KR101956062B1 - 저온 초전도 자석 설계 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저온 초전도 자석 설계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 최소한의 선재량으로 여러 가지의 제한조건들을 만족하는 초전도 자석을 제작할 수 있도록 하는 저온 초전도 자석 설계 장치 및 그 알고리즘에 관한 것이다.
본 발명에 따르는 저온 초전도 자석 설계 장치(100)는, 설계 대상 저온 초전도 자석의 코일관계변수, 제한조건 및 선재관계변수를 포함하는 선재정보를 저장하는 설계정보저장부(101); 상기 코일관계변수로부터 코일 개수를 결정하는 코일 개수 결정부(110); 임의로 선정된 상기 코일관계변수와 선재관계변수들의 조합으로 구성되는 설계 대상 저온 초전도 자석의 해집합을 생성하는 해집합 결정부(120); 상기 해집합의 각각의 해에 대하여 제한 조건의 만족 여부를 판단하는 제한조건 만족 판단부(130); 상기 제한조건 만족 판단부(130)에 의해 제한 조건을 만족하는 각각의 해들에 대하여 소요되는 선재의 길이를 계산하는 선재길이계산부(140); 상기 선재의 길이를 최소로 하는 해를 최상위가 되도록 해들의 순위를 결정하는 해 순위 결정부(150); 및 상기 해 순위 결정부(150)에서 도출된 최상위 해를 설계변수의 해로 결정하는 설계변수해 결정부(180);를 더 포함하여 구성된다.

Description

저온 초전도 자석 설계 장치 및 그 방법{DESIGN APPARATUS FOR LOW TEMPERATURE SUPER CONDUCT MAGNET AND THE METHOD THEREOF}
본 발명은 저온 초전도 자석 설계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 최소한의 선재량으로 여러 가지의 제한조건들을 만족하는 초전도 자석을 제작할 수 있도록 하는 저온 초전도 자석 설계 장치 및 그 알고리즘에 관한 것이다.
초전도 선재의 우월한 성능으로 인해 초전도 선재를 이용한 자기장 발생장치(자석)를 구비한 NMR, MRI, 질량 분석기, PPMS, MPMS 등의 연구장비들이 많이 이용되고 있다.
이러한 연구장비들에 적용되는 초전도 자석들은 정상적인 동작을 위해 중심자기장의 세기, 자기장의 균일도, 허용 임계전류, 기계적 스트레스 및 자석 수납 용기(cryostat) 의 크기와 관련된 크기제한(dimension) 등의 여러 가지 제한조건들을 갖는다.
따라서 최소한의 선재량으로 여러 가지의 제한 조건들을 만족하는 자석을 제작하기 위해서는 최적 설계를 통해 설계 변수를 도출해야 하는 것이 필수적이다.
이에 따라 대한민국 등록특허 제10-0473627호는 1단계로 선형계획법(linear programming method)를 이용하여 주 코일(main coil) 및 차폐 코일(shield coil)의 초기 형상을 결정하고, 2단계로 1단계에서 도출한 초기 형상에 대하여 비선형계획법(nonlinear programming method)을 적용하여 초전도 자석의 형상을 최적화하는 것에 의해 고균등 자장 발생용 초전도 자석을 제작할 수 있도록 하는 고균등 자장발생용 초전도 자석의 설계법을 개시한다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-0635885호는 주코일과 차폐코일 부피를 변수로 하여 전체 부피의 합을 목적함수로 하고 상기 목적함수를 기초로 선형계획법을 이용하여 주코일, 차폐코일의 초기 형상 및 주코일의 분할을 결정하고, 목적함수를 기초로 비선형계획법을 이용하여 선형계획법을 이용하여 결정한 주코일 및 차폐코일의 초기 형상을 보정한 후 보정코일의 형상을 결정하는 것에 의해 초전도 자석을 구성하는 코일들 각각의 위치와 형상을 최적으로 배치하여 자기적 교란을 허용범위 이내로 제한하고, 구조적 및 자기적 안정성을 확보할 수 있는 고균등 자기장 발생용 초전도 자석의 설계 알고리즘을 개시한다.
그러나 상술한 종래기술들의 경우 선형특성을 가지는 자기장 값만을 이용하여 코일이 분포하는 영역을 설정하는 선형계획법과 비선형적인 특성을 가지는 임계전류, 크기 제한(dimension) 등을 고려하여 세부적인 설계를 수행하는 비선형계획법의 2단계의 연산처리 과정을 수행하는 것에 의해 알고리즘이 복잡해지게 되어 연산처리 시간이 많이 소요되는 문제점을 가진다.
또한, 종래 기술들의 경우 자석의 자기 후프 응력(magnetic hoop stress), 임계전류와 통전전류와의 관계 등에 대한 고려가 수행되어 있지 않으며, 업체 별 선재의 종류를 자동을 선정하여 주지 못하는 문제점을 가진다.
