체적 매개변수법을 이용한 자기 커플링 결합형 수중 전기추진모터 자계 설계 연구

박정형 성균관대학교 일반대학원 2018 국내박사

본 논문에서는 체적 매개변수법을 이용하여 수중 전기추진체를 위한 고속 영구자석 전동기와 자기 커플링의 맞춤형 자계 설계 연구를 수행하였다. 수중 전기추진체는 전동기에 의해 프로펠러를 구동시키며 에너지원을 가장 크게 소모하는 장치이므로 경량화 및 고효율화의 필요성이 요구된다. 또한, 립 씰, 메카니컬 씰 등을 이용한 회전부의 방수를 구현하고 있어 영구적인 사용이 불가능한 실정이며, 기름으로 수밀 구조를 구성한 경우에는 제작 방식은 간단하나 유지보수 비용이 높고 일정 시간 경과 후 기름을 바꾸어야하므로 환경오염의 단점이 있다. 반면, 비접촉식 구동방식의 자기 커플링을 사용할 경우에는 수밀 구조의 신뢰성을 높이고 유지보수 비용을 절감할 수 있지만 수중 전기추진체의 구조가 복잡해지고 조립이 어려운 문제가 있다. 자기 커플링 결합형 수중 전기추진모터의 전자기 특성 해석을 위해 전자장 이론 해석법을 사용하였으며, 초기 설계시 기기의 특성을 분석하는데 적용된다. 특히, 전자기 전달관계법은 해석영역의 경계면에서 자기벡터 포텐셜을 구하게 되며 2개 이상의 계자 시스템에 적용하면 편리하다. 각각 고속 영구자석 전동기와 자기 커플링에 대하여 전자기 전달관계법에 의한 전자장 이론 해석을 체계적으로 정리하였고, 이를 이용하여 전자기 토크를 도출하였다. 일반적으로 전기기기의 회전자 체적은 회전자 체적당 토크법에 의해 결정되며, 이는 전기기기의 종류와 영구자석의 유무, 그리고 영구자석의 재질에 따라 그 값이 달라진다. 이 값이 정해지면 회전자의 외경과 적층 길이는 설계변수의 제약조건을 고려하여 결정되지만 사용자의 경험에 의존하므로 정확도가 떨어진다. 체적 매개변수법은 전자기 토크를 체적 행렬식의 형태로 변환하여 체적 분포를 제안하는 기법으로 전기기기의 초기 설계시 체적 선정에 정확도를 개선하였으며, 전자장 수치해석과의 성능 분석 비교를 통해 제안 기법의 정확도 개선 효과를 일반화하고자 하였다. 아울러 체적 설계 대상 모델인 2.5 kW급 수중 전기추진용 고속 영구자석 전동기와 자기 커플링에 대하여 제안 기법을 적용하여 자계 설계를 수행하였으며, 체적 설계의 검증을 위해 고속 영구자석 전동기와 자기 커플링을 각각 제작하였다. 제작된 시제품에 대한 맞춤형 특성 평가 시스템을 구성하여 무부하 및 부하 특성을 시험하였고, 자계 설계 결과와 비교함으로써 제안된 기법이 가지는 자기 커플링 결합형 수중 전기추진모터의 체적 설계 유효성을 검증하였다. 마지막으로, 제작된 자기 커플링과 수중 전기추진모터를 사용한 수중 전기추진체의 조립을 통해 추력 성능평가 장치를 구성하여 수중 환경에서의 운전 특성 평가를 수행하였다. 수중 전기추진체의 수중 환경조건에서 추력 특성을 분석하여 자기 커플링 결합형 수중추진모터의 자계 설계에 적용한 시스템에 응용하였다.

