KR101447952B1 - 소자코일 설계방법 및 이를 이용한 소자코일 설계장치 - Google Patents

소자코일 설계방법 및 이를 이용한 소자코일 설계장치 Download PDF

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KR101447952B1
KR101447952B1 KR1020130069670A KR20130069670A KR101447952B1 KR 101447952 B1 KR101447952 B1 KR 101447952B1 KR 1020130069670 A KR1020130069670 A KR 1020130069670A KR 20130069670 A KR20130069670 A KR 20130069670A KR 101447952 B1 KR101447952 B1 KR 101447952B1
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김동훈
최낙선
정기우
김동욱
정현주
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국방과학연구소
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    • H01F13/00—Apparatus or processes for magnetising or demagnetising
    • H01F13/006—Methods and devices for demagnetising of magnetic bodies, e.g. workpieces, sheet material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B63G9/00—Other offensive or defensive arrangements on vessels against submarines, torpedoes, or mines
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Abstract

본 발명은 함정의 자기장과 역 방향의 자기장을 생성함으로써 전체 함정의 자기장을 감소시키기 위해 함정 내에 세 방향으로 다수개 설치되는 소자코일 설계방법에 관한 것으로, 상기 발명은 함정에서 발생하는 자기장을 제거하기 위해 상기 소자코일들 각각의 기자력 값을 산출하는 소자코일 기자력 최적화단계; 상기 산출되는 소자코일별 기자력 값을 이용하여 함정 내 배치되는 상기 소자코일들 별 위치를 산출하는 소자코일 위치 최적화단계; 및 상기 산출되는 소자코일들 별 위치를 이용하여 함정 내 배치되는 상기 소자코일들 별 개수를 산출하고 상기 소자코일들 별 위치를 조정하는 소자코일 설계단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해 본 발명은 기자력 민감도와 코일 위치 최적화 기법을 적용하여 함정으로부터 발생되는 자기장을 저감시킴으로써 날로 지능화되고 정교해지는 자기 감응 기뢰의 위협으로부터 함정의 생존성을 높일 수 있다.

Description

소자코일 설계방법 및 이를 이용한 소자코일 설계장치{Design method for degaussing coil, and design apparatus for degaussing coil using the same}
본 발명은 함정의 소자코일 설계방법과 이를 이용한 소자코일 설계장치에 관한 것으로, 구체적으로는 함정의 자기장과 역 방향의 자기장을 생성함으로써 전체 함정의 자기장을 감소시키기 위해 함정 내에 세 방향으로 다수개 설치되는 함정의 소자코일 설계방법 및 이를 이용한 소자코일 설계장치에 관한 것이다.
기뢰 중 가장 많이 사용되고 있는 대표적인 기뢰인 자기 감응형 기뢰는 내부의 자기센서를 이용해서 함정에서 발생되는 정 자기장을 주로 탐지한다. 함정으로부터의 정 자기장은 함정 선체를 이루는 강자성 재질인 철에 기인하여 발생되는 신호이다.
이러한 강자성 선체에서 발생되는 정 자기장은 거리에 따른 신호의 감쇄가 매우 심해서 원거리에서는 탐지하기 어렵다는 단점을 가지고 있지만, 천해와 같이 외부 환경 잡음으로 인해 탐지 성능이 매우 제한적인 지역에서도 음향 신호와는 달리 근거리에서 명확하게 식별할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
근래에는 반도체 및 IT산업의 성장을 기반으로 지구자기장의 수천-수만 분의 일의 정밀도로 탐지가 가능한 고감도 자기센서의 개발과 함께 신호처리 기술의 발달로 함정의 발생 자기장을 보다 정확하게 원거리에서 탐지할 수도 있다. 따라서 자함의 생존성 증대를 위해서는 함정으로부터 발생되는 자기장을 최소화할 필요가 있다.
함정의 자기장을 저감시키는 기술은 대표적으로 탈자(deperming)와 소자(degaussing)가 있으며, 이들은 각각 함정으로부터 발생하는 정 자기장 성분인 영구자기장과 유도자기장을 감쇄시키는 기술이다.
탈자(deperming)는 함정 외부에서 강한 자기장을 인가한 후 서서히 줄여가는 방법으로 강자성 재질의 선체에 착자된 영구자기장 성분을 저감시키는 방법이고, 소자(degaussing)는 함내에 각 축방향으로 별도의 소자코일(degaussing coil)을 배치하고 함정 자기장과 역방향을 자기장을 생성시킴으로써 전체 함정의 자기장을 저감시키는 방법이다.
일반적으로 함정의 자기장을 저감시키는 순서는 먼저 탈자를 통해 일차적으로 함의 영구자기장 성분을 감소시키고, 탈자 후 잔류하는 영구자기장 성분과 유도자기장 성분은 함정 내에 장착된 소자코일을 이용하여 감쇄시킨다. 여기서 유도자기장은 지구자기장에 의한 선체의 유도자화 성분에 의해서 발생되는 자기장으로 탈자에 의해서는 저감시킬 수가 없고 함정 내에 설치된 소자장비를 통해서만 보상할 수가 있다.
탈자의 경우는 별도의 탈자 시설에서 수행되므로 함정 설계와는 무관하지만, 소자의 경우는 소자코일의 개수 및 함정 내 소자코일의 배치위치 등에 의해서 그 성능에 직접적인 영향을 받는다.
한편 소자코일은 함정의 전력을 소모하는 구성품으로 함정의 전력 측면에 부담이 되고, 소자코일의 설치에 따라 증대되는 중량은 함정의 기동 측면에서 부담으로 작용할 수 있다.
