(57)【要約】【課題】  クエンチ状態に起因する損傷から超電導体（１２）を保護するためにクエンチ保護システム（１８）に関する。【解決手段】  クエンチ保護システム（１８）は、超電導体（１２）の両端の電圧を検出するように動作可能な電圧検出器（２０）を含む。システム（１８）はまた、電圧検出器（２０）に結合される周波数フィルタ（２２）を含む。周波数フィルタ（２２）は、クエンチ状態に起因して生じる超電導体電圧の上昇を表す電圧信号を制御回路（２６）に結合し、上昇を表さない電圧信号を遮断するように動作可能である。システム（１８）は、周波数フィルタ（２２）を介して受けとられた電圧信号に基づいてクエンチ状態が超電導体（１２）に存在するかどうかを検出し、これに応答して保護措置を開始するように動作可能である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ（１４）を含む回転電気機械（１０）であって、
前記ロータが超電導ロータ・コイル（１２）と、該超電導ロータ・コイル（１２）をクエンチ状態から保護するように動作可能なクエンチ保護システム（１８）とを備え、
前記保護システムには、
超電導ロータ・コイル電圧を表す信号を生成するように動作可能な電圧検出器（２０）と、
前記電圧検出器（２０）に結合されて前記超電導ロータ・コイル電圧を表す信号を受けとり、且つ超電導ロータ・コイル電圧を表す前記信号から電気ノイズを消去して、超電導ロータ電圧の経時的上昇を表す信号を発生するように動作可能な回路と、
前記制御回路（２６）が、超電導ロータ電圧の経時的上昇を表す前記信号を受け取り、超電導ロータ電圧の経時的上昇を表す前記信号が所定の電圧を超えたときに、前記超電導ロータ・コイル（１２）を前記クエンチ状態から保護する補正措置を開始するように構成されている、前記回路に通信可能に結合された制御回路（２６）と、
が設けられたことを特徴とする機械（１０）。
【請求項２】
前記回路が、前記電圧検出器（２０）に通信可能に結合されて超電導ロータ・コイル電圧を表す前記信号を受けとる周波数フィルタ（２２）を含み、前記周波数フィルタ（２２）は、ノイズ信号を遮断し、且つ超電導ロータ電圧の経時的上昇を表す該信号が前記フィルタ（２２）を透過することができるように選択されることを特徴とする請求項１に記載の機械（１０）。
【請求項３】
前記超電導ロータ・コイル（１２）に電流を供給するように動作可能な励磁装置（３６）と、該励磁装置（３６）を前記超電導ロータ・コイル（１２）に選択的に結合するように動作可能な第１のスイッチ（３８）とを更に含み、前記第１のスイッチ（３８）が前記制御回路（２６）によって制御され、前記補正措置が前記第１のスイッチ（３８）の開放を含むことを特徴とする請求項２に記載の機械（１０）。
【請求項４】
ダンプ抵抗器（４４）と、前記超電導ロータ・コイル（１２）を前記ダンプ抵抗器（４４）に選択的に結合するように動作可能な第２のスイッチ（４６）とを更に含み、前記第２のスイッチ（４６）が前記制御回路（２６）によって制御され、前記補正措置は、蓄積された磁気エネルギを前記超電導ロータ・コイル（１２）が前記ダンプ抵抗器（４４）を通して放電できるようにする第２のスイッチ（４６）の閉鎖を含むことを特徴とする請求項３に記載の機械（１０）。
【請求項５】
前記ロータ（１４）が、前記超電導ロータ・コイル（１２）上に配置された電磁シールド（３０）を備え、前記電圧検出器（２０）が、前記電磁シールド（３０）を通って前記超電導ロータ・コイル（１２）に延びるリード線（３２、３４）を含むことを特徴とする請求項１に記載の機械（１０）。
【請求項６】
超電導体（１２）のクエンチ状態を検出する方法であって、
前記超電導体の両端の電圧を検出する段階と、
前記超電導体の両端の電圧を表す信号を生成する段階（５２）と、
前記超電導体の両端の電圧を表す前記信号から電気ノイズを除去して、前記超電導体の電気抵抗に起因する前記超電導体の両端の電圧を表す信号を生成する段階（５４）と、
