(57)【要約】超伝導コイル、極低温システム、直流電圧源、ＳＭＰＳ、電流リード、及びコントローラを含む磁石アセンブリが記載されている。極低温システムはクライオスタットを含み、超伝導コイルを超伝導体の臨界温度よりも低い動作温度に維持するように構成される。直流電圧はクライオスタットの外部に位置する電源である。ＳＭＰＳはクライオスタットの内部に位置し、直流電圧源から超伝導コイルに電力を供給するように構成される。ＳＭＰＳは、一次巻線及び二次巻線を有する降圧変圧器を含む。電流リードは直流電圧源をＳＭＰＳに接続する。コントローラは、ＳＭＰＳに、磁石を動作電流までランプアップするために第１の電力量を磁石に供給させ、磁石の定常状態動作中に第２の電力量を磁石に供給させるように構成され、第１の電力量は第２の電力量よりも大きい。
2020507925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石アセンブリであって、
超伝導コイルと、
クライオスタットを含み、前記超伝導コイルを前記超伝導体の臨界温度よりも低い動作温度に維持するように構成された極低温システムと、
前記クライオスタットの外部に位置する直流電圧源と、
前記クライオスタットの内部に位置し、前記直流電圧源から前記超電導コイルに電力を供給するように構成されたスイッチモード電源（ＳＭＰＳ）であって、一次巻線及び二次巻線を有する降圧変圧器を含むＳＭＰＳと、
前記直流電圧源を前記ＳＭＰＳに接続する電流リードと、
前記磁石を動作電流までランプアップさせるために前記ＳＭＰＳに第１の電力量を前記磁石へ供給させ、前記磁石の定常状態動作中に前記ＳＭＰＳに第２の電力量を前記磁石へ供給させるように構成されたコントローラであって、前記第１の電力量は前記第２の電力量よりも大きいコントローラと
を含む磁石アセンブリ。
【請求項２】
磁石アセンブリであって、
超伝導コイルと、
前記超伝導コイルを前記超伝導体の臨界温度よりも低い動作温度に維持するように構成された極低温システムと、
室温にある直流電圧源と、
室温未満でかつ超伝導体の臨界温度以上の温度で動作するように構成されたスイッチモード電源（ＳＭＰＳ）と、
前記直流電圧源を前記ＳＭＰＳに接続する第１の電流リードと、
前記ＳＭＰＳを前記磁石に接続する第２の電流リードと、
前記磁石を動作電流までランプアップさせるために前記ＳＭＰＳに第１の電力量を前記磁石へ供給させ、前記磁石の定常状態動作中に第２の電力量を前記磁石へ供給させるように構成されたコントローラであって、前記第１の電力量は前記第２の電力量よりも大きい、コントローラと
を含む磁石アセンブリ。
【請求項３】
前記変圧器は非絶縁巻線を有する、請求項１に記載の磁石アセンブリ。
【請求項４】
前記変圧器は絶縁巻線を有する、請求項１又は２に記載の磁石アセンブリ。
【請求項５】
前記変圧器は、前記巻線を連結する透磁性材料のコアを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項６】
前記変圧器は空心を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項７】
磁石アセンブリであって、
超伝導コイルと、
クライオスタットを含み、前記超伝導コイルを前記超伝導コイルの臨界温度よりも低い動作温度に維持するように構成された極低温システムと、
前記クライオスタットの外部に位置する直流電圧源と、
前記直流電圧源から前記超電導コイルに電力を供給するように構成されたスイッチモード電源（ＳＭＰＳ）であって、一次巻線及び二次巻線を有する降圧変圧器を含み、前記一次巻線は前記クライオスタットの外部に位置し、前記二次巻線は前記クライオスタットの内部に位置するＳＭＰＳと、
前記直流電圧源を前記ＳＭＰＳに接続する電流リードと、
前記二次巻線を前記磁石に接続する電流リードと、
前記磁石を動作電流までランプアップさせるために前記ＳＭＰＳに第１の電力量を前記磁石へ供給させ、前記磁石の定常状態動作中に前記ＳＭＰＳに第２の電力量を前記磁石へ供給させるように構成されたコントローラであって、前記第１の電力量は前記第２の電力量よりも大きいコントローラと
を含む磁石アセンブリ。
【請求項８】
前記変圧器は空心であり、共振変圧器である、請求項７に記載の磁石アセンブリ。
【請求項９】
前記変圧器は、前記巻線を連結しかつ前記クライオスタットの壁を貫通する透磁性材料のコアを含む、請求項７に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１０】
前記コアは、鉄、アモルファス鋼、及びフェライトのうちのいずれか１つから形成される、請求項９に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１１】
前記コントローラは、前記第１の電力量を供給するために前記ＳＭＰＳを第１のデューティサイクルで動作させ、前記第２の電力量を供給するために前記ＳＭＰＳを第２のデューティサイクルで動作させ、前記第１のデューティサイクルは前記第２のデューティサイクルよりも大きい、請求項１から１０のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１２】