따라서 함정의 자기장 최소화와 함께 코일의 동작에 의한 소모 전력의 감소와 코일의 배치에 의한 중량 저감을 위해, 소자코일의 배치 및 개수 선정 등과 같은 소자코일의 최적 설계에 대한 연구 개발이 필요한 실정이다.
하지만 종래 함정의 소자코일 설계방법은 일반적으로 함정 내에 탑재되는 소자코일을 함정 내에 단순히 균등하게 배치하는 수준으로, 함정의 자기장을 효과적으로 보상하는데 한계를 가지고 있을 뿐만 아니라, 소자코일의 설치에 따른 함정의 소모전력 증가 및 중량증가의 문제를 고려하는데 미흡한 면을 가지고 있다.
KR 10-2011-0045396 A
본 발명의 목적은 기자력 민감도와 코일 위치 최적화 기법을 적용하여 함정으로부터 발생되는 자기장을 저감시킴으로써 날로 지능화되고 정교해지는 자기감응 기뢰의 위협으로부터 함정의 생존성을 높일 수 있는 함정의 소자코일 설계방법 및 이를 이용한 함정의 소자코일 설계장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 함정의 자기장과 역 방향의 자기장을 생성함으로써 전체 함정의 자기장을 감소시키기 위해 함정 내에 세 방향으로 다수개 설치되는 소자코일 설계방법에 관한 것이다.
본 소자코일 설계방법은 함정에서 발생하는 자기장을 제거하기 위해 상기 소자코일들 각각의 기자력 값을 산출하는 소자코일 기자력 최적화단계; 상기 산출되는 소자코일별 기자력 값을 이용하여 함정 내 배치되는 상기 소자코일들 별 위치를 산출하는 소자코일 위치 최적화단계; 및 상기 산출되는 소자코일들 별 위치를 이용하여 함정 내 배치되는 상기 소자코일 개수를 산출하고 상기 소자코일들 별 위치를 조정하는 소자코일 설계단계을 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 소자코일 기자력 최적화단계는, (a1) 상기 소자코일들 각각의 기자력 값으로 이루어진 제1 설계변수, 상기 소자코일의 기자력의 최대 가능값을 상기 제1 설계변수의 제한으로 하는 제1 구속조건 및 상기 제1 구속조건을 만족하면서 상기 제1 설계변수가 목표에 도달하는지 판단하기 위한 함정 자기장의 제거 정도인 소자 성능을 나타내는 목적함수를 정의하는 단계; (a2) 상기 제1 설계변수, 목적함수 및 제1 구속조건이 정의된 후, 상기 소자코일 별로 발생하는 기준 자기장 신호인 코일효과를 실험 또는 수학적 계산을 통해 수집하는 단계; (a3) 상기 소자코일의 기자력 값을 초기화하는 단계; (a4) 상기 소자코일의 기자력 값과 상기 (a2)단계에 의해 수집된 상기 코일효과와의 선형성을 이용하여 상기 소자코일에서 발생하는 자기장 신호 값을 계산하는 단계; (a5) 상기 목적함수를, 상기 소자코일에 전류가 인가되기 전 함정에서 발생하는 외부 자기장 신호 값과 상기 소자코일에 전류가 인가되는 것에 의해 발생하는 소자코일의 자기장 신호 값을 이용하여 산출하는 단계; (a6) 상기 소자코일의 기자력 값의 변화에 대한 상기 목적함수의 변화량인 소자코일의 기자력 민감도를 계산하는 단계; 및 (a7) 상기 소자코일의 기자력 민감도가 임계값을 초과하는 경우 상기 소자코일의 기자력 값을 수정한 후 상기 (a4)단계 내지 상기 (a6)단계를 반복 수행하고, 상기 소자코일의 기자력 민감도가 임계값 이하인 경우 본 소자코일 기자력 최적화단계의 수행을 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a5)단계에서, 상기 목적함수가 F로 표현된 경우, 상기 목적함수는 수식 1에 의해 계산될 수 있다.
[수식 1]
Figure 112013054126668-pat00001
(여기서, cal : 상기 소자코일의 현재 기자력에 의해 계산된 상기 자기장 신호, mea : 함정 선체에 의해 발생하여 측정된 외부자기장, i와 j : 각각 방향 벡터인 X축, Y축, Z축과 그에 따른 관측점, n p : 상기 관측점의 개수)
상기 (a6)단계는, 상기 소자코일의 기자력 민감도를 구하기 위한 보조변수를 구하기 위해, 상기 목적함수를 기초로, M j k 로 표현되는 가상소스를 수식 2에 의해 계산하는 단계; 및
[수식 2]
Figure 112013054126668-pat00002
(여기서, k : 본 단계의 반복 수행횟수)
상기 가상소스를 이용하여, λ l k 로 표현되는 상기 보조변수를 수식 3에 의해 계산하는 단계를 구비하고,
[수식 3]
Figure 112013054126668-pat00003
(여기서, l과 r : 각각 l번째 상기 소자코일과 상기 가상소스에서 코일까지의 거리)
상기 (a6)단계에서, 상기 소자코일의 기자력 민감도는 상기 목적함수(F), 가상소스(M j k ) 및 보조변수(λ l k )를 이용하여, 수식 4에 의해 계산되는 것을 특징으로 한다.
