(57)【要約】【課題】発熱を抑えて損失を低減させ大型化を抑えた交流／直流変換装置を得る。【解決手段】直流側巻線３０を巻回する直流側鉄心３と、交流側巻線３４を巻回する交流側鉄心２と、直流側鉄心３と交流側鉄心２との間の磁気的接続箇所に配置されて磁気的接続箇所における磁束の遮断と通過を制御することにより磁路接続箇所を切り替えて直流側鉄心３の直流側巻線３０部分では同じ方向に流れる共に交流側鉄心２の交流側巻線３４部分では流れ方向が互いに逆向きとなる２通りの磁束流Ａ，Ｂを周期的に交互に形成する磁路切換素子４１，４２，４３，４４とを備え、交流側巻線３４若しくは直流側巻線３０に流した交流電流若しくは直流電流で発生させた磁束の流れを磁路切替素子によって切り替えることによって他方の巻線３０若しくは３４に磁気誘導で直流若しくは交流の電流を生じさせることにより電力変換するようにしている。【選択図】        図１
2008072886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流側巻線を巻回する直流側鉄心と、交流側巻線を巻回して前記直流側鉄心との間に閉磁路を形成する交流側鉄心と、前記直流側鉄心と前記交流側鉄心との間の磁気的接続箇所に配置されて前記磁気的接続箇所における磁束の遮断と通過を制御することにより磁路接続箇所を切り替えて前記直流側鉄心の直流側巻線部分では同じ方向に流れる共に交流側鉄心の交流側巻線部分では流れ方向が互いに逆向きとなる２通りの磁束流を周期的に交互に形成する磁路切換素子とを備え、前記交流側巻線若しくは前記直流側巻線に流した交流電流若しくは直流電流で発生させた磁束の流れを前記磁路切替素子によって切り替えることによって他方の巻線に磁気誘導で直流若しくは交流の電流を生じさせることにより電力変換するものである電力変換装置。
【請求項２】
前記直流側鉄心は鉄心脚の両端にそれぞれ２つずつの４つの内磁束ゲート部を有し、前記前記交流側鉄心は前記内磁束ゲート部と各々対向配置されて磁気的に結合される４つの外磁束ゲート部を有し、前記内磁束ゲート部と前記外磁束ゲート部とで前記磁気的接続箇所が構成され、前記内磁束ゲート部と外磁束ゲート部との間に前記磁路切替素子が配置されたものである請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記直流側鉄心は鉄心脚の両端に入口側内磁束ゲート部と出口側内磁束ゲート部とを備えると共に前記鉄心脚の中央に入口側内磁束ゲート部と出口側内磁束ゲート部とを兼ねる共通内磁束ゲート部を有し、前記共通内磁束ゲート部と前記入口側内磁束ゲート部との間の前記鉄心脚並びに前記共通内磁束ゲート部と前記出口側内磁束ゲート部との間の前記鉄心脚に前記直流側巻線がそれぞれ巻回されかつ互いに順結合され、
前記交流側鉄心は前記直流側鉄心の前記入口側内磁束ゲート部と前記出口側内磁束ゲート部及び前記共通内磁束ゲート部と各々対向配置されて磁気的に結合される出口側外磁束ゲート部と入口側外磁束ゲート部及び共通外磁束ゲート部との３つの外磁束ゲート部を有すると共に、前記共通外磁束ゲート部と前記入口側外磁束ゲート部あるいは出口側外磁束ゲート部との間の鉄心脚に前記交流側巻線を巻回し、
前記入口側並びに出口側の内外の磁束ゲート部の間に構成される前記磁気的接続箇所に前記磁路切替素子を配置して、前記交流側鉄心の鉄心脚を経て入口側外磁束ゲート部と共通外磁束ゲート部との間を通過する磁束と共通外磁束ゲート部と出口側外磁束ゲート部との間を通過する磁束との２通りの磁束流を交互に形成するものである請求項１記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記直流側鉄心は入口側あるいは出口側の内磁束ゲート部を両端にそれぞれ備えるヨーク部と前記ヨーク部の中央に磁気的に接続されて出口側あるいは入口側の内磁束ゲート部を１つ備えかつ前記直流側巻線を巻回する鉄心脚とを有し、
前記交流側鉄心は前記直流側鉄心の３つの内磁束ゲート部と各々対向配置されて磁気的に結合される２つの入口側あるいは出口側の外磁束ゲート部と１つの出口側あるいは入口側の外磁束ゲート部とを備えると共に前記２つの入口側あるいは出口側の外磁束ゲート部にはそれぞれ鉄心脚と互いの出力が反転する関係に接続された２つの前記交流側巻線とが設けられ、
前記２つの交流側巻線を巻回する鉄心脚の端部の外磁束ゲート部とこれに対応する内磁束ゲート部との間に構成される前記磁気的接続箇所に前記磁路切替素子を配置して、
一方の前記交流側巻線と前記直流側巻線とを経由する磁束あるいは他方の前記交流側巻線と前記直流側巻線とを経由する磁束の２通りの磁束流を交互に形成するようにしたものである請求項１記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記直流側鉄心は冷却媒体が封入された断熱容器内に配置されると共に超電導導体からなる前記直流側巻線を巻回し、前記交流側鉄心は前記断熱容器の外に配置されて常電導導体から成る前記交流側巻線を巻回したものである請求項１から４のいずれか１つに記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記直流側巻線は低圧巻線を、交流側巻線は高圧巻線を構成することを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記磁路切替素子は、前記断熱容器内の前記磁気的接続箇所に配置されてマイスナー効果により磁束の通過を遮断する希土類超電導素子と、前記交流側巻線あるいは直流側巻線に流される電流によって磁路内に発生する主磁束と合算されて生成される磁場が臨界磁場以上あるいは臨界磁場未満となる制御磁束を生成する制御巻線とを有し、前記磁気的接続箇所における前記主磁束と制御磁束とに基づく磁場が臨界磁場以上あるいは未満に交互に切り替えられることにより前記超電導素子に転移を起こさせて超電導状態と常電導状態とに切り替えられるものである請求項５記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記磁路切替素子は、前記主磁束あるいは前記制御磁束のいずれか一方を交流に他方を直流にすることにより、前記磁気的接続箇所にかかる磁場が臨界磁場以上あるいは臨界磁場未満に交互に切り替わり、前記超電導素子に転移を起こさせて超電導状態と常電導状態とに切り替えられるものである請求項７記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記磁路切替素子は、前記制御巻線へ流す制御電流を一定周期で増減させることにより、前記主磁束と合算されて生成される磁場が臨界磁場以上あるいは臨界磁場未満に交互に切り替わり、前記超電導素子に転移を起こさせて超電導状態と常電導状態とに切り替えられるものである請求項７記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記超電導素子は、絶縁層の上に希土類超電導膜を成膜したものを複数層積層したものである請求項７記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記制御巻線には、単独で前記希土類超電導素子に臨界磁界を与える電流を通電することを特徴とする請求項７から９のいずれか１つに記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記制御巻線には、前記主磁束を加えて、前記希土類超電導素子に臨界磁界を生成する電流を通電することを特徴とする請求項７から９のいずれか１つに記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記制御巻線には、全ての前記希土類超電導素子を臨界磁界未満にして超電導状態を維持する制御電流を通電し又は零電流として磁路の遮断を行なうことを特徴とする請求項７から９のいずれか１つに記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記制御巻線に流される制御電流が交流あるいは周期的に電流の大きさが変動する直流の場合には、前記交流電流の周波数あるいは前記直流の電流の変動周期が可変である請求項８または９記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記磁路切替素子は、前記直流側鉄心と前記交流側鉄心との間の前記磁気的接続箇所に磁束が通り易い物質と通り難い物質とを一定周期で交互に挿入することにより、前記磁気的接続箇所における磁束流の通過と遮断を交互に一定周期で切り替えるものである請求項１から５のいずれか１つに記載の電力変換装置。 
【請求項１６】
前記磁束が通り易い物質は磁性体であり、前記磁束が通り難い物質は反磁性体である請求項１５記載の電力変換装置。
【請求項１７】
前記磁路切替素子は、前記断熱容器内に配置されるものであり、前記磁束が通り難い物質はマイスナー効果により磁束の流れを遮断する超電導素子であり、前記磁束が通り易い物質は磁性体素子である請求項１６記載の電力変換装置。
【請求項１８】
前記磁束が通り難い物質は前記直流側鉄心と前記交流側鉄心との各磁束ゲート部の間に形成される空隙であり、前記磁束が通り易い物質は前記空隙を埋める磁性体である請求項１５記載の電力変換装置。
【請求項１９】
前記磁路切替素子は、前記直流側鉄心を包囲しかつ前記磁束が通り易い物質と前記磁束が通り難い物質とを前記内磁束ゲート部と対面する位置で交互に周方向に配置した非磁性体の円筒体から成る可動支持体と、前記可動支持体を一方向に回転させる駆動源とを備え、前記可動支持体を前記駆動源により回転させることにより前記内磁束ゲート部と前記外磁束ゲート部との間に磁束が通り易い物質と通り難い物質とを交互に一定周期で配置して磁束の流れを制御するものである請求項１５記載の電力変換装置。
【請求項２０】
前記磁路切替素子は、前記内磁束ゲート部と対面する位置で前記磁束が通り易い物質と通り難い物質とを交互に通過するように周方向に配置した非磁性体の円板状の可動支持体と、前記可動支持体を一方向に回転させる駆動源とを備え、前記可動支持体を前記駆動源により回転させることにより前記内磁束ゲート部と前記外磁束ゲート部との間に磁束が通り易い物質と通り難い物質とを交互に一定周期で配置して磁束の流れを制御するものである請求項１５記載の電力変換装置。
【請求項２１】
前記磁路切替素子は、少なくとも一対の前記磁束が通り易い物質と通り難い物質とを周方向に配置した非磁性体の可動支持体と、前記可動支持体を一定角度で揺動させる駆動源とを備え、前記内磁束ゲート部と前記外磁束ゲート部との間に前記磁束が通り易い物質と前記通り難い物質とを交互に一定周期で生成し、磁束の流れを制御するものである請求項１５記載の電力変換装置。
【請求項２２】
前記磁路切替素子は、少なくとも一対の前記磁束が通り易い物質と通り難い物質とを前記内磁束ゲート部と対面する位置で前記直流側鉄心の鉄心脚と平行な軸方向に配置した非磁性体の可動支持体と、前記可動支持体を往復動させる駆動源とを備え、前記可動支持体を前記駆動源により往復動させることにより、前記内磁束ゲート部と外磁束ゲート部との間に前記磁束が通り易い物質と前記磁束が通り難い物質とを交互に一定周期で生成して磁束の流れを制御する請求項１５記載の電力変換装置。
【請求項２３】
前記駆動源は、低圧交流母線を流れる交流電流の周波数と同期させて前記可動支持体を駆動するモータである請求項１９または２２のいずれか１つに記載の電力変換装置。
【請求項２４】
前記モータは、前記断熱容器内に永久磁石回転子を、前記断熱容器の外に電機子卷線を配置したキャンド型同期モータである請求項２３記載の電力変換装置。
【請求項２５】
前記交流側巻線には、複数の切り替え用電圧タップを備えたことを特徴とする請求項１から２４のいずれか１つに記載の電力変換装置。
【請求項２６】
前記交流側鉄心で構成される磁路の一部に磁性体素子を出し入れ可能なエアギャップを形成し、前記磁性体素子を挿入したときに前記磁路を流れる磁束量が増大し、前記磁性体素子を抜き取ったときに前記磁路を流れる磁束量が低減する電圧調整用の磁性体素子挿入引出機構を備える請求項１から２５のいずれか１つに記載の電力変換装置。
【請求項２７】
前記電圧調整用の磁性体素子挿入引き出し機構は、前記連結ヨークあるいは前記外磁束ゲート部よりも前記連結ヨーク寄りの部位に設けられている請求項２６に記載の電力変換装置。
【請求項２８】
請求項１から２７のいずれか１つに記載の電力変換装置を２台備え、前記変換装置の交流側巻線同士を互いに結線すると共に少なくとも一方の電力変換装置の前記直流側巻線と前記交流側巻線との巻数比を異ならせて、一方の変換装置の前記直流側巻線に入力された直流電流を他方の変換装置の前記直流側巻線から昇圧ないし降圧した直流電流として出力するものである電力変換装置。
【請求項２９】
請求項１から２７のいずれか１つに記載の電力変換装置を３台用意し、これらの前記直流側巻線を互いに直列に接続すると共に、前記交流側巻線にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相のいずれかを接続して三相交流対応としたものである電力変換装置。
【請求項３０】
１つの前記断熱容器内に共通の前記直流側巻線が巻回された３組の前記直流側鉄心を備えると共に前記断熱容器の外にそれぞれ前記交流側巻線が巻回された３組の交流側鉄心を対向配置させると共に、各対の直流側鉄心と交流側鉄心との間に前記磁路切替素子をそれぞれ配置し、各交流側巻線に流れる電流を電気角で１２０°ずつ位相を持たせて三相交流対応とするものである請求項５から２７のいずれか１つに記載の電力変換装置。
【請求項３１】
１つの前記断熱容器内に共通の前記直流側巻線が巻回された３組の前記直流側鉄心を周方向に機械角で１２０°ずつずらして配置すると共に前記断熱容器の外にそれぞれ交流側巻線が巻回された３組の交流側鉄心を前記直流側鉄心と対向させて配置すると共に、各対の直流側鉄心と交流側鉄心との間の前記可動支持体の前記磁束が通り易い物質と磁束が通り難い物質との位置関係が互いに電気角で１２０°ずつずらされている前記磁路切替素子をそれぞれ配置し、各交流側巻線に通電される交流電流を電気角で１２０°ずつ位相を持たせた三相交流対応とするものである請求項１５から２７のいずれか１つに記載の電力変換装置。
【請求項３２】
請求項５から３１のいずれか１つに記載の電力変換装置を２台備え、前記変換装置の前記断熱容器内の超電導導体から成る直流側巻線同士を前記断熱容器内に引き込んだ超電導ケーブルで接続し、前記断熱容器内及び前記超電導ケーブル内に冷却媒体を循環させるものである直流送電システム。
【請求項３３】
請求項５から３１のいずれか１つに記載の電力変換装置を２台備え、前記変換装置の前記断熱容器内の超電導巻線同士を前記断熱容器内に引き込んだ超電導ケーブルで接続し、前記断熱容器内及び超電導ケーブル内に冷却媒体を循環させ、前記超電導巻線自体又は前記超電導巻線同士の接続部分に備えた平滑巻線並びに前記超電導ケーブルに電力を蓄積するものである電力貯蔵システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換装置及びこれを利用した直流送電システム並びに電力貯蔵システムに関する。さらに詳述すると、本発明は、交流電力を直流電力に、あるいは直流電力を交流電力に変換する装置であり、直流送電系統に組込まれる交流／直流変換装置として好適であって、かつ変圧器、遮断器、電力貯蔵装置、周波数変換機の各機能を備え得る電力変換装置及びこれを利用した直流送電システム並びに電力貯蔵システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、交流直流変換装置は電力系統の直流送電設備、太陽光発電、風力発電、電池電力貯蔵設備、電気自動車用モータ電源、核融合マグネット、加速器用マグネット、医療診断用ＭＲＩマグネット用の電源、家庭用機器や照明用電源など、多用な分野で大容量から小容量まで広い用途に用いられている。これらの変換機は、いずれもシリコン結晶を用いた半導体であり、一方向にしか電流を流さないシリコン半導体を組み合わせて、交流を直流にあるいは直流を交流に変換するようにしている。この変換機は、交流電圧を変換機に適した値に変圧する変換器用変圧器と組み合わせて用いられている（特許文献１）。また、整流時にリップルを伴うのでこれを解消するための平滑リアクトルを備えている。
【０００３】
また、従来の直流送電系統は、例えば図３２に示されるように、発電機１０１と需要家などの負荷１０２（あるいは変電所）との間に、交流線路内に設けられた逓昇変圧器１０３、サイリスタバルブ等による順変換装置１０４、平滑リアクトル１０５、１０６、直流線路１０７、逆変換装置１０８、交流線路内に設けられた逓降変圧器１０９、各変圧器両端に高調波フイルタ回路を配置することによって構成されている（特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２３３８３３
【特許文献２】特開２０００−２５３５８２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のシリコン半導体を用いた変換機は、交流電圧を変換機に適した値に変圧する変換器用変圧器を必要とする上に、アーム短絡事故に備えて半導体素子の許容電流耐量を越えない漏れインピーダンスの変圧器を採用せざるを得ないので、半導体の電流耐量に比べて運転電流レベルを小さな範囲で運転せざるを得ない。また、アーム短絡の故障時に作動して故障電流が大きくなるのを防ぐ超電導導体を用いた限流器を用いたとしても、シリコン半導体の許容電流耐量に制限されるものである。このため、単一設備での大規模な電力変換に適しておらず、例えば発電所と電力需要家との間では何段もの電力変換設備を介在させなければならなかった。
【０００６】
また、常温巻線の変圧器とシリコン半導体を用いた変換機との組み合わせは、損失を伴う。例えば、現在使用する機器の主たる損失は、損失の少ない大容量機器のうち最も効率の高いものでも、逓昇変圧器１０３及び逓降変圧器１０９を含めた変圧器と平滑リアクトル１０５、１０６とのそれぞれの銅損と鉄損が定格容量の０．５％程度、順変換装置１０４及び逆変換装置１０８での損失が定格容量の１％程度、約合計約１．５％以上の損失となって現れ、これが低電圧用のものでは３％を超えるものもある。１．５％以上の損失の値は、大容量直流送電系統の機器のうち最も効率の良いケースのものであるが、例えば５００ＭＷ級の大容量送電系統の場合にはこの損失を上述のように１．５％に抑えることができたとしてもその損失の量としてはきわめて大きな値となる。しかも、通常の大容量機器での損失は１．５％に収まらないので、更に多くの損失が発生する恐れがある。また、小容量機器に至っては、損失の量としては大容量機器に比べ少ないのであるが、定格出力との比率からすれば一般に大容量機器の二倍もの損失が発生している。そこで、大容量機器でも小容量機器でも、電力損失を更にできるだけ減少させたいという要望がある。
【０００７】
また、大容量の送電系統の場合には、超高圧・大電流となって必然的に機器は大型化することになり、前述の逓昇変圧器１０３及び逓降変圧器１０９、順変換装置１０４及び逆変換装置１０８、及び平滑リアクトル１０５、１０６の各機器は小型化には限度があるという問題もある。
【０００８】
さらに、半導体変換素子の他に、変圧器、直流平滑用リアクトル巻線などを必要とし、装置の大型化・重量化を伴い、装置の製造費、運搬費、建設費を必要とする。
【０００９】
また、直流電圧を変圧するには、一旦交流に変換してから変圧器で変圧してから再度直流に変換する必要があり、変圧器と変換機を重複して必要とする。
【００１０】
本発明は、電力損失を低減させ、しかも小型化を促進可能な電力変換装置の提供を目的とする。また、本発明は、直流や交流の変圧器としての機能を併せ持つ電力変換装置の提供を目的とする。また、本発明は、遮断器としての機能を併せ持つ電力変換装置の提供を目的とする。また、本発明は、周波数変換器としての機能を併せ持つ電力変換装置の提供を目的とする。また、本発明は、高送電効率、低コストの直流送電システム並びに電力貯蔵システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
かかる目的を達成するため、本発明の電力変換装置は、直流側巻線を巻回する直流側鉄心と、交流側巻線を巻回して直流側鉄心との間に閉磁路を形成する交流側鉄心と、直流側鉄心と交流側鉄心との間の磁気的接続箇所に配置されて磁気的接続箇所における磁束の遮断と通過を制御することにより磁路接続箇所を切り替えて直流側鉄心の直流側巻線部分では同じ方向に流れる共に交流側鉄心の交流側巻線部分では流れ方向が互いに逆向きとなる２通りの磁束流を周期的に交互に形成する磁路切換素子とを備え、交流側巻線若しくは直流側巻線に流した交流電流若しくは直流電流で発生させた磁束の流れを磁路切替素子によって切り替えることによって他方の巻線に磁気誘導で直流若しくは交流の電流を生じさせることにより電力変換するようにしている。
