(57)【要約】【課題】簡易な構成によって超電導コイル用の両極性電源を実現できる超電導コイル用電源回路を提供する。【解決手段】超電導コイル用電源回路１は、超電導コイル２に両極性の直流電源電圧Ｖｂを供給するための回路であって、単一極性の直流電源電圧Ｖａを出力する直流電源部３と、直流電源部３と超電導コイル２との間に順方向接続され、単一極性の直流電源電圧Ｖａを電圧降下作用により両極性の直流電源電圧Ｖｂに変換して超電導コイル２に提供する複数のダイオード４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルに両極性の直流電源電圧を供給するための超電導コイル用電源回路であって、
単一極性の直流電源電圧を出力する直流電源部と、
前記直流電源部と前記超電導コイルとの間に順方向接続され、前記単一極性の直流電源電圧を電圧降下作用により両極性に変換して前記超電導コイルに提供するダイオードと
を備えることを特徴とする、超電導コイル用電源回路。
【請求項２】
前記ダイオードに対し並列に接続されたスイッチを更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の超電導コイル用電源回路。
【請求項３】
前記直流電源部の一方の極と前記超電導コイルの一端とを接続する第１の電流経路と、
前記直流電源部の他方の極と前記超電導コイルの他端とを接続する第２の電流経路と、
前記第１の電流経路と前記第２の電流経路とを接続してコイル電流を還流させる第３の電流経路と
を備え、
前記ダイオードは、前記第１及び第３の電流経路の接続点と前記超電導コイルの一端との間、及び前記第２及び第３の電流経路の接続点と前記超電導コイルの他端との間のうち少なくとも一方に接続されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の超電導コイル用電源回路。
【請求項４】
前記超電導コイルへ提供される前記両極性の直流電源電圧が±Ｖ１［Ｖ］（Ｖ１＞０）の範囲内であり、前記ダイオードの降下電圧の絶対値がＶ１［Ｖ］以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の超電導コイル用電源回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイル用電源回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導（超電気伝導）コイルには、通常のコイルと比較して抵抗値が極めて小さく、インダクタンスが大きいという特徴がある。例えば、リフティングマグネットやサイクロトロンに使用される通常のコイルのインダクタンスはそれぞれ数ヘンリー、数十ミリヘンリーであるが、同等の性能を有する超電導コイルのインダクタンスは数百ヘンリーである。したがって、超電導コイルに電流を供給する際には、このように高いインダクタンスに配慮する必要がある。
【０００３】
すなわち、仮に超電導コイルのインダクタンスを１０ヘンリーとし、電流供給を停止する際に要求される電流変化率が−１アンペア毎秒である場合、この電流変化率でもって電流供給を停止するためには超電導コイルの両端に−１０［Ｖ］を印加するとよい。しかし、このときコイル電流は最終的にゼロになるまで正方向に流れる。このように、超電導コイルを駆動する際には、負荷の殆どがインダクタンスであるため、コイル電流の向きが正方向であっても負電圧を印加しなければコイル電流を減らすことはできない。なお、同じ割合でコイル電流を増加させるには、超電導コイルの両端に１０［Ｖ］を印加するとよい。また、コイル電流量を一定としたい場合には、超電導コイルの両端電圧を０［Ｖ］とするとよい。
【０００４】
