(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機の極低温領域内に配置される超電導負荷に電力を供給する励磁機アセンブリであって、
一次巻線および二次巻線を有する変圧器と、前記一次巻線および二次巻線のうちの一方が前記一次巻線および二次巻線のうちの他方に対して回転し得る回転可能な巻線からなることと、
前記超電導負荷への磁界励磁電流の流れを示す制御信号を与えるセンサと、
前記回転可能な巻線とともに回転可能である電流調整装置であって、前記制御信号に基づいて磁界励磁電流を所定の設定値に調整する電流調整装置とを備え、
前記超電導負荷が高温超電導体を備える超電導コイルからなり、
前記電流調整器は、
前記二次巻線と前記超電導負荷との間に直列で位置する第１切替え装置と、
前記超電導負荷と並列で、かつ前記第１切り替え装置と超電導負荷との間に位置する第２切替え装置と、
前記二次巻線と前記第１切替え装置との間に配され、前記第２切替え装置と並列であるコンデンサとを含み、
前記第２切替え装置が再充電電流を前記超電導負荷に供給するために開いている場合に、前記第１切替え装置は閉じており、
前記第１切替え装置が前記超電導負荷を介して再循環させるために電流を分路する場合に、前記第２切替え装置は閉じている、励磁機アセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載の励磁機アセンブリにおいて、前記第１および第２切替え装置が前記極低温領域内に配置される励磁機アセンブリ。
【請求項３】
請求項２に記載の励磁機アセンブリにおいて、前記第１および第２切替え装置が金属酸化物半導体デバイスである励磁機アセンブリ。
【請求項４】
請求項１に記載の励磁機アセンブリにおいて、前記一次巻線は固定ディスクの形態にあり、前記二次巻線は前記固定ディスクから軸線方向に離間され、かつ前記一次巻線と該二次巻線との間にギャップを形成する回転可能なディスクの形態である励磁機アセンブリ。
【請求項５】
請求項４に記載の励磁機アセンブリにおいて、前記固定ディスクおよび前記回転可能ディスクの少なくとも１つが、放射状の積層体から形成される励磁機アセンブリ。
【請求項６】
請求項１に記載の励磁機アセンブリであって、
抵抗性負荷と、
不具合が検出された場合に、前記超電導負荷からのエネルギを前記抵抗性負荷に流れさせるスイッチとをさらに備える励磁機アセンブリ。
【請求項７】
請求項１に記載の励磁機アセンブリにおいて、前記変圧器が多相ＡＣ供給源によって駆動される多相変圧器である励磁機アセンブリ。
【請求項８】
請求項１に記載の励磁機アセンブリにおいて、前記電流調整器が非極低温環境に配置される励磁機アセンブリ。
【請求項９】
請求項８に記載の励磁機アセンブリにおいて、前記電流調整器が、
前記二次巻線および前記超電導負荷との間に位置する直列の第１切替え装置と、
前記超電導負荷と並列で、かつ前記第１切替え装置と超電導負荷との間に位置する第２切替え装置と、
前記二次巻線と前記第１切替え装置との間で並列に配置されたコンデンサと、
前記第２切替え装置が、再充電電流を前記超電導負荷に供給するために開いている場合に、前記第１切替え装置は閉じていることと、
前記第１切替え措置が、電流を分路し前記超電導負荷を通って再循環させるために開いている場合に、前記第２切替え装置は閉じていることとを含む励磁機アセンブリ。
【請求項１０】
請求項９に記載の励磁機アセンブリにおいて、前記第１切替え装置が、絶縁されたゲート・バイポーラ・トランジスタ・デバイスであり、前記第２切替え装置が、高速回復整流ダイオードである励磁機アセンブリ。
【請求項１１】
請求項９に記載の励磁機アセンブリにおいて、前記一次巻線が固定ディスクの形態にあり、前記二次巻線が前記固定ディスクから軸線方向に離間され、かつ前記一次巻線と該二次巻との間にギャップを形成する回転可能なディスクの形態にある励磁機アセンブリ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の励磁機アセンブリにおいて、前記固定ディスクおよび前記回転可能ディスクのうちの少なくとも１つが放射状の積層体から形成される励磁機アセンブリ。