[수식 4]
Figure 112014049859846-pat00004
(여기서, 소자코일의 기자력 민감도: dF/dp, dp의 p: 제1 설계변수, ζ : 소자코일의 기자력)
전술한 소자코일 위치 최적화단계는, (b1) 상기 소자코일들 각각의 기하학적 중심 좌표 중 선체의 종축 기준의 좌표값으로 이루어진 제2 설계변수, 상기 소자코일들 각각이 서로 간섭하지 않는 상기 선체의 종축 기준의 좌표값의 상한값 및 하한값을 상기 제2 설계변수의 제한으로 하는 제2 구속조건 및 상기 제2 구속조건을 만족하면서 상기 제2 설계변수가 목표에 도달하는지 판단하기 위한 목적함수를 정의하는 단계; (b2) 상기 제2 설계변수, 목적함수 및 제2 구속조건이 정의된 후, 상기 소자코일 기자력 최적화단계를 수행하는 단계; (b3) 상기 (b2)단계의 수행 중 산출되는 상기 기자력 민감도를 이용하여 함정의 자기장을 제거하는 소자를 수행하고, 상기 (b2)단계의 수행 중 산출되는 상기 목적함수를 확인하는 단계; (b4) 사전에 정해진 이동량에 의해 정해진 상기 소자코일들의 예측된 이동 위치에 대응하여 코일효과를 이동시키는 단계; (b5) 상기 이동된 상기 소자코일 별 코일효과에 의해 상기 소자코일 기자력 최적화단계를 수행하는 단계; (b6) 상기 (b5)단계의 수행 중 산출되는 상기 기자력 민감도를 이용하여 함정의 자기장을 제거하는 소자를 수행하고, (b5)단계의 수행 중 산출되는 상기 목적함수를 확인하는 단계; (b7) 상기 (b3)단계에 의해 확인된 목적함수와 상기 (b6)단계에 의해 확인된 목적함수를 비교하여 상기 소자코일들 위치의 예측 이동 전 후의 소자 성능의 향상여부를 판단하는 단계; (b8) 상기 (b7)단계의 판단결과 상기 예측 이동 후의 상기 소자 코일들의 위치에서 상기 소자 성능이 향상된 것으로 판단된 경우, 상기 예측 이동에 대응하여 상기 소자코일들 각각의 위치를 실제로 수정하고 상기 (b2)단계 내지 상기 (b7)단계를 반복 수행하는 단계; 및 (b9) 상기 (b7)단계의 판단결과 상기 예측 이동 후의 상기 소자 코일들의 위치에서 상기 소자 성능이 향상되지 않은 것으로 판단된 경우 본 소자코일 위치 최적화단계의 수행을 종료하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 소자코일 설계단계는, (c1) 상기 소자코일의 초기 개수를 설정하는 단계; (c2) 상기 소자코일의 현재 개수를 이용하여 상기 소자코일 위치 최적화단계를 수행하는 단계; (c3) 상기 (c2)단계에 의해 산출되는 상기 목적함수 값을 저장하고 상기 소자코일의 개수가 임계개수에 도달하는지 판단하는 단계; (c4) 상기 (c3)단계의 판단결과 상기 소자코일의 개수가 상기 임계개수에 도달되지 않은 것으로 판단한 경우 상기 소자코일의 개수를 증가시키고 상기 (c2)단계 내지 상기 (c3)단계를 반복 수행하는 단계; (c5) 상기 (c3)단계의 판단결과 상기 소자코일의 개수가 상기 임계개수에 도달한 것으로 판단한 경우 상기 (c3)단계에 의해 저장된 목적함수 값을 이용하여 상기 소자코일 개수별 소자 성능을 평가하는 단계; (c6) 상기 소자코일 기하하적 중심을 확인하고, 최대 및 최소 코일효과를 나타내는 상기 소자코일들 각각의 위치를 확인하는 단계; 및 (c7) 상기 (c6)단계에 의해 확인된 상기 소자코일들 각각의 위치에 근거하여 함정의 격벽이나 내부구조의 영향과 상기 소자코일에 전력을 공급하는 전원부의 용량과 동작 중 상기 소자코일로부터 발생하는 열을 고려하여 상기 소자코일의 설치 위치를 조정함으로써 상기 소자코일에 대한 상세설계를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일측면에 따른 소자코일 설계장치는 선체에 대한 정보, 소자코일에 대한 정보 및 함정의 자기장정보를 입력받기 위한 정보입력부; 상기 정보입력부로부터 입력되는 상기 선체에 대한 정보, 상기 소자코일에 대한 정보 및 상기 함정의 자기장정보를 이용하여 전술한 본 발명의 일측면에 따른 소자코일 설계방법을 수행하는 연산부; 및 상기 연산부에 의한 수행결과, 완료된 상기 소자코일에 대한 설계정보를 출력하는 결과출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해 본 발명은 소자코일에 대한 기자력, 위치 및 개수 등과 같은 설계변수를 최적으로 산출함으로써 함정으로부터 발생되는 함정의 자기장을 최소화하여 함정의 생존성 증대시킬 수 있고, 소자코일의 소모전력과 중량을 줄임으로써 함 운용의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소자코일 설계방법의 개념을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 도 1의 소자코일 기자력 최적화단계를 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 도 1의 소자코일 위치 최적화단계를 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 소자코일의 기하학적 중심을 유지한 서로 다른 코일을 이용한 소자 결과를 비교하는 도면이다.
도 5는 코일효과 측정에 사용되는 자기센서의 배열에 대한 도면이다.
도 6은 소자코일 이동을 모사하기 위한 코일효과의 보간에 대한 도면이다.
도 7은 도 1의 소자코일 설계단계를 설명하기 위한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 소자코일 설계장치의 블록도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
소자코일은 함정 내에서 L(longitudinal) 코일, A(athwartship:선측에서 선측으로 선체를 가로지르는) 코일, V(vertical) 코일 등 3축 방향으로 각각 설치된다. 종축 방향 자기장 감소는 L 코일, 횡축 방향 자기장 감소는 A 코일, 수직 방향 자기장 감소는 V 코일이 각각 담당하고 있다.
