JP2013223354A - Rectifier - Google Patents

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Noriji Tamada
紀治 玉田
Ryoichi Maeda
良一 前田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rectifier that can operate in an extremely low temperature range such as a liquid nitrogen temperature and has low loss.SOLUTION: A rectifier (1) rectifying an alternating current from an AC power supply (8) includes a first magnetic yoke (2) around which a first coil (4) and a second coil (5) are wound, and a second magnetic yoke (3) around which a third coil (6) and a fourth coil (7) are wound. The first and third coils are connected in series to the AC power supply, and the second and fourth coils are connected in series to a DC power supply (9). The rectifier generates a bias magnetic field to the first and second yokes by causing the DC power supply to output a DC bias current I, and performs rectifying operation using a magnetic saturation phenomenon.

Description

本発明は、交流電源から供給される交流電流を整流して、直流電流として負荷側に出力する整流器、特に液体窒素温度のような極低温領域においても動作可能な整流器の技術分野に関する。   The present invention relates to a technical field of a rectifier that rectifies an alternating current supplied from an alternating current power source and outputs it as a direct current to a load side, particularly a rectifier that can operate even in a cryogenic region such as liquid nitrogen temperature.

近年、極低温度領域において電気抵抗値が略ゼロとなる超電導体を、様々な技術分野に適用することが試みられている。超電導体は極めて低い電気抵抗値によって直流電力を伝送する際には優れた伝送効率を達成することができるが、交流電力を送電する際には損失が大きくなる。そのため、超電導体を利用した機器(以下、適宜「超電導機器」と称する)では、主に直流電力が用いられている。   In recent years, attempts have been made to apply a superconductor having an electric resistance value of substantially zero in an extremely low temperature region to various technical fields. Superconductors can achieve excellent transmission efficiency when transmitting DC power with an extremely low electric resistance value, but loss is increased when AC power is transmitted. Therefore, in a device using a superconductor (hereinafter, referred to as “superconducting device” as appropriate), DC power is mainly used.

一方、このような超電導体を利用する場合においても、電力の供給源は、50Hz又は60Hzの周波数を有する商用の交流電力が用いられることが多い。そのため、商用の交流電力を常温で直流変換した後、電流リードを介して極低温状態にある超電導機器に送電することが一般的に行われている。しかしながら、このように常温側と極低温側とを電気的に接続する態様では、大型の電源設備や電流リードが不可欠であり、設備のサイズやコストが増加してしまう。特に電流リードは常温側から低温側に膨大な熱侵入を招くため、大型の冷凍システムが要求され、超電導機器の普及を阻害する一因になっている。   On the other hand, even when such a superconductor is used, commercial AC power having a frequency of 50 Hz or 60 Hz is often used as a power supply source. For this reason, after converting commercial AC power to DC at room temperature, it is generally performed to transmit power to a superconducting device in a cryogenic state via a current lead. However, in such an embodiment in which the normal temperature side and the cryogenic temperature side are electrically connected, a large power supply facility and a current lead are indispensable, and the size and cost of the facility increase. In particular, current leads invite enormous heat penetration from the normal temperature side to the low temperature side, so a large refrigeration system is required, which is one of the factors that hinder the spread of superconducting equipment.

このような装置の大型化やコスト増を回避するために、超電導機器においても商用電源からの交流電流を内部の電気回路において直接利用できるようにすることは、有効な解決策であると考えられる。そのためには、極低温状態においても、商用電源からの交流電流を直流化する整流器の実現が必要となる。   In order to avoid such an increase in the size and cost of the apparatus, it is considered that it is an effective solution to allow an alternating current from a commercial power source to be directly used in an internal electric circuit even in a superconducting device. . For this purpose, it is necessary to realize a rectifier that converts an alternating current from a commercial power source into a direct current even in a cryogenic state.

例えば特許文献1には、適用対象が超電導機器ではないが、常温状態において、一般的な交流系統から直流変換を行う整流器が開示されている。特に特許文献1に係る整流器は、ダイオードなどの半導体素子から形成されている。   For example, Patent Document 1 discloses a rectifier that performs DC conversion from a general AC system in a normal temperature state, although the application target is not a superconducting device. In particular, the rectifier according to Patent Document 1 is formed of a semiconductor element such as a diode.

