KR20210091489A - 가상현실을 기반으로 한 전력기기의 fem 분석 처리장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유한 요소법(FEM:Finite Elements Method)에 연결된 전력기기의 전기적, 기계적인 특성 등을 3차원 모델링을 기반으로 제공되는 가상 현실화면(VR 모델)을 통해 확인할 수 있도록 하는 가상현실을 기반으로 한 전력기기의 FEM 분석 처리장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 분석하고자 하는 특정 전력기기를 3D 모델링하는 3D CAD 모델부; 모델링 된 상기 전력기기의 전자기장, 열적, 기계적 특성을 분석하는 FEM 분석부; 상기 3D 모델링 및 FEM 분석 결과를 웹서버로 전송하는 컴퓨터 장치와, 상기 웹 서버와 연결된 상태에서, 분석된 상기 전력기기의 FEM 분석결과를 가상환경에서 3D 모델로 구현하는 VR기기를 포함하여 구성된다.

Description

가상현실을 기반으로 한 전력기기의 FEM 분석 처리장치 및 방법{FEM Analysis Processing Apparatus and Method of Power Equipment Based on Virtual Reality}

본 발명은 전력기기의 FEM 분석 처리장치에 관한 것으로, 특히 유한 요소법(FEM:Finite Elements Method)에 연결된 전력기기의 전기적, 기계적인 특성 등을 3차원 모델링을 기반으로 제공되는 가상 현실화면(VR 모델)을 통해 확인할 수 있도록 하는 가상현실을 기반으로 한 전력기기의 FEM 분석 처리장치 및 방법에 관한 것이다.

알려진 바와 같이 가상현실(VR) 시스템은 다양한 분야에 폭넓게 활용되고 있고, 특히 엔지니어링 분야에서 효과적으로 사용되고 있다. 즉 가상현실 시스템을 통해 프로젝트 3D 모델을 볼 수 있는 것이다.

3D 모델은 CAD 프로그램으로 작성되며, 기계공학, 전기공학 등의 설계 구성에 대한 입력으로 사용되거나 새로운 전력기기를 개발하기 전에 어느 정도의 아이디어를 시각화하여 전달할 수 있다. 따라서 새로운 전력기기를 개발할 때 설계과정이 가장 중요한 부분인데, 이러한 3D 모델을 이용하면 3D CAD 모델을 사용한 시뮬레이션 방법으로 작업자는 전력기기에 대한 모델을 이해할 수 있어 비용과 시간을 절약할 수 있다.

현재 가장 많이 사용하는 시뮬레이션 방법은 3D 모델의 공학 및 수학문제를 해결하기 위한 유한 요소법(FEM)을 이용하는 것이다.

하지만, 현재 전력기기에 대한 설계에서 3D 모델을 이용하는 추세이지만, 전력기기의 FEM과 3D 시스템을 접목하여 활용하고 있지 못하다. 그러기 때문에 전력기기의 동작특성과 구조를 쉽게 이해하는 데에는 한계가 있다. 즉 전력기기는 전자기 원리를 기반으로 동작하기 때문에 전자기장 계산으로 인해 복잡한 수치 데이터와 필드 패턴이 생성되며, 이러한 수치 데이터와 필드 패턴을 쉽게 이해할 수 없는 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전력기기나 전기기기의 동작 특성과 구조를 더 잘 이해할 수 있게 하는 가상현실을 기반으로 한 전력기기의 FEM 분석 처리장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 3차원 가상 환경에서 전력기기나 전기기기의 FEM 결과를 시뮬레이션 플랫폼을 통해 실시간으로 VR 환경에 연결하여 가상 현실화면으로 표시할 수 있어, 분석대상 기기의 수치 해석 결과를 쉽게 이해할 수 있도록 한 전력기기의 FEM 분석 처리장치 및 방법을 제공하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 분석하고자 하는 특정 전력기기를 3D 모델링하는 3D CAD 모델부; 모델링 된 상기 전력기기의 전자기장, 열적, 기계적 특성을 분석하는 FEM 분석부; 상기 3D 모델링 및 FEM 분석 결과를 웹서버로 전송하는 컴퓨터 장치; 및 상기 웹 서버와 연결된 상태에서, 분석된 상기 전력기기의 FEM 분석결과를 가상환경에서 3D 모델로 구현하는 VR기기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가상현실을 기반으로 한 전력기기의 FEM 분석 처리장치를 제공한다.

상기 3D CAD 모델부는 다중 플랫폼 소프트웨어를 제공하는 CATIA 소프트웨어를 사용한다.