現在、超電導コイルに対するこのような電力制御を実現するために、超電導コイルに対して正電圧を提供するためのレギュレータ回路と、負電圧を提供するための別のレギュレータ回路とを有する両極性電源が使用されている。一例としては、正電圧用レギュレータ回路としてサイリスタ整流回路やスイッチングレギュレータを使用し、負電圧用レギュレータ回路としてトランジスタドロッパ回路を使用したものがある。
【０００５】
なお、超電導コイルへの電力制御を行う回路が記載された先行技術文献としては、以下の特許文献１及び２がある。
【特許文献１】特開昭６４−９６０５号公報
【特許文献２】特開平６−３２７１７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、両極性電源を実現するために正電圧用レギュレータ回路及び負電圧用レギュレータ回路といった２つのレギュレータ回路を使用すると、電源の構成が複雑になってしまう。
【０００７】
本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、簡易な構成によって超電導コイル用の両極性電源を実現できる超電導コイル用電源回路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】
【０００８】
上記した課題を解決するために、本発明による超電導コイル用電源回路は、超電導コイルに両極性の直流電源電圧を供給するための超電導コイル用電源回路であって、単一極性の直流電源電圧を出力する直流電源部と、直流電源部と超電導コイルとの間に順方向接続され、単一極性の直流電源電圧を電圧降下作用により両極性に変換して超電導コイルに提供するダイオードとを備えることを特徴とする。
【０００９】
この超電導コイル用電源回路は、単一極性の直流電源電圧を出力する直流電源部と超電導コイルとの間に順方向接続されたダイオードを備えており、このダイオードの電圧降下作用によって、単一極性の直流電源電圧を両極性に変換して超電導コイルに提供する。例えば、ダイオードの降下電圧を＋１１［Ｖ］とした場合、超電導コイルに＋１０［Ｖ］の電圧を供給したいときには直流電源電圧を＋２１［Ｖ］とすればよく、超電導コイルに−１０［Ｖ］の電圧を供給したいときには直流電源電圧を＋１［Ｖ］とすればよい。このように、上記した超電導コイル用電源回路によれば、単一極性の直流電源電圧を出力する一つの直流電源部と、ダイオードという単純な電気素子とを用いて両極性の電源電圧を超電導コイルに提供することができるので、簡易な構成によって超電導コイル用の両極性電源を実現できる。
【００１０】
また、超電導コイル用電源回路は、ダイオードに対し並列に接続されたスイッチを更に備えることを特徴としてもよい。これにより、ダイオードによる電圧降下が不要なとき、例えばコイル電流を増加させる際やコイル電流を一定に保つ際に、上記スイッチを閉じることによりダイオードを迂回するようにコイル電流を流すことができ、上記ダイオードによる電圧降下を好適に回避できる。
【００１１】
また、超電導コイル用電源回路は、直流電源部の一方の極と超電導コイルの一端とを接続する第１の電流経路と、直流電源部の他方の極と超電導コイルの他端とを接続する第２の電流経路と、第１の電流経路と第２の電流経路とを接続してコイル電流を還流させる第３の電流経路とを備え、ダイオードは、第１及び第３の電流経路の接続点と超電導コイルの一端との間、及び第２及び第３の電流経路の接続点と超電導コイルの他端との間のうち少なくとも一方に接続されていることを特徴としてもよい。このように第１〜第３の電流経路を有する超電導コイル用電源回路においては、超電導コイルの両端電圧をゼロより大きい或る電圧値とし、第１及び第２の電流経路を介して超電導コイルにコイル電流を供給する第１の動作と、超電導コイルの両端電圧をゼロに近づけ、第３の電流経路を介して超電導コイルにコイル電流を還流させる第２の動作とを、ＰＷＭ方式などにより任意に組み合わせてコイル電流の増減率を好適に制御できる。そして、このような回路構成において、第１及び第３の電流経路の接続点と超電導コイルの一端との間、及び第２及び第３の電流経路の接続点と超電導コイルの他端との間のうち少なくとも一方に上記ダイオードが接続されることにより、コイル電流を減少させる際の第１及び第２の動作の双方においてコイル電流がダイオードを通過するようにし、コイル電流の減少率を好適に制御できる。
