(57)【要約】【課題】蓄積エネルギーの大きな超伝導磁石のクエンチ時の保護を可能にする。【解決手段】保護抵抗(7a,7bおよび7c,7d)が並列接続された複数の超伝導コイルブロック(2a,2b)が直列接続されて構成される超伝導磁石で、コイルブロック(2a,2b)間にはスイッチ(3,5a,5b)が挿入されており、個々の保護抵抗にはこれを短絡させるため保護抵抗短絡スイッチ(8a,8b)が備えつけられており、クエンチが発生した際には、保護抵抗短絡スイッチ(8a,8b)をオン状態としたままで、スイッチ(3,5a,5b)を切断し、切断後に保護抵抗短絡スイッチ(8a,8b)をオフとする。【選択図】図１
2015097222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコイルブロック及び電源を直列接続して構成される超伝導磁石において、
前記複数のコイルブロックの間に設けられた第１の開閉器と、
前記コイルブロックと前記電源の間に設けられた第２の開閉器と、
前記コイルブロックと並列接続された保護抵抗回路と、
前記保護抵抗回路と接続された第３の開閉器と、を有し、
前記コイルブロックは、１つのコイルでまたは複数のコイルが直列接続されて構成され、
前記第３の開閉器は、開閉状態の切り替えによって前記保護抵抗回路の抵抗値が変化するように構成されており、
超伝導磁石の定常運転の際には、前記第１の開閉器及び前記第２の開閉器は閉状態で、前記第３の開閉器は開状態または閉状態で運転し、
超伝導磁石の常伝導転移の際には、前記第３の開閉器を閉状態にし、前記第１の開閉器及び第２の開閉器を開状態にした後に、前記第３の開閉器を開状態とすることを特徴とする超伝導磁石。
【請求項２】
請求項１に記載の超伝導磁石において、
前記第１の開閉器、前記第２の開閉器または前記第３の開閉器は、複数の開閉器を直列に接続して構成されることを特徴とする超伝導磁石。
【請求項３】
請求項１または２に記載の超伝導磁石において、
開閉器にかかる電圧を分配するための抵抗分圧器を、前記第１の開閉器、前記第２の開閉器または前記第３の開閉器と並列に接続して構成することを特徴とする超伝導磁石。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の超伝導磁石において、
前記第１の開閉器、前記第２の開閉器または前記第３の開閉器は半導体スイッチ素子を含むことを特徴とする超伝導磁石。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の超伝導磁石において、
前記第１の開閉器または前記第２の開閉器は、接点開閉で電流を遮断する電磁接触器と、電流の大きさを制御する半導体スイッチとを備えることを特徴とする超伝導磁石。
【請求項６】
請求項５に記載の超伝導磁石において、
前記複数のコイルブロック、前記電源、前記第１の開閉器及び前記第２の開閉器で主回路を形成し、
前記第１の開閉器または前記第２の開閉器は、前記半導体スイッチにより前記主回路に流れる電流を前記保護抵抗回路へ移行させ、前記主回路に流れる電流を小さくした後に、前記電磁接触器により電流を遮断することを特徴とする超伝導磁石。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の超電導磁石において、
前記コイルブロックに接続される各保護抵抗の中点で接地することを特徴とする超伝導磁石。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれかに記載の超電導磁石において、
前記コイルブロックに接続される各保護抵抗の中点から接地抵抗を介して接地することを特徴とする超伝導磁石。
【請求項９】
請求項１乃至６のいずれかに記載の超電導磁石において、
前記コイルブロックに接続される各保護抵抗の中点から第４の開閉器を介して接地することを特徴とする超伝導磁石。
【請求項１０】
請求項９に記載の超電導磁石において、
超伝導磁石の定常運転の際には、前記第４の開閉器を開状態にし、
超伝導磁石の常伝導転移の際には、前記第１の開閉器及び第２の開閉器を開状態にした後であって、前記第３の開閉器を開状態とする前に、前記第４の開閉器を閉状態にすることを特徴とする超伝導磁石。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の超電導磁石において、
