3. aplikasi-bahan-magnet

Bahan Magnet n Superkonduktor

1


2

MOTORMOTOR

Struktur klasik motor DC bipolar

Mesin sinkronous Permanen magnet dengan magnet orthoradial (6 poles)

Klasik motor DC: Fluks di stator dihasilkan oleh dua magnet. Type ini biasanya digunakan beberapa aksesori kendaraan (seperti kipas motor, windscreen wipers, dll.) terbuat dari sintered ferrite magnets. Bahan ditempelkan menetap pada stator.

Permanent magnets pada Synchronous machines diletakkan/ditempelkan di rotor, atau dimasukkan ke dalam posisi ortho-radial. Dalam struktur ini fluks magnet terkonsentrasi pada pole pieces rotor, dan induksi yang tinggi di airgap. Dengan mengontrol suply arus motor menghasilkan variasi total fluks mesin, dan variasi kecepatan. Biasanya dipakai pada kendaraan tenaga penggerak listrik. Rentang daya yang digunakan (30 kW) mampu dicapai dengan efisiensi 90 sampai 95% (motor + undulator), sedangkan motor DC dengan kondisi yang sama hanya mampu menghasilkan efisiensi 75 sampai 80%.


3

THE EVOLUTION OF MOTORS

Classic structure of a Bipolar DC motor

Permannet magnet synchronous machine with orthoradial magnet (6 poles)

Small brushless dc motor


4

Loudspeaker adalah aktuator yang paling terkenal. Magnet berfungsi untuk menghasilkan medan magnetik dalam kolom udara (airgap) yang berbentuk silinder. Sebuah lilitan/koil ditempatkan melekat pada membran dari loudspeaker yang berada pada kolom udara. Ketika sebuah arus melewati koil, maka koil tersebut akan mengalami “gaya” (gaya Laplace) yang menggerakkan membran loudspeaker. Bahan yang sering digunakan untuk aplikasi ini adalah magnet ferrite.

Interaksi perubahan medan magnetik koil dengan magnetik permanen menyebabkan koil bergerak maju/mundur sehingga dihasilkan input signal.

ACTUATOR: LOUDSPEAKER


5

ACTUATOR: LOUDSPEAKER

Interaksi perubahan medan magnetik koil dengan magnetik permanen

menyebabkan koil bergerak maju/mundur sehingga dihasilkan input signal.

Koil loudspeaker

dikenal sebagai

voice coil

http://en.wikibooks.org/w/index.php?title=File:Magnet2.gif&filetimestamp=20051208193854

http://en.wikibooks.org/w/index.php?title=File:Loud_cone.gif&filetimestamp=20051208195848

http://en.wikibooks.org/w/index.php?title=File:Loud_suspension.gif&filetimestamp=20051208194030


6

READ HEAD ACTUATOR FOR HARD DISK

ACTUATOR:

Prinsip yang sama juga digunakan pada aktuator yang digunakan untuk mengerakkanread/write heads dalam sistim perekam disk magnetik (magnetic disk recording systems.)Gerakan tersebut terjadi akibat perubahan medan magnetik antara magnet dan koil padakolom udara.Hal penting dalam sistim ini adalah waktu akses (access time) yang sangat singkat. Untukmenghasilkan waktu akses yang paling singkat, aktuator yang dibuat harus memiliki gayayang paling maksimal, yang diperoleh dari bahan NdFeB.


7

Prinsip operasi: gaya antar magnet permanen dengan karakteristik:1. Polarisasi tinggi: bahan magnet unsur tanah jarang2. Gaya magnet yang dihasilkan sebanding dengan kuadrat dari

polarisasi magnet3. Operasi magnet: gaya tolak menolak, oleh karena itu kualitas magnet

dengan coercivities cukup tinggi sangat diperlukan, 4. Sistem utama magnetomechanical adalah bantalan magnetik

(bearings) dan magnetik kopling.

Magnetomechanical systems:


8

1. Magnetic bearing: digunakan untuk sistem yang berputar berkecepatan tinggi: flywheels, turbine

Dua jenis magnetic bearing (tolak-menolak) dengan kekuatan gaya yangsama: magnetisasi (a) axial, dan (b) radial


Sistim radial lebih stabil dibandingkan dengan sistim aksial, namun pembuatan danmagnetisasi sistim aksial (ring with axial anisotropy) lebih mudah dibandingkan dengansistim radial.Ketidakstabilan aksial harus dikompensasi oleh kontrol mekanik. Kedua konfigurasimemiliki kekuatan yang sama persis.Magnet harus memiliki magnetisasi yang sangat homogen, untuk membatasi arusinduksi pada sisi ring dan harus mampu menahan medan magnet besar. Magnet unsurtanah jarang digunakan karena memiliki induksi remanen, dan coercivities yang sangattinggi.