前記コントローラは、前記第１の電力量を供給するために前記直流電圧源に第１の電圧を前記ＳＭＰＳへ供給させ、前記第２の電力量を供給するために前記直流電圧源に第２の電圧を前記ＳＭＰＳへ供給させるように構成され、前記第１の電圧は前記第２の電圧よりも大きい、請求項１から１１のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１３】
前記超伝導コイルは前記ＳＭＰＳのエネルギー蓄積インダクタとして機能する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１４】
少なくとも前記変圧器の二次巻線は超伝導材料を含み、前記冷却システムは、前記超伝導材料を前記超伝導材料の臨界温度以下に維持するように構成される、請求項１から１３のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１５】
前記変圧器の二次巻線はＨＴＳを含む、請求項１４に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１６】
前記ＳＭＰＳは、フォワードコンバータ、プッシュプルコンバータ、ハーフブリッジコンバータ、及びフルブリッジコンバータのうちの１つであるトポロジーを有する、請求項１から１５のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１７】
前記ＳＭＰＳのスイッチング速度は、１ｋＨｚ以下、より好ましくは１００Ｈｚ以下、さらに好ましくは１０Ｈｚ以下である、請求項１から１６のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１８】
前記コントローラは、前記磁石が定常状態動作中であるときに前記超伝導コイル内の実質的に一定の電流を維持するために、前記超伝導コイル内の電流を監視し、前記ＳＭＰＳに供給される前記第２の電力量を調整するように構成される、請求項１から１７のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１９】
前記超伝導コイルは、高温超伝導体（ＨＴＳ）及び低温超伝導体（ＬＴＳ）の一方又は両方を含む、請求項１から１８のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項２０】
磁石アセンブリの超伝導コイルに電力を供給する方法であって、
前記方法は、
一次巻線及び二次巻線を有する変圧器を含み、前記二次巻線は前記磁石アセンブリのクライオスタットの内部にあるスイッチングモード電源（ＳＭＰＳ）を提供することと、
前記クライオスタットの外部の直流電圧源から前記ＳＭＰＳを介して前記コイルに第１の電力量を供給することによって前記磁石を励磁することと、
前記直流電圧源から前記ＳＭＰＳを介して前記コイルに第２の電力量を供給することによって前記磁石の定常状態動作を維持することと
を含み、
前記第１の電力量は前記第２の電力量よりも大きい方法。
【請求項２１】
前記ＳＭＰＳは、前記第１の電力量を供給するために第１のデューティサイクルで動作し、前記第２の電力量を供給するために第２のデューティサイクルで動作し、前記第１のデューティサイクルは第２のデューティサイクルよりも小さい、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記直流電圧源は、前記第１の電力量を供給するために第１の電圧を供給し、前記第２の電力量を供給するために第２の電圧を供給し、前記第１の電圧は前記第２の電圧よりも小さい、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記一次巻線は前記クライオスタットの外部にある、請求項２０から２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記一次巻線は前記クライオスタットの内部にある、請求項２０から２２のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超伝導磁石用の電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導磁石は、超伝導材料のコイルから形成される電磁石である。磁石コイルは抵抗がゼロであるため、超伝導磁石はゼロ損失で高電流を流すことができ（非超伝導コンポーネントによるいくらかの損失は存在するが）、従来型の電磁石よりも低い損失で高磁場を達成することができる。
【０００３】
超伝導は、特定の材料でのみ、かつ、低温でのみ起こる。超伝導材料は、超伝導体の臨界温度（材料が印加磁場ゼロで超伝導体となる最高温度）と超伝導体の臨界磁場（材料が０Ｋで超伝導体となる最高磁場）とによって定義される領域において超伝導体として振る舞う。超伝導体の温度及び存在する磁場は、超伝導体が抵抗性（又は「常伝導性」、本明細書では「超伝導ではない」という意味で使用される）になることなく超伝導体により搬送可能な電流を制限する。超伝導材料には２つのタイプが存在する。タイプＩの超伝導体は、磁束侵入を完全に排除しかつ低い臨界磁場を有し、タイプＩＩの超伝導体は、磁束がフラックス渦と呼ばれる局所的な常伝導領域のより低い臨界磁場の上で超伝導体を貫通することを可能にする。それらは上部臨界磁場では超伝導しなくなる。この特徴は、それらを超伝導磁石の構造用のワイヤーに使用することを可能にする。フラックス渦部位を原子格子に固定するために多大な努力が払われており、それにより、より高い磁場及び温度において臨界電流が改善される。