前記第３の開閉器は、前記保護抵抗回路の全部または一部を短絡させることで、前記保護抵抗回路の抵抗値を変化させることを特徴とする超伝導磁石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導磁石保護回路を用いた超伝導磁石に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電気抵抗ゼロの超伝導体を利用すると高い電流密度で電流を通電することが可能であることから、これを利用して強磁場を発生する電磁石が実現されている。超伝導線材を用いてつくられた電磁石（以降、超電導磁石と記す）は、NMR(Nuclear Magnetic Resonance)分光装置、MRI(Magnetic Resonance Imaging)装置用途の磁石、研究用加速器用の磁石などで利用されている。
【０００３】
超伝導磁石は極低温に冷却されて超伝導状態が維持されるが、極低温中では常温にくらべ比熱が桁違いに小さいため、なんらかのわずかな外部擾乱によって温度上昇が発生し、超伝導状態から常電導転移するクエンチが発生することがある。
【０００４】
磁場を発生している超伝導磁石には、磁気の形でエネルギーが蓄えられているが、クエンチが生じ超伝導磁石が電気抵抗を発生すると、その抵抗で蓄積されたエネルギーが消費されることになる。蓄積エネルギーが大きく、局所的にエネルギーが消費される場合、ジュール発熱によりクエンチした領域の温度は急激に上昇し、やがて焼損に至る。
【０００５】
したがって、超伝導磁石には、クエンチ発生時に超伝導磁石の焼損を防止するための保護機構が必要となる。一般には、超伝導磁石には並列に保護抵抗と呼ばれる抵抗が接続され、保護抵抗でエネルギーを速やかに熱に変えて消費させることにより、超伝導磁石内部での局所的な温度上昇を抑制する。
【０００６】
その他の方法としては、ヒータでクエンチしていない部分に熱を投入し、超伝導磁石の抵抗発生領域を速やかに拡大させ、局所的ではなく広い領域でエネルギーを消費させることによって、局所的な温度上昇を抑制する、クエンチバックという保護方法もある。
【０００７】
いずれの場合も、クエンチの発生した局所的な場所で発熱させることなく、より広い領域でエネルギーを消費させ、また、外部抵抗によって速やかに磁石に流れている電流を減衰させることが焼損防止のポイントとなる。
【０００８】
磁石の焼損を防止するためには速やかに磁石に流れている電流を減衰させることが必要である。磁石から電流を引き抜く際には、クエンチした領域の抵抗性の電圧以外に、電流の変化に伴う誘導電圧が磁石に発生する。電流を急激に減衰させると誘導電圧が大きくなり、磁石の電気絶縁がもたなくなるため電流減衰速度には上限がある。
【０００９】
磁石の規模が大きくなってくると、発生する電圧が大きすぎて磁石全体を一括で保護することは難しく、構成される磁石を分割し、分割された小磁石個別に保護抵抗を抱かせて保護する分割保護を行うことが必要となる。分割を行うことによって個々の磁石での電圧発生を小さくすることができる。また、分割保護をした場合、個々の磁石の保護回路における電流減衰時定数を適切に設定でき、また、保護動作のタイミングなども調整できることから、全体一括保護に比べ全体としての発生電圧を小さく抑えることが可能である。
【００１０】
しかし、分割保護を行っても、アース電位から見た磁石の最高電位（対地電圧）は、個々の保護回路で発生した電圧が加算されて持ち上がってしまうため、磁石が大型になれば対地絶縁を確保することが困難となってしまう。
【００１１】
非特許文献１および特許文献１には、大型磁石においてもこの対地電圧を抑制する方法が開示されている。この手法は、通常の運転時には主回路には抵抗が存在せず、クエンチ発生後の磁石保護動作の際に、主回路中に抵抗を発生させるものである。主回路にコイルのインダクタンスと抵抗を交互に並べることによって、インダクタンス部で発生する負電圧、抵抗部で発生する正電圧を互いにキャンセルさせることにより、対地電圧を抑制するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平９−９３８００号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】"OPERATING EXPERIENCE OF TORE SUPRA SUPERCONDUCTING MAGNETS", Turck, B. et al., Fusion Engineering, 1993., 15th IEEE/NPSS Symposium on  (Volume:1 )
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