9


2. Magnetic coupling: digunakan untuk mentransmisikan torsi dan gerakan melewati penghalang, misalnya (e.g. Dinding reaktor vakumm, tangki penyimpan) ketika kontak langsung tidak memungkinkan. Dalam industri digunakan pada Oven pengering. Magnetic couplings juga digunakan untuk membatasi torsi dan meredam getaran selama transmisi terjadi.

Dua tipe magnetic coupling:(a) Coaxial, dengan dinding

pemisah flat,(b) frontal coupling/face-to-

face (FF), dengan dindingpemisah berbentuksilinder.

Dalam sistim FF torsi maksimum diatur melalui spasi antara dua bagian pasangan, dan sistim koaksial digunakan torsi yang besar. Sistim magnetic bearings, dan magnetic coupling dibuat dari rare earth magnets. Pada suhu rendah digunakan NdFeB; atau paling cocok dengan SmCo.


10

Meteran Air

Transmisi magnetik dalam meteran air

Contoh lain dari penerapan kopling magnetik adalah dalam sistim transmisi meteran air. Poros eksternal dipasangkan secara magnetik dengan turbin yang berputar sebagaimana air melewati meter. Transmisi magnetik beroperasi dengan transmisi torsi relatif rendah.



11

Ada beberapa aplikasi yang menggunakan magnet sebagai sumber medan magnetik, diantaranya adalah sensor: yaitu sistim yang menggunakan magnet untuk bias rangkaian magnetik, dan untuk menghasilkan medan permanen magnet.

Sumber Medan

Catatan: bias: menentukan medan magnetik dari rangkaian magnetik pada berbagai titik sehingga titik operasi tertentu dapat ditetapkan secara pasti). Titik operasi disebut juga dengan titik bias, quiescent point, or simply Q-point.

ABS Sensors

Position sensor

1. 1. SensorsSensorsSensor ABS dipasang pada kendaraan tertentu. Roda gigi berputar dengan roda kendaraan. Pada saat melewati setiap roda gigi maka fluks dalam “pole piece “ akan bervariasi dengan demikian tegangan akan diinduksikan dalam koil. Dalam hal ini fluks permanen dihasilkan dari bahan magnet AINiCo.

Roda gigi/roda kendaraan

perubahan fluks

Tegangan

putaran


12

Dalam sistim sensor ABS sensor, suhu sangat berpengaruh oleh karena itu bahan AINiComemenuhi kriteria tersebut. Sensor pada gambar berikut beroperasi pada moda yang berbeda: Jumlah kedua induksi magnetik B1 dan B2 adalah konstan. Pada setiap “airgap”, induksi magnetik diukur melalui “Hall probe”, dan pengukuran bervariasi secara linear dengan posisi angular magnet.

Posisi sensor Magnetik angular

Keluaran sinyal dirumuskan sebagai: S = (B1 -B2)/(B1 + B2). Perbedaan operasi akan mengimbangi perbedaan akibat efek tidak langsung seperti perubahan suhu. Pertimbangan bahan magnet yang perlu diperhatikan untuk aplikasi ini adalah penggunaan magnet yang memiliki magnetisasi yang sangat homogen, meskipun nilai aktual dari magnetisasi itu sendiri tidak penting.

Penggunaan sensor permanen magnet dalam sistim kontrol secara elektrik:industri kendaraan. Keunggulan sensor: kuat, handal, tahan aus, dan murah. Kegiunaan lain sensor: di lift, mengukur kecepatan tinggi, Misalnya kereta api (TGV).


13

ABS Sensor Diagnostics, Troubleshooting and Repair

How To Replace An ABS Wheel Speed Sensor

../ABS Sensor Diagnostics, Troubleshooting and Repair.flv

../ABS Sensor Diagnostics, Troubleshooting and Repair.flv

../How To Replace An ABS Wheel Speed Sensor.flv


14

Sistim Arus Sistim Arus EddyEddy

Aplikasi kurang dikenal dari penggunaan medan magnet adalah dalam sistim pengereman (braking) dan sistem redaman mekanis. (mechanical damping systems) .