【０００４】
大まかに言って、タイプＩＩの超伝導体には２つのカテゴリーが存在する。低温超伝導体（ＬＴＳ）は一般に（外部磁場なしで）２０Ｋよりも低い臨界温度を有し、高温超伝導体（ＨＴＳ）は一般に４０Ｋを超える臨界温度を有する。現在の多くのＨＴＳ材料は、７７Ｋを超える臨界温度を有するので、冷却用の液体窒素の使用が許される。しかしながら、当業者には明らかなように、ＬＴＳ及びＨＴＳは臨界温度以外の基準によって区別され、ＨＴＳ及びＬＴＳは特定の種類の材料に関する技術用語である。一般的に（排他的ではないが）、ＨＴＳ材料はセラミックであり、ＬＴＳ材料は金属である。
【０００５】
ＨＴＳ磁石の１つの用途はトカマク核融合炉である。トカマクは、核融合が起こり得るように熱安定プラズマを提供するために、強いトロイダル磁場と、高いプラズマ電流と、通常、大きなプラズマ体積とかなりの補助加熱との組み合わせを特徴とする。補助加熱（例えば、数十メガワットの高エネルギーＨ、Ｄ又はＴの中性ビーム入射による）は、核融合が起こるのに必要な十分に高い値まで温度を上昇させるため及び／又はプラズマ電流を維持するために必要である。
【０００６】
経済的な発電に必要とされる核融合反応（すなわち、電力入力よりもはるかに多くの電力出力）を得るために、従来のトカマクは、エネルギー閉じ込め時間（プラズマ体積におおよそ比例する）が十分大きくなり、熱溶融が起こるのに十分なほどプラズマが高温になることができるように大きくなければならない。
【０００７】
特許文献１は、中性子源又はエネルギー源として使用するためのコンパクトな球状トカマクの使用を含む代替的なアプローチを記載している。球状トカマクにおける低アスペクト比のプラズマ形状は、粒子閉じ込め時間を改善し、はるかに小さい機械での正味の発電を可能にする。しかしながら、小さな直径の中心柱が必要であり、それはプラズマ閉じ込め磁石の設計に対する課題を提示する。
【０００８】
トカマクにとってのＨＴＳの主な魅力は、強磁場において高電流を搬送するＨＴＳの能力である。これは、中心柱の表面の磁束密度が２０Ｔを超えるようなコンパクトな球状トカマク（ＳＴｓ）において特に重要である。副次的な利点は、ＨＴＳがＬＴＳよりも高い温度、例えば約２０Ｋで高磁場において高電流を流すことができることである。これは、より薄い中性子シールドの使用を可能にし、その結果、中心柱のより高い中性子加熱をもたらし、これは液体ヘリウムを使用する（すなわち、４．２Ｋ以下での）操作を排除する。これは次に、約２ｍ未満、例えば約１．４ｍの主プラズマ半径を有する球状トカマクの設計を検討することを可能にする。このような装置は、極低温冷却のためにその電力出力の数パーセントをリサイクルするであろう。
【０００９】
それでもなお、このような磁石は、ＨＴＳ材料を用いて以前に設計されたものよりはるかに大きい。比較的小さいトカマク用でさえもトロイダル磁場（ＴＦ）磁石は、今日までに作られた最大のＨＴＳ磁石であり、ＬＴＳ規格によっても高い蓄積エネルギーを有する大型磁石を示す。
【００１０】
このような磁石を励磁することは重要な技術的課題を提示する。大きなＨＴＳ磁石の輸送電流は５０〜１５０ｋＡであり得る。巻き数が多い（したがって、電流は小さいがインダクタンスは大きい）磁石でも、２０ｋＡを超える輸送電流を有する可能性がある。この電流はクライオスタットの外部からもたらされなければならない。既知の磁石では、これは一般にクライオスタットを通る電流リードの使用によって行われる。しかしながら、このような高電流のために、必要とされる電流リードのサイズによりそれらは非常に大きくかつ高価になる。これは特に、室温の電源から数ケルビン、さらには数十ケルビンの温度の磁石に電流を送る必要がある場合に当てはまる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０３０５５４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明の目的は、電流リードのサイズ、並びにそれらに関連するコスト、複雑さ、及び磁石の極低温環境への熱漏れを低減することである。
【００１３】
中性子照射にさらされた後のコイル部分の修理、保守及び交換を容易にするために、それぞれの巻きに取り外し可能な接合部を有する超伝導磁石を製造することが望ましい。これらの接合部は（数ナノオーム程度の）小さな抵抗を有する。抵抗性接合部を有する超伝導磁石は、動作時に少量の電力（数キロワット程度）を消費する。したがって、いかなる電源もこれを長期間にわたって磁石に供給できなければならない。しかしながら、この低電力を用いて約２ＧＪの蓄積エネルギーでＨＴＳ磁石をランプアップするには数週間かかることになるので、低電力と高電力の両方を供給することができる電源が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の態様によれば、磁石アセンブリが提供される。磁石アセンブリは、超伝導コイル、極低温システム、直流電圧源、スイッチモード電源（ＳＭＰＳ）、電流リード、及びコントローラを含む。極低温システムは、断熱されたクライオスタットと、超伝導コイルを超伝導体の臨界温度よりも低い動作温度に維持するように構成された冷却電源とを含む。直流電圧はクライオスタットの外部に位置する電源である。ＳＭＰＳは、クライオスタットの内部に位置し、磁石と同じ（又はほぼ同じ）温度に冷却され、直流電圧源から超伝導コイルに電力を供給するように構成される。ＳＭＰＳは、一次巻線及び二次巻線を有する降圧変圧器を含む。電流リードは直流電圧源をＳＭＰＳに接続する。コントローラは、ＳＭＰＳに、磁石を動作電流までランプアップするために第１の電力量を磁石に供給させ、磁石の定常状態動作中に第２の電力量を磁石に供給させるように構成され、第１の電力量は第２の電力量よりも大きい。