非特許文献１、特許文献１などで開示された磁石保護法式によって、対地電圧を低減することは可能である。しかし、この方式では、インダクタンスによる負電圧発生と抵抗による正の電圧発生をキャンセルさせることを特徴としているので、負電圧と正電圧をバランスさせる必要がある。
【００１５】
同じ形状の磁石を複数並べ、インダクタンスの値がほぼ同じであれば、発生する誘導起電力は同じであるので比較的設計は容易となる。しかし、インダクタンスの値が異なるコイルがあると誘導起電力の大きさが異なるため設計が難しくなる。この場合、インダクタンスの大きさに応じ、誘導電圧をキャンセルするように、直列に挿入される抵抗値に差をつけることによって電圧をキャンセルすることは可能である。しかし、クエンチ後の磁石保護動作時の電流値や電流減衰割合は時間とともに変化するために、誘導起電力と抵抗電圧を常にバランスさせることは原理的にできない。インダクタンスと抵抗を交互に並べる設計は、対地電圧の抑制には確かに効果的ではあるが、構成要素の磁石の大きさが異なり、また、全体として蓄積エネルギーが大きな磁石では、この方式での対地電圧抑制には限界がある。
【００１６】
本発明の目的は、磁石の構成や蓄積エネルギーの大きさに関わらず、超伝導磁石を保護する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の超伝導磁石は、複数のコイルブロックがスイッチをはさんで直列接続されて主回路が構成されており、個々のコイルブロックには保護抵抗が並列接続されており、それぞれの保護抵抗には短絡させるためのスイッチが並列接続されている構成となっている。そして、この保護抵抗は中点で接地されている。クエンチが発生し、磁石の保護動作開始の際には、保護抵抗に備え付けられた短絡スイッチは閉状態であり、主回路のスイッチを開にして個々のコイルブロックを切り離した後に、短絡スイッチを開にする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、磁石の大きさに関わらず常電導磁石の対地電圧を許容値以下に制約した保護回路を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の超伝導磁石保護回路の基本的な回路図である。
【図２】本発明の保護抵抗短絡スイッチの構成を示す回路図である。
【図３】本発明の高耐圧保護抵抗短絡スイッチの構成方法を示す回路図である。
【図４】本発明の主回路分断スイッチまたは電源遮断スイッチの構成を示す回路図である。
【図５】本発明の主回路分断スイッチまたは電源遮断スイッチの構成の別の例を示す回路図である。
【図６】本発明の電流転流時間の制御を可能とする主回路分断スイッチまたは電源遮断スイッチの構成の一例を示す回路図である。
【図７】本発明の電流転流時間の制御を可能とする、スナバレスの主回路分断スイッチまたは電源遮断スイッチの構成の一例を示す回路図である。
【図８】本発明の全体回路の形態の一例を示す回路図である。
【図９】本発明の全体回路の形態の別の例を示す回路図である。
【図１０】本発明の磁石保護回路のもうひとつの基本概念を示す回路図である。
【図１１】本発明のタイミングの制御なしにスイッチ動作の時間差を確保するためのスイッチ駆動回路の例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、超伝導磁石の保護回路に関し、電源駆動モードで運転される超伝導磁石用保護回路に関する。
【００２１】
本発明の超伝導磁石保護回路は、超伝導磁石を構成する個々の超伝導コイルに保護抵抗が結合されて電流減衰回路が形成されており、定常運転状態ではそれらの超伝導コイルはスイッチを介して直列に接続されて励磁されている。クエンチが発生した際には、個々の回路をつなぐスイッチを切って、それぞれを独立にし、それぞれの回路において中点接地をすることで、いかなる大型の磁石においても対地電圧を低く抑えた保護回路を実現できる。
【００２２】
以下、本発明に係る実施形態について説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
【００２３】
本発明に係る超伝導磁石保護回路は、複数のコイルブロックが直列接続されて構成される超伝導磁石であって、このコイルブロックはひとつもしくは複数コイルが直列接続された構成となっており、コイルブロックには保護抵抗回路が並列接続されて電流減衰ループが形成されている。このコイルブロックはスイッチを介して直列接続され直流電流源によって励磁される。さらに保護抵抗には並列に保護抵抗短絡スイッチが接続されており、スイッチをオンにすることによって保護抵抗の全部または一部を短絡し、コイルブロックの保護回路における抵抗値を変更できるように構成されている。
【００２４】