特開2001−177985号公報JP 2001-177985 A

超電導機器が用いられる極低温領域では、冷却時の熱収縮や動作時の局所的な加熱による熱膨張によって、素子破壊リスクが大きい。そのため、特許文献1のようにダイオードなどの半導体素子からなる整流器では、十分な信頼性を確保することが難しい。容量が小さい半導体素子であれば熱容量も少ないため、このような素子破壊リスクを軽減できる可能性はある。しかしながら、超電導機器では主に大電流が用いられることが想定されるため、このような小容量素子を用いると、膨大な数の素子を用意する必要が生じ、仮に整流器を構成できたとしても数Vオーダーの大幅な電圧降下の発生が懸念される。これは、電流リードを用いた場合の熱負荷よりも大きな損失であり、実用性に欠けてしまう。   In the cryogenic region where superconducting equipment is used, there is a high risk of element destruction due to thermal contraction during cooling and thermal expansion due to local heating during operation. Therefore, it is difficult to ensure sufficient reliability with a rectifier made of a semiconductor element such as a diode as in Patent Document 1. Since a semiconductor element having a small capacity has a small heat capacity, there is a possibility that such element destruction risk can be reduced. However, since it is assumed that a large current is mainly used in superconducting equipment, it is necessary to prepare an enormous number of elements when such a small-capacitance element is used. There is concern over the occurrence of a large voltage drop on the V order. This is a loss larger than the heat load when the current lead is used, and lacks practicality.

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、液体窒素温度のような極低温領域においても作動可能であり、損失の少ない整流器を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a rectifier that can operate even in an extremely low temperature region such as liquid nitrogen temperature and has little loss.

本発明に係る整流器は上記課題を解決するために、交流電源から供給される交流電流を整流して、直流電流として負荷側に出力する整流器であって、第1のコイル及び第2のコイルが巻回された第1の磁気ヨークと、第3のコイル及び第4のコイルが巻回された第2の磁気ヨークとを備え、前記第1及び第3のコイルは前記交流電源に対して直列接続されており、前記第2及び第4のコイルは直流電源に対して直列接続されており、前記直流電源から直流バイアス電流を出力させることにより、前記第1及び第2の磁気ヨークに対してバイアス磁界を発生させ、前記第1及び第3のコイルの正負いずれか一の方向に対するインダクタンスを他の方向に対するインダクタンスに比べて小さくしたことを特徴とする。   In order to solve the above problems, a rectifier according to the present invention is a rectifier that rectifies an alternating current supplied from an alternating current power source and outputs the rectified current to a load side as a direct current, wherein the first coil and the second coil are A wound first magnetic yoke and a second magnetic yoke wound with a third coil and a fourth coil are provided, and the first and third coils are in series with the AC power source. The second and fourth coils are connected in series to a DC power source, and a DC bias current is output from the DC power source, whereby the first and second magnetic yokes are output. A bias magnetic field is generated, and an inductance in one of the positive and negative directions of the first and third coils is made smaller than an inductance in the other direction.

本発明によれば、第2及び第4のコイルに直流電源から直流バイアス電流を供給することによって、第1及び第2の磁気ヨークに対してバイアス磁場を印加する。磁気ヨークは磁性体により構成されているため、バイアス磁場を印加することにより、磁性体からなる第1及び第2の磁気ヨークの透磁率が変化する。ここで、磁性体が有する磁気飽和現象によって、所定値以上のバイアス磁場が印加されると、第1及び第2のコイルのインダクタンスは周期的に流れる方向が変化する交流電流のうち、一方向に対して小さくなると共に、他方向に対して大きくなる。その結果、実質的に交流電流から一方向に向かって流れる成分を抽出し、整流効果を得ることができる。   According to the present invention, a bias magnetic field is applied to the first and second magnetic yokes by supplying a DC bias current from a DC power source to the second and fourth coils. Since the magnetic yoke is made of a magnetic material, the permeability of the first and second magnetic yokes made of the magnetic material changes when a bias magnetic field is applied. Here, when a bias magnetic field of a predetermined value or more is applied due to the magnetic saturation phenomenon of the magnetic material, the inductances of the first and second coils change in one direction among the alternating currents whose direction of flow changes periodically. On the other hand, it becomes smaller and larger in the other direction. As a result, a component that flows substantially in one direction from the alternating current can be extracted, and a rectifying effect can be obtained.

このように本発明に係る整流器によれば、極低温環境下で十分な信頼性を確保することが難しい半導体素子を用いることなく、整流動作を実現することができる。すなわち、液体窒素温度のような極低温領域においても作動可能であり、損失の少ない整流器を提供できる。   As described above, according to the rectifier according to the present invention, it is possible to realize a rectification operation without using a semiconductor element in which it is difficult to ensure sufficient reliability in a cryogenic environment. In other words, it is possible to provide a rectifier that can operate even in a cryogenic region such as liquid nitrogen temperature and has little loss.

低温側に配置されると共に、前記交流電源から供給される交流電流を受ける一次側と、高温側に配置されると共に、該一次側から磁気エネルギーとして転送された交流電流を変圧して前記負荷側に出力する二次側とを有する変圧器を備えてもよい。この場合、交流電源から供給された交流電流を磁気エネルギーとして、一次側から二次側に非接触的に伝達することができる。そのため、例えば交流電源が常温環境にある商用電源のような場合であっても、熱侵入を伴うことなく、低温環境にある整流回路に導入することができる。   A primary side that receives an alternating current supplied from the alternating current power source and a primary side that is arranged on a low temperature side, and that is arranged on the high temperature side and transforms the alternating current transferred as magnetic energy from the primary side to the load side A transformer having a secondary side that outputs to the power source may be provided. In this case, the alternating current supplied from the alternating current power source can be transmitted as magnetic energy in a non-contact manner from the primary side to the secondary side. Therefore, for example, even when the AC power source is a commercial power source in a room temperature environment, it can be introduced into a rectifier circuit in a low temperature environment without heat intrusion.