【００１５】
本発明の第２の態様によれば、磁石アセンブリが提供される。磁石アセンブリは、超伝導コイル、極低温システム、直流電圧源、ＳＭＰＳ、電流リード、及びコントローラを含む。極低温システムは、超伝導コイルを超伝導体の臨界温度よりも低い動作温度に維持するように構成される。直流電圧源は室温にある。ＳＭＰＳは、室温未満でかつ超伝導体の臨界温度以上の温度で動作するように構成される。第１組の電流リードは直流電圧源をＳＭＰＳに接続し、第２組の電流リードはＳＭＰＳを磁石に接続する。各組のリードは温度勾配を支持する。コントローラは、ＳＭＰＳに、磁石を動作電流までランプアップするために第１の電力量を磁石に供給させ、磁石の定常状態動作中に第２の電力量を磁石に供給させるように構成され、第１の電力量は第２の電力量よりも大きい。
【００１６】
本発明の第３の態様によれば、磁石アセンブリが提供される。磁石アセンブリは、超伝導コイル、極低温システム、直流電圧源、ＳＭＰＳ、電流リード、及びコントローラを含む。極低温システムはクライオスタットを含み、超伝導コイルを超伝導体の臨界温度よりも低い動作温度に維持するように構成される。直流電圧源は室温にある。ＳＭＰＳは、直流電圧源から超電導コイルに電力を供給するように構成されている。ＳＭＰＳは、一次巻線及び二次巻線を有する降圧変圧器を含み、一次巻線はクライオスタットの外部に位置し、二次巻線はクライオスタットの内部に位置する。電流リードは二次巻線を磁石に接続する。コントローラは、ＳＭＰＳに、磁石を動作電流までランプアップするために第１の電力量を磁石に供給させ、磁石の定常状態動作中に第２の電力量を磁石に供給させるように構成され、第１の電力量は第２の電力量よりも大きい。
【００１７】
本発明の第４の態様によれば、磁石アセンブリの超伝導コイルに電力を供給する方法が提供される。ＳＭＰＳが設けられ、ＳＭＰＳは一次巻線及び二次巻線を有する変圧器を含み、二次巻線は磁石アセンブリのクライオスタットの内部にある。磁石は、クライオスタットの外部の直流電圧源からＳＭＰＳを介してコイルに第１の電力量を供給することによって起動される。磁石の定常状態動作は、直流電圧源からＳＭＰＳを介してコイルに第２の電力量を供給することによって維持される。第１の電力量は第２の電力量より大きい。
【００１８】
超伝導コイルは、高温超伝導（ＨＴＳ）材料を含み得る。
【００１９】
さらなる実施形態は、請求項２以下に示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】一実施形態による電源の概略図である。
【図２】例示的なＳＭＰＳトポロジーを示す。
【図３】図１の電源の特性のグラフである。
【図４】図１の電源の特性のグラフである。
【図５】更なる実施形態による電源の概略図である。
【図６】図５の電源の特性のグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
クライオスタットを通して大量の磁石輸送電流を供給することを試みるのではなく、クライオスタット内に配置されたスイッチモード電源（ＳＭＰＳ）に（より高い電圧で）はるかに低い電流を供給するためのシステムが以下に提示される。システムは、降圧変圧器と整流器を組み込んでおり、整流器は必要な高い輸送電流を磁石に供給する。磁石自体は、ＨＴＳ、ＬＴＳ、又はその２つの組み合わせを含む超伝導磁石である。従って、クライオスタットの外部に直流電源を接続する抵抗性電流リードは、より低い電流を流す必要があるので、直径を小さくすることができ、電流リード自体及びそれらによってもたらされる熱漏れを除去するのに必要とされる極低温システムに関連するコストを低減する。ＳＭＰＳから磁石への電流リードは低温であり、超伝導体から作られる。
【００２２】
さまざまなＳＭＰＳトポロジーがこの用途に適している。好適なＳＭＰＳは、大きな降圧比を有する変圧器を組み込む必要がある。このようなＳＭＰＳトポロジーは一般に「絶縁型」と呼ばれるが、変圧器は、絶縁巻線又は非絶縁巻線を有する（例えば共有接地を有する）変圧器であることができる。変圧器の一次巻線と二次巻線との間の高い磁束結合係数が望ましい。ＳＭＰＳは一般に、エネルギー貯蔵装置として作用する１つ以上のインダクタ（本実施形態では磁石自体がインダクタである）と、外部ゲート信号によって制御される能動スイッチ（通常、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの固体スイッチ／トランジスタ、又は固体スイッチのアレイとして実施される）と、典型的にはダイオードの形態の、出力電流を整流するための１つ以上の受動スイッチとを含む。ダイオードは、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの能動スイッチに置き換えることができる。
【００２３】