Dalam sistim arus Eddy, magnet digunakan pada counter listrik. Prinsipnya adalah: disk yang berputar akan mengalami gaya pengereman saat berdekatan dengan sistem magnet permanen.

Gambar di atas adalah skema prinsip kerja counter listrik. Peralatan ini memiliki motor asinkron yang linear dengan redaman yang kuat. Torsi motor :1. sebanding dengan arus I yang diukur, 2. seimbang oleh rem arus eddy yang sebanding dengan kecepatan sudut3. Akibatnya konsumsi arus dapat diukur secara temporal.

electric counter

Electronic counter-countermeasures (ECCM)Electronic Countermeasures (ECM)Electronic Protective Measures (EPM) (Europe)


15

Needle Drive In The Speedometer Of An AutomobileNeedle Drive In The Speedometer Of An Automobile (Eddy Current Speedometer)(Eddy Current Speedometer)

Aplikasi yang lain adalah jarum speedometer kendaraan. Prinsip kerjanya adalah: Sebuah kabel yang berputar (berada di bagian roda depan) akan memutar magnet di dalam sebuah tabung aluminium yang menempel pada jarum. Torsi jarum sebanding dengan kecepatan sudut roda. Sebuah pegas ditambahkan untuk mengembalikan torsi yang sebanding dengan deviasi sudut. Jarum penghitung akan bergerak sebanding dengan kecepatan sudut roda.

Bahan yang paling cocok adalah magnet AINiCo (sensitif terhadap perubahan suhu). Fungsi peredam lain oleh arus Eddy adalah 1. Peredam kejutan dalam sistem suspensi magnetik (shock absorption in magnetic

suspension systems), 2. peredam getaran (vibration damping)

speedometer

Skematik prinsip kerja spedometer


16

More about speedometer: http://www.madehow.com/Volume-7/Speedometer.html


17

Field sourceField sourceSebuah magnet merupakan sumber medan konstan yang ideal, tidak memerlukan catu daya eksternal. Namun sumber medan dari magnet kini bersaing dengan kumparan superkonduktor untuk pembuatan mesin Magnetic Resonance Imaging (MRI). Untuk mengimbangi kumparan superkonduktor dalam satu sistim MRI dibutuhkan 1 ton NdFeB.

Untuk memperoleh hasil MRI yang baik maka diperlukan medan konstan dan homogen meliputi seluruh volume. Ada dua struktur yang sering digunakan; yaitu:1. Menggunakan magnet berbentuk potongan-potongan pole (sehingga dihasilkan

medan magnet konstan) dan kuk/pasangan ferromagnet (FM yoke) (gambar kiri). 2. Menggunakan magnet berbentuk “Halbach cylinder” or “magic cylinder”. Arah

magnetisasi berubah secara kontinu sepanjang keliling silinder sedemikian sehingga medan magnet dalam silinder konstan (gambar kanan).


18

Induksi magnetik dalam silinder dirumuskan sebagai: B = Jr ln(r2/r1).Jika perbandingan (r2/r1) cukup besar maka induksi magnetik yang dihasilkan jauh lebih besar daripada Jr. Batas atas induksi magnetik ditentukan oleh koersivitas bahan magnet yang digunakan.

Bahan yang digunakan dengan induksi magnetik yang besar dan mampu menghasilkan medan > 4T dalam sistim MRI adalah magnet NdFeB.

Struktur ini terdiri dari susunan bola magnet NdFeB, yang berisi inti besi-kobalt (FeCo), dengan diameter luar 100 mm.

Kualitas dan nilai medan magnet NdFeB dipilih sedemikian sehingga medan demagnetisasi masing-masing blok terjadi secara lokal. Prototipe ini mampu menghasilkan kerapatan fluks 4,6 T dalam volume 6 mm (diameter) x 0,5 mm (tinggi). Airgap dapat divariasikan dari 0,5 mm sampai 6 mm, namun medan magnetiknya akan berkurang menjadi 3 T.

Aplikasi terkini dari penggunaan magnet ini adalah dalam eksperimen berkas magneto-optik pada Synchrotron : ESRF (European Synchrotron Radiation Facility).


19

Magnet juga dapat digunakan untuk menghasilkan medan berbentuk seperti belokan-belokan cacing kecil (wigglers). Struktur ini dijumpai pada Synchrotron Grenoble (ESRF).

