studi pengaruh jumlah lilitan dan …. berapa banyak jumlah lilitan dan panjang kumparan yang...

STUDI PENGARUH JUMLAH LILITAN DAN

PANJANG KUMPARAN TERHADAP VOLTASE DAN ARUS

BANGKITAN PADA MEKANISME PEMANEN ENERGI

GETARAN

Sidang Tugas Akhir

Bidang Studi : Desain

Disusun oleh :

DENNY SAPUTRA

NRP. 2105 100 057

Dosen Pembimbing :

Dr.Eng. Harus Laksana Guntur, ST, M.Eng.

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2010

• Getaran sering kali terjadi pada mesin ataupun peralatan –

peralatan yang sedang beroperasi, dan getaran ini dapat

menimbulkan gaya eksitasi berupa energi kinetik yang

berpotensi untuk dikonversi ke dalam bentuk energi lain.

Energy Source

(Vibration)

Trucks

Trains

Industrial

Machinery

Automotive

Wearable

Electronics

Agriculture

Medical

Building &

BridgesCargo

Container

Latar Belakang 1

Mesin – mesin menimbulkan getaran

Getaran menimbulkan gaya eksitasi

Getaran dikonversi kedalam energi listrik

Latar Belakang 2

1. Berapa banyak jumlah lilitan dan panjang kumparan yang efektif

untuk menghasilkan energi listrik bangkitan secara empirik dan

perhitungan.

2. Bagaimana perbandingan antara data voltase yang dibangkitkan

secara aktual dengan hasil perhitungan teoritis.

Perumusan Masalah 3

1. Frekuensi pada Mekanisme Pemanen Energi Getaran dianggap

harmonik dengan frekuensi konstan.

2. Perubahan temperatur akibat gesekan magnet dengan dinding

bagian dalam tabung diabaikan.

3. Gerakan osilasi magnet terhadap koil hanya kearah vertikal.

4. Alat pengukuran arus listrik yang dibangkitkan menggunakan

digital osciloscope dalam keadaan normal.

5. Motor yang digunakan untuk menggerakan Mekanisme Pemanen

Energi Getaran adalah motor DC.

6. Tidak terjadi lonjakan antara disk eksentrik dengan roda tangkai

pendorong.

Batasan Masalah 4

Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian pada Tugas Akhir ini,

antara lain:

1. Mencari jumlah lilitan dan panjang kumparan yang efektif untuk

voltase bangkitan yang dihasilkan Mekanisme Pemanen Energi

Getaran.

2. Menganalisa perbandingan antara data voltase yang dibangkitkan

secara aktual dengan hasil perhitungan.

Tujuan Tugas Akhir 5

1. Mengetahui jumlah lilitan dan panjang kumparan yang efektif

pada Mekanisme Pemanen Energi Getaran sehingga dapat

menghasilkan voltase bangkitan yang lebih efektif.

2. Mengetahui perbandingan antara data voltase yang dibangkitkan

secara aktual dengan hasil perhitungan.

3. Hasil tugas akhir ini bisa menjadi dasar pengembangan pada

Mekanisme Pemanen Energi Getaran dengan prinsip induksi

magnet.

Manfaat Tugas Akhir 6

Penelitian terdahulu

Penelitian yang dilakukan oleh Roundy, difokuskan pada

desain dari electrostatic vibration-to-electricity converter. Tiga

buah konsep desain dikembangkan, untuk mendapatkan

parameter desain yang terbaik. Hasil teoritis telah

dibandingkan dengan hasil empirik, yang satu sama lain

menunjukkan hasil yang tidak jauh berbeda.

Kajian Pustaka 7

1. Dasar Teori Mekanika Getaran

Model Matematis mekanisme

Menurut model diatas maka persamaan gerak dari

respon massa ( m )dapat dinyatakan sebagai :

Kajian Pustaka

)(tFkxxcxm

8

• Eksitasi harmonik X(t) didapat dari disk yang berputar secara eksentrik, sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar.

Gambar Eksitasi Gerak Harmonik

rrmak

rmin

y(t)

b

Kajian Pustaka 9

2. Teori Elektromagnetik

• Induksi Magnet

Jika displacement (posisi) sebuah massa magnetik berubah dengan waktu dan massa tersebut bergerak didalam suatu kumparan, pada ujung-ujung kumparan timbul beda potensial yang menyebabkan timbulnya arus listrik pada kumparan.