そして本発明の保護回路の動作は、定常状態においては主回路に挿入されたすべてのスイッチはオンになっており、直流電流源からコイルが一続きの電流で励磁されている。クエンチが発生すると、主回路に挿入されたスイッチを切る瞬間には、保護抵抗に並列接続されたスイッチはオン状態となっており、そのため保護回路の抵抗が小さくなるように維持されている。主回路に挿入されたスイッチのいずれかがオフとなると、主回路を一続きに流れていた電流は、保護抵抗回路に流れ込み、主回路に挿入されたスイッチがすべてオフとなってから、保護回路を短絡していたスイッチがオフになることを特徴とする。
【００２５】
また、主回路に挿入されるスイッチ、保護抵抗を短絡させるスイッチは、単体もしくは複数のスイッチが直列接続された構成となっており、スイッチとしては電磁接触器などの接点を有したスイッチやIGBT, MOSFET, バイポーラトランスタなどをはじめとする半導体スイッチの単独もしくは組み合わせによって構成される。
【００２６】
各スイッチにはスイッチオフ時の高電圧発生を抑制するためのスナバ回路（任意の電圧抑制回路、電圧クリップ用のダイオードやアレスタも含む）が適宜設置される。
【００２７】
また、複数のスイッチが直列接続される場合には、スイッチがオフのときに直列接続された個々のスイッチへの電圧分担を所望の分担比とするように、スイッチのオフ抵抗よりも小さい抵抗を個々のスイッチに並列に接続した分圧器が備え付けられている。
【００２８】
主回路に挿入されるスイッチを電磁接触器とした場合には、大電流通電時に電流遮断を行うときの高電圧発生の抑制が重要となる。主回路にMOSFETなどの半導体のスイッチ素子を挿入しておき、ゲート電圧を制御して主回路に一続きで流れている電流を穏やかに保護回路ループへ移行させ、電磁接触器で遮断すべき電流を小さく、もしくはゼロにすることによって、電磁接触器での高電圧発生抑制を行うことも可能である。
【００２９】
また、それぞれの保護抵抗の中点で接地をすることによって、常に各々の保護回路の最大対地電圧（の絶対値）を各々の超伝導コイルで発生する電圧（誘導性電圧およびクエンチ部での抵抗性電圧の和）の半分にすることができる。保護抵抗の値や保護抵抗短絡スイッチの設置の仕方によっては、保護抵抗の中点のアース回路を通じて、他の保護回路に電流が流れるため、これを抑制するためには中点設置する際に適切な接地抵抗を介して接地するか、開閉器を取り付けてクエンチ保護動作の適切なスイッチタイミングにおいて（主回路が完全に切断されから、保護抵抗短絡スイッチを開く前が望ましい）接地すればよい。
【００３０】
本発明を更に図面を参照しながら具体的に説明する。
（超伝導磁石の仕様）
発生磁場12Tの大型超伝導磁石の保護回路の設計を実施した。磁石はNb3SnとNbTiで構成された多層コイル構成で、内側に４個のNb3Snコイル、外側に６個のNbTiコイルで構成されている。磁石の運転電流は700Aで蓄積エネルギーはおよそ30MJである。Nb3SnコイルのブロックとNbTiコイルの２つのブロックに分けて磁石保護を行うこととした。クエンチ時の電圧発生とホットスポットにおける温度上昇を鑑み、Nb3Snコイルブロックにおける対地絶縁設計は1.2kV、NbTiコイルブロックにおける対地絶縁は2.5kVとした。
【００３１】
以下、実施例を用いて説明する。
【実施例】
【００３２】
（超伝導磁石の保護回路基本構成）
図１に超伝導磁石保護回路の基本的な回路図を示す。
【００３３】
２つのコイル(1a,1bおよび1c,1d)が直列接続された２つのコイルブロック(2a,2b)が主回路分断スイッチ(3)を介して接続され、直流電流源(4)に接続されている。直流電流源とコイルの間には電源とコイルを切り離すための電源遮断スイッチ(5a,5b)が挿入されている。直流電流源(4)には内部もしくは外部に電源を保護するための電源保護抵抗もしくは電源内部抵抗(6)が備え付けられる。コイルブロック(2a,2b)にはそれぞれクエンチ時に電流を減衰させるための閉回路を構成するために、保護抵抗(7a,7bおよび7c,7d)が設置される。それぞれのコイルブロック(2a,2b)の保護抵抗(7a,7bおよび7c,7d)には、コイルブロックから見て短絡されるように並列に保護抵抗短絡スイッチ(8a,8b)が備え付けられる。それぞれのコイルブロックに設置された保護抵抗の中点で接地する。コイルブロック(2a,2b)、直流電流源(4)、主回路分断スイッチ(3)及び電源遮断スイッチ(5a,5b)で主回路を形成する。
（動作シーケンス）