【請求項１３】
請求項８に記載の励磁機アセンブリであって、
抵抗性負荷と、
不具合が検出された場合に、前記超電導負荷からのエネルギを前記抵抗性負荷に流れさせるスイッチとをさらに備える励磁機アセンブリ。
【請求項１４】
請求項８に記載の励磁機アセンブリにおいて、前記変圧器が多相ＡＣ供給源によって駆動される多相変圧器である励磁機アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明の一部は、契約番号Ｆ３３６  １５−９９−Ｃ−２９７０に拠る研究に基づいている。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、回転装置において使用される巻線に向かう電流の流れの制御に関し、より詳細には、超電導巻線に向かう電流の流れの制御に関する。
（背景）
超電導巻線は、損失が小さいというその特性により、電気機器および回転機において利用されている。超電導巻線は、極低温において維持されるが、超電導巻線の駆動に使用する電源は、通常の場合、大気温度（３００°Ｋ）において維持される。
【０００３】
電気機器の設計において、高温の超電導（ＨＴＳ）巻線（即ち、モータ、発電機、磁石）を組み込む際、大気温にある電源から電流を極低温に冷却された巻線に搬送するリード線に伴う熱漏れは、設計上の最重要要素であり、閉じたサイクルの極低温冷却装置のコストおよび熱容量を決定する。これらの損失は、大気温とコイルの温度との温度差が増すにつれて増加する。このようなシステム、とりわけリード線が１ＫＡに近付く電流を搬送するシステムにおいて、熱漏れの影響力を極力小さくするため、多くの手法が提案されている。リード線を蒸発冷却することができない場合、残念ながら、これらの手法ではこのシステム内への高電圧の誘導、即ち大電流リード線対を極低温環境に導入する必要性を排除することができず、これに伴って熱漏れが発生する。超電導コイルが暖かいステータ・コイルに対して回転する場合、回転熱負荷に間接結合された固定極低温冷却器の熱経路のインピーダンスによって設計が制約される、即ち回転式極低温冷却器の大きさ、重量、および熱容量が制約されるために、熱漏れが極低温環境に及ぶという問題は一層重大となる。
【０００４】
多数の大規模な工業用および防衛用途のＨＴＳコイル（例えば、磁石システム、発電機、および同期モータ界磁巻線）が存在するが、これらが必要とする磁界は比較的一定しており、コイルの電流を動作調整前の最初の所望値までランプ・アップするための時間は充分得ることができる。ＨＴＳ巻線を組み込んだ電気機械システムでは、ＨＴＳコイルの電流は、ＨＴＳ導体の限定的な損失のために、磁束クリープの影響を受ける。この小さいが限定的な抵抗性損失による散逸により、電流を定期的に元の状態に回復させること、即ち調整回路を介して「供給し（ｐｕｍｐｅｄ）」、その所望のレベルまで回復させることが求められる。エネルギの入力が必要とされるのは、磁束クリープを補償するためだけである。これらの機能を実行する電子回路および機器は、「磁束ポンプ」と呼ばれる。
【０００５】
（発明の概要）
本発明は、回転機の極低温領域内に配置される超電導磁界コイルのような超電導負荷に電力を供給する励磁機アセンブリおよび手法を特徴としている。励磁機アセンブリは、回転界面を越えて電力を伝導し、界磁コイルにおける磁界制御電流のランプ・アップ（傾斜状の増大）および調整を制御する効率的、且つ信頼性のある手法を提供する。特に、本発明は界磁コイルを通過する電流の再循環経路を制御する。
【０００６】
本発明の一態様では、励磁機アセンブリは一次巻線および二次巻線を有する変圧器と、超電導負荷に向かう磁界励磁電流の流れを示す制御信号を与えるセンサと、回転規準フレームに配置され、制御信号に基づいて磁界励磁電流を所定の値に調整する電流調整器とを備える。二次巻線は、回転規準フレーム内に一次巻線に対して位置決めされる。