대한민국 등록특허 제10-0473627호 대한민국 등록특허 제10-0635885호
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유전알고리즘을 이용하는 것에 의해 연산 처리 단계를 줄임으로써 연산 처리 시간을 최소화하면서도 저온 초전도 자석을 최적으로 설계할 수 있도록 하는 저온 초전도 자석 설계 장치 및 그 알고리즘을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 초전도 자석 설계를 수행함에 있어서 사용할 선재들의 업체 및 업체별 제공 선재들의 특성 정보를 설계변수로 설정하여 초전도 자석 설계를 수행하도록 함으로써, 초전도 자석에 필요한 최적의 선재를 선정할 수 있도록 하는 것에 의해 제작비를 절감시키면서도 성능을 최적화할 수 있도록 하는 저온 초전도 자석 설계 장치 및 그 알고리즘을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저온 초전도 자석 설계 장치(100)는,
설계 대상 저온 초전도 자석의 코일관계변수, 제한조건 및 선재관계변수를 포함하는 선재정보를 저장하는 설계정보저장부(101);
상기 코일관계변수로부터 코일 개수를 결정하는 코일 개수 결정부(110);
임의로 선정된 상기 코일관계변수와 선재관계변수들의 조합으로 구성되는 설계 대상 저온 초전도 자석의 해집합을 생성하는 해집합 결정부(120);
상기 해집합의 각각의 해에 대하여 제한 조건의 만족 여부를 판단하는 제한조건 만족 판단부(130);
상기 제한조건 만족 판단부(130)에 의해 제한 조건을 만족하는 각각의 해들에 대하여 소요되는 선재의 길이를 계산하는 선재길이계산부(140);
상기 선재의 길이를 최소로 하는 해를 최상위가 되도록 해들의 순위를 결정하는 해 순위 결정부(150); 및
상기 해 순위 결정부(150)에서 도출된 최상위 해를 설계변수의 해로 결정하는 설계변수해 결정부(180);를 더 포함하여 구성된다.
상기 코일관계변수는,
보빈외경과 코일들 간의 거리, 코일들 사이의 간격, 코일의 R(초전도 자석의 원주 방향) 및 Z 방향(초전도 자석 높이 방향) 턴 수를 포함할 수 있다.
상기 선재관계변수는,
업체, 업체별 (초전도)선재 종류와 각 선재별 Cu:SC 비율, 비절연 상태의 선재 직경, 절연 상태의 선재 직경, 자기장당 임계전류 정보를 포함할 수 있다.
상기 제한 조건은,
자기장세기-균일도, 기계적 스트레스, 임계전류 및 자석 용기(cryostat)의 크기에 따른 공간 제한을 포함할 수 있다.
상기 저온 초전도 자석 설계 장치(100)는,
상기 설계변수해 결정부(180)에 의한 설계변수해 결정 이전에, 기 설정된 정확도를 만족하도록 설정된 연산 반복 횟수에 도달하였는지를 판단하여 도달된 경우 설계변수해 도출을 위한 연산처리를 중지시키고, 도달하지 않은 경우 설계변수해 도출을 위한 연선처리를 반복 수행하도록 하는 종료판단부(160); 및
상기 종료판단부(160)의 판단 결과 설계 과정을 반복 수행하도록 판단된 경우, 도출된 해집합에서 기 설정된 상위 해들을 추출하고, 해집합이 기 설정된 개수의 해를 가지도록 유전자알고리즘을 적용하여 임의의 해들을 생성하여 추가한 후 상기 제한조건 만족 판단부(130)로 출력하는 유전자알고리즘적용부(170);를 더 포함하고,
상기 설계변수해 결정부(180)는,
상기 종료판단부(160)의 판단 결과 기 설정된 정확도를 만족하도록 설정된 연산 반복 횟수에 도달한 경우, 상기 해 순위 결정부(150)에서 도출된 최상위 해를 설계변수의 해로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 유전자알고리즘적용부(170)는,
상기 해 순위 결정부(150)에서 순위가 부여된 해 중 기 설정된 상위의 해를 제외한 나머지를 제거하는 선택;
상기 선택된 상위 해들에 포함된 변수들을 기 설정된 범위 내에서 무작위로 선택된 다른 값으로 치환하는 교배; 및
상기 코일관계변수와 선재관계변수를 무작위로 선택한 후 추가하는 것에 의해 저온 초전도 자석 설계를 위해 기 설정된 개수의 해를 가지는 해집합을 생성하는 변이;를 수행하여 해를 추가하는 것에 의해 해집합을 새로이 구성하도록 구성될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저온 초전도 자석 설계 알고리즘은,
설계 대상 저온 초전도 자석의 코일관계변수, 제한 조건 및 선재관계변수를 포함하는 선재정보를 저장하는 설계정보저장부(101), 코일 개수 결정부(110), 해집합 결정부(120), 제한조건 만족 판단부(130), 선재길이계산부(140), 해 순위 결정부(150) 및 설계변수해 결정부(180)를 포함하는 저온 초전도 자석 설계 장치에 의한 저온 초전도 자석 설계 알고리즘에 있어서,
상기 코일 개수 결정부(110)가 상기 코일관계변수로부터 코일 개수를 결정하는 코일(자석) 개수 결정과정(S10);
상기 해집합 결정부(120)가 임의로 선정된 상기 코일관계변수와 선재관계변수들의 조합으로 구성되는 설계 대상 저온 초전도 자석의 해집합을 생성하는 해집합 결정과정(S20);
상기 제한조건 만족 판단부(130)가 상기 해집합의 각각의 해(설계변수해)에 대하여 제한 조건의 만족 여부를 판단하는 제한조건 만족 판단과정(S30);
상기 선재길이계산부(140)가 제한조건 만족 판단부(130)에서 제한 조건을 만족하지 않는 해들은 제거한 후, 제한 조건을 만족하는 각각의 해들에 대하여 소요되는 선재의 길이를 계산하는 선재길이계산과정(S40);
상기 해 순위 결정부(150)가 계산된 선재의 길이를 최소로 하는 해를 최상위가 되도록 해들의 순위를 결정하는 해 순위 결정과정(S50); 및
상기 설계변수해 결정부(180)가 상기 종료판단부(160)의 판단 결과 기 설정된 정확도를 만족하도록 설정된 연산 반복 횟수에 도달한 경우, 상기 해 순위 결정부(150)에서 도출된 최상위 해를 설계변수의 해로 결정하는 설계변수해 결정과정(S80);을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 코일관계변수는,
보빈외경과 코일들 간의 거리, 코일들 사이의 간격, 코일의 R(초전도 자석의 원주 방향) 및 Z 방향(초전도 자석 높이 방향) 턴 수를 포함할 수 있다.