【００１２】
また、超電導コイル用電源回路は、超電導コイルへ提供される両極性の直流電源電圧が±Ｖ１［Ｖ］（Ｖ１＞０）の範囲内であり、ダイオードの降下電圧ＶＦの絶対値がＶ１［Ｖ］以上であることを特徴としてもよい。これにより、超電導コイルにＶ１［Ｖ］の電圧を供給したいときには直流電源部から出力される単一極性の直流電源電圧を（ＶＦ＋Ｖ１）［Ｖ］とし、超電導コイルに−Ｖ１［Ｖ］の電圧を供給したいときには直流電源部から出力される単一極性の直流電源電圧を（ＶＦ−Ｖ１）［Ｖ］とすればよく、超電導コイル用の両極性電源を好適に実現できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による超電導コイル用電源回路によれば、簡易な構成によって超電導コイル用の両極性電源を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら本発明による超電導コイル用電源回路の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
図１は、本発明による超電導コイル用電源回路の一実施形態の構成を示す回路図である。図１を参照すると、本実施形態による超電導コイル用電源回路１は、超電導コイル２に両極性の直流電源電圧を供給するための回路であって、直流電源部３、複数のダイオード４、スイッチ５、コンデンサ６、正側電源ライン７、負側電源ライン８、還流ライン９、インダクタ１０ａ及び１０ｂ、並びにフィルタ１１を備えている。
【００１６】
超電導コイル２は主に電磁石に利用され、例えばリフティングマグネットとして使用される。超電導コイル２は例えばニオブチタンといった超電導材料からなる配線が巻回されて成り、その抵抗値は例えば常温で２０００［Ω］／６００００［ｍ］であり、超電導状態で０［Ω］である。また、インダクタンスは例えば１００［Ｈ］〜２００［Ｈ］である。超電導コイル２は、その一端２ａに超電導コイル用電源回路１の一方の出力端１ａが電気的に接続され、その他端２ｂに超電導コイル用電源回路１の他方の出力端１ｂが電気的に接続されることにより、超電導コイル用電源回路１から双極性の直流電源電圧Ｖｂを受ける。
【００１７】
直流電源部３は、単一極性の直流電源電圧Ｖａ（≧０）を出力する。直流電源部３は、例えば三相交流電源から供給された交流電源電圧を変換することにより、直流電源電圧Ｖａを生成する。このような直流電源部３は、例えば複数のダイオードによるブリッジ回路により三相全波整流を行うことで好適に実現される。或いは、直流電源部３は、サイリスタを用いた純ブリッジ回路や、ダイオード及びサイリスタを用いた混合ブリッジ回路によって構成されてもよい。直流電源部３は、正側出力端３ａ及び負側出力端３ｂを有しており、生成した直流電源電圧Ｖａを正側出力端３ａと負側出力端３ｂとの間に提供する。
【００１８】
正側電源ライン７は、直流電源部３の一方の極（プラス側端子）と超電導コイル２の一端とを電気的に接続する第１の電流経路である。正側電源ライン７上には、直流電源部３から超電導コイル２へ向かってインダクタ１０ａ、複数のダイオード４、及びフィルタ１１の一方のコイルがこの順に接続されている。また、負側電源ライン８は、直流電源部３の他方の極（マイナス側端子）と超電導コイル２の他端とを電気的に接続する第２の電流経路である。負側電源ライン８上には、直流電源部３から超電導コイル２へ向かってインダクタ１０ｂ、及びフィルタ１１の他方のコイルがこの順に直列接続されている。
【００１９】