【００１２】
ここで、直流側鉄心と交流側鉄心との間で２通りの磁束流を周期的に交互に形成するためには、原理的には４箇所の磁気的接続箇所が必要である。しかし、直流側巻線部分では同じ方向に磁束が流れるため、磁路の入口側あるいは出口側を共用化して１箇所に減らすことができ、少なくとも３箇所の磁気的接続箇所即ち磁束ゲート部を有すれば足りる。また、一部の磁気的接続箇所の共用化により、その磁気的接続箇所における磁束の遮断と通過を制御する必要がなくなるので、この場合における磁束の遮断と通過を制御する磁気的接続箇所は２箇所で足りる。
【００１３】
そこで、本発明の電力変換装置において、直流側鉄心は鉄心脚の両端にそれぞれ２つずつの４つの内磁束ゲート部を有し、交流側鉄心は内磁束ゲート部と各々対向配置されて磁気的に結合される４つの外磁束ゲート部を有し、内磁束ゲート部と外磁束ゲート部とで磁気的接続箇所が構成され、内磁束ゲート部と外磁束ゲート部との間に磁路切替素子が配置されるようにしている。
【００１４】
また、本発明の電力変換装置において、直流側鉄心は鉄心脚の両端に入口側内磁束ゲート部と出口側内磁束ゲート部とを備えると共に鉄心脚の中央に入口側内磁束ゲート部と出口側内磁束ゲート部とを兼ねる共通内磁束ゲート部を有し、共通内磁束ゲート部と入口側内磁束ゲート部との間の鉄心脚並びに共通内磁束ゲート部と出口側内磁束ゲート部との間の鉄心脚に直流側巻線がそれぞれ巻回されかつ互いに順結合され、交流側鉄心は直流側鉄心の入口側内磁束ゲート部と出口側内磁束ゲート部及び共通内磁束ゲート部と各々対向配置されて磁気的に結合される出口側外磁束ゲート部と入口側外磁束ゲート部及び共通外磁束ゲート部との３つの外磁束ゲート部を有すると共に、共通外磁束ゲート部と入口側外磁束ゲート部あるいは出口側外磁束ゲート部との間の鉄心脚に交流側巻線を巻回し、入口側並びに出口側の内外の磁束ゲート部の間に構成される磁気的接続箇所に磁路切替素子を配置して、交流側鉄心の鉄心脚を経て入口側外磁束ゲート部と共通外磁束ゲート部との間を通過する磁束と共通外磁束ゲート部と出口側外磁束ゲート部との間を通過する磁束との２通りの磁束流を交互に形成するようにしている。    
【００１５】
また、本発明の電力変換装置において、直流側鉄心は入口側あるいは出口側の内磁束ゲート部を両端にそれぞれ備えるヨーク部とヨーク部の中央に磁気的に接続されて出口側あるいは入口側の内磁束ゲート部を１つ備えかつ直流側巻線を巻回する鉄心脚とを有し、交流側鉄心は直流側鉄心の３つの内磁束ゲート部と各々対向配置されて磁気的に結合される２つの入口側あるいは出口側の外磁束ゲート部と１つの出口側あるいは入口側の外磁束ゲート部とを備えると共に２つの入口側あるいは出口側の外磁束ゲート部にはそれぞれ鉄心脚と互いの出力が反転する関係に接続された２つの交流側巻線とが設けられ、２つの交流側巻線を巻回する鉄心脚の端部の外磁束ゲート部とこれに対応する内磁束ゲート部との間に構成される磁気的接続箇所に磁路切替素子を配置して、一方の交流側巻線と直流側巻線とを経由する磁束あるいは他方の交流側巻線と直流側巻線とを経由する磁束の２通りの磁束流を交互に形成するようにしている。
【００１６】
また、本発明の電力変換装置は、常温環境下において常電導導体から成る巻線を用いてのみ成立するものでも、あるいは極低温環境下において超電導導体から成る巻線を用いてのみ成立するものでもなく、いかなる環境下並びに導体を用いても成立するものであるが、特に超電導導体を用いることが損失を低減する上でより好ましい。
【００１７】
そこで、本発明の電力変換装置は、直流側鉄心を冷却媒体が封入された断熱容器内に配置して超電導導体からなる直流側巻線を巻回すると共に、断熱容器の外に交流側鉄心を配置して常電導導体から成る交流側巻線を巻回するようにしている。さらに、この電力変換装置において、直流側巻線を低圧巻線に、交流側巻線を高圧巻線にすることが好ましい。この場合には、電圧が低くて大電流を流すことができる。
【００１８】
また、本発明の電力変換装置において、磁路切替素子は、直流側鉄心と交流側鉄心との間で磁束の遮断と通過を制御して、直流側鉄心の直流側巻線部分では同じ方向に流れる共に交流側鉄心の交流側巻線部分では流れ方向が逆向となる２通りの磁路を形成するものであれば、特にその素材や構造に限定を受けるものではなく、あらゆる磁束遮蔽原理やメカニズム、あるいは磁束の通過量に制限を与える手段などを用いることができるが、特に、磁気遮蔽効果の高い反磁性の利用が好ましい。
【００１９】
そこで、本発明の電力変換装置は、磁路変換素子として、断熱容器内の磁気的接続箇所に配置されてマイスナー効果により磁束の通過を遮断する希土類超電導素子と、交流側巻線あるいは直流側巻線に流される電流によって磁路内に発生する主磁束と合算されて生成される磁場が臨界磁場以上あるいは臨界磁場未満となる制御磁束を生成する制御巻線とを有し、磁気的接続箇所における主磁束と制御磁束とに基づく磁場が臨界磁場以上あるいは未満に交互に切り替えられることにより超電導素子に転移を起こさせて超電導状態と常電導状態とに切り替えられるものを用いることが好ましい。
【００２０】
ここで、磁気的接続箇所における磁場の変動は、例えば主磁束と制御磁束との向きの組合せあるいは制御電流の増減により行うことができる。即ち、本発明の電力変換装置における磁路切替素子は、主磁束あるいは制御磁束のいずれか一方を直流に、他方を交流あるいは制御巻線へ流す制御電流を一定周期で増減させることにより、磁気的接続箇所にかかる磁場が臨界磁場以上あるいは臨界磁場未満に交互に切り替わり、超電導素子に転移を起こさせて超電導状態と常電導状態とに切り替えられるものであることが好ましい。      
【００２１】
また、本発明の電力変換装置における磁路切替素子は、制御巻線へ流す制御電流を一定周期で増減させることにより、主磁束と合算されて生成される磁場が臨界磁場以上あるいは臨界磁場未満に交互に切り替わり、超電導素子に転移を起こさせて超電導状態と常電導状態とに切り替えられるものであることが好ましい。
【００２２】
さらに、超電導素子としては、常電導状態への転移あるいは常電導状態への復帰が瞬時に実行できるものであれば特に上述の希土類系超電導体に限られるものではないが、希土類超電導膜の使用が好ましく、より好ましくは絶縁層の上に希土類超電導膜を成膜したものを複数層積層したものの使用である。
【００２３】
ここで、制御巻線に通電される制御電流は、単独で希土類超電導素子に臨界磁界を与える電流、あるいは主磁束を加えることによって希土類超電導素子に臨界磁界を生成する電流であることが好ましい。
【００２４】
そして、磁路切替素子として超電導素子を用いる場合、制御巻線に流される制御電流の制御により、電力変換機としての機能の遮断や周波数変換が容易に実施可能となる。即ち、本発明の電力変換装置において、制御巻線に、全ての希土類超電導素子を臨界磁界未満にして超電導状態を維持する制御電流を通電することにより又は制御電流を零電流とすることにより、磁路の遮断を行なうことで遮断器として機能を持たせることができる。また、本発明の電力変換装置において、制御巻線に流される制御電流が交流あるいは周期的に電流の大きさが変動する直流の場合には、交流電流の周波数あるいは直流の電流の変動周期を可変とすることにより、直流電力を交流電力に変換する際に任意の周波数に変換できる。
【００２５】
また、制御巻線は、磁路を構成する鉄心のいずれかに巻回されていれば良く、直流側鉄心あるいは交流側鉄心のいずれか一方にのみあるいは特定の箇所に巻回されることが要求されるものではないが、必ず磁束が流れる直流側鉄心の鉄心脚あるいは断熱容器の外に配置される連結ヨークに巻回することが簡潔な構造とする上で好ましい。さらに、制御巻線は超電導導体でも常電導導体でもいずれでも良いが、超伝導導体で構成する場合には、臨界磁界を保つために必要とされる大きさの制御電流を損失なく流すことができるものの、外部から制御電流を流すための電流リードを必要とすることから熱損失の問題を伴う上に外部抵抗回路を必要とするため設備コストが嵩む問題があり、常電導導体で構成する場合には臨界磁界を保つために必要とされる大きさの制御電流を流す際に大きな損失を伴うものの、断熱容器の外に配置することで電流リードを介した熱侵入の問題がなくなることによる省エネルギー効果と適度な抵抗を有することから応答性に優れ制御し易いという利点を有する。
【００２６】
また、磁路切替素子としては、超電導素子の転移を利用するものに限られず、直流側鉄心と交流側鉄心との間の磁気的接続箇所に磁束が通り易い物質と通り難い物質とを一定周期で交互に挿入することにより、磁気的接続箇所における磁束流の通過と遮断を交互に一定周期で切り替えるものでも実現可能である。この場合において、磁束が通り易い物質は磁性体であり、磁束が通り難い物質は反磁性体であることが好ましく、より好ましくは磁路切替素子が断熱容器内に配置されるものであり、磁束が通り難い物質としてマイスナー効果により磁束の流れを遮断する超電導素子を、磁束が通り易い物質として磁性体素子を用いることである。また、磁束が通り難い物質としては直流側鉄心と交流側鉄心との各磁束ゲート部の間に形成される空隙を、磁束が通り易い物質としては空隙を埋める磁性体を用いることも可能である。
【００２７】
この場合における磁路切替素子は、磁束が通り易い物質と通り難い物質とを移動させることにより磁路の切替を実現することから、断熱容器内に配置されることに限られず、断熱容器の外に配置されても良いし、断熱容器そのものを用いない常温下での磁路切替にも適用できる。
【００２８】
即ち、この場合における磁路切替素子は、直流側鉄心を包囲しかつ磁束が通り易い物質と磁束が通り難い物質とを内磁束ゲート部と対面する位置で交互に周方向に配置した非磁性体の円筒体から成る可動支持体と、可動支持体を一方向に回転させる駆動源とを備え、可動支持体を駆動源により回転させることにより内磁束ゲート部と外磁束ゲート部との間に磁束が通り易い物質と通り難い物質とを交互に一定周期で配置して磁束の流れを制御するものであることが好ましい。
【００２９】
また、磁路切替素子は、内磁束ゲート部と対面する位置で磁束が通り易い物質と通り難い物質とを交互に通過するように周方向に配置した非磁性体の円板状の可動支持体と、可動支持体を一方向に回転させる駆動源とを備え、可動支持体を駆動源により回転させることにより内磁束ゲート部と外磁束ゲート部との間に磁束が通り易い物質と通り難い物質とを交互に一定周期で配置して磁束の流れを制御するものであることが好ましい。
【００３０】
また、磁路切替素子の回転円筒体は必ずしも一方向に回転する必要はなく、少なくとも一対の磁束が通り易い物質と通り難い物質とを周方向に配置した非磁性体の可動支持体と、可動支持体を一定角度で揺動させる駆動源とを備え、内磁束ゲート部と外磁束ゲート部との間に磁束が通り易い物質と通り難い物質とを交互に一定周期で生成し、磁束の流れを制御するものであるようにしても良い。
【００３１】
さらには、磁路切替素子は、少なくとも一対の磁束が通り易い物質と通り難い物質とを内磁束ゲート部と対面する位置で直流側鉄心の鉄心脚と平行な軸方向に配置した非磁性体の可動支持体と、可動支持体を往復動させる駆動源とを備え、可動支持体を駆動源により往復動させることにより、内磁束ゲート部と外磁束ゲート部との間に磁束が通り易い物質と磁束が通り難い物質とを交互に一定周期で生成して磁束の流れを制御することもできる。
【００３２】
そして、磁路切替素子として磁気的接続箇所に磁束が通り易い物質と通り難い物質とを一定周期で交互に挿入することにより動的に切り替える場合には、駆動源の動きを制御することにより、同期や周波数変換が容易に実施可能となる。即ち、本発明の電力変換装置において、駆動源は、低圧交流母線を流れる交流電流の周波数と同期させて可動支持体を駆動するモータであることが好ましい。特に、モータは、断熱容器内に永久磁石回転子を、断熱容器の外に電機子卷線を配置したキャンド型同期モータであることが好ましい。
【００３３】
さらに、本発明の電力変換装置は磁束流の流れ方向の切替と磁気誘導により電力変換を実現しているため、直流側巻線と交流側巻線との巻数比に応じた電圧変更を同時に実施できるが、さらに交流側巻線に複数の切り替え用電圧タップを備えることにより、あるいは交流側鉄心で構成される磁路の一部に磁性体素子を出し入れ可能なエアギャップを形成し、磁性体素子を挿入したときに磁路を流れる磁束量が増大し、磁性体素子を抜き取ったときに磁路を流れる磁束量が低減する電圧調整用の磁性体素子挿入引出機構を備えることより、更なる電圧調整ないし電圧微調整を可能とすることができる。尚、磁性体素子挿入引出機構は磁路のいずれに設けても電圧微調整を可能とするが、好ましくは簡単に機構が搭載でき操作がより容易となる交流側鉄心で構成される磁路に設けることであり、より好ましくは連結ヨークあるいは外磁束ゲート部よりも連結ヨーク寄りの部位に設けることである。
【００３４】
さらに、本発明の電力変換装置は、２台の電力変換装置を備え、同変換装置の常電導巻線同士を互いに結線すると共に少なくとも一方の変換装置の超電導巻線と常電導巻線の巻数比を異ならせることにより、一方の電力変換装置の超電導巻線に入力された直流電流を他方の電力変換装置の超電導巻線から昇圧ないし降圧して直流電流を出力するようにしている。本発明の変換装置そのものが変圧機能を併せ持つため、入力された直流電流を交流に変換する際並びに交流から直流に戻す際にそれぞれ変圧することができ、異なる電圧の直流として出力することができる。
【００３５】
本発明の電力変換装置は、単相、三相を問わず、交流電力と直流電力との間で電力変換が可能であり、例えば、電力変換装置を３台用意し、これらの直流側巻線を互いに直列に接続すると共に、交流側巻線にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相のいずれかを接続して三相交流対応とすることができる。
【００３６】
また、本発明の電力変換装置は、１つの断熱容器内に共通の直流側巻線が巻回された３組の直流側鉄心を備えると共に断熱容器の外にそれぞれ交流側巻線が巻回された３組の交流側鉄心を対向配置させると共に、各対の直流側鉄心と交流側鉄心との間に磁路切替素子をそれぞれ配置し、各交流側巻線に流れる電流を電気角で１２０°ずつ位相を持たせて三相交流対応とするようにしている。
【００３７】
また、本発明の電力変換装置は、１つの断熱容器内に共通の直流側巻線が巻回された３組の直流側鉄心を周方向に機械角で１２０°ずつずらして配置すると共に断熱容器の外にそれぞれ交流側巻線が巻回された３組の交流側鉄心を直流側鉄心と対向させて配置すると共に、各対の直流側鉄心と交流側鉄心との間の可動支持体の磁束が通り易い物質と磁束が通り難い物質との位置関係が互いに電気角で１２０°ずつずらされている磁路切替素子をそれぞれ配置し、各交流側巻線に通電される交流電流を電気角で１２０°ずつ位相を持たせた三相交流対応とするようにしている。
【００３８】
さらに、本発明の直流送電システムは、本発明の超電導導体を用いた電力変換装置を２台備え、変換装置の断熱容器内の超電導導体から成る直流側巻線同士を断熱容器内に引き込んだ超電導ケーブルで接続し、断熱容器内及び超電導ケーブル内に冷却媒体を循環させるようにしている。
【００３９】
さらに、本発明の電力貯蔵システムは、本発明の超電導導体を用いた電力変換装置を２台備え、変換装置の断熱容器内の超電導巻線同士を断熱容器内に引き込んだ超電導ケーブルで接続し、断熱容器内及び超電導ケーブル内に冷却媒体を循環させ、超電導巻線自体又は超電導巻線同士の接続部分に備えた平滑巻線並びに前記超電導ケーブルに電力を蓄積するようにしている。
【発明の効果】
【００４０】
請求項１記載の本発明の電力変換装置は、交流側鉄心と直流側鉄心との間での磁束の流れを磁路切替素子によって直流磁束若しくは交流磁束に変換してから磁気誘導により電力変換するようにしているので、半導体整流器の許容電流耐量に適した電圧に変圧する変換器用の変圧器や限流器などを必要としない構造であるうえに電磁変換用の超電導巻線そのものが平滑巻線としても機能して平滑巻線を必要としない構造であることから、従来の交直変換装置に比べて装置のコンパクト化が図れる。
【００４１】
また、常電導巻線の巻線数に対する超電導巻線の巻線数が交流半波電圧に対する直流半波電圧の変圧比になるので、これらの巻数比によって変圧器機能を持たせることができ、巻数比に応じて昇圧、降圧あるいは等圧での電力変換が可能となる。
【００４２】
また、請求項２記載の本発明の電力変換装置によると、４箇所の磁気的接続箇所における磁束流の遮断と通過を磁路切替素子で制御する構造となるので、入力を切り替えるだけで順変換と逆変換を実行できる両用型の電力変換装置を簡単に構成できる。
【００４３】
また、請求項３並びに４記載の本発明の電力変換装置によると、内外の磁束ゲート部の一部共用化により鉄心構造が簡略化されると共に２箇所の磁気的接続箇所における磁束流の遮断と通過を制御すれば足りるので磁路切替素子の構造が簡略化できる。依って、電力変換装置のコンパクト化を可能とする。
【００４４】
さらに、極低温環境下で超電導導体を直流側巻線として用いる請求項５記載の発明にかかる電力変換装置によれば、常電導巻線を用いた変圧器とシリコン整流器とを組み合わせた従来の交直変換装置が有する問題点をなくすことができる。
【００４５】
即ち、本発明の交直変換装置は、断熱容器内の極低温環境下に超電導巻線と磁路切替素子としての超電導素子並びに磁路となる鉄心を収納し、電流リードを使用せずに磁気結合によって断熱容器の外部の常温部側回路と電力エネルギの授受を行なう構造として外部回路に対して隔絶した超電導環境を得るようにしているので、電流リードを介した断熱容器内の極低温部への熱侵入、電流リード部分からの発熱を無くすと共に熱損失発生源を極低温環境下に封じ込めた構成となり、従来の交直変換装置において用いられる変圧器、サイリスターなどのスイッチング素子、常温平滑巻線で発生する損失と比較して６０〜７０％の大幅な損失低下が見込まれる。
【００４６】
中でも、大電流が流せる超電導導体からなる直流側巻線を低圧巻線に、交流側巻線を高圧巻線とする請求項６記載の発明にかかる電力変換装置の場合、低圧大電流を流すことができるので、容量の大きな変圧が可能となる。即ち、超電導巻線からの出力容量が大きくなるほど常電導巻線には超高圧低電流が入力可能となり、超高圧の電力を直流電流に変換して送電することが可能となる。このため、単一設備での大規模な電力変換に適して、例えば発電所と電力需要家との間での電力変換設備を少なくすることができる。しかも、大電流を損失なく送電することができると共に低電圧で絶縁も容易であることから、発熱も少なく巻線の大型化も必要なく、電力変換装置そのものが小さくなる。
【００４７】
さらに、請求項７から１４に記載の電力変換装置によれば、短時間で転移が生ずる希土類超電導素子を用い、この希土類超電導素子の転移を制御磁束の変動により制御して、交流側鉄心と直流側鉄心との間の磁路の切替を行うようにしているので、転移時の発熱による損失の発生があるもののそれは僅かなものである上に、磁路の切り替えに機械的な駆動部が存在しないために機械損失が一切ないことから、従来の交直変換装置において発生する損失と比較して熱による損失を大幅に減らすことができ変換効率の良いものとなる。
【００４８】
また、大電流を流すことができる超電導巻線側を直流回路としているので、大電流が流れても絶縁が容易で超電導巻線自体がコンパクトであり、断熱容器にて熱遮蔽を行い損失を更に低減することができる。さらに、制御巻線を超伝導導体で構成する場合には、臨界磁界を保つために必要とされる大きさの制御電流を損失なく流すことができる。
【００４９】
また、希土類超電導薄膜を用いた超電導素子の場合、臨界磁場を取り去ることによって直ちに超伝導状態に復帰するため、瞬時にマイスナー効果による磁束流の遮蔽が行われて瞬間的な磁路の切替を実現できる。特に、薄膜を多層とした請求項１０記載の発明は、大きな磁束の遮断を可能とし、大電力の変換が可能となる。
【００５０】
さらに、請求項８または９にかかる発明では、主磁束あるいは制御磁束のいずれか一方の交流あるいは制御巻線へ流す制御電流の一定周期の増減により、磁気的接続箇所にかかる磁場が臨界磁場以上あるいは臨界磁場未満に交互に切り替わるようにしているので、入力電圧波形を効率よくかつ歪無く順又は逆変換可能とすることができる。
【００５１】
また、請求項１３記載の発明によれば、外部回路の故障時に断熱容器内を外部に対して磁気的に遮断することにより、外部回路の故障を切り離す遮断器の機能を備えることができる。
【００５２】
また、請求項１４記載の発明によれば、直流から交流への逆変換の際の制御巻線の交流磁束の周波数を変えることによって、任意の周波数の交流電流、例えば５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚのいずれにも、更には他の周波数にも直接逆変換が可能である。
【００５３】