この場合、前記変圧器は複数の二次側を有しており、該複数の二次側の各々について、前記第1及び第2の磁気ヨークが設けられることにより、両波整流回路を形成していてもよい。このように上述した半波整流回路を組み合わせることにより、単体の半波整流回路では無駄となっていたエネルギーを捨てることなく有効利用できるので、より効率の良い整流器を実現することができる。   In this case, the transformer has a plurality of secondary sides, and each of the plurality of secondary sides is provided with the first and second magnetic yokes to form a double-wave rectifier circuit. It may be. In this way, by combining the above-described half-wave rectifier circuits, energy that has been wasted in a single half-wave rectifier circuit can be effectively used without being discarded, so that a more efficient rectifier can be realized.

前記第2及び第4のコイルは互いに逆方向に巻回されていてもよい。これにより、交流コイルから誘起される起電圧は互いにキャンセルされ、直流電源は交流電流の影響を受けることなく直流バイアス電流を制御でき、磁気ヨークの磁気特性を調整して、良質な整流電流を出力することができる。   The second and fourth coils may be wound in opposite directions. As a result, the electromotive voltages induced from the AC coils are canceled each other, and the DC power supply can control the DC bias current without being affected by the AC current, and adjusts the magnetic characteristics of the magnetic yoke to output a high-quality rectified current. can do.

前記第1及び第2の磁気ヨークは鉄系アモルファス系磁性体からなってもよい。鉄系アモルファス磁性体はヒステリシスが小さいため、直流バイアス電流によるバイアス磁場による整流制御を実現し易い。   The first and second magnetic yokes may be made of an iron-based amorphous magnetic material. Since the iron-based amorphous magnetic material has small hysteresis, it is easy to realize rectification control by a bias magnetic field using a DC bias current.

前記負荷は抵抗器を含んでなってもよい。仮に負荷として超電導機器(例えば超電導マグネット)のように極めて抵抗値の少ないものを利用した場合、系の損失は非常に少なくなる。一方で、交流電源からは交流電流が供給され続けると、系が有する総エネルギーが増加し続け、動作が暴走するおそれがある。そこで、この態様のように負荷に適切な抵抗値を有する抵抗器を含めることにより、動作の暴走を回避し、安定した整流動作を実現することができる。   The load may comprise a resistor. If a load having a very low resistance value such as a superconducting device (for example, a superconducting magnet) is used as a load, the loss of the system becomes very small. On the other hand, if an alternating current continues to be supplied from the alternating current power supply, the total energy of the system continues to increase, and the operation may run out of control. Therefore, by including a resistor having an appropriate resistance value in the load as in this aspect, it is possible to avoid a runaway operation and realize a stable rectification operation.

本発明によれば、第2及び第4のコイルに直流電源から直流バイアス電流を供給することによって、第1及び第2の磁気ヨークに対してバイアス磁場を印加する。磁気ヨークは磁性体により構成されているため、バイアス磁場を印加することにより、磁性体からなる第1及び第2の磁気ヨークの透磁率が変化する。ここで、磁性体が有する磁気飽和現象によって、所定値以上のバイアス磁場が印加されると、第1及び第2のコイルのインダクタンスは周期的に流れる方向が変化する交流電流のうち、一方向に対して小さくなると共に、他方向に対して大きくなる。その結果、実質的に交流電流から一方向に向かって流れる成分を抽出し、整流効果を得ることができる。
このように本発明に係る整流器によれば、極低温環境下で十分な信頼性を確保することが難しい半導体素子を用いることなく、整流動作を実現することができる。すなわち、液体窒素温度のような極低温領域においても作動可能であり、損失の少ない整流器を提供できる。
According to the present invention, a bias magnetic field is applied to the first and second magnetic yokes by supplying a DC bias current from a DC power source to the second and fourth coils. Since the magnetic yoke is made of a magnetic material, the permeability of the first and second magnetic yokes made of the magnetic material changes when a bias magnetic field is applied. Here, when a bias magnetic field of a predetermined value or more is applied due to the magnetic saturation phenomenon of the magnetic material, the inductances of the first and second coils change in one direction among the alternating currents whose direction of flow changes periodically. On the other hand, it becomes smaller and larger in the other direction. As a result, a component that flows substantially in one direction from the alternating current can be extracted, and a rectifying effect can be obtained.
As described above, according to the rectifier according to the present invention, it is possible to realize a rectification operation without using a semiconductor element in which it is difficult to ensure sufficient reliability in a cryogenic environment. In other words, it is possible to provide a rectifier that can operate even in a cryogenic region such as liquid nitrogen temperature and has little loss.