상기 FEM 분석부는 COMSOL을 사용한다.

상기 컴퓨터 장치는, 가상현실을 지원하기 위한 가상현실 플랫폼; 3D CAD 모델부가 제공하는 3D 기능을 확장하여 사용자가 가상환경에서 프로젝트를 설계, 조작 및 공동작업이 가능한 VR 소프트웨어; 상기 FEM 분석부의 분석된 결과를 파일 전송 프로토콜을 통해 웹 서버로 전송하는 Java API; 및 3D CAD 모델링을 직접 렌더링하는 OpenGL 프로그램은 상기 3D CAD 모델링을 직접 렌더링할 수 있는 프로그램을 포함한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 분석 대상 전력기기를 선정하는 단계; 3D CAD 모델부가 상기 전력기기에 대한 3D CAD 모델을 생성하는 단계; FEM 분석부가 상기 전력기기의 3D 모델을 이용하여 전력기기의 FEM 시뮬레이션 결과를 분석하는 단계; 컴퓨터 장치가 소정 통신 프로토콜을 이용하여 상기 FEM 시뮬레이션 결과를 웹 서버로 전송하는 단계; 웹 서버가 상기 FEM 시뮬레이션 결과를 업로드하는 단계; 상기 웹 서버와 VR 기기가 연결되는 단계; 및 상기 VR 기기에 상기 FEM 시뮬레이션 결과를 3차원으로 제공하는 단계를 포함하는 수행되는 것을 특징으로 하는 가상현실을 기반으로 한 전력기기의 FEM 분석 처리방법을 제공한다.

상기 시뮬레이션 결과 분석은, 상기 3D CAD 모델의 공극과 경계를 드로잉하는 단계; 상기 전력기기의 주요 매개변수를 입력하는 단계; 상기 3D CAD 모델의 컴포넌트 물질을 선택하는 단계; 상기 3D CAD 모델의 물리적 옵션을 추가하는 단계; 상기 전력기기의 특성별로 미리 입력된 수식을 선택하는 단계; 상기 전기적 회로 옵션을 선택하고 전기회로를 드로잉하는 단계; 상기 전력기기의 수치 해석을 위해 메쉬 구조를 생성하고 회전 메쉬를 선택하는 단계가 순서대로 진행되고, FEM 시뮬레이터를 실행하여 분석결과를 제공한다.

이상과 같은 본 발명의 가상현실을 기반으로 한 전력기기의 FEM 분석 처리장치 및 방법에 따르면, 3D 환경에서 각종 전력기기의 전자기 등의 특성 결과를 시각적으로 확인할 수 있다.

또 본 발명은 3차원 가상 환경에서 전력기기의 FEM 분석결과를 플랫폼을 통해 가상 환경에 실시간으로 연결하여 가상 현실화면을 표시하기 때문에, 작업자는 손쉽게 전력기기의 전기적, 기계적 특성 등을 쉽게 이해할 수 있다.

또 전력기기의 3D 모델을 가상 현실화면을 통해 조립 및 분해할 수 있어 전력기기 구조도의 학습효과를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 가상현실을 기반으로 한 전력기기의 FEM 분석 처리장치의 블록 구성도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 전력기기의 분석결과를 가상현실을 통해 제공하는 과정을 설명하는 흐름도
도 3은 도 2의 분석 과정 중 전력기기의 각종 FEM 특성을 분석하는 과정을 설명하는 흐름도
도 4는 본 발명의 전력기기의 FEM 분석결과 및 그 분석결과를 가상현실과 연계하여 표시한 예시 도면

본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명은 전력기기나 전기기기가 가지는 각종 전기적, 기계적 특성의 분석 결과를 실시간으로 시각화하여 가상화면으로 제공하는 것이고, 이하에서는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 가상현실을 기반으로 한 전력기기의 FEM 분석 처리장치(10)의 블록 구성도이다. 이에 도시한 바와 같이 전력기기를 설계하기 위한 다중 플랫폼 소프트웨어를 제공하는 3D CAD 모델부(100)가 제공된다. 실시 예에서 상기 3D CAD 모델부(100)는 CAD 프로그램에 적합하고 변환 가능한 CATIA 소프트웨어를 사용할 수 있으나 다른 소프트웨어가 제공될 수 있다. 도 1에서 상기 3D CAD 모델부(100)에 의해 표시된 모델링 예는 CATIA V5에 의한 발전기의 1극의 모델이다.

