GAYA DORONG PADA AKTUATOR ELEKTROMAGNETIK

Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) Periode IV
Yogyakarta,15November2014
ISSN: 1979-911X
GAYA DORONG PADA AKTUATOR ELEKTROMAGNETIK SILINDRIS
Sigit Iswahyudi1, Wandi Arnandi2
Fakultas Teknik, Universitas Tidar, Magelang
e-mail :[email protected],2 [email protected]
1,2
ABSTRACT
The use of electromagnetic actuator as thrust element was studied. The prototype ability was tested in
producing thrust. The prototype has three main parts. The first was used to generate magnetic field, the second
was used to flow magnetic flux and the third was used to generate thrust. The thrust of the prototype was tested
by measuring the change of its weight in four modes. Mode 1: the voltage of the field generator was “on” and
the voltage of the thrust generator was “off”, mode 2: the voltage of the field generator and the thrust generator
were “off”, mode 3: the voltage of the field generator was “on” and the voltage of the thrust generator was
“off”, mode 4: the voltage of the field generator and the thrust generator “off”. The last three mode were
conducted in series and started when the preliminary mode reach its stability. The voltage of the field generator
was mantained constanly at 12 V, but the voltage of the thrust generator was varied from 3 V, 6 V, 9 V and 12 V.
The results show that the prototype was able to generate impulsive thrust. In each measurement mode,
there was a maximum value of thrust.
Keywords: electromagnetic actuator, thrust, translation work
PENDAHULUAN
Alat transportasi memiliki sistem penggerak untuk mengubah energi dari pembangkit menjadi
kerja translasi. Proses ini pada umumnya melalui gerak putar elemen-elemen pada sistem sebelum
kerja translasi diperoleh. Perputaran elemen selalu melibatkan gesekan dan membutuhkan pelumasan
yang baik agar transfer energi berlangsung secara efisien. Jika fase perputaran elemen dikurangi maka
efisiensi transfer energi dapat ditingkatkan.
Usaha-usaha telah banyak dilakukan untuk meningkatkan efisiensi sistem pemindah tenaga
pada sistem transportasi. Pemanfaatan motor listrik sebagai sumber gerak rotasi yang diperoleh secara
langsung dari energi kinetik elektron menjadi pilihan yang mudah karena teknologi ini sudah cukup
matang sebagai penerapan persamaan Maxwell dalam membangkitkan gaya Lorentz. Pengembangan
teori Maxwell lebih lanjut ke medan tensor bentuk simetri lebih tinggi dengan memanfaatkan teori
topology, group and gauge membuka arah baru dalam pengembangan sumber daya dan propulsi
elektromagnetik (Froning dan Barrett, 2011). Desain yang memanfaatkan teori ini misalnya secara
teoritis dikembangkan teknologi kendaraan yang memiliki kecepatan sangat tinggi dengan magnetisme
sebagai pendorong utamanya (Murad, 2000), dan pemanfaatan arus Eddy dalam medan magnet alam
untuk transportasi di darat dan air pada ketinggian yang rendah (Pulatov, 2005). Dalam hal
peluncuran roket dan pesawat ruang angkasa, suatu konsep pemanfaatan magnetisme dikembangkan
oleh Bolonkin (2009). Elektromagnetisme merupakan konsep yang diharapkan dapat menjawab
ketersediaan sistem pendorong yang kuat dan efisien.
Suatu langkah awal telah dilakukan untuk memanfaatkan teori ini ke ranah praktis dalam
membangkitkan gaya dorong secara langsung untuk menghasilkan kerja translasi tanpa melibatkan
gerak rotasi namun hasilnya masih jauh dari harapan (Arnandi dan Iswahyudi, 2013). Penelitian
tersebut dibatasi pada pembangkitan gaya Lorentz yang mirip pada motor listrik untuk menghasilkan
gaya dorong melalui rancangan konfigurasi pengaliran fluks elektromagnetik dan kawat yang dialiri
arus listrik.
Dalam pembahasan ini, usaha lanjutan untuk memperoleh gaya dorong secara langsung dari
suatu sistem aktuator elektromagnetik dibuat. Suatu prototipe berbentuk silinder yang dirancang
berdasarkan teori pembangkitan gaya Lorentz diuji kemampuannya untuk menghasilkan gaya dorong
secara langsung.