Magnet NdFeB akan menghasilkan medan vertikal bolak-balik yang menjalar pada kurva jalur partikel yang berputar dalam cincin.

Inilah gerakan yang dimana partikel mengemisikan radiasi synchrotron.

Diagram skematik prinsip terbentuknya gelombang medan magnetik bolak-balik


20

BAGAN MESIN MRI

(1.5 – 4 T)

MAGNET: to align the hydrogen nuclei of the tissue to be imaged.RF COIL : to change the energy state of the hydrogen nuclei and

to record the RF output of these perturbations

Tubuh manusia: Lemak dan Air. Zat ini memiliki banyak atom-atom hydrogen (~ 63% hydrogen). Inti hydrogen memiliki sebuah sinyal NMR berkaitan dengan spin partikel inti tsb. Partikel dengan spin yang berlawanan akan membentuk pasangan untuk mengeliminasi keberadaan spin yang diobservasi (mis.,. helium). Jadi MRI pada prinsipnya adalah ketidak berpasangan spin nuklir proton hydrogen. Ketika proton ditempatkan dalam medan magnetik, proton tsb. akan berperilaku seperti sebuah magnet (mis., proton akan memiliki kutub utara dan selatan) dan arahnya akan bersesuaian dengan medan eksternal.

• Konduktor sempurna: resistivitas = 0 (tanpa disipasi)• Diamagnetik sempurna, menolak medan magnetik. B=0 di dalam

superkonduktor), =-1.


21

Meissner Effect

../Amazing physics.flv


22

Efek ini hanya dapat diobservasi untuk medan magnetik lemah.

Kedua karakterisrik ( = 0 dan = -1) menggambarkan karateristik superkonduktor.

Namun, keduanya tidak dapat dideduksi satu sama lain.

Konduktivitas tak berhingga tidak menggambarkan diamagnetik sempurna: suatu keadaan yang menurut persamaan Maxwell, induksi magnetik tidak lagi bergantung waktu (diluar jangkauan eddy current).

Jika suatu bahan hanya dikarakterisasi melalui konduktivitas tak berhingga, maka seharusnya medan magnet akan terperangkap ketika bahan tersebut didinginkan di bawah pengaruh medan.

Fakta yang sebenarnya adalah menolak induksi magnetik, suatu perbedaan karakteristik yang sangat mendasar. Konsekuensi penting dari karakteristik kedua adalah bahwa keadaan superkonduktor merupakan keadaan termodinamik.


23

1. Kawat/kumparan superkonduktor: mampu membawa rapat arus 10.000 Acm-2, dengan medan magnet 20 T, dan 23 T

2. Tanpa disipasi (superkonduktor Tc tinggi non-resistif) jika dibandingkan dengan koil dari tembaga (terjadi disipasi pada daya 20 MW),

3. Kesehatan (MRI) medan magnet yang bisa divariasikan, homogen dan stabil pada seluruh volume,

4. Penelitian tentang fusi nuklir atau sinar partikel (penelitian pada fisika partikel, CERN), 5. Mesin (motor atau generator)6. Transportasi seperti levitasi (bantalan magnetik dan superkonduktor untuk suspensi

poros mesin berputar), 7. Pembatas arus dalam power suply, mesin daya tinggi, 8. Informasi pembacaan dan penyimpanan9. Deteksi, efek Josephson: mengukur sinyal yang sangat kecil (magnet atau listrik).

Medis: untuk mendeteksi anomali aktivitas otak melalui pemetaan medan magnet (magnetoencephalography) untuk melokalisasi secara tepat wilayah yang rusak untuk memudahkan tindakan medis seperti operasi. Pemetaan medan magnet yang terkait dengan aktivitas jantung (magnetocardiography) memungkinkan untuk mendeteksi anomali tertentu dalam sirkulasi darah atau fungsi otot jantung

10. Deteksi anomali medan magnet bumi untuk mengeksplorasi sumber daya alam, mata air panas bumi, kesalahan sismic, dll


24

Kereta Levitasi Magnetik (maglev) menggunakan magnetik untuk

mengangkat kereta di atas lintasan beberapa inci menghilangkan efek

gesekan.

Japan Set to 2025

Kereta Levitasi Magnetik, dengan kecepatan 435 km/jam (270 mph) sedang dibangun di

Jerman

SUPERCONDUCTING COILS vs MAGNETIC

Documents

3. aplikasi-bahan-magnet