상기 선재관계변수는,
업체, 업체별 (초전도)선재 종류와 각 선재별 Cu:SC 비율, 비절연 상태의 선재 직경, 절연 상태의 선재 직경, 자기장당 임계전류 정보를 포함할 수 있다.
상기 제한 조건은,
자기장세기-균일도, 기계적 스트레스, 임계전류 및 자석 용기(cryostat)의 크기에 따른 공간 제한을 포함할 수 있다.
상기 저온 초전도 자석 설계 알고리즘은,
상기 저온 초전도 자석 설계 장치상기 종료판단부(160) 및 유전자알고리즘적용부(170)를 더 포함하여, 상기 설계변수해 결정과정(S80)의 수행 이전에,
상기 종료판단부(160)가 기 설정된 정확도를 만족하도록 설정된 연산 반복 횟수에 도달하였는지를 판단하여 도달된 경우 설계변수해 도출을 위한 연산처리를 중지시키고, 도달하지 않은 경우 설계변수해 도출을 위한 연선처리를 반복 수행하도록 하는 종료판단과정(S60); 및
상기 유전자알고리즘적용부(170)가 상기 종료판단부(160)의 판단 결과 초전도 자석 설계를 위한 연산처리를 반복 수행하도록 판단된 경우, 도출된 해집합에서 기 설정된 상위 해들을 추출하고, 해집합이 기 설정된 개수의 해를 가지도록 유전자알고리즘을 적용하여 임의의 해들을 생성하여 추가한 후 상기 제한조건 만족 판단부(130)로 출력하는 유전자알고리즘적용과정(S70);을 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 유전자알고리즘적용과정(S70)은,
상기 해 순위 결정부(150)에서 순위가 부여된 해 중 기 설정된 상위의 해를 제외한 나머지를 제거하는 선택을 수행하는 선택과정(S71);
상기 선택된 상위 해들에 포함된 변수들을 기 설정된 범위 내에서 무작위로 선택된 다른 값으로 치환하는 교배를 수행하는 교배과정(S72); 및
상기 코일관계변수와 선재관계변수를 무작위로 선택한 후 추가하는 것에 의해 저온 초전도 자석 설계를 위해 기 설정된 개수의 해를 가지는 해집합을 생성하는 변이를 수행하는 변이과정(S73);을 포함하여 해집합을 새로이 구성하도록 구성될 수 있다.
상술한 구성의 본 발명은, 유전알고리즘을 이용하는 것에 의해 연산 처리 단계를 줄임으로써 연산 처리 시간을 최소화하면서도 저온 초전도 자석을 최적으로 설계할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 초전도 자석 설계를 수행함에 있어서 사용할 선재들의 업체 및 업체별 제공 선재들의 특성 정보를 설계변수로 설정하여 초전도 자석 설계를 수행하도록 함으로써, 초전도 자석에 필요한 최적의 선재를 선정할 수 있도록 하는 것에 의해 제작비를 절감시키면서도 성능을 최적화할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
도 1은 소프트웨어로 구현된 본 발명의 실시예에 따르는 저온 초전도 자석 설계 장치(100)를 탑재한 컴퓨터(1)의 구성도.
도 2는 선재정보의 예를 나타내는 도면.
도 3은 제한 조건(자석의 설계 조건) 및 코일관계변수를 나타내는 도면.
도 4은 코일의 개수별 코일 관계 변수들의 생성 예를 나타내는 도면.
도 5는 제한조건 중 자기장 세기-균일도 관련 제한 조건 만족 판단 처리를 도식적으로 나타낸 도면.
도 6은 임계전류 제한 조건 만족 판단 처리를 위한 자기장대 임계전류밀도 관계를 나타내는 그래프.
도 7은 선재길이 계산 과정을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따르는 저온 초전도 자석 설계 알고리즘의 처리과정을 나타내는 순서도.
도 9는 상기 유전자알고리즘적용과정(S70)의 상세 처리과정을 나타내는 순서도.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 단어 "예시적인" 은 "예로서, 일례로서, 또는 예증으로서 역할을 한다."라는 것을 의미하기 위해 이용된다. "예시적"으로서 본 명세서에서 설명된 임의의 양태들은 다른 양태들에 비해 반드시 선호되거나 또는 유리하다는 것으로서 해석되어야 하는 것만은 아니다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 소프트웨어로 구현된 본 발명의 실시예에 따르는 저온 초전도 자석 설계 장치(100)를 탑재한 컴퓨터(1)의 구성도이다.
도 1과 같이, 상기 저온 초전도 자석 설계장치(100)가 탐재된 컴퓨터(1)는 저장부(10), 제어부(20), 입력부(30), 출력부(40), 표시부(50) 및 통신부(60)를 포함하여 구성된다.
상기 저장부(10)는 입력부(30)를 통해 입력된 저온 초전도 자석 설계를 위한 초전도 자석 정보, 초전도 선재 정보, 소프트웨어로 구현된 저온 초전도 자석 설계 장치(100) 및 컴퓨터(1)의 구동을 위한 데이터를 저장하는 하드디스크, EP-ROM 등의 컴퓨터가 읽고 쓸 수 있는 저장매체로 구성될 수 있다. 상기 저온 초전도 자석 설계 장치(100)는 소프트웨어가 아닌 독립적인 하드웨어 장치로 구성될 수도 있다.