차량 구동용 인휠 전동기의 실하우징 적용 구조 진동 특성을 고려한 최적 설계

서상혁 성균관대학교 일반대학원 2020 국내박사

본 논문에서는 전기 버스 구동용 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)의 구조 진동 특성을 고려한 최적 설계를 수행하였다. 전기 버스의 경우 차량의 사이즈가 크고 탑승 인원이 많기 때문에, 구동용 전동기에서 발생하는 소음 및 진동 등의 기계적인 안정성이 매우 중요한 요소이다. 이러한 기계적 강건성을 확보할 수 있는 설계를 하기 위하여 소음 및 진동에 대한 저감할 수 있는 기술에 대한 연구를 수행하였다. 현재 국내 전기 버스 시장에 보급중인 현대 일렉시티 전기 버스(‘기존 모델’이라 명명)에 대하여 특정 고조파 차수에서 소음 및 진동이 높게 발생하는 현상이 있다. 기존 모델에서 발생하는 소음 및 진동 문제에 대하여, 전자계 해석을 통해 전자계 가진원에 대한 분석을 수행하고 기계계 해석을 통해 고유 진동수를 분석하고, 마지막으로 융합 해석을 통해 진동 특성에 대한 분석을 수행하였다. 우선 본 논문에서 전동기에서 발생하는 전자계 가진력(방사계, 전달계)에 대해 각각 분석하였다. 방사계 가진력이란 고정자에서 발생하는 전자기력을 의미하는데, 시간적인 전자기력과 공간적인 전자기력이 있다. 전달계 가진력이란 토크 맥동에 의해 생기는 힘의 변동이 회전자 축에 전달되어 발생하는 힘을 의미한다. 각각의 전자기력에 대해 발생하는 고조파 차수에 대해서 분석하였고, 이를 저감할 수 있는 방안에 대해 논의하였다. 다음은, 기계계 해석 시 고유 진동수 분석 기법에 대하여 연구하였다. 기존에 수행되었던 전동기의 고유 진동수 분석 기법을 보면, 대부분의 연구에서 고정자 단품 또는 질량이 동일한 간이 형상의 모델에 대해 고유 진동수를 분석하고 진동 해석을 수행하였다. 하지만 두가지 모델의 경우, 실하우징 형상의 모델과는 고유 진동수 수치가 달라지게 된다. 또한 고정자 단품 모델 또는 간이 형상 모델의 경우에는 모드 형상에 따른 진동수를 구분하기 쉽지만, 실하우징 형상의 모델의 경우 모드 형상을 구분하기가 쉽지 않다. 따라서 본 논문에서는 수치해석을 기반으로 고유 진동수 해석을 수행하고, Eigenvalue 값을 추출하여 계산을 통해 각 고유 진동수에서의 대표값을 선정하고 해당 고유 진동수에서 진동에 대한 Amplitude 값을 계산하였다. 또한 시험 데이터와의 비교 분석을 통해 이를 검증하였다. 마지막으로, 소음 및 진동의 원인이 되는 전자계 가진력을 저감하여 개선 모델의 설계를 수행하였다. 개선 모델의 극 수와 슬롯 수를 제한 조건(인버터 입력 제한, 스위칭 주파수 등)을 고려하여 선정하였다. 이후 회전자 토폴로지를 선정하기 위하여 주요 운전점에 대하여 토폴로지별 가진력 분석과 주행 시간의 고려를 통해서 2층 매입형 VV 타입으로 선정하였다. 이후 최적화를 기반으로 상세설계를 수행하여 기존 모델 대비 전자계 가진력이 저감된 모델을 설계하였다. 전기 버스 구동용 IPMSM의 기존 모델과 개선 설계 모델 각각의 시작품에 대하여 무부하 시험과 부하 시 진동 가속도 측정 시험을 수행하였다. 각 모델의 무부하 성능 시험을 통해 전자계 성능을 검증하였고, 진동 가속도 시험을 통하여 해당 설계를 통해 기존 모델 대비 개선 설계 모델의 소음 및 진동 성능의 개선을 검증하였다. In this paper, optimal design considering structural vibration characteristics of the Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) for electric bus traction motor is performed. The mechanical stability of traction motor is crucial because the electric bus has large size and carries a lot of passengers. In order to design a mechanically stable traction motor, research about reduction technology to reduce noise and vibration characteristics is performed. There is a phenomenon that high noise and vibration occur in a certain order with respect to Hyundai Electic Electric Bus (named 'Original Model'), which is currently in service at the domestic electric bus market. As the noise and vibration problems are generated in the original model, the electromagnetic vibratory force was analyzed through the electromagnetic field analysis, and the natural frequency was analyzed by the mechanical system analysis, and lastly, the vibration characteristics were analyzed by the combined analysis. Firstly, in this paper, the electromagnetic excitation force (radial and transmission) generated in the motor was analyzed. Radial excitation force means an electromagnetic force which generated in the stator. And there are 2 kinds of radial force which is timely and spatial force. Transmission excitation force is the force generated by the change of the force caused by torque ripple transmitted to the rotor shaft. Calculations of harmonic order generated by each excitation force is analyzed and the reduction method is discussed. Next, the study on analyzing natural frequency in the mechanical analysis based on finite element method is performed. In the existing analysis technique of natural frequency research, most research analyzing natural frequency have conducted by single stator model or simplified model with same mass is used. However, in the case of the two models, the natural frequency value is different from that of the actual housing shape model. In addition, in the case of single stator model or simplified model, it is easy to distinguish the mode shape due to frequency but in actual housing shape model, it is not. Thus, in this paper, natural frequency is analyzed based on finite element method. Afterwards, representative eigenvalue and amplitude is selected at each natural frequency by performing post-processing calculation of eigenvalue. Also, this result is verified by the comparison with experimental data. Lastly, design of improved model is performed by reducing electromagnetic vibratory force which cause noise and vibration. The number of poles and slots of improved model are selected by the constraints (inverter input constraints, switching frequency, etc.). Afterwards, rotor topologies are selected with double layer VV type by comparison results on vibratory force of each topologies and operating time of main operating points. And finally, optimal design is performed and improved model which has reduced vibratory force is designed. Experiment for no-load condition and vibration acceleration of original model and improved model is performed. Electromagnetic performance is verified by no-load experimental results, and also the reduction of noise and vibration characteristics is verified by vibration acceleration results.

