(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と、複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルと、前記複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルを直列接続するための直列接続用スイッチと、前記直列接続用スイッチにより直列接続した前記複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルに前記電源を接続するための励磁スイッチと、前記複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルを負荷に並列接続するための並列接続用スイッチと、前記並列接続用スイッチをオフした状態で前記直列接続用スイッチおよび前記励磁スイッチをオンし、次に前記電源から前記複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルに供給される励磁電流が予め与えた値になったときに前記励磁スイッチをオフすると共に前記並列接続用スイッチの全部または一部をオンし、次に前記直列接続用スイッチの全部または一部をオフする制御回路とを具備したことを特徴とする大電流発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大電流発生方法および装置に関し、さらに詳しくは、エネルギー分配による損失が無く、原理的に出力電流値に上限のない大電流発生方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、図１２に示す如き大電流発生装置５００が知られている（例えば非特許文献１、非特許文献２参照）。
この大電流発生装置５００において、電流取出しスイッチ５４は開いた状態で励磁スイッチ５３を閉じると、電源１から励磁電流Ｉｐが供給されて誘導性エネルギー蓄積用コイル２が励磁され誘導性エネルギーが蓄積される。
図１３に示すように、誘導性エネルギー蓄積用コイル２に誘導性エネルギーが蓄積された段階で電流取出しスイッチ５４を閉じると共に励磁スイッチ５３を開くと、誘導性エネルギー蓄積用コイル２に蓄積された誘導性エネルギーが出力トランス５５を介して負荷Ｒに供給される。
【非特許文献１】電気学会・大電流エネルギー応用技術調査専門委員会編「大電流エネルギー工学」、オーム社、pp.107-108.
【非特許文献２】J.Kaugerts, et.al. "Magnet and Superconductor Development for a High Power SMES Based Power ModuIator" Paper presented at the 16th lntern. Conference on Magnet Technology, Sep 26-Oct 2, 1999, USA.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来の大電流発生装置５００には次のような問題があった。
（１）誘導性エネルギー蓄積用コイル２と出力トランス５５の一次側コイルが直列に接続されている。このため、誘導性エネルギー蓄積用コイル２に蓄積した誘導性エネルギーは両コイルに分配され、一部しか負荷Ｒに取り出せない。すなわち、エネルギー分配による損失がある。
（２）出力トランス５５を昇圧トラスとすると、負荷Ｒに取り出せる電流Ｉｓが一次側に流れる電流より小さくなる。
（３）出力トランス５５を降圧トランスとすると、負荷Ｒに取り出せる電流Ｉｓを一次側に流れる電流より大きく出来るが、負荷Ｒの抵抗値が一次側から見ると「一次側巻数ｐ／二次側巻数ｓ」の２乗倍になり、「一次側に流れる電流×負荷Ｒの抵抗値×（「ｐ／ｓ」の２乗）」という高電圧が一次側に発生することになる。このため、励磁スイッチ５３は耐電圧の大きい高性能なものを使わなければならない。あるいは、出力電流値を大きくすればするほど負荷Ｒの抵抗値をゼロにしていかなければならない。
そこで、この発明の目的は、エネルギー分配による損失が無く、原理的に出力電流値に上限のない大電流発生方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１の観点では、この発明は、複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルを直列接続してから電源より誘導性エネルギーを前記複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルに蓄積し、前記複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルを並列接続してから前記複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルに蓄積された誘導性エネルギーを負荷へ供給することを特徴とする大電流発生方法を提供する。
上記第１の観点による大電流発生方法では、誘導性エネルギー蓄積用コイルを誘導性エネルギー蓄積用と電流出力用とに兼用しているため、エネルギー分配による損失が無い。また、従来の出力トランスのように一次側・二次側といった区別が無く、負荷の抵抗値が一次側から見ると「一次側巻数／二次側巻数」の２乗倍になるといったことも無いため、負荷の抵抗値はかなりの自由度をもって選ぶことが出来る。さらに、誘導性エネルギー蓄積用コイルの個数をＮとすると、誘導性エネルギー蓄積時の励磁電流値ＩｏのＮ倍の電流を負荷へ供給でき、原理的に出力電流値に上限がなくなる。
【０００５】