상기 초전도 자석 정보는, 초전도 선재가 권취된 저온 초전도 자석이 수납되는 용기(cryostat)의 크기, 보빈 외경과 코일의 간격, 코일의 R 방향(원주 방향) Z방향(높이 방향)의 턴 수, 선재관계변수 등의 데이터를 포함한다. 상기 선재관계변수는 저온 초전도 자석의 설계 시 업체별 최적의 선재를 선정할 수 있도록 선재관련 업체 및 특성 정보를 변수화 한 데이터이다. 이러한 선재관계변수로는 업체별 선재들에 대한 Cu:SC의 함유 비율, 비절연 상태와 절연 상태의 선재직경, 자기장당 임계전류 등의 정보로 구성된다. 상술한 저온 초전도 자석 정보들이 해집합을 구성하는 해들에 포함된 변수들이 된다.
상기 제어부(20)는 소프트웨어로 구현된 저온 초전도 자석 설계 장치(100)를 로딩하여 실행하며, 컴퓨터(1)를 구성하는 입력부(30), 출력부(40), 표시부(50) 및 통신부(60)의 구동을 제어하도록 구성된다.
상기 입력부(30)는 저온 초전도 자석 설계를 위한 초전도 자석에 포함되는 코일의 개수(자석 영역의 개수), 보빈 외경과 코일의 간격, 코일의 R 방향(원주 방향) Z방향(높이 방향)의 턴 수, 선재관계변수 등의 데이터 또는 구동 명령을 입력하여 저장하거나 입력할 수 있도록 구성되는 것으로, 키보드가 접속되는 키보드입력포트, USB 입력장치, 마그네틱 저장장치 또는 광디스크 저장장치 등의 저장장치에 데이터를 기록하고 읽을 수 있는 디스크 드라이버 등의 리드라이트장치 또는 파일 데이터를 입력 받을 수 있는 파일 입력 장치 등으로 구성될 수 있다.
상기 출력부(40)는 저온 초전도 자석 설계 장치(100)의 구동 결과를 출력하도록 구성되는 것으로서, 프린터, 플로터 등을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 표시부(50)는 저온 초전도 자석 설계 장치(1)의 구동 과정을 확인할 수 있도록 하는 정보 표시 장치로서 디스플레이 장치 등으로 구성될 수 있다.
상기 통신부(60)는 저온 초전도 자석 설계 장치(1)가 통신망을 통해 외부 통신장치와 통신을 수행할 수 있도록 하는 통신 기능을 제공하도록 구성된다.
다음으로, 도 1을 참조하여 저온 초전도 자석 설계 장치(100)를 상세히 설명한다.
상기 저온 초전도 자석 설계 장치(100)는 설계 대상 저온 초전도 자석의 설계정보인 제한 조건, 코일관계변수 및 선재관계변수를 포함하는 선재정보를 저장하는 설계정보저장부(101), 코일 개수 결정부(110), 해집합 결정부(120), 제한조건 만족 판단부(130), 선재길이계산부(140), 해 순위 결정부(150); 종료판단부(160), 유전자알고리즘적용부(170) 및 설계변수해 결정부(180)를 포함하여 구성된다.
상기 설계정보저장부(101)는 설계 대상 저온 초전도 자석의 제한조건, 코일관계변수 및 선재관계변수를 포함하는 선재정보를 저장하도록 구성된다.
도 2는 선재정보를 나타내는 도면이며, 도 3은 제한 조건(자석의 설계 조건) 및 코일관계변수를 나타내는 도면이고, 도 4는 코일의 개수별 코일 관계 변수들의 생성 예를 나타내는 도면이다.
상기 선재정보는 (초전도)선재 제조 또는 공급 업체별 선재관계변수를 포함하며, 상기 선재관계변수는 도 2와 같이, 업체별 (초전도)선재 종류와 각 선재별 Cu:SC 비율, 비절연 상태의 선재 직경, 절연 상태의 선재 직경, 자기장당 임계전류 정보를 포함할 수 있다.
상기 자석 설계 조건(제한 조건)은 도 3과 같이, 자기장세기-균일도, 기계적 스트레스(magnetic stress 또는 hoop stress), 임계전류 및 자석 용기(cryostat)의 크기에 따른 공간 제한을 포함할 수 있다.
상기 제한 조건을 구체적으로 설명하면, 자기장의 세기는 중심자기장(B0)로서 요구된 특정 값 이상(또는 초과)이고, 자기장의 균일도는 중심으로부터 기 설정된 반경 내의 자기장(B1)의 차가 기 설정된 값 이하(또는 미만)가 되어야 한다.
용기(cryostat)와 관련해서는 용기의 크기 제한으로서 보빈의 내경(cold bore)과 외경(Winding bore) 및 높이가 특정 값 이하(또는 미만)여야 한다. 구체적으로 보빈의 내경은 자석 안의 샘플크기에 따른 특정 값 이하의 값(예: 샘플 공간의 2배 이상의 값 등)을 가져야 한다. 코어의 직경(Outer diameter)과 높이(height)는 냉각 용기 공간과 관련된 것으로서 특정값 이하, 일 예로 자석의 외경은 냉각용기 직경의 80% 이하, 높이는 냉각 용기 헬름 수용 공간의 70% 이하 등으로 설정된다.. 기계적 스트레스는 초전도 선의 기계적 한계에 따른 것으로서 저온 초전도 선재의 허용 후프 스트레스(hoop stress) 값이 약 350MPa 이하 등의 특정 값을 가져야 한다. 그리고 최소 임계전류는 초전도체의 특징으로서 초전도 자석의 사용 중의 통전 전류보다 커야 한다.