次に、クエンチ発生後の磁石保護動作について説明する。定常運転の際には、コイルブロック(2a,2b)は直流電流源(4)により駆動されているため、電源遮断スイッチ(5a,5b)は閉、また、主回路分断スイッチ(3)も閉状態である。定常運転時には、保護回路短絡スイッチ(8a,8b)については、閉、開のどちらでもよいが、後述するスイッチのタイミング制御なしで保護動作を保証する観点からは閉状態となっていることが必要である。
【００３４】
クエンチ発生後、速やかに直流電流源(4)からコイルへの電流の供給を止める必要があるが、この操作の前に保護抵抗短絡スイッチ(8a,8b)を閉状態にする。定常運転時も常に閉状態として運用しているのであれば、改めてこのスイッチを閉にする操作は必要がない。
【００３５】
次に、直流電流源(4)からの電流の供給を止める操作を行う。エネルギーの投入を止めるため、電源遮断スイッチ(5a,5b)と主回路分断スイッチ(3)を遮断する(開にする)。直列回路になっているため、これらのいずれかのスイッチが遮断されると、直流電流源(4)からコイルへの電流の供給がストップする。基本回路の説明においてはこれらスイッチについては機能的には違いがないため、特にスイッチを切る動作のタイミングについては気を使う必要はない。
【００３６】
主回路分断スイッチ(3)および電源遮断スイッチ(5a,5b)が完全に開になった後に、保護抵抗短絡スイッチ(8a,8b)を開にする。
【００３７】
以上の操作により、それぞれのコイルブロックは中点設置された独立の保護回路として動作する。
（動作原理）
コイルを分割して保護を行う分割保護方式では、細かく分割を行うことによりコイルブロックあたりの発生電圧を小さくすることはできるが、回路自体はつながっており対地電圧は個々のブロックで発生する電圧が加算されるため、n分割しても対地電圧が1/nに小さくなるわけではない。しかし、個々の保護回路が独立であれば、分割によって対地電圧が小さくなることは明白である。主回路分断スイッチおよび電源遮断スイッチを切って回路を分断することによって、個々の保護回路を独立として働かせることが可能となる。
【００３８】
しかし、主回路分断スイッチや電源遮断スイッチを切るだけで保護回路が成立するわけではない。仮に図１の回路で保護抵抗短絡スイッチが存在しないことを考える。クエンチ検出後、主回路分断スイッチと電源遮断スイッチの遮断を実施する。スイッチ動作の時間差がゼロということは絶対に実現できないため、いずれかのスイッチが切れた瞬間には他のスイッチはつながった状態のままである。
【００３９】
一方、主回路にはこれらのスイッチが直列に挿入されているから、いずれかのスイッチが切れた瞬間に、それぞれのコイルブロックで保護動作が開始する（コイルの電流が保護抵抗回路に流れ込む）。保護抵抗へ電流が流れ込む瞬間に、コイルブロックに流れていた電流と保護抵抗との積の電圧が瞬時に発生し、電流減衰とともにその電圧は下がっていく。保護抵抗は磁石のエネルギーを速やかに消費させるために電気絶縁が耐える範囲で大きく設計すべきであるから、保護動作開始時には大きな電圧が発生する。したがって、スイッチが切れずにつながった状態のまま、個々の保護回路で発生した電圧は加算されることになり対地電圧は大きくなる。
【００４０】
以上のように、単純に主回路にスイッチを挿入して回路を分断しても対地電圧の抑制はできない。したがって、回路分断方式を成立させるためには、主回路に挿入されたスイッチの動作に時間差があっても高電圧を発生させない仕組みが必要である。
【００４１】
主回路のスイッチのいずれかのスイッチが切れた瞬間に、それぞれの保護回路にて電圧が発生するため、この電圧を小さくすることによって、スイッチ動作の時間差の問題を解消することができる。保護動作開始時の発生電圧は、コイルに流れる電流と保護抵抗の積で決まるから、この保護抵抗の値を小さくすることによって、高電圧発生を抑制できる。
【００４２】
しかし、保護抵抗はコイルに蓄積されたエネルギーを速やかにジュール発熱として散逸させないといけないとコイルが焼損するため、保護抵抗をあまり小さくすることはできない。そこで、主回路に挿入されたスイッチが切れる瞬間には、保護抵抗短絡スイッチにて保護抵抗を短絡させてゼロの状態としておき、主回路のすべてのスイッチが完全に切れた後に、保護抵抗短絡スイッチを切って保護抵抗が働くようにすれば問題を解決することができる。
（保護抵抗短絡スイッチ）
次に保護抵抗短絡スイッチについて説明する。保護抵抗短絡スイッチは、定常運転状態においては電流を流しておらず、クエンチ発生後の磁石の保護動作時に、主回路のスイッチを切断する瞬間にのみ電流を通電し、主回路のスイッチが切られた後は電流は流れない。そのため、スイッチのオン抵抗はそれほど小さくなくてもよく、スイッチでの電圧降下伴う発熱はそれほど気にしなくてもよい。また、保護抵抗短絡スイッチは、主回路に挿入されるスイッチが切られた後に速やかに切られる必要があり、制御性に優れている必要がある。