함정 내에 세 방향으로 설치된 다수의 소자코일에 적절한 전류를 인가하여 함정의 자기장과 역 방향의 자기장을 생성함으로써 전체 함정의 자기장을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소자코일 설계방법을 설명하기 위한 개념도이다. 본 실시예에 따른 소자코일 설계방법은 사전에 마련된 수치처리장치인 연산부에 의해 수행될 수 있다. 본 실시예에 따른 소자코일 설계방법은 소자코일 기자력 최적화단계(100), 소자코일 위치 최적화단계(200), 소자코일 설계단계(300)를 수행하는 것에 의해 구현될 수 있다.
개념적으로는 소자코일 설계단계(300)는 도 1에 도시된 바와 같이 소자코일 위치 최적화단계(200)를 포함하고, 소자코일 위치 최적화단계(200)는 다시 소자코일 기자력 최적화단계(100)를 포함할 수 있다. 이들 단계들에 의해 소자코일을 설계할 수 있다.
소자코일 기자력 최적화단계(100)는 함정에서 발생하는 자기장을 제거하기 위해 각 소자코일 별 최적의 기자력을 산출한다.
도 2는 도 1의 소자코일 기자력 최적화단계가 연산부에 의해 수행되는 것을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 소자코일 기자력 최적화단계(100)는 먼저 소자코일별 최적의 기자력 값을 찾기 위해, 소자코일별 기자력 값으로 이루어진 제1 설계변수, 제1 설계변수에 대한 제한조건인 제1 구속조건 및 제1 구속조건의 범위 내에서 제1 설계변수가 목표에 도달하는지 평가하기 위한 목적함수를 정의한다(S110).
제1 설계변수는 함정 내 설치되는 다수의 V 코일, A 코일, L 코일로 구성된 소자코일의 기자력이다. 목적함수는 소자코일에 전류가 인가되기 전 함정에서 발생하는 일정 수심에서의 외부 자기장과 소자코일에 전류가 인가되는 것에 의해 발생하는 소자코일 자기장의 합의 자승을 관측점 별로 모두 합산한 값이다. 관측점은 자기센서가 배치되는 위치일 수 있다.
제1 구속조건은 제1 설계변수에 대한 제한 조건으로 각 소자코일 기자력의 최대가능 값으로 설정한다. 이는 소자코일에 전력을 공급하기 위한 전원부의 용량과 소자코일의 전기적인 특성을 이용하여 계산한 후 함정에서 발생하는 다양한 형태의 자기 신호를 고려하여 결정한다.
S110단계에 의해 제1 설계변수, 목적함수 및 제2 구속조건이 정의된 후, 소자코일 기자력 최적화단계(100)은 소자코일 별 발생하는 기준 자기장 신호인 코일효과를 실험 또는 수학적 계산을 통해 수집한다(S120).
다음 소자코일 기자력 최적화단계(100)는 소자코일의 기자력을 초기화한다(S125). 즉 소자코일 기자력 최적화단계(100)는 최적의 소자코일의 기자력 값을 찾기 위한 반복 설계 전 소자코일의 기자력 값을 0으로 설정할 수 있다.
다음, 소자코일 기자력 최적화단계(100)는 각 소자코일의 기자력과 S120단계에 의해 수집된 코일효과의 선형성을 이용하여 소자코일에서 발생하는 자기장 신호를 계산한다(S130).
이런 선형성을 이용함으로써 (후술하는 소자코일 위치 최적화단계의 지시에 의한 매 반복 설계 시) 불필요한 계산을 줄일 수 있으며 설계 시간을 크게 단축할 수 있다.
다음, 소자코일 기자력 최적화단계(100)는 S110단계에 의해 정의된 목적함수(F)를 수학식 1과 같이 계산한다(S140).
Figure 112013054126668-pat00005
여기서 cal은 현재 소자코일의 기자력에 의한 자기장 신호이고, mea는 함정 선체에 의해 발생하여 측정된 외부자기장 신호를 의미한다. i와 j는 각각 방향 벡터인 X축, Y축, Z축과 자기장의 측정을 위한 관측점을 의미한다. 또한 n p 는 관측점의 개수를 의미한다.
다음 소자코일 기자력 최적화단계(100)은 S140단계에 의해 계산된 목적함수(F)를 기초로, 가상소스(M j k )를 수학식 2와 같이 계산한다(S150).
Figure 112013054126668-pat00006
여기서, k는 본 단계의 반복 수행 횟수를 의미한다. 본 단계의 반복 수행 횟수는 후술하는 S180단계의 판단에 따라 결정된다.
다음, 소자코일 기자력 최적화단계(100)는 S150단계에 의해 계산된 가상소스(M j k )를 이용하여, 상기 소자코일의 기자력 세기의 미소변화에 대한 상기 목적함수의 미소변화량인 소자코일의 기자력 민감도를 계산하기 위한 보조변수(λ l k )를 수학식 3과 같이 계산한다(S160).
여기서 소자코일의 기자력 민감도는 소자코일의 기자력 값의 미소변화에 대한 목적함수의 미소변화량, 즉 기울기 정보를 의미한다.
Figure 112013054126668-pat00007
여기서 l과 r은 각각 l번째 소자코일과 가상소스에서 코일까지의 거리를 의미한다.
다음, 소자코일 기자력 최적화단계(100)는 위에서 계산된 목적함수(F), 가상소스(M j k ) 및 보조변수(λ l k )를 이용하여, 위에서 언급한 소자코일의 기자력 민감도를 수학식 4와 같이 계산한다(S170).
Figure 112013054126668-pat00008
여기서 소자코일의 기자력 민감도는 dF/dp와 같이 표현되고, dp의 p는 설계변수를 의미하는 것으로 소자코일의 기자력에 해당하며, 소자코일의 기자력은 ζ와 같이 표현된다.