본 발명에 따르면 모델링 된 전력기기의 전자기장, 응력 및 열 등을 분석하는 FEM 분석부(110)가 구비되며, 실시 예에 따르면 FEM 분석부(110)는 FEM 분석 소프트웨어인 COMSOL(다중물리 해석 프로그램)을 사용한다. FEM 분석부(110)를 FEM 시뮬레이터라고 하기도 한다. 도 1에서 모델링 된 예는 상기 COMSOL을 사용한 발전기 1극 모델의 전자기장 분석 모델을 나타내고 있다.

상기한 3D CAD 모델부(100) 및 FEM 분석부(즉 FEM 시뮬레이터)(110)는 후술하는 컴퓨터 장치(120)와 별개로 구성되거나 그 컴퓨터 장치(120) 내에 구성될 수도 있다.

가상현실(VR), 3D CAD 및 FEM 처리를 위한 컴퓨터 장치(120)가 제공된다. 컴퓨터 장치(120)는 상기한 복수 기능을 충분히 실행할 수 있는 고성능의 워크 스테이션 급이어야 한다.

이러한 컴퓨터 장치(120)는 입력장치로 키보드 및 마우스, 정보를 표시하는 모니터, 통신센서장치인 베이스 스테이션을 포함하고 있다.

그리고 도면에는 도시하지 않았지만, 가상현실을 지원하기 위한 가상현실 플랫폼(미도시)이 설치된다. 또 상기 3D CAD가 제공하는 3D 기능을 확장하여 사용자가 가상환경에서 프로젝트를 설계, 조작 및 공동작업이 가능하도록 VR 소프트웨어가 설치된다. 또 모델링 도구인 3D CAD 소프트웨어와 개발 도구 프로그램인 소프트 웨어(예를 들면 C/C++, Java API, OpenGL 등)을 저장하도록 렌더링 데이터베이스도 구비된다. 상기 Java API는 상기 FEM 분석부의 분석된 결과를 파일 전송 프로토콜을 통해 웹 서버로 추출 전송하는 역할을 한다. 그리고 상기 OpenGL 프로그램은 상기 3D CAD 모델링을 직접 렌더링할 수 있는 프로그램이다.

사용자가 가상현실에서 가상기술을 구현하기 위한 VR 기기(140)가 구비된다. VR 기기(140)는 웹 서버(130)와 연결된 상태에서, 분석된 상기 전력기기의 FEM 분석결과를 가상환경에서 3D 모델로 구현하는 역할을 하며, 이러한 VR 기기(140)는 사용자가 머리에 착용하는 헤드셋(HMD: Head mounted display), 가상현실에서 사용자가 조정하는 컨트롤러 등을 포함하고 있다.

상기 웹 서버(130)는 FEM 분석결과를 전송받아 업로드(up-load)하고 이를 VR 기기(140)로 제공한다.

이와 같은 구성에 따르면, 3D 환경에서 각종 전력기기의 전자기장의 해석 결과를 사상환경을 통해 시각적으로 확인할 수 있으며, 전력기기 등의 각종 원리를 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

다음에는 전력기기의 전기적, 기계적, 열적 특성 등에 대한 각종 분석 결과를 가상현실에서 제공하는 과정을 도 2 내지 도 4를 함께 참고하여 살펴보기로 한다.

사용자는 분석하고자 하는 전력기기를 선정한다, 전력기기가 선정되면 3D CAD 모델부(100)의 CATIA 소프트웨어를 사용하여 그 전력기기에 대한 3D 모델을 생성한다(s100). 3D 모델은 도 1의 3D CAD 모델부(100)에 예시한 것과 같을 것이다.

그러면 FEM 분석부(110)는 상기 3D CAD 모델부(100)가 생성한 전력기기의 3D 모델에서 그 전력기기의 시뮬레이션을 분석한다(s110). 여기서 시뮬레이션 분석과정은 전력기기의 FEM 분석을 처리하는 과정으로, 전력기기의 전자기장, 자기장, 열적 및 기계적 특성을 분석하기 위한 것일 것이다.

상기 전력기기의 시뮬레이션 분석과정은 도 3을 참고하기로 한다. 도 3에 도시한 바와 같이 FEM 시뮬레이터(110)가 3D CAD 모델을 전달받으면 공극과 경계를 드로잉한다(s200).

그런 다음 상기 전력기기의 주요 매개변수를 입력한다(s210). 또 3D 모델의 컴포넌트 물질 선택(s220), 회전기/자기적 옵션 등의 물리적 옵션 등을 추가한다(s230).