図１に概略的に示すように、１つの可能性はフォワードコンバータを使用することであるが、このトポロジーは例としてのみ記載されており、以下の設計上の考慮事項はあらゆる好適なトポロジーに当てはまるであろう。図１において、境界線１００はクライオスタットを表し、この境界線１００内のものはすべて７７Ｋ以下の極低温環境に位置する。直流電源Ｖ＿ｄｃのみがクライオスタットの外部に位置し、これは電流リード１０１によってＳＭＰＳに接続されている。抵抗Ｒ２は単に磁石の抵抗である。理想的な磁石では、これはゼロになるだろうが、超伝導部分間の接合部又は他のわずかに抵抗のある特徴を有する磁石では、これは数百ナノオームのオーダーである可能性が高い。インダクタンスＬは、通常、ＳＭＰＳの別個の構成要素であるが、この場合、磁石自体のインダクタンスを使用することができる。同様に、静電容量Ｃはまさに磁石の自己静電容量であることができる。抵抗Ｒ１及びスイッチＳ１は、磁石に対する能動的な「クエンチ保護」システムを具現化しており、磁石内の局所的なクエンチが検出された場合にスイッチＳ１を開くことによって、磁石の蓄積エネルギーを抵抗型負荷Ｒ１に放出する。変圧器Ｔｒ２の二次巻線及びクライオスタット内の接続ワイヤーは、超伝導体、好ましくはＨＴＳから製造することができる（たとえ磁石自体がＬＴＳであるとしても、ＳＭＰＳはより高い温度にあり得るので）。一次巻線は超伝導体又は銅であることができる。ＳＭＰＳは、以下により詳細に説明されるように、スイッチＴ１のデューティサイクルを制御するコントローラ１０２を含む。コントローラは図１ではクライオスタットの外部に示されているが、クライオスタット内に配置されてもよい。
【００２４】
図１は、トカマクにトロイダル磁場を提供する超伝導磁石と共に使用するための例示的なシステムの特性を表す図を含む。これらの図は、一実施形態について例示としてのみ提供されており、限定的であると見なされるべきではないことが理解されるであろう。
【００２５】
他の例示的なＳＭＰＳトポロジーは、図２Ａから図２Ｄに示される。図２Ａは、２スイッチフォワードコンバータ２０１を示す。図２Ｂは、プッシュプルコンバータ２０２を示す。図２Ｃは、ハーフブリッジコンバータ２０３を示す。図２Ｄは、共振ＬＬＣコンバータ２０４を示す。図２Ｂ及び図２Ｃにおいて、インダクタＬ  ２２１、２３１は磁石自体であることができる。図２Ｄでは、磁石は負荷の一部になる（図示の共振ＬＬＣコンバータは２次側にインダクタを使用していないため）。図２Ｂ、図２Ｃ及び図２Ｄはスイッチ２２２、２３２、２４２を示しているが、これらはトランジスタ又は同等の固体素子に置き換えることができる。トランジスタを組み込んだ他のＳＭＰＳトポロジーも使用されることができる。
【００２６】
様々なＳＭＰＳ構成要素は、極低温で動作することを要求される。極低温スイッチはよく知られている（例えば、超電導体の一部を意図的にクエンチすることによって作用する超電導スイッチ）が、遅くて大きい。半導体部品（すなわち、図１のダイオードＤ１からＤ３、及びスイッチＴ１、トランジスタ又はよりありそうなトランジスタアレイ）は、最低２０Ｋまでの極低温でうまく機能することが示されている。実際、それらは一般に室温でよりも優れた性能を有しているので、極低温ＰＳＵのための好ましいオプションである。
【００２７】
変圧器Ｔｒ２は典型的なフォワードコンバータと同じように動作するが、抵抗損失を最小限に抑えるために両方の巻線又は少なくとも二次巻線のいずれかを超伝導体、好ましくはＨＴＳから作ることができると思われる。低いスイッチング周波数を使用することにより、ＡＣ損失を最小限に抑えることができる。従来のＳＭＰＳでは、小型のインダクタを使用することができるように、スイッチング周波数は２０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚである。この場合のインダクタは数ヘンリー（例えば、２８ｋＡで１コイルあたり７２巻きの１．４ｍの主半径のＴＦ磁石の場合は約４．７Ｈ）のインダクタンスを有する高出力の超伝導磁石であるため、動作周波数ははるかに低く、例えば、１ｋＨｚ以下、１００Ｈｚ以下、又は１０Ｈｚ以下であることができる。スイッチング周波数は、超伝導変圧器及び磁石における総ＡＣ電力損失、並びに変圧器のコアにおける渦電流及びヒステリシス損失を最小にするように選択されることができる。ただし、低周波数では変圧器が効率的に動作するために大きなコアが必要になる。
【００２８】
変圧器に対する好適なコイル比は、直流電源Ｖ＿ｄｃによって供給される入力電圧によって決まるであろう。変圧器に対して１００％の鎖交磁束に近づくために、一次巻線と二次巻線とを一緒に巻くことができる。巻線は、鉄又はフェライトのような高透磁率を有する材料によって結合されることができる。このような材料の使用は、変圧器が磁石の漂遊磁界から遮蔽されることを必要とするが、トカマクプラズマ閉じ込め磁石の場合、トロイダル形状が本質的に自己遮蔽され、磁石の外部にはほとんど磁界を発生しないため、これは簡単である。しかしながら、これは核融合トカマクにも必要とされるポロイダルコイルの場合には当てはまらない。コアを使用する場合、適切な材料の選択はスイッチング周波数の選択によって決まる。より高いスイッチング周波数（例えば、＞１ｋＨｚ）は、渦電流損の減少により、鉄よりもフェライトを使用することで利益を得ることができる。代わりに、変圧器は「空心」、すなわち中実コアなしであってもよい。
【００２９】