【０００７】
本質において、電流調整器は、超電導負荷を通過する電流の再循環経路を制御する。負荷の電流の励磁の流れを監視することによって、所望レベルの電流が初期の充電期間において一旦得られると、負荷への電流提供は、比較的たまに、非常に短い継続時間行うだけでよい。電力の電子制御において得られるコイル電流の持続特性によって、この持続局面の間は、励磁機の一次側のＡＣ信号源をオフにすることできる。これにより、コアおよび巻線双方の損失が削減されるため、励磁変圧器の巻線定格（ｗｉｎｄｉｎｇ  ｒａｔｉｎｇ）を大幅に低減することが可能となる。更に、電流の流れをインテリジェント制御する（ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌｙ  ｃｏｎｔｒｏｌ）ことによって、電力供給関連の構成部品（例えば、励磁機の変圧器）の小型化、軽量化、および電圧定格の大幅な引き下げを図れるため、このシステムの全体効率をあげ、コストを削減することができる。
【０００８】
本発明のこの態様の実施形態は、以下の特徴の内のひとつ以上を含み得る。
電流調整器は、二次巻線と超電導負荷との間において直列の第１切り換え装置と、超電導負荷と並列で、かつ第１切替え装置と超電導負荷との間に位置する第２切り換え装置と、第２巻線と第１切替え装置との間に配置され、かつ第２切替え装置と並列であるコンデンサとを備える。第２切替え装置が、再充電電流を超電導負荷に供給するために開いているとき、第１切替え装置は閉じており、第１切替え装置が、電流を分路させ、超電導負荷を通って再循環させるために開いているとき、第２切替え装置は閉じている。
【０００９】
一実施形態では、第１および第２切替え装置を、極低温領域内、例えば超電導負荷が配置される領域と同一の領域内に配置する。この場合、第１および第２切替え装置は、金属酸化物半導体デバイスであることが好ましい。金属酸化物半導体デバイスの極低温冷却はオン抵抗特性を減少させることが判明しており、これによって再循環ループにおける損失はさらに削減される。
【００１０】
代替実施形態では、電流調整器を非極低温環境内に配置する。従って、極低温冷却は、超電導負荷にのみ限定される。そのような構成によって、第１切替え装置および第２切替え装置それぞれに対して、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタおよび高速回復整流器を含んだ、更に高電圧の半導体デバイスを使用することが可能となる。ＭＯＳＦＥＴのアレイに代わりに、大型パワーブロックが使用可能であるので、アセンブリおよび関連の駆動電子機器の複雑さが低減される。非極低温冷却装置の電圧が高くなるほど、電力の散逸は増加するが、この電力散逸は極低温環境の外側で行われるため、複雑な熱管理は行わずとも装置を冷却するための質量（ｍａｓｓ）は充分得られる。その上、切替え装置または関連の電子機器に不具合が起こった場合に、切替え装置にアクセスするために、低温維持装置を開ける必要がないため、修理および保守を容易に行うことができる。
【００１１】
上記負荷は、高温超電導体を備えた超電導コイルである。一次巻線は固定ディスクの形態にあり、二次巻線は固定ディスクから軸線方向に離間し、一次巻線と該二次巻線との間に隙間を形成する回転可能なディスクの形態にある。本質的に、回転ディスクおよび固定ディスクによって、超電導負荷内においてＡＣ電圧および電流を誘導する変圧器が提供される。一実施形態では、固定ディスクおよび回転可能ディスクは、放射状の積層体から形成される。
【００１２】
上述の実施形態のすべてにおいて、励磁機アセンブリは、不具合が検出された場合に、エネルギが超電導負荷から抵抗性負荷に向かって流れることを可能にする抵抗性負荷およびスイッチを更に備える。
【００１３】
本発明のひとつ以上の実施形態の詳細を、添付図面および以下の記述に明記する。本発明のその他の特徴、目的、および利点は、以下の記述および図面、ならびに特許請求の範囲から明瞭となろう。