상술한 코일관계변수는 보빈외경과 코일들 간의 거리, 코일들 사이의 간격, 코일의 R(초전도 자석의 원주 방향) 및 Z 방향(초전도 자석 높이 방향) 턴 수를 포함하는 것으로서 코일의 개수에 따라 가변된다. 상기 선재관계변수는 (초전도)선재 제조 또는 공급 업체, 업체별 (초전도)선재 종류와 각 선재별 Cu:SC 비율, 비절연 상태의 선재 직경, 절연 상태의 선재 직경, 자기장당 임계전류 정보를 포함할 수 있다. 따라서 자석 설계를 위한 전체 자석 설계 변수는 코일관계변수와 선재관계변수의 합의 개수가 된다.
구체적으로, 도 4의 (a)와 같이, 코일이 한 개로 구성되는 경우에는 보빈과 코일 사이의 R방향 거리, 코일의 R방향 및 Z방향 턴수를 포함하는 3개의 코일관계변수와 선재관계변수를 포함하는 4개의 자석 설계 변수를 가진다.
다음으로, 도 4의 (b)와 같이, 코일이 두 개인 경우(coil1, coil2)에는 보빈과 두 개의 코일 사이의 R방향 거리, 두개의 코일의 R방향 및 Z방향 턴 수를 포함하는 7개의 코일관계변수와 선재관계변수를 포함하는 8개의 변수를 가진다.
도 4의 (c)와 같이, 코일이 3 개인 경우(coil1, coil2, coil3)에는 보빈과 3 개의 코일 사이의 R방향 거리, 두개의 코일의 R방향 및 Z방향 턴 수를 포함하는 11개의 코일관계변수와 선재관계변수를 포함하는 12개의 변수를 가진다.
이와 같이, 상기 코일관계변수와 선재관계변수를 포함하는 자석 설계 변수는 코일의 개수에 따라 가변될 수 있다.
다시, 도 1을 참조하여 설명하면, 상기 코일 개수 결정부(110)는 상기 코일관계변수로부터 코일 개수를 결정하도록 구성된다.
상기 해집합 결정부(120)는 임의로 선정된 코일관계변수와 선재관계변수들의 조합으로 구성되는 설계 대상 저온 초전도 자석의 해집합을 생성하도록 구성된다.
상기 제한조건 만족 판단부(130)는 상기 해집합의 각각의 해에 대하여 제한 조건의 만족 여부를 판단하도록 구성된다. 이때 상기 제한조건 만족 판단부(130)는 해집합의 해들 중 제한 조건을 만족하지 않는 해들은 제거한다. 이 과정에서, 저장된 선재정보를 각각 적용하는 것에 의해 저온 초전도 자석 설계 조건에 부합하는 업체별 선재 정보가 자동으로 도출된다.
도 5는 제한조건 중 자기장 세기-균일도 관련 제한 조건 만족 판단 처리를 도식적으로 나타낸 도면이고, 도 6은 임계전류 제한 조건 만족 판단 처리를 위한 자기장대 임계전류밀도 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5와 같이, 제한 조건으로서의 자기장의 세기는 상술한 바와 같이, 중심자기장의 세기와 균일도를 포함한다.
저온 초전도 자석에서 중심자기장(B0)은
Figure 112017063102026-pat00001
(여기서, Bz: Z 좌표 위치의 자기장 세기, r: 자기 중심점에서의 거리, θ: 수직방향(Z) 각도, φ: 방위각, n: 정수 (1~무한대),
Figure 112017063102026-pat00002
: 르장드르 연관함수 ,
Figure 112017063102026-pat00003
는
Figure 112017063102026-pat00004
에 의해 도출되며, 설계 대상 저온 초전도 자석에 요구되는 특정 값 이상(또는 초과)일 것을 제한 조건으로 갖는다.
그리고 자기장의 균일도는,
Figure 112017063102026-pat00005
(여기서, Bmax: 최대 자기장, Bmin: 최소자기장, Bcenter: 중심자기장)에 의해 도출되고, 설계 대상 저온 초전도 자석에 요구되는 특정 값 이하(또는 미만)일 것을 제한 조건으로 갖는다.
기계적 스트레스 제한 조건의 만족 판단을 위한 기계적 스트레스는
Figure 112017063102026-pat00006
,
Figure 112017063102026-pat00007
(여기서, u: 변위(displacement), v: 포아송 비(poisson ration), Y: 영율(Young's modulus), J: 전류밀도(current density))에 의해 도출되고, 설계 대상 저온 초전도 자석에 요구되는 특정 값 이하(또는 미만)일 제한 조건으로 갖는다.
도 6과 같이 제한 조건으로서의 초과하는 경우 초전도 상태를 상실하게 되는 임계 전류는 인가 자기장에 반비례 하는 것으로서, 저온 초전도 자석의 통상 운전 전류가 임계전류의 60~ 70% 이하의 값을 가지도록 하는 제한 조건을 갖는다.
다시. 도 1을 참조하여 설명하면, 상기 선재길이계산부(140)는 제한조건 만족 판단부(130)에 의해 제한 조건을 만족하는 것으로 판단된 변수들을 가지는 각각의 해를 가지는 저온 초전도 자석의 제작에 소요되는 선재의 길이를 계산하도록 구성된다.
도 7은 저온 초전도 자석의 선재길이 산출을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 7과 같이, 상기 선재 길이는 권선되는 초전도 코일들의 면적과 길이의 합으로 산출된다.
즉, 보빈에 다층으로 권선되는 초전도 선재의 단면에 각각 가로 i, 세로 j의 인덱스를 부여하고, 자기 중심점으로부터의 R방향 거리를 r이라 하면, 설계 대상 저온 초전도 자석의 제작을 위해 소요되는 선재의 전체 길이는,
Figure 112017063102026-pat00008
에 의해 계산된다.
