(57)【要約】  電気グリッドを安定化させるためのハイブリッド超電導デバイスは、（ａ）ＡＣ巻線を少なくとも部分的に担持する磁気コア配置であって、該ＡＣ巻線は、故障の際に電流が制限されるためにＡＣ回路に接続可能である、磁気コア配置と、（ｂ）電磁エネルギーを貯蔵するように構成された少なくとも１つの超電導コイルであって、該超電導コイルは、コア配置と磁気的に結合され、使用中に磁気コア配置を飽和させる、少なくとも１つの超電導コイルと、を備える。ハイブリッド超電導デバイスは、以下のモード：超電導コイルを少なくとも部分的に充電するモード、超電導コイルがループバックされるときの待機モード、および超電導コイルを回路内に少なくとも部分的に放電するモード、に対応して電流パターンを切り替えるために事前プログラムされたスイッチユニットをさらに備える。任意選択的に、ハイブリッド超電導デバイスは、該磁束内に位置付けられた少なくとも１つの通路を備える。通路は、該磁束によって磁気的に分離可能な構成要素を備える材料流を導く。
2018525850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気グリッドを安定化させるためのハイブリッド超電導デバイスであって、
ａ．ＡＣ巻線を少なくとも部分的に担持する磁気コア配置であって、前記ＡＣ巻線は、故障の際に電流が制限されるためにＡＣ回路に接続可能である、磁気コア配置と、
ｂ．電磁エネルギーを貯蔵するように構成された少なくとも１つの超電導コイルであって、前記少なくとも１つの超電導コイルは、前記コア配置と磁気的に結合され、使用中に前記磁気コア配置を飽和させる、少なくとも１つの超電導コイルと、を備え、
前記ハイブリッド超電導デバイスは、以下のモード：前記超電導コイルを少なくとも部分的に充電するモード、前記超電導コイルがループバックされるときの待機モード、および前記超電導コイルを前記回路内に少なくとも部分的に放電するモード、に対応して電流パターンを切り替えるように事前プログラムされたスイッチユニットをさらに備える、ハイブリッド超電導デバイス。
【請求項２】
前記スイッチユニットは、前記超電導コイルを充電および放電するためのパルス幅変調モジュールを備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記超電導コイルを充電するように構成された充電ユニットを備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記磁束内に位置付けられた少なくとも１つの通路を備え、前記通路は、前記磁束によって磁気的に分離可能な構成要素を含む材料流を導くように構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記磁気コア配置は、前記少なくとも１つの巻線を担持する少なくとも１つの巻線磁気コア肢を備え、前記少なくとも１つの巻線磁気コア肢は、前記少なくとも１つの超電導コイルが、励磁されると、前記少なくとも１つのコア肢の磁気肢を磁気的に飽和させるように取り付けられる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記少なくとも１つの巻線磁気コア肢は、開放構成で成形される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記超電導コイルは、少なくとも１つのコイル磁気コアによって担持される、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記超電導コイルは、シェル形の少なくとも１つのコイル磁気コアによって担持される、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記少なくとも１つのシェル形コイル磁気コアには、前記超電導コイルを担持する内部磁気コア肢が提供される、請求項７に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記内部磁気肢は、その中央位置にエアギャップを有する、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの巻線磁気コア肢は、エアギャップを介して、前記シェル形コイル磁気コアに磁気的に接続される、請求項５に記載のデバイス。
【請求項１２】