전자기-유체 결합 모델링 및 유한요소 수치해석 기법을 이용한 전기방전과 미세입자 운동 해석

백명기 성균관대학교 일반대학원 2013 국내박사

본 논문에서는 전자기-유체 결합 모델링을 통한 전기방전과 미세입자 운동 해석을 다룬다. 전기방전은 유체 방정식과 프와송 방정식을 동시에 풀어야 하는 강 결합 문제(strong coupled problem)로 공간전하의 속도가 두 방정식에 공통적으로 나타난다. 미세입자 운동은 유전영동(dielectrophoresis)과 자기영동(magnetophoresis)을 이용한 방법으로 포텐셜 유동인 경우의 유동장과 정전계 또는 정자장을 해석한 뒤 입자에 작용하는 힘을 계산하고 이를 이용하여 입자 운동을 계산한다. 이는 유동장과 전자장이 서로에게 영향을 미치지 않으나 입자 운동에 영향을 미치는 약 결합 문제(weakly coupled problem)의 형태이다. 전기방전의 사례로 유전장벽(dielectric barrier) 방전을 해석하고 기존 연구에서 보이지 못한 유전장벽의 표면전하 이동을 고려한 해석방법을 제시한다. 이는 방전에서 발생하는 공간전하 변화 계산시간과 유전장벽의 이동에 따른 표면전하 이동시간은 매우 큰 차이가 나는 공간적, 시간적 멀티 스케일(multi-scale) 문제이다. 방전 진행 시간을 고려하고 유전장벽에 축적된 표면전하를 계산하여 유한요소 해석시 경계조건으로 처리하여 이 문제를 해결한다. 이렇게 계산된 표면전하 밀도로부터 표면전위를 계산하고 기존 연구결과 및 실험결과와 비교를 통하여 제안 해석방법을 검증한다. 전극과 연결되어 있지 않은 부유도체(floating conductor)가 존재하는 경우의 방전특성을 분석하기 위해서 검증된 해석방법을 적용한다. 미세입자 운동의 사례로 불균일 전자장에서 입자가 받는 힘인 유전영동과 자기영동을 이용한 유체 속 미세입자 운동 모델링 및 해석방법을 제시한다. 공기 중 미세 유전입자 포집을 위한 전극모델에서 입자 직경, 인가전압, 유속, 입자종류에 대한 다양한 해석을 진행하고 입자 운동에 영향을 미치는 요소들에 대해서 분석한다. 그리고 입자 포집 실험을 통하여 해석방법을 검증하고 이를 세포분리 및 자성비드를 이용한 수처리에 적용한다.

대전입자를 이용하는 반사형 전자종이 디스플레이의 전기 및 광특성 향상과 분석 : Analysis and Improvement of Electrical and Optical Properties for a Reflective Electronic Paper Display using Charged Particles