他方、請求項１５から２２のいずれかの磁路切替素子を用いた電力変換装置によると、常に超電導状態に保持されている超電導素子と磁性体素子とを断熱容器の壁面と内磁束ゲート部の間に交互に配置することで磁束流の遮断と通過を制御するようにしているので、超電導素子のクエンチを周期的に繰り返すことによる寿命への影響が大幅に軽減されると共により安定運転が期待できる。また、制御巻線が不要となり入出力用の２種類の巻線だけの簡単な構造となる。しかも、超電導素子は、常に超電導状態に維持されているので、短時間で転移可能な希土類超電導素子を用いる必要がなく、より安価な超電導導体を採用することができる。また、この電力変換装置の変換効率は、マイスナー電流による交流損失と磁性体素子の鉄損、超電導素子と磁性体素子と切替のための駆動源の機械損失を伴うものの、いずれの損失も少ないので従来の交直変換装置よりも大幅に向上できる。さらに、磁路の切替がデジタル的ではなくアナログ的であるため、インバータ運転のときには半サイクル毎に出力が反転して正弦波状の交流電圧として取り出すことができる。
【００５４】
特に、請求項１６あるいは１７記載の発明にかかる電力変換装置の場合、反磁性体あるいは超電導素子の完全反磁性による磁束流の遮蔽と磁性体による磁束の通過とが動的に確実かつ容易に実現できる。しかも、磁束流の遮蔽と通過の切り替わりが瞬時に行われるので、瞬間的に磁路の切替が実行できる。
【００５５】
また、請求項１８記載の発明にかかる電力変換装置の場合、直流側鉄心と交流側鉄心との間に形成される空隙とそれを埋める磁性体とで磁束流の遮蔽と通過とを動的に制御するようにしているので、特殊な物質や環境を必要とせず、安価でかつ容易に実現できる。
【００５６】
また、請求項１９から２２のいずれかに記載の磁路切替素子を用いた電力変換装置によれば、可動支持体を回転、揺動あるいは往復動させる速度を変えることによって、磁束の通過と遮断との切替周期を制御すること即ち周波数変換機能を与えることができる。例えば、逆変換器運転時に可動支持体の回転速度あるいは移動速度を変えることによって、周波数変換機能を有することになり、入力されてきた直流電力を任意の周波数例えば５０Ｈｚ、６０Ｈｚのいずれにも、更には他の周波数にも直接逆変換可能である。
【００５７】
また、請求項２３にかかる発明によれば、低圧交流母線を流れる交流電流の周波数と同期させた磁路の切替を容易に実現できるので、変換効率が良い。
【００５８】
また、請求項２４にかかる発明によれば、キャンド同期モータの採用により、断熱容器の外の電機子巻線を外部交流系統と同期させることで、断熱容器内に熱を侵入させることなく、回転円筒体を回転させ得る。
【００５９】
また、請求項２５記載の発明にかかる電力変換装置によると、常電導巻線に複数の切替用電圧タップを備えるので、タップを切り替えるだけで電圧を粗調整できる。これにより、交流電圧調整を可能にして大きな電圧変動に対処することができ、しかも衝撃も少ない装置を得ることができる。
【００６０】
さらに、請求項２６記載の発明にかかる電力変換装置によると、磁性体素子の磁路への挿入量を調整することで磁路の磁気抵抗を変化させて通過磁束の大きさを制御可能としているので、整流器として作動させているときには直流電圧を微調整して直流負荷電流を増減することにより直流送電系統への潮流を、インバータとして作動させているときには交流電圧を微調整して交流負荷電流を増減することにより交流送電系統への潮流をそれぞれ制御できる。また、連結ヨークあるいは外磁束ゲート部よりも連結ヨーク寄りの部位に電圧微調整機構を設ける請求項２７記載の発明の場合には、磁束の流れる方向に関係なく必ず磁束が通過する箇所で通過磁束の制御を行うことができるので、１箇所の電圧微調整機構で電圧の微調整が可能となる。
【００６１】
また、請求項２８記載の発明にかかる電力変換装置によると、電力変換装置そのものが変圧機能を併せ持つため、２組の変圧器と半導体整流器と平滑巻線との組み合わせをケーブルで接続する現用器よりも簡単かつコンパクトな構造で直流電力の変圧が可能となる。しかも、本発明の変換装置そのものが変圧機能を併せ持つため、入力された直流電流を交流に変換する際並びに交流から直流に戻す際にそれぞれ変圧することができると共に、半導体整流器とそれの許容電流耐量に制限を受ける規模の変圧器を採用せざるを得ない現用器に比べて一挙に大規模な変圧が可能となり、異なる電圧階級同士を接続した直流配電線網あるいは直流送電系統網の構築が容易となる。
【００６２】
また、請求項３０並び３１記載の発明にかかる電力変換装置によると、１台の電力変換装置に３対の交流側回路と直流側回路とが備えられているので、各回路に３相交流のＵ，Ｖ，Ｗの各相を結線すれば、直流電流を三相交流電流に変換することも、三相交流電流を直流電流に変換することもできる。また、上述の３台の電力変換装置の常電導巻線を３相交流のＵ，Ｖ，Ｗの各相に結合する請求項２９記載の発明にかかる場合にも、電気角で１２０度ずれた半波整流電圧が各変換器の超電導巻線に発生する。この３台の変換装置の超電導巻線を結合すれば、脈動変動の少ない半波整流電圧を得ることができる。
【００６３】
また、請求項３２記載の発明にかかる超電導直流送電システムによれば、直流部分を超電導環境に置くことになるので熱損失は大幅に低減でき、大規模な直流送電システムにこの超電導環境を適用すれば、その損失低減量は極めて大きなものとなる。しかも、交流から直流に変換する際に同時に巻数比に応じた変圧が可能となるので、大電流低電圧にしてから直流送電でき、超電導直流送配電する場合に好適である。さらに、再び直流から交流に変換する際に巻数比に応じた変圧により大電圧低電流に戻すことができる。また、超電導直流送電であるため、電圧が低くて大電流が流せるので、絶縁がコンパクト化できる。
【００６４】
また、請求項３３記載の発明にかかる電力貯蔵システムによれば、極低温側磁気回路部分並びにこれに接続される平滑巻線や超電導ケーブルなどに、電気抵抗損失や交流損失の無い直流の永久電流モードが形成できるので、超電導巻線や超電導ケーブルのもつインダクタンスの和による磁気エネルギーが貯蔵できる。超電導巻線とそれに結合する直流ケーブルはインダクタンスを持っており、順変換装置並びに逆変換装置を共に超電導化するので、これらの間に永久電流を流すことができ、電流通路のインダクタンスに比例して電力を蓄えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６５】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、本発明にかかる電力変換装置は、交流から直流（順変換：整流器）並びに直流から交流（逆変換：インバータ）への電力変換機能の他、変圧器、遮断器、電力貯蔵機能、周波数変換機などの機能を併せ持つことができるが、まず電力変換装置としての構成・機能を説明し、次いでその他の機能を説明する。
【００６６】
図１に超電導素子の転移を利用した本発明の電力変換装置の第１の実施形態を示す。尚、図１では、順変換装置及び逆変換装置の両構成を同時に示しているが、順変換装置あるいは逆変換装置として独立した別々の構成としても良い。ここでは、順変換装置のみ単独の構成、あるいは逆変換のみ単独の構成を省き、図１としては両者を含めた汎用的な順逆同時変換装置の構成として述べる。
【００６７】
本発明の電力変換装置は、直流側巻線を巻回する直流側鉄心と、交流側巻線を巻回して直流側鉄心との間に閉磁路を形成する交流側鉄心と、直流側鉄心と交流側鉄心との間の磁気的接続箇所に配置されて磁気的接続箇所における磁束の遮断と通過を制御することにより磁路接続箇所を切り替えて直流側鉄心の直流側巻線部分では同じ方向に流れる共に交流側鉄心の交流側巻線部分では流れ方向が互いに逆向きとなる２通りの磁束流を周期的に交互に形成する磁路切換素子とを備え、交流側巻線若しくは直流側巻線に流した交流電流若しくは直流電流で発生させた磁束の流れを前記磁路切替素子によって切り替えることによって他方の巻線に磁気誘導で直流若しくは交流の電流を生じさせることにより電力変換するものである。
【００６８】
より具体的には、本実施形態の電力変換装置は、冷却媒体４が封入された断熱容器１と、超電導導体から成る直流側巻線３０が巻回され断熱容器１の内に配置される直流側鉄心３と、常電導導体から成る交流側巻線３４が巻回されると共に断熱容器１の外に配置されて直流側鉄心３と磁気結合される交流側鉄心２と、断熱容器１内の極低温環境下において磁気結合された交流側鉄心２と直流側鉄心３との間で磁束の遮断と透過を制御して交流側鉄心２と直流側鉄心３との間を流れる磁束流を切り替える磁路切替素子とを有し、交流側巻線３４若しくは直流側巻線３０に流した交流電流若しくは直流電流で発生させた磁束の流れを磁路切替素子によって切り替えることによって他方の巻線即ち直流側巻線３０若しくは交流側巻線３４に磁気誘導で直流若しくは交流の電流を生じさせることにより電力変換するものである。そして、磁路切替素子は、直流側鉄心３の鉄心脚２０の両端に形成される４つの内磁束ゲート部５，６，７，８の端面を覆ってマイスナー効果により内磁束ゲート部５，６，７，８とこれに対向する交流側鉄心２の外磁束ゲート部１５，１６，１７，１８との間の磁束の通過を遮断する４つの希土類超電導素子４１，４２，４３，４４と、超電導素子４１，４２，４３，４４部分において交流側巻線３４あるいは直流側巻線３０に流される電流によって磁路内に発生する主磁束と同方向に流れるときに主磁束と合算された磁束が臨界磁場を超える制御磁束を生成する制御巻線３１とによって構成され、内磁束ゲート部５，６，７，８を通る主磁束と制御磁束との相互の向きに基づき超電導素子４１，４２，４３，４４に転移を起こさせて超電導状態と常電導状態とに切り替えるようにしている。
【００６９】
つまり、この電力変換装置は、全体として交流側の磁気回路を構成する交流側鉄心２及び交流側巻線３４と直流側の磁気回路を構成する直流側鉄心３及び直流側巻線３０とを備え、交流側の交流側鉄心と直流側の直流側鉄心との間に磁路切替素子を構成する４つの超電導素子４１，４２，４３，４４を配置して、超電導素子のマイスナー効果により交流側磁気回路と直流側磁気回路との接続関係を選択的に接続したり遮蔽するように構成されている。そして、一方が直流、他方が交流となる主磁束と制御磁束とを組み合わせて臨界磁界未満あるいは臨界磁界以上の磁界として超電導素子から成るスイッチング素子に印加することで、交流側磁気回路と直流側磁気回路とを通過する磁束の流れを制御することにより、交流電力を直流電力にあるいは直流電力を交流電力に変換するものである。なお、本実施形態の電力変換装置は、概ね超電導素子からなるスイッチング素子と磁気的に結合される２つの磁気回路並びに電気回路とを組み合わせた構成を成すものであるが、これらの表現並びに交流側磁気回路と直流側磁気回路などといった表現は理解を助けるために便宜上用いたものであり、電力の入力側を特定したり変圧の有無を限定するものではなく、いずれが電力入力側となっても良いし、巻線数が同数で電圧変化を伴わない場合も含まれるのであり、厳密には変圧器そのものの構成を有しているものではない。
【００７０】
直流側鉄心３は、鉄心脚２０とこの鉄心脚２０の両端にそれぞれ配置されて内磁束ゲート部５，６を形成する出口側ヨーク２１並びに内磁束ゲート部７，８を形成する入口側ヨーク２２とでＩ形に形成されている。そして、出口側ヨーク２１並びに入口側ヨーク２２の両端の４つの内磁束ゲート部５，６，７，８を介して断熱容器１の外に配置される交流側鉄心２との間で磁気的に結合されると共に、鉄心脚２０にはその周囲に直流側巻線３０及び超電導導体から成る制御巻線３１が巻回されている。尚、直流側鉄心３は架台１０に載置されて支持されている。
【００７１】
更に、鉄心脚２０の両端の出口側ヨーク２１、入口側ヨーク２２の内磁束ゲート部５，６，７，８には、各端面を遮るように超電導板（超電導バルク）あるいは超電導膜（蒸着薄膜）からなる超電導素子４１、４２、４３、４４がそれぞれ配置されている。具体的には、内磁束ゲート部５，６，７，８の各端面にそれぞれ超電導素子４１、４２、４３、４４を直接接着剤などで貼り付けたり、あるいは断熱容器１の内周壁面側に貼り付けるようにしている。この超電導素子４１、４２、４３、４４は、短時間で急速に転移を完了する必要があるため、希土類超電導体例えばＹ（イットリウム）系超電導体の超電導バルクや薄膜蒸着材料で形成されている。そして、各内磁束ゲート部５，６，７，８の端面形状に合わせて方形または円形の板状に形成されている。
【００７２】
断熱容器１は例えばＦＲＰや高分子絶縁材料によって二重壁構造に形成され、二重壁間が真空状態にされた極低温用ベッセルあるいはクライオスタットと呼ばれるものである。したがって、断熱容器１の内部と外部とは真空断熱状態に置かれる。断熱容器１の内部には、冷却媒体４として液体窒素あるいはスラッシュ窒素（特開２００６−５２９２１参照）が封入・循環され、例えば６５Ｋの極低温状態に保持される。したがって、この冷却媒体４により直流側巻線３０及び超電導素子４１、４２、４３、４４は超電導状態におかれ、電気抵抗が零となり、完全反磁性の性質を有することになる。
【００７３】
ここで、直流側巻線３０及び制御巻線３１は例えばＢｉ（ビスマス）系超電導体によって形成されている。Ｂｉ系超電導体は、図２（ａ）に示すようにＡｇ線９０内に超電導材料であるＢｉ線９１が通っている構成で、超電導状態ではＢｉ（ビスマス）にて電気抵抗が零であり、、図２（ｂ）の特性線図にて示すように例えば臨界状態を越えて常電導状態になるとＢｉは絶縁体に替わりＡｇの電気抵抗に依存して抵抗値を持つようになり、電流の増加と共に次第に抵抗値が上昇するようになる。
【００７４】
他方、超電導素子４１、４２、４３、４４にはＹ系超電導体の使用が好ましい。なかでも、図２（ｃ）に示すように、絶縁体のＣｅＯ２（セリア）板９２上にＹ（希土類であるイットリウム）薄膜９３を被着した構造の超電導素子（特許第１７７８６９３号、第１７７８６９４号）の使用が好ましい。この構造のＹ系超電導体の素子は、図２（ｄ）の特性線図にて示すように超電導状態ではこのＹ薄膜９３にて電気抵抗が零で完全反磁性を示し、臨界状態を超えて常電導状態になったときＣｅＯ２板９２により急激に電気抵抗が増して高抵抗となり磁束を通すようになる。そして、このＹ系超電導体の転移の様子は、Ｂｉ系超電導体の転移に比べ極めて急峻な特性となっている。しかも、このＹ系超電導素子は、クエンチを起こしても臨界磁界が取り除かれると即座に復帰する特性を有するものであり、磁路切替素子として優れた応答性を示す。特に、Ｙ系超電導体薄膜としては、絶縁体のＣｅＯ２（セリア）板９２上にＹ（希土類であるイットリウム）薄膜９３を塗布法などで成膜したものを複数層例えば５〜１０層積層したものの使用が好ましい。このとき、セリアの絶縁層は例えば０．５ｍｍであり、その上に１μｍ程度のＹ系超電導体の膜を形成している。この場合には、高い磁束をかけても完全反磁性が壊れない超電導素子を構成でき、大きな電圧をかけられる。しかし、超電導素子４１、４２、４３、４４としては、これら薄膜の積層タイプの超電導素子に限られるものでなはく、バルク状の超電導素子でも使用可能であるし、特に超伝導状態を維持したまま移動による位置の切替で磁路の切替を図るような場合にはバルク状の超電導素子の使用で十分であり、さらに場合によっては超電導導体以外の反磁性体物質を採用して磁束の流れを遮断するようにしても良い。
【００７５】
また、断熱容器１内の冷却媒体４については、液体窒素の他にスラッシュ窒素が用いられる。このスラッシュ窒素は、特開２００６−５２９２１に示されるように、液体窒素と固体窒素とが交じり合った冷却媒体で、例えば超電導から常電導に転移して熱が出たとしても固体から液体への相変化によって熱を吸収して一定の極低温状態を保持する特性に優れる。超電導素子４１、４２、４３、４４は、超電導状態及び常電導状態が繰り返されるために転移による発熱が頻繁に起こるので、この熱吸収のためのスラッシュ窒素の使用は極めて都合よく、またスラッシュ窒素及び液体窒素いずれを用いても温度を６５Ｋに保つためには冷却媒体の冷却のための循環が必要である。なお、常電導転移による温度変化で超電導素子４１、４２、４３、４４における磁界が変化することもあるので制御巻線３１への電流制御によって超電導素子４１、４２、４３、４４の臨界磁界を保つようにする。この制御巻線３１は、断熱容器１の内部に収納される超電導体であるため臨界磁界を保つために必要とされる大きさの制御電流を損失なく流すことができる。
【００７６】
さらに、断熱容器１の外部には、交流側鉄心２を構成する外ヨーク２３、２４が配置されている。この外ヨーク２３、２４は、鉄心脚２０の両端の出口側ヨーク２１と２２とを橋絡するように備えられ、断熱容器１を隔ててその外磁束ゲート部１５，１６，１７，１８が出口側ヨーク２１、入口側ヨーク２２の内磁束ゲート部５，６，７，８と対向するように備えられる。外ヨーク２３、２４と出口側ヨーク２１、入口側ヨーク２２とは断熱容器１が介在するので相互に機械的に結合されるわけではないが、磁気的に結合され閉磁路を形成する。この図１では、出口側ヨーク２１、入口側ヨーク２２の片側の内磁束ゲート部５，８が外ヨーク２３に磁気結合され、出口側ヨーク２１、入口側ヨーク２２の他の片側の内磁束ゲート部６，７が外ヨーク２４に磁気結合され得る。また、交流側鉄心２には、断熱容器１の外部で外ヨーク２３、２４の間に跨る連結ヨーク２５が備えられている。例えば、出口側ヨーク２１側の外ヨーク２３，２４の端部を連結するように設けられ、ヨーク外磁束ゲート部１５，１６とこれに連なる外ヨーク２３、２４の一部及び出口側ヨーク２１によって閉磁路が形成され得る。こうして、鉄心脚２０→内磁束ゲート部５→外磁束ゲート部１５→外ヨーク２３→連結ヨーク２５→外部ヨーク２４→外磁束ゲート部１７→内磁束ゲート部７→鉄心脚２０と通過する第１のルートＡ、並びに鉄心脚２０→内磁束ゲート部６→外磁束ゲート部１６→外ヨーク２４→連結ヨーク２５→外ヨーク２３→外磁束ゲート部１８→内磁束ゲート部８→鉄心脚２０と通過する第２のルートＢとの二つの閉磁路が形成され得る。
【００７７】
鉄心脚２０、外ヨーク２３、２４及び連結ヨーク２５には、それぞれ巻線が施されている。このうち、鉄心脚２０には、断熱容器１内に配置されて外部直流回路と結合し整流時やインバータ時に直流電力を受給する超電導体からなる直流側巻線３０及び交流と直流の変換や外部回路との遮断を制御する直流側巻線から成る制御巻線３１が巻回されている。この直流側巻線３０及び制御巻線３１は、それらに通電する電流による励磁磁束が重畳した場合でも超電導素子の臨界磁場を保つように相互に逆極性をなすよう互いに逆方向に巻回される。制御巻線３１は、直流磁束を励起するように直流電源（図示省略）に接続されている。そして、この制御巻線３１による直流電流は、その直流磁界が超電導素子４１、４２、４３、４４の臨界磁界を超えないような値に設定される。なお、本実施形態の場合には、制御巻線３１は、超電導体で構成して大電流が流せるようにしているが、場合によっては断熱容器１の外に配置される常電導導体から成る交流側巻線としても良い。さらに、制御巻線３１は、磁路を構成する鉄心のいずれかに巻回されていれば良く、直流側鉄心３あるいは交流側鉄心２のいずれかに巻回されることが要求されるものではないが、必ず磁束が流れる直流側鉄心の鉄心脚２０あるいは断熱容器１の外に配置される連結ヨーク２５に巻回することが簡潔な構造とする上で好ましい。
【００７８】
また、外ヨーク２３、２４には、互いに直列結合されて外部交流回路と結合し交流電力を外部交流回路へ供給する２本のインバータ用巻線（第２交流側巻線とも呼ぶ）３２、３３がそれぞれ巻回されている。この第２交流側巻線３２、３３は逆変換装置として用いる場合に変換された交流を出力するための巻線である。更に連結ヨーク２５にも常電導体から成る巻線（第１交流側巻線とも呼ぶ）３４が巻回されている。この第１交流側巻線３４は、順変換装置として用いる場合には外部交流回路から交流電力を受ける整流器用の交流電源（図示省略）に接続された入力巻線である。また、この第１交流側巻線３４は、直流を交流に変換する逆変換装置（インバータ）として用いる場合には、外部交流回路から交流電力を受けて超電導素子４１、４２、４３、４４の超電導状態と常電導状態とを切り替える制御磁界を発生させる制御巻線として用いられるものである。これら第１及び第２の交流側巻線３４、３２、３３は、例えば銅あるいはアルミニウムからなる常電導体にて形成されている。また、各交流側巻線３２、３３、３４には、複数の切替え可能な電圧タップ（図示省略）が備えられ、対象となる電圧に応じあるいは過渡時の衝撃を緩和するため、超高圧から低圧までの電圧階級を切り替えて調整できるように設けられている。
【００７９】
このような構造において、図３を参照して順変換動作を述べる。図３は、図１の構成の順変換動作に必要な構成を回路図として表したものである。順変換動作においては、巻線３４、直流側巻線３０、制御巻線３１を使用し、交流側巻線３４に流す交流電流を磁束流に変換してから直流側巻線３０から直流電流として取り出す。制御巻線３１からは、励磁電流が通電されて超電導素子４１、４２、４３、４４に臨界磁界を通す直流磁界Φｃが励起され、一方交流側巻線３４からは、整流すべき交流が入力されて連結ヨーク２５に交流磁界Φａｃが励起される。整流動作の場合、外ヨーク２３、２４に巻回された第２交流側巻線３２、３３は使用しないので、高抵抗を挿入して短絡しておくことが望ましい。