少なくとも１つのコイル磁気コアは、前記超電導コイルの端部に取り付けられた２つの円板を備える、請求項７に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記超電導コイルにわたる電圧および温度分布を監視し、前記コイルの熱暴走がそれを損傷するのを防止するように構成された過電圧保護ユニットを備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
電気グリッドを安定化させる方法であって、
ａ．ハイブリッド超電導デバイスを提供するステップであって、ハイブリッド超電導デバイスは、
ｉ．ＡＣ巻線を少なくとも部分的に担持する磁気コア配置であって、前記ＡＣ巻線は、故障の際に電流が制限されるためのＡＣ回路に接続可能である、磁気コア配置と、
ｉｉ．電磁エネルギーを貯蔵するように構成された少なくとも１つの超電導コイルであって、前記少なくとも１つの超電導コイルは、前記コア配置と磁気的に結合され、使用中に前記磁気コア配置を飽和させる、少なくとも１つの超電導コイルと、を備え、
前記ハイブリッド超電導デバイスは、以下のモード：前記超電導コイルを少なくとも部分的に充電するモード、前記超電導コイルがループバックされるときの待機モード、および前記超電導コイルを前記回路内に少なくとも部分的に放電するモード、に対応して電流パターンを切り替えるように事前プログラムされたスイッチユニットをさらに備える、ハイブリッド超電導デバイスを提供するステップと、
ｂ．前記超電導コイルを充電するステップと、
ｃ．前記待機モードで待機するステップと、
ｄ．故障状態を開始する場合、前記ＡＣ巻線内のインピーダンスを増加させるステップと、
ｅ．前記超電導コイルを前記ＡＣ回路内に放電するステップと、
ｆ．必要に応じて、ステップｂ〜ｅを繰り返すステップと、を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導磁気デバイスに関し、より具体的には、故障電流限流器、磁気エネルギー貯蔵デバイス、磁気分離デバイスの機能を同時に提供する超電導ハイブリッドデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力需要と発電の世界的連続成長は、より良好な、より信頼性の高い、かつより安定した電気グリッドの必要性と並行して進んでいる。グリッド接続は、可能な限り供給を確保し、遠距離にわたってエネルギーを伝送し、発電場所から離れた場所で再生可能エネルギー（太陽光、風力、水力など）の使用を可能にするために使われる。過去２０年間、高温超電導体に基づく高電流／高電圧デバイスの世界的な研究開発努力が見られた。線材の品質向上と第２世代の超電導線材の出現は、超電導変圧器や発電機、超電導磁気エネルギー貯蔵（ＳＭＥＳ）、高勾配磁気分離機（ＨＧＭＳ）、および故障電流限流器（ＦＣＬ）などのデバイスの技術的実現可能性の成功裏の実証を可能にした。後者は、最初に商業化されたものであり、いくつかのＦＣＬは既に設置されており、欧州および米国のユーティリティーでうまく動作している。
【０００３】
この技術開発と並行して、グリーンエネルギーとスマートグリッドの分野では目覚ましい進歩が見られた。エネルギーの節約と保存の必要性が世界的な関心となっているので、より効率的で信頼性の高いネットワークを開発する努力がなされている。新しい高電流／高電圧超電導体ベースのデバイスは、電力ネットワークの効率および信頼性を向上させるために超電導体の低エネルギー損失特性を利用するので、高度に洗練されたグリーンデバイスのこの傾向に自然に併合する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
最近の科学的研究は、ＳＭＥＳとＦＣＬの両方をグリッド内で動作させるという問題に対処してきた。Ｋｏｐｌｉｌｏｖ他［Ｋｏｐｙｌｏｖ、Ｓ．Ｉ．他「Ｊｏｉｎｔ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｆａｕｌｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｌｉｍｉｔｅｒ  ａｎｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｅｎｅｒｇｙ  ｓｔｏｒａｇｅ  ｓｙｓｔｅｍ  ｉｎ  ａｎ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐｏｗｅｒ  ｎｅｔｗｏｒｋ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｓｅｒｉｅｓ  ２３４（２０１０）０３２０２９、Ｋｏｐｙｌｏｖ、Ｓ．