Gambar magnet melalui sebuah kumparan

Kajian Pustaka 10

• Sesuai hukum Faraday, dengan medan magnet atau fluks yang

berubah-ubah, maka pada kumparan akan timbul gaya gerak

listrik (ggl) sebesar :

Jika kerapatan fluks dan luas penampang merupakan besaran

konstan dan bergerak didalam sebuah kumparan dengan

kecepatan v, maka persamaan menjadi :

Kajian Pustaka

dt

dNe

E= B l v

11

• Medan Magnet pada Rangkaian Solenoidal

Rangkaian solenoidal adalah rangkaian yang terdiri dari

beberapa loop melingkar koaksial.

r

Gambar medan magnet pada titik P yang terletak pada sumbu solenoid

Pada gambar nilai medan magnet (B) pada titik P dapat dicari dengan perumusan :

Kajian Pustaka 12

L

INB 0

. P

l

N

• Konduktivitas dan tahanan listrik; Hukum Ohm

Hukum ohm menyatakan bahwa tegangan antara jenis bahan

penghantar (V) berbanding lurus dengan arus yang mengalir pada

bahan tersebut (I).

Kajian Pustaka 13

Diagram Alir Tugas Akhir secara Global

METODOLOGI

Pemodelan Matematis Perencanaan Pengujian

Pengujian Mekanisme

Studi Literatur

Penentuan Metode Pembangkitan Energi

Pengambilan Data

AB

Perhitungan voltase bangkitan

Pembuatan Mekanisme

Start

Komparasi voltase(V) bangkitan dari pengujian dengan hasil perhitungan

secara teori

Kesimpulan

Apakah (V)exp ≈ (V)teo ?

End

AB

tidak

ya

14

• Penentuan metode Pembangkitan EnergiPada tahap ini digunakan magnet dan rangkaian kumparan yang dapat

membangkitkan voltase dengan diberikannya tegangan mekanik. Dengan jumlah lilitan dan panjang kumparan pada mekanisme pembangkit daya yang telah divariasikan maka akan terbangkitkan voltase yang kemudian diukur dengan menggunakan osilloscope.

Skema mekanisme pembangkit daya

METODOLOGI 15

15

mm

20

mm

20

mm

20

mm

25

mm

20

mm

X(t) X(t) X(t)

Diagram alir perhitungan :

METODOLOGI

E=B l v

AA

i = i + 1

A

Start

Menentukan nilai I , L , μ0 , l , X dan CPM

v = f 4X

1CPM = 4Xf = CPM / 60

Ni = N1

N1 = 1000 lilitanN2 = 2000 lilitanN3 = 3000 lilitan

Li = L1

L1 = 15 mmL2 = 20 mmL3 = 25 mm

i = i + 1

L

INB 0

A

Apakah N =3000 ?

A

Apakah L =25mm ?

A

End

16

• Perencanaan pembuatan Mekanisme Pemanen Energi Getaran.

Pada tahap ini mekanisme pengukuran bangkitan energi listrik dimodelkan dengan rangkaian magnet, pegas, dan juga kumparan yang divariasikan.

Skema Mekanisme Pemanen Energi Getaran

METODOLOGI 17

Spring

Mass

Pushrod

Wheel

Eccentric

disc

Guide

Motor

Coil

Battery

x

b

Conversion

circuit

Diagram alir percobaan

METODOLOGI

Mulai

Pasang Disk ke motor DC

Persiapan peralatan

Sambungkan Motor DC ke Power suply

Nyalakan Osciloscope

Sambungkan probe osciloscope ke mekanisme

pembangkit daya

Pasang Mekanisme pembangkit daya

A B

Tidak

Nomor mekanisme

pembangkit daya + 1

Matikan Osciloscope

Matikan Power Suply

Mekanisme pembangkit daya nomer

9?

selesai

Ambil data Stroboscope

Nyalakan Power suply 7,5 Volt

A

Ambil data Osciloscope

sebanyak 5 kali

B

Ya

18

• Peralatan percobaan

1. Mekanisme pembangkit daya

2. Osciloscope 3. Stroboscope

4. Power supply 5. Motor DC 6. Kabel

9 cm

1.7

cm

METODOLOGI 19

• PerhitunganKecepatan gerak magnet

Dari RPM motor yang diketahui dapat dicari kecepatan gerak

magnet dengan mengkonversi kecepatan putar poros menjadi

kecepatan magnet berosilasi, dapat dilihat dari perumusan

dibawah ini :

1 rotasi = 4 x Amplitudo

HASIL & ANALISA

v = f 4X

Dimana :