第２の観点では、この発明は、電源と、複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルと、前記複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルを直列接続するための直列接続用スイッチと、前記直列接続用スイッチにより直列接続した前記複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルに前記電源を接続するための励磁スイッチと、誘導性エネルギー蓄積用コイルを負荷に並列接続するための並列接続用スイッチとを具備したことを特徴とする大電流発生装置を提供する。
上記第２の観点による大電流発生装置では、前記第１の観点による大電流発生方法を好適に実施できる。
【０００６】
第３の観点では、この発明は、前記第２の観点による大電流発生装置において、前記並列接続用スイッチをオフした状態で前記直列接続用スイッチおよび前記励磁スイッチをオンし、次に前記励磁スイッチをオフすると共に前記並列接続用スイッチの全部または一部をオンし、次に前記直列接続用スイッチの全部または一部をオフする制御回路を具備したことを特徴とする大電流発生装置を提供する。
上記第３の観点による大電流発生装置では、制御回路のスイッチシーケンスにより前記第１の観点による大電流発生方法を好適に実施できる。また、並列接続用スイッチの一部や直列接続用スイッチの一部だけをオン／オフすることにより、誘導性エネルギーを負荷へ供給する際の並列数を変えることができ、負荷電流を調節できる。
【０００７】
第４の観点では、この発明は、前記第３の観点による大電流発生装置において、前記制御回路は、前記電源から前記複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルに供給される励磁電流が予め与えた値になったときに前記励磁スイッチをオフすると共に前記並列接続用スイッチの全部または一部をオンすることを特徴とする大電流発生装置を提供する。
上記第４の観点による大電流発生装置では、最適のタイミングで制御回路のスイッチシーケンスを進めることができ、短時間で励磁し、励磁後短時間で出力でき、抵抗による損失を小さくすることが出来る。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の大電流発生方法および装置によれば、エネルギー分配による損失が無くなる。また、負荷の抵抗値はかなりの自由度をもって選ぶことが出来る。さらに、原理的に出力電流値に上限がなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図に示す実施の形態によりこの発明をさらに詳細に説明する。なお、これによりこの発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１０】
図１は、実施例１にかかる大電流発生装置１００を示す回路図である。
この大電流発生装置１００は、電源１と、Ｎ（＞２）個の誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1，…，２-Nと、誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1，…，２-Nを直列接続するための直列接続用スイッチ４-1，…，４-Nと、直列接続用スイッチ４-1，…，４-Nにより直列接続した誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1，…，２-Nに電源１を接続するための励磁スイッチ３と、誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1，…，２-Nを負荷Ｒに並列接続するための並列接続用スイッチ５-1，…，５-N+1および６-1，…，６-Nと、直列接続用スイッチ４-1，…，４-Nや励磁スイッチ３や並列接続用スイッチ５-1，…，５-N+1および６-1，…，６-Nのオン／オフを制御する制御回路７とを具備している。
【００１１】
直列接続用スイッチ４-1，…，４-Nや励磁スイッチ３や並列接続用スイッチ５-1，…，５-N+1および６-1，…，６-Nは、サイリスタやトライアックやパワートランジスタのような半導体スイッチ、または、電磁リレースイッチである。
【００１２】
図１に示すように、制御回路７は、並列接続用スイッチ５-1，…，５-N+1および６-1，…，６-Nをオフした状態で直列接続用スイッチ４-1，…，４-Nおよび励磁スイッチ３をオンする。これにより、電源１から励磁電流が供給されて誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1，…，２-Nが励磁され、誘導性エネルギー蓄積用コイル２−１，…，２−Ｎの内部に磁束Φが生じ、誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1，…，２-Nに誘導性エネルギーが蓄積される。制御回路７は、励磁電流が予め与えた値Ｉｏになるまで図１の状態を継続する。
【００１３】
図２に示すように、励磁電流が予め与えた値Ｉｏになると、制御回路７は、励磁スイッチ３をオフすると共に並列接続用スイッチ５-1，…，５-N+1および６-1，…，６-Nを全てオンする。これにより、各誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1，…，２-Nの両端が短絡されて磁束Φが保存され、各誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1，…，２-Nに流れている電流Ｉｏはそのまま流れ続ける。
【００１４】
図３に示すように、次に制御回路７は、直列接続用スイッチ４-1，…，４-Nをオフする。これにより、各誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1，…，２-NからＩｏの電流が負荷Ｒに流れる。つまり、負荷ＲにはＩｏ×Ｎの電流が供給されることになる。