Ｉ．他「Ｕｓｅ  ｏｆ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  Ｔｏｇｅｔｈｅｒ  ｔｏ  Ｅｎｓｕｒｅ  ｔｈｅ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ」、ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳ．ＯＮ  ＡＰＰＬ．ＳＵＰＥＲＣＯＮ．２１，（２０１１）２１３５］は、グリッドの動的安定性を改善するそのような配置の利点を指摘している。Ｚｈａｏ［Ｃａｉｈｏｎｇ  Ｚｈａｏ他「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ｔｅｓｔ  ｏｆ  ａ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｆａｕｌｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｌｉｍｉｔｅｒ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｔｏｒａｇｅ  （ＳＦＣＬ−ＭＥＳ）  Ｓｙｓｔｅｍ」、ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳ．ＯＮ  ＡＰＰＬ．ＳＵＰＥＲＣＯＮＤ．１７，（２００７）２０１４．］は、ブリッジ型の故障電流限流器として使用される超電導コイルを共有するＳＭＥＳデバイスを実証した。この設計では、７つの変圧器を使用し、６つはＳＭＥＳおよびＦＣＬポートに使用され、１つは電流安定化に使用されている。整流回路が、故障中に超電導コイルにグリッド電流を流すのを可能にするのに使用される。著者らはブリッジ型ＳＦＣＬ−ＭＥＳソリューションの実現可能性を実証したが、このソリューションは高価であり、デバイスを高−Ｖネットワークにアップスケーリングする際に難題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
それ故に、本発明の１つの目的は、電気グリッドを安定化させるためのハイブリッド超電導デバイスを開示することである。該デバイスは、（ｂ）ＡＣ巻線を少なくとも部分的に担持する磁気コア配置であって、該ＡＣ巻線は、故障の際に電流が制限されるためのＡＣ回路に接続可能である、磁気コア配置と、（ｃ）電磁エネルギーを貯蔵するように構成された少なくとも１つの超電導コイルであって、該超電導コイルは、コア配置と磁気的に結合され、使用中に磁気コア配置を飽和させる、少なくとも１つの超電導コイルと、を備える。
【０００６】
本発明の中核となる目的は、以下のモード：超電導コイルを少なくとも部分的に充電するモードと、超電導コイルがループバックされるときの待機モードと、超電導コイルを回路内に少なくとも部分的に放電するモード、に対応する電流パターンを切り替えるように事前プログラムされたスイッチユニットをさらに備えるハイブリッド超電導デバイスを提供することである。
【０００７】
本発明の別の目的は、超電導コイルを充電および放電するためのパルス幅変調モジュールを備えるスイッチユニットを開示することである。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、磁束内に位置付けされた少なくとも１つの通路を備えるデバイスを開示することである。通路は、磁束によって磁気的に分離可能な構成要素を含む材料流を導くように構成される。
【０００９】
本発明のさらなる目的は、超電導コイルを充電するように構成された充電ユニットを備えるデバイスを開示することである。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、少なくとも１つの巻線を担持する少なくとも１つの巻線磁気コア肢を備える磁気コア配置を開示することである。少なくとも１つの巻線磁気コア肢は、励磁されると、少なくとも１つの超電導コイルが少なくとも１つのコア肢の磁気肢を磁気的に飽和させるように取り付けられる。
【００１１】
本発明のさらなる目的は、少なくとも１つの巻線磁気コア肢が開放構成で成形されることを開示することである。
【００１２】