【００８０】
ここで、図３（ａ）に示すように交流側巻線３４において発生した主磁束となる矢印方向の交流磁界Φａｃと制御巻線３１によって発生した制御磁束となる矢印方向の直流磁界Φｃとが超電導素子４２、４３の部分で互に逆方向に作用すると、超電導素子４２、４３では臨界磁界を超えることなく超電導を保持しマイスナー効果（完全反磁性）を発揮し、磁束を遮断する（図４の（ｆ）参照）。一方、交流磁界Φａｃと直流磁界Φｃとが同方向に重畳して作用する超電導素子４１、４４では、臨界磁界を超えた磁界が作用することとなるので常電導に転移し完全反磁性が壊れ磁束を通す（図４の（ｅ）参照）。この結果、第１交流側巻線３４、直流側巻線３０及び制御巻線３１と鎖交する閉磁路が、連結ヨーク２５→外ヨーク２４→外磁束ゲート部７→内磁束ゲート部７→鉄心脚２０→出口側ヨーク２１→内磁束ゲート部５→外磁束ゲート部１５→外ヨーク２３→連結ヨーク２５の経路で形成される。こうして、直流側巻線３０には、交流半波の磁界Φａｃに当る電圧が誘導される。
【００８１】
また、図３（ｂ）に示すように第１交流側巻線３４において発生した主磁束となる矢印方向の交流磁界Φａｃと制御巻線３１において発生した制御磁束となる矢印方向の直流磁界Φｃとが相互に逆方向に作用する超電導素子４１、４４では、臨界磁界を超えることなく超電導を保持しマイスナー効果（完全反磁性）によって磁束を遮断する（図４の（ｆ）参照）。一方、交流磁界Φａｃと直流磁界Φｃとが同方向に重畳して作用する超電導素子４２、４３では、臨界磁界を超えた磁界が作用することとなるので常電導に転移し完全反磁性が壊れ磁束を通す（図４の（ｅ）参照）。この結果、第１交流側巻線３４、直流側巻線３０及び制御巻線３１と鎖交する閉磁路が、連結ヨーク２５→外ヨーク２３→外磁束ゲート部１８→内磁束ゲート部８→鉄心脚２０→出口側ヨーク２１→内磁束ゲート部６→外磁束ゲート部１６→外ヨーク２４→連結ヨーク２５の経路で形成される。こうして、直流側巻線３０には、残りの交流半波の磁界Φａｃに当る電圧が誘導される。
【００８２】
この図３に示す順変換動作を図４に波形で示す。図４（ａ）は、制御巻線３１の磁界Φｃに交流側巻線３４の交流磁界Φａｃが重畳した波形を示し、例えば正の半波は図３（ａ）に示すΦａｃの方向を示し、負の半波は図３（ｂ）に示すΦａｃの方向を示す。そして、図４（ｂ）は図３（ａ）の状態での直流側巻線３０への正の半波の誘導磁束であり、図４（ｃ）は図３（ｂ）の状態での直流側巻線３０への負の半波の誘導磁束である。したがって、直流側巻線３０の誘導磁束は図４（ｄ）の波形となる。
【００８３】
この結果、図３（ａ）にて直流側巻線３０に鎖交する交流半波の磁界も図３（ｂ）にて直流側巻線３０に鎖交する交流半波の磁界も同方向であるので、直流側巻線３０には図４（ｄ）に示すような直流電圧が誘導されることになる。すなわち、第１交流側巻線３４の交流入力を直流側巻線３０の直流出力に変換することができる。しかもこの場合、交流側巻線３４の巻線数に対する直流側巻線３０の巻線数の比が交流半波電圧の変圧比になるので、これらの巻数比によって変圧器機能を持たせることができ、巻数比に応じて昇圧、降圧の変圧、あるいは場合によっては等圧の変換が可能となる。本実施形態では、直流送電を意図した場合、低損失で絶縁も容易な超電導環境を利用して直流側巻線３０より低圧大電流を出力する要請が生ずるので、この変圧機能は必要不可欠であり、直流側巻線３０からの出力容量が大きくなるほど交流側巻線３４には超高圧低電流が入力されることになるので、交流側巻線３４はその電圧に応じた巻線数が必要となる。しかし、変圧機能を必要としない場合には、第１交流側巻線３４の巻線数と直流側巻線３０の巻線数とを同じにする。
【００８４】
ここで、直流側巻線３０を外部直流回路（図示省略）に接続することによって電流が流れるが、この直流側巻線３０そのものが巻線数に応じたインダクタンスを有することになるので、この直流側巻線３０自体が平滑巻線として機能し、直流側巻線３０によって半波のリップルが除かれ平滑されることになる。したがって、整流後の直流電流の脈動をとるための平滑巻線を設けなくとも十分な平滑効果が得られるため、平滑巻線を省略する分のコスト削減とコンパクト化が可能となる。もっとも、直流側巻線３０と外部直流回路との間に更に平滑巻線を挿入することも可能である。なお、直流側巻線３０に半波整流電圧が誘起されるので外部直流回路に負荷電流が流れる。このため、超電導素子４１、４２、４３、４４にかかる磁界は負荷電流分だけ増加する。そこで、超電導制御巻線３１と直流直流側巻線３０の逆極性を利用し、制御巻線３１の電流を減少させて、超電導素子４１、４２、４３、４４にかかる磁界が臨界磁界を保つように制御することが好ましい。
【００８５】
この電力変換装置の上述の順変換動作にあたっては、装置起動当初の運用に際して次の準備運転並びに制御を行うことが望ましい。まず、断熱容器１内の極低温空間に液体窒素あるいはスラッシュ窒素を注入して６５Ｋに冷却する。制御巻線３１には超電導素子４１、４２、４３、４４にて臨界磁界となるように励磁電流を通電する。このとき、超電導素子４１、４２、４３、４４の位置での磁束状態をガウスメータ等にて測定して通電電流を予め設定しておく。この状態で、直流側巻線３０をケーブル、送電線あるいは負荷からなる外部直流回路に結合し、交流側巻線３４の最小の巻数比となるタップに交流電圧を印加する。こうして、直流側巻線３０に半波整流電圧が誘導され、外部直流回路に直流電流が通電される。このとき、鉄心脚２０の磁界は直流側巻線３０を通る直流電流分だけ増大することになるので、直流側巻線３０と制御巻線３１との逆極性を利用して制御巻線３１の通電電流を減少させてスイッチングに必要な超電導素子４１、４２、４３、４４の臨界磁界を保つようにする。なお、起動時や過渡時には制御巻線３１の電流変化や直流負荷への直流電流変化によって臨界磁界を保てなくなることがある。この場合、直流側巻線３０に生ずる半波波形は半サイクル毎に不平衡となるが、ここで変換効率が低下したとしても平滑巻線にて直流電流が得られることには変わりがない。また、定常運転時には交流側巻線３４の電圧タップを切替えることで外部直流回路への直流電流を増減させることができるが、この増減に際しては直流側巻線３０の直流電流変化により鉄心脚２０の磁界が変化するので臨界磁界を保つためには制御巻線３１の電流調整が必要となる。
【００８６】
次に図５を参照して逆変換動作を述べる。この逆変換動作においては、第１交流側巻線３４、直流側巻線３０、制御巻線３１、第２交流側交流巻線３２，３３を使用し、直流側巻線３０に流される直流電流を磁束流に変換してから第２交流側巻線３２、３３において交流電圧として取り出す。直流側巻線３０に直流電流が流れることによって鉄心脚２０において主磁束としての直流磁界Φｄｃが励起されると共に、連結ヨーク２５の第１交流側巻線３４を制御巻線としてパルス状の交流磁界が制御磁界Φａとして励起されることにより制御磁束が形成される。この場合、鉄心脚２０の制御巻線３１は、超電導素子４１、４２、４３、４４の臨界磁界を得るために直流磁界Φｄｃを増減する直流磁界Φｃを励起する電流を通電する。即ち、ここで、図５（ａ）に示すように第１交流側巻線３４による矢印方向のパルス状の交流磁界Φａと、制御巻線３１及び直流側巻線３０による矢印方向の直流磁界Φｃ及びΦｄｃとが互いに逆方向に作用する超電導素子４２、４３では、臨界磁界を超えることなく超電導を保持しマイスナー効果にて完全反磁性を有し、磁束を遮断する。一方、交流側巻線３４による矢印方向のパルス状の交流磁界Φａと制御巻線３１及び直流側巻線３０による矢印方向の直流磁界Φｃ及びΦｄｃとが同方向に重畳して作用する超電導素子４１、４４では、臨界磁界を超える磁界が作用することとなり常電導に転移し（完全反磁性が壊れ）磁束を通す。この結果、直流側巻線３０、交流側巻線３４、３３と鎖交する閉磁路が鉄心脚２０→内磁束ゲート部５→外磁束ゲート部１５→外ヨーク２３→連結ヨーク２５→外ヨーク２４→外磁束ゲート部１７→内磁束ゲート部７→鉄心脚２０の経路で形成される。こうして、交流側巻線３３には、パルス状の正の交流半波に伴って直流磁界Φｄｃに当る交流半波電圧が誘導される。
【００８７】
また、図５（ｂ）に示すように、交流側巻線３４による矢印方向のパルス状の交流磁界Φａと制御巻線３１及び直流側巻線３０による矢印方向の直流磁界Φｃ及びΦｄｃとが互いに逆方向に作用する超電導素子４１、４４では臨界磁界を超えることなく超電導を保持しマイスナー効果によって磁束を遮断する。一方、交流側巻線３４による矢印方向のパルス状の交流磁界Φａと制御巻線３１及び直流側巻線３０による矢印方向の直流磁界Φｃ及びΦｄｃとが同方向に重畳して作用する超電導素子４２、４３では臨界磁界を超える磁界が作用して常電導に転移するため完全反磁性が壊れて磁束を通す。この結果、直流側巻線３０、交流側巻線３４、３２と鎖交する閉磁路が鉄心脚２０→内磁束ゲート部６→外磁束ゲート部１６→外ヨーク２４→連結ヨーク２５→外ヨーク２３→外磁束ゲート部１８→内磁束ゲート部８→鉄心脚２０の経路で経路で形成される。こうして、交流側巻線３２には、パルス状の負の交流半波に伴って直流磁界Φｄｃに当る交流半波電圧が誘導される。
【００８８】
したがって、第２交流側巻線３３、３２にはそれぞれの半波電圧が交互に誘導される。そこで、この交流側巻線３３、３２同士を互いに出力が反転するように接続することによって、出力端子５０から交流電圧として取り出すことができる。この場合、直流側巻線３０の巻線数に対する第２交流側巻線３２、３３の巻線数が変圧比になるので、これらの巻数比によって変圧器機能を持たせることができ、巻数比に応じて昇圧、降圧の変圧、あるいは場合によっては等圧の変換が可能となる。
【００８９】
こうして、変圧機能を兼ね備えた電力変換装置を得ることができる。しかも、変圧機能を与えるときの一次巻線に相当する巻線を直流側巻線３０とすると共にスイッチングは超電導素子４１、４２、４３、４４の転移を利用するので、熱による損失を大幅に減らすことができ、直流側巻線３０は、大電流が流れても絶縁が容易でそれ自体コンパクトであり、断熱容器にて熱遮蔽を行い損失を更に低減することができる。なお、本電力変換装置によると、直流側鉄心３と交流側鉄心２との磁気結合部分である磁気的接合箇所に、超電導素子４１、４２、４３、４４のマイスナー効果を利用したスイッチング機能を加えているので、直流電流を超電導素子４１、４２、４３、４４の超伝導状態と常電導状態とを切替える周期の周波数で交流電力に変換できる。即ち、超電導素子４１、４２、４３、４４の切替周期を決定する第１交流側巻線３４に印加する制御磁束を発生させるための交流電源の周波数と同じ周波数の交流に電力変換されて出力される周波数変換装置としても併せて機能させ得る。
【００９０】
この電力変換装置の逆変換動作にあたっては、上述の順変換動作と同様に、装置起動当初の運用に際して次の準備運転並びに制御を行うことが望ましい。まず、断熱容器１内の極低温空間に冷却媒体４として液体窒素あるいはスラッシュ窒素を注入して６５Ｋに冷却する。次いで、制御巻線３１への通電は、超電導素子４１、４２、４３、４４での臨界磁界を得るために直流磁界Φｄｃを増減する直流磁界Φｃを得るように調整する。即ち、鉄心脚２０に巻かれた直流側巻線３０に直流電流を通電し、制御巻線３１に直流電流を通電して超電導素子４１、４２、４３、４４の位置で臨界磁界になるように制御巻線３１の直流電流を調整する。この後、第１交流側巻線３４のタップ比を最小にして、超電導素子４１、４２、４３、４４が超電導と常電導とを繰り返すに足るわずかな交流電流を制御磁界Φａを生成させる制御電流として通電する。例えば、インバータ側の交流母線と結合して、超電導素子の磁界が半サイクルごとに臨界磁界を中心に数％程度増減し超電導と常電導の転移復帰を繰り返すことができる程度の小さな交流信号電流を第１交流側巻線３４を介して供給する。この第１交流側巻線３４から供給される制御磁界Φａによって、各超電導素子４１、４２、４３、４４はマイスナー効果により半サイクルごとに磁気遮蔽して、左右の第２交流側巻線３２，３３に交互に磁束が切り替わるので、各第２交流側巻線３２，３３には方向の異なる半波間欠整流電圧が発生する。そして、この２つの第２交流側巻線３２，３３は直列結合されているので、正弦波電圧が誘起される。したがって、第２交流側巻線３２，３３のタップを最小にして外部交流回路（ケーブル、送電線、発電機、負荷等）と結合すれば、左右の外ヨーク２３，２４に流れる磁束を減磁する方向で交流負荷電流が流れる。ここで、第２交流側巻線３２、３３に誘起される交流電圧は、この第２交流側巻線３２、３３と鎖交する磁束Φｃ＋Φｄｃ（直流側巻線３０及び制御巻線３１による磁束）及び交流側巻線３４と交流側巻線３２、３３との電圧タップ比によってきまり、大幅な電圧調整はタップの切替えにて行い、微調整は制御巻線３１の電流調整にて行う。起動や電圧調整の過渡時に、直流側巻線３０の電流と直流制御巻線３１の電流Icとの和による超電導素子の磁界（磁束Φｃ＋Φｄｃ）が臨界磁界から外れると、左右の外ヨーク（鉄心脚）２３，２４に分流する磁束の大きさは不平衡となり、第２交流側巻線３２，３３の誘起電圧が不平衡電圧となるので、常に制御巻線３１の電流により超電導素子の磁界を臨界磁界に保つように制御する。また、定常運転時には交流側巻線３２、３３の電圧タップを切替えることで電圧調整が可能であり、外部交流電流を増減させることができるが、この増減に際しては臨界磁界を保つためには制御巻線３１の電流調整が必要となる。
【００９１】
上述の図１の順逆同時変換装置は、実際の使用に際しては用いる巻線や制御電流の選択により、順変換装置としてあるいは逆変換装置としてそれぞれ機能させることができる。つまり、順変換装置として使用する場合には交流側巻線３２、３３は必要なく、これを省くことができる。なお、連結ヨーク２５の交流側巻線３４は、順変換動作では、超高圧低電流が供給され、逆変換動作では、超電導素子４１、４２、４３、４４の転移を生ずるパルス電圧波形が印加されるので、この順逆変換両用の交流側巻線３４として同一巻線を用いる場合には電圧タップの使用は必要不可欠である。
【００９２】
次に、本発明の電力変換装置を遮断器として用いる場合について述べる。即ち、本実施形態の電力変換装置は、第２交流側巻線３２、３３に繋がる外部交流回路あるいは直流側巻線３０に繋がる外部直流回路に故障が生じた場合、制御磁束の調整によって更に遮断器として用いることができる。制御巻線３１への通電電流を制御して直流磁束Φｃを零あるいは極めて低くすることによって臨界磁界に到達しない状態とし、超電導素子４１、４２、４３、４４を超電導状態のままで常電導状態への転移を一切なくすことにより、断熱容器１の内の直流側磁気回路と外の常温下の交流側磁気回路とを隔絶して外部への電圧や電流の出力を停止することを可能とする。故障除去後には、制御巻線３１への電流の通電によって、あるいは通電量の増加によって電力変換装置としての再起動を可能とする。尚、この遮断機能を実行する場合には、交流側巻線の電圧タップを最小に切り替えれば、完全な停止となる。また、外部交流回路あるいは直流回路の故障の発生は、保護リレーによって検出され、制御巻線への電流を遮断することによる制御巻線３１の通電制御が行われる。
【００９３】
また、図６に他の実施形態を示す。この実施形態の電力変換装置は、図１の電力変換装置において極低温側に配置された超電導体の制御巻線３１を常電導体の巻線としたものであり、断熱容器１の外から鉄心脚２０に常電導体の制御巻線３１が巻回されている。この電力変換装置の動作などは、図１の電力変換装置と同様である。即ち、交流から直流（順変換：整流器）並びに直流から交流（逆変換：インバータ）への電力変換機能の他、変圧器、遮断器、電力貯蔵機能、周波数変換機などの機能を併せ持つものであり、図では、順変換装置及び逆変換装置の両構成を同時に示しているが、順変換装置あるいは逆変換装置として独立した別々の構成としても良いが、両者を含めた汎用的な順逆同時変換装置の構成として説明している。
【００９４】
図７に更に他の実施形態を示す。この実施形態の電力変換装置は、図１の電力変換装置とは異なり、１つの交流側鉄心２と常電導導体から成る交流側巻線３２０に対し、２つの断熱容器１１，１２を備えて直流側鉄心３を二つに分割してそれぞれに超電導導体から成る直流側巻線３０１，３０２を巻回した順変換装置として構成したものである。すなわち、二つの断熱容器１１、１２が備えられ、一方の断熱容器１１には鉄心脚２０１と内磁束ゲート部２１１，２２１が備えられると共に鉄心脚２０１に直流側巻線３０１が巻回され、同様に、他方の断熱容器１２には鉄心脚２０２と内磁束ゲート部２１２，２２２が備えられると共に鉄心脚２０２に直流側巻線３０２が巻回されている。そして、これら２つの断熱容器１１、１２の間には極低温側の内磁束ゲート部２１１，２２１及び２１２、２２２と磁気的に結合する外磁束ゲート部３１１，３２１，３１２，３２２並びに鉄心脚２３０を有するＩ形の交流側鉄心２が配置されると共に、鉄心脚２３０に交流側巻線３２０が巻回されている。そして、断熱容器１１，１２の外部にあって鉄心脚２０１，２０２の少なくとも一方の端部同士を磁気的に連結する連結ヨーク２５が備えられる。そして、この連結ヨーク２５には直流の制御磁界を発生させる制御巻線３１が巻回されている。直流側鉄心３の鉄心脚２０１，２０２の両端に結合される内磁束ゲート部２１１、２１２，２２１、２２２のそれぞれの端部には、内磁束ゲート部２１１、２１２，２２１、２２２の端面を遮るようにＹ系バルクあるいはＹ系薄膜からなる超電導素子４１、４２、４３、４４が配置されている。
【００９５】
この構造において、順変換動作は次のようになる。図８は、図７の構成を動作に必要な回路図として現したものである。順変換動作は、交流側巻線３２０の交流電圧を直流側巻線３０１，３０２を介して直流電圧として取り出す動作である。制御巻線３１からは、連結ヨーク２５に超電導の臨界磁界である直流磁界Φｃが励起され、一方交流側巻線３２０からは、整流すべき交流が入力されて鉄心脚２３０に交流磁界Φａｃが励起される。ここで、図８（ａ）に示すように交流側巻線３２０による矢印方向の交流磁界Φａｃと制御巻線３１による矢印方向の直流磁界Φｃとが超電導素子４１、４４にて相互に逆方向に作用すると、超電導素子４１、４４では臨界磁界が作用せず超電導を保持しマイスナー効果にて完全反磁性を有し、磁束を遮断する。一方、交流側巻線３２０による矢印方向の交流磁界Φａｃと制御巻線３１による矢印方向の直流磁界Φｃとが超電導素子４２、４３にて相互に同方向に作用すると、超電導素子４２、４３では臨界磁界が作用し常電導に転移し完全反磁性が壊れ磁束を通す。この結果、交流側巻線３２０で発生した磁束は、鉄心脚２３０→外磁束ゲート部３１２→内磁束ゲート部２１２→連結ヨーク２５→鉄心脚２０１→内磁束ゲート部２２１→外磁束ゲート部３２１→鉄心脚２３０と流れ、直流側巻線３０１と鎖交する閉磁路が形成される。こうして、直流側巻線３０１には、交流半波の磁界Φａｃに当る電圧が誘導される。
【００９６】
また、図８（ｂ）に示すように交流側巻線３２０による矢印方向の交流磁界Φａｃと制御巻線３１による矢印方向の直流磁界Φｃとが超電導素子４２、４３にて相互に逆方向に作用すると、超電導素子４２、４３では臨界磁界が作用せず超電導を保持しマイスナー効果にて完全反磁性を有し、磁束を遮断する。一方、交流側巻線３２０による矢印方向の交流磁界Φａｃと制御巻線３１による矢印方向の直流磁界Φｃとが超電導素子４１、４４にて相互に同方向に作用すると、超電導素子４１、４４では臨界磁界が作用し常電導に転移し完全反磁性が壊れ磁束を通す。この結果、交流側巻線３２０で発生した磁束は、鉄心脚２３０→外磁束ゲート部３２２→内磁束ゲート部２２２→鉄心脚２０２→連結ヨーク２５→内磁束ゲート部２１１→外磁束ゲート部３１１→鉄心脚２３０と流れ、直流側巻線３０２と鎖交する閉磁路が形成される。こうして、直流側巻線３０２には、交流半波の磁界Φａｃに当る電圧が誘導される。
【００９７】
したがって、直流側巻線３０２、３０１にはそれぞれ半波に対応した直流磁界が誘導され、この直流側巻線３０２、３０１同士を反転して接続することによって、出力端子から直流電圧を取り出すことができる。
【００９８】