이와 같이 전력기기의 물리적 옵션까지 입력되면 분석하고자 하는 전자기장, 자기장, 열적, 기계적 특성별로 수식들을 선택한다(s240). 수식들의 입력은 FEM 시뮬레이터(110)에서 이루어지며, 전자기장, 열적, 기계적 특성별로 상이한 수식들이 각각 제공된다.

전자기장 분석에는 다음의 수학식 1 내지 4가 이용된다. 수학식 1은 Gauss's law, 수학식 2는 Gauss's law for magnetism, 수학식 3은 Faraday's lay, 수학식 4는 Ampere-Maxwell law이다. 상기한 수학식들이 상기 FEM 분석부(110)에 이미 입력되어 있기 때문에 사용자가 매개변수가 입력하면 자동 계산된다.

상기 수학식 1 내지 4에서, E: 전계, B: 자계,

: 전하밀도,

: 자유공간의 유전율,

: 자유공간의 투과율, J는 전류밀도 벡터를 의미한다.

열적 특성의 분석에는 수학식 5 및 수학식 6이 이용된다. 수학식 5는 Fourier heat law, 수학식 6은 'Stefan-Boltzmann equation'이고, 상기 FEM 분석부(110)에 이미 수학식 5, 6은 입력되어 있기 때문에 사용자가 매개변수가 입력하면 자동 계산된다.

상기 수학식 5 및 6에서, k: 물질의 열전도열, ε: 물질의 총 열방사율, σ: Stefan-Boltzmann 상수, T: 온도를 의미한다.

기계적 응력 분석에는 힘의 방향과 진폭이 필요하기 때문에 다음의 수학식 7 내지 수학식 11이 이용된다. 수학식 7은 토크, 수학식 8은 접선력, 수학식 9은 원심력, 수학식 10은 중력, 수학식 11은 전력기기의 기계적 응력을 분석하기 위해 필요한 'Lorentz' 힘 방정식이다.

이외에도 전력기기의 다른 특성을 분석할 경우, 그에 맞는 수식은 FEM 분석부(즉 FEM 시뮬레이터)(110)에 셋팅하면 된다.

도 3을 계속 참고하면, 상기와 같이 전력기기의 각 특성별로 수식이 선택 완료되면, 전기적 회로 옵션들을 선택하면서 전기적 회로를 드로잉한다(s250).

다음에는 복잡한 3차원 기하학적 형상을 가지는 전력기기에 대해 수치 해석을 수행할 수 있도록 메쉬 구조를 생성하는 과정을 수행한다. 즉 수치해석에 필요한 데이터를 저장하고 있는 메쉬(mesh) 구조가 필요로 하며, 이러한 메쉬 구조는 메쉬를 구성하는 각 노드들의 좌표와 수치 해석에 필요한 초기 조건 및 경계 조건 등을 포함한다. 메쉬를 생성하면 회전 메쉬를 선택한다(s260).

이후, FEM 시뮬레이터(110)를 실행하면(s270), 분석하고자 하는 전자기장 특성, 열적 특성, 기계적 특성에 대한 결과를 알 수 있다(s280). 상기 전력기기에 대한 시뮬레이션 분석 결과로서 FEM 시뮬레이션 실행 결과화면이 컴퓨터 장치(120)에 표시되는데, 분석 결과의 예는 도 4의 200(전자기장 특성 분석), 300(열적 특성 분석), 400(기계적 특성 분석)과 같다.

이와 같이 전력기기의 FEM 분석결과가 완료되면, 그 분석결과를 가상현실 환경에서 가상현실 플랫폼을 통해 실시간으로 VR 환경으로 연결하여 제공하게 되는데, 이는 위의 도 2를 참고하여 계속 설명한다. 즉 도 2의 3D FEM 시뮬레이션 분석과정(S110)이 상기한 바와 같이 도 3의 순서에 따라 완료되어 전력기기의 FEM 분석결과가 제공되면, 분석결과는 컴퓨터 자이(120)에 설치된 개발 도구 프로그램인 Java API로 전달된다(s120).

그리고 상기 Java API를 사용하여 상기 FEM 분석결과는 웹 서버(130)로 전송된 다음 OpenGL에 업로드 된다(s130, s140). 알려진 바와 같이 상기 OpenGL는 3D CAD 데이터를 렌더링하는데 사용된다.

전력기기의 분석결과가 업 로드되면, 다음에는 가상 현실 지원을 위하여 웹 서버(130)에 VR 기기(140)를 연결한다(s150). 이처럼 VR 기기(140)가 연결되어 사용자는 헤드셋을 착용하면, 사용자는 가상현실 환경에서 전력기기의 분석결과를 시각적으로 확인할 수 있게 표시된다(s160). 분석 결과의 예는 도 4의 500과 같다.