前記超電導体の電気抵抗に起因する前記超電導体の両端の電圧を表す前記信号を前記超電導体の定められた電気抵抗に起因する前記超電導体の両端の電圧を表す基準電圧と比較する段階（５６）と、
を含む方法。
【請求項７】
前記比較段階（５６）は、前記超電導体（１２）の電気抵抗に起因する前記超電導体（１２）の両端の電圧を表す前記信号を、前記超電導体（１２）の電気抵抗に起因する前記超電導体（１２）の両端の電圧を表す前記信号が前記超電導の定められた電気抵抗に起因する前記超電導体（１２）の両端の電圧を表す前記基準電圧にまで上昇するときに、信号を生成するように動作可能な制御回路（２６）に結合する段階を含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
超電導電圧を表す前記信号から電気ノイズを除去する段階（５４）が、電気ノイズの前記フィルタ（２２）の通過を遮断するように動作可能な前記フィルタ（２２）を通して前記超電導体（１２）の両端の電圧を表す前記信号を結合する段階を含む請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記超電導体（１２）に結合された外部回路上の過渡状態を検出する段階と、前記過渡状態を表す信号を前記制御回路（２６）に供給して該制御回路（２６）に対して過渡状態が終わるまで待機するように命令する段階とを更に含む請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記超電導体（１２）が回転電気機械（１０）のロータ（１４）上に配置され、前記超電導体（１２）の両端の電圧の検出する段階が、前記超電導体（１２）の両端の電圧を検出するために前記ロータ（１４）上に電圧検出器（２０）を配置して段階を含む請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に超電導体に関し、より具体的には超電導体のクエンチ保護のシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導体は、臨界温度より低く冷却されると抵抗なしに電気を伝導する元素、金属間合金、又は化合物である。超電導は、錫及びアルミニウムなどの元素、様々な合金、幾つかの高濃度にドープされた半導体、及び特定のセラミック化合物を含む、種々の材料で発生する。従来の超電導体において、超電導はフォノンの交換によって生じる特定の伝導電子間の引力により引き起こされ、超電導により伝導電子の流れが相関する電子の対から構成される超流動体相を示す。
【０００３】
超電導体は、磁気共鳴イメージング・システム、並びに電動機及び発電機などの発電システムを含む様々な用途で有用である。超電導体においては電気抵抗がないことにより、これらの装置ははるかに効率的に動作することができる。しかしながら、超電導体の一部は、超電導体の電流が臨界電流限度を超えて駆動されると、超電導状態から通常の抵抗状態へ遷移する。これにより超電導体の温度は、超電導体で発生した抵抗加熱により生成された熱に起因して上昇する。この抵抗加熱損失が続くと、超電導体は、クエンチとして知られる不可逆性の熱暴走状態に陥ることがある。熱暴走に起因して超電導体に対し損傷を与える可能性がある。例えば、超電導ロータ・コイルにおいて、場合によっては抵抗加熱の結果として過度の温度勾配が発生する。温度勾配は、超電導コイルに損傷を与える異なる熱膨張を超電導コイル全体にわたって引き起こす可能性がある。また、超電導体及び／又は絶縁体が、クエンチ中に到達する過剰温度により損傷を受ける可能性もある。