更に、本発明の電力変換装置を利用して超電導直流送電システムを構築することができる。例えば、図９に示すように、図３に示す順変換装置と図５に示す逆変換装置とを組み合わせ、この両装置の直流巻線である直流側巻線３０同士を超電導ケーブル４０にて直接接続することにより超電導直流送電システムは構成される。超電導ケーブル４０の詳細な構造は、図示していないが、一般に、銅撚り線で構成された中空のフォーマを心材としてその外側に超電導導体（心線）３９、電気絶縁層、超電導シールド３８を形成すると共に銅編素線で構成された保護層で覆い、更にその保護層の外側に液体窒素流路となる空間を開けて断熱内管、真空断熱管、断熱外管及び塩化ビニル等の高分子樹脂製防食層からなる断熱管が設けられている。そして、フォーマの内部並びに保護層と断熱管の内管との間の空間を液体窒素流路として液体窒素が流れるように設けられている。そこで、断熱管部分を真空断熱容器の超電導心線引き出し口９と接続して、断熱容器１内に超電導シールド３８で覆われた超電導心線３９を引き込んでから、超電導心線３８と超電導導体から成る直流側巻線３０を直にインジウム半田で結合することにより、常電導リードを用いずに直流送電系統を構築できる。そして、直流側巻線３０同士を超電導ケーブル４０で接続すれば、超電導状態下に直流送電して電力需用者の元で交流に変換して給電できる。なお、本直流送電系統の両端の断熱容器内の冷却媒体及び超電導ケーブル内を流れる冷却媒体は、超電導ケーブルの液体窒素流路を介して冷却媒体供給源との間で循環させられる。また、ＡＣ／ＤＣ変換の際に直流側巻線３０は平滑巻線として機能することは既に述べたが、別途直流平滑巻線を直流側巻線と超電導ケーブルとの間に配置することは、より品質のよい直流送電を実現する上でより効果的である。斯くして、電力貯蔵機能を備える省エネ型の高品質な新しい電力供給システムが実現できる。
【００９９】
さらに、この直流の超電導環境では、直流側巻線３０並びにこの直流側巻線のほかに別途配置した平滑巻線あるいは超電導ケーブルのインダクタンスによって、電力の貯蔵を行うことが可能となる。この電力貯蔵システム（ＳＭＥＳ）は、超電導直流送電システムと基本的構成は同じであり、図３に示す順変換装置と図５に示す逆変換装置の直流側巻線３０同士を超電導ケーブルにて直接接続することにより、あるいは必要に応じて平滑巻線を介在させて超電導ケーブルで直接接続することにより、直流側巻線自体又は直流側巻線同士の接続部分に備えた平滑巻線並びに超電導ケーブルに電力を蓄積するようにしている。つまり、電力貯蔵システムは、直流側巻線を冷却する冷却システム、冷却された直流側巻線を保存するクライオスタット及び電力変換部（整流器とインバータ）から構成される。この電力貯蔵システムによると、交流／直流あるいは直流／交流のいずれの運転においても、全超電導直流回路構成により電気抵抗損失や交流損失の無い直流の永久電流モードが形成できるので、直流側巻線に一度電流を流して超電導素子４１、４２、４３、４４にかける制御磁界を臨界磁界よりも小さくあるいは零とすれば、交流側鉄心と直流側鉄心との間の磁束の流れが遮断されるため、直流側巻線とこれらを連結する超電導ケーブルで構成される閉回路内を永久的に直流電流が流れ、超電導巻線３０や超電導ケーブルのもつインダクタンスの和Lによる磁気エネルギーとして電力を貯蔵できる。このときの貯蔵エネルギー量は、Em≦LI２/2  となり、その上限はケーブルや平滑巻線の臨界電流値で決まる。このため各種の運転状態においても整流器の直流巻線の電流が臨界電流を越えないように保護監視制御し、臨界電流に近づいた場合には直ちに整流器の制御巻線電流を零にして緊急停止をしなければならない。なお、電力系統に電力を供給する場合には、直流側巻線に蓄えられた磁気エネルギーを電力変換装置で交流電流に変換する。電力の貯蔵と供給は磁路切替素子を制御して直流側磁路と交流側磁路との間の磁束の流れを全面的に遮断するかあるいは選択的に通過させること、例えば超電導素子４１、４２、４３、４４の全てを超伝導状態とするかあるいは選択的に超伝導状態と常電導状態との組み合わせにすることで可能となる。
【０１００】
さらに、本発明の逆変換装置（インバータ）は、第１交流側巻線３４に制御磁束を発生させるために流される交流信号電流の出力周波数によってインバータ出力（交流出力）の周波数が決定される。そこで、上述の逆変換装置あるいは超電導直流送電システムにおいて、インバータ側の交流母線の電圧周波数により第１交流側巻線３４に印加される超電導素子４１，４２，４３，４４のスイッチング用の交流信号電流の出力周波数を決定すれば、任意の周波数の交流電力が出力される。
【０１０１】
いずれのシステムにおいても、図３に示す順変換装置（整流器）側の第１交流側巻線３４の電圧タップの調整で直流送電の電圧、電流、電力を制御し、図５に示す逆変換装置（インバータ）側の第２交流側巻線３２，３３のタップ切替で交流送電の電圧、電流、電力を制御する。この間、負荷電流の変動に対して常に両変換装置の超電導素子４１，４２，４３，４４の磁界を臨界磁界に保つ制御即ち制御巻線３１の電流制御が必要である。そして、超電導直流送電システムの場合には、整流器の直流出力とインバータの交流出力が等しく、電力需要家の求める電圧、電流、電力に変換されて給電される。また、電力貯蔵については、直流出力と交流出力との差分の電力を直流側巻線や平滑巻線更には超電導ケーブルのインダクタンスに磁気エネルギとして貯蔵しておき、必要に応じて放出する。尚、電力貯蔵にしても超電導直流送電にしても、超電導素子での臨界磁界を保持するように制御巻線３１の電流制御が必要であり、電力貯蔵に際しては順変換装置の超電導導体から成る直流側巻線の電流が臨界電流を越えないように注意を要し、臨界電流に近づいた場合には制御巻線３１の直流電流を零にして停止する必要がある。
【０１０２】
また、図１０及び図１１に他の実施形態を示す。この実施形態は、図１〜図８に示す静止磁気遮蔽形の電力変換装置において、さらに電圧調整機能を持たせるようにしたものであり、超電導素子４１、４２、４３、４４の転移を利用した磁路切替素子並びに断熱容器１の内外の磁気回路などの基本構成は同じなので詳細な説明は省略する。図１〜図８に示す静止磁気遮蔽形の電力変換装置においては、変圧器機能が直流側巻線３０の巻線数に対する交流側巻線３４あるいは３２、３３の巻数比から一義的に定まる。しかしながら、高圧側と低圧側との巻線数の差だけで変圧比を定める構造では、一旦巻線数を決めれば昇圧比あるいは降圧比は一義的に定まってしまう。そこで、図１０のＡＣ／ＤＣ変換装置の場合には、交流側巻線３４として巻数比を変更可能とする複数のタップを備えるタップ付き巻線を採用すると共にタップ切換器３５を設け、タップの切換によって電圧を粗調整可能としている。この電力変換装置の場合、交流側巻線３４に入力される交流電流によって生じる交流磁束と鉄心脚２０に巻回された制御巻線３１によって生じる直流制御磁束とが各超電導素子４１、４２、４３、４４のところで同じ方向に流れるか異なる方向に流れるかで超電導素子に転移を起こさせて超電導状態と常電導状態とに切り替えるものである。
【０１０３】
また、図１１のＤＣ／ＡＣ変換装置の場合には、外ヨーク２３，２４の外磁束ゲート部１５，１６から外磁束ゲート部１８，１７の間にタップ付き交流側巻線３２，３３を採用すると共にタップ切換器３５を設け、タップの切換によって電圧を粗調整可能としている。この場合、左右の外ヨーク２３，２４はタップ付き交流側巻線３２，３３を巻回する鉄心脚となる。また、連結ヨーク２５に巻回されている交流側巻線３４は、超電導素子４１、４２、４３、４４の転移を切り替える制御磁束を生成する制御巻線として機能し、低圧交流母線に接続されている。したがって、交流母線の交流電流と同期して超電導素子４１、４２、４３、４４が超電導状態と常電導状態とに交互に切り替えられる。なお、図中の符号３６は碍子、３７は架台である。
【０１０４】
さらに、交流側鉄心２には、磁性体素子２７を出し入れ可能とする電圧微調整機構２６を備えることで電圧をさらに微調整可能としている。電圧微調整機構２６は、図１０及び図１１に示すように、交流側鉄心２の一部例えば連結ヨーク２５と外ヨーク２４との間にエアギャップを構成するスリット２９を設け、そのスリット２９に磁性体素子２７を挿入する量を制御することにより連結ヨーク２５を流れる磁束量を調整するようにしている。磁性体素子２７はリニアモータ２８を用いて挿入または引抜きができ、磁路の磁気抵抗を変化することにより通過磁束の大きさを制御し、整流器として作動させているときには出力直流電圧を、インバータとして作動させているときには出力交流電圧を調整する。なお、本実施形態ではリニアモータ２８などのアクチュエータを用いているが、場合によっては人手によって回転させる送りねじ機構などの移動機構を用いるようにしても良い。また、本実施形態の場合、電圧微調整機構２６は、制御が容易な交流側鉄心２に配置しているが、これに特に限られるものではなく、場合によっては直流側鉄心３に配置するようにしても良い。
【０１０５】
ここで、図１０のＡＣ／ＤＣ変換機の実施例並びに図１１のＤＣ／ＡＣ変換機の実施例では、磁束の流れる方向に関係なく必ず磁束が通過する連結ヨーク２５あるいは出口側ヨーク２１と磁気的に連結されている外磁束ゲート部１５，１６よりも連結ヨーク２５寄りの位置に備えることにより、１つの電圧微調整機構２６で制御可能としているが、これに特に限られるものではなく、分岐される磁路上の任意の位置、例えば外磁束ゲート部１５，１６から外磁束ゲート部１８，１７の間、出口側ヨーク２１及び入口側ヨーク２２のいずれかに備えるようにしても良い。この場合には、磁束の向きによっては磁束が流れない部分も生ずるので、切り替えられた磁路上の任意の位置に電圧微調整機構２６にそれぞれ備えることにより、磁束の通過量を制御可能とする。
【０１０６】
さらに、図１２及び図１３に磁路の切替が機械的に行われる電力変換装置の実施形態を示す。この実施形態の電力変換装置は、交流側鉄心２と直流側鉄心３との間に、磁路の切り替えを機械的に行う入替型の磁路切替素子５０を備えるものである。
【０１０７】
電力変換装置としての基本構造は図１〜図１１の超電導素子の転移を利用したスイッチング素子を用いる実施形態と同じであり、直流側巻線を巻回する直流側鉄心と交流側巻線を巻回する交流側鉄心との間の磁気的接続箇所に磁束の遮断と通過を制御する磁路切換素子を備え、磁路接続箇所の切り替えにより直流側鉄心の直流側巻線部分では同じ方向に流れる共に交流側鉄心の交流側巻線部分では流れ方向が互いに逆向きとなる２通りの磁束流を周期的に交互に形成するものであり、より具体的には冷却媒体４が封入された断熱容器１の中に鉄心脚２０の両端にそれぞれ２つずつ計４つの内磁束ゲート部５，６と７，８を有する直流側鉄心３と直流を流す超電導導体から成る直流側巻線３０とを収容する一方、断熱容器１の外に直流側鉄心３の内磁束ゲート部５，６，７，８と磁気的に結合される４つの外磁束ゲート部１５，１６，１７，１８を備える交流側鉄心２と交流を流す常電導導体から成る交流側巻線３４とを配置している。
【０１０８】
直流側鉄心３は鉄心脚２０の両端に磁気的に結合された入口側ヨーク２２と出口側ヨーク２１とを備え、それぞれのヨーク２２，２１の両端で内磁束ゲート部７，８，５，６を構成するようにしている。他方、交流側鉄心２は、断熱容器１の壁を介して直流側鉄心の４つの内磁束ゲート部５，６，７，８と相対し鉄心脚２０とで閉磁路を形成するための４つの外磁束ゲート部１５，１６，１７，１８とこれらを磁気的に結合した２本の外ヨーク２３，２４並びにこれら外ヨーク２３，２４を直接断熱容器１の外で磁気的に連結して外磁束ゲート部１５，１６，１７，１８同士を断熱容器１の外で連結する連結ヨーク２５を備えている。したがって、直流側鉄心３を中心に左右に振り分けられた交流側鉄心２の外磁束ゲート部１５，１８と外磁束ゲート部１６，１７とは断熱容器１の外で連結ヨーク２５によって磁気的に結合され、連結ヨーク２５を介して断熱容器１を介在させて対向配置されている交流側鉄心２と直流側鉄心３との間で閉磁路が構成されるように設けられている。
【０１０９】
ここで、本実施形態の電力変換装置の巻線は、断熱容器１の外の連結ヨーク２５に配置される交流側巻線３４と断熱容器１の内に配置される直流側巻線３０との２つの巻線からなる。交流側巻線３４は外部交流回路から交流電力を受ける整流器用巻線または外部交流回路に交流電力を供給するインバータ用巻線として機能する。また、直流側巻線３０は、外部直流回路と結合し整流動作やインバータ動作時に直流電力を授受する巻線として機能する。尚、本実施形態の電力変換装置においては、さらに、交流側巻線３４として巻数比を変更可能とする複数のタップを備えるタップ付き巻線を採用すると共にタップ切換器３５を設け、タップの切換によって電圧を粗調整可能としている。また、交流側鉄心２の連結ヨーク２５と外ヨーク２４との間にエアギャップを構成するスリット２９を設け、そのスリット２９に磁性体素子２７を出し入れ可能とする電圧微調整機構２６を備え、連結ヨーク２５を流れる磁束量を調整することで電圧をさらに微調整可能としている。尚、本実施形態では、直流側巻線３０は円筒状の可動支持体５１の外でかつ断熱容器１の内部に断熱容器１の内壁から突出したブラケットによって支持されることによって円筒体である可動支持体５１の回転を妨げないようにしているが、これに特に限られるものではなく、可動支持体５１を支える架台４５にリード線を潜らせるように配線することで可動支持体５１の内側の鉄心脚２０に直流側巻線３０を直接巻回させることも可能である。
【０１１０】
さらに、断熱容器１と直流側鉄心３の内磁束ゲート部５，６，７，８との間には、超電導素子５３と磁性体の板（以下磁性体素子と呼ぶ）５２とを一定周期で交互に挿入することにより、内磁束ゲート部５，６，７，８を通る磁束の遮断と通過を交互に切り替え、内外の磁束ゲート部５，６，７，８、１５，１６，１７，１８の間、即ち交流側鉄心２によって構成される磁路と直流側鉄心３によって構成される磁路との間を超電導状態と常電導状態とに交互に一定周期で切り替える磁路切替素子５０が配置されている。
【０１１１】
この磁路切替素子５０は、鉄心脚２０並びに入口側及び出口側ヨーク２１，２２とを包むＦＲＰなどの非導電性・非磁性の材料で形成される円筒状の可動支持体５１と、この可動支持体５１の出口側ヨーク２１の両端の内磁束ゲート部５，６並びに入口側ヨーク２２の両端の内磁束ゲート部７，８を包囲する部分に周方向へ交互に帯状に配置されている超電導素子５３及び磁性体素子５２とから構成されている。この磁路切替素子５０は、可動支持体５１の底部を断熱容器１の底部４５に回転自在に支えさせるための超電導ベアリング５７と、可動支持体５１を低圧母線を流れる交流電流の周波数と同期させて回転駆動するためのモータ５６とを備え、可動支持体５１の回転によって各内磁束ゲート部５，６，７，８の端面を超電導素子５３と磁性体素子５２とによって交互に覆うことで、超電導素子５３のマイスナー効果により交流側鉄心２と直流側鉄心３とを磁気遮蔽する一方、磁性体素子５２の介在により交流側鉄心２と直流側鉄心３との間の磁気的結合を保持して磁束の透過を許容するように構成されている。
【０１１２】
つまり、本実施形態の電力変換装置は、交流から直流あるいはその逆に直流から交流の双方に変換可能であり、入力電流の切替だけで、直流側巻線３０には半波整流電圧が、交流側巻線３４には交番電圧が生じ、ＡＣ／ＤＣ変換器あるいはＤＣ／ＡＣ変換器として機能するものである。尚、低圧母線の交流の周波数と可動支持体５１の回転とを同期させる駆動源としてのモータ５６には、例えば直流モータの使用が好ましいが、同期モータを用いることも可能である。この場合には、低圧母線を引き込むことで容易に同期をとることができる。
【０１１３】
ここで、超電導素子５３と磁性体素子５２とは、４つの内磁束ゲート部５，６，７，８に対して、入口側ヨーク２２の一方の磁束ゲート部に超電導素子５３が配置されるときに反対側の磁束ゲート部に磁性体素子５２が配置され、同時に鉄心脚２０の反対側の出口側ヨーク２１では逆の位置関係となって、一方の磁束ゲート部に磁性体素子５２が配置されるときに反対側の磁束ゲート部に超電導素子５３が配置される関係に配置されている。具体的には、図１２に示す概略図によれば、鉄心脚２０を挟んで対角線上に配置された内磁束ゲート部５と７並びに６と８をそれぞれ対にして、磁束ゲート部５，７に磁性体素子５２が配置されて磁束を通過させるときに磁束ゲート部６，８に超電導素子５３が配置されて磁束を遮断する関係に、入口側ヨーク２２の周り並びに出口側ヨーク２１の周りに超電導素子５３と磁性体素子５２とがそれぞれ配置されている。依って、可動支持体５１の回転により内磁束ゲート部６，８と内磁束ゲート部５，７が交互にヨーク部の磁束の遮断、透過を繰り返すことにより、鉄心脚２０を同じ向きに磁束が通過しながらも、この鉄心脚２０に至る磁束の入口側並びに出口側の磁路は交互に切り替えられるものである。磁路が交互に切り替わることにより、直流側巻線には半波整流電圧が、交流側巻線には交番電圧が生じる。本実施形態では可動支持体５１には、５対の超電導素子５３と磁性体素子５２がそれぞれ内磁束ゲート部５，７並びに６，８と対向する位置を通過するように帯状に設けられている。
【０１１４】
この原理を利用して連結ヨーク２５の交流側卷線３４の交流電流が鉄心脚２０の直流側巻線３０に半波整流起電力を磁気誘導することにより交流から直流へ整流器運転ができる。さらに、鉄心脚２０の直流卷線３０の直流電流が連結ヨーク２５に可動支持体５１の回転数に対応した周波数の交流起電力を磁気誘導することにより直流から交流へインバータ運転ができる。
【０１１５】
なお、同期モータ５６としては、本実施形態の場合、永久磁石界磁５５を極低温内即ち断熱容器内でキャンド化し、常温部に電機子巻線５４を設置して極低温電流リードを省略するようにしている。具体的には、例えば、超電導ベアリング５７で断熱容器１の底部４５の上に回転可能に可動支持体５１の底部が支持され、その可動支持体５１の上端側に、断熱容器１内に可動支持体５１の回転中心軸上に配置された永久磁石回転子５５と、常温部に配置された電機子卷線５４とで構成されているキャンド型同期モータが採用されている。そして、常温部の電機子卷線５４が外部交流系統即ち低圧三相交流母線に接続され、商用周波数で同期回転するように設けられている。なお、可動支持体５１の支持は、超電導ベアリング５７に代えて、ガイドレール付き車輪などを用いても良い。
【０１１６】
なお、超電導素子５３には、相転移を積極的に惹起する必要が無くマイスナー効果を持続し続けるものであれば足りることから、図１〜図１１に示すスイッチング素子で用いる希土類超電導素子の使用は好ましいが、その他の超伝導材料例えば一般的な超電導体のバルク材料または薄膜を用いることもできる。また、マイスナー効果を一定に保つため６５Ｋ一定温度保持できるスラッシュ窒素で冷却することが望ましい。液体窒素冷却の場合は温度変化による超電導素子のマイスナー効果の変化が磁気遮蔽量に影響し巻線の誘起電圧に変化が生じるので電圧調整制御を行い補正する。
【０１１７】
直流側巻線３０の端子は、超電導引き出し口９を介して超電導ケーブル４０を接続し、超電導心線３９並びに超電導シールド線３８を断熱容器１内に引き込んでインジウム半田などで直接接合し、あるいは必要に応じて直流電流平滑巻線などと結合する。この構造は極低温―常温間の電流リードを省略でき、極低温部への熱侵入がないので冷却損失を大幅に減少できる。本実施形態では、可動支持体５１の回転を妨げないように、直流側巻線３０は可動支持体５１の外に配置され、鉄心脚２０に巻回されているが、場合によっては直流側巻線３０を可動支持体５１の内側に配置しても良い。このときには、底部から直流側巻線３０のリード線を取り出すようにして、超電導ケーブル４０側の超電導心線３９と半田付けする。
【０１１８】
以上のように構成された入替型の電力変換装置によれば、以下のようにしてＤＣ／ＡＣ変換並びにＡＣ／ＤＣ変換を実現することができる。
【０１１９】
可動支持体５１の回転によって、磁路切替素子５０が回転して電気角で一周期360度変化したときの相対的な超電導素子と磁性体素子の位置関係を整流動作とインバータ動作を図１３に示す。まず、初期静止状態で、内磁束ゲート部６，８に超電導素子５３が全面挿入される場合（（ａ）参照）には、内磁束ゲート部６，８はマイスナー効果により磁気遮蔽され、内磁束ゲート部５，７は磁束をすべて通過するので、磁束は図１２に示すように交流側鉄心２の連結ヨーク２５→外ヨーク２４→外磁束ゲート部１７→磁性体素子５２→内磁束ゲート部７→入口側ヨーク２２→鉄心脚２０→出口側ヨーク２１→内磁束ゲート部５→磁性体素子５２→外磁束ゲート部１５→連結ヨーク２５と流れる磁束流Ａを形成する。このとき、連結ヨーク２５の交流側巻線３４を流れる交流電流が最大値で反時計方向に流れていれば、鉄心脚２０に巻かれた直流側巻線３０に作用する磁束方向は上向きとなりその方向にあった半波電圧を誘起する。
【０１２０】
図１３の（ｅ）に示すように、電流が逆転する半サイクル後は、内磁束ゲート部５，７が超電導素子５３で覆われてマイスナー効果により磁気遮蔽され、内磁束ゲート部６，８が磁性体素子５２で覆われて磁束の通過を許容する。この結果、右側の外ヨーク２３を中心とする磁束流Ｂが形成されるが、交流側巻線３４に流れる交流電流が反転しており磁束の向きが時計方向になるので、鉄心脚２０では、前記と同様に上向きの磁束が流れ、同じ方向の電圧が誘起する。このように鉄心脚２０の主磁束が交流側巻線３４によって生ずる磁束の方向交代に関係なく常に同方向となるので直流側巻線３０には連続半波整流電圧が誘起される。この状態で直流側巻線３０を直流外部回路に結合して交流から直流への整流器としての電力変換ができる。