本実施形態に係る整流器の全体構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole structure of the rectifier which concerns on this embodiment. ケイ素鋼板と鉄系アモルファス磁性体のB―H特性曲線を比較して示すグラフである。It is a graph which compares and shows the BH characteristic curve of a silicon steel plate and an iron-type amorphous magnetic body. 整流器において第2及び第4のコイルに直流バイアス電流を印加した場合における磁性ヨークの動作点を示すグラフ図である。It is a graph which shows the operating point of a magnetic yoke at the time of applying a direct current bias current to the 2nd and 4th coil in a rectifier. 図1の整流器を組み合わせて両波整流回路を構成した例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the example which comprised the double wave rectifier circuit combining the rectifier of FIG. 図4に示す整流器の整流電流の時間変化を示すグラフ図である。It is a graph which shows the time change of the rectification current of the rectifier shown in FIG. 図5に示す整流器の整流電流を時間軸について拡大して示したグラフである。It is the graph which expanded and showed the rectification current of the rectifier shown in FIG. 5 about the time axis. 図7は図4の整流器において、抵抗器が有する抵抗値を略ゼロに設定した際に、交流電源からの供給電圧を一定に維持した場合の整流電流の時間的変化を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the change over time of the rectified current when the supply voltage from the AC power supply is kept constant when the resistance value of the resistor is set to substantially zero in the rectifier of FIG. 整流電流が暴走的に増加する場合における動作点を示す図3に対応するグラフである。FIG. 4 is a graph corresponding to FIG. 3 showing operating points when the rectified current increases in a runaway manner.

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。   Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified, but are merely illustrative examples. Not too much.

図1は本実施形態に係る整流器1の全体構成を示す模式図である。整流器1は第1の磁気ヨーク2と第2の磁気ヨーク3を備えており、共に断面積Smag、磁気回路長Lmagを有している。第1の磁気ヨーク2には第1のコイル4と第2のコイル5とが巻回されており、第2の磁気ヨーク3には第3のコイル6と第4のコイル7とが巻回されている。 FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a rectifier 1 according to the present embodiment. The rectifier 1 includes a first magnetic yoke 2 and a second magnetic yoke 3, and both have a cross-sectional area S mag and a magnetic circuit length L mag . A first coil 4 and a second coil 5 are wound around the first magnetic yoke 2, and a third coil 6 and a fourth coil 7 are wound around the second magnetic yoke 3. Has been.

第1のコイル4及び第3のコイル6は互いに直列的に接続されており、一端側には、50Hz又は60Hzの交流電力を供給する商用電源である交流電源8が接続されている。第2のコイル5及び第4のコイル7は、直流電源9と共に互いに直列接続されている。その結果、図1では、交流電源8から交流電流IACが供給されると共に、直流電源9から直流バイアス電流IDC_BIASが供給される。 The first coil 4 and the third coil 6 are connected in series with each other, and an AC power supply 8 that is a commercial power supply for supplying 50 Hz or 60 Hz AC power is connected to one end side. The second coil 5 and the fourth coil 7 are connected in series with the DC power source 9. As a result, in FIG. 1, the alternating current I AC is supplied from the alternating current power supply 8, and the direct current bias current I DC_BIAS is supplied from the direct current power supply 9.

特に、直流バイアス電流IDC_BIASが供給される第2のコイル5及び第4のコイル7は、それぞれ第1の磁気ヨーク2及び第2の磁気ヨーク3に対して互いに逆向きに巻回されている。これにより、交流電源8から交流電流IACが供給される第1及び第3のコイル4,6から誘起される起電圧を互いにキャンセルすることができる。その結果、直流電源9は交流電源8からの交流電流IACの影響を全く受けることなく、直流バイアス電流値IDC_BIASを調整することによって、磁気ヨーク2,3の磁気特性を制御することができるようになっている。 In particular, the second coil 5 and the fourth coil 7 to which the DC bias current IDC_BIAS is supplied are wound around the first magnetic yoke 2 and the second magnetic yoke 3 in opposite directions, respectively. . This makes it possible to cancel each other electromotive voltage AC current I AC from the AC power source 8 is induced from the first and third coil 4 and 6 to be supplied. As a result, the DC power supply 9 can control the magnetic characteristics of the magnetic yokes 2 and 3 by adjusting the DC bias current value I DC_BIAS without being affected by the AC current I AC from the AC power supply 8 at all. It is like that.