【００１４】
種々の図における同じ参照記号は同じ要素を示す。
（詳細な説明）
図１を参照すると、超電導回転装置と共に用いるための調整回路１０１を備えたブラッシュレス励磁機アセンブリ１００が示されている。一般に、ブラッシュレス励磁機アセンブリ１００は１つ以上の超電導界磁巻線、例えば、ロータ・アセンブリの巻線に必要な電気エネルギを供給する。超電導界磁巻線は、ここではＨＴＳ界磁コイル１０２によって表されているが、巻き層または平型コイルを含む多種多様の構成のいずれであってもよい。界磁コイル１０２は、ロータ・アセンブリの極低温チャンバ（例えば、低温維持装置）内で維持される。極低温チャンバ（図示せず）は超電導に資する温度（例えば、２０°ないし１１０°Ｋ）において界磁コイル１０２を維持する。更に詳細には、ブラッシュレス励磁機アセンブリは、エネルギを回転規準インターフェースを越えてロータ・アセンブリの界磁コイル１０２に供給する。
【００１５】
図１に示すように、ブラッシュレス励磁機アセンブリ１００は、ＡＣ電力源１１０から電流を受け取る一次巻線１０８と、二次巻線１１２とを備える。ＡＣ電力源１１０は、変圧器１０６のコア断面および質量の低減を可能にする高周波励磁源（例えば、４００Ｈｚないし２ＫＨｚ）であることが好ましい。一実施形態では、変圧器１０６は、鉄粉Ｕ字型コアのような、エアギャップが配された圧縮粉末コア部材料のセグメント化された部分から構成されるコア１０７を備える。この場合、コア・セグメントはエアギャップによって分離され、半径方向に配置され、かつエア・セグメント同士が互いに角度を有して位置し、変圧器コアの「環状ディスク」を形成している。また、ブラッシュレス励磁機アセンブリ１００は、ＡＣ電流を整流し、且つ界磁コイル１０２が必要とするＤＣ電流を供給するための、二次巻線１１２に接続された全波ブリッジ整流器１１４と、蓄積コンデンサ（ｓｔｏｒａｇｅ  ｃａｐａｃｉｔｏｒ）１１６とを備える。本質的に、ブラッシュレス励磁機アセンブリ１００は、導電性リード線またはジョイントがないところで、極低温バリアを越えて電力を伝達する「磁束ポンプ（ｆｌｕｘ  ｐｕｍｐ）」として機能する。
【００１６】
図２を参照すると、一次巻線２１２および二次巻線２０８（図１の１次巻線１０８および二次巻線１１２と構造上同等物）は固定コア２０２および回転コア２０４をそれぞれ備える。固定コア２０２は、回転コア２０４からエアギャップ２０５によって離間され（例えば、１〜４ｍｍ）、例えば、回転機のステータ・アセンブリに取り付けられ得る。回転コア２０４は、透磁率の高い材料（例えば、鉄）で形成され、かつ溝２０６を備え、この溝２０６内にはコイル巻線２０８が配置される。固定コア２０２も同様に高い透磁率の材料で形成され、かつ溝２１０を備え、この溝２１０内には、コイル巻線２１２が配置される。渦電流を低減するため、回転コア２０４および固定コア２０２はワニスまたは酸化物によって分離された積層体として形成される。
【００１７】
コア２０２，２０４は、巻線２０８が巻線２１２の真向かいに位置するように、配置される。コイル巻線の各々は、連続した絶縁銅線から巻回される。
よって、上記ディスクの構成により、変圧器の一次巻線１０８に対して回転する二次巻線１１２（または、その逆）を有する変圧器１０６が提供される。この特定の構成の重要な特徴の１つは、固定コア２０２および静止時の回転コア２０４によって生成される磁束鎖交（ｆｌｕｘ  ｌｉｎｋａｇｅ）は、回転コアの回転時の磁束鎖交と同じであることである。言い換えると、変圧器１０６は、一次巻線および二次巻線間において回転に対して不変である結合を有するように形成されている。即ち、誘導された電圧は、二次巻線に対する一次巻線の回転速度および瞬時位置とは無関係である。この構成は、回転コア２０４の回転前（即ち、回転機が動作する前に）に界磁コイル１０２の充電を可能にするという利点がある。
【００１８】