【０１２１】
これと逆に、鉄心脚２０の直流側巻線３０に直流電流を通電し、常に上向き方向の磁束流を鉄心脚２０に発生させながら、可動支持体５１を低圧交流母線に流れる交流電流と同期させて回転させると、図１３の（ｉ）〜（ｐ）に示すように、超電導素子５３と磁性体素子５２との切換周期に応じた交流側鉄心２での磁束流Ａ，Ｂの切り替えが起こるので、連結ヨーク２５の交流側巻線３４に交流電流が誘起される。つまり、超電導素子５３が内磁束ゲート部６，８に、磁性体素子５２が内磁束ゲート部５，７に配置されたとき、上部ヨーク２１の磁束流は最大となり反時計方向の磁束が流れるので誘起電圧が正方向に発生する。さらに可動支持体５１が回転して、内磁束ゲート部６，８が磁性体素子５２に、内磁束ゲート部５，７が超電導素子５３になったとき、上部ヨーク２１の磁束の流れは最大となりその方向は時計回りとなるので交流側巻線３４には逆方向の電圧が誘起される。交流側巻線３４では半サイクル毎に±の交番パルス磁束が鎖交して電圧が発生するので、これを外部交流回路と結合すれば直流から交流へのインバータとしての電力変換ができる。
【０１２２】
つぎに、交流から直流への整流動作時の起動・停止と直流出力の制御方法について説明する。
まず、断熱容器１内の極低温空間にスラッシュ窒素を注入し可動支持体５１に配置された超電導素子５３、磁性体素子５２並びに直流側巻線３０を６５Ｋに冷却する。そして、回転磁路切替素子５０の可動支持体５１を、超電導素子５３と磁性体素子５２の一対が各内磁束ゲート部５〜８を通過する周期と外部交流電圧の周期が同期するように一定の回転数で回転させるように永久磁石型キャンドモータ５６を制御しながら、交流側巻線３４に交流電流を通電すれば、直流側巻線３０に半波整流電圧が誘起される。直流側巻線３０は外部直流回路（直流リアクトル、ケーブル、送電線、負荷など）と結合すれば、誘起した半波整流電圧により外部直流回路に負荷電流が流れる。この電流は変換器の直流側巻線と外部回路のリアクトルのインダクタンスにより平滑化され直流電流となる。なお、定常運転時の整流器運転は電圧粗調整を交流側巻線３４の巻線タップ比で、電圧微調整をリニアモータ２８の駆動で磁性体素子２７をスリット２９に出し入れすることで行い、直流の電圧・電流と電力潮流を制御する。
【０１２３】
次に、直流から交流へのインバータ動作時の起動と交流出力の制御方法について説明する。
まず、極低温物質空間即ち断熱容器１内にスラッシュ窒素４を注入し可動支持体５１に配置された超電導素子５３、磁性体素子５２並びに直流側巻線３０を６５Ｋに冷却する。次いで、鉄心脚２０に巻かれた直流側巻線３０に直流電流を通電を通電する。磁路切替素子５０の可動支持体５１を、超電導素子５３と磁性体素子５２の一対が各内磁束ゲート部５〜８を通過する周期と外部交流電圧の周期が同期するように一定の回転数で回転させるように永久磁石型キャンドモータ５６を制御する。例えば、図１２では可動支持体５１には上下にそれぞれ５対ずつの超電導素子５３と磁性体素子５２とが配置されているので、５０Ｈｚの外部交流系統と同期するには１秒間１０回転の速度で回転する同期機を用いる。この同期モータとしては、例えば２０極の永久磁石回転子型の同期機が適している。これにより、交流側巻線３４には同期した５０Ｈｚの交番磁界が誘起する。なお、定常運転時の整流器運転は電圧粗調整を交流側巻線３４の巻線タップ比で、電圧微調整をリニアモータ２８の駆動で磁性体素子２７をスリット２９に出し入れすることで行い、直流の電圧・電流と電力潮流を制御する。
【０１２４】
さらに、以上のように構成された本実施形態の電力変換器によると、次のようにしてその運転を停止させ、遮断器としても機能させ得る。例えば、整流器動作、インバータ動作の双方において、接続する直流系統の故障の場合には、可動支持体５１の回転を停止して交流・直流変換機能を停止させ、誘起電圧をゼロにして直流回路遮断できる。また、交流系統が故障した時には、従来と同様に交流系の遮断器により故障交流線路を遮断した上で、必要に応じ直流系統を前記の方法で停止する。さらに、高速に再起動運転する場合は、回転磁路切替素子５０の超電導素子５３と磁性体素子５２が６５Ｋに保持されているので、直ちに同期モータを同期速度に回転することにより運転を復帰することができる。
【０１２５】
さらに図１４及び図１５に本発明を三相交流用電力変換装置に適用した実施形態を示す。この実施形態の電力変換装置は、１つのクライオスタットの中に３つの直流側鉄心３Ｕ，３Ｖ，３Ｗとこれらの鉄心脚２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗに跨って巻回された１つの超伝導巻線３０を配置すると共に、クライオスタットの外に３つの交流側鉄心２Ｕ，２Ｖ，２Ｗと各々の連結ヨーク（鉄心脚）２５Ｕ，２５Ｖ，２５Ｗにそれぞれ巻回された交流側巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗを各々の対となる直流側鉄心３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの内磁束ゲート部５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ，６Ｕ，６Ｖ，６Ｗ，７Ｕ，７Ｖ，７Ｗ，８Ｕ，８Ｖ，８Ｗと交流側鉄心２Ｕ，２Ｖ，２Ｗの外磁束ゲート部１５Ｕ，１５Ｖ，１５Ｗ，１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗ，１７Ｕ，１７Ｖ，１７Ｗ，１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗとがそれぞれ対向するように配置されている。ここで、３つの直流側鉄心３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ並びに交流側鉄心２Ｕ，２Ｖ，２Ｗは機械角で各々１２０°ずつ周方向へずらして配置され、クライオスタット１の中で直流側鉄心３Ｕ，３Ｖ，３Ｗを包囲する非磁性材から成る可動支持体５１には、１０枚ずつの超電導素子５３と磁性体素子５２とが交互に配置されている。つまり、超電導素子５３と磁性体素子５２とは回転中心に対して機械角で１８°の広さとなる大きさの板とされて交互に配置されている。このとき、３相交流のＵ，Ｖ，Ｗの各相に相当する電気角１２０度ずれた半波整流電圧が直流側巻線３０に発生する。逆に、直流側巻線３０に直流電流を通電し、同期モータで可動支持体５１を所定の周期となるように回転制御すれば、各交流側巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗには電気角で１２０°の位相がある三相の５０Ｈｚの交番磁界が誘起される。なお、図中の符号５４はキャンド同期モータ電機子巻線、５５はキャンド同期モータ永久磁石界磁、５６はキャンド同期モータシャフト、５７は超電導磁気ベアリング、５８は架台である。
【０１２６】
図１６に更に他の実施形態を示す。この実施形態の電力変換装置は、図１２に示す入替型の電力変換装置の変形例であり、１つの交流側鉄心２と常電導導体から成る交流側巻線３２０に対し、２つの断熱容器１１，１２を備えると共にそれぞれの断熱容器１１，１２に二分割された直流側鉄心３と超電導導体から成る直流側巻線３０１，３０２を収容して順変換装置として構成したものである。すなわち、二つの断熱容器１１、１２の一方の断熱容器１１には鉄心脚２０１と内磁束ゲート部２１１，２２１が備えられると共に鉄心脚２０１に直流側巻線３０１が巻回され、他方の断熱容器１２には鉄心脚２０２と内磁束ゲート部２１２，２２２が備えられると共に鉄心脚２０２に直流側巻線３０２が巻回されている。そして、これら２つの断熱容器１１、１２の間には鉄心脚２３０に交流側巻線３２０が巻回されたＩ形の交流側鉄心２が配置され、中央のＩ形の交流側鉄心２を介在させて左右の２つの断熱容器１１、１２の中の極低温環境下にある直流側鉄心３との間で２つの閉磁路が形成されている。尚、交流側鉄心２は、鉄心脚２３０の両端にそれぞれ極低温側の内磁束ゲート部２１１，２２１及び２１２、２２２と磁気的に結合する外磁束ゲート部３１１，３２１，３１２，３２２が配置されると共に、鉄心脚２３０に交流側巻線３２０が巻回されている。
【０１２７】
そして、各断熱容器１１，１２内には、交流側鉄心２と直流側鉄心３との間を通過する磁束の流れを制御するスイッチング素子として、例えば図１２に示す入替型の磁路切替素子５０がそれぞれの断熱容器１１，１２毎に備えられている。この磁路切替素子５０については、図１２に示すものと基本構成を同じくしているのでその詳細な説明は省略し、断熱容器１１に収納されている磁路切替素子５０を例に挙げてその概略構造を説明する。つまり、鉄心脚２０１と内磁束ゲート部２１１，２２１を包囲するＦＲＰ製可動支持体５１と、この可動支持体５１の内磁束ゲート部２１１，２２１を包囲する部分に周方向へ交互に帯状に配置されている超電導素子５３及び磁性体素子５２と、可動支持体５１の底部を断熱容器１１の底部あるいは図示していない架台によって支えるための超電導ベアリング５７と、可動支持体５１を低圧母線を流れる交流電流と同期させて回転駆動するための同期モータ５５とを備え、可動支持体５１の回転によって各内磁束ゲート部２１１，２２１の端面を超電導素子５３と磁性体素子５２とによって交互に覆うことで、超電導素子５３のマイスナー効果により交流側鉄心２と直流側鉄心３とを磁気遮蔽する一方、磁性体素子５２の介在により交流側鉄心２と直流側鉄心３との間の磁気的結合を保持して磁束の透過を許容するように構成されている。
【０１２８】
ここで、鉄心脚２０１の両端の内磁束ゲート部２１１，２２１に対して、同時に超電導素子５３あるいは磁性体素子５２が配置される関係とされており、断熱容器１１内の直流側鉄心３が交流側鉄心２との間で磁路を形成するか、遮断されて交流側鉄心２から切り離されるように作動する。このとき、他方の断熱容器１２の磁路切替素子５０では、断熱容器１１とは逆の関係となっている。即ち、断熱容器１１の磁路切替素子５０が例えば内磁束ゲート部２１１，２２１に対して超電導素子５３を配置しているときには、鉄心脚２０２の両端の内磁束ゲート部２１２，２２２に対して磁性体素子５２を配置する。
【０１２９】
したがって、各断熱容器１１，１２の可動支持体５１の回転により内磁束ゲート部２１１，２２１と内磁束ゲート部２１２，２２２での磁束が交互に遮断、透過を繰り返すことにより、鉄心脚２０１→内磁束ゲート部２１１→外磁束ゲート部３１１→交流側鉄心２の鉄心脚２３０→外磁束ゲート部３２１→内磁束ゲート部２２１→鉄心脚２０１と磁束が通過する閉磁路と、鉄心脚２０２→内磁束ゲート部２２２→外磁束ゲート部３２２→交流側鉄心２の鉄心脚２３０→外磁束ゲート部３１２→内磁束ゲート部２１２→鉄心脚２０２と磁束が通過する閉磁路との２つの閉磁路が交互に形成される。つまり、本実施形態の電力変換装置は、交流から直流あるいはその逆に直流から交流の双方に変換可能であり、入力電流の切替だけで、直流側巻線３０には半波整流電圧が、交流側巻線３４には交番電圧が生じ、入出力の関係を入れ替えるだけでＡＣ／ＤＣ変換器あるいはＤＣ／ＡＣ変換器として機能させ得る。
【０１３０】
例えば、この構造において、整流器として機能させる場合には、交流側巻線３２０に流れる交流電流が反転するのと同期して各断熱容器１１，１２の磁路切替素子５０が回転するため、直流側巻線３０１，３０２には、交互に交流半波の磁界Φａｃに当る電圧が誘導され、直流側巻線３０２、３０１にはそれぞれ半波に対応した直流磁界が誘導され、この直流側巻線３０２、３０１同士を反転して接続することによって、出力端子から直流電圧を取り出すことができる。また、インバータとして機能させる場合には、２つの直流側鉄心の直流側巻線３０１，３０２にそれぞれ直流電流を通電し、交互に磁束の通過と遮断を繰り返すように切り替えることで、交流側鉄心２の鉄心脚２３０には交互に向きの異なる磁束流が生じ、交流側巻線３２０では半サイクル毎に±の交番パルス磁束が鎖交して交流電圧が誘起され、交流電流が流れる。これを外部交流回路と結合すれば直流から交流へのインバータ変換ができる。
【０１３１】
図１７に更に他の実施形態を示す。この実施形態の電力変換装置は、磁路切替素子５０として超電導素子５３と磁性体の板から成る磁性体素子５２とを１枚の円板状の可動支持体５１に環状に配置したものを採用したものである。尚、本実施形態の電力変換装置は、ディスク状の入替型磁路切替機構５０を採用した点で上述の各実施形態のものとは機械的構成が異なるが、磁気回路並びに電気回路については基本的に同じ構成であるのでその詳細な説明は省略する。
【０１３２】
この実施形態の電力変換装置は、冷却媒体４が封入された断熱容器１の中に直流側巻線３０を巻回した直流側鉄心３が収容され、断熱容器１の外に交流側巻線３４が巻回された交流側鉄心２が配置され、直流側鉄心３と交流側鉄心との間の磁気的接続箇所即ち内外の磁束ゲート部５，６，７，８，１５，１６，１７，１８の間に回転円板から成る可動支持体５１に磁性体素子５２と超電導素子５３とが交互に環状に配置されて搭載された磁路切替素子が配置されて成るものである。より具体的には、直流側鉄心３の鉄心脚２０の両端に出口側の内磁束ゲート部５，６と入口側の内磁束ゲート部７，８を備える一方、交流側鉄心２には断熱容器１の壁を介して４つの内磁束ゲート部５，６，７，８と相対する４つの外磁束ゲート部１５，１６，１７，１８を備え、２本のヨーク並びに連結ヨーク２５で磁気的に結合している。尚、本実施形態では、重量のある連結ヨーク２５を底部に配置することで構造上の安定性を増すようにしているが、これに特に限られるものでなく、上述した各実施形態に示すように、断熱容器１の上方に連結ヨーク２５を配置するようにしても良い。また、本実施形態では、交流側鉄心２の一方の外ヨークは断熱容器１と密着配置されており、外ヨークの一部が外磁束ゲート部１６，１７として機能するように設けられ、別部品としての外磁束ゲート部１６，１７が構成されていないが、対応する内磁束ゲート部６，７によって磁気的接続箇所が確立されるので、特に問題はない。
【０１３３】
尚、本実施形態の電力変換装置においても、交流側巻線３４の巻数比を変更可能とするタップ付き巻線とタップ切換器３５を設け、タップの切換によって電圧を粗調整可能としている。また、交流側鉄心２の連結ヨーク２５には、スリットとこれに挿入される磁性体素子とで構成される上述の電圧微調整機構２６が備えられ、連結ヨーク２５を流れる磁束量を調整することで電圧をさらに微調整可能とされている。勿論、これら電圧調整機構は必要ない場合には省略されることもある。
【０１３４】
本実施形態の磁路切替素子５０は、超電導素子５３と磁性体素子５２とを一平面上に交互に環状に配置しているＦＲＰ製の円板状の可動支持体５１と、この円板状の可動支持体５１を断熱容器１内で回転可能に支えるためのキャンド型同期モータ５６と超電導ベアリング５７とで構成されている。可動支持体５１は鉄心脚２０を貫通するモータシャフト５８によって中心部が支持され、直流側鉄心３と交流側鉄心２との間を通過する磁束に対して直交する面内で回転可能に支持されている。モータシャフト５８の先端部は断熱容器に備えられた超電導ベアリング５７によって回転自在に支持され、基端側にはキャンド型同期モータ５６を構成する永久磁石回転子５５が搭載されている。この永久磁石回転子５５は、断熱容器１の外に配置された電機子巻線５４との間でキャンド型同期モータ５６を構成し、常温部の電機子卷線５４が外部交流系統即ち低圧三相交流母線に接続されて商用周波数で同期回転するように設けられている。
【０１３５】
可動支持体５１は、図２９に示すように、入口側と出口側の双方の内磁束ゲート部５，８あるいは６，７の端面を同時に覆う大きさの直径からなり、周縁に沿って超電導素子５３と磁性体の板から成る磁性体素子５２とが交互に環状に配置され、超電導素子５３と磁性体素子５２とを一定周期で交互に内磁束ゲート部５，８あるいは６，７の端面の前に挿入することにより、可動支持体５１の回転によって各内磁束ゲート部５と８あるいは６と７の端面を超電導素子５３と磁性体素子５２とによって交互に覆うことで、超電導素子５３のマイスナー効果により交流側鉄心２と直流側鉄心３との磁気的接続箇所を磁気遮蔽する一方、磁性体素子５２の介在により交流側鉄心２と直流側鉄心３との間の磁気的結合を保持して磁束の透過を許容するように構成されている。
【０１３６】
ここで、２枚の可動支持体５１の磁性体素子５２と超電導素子５３とは、内磁束ゲート部５，７に超電導素子５３が配置されるときに内磁束ゲート部６，８に磁性体素子５２が配置される関係に組み合わせられている。つまり、磁束流が流入する側の内磁束ゲート部８に磁性体素子５２が配置されるときに磁束流が流出する側の内磁束ゲート部５に同じ可動支持体５１の超電導素子５３が配置され、同時に鉄心脚２０を挟んで反対側の磁束流が流入する側の内磁束ゲート部７に超電導素子５３が配置されると共に磁束流が流出する側の内磁束ゲート部６に同じ可動支持体５１の磁性体素子５２が配置される関係に設けられている。依って、可動支持体５１の回転により内磁束ゲート部６，８と内磁束ゲート部５，７において交互に磁束流の遮断、通過を繰り返すことにより、鉄心脚２０を同じ向きに磁束が通過しながらも、この鉄心脚２０に至る磁束の入口側並びに出口側の磁路は交流側巻線３４の部分において交互に切り替えられる２通りの磁束流Ａ，Ｂを形成するものである。磁路が交互に切り替わることにより、直流側巻線には半波整流電圧が、交流側巻線には交番電圧が生じる。本実施形態では１枚の円板状の可動支持体５１には、７対の超電導素子５３と磁性体素子５２が環状に配置されているがこの対数に特に理由はなく、磁気遮断切替えが一回毎に交流側の電圧の反転するタイミングと一致する関係に可動支持体５１の回転速度と加わる電圧の周波数の同期がとられることが重要である。また、２枚の可動支持体同士の間でも、磁束ゲート部５，７に磁性体素子５２が配置されて磁束を通過させるときに磁束ゲート部６，８に超電導素子５３が配置されて磁束を遮断する関係に、同期がとれる必要がある。尚、本実施形態では、内磁束ゲート部５と８あるいは６と７の端面をそれぞれ覆う２枚の可動支持体５１を備えているが、場合によっては各内磁束ゲート部５，６，７，８毎にそれぞれの端面を覆う４枚の円板状可動支持体５１を備えてこれらを同期回転させることにより各磁気的接続箇所における磁束流の遮断と通過を制御するようにしても良い。
【０１３７】
以上のように構成された入替型の電力変換装置によれば、交流側巻線と直流側巻線を必ず通過し、尚かつ直流側巻線部分では同じ方向に通過すると共に交流側鉄心に対しては交互に逆向きに通過する２通りの磁束流Ａ，Ｂを形成する。したがって、交流から直流あるいはその逆に直流から交流の双方に変換可能であり、入力電流の切替だけで、直流側巻線３０には半波整流電圧が、交流側巻線３４には交番電圧が生じ、ＡＣ／ＤＣ変換器あるいはＤＣ／ＡＣ変換器として機能するものである。
【０１３８】
まず、整流動作について説明する。一対の円板状の電力変換素子の内磁束ゲート部５，７に超電導素子５３が全面挿入されると共に、内磁束ゲート部６，８に磁性体素子５２が全面挿入されている状態において、交流側巻線３４に交流電流が流されて磁束が上向きに発生すると、内磁束ゲート部５，７はマイスナー効果により磁気遮蔽され、内磁束ゲート部６，８は磁束をすべて通過するので、磁束流Ａは外磁束ゲート部１８→磁性体素子５２→内磁束ゲート部８→鉄心脚２０→内磁束ゲート部６→磁性体素子５２→外磁束ゲート部１６→外ヨーク→連結ヨーク２５→交流側巻線３４が巻回されている鉄心脚（連結ヨーク２５）へと流れる。次いで、電圧変化に同期して円板状の可動支持板５１が回転するのに伴って、内磁束ゲート部５，７を磁性体素子５２が覆い始めると共に内磁束ゲート部６，８を超電導素子５３が覆い始める。したがって、交流側巻線３４に流れる交流電流が反転するのに伴って、内磁束ゲート部５と７を経て磁束が直流側鉄心３を通過し始める一方、内磁束ゲート部６と８を経て直流側鉄心３を通過する磁束が減少し始める。そして、完全に内磁束ゲート部５，７を磁性体素子５２が、内磁束ゲート部６，８を超電導素子５３がそれぞれ覆ったとき、交流側巻線３４に流れる交流電流が反転状態でピークに達して、連結ヨーク２５→外磁束ゲート部１７→磁性体素子５２→内磁束ゲート部７→鉄心脚２０→内磁束ゲート部５→磁性体素子５２→外磁束ゲート部１５→外ヨーク→交流側巻線３４が巻回されている鉄心脚（連結ヨーク２５）へと流れる磁束流Ｂのみとなる。したがって、交流側巻線３４に流れる交流電流によって発生する磁束流は、鉄心脚２０の直流側巻線３０において常に一方例えば上向きの磁束流となって流れ、同じ方向の連続半波整流電圧を誘起する。そして、直流側巻線３０に結合された直流外部回路に直流電流として供給する整流動作を行う。
【０１３９】