本発明のさらなる目的は、少なくとも１つのコイル磁気コアによって担持された超電導コイルを開示することである。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、シェル形である少なくとも１つのコイル磁気コアによって担持された超電導コイルを開示することである。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、超電導コイルを担持する内部磁気コア肢が設けられた少なくとも１つのシェル形コイル磁気コアを開示することである。
【００１５】
本発明のさらなる目的は、内部磁気肢がその中央位置にエアギャップを有することを開示することである。
【００１６】
本発明のさらなる目的は、少なくとも１つの巻線磁気コア肢が、エアギャップを介して、シェル形コイル磁気コアに磁気的に接続されることを開示することである。
【００１７】
本発明のさらなる目的は、少なくとも１つのコイル磁気コアが、超電導コイルの端部に取り付けられた２つの磁気コア部材を備えることを開示することである。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、超電導コイルにわたる電圧および温度分布を監視し、コイルの熱暴走がそれを損傷するのを防止するように構成された過電圧保護ユニットを備えるデバイスを開示することである。
【００１９】
本発明のさらなる目的は、（ａ）（ｉ）ＡＣ巻線を少なくとも部分的に担持する磁気コア配置であって、該ＡＣ巻線は、故障の際に電流を制限するためのＡＣ回路に接続可能である、磁気コア配置と、（ｉｉ）電磁エネルギーを貯蔵するように構成された少なくとも１つの超電導コイルであって、該超電導コイルは、コア配置と磁気的に結合され、使用中に磁気コア配置を飽和させる、少なくとも１つの超電導コイルと、（ｉｖ）以下のモード、：超電導コイルを少なくとも部分的に充電するモード、超電導コイルがループバックされるときの待機モード、および超電導コイルを回路内に少なくとも部分的に放電するモード、に対応して電流パターンを切り替えるように事前プログラムされたスイッチユニットをさらに備えるハイブリッド超電導デバイスと、を備える、ハイブリッド超電導デバイスを提供するステップと、（ｂ）超電導コイルを充電するステップと、（ｃ）待機モードで待機するステップと、（ｄ）故障状態を開始する場合、ＡＣ巻線内のインピーダンスを増加させるステップと、（ｅ）超電導コイルをＡＣ回路内に放電するステップと、（ｆ）必要に応じて、ステップｂ〜ｅを繰り返すステップと、を含む、電気グリッドを安定化させる方法を開示することである。
【００２０】
本明細書で開示される主題をより良好に理解し、実際にどのように実施され得るかを例示するために、ただ非限定的な例として、添付の図面を参照して実施形態をここで説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】図１Ａは、異なる動作モードに対応するハイブリッド超電導磁気デバイスの電気的図式である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、異なる動作モードに対応するハイブリッド超電導磁気デバイスの電気的図式である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、異なる動作モードに対応するハイブリッド超電導磁気デバイスの電気的図式である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、異なる動作モードに対応するハイブリッド超電導磁気デバイスの電気的図式である。
【図２Ａ】図２Ａは、シェル形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、シェル形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは、平板形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、平板形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図である。