還流ライン９は、正側電源ライン７と負側電源ライン８とを接続してコイル電流を還流させるための第３の電流経路である。還流ライン９の一端は、正側電源ライン７における直流電源部３とインダクタ１０ａとの接続点と電気的に接続されており（接続点Ｎ１）、還流ライン９の他端は、負側電源ライン８における直流電源部３とインダクタ１０ｂとの接続点と電気的に接続されている（接続点Ｎ２）。還流ライン９には還流ダイオード（フライホイールダイオード）１２が設けられており、還流ダイオード１２は、接続点Ｎ１側をカソード、接続点Ｎ２側をアノードとして接続されている。
【００２０】
複数のダイオード４は、直流電源部３と超電導コイル２との間に順方向接続され、単一極性の直流電源電圧Ｖａを電圧降下作用により両極性の直流電源電圧Ｖｂに変換して超電導コイル２に提供するための電気素子である。本実施形態では、複数のダイオード４が、直流電源部３側をアノードとし、超電導コイル２側をカソードとして正側電源ライン７上に直列に接続されている。また、本実施形態では、複数のダイオード４が、正側電源ライン７及び還流ライン９の接続点Ｎ１と超電導コイル２の一端２ａとの間に接続されている。複数のダイオード４は、例えば１個当たりの降下電圧が０．６［Ｖ］であり、複数のダイオード４全体で１０［Ｖ］以上の電圧降下を得たい場合には、ダイオード４が１７個以上直列に接続される。
【００２１】
そして、例えばダイオードの降下電圧を＋１１［Ｖ］とした場合、超電導コイル２に＋１０［Ｖ］の直流電源電圧Ｖｂを供給したいときには直流電源電圧Ｖａを＋２１［Ｖ］とすればよく、超電導コイル２に−１０［Ｖ］の直流電源電圧Ｖｂを供給したいときには直流電源電圧Ｖａを＋１［Ｖ］とすればよい。すなわち、超電導コイル２へ提供したい両極性の直流電源電圧Ｖｂが±Ｖ１［Ｖ］（Ｖ１＞０）の範囲内である場合に、複数のダイオード４の降下電圧の絶対値をＶ１［Ｖ］以上とすればよい。この場合、超電導コイル２にＶ１［Ｖ］の直流電源電圧Ｖｂを供給したいときには直流電源部３から出力される直流電源電圧Ｖａを（ＶＦ＋Ｖ１）［Ｖ］とし、超電導コイル２に−Ｖ１［Ｖ］の直流電源電圧Ｖｂを供給したいときには直流電源部３から出力される直流電源電圧Ｖａを（ＶＦ−Ｖ１）［Ｖ］とすることにより、超電導コイル用の両極性電源を好適に実現できる。
【００２２】
なお、本実施形態では複数のダイオード４が正側電源ライン７及び還流ライン９の接続点Ｎ１と超電導コイル２の一端２ａとの間に接続されているが、この複数のダイオードは、負側電源ライン８及び還流ライン９の接続点Ｎ２と超電導コイル２の他端２ｂとの間に接続されてもよい。この場合、複数のダイオードは、超電導コイル２側をアノードとし、直流電源部３側をカソードとして負側電源ライン８上に直列に接続される。また、本実施形態では直流電源部３と超電導コイル２との間に複数のダイオード４が接続されているが、複数に限らず単一のダイオード４のみが接続された形態でもよい。
【００２３】
スイッチ５は、複数のダイオード４のうち一部のダイオード４に対し並列に（すなわち、他のダイオード４に対しては直列に）接続された機械的スイッチである。超電導コイル用電源回路１を動作させる際に、複数のダイオード４による電圧降下が不要なとき又は低減させたいときがある。例えば、コイル電流を増加させる場合や、コイル電流を一定に保ちたい場合である。このような場合に、スイッチ５を閉じることによって全部又は一部のダイオード４を迂回するようにコイル電流を流すことができ、ダイオード４による電圧降下を好適に回避・低減できる。
【００２４】
以上の構成を備える超電導コイル用電源回路１の動作について説明する。図２（ａ）は、超電導コイル２に流れるコイル電流の時間変化を示すグラフである。また、図２（ｂ）は、超電導コイル２の両端２ａ、２ｂに印加される直流電源電圧Ｖｂの時間変化を示すグラフである。超電導コイル用電源回路１の動作は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、コイル電流を増加させる期間Ａ、コイル電流を一定に維持する期間Ｂ、及びコイル電流を減少させる期間Ｃからなる。