第1及び第2の磁気ヨーク2,3は、一般的な変圧器や電動機などに用いられる磁性体の一種であるケイ素鋼板に代えて、鉄系アモルファス磁性体から形成されている。ここで、図2では、実線は鉄系アモルファス磁性体を示しており、破線はケイ素鋼板を示している。このように鉄系アモルファス磁性体はヒステリシスが小さい。そのため、仮に磁性体損失が発生しても、その熱量は常温に排熱されるため、極低温動作可能な整流器に適している。   The first and second magnetic yokes 2 and 3 are made of an iron-based amorphous magnetic material instead of a silicon steel plate, which is a kind of magnetic material used for general transformers and electric motors. Here, in FIG. 2, the continuous line has shown the iron-type amorphous magnetic body, and the broken line has shown the silicon steel plate. Thus, the iron-based amorphous magnetic material has a small hysteresis. For this reason, even if a magnetic material loss occurs, the amount of heat is exhausted to room temperature, which is suitable for a rectifier capable of operating at a cryogenic temperature.

ここで、直流バイアス電流IDC_BIASが流れる第2及び第4のコイル5,7は同巻数を有しており、その巻数をNDCとすると共に、交流電流が流れる第1及び第3のコイル4,6は同巻数を有しており、その巻数をNACとする。また、磁気ヨーク2,3から漏れ出る磁力線が無視できる程度に小さいと仮定する。この場合、交流電流IACが流れる第1及び第2のコイル4,6のインダクタンスLACは次式
AC=4π10−7μAC mag/Lmag (1)
により得られる。また直流バイアス電流IDC_BIASが流れる第2及び第4のコイル5,7のインダクタンスLDCは次式
DC=4π10−7μDC mag/Lmag (2)
により得られる。
Here, the DC bias current I second and fourth coil 5, 7 DC_BIAS flows has a same number of turns, while the number of turns and N DC, first and third coil 4 alternating current flows , 6 has a same number of turns and the number of turns and N AC. Further, it is assumed that the magnetic field lines leaking from the magnetic yokes 2 and 3 are small enough to be ignored. In this case, the inductance L AC of the first and second coil 4, 6 alternating current flows I AC is expressed by the following equation L AC = 4π10 -7 μ r N AC 2 S mag / L mag (1)
Is obtained. The DC bias current I inductance L DC of the second and fourth coil 5, 7 DC_BIAS flows following equation L DC = 4π10 -7 μ r N DC 2 S mag / L mag (2)
Is obtained.

尚、上式(1)(2)においてμは磁気ヨーク2,3を構成する磁性体(鉄系アモルファス磁性体)の比透磁率であり、次式
μ=∂B/∂H (3)
により求められる。上式(3)に示すように、比透磁率μは図2に示すBH曲線の傾きに相当しており、磁気ヨーク2,3は傾きが大きな領域にある場合にはインダクタンスLDC、LACが大きくなり、傾きが小さな領域にある場合にはインダクタンスLDC、LACもまた小さくなる傾向を示している。
Incidentally, mu r in the above equation (1) (2) is the relative permeability of the magnetic material constituting the magnetic yoke 2 and 3 (iron-based amorphous magnetic material), the following equation μ r = ∂B / ∂H (3 )
Is required. As shown in the above equation (3), the relative permeability μ r corresponds to the slope of the BH curve shown in FIG. 2, and when the magnetic yokes 2 and 3 are in a region where the slope is large, the inductances L DC and L When AC is large and the inclination is in a small region, the inductances L DC and L AC also tend to be small.

図3は整流器1において第2及び第4のコイル5,7に直流バイアス電流IDC_BIASを印加した場合における磁性ヨーク2,3の動作点を示すグラフ図である。第2及び第4のコイル5,7に直流バイアス電流IDC_BIASを印加すると、磁気ヨーク2,3にはバイアス磁界
BIAS=NDC/Lmag (4)
が印加される。その結果、磁性ヨーク2,3の動作点は図3に示すHBIAS点に移動する。このように動作点が一方向(図3の例では正側)に移動すると、図2に示した磁性ヨーク2,3を構成する鉄系アモルファス磁性体の磁気飽和現象によって、第1及び第3のコイル4,6のインダクタンスLACが正側の電流に対しては比透磁率μが小さくなる一方で、負側の電流に対しては比透磁率μが大きくなることを示している。すなわち、第1及び第3のコイル4,6に流れる交流電流IACは、正側に対してはインダクタンスLACが小さいので流れやすい一方で、負側の電流に対してはインダクタンスLACが大きくなり流れにくくなる。その結果、第1乃至第4のコイルは磁気飽和リアクトルを構成し、図1に示す回路は整流回路として機能することとなる。
FIG. 3 is a graph showing operating points of the magnetic yokes 2 and 3 when the DC bias current IDC_BIAS is applied to the second and fourth coils 5 and 7 in the rectifier 1. When a DC bias current I DC_BIAS is applied to the second and fourth coils 5 and 7, a bias magnetic field H BIAS = N DC / L mag (4) is applied to the magnetic yokes 2 and 3.
Is applied. As a result, the operating point of the magnetic yokes 2 and 3 moves to the H BIAS point shown in FIG. When the operating point moves in one direction (positive side in the example of FIG. 3) in this way, the first and third are caused by the magnetic saturation phenomenon of the iron-based amorphous magnetic material constituting the magnetic yokes 2 and 3 shown in FIG. while relative permeability mu r is small for the inductance L AC is the positive side current of the coil 4 and 6, it shows that the relative permeability mu r is increased with respect to the negative side of the current . That is, the alternating current I AC flowing through the first and third coils 4 and 6 tends to flow because the inductance L AC is small for the positive side, whereas the inductance L AC is large for the negative side current. It becomes difficult to flow. As a result, the first to fourth coils constitute a magnetic saturation reactor, and the circuit shown in FIG. 1 functions as a rectifier circuit.