다시, 도 1을 참조하여 설명하면, 상기 해 순위 결정부(150)는 선재길이계산부(140)에 의해 제한조건을 만족하는 해별로 계산된 필요 선재의 길이가 최소가 되는 해를 최상위가 되도록 해들의 순위를 부여하도록 구성된다.
상기 종료판단부(160)는 해 순위 결정부(150)에 의해 최상위 순위를 가지는 해가 도출된 경우, 기 설정된 정확도를 만족하도록 기 설정된 연산 반복 횟수에 도달하였는지를 판단하여, 기 설정된 연산 반복 횟수에 도달된 경우 자석 설계를 위한 변수들을 가지는 해의 도출을 위한 연산처리를 중지시키고, 기 설정된 연산 반복 횟수에 도달하지 않은 경우 자석 설계를 위한 변수들을 가지는 해의 도출을 위한 연선처리를 반복 수행하도록 하도록 구성된다. 이때, 상기 연산처리를 기 설정된 반복 횟수는 저온 초전도 자석의 필요조건에 따른 정확도를 만족하도록 임의(예, 10회, 20회, .... 또는 100 회 등)로 설정된다.
상기 유전자알고리즘적용부(170)는 상기 종료판단부(160)에 의해 저온 초전도 자석 제작에 필요한 설계변수 해의 도출을 위한 연산처리를 반복 수행하도록 판단된 경우, 도출된 해집합에서 기 설정된 개수(예: 상위 10개 등) 상위 해들을 추출하고, 해집합이 기 설정된 개수의 해를 가지도록 유전자알고리즘을 적용하여 임의의 해들을 생성하여 추가한 후 상기 제한조건 만족 판단부(130)로 출력하는 것에 의해 저온 초전도 자석 설계변수 해를 도출하는 연산처리과정을 반복 수행시키도록 구성된다.
상기 설계변수해 결정부(180) 종료판단부(160)의 판단 결과 기 설정된 정확도를 만족하도록 설정된 연산 반복 횟수에 도달한 경우, 상기 해 순위 결정부(150)에서 도출된 최상위 해를 설계변수의 해로 결정하도록 구성된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따르는 저온 초전도 자석 설계 알고리즘의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 8과 같이, 설계 대상 저온 초전도 자석의 코일관계변수, 제한 조건 및 선재관계변수를 포함하는 선재정보를 저장하는 설계정보저장부(101), 코일 개수 결정부(110), 해집합 결정부(120), 제한조건 만족 판단부(130), 선재길이계산부(140), 해 순위 결정부(150); 종료판단부(160), 유전자알고리즘적용부(170) 및 설계변수해 결정부(180)를 포함하는 저온 초전도 자석 설계 장치에 의한 저온 초전도 자석 설계 알고리즘은, 코일(자석) 개수 결정과정(S10), 해집합 결정과정(S20), 제한조건 만족 판단과정(S30), 선재길이계산과정(S40), 해 순위 결정과정(S50), 종료판단과정(S60), 유전자알고리즘적용과정(S70) 및 설계변수해 결정과정(S80);을 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 코일 개수 결정부(110)가 상기 코일관계변수로부터 코일 개수를 결정하는 코일(자석) 개수 결정과정(S10)을 수행한다.
이 후, 상기 해집합 결정부(120)가 임의로 선정된 상기 코일관계변수와 선재관계변수들의 조합으로 구성되는 설계 대상 저온 초전도 자석의 해집합을 생성하는 해집합 결정과정(S20)을 수행한다.
다음으로, 상기 제한조건 만족 판단부(130)가 상기 해집합의 각각의 해에 대하여 저온 초전도 자석 특성 및 용기의 크기 제한에 따르는 제한 조건의 만족 여부를 판단하는 제한조건 만족 판단과정(S30)을 수행한다.
제한조건 만족 판단과정(S30)이 수행된 후에는 상기 선재길이계산부(140)가 제한조건 만족 판단부(130)에서 제한 조건을 만족하지 않는 해들은 제거한 후, 제한 조건을 만족하는 각각의 해들에 대하여 소요되는 선재의 길이를 계산하는 선재길이계산과정(S40)을 수행한다.
상기 해 순위 결정부(150)는 계산된 선재의 길이를 최소로 하는 해를 최상위가 되도록 해들의 순위를 결정하는 해 순위 결정과정(S50)을 수행한다.
해 순위 결정부(150)에 의해 해집합에서 제한 조건을 만족하는 해들의 순위가 결정된 후에는, 상기 종료판단부(160)가 기 설정된 정확도를 만족하도록 설정된 연산 반복 횟수에 도달하였는지를 판단하여 도달된 경우 설계변수해 도출을 위한 연산처리를 중지시키고, 도달하지 않은 경우 설계변수해 도출을 위한 연선처리를 반복 수행하도록 하는 종료판단과정(S60)을 수행한다.
종료판단과정(S60)의 판단 결과 초전도 자석 설계를 위한 연산처리를 반복 수행하도록 판단된 경우, 유전자알고리즘적용부(170)가 도출된 해집합에서 기 설정된 상위 해들을 추출하고, 해집합이 기 설정된 개수의 해를 가지도록 유전자알고리즘을 적용하여 임의의 해들을 생성하여 추가한 후 제한조건 만족 판단부(130)로 출력하는 유전자알고리즘적용과정(S70)을 수행하는 것에 의해 초전도 자석 설계를 위한 변수해 도출을 위한 연산과정을 반복 수행하도록 한다.