図１を再度参照すると、調整回路１０１は、同期ステップダウン（「降圧（ｂｕｃｋ）」）ＤＣ−ＤＣコンバータ構成に類似したハーフ・ブリッジ配列に配置された一対のＭＯＳＦＥＴ切り換え装置１２０，１２２を備える。しかしながら、この実施形態では、従来のＬＣ出力フィルタは、界磁コイル１０２で置き換えられており、コンバータは平均磁界励磁電流の調整に使用されている。
【００１９】
あらゆる超電導磁気コイルの場合と同様に、ＨＴＳ界磁コイルは、初期冷却について監視する必要があり、破局的故障を回避するために、コイル内に蓄積されエネルギを十分な余裕をもってダンプしなければならない。従って、この問題に対処するには、コイルと直列の付加的な切替え装置１３８を常に備えておく。従って、スイッチ１３８は通常は閉じられており、冷却する場合には、界磁コイル１０２からのエネルギを散逸させるのに使用されるダンプ抵抗１４０に分路させる。即ち、通常の動作では、切替え装置１３８は、通常、電流がダンプ抵抗１４０を迂回するように動作する。前記ダンプ抵抗１４０は、ロータ・アセンブリの低温空間の外側に位置することが好ましい。
【００２０】
更に、この実施形態では、ＭＯＳＦＥＴデバイス１２０，１２２は、小さなオン抵抗を示し、絶縁破壊することなく電圧調整器における最大逆電圧に対応するＮチャンネルのエンハンスメント・モード・デバイスである。その上、ＭＯＳＦＥＴデバイスは、極低温に冷却されると、そのオン抵抗を有利に低減するが、その動作電圧定格も低下するという犠牲を払うことになる（例えば２０％）。実施形態によっては、ＭＯＳＦＥＴ切替え装置のオン抵抗を更に小さくするために、いくつかのＭＯＳＦＥＴデバイスを並列に接続する。実際、多くのＭＯＳＦＥＴデバイスを結合して大きな並列アレイとすることは可能である。
【００２１】
磁界電流制御装置１３０は、ＭＯＳＦＥＴデバイス１２０，１２２のそれぞれのゲートを制御する一対のゲート駆動回路を備える。ゲート駆動回路は論理制御信号に応答し、一方はもう一方の反転である。ＭＯＳＦＥＴ装置１２０，１２２を極低温に冷却する実施形態では、磁界電流制御装置１３０もまた極低温に冷却することが一般には好ましい。
【００２２】
動作において、ＡＣ電力源１１０から供給された交流電流は、一次巻線１０８において変化する磁界を誘導し、次に、一次巻線１０８は交流電流を二次巻線１１２に誘導する。整流器１１４は、二次巻線１１２で誘導された交流電流を直流電流に変換する。直流電流は、ＭＯＳＦＥＴデバイス１２０，１２２によって、界磁コイル１０２へ選択的に伝導される。詳細には、ＭＯＦＳＥＴデバイスは、（１）充電電流を界磁コイル１０２へ供給すること（「ランプ」モード）、および（２）再循環電流を界磁コイル内へ供給すること（「持続」モード）とを交互に行うように制御装置１３０によって制御される。
【００２３】
ランプ・モードでは、ＭＯＳＦＥＴデバイス１２２は閉じられ、一方、ＭＯＳＦＥＴデバイス１２０は開かれる。その結果、整流器１１４（およびコンデンサ１１６）からのＤＣ電流は、界磁コイル１０２に印加され、これによって電流の流れをランプ・アップする。ランプ・モードでは、界磁コイル１０２内の電流が所望のレベルに到達するまでＤＣ電流を供給し、その到達時点でＭＯＦＳＥＴデバイス１２０，１２２の各々の状態が変化して、電圧調整器を持続モードにする。
【００２４】
持続モードでは、ＭＯＦＳＥＴデバイス１２２は開かれ、一方、ＭＯＦＳＥＴデバイス１２０は閉じられ、界磁コイル１０２を通過する電流を分路する。極低温度においては、界磁コイル１０２は超電導であり、損失は比較的小さい。従って、界磁コイルの小さな損失は別として、持続モードにおける損失のかなりの部分はＭＯＦＳＥＴデバイス１２０に起因する。ＭＯＦＳＥＴデバイス１２０は、ＭＯＦＳＥＴデバイス１２０は殆ど常に電流を搬送する（界磁コイルは、かなり持続性があるものと思われる）ため、電圧降下は最小であるように形成される。ランプ・アップ・モードおよび持続モードを交互に行うことによって作動する切替え回路の動作に関する更なる詳細は、米国特許第５，９６５，９５９号に記載されている。
【００２５】