【００１５】
−実施結果−
図４に、大電流発生装置１００の誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1，…，２-Nの数Ｎを３個にした場合の励磁電流（入力電流）と出力電流の実測値を示す。
電源１は、一定の電流（５８.８ｍＡ）が流れる定電流電源を用いた。励磁スイッチ３は省略した（常時オンでよいため）。
直列接続用スイッチ４-1，…，４-N、並列接続用スイッチ５-1，…，５-N+1および６-1，…，６-Nは、機械的な電磁リレースイッチを用いて、トリガによりオン／オフさせた。なお、スイッチが機械的な電磁リレースイッチのため、トリガが入ってからリレーの接点が動き、オンもしくはオフになるまで、若干の時間遅れがある。
図４において、トリガから８.６ｍｓまでが誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1，…，２-3に誘導性エネルギーを蓄積している時間である。この後、並列接続用スイッチ５-1，…，５-4および６-1，…，６-3がオンになる。その４.８ｍｓ後に直列接続用スイッチ４-1，…，４-3がオフになり、負荷Ｒに入力電流の２.９８倍の１７５.０ｍＡの出力電流が流れた。
【００１６】
実施例１の大電流発生装置１００によれば次の効果が得られる。
（１）誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1，…，２-Nを誘導性エネルギー蓄積用と電流出力用とに兼用しているため、エネルギー分配による損失が無い。
（２）従来の出力トランスのように一次側・二次側といった区別が無く、負荷Ｒの抵抗値が一次側から見ると「一次側巻数／二次側巻数」の２乗倍になるといったことも無いため、負荷Ｒの抵抗値はかなりの自由度をもって選ぶことが出来る。
（３）誘導性エネルギー蓄積時の励磁電流値ＩｏのＮ倍の電流を負荷Ｒへ供給でき、原理的に出力電流値に上限がなくなる。
（４）各誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1，…，２-Nに流れる電流は、磁束Φの保存により維持されているため、負荷Ｒの抵抗値に依存しないで電流値を決められる。
（５）誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1，…，２-Nの各部の電位差は非常に小さく、高電圧部が無い。従って、誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1，…，２-Nを冷却水等の液体の中に漬けて動作させることが可能になり、特に冷却水を液体窒素にすれば誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1，…，２-Nを構成している金属材料の導電率を一桁上げることが出来るため、より大きな電流を発生させ得る。
（６）直列接続用スイッチ４-1，４-2，…にサイリスタを使った場合、負荷Ｒの抵抗が比較的小さいと、サイリスタの電流−電圧特性によりサイリスタにかかっている電圧が落ち、該電圧がサイリスタの最低維持電圧以下になるとサイリスタが自動的にオフ状態になり、同時に負荷電流Ｉｏ×Ｎが得られる。負荷Ｒの抵抗が大きいと、負荷Ｒにかかる電圧によりサイリスタがオフにならないので、サイリスタの代わりに他の開放型半導体パワーデバイスで強制的にオフにすることも出来る。
（７）直列接続用スイッチ４-1，４-2，…にサイリスタを使った場合、負荷Ｒに電流を供給したあとで負荷抵抗が大きくなり負荷にかかる電圧が大きくなった場合、サイリスタの電流−電圧特性によりサイリスタが自動的にオン状態になり、電気エネルギーは再びコイル内に閉じ込められるため、負荷Ｒが開放になっても電気エネルギーを他に散逸するということは無い。
（８）直列接続用スイッチ４-1，４-2，…は負荷Ｒを接続してからオフにするため、開放スイッチとしての性能は特別なものは必要なく、一般的な半導体スイッチが使える。
【実施例２】
【００１７】
図５は、直列接続用スイッチ４-1，４-2，…を機械的接点により構成した例である。
直列接続用スイッチ４-1は、誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1の端子８-1と、一端が誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1の端子８-1に対向し他端が誘導性エネルギー蓄積用コイル２-2の端子９-2に固定された導体片１１-1と、導体片１１-1の一端を誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1の端子８-1に弾性力で押しつけるゴムのような絶縁性付勢部材１２-1と、絶縁性付勢部材１２-1の弾性力に抗して導体片１１-1の一端を誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1の端子８-1から引き離す楔部材１３-1とから構成される。
他の直列接続用スイッチ４-2，…も同様の構成である。
楔部材１３-1，１３-2，…を移動することにより、直列接続用スイッチ４-1，４-2，…をオン／オフできる。
【００１８】
実施例２によれば次の効果が得られる。
（９）直列接続用スイッチ４-1，４-2，…を機械的スイッチにした場合、これを冷却水中で動作させると、開放と共に冷却水が接点間に流れ込み、電流の遮断効果が良くなる。
（１０）直列接続用スイッチ４-1，４-2，…は負荷Ｒを接続してからオフにするため、開放スイッチとしての性能は特別なものは必要なく、一般的な機械的スイッチが使える。
【実施例３】
【００１９】