【特許文献１】特開２００３−５２１２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、超電導体のクエンチ状態を検出可能な技術が望まれる。加えて、超電導体をクエンチにより引き起こされる損傷から保護することができる技術もまた望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本技術の１つの態様によれば、超電導ロータ・コイルを有する回転電気機械が提供される。回転電気機械はまた、クエンチ保護システムを含む。クエンチ保護システムは、超電導ロータ・コイルをクエンチ状態に起因する損傷から保護するように動作可能である。クエンチ保護システムは、超電導ロータ・コイル電圧を表す信号を生成するように動作可能な電圧検出器を含むことができる。電圧検出器は、超電導ロータ・コイル電圧を表す信号から電気ノイズを打ち消すように動作可能な回路に通信可能に結合される。結果として得られた信号は、超電導ロータ電圧の経時的な上昇を表す。システムは、回路に対しても通信可能に結合される制御回路を含むことができる。制御回路は、超電導ロータ電圧の経時的な上昇を表す信号を受信するように構成される。制御回路はまた、超電導ロータ電圧の経時的な上昇を表す信号が定められた電圧に達すると、クエンチ状態から超電導ロータ・コイルを保護する補正措置を開始するように動作可能である。
【０００６】
本技術の別の態様によれば、超電導体におけるクエンチ状態を検出する方法が提供される。本方法は、超電導体の両端の電圧を検出する段階と、超電導体の電気抵抗に起因する超電導体の両端の電圧を表す信号から電気ノイズを除去する段階とを含むことができる。本方法はまた、超電導体の電気抵抗に起因して超電導体の両端の電圧を表す信号を超電導体の定められた電気抵抗に起因する超電導体の両端の電圧を表す基準電圧と比較する段階をも含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、図面全体を通して同様の特徴が同様の要素を表している添付図を参照しながら以下の詳細な説明を読むとより理解されるであろう。
【０００８】
ここで図１を参照すると、回転電気機械を示し、全体的を参照符号１０で表している。この実施形態において、回転電気機械１０は発電機である。しかしながら、以下で説明される技術は、電動機並びに発電機にも適用可能である。加えて、本技術は、医用イメージング・システムなどの超電導体を使用する他のシステムで用いることができる。この実施形態において、発電機１０は、ロータ１４上に配置された高温超電導ロータ・コイル１２を有する。超電導ロータ・コイル１２は、励磁回路１６から受ける電気により磁場を生成する。励磁回路の実施例は、ＤＣ励磁回路、ＡＣ励磁回路、静止励磁回路などを含むことができる。励磁回路１６は以下でより詳細に説明する。超電導ロータ・コイル１２を流れる電流が臨界電流を超えると、超電導ロータ・コイル１２の一部はその超電導を失い、超電導ロータ・コイル１２内にクエンチ状態を生じることになる。
【０００９】
クエンチ状態による損傷から超電導ロータ・コイル１２を保護するために、クエンチ保護システム１８が設けられる。クエンチ保護システム１８は、ロータ・コイル１２にクエンチ状態となる前に、抵抗加熱の結果として生じる超電導ロータ・コイル１２の抵抗増大を検出するように動作可能である。これによりシステム１８は、クエンチ状態となる前にロータ・コイル１２に対する損傷を防ぐように機能することができる。クエンチ状態は、抵抗加熱を受けるコイル１２の一部の電気抵抗の増大が原因となって生じる、コイル１２の両端電圧の増大に基づいて検出することができる。抵抗加熱が超電導ロータ・コイル１２全体に伝播するにつれ、コイル１２の抵抗増大に寄与するコイル１２の容量は増加し、コイル１２の両端電圧が増大する。しかしながら、通常動作中にも超電導ロータ・コイル１２内に電圧は誘導される。例えば、電圧変化は、外部磁場及び発電機の負荷変化によってロータ・コイル１２内に誘導される場合がある。従って、抵抗加熱又はクエンチによる電圧増大をコイル１２内に誘導された比較的大きな電圧と区別することは困難である。しかしながら、本システムでは、ロータ・コイルの両端電圧の増大が通常動作によるものか又はクエンチ状態によるものであるかを判定するよう動作可能である。
