khonsa imaroh unit 1

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


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)


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


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


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.


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.


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.


8/21

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.


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


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


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.


12/21

Dari hasil yang diperoleh saat simulasi dengan FEMM, besar nilai-nilainya adalah

sebagai berikut :

Celah mula-mula = 1cm


Average B.n = 0.182741 T

Celah diperpendek = 0.75cm



Celah diperpanjang = 1.75cm



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:


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:


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:


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).


16/21

GRAFIK DAN GAMBAR

Tugas 1: Tampilan hasil kurva B-H

Gambar 1. Plot biasa.

Gambar 2. Plot logaritmik.


17/21

Tugas 2 : Tampilan hasil running

Tugas 3 : Tampilan hasil Density Plot dengan gap 1 cm


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


19/21

Tugas 6 : Perbandingan hasil distribusi fluks dan nilai besaran magnetis yang dihasilkan

a. Celah diperpendek

b. Celah diperpanjang


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.


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

khonsa imaroh unit 1

Documents