이동진 서울시립대학교 일반대학원 2013 국내박사

The driving principle of the quick response–liquid powder display (QR-LPD) or a toner display is very similar to that of electrophoretic displays (EPD); these displays use spherical particles which are negatively and positively charged with contrasting colors. However, the particles of QR-LPD move freely in the air within their respective cells, whereas the particles of EPD move in a fluid. Thus, the response time of QR-LPD is extremely faster than that of EPD. Moreover, this type of display has a well-defined threshold voltage and a very excellent bistabiliy so that it is possible to drive the display using both a passive matrix (PM) and an active matrix (AM) driving methods and the images are maintained over a long period of time without any bias voltages. Despite these obvious advantages, it is easy for the value of q/m (charge per mass for a particle) to be changed and damaged by a friction in a mixing process and a particle-insertion process. The variation of q/m value leads to a distortion and degradation in the electrical and optical properties of the display with a short lifetime. So, the new technologies, to solve above problems of QR-LPD and the non-uniformity of the optical properties of EPD, are proposed as follows. First, a panel structure for a high resolution and a baking process for the same conditions of panels are proposed. Also, a particle structure to minimize clumping phenomena and to enhance its flowability is suggested. Second, several forces acting on the charged particles in the respective cell and causes of the variation of q/m value in the fabrication procedures and a driving process are investigated through observing the driving properties. Subsequently, a discharging process for equilibrium of the oppositely charged particles after the mixing process and the particle-insertion process is suggested. Also, the mixing ratio is changed to 1 (white):1.2 (black), resulting an improvements of the optical properties with increases of the numbers of movable particles. Third, a new particle-moving method is compared with a simple particle-insertion method which is one of the conventional methods. The particle-moving method, to insert the charged particles into selected cells, uses the movement of the charged particles by electric fields and the memory effect by an image force between the charged particles and conductive materials. So, this method removes particles that are not optimally charged, thus improving the performance by lowering the driving voltage, suppressing clumping phenomena, and enhancing the reflectivity. In addition, the particle-moving method is utilized for color realization of the reflective electronic paper display using color particles. The color particles are successively moved into the selected cells on the upper substrate by electric fields after the color particles are respectively inserted to cells on the mold substrates of which the cell pattern varies according to the color array. This method has the advantage of an increased aspect ratio for a panel by setting the ribs on the upper and lower substrates. Also, the color particles move by the same bias voltage without an excessively high driving voltage because of filtering immobile particles by the electric field. Fourth, pieces of equations related to the movement of the particles are applied to determine the appropriate range of q/m value. To validate the theory, during the fabrication process of the display, the materials and structure are kept the same conditions except for the q/m value. Also, a measurement system for detecting response times of the charged particles is used to determine optimal driving pulses. The results from the measurement system are used to analyze whether the q/m value is changed after the fabrication procedures and whether the charged particles achieve electrical balance. Further, the response time with the reflectivity of the charged particles are utilized for the filtering pulse of the particle-moving method. In this manner, the electrical and optical properties are improved. Last, the charged particles of EPD do not have an intrinsic threshold voltage so that the optical properties depend on the position of particles in a fluid by a prior bias voltage. Hence, EPD needs an aging pulse, to obtain the uniformity of the optical properties, before an image transition by a driving voltage. So, the optical properties of EPD according to the position of the oppositely charged particles by the bias voltages are investigated. In addition, an aging pulse and a refresh voltage for the uniformity of optical properties are suggested. In this manner, the electrical and optical properties of EPD are improved. QR-LPD와 전기영동 디스플레이는 이미지 구현을 위하여 상반된 전하를 띠며 대조되는 컬러를 지닌 구형태의 입자들을 이용한다. 특히, 입자들이 유체내에서 운동하는 전기영동 디스플레이와는 달리 입자들이 공기 중에서 운동하는 QR-LPD는 응답시간이 매우 빠르며 우수한 쌍안정성을 가지고 있다. 또한, 문턱전압이 명확하여 수동 및 능동 방식의 구동이 모두 가능하다. 그러나 높은 구동전압, 짧은 수명, 컬러구현 등은 여전히 해결되어야 할 문제로 남아있다. 이는 주로 입자들의 전하량 변화와 불규칙한 운동특성으로부터 기인한다. 따라서 본 연구에서는 대전입자를 이용하는 QR-LPD와 전기영동 디스플레이의 신뢰성 있는 구동특성과 소자의 전기 및 광특성이 향상될 수 있는 기술들에 대하여 제안하고자 한다. 첫째, 본 연구에서는 기존의 방식보다 해상도를 향상시킬 수 있는 패널구조를 제안하였으며, 신뢰성 있는 전기 및 광특성을 분석하기 위하여 공정조건에 따른 재료의 특성변화를 확인하였다. 또한, 입자들의 군집현상의 원인에 대하여 분석하고 이를 최소화하며 입자들의 유동성을 향상시킬 수 있는 방법에 대하여 제안하였다. 둘째, 본 연구에서는 셀 내부에서 입자들의 움직임에 영향을 주는 요소들을 파악한 후 패널을 제작 및 구동시켜 패널제조과정 중 발생하는 입자들의 전하량 변화에 대한 원인들에 대하여 조사하고 분석하였다. 이를 바탕으로 입자의 혼합 및 주입 공정 시 충돌 및 마찰에 의해 과 대전된 입자들의 평형상태를 얻기 위하여 방전시간을 (discharging time) 가졌다. 이때, 방전시간은 혼합 및 주입 공정 후 항온항습기 및 패널의 셀 내부에서 입자들이 안정화 및 평형상태에 도달할 때까지 외부에서 별도의 물리적이고 전기적인 힘이 입자들에 가해지지 않는 시간을 의미한다. 이를 바탕으로 입자의 혼합비를 1 (흰색입자): 1.2 (검은색 입자)로 재조절한 결과 운동하는 입자수의 급격한 증가와 함께 소자의 전기 및 광특성이 향상되었다. 셋째, 본 연구에서는 기존의 입자주입방법들과는 달리 전계에 의해 입자들을 선택된 셀에 주입하는 particle-moving방법을 제안하였다. particle-moving 방식은 구동 시 운동하지 못하는 입자들이 주입과정에서 미리 제거되기 때문에 구동전압이 낮아지고 입자의 군집현상 등을 방지하여 반사율이 매우 향상된다. 특히, particle-moving 방법은 컬러입자의 addressing 기술에 응용될 수 있으며, 이를 위해 컬러배열에 따라 특정한 형태로 형성된 몰드기판의 셀들에 컬러입자들을 채운 후 패널의 상판에 형성된 셀들과 align 후 전계에 의해 선택적으로 주입하였다. 이때, 패널의 상부와 하부기판은 분리된 구조로서 개구율이 향상되며, 주입과정 중 전계에 의하여 입자들이 필터링 되기 때문에 선택적으로 주입된 컬러입자들은 구동전압이 모두 같다. 넷째, 소자의 전기 및 광특성을 향상하기 위한 최적의 전하량을 결정하기 위하여 입자들의 운동특성과 관련된 관계식들을 사용하였으며, 이를 입증하기 위하여 입자들의 전하량을 제외한 모든 재료와 패널구조 등을 통일시켰다. 또한, 최적의 구동파형을 결정하기 위하여 입자들의 응답시간을 이용하였다. 특히, 응답시간은 반사율과 함께 분석 시 입자들의 전하량 변화와 입자들의 electrical balance 유무 등을 판단할 수 있기 때문에 이를 바탕으로 particle-moving 방법의 필터링 전압에 적용한 결과 소자의 전기 광특성이 크게 향상되었다. 끝으로, 문턱전압이 명확하지 않고 입자들이 유체내에서 운동하는 전기영동 디스플레이는 구동 전 입자들의 위치에 따라 소자의 광특성이 크게 변화된다. 따라서 본 연구에서는 재현성 있는 이미지를 구현하고 유지할 수 있는 aging pulse와 refresh 전압을 제시 하였으며, 이를 바탕으로 전기영동 디스플레이에 적용한 결과 소자의 전기 및 광특성이 크게 향상되었다.