図６は、並列接続用スイッチ５-1，５-2，…および６-1，６-2，…を機械的接点により構成した例である。
並列接続用スイッチ５-1は、誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1の端子９-1と、一端が誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1の端子９-1に対向し他端が誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1の端子９-1の近傍に固定された導体片１７-1と、導体片１７-1の一端を誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1の端子９-1から弾性力で離す絶縁性付勢部材（図示省略）と、絶縁性付勢部材の弾性力に抗して導体片１７-1の一端を誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1の端子９-1に当接させる楔部材１４-1とから構成される。
他の並列接続用スイッチ５-2，…および６-1，６-2，…も同様の構成である。
楔部材１４-1，１４-2，…および１９-1，１９-2，…を移動することにより、並列接続用スイッチ５-1，５-2，…および６-1，６-2，…をオン／オフできる。
【実施例４】
【００２０】
図７に示すように、制御回路７が、励磁スイッチ３をオフすると共に並列接続用スイッチ５-1，５-2，…および６-1，６-2，…の一部だけをオンするようにしてもよい。
この場合、図８に示すように、制御回路７が、直列接続用スイッチ４-1，４-2，…の一部だけをオフする。
これにより、２個の誘導性エネルギー蓄積用コイルの直列回路がＮ／２個並列に負荷Ｒに接続されることになる。
【００２１】
なお、同様にして、例えばｍ（＞２）個の誘導性エネルギー蓄積用コイルの直列回路がＮ／ｍ個並列に負荷Ｒに接続されるようにすることも出来る。
【実施例５】
【００２２】
図９に上面図、図１０および図１１に一部省略縦断面図を示すように、並列接続用スイッチ５-1，５-2，…および６-1，６-2，…を機械的接点により構成してもよい。
この構成では、誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1，…，２-Nをトロイダル状に配置し、各誘導性エネルギー蓄積用コイル２-1，…，２-x，…の端子１５-1，１６-1，…，１５-x，１６-x，…を円周状に並べている。
並列接続用スイッチ５-1は、端子１５-1と、端子１５-1に接触しうる円筒状導体１０ａからなる。
並列接続用スイッチ６-1は、端子１６-1と、端子１６-1に接触しうる円筒状導体１０ｂからなる。
円筒状導体１０ａと円筒状導体１０ｂとは、絶縁性円筒１６を挟んで一体化されている。
他の並列接続用スイッチ５-2，６-2，…も同様の構成である。
円筒状導体１０ａと円筒状導体１０ｂと絶縁性円筒１６の一体物を移動することにより、並列接続用スイッチ５-1，５-2，…および６-1，６-2，…をオン／オフできる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
この発明の大電流発生方法および装置は、例えば電磁加速装置や強磁場発生装置の電源として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施例１にかかる大電流発生装置のエネルギー蓄積状態を示す回路図である。
【図２】実施例１にかかる大電流発生装置のエネルギー保存状態を示す回路図である。
【図３】実施例１にかかる大電流発生装置の出力状態を示す回路図である。
【図４】実施例１にかかる大電流発生装置の実施結果を示す特性図である。
【図５】実施例２にかかる直列接続用スイッチを示す模式図である。
【図６】実施例３にかかる並列接続用スイッチを示す模式図である。
【図７】実施例４にかかる並列接続用スイッチを示す模式図である。
【図８】実施例４にかかる直列接続用スイッチを示す模式図である。
【図９】実施例５にかかる誘導性エネルギー蓄積用コイルの配置を示す上面図である。
【図１０】実施例５にかかる並列接続用スイッチのオフ状態を示す模式図である。
【図１１】実施例５にかかる並列接続用スイッチのオン状態を示す模式図である。
【図１２】従来例にかかる大電流発生装置のエネルギー蓄積状態を示す回路図である。
【図１３】従来例にかかる大電流発生装置の出力状態を示す回路図である。
【符号の説明】
【００２５】
１                      電源
２，２-1，…            誘導性エネルギー蓄積用コイル
３                      励磁スイッチ
４，４-1，…            直列接続用スイッチ
５，５-1，…            並列接続用スイッチ
６，６-1，…            並列接続用スイッチ
７                      制御回路
１００                  大電流発生装置
【図１】
0004471934.tif 000002
【図２】
0004471934.tif 000003
【図３】
0004471934.tif 000004
【図４】
0004471934.tif 000005
【図５】
0004471934.tif 000006
【図６】
0004471934.tif 000007
【図７】
0004471934.tif 000008
【図８】
0004471934.tif 000009
【図９】
0004471934.tif 000010
【図１０】
0004471934.tif 000011
【図１１】
0004471934.tif 000012
【図１２】
0004471934.tif 000013
【図１３】
0004471934.tif 000014