再び図1に戻って、整流器1の出力側には負荷10が接続されている。上述したように整流器1は実質的に電流動作型の整流回路として機能する。そのため、一般的な半導体素子を利用した電圧動作型の整流器とは異なり、整流動作を行うためには、一定以上の電流が流れることが必要となる(言い換えると、微小電流では整流動作ができない)。これを考慮すると、負荷10としては、例えば、常時通電が必要な超電導マグネットや抵抗器が好ましい。   Returning to FIG. 1 again, a load 10 is connected to the output side of the rectifier 1. As described above, the rectifier 1 substantially functions as a current operation type rectifier circuit. Therefore, unlike a voltage-operated rectifier using a general semiconductor element, it is necessary for a current exceeding a certain level to flow (in other words, a rectifying operation cannot be performed with a minute current). . Considering this, as the load 10, for example, a superconducting magnet or a resistor that needs to be constantly energized is preferable.

図1に示す整流器1は第1及び第3のコイル4,6において交流電流IACを正負いずれか一方の符号について整流する、いわゆる半波整流回路として機能する。図4は、このような整流器1を組み合わせて両波整流回路20を構成した例を示す回路図である。尚、図4では、常温領域21を実線で囲んで示し、極低温領域22を破線で囲んで示している。 Rectifier 1 shown in FIG. 1 rectifies the negative one of the code alternating current I AC in the first and third coil 4,6, which functions as a so-called half-wave rectifier circuit. FIG. 4 is a circuit diagram showing an example in which the double-wave rectifier circuit 20 is configured by combining such rectifiers 1. In FIG. 4, the normal temperature region 21 is surrounded by a solid line, and the cryogenic region 22 is surrounded by a broken line.

整流器20に入力される交流電流IACは、常温領域21に設置された交流電源8(例えば商用交流電源)から供給される。交流電源8から入力された交流電流IACは、変圧器23の一次側L1に入力され、所定交流電圧に変換後、二次側L2に出力される。変圧器23は特に、一次側L1が常温領域21に配置されると共に、二次側L2が極低温領域22に配置されている。このように、常温領域21側から極低温領域24側へのエネルギー転送を磁気エネルギーで行っているので、極低温領域24側への熱侵入を回避することができる。すなわち、従来は常温領域21側から極低温領域22側へのエネルギー転送をパワーリード等のように物質的に接触した状態で行っていたため、極低温領域24側への熱侵入を解決するために大規模な冷却装置等が必要であったが、本実施形態では非接触的にエネルギー転送を行うことで、それらを不要とすることができる。 AC current I AC input to the rectifier 20 is supplied from the AC power source 8, which is installed in the normal temperature region 21 (e.g., commercial AC power supply). The AC current I AC input from the AC power supply 8 is input to the primary side L1 of the transformer 23, converted into a predetermined AC voltage, and then output to the secondary side L2. In particular, the transformer 23 has a primary side L1 disposed in the normal temperature region 21 and a secondary side L2 disposed in the cryogenic region 22. Thus, since energy transfer from the normal temperature region 21 side to the cryogenic region 24 side is performed by magnetic energy, heat intrusion to the cryogenic region 24 side can be avoided. That is, conventionally, energy transfer from the room temperature region 21 side to the cryogenic region 22 side is performed in a material contact state such as a power lead, etc., in order to solve the heat intrusion to the cryogenic region 24 side. Although a large-scale cooling device or the like is necessary, in the present embodiment, they can be eliminated by performing energy transfer in a non-contact manner.