건축구조설계 및 내진성능평가를 위한 수치해석 프로그램의 시너지 효과

강재호 고려대학교 공학대학원 2022 국내석사

우선 서론에서 전기전자라는 분야에 대해 설명하고자 한다. 원래는 전기공학과, 전자공학과, 전파공학과로 나뉘어 있었으나 90년대 후반부터 서울의 각종 대학들을 시작으로 통합되어 현재 전공으로 개편되었다. 전기전자공학을 한 마디로 표현하면 전자기학의 원리를 파악하고 개발하는 분야이다. 이론 뿐만 아니라 실습 등이 상당히 어려우며 분량도 방대하다. 또한 브레드보드, 디지털 멀티미터, 파워 서플라이, 펑션 제너레이터, PCB 보드 등 다양한 프로그램을 다뤄야 한다. 학창 시절부터 물리와 수학에 대한 애착이 있다면 이 전공만큼 공부하기 흥미로운 전공은 없을 것이다. 전자회로이론과 반도체 등 전기전자에 대해 다양한 방면으로 공부를 접할 수 있기 때문에 배우는 점들을 넘쳐날 것이다. 이 전공에 대한 고민을 여러 가지로 해보면서 다른 전공과 융합을 시켜서 시너지 효과를 낼 수 있다는 다소 근거가 없는 논리를 만들었다. 근래 들어 공과대학 전공을 복수전공하는 사람들의 수가 늘어나면서 이러한 생각을 가지는 사람들도 여럿 있을 것이라 생각한다. 설비 분야에 대해 관심을 둔 사람이라면 전기전자공학과 함께 기계공학을 전공하는 사람들이 늘고 있은 추세이니 충분히 시너지 효과를 이끌어 낼 수 있으리라 생각한다. 앞에서 예시로 든 전공은 그나마 연관성이 있는 전공들이기 때문에 생각해 볼 개연성은 충분하지만 완전히 겹치는 부분이 없는 전공들끼리도 과연 시너지 효과를 창출할 수 있을지 의문이 들었고, 그러한 의문을 논리적으로 증명하기 위해 지금의 논문을 작성하고 제출한다.

전자기력을 이용한 전기습윤 및 자성입자 운동 해석

성탄일 성균관대학교 일반대학원 2013 국내박사

본 논문에서는 전기-유체가 결합된 전기습윤현상에 대한 전자기적인 관점의 접근을 통해 전기습윤에서 전기력이 어떻게 작용하는지를 해석과 실험을 통해 보이고, 자기-유체가 결합된 미세자성입자의 채널내부 거동특성에 대하여 입자에 대한 동특성 해석과 실험을 통해 미세자성입자의 운동제어의 자동화 가능성을 확인하였다. 전기-유체 결합문제에서는 전기습윤현상에서 전자기력이 작용하는 원리를 알아본다. 먼저, 전기습윤의 기본 물리현상인 표면장력, 습윤, 접촉각 등에 대해 알아보고, 전기습윤에 관한 기존 이론 및 그 문제점의 분석을 통해 전자기적인 관점의 해석이 필요함을 보인다. 두 번째로, 전기-유체가 결합된 전기습윤현상을 전자기 체적력 밀도, 나비에-스토크 방정식, 표면장력이 결합된 정수력학적 평형방정식을 이용하여 정식화하고, 체적력에 의한 유체의 자유표면에서의 압력일정조건과 체적일정조건을 적용하여 액적의 형상변화를 수치해석 한다. 접촉각 이론을 적용했을 경우 같은 결과가 예상되는 경우에 대해 제안한 이론으로 해석하여 그 차이를 보이고, 해석과 같은 조건으로 실험을 진행한다. 최종적으로, 해석 결과와 실험 결과의 비교 및 분석을 통해 전기습윤에서 전기력이 액적의 형상에 어떻게 영향을 미치는지와 접촉각 포화의 원인을 고찰한다. 자기-유체 결합문제에서는 채널 유동 내에서 자기력에 의한 자성입자의 운동을 해석하고 해석 결과를 바탕으로 편리한 이송이 가능한 이동자계 발생장치를 개발 및 제작한다. 먼저 자기장과 유동장이 결합된 문제에서 자성 입자에 작용하는 주요 외력인 자기력, 항력, 중력, 부력을 도출하고, 각각의 힘의 합을 운동방정식에 적용하여 자성입자의 위치를 계산한다. 정자계를 이용한 자성입자 분리 시스템을 설계 및 수치해석 하고, 설계된 시스템을 제작하여 해석결과와 비교한다. 정자계를 이용한 자성입자 분리 시스템의 해석 및 실험 결과를 통해, 이동 자계 발생장치의 필요조건을 도출한다. 미세 자성입자의 이송을 위한 이동자계 발생장치의 설계안으로 이중권선형 모델과 솔레노이드형 모델 두 가지를 제안하고, 이 중에서 솔레노이드형 모델을 실제 제작하여 실험을 통해 결과를 분석한다. 미세자성입자도 이동자계를 통한 운동 제어가 가능함을 해석과 실험을 통해 보임으로써 그 활용가능성을 보인다.