また、インバータ動作は、鉄心脚２０の直流側巻線３０に直流電流を通電して常に一定方向例えば上向き方向の磁束流を鉄心脚２０に発生させながら、可動支持体５１を低圧交流母線に流れる交流電流と同期させて回転させることにより、超電導素子５３と磁性体素子５２との切換周期に応じた交流側鉄心２における磁路の切換が起こして、交流側巻線３４に交流電流を誘起させる。つまり、低圧交流母線の交流と同期する可動支持体５１の回転により、内磁束ゲート部６，８並びに内磁束ゲート部５，７をそれぞれ超電導素子５３並びに磁性体素子５２が覆う割合に応じて通過磁束量並びに遮蔽磁束量が漸増、漸減するように制御されるので、直流側鉄心３に発生した直流磁束は、漸次磁束流Ａと磁束流Ｂとに周期的に徐々に切り替わり、交流側巻線３４では半サイクル毎に±の交番パルス磁束が鎖交して電圧が誘起される。したがって、これを外部交流回路と結合すれば直流から交流へのインバータ変換ができる。
【０１４０】
図１８に更に他の実施形態を示す。この実施形態は、図１２に示す電力変換装置の磁路切替素子５０を変更した変形例であり、少なくとも一対の超電導素子５３と磁性体素子５２とを周方向に配置した非磁性の可動支持体５１を揺動させることにより、磁路の切替を行う磁路切替素子５０を用いたものである。可動支持体５１は、駆動源例えば揺動モータや揺動流体圧モータなどのアクチュエータによって一定角度範囲で揺動させることにより、内磁束ゲート部と外磁束ゲート部との間に超伝導状態と常伝導状態とを交互に一定周期で生成し、磁束の流れを制御するものである。この場合、可動支持体５１の揺動速度と加わる電圧の周波数が同期がとれて、磁気遮蔽切替えが一回毎に交流側の電圧の反転するタイミングと一致する関係に保たれていることが重要である。揺動モータによる直接駆動でも良いが、同期モータの回転を揺動に変換する機構例えばクランクと揺動てこを利用して回転運動を振り子のように揺動運動に変換することにより、電圧の周波数と同期した揺動を得るようにしても良い。尚、本実施形態によると、支持体は図１２に示す切替機構と同様にＦＲＰ製の円筒体によって構成しているが、これに特に限られるものではなく、場合によっては半円形状のものであっても良い。この実施形態の場合にも、磁気的接続箇所を４箇所設ける場合には、入力電力を切り替えることで順変換と逆変換とを実施できる。
【０１４１】
図１９に更に他の実施形態を示す。この実施形態は、図１２に示す電力変換装置の磁路切替素子５０を変更した変形例であり、少なくとも一対の超電導素子５３と磁性体素子５２とを縦に並べて配置した非磁性の可動支持体５１を往復動させることにより、磁路の切替を行うようにしたものである。即ち、この電力変換装置における磁路切替素子５０は、超電導素子５３と磁性体素子５２とを内磁束ゲート部５，６，７，８と対面する位置で直流側鉄心３の鉄心脚２０と平行な軸方向に配置した非磁性体の可動支持体５１と、この可動支持体５１を往復動させる駆動源とを備え、可動支持体５１を駆動源により往復動させることにより、内磁束ゲート部５，６，７，８と外磁束ゲート部１５，１６，１７，１８との間に超伝導状態と常伝導状態とを交互に一定周期で生成して磁束の流れを制御するようにしたものである。本実施形態の駆動源としては、例えば電磁ソレノイド６１と永久磁石６０とで構成されるリニアモータなどの使用が好ましいが、この場合においても、電磁ソレノイド６１に低圧交流母線を接続することにより可動支持体５１の移動速度と加わる電圧の周波数との間に同期をとり、磁気遮蔽切替えが一回毎に交流側の電圧の反転するタイミングと一致する関係に保つようにしている。尚、ソレノイドによる直接駆動でも良いが、同期モータの回転を往復直線運動に変換する機構例えば確動カムや板カムなどを用いたカム機構によって、電圧の周波数と同期した変位を得るようにしても良い。また、本実施形態によると、可動支持体５１は図１２に示す切替機構と同様にＦＲＰ製の円筒体によって構成され、断熱容器１内に配置されて直流側鉄心３を包囲するように設けられているが、これに特に限られるものではなく、板材あるいは半円筒形状であっても良い。
【０１４２】
図２０に更に他の実施形態を示す。この実施形態の電力変換装置は、鉄心構造を簡略化すると共に磁路切替素子の数を減らしたものである。尚、磁路切替素子５０は図１７に示す回転円板から成る非磁性の可動支持体に超電導素子５３と磁性体素子５２とを交互に環状に配置したものであり、その詳細な構造と動作については説明を省略する。
【０１４３】
この電力変換装置は、直流側巻線部分では同じ方向に磁束が流れることに着目して磁路の入口側あるいは出口側を共用化して１箇所に減らすことにより３箇所の磁気的接続箇所とし、さらに、磁束の遮断と通過を制御する磁気的接続箇所を２箇所に減らしたものである。つまり、断熱容器１の内に配置される直流側鉄心３は、鉄心脚８０の両端に入口側内磁束ゲート部７４と出口側内磁束ゲート部７６とを備えると共に鉄心脚８０の中央に入口側内磁束ゲート部と出口側内磁束ゲート部とを兼ねる共通内磁束ゲート部７７とが設けられている。そして、鉄心脚８０の共通内磁束ゲート部７７と入口側内磁束ゲート部７４との間並びに共通内磁束ゲート部７７と出口側内磁束ゲート部７６との間にはそれぞれ直流側巻線３０ａ，３０ｂが巻回され互いに順極結線されている。また、断熱容器１の外に配置される交流側鉄心２には、直流側鉄心３の入口側内磁束ゲート部７４と出口側内磁束ゲート部７６及び共通内磁束ゲート部７７と各々対向配置されて磁気的に結合される出口側外磁束ゲート部７５と入口側外磁束ゲート部７３及び共通外磁束ゲート部７８との３つの外磁束ゲート部が備えられている。そして、共通外磁束ゲート部７８と入口側外磁束ゲート部７３との間に交流側巻線３４が巻回されている。また、入口側内磁束ゲート部７４並びに出口側内磁束ゲート部７６と断熱容器１との間には、両ゲート部７４，７６に跨る円板状の可動支持体５１に超電導素子５３と磁性体素子５２とを搭載した磁路切替素子５０が配置されている。可動支持体５１は、鉄心脚８０に埋設されている超電導磁気ベアリング５７に支承されているキャンド同期モータ５６のモータシャフト５８に支持されている。キャンド同期モータ５６は交流母線に接続され、入口側内磁束ゲート部７４と出口側内磁束ゲート部７６を通る磁束の遮断と通過を交互に切り替え、鉄心脚８０を経て入口側外磁束ゲート部７３と共通外磁束ゲート部７８との間を通過する磁束流Ａと共通外磁束ゲート部７８と出口側外磁束ゲート部７５との間を通過する磁束流Ｂとの２通りの磁束流を交流母線を流れる交流電力の周波数と同期させて交互に形成する。交流側巻線３４に流した交流電流で発生させた磁束の流れを磁路切替素子５０によって切り替えることによって直流側巻線３０ａ，３０ｂに磁気誘導で直流電流が生じることにより電力変換される。
【０１４４】
以上のように構成された電力変換装置によれば、例えば超電導素子５３が出口側内磁束ゲート部７６に全面挿入されると共に入口側内磁束ゲート部７４に磁性体素子５２が全面挿入されている図２０の状態において交流側巻線３４に交流電流が流されて上向きの磁束流が発生すると、出口側内磁束ゲート部７６がマイスナー効果により磁気遮蔽され、入口側内磁束ゲート部７４が磁束をすべて通過させるので、入口側内磁束ゲート部７４から直流側巻線３０ａを経て共通内磁束ゲート部７７から交流側巻線３４が巻回された鉄心脚７９へと流れる磁束流Ａを形成する。次いで、交流側巻線３４に流れる交流電流が反転して下向きの磁束が発生したときには、磁性体素子５２が出口側内磁束ゲート部７６を覆って磁束の通過を許容する一方、超電導素子５３が入口側内磁束ゲート部７４を覆ってマイスナー効果により磁気遮蔽するので、連結ヨーク２５を介して共通内磁束ゲート部７７から流入し直流側巻線３０ｂを経て出口側内磁束ゲート部７６から交流側巻線３４部分へと流れる磁束流Ｂほ形成する。２つの直流側巻線３０ａ，３０ｂには、交互に交流側巻線３４に流れる交流電流により同じ方向の連続半波整流電圧が誘起される。そして、これら２つの直流側巻線３０ａ，３０ｂは順極結合されているので、生じた電圧は直流側巻線３０ａ，３０ｂそのもののリアクトルによって平滑化され、あるいは必要に応じて設けられる平滑用リアクトルによってさらにリップルが除かれて、直流外部回路に直流電流として供給される。
【０１４５】
図２１に更に他の３ゲートタイプの実施形態を示す。この実施形態の電力変換装置は、図２０に示す電力変換装置と同様に、鉄心構造を簡略化すると共に磁路切替素子の数を減らしたものであり、鉄心構造と巻線配置を図２０と異にしている。
【０１４６】
つまり、断熱容器１の内に配置される直流側鉄心３は、両端に入口側内磁束ゲート部６５，６６をそれぞれ備えるヨーク部７２と、該ヨーク部７２の中央に磁気的に接続されて１つの出口側内磁束ゲート部６７を備える鉄心脚とが設けられている。そして、鉄心脚となる出口側内磁束ゲート部６７には直流側巻線３０が巻回されている。また、断熱容器１の外に配置される交流側鉄心２には、直流側鉄心３の２つの入口側内磁束ゲート部６５，６６と１つの出口側内磁束ゲート部６７に各々対向配置されて磁気的に結合される２つの入口側外磁束ゲート部６９，７０と１つの出口側外磁束ゲート部６８が備えられている。そして、２つの入口側外磁束ゲート部６９，７０を有する鉄心脚にそれぞれ交流側巻線３２，３３が巻回され互いに出力が反転して出力されるように逆極結合されている。また、入口側内磁束ゲート部６５並びに入口側内磁束ゲート部６６と断熱容器１との間には、両ゲート部６５，６６に跨る円板状の可動支持体５１に超電導素子５３と磁性体素子５２とを搭載した磁路切替素子５０が配置されている。そして、交流母線に接続されたキャンド同期モータ５６の回転によって、２つの入口側内磁束ゲート部６５，６６を通る磁束の遮断と通過を交互に切り替え、一方の入口側内磁束ゲート部６５から出口側内磁束ゲート部６７へ通過する磁束Ａと他方の入口側内磁束ゲート部６６から出口側内磁束ゲート部６７へ通過する磁束Ｂとの２通りの磁束流を交互に形成するようにしている。これにより、例えば直流側巻線３０に流した直流電流で発生させた磁束の流れを磁路切替素子５０によって切り替えることによって交流側巻線３２，３３に磁気誘導で交番電圧を生じさせることにより直流から交流へ電力変換することができる。尚、本実施形態では直流側鉄心３には２つの入口側内磁束ゲート部６５，６６と１つの出口側内磁束ゲート部６７とを設けるようにしているが、２つの出口側内磁束ゲート部と１つの入口側内磁束ゲート部並びにそれぞれに対応する外磁束ゲート部を設けるようにしても磁束流の方向が変わるだけで原理的には同じである。
【０１４７】
以上のように構成された電力変換装置によれば、例えば超電導素子５３が入口側内磁束ゲート部６６に全面挿入されると共に入口側内磁束ゲート部６５に磁性体素子５２が全面挿入されている図２１の状態において直流側巻線３０に直流電流が流されて常に一定方向の磁束流が鉄心脚６７に発生させられた状態で同期モータ５６が低圧交流母線に流れる交流電流と同期させて回転させられると、超電導素子５３と磁性体素子５２との切換周期に応じた磁路の切換が起こるので、交流側鉄心の２つの交流側巻線３２，３３にそれぞれ正弦波状の交流半波電圧が誘導される。そして、２つの交流側巻線３２，３３は互いに出力が反転するように接続されているので、半サイクル毎に出力が反転して正弦波状の交流電圧として取り出すことができる。これを外部交流回路と結合すれば直流から交流へのインバータ変換ができる。
【０１４８】
また、図１５に示すように、図１２の単相で表現した３台の変換装置の直流側巻線３０を交互に結合すれば、脈動変動の少ない半波整流電圧を得ることができる。３台の電力変換装置の回転磁路切替素子５０の超電導素子５３と磁性体素子５２の対を電気角１２０°分ずらして配置して、この可動支持体５１を同期モータにより外部三相交流回路の周波数で回転する。一方、３台の変換装置の直流側巻線３０に外部直流回路から直流通電し、超電導素子５３と磁性体素子５２の切替周期と外部三相回路とを同期した状態でインバータ運転すれば、各電力変換装置の交流側巻線３４には外部回路と同じ三相交流電圧が発生し、直流系統を三相交流系統に結合できる。３台の電力変換装置の交流側巻線３４を３相交流のＵ，Ｖ，Ｗの各相に結合すれば、電気角１２０度ずれた半波整流電圧が各変換器の直流側巻線に発生する。この３台の変換装置の直流側巻線３０を結合すれば、脈動変動の少ない半波整流電圧を得ることができる。そこで、３台のＡＣ／ＤＣ電力変換装置を超電導ケーブル４０にて直接接続することにより、あるいは必要に応じて平滑巻線を介在させて超電導ケーブル４０で直接接続することにより、直流側巻線３０自体又は直流側巻線３０同士の接続部分に備えた平滑巻線並びに超電導ケーブル４０に電力を蓄積する電力貯蔵システムを構成できる。この電力貯蔵システムによると、全超電導直流回路構成により電気抵抗損失や交流損失の無い直流の永久電流モードが形成できるので、直流側巻線に一度電流を流して磁路変換素子５０の全ての超電導素子にかける制御磁界を臨界磁界よりも小さくあるいは零とすれば、交流側鉄心と直流側鉄心との間の磁束の流れが遮断されるため、直流側巻線とこれらを連結する超電導ケーブルで構成される閉回路内を永久的に直流電流が流れ、超電導巻線や超電導ケーブルのもつインダクタンスの和による磁気エネルギーとして電力を貯蔵できる。なお、電力系統に電力を供給する場合には、直流側巻線に蓄えられた磁気エネルギーを電力変換装置で交流電流に変換する。
【０１４９】
更に、本発明の電力変換装置を利用して超電導直流送電システムを構築することができる。例えば、図２２に示すように、図１７に示す電力変換装置を順変換機と逆変換機として３基ずつ直流超電導ケーブル４０の両端に配置し、三相交流を順変換機で一旦直流に電力変換して送電した後、逆変換機で三相交流に戻す直流送電システムを構成することができる。この直流送電システムは、順変換装置と逆変換装置の超電導導体から成る直流側巻線３０同士を超電導ケーブル４０にて直接接続することにより構成される。３台の順変換装置の交流側巻線３４を３相交流のＵ，Ｖ，Ｗの各相にそれぞれ結合すれば、電気角１２０度ずれた半波整流電圧が各変換器の直流側巻線３０に発生する。この３台の変換装置の直流側巻線３０を直列結合すれば、各変換装置の直流側巻線３０そのもののリアクトルによって脈動変動の少ない半波整流電圧を得ることができる。そして、この半端整流電圧は、さらに必要に応じて直流送電ケーブル４０の途中に配置された直流平滑巻線５９により平滑化され、リップルが少なくより品質のよい直流電流として送電される。そして、逆変換機側の３基の電力変換装置において、それぞれの直流側巻線に流された直流電流によって発生した磁束を電気角で１２０度ずれた周期で各電力変換装置の磁路切替素子５０の切替を制御することによって、例えば磁性体の板５２と超電導素子５３とを交互に配置した円板状の可動支持体５１を同期モータ５６で交流母線の周波数と同期させることにより、回転各電力変換装置の各交流側巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗに電気角で１２０°の位相がある三相の交番磁界が所定周波数例えば５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚで誘起される。これにより、三相交流に戻してから需用者に供給できる。尚、逆変換時の三相交流の周波数は自由に設定できるので任意の周波数の三相交流に変換できる。したがって、例えば５０Ｈｚの交流電力を６０Ｈｚの地域に、あるいはその逆に６０Ｈｚの地域から５０Ｈｚの地域に直流送電することができる。しかも、この直流送電システムは、磁路切替素子を制御して直流側磁路と交流側磁路との間の磁束の流れを全面的に遮断することによって電力貯蔵システム（ＳＭＥＳ）として機能し得る、電力貯蔵機能を備える省エネ型の高品質な新しい電力供給システムが実現できる。
【０１５０】
さらに図２３に本発明を三相交流用電力変換装置に適用した他の実施形態を示す。この実施形態の電力変換装置は、２つの断熱容器１の間の常温空間に３相交流のＵ，Ｖ，Ｗの各相に相当する交流側鉄心２と交流側巻線３２０を配置すると共に各断熱容器１内にはＵ，Ｖ，Ｗの各相に相当する直流側鉄心３と直流側巻線３０１，３０２を分配して配置するようにしている。すなわち、図１に示すＩ形の直流側鉄心３を縦に２分し、図７に示すように両端に内ゲート磁束部２１１，２２１（図２３では上側の内ゲート磁束部２１１のみ図示）を備えると共に直流側巻線３０１が巻回された鉄心脚２０１を一方の断熱容器１１に、同様に、内ゲート磁束部２１２，２２２（図２３では上側の内ゲート磁束部２１２のみ図示）を備えると共に直流側巻線３０２が巻回された鉄心脚２０２を他方の断熱容器１２にそれぞれ収容させるようにしている。そして、これら２つの断熱容器１１、１２の間には磁気的に結合する外磁束ゲート部３１１，３２１，３１２，３２２（図２３では上側の内ゲート磁束部３２１，３２２のみ図示）並びに鉄心脚２３０を有するＩ形の交流側鉄心２が配置されると共に、鉄心脚２３０に交流側巻線３２０が巻回されている。そして、図示していないが断熱容器１１，１２の外部にあって鉄心脚２０１，２０２の少なくとも一方の端部同士を磁気的に連結する連結ヨーク（図７参照）が備えられる。この連結ヨークには直流もしくは交流の制御磁界を発生させる制御巻線（図示省略）が巻回されている。他方、直流側鉄心３の鉄心脚２０１，２０２の両端に結合される内磁束ゲート部２１１、２１２，２２１、２２２のそれぞれの端部には、内磁束ゲート部２１１、２１２，２２１、２２２の端面を遮るようにＹ系バルクあるいはＹ系薄膜からなる超電導素子４１、４２、４３、４４（図２３では上側の超電導素子４１，４２のみ図示）が配置されている。
【０１５１】
この構造の三相交流用電力変換装置における変換動作は、交流側巻線３２０には、三相交流の各相に対応する電流が入力されて鉄心脚２３０に交流磁界Φａｃが励起される点を除いて単相の場合と同様であるのでその説明を省略する。ここで、三相対応の電力変換装置の場合における順変換の場合には、共通の直流側巻線３０１には、三相交流のＵ，Ｖ，Ｗの各相に相当する電気角で１２０°ずれた半波整流電圧が連続的に誘導され、直流側巻線自体のリアクトルによって脈動変動の少ない半波整流電圧を得ることができる。逆に、共通の直流側巻線３０１に直流電流を通電し、制御巻線に交流の制御電流を流して交流の制御磁束を超電導素子４１、４２、４３、４４に印加すれば、各交流側巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗには電気角で１２０°の位相がある三相の交番磁界が制御磁束の周波数例えば５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚで誘起される。
【０１５２】
さらに図２４に本発明を三相交流用電力変換装置に適用した他の実施形態を示す。この実施形態の電力変換装置は、１つの断熱容器１の中に３相分の３つの直流側鉄心３Ｕ，３Ｖ，３Ｗとこれらの鉄心脚に跨って巻回された１つの超伝導巻線３０を配置すると共に、断熱容器１の外に３つの交流側鉄心２Ｕ，２Ｖ，２Ｗと各々の連結ヨーク（鉄心脚）にそれぞれ巻回された交流側巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗを各々の対となる直流側鉄心３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの内磁束ゲート部と交流側鉄心２Ｕ，２Ｖ，２Ｗの外磁束ゲート部とがそれぞれ対向するように配置されている。ここで、３つの直流側鉄心３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ並びに交流側鉄心２Ｕ，２Ｖ，２Ｗは互いに干渉しない間隔例えば１２０°程度を空けて周方向へずらして配置され、断熱容器１の中で直流側鉄心３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの各内磁束ゲート部の端面を覆うＹ系バルクあるいはＹ系薄膜から成る超電導素子４１、４２、４３、４４（図２４では上側の超電導素子４１，４２のみ図示）が配置されている。尚、平面から見た図２４には、鉄心脚の下端に備えられる内磁束ゲート部は、図示されていないが、図１４に示すように鉄心脚の下端側にも内磁束ゲート部と超電導素子とが配置されていることはいうまでもない。
【０１５３】
この構造の三相交流用電力変換装置では、例えば共通の直流側巻線３０には、電気角で１２０°ずれた半波整流電圧が連続的に誘導され、直流側巻線自体のリアクトルによって脈動変動の少ない半波整流電圧を得ることができる。逆に、共通の直流側巻線３０に直流電流を通電し、制御巻線に交流の制御電流を流して交流の制御磁束を超電導素子４１、４２、４３、４４に印加すれば、各交流側巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗには電気角で１２０°の位相がある三相の交番磁界が制御磁束の周波数例えば５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚで誘起される。
【０１５４】