X = 10mm ,dan

f = RPM / 60 s

= 885 / 60 s

= 14,75 /s

v = 14,75 /s x 40 mm

= 590 mm/s

= 0,59 m/s

20

v = RPM

Kuat Medan Magnet

L = 15 mm

N = 1000 lilitan

I = 2,26 Ampere

μ0 = 12,56 x 10-7 Wb/A.m

L

INB 0

m

AAmWbB

015,0

100026,2/10.56,12 7

B = 0,19 Wb/m²

HASIL & ANALISA 21

HASIL & ANALISA

Tabel Perhitungan kuat medan magnet

Panjang

Kumparan N I μ0 L B

15 mm 1000 2.26 0.000001256 0.015 0.19

20 mm 1000 2.01 0.000001256 0.02 0.13

25 mm 1000 1.83 0.000001256 0.025 0.09

15 mm 2000 2.81 0.000001256 0.015 0.47

20 mm 2000 2.64 0.000001256 0.02 0.33

25 mm 2000 2.31 0.000001256 0.025 0.23

15 mm 3000 3.47 0.000001256 0.015 0.87

20 mm 3000 3.12 0.000001256 0.02 0.59

25 mm 3000 2.59 0.000001256 0.025 0.39

22

HASIL & ANALISA

Voltase bangkitan

E= B l v

E = 0,19 Wb/m² x 50,24 m x 0,59 m/s

E = 0,19 V.s/m² x 50,24 m x 0,59 m/s

E = 5,63 Volt

Panjang

kumparan

Jumlah

lilitan B l V E

15 mm 1000 0.19 50.24 0.59 5.63

20 mm 1000 0.13 50.24 0.59 3.85

25 mm 1000 0.09 50.24 0.59 2.66

15 mm 2000 0.47 100.48 0.59 27.86

20 mm 2000 0.33 100.48 0.59 19.56

25 mm 2000 0.23 100.48 0.59 13.64

15 mm 3000 0.87 150.72 0.59 77.36

20 mm 3000 0.59 150.72 0.59 52.47

25 mm 3000 0.39 150.72 0.59 34.68

Tabel Voltase bangkitan dari perhitungan teori

23

HASIL & ANALISA

Grafik voltase hasil perhitungan

Grafik Voltase Hasil Perhitungan

5.63

27.86

77.36

3.85

19.56

52.47

2.66

13.64

34.68

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1000 2000 3000

Jumlah lilitan

vo

lt

L1 = 15mm

L2 = 20mm

L3 = 25mm

24

Contoh perhitungan RMS

HASIL & ANALISA

Tabel contoh perhitungan RMS

25

S V V²

0 4.8 23.04

0.002 4.8 23.04

0.004 4.6 21.16

0.006 4.6 21.16

… … …

… … …

Σ V² Σ V²/ 2250 RMS

53360.56 23.72 4.87

2250

2

Vrms

2250

56.53360rms

87.4rms

Hasil Pengujian

HASIL & ANALISA

Grafik Voltase L1 = 15mm

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0.6

8

1.3

7

2.0

5

2.7

4

3.4

2

4.1

4.7

9

5.4

7

6.1

6

6.8

4

7.5

2

8.2

1

8.8

9

Time (s)

vo

lt

1000 lilitan

2000 lilitan

3000 lilitan

Grafik voltase fungsi waktu untuk panjang kumparan 15 mm

26

Panjang

kumparan

Jumlah

lilitan RMS

15 mm

1000 4.87

2000 9.12

3000 13.11

Hasil Pengujian

HASIL & ANALISA

Grafik Voltase L2 = 20mm

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0

0.6

9

1.3

8

2.0

8

2.7

7

3.4

6

4.1

5

4.8

4

5.5

4

6.2

3

6.9

2

7.6

1

8.3 9

Time (s)

vo

lt

1000 Lilitan

2000 Lilitan

3000 Lilitan

Grafik voltase fungsi waktu untuk panjang kumparan 20 mm

27

Panjang

kumparanJumlah lilitan

RMS

20 mm

1000 3.51

2000 8.14

3000 11.16

Hasil Pengujian

HASIL & ANALISA

Grafik Voltase L3 = 25mm

0

2

4

6

8

10

12

0

0.6

9

1.3

8

2.0

8

2.7

7

3.4

6

4.1

5

4.8

4

5.5

4

6.2

3

6.9

2

7.6

1

8.3 9

Time (s)

vo

lt

1000 Lilitan

2000 Lilitan

3000 Lilitan

Grafik voltase fungsi waktu untuk panjang kumparan 25 mm

28

Panjang

kumparanJumlah lilitan

RMS

25 mm

1000 2.46

2000 5.16

3000 8.1

Hasil Pengujian

HASIL & ANALISA

voltase fungsi waktu untuk 1000 lilitan

29

Grafik Voltase 1000 Lilitan

0

1

2

3

4

5

6

7

0

0.0

7

0.1

4

0.2

0.2

7

0.3

4

0.4

1

0.4

8

0.5

4

0.6

1

0.6

8

0.7

5

0.8

2

0.8

8

Time (s)

