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만족도함수를 적용한 대용량 직접구동형 발전기 최적설계
vp-korea  2013-08-26 14:42:21, 조회 : 2,089
- Download #1 : 5.jpg (148.2 KB), Download : 42


최근 풍력 관련 기업은 높은 강성과 강도를 유지하기 위한 지지구조가 필요하여 중량이 많이 나가는 문제점을 가지고 있지만, 유지보수 비용 및 효율 측면에서 유리한 대용량 직접구동형 발전기 개발에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 이에 따라 강도를 유지하면서 동시에 단점 중 하나인 중량문제를 극복하기 위한 발전기 경량화에 많은 관심이 기울여 지고 있습니다. 직접구동형 영구자석 발전기 방식인 축방향 자속 영구자석(AFPM : Axial Flux Permanent Magnet) 방식은 소형발전기에 주로 사용되어 왔으나 단위 체적당 토크 효율과 높은 전력밀도를 가지는 장점이 있어 대형 해상풍력 발전에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 하지만 축방향 자속 영구자석의 중량은 약 53 tonf 정도로써 발전기 구조물의 중량이 전체무게의 80%를 차지하여 이와 같이 직접구동형 발전기의 큰 중량은 여전히 큰 문제로 남아있으며 이를 해결하기 위한 많은 연구가 진행되고 있습니다. 특히 축방향 자속 영구자석 해석을 위해서는 전자기장 해석과 구조해석을 순차적으로 진행하여야 하며(690,000 nodes and 400,000 elements) 이러한 다중 해석 간의 최적화를 진행하기 위하여 실험계획법, 신경망모델, 만족도함수(Desirability Function)를 통합한 프로세스를 적용하였습니다.

1) 설계변수 4가지
ri 회전자 내경길이
rt 회전자 디스크 두께
ht하우징 두께
ft 플렌지 두께
2) 목적함수 2가지
Stress 최대응력
Mass 중량
3) 제한조건 1가지
Deformation 최대변형 < 3 mm

총 25회의 직교배열을 적용하여 동아대 최적설계실험실 협업으로 수행된 전자기장 해석과 구조 해석의 다중해석 결과에 대한 신경망모델을 구축하였으며 구축된 최대응력, 중량 및 최대변형 3가지의 신경망모델에 주어진 2가지 목적함수와 1가지 제한조건을 적용한 Prediction Profiler는 아래와 같다. 만족도함수 D의 설계영역탐색을 통하여 회전자 내경길이 ri와 회전자 디스크 두께 rt가 최대변형 제한조건에 가장 큰 영향을 주는 설계변수임을 알았다. 만족도함수에 의한 최적화 수행결과는 다음과 같다.

1) 목적함수
Stress 최대응력 18.7 % 향상
Mass 중량 13.6 % 향상
2) 제한조건
Deformation 최대변형 < 3 mm 만족(0.3 % 향상)