また図4に示す整流器20は、変圧器23の2次側L2における誘導電流を磁気飽和リアクトルLX1,LX2(それぞれ図1に示す第1乃至第4のコイルから構成されている)の非線形特性素子に入力し、負荷10に供給する両波整流回路を構成している。図4では特に、負荷10は互いに直列接続された超電導マグネット26及び抵抗器27であるが、これに限られないことは言うまでもない。このように両波整流回路を構成することによって、半波整流回路の場合に比べて、脈動が少なく、効率的に整流を行うことができる。
尚、本実施形態では以下、両波整流回路を構成する場合について詳述するが、半波整流回路として構成した場合も同様であることは言うまでもない。
Further, the rectifier 20 shown in FIG. 4 uses a nonlinear saturation of the magnetic saturation reactors L X1 and L X2 (each of which is composed of the first to fourth coils shown in FIG. 1) on the secondary side L2 of the transformer 23. A double-wave rectifier circuit that inputs to the characteristic element and supplies the load 10 is configured. In FIG. 4 in particular, the load 10 is a superconducting magnet 26 and a resistor 27 connected in series with each other, but it goes without saying that the present invention is not limited to this. By configuring the double-wave rectifier circuit in this way, there is less pulsation than in the case of the half-wave rectifier circuit, and rectification can be performed efficiently.
In the present embodiment, the case where the double-wave rectifier circuit is configured will be described in detail below. However, it goes without saying that the case where the dual-wave rectifier circuit is configured is the same.

図5は図4に示す整流器20の出力電流(負荷10に供給される直流電流IDC)の時間変化を示すグラフ図である。交流電源8から出力された交流電流IACは、整流器20における上述の整流作用によって直流電力IDCに整流される。この例では、負荷10として超電導コイル26及び抵抗器27を用いているため、時定数が長く、定常状態に至るまで時間を要しているが、このように略完全な直流電流IDCを得ることができる。 FIG. 5 is a graph showing the change over time of the output current of the rectifier 20 shown in FIG. 4 (the direct current I DC supplied to the load 10). The alternating current I AC output from the alternating current power source 8 is rectified to the direct current power I DC by the above-described rectifying action in the rectifier 20. In this example, since the superconducting coil 26 and the resistor 27 are used as the load 10, the time constant is long, and it takes time to reach a steady state. Thus, a substantially complete DC current IDC is obtained in this way. be able to.

本実施形態では特に、交流電源8から50Hz,100Vrmsの交流電力が入力され、変圧器23の一次側L1及び二次側L2の自己インダクタンスがL1=L2=0.01(H)、負荷10である超電導コイル26のインダクタンスをL0=0.05(H)、抵抗器27の抵抗値をRL=0.01(Ω)とし、また、2個の磁気ヨーク2,3の断面積をSmag=0.1(m)、磁気回路長をLmag=1(m)、第2及び第4のコイル5,7の巻数をNDC=50(ターン)、交流電流IACが流れる第1及び第3のコイル4,6の巻数をNAC=25(ターン)、直流バイアス電流をIDC_BIAS=65(A)としている。その結果、動作開始から約60秒後に約20Aの略定な直流電流が得られることが、実験的に検証された。 In this embodiment, in particular, AC power of 50 Hz, 100 V rms is input from the AC power supply 8, the self-inductance of the primary side L1 and the secondary side L2 of the transformer 23 is L1 = L2 = 0.01 (H), and the load 10 The inductance of the superconducting coil 26 is L0 = 0.05 (H), the resistance value of the resistor 27 is RL = 0.01 (Ω), and the cross-sectional area of the two magnetic yokes 2 and 3 is S mag. = 0.1 (m 2 ), the magnetic circuit length is L mag = 1 (m), the number of turns of the second and fourth coils 5 and 7 is N DC = 50 (turns), and the first through which the alternating current I AC flows The number of turns of the third coils 4 and 6 is N AC = 25 (turns), and the DC bias current is I DC_BIAS = 65 (A). As a result, it was experimentally verified that a substantially direct current of about 20 A was obtained about 60 seconds after the start of operation.

尚、直流バイアス電流(第2及び第4のコイル5,7に流れる直流電流)IDC_BIASもまた、別途、同様の整流器20を用意して整流されたものを用いてもよい。直流バイアス電流IDC_BIASは上述の整流作用を得るにあたって時間的に電流値を変化させる必要がない。そのため、時定数が長い整流器20であっても有効に利用することができる。尚、直流バイアス電流IDC_BIASを整流するために整流器20を用いる場合、当該整流器を構成する第2及び第4のコイル5,7は、巻数をNDC=3000(ターン)、IDC=1(A)とするとよく、この場合、制御用の直流バイアス電流IDC_BIASを供給する電流リードの熱侵入を無視することができる点で有利である。 Note that the DC bias current (DC current flowing through the second and fourth coils 5 and 7) I DC_BIAS may be separately rectified by preparing a similar rectifier 20 separately. The DC bias current IDC_BIAS does not need to change the current value with time in order to obtain the above-described rectifying action. Therefore, even the rectifier 20 having a long time constant can be used effectively. When the rectifier 20 is used to rectify the DC bias current I DC_BIAS , the second and fourth coils 5 and 7 constituting the rectifier have N DC = 3000 (turns) and I DC = 1 ( A) is preferable, and in this case, it is advantageous in that the heat intrusion of the current lead supplying the control direct current bias current IDC_BIAS can be ignored.