MapReduce 기법을 이용한 전자책 빅데이터 처리

홍태호 서울시립대학교 일반대학원 2013 국내석사

컴퓨터의 발달에 힘입어 현재 전자책이 많은 각광을 받고 있으며, 최근에는 스마트폰의 발전 및 보급 확산으로 전자책의 활용에 대한 관심도가 급증하고 있다. 이러한 전자책에서, jpg 또는 pdf 등과 같은 이미지 파일로 된 디지털 도서를 대상으로 할 때, 책의 내용에 대한 단어 검색이 불가능하다. 본 연구에서는 위와 같은 이미지 파일로 된 전자책을 Google의 Tesseract OCR 기술을 이용하여 검색이 가능한 텍스트 파일로 변환하여, 원하는 단어 검색이 가능하도록 하였다. 이러한 단어 검색이 가능한 전자책을 제작하기 위해 XML 기반의 텍스트 파일 포맷인 EPUB을 사용하였다. EPUB은 IDPF (International Digital Publishing Forum)에서 지정한 전자책 국제표준방식으로 대부분의 전자책 기기에서 이용가능하다. 본 연구에서는 이미지 파일을 텍스트 포맷의 EPUB으로 변환하여 원하는 단어 검색을 가능하게 하는 일을 수행하였다. 그러나 EPUB으로 변환이 필요한 이미지 형태의 전자책은 지속적으로 방대한 양이 생산되고 있다. 이러한 전자책 빅 데이터의 변환 작업을 일반적인 개인용 컴퓨터에서 처리한다면, 그 변환 작업에 많은 시간이 소요되거나 처리가 불가능 할 수도 있다. 따라서 MapReduce 모델을 사용하는 클러스터 시스템을 이용하여, 변환 작업이 가능하게 하고, 그에 따른 처리 시간도 줄이는 방안을 연구하였다. 본 연구에서는, EPUB으로 변환을 위해, 분산 지원 컴퓨팅 프레임워크인 Hadoop 기반의 전자책 변환 시스템을 개발하였다. 2TB 이하의 이미지 파일을 처리할 때, 15개의 노드 클러스터 시스템을 사용할 경우, 빠르게 변환작업이 완료될 수 있도록 시스템을 설계 및 구현하여, 시스템의 성능을 평가한 결과를 본 논문에 제시하였다. 본 연구에서 소개하는 Hadoop 기반의 전자책 변환 시스템은 만족할 만한 전자책 변환 속도를 보여주는 것을 확인할 수 있다. Evolution of IT and computer has made e-books popular day by day. In this paper, we are interested in searching a word in e-books. However, it is impossible to search a word in digitized e-books if they consist of image files such as JPG and PDF. Our solution to this problem is to transform the image file based e-books into text files based e-books to enable searching a word in e-books. We use EPUB, a XML-based text file, which is defined by IDPF(International Digital Publishing Forum). That is, we convert the image file based e-books into EPUB format e-books, so that searching a word in e-books can be done without any problem. The converting job should deal with very big data usually and require a lot of computing power. If we do the conversion in an usual personal computer, it would take a lot of processing time or it might be impossible for us to complete it. We used MapReduce model with a cluster system which enables us to perform the conversion successfully and reduce the processing time. This paper presents our Hadoop-based e-book Conversion System which is a distributed computing framework to transform the image based e-books into EPUB format e-books. Our experimental system consists of up to 15 cluster nodes. This paper evaluates the performance of the experimental system which processes the conversion of up to 2TB(Terra Byte) image files into EPUB files with a 15 nodes cluster system. We analyzed the processing time when the number of nodes in the cluster system was varied. We also analyzed the improvement effect when the dpi of the image file was varied. The performance evaluation confirmed us that the Hadoop-based e-book Conversion System successfully processed the big data for e-book.