다음, 소자코일 기자력 최적화단계(100)는, 계산된 소자코일의 기자력 민감도(dF/dp), 즉 목적함수의 변화량이 사전에 설정된 임계값 이상인지 판단하고(S180), 그 판단 결과 목적함수의 변화량이 임계값 보다 큰 경우 소자코일의 기자력을 수정하고(S190), 전술한 S130단계 내지 S170단계를 수행한다. 이에 의해 수학식 2, 3 및 4의 본 단계의 반복 수행횟수 k는 증가한다.
S180단계의 판단결과 소자코일의 기자력 민감도(dF/dp)인 목적함수의 변화량이 임계값 이하인 경우, 소자코일 기자력 최적화단계(100)는 해당 제어절차를 종료한다.
이에 의해 (L 코일, A 코일, V 코일)은, 최소의 목적함수를 가지는, 즉 최대의 소자(degaussing) 성능을 발휘할 수 있는 소자코일(L 코일, A 코일, V 코일)별 기자력을 산출할 수 있다.
도 3은 도 1의 소자코일 위치 최적화단계가 연산부에 의해 수행되는 것을 설명하기 위한 순서도이다.
소자코일 위치 최적화단계(200)는 소자코일을 함정 내에서 서로 간섭되지 않게 선체의 길이 방향으로 이동시키면서 함정의 자기장 제거성능인 소자 성능을 확인하여 소자코일들 각각의 최적 위치를 찾을 수 있다.
도 3을 참조하면, 소자코일 위치 최적화단계(200)는 먼저 소자코일 별 최적의 배치 위치를 찾기 위해, 제2 설계변수, 제2 설계변수에 대한 제한조건인 제2 구속조건 및 제2 구속조건의 범위 내에서 제2 설계변수가 목표에 도달하는지 평가하기 위한 목적함수를 정의한다(S210).
제2 설계변수는 각 소자코일(L 코일, A 코일, V 코일)의 기하학적 중심 좌표 중 선체의 종축 기준의 좌표 값으로 이루어지고, 제2 구속조건은 소자코일들 각각이 선체 내에 존재하면서 각 소자코일이 서로 간섭하지 않도록 제2 설계변수의 상/하한값을 조건으로 한다.
소자코일 위치 최적화단계(200)에서 정의되는 목적함수는 전술한 소자코일 기자력 최적화단계(100)에서 정의되는 목적함수와 동일하다.
다음 소자코일 위치 최적화단계(200)는 제2 설계변수, 목적함수 및 제2 구속조건이 정의된 후, 소자코일 별로 초기 위치를 설정한다(S220).
다음 소자코일 위치 최적화단계(200)는 소자코일들 각각의 현재 위치에서 소자코일 기자력 최적화단계(100)를 수행한다(S230). 즉 S230단계의 수행 중 산출되는 기자력 민감도를 이용하여 함정의 자기장을 제거하고, S230단계의 수행 중 산출되는 목적함수를 확인한다(S240).
다음 소자코일 위치 최적화단계(200)는 소자코일들의 예측된 이동 위치에 대응하여 코일효과를 이동시키고(S250), 그 이동된 소자코일 별 코일효과에 의해 소자코일 기자력 최적화단계(100)를 수행한다(S260). 즉 S260단계의 수행 중 산출되는 기자력 민감도를 이용하여 함정의 자기장을 제거하고, S260단계의 수행 중 산출되는 목적함수를 확인한다(S270).
다음 소자코일 위치 최적화단계(200)는 소자코일들의 현재 위치에서 S240단계에 의해 확인된 목적함수와 사전에 정해진 이동량에 의해 정해진 소자코일들의 예측된 이동 위치에서 S270단계에 의해 확인된 목적함수를 비교하여 소자코일들 위치의 예측 이동 전 후의 소자 성능의 향상여부를 판단한다(S280). 즉 소자코일들 위치의 예측 이동전보다 예측 이동 후 목적함수의 값이 작은 경우 예측 이동 후 소자 성능은 향상된 것으로 판단될 수 있다.
S280단계의 판단결과 예측 이동 후 소자코일들의 위치에서 소자 성능이 향상된 것으로 판단된 경우, 소자코일 위치 최적화단계(200)는 예측된 이동 위치에 대응하여 소자코일들 각각의 위치를 실제로 수정하고(S290), S230단계로 다시 돌아간다.
S280단계의 판단결과 예측 이동 후 소자코일들의 위치에서 소자 성능이 향상되지 않은 것으로 판단된 경우, 본 소자코일 위치 최적화단계(200)의 수행을 정지시킨다.
예를 들면, 본 실시예에 따른 소자코일 위치 최적화단계(200)는 하나의 소자코일을 선수로 일정 거리만큼 이동시켜 소자코일 기자력 최적화단계(100)를 수행하여 목적함수, 즉 소자 성능을 확인하고 선미로 동일하게 이동시켜 소자코일 기자력 최적화단계(100)를 수행하여 목적함수를 확인한다.
그 후 이동 전의 목적함수와 선수/선미로 이동시킨 목적함수를 비교하여 목적함수가 작은 방향, 즉 소자 성능이 개선되는 방향으로 소자코일을 이동시킨다.
이런 과정을 반복하여 소자 성능이 더 이상 향상되지 않을 때 반복 설계를 마친다. 이런 일련의 과정을 모든 코일에 적용하여 소자 성능이 최대가 되는 소자코일들 각각이 위치를 찾을 수 있다.
소자 성능이 최대가 되는 위치를 찾는다는 의미는 결국 소자코일의 기하학적 중심위치, 또는 코일효과가 최대 또는 최소가 되는 위치를 찾는다는 의미이다.