Vo

ltase (

vo

lt)

L1 = 15mm

L2 = 20mm

L3= 25mm

Jumlah lilitanPanjang

kumparan RMS

1000

15 mm 4.81

20 mm 3.48

25 mm 2.51

Hasil Pengujian

HASIL & ANALISA

Grafik Voltase 2000 Lilitan

0

2

4

6

8

10

12

14

0

0.6

9

1.3

8

2.0

6

2.7

5

3.4

4

4.1

3

4.8

2

5.5

6.1

9

6.8

8

7.5

7

8.2

6

8.9

4

Time (s)

vo

lt

L1 = 15mm

L2 = 20mm

L3 = 25mm

Grafik voltase fungsi waktu untuk 2000 lilitan

30

Jumlah lilitanPanjang

kumparan RMS

2000

15 mm 9.07

20 mm 7.84

25 mm 4.89

Hasil Pengujian

HASIL & ANALISA

Grafik Voltase 3000 Lilitan

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0.6

9

1.3

8

2.0

8

2.7

7

3.4

6

4.1

5

4.8

4

5.5

4

6.2

3

6.9

2

7.6

1

8.3 9

Time (s)

vo

lt

L1 = 15mm

L2 = 20mm

L3 = 25mm

Grafik voltase fungsi waktu untuk 3000 lilitan

31

Jumlah lilitanPanjang

kumparan RMS

3000

15 mm 13.15

20 mm 11.07

25 mm 7.93

HASIL & ANALISA

Grafik Voltase Hasil Pengujian

4.08

9.09

13.15

3.52

7.85

11.3

2.54

5.154

8.4

0

2

4

6

8

10

12

14

1000 2000 3000

Jumlah Lilitan

vo

lt

L1 = 15mm

L2 = 20mm

L3 = 25mm

Grafik voltase hasil pengujian

Panjang

kumparan

Jumlah

lilitan

1000 2000 3000

15 mm 4.81 9.09 13.15

20 mm 3.52 7.85 11.3

25 mm 2.54 5.154 8.4

32

HASIL & ANALISA

Panjang kumparan Jumlah lilitan

Pengujian Teori

voltase

(volt)

Voltase

(volt)

15 mm

1000 4.81 5.63

2000 9.09 27.86

3000 13.15 77.36

20 mm

1000 3.52 3.85

2000 7.85 19.56

3000 11.3 52.47

25 mm

1000 2.54 2.66

2000 5.15 13.64

3000 8.4 34.68

Perbandingan Voltase hasil perhitungan dengan pengujian

33

Kesimpulan

KESIMPULAN & SARAN

1. Voltase yang dihasilkan dari pemanen energi getaran

yang panjang kumparannya divariasikan mulai dari 15

mm, 20 mm, hingga 25 mm didapatkan semakin

panjang kumparan yang digunakan pada mekanisme

pembangkit daya, maka semakin kecil voltase yang

dibangkitkan.

2. Voltase yang dihasilkan dari pemanen energi getaran yang

jumlah lilitannya divariasikan mulai dari 1000 lilitan, 2000

lilitan, hingga 3000 lilitan didapatkan semakin banyak jumlah

lilitan yang digunakan pada mekanisme pembangkit daya,

maka semakin besar voltase yang dibangkitkan.

34

Kesimpulan

KESIMPULAN & SARAN

3. Voltase bangkitan terbesar secara teori dan pengujian terjadi pada

saat mekanisme pemanen energi getaran menggunakan

mekanisme pembangkit daya dengan panjang kumparan 15 mm

dan jumlah lilitan 3000 lilitan yaitu sebesar 77,36 volt untuk teori

dan 13,15 volt untuk pengujian. Sedankan yang terendah terjadi

pada panjang kumparan 25 mm dan jumlah lilitan 1000

4. Pada setiap penambahan jumlah lilitan range antara voltase

bangkitan aktual dengan voltase perhitungan menjadi semakin

besar. Hal ini terjadi karena semakin banyak kawat yang dililitkan,

maka semakin banyak pula terjadi rugi yang diakibatkan dari

hambatan dan induktor kawat tersebut.

35

Saran

KESIMPULAN & SARAN

1. Pada penelitian selanjutnya dilakukan pengukuran arus

yang dibangkitkan dengan menggunakan alat yang lebih

teliti dari pada multimeter.

2. Pada penelitian selanjutnya dapat dilakukan analisa pada mekanisme

pembangkit daya dengan variasi kumparan yang lainnya agar

didapatkan mekanisme pembangkit daya yang mampu membangkitkan

voltase lebih besar lagi.

36

40

Kajian Pustaka 13