図２５に本発明の電力変換装置を直流電力の変成器として構成した実施形態を示す。この変換装置は、上述の各実施形態の電力変換装置のいずれかを２台備え、電力変換装置の交流側巻線３４同士を互いに結線すると共に電力変換装置の直流側巻線３０と交流側巻線３４の巻数比を異ならせて、一方の電力変換装置の直流側巻線３０に入力された直流電流を他方の電力変換装置の直流側巻線３０から昇圧ないし降圧して直流電流を出力するものである。このとき、上述したように、巻数比を変更するための複数の切り替え用電圧タップと切替器３５を備えたり、磁路の磁気抵抗を変化させて通過磁束量を制限することで電圧を微調整可能とする電圧調整用の磁性体素子挿入引出機構２６を備えることによりさらに直流電力の電圧調整の幅を可変にすることも可能である。本実施形態の装置の場合には、２台の電力変換装置を直結するだけで、直流での電力変換・電圧変化を可能とし、一旦交流に変換してから変圧器で変圧してから再度直流に変換する必要がないため、設備が簡略化できると共に損失を低減できる。
【０１５５】
さらに、図２６に同期モータを利用する場合に好適な鉄心の実施形態を示す。この実施形態は、同期モータを使用する場合において、超電導素子５３と磁性体素子５２との配置関係が線対称（１８０°間隔）となる場合、例えば図示の如き６対の場合には、対極に同種の素子が並んでしまうため、対極となる外磁束ゲート部例えば外磁束ゲート部１５，１６の位置をずらすことが必要である。即ち、偶数対となる場合には、内外の磁束ゲート部は１８０°間隔に配置することはできない。そこで、内外の磁束ゲート部の位置を１８０°間隔とせずに、１枚の素子分だけ手前側あるいは奥側にずらして、磁性体素子５２と超電導素子５３とが同時に対極となる内外の磁束ゲート部にそれぞれ対向するように配置する必要がある。これによって、対極には超電導素子５３と磁性体素子５２とが必ず配置されるように設けられる。他方、奇数対となる場合、例えば図３０や図３１に示す７対や５対の場合のように対極に同種の素子が配列されない位置関係にある場合には、これに限られず、対極に外磁束ゲート部が配置されることとなる。
【０１５６】
さらに、図２７に図１７の電力変換装置の磁路切替素子５０を超電導素子のマイスナー効果を利用したものに変更した実施形態を示す。この鉄心構造並びに巻線構造によると、順変換並びに逆変換が容易に実行できる。この電力変換装置は、冷却媒体４が封入された断熱容器１と、超電導導体から成る直流側巻線３０が巻回され断熱容器１の内に配置される直流側鉄心と、常電導導体から成る交流側巻線３４が巻回されると共に断熱容器１の外に配置される交流側鉄心と、交流側鉄心と直流側鉄心との間を流れる磁束流を切り替える希土類超電導素子４１，４２，４３，４４から成る磁路切替素子とを備えている。希土類超電導素子４１，４２，４３，４４の制御は、交流側巻線３４あるいは直流側巻線３０に流される電流によって磁路内に発生する主磁束と制御巻線によって生成される制御磁束とでつくられる磁場が臨界磁場以上あるいは臨界磁場未満となるように制御することによって転移と復帰とを繰り替えことにより行われる。本実施形態の場合、制御磁束は、第１の制御巻線３１と第２の制御巻線４６及び第３の制御巻線４７とによって、２通りの磁束流Ａ，Ｂを交互に形成するようにして、交流側巻線３４若しくは直流側巻線３０の一方に流した交流電流若しくは直流電流で発生させた磁束で直流側巻線３０若しくは交流側巻線３４の他方に磁気誘導で直流若しくは交流の電流を生じさせることにより電力変換するものである。尚、第２の制御巻線４６及び第３の制御巻線４７は逆極結合されている。そして、順変換運転時には、第１〜第３の制御コイル３１，４６，４７を直流励磁して超電導素子にかかる磁界が臨界磁界近くになるようにしておき、交流電流通電で交流磁界が加わり、半波ごとの磁路切替を行うようにする。また、逆変換運転時には、第１制御コイル３１を超電導素子にかかる磁界が臨界磁界近くになるように直流励磁した状態で、第２及び第３制御磁界４６，４７に交流母線と同期して励磁し、半波ごとの磁路切替を行う。
【０１５７】
さらに、図２８に３ゲート構造でマイスナー型磁路切替素子を用いた実施形態を示す。この実施施形態の電力変換装置は、断熱容器１の内に配置される直流側鉄心は、両端に入口側内磁束ゲート部６５，６６をそれぞれ備えるヨーク部７２と、該ヨーク部７２の中央に磁気的に接続されて１つの出口側内磁束ゲート部６７を備える鉄心脚とが設けられている。そして、鉄心脚となる出口側内磁束ゲート部６７には直流側巻線３０と制御巻線３１が巻回されている。また、断熱容器１の外に配置される交流側鉄心には、直流側鉄心の２つの入口側内磁束ゲート部６５，６６と１つの出口側内磁束ゲート部６７に各々対向配置されて磁気的に結合される２つの入口側外磁束ゲート部６９，７０と１つの出口側外磁束ゲート部６８がヨーク７１を介して連結されて備えられている。そして、２つの入口側外磁束ゲート部６９，７０を有する鉄心脚にそれぞれ交流側巻線３２，３３が巻回され互いに出力が反転して出力されるように逆極結合されている。また、出口側外磁束ゲート部６８には第２の制御巻線４６が、外ヨーク２３には第３の制御巻線４７がそれぞれ巻回されている。そして、入口側内磁束ゲート部６５並びに入口側内磁束ゲート部６６と断熱容器１との間には、両ゲート部６５，６６の端面を覆う希土類超電導素子４１，４３が設けられている。この２つの希土類超電導素子４１，４３の転移と復帰を交互に周期的に繰り返すことで、２つの入口側内磁束ゲート部６５，６６を通る磁束の遮断と通過を交互に切り替え、一方の入口側内磁束ゲート部６５から出口側内磁束ゲート部６７へ通過する磁束Ａと他方の入口側内磁束ゲート部６６から出口側内磁束ゲート部６７へ通過する磁束Ｂとの２通りの磁束流を交互に形成するようにしている。これにより、例えば直流側巻線３０に流した直流電流で発生させた磁束の流れを磁路切替素子５０によって切り替えることによって交流側巻線３２，３３に磁気誘導で交番電圧を生じさせることにより直流から交流へ電力変換することができる。尚、本実施形態においても、図２１の実施形態と同様に、直流側鉄心には２つの入口側内磁束ゲート部６５，６６と１つの出口側内磁束ゲート部６７とを設けるようにしているが、２つの出口側内磁束ゲート部と１つの入口側内磁束ゲート部並びにそれぞれに対応する外磁束ゲート部を設けるようにしても磁束流の方向が変わるだけで原理的には同じである。
【０１５８】
以上のように構成された電力変換装置によれば、例えば順変換運転時には、超電導素子４１，４３にかかる磁界が臨界磁界近くになるように、第１及び第２の制御コイル３１，４６を直流励磁してしておく。そして、交流電流通電で交流磁界が加わることにより半波ごとの磁路切替を行うようにする。また、逆変換運転時には、第１及び第２制御コイル３１，４６を超電導素子にかかる磁界が臨界磁界近くになるように直流励磁した状態で、第３の制御磁界４７に交流母線と同期して励磁し、半波ごとの磁路切替を行う。
【０１５９】
さらに、本発明の電力変換装置においては、磁路切替素子５０の構成に特に限定されるものではなく、マイスナー型でも入替型でもいずれでも実施可能である。そこで、断熱容器１を用いて直流側巻線３０として超電導導体を用いながらも、磁路切替素子５０には超電導体素子のマイスナー効果を用いない実施形態を含むものである。例えば、図３０に示す実施形態は、断熱容器１を用いて直流側巻線３０を超電導導体で構成しながらも磁路切替素子には超電導体素子のマイスナー効果を用いないものである。ここで、直流側鉄心３と直流側巻線３０並びに交流側鉄心２と交流側巻線３４などの構造並びに配置関係などの基本構成については上述の実施形態と同様であるためその詳細な説明は省略する。この実施形態の電力変換装置においては、磁路切替素子５０の形態、即ち非磁性体の可動支持体５１の内周壁面に磁性体ブロック６２が一定間隔を空けて配置されることによって、磁性体ブロック６２による磁束が通り易い物質と空隙６３による通り難い物質とが交互に一定周期で配置されるように設けられていることに特徴を有する。勿論、断熱容器１の内側にマイスナー効果を常時発揮する超電導素子と磁性体のブロックとを非磁性体の可動支持体５１の内周壁面に交互に配置して、磁束が通り易い物質と通り難い物質とを交互に一定周期で形成するようにしたものでも良い。尚、可動支持体５１は、モータ６４によって低圧交流母線を流れる交流と同期させるように駆動されている。モータ６４は例えば直流側鉄心の上に搭載され、可動支持体５１で直流側鉄心を包囲するように設けられているが、必ずしも包囲することは重要なことではない。
【０１６０】
さらに、図３１に断熱容器１と超電導導体並びに超電導素子を用いず、直流側鉄心並びに巻線を常温環境並びに常電導巻線で構成する実施形態を示す。この実施形態における電力変換装置においても、直流側鉄心３、直流側巻線３０、交流側鉄心２、交流側巻線３４などの構造並びに配置関係などの基本構成については上述の実施形態と同様であるためその詳細な説明は省略する。この実施形態の電力変換装置においては、磁路切替素子５０の形態、即ち非磁性体の可動支持体５１の内周壁面に磁性体ブロック６２が一定間隔を空けて配置されることによって、磁性体ブロック６２による磁束が通り易い物質と空隙６３による通り難い物質とが交互に一定周期で配置されるように設けられていること、並びに断熱容器１並びに直流側巻線３０として超電導導体を用いないことに特注を有する。勿論、常温下で反磁性を示す反磁性体のブロックを採用する場合には、反磁性体ブロックと磁性体ブロックとを非磁性体の可動支持体５１の内周壁面に交互に配置して、磁束が通り易い物質と通り難い物質とを交互に一定周期で形成するようにしたものでも良い。尚、可動支持体５１は、例えば図３０に示すように、モータ６４によって低圧交流母線を流れる交流と同期させるように駆動されている。
【０１６１】
この実施形態の電力変換装置は、直流側巻線として超電導導体を用いる場合の効果を失うが、依然としてシリコン半導体を用いないことによる利点即ち電力変換能力をシリコン半導体の許容電流耐量に比べて運転電流レベルを小さな範囲で運転せざるを得なかったり、交流電圧を変換機に適した値に変圧する変換器用変圧器や直流平滑用リアクトル巻線を別に必要とするため装置が大型し、あらゆるコスト高を招くといった不利をなくすことができる。しかるに、超電導導体や超電導素子を用いる場合に比べて、温度管理が必要でなくなるため運転が容易であると共に構造が単純であるという効果を有する。このため、比較的小さな電圧規模での電力変換に有用である。
【０１６２】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、交流側巻線３２０の巻線数に対する直流側巻線３０１，３０２の巻線数が交流半波電圧に対する直流半波電圧の変圧比になるので、これらの巻数比によって変圧器機能を持たせることができ、巻数比に応じて昇圧、降圧の変圧、あるいは等圧の変換が可能となり、更には、直流側巻線３０２及び３０１を外部回路（図示省略）に接続することによって電流が流れるが、この直流側巻線３０２及び３０１自体巻線数に応じたインダクタンスを有するので、この直流側巻線３０２及び３０１自体が平滑巻線になり、直流側巻線３０２及び３０１によって半波が平滑されることになる。また、本実施形態においては、単相の例について主に述べてきたが、３相についても適用可能であることは言うまでもない。さらに、本実施形態においては、交流側巻線３４を連結ヨーク２５の中央に配置した例を挙げて説明しているが、連結ヨークは外ヨークよりも上部の門形を成す物質であり、場合によっては二点鎖線で示す位置に配置するようにしても良い。
【０１６３】
さらに、本実施形態では、電圧微調整機構２６は主に交流側鉄心２に設けるようにしているが、これに特に限定されるものではなく、直流側鉄心３に備えるようにしても良い。この場合、鉄心脚２０にエアギャップを構成するスリット２９を設け、そのスリット２９に磁性体素子２７を出し入れ可能とする電圧微調整機構２６を設けて鉄心脚を流れる磁束量を調整することで電圧をさらに微調整可能にできる。
【０１６４】
巻線の一方に超電導導体を用いる上述の各実施形態では、設備がコンパクトにできることから抵抗が無く大電流が流せる超電導導体を直流側巻線として用いそれに大電流を流すようにしているが、これに特に限定されるものでなく、場合によっては超電導導体を交流側巻線として交流電流を流すようにしても良い。
【０１６５】
さらに、磁路切替素子５０として超電導素子を利用した上述の各実施形態においては、断熱容器１は必須であるが、磁路切替素子５０として超電導素子あるいは超電導バルクを利用しなければ、上述の各実施形態における断熱容器１を取り除いた構造で実施することができる。即ち、磁束を通し易い物質（磁性体）と磁束を通し難い物質（空隙や常温反磁性体）とを組み合わせた磁路切替素子を用いれば、磁束制御を必要とする４つの磁気的接続箇所を有する４ゲートタイプだけでなく、２つの磁気的接続箇所を有する３ゲートタイプの実施形態においても、さらには回転円筒や回転円板に限られず、揺動あるいは往復直動する全ての可動支持体を介して駆動されるタイプの実施形態において実施可能であることはいうまでもない。また、可動支持体５１は、断熱容器１内に配置される必要があるため、ＦＲＰなどの非磁性体の採用が好ましいが、断熱容器の外に配置される場合においてもＦＲＰの使用が好ましく、その他の非磁性体の採用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１６６】
【図１】本発明の電力変換装置の第１の実施形態を順変換装置及び逆変換装置の両構成を同時に示している装置構成図であり、（ａ）は正面縦断面図、（ｂ）は平面断面図である。
【図２】超電導体の説明図であり、（ａ）は直流側巻線を構成するＢｉ系超電導体の構成図、（ｂ）はその動作特性図、（ｃ）は超電導素子を構成するＹ系超電導体の構成図、（ｄ）はその動作特性図を示す。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は図１に示す電力変換装置の順変換動作説明図である。
【図４】順変換動作を説明する図であり、（ａ）〜（ｄ）は波形図、（ｅ）は超電導素子が常電導状態時の磁束の流れを示す説明図、（ｆ）は超電導素子が超電導状態時の磁束の流れを示す説明図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は図１に示す電力変換装置の逆変換動作説明図である。
【図６】本発明の電力変換装置の第２の実施形態を示す構成図であり、（ａ）は正面縦断面図、（ｂ）は平面断面図である。
【図７】本発明の電力変換装置の第３の実施形態を示す構成図であり、（ａ）は正面縦断面図、（ｂ）は平面断面図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は図７に示す第３の実施形態にかかる電力変換装置の順変換動作説明図である。
【図９】本発明の電力変換装置を利用した第４の実施形態である超電導直流送電システムを示す説明図である。
【図１０】本発明の電力変換装置の第５の実施形態を示す装置構成図であり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は正面縦断面図である。
【図１１】本発明の電力変換装置の第６の実施形態を示す装置構成図であり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は正面縦断面図である。
【図１２】本発明の電力変換装置の第７の実施形態を示す装置構成図であり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は正面縦断面図である。
【図１３】図１２に示す電力変換装置の運転動作説明図であり、（ａ）〜（ｈ）は順変換運転を、（ｉ）〜（ｐ）は逆変換運転を示す。
【図１４】本発明の電力変換装置を三相対応とした第８の実施形態を示す装置構成図であり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は正面縦断面図である。
【図１５】本発明の電力変換装置を電力貯蔵システムとして構成した第９の実施形態を示す装置構成図である。
【図１６】本発明の電力変換装置の第１０の実施形態を示す装置構成図である。
【図１７】本発明の電力変換装置の第１１の実施形態を示す装置構成図である。
【図１８】本発明の電力変換装置の第１２の実施形態を平面断面で示す装置構成図である。
【図１９】本発明の電力変換装置の第１３の実施形態を正面縦断面で示す装置構成図である。
【図２０】本発明の電力変換装置の第１４の実施形態を正面縦断面で示す装置構成図である。
【図２１】本発明の電力変換装置の第１５の実施形態を正面縦断面で示す装置構成図である。
【図２２】本発明の電力変換装置を直流送電システム並びに電力貯蔵システムとして構成した第１６の実施形態を示す構成図である。
【図２３】本発明の電力変換装置を三相対応とした第１７の実施形態を示す概略構成図である。
【図２４】本発明の電力変換装置を三相対応とした第１８の実施形態を示す概略構成図である。
【図２５】本発明の電力変換装置を直流電圧変換装置として構成した第１９の実施形態を示す概略構成図である。
【図２６】本発明の電力変換装置の同期モータ対応時の鉄心のゲート部の配置を変更した第２０の実施形態を示す平面断面図である。
【図２７】本発明の電力変換装置の第２０の実施形態を正面縦断面で示す装置構成図である。
【図２８】本発明の電力変換装置の第２１の実施形態を正面縦断面で示す装置構成図である。
【図２９】磁路切替素子の他の変形例を示す本発明の電力変換装置の第２２の実施形態を正面縦断面で示す装置構成図である。
【図３０】本発明の電力変換装置の第２３の実施形態を示す構成図であり、（ａ）は正面縦断面図、（ｂ）は平面断面図である。
【図３１】本発明の電力変換装置の第２４の実施形態を示す構成図であり、（ａ）は正面縦断面図、（ｂ）は平面断面図である。
【図３２】従来の直流送電系統の簡略構成図である。
【符号の説明】
【０１６７】
１，１１，１２  断熱容器
２  交流側鉄心
３  直流側鉄心
４  冷却媒体
５，６，７，８  内磁束ゲート部
１５，１６，１７，１８  外磁束ゲート部
２０  ２３，２４  鉄心脚
２１、２２  内部ヨーク
２５  連結ヨーク
２６  電圧微調整機構
２７  磁性体素子
２８  リニアモータ
２９  スリット
３０，３０１，３０２  直流側巻線
３１，４６，４７  制御巻線
３２，３３，３４  交流側巻線
４１、４２、４３、４４  超電導素子
５０  磁路切替素子
５１  可動支持体
５２  磁性体素子
５３  超電導素子
５６  同期モータ
６５  第１の入口側内磁束ゲート部
６６  第２の入口側内磁束ゲート部
６７  共通出口側内磁束ゲート部
６８  共通出口側外磁束ゲート部
６９  第１の入口外磁束ゲート部を兼ねる鉄心脚
７０  第２の入口外磁束ゲート部を兼ねる鉄心脚
７３  入口側外磁束ゲート部
７４  入口側内磁束ゲート部
７５  共出口側外磁束ゲート部
７６  出口側内磁束ゲート部
７７  出入口共通内磁束ゲート部
７８  出入口共通内磁束ゲート部
【図２】
2008072886.tif 000003
【図３】
2008072886.tif 000004
【図５】
2008072886.tif 000005
【図８】
2008072886.tif 000006
【図９】
2008072886.tif 000007
【図１６】
2008072886.tif 000008
【図１８】
2008072886.tif 000009
【図１９】
2008072886.tif 000010
【図２３】
2008072886.tif 000011
【図２４】
2008072886.tif 000012
【図２５】
2008072886.tif 000013
【図２６】
2008072886.tif 000014
【図３０】
2008072886.tif 000015
【図３１】
2008072886.tif 000016
【図３２】
2008072886.tif 000017
【図１】
2008072886.tif 000018
【図４】
2008072886.tif 000019
【図６】
2008072886.tif 000020
【図７】
2008072886.tif 000021
【図１０】
2008072886.tif 000022
【図１１】
2008072886.tif 000023
【図１２】
2008072886.tif 000024
【図１３】
2008072886.tif 000025
【図１４】
2008072886.tif 000026
【図１５】
2008072886.tif 000027
【図１７】
2008072886.tif 000028
【図２０】
2008072886.tif 000029
【図２１】
2008072886.tif 000030
【図２２】
2008072886.tif 000031
【図２７】
2008072886.tif 000032
【図２８】
2008072886.tif 000033
【図２９】
2008072886.tif 000034