【図４Ａ】図４Ａは、シェル形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図およびその断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、シェル形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図およびその断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、シェル形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、シェル形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、シェル形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、シェル形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図である。
【図５Ｅ】図５Ｅは、シェル形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図である。
【図６】図６は、シェル形の磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図である。
【図７】図７は、シェル形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、開放四角形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、開放四角形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、開放四角形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図である。
【図９】図９は、開放円形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、星形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図およびその断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、星形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図およびその断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａ、組み合わされた磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、組み合わされた磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスの代替的実施形態の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下の説明は、当業者が該発明を利用することを可能にし、本発明を実行する発明者によって熟考された最良の形態を説明するために提供される。しかしながら、本発明の一般的な原理は、電気グリッドを安定化させるためのハイブリッド超電導デバイスおよびそれを行なう方法を提供するために具体的に定義されているので、様々な変更が、当業者にとって明らかになるようになっている。
【００２３】
本発明によれば、単一の超電導コイルが、ＳＭＥＳデバイスにエネルギーを貯蔵する手段として、ＭＳ用の磁場源として、および飽和コアＦＣＬ用のバイアス磁場源として使用される。特別な磁気設計は、共有された超電導コイルの周りにＳＭＥＳ、ＦＣＬ、およびＭＳを統合する。スイッチングユニットは、可能な故障を監視し、すべてのアプリケーションで必要な磁場レベルを維持しながら、電力品質の変動に対してグリッドをサンプリングし、エネルギーをグリッドからへ超電導コイルに、また超電導コイルからグリッドへ導く。
【００２４】
ここで、本発明の異なる動作モードに対応する電気的図式を提示する図１Ａ〜１Ｃを参照する。これらの電気的図式によって実現される電流パターンは、スイッチングユニット（図示せず）によって制御されるスイッチの位置によって規定される。スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、パルス幅変調技術に基づくスイッチングユニット（図示せず）によって制御され、充電／放電モードでＡＣ／ＤＣおよびＤＣ／ＡＣ変換の両方を提供する。
【００２５】
