대잠작전 개념이 적용된 개선된 PSO 알고리즘을 이용한 매입형 영구자석 동기전동기의 최적설계

Abstract

전기기기 최적 설계 시, 일반적으로 전역 최적해를 찾기 위해서 확률론적 최적화 기법을 사용한다. 주로 자연현상을 수학적으로 모델링한 확률론적 최적화 기법은 알고리즘 내에 확률 요소가 있으며 전역 최적해로 수렴이 가능하다. 확률론적 최적화 기법들 중 PSO(Particle Swarm Optimization)알고리즘은, 소수의 파라미터들로 실행 가능하고 프로세스가 간단하여 전역 최적해를 탐색하는데 유용한 알고리즘으로 알려져 있다. 하지만 많은 국부 최적해를 갖는 Multi-modal과 같은 최적화 문제에서, PSO 알고리즘은 국부 최적해에 수렴할 가능성이 있고 탐색 시간이 많이 소요될 수 있다. 따라서 이러한 문제들을 해결하기 위해 본 논문에서는 해군의 작전 중 하나인 대잠작전의 개념과 절차를 모사한 새로운 개념의 PSO 알고리즘을 제안하였다. 대잠작전이란 아군의 작전요소를 이용하여 적 잠수함을 탐색하고 격파하는 작전을 말한다. 실제 대잠작전에서는 효과적인 적 잠수함 탐색을 위해 해역을 다양하게 탐색할 수 있도록 속도와 은밀성 측면에서 서로 다른 특성을 가지는 3가지 작전요소(잠수함, 수상함, 항공기)를 사용한다. 본 논문에서 제안한 알고리즘은 이러한 특징들을 기존 PSO 알고리즘에 접목하였다. 속도가 서로 다른 3가지 군집들로 개체들을 구성하여 실제 대잠작전 절차에서 착안한 탐색 전략들에 따라 전역 최적해을 찾아가도록 모사하였다. 제안한 알고리즘의 유용성, 정확성, 신뢰성은 시험함수와 함께 실제 전동기 설계를 통해 검증하였다. 기존 PSO 알고리즘보다 문제영역을 빠르고 넓게 탐색할 수 있으며 정확한 해를 찾을 수 있었다. 최적 설계에 적용한 전동기는 선박 자세 안정성 향상을 위한 Anti-heeling system 펌프용 매입형 영구자석 동기전동기이다. 최적 설계의 목표이자 목적함수는 전동기의 출력 토크 손실 최소화와 코깅토크 저감이며 다중목적함수를 사용하였다. 설계변수는 노치(Notch)와 치단(Tooth tip)의 높이, 슬롯 개구폭(Slot opening)이다. 코깅토크 저감을 위해 노치를 적용하였고, 노치 적용으로 인한 출력토크 손실을 줄이기 위해 치단의 높이와 슬롯 개구폭을 조절하였다. 설계한계치를 고려한 설계변수의 제한조건과 목적함수, 설계변수를 바탕으로, 본 논문에서 제안한 알고리즘으로 최적 설계를 진행하였다. 마지막으로 제안한 알고리즘을 적용한 전동기 최적 설계 결과와 함께 기존 PSO 알고리즘과 최근의 최적화 기법들을 적용한 전동기 최적설계 결과들을 비교하여, 수행 시간과 정확성 측면에서 제안한 알고리즘의 우수성을 확인할 수 있었다.