【００２５】
期間Ａにおいて、超電導コイル用電源回路１は、図２（ｂ）に示すように正の所定電圧Ｖ１［Ｖ］を超電導コイル２の両端２ａ、２ｂに印加する。ここで、コイルに印加される両端電圧Ｖとコイル電流Ｉとの間には、一般に以下の関係がある。
【数１】
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但し、Ｌはコイルのインダクタンス、ｔは時間、Ｒはコイルの抵抗値である。
【００２６】
超電導コイルの場合は抵抗値が無視できるほど小さいため、両端電圧Ｖは上記（１）式の右辺第一項のみによって近似できる。したがって、超電導コイル２の両端２ａ、２ｂに正の所定電圧Ｖ１［Ｖ］を印加すると、Ｖ１／Ｌ１（Ｌ１：超電導コイル２のインダクタンス）を比例係数とする一定の変化率でもってコイル電流が増加する（図２（ａ）参照）。なお、この期間Ａにおいては、スイッチ５を閉じることによりコイル電流に複数のダイオード４の一部を迂回させることが好ましい。複数のダイオード４における電圧降下が大きいと、余計な電力消費及び発熱を生じるからである。また、複数のダイオード４の一部のみ迂回させることとしたのは、回路の時定数τ（＝Ｌ／Ｒ）を抑えることで電流制御を容易にするためであり、場合によっては複数のダイオード４の全部を迂回させてもよい（すなわち、スイッチ５を、複数のダイオード４の全部に対して並列に接続してもよい）。
【００２７】
上記のようにコイル電流の変化率はＶ１／Ｌ１によって定まるが、超電導コイル２の両端電圧をＰＷＭ方式により制御することでこの変化率を任意の大きさに変えることもできる。すなわち、超電導コイル２の両端電圧をＶ１とし、直流電源部３、正側電源ライン７、超電導コイル２、負側電源ライン８、及び直流電源部３の順にコイル電流（図１に示した矢印Ｉ１）を流す第１の動作と、超電導コイル２の両端電圧をゼロに近づけ、超電導コイル２、負側電源ライン８、還流ライン９、正側電源ライン７、及び超電導コイル２の順にコイル電流（図１に示した矢印Ｉ２）を還流させる第２の動作とを交互に行いつつ各動作の時間幅を制御することで、実効的なコイル電流の変化率を好適に制御できる。
【００２８】
次に、図２（ａ）に示すように、コイル電流の大きさが所定値Ｉａに達すると期間Ｂへ移る。期間Ｂにおいて、超電導コイル用電源回路１は、超電導コイル２の両端電圧をゼロとすることでコイル電流を一定値Ｉａに維持する。この期間Ｂにおいては、余計な電力消費を防ぐため、スイッチ５を閉じることによりコイル電流に複数のダイオード４の一部を迂回させるとよい。
【００２９】
続いて、超電導コイル用電源回路１は、コイル電流をゼロになるまで減少させる動作へ移る（期間Ｃ）。期間Ｂにおいて、超電導コイル用電源回路１は、図２（ｂ）に示すように負の所定電圧−Ｖ１［Ｖ］を超電導コイル２の両端２ａ、２ｂに印加する。超電導コイル２の両端２ａ、２ｂに負の所定電圧−Ｖ１［Ｖ］を印加すると、−Ｖ１／Ｌ１を比例係数とする一定の変化率でもってコイル電流が減少する（図２（ａ）参照）。この期間Ｃにおいては、スイッチ５を開くことによりコイル電流に複数のダイオード４を通過させ、複数のダイオード４における電圧降下によって負の所定電圧−Ｖ１［Ｖ］を生成する。
【００３０】
なお、期間Ｃにおいても、期間Ａと同様に超電導コイル２の両端電圧をＰＷＭ方式により制御してもよい。すなわち、超電導コイル２の両端電圧を−Ｖ１とし、直流電源部３、正側電源ライン７（複数のダイオード４を含む）、超電導コイル２、負側電源ライン８、及び直流電源部３の順にコイル電流を流す第１の動作と、超電導コイル２の両端電圧をゼロに近づけ、超電導コイル２、負側電源ライン８、還流ライン９、正側電源ライン７（複数のダイオード４を含む）、及び超電導コイル２の順にコイル電流を還流させる第２の動作とを交互に行いつつ各動作の時間幅を制御することで、実効的なコイル電流の変化率を好適に制御できる。