クライオスタットを通る電流リードを提供する代わりに、ＳＭＰＳの変圧器は、（直流電圧源Ｖ＿ｄｃに接続された）一次巻線がクライオスタットの外部にあり、（磁石に接続された）二次巻線がクライオスタットの内部にあるように構成されることができる。一次側の全てのＳＭＰＳ構成要素はクライオスタットの外部にあり（例えばフォワードコンバータ用のスイッチＴ１）、二次側の全てのＳＭＰＳ構成要素はクリオスタットの内部にあるだろう。変圧器は空心であることができ、それはＳＭＰＳによりクライオスタットを通る無視できるほどの追加の熱流しかもたらさないが、変圧器は磁束結合が低いため不十分な電力伝達を有するであろう。不十分な電力伝達は、当技術分野で知られているように、共振変圧器（すなわち、共振誘導結合を使用するもの）を使用することによって改善することができる（例えば、ｈｔｔｐｓ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｒｅｓｏｎａｎｔ＿ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ＿ｃｏｕｐｌｉｎｇ）。代わりに、変圧器は、クライオスタット壁を貫通する（上述のような）中実コアを有してもよい。
【００３０】
図３及び図４は、入力直流電流が２ｋＶ、変圧器の巻数比が２５：１、ランプアップ時の５０％のデューティサイクル（図３）及び定常状態動作時の０．５％のデューティサイクル（図４のｔ＜５０）でのスイッチング周波数が１０Ｈｚの場合の、図１に示した回路のシミュレーションによる様々な結果を示す。グラフにおいて、
・３０１、４０１は、トランジスタＴ１及びダイオードＤ１の各々における（すなわち、変圧器Ｔｒ２の各入力コイルを通る）電流を示す。
・３０２、４０２は、ダイオードＤ２及びダイオードＤ３の各々における（すなわち、変圧器Ｔｒ２の出力コイルを通る）電流を示す。
・３０３、４０３の電流と３０４、４０４の両端の電圧は磁石コイルを示す。
これらの値はすべて例としてのみ使用される。図３はランプアップ時の磁石を示す。スイッチの各パルスは、約８Ａ／ｓの速度で磁石内の電流を増加させる。抵抗Ｒ２は非常に小さいので、スイッチＴ１がオフのとき、磁石電流の減衰はごくわずかである。図４は、時間ｔ＝５０で起こるクエンチ中の磁石を示す。
【００３１】
図５はさらなるシミュレーションに使用される回路を示し、さらなるシミュレーションの結果は図６に示されている。図５のＳＭＰＳは、フルブリッジコンバータトポロジーを有する。前述のように、インダクタンスＬは超伝導磁石コイルであり、Ｒ２は接合抵抗であり、２次側の静電容量５０１、５０２は磁石構成要素の固有静電容量である。図６は、変圧器Ｔｒ３の一次コイルの電流６０１、磁石の電流６０２、及びダイオードＤ１及びＤ２の電流６０３、６０４を示しており、これらは変圧器Ｔｒ２のそれぞれの二次側の電流に対応する。図６で留意すべきは、磁石を流れる電流は負であり、下向きの傾斜は電流の増加を示すことである。
【００３２】
所望の電流が達成されると、デューティサイクルは所望の電流を維持するために下げられる。これは、コントローラがフィードバックループを使用して磁石内の電流を監視し、それに応じてデューティサイクルを調整する（すなわち、電流が低下した場合はデューティサイクルを増加させ、電流が所望の値を上回った場合はデューティサイクルを減少させる）ことによって達成され得る。
【００３３】
負荷に供給される電力を制御する別の方法は、デューティサイクルを同じに保ちながら、直流電圧源Ｖ＿ｄｃによって供給される電圧を変えることである。さらなる代替案として、Ｖ＿ｄｃによって供給される電圧及びデューティサイクルは、供給される総電力を制御するために同時に変更され得る。
【００３４】
磁石のいずれかの部分で局所的なクエンチが検出された場合、スイッチＳ１を開くことによって抵抗Ｒ１が切り替えられ、磁石内の電流は急速に低下してクエンチ領域内の危険な加熱を制限する。このモデルでは、電源は停止されていないが、実際にはこれはクエンチが検出されたときに行われる。
【００３５】
「クライオスタット」という用語は、極低温度が維持される断熱チャンバー、通常は真空容器を意味するために上記で使用されている。ＳＭＰＳが上記の「クライオスタット内」にあると記載されている場合、これは、磁石コイルと同じ真空容器内にあるか、又は接続された真空容器内にあることを意味することがある。代替案として、ＳＭＰＳは、室温と磁石コイルの温度との間の温度に冷却される別個のクライオスタット内に配置されてもよく、又はそのような温度の磁石クライオスタット内の場所に配置されてもよい。ＳＭＰＳが超伝導（ＨＴＳ又はＬＴＳ）部品を含む場合、それらの部品は超伝導体の臨界温度未満に冷却されなければならない。
【００３６】
本発明の背景は核融合炉に関して示されているが、当業者は本発明が超伝導コイルを含むあらゆる磁石、例えばＭＲＩ磁石又はエネルギー貯蔵に適した磁石に適用されることを理解するであろう。
【図１】
2020507925.tif 000003
【図２】
2020507925.tif 000004
【図３】
2020507925.tif 000005
【図４】
2020507925.tif 000006
【図５】
2020507925.tif 000007
【図６】