ＭＯＦＳＥＴデバイス１２０，１２２は同時に作動しないことが認識されるであろう。実際、同時制御は切替え制御装置１３０によって阻止され、標準的な実施によると、ＭＯＦＳＥＴデバイス１２０の起動とＭＯＦＳＥＴデバイス１２２の起動との間に、短い時間間隔、即ち「デッドタイム」の経過を可能とする。更に、実施形態によっては、ＭＯＦＳＥＴ切替え装置１２０，１２２の作動は、互いに排他的であるので、切替え制御を作動させるには１つの論理信号のみを必要とする。つまり、切り替え制御装置１３０によって与えられるゲート駆動信号は、基本的に相補的論理信号である。
【００２６】
先に論じたように、整流器１１４（およびコンデンサ１１６）からの直流電流は界磁コイル１０２に印加されて、比較的短時間（例えば数秒）で界磁コイル１０２における最終の励磁電流レベルにランプ・アップする。この時点で、ＭＯＦＳＥＴスイッチ１２０，１２２を切り替えて、調整器を持続モードにする。一旦持続モードになると、一次巻線１０８を通過する入力電流は事実上ゼロに降下する。スイッチ制御装置１３０は、検知回路１３２を使用して、界磁コイル１０２における電流レベルを監視する。界磁コイルの低損失特性により、磁界励磁電流はゆっくりと減衰する。しかしながら、検知回路１３０が所定の閾値（例えば、最終励磁電流の１％）を下回る降下を検出すると、ＭＯＦＳＥＴスイッチ１２２は非常に短い期間（例えば、１０ミリ秒未満）起動して、界磁コイル１０２に電流を供給し、所望の最終励磁電流レベルに戻す。特に、コンデンサ１６は、その短期間にわたって（一般的には正弦波の１／４未満）放電して界磁コイル１０２に供給し、この時点でＭＯＦＳＥＴデバイス１２０，１２２を切り替え、調整器を持続モードに戻す。上記供給スイッチの動作継続時間を必要に応じて制御することによって、磁界電流を定期的に復帰させる。コンデンサから界磁コイルへのエネルギの伝達は、コンデンサの共振放電であることが認められよう。コンデンサがゼロボルトを超えて放電することを許容されないか、またはコイルが共振作用によってその超えた分を逆の極性において再充電する。従って、復帰動作の最大継続時間は、コンデンサのコイルインダクタンスとの共振期間の１／４である。これは、また復帰サイクルの終了時におけるインダクタの電流増加の最大増加分にも対応する。制御装置は、ポンプサイクル毎のコイル電流の増分変化が切替え動作連続時間を調節することによって得られる最大増分を下回るように調節または調整を行うように、プログラムされる。
【００２７】
本質において、コンデンサ１１６は比較的まれに、且つ比較的短い継続時間にわたって、界磁コイル１０２に「細流」充電を提供するように機能する。例えば、界磁コイル１０２は、励磁するためには、わずか数十ミリ秒を要するが、再循環の周期間には数分が経過する場合もある。調整回路１０１をこのように制御する重要な利点の一つは、変圧器１１２と関連がある。即ち、電流は非常に短い時間期間にわたって二次巻線１０８を通過するので、非常に小さな定格の二次巻線を有する変圧器の使用が可能である。実際、初期のランプ・アップ期間中に、界磁コイル１０２を所望の値に充電するために必要な短い時間期間にわたって、通常の定格を超えて二次巻線が作動することができるように、二次巻線の大きさおよび定格を選択することが可能である。
【００２８】
界磁電流制御装置１３０からデータを受信して格納するために、データ・ロギングおよびマスタ・モータ制御装置１３４を備える。回転側の界磁電流制御装置１３０と、モータの固定側のデータ・ロギングおよびマスタ・モータ制御装置１３４との間での双方向通信が必要とされる。界磁電流制御のための設定値コマンドを発行し、制御電子機器および回転電力電子機器はこれに基づいて動作しなければならない。回転制御は、現在発行されているあらゆる設定値に対して自律的であるが、回転制御は、電流調整およびコイル保護の双方のために、コイルの電圧および電流を捕捉し、監視しなければならない。制御装置１３４は、回転側のステータスを示す遠隔測定によって得られたデータを受信しなければならない。このステータスは、温度および界磁コイルの状態を示すその他のデータを含み得る。界磁コイル制御装置１３０はＡ／Ｄ変換およびデジタルＩ／Ｏを備えたマイクロコントローラを有し、切替え装置を局所的に制御してコイル電流の調整し、コイル状態の検知し、さらにデータおよびステータスを固定側に遠隔測定装置で伝える。