【００３１】
本実施形態に係る超電導コイル用電源回路１が奏する効果についてまとめると、以下のとおりである。超電導コイル２を流れるコイル電流を減少させる際には、その負荷の殆どがインダクタンスであるため、コイル電流とは逆極性の電圧を印加しなければならない。そして、従来より存在する超電導コイル用電源回路は、超電導コイルに対して正電圧を提供するためのレギュレータ回路と、負電圧を提供するための別のレギュレータ回路とを備えているが、このように２つのレギュレータ回路を設けると構成が複雑になってしまうという問題がある。
【００３２】
これに対し、本実施形態に係る超電導コイル用電源回路１は、単一極性の直流電源電圧Ｖａを出力する直流電源部３と、直流電源部３と超電導コイル２との間に順方向接続された複数（または単一でもよい）のダイオード４とを備えており、ダイオードの電圧降下作用により単一極性の直流電源電圧Ｖａを両極性に変換して超電導コイル２に提供している。すなわち、直流電源部３は単一極性であるため一つのレギュレータ回路によって構成でき、超電導コイル用電源回路１ではこの直流電源部３にダイオードという単純な電気素子を付加することでコイル電流とは逆極性の電源電圧を実現している。したがって、本実施形態に係る超電導コイル用電源回路１によれば、従来の回路と比較してより簡易な構成でもって超電導コイル用の両極性電源を実現できる。
【００３３】
なお、ダイオードに変えて例えば抵抗素子を設けることによっても電圧降下を実現できるが、抵抗素子のように電流に応じて降下電圧が変化するような素子では、図２（ａ）に示したようにコイル電流の減少率を一定に維持することは困難である。すなわち、コイル電流の低下に従って電圧降下も小さくなってしまうので、コイル電流が小さくなってから完全にゼロとなるまでに長時間を要してしまう。また、この時間の短縮を図って抵抗値を大きくすると、コイル電流の低下を開始した直後に過大な電圧降下が発生してコイル電流が急激に低下してしまう。本実施形態に係る超電導コイル用電源回路１によれば、電圧降下が略一定であるダイオードを用いることによってコイル電流の減少率を一定に維持するので、コイル電流の減少を開始した直後、およびコイル電流が十分に小さくなってから完全にゼロとなるまでの期間の双方において、コイル電流を好適に減少させることができる。
【００３４】
本発明による超電導コイル用電源回路は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では第１及び第２の電流経路（正側電源ライン７、負側電源ライン８）に加えて第３の電流経路（還流ライン９）を備える構成を例示したが、第３の電流経路を備えない構成であっても、本発明の効果を好適に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による超電導コイル用電源回路の一実施形態の構成を示す回路図である。
【図２】（ａ）超電導コイルに流れるコイル電流の時間変化を示すグラフである。（ｂ）超電導コイルの両端に印加される直流電源電圧の時間変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
Ｖａ…単一極性の直流電源電圧、Ｖｂ…両極性の直流電源電圧、１…超電導コイル用電源回路、２…超電導コイル、３…直流電源部、３ａ…正側出力端、３ｂ…負側出力端、４…ダイオード、５…スイッチ、６…コンデンサ、７…正側電源ライン、８…負側電源ライン、９…還流ライン、１０ａ，１０ｂ…インダクタ、１１…フィルタ、１２…還流ダイオード。
【図１】
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【図２】
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