2020507925.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】令和1年8月13日(2019.8.13)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本発明の第２の態様によれば、磁石アセンブリが提供される。磁石アセンブリは、超伝導コイル、極低温システム、直流電圧源、ＳＭＰＳ、電流リード、及びコントローラを含む。極低温システムは、超伝導コイルを超伝導体の臨界温度よりも低い動作温度に維持するように構成される。直流電圧源は室温にある。ＳＭＰＳは、直流電圧源から超伝導コイルに電力を供給するように構成される。ＳＭＰＳは、一次巻線及び二次巻線を有する降圧変圧器を含む。ＳＭＰＳは、極低温システムの動作中、室温未満でかつ超伝導体の臨界温度以上の温度にある極低温システムの領域内に位置する。第１組の電流リードは直流電圧源をＳＭＰＳに接続し、第２組の電流リードはＳＭＰＳを磁石に接続する。各組のリードは温度勾配を支持する。コントローラは、ＳＭＰＳに、磁石を動作電流までランプアップするために第１の電力量を磁石に供給させ、磁石の定常状態動作中に第２の電力量を磁石に供給させるように構成され、第１の電力量は第２の電力量よりも大きい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
本発明の第４の態様によれば、磁石アセンブリの超伝導コイルに電力を供給する方法が提供される。磁石アセンブリは、超伝導コイルが設けられたクライオスタットを含む。ＳＭＰＳが設けられ、ＳＭＰＳは一次巻線及び二次巻線を有する変圧器を含み、二次巻線は磁石アセンブリのクライオスタットの内部にある。磁石は、クライオスタットの外部の直流電圧源からＳＭＰＳを介してコイルに第１の電力量を供給することによって起動される。磁石の定常状態動作は、直流電圧源からＳＭＰＳを介してコイルに第２の電力量を供給することによって維持される。第１の電力量は第２の電力量より大きい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石アセンブリであって、
超伝導コイルと、
クライオスタットを含み、前記超伝導コイルを前記超伝導体の臨界温度よりも低い動作温度に維持するように構成された極低温システムと、
前記クライオスタットの外部に位置する直流電圧源と、
前記クライオスタットの内部に位置し、前記直流電圧源から前記超電導コイルに電力を供給するように構成されたスイッチモード電源（ＳＭＰＳ）であって、一次巻線及び二次巻線を有する降圧変圧器を含むＳＭＰＳと、
前記直流電圧源を前記ＳＭＰＳに接続する電流リードと、
前記磁石を動作電流までランプアップさせるために前記ＳＭＰＳに第１の電力量を前記磁石へ供給させ、前記磁石の定常状態動作中に前記ＳＭＰＳに第２の電力量を前記磁石へ供給させるように構成されたコントローラであって、前記第１の電力量は前記第２の電力量よりも大きいコントローラと
を含む磁石アセンブリ。
【請求項２】
磁石アセンブリであって、
超伝導コイルと、
前記超伝導コイルを前記超伝導体の臨界温度よりも低い動作温度に維持するように構成された第１のクライオスタットと、室温と動作温度との間の温度を維持するように構成された第２のクライオスタットとを含み、前記超伝導コイルは前記第１のクライオスタット内にある極低温システムと、
室温にある直流電圧源と、
直流電圧源から超電導コイルに電力を供給するように構成されたスイッチモード電源（ＳＭＰＳ）であって、一次巻線及び二次巻線を有する降圧変圧器を含み、前記第２のクライオスタット内に位置するＳＭＰＳと、
前記直流電圧源を前記ＳＭＰＳに接続する第１の電流リードと、
前記ＳＭＰＳを前記磁石に接続する第２の電流リードと、
前記磁石を動作電流までランプアップさせるために前記ＳＭＰＳに第１の電力量を前記磁石へ供給させ、前記磁石の定常状態動作中に第２の電力量を前記磁石へ供給させるように構成されたコントローラであって、前記第１の電力量は前記第２の電力量よりも大きい、コントローラと
を含む磁石アセンブリ。
【請求項３】
前記変圧器は非絶縁巻線を有する、請求項１に記載の磁石アセンブリ。
【請求項４】
前記変圧器は絶縁巻線を有する、請求項１又は２に記載の磁石アセンブリ。
【請求項５】
前記変圧器は、前記巻線を連結する透磁性材料のコアを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項６】
前記変圧器は空心を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項７】
磁石アセンブリであって、
超伝導コイルと、
クライオスタットを含み、前記超伝導コイルを前記超伝導コイルの臨界温度よりも低い動作温度に維持するように構成された極低温システムと、
前記クライオスタットの外部に位置する直流電圧源と、
前記直流電圧源から前記超電導コイルに電力を供給するように構成されたスイッチモード電源（ＳＭＰＳ）であって、一次巻線及び二次巻線を有する降圧変圧器を含み、前記一次巻線は前記クライオスタットの外部に位置し、前記二次巻線は前記クライオスタットの内部に位置するＳＭＰＳと、
前記直流電圧源を前記ＳＭＰＳに接続する電流リードと、
前記二次巻線を前記磁石に接続する電流リードと、
前記磁石を動作電流までランプアップさせるために前記ＳＭＰＳに第１の電力量を前記磁石へ供給させ、前記磁石の定常状態動作中に前記ＳＭＰＳに第２の電力量を前記磁石へ供給させるように構成されたコントローラであって、前記第１の電力量は前記第２の電力量よりも大きいコントローラと