【００１０】
図示された実施形態において、クエンチ保護システム１８は、電圧検出器２０、周波数フィルタ２２、遠隔計測システム２４、制御回路２６、及びダンプ回路２８を含む。従来技術の欠点は、クエンチ検出回路が通常、ロータから離れた発電機の固定部分に配置されることに起因して、回転超電導コイル両端の超電導ロータ・コイル電圧を正確に検出することが困難なことである。しかしながら、この実施形態においては、電圧検出器２０はロータ１４上に配置され、コイル１２両端に直接結合される。
【００１１】
電圧検出器２０は、ロータ・コイル１２の両端電圧を表す信号を制御回路２６へ周波数フィルタ２２を介して送信するように動作可能である。この実施形態において、周波数フィルタ２２はロー・パス・フィルタである。ロー・パス・フィルタは、クエンチ状態によって生じるロータ・コイル１２の両端電圧の上昇を表さない電圧信号を遮断するように選択される。周波数フィルタ２２からの信号を受信すると、制御回路２６は、クエンチ状態がロータ・コイル１２に存在するか否かを判定する。クエンチ状態が存在する場合には、制御回路は、ロータ・コイル１２への電力を除去又は低減することができ、又はクエンチ状態に起因して生じる可能性のあるどのような損傷からも超電導ロータ・コイル１２を保護する別の措置を取るようにクエンチ保護システム１８に命令することができる。加えて、制御回路２６は、クエンチ状態が検出されると、コイル１２内に蓄積された磁気エネルギを放電するようダンプ回路２８に命令するよう動作可能である。
【００１２】
この実施形態において、電圧検出器２０はロータ１４上に配置される。更に、図１に示される実施形態によれば、周波数フィルタ２２、制御回路２６、及びダンプ回路２８は、ロータ１４から離れて配置されている。しかしながら、これらの１つ又はそれ以上の装置は、ロータ１４上に配置してもよい。電磁誘導シールド３０は、超電導ロータ・コイル１２の周囲に配置される。電圧検出器２０は、電磁誘導シールド３０を介して超電導ロータ・コイル１２まで通るリード線３２及び３４を有する。
【００１３】
図示された実施形態は、遠隔計測システム２４を使用して、超電導ロータ・コイル電圧を表す信号を電圧検出機器２０から、制御回路２６などのロータ１４の外部に配置されるクエンチ保護システム１８の一部に送信する。周波数フィルタ２２は、超電導ロータ・コイル１２の両端電圧を表す信号を電圧検出器２０から受信し、電気ノイズ及び外部磁場によってロータ・コイル１２に誘導された電圧など、超電導ロータ・コイル１２のクエンチ状態の検出に関係しない信号を遮断する。例えば、周波数フィルタ２２は、コイル１２の抵抗加熱の増大に起因する電圧増大を表す信号における予測周波数範囲外にある周波数を有する信号を遮断することができる。逆に、フィルタ２２により、予測周波数範囲内の周波数を有する信号は、制御回路２６を通過することができる。制御回路２６は周波数フィルタ２２の出力を受信し、該出力を用いて超電導ロータ・コイル１２で抵抗加熱又はクエンチ状態が発生しているか否かを確かめる。
【００１４】
上述のように、超電導ロータ・コイル１２は、励磁回路１６から電力を受ける。励磁回路１６は、励磁装置３６、スイッチ３８、及びスリップ・リング４０及び４２を含む。励磁装置３６は電流を発生する。スリップ・リング４０及び４２は、固定された励磁装置３６からの電流を回転しているロータ１４へ結合する。スイッチ３８は制御回路２６によって制御される。スイッチ３８は、制御回路２６によって開いて、電流が励磁装置から超電導ロータ・コイル１２に流れるのを防ぐ。また、励磁装置３６を用いて、電圧検出器２０、周波数フィルタ２２、制御回路２６、及びダンプ回路２８に電力を供給することができる。