이렇게 코일의 기하학적 중심 좌표를 찾는 이유는 기하학적 중심이 같은 코일이면 소자 성능은 매우 유사하기 때문이다. 즉 소자 성능에 큰 영향을 끼치는 요소가 기하학적 중심이다.
이에 대해서 도 4를 통해 증명될 수 있다. 도 4는 소자코일의 중심을 유지하면서 코일을 변경시킨 서로 다른 코일을 이용하여 임의의 축소함정에 대해 실험한 소자결과이다. 도시된 바와 같이 소자코일의 중심이 동일한 코일을 이용하면 소자 성능이 매우 유사함을 확인할 수 있다.
일반적으로 최적설계에서 각 반복설계에 대한 설계변수의 변위는 매우 중요하다. 소자코일 위치 최적화 문제에서 설계변수의 변위는 소자코일의 이동량이다.
소자코일 위치 최적화를 위한 소자코일의 이동량은 설계자가 적절하게 정의하여야 한다. 소자코일이 실제 설치될 수 있는 거리와 위치를 고려하여 소자코일 이동량을 설정한다. 하지만 코일효과는 도 5와 같이 해저에 설치된 센서의 위치에 따라 이산적으로 측정된다.
이렇게 측정된 코일효과는 설계자가 정의한 소자코일의 이동량과 다를 수 있다. 소자코일 이동에 대응하는 코일효과를 이동하기 위해서는 소자코일 이동량에 의해 이동된 위치에서의 코일효과가 있어야 하며 이를 이용하여야 소자코일 이동에 대한 소자 과정을 수행할 수 있다.
이산적으로 취득된 코일효과를 코일 이동량에 대응되는 위치의 코일효과로 보간하기 위해 1차 또는 2차 보간 함수를 이용하여 보간한다. 보간된 코일효과를 이용하여 소자코일 이동을 모사하게 된다.
도 6은 이런 소자코일 이동을 모사하기 위한 코일효과의 보간에 대한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이 소자코일이 α만큼 이동하게 되면 아래의 코일효과도 α만큼 이동하여야 한다. 이 때 코일효과를 이동시키기 위해 보간이 필요하다.
예를 들어 도 6의 측정점 B의 경우를 살펴보면 α의 크기가 측정점 간격과 동일하지 않기 때문에 B 측정점에서 소자코일 이동에 대응되는 코일효과가 없게 된다. 이 때 A 측정점 신호와 B 측정점 신호를 이용하여 이동된 거리에 대한 신호를 보간하고 이 신호를 B 측정점의 이동된 신호로 사용한다. 이렇게 이동된 신호를 이용한 소자를 수행하여 이동된 코일에 대한 소자 성능을 확인한다.
도 7은 도 1의 소자코일 설계단계가 연산부에 의해 수행되는 것을 설명하기 위한 순서도이다. 소자코일 설계단계(300)는 도 3의 소자코일 위치 최적화단계(200)의 반복 과정에 소자코일 개수를 증가시키는 반복 과정을 추가함으로써 이루어질 수 있다.
도 7을 참조하면, 소자코일 설계단계(300)는 소자코일의 초기 개수를 설정한다(S310).
다음, 소자코일 설계단계(300)는 소자코일의 현재 개수를 이용하여 전술한 소자코일 위치 최적화단계(200)를 수행한다(S320).
다음 소자코일 설계단계(300)는, S320단계의 수행과정 중 산출되는 소자 성능 값(목적함수 값)을 저장하고(S325), 소자코일의 개수가 사전에 정해진 임계개수에 도달하는지 판단하며(S330), 그 판단결과 소자코일의 개수가 최대 소자코일 개수에 도달되지 않은 것으로 판단한 경우 소자코일의 개수를 증가시키고(S335), S320단계로 돌아간다.
소자코일 개수는 임의의 간단한 코일을 이용하여 함정 내에 등간격으로 설치함으로써 증가시키거나 기존의 설치된 소자코일을 이용함으로서 증가시킬 수 있다.
다음 소자코일 설계단계(300)는, S330단계의 판단결과 소자코일의 개수가 상기 임계개수에 도달한 것으로 판단한 경우 위의 S320단계 내지 S335단계에 의한 반복 수행결과를 바탕으로, 소자코일 개수별 소자 성능을 평가한다(S340). 즉 소자 성능의 평가는 S325단계에 의해 저장되는 목적함수 값을 이용하여 수행할 수 있다.
다음 소자코일 설계단계(300)는 기하학적 소자코일 중심을 확인하고(S350), 최대 및 최소 코일효과를 나타내는 소자코일들 각각의 위치를 확인한다(S360).
다음 소자코일 설계단계(300)는 S360단계에 의해 확인된 위치에 근거하여 소자코일에 대한 상세설계를 수행한다(S370).
소자코일에 대한 상세설계는 S360단계에 의해 확인된 위치를 기반으로, 함정의 격벽이나 내부구조의 영향과 소자코일에 전력을 공급하는 전원부의 용량과 동작 중 소자코일로부터 발생하는 열을 고려하여 소자코일의 배치 위치를 조정함으로써 수행될 수 있다.
그리고 소자코일 설계단계(300)는 S370단계에 의해 상세설계가 완료된 소자코일에 대한 소자 성능을 확인한다(S380).
이하에서는 도 8을 참조하여, 전술한 소자코일 설계방법을 이용한 소자코일 설계장치에 대해 설명한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 소자코일 설계장치의 블록도이다.
본 실시예에 따른 소자코일 설계장치(1)는 정보입력부(10), 연산부(20) 및 결과출력부(30)로 이루어질 수 있다.
