜ = l
μ μ A r 0
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
10/21
Rapat Fluks
Rapat Fluks adalah jumlah garis gaya tiap satuan luas yang tegak lurus kuat medan. Flux
density dapat dirumuskan sebagai berikut,
Berikut adalah hasil perhitungan berdasarkan rumus di atas:
Diketahui :
N = 360 t
I = 4 A
Ketebalan = 3 cm
l1 = l top + l left + l bottom = 15 + 15 + 15 cm = 45 cm = 0,45 m
l2 = l right = 15 cm = 0,15 m
la = l air gap = 1 cm = 0,01 m
Sehingga:
4.10463 kA/Wbℜ 1 = l 1
μ μ A r 0 1= 0.45m
7000×4π×10 ×5×10 ×3×10−7 −2 −2 = 3
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
11/21
1.36821 kA/Wbℜ 2 = l 2
μ μ A r 0 2= 0.15m
7000×4π×10 ×5×10 ×3×10−7 −2 −2 = 1
305.16477kA
/Wbℜ
3 =
l 3
μ A 0 3 = 0.01m
4π×10 ×5×10 ×3×10−7 −2 −2 = 5
350.63761 kA/Wb ℜtotal
= ℜ 1 + ℜ 2 + ℜ 3 = 5
.0002691 WbΦ = F ℜ
total
= N . I ℜ
total
= 360×45350.63761×10
3 = 0
.1794 T B = A
Φ = 2.691×10−4
5×10 ×3×10−2 −2 = 0
Sedangkan dari hasil simulasi, nilainya adalah sebagai berikut:
Normal flux = 0.000274112 Wb
Average b.n = 0.182741 T
Kedua hasil dari penghitungan matematis dan hasil simulasi memang tidak
sama.Namun nilai ini dapat dikatakan sama dan benar, karena pada kenyataan (hasil simulasi)
akan selalu ada kebocoran fluks.
Jika dihubungkan korelasi antara besarnya celah udara dengan nilai fluks yang muncul,
semakin besar celah udara, maka semakin tinggi nilai reluktansi yang muncul pada air gap,
sehingga nilai fluks yang muncul semakin rendah nilainya. Semakin besar celah udaranya,
semakin besar juga kemungkinan terjadi fluks bocor sehingga nilai fluks semakin rendah.
6. Perbandingan hasil distribusi fluks dan nilai besaran magnetis yang dihasilkan
Pada tugas 6 ingin dibandingkan hasil distribusi fluks dan nilai besaran magnetisnya
saat celah udara dipersempit sebesar 2.5 milimeter dari 1 sentimeter menjadi 0.75 sentimeter
dengan saat celah diperlebar sebesar 7.5 milimeter dari sentimeter menjadi 1.75 sentimeter.
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
12/21
Dari hasil yang diperoleh saat simulasi dengan FEMM, besar nilai-nilainya adalah
sebagai berikut :
Celah mula-mula = 1cm
Normal flux = 0.000274112 Wb
Average B.n = 0.182741 T
Celah diperpendek = 0.75cm
Normal flux = 0.00036126 Wb
Average B.n = 0.24084 T
Celah diperpanjang = 1.75cm
Normal flux = 0.000161231 Wb
Average B.n = 0.107488 T
Berdasarkan hasil simulasi dengan FEMM yaitu garis fluks, warna, dan nilai kerapatan
fluks dapat diketahui bahwa semakin pendek celah udara maka semakin besar kerapatan
fluksnya dikarenakan fluks bocornya sedikit begitu pula sebaliknya semakin lebar celah udara
maka semakin kecil kerapatan fluksnya dikarenakan fluks bocornya yang besar.
Berikut adalah hasil yang didapatkan melalui perhitungan matematis :
a. Celah diperpendek 2.5mm, sehingga jarak antar celah menjadi 0.75 cm
Diketahui :
N = 360 t
I = 4 A
Ketebalan = 3 cm
l1 = l top + l left + l bottom = 15 + 15 + 15 cm = 45 cm = 0,45 m
l2 = l right = 15 cm = 0,15 m
la = l air gap = 0.75 cm = 0,0075 m
Sehingga:
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
13/21
4.10463 kA/Wbℜ 1 = l 1
μ μ A r 0 1= 0.45m
7000×4π×10 ×5×10 ×3×10−7 −2 −2 = 3
1.36821kA
/Wbℜ
2 =
l 2
μ μ A r 0 2 = 0.15m
7000×4π×10 ×5×10 ×3×10−7 −2 −2 = 1
978, 73577 kA/Wbℜ 3 = l 3μ A 0 3
= 0.0075m4π×10 ×5×10 ×3×10
−7 −2 −2 = 3 8
024, 46417 kA/Wb ℜtotal
= ℜ 1 + ℜ 2 + ℜ 3 = 4 3
, 7822 0 , 00357822 WbΦ = F ℜ total
= N . I ℜ total
= 360×44024,346417×10
3 = 3 5 × 1 −4 = 0 0
, 38548 T B = A
Φ = 3,57822×10
−4
5×10 ×3×10−2 −2 = 0 2
b. Celah diperanjang 7.5mm, sehingga jarak antar celah menjadi 1.75 cm
Diketahui :
N = 360 t
I = 4 A
Ketebalan = 3 cm
l1 = l top + l left + l bottom = 15 + 15 + 15 cm = 45 cm = 0,45 ml2 = l right = 15 cm = 0,15 m
la = l air gap = 1.75 cm = 0,0175 m
Sehingga:
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
14/21
4.10463 kA/Wbℜ 1 = l 1
μ μ A r 0 1= 0.45m
7000×4π×10 ×5×10 ×3×10−7 −2 −2 = 3
1.36821kA
/Wbℜ
2 =
l 2
μ μ A r 0 2 = 0.15m
7000×4π×10 ×5×10 ×3×10−7 −2 −2 = 1
284.038347 kA/Wbℜ 3 = l 3μ A 0 3
= 0.0175m4π×10 ×5×10 ×3×10
−7 −2 −2 = 9
329.511187 kA/Wb ℜtotal
= ℜ 1 + ℜ 2 + ℜ 3 = 9
, 43489 0 .0001543489 WΦ = F ℜ total
= N . I ℜ total
= 360×49284.08382×10
3 = 1 5 × 1 −4 = 0
.1028993 T B = A
Φ = 1,543489×10
−4
5×10 ×3×10−2 −2 = 0
Kedua hasil dari penghitungan matematis dan hasil simulasi memang tidak sama.Namun nilai ini dapat dikatakan sama dan benar, karena pada kenyataan (hasil simulasi) akan
selalu ada kebocoran fluks.
