Electronic Theses and Dissertation

Penelitian ini dilatarbelakangi oleh meningkatnya kebutuhan akan produksi listrik dari sumber energi terbarukan yang efisien dan berkelanjutan. Switched Reluctance Generator (SRG) dipilih sebagai kandidat utama karena karakteristik desainnya yang sederhana, biaya produksi yang rendah, serta kemampuan beroperasi pada kecepatan tinggi. Namun demikian, SRG memiliki dua kelemahan utama, yaitu kepadatan daya (power density) yang rendah dan riak torsi (torque ripple) yang tinggi, yang berdampak negatif terhadap efisiensi konversi energi dan kinerja sistem, khususnya pada aplikasi daya rendah. Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk meningkatkan kepadatan daya dan menurunkan riak torsi pada dua konfigurasi SRG: SRG aksial dengan kumparan stator zigzag, dan SRG radial dengan desain segmentasi aksial (axial split segmentation). Pendekatan yang digunakan melibatkan perhitungan numerik, simulasi elektromagnetik berbasis perangkat lunak Ansys Maxwell, serta validasi eksperimental terhadap prototipe fisik guna menganalisis pengaruh segmentasi terhadap distribusi fluks magnetik, induktansi, torsi, dan daya keluaran. Metodologi penelitian mencakup desain geometri SRG tipe “8/6” empat fasa dengan segmentasi aksial yang memisahkan kumparan stator ke dalam beberapa segmen dengan sudut eksitasi berbeda. Untuk SRG dengan fluksi aksial dan konfigurasi kutub “8/8”, penurunan riak torsi dilakukan melalui simulasi dengan penataan stator secara zigzag dalam fasa yang sama. Eksperimen dilakukan untuk membandingkan hasil simulasi dengan performa aktual prototipe. Hasil penelitian menunjukkan bahwa segmentasi aksial mampu menurunkan riak torsi hingga 59,3% dibandingkan dengan desain konvensional tanpa segmentasi. Selain itu, kepadatan daya meningkat dari 1 kW menjadi 1,18 kW pada volume mesin yang sama. Pada SRG fluksi aksial, riak torsi berhasil dikurangi sebesar 50,064% dibandingkan dengan konfigurasi konvensional. Distribusi fluks magnetik yang lebih merata pada setiap segmen stator menghasilkan torsi yang lebih halus dan efisiensi operasi yang lebih tinggi. Model matematis dan simulasi membuktikan bahwa segmentasi mampu mengoptimalkan sudut penyalaan dan pemadaman eksitasi, sehingga memaksimalkan konversi energi mekanik menjadi energi listrik. Kesimpulan dari penelitian ini menunjukkan bahwa penataan kumparan stator secara zigzag pada SRG aksial terbukti mampu mereduksi riak torsi secara signifikan, sehingga meningkatkan efisiensi sistem dalam aplikasi energi terbarukan. Sementara itu, segmentasi aksial pada SRG radial merupakan pendekatan yang efektif untuk meningkatkan kepadatan daya dan menurunkan riak torsi. Kontribusi penelitian ini membuka peluang pengembangan desain SRG yang lebih optimal dan dapat dijadikan rujukan akademik serta referensi teknis dalam bidang perancangan mesin industri.

Kata Kunci: switched reluctance generator (SRG), peningkatan kepadatan daya, penurunan riak torsi, segmentasi aksial, kumparan zigzag.

This research is motivated by the increasing demand for efficient and sustainable electricity generation from renewable energy sources. The Switched Reluctance Generator (SRG) has emerged as a promising candidate due to its simple construction, low manufacturing cost, and capability to operate at high speeds. However, SRGs inherently suffer from two major drawbacks: low power density and high torque ripple, which significantly reduce energy conversion efficiency and system performance, particularly in low-power applications. The primary objective of this study is to enhance power density and reduce torque ripple in two SRG configurations: an axial-flux SRG with zigzag stator windings and a radial-flux SRG employing axial split segmentation. The proposed approach integrates numerical analysis, electromagnetic simulation using Ansys Maxwell, and experimental validation through physical prototypes to evaluate the effects of segmentation on magnetic flux distribution, inductance, torque, and output power. The methodology includes the design of a four-phase “8/6” radial SRG geometry with axial segmentation, dividing the stator windings into multiple segments with varying excitation angles. For the axial-flux SRG with an “8/8” pole configuration, torque ripple reduction is achieved through zigzag stator arrangements within the same phase. Experimental tests are conducted to compare simulation results with the actual performance of the prototype. The results demonstrate that axial segmentation reduces torque ripple by up to 59.3% compared to conventional non-segmented designs. Additionally, power density increases from 1 kW to 1.18 kW within the same machine volume. In the axial-flux SRG, torque ripple is reduced by 50.064% relative to the conventional configuration. A more uniform magnetic flux distribution across stator segments leads to smoother torque output and improved operational efficiency. Mathematical modeling and simulation confirm that segmentation optimizes the excitation turn-on and turn-off angles, thereby maximizing mechanical-to-electrical energy conversion. In conclusion, axial segmentation in radial SRGs proves to be an effective method for enhancing power density and minimizing torque ripple. Meanwhile, zigzag stator winding placement in axial-flux SRGs significantly reduces torque ripple, thereby improving generator efficiency in renewable energy applications. This study contributes to the advancement of optimized SRG design and serves as a valuable academic reference for future machine design in industrial applications. Keywords: Switched Reluctance Generator (SRG), Axial Split Segmentation, Torque Ripple Reduction, Power Density Enhancement, Electromagnetic Simulation