【００２９】
双方向通信は、パルス・コード変調搬送波赤外線光通信送受信を使用する。従って、制御装置１３４と通信を行うためのインターフェイス・プロトコルは、標準のＲＳ−２３２またはＲＳ−４８５とすることができ、これによって、任意のシリアル・ポートを備えたコンピュータがこのモータと通信を行うことが可能となる。一実施形態では、１２００ボー・シリアル・データ転送速度で変調された５６．８ＫＨｚ搬送波を使用している。送信器および受信器は密接に結合され、受信信号は回転しても不変であるようにしてある。これは、上述の変圧器１０６の一次巻線および二次巻線の場合と同様である。回転不変は、いくつかの同期駆動９４０ｎｍＩＲエミッタ１３６を使用して、光源領域（輪）を形成することによって達成される。回転側のマイクロコントローラは、捕捉した信号を変換し、デジタルコード化したデータ列を定期的な所定のタイムスケジュールに基づいて固定側に送信する。固定側からのコマンドを必要に応じて回転側に送信し、界磁電流の設定値を変更する。この通信は、半二重であるため、回転境界を越える送信および受信の双方に対して１つの波長が使用可能である。若干高いかまたは低い変調周波数が使用可能であり、その他のＩＲ波長もまた許容可能であることが認識されるであろう。
【００３０】
図３を参照すると、別の実施形態においては、調整回路が低温空間から除去され、極低温環境内には界磁コイルのみが残っている。電子機器を低温空間の外側に配置することによって、第１および第２切替え装置に対してＩＧＢＴを備えただより高電圧の半導体デバイスを使用することが可能となる。例えば、図３に示すように、図１の低温実施形態のＭＯＳＦＥＴデバイス１２０，１３８が、それぞれより大きな電力のＩＧＢＴデバイス１４２，１４４で置き換えられている。ＭＯＦＥＴデバイスは高速回復整流ダイオード（ｆａｓｔ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ  ｄｉｏｄｅ）１４６で置き換えられる。この実施形態の１つの利点は、ＭＯＳＦＥＴのアレイの代わりに、大型パワーブロックが使用できるために、アセンブリおよび関連の駆動電子機器を簡素化することができることである。非極低温冷却ＩＧＢＴデバイスにおいては、電圧が高くなるほど、電力の散逸は増大するが、この電力散逸は極低温環境の外側で行われるので、複雑な熱管理を行わずとも、デバイスを冷却するための充分な質量が得られる。更に、切替え装置または関連の電子機器に不具合が生じた場合に、切替え装置にアクセスするのに低温維持装置を開ける必要がないために、修理保守が簡単に行える。
【００３１】
一般的に、上述の超電導切替え装置は、システムの動作電圧に相応した電圧定格を有する。しかしながら、切替え装置の定格を超え得る一過性の電圧レベルに対処するため、広く容認されている標準的な実施に基づいて、スナバ回路またはクランプ回路といった過電圧保護を組み込みことが可能であることが認識されよう。このような一過性の現象は、同期モータの誘導モードにおいて起動動作中は特に問題である。
【００３２】
図３Ａを参照すると、追加の高速回復ダイオード１５０を有する調整回路の代替実施形態が示されている。ダイオード１５０は、通常、ダイオード１４６の電圧定格と同じ電圧定格を有している。本質において、ダイオード１５０の追加によりフル・ブリッジの整流装置が形成される。この整流装置は、以下に記述するように、別の利点を提供する。ＩＧＢＴデバイス１４２，１４４はまた、通常、ＩＧＢＴデバイスと共に一緒にパッケージされるダイオード１４２Ａ，１４４Ａを有するように示されている。図１のＭＯＳＦＥＴ構成においては、そのようなダイオードは、一般的には、内蔵ドレイン・ソース間ダイオード（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ  ｄｒａｉｎ−ｔｏ−ｓｏｕｒｃｅ  ｄｉｏｄｅ）の形態にある。