도 9는 상기 유전자알고리즘 적용과정(S70)의 상세 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 9를 참조하여 상기 유전자알고리즘적용과정(S70)을 구체적으로 설명하면, 먼저, 해 순위 결정부(150)에서 순위가 부여된 해 중 기 설정된 상위의 해를 제외한 나머지를 제거하는 선택을 수행하는 선택과정(S71)이 수행된다. 이 후, 선택된 상위 해들에 포함된 변수들을 기 설정된 범위 내에서 무작위로 선택된 다른 값으로 치환하는 교배를 수행하는 교배과정(S72)이 수행된다. 다음으로, 코일관계변수와 선재관계변수를 무작위로 선택한 후 추가하는 것에 의해 저온 초전도 자석 설계를 위해 기 설정된 개수의 해를 가지는 해집합을 생성하는 변이를 수행하는 변이과정(S73);을 수행하는 것에 의해 해집합들에 새로 생성된 해들을 포함시키게 된다.
다시. 도 8을 참조하여 설명하면, 상기 종료판단부(160)의 판단 결과 기 설정된 정확도를 만족하도록 설정된 연산 반복 횟수에 도달한 경우, 상기 설계변수해 결정부(180)가 해 순위 결정부(150)에서 도출된 최상위 해를 설계변수의 해로 결정하는 설계변수해 결정과정(S80)을 수행하는 것에 의해 저온 초전도 자석 설계를 종료한다.
상술한 본 발명의 저온 초전도 자석 설계 알고리즘은 프로그램으로 구현된 후 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체의 형태로 제작되거나, 저온 초전도 자석 설계 알고리즘은 프로그램을 탑재한 컴퓨터 또는 저온 초전도 자석 설계 장치(100)의 각 구성을 포함하여 독립적인 하드웨어 장치로 구성될 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 컴퓨터
100: 저온 초전도 자석 설계 장치

Claims (10)

  1. 설계 대상 저온 초전도 자석의 코일관계변수, 제한조건 및 선재관계변수를 포함하는 선재정보를 저장하는 설계정보저장부(101);
    상기 코일관계변수로부터 코일 개수를 결정하는 코일 개수 결정부(110);
    임의로 선정된 상기 코일관계변수와 선재관계변수들의 조합으로 구성되는 설계 대상 저온 초전도 자석의 해집합을 생성하는 해집합 결정부(120);
    상기 해집합의 각각의 해에 대하여 제한 조건의 만족 여부를 판단하는 제한조건 만족 판단부(130);
    상기 제한조건 만족 판단부는 상기 해집합의 해들 중 제한 조건을 만족하지 않는 해들은 제거하며 저장된 선재정보를 각각 적용하는 것에 의해 저온 초전도 자석 설계 조건의 업체별 선재 정보가 자동으로 도출되며,
    저온 초전도 자석에서 중심자기장(B0)은
    Figure 112019501665647-pat00027

    (여기서, Bz: Z 좌표 위치의 자기장 세기, r: 자기 중심점에서의 거리, θ: 수직방향(Z) 각도,
    Figure 112019501665647-pat00028
    : 방위각, n: 정수 (1~무한대),
    Figure 112019501665647-pat00029
    : 르장드르 연관 함수,
    Figure 112019501665647-pat00030
    는
    Figure 112019501665647-pat00031
    에 의해 도출되며, 설계 대상 저온 초전도 자석에 요구되는 특정 값 이상(또는 초과)일 것을 제한 조건으로 갖는다.)
    그리고 자기장의 균일도는,
    Figure 112019501665647-pat00032

    (여기서, Bmax: 최대 자기장, Bmin: 최소자기장, Bcenter: 중심자기장)에 의해 도출되고, 설계 대상 저온 초전도 자석에 요구되는 특정 값 이하(또는 미만)일 것을 제한 조건으로 갖는다.)
    기계적 스트레스 제한 조건의 만족 판단을 위한 기계적 스트레스는
    Figure 112019501665647-pat00033
    ,
    Figure 112019501665647-pat00034

    (여기서, u: 변위(displacement), v: 포아송 비(poisson ration), Y: 영율(Young's modulus), J: 전류밀도(current density))에 의해 도출되고, 설계 대상 저온 초전도 자석에 요구되는 특정 값 이하(또는 미만)일 제한 조건으로 갖는다.)
    상기 제한조건 만족 판단부(130)에 의해 제한 조건을 만족하는 각각의 해들에 대하여 소요되는 선재의 길이를 계산하는 선재길이계산부(140);
    상기 선재길이계산부는 보빈에 다층으로 권선되는 초전도 선재의 단면에 각각 가로 i, 세로 j의 인덱스를 부여하고, 자기 중심점으로부터의 R방향 거리를 r이라 하면, 설계 대상 저온 초전도 자석의 제작을 위해 소요되는 선재의 전체 길이는,
    Figure 112019501665647-pat00035
    의해 계산되고,.
    (여기서, 반지름 r11 인 (1,1) 번째 턴의 권선길이는 2* π*r11,
    반지름 r12 인 (1,2) 번째 턴의 권선길이는 2* π*r12, …..