具体的には、図１Ａは、充電モードに対応するスイッチ位置を示す。スイッチＳＷ１およびＳＷ４は閉鎖しており、スイッチＳＷ２およびＳＷ３は開放している。超電導コイル内に生み出される電流は、図１Ｂに示すように電流をループバックさせた後も持続する。この電流パターンでは、スイッチＳＷ２およびＳＷ４が閉鎖され、スイッチＳＷ１およびＳＷ３が開放される。ＡＣ回路にエネルギーが欠落している場合、超電導コイルはＡＣ回路に放電される。図１Ｃに見られるように、スイッチＳＷ２およびＳＷ３が閉鎖され、スイッチＳＷ１およびＳＷ４が開放される。本発明のデバイスは、故障状態の電流を制限するだけでなく、公称状態中の電力変動も平滑化することに留意すべきである。コンデンサＣ１およびＣ２もまた、出力電圧を平滑化するのに機能する。
【００２６】
図１Ｄは、超電導コイルが充電器によって充電される本発明の実施形態を例示する電気的図式を提示する。スイッチＳＷ１〜ＳＷ４によって規定される電流パターンは、図１Ａ〜１Ｃに描写されるものと同様である。
【００２７】
この図式では、ＦＣＬはＳＭＥＳが存在する同じ電気回路に直列に挿入されるが、一般的には、ＳＭＥＳおよびＦＣＬは異なる回路に存在してもよい。ＳＭＥＳに磁気的に結合されているＦＣＬが別のバスバーに存在し、その中に故障保護を提供する間、ＳＭＥＳは、１つのバスバーで給電され電力品質を改善してもよい。同様に、ＳＭＥＳおよびＦＣＬは磁気的に結合されてもよいが、異なるネットワーク上に存在してもよい。
【００２８】
次に、単相ハイブリッドデバイス用に設計されたハイブリッド超電導磁気デバイスの例示的な実施形態２００ａおよび２００ｂを提示する図２Ａおよび２Ｂを参照する。具体的には、実施形態２００ａはＦＣＬ機能とＳＭＥＳ機能を組み合わせるが、一方、実施形態２００ｂはＨＧＭＳデバイスの追加の機能を有する。実施形態２００ａおよび２００ｂは、シェル形の磁気コア配置２１０を有する。内側に突出する磁気コア肢２２０は、超電導コイル２３０を担持する。ＡＣ巻線２４０は、磁気コア配置２１０と磁気的に結合される。各単相巻線は、制限されるＡＣ電流の２つの半サイクルに対応する２つの巻線セクションを備えることに留意すべきである。超電導コイル２３０は、磁気コアに実装されて分割構成で作製される。スプリットコイル構成は、磁気分離に使用されるパイプ／チューブの挿入を可能にする。パイプ２５０は、材料を磁気的に分離されるように導き、実施形態２００ａおよび２００ｂを互いに区別する。
【００２９】
スプリットコイル構成は、ギャップに電磁エネルギーを貯蔵することによって、デバイス内に貯蔵されるエネルギーを増加させる。コイルギャップに貯蔵された電磁エネルギーを備えたこのスプリットコア設計は、非超電導コイルを有する比較的小型のハイブリッドデバイスを使用する可能性を開く。
【００３０】
次に、円形実施形態２００ｃおよび２００ｄを提示する図３Ａおよび３Ｂを参照する。両方の実施形態において、超電導コイル２３０はソレノイド形態で巻かれているが、その中心軸方向の容積は、ここでパイプ２７０（図３Ｂ）によって導かれる材料の磁気分離のために働き得る。超電導コイル２３０は、コイル２３０の端部に取り付けられた２つの円形磁性コア部材２５０の間にある。コア部材２３０は、部材２５０の円周に沿って分布するコア肢２６０によって相互接続されている。コア部材２３０はＡＣ巻線２４０を担持する。対応するＡＣコイル２４０に流れる電流の方向は、その中のＡＣ磁束の方向およびその磁束がＤＣバイアス磁束に対抗するＡＣ電流の半サイクルを決定し、インピーダンスを決定する。コア２６０は、超電導コイル２３０のＤＣ磁束によって飽和される。プレート部材２５０がＤＣ磁束をコア肢２６０内に駆動するために追加され、一方、プレート部材２５０とコイル２３０との間のギャップは、コア肢２６０に向けられた磁束値を同調するために残される。記載された配置は、単相または３相または多相ＦＣＬ、ＳＭＥＳおよびＭＳ機能を同時に有するハイブリッドデバイスとして使用可能である。加えて、プレート部材２５０は、ＤＣ戻り磁束をトラップし、デバイスの外側の残留磁場を低減する。円形、規則的または不規則的な多角形のようなプレート部材２５０の任意の形状は、本発明の範囲内である。超電導コイル２３０に沿って取り付けられた１２個のコア肢を備える例示的実施形態２００ｃ／２００ｄは、２つの３相ＦＣＬをサポートする。
【００３１】
図３Ｂは、上記の構成要素に加えて、磁気的に分離されるように材料を導くために構成されたパイプ２７０を備える実施形態２００ｄを示す。
【００３２】