を含む磁石アセンブリ。
【請求項８】
前記変圧器は空心であり、共振変圧器である、請求項７に記載の磁石アセンブリ。
【請求項９】
前記変圧器は、前記巻線を連結しかつ前記クライオスタットの壁を貫通する透磁性材料のコアを含む、請求項７に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１０】
前記コアは、鉄、アモルファス鋼、及びフェライトのうちのいずれか１つから形成される、請求項９に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１１】
前記コントローラは、前記第１の電力量を供給するために前記ＳＭＰＳを第１のデューティサイクルで動作させ、前記第２の電力量を供給するために前記ＳＭＰＳを第２のデューティサイクルで動作させ、前記第１のデューティサイクルは前記第２のデューティサイクルよりも大きい、請求項１から１０のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１２】
前記コントローラは、前記第１の電力量を供給するために前記直流電圧源に第１の電圧を前記ＳＭＰＳへ供給させ、前記第２の電力量を供給するために前記直流電圧源に第２の電圧を前記ＳＭＰＳへ供給させるように構成され、前記第１の電圧は前記第２の電圧よりも大きい、請求項１から１１のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１３】
前記超伝導コイルは前記ＳＭＰＳのエネルギー蓄積インダクタとして機能する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１４】
少なくとも前記変圧器の二次巻線は超伝導材料を含み、前記冷却システムは、前記超伝導材料を前記超伝導材料の臨界温度以下に維持するように構成される、請求項１から１３のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１５】
前記変圧器の二次巻線はＨＴＳを含む、請求項１４に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１６】
前記ＳＭＰＳは、フォワードコンバータ、プッシュプルコンバータ、ハーフブリッジコンバータ、及びフルブリッジコンバータのうちの１つであるトポロジーを有する、請求項１から１５のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１７】
前記ＳＭＰＳのスイッチング速度は、１ｋＨｚ以下、より好ましくは１００Ｈｚ以下、さらに好ましくは１０Ｈｚ以下である、請求項１から１６のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１８】
前記コントローラは、前記磁石が定常状態動作中であるときに前記超伝導コイル内の実質的に一定の電流を維持するために、前記超伝導コイル内の電流を監視し、前記ＳＭＰＳに供給される前記第２の電力量を調整するように構成される、請求項１から１７のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項１９】
前記超伝導コイルは、高温超伝導体（ＨＴＳ）及び低温超伝導体（ＬＴＳ）の一方又は両方を含む、請求項１から１８のいずれか一項に記載の磁石アセンブリ。
【請求項２０】
磁石アセンブリの超伝導コイルに電力を供給する方法であって、
前記磁石アセンブリは前記超伝導コイルが設けられたクライオスタットを含み、
前記方法は、
一次巻線及び二次巻線を有する降圧変圧器を含み、前記二次巻線は前記磁石アセンブリの前記クライオスタットの内部にあるスイッチングモード電源（ＳＭＰＳ）を提供することと、
前記クライオスタットの外部の直流電圧源から前記ＳＭＰＳを介して前記コイルに第１の電力量を供給することによって前記磁石を励磁することと、
前記直流電圧源から前記ＳＭＰＳを介して前記コイルに第２の電力量を供給することによって前記磁石の定常状態動作を維持することと
を含み、
前記第１の電力量は前記第２の電力量よりも大きい方法。
【請求項２１】
前記ＳＭＰＳは、前記第１の電力量を供給するために第１のデューティサイクルで動作し、前記第２の電力量を供給するために第２のデューティサイクルで動作し、前記第１のデューティサイクルは第２のデューティサイクルよりも小さい、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記直流電圧源は、前記第１の電力量を供給するために第１の電圧を供給し、前記第２の電力量を供給するために第２の電圧を供給し、前記第１の電圧は前記第２の電圧よりも小さい、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記一次巻線は前記クライオスタットの外部にある、請求項２０から２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記一次巻線は前記クライオスタットの内部にある、請求項２０から２２のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
2020507925.tif 000009
2020507925.tif 000010