Dapat diamati bahwa saat celah diperpendek, nilai fluks yang muncul lebih besar
daripada saat celah diperlebar. Nilai rerata flux density juga lebih besar saat celah diperpendek
daripada saat celah diperlebar. Hal tersebut membuktikan bahwa semakin pendek celah udara
maka semakin besar kerapatan fluksnya begitu pula sebaliknya semakin lebar celah udara
maka semakin kecil kerapatan fluksnya.
Dalam proses konversi energi yang menyangkut mesin dengan elemen bergerak
(berputar) seperti transduser atau motor pada inti besinya (core) akan terdapat celah udara.
Melalui celah udara ini dapat berlangsung proses konversi dari energi listrik ke energi mekanik
atau sebaliknya. Untuk inti yang memiliki celah udara, berikut adalah perhitungan yang bisa
digunakan:
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
15/21
Dimana Ni = F adalah MMF atau magneto motive force (gaya gerak magnet).
Dari penyederhanaan, didapatkan,
Ni = Φ (Rc + Rg) = F
Dengan Rc dan Rg adalah sebagai berikut,
Normalnya nilai μ c >> μ 0 sehingga sebagian besar rangkaian magnetis mendapat
pengaruh yang signifikan dari reluktansi celah udara (Rg, reluctance air gap) daripada
reluktansi inti (Rc, reluctance core).
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
16/21
GRAFIK DAN GAMBAR
Tugas 1: Tampilan hasil kurva B-H
Gambar 1. Plot biasa.
Gambar 2. Plot logaritmik.
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
17/21
Tugas 2 : Tampilan hasil running
Tugas 3 : Tampilan hasil Density Plot dengan gap 1 cm
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
18/21
Tugas 4 : Tampilan hasil simulasi distribusi flux
Tugas 5 : Menghitung jumlah fluks magnet dan rapat fluks magnet pada celah
a. Tampilan hasil perhitungan software
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
19/21
Tugas 6 : Perbandingan hasil distribusi fluks dan nilai besaran magnetis yang dihasilkan
a. Celah diperpendek
b. Celah diperpanjang
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
20/21
KESIMPULAN
1. Sebuah magnet memiliki sifat histeresis, yaitu masih adanya sisa sifat kemagnetan pada
suatu bahan (feromagnetik) setelah gaya magnet dihilangkan.
2. Selalu ada perbedaan saat menghitung fluks antara kalkulasi matematis dengan
percobaan. Hal ini terjadi karena adanya kebocoran fluks.
3. Nilai kerapatan fluks dipengaruhi oleh luas area penampang. Semakin besar luas area
penampangnya, maka akan semakin lemah nilai kerapatan fluks magnet pada area
tersebut.
4. Nilai kuat medan berbanding lurus dengan banyak lilitan dan besarnya arus, dan juga
berbanding terbalik dengan panjang.
5. Sesuai hukum Lenz, nilai total fluks akan selalu konstan karena setiap ada perubahan
akan selalu diikuti oleh timbulnya garis gaya magnet dari arah yang berkebalikan untuk
menghilangkan perubahan tersebut.
6. Arah aliran fluks dapat diprediksi dengan menggunakan aturan tangan kanan (right
hand’s rule).
7. Saat celah udara diperpendek, nilai fluks yang muncul lebih besar. Sebaliknya jika celah
udara diperlebar, nilai fluks yang muncul lebih kecil.
8. Saat celah udara diperpendek nilai rerata flux densitas lebih besar. Sebaliknya jika celah
udara diperlebar, nilai rerata flux densitas lebih kecil.
9. Semakin besar celah udara, semakin tinggi nilai resistansi yang muncul, semakin tinggi
kemungkinan terjadi kebocoran fluks, sehingga nilai fluks yang terukur semakin rendah.
-
8/17/2019 Khonsa Imaroh Unit 1
21/21
REFERENSI
1. https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetomotive_force
2. https://mulyonoabdullah.wordpress.com/
3. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4d/Ehysteresis.PNG/270px-Eh
ysteresis.PNG
4. http://1.bp.blogspot.com/-0AEb-6gkpBM/UGUFuzyNS3I/AAAAAAAAAgU/682-IOsPy-8/s
1600/gbr1.jpg
5. http://riza-electrical.blogspot.co.id/2012/09/induktansi-bersama-dan-operasi-dasar.html
6. https://modalholong.wordpress.com/2011/01/12/magnetism/
7. http://kusumandarutp.blogspot.co.id/2015/06/reluktansi-magnet-pada-rangkaian.html
8. https://id.wikipedia.org/wiki/Fluks_magnetik
9. http://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-14/permeability-and-saturati
on/
10. https://en.wikipedia.org/wiki/Right-hand_rule
11. https://en.wikipedia.org/wiki/File:Manoderecha.svg