次に、シェル形磁気コア配置を有するハイブリッド超電導磁気デバイスのＳＭＥＳ−ＦＣＬ代替的実施形態２００ｅの斜視図およびその断面図をそれぞれ提示する図４Ａおよび４Ｂを参照する。図４Ａは、別のＳＭＥＳ−ＦＣＬ実施形態の３次元の例を説明する。１つの相を取り扱うための四肢構造が説明されている。外側超電導コイル２３０は、磁気コア配列２１０を飽和させるＳＭＥＳコイルとして機能する。数字２４０は、磁気コアデバイス２１０によって担持されたＡＣ巻線を意味する。コイル２３０は、内肢の同じ方向にＤＣ磁場を生成するために、同じ方向（図の上方または下方）に充電される。巻線２４０は、ＡＣ電流の各半サイクルにおいて、１つのコイルが肢内のＤＣ磁束の方向をサポートし、他のコイルはそれに対向するように内肢上に反対方向に巻かれる。外側ＤＣ肢は、ＡＣ肢における磁束密度強化をサポートするために、内側ＡＣ肢よりも大きな断面であってもよい。図４Ａおよび４Ｂには示されていないが、内側ＡＣ肢の飽和レベルを制御し、故障の際に内側ＡＣ肢の不飽和化を可能にするために、外側ＤＣ肢と内側ＡＣ肢との間にギャップを追加してもよい。図４Ａおよび４Ｂに示される単相構造の逓倍は、多相デバイスを提供する。ＳＭＥＳコイル２３０は、いくつかの相のＤＣ肢を含むように巻かれるように、各相にわたって統一されてもよい。
【００３３】
次に、図５Ａ〜５Ｅを参照して、本発明の異なる実施形態を提示する。図５Ａは、総コイルインダクタンスおよび動作電流および電圧を制御するために直列接続および並列接続の任意の組み合わせで接続されたコイルセグメント３３０によって具体化されるＳＭＥＳコイルを実装するためにも使用されるＳＭＥＳギャップの自由体積を特徴とする実施形態３００ａを描写する。非限定的な態様では、ＳＭＥＳコイルは３つのセグメント３３０を含む。少なくとも１つのセグメントを備え、様々な導体または超電導体で作製されるコイルもまた、本発明の範囲内である。この例示的実施形態は、ＡＣコア肢３２０上に載っている１つのＡＣ巻線３４０を備える。ＡＣおよびＤＣコア３１０および３２０は、それぞれ、制御可能なギャップ幅（図示せず）によって分離される。
【００３４】
図５Ｂは、実施形態３００ａとは反対に、ＡＣ巻線をいくつかの巻線セグメント３４０に分割した実施形態３００ｂを提示する。分割は、ＡＣ肢３２０が飽和しているときにＡＣ回路のインピーダンスを低下させ、コアが不飽和してＡＣコイルセグメントが結合するときにそのインピーダンスを増加させる。
【００３５】
図５Ｃは、３００ａおよび３００ｂと同様の実施形態３００ｆを提示する。この場合、３相ＦＣＬデバイスが実現される。各ＡＣ肢３２０は、少なくとも単一のＡＣ巻線セグメント３４０を担持する。ＡＣ肢３２０上のすべてのＡＣ巻線セグメント３４０は、直列に接続される。
【００３６】
図５Ｄは、単一セグメントの超電導コイル３３０を有し、一方、ＡＣコア肢３２０に載っている各ＡＣ巻線は５つの巻線セグメント３４０に分割された実施形態３００ｃを提示する。
【００３７】
図５Ｅは、コアを含まないＳＭＥＳ部品を特徴とするハイブリッド超電導デバイスの実施形態３００ｅを表示する。このような実施形態は、ＳＭＥＳコイルセグメント３３０によって生成されたＤＣ磁束がコア飽和磁場よりもはるかに高いことが要求されるシナリオに適合する。これ故に、ＤＣコアは冗長になる。コアのコストなどの経済的考慮も、ＤＣコア部品を回避する結果となり得る。そのようなシナリオでは、ＳＭＥＳコイルセグメント３３０によって生成されるＤＣ磁場は、ＡＣコアセグメント３２０を飽和させるのに十分である。ＡＣコア３２０の飽和レベルは、磁場源、すなわちＳＭＥＳコイル３３０への近接性によって決定される。ＳＭＥＳコイルは、少なくとも１つのコイルセグメント３３０を備え、ＦＣＬは、相ごとに２つのコア肢３２０を有する少なくとも１つの相を含む。ＡＣ巻線は、少なくとも１つのコイルセグメント３４０を備える。
【００３８】
次に、２つの追加のＡＣ相がデバイスに追加されるさらなる実施形態を表示する図６を参照する。このような相は、そのような相コアに面する追加のＤＣコアセグメントの有無にかかわらず、デバイスに追加されてもよい。それは、飽和レベルを異なる相に対し別個に制御することを可能にする。
【００３９】
次に、ハイブリッド磁気デバイスの例示的な断面図を提示する図７を参照する。シェル形磁気コア３１０は、任意選択的にエアギャップ３６０を介して側部磁気コア肢３２０と結合される。磁気コア３１０には、その間に内部ギャップを残した内側に突出した部材３５０が設けられている。超電導コイルは、セグメント３３０によって形成される。ＡＣ巻線は、コア肢３２０上に載っているいくつかのセグメント３４０に分割される。
【００４０】