주행거리 연장형 전기버스용 IPMSG 최적 설계 및 전자계/열계 결합 수치해석 기반 성능 분석

손병관 성균관대학교 일반대학원 2019 국내박사

본 논문에서는 주행거리 연장형 전기버스의 국산화 개발을 위한 IPMSG 최적 설계 및 성능 분석을 수행하였다. 전기버스 탑재 공간으로 인해 제한된 사이즈 내에서도 IPMSG가 높은 수준의 효율을 유지하고, 장시간 발전 후에도 열적 강건성을 보장하도록 설계하기 위해 다음과 같은 연구를 수행하였다. 우선, 제한된 사이즈 내에서 IPMSG의 효율 특성을 최대화하기 위해 효율 최적 설계에 관한 연구를 수행하고, 최적 설계를 위한 지능형 최적화 알고리즘을 개발하였다. 개발 알고리즘은 목적함수 계산 비용이 큰 IPMSG 설계 문제의 특수성에 중점을 두어, 기계학습의 데이터 분류 기법인 커널 서포트 벡터 머신 적용을 통해 기존 GA, PSO의 단점을 보완하고 개선하였다. 개발 알고리즘의 성능을 검증하기 위해 시험 함수를 이용하여 기존 알고리즘 대비 성능이 개선되었음을 확인하였으며, 성능이 가장 우수한 APSO-K 알고리즘을 효율 최적 설계를 위한 최적화 알고리즘으로 선정하였다. 다음으로, 설계 단계에서 IPMSG의 성능 예측 정확성을 향상시키고 열적 강건성을 검토하기 위해 전자계/열계 결합 수치해석 기반 성능 분석 기법을 연구하였다. 이전의 연구를 기반으로 인버터 PWM 고조파를 고려한 전자계 손실 예측 모델을 구현하였으며, 전산 유체역학에 기반한 복합 열전달 해석과 전기기기 열 해석 모델링 기법 등을 연구하여 전자계 손실을 열원으로 인가한 온도 해석 모델을 구현하였다. 이를 통해 파트별 최종 포화 온도를 예측하고 열적 강건성을 검토할 수 있도록 하였으며, 구현한 해석 모델들은 기존 시험 결과와 비교를 통해 정합성을 검증하였다. 마지막으로, APSO-K 알고리즘을 적용하여 RE-EB용 연속 정격 60kW급 IPMSG 효율 최적 설계를 수행하였다. 또한, 설계된 IPMSG 최적 모델에 대해 전자계/열계 결합 수치해석을 통해 전자계 성능을 분석하고 파트별 포화 온도를 고려한 열적 강건성을 검토하였다. 설계된 IPMSG의 성능을 확인하고 제안한 기법들의 유효성을 검증하기 위해 시험용 IPMSG를 제작하였으며, 다양한 시험을 통해 IPMSG의 성능 및 해석 정합성을 확인하였다.