【００４３】
したがって、スイッチとしてはどのような形態であってもよいが、直流電流が流れていても遮断が容易な半導体スイッチを使うのが最適である。そのようなスイッチとしてはIGBTがある。図２に保護抵抗短絡スイッチの構成例を示す。スイッチはIGBT(9)にスイッチオフ時の高電圧発生を抑制するスナバ(10)が接続されてある。
【００４４】
スナバについては図示したようなCRスナバでもよいし、その他の形態であっても良い。スイッチオフ時に発生する電圧が、超伝導コイルを含む回路内の要素にとって問題なければスナバを実装する必要はない。
【００４５】
なお、コレクタ-エミッタ間に印加できる耐電圧が大きく、電流容量の大きなIGBT素子内部には一般に逆方向のダイオードが形成されているため、ダイオードも図示してある。大電圧を扱えるIGBTモジュールとしては3.3kVのものが市販されている。
【００４６】
本実施例においては、Nb3Sn回路での最大発生電圧は約2.4kV、NbTi回路での最大電圧回路では約5kVであるため、それを遮断できるIGBTが必要となる。一般に入手可能なIGBTの最大電圧は3.3kVであり、これではNbTi回路ではこの電圧を越えている。
【００４７】
そこで図３に示すようにIGBTを直列接続することによってより大きな電圧を扱えるようにした。図３は高耐圧保護抵抗短絡スイッチの構成方法を示す。
【００４８】
IGBT(9a,9b,9c,9d)を直列接続にし、それぞれのIGBTにはスナバ(10a,10b,10c,10d)を取り付け、さらにIGBTがオフの時に、回路に発生した電圧がそれぞれのIGBTに電圧が等しく分担されるように分圧抵抗(11a,11b,11c,11d)をとりつけた。
【００４９】
分圧抵抗はIGBTのオフ抵抗の影響を受けないようにIGBTのオフ抵抗よりも10%未満とする。本実施例では、最大コレクタ-エミッタ間電圧1700V、連続コレクタ電流800Aの2素子1パッケージ入りの素子を使い、Nb3Snコイル側のスイッチはIGBTを2段構成、NbTi側は4段構成とした。
【００５０】
直列したIGBTをオン状態からオフ状態にする際には、厳密にはIGBTの電流制限動作は等しくなく、したがって個々のIGBTの電圧分担に差が生じる可能性がある。しかし、分圧抵抗およびスナバの存在により分担電圧のバラツキが抑制され、IGBTに印加される電圧を許容範囲に抑えることができる。
（主回路分断スイッチおよび電源遮断スイッチ）
次に主回路分断スイッチおよび電源遮断スイッチについて説明する。保護抵抗短絡スイッチと異なり、主回路スイッチおよび電源遮断スイッチは定常状態において常に電流を流していることが特徴である。したがって、これらのスイッチはオン抵抗の十分小さなスイッチで電圧ドロップが小さいものが必要となる。半導体素子を使った場合、IGBTではコレクタ-エミッタ間飽和電圧が2-3V残るため不利であり、また、MOSFETを使えば並列接続で1mΩを十分に下回るオン抵抗を実現できるが耐電圧が低いため使いにくい。したがって主回路に入れるスイッチは、電磁接触器が最も適切である。
【００５１】
図４に主回路分断スイッチまたは電源遮断スイッチの構成の一例を示す。電磁接触器(12)とスナバ(10)で構成される。これらのスイッチは接点開閉で直流電流を遮断することから、遮断時に接点間にアークが飛ぶため高電圧を抑制するためのスナバが必要となる。
【００５２】
図５に主回路分断スイッチまたは電源遮断スイッチの構成の別の例を示す。図１における主回路分断スイッチ(3)には、保護動作時にNb3Sn回路側の最大発生電圧の半分とNbTi回路側の最大発生電圧の半分の電圧の和が印加される可能性がある。この印加電圧に対し十分な耐圧を持つ大型の遮断器（たとえば真空遮断器）を用いても良い。しかし、大型の真空遮断器を使うのはコストや制御が大掛かりになるため、保護抵抗短絡スイッチと同様に図５に示すように、電磁接触器(12a,12b,12c,12d)を多段接続し、分圧抵抗(11a,11b,11c,11d)を使って、スイッチオフ時の電圧を分担するように構成することが望ましい。
【００５３】
このように多段接続をすることにより、スイッチオフ時の電圧の分担については問題はなくなるが、直流大電流を遮断する必要があるために、電磁接触器のみでスイッチを構成した場合には電流遮断動作およびスイッチオフの瞬間の高電圧発生による接点の焼損を防止が十分でないことも起こりうる。
【００５４】