主コア３１０は、ＤＣコイルセグメント３１０の周りで閉鎖されていることに留意すべきである。超電導コイル３１０の周囲のシェル形コア設計は、ＦＣＬコア３２０を通る磁場を減少させ、それらの飽和レベルを制御することに向けられている。ＦＣＬコア３２０が過飽和状態になるのを防止し、セグメント３４０にわたる故障電流による不飽和化を容易にするために、エアギャップ３６０が追加される。また、主コア３１０とＦＣＬコア３２０との間のエアギャップは、ＡＣおよびＤＣ回路を絶縁し、デバイスの高電圧部分と低電圧部分とを物理的に分離する。半相ごとの各ＡＣ巻線は、デバイスの公称挿入インピーダンスを低減するために５つのセグメント３４０に分割される。ＡＣ巻線を分割し、セグメント３４０を互いに離間させることは、公称ＡＣ回路動作中の全体のコイルのインピーダンスに低下をもたらす。
【００４１】
次に、代替的実施形態４００ａ〜４００ｃをそれぞれ提示する図８Ａ〜８Ｃを参照する。数字４３０は、ＤＣ超電導コイルを意味する。ＡＣ巻線４２０は、コア肢４１０によって担持される。ＡＣ巻線４２０は、ＤＣ超電導コイル４３０内に（図８Ａおよび８Ｂ）、ならびに外側から（図８Ｃ）実装することができる。図８Ａは、単相ＦＣＬを有するＳＭＥＳとして機能する実施形態４００ａを描写する。ＳＭＥＳコイル４３０はコアを有さず、コイル４３０によって生成されたＡＣ磁束が互いに対向するような方法で実装されたＡＣ巻線４２０で各々が巻かれた２つのコア肢４１０を取り囲んでいる。
【００４２】
図８Ｂは、追加のＡＣ相を提供する実施形態４００ｂを描写する。コア４１０によって担持された２つのＡＣ巻線４２０は、ＳＭＥＳコイル４３０の内部空間に追加される。
【００４３】
図８Ｃは、多重ＡＣ相デバイスとして機能する実施形態４００ｃを描写する。例示的実施形態４００ｃにおいて、ＡＣ巻線は、ＳＭＥＳコイル４３０内に部分的に実装され、その他は外部に実装される。ＤＣ磁束の方向は、ＳＭＥＳコイル４３０の内部空間および外部空間において反対である。したがって、ＡＣ巻線４２０は、各相に対して、一方のコアがＤＣ磁束の方向をサポートし、他方のコアがそれに対向するような方法で設計される。このようにして、ＡＣ故障電流の全サイクルが制限される。
【００４４】
図９は、ＳＭＥＳコイル４３０およびＡＣコア４１０かつ巻線４２０の断面が円形である実施形態４００ｄを示す。明らかに、そのような断面は、正方形、長方形、レーストラック形、またはコイル巻線の実践において従来使用されている任意の他の断面であってもよい。
【００４５】
次に、３相ＦＣＬおよびＳＭＥＳハイブリッドデバイスの別の例示的実施形態４００ｅを提示する図１０Ａおよび１０Ｂを参照する。中心に位置付けされたＳＭＥＳコイル４３０は、ＳＭＥＳ動作のための、および周囲の星形ＡＣコア肢４４０を飽和させるための磁場を生成する。ＤＣコイル４３０およびＡＣ巻線４２０は分割されてもよい。ＡＣコア４４０は、ギャップ（図示せず）を含んでもよい。ＡＣコアの数は、変化する。１相を処理するのに少なくとも２つが必要である。多相は任意選択である。本例示的実施形態によれば、ＡＣ巻線４３０はブロックで作製され、一方ＳＣコイル４３０は少数のセグメントに分割される。エアギャップが、ＡＣ肢４４０内の飽和レベルを制御するために追加されてもよい（図示せず）。
【００４６】
次に、ＳＭＥＳコイル４３０が、ＡＣコア４６０によって形成された水平面４５０を相互接続する垂直肢４４５上に実装される別の実施形態を示す図１１Ａおよび１１Ｂを参照する。各ＡＣコア４６０は、少なくとも１つのＡＣコイルセグメント４２０を担持し、ＡＣ故障サイクルの半サイクルを処理する。例示的実施形態４００ｇ（図１１Ａ）によれば、３相ハイブリッドデバイスにおいて、各相は、２つの平行なコア面４５０の間で分割される。
【００４７】
図１１Ｂは、前の実施例と同様で、同じコア４６０上に実装された３相のコイルを有する実施形態４００ｈを示す。そのような実施形態では、対称な３相故障事象の際にコアを不飽和にさせることができるのに十分なコイル非対称性を確保するように注意しなければならない。同時に、非対称性は、許容限界内でグリッド内の負のシーケンスを維持するために最小限に抑えなければならない。図１１Ｂの設計は、ＳＭＥＳおよび２つの３相ＦＣＬハイブリッドデバイスの例を示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【国際調査報告】
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