【００１５】
ダンプ回路２８は、ダンプ抵抗器４４及びスイッチ４６を含む。スイッチ４６は、制御回路２６によって制御される。上述のように、制御回路２６は、クエンチ状態に起因する電圧の上昇がロータ・コイル１２の両端で検出されると、励磁回路スイッチ３８を開く。更に制御回路２６は、ダンプ回路スイッチ４６を閉じる。ダンプ回路スイッチ４６が閉じると、超電導ロータ・コイル１２及びダンプ抵抗器４４間で回路が完成する。これにより、超電導ロータ・コイル１２においてコイル１２に蓄積された磁気エネルギのダンプ抵抗器４４を介して放電する経路が形成される。コイル１２に蓄積された磁気エネルギは電気に変換され、ダンプ抵抗器４４を通って放電される。従って、この実施形態において、クエンチ保護システム１８は、励磁装置３６からコイル１２への電流供給を止め、コイル１２内に蓄積されたエネルギを放電できるように動作可能である。これにより、超電導ロータ・コイル１２のこれ以上の抵抗加熱を防ぐことができる。
【００１６】
超電導ロータ・コイル１２の両端電圧は、グリッド伝送ブレーカ遮断又は落雷などの外部の過渡障害によって影響を受ける場合がある。これにより、実際には存在しない場合に、クエンチ保護システム１８にクエンチ状態が存在するように思わせる結果となることがある。図示された実施形態において、外部過渡障害を検出するために外付け制御システム４８が設けられる。外部過渡障害が検出されると、外付け制御システム４８が制御回路２６に信号を送信し、制御回路２６に過渡障害を知らせる。次いで制御回路２６は、意図しない動作損失を防ぐために過渡障害が過ぎるまで、電圧検出器２０からの信号を無視又は補償することができる。
【００１７】
図２全体を参照すると、クエンチ保護システム１８を用いて超電導ロータ・コイル１２をクエンチ状態から保護する方法が示され、全体が参照符号５０で表されている。本方法５０は、ブロック５２で示すように、超電導ロータ・コイル１２の両端電圧を表す信号を供給する段階を含む。本方法はまた、ブロック５４で示すように、周波数フィルタ２２を用いて、超電導ロータ・コイル１２にクエンチ状態が存在するか否かを確認することに関係しない電圧信号を除去するように信号をフィルタ処理する段階を含む。例えば、周波数フィルタ２２を用いて電気ノイズを表す高周波のフィルタ２２の通過を遮断すると共に、抵抗加熱に起因するコイル１２の両端電圧の増大を表す低周波の信号を通過させることができる。
【００１８】
本方法はまた、ブロック５６で示されるように、基準電圧（Ｖｏ）を供給する段階と、フィルタ処理された超電導ロータ・コイル電圧信号（Ｖｒ）を基準電圧（Ｖｏ）と比較する段階とを含む。基準電圧（Ｖｏ）は、コイル１２における定められた量の抵抗加熱に起因する超電導ロータ・コイル１２の両端の電圧増大を表す閾値電圧である。基準電圧（Ｖｏ）を用いて、クエンチ保護システム１８の制御回路２６による動作を促す。制御回路２６を用いて、基準電圧（Ｖｏ）を供給し、フィルタ処理された超電導ロータ・コイル電圧信号（Ｖｒ）を基準電圧（Ｖｏ）と比較することができる。基準電圧（Ｖｏ）の値は、所望の応答を生成するように調整することができる。基準電圧の値を確立するのに多数の要因が考慮されることができる。例えば、低い基準電圧は、クエンチ状態の誤った表示を生じる可能性があり、クエンチ保護システムに意図しない動作を引き起こすことになる。逆に、高い基準電圧は、クエンチ保護システム１８がコイル１２を保護するように機能することができる前に、抵抗加熱によりコイル１２に損傷を生じる可能性がある。
【００１９】