전자기-열 결합시스템의 최적설계를 위한 연속체 민감도 해석

이준성 성균관대학교 일반대학원 2024 국내박사

This paper proposes a continuum sensitivity analysis for optimal design of electro-thermal coupled systems. To this end, this paper largely consists of three main parts: electromagnetic-thermal coupled system modeling, continuum shape sensitivity, and numerical examples. The electromagnetic-thermal coupling problem is a bidirectional coupling problem in which two systems influence each other. For a more efficient analysis of this coupling problem, the validity of weak coupling analysis is shown by analyzing the time constants of the two systems, nonlinearity of coupling, and interdependence between the physical models. For the numerical analysis of the electromagnetic-thermal coupling problem, frequency-transient analysis is used to calculate state variables in the frequency domain for the electromagnetic system and in the transient domain for the heat transfer system. The governing equations and boundary conditions for this are described and derive the variational expressions of the governing equations for the derivation of the sensitivity formula. For a continuum sensitivity analysis that can be generally applied to the optimal design of electromagnetic-thermal coupled systems, a multiphysics objective function of magnetic field and temperature is defined, and a sensitivity formula is derived by considering the dependence of the material properties on temperature. The shape sensitivity formula is derived using the material derivative concept of continuum mechanics and the adjoint variable method, and the optimal design algorithm using the derived sensitivity formula is described. The derived sensitivity formula is obtained as an equation for the boundary of the electromagnetic-thermal coupled system, and unlike the state variable, which is an initial value problem, the adjoint variable is a terminal value problem. To demonstrate the validity, usefulness, and usability of the derived sensitivity formula, several numerical examples are tested. Since there is no analytical solution for the transient electromagnetic-thermal coupling problem, the sensitivity formula is verified through numerical analysis. First, the validity of the sensitivity formula is shown by applying it to a numerical example with a simple structure. In those examples, the uniqueness of the target solution is shown through numerical analysis, and the validity is verified through convergence to the target solution through optimal design. In numerical examples of industrial applications, the usefulness and wide applicability of the derived formula are demonstrated through the optimization of induction heating devices and electric machines. In the example of induction cooktop, the shape of the coil is optimally designed so that the specimen uniformly reaches a specific temperature. In the induction hardening machine, the coil positions are optimally determined to achieve uniform temperature distribution of the heated object, and the optimal design results are compared depending on whether or not the temperature dependence of the material constant was considered. In the example of a shell type transformer, the shape of the core is optimized for multiphysics design objective of maximizing convective heat transfer and mutual inductance. 본 논문에서는 전자기-열 결합시스템의 최적설계를 위한 연속체 민감도 해석을 제안한다. 이를 위해 본 논문은 크게 전자기-열 결합시스템 모델링, 연속체 형상민감도, 수치 예제로 구성된다. 전자기-열 결합문제는 두 시스템이 상호 영향을 주고받는 양방향 결합 문제이다. 이러한 결합문제의 효율적인 해석을 위해 두 시스템의 시정수와 결합 비선형성 및 물리모델 간의 상호 의존성을 분석하고 weak coupling 해석의 타당성을 보인다. 전자기-열 결합문제의 수치해석에는 전자기시스템은 주파수 영역에서 열전달시스템은 과도 영역에서 상태변수를 계산하는 frequency-transient analysis를 이용했으며, 이를 위한 지배방정식 및 경계조건을 기술하고 민감도 공식 유도를 위한 각 시스템 지배방정식의 변분식을 도출한다. 전자기-열 결합시스템의 최적설계에 일반적으로 적용될 수 있는 연속체 민감도 해석을 위해 자기장과 온도의 다중물리 목적함수를 정의하고, 온도에 대한 물질상수의 의존성을 고려하여 민감도 공식을 유도한다. 형상민감도 공식은 연속체역학의 material derivative 개념과 보조변수기법을 이용해 유도하고, 유도된 민감도 공식을 이용한 최적설계 알고리즘에 대해 기술한다. 유도된 민감도 공식은 전자기-열 결합시스템의 경계에 대한 식으로 얻어지며, 초기값 문제인 상태변수와 달리 보조변수는 최종값 문제이다. 유도된 민감도 공식의 유효성과 유용성 및 활용성을 보이기 위해 수치 예제에 적용하고 최적설계를 수행한다. 해석해가 없는 과도 전자기-열 결합문제의 검증을 위해 수치해석을 활용한다. 먼저 간단한 구조를 갖는 검증 예제에 적용하여 민감도 공식의 유효성을 보인다. 검증 예제에서는 수치해석을 통해 목표해의 유일성을 보이고, 최적설계를 통해 설정된 목표해에 수렴하는 것을 통해 유효성을 검증한다. 응용 예제에서는 유도된 공식의 유용성과 폭넓은 활용성을 보이기 위해 유도가열기기와 전기기기에 대한 최적설계를 수행한다. 유도가열 조리기구에서는 피가열체가 특정온도에 균일하게 도달하기 위해 코일의 형상을 최적설계한다. 유도경화기기에서는 피가열체의 균일한 온도분포 도달을 위한 코일의 위치 최적설계를 수행하였고 물질상수의 온도의존성의 고려 여부에 따른 최적설계 결과를 비교한다. 변압기 예제에서는 코어의 형상을 변화시켜 대류 열전달과 상호 인덕턴스의 최대화를 위한 다중물리 최적설계를 수행한다.

초음파 유량계에 대한 전자파 내성 연구

박덕우 서울시립대학교 2005 국내석사

국 문 초 록 현대 사회에 사용하는 계량기는 무수한 전자파에 노출되어 있습니다. 계량기에는 수도미터, 가스미터, 적력량계, 열량계등 수 많은 종류가 있다. 과거에는 기계식 계량기가 주종이었는데 점차 전자회로로 구성된 전자식 계량기로 변하고 있다. 일반적으로 저 전압으로 제어되는 기기는 외부 전자파에 대해 영향 받고 이에 대해 전자파에 견딜 수 있도록 설계하는 것이 무엇 보다 중요 하다. 하지만 현재로서는 아무런 검증과정을 거치지 않고 일반적으로 소비자들이 사용하고 있다. 종전에는 전자파 내성에 관한 시험을 하지 않고 시중에 유통되고 있다. 하지만 현재는 산업이 발전함에 따라 불용 전자파에 관한 영향을 배제하지 않을 수 없다. 계량기의 정량적 표시에 따라 상거래가 이루어지기 때문에 정확한 계량 계측이 중요시 되고 있다. 초음파 유량계 역시 전자파 영향에 관한 시험 없이 유통 되었는데 소비자들이 안전하게 사용할 수 있도록 전자파 내성에 관한 시험을 필요로 하게 된다. 이번 시험을 통하여 불용 전자파 즉 전기적 급과도, 서어지, 순간전압감소, 정전기 방전 및 전자파 방사에 어떤 영향이 있는지에 관한 실험을 하고 문제점을 파악하고 이 실험을 통하여 일어나는 현상에 대해 개선 방법을 연구해 본다. 본 전자파 영향에 관한 시험을 하고 개선하기 전의 성능 시험과 개선 후 성능시험을 하여 초음파 유량계의 전자파 영향에 관한 해결책을 찾는다. 주요어 : 계량기, 불용 전자파