その場合、電磁接触器のオフ動作が確実にできるように電流を小さくする、あるいはゼロにすることが必要となる。そのためには、主回路電流を遮断するスイッチに半導体スイッチを挿入し、このスイッチを利用して主回路の電流を保護回路へ転流させる。電磁接触器では電流の転流速度を制御することはできないため、大きな電圧がオフ動作時に発生するが、半導体スイッチであれば、ゲートの制御電圧をコントロールすることによって電流転流速度を制限でき電流転流時の高電圧発生を抑制できる。
【００５５】
図６に、転流速度をコントロールするために半導体スイッチを挿入した主回路分断スイッチ（電源遮断スイッチに本機能を持たせても可）の構成例を示す。この構成では２段の電磁接触器(12a,12b)とMOSFET(13)を直列接続をしてスイッチを構成している。また各スイッチにはスナバ(10a,10b,10c)を設置したが、これの構成は設計事項であるので適切に決めればよい。スイッチがオフ状態で印加される電圧を分担するために分担抵抗(11a,11b,11c)が必要となるが、MOSFET(13)は印加できる電圧が一般には数10Vと小さいため、MOSFET(13)に印加される電圧を小さくするために分担抵抗(11b)の値は、その他の分担抵抗(11a,11c)にくらべて適切に小さく設定する必要がある。また、MOSFET(13)のゲート電圧を制御して十分ゆっくり電流を転流させ、かつ、電流ゼロで電磁接触器(12a,12b)を開にするような動作をさせるのであれば、図７のようにスナバレスとすることができる。図７は電流転流時間の制御を可能とする、スナバレスの主回路分断スイッチまたは電源遮断スイッチの構成の一例を示す回路図である。
（保護回路詳細）
次に本実施例の全体回路の形態の一例を図８を示す。４個のNb3Snコイル(1a,1b,1c,1d)でひとつのコイルブロックとし、6個のNbTiコイル(1e,1f,1g,1h,1i,1j)をもうひとつのコイルブロックとし、２つの保護回路で磁石を保護することにした。
【００５６】
Nb3Snコイル側は1.7Ωの保護抵抗(7a,7b)を2段とし、回路としては3.4Ωの保護抵抗でコイルを保護することとし、保護抵抗(7a,7b)には２つのIGBT(9a,9b)で短絡し、保護抵抗の中点で10kΩの接地抵抗(16a)を介して接地した。保護回路とコイルブロックの間には、励磁時の電流分流抑制のためのダイオード(14a,14b)を挿入した。Nb3Snコイルの保護回路では、最大約2.4kVの電圧が発生し、中点設置のため対地電圧は1.2kVとなる。IGBT(9a,9b)には、コレクタ-エミッタ間電圧1700V、連続コレクタ電流800Aのものを使った。
【００５７】
NbTiコイル側は1.8Ωの保護抵抗(7c,7d,7e,7f)を4段とし、回路としては7.2Ωの保護抵抗でコイルを保護することとし、保護抵抗(7c,7d,7e,7f)は4段のIGBT(9c,9d,9e,9f)で短絡し、保護抵抗の中点で10kΩの接地抵抗(16b)を介して接地した。保護回路とコイルブロックの間には、励磁時の電流分流抑制のためのダイオード(14c,14d)を挿入した。NbTiコイルの保護回路では、最大約5kVの電圧が発生し、中点設置のため対地電圧は2.5kVとなる。IGBT(9c,9d,9e,9f)には、コレクタ-エミッタ間電圧1700V、連続コレクタ電流800Aのものを使った。
【００５８】
主回路分断スイッチは、電磁接触器(12b,12c)で構成した。また電源遮断スイッチは、直流電流源(4)とNb3Snコイルブロック間には、電磁接触器(12a)とMOSFET(13)の直列接続としたものを挿入し、電源とNbTiコイルブロック間には電磁接触器(12d,12e)を直列接続したものを挿入した。電磁接触器(12a,12b,12c,12d,12e)は、絶縁耐圧2kV、定格電流容量800Aのものを使用した。MOSFET(13)は、最大ドレイン-ソース間電圧150V、連続ドレイン電流375A、公称オン抵抗(最大11mΩ)の素子を12素子並列（図示せず）して構成した。電磁接触器にとりつけた分圧抵抗(11g,11i,11j,11k,11m)はそれぞれ1MΩとし、MOSFET(13)にとりつける分圧抵抗(11h)は100kΩとした。また、直流電流源(4)をバイパスするようにダイオード(15a,15b)を接地した。スナバは図示していないが、個々のスイッチから見たスイッチ動作時の電流パスの変化分のインダクタンスに蓄積されるエネルギーを回収できるように設計した。
【００５９】
なお、本実施例では、保護抵抗短絡スイッチに基本回路で説明したような分圧抵抗を設置せず、保護抵抗と共用している。図９（全体回路の形態の別の例）に示すように分圧抵抗を設置し、保護抵抗中点と保護抵抗短絡スイッチを接続しない構成も可能である。この場合には、接地抵抗を省略することが可能となる。