정보입력부(10)는 선체의 길이, 폭 및 높이 등과 같은 선체의 정보와, 소자코일의 개수(범위), 선체의 차폐정도와 같은 소자코일정보와, 유도자기장 값, 영구자기장 값, 유도 및 영구자기장 값, 및 자기장의 관측위치와 같은 함정의 자기장정보를 입력받아 연산부(20)로 전달하는 기능을 수행한다. 이를 위해 정보입력부(10)는 사용자로부터 정보를 입력받기 위한 사용자인터페이스 모듈이나 외부 기기로부터 정보를 입력받기 위한 통신모듈을 구비할 수 있다.
연산부(20)는 정보입력부(10)로부터 입력된 정보를 바탕으로, 전술한 실시예에 따른 소자코일 설계방법을 수행하는 기능을 수행할 수 있다. 즉 연산부(20)는 도 1의 소자코일 기자력 최적화단계(100), 소자코일 위치 최적화단계(200), 소자코일 설계단계(300)를 수행할 수 있다. 이의 수행을 위해 연산부(20)는 수치연산장치 뿐만 아니라 수행된 결과를 저장할 수 있는 저장장치를 구비할 수 있다.
결과출력부(30)는 연산부(20)에 의해 수행된 소자코일의 설계정보를 출력하는 기능을 수행한다. 소자코일의 설계정보는 소자코일의 위치, 소자코일 개수, 소자코일의 위치 및 개수에 따른 소자 성능을 포함할 수 있다. 이를 위해 결과출력부(30)는 연산부(20)에 의한 결과를 변환하여 표시하기 위한 디스플레이장치를 구비할 수 있다.
이에 의해 본 실시예에 따른 소자코일 설계방법 및 소자코일 설계장치(1)는 소자코일에 대한 기자력, 위치 및 개수 등과 같은 설계변수를 최적으로 산출함으로써 함정으로부터 발생되는 함정의 자기장을 최소화하여 함정의 생존성 증대시킬 수 있고, 소자코일의 소모전력과 중량을 줄임으로써 함 운용의 효율을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속함을 이해해야 할 것이다.
1: 소자코일 설계장치
10: 정보입력부
20: 연산부
30: 결과출력부
100: 소자코일 기자력 최적화단계
200: 소자코일 위치 최적화단계
300: 소자코일 설계단계

Claims (7)

  1. 함정의 자기장과 역 방향의 자기장을 생성함으로써 전체 함정의 자기장을 감소시키기 위해 함정 내에 세 방향으로 다수개 설치되는 소자코일 설계방법에 있어서,
    함정에서 발생하는 자기장을 제거하기 위해 상기 소자코일들 각각의 기자력 값을 산출하는 소자코일 기자력 최적화단계;
    상기 산출되는 소자코일별 기자력 값을 이용하여 함정 내 배치되는 상기 소자코일들 별 위치를 산출하는 소자코일 위치 최적화단계; 및
    상기 산출되는 소자코일들 별 위치를 이용하여 함정 내 배치되는 상기 소자코일 개수를 산출하고 상기 소자코일들 별 위치를 조정하는 소자코일 설계단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소자코일 설계방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소자코일 기자력 최적화단계는,
    (a1) 상기 소자코일들 각각의 기자력 값으로 이루어진 제1 설계변수, 상기 소자코일의 기자력의 최대 가능값을 상기 제1 설계변수의 제한으로 하는 제1 구속조건 및 상기 제1 구속조건을 만족하면서 상기 제1 설계변수가 목표에 도달하는지 판단하기 위한 함정의 자기장의 제거 정도인 소자 성능을 나타내는 목적함수를 정의하는 단계;
    (a2) 상기 제1 설계변수, 목적함수 및 제1 구속조건이 정의된 후, 상기 소자코일 별로 발생하는 기준 자기장 신호인 코일효과를 실험 또는 수학적 계산을 통해 수집하는 단계;
    (a3) 상기 소자코일의 기자력 값을 초기화하는 단계;
    (a4) 상기 소자코일의 기자력 값과 상기 (a2)단계에 의해 수집된 상기 코일효과와의 선형성을 이용하여 상기 소자코일에서 발생하는 자기장 신호 값을 계산하는 단계;
    (a5) 상기 목적함수를, 상기 소자코일에 전류가 인가되기 전 함정에서 발생하는 외부 자기장 신호 값과 상기 소자코일에 전류가 인가되는 것에 의해 발생하는 소자코일의 자기장 신호 값을 이용하여 산출하는 단계;
    (a6) 상기 소자코일의 기자력 값의 변화에 대한 상기 목적함수의 변화량인 소자코일의 기자력 민감도를 계산하는 단계; 및
    (a7) 상기 소자코일의 기자력 민감도가 임계값을 초과하는 경우 상기 소자코일의 기자력 값을 수정한 후 상기 (a4)단계 내지 상기 (a6)단계를 반복 수행하고, 상기 소자코일의 기자력 민감도가 임계값 이하인 경우 상기 소자코일 기자력 최적화단계의 수행을 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소자코일 설계방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 (a5)단계에서, 상기 목적함수가 F로 표현된 경우, 상기 목적함수는 수식 1에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 소자코일 설계방법.