도 4의 '500' 예시 화면에서 알 수 있듯이, 사용자가 가상현실 환경에서 컨트롤러를 조작하면 전력기기를 3차원 공간에서 조립 및 분해할 수 있다. 또 시뮬레이션 분석결과가 화면에 표시되기 때문에 전력기기의 복잡한 수치 데이터와 필드 패턴을 더 잘 이해할 수 있을 것이다.

이처럼 본 발명은 VR 기반 환경에서 전력기기의 FEM 분석결과와 3D 시스템을 연계하여 3차원 플랫폼에서 상기 전력기기의 각종 분석 결과를 시각화하여 몰입형 모델을 구현하여 수치 해석결과를 쉽게 이해할 수 있도록 하는 것이다.

이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 3D CAD 모델부
110: FEM 분석부(FEM 시뮬레이터)
120: 컴퓨터 장치
130: 웹 서버
140: VR 기기
200 ~ 500: 시뮬레이션 분석 결과의 예시 화면

Claims (6)

1. 분석하고자 하는 특정 전력기기를 3D 모델링하는 3D CAD 모델부;
   모델링 된 상기 전력기기의 전자기장, 열적, 기계적 특성을 분석하는 FEM 분석부;
   상기 3D 모델링 및 FEM 분석 결과를 웹서버로 전송하는 컴퓨터 장치; 및
   상기 웹 서버와 연결된 상태에서, 분석된 상기 전력기기의 FEM 분석결과를 가상환경에서 3D 모델로 구현하는 VR기기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가상현실을 기반으로 한 전력기기의 FEM 분석 처리장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 3D CAD 모델부는 다중 플랫폼 소프트웨어를 제공하는 CATIA 소프트웨어를 사용하는 가상현실을 기반으로 한 전력기기의 FEM 분석 처리장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 FEM 분석부는 COMSOL을 사용하는 가상현실을 기반으로 한 전력기기의 FEM 분석 처리장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 컴퓨터 장치는,
   가상현실을 지원하기 위한 가상현실 플랫폼;
   3D CAD 모델부가 제공하는 3D 기능을 확장하여 사용자가 가상환경에서 프로젝트를 설계, 조작 및 공동작업이 가능한 VR 소프트웨어;
   상기 FEM 분석부의 분석된 결과를 파일 전송 프로토콜을 통해 웹 서버로 전송하는 Java API; 및
   3D CAD 모델링을 직접 렌더링하는 OpenGL 프로그램은 상기 3D CAD 모델링을 직접 렌더링할 수 있는 프로그램을 포함하여 구성되는 가상현실을 기반으로 한 전력기기의 FEM 분석 처리장치.
5. 분석 대상 전력기기를 선정하는 단계;
   3D CAD 모델부가 상기 전력기기에 대한 3D CAD 모델을 생성하는 단계;
   FEM 분석부가 상기 전력기기의 3D 모델을 이용하여 전력기기의 FEM 시뮬레이션 결과를 분석하는 단계;
   컴퓨터 장치가 소정 통신 프로토콜을 이용하여 상기 FEM 시뮬레이션 결과를 웹 서버로 전송하는 단계;
   웹 서버가 상기 FEM 시뮬레이션 결과를 업로드하는 단계;
   상기 웹 서버와 VR 기기가 연결되는 단계; 및
   상기 VR 기기에 상기 FEM 시뮬레이션 결과를 3차원으로 제공하는 단계를 포함하는 수행되는 것을 특징으로 하는 가상현실을 기반으로 한 전력기기의 FEM 분석 처리방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 시뮬레이션 결과 분석은,
   상기 3D CAD 모델의 공극과 경계를 드로잉하는 단계;
   상기 전력기기의 주요 매개변수를 입력하는 단계;
   상기 3D CAD 모델의 컴포넌트 물질을 선택하는 단계;
   상기 3D CAD 모델의 물리적 옵션을 추가하는 단계;
   상기 전력기기의 특성별로 미리 입력된 수식을 선택하는 단계;
   상기 전기적 회로 옵션을 선택하고 전기회로를 드로잉하는 단계; 및
   상기 전력기기의 수치 해석을 위해 메쉬 구조를 생성하고 회전 메쉬를 선택하는 단계가 순서대로 진행되고,
   FEM 시뮬레이터를 실행하여 분석결과를 제공하는 전력기기의 FEM 분석 처리방법.

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