【００６０】
図１０は本発明の磁石保護回路のもうひとつの基本概念を示す回路図である。実施例ではそれぞれのコイルブロックの保護抵抗が見えなくなるように保護抵抗短絡スイッチは保護抵抗の両端に接続したが、図１０に示すように保護抵抗の一部分のみを短絡させるということも可能である。これは、それぞれの保護抵抗短絡スイッチがオフになるまでの間にも、短絡されていない保護抵抗で磁石のエネルギーを回収できるため、磁石の温度上昇がシビアであるときに利用する。
【００６１】
図１０は、図１の回路図に対し、保護抵抗(7a,7b)に保護抵抗(7a’,7b’)を直列に接続し、保護抵抗(7c,7d)に保護抵抗(7c’,7d’)を直列に接続し、保護抵抗短絡スイッチ(8a)を保護抵抗(7a,7b)と並列に接続し、保護抵抗短絡スイッチ(8b)を保護抵抗(7c,7d)と並列に接続したものである。
（スイッチ駆動回路）
前述のように、各スイッチの動作タイミングは、主回路の電流を切る主回路分断スイッチおよび電源遮断スイッチを切る直前には、保護抵抗短絡スイッチをオンにしておき、主回路のスイッチが完全に切れた後に保護抵抗短絡スイッチをオフにすることが必要であり、スイッチの動作タイミングを制御することが必要である。
【００６２】
保護動作の信頼性確保のためには、タイミングを制御するコントローラがなくても、スイッチ動作の時間差が確保され動作する仕組みが必要となる。図９１１にタイミングの制御なしにスイッチ動作の時間差を確保するためのスイッチ駆動回路の例を示す。駆動回路はひとつの主電源に絶縁型のDC/DCコンバータが複数ぶら下がった構成となっており、各DC/DCコンバータの出力には、コンデンサと抵抗の遅延回路が接続されている。各出力の先には、保護抵抗短絡スイッチのIGBTのゲートや、主回路スイッチを構成するMOSFETのゲートなどが接続される。IGBTおよびMOSFETはすべてノーマリーオープンで構成しておく。接触器は電源供給が止まるとオフになるようにノーマリーオープンで構成されるべきであるが、コンデンサの容量が限られるため、ここから電源を供給して時間差を確保することは不可能である。したがって、電磁接触器を駆動するための電源（常時供給の系統とバックアップのバッテリー構成）をMOSFETスイッチを介して接続しておき、制御出力をこのMOSFETスイッチに接続する。遅延回路におけるコンデンサの放電時定数を適切に設定することによって、タイミングコントローラなしに各スイッチを適切な時間差で動作させることができる。
【００６３】
以上のように、クエンチが発生したときに個々の保護回路を安全に切り離すことを可能とし、したがって、磁石の規模および蓄積エネルギーの制限なく、クエンチ時に超伝導磁石を保護できるシステムを提供できる。
（本発明の磁石保護回路の利用）
本発明の磁石保護回路は、永久電流モード運転ではなく、電源から電流が供給される超伝導磁石に対して適用できる。特に蓄積エネルギーの大きな磁石において有用であり、核融合用超伝導磁石や、SMES用の超伝導磁石といった応用に最適である。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の磁石保護回路は、永久電流モード運転ではなく、電源から電流が供給される超伝導磁石に対して適用できる。特に蓄積エネルギーの大きな、核融合用超伝導磁石や、SMES用の超伝導磁石といった応用に利用できる。
【符号の説明】
【００６５】
1a,1b,1c,1d,1e,1f,1g,1h,1i,1j: コイル
2a, 2b: コイルブロック
3:主回路分断スイッチ
4:直流電流源
5a,5b: 電源遮断スイッチ
6: 電源保護抵抗もしくは電源内部抵抗
7a,7b,7c,7d,7e,7f:保護抵抗
7a',7b',7c',7d': 保護抵抗
8a,8b:保護抵抗短絡スイッチ
9,9a,9b,9c,9d,9e,9f: IGBT
10,10a,10b,10c,10d: スナバ
11a,11b,11c,11d,11e,11f,11g,11h,11i,11j,11k,11m: 分圧抵抗
12,12a,12b,12c,12d,12e: 電磁接触器
13: MOSFET
14a,14b,14c,14d: ダイオード
15a,15b: ダイオード
16a,16b: 接地抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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