METODE PENELITIAN
Prototipe aktuator elektromagnetik dibuat berbentuk silinder. Prototipe memiliki tiga bagian
utama yang terdiri dari bagian pembangkit medan magnet, bagian pengalir fluks magnet dan bagian
pembangkit gaya dorong. Bagian pembangkit medan dibuat dari lilitan tembaga berdiameter 1 mm
sebanyak empat lapis di mana tiap lapisan terdiri dari 37 lilitan. Bagian pengalir fluks berbentuk
silinder dibuat dari bahan baja ST 60 berdiameter 75 mm dan tingginya 90 mm. Bagian pembangkit
B-117
Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) Periode IV
Yogyakarta,15November2014
ISSN: 1979-911X
gaya dorong dibuat dari lilitan kabel yang terdiri dari tiga lilitan dengan diameter efektif 32 mm. Data
teknis lain yang berhubungan dengan kelistrikan aktuator di daftar pada Tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi spesimen
No
Nama Spesimen
Aktuator elektromagnetik
(Gambar 1)
Spesifikasi
,
,
,
g
Keterangan:
hambatan pada kumparan pembangkit gaya,
hambatan pada pembangkit medan magnet,
= hambatan total pada kumparan pembangkit gaya setelah dirangkai,
= hambatan total pada
kumparan pembangkit medan magnet setelah dirangkai
a.
b.
Gambar 1. Aktuator elektromagnetik. a. (1) kumparan pembangkit medan magnet, (2) silinder
penghantar fluks magnet, (3) lilitan pembangkit gaya dorong. b. Spesimen, jarak antara kumparan
pembangkit bagian tengan dengan kumparan pembangkit bagian tepi dan dalam ialah 10 mm
Peralatan yang digunakan dalam pengukuran didaftar pada Tabel 2.
Tabel 2. Daftar peralatan yang digunakan
No
Nama Peralatan
Jumlah
1
Adaptor
2
2
3
4
5
Resistor
Multimeter digital
Timbangan digital
Kabel
2
1
1
-
Spesifikasi
Variasi tegangan 3 V; 6 V; 7,5 V; 9 V; 12 V;
13,8V. Arus maksimum 7 A
1,7Ω
ketelitian 1 g, kapasitas maksimum 50 kg
diameter 1,5 mm
Prosedur Pengujian. Pembangkitan gaya dorong diuji dengan cara mengukur perubahan berat
prototipe pada saat bagian pembangkit medan magnet dan pembangkit gaya dorong diberi tegangan
dengan empat mode. Mode 1: tegangan pembangkit medan on dan tegangan pembangkit gaya off,
mode 2: tegangan pembangkit medan dan pembangkit gaya dorong pada posisi on, mode 3: tegangan
pembangkit medan on dan pembangkit gaya off, mode 4: tegangan pembangkit medan dan pembangkit
gaya off. Ketiga mode terakhir dilakukan berurutan dimulai pada saat mode sebelumnya mencapai
kestabilan. Tegangan pembangkit medan dipertahankan pada 12 V, sedangkan tegangan pembangkit
gaya divariasi dari 3 V, 6 V, 9 V hingga 12 V.
B-118
Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) Periode IV
Yogyakarta,15November2014
ISSN: 1979-911X
PEMBAHASAN
Pengujian gaya dorong terhadap prototipe menghasilkan data sebagaimana pada Tabel 3.
Tabel 3. Data pengujian gaya dorong
Mode
1
2
3
4
Tegangan pada lilitan pembangkit gaya
(volt)
3
3
3
3
Perubahan berat spesimen (maksimum,
gram)
0
0
4
1
1
2
3
4
6
6
6
6
-6
-2
-1
18
1
2
3
4
9
9
9
9
-7
-3
-7
9
1
2
3
4
12
12
12
12
-6
0
0
16
Data penelitian mengungkapkan bahwa aktuator mampu menghasilkan gaya dorong, namun
sifatnya sesaat atau impulsif. Gaya dorong muncul sebagai akibat dari interaksi antara medan magnet
pada silinder khususnya pada bagian kepala silinder dengan arus listrik pada lilitan pembangkit gaya
yang memiliki diameter lingkara 32 mm. Tegangan yang digunakan pada pembangkit medan magnet
dan pada pembangkit gaya dorong ialah tegangan dc sehingga arus yang mengalir pada kedua elemen
tersebut juga berupa arus dc. Dengan penggunaan arus dc, gaya dorong yang timbul diharapkan
memiliki nilai yang konstan. Namun hal ini tidak muncul. Pada suatu mode pengujian, perubahan
berat spesimen mengalami nilai maksimum tertentu kemudian turun mencapai suatu nilai yang stabil
tertentu. Dari hasil pengujian terlihat bahwa perubahan berat prototipe maksimum yang dapat dicapai
ialah 18 g pada pengujian mode 4 dengan tegangan lilitan pembangkit gaya 6 volt.