【００３３】
動作においては、ＩＧＢＴデバイス１４４に接続された界磁コイル１０２の端部が、ＩＧＢＴデバイス１４２に接続された界磁コイルの端部に対して正である場合、一緒にパッケージされたダイオード１４４Ａ，１４２Ａは、界磁コイルを介して導通し、最初の半周期の間にコンデンサ１１６を充電する。界磁コイル１０２の極性が逆の半周期において逆転すると、ダイオード１４６，１５０が導通する。従って、ＡＣ電流が界磁コイル１０２に誘導されると、あたかも、変圧器１０６の二次巻線１１２がコンデンサ１１６の中にブリッジ整流されているかのように、単極性のＤＣがコンデンサ１１６において生成される。即ち、界磁コイル１０２は、変圧器１０６に代わって、コンデンサ充電源として動作する。
【００３４】
この手法は、同期超電導モータが誘導モータとして始動し、次に一旦モータのシャフト速度が一定の閾値レベル（例えば、速度計により測定された）に到達すると、モータが同期モードに切り替えられ、界磁コイルのランプ・アップが開始する用途においては特に魅力的である。従って、エネルギは、二次巻線１１２からは供給されることなく、コンデンサ１１６に供給される（即ち「プレチャージ」される）。用途によっては、かなりの量のエネルギを、電源１１０の起動前にコンデンサ１１６に蓄積することができる。
【００３５】
図４を参照すると、３段階の励磁変圧器２００が、３個の一次構造２００ａ，２０４ａ，２０６ａおよびこれに対応する第二次構造２０２ｂ，２０４ｂ，２０６ｂを備えて示されている。一次構造２００ａ，２０４ａ，２０６ａは、変圧器の長手方向軸線２１０を中心として同心円状に配置され、半径方向に互いに離間されている。二次構造２０２ｂ，２０４ｂ，２０６ｂは同様に軸線２１０を中心として配置され、ギャップ２１４によって、対応する一次巻線から半径方向に離間（例えば、１〜４ｍｍ）されている。各一次構造は、比較的高い透磁率の材料で形成されるＵ字型のコア部材２１６，２１８，２２０を備え、一次巻線２１６ａ，２１８ａ，２２０ａを支持する。一次巻線は、Ｕ字型のコア部材２１６’，２１８’，２２０’内に支持された二次巻線２１６ｂ，２１８ｂ，２２０ｂと対向関係に配置される。一次構造および二次構造のＵ字型コア部材は、隣接する巻線同士を隔離するように機能する。一次構造２００ａ，２０４ａ，２０６ａのそれぞれは、三相ＡＣ供給源（図示せず）の対応する相によって駆動される。二次構造２０２ｂ，２０４ｂ，２０６ｂは、従来の半導体多相整流器に接続されている。
【００３６】
代替実施形態では、三相変圧器３００は、軸線３１０に沿って同心円上に取り付けられた３個の一次構造３０２ｂ，３０４ｂ，３０６ｂによって取り囲まれた３個の二次構造３０２ａ，３０４ａ，３０６ａを備える。上記で説明したように、一次構造の巻線はＵ字型のコア部材３０２，３０４，３０６によって支持され、二次構造の巻線は対応するＵ字型のコア部材３０２’，３０４’，３０６’内で支持されている。Ｕ字型コア部材３０２，３０４，３０６は、対応するＵ字型コア部材３０２’，３０４’，３０６’からはギャップ３１４により離間されている。
その他の実施形態は特許請求の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるブラッシュレス励磁機および調整回路の回路図。
【図２】  図１のブラッシュレス励磁機アセンブリの変圧器の線図。
【図３】  ブラッシュレス励磁機アセンブリの代替実施形態の回路図。
【図３Ａ】  ブラッシュレス励磁機アセンブリの別の代替実施形態の回路図。
【図４】  本発明の多相の実施形態において使用される多相変圧器の線図。
【図５】  多相変圧器の代替実施形態の線図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【図５】
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