영구자석형 조류발전기의 고강성 경량화 최적설계 :Structural optimization of permanent magnet type tidal current power generator for high stiffness and lightweight design

김동은

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김동은 (세종대학교, 세종대학교 대학원)

지도교수: 장강원

발행연도: 2016

저작권: 세종대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

영구자석형 조류발전기의 최적설계

김동은 , 장강원 , 방덕제 대한기계학회 춘추학술대회 2016.04 학술대회자료

영구자석형 조류발전기의 고강성 경량화 최적설계

김동은 기계공학과 2016.01 학위논문

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본 연구에서는 영구자석형 조류발전기 구조의 강성을 고려한 경량 최적설계를 수행한다. 초기모델의 FEM 해석을 수행하여 발전기 구조의 변위와 응력 성능을 파악한다. 구조해석에는 유한요소 소프트웨어인 Abaqus를 사용하였고, 최적화 및 해석자동화에는 PIAnO를 사용하였다. 관심 성능 인자는 능동파트의 질량, 반경 방향의 최대 변위 그리고 Von-Mises 최대 응력이다. 최적화의 목적함수는 능동파트의 질량을 최소화하는 것이고, 제한 조건은 강성조건으로서 고정자의 철심 면과 회전자의 자석 면의 공극에 5%미만의 변위를 허용하고 강도조건으로서 재료의 허용응력을 초과하지 않는 것이다. 하중은 고정자의 철심 면과 회전자의 자석 면에서 작용하는 인력과 회전운동에 대한 토크가 부여된다. 하중은 2차원 유한요소 기반의 전자기력 해석을 통해 계산되었다. 여러 설계 인자가 존재하는 회전자는 파라메트릭 스터디를 수행하여 성능에 대한 민감도가 높은 설계 변수를 선정하여 최적화를 수행하며 이는 대리 모델을 이용한 근사최적화 기법을 사용한다. 대리 모델은 크리깅 모델을 선정하였고, 결정계수를 계산하여 실제모델과 근사모델의 유효성을 검증한다. 대리 모델에 기반이 되는 실험데이터는 라틴방격법에 의한 실험값을 사용하며, 대리 모델의 전역부에 존재하는 미지수 항의 개수에 따라 실험수를 선정한다. 생성된 대리 모델에 대해 전역최적화를 수행하여 최적해을 얻는다. 마지막으로 최적해를 실제 모델에 적용하여 경량화 정도 및 구조적 안정성을 검증한다. 본 연구의 최적화 결과로써 회전자는 982.7 kg, 고정자는 1654.8 kg으로서 초기모델대비 각각 질량을 60%와 43.6% 감소시킬 수 있었다. 또한 최대 변위는 233.0%와 114.6% 증가, 최대 응력은 186.7%와 50.5% 증가하였으나 이는 설계의 제한조건을 모두 만족시켰다.

In this study, we perform structural optimization of permanent magnet type tidal current power generator for high stiffness and lightweight design. We carry out FEM analysis to verify displacement and stress for the initial model. Abaqus was used for structural analysis and PIAnO was used for analytic automation and optimization. A performance factor of interest is the mass, the maximum displacement of the radial and the Von-Mises maximum stress for the active part. The objective function of the optimization formulation problem is to minimize the mass for the active part, and there are constraints that another allows a displacement less than 5% between the surfaces of cores for stator and the surfaces of magnets for rotor as a stiffness condition and the other doesn''t have to exceeds the allowance stress of the steel as the strength condition. There are two loads that one is given torque made by rotary motion and the other is an attractive force generated between surfaces of cores of stator and surfaces of magnets of rotor. Two loads are calculated through electromagnetic analysis based on a two-dimensional finite element. A number of design parameters are selected for main design parameters to perform efficient optimization, and we use approximate optimization using surrogate model. The surrogate model is Kriging and it is verified by calculating coefficient of determination indicating similarity of surrogate model with real model. Experimental data based on surrogate model are used for values made by Latin hypercube sampling. We obtain optimum solution by performing global optimization for a surrogate model. Finally we verify structural stability by applying optimum solution in real model. In this study, we respectively obtain results of 982.7kg and 1654.9kg for rotor and stator, and we could decrease mass of them on 60%, 43.6% for rotor and stator compared to initial model. Also maximum displacements were respectively increased on 233% and 114.6%, and maximum stresses were respectively increased on 186.7% and 50.5% compared to the initial model. but they satisfied constraints of design.

1. 서론.................................................1
1.1 연구 개요...................................1
1.2 연구배경....................................2
1.3 기존연구....................................3
2. 초기모델 분석 및 최적설계문제 정식화.................6
2.1 구성........................................6
2.2 초기모델의 성능분석.........................8
2.3 설계 문제 정식화...........................14
2.4 민감도 해석................................16
3. 최적화..............................................21
3.1 고정자 최적설계............................21
3.2 회전자 최적설계............................24
3.2.1 실험계획법.......................25
3.2.2 대리모델.........................30
3.2.3 최적화...........................35
4. 결론................................................38
부록...................................................40
참고문헌...............................................42
Abstract...............................................43

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