Dasar perancangan prototipe ini ialah persamaan Maxwell (Persamaan 1) (Zahn, M., 2005).
ialah vektor gaya, ialah muatan elektron, ialah vektor kuat medan listrik, ialah
Dimana,
vektor kecepatan electron, dan ialah kuat medan magnet. Untuk kasus prototipe yang dibangun ini,
persamaan diturunkan menjadi Persamaan 2. Dimana, ialah tegangan yang pada lilitan pembangkit
gaya dorong, ialah perbandingan antara panjang lilitan pembangkit gaya dengan resistansinya dan
ialah kuat medan magnet yang dialami oleh masing-masing lilitan pembangkit gaya dorong pada
masing-masing posisinya. Persamaan 1 yang masih dalam bentuk vektor disederhanakan menjadi
dalam bentuk besar dari vektor yang searah dengan sumbu prototipe. Jika tegangan pada lilitan
pembangkit medan dalam posisi on, maka fluks magnet pada prototipe akan tetap ada. Jika tegangan
pada lilitan pembangkit gaya dalam posisi on, maka arus listrik akan tetap mengalir. Pada mode 2,
kondisi ini terjadi, namun gaya dorong yang terukur tidak bersifat kontinu. Menurut Persamaan 1,
semestinya pada kondisi ini muncul gaya dorong pada spesimen. Kemungkinan yang menyebabkan
gaya dorong bersifat impulsif ialah terjadi perubahan orientasi dari vektor medan magnet. Gaya
dorong tetap ada namun tidak pada arah sumbu prototipe. Besar gaya pada arah sumbu prototipe yang
dialami dinyatakan menggunakan Persamaan 2. Gaya pada arah selain pada arah sumbu prototipe
akan saling menghilangkan karena geometri dari lilitan pembangkit gaya dan arah medan sebagai
“sink” atau “source” pada saat melalui lilitan pembangkit gaya.
B-119
Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) Periode IV
Yogyakarta,15November2014
ISSN: 1979-911X
KESIMPULAN
Dari hasil pengujian dan pembahasan di atas dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Prototipe aktuator elektromagnetik mampu menghasilkan gaya dorong yang bersifat impulsif,
2. Gaya dorong yang dihasilkan oleh aktuator masih sangat rendah jika dibandingkan dengan berat
spesimen,
3. Gaya dorong sebagai gaya Lorentz yang dihasilkan oleh prototipe hanya akan terasa pada arah
sumbu prototipe. Gaya pada arah lain akan saling menghilangkan karena geometri lilitan
pembangkit gaya dan arah kuat medan magnet sebagai “sink” atau “source”,
4. Diperlukan perbaikan rancangan prototipe untuk dapat meningkatkan rasio antara gaya dorong
yang dihasilkan dengan berat prototipe.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada
Masyarakat Universitas Tidar yang telah membiayai penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA
Arnandi, W., dan Iswahyudi, S., 2013. Pemanfaatan Magnetisme sebagai Sumber Gaya Gerak.
Laporan penelitian. Magelang: Universitas Tidar Magelang.
Bolonkin, A., 2009. The World’s Future New Technologies and Revolutionary Projects. Book New
Technology. New York.
Froning, H. D., Barrett, T. W.. 2011. New Directions in Electromagnetism for Propulsion and Power,
Space, Propulsion & Energy Sciences International Forum. Physics Procedia 20 (2011) 84–
92.
Iswahyudi, S., 2013. Paduan Aluminium 2030 sebagai Konduktor Penghasil Gaya Lorentz dalam
Sistem Gerak Translasi. Laporan penelitian. Magelang: Universitas Tidar Magelang.
Murad, P. A., 2000. Hyper-Light Dynamics and Effects of Relativity, Gravity, Electricity, and
Magnetism. Acta Astronautica. Vol. 47, Nos. 2-9, pp. 575-587. Elsevier Science Ltd, Great
Britain.
Pulatov, V., 2005. Physics of Magnetic Propulsion. Progress in Aerospace Science. Vol. 41, pp. 6491. Elsevier.
Zahn, M., 2005. Electromagnetic Field Theory. (Massachusetts Institute of Technology: MIT
OpenCourseWare). http://ocw.mit.edu, Diakses 07 07, 2012. License: Creative Commons
Attribution-Non Commercial-Share Alike.
B-120