    반지름 rij 인 (i,j) 번째 턴의 권선길이는 2* π*rij,
    모든 턴에 대해 권선길이를 구한 후 , 다 더하면 전체 턴 길이가 계산됨)
    상기 선재의 길이를 최소로 하는 해를 최상위가 되도록 해들의 순위를 결정하는 해 순위 결정부(150);
    상기 해 순위 결정부(150)에서 도출된 최상위 해를 설계변수의 해로 결정하는 설계변수해 결정부(180);
    코일관계변수는,
    보빈외경과 코일들 간의 거리, 코일들 사이의 간격, 코일의 R(초전도 자석의 원주 방향) 및 Z 방향(초전도 자석 높이 방향) 턴 수를 포함하여 구성되는 저온 초전도 자석 설계 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 선재관계변수는,
    업체, 업체별 (초전도)선재 종류와 각 선재별 Cu:SC 비율, 비절연 상태의 선재 직경, 절연 상태의 선재 직경, 자기장당 임계전류 정보를 포함하여 구성되며,
    상기 제한 조건은,
    자기장세기-균일도, 기계적 스트레스, 임계전류 및 자석 용기(cryostat)의 크기에 따른 공간 제한을 포함하여 구성되는 저온 초전도 자석 설계 장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 설계변수해 결정부(180)에 의한 설계변수해 결정 이전에, 기 설정된 정확도를 만족하도록 설정된 연산 반복 횟수에 도달하였는지를 판단하여 도달된 경우 설계변수해 도출을 위한 연산처리를 중지시키고, 도달하지 않은 경우 설계변수해 도출을 위한 연선처리를 반복 수행하도록 하는 종료판단부(160); 및
    상기 종료판단부(160)의 판단 결과 설계 과정을 반복 수행하도록 판단된 경우, 도출된 해집합에서 기 설정된 상위 해들을 추출하고, 해집합이 기 설정된 개수의 해를 가지도록 유전자알고리즘을 적용하여 임의의 해들을 생성하여 추가한 후 상기 제한조건 만족 판단부(130)로 출력하는 유전자알고리즘적용부(170);를 더 포함하고,
    상기 설계변수해 결정부(180)는,
    상기 종료판단부(160)의 판단 결과 기 설정된 정확도를 만족하도록 설정된 연산 반복 횟수에 도달한 경우, 상기 해 순위 결정부(150)에서 도출된 최상위 해를 설계변수의 해로 결정하도록 구성되는 저온 초전도 자석 설계 장치.
  6. 설계 대상 저온 초전도 자석의 코일관계변수, 제한 조건 및 선재관계변수를 포함하는 선재정보를 저장하는 설계정보저장부(101), 코일 개수 결정부(110), 해집합 결정부(120), 제한조건 만족 판단부(130), 선재길이계산부(140), 해 순위 결정부(150) 및 설계변수해 결정부(180)를 포함하는 저온 초전도 자석 설계 장치에 의한 저온 초전도 자석 설계 알고리즘에 있어서,
    상기 코일 개수 결정부(110)가 상기 코일관계변수로부터 코일 개수를 결정하는 코일(자석) 개수 결정과정(S10);
    상기 해집합 결정부(120)가 임의로 선정된 상기 코일관계변수와 선재관계변수들의 조합으로 구성되는 설계 대상 저온 초전도 자석의 해집합을 생성하는 해집합 결정과정(S20);
    상기 제한조건 만족 판단부(130)가 상기 해집합의 각각의 해(설계변수해)에 대하여 제한 조건의 만족 여부를 판단하는 제한조건 만족 판단과정(S30);
    상기 선재길이계산부(140)가 제한조건 만족 판단부(130)에서 제한 조건을 만족하지 않는 해들은 제거한 후, 제한 조건을 만족하는 각각의 해들에 대하여 소요되는 선재의 길이를 계산하는 선재길이계산과정(S40);
    상기 해 순위 결정부(150)가 계산된 선재의 길이를 최소로 하는 해를 최상위가 되도록 해들의 순위를 결정하는 해 순위 결정과정(S50); 및
    상기 설계변수해 결정부(180)가 종료판단부(160)의 판단 결과 기 설정된 정확도를 만족하도록 설정된 연산 반복 횟수에 도달한 경우, 상기 해 순위 결정부(150)에서 도출된 최상위 해를 설계변수의 해로 결정하는 설계변수해 결정과정(S80);
    상기 코일관계변수는,
    보빈외경과 코일들 간의 거리, 코일들 사이의 간격, 코일의 R(초전도 자석의 원주 방향) 및 Z 방향(초전도 자석 높이 방향) 턴 수를 포함하여 구성되는 저온 초전도 자석 설계 장치에 의한 저온 초전도 자석 설계 알고리즘.
  7. 삭제
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 선재관계변수는,
    업체, 업체별 (초전도)선재 종류와 각 선재별 Cu:SC 비율, 비절연 상태의 선재 직경, 절연 상태의 선재 직경, 자기장당 임계전류 정보를 포함하여 구성되며,
    상기 제한 조건은,
    자기장세기-균일도, 기계적 스트레스, 임계전류 및 자석 용기(cryostat)의 크기에 따른 공간 제한을 포함하여 구성되는 상기 저온 초전도 자석 설계 장치에 의한 저온 초전도 자석 설계 알고리즘.
  9. 삭제
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 저온 초전도 자석 설계 장치 상기 종료판단부(160) 및 유전자알고리즘적용부(170)를 더 포함하여, 상기 설계변수해 결정과정(S80)의 수행 이전에,
    상기 종료판단부(160)가 기 설정된 정확도를 만족하도록 설정된 연산 반복 횟수에 도달하였는지를 판단하여 도달된 경우 설계변수해 도출을 위한 연산처리를 중지시키고, 도달하지 않은 경우 설계변수해 도출을 위한 연선처리를 반복 수행하도록 하는 종료판단과정(S60); 및
    상기 유전자알고리즘적용부(170)가 상기 종료판단부(160)의 판단 결과 초전도 자석 설계를 위한 연산처리를 반복 수행하도록 판단된 경우, 도출된 해집합에서 기 설정된 상위 해들을 추출하고, 해집합이 기 설정된 개수의 해를 가지도록 유전자알고리즘을 적용하여 임의의 해들을 생성하여 추가한 후 상기 제한조건 만족 판단부(130)로 출력하는 유전자알고리즘적용과정(S70);을 더 포함하여 구성되는 상기 저온 초전도 자석 설계 장치에 의한 저온 초전도 자석 설계 알고리즘.
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