    [수식 1]
    Figure 112013054126668-pat00009

    (여기서, cal : 상기 소자코일의 현재 기자력에 의해 계산된 상기 자기장 신호, mea : 함정 선체에 의해 발생하여 측정된 외부자기장, i와 j : 각각 방향 벡터인 X축, Y축, Z축과 그에 따른 관측점, n p : 상기 관측점의 개수)
  4. 제2항에 있어서,
    상기 (a6)단계는,
    상기 소자코일의 기자력 민감도를 구하기 위한 보조변수를 구하기 위해, 상기 목적함수를 기초로, M j k 로 표현되는 가상소스를 수식 2에 의해 계산하는 단계; 및
    [수식 2]
    Figure 112014049859846-pat00010

    (여기서, k : 본 단계의 반복 수행횟수)
    상기 가상소스를 이용하여, λ l k 로 표현되는 상기 보조변수를 수식 3에 의해 계산하는 단계를 구비하고,
    [수식 3]
    Figure 112014049859846-pat00011

    (여기서, l과 r : 각각 l번째 상기 소자코일과 상기 가상소스에서 코일까지의 거리)
    상기 (a6)단계에서,
    상기 소자코일의 기자력 민감도는 상기 목적함수(F), 가상소스(M j k ) 및 보조변수(λ l k )를 이용하여, 수식 4에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 소자코일 설계방법.
    [수식 4]
    Figure 112014049859846-pat00012

    (여기서, 소자코일의 기자력 민감도: dF/dp, dp의 p: 제1 설계변수, ζ : 소자코일의 기자력)
  5. 제2항에 있어서,
    상기 소자코일 위치 최적화단계는,
    (b1) 상기 소자코일들 각각의 기하학적 중심 좌표 중 선체의 종축 기준의 좌표 값으로 이루어진 제2 설계변수, 상기 소자코일들 각각이 서로 간섭하지 않는 상기 선체의 종축 기준의 좌표 값의 상한값 및 하한값을 상기 제2 설계변수의 제한으로 하는 제2 구속조건 및 상기 제2 구속조건을 만족하면서 상기 제2 설계변수가 목표에 도달하는지 판단하기 위한 목적함수를 정의하는 단계;
    (b2) 상기 제2 설계변수, 목적함수 및 제2 구속조건이 정의된 후, 상기 소자코일 기자력 최적화단계를 수행하는 단계;
    (b3) 상기 (b2)단계의 수행 중 산출되는 상기 기자력 민감도를 이용하여 함정의 자기장을 제거하는 소자를 수행하고, 상기 (b2)단계의 수행 중 산출되는 상기 목적함수를 확인하는 단계;
    (b4) 사전에 정해진 이동량에 의해 정해진 상기 소자코일들의 예측된 이동 위치에 대응하여 코일효과를 이동시키는 단계;
    (b5) 상기 이동된 상기 소자코일 별 코일효과에 의해 상기 소자코일 기자력 최적화단계를 수행하는 단계;
    (b6) 상기 (b5)단계의 수행 중 산출되는 상기 기자력 민감도를 이용하여 함정의 자기장을 제거하는 소자를 수행하고, (b5)단계의 수행 중 산출되는 상기 목적함수를 확인하는 단계;
    (b7) 상기 (b3)단계에 의해 확인된 목적함수와 상기 (b6)단계에 의해 확인된 목적함수를 비교하여 상기 소자코일들 위치의 예측 이동 전 후의 소자 성능의 향상여부를 판단하는 단계;
    (b8) 상기 (b7)단계의 판단결과 상기 예측 이동 후의 상기 소자 코일들의 위치에서 상기 소자 성능이 향상된 것으로 판단된 경우, 상기 예측 이동에 대응하여 상기 소자코일들 각각의 위치를 실제로 수정하고 상기 (b2)단계 내지 상기 (b7)단계를 반복 수행하는 단계; 및
    (b9) 상기 (b7)단계의 판단결과 상기 예측 이동 후의 상기 소자 코일들의 위치에서 상기 소자 성능이 향상되지 않은 것으로 판단된 경우 본 소자코일 위치 최적화단계의 수행을 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소자코일 설계방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 소자코일 설계단계는,
    (c1) 상기 소자코일의 초기 개수를 설정하는 단계;
    (c2) 상기 소자코일의 현재 개수를 이용하여 상기 소자코일 위치 최적화단계를 수행하는 단계;
    (c3) 상기 (c2)단계에 의해 산출되는 상기 목적함수 값을 저장하고 상기 소자코일의 개수가 임계개수에 도달하는지 판단하는 단계;
    (c4) 상기 (c3)단계의 판단결과 상기 소자코일의 개수가 상기 임계개수에 도달되지 않은 것으로 판단한 경우 상기 소자코일의 개수를 증가시키고 상기 (c2)단계 내지 상기 (c3)단계를 반복 수행하는 단계;
    (c5) 상기 (c3)단계의 판단결과 상기 소자코일의 개수가 상기 임계개수에 도달한 것으로 판단한 경우 상기 (c3)단계에 의해 저장된 목적함수 값을 이용하여 상기 소자코일 개수별 소자 성능을 평가하는 단계;
    (c6) 상기 소자코일 기하하적 중심을 확인하고, 최대 및 최소 코일효과를 나타내는 상기 소자코일들 각각의 위치를 확인하는 단계; 및
    (c7) 상기 (c6)단계에 의해 확인된 상기 소자코일들 각각의 위치에 근거하여 함정의 격벽이나 내부구조의 영향과 상기 소자코일에 전력을 공급하는 전원부의 용량과 동작 중 상기 소자코일로부터 발생하는 열을 고려하여 상기 소자코일의 배치 위치를 조정함으로써 상기 소자코일에 대한 상세설계를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소자코일 설계방법.
  7. 선체에 대한 정보, 소자코일에 대한 정보 및 함정의 자기장정보를 입력받기 위한 정보입력부;
    상기 정보입력부로부터 입력되는 상기 선체에 대한 정보, 상기 소자코일에 대한 정보 및 상기 함정의 자기장정보를 이용하여 상기 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 따른 소자코일 설계방법을 수행하는 연산부; 및
    상기 연산부에 의한 수행결과, 완료된 상기 소자코일에 대한 설계정보를 출력하는 결과출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소자코일 설계장치.
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