本方法はまた、ブロック５８で示すように、フィルタ処理された超電導ロータ・コイル電圧信号（Ｖｒ）が基準電圧（Ｖｏ）より大きいか否かを判定する段階を含む。フィルタ処理された超電導ロータ・コイル電圧（Ｖｒ）が基準電圧（Ｖｏ）を超えない場合には、システムの動作は通常通り継続する。しかしながら、フィルタ処理された超電導ロータ・コイル電圧（Ｖｒ）が基準電圧（Ｖｏ）を超える場合には、ブロック６０で示すように、制御回路２６は、超電導ロータ・コイル１２への電力を止めるように励磁回路１６に命令する。加えて、ブロック６２で示されるように、励磁回路１６が開くと、制御回路２６は、ダンプ回路２８を起動して超電導ロータ・コイル１２の磁場を放電する。コイル１２を通って流れる電流がない状態では、どのような抵抗加熱もコイル１２では発生することはない。従って、超電導コイル１２はクエンチの悪影響から保護される。
【００２０】
図３及び図４を全体的に参照すると、超電導ロータ・コイル電圧を表す信号のフィルタ処理における周波数フィルタの動作の実施例が示される。図３は、フィルタ処理前の超電導ロータ・コイル電圧（Ｖ）の経時的（Ｔ）グラフが示され、全体を参照符号６４で表されている。フィルタ未処理の超電導ロータ・コイル電圧（Ｖ）の図示された実施例は、電気ノイズ構成要素を含み、電圧（Ｖ）はほぼ正弦波形である。しかしながら、超電導ロータ・コイル１２はこの実施例においては抵抗加熱を受けている。その結果、電圧（Ｖ）は漸次的に増加している。図４は周波数フィルタ２２によりフィルタ処理された超電導ロータ・コイル電圧（Ｖｒ）のグラフである。全体を参照符号６６で表されたフィルタ処理された超電導ロータ・コイル電圧（Ｖｒ）は、超電導ロータ・コイル１２の抵抗加熱に起因する超電導ロータ・コイル電圧の漸次的増加を反映し、電気ノイズは反映しない。
【００２１】
図５を全体的に参照すると、超電導ロータ・コイル１２を有する発電機の別の実施形態が示される。この別の実施形態において、クエンチ保護システム１８は前述の実施形態と同様の方法で機能する。しかしながら、周波数フィルタ２２、制御回路２６、及びダンプ回路２８は、発電機の固定部分ではなくロータ１４上又はその内部に配置される。従って、遠隔計測回路はこの実施形態には設けられない。充電式バッテリー６８がロータ１４内に設けられる。充電式バッテリー６８は、電圧検出器２０、周波数フィルタ２２、制御回路２６、及びダンプ回路２８に電力を供給するように動作可能である。バッテリー６８は、励磁回路１６を介してロータ・コイル１２に供給される所定量の電流を除去するように動作可能な充電回路７０によって充電される。バッテリーの充電は、ほぼ十分な電圧がコイル１２両端に生成される時間期間中に行うことができる。
【００２２】
本明細書において本発明の特定の特徴だけを図示して説明してきたが、多くの修正及び変更を当業者であれば思いつくであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本技術の例示的な実施形態による、超電導ロータ・コイルと、超電導ロータ・コイルのクエンチに起因する損傷から超電導ロータ・コイルを保護するクエンチ保護システムとを有する発電機の概略図。
【図２】図１の超電導ロータ・コイルのクエンチ保護の方法を示すフロー・チャート。
【図３】本技術の例示的な実施形態による、超電導ロータ・コイル電圧の時間に対するグラフ。
【図４】クエンチに起因して生じるコイル電圧における変化を表さない超電導ロータ・コイル電圧信号を遮断するようにフィルタ処理された超電導ロータ・コイル電圧のグラフ。
【図５】本技術の別の態様による超電導ロータ・コイルのクエンチ保護システムの詳細図。
【符号の説明】
【００２４】
１０  回転電気機械
１２  超電導ロータ・コイル
１４  ロータ
１８  クエンチ保護システム
２０  電圧検出器
２６  制御回路
【図１】
2006014579.tif 000003
【図２】
2006014579.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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