図6は図5に示す整流電流IDCを時間軸について拡大して示したグラフである。このように整流された電流を短時間スケールで見ると、脈動(リップル)が存在している。この整流電流IDCの脈動率は、負荷10である超電導マグネット26のコイルインダクタンスと抵抗器27の時定数によって決定される。本実施形態に係る整流器20では、脈動電流値は約0.2Aであり、リップル率は約0.01%であった。 6 is a graph showing an enlarged for the time axis rectified current I DC shown in FIG. When the rectified current is viewed on a short time scale, pulsation (ripple) is present. Ripple factor of the rectifier current I DC is determined by the time constant of the coil inductance and the resistor 27 of the superconducting magnet 26 is a load 10. In the rectifier 20 according to the present embodiment, the pulsating current value was about 0.2 A, and the ripple rate was about 0.01%.

本実施例では特に、整流器20の負荷10として、抵抗器27が含まれるように構成されている。その理由について、以下、図7及び図8を参照して説明する。
抵抗器27は整流電流IDCの容量を制限する重要な役割を担っている。仮に、負荷10として抵抗器27が含まれず超電導マグネット26のみから構成されている場合、超電導マグネット26は抵抗値が略ゼロであるため、負荷10の全体としての抵抗値もまた略ゼロとなる。そのため、整流器20から出力されたエネルギー(直流電流)は負荷10側で消費されない。その一方で、交流電源8側からはエネルギーが供給され続け、系が保有するエネルギー総量が急激に上昇し、発散してしまう。その結果、このようにエネルギー総量が増加し続けると、整流器20の動作に異常をきたしてしまうおそれがある。
In the present embodiment, in particular, the resistor 27 is included as the load 10 of the rectifier 20. The reason will be described below with reference to FIGS.
Resistor 27 plays an important role in limiting the capacity of the rectified current I DC. If the resistor 10 is not included as the load 10 and is composed of only the superconducting magnet 26, the resistance value of the superconducting magnet 26 is substantially zero. Therefore, the resistance value of the load 10 as a whole is also substantially zero. Therefore, the energy (DC current) output from the rectifier 20 is not consumed on the load 10 side. On the other hand, energy continues to be supplied from the AC power supply 8 side, and the total amount of energy held by the system rapidly increases and diverges. As a result, if the total amount of energy continues to increase in this way, the operation of the rectifier 20 may be abnormal.

本発明者の研究によれば、負荷10の総抵抗値が略ゼロである場合、整流電流IDCが暴走的に増加し、整流器20の整流動作が不能になってしまうことが判明している。図7は図4に示す整流器20において、抵抗器27が有する抵抗値を略ゼロに設定した際に、交流電源からの供給電圧を一定に維持した場合の整流電流IDCの時間的変化を示すグラフである。図8は整流電流IDCが暴走的に増加する場合における動作点を示す図3に対応するグラフである。尚、図7及び図8では、負荷抵抗RLを0.001(Ω)と小さく設定すると共に、入力する交流電源電圧を100(Vrms)と一定に維持し、超電導コイルのインダクタンスをL=0.01(H)としている。 According to the inventors' research, when the total resistance value of the load 10 is substantially zero, the rectified current I DC runaway manner increases, the rectification operation of the rectifier 20 becomes impossible is known . Figure 7 illustrates the rectifier 20 shown in FIG. 4, the resistance value of the resistor 27 has when set to substantially zero, the temporal variation of the rectified current I DC in the case of maintaining the supply voltage from the AC power supply to a constant It is a graph. Figure 8 is a graph corresponding to Figure 3 showing an operating point in a case where commutation current I DC increases in runaway. 7 and 8, the load resistance RL is set to be as small as 0.001 (Ω), the input AC power supply voltage is kept constant at 100 (V rms ), and the inductance of the superconducting coil is set to L 0 = 0.01 (H).

図7に示すように抵抗器27が有する抵抗値が略ゼロである場合、整流電流IDCは100(A)付近にまで増加した後、急激に増加し始め、200(A)付近にまで達する。その後、整流電流は急激に低下し、次第にゼロに向う。このように整流電流IDCが不安定になる原因は、図8に示すように磁気ヨーク2,3によって形成される磁気回路の容量限界を超えてしまったためと考えられる。すなわち、整流電流IDCが増加し、入力される交流電流IACが増加すると、磁気ヨーク2,3の正負の両側が飽和領域に達してしまう。その結果、前述した整流メカニズムが破綻してしまい、整流動作が正常にできなくなってしまう。本発明者の研究によれば、磁気ヨーク2,3として断面積Smagが0.1(m)、磁気回路長Lmagが1(m)である鉄系アモルファス磁性体を用いた場合、整流できる最大電流値は約100(A)となった。 If the resistance value resistor 27 has, as shown in FIG. 7 is substantially zero, after rectified current I DC is that increased to around 100 (A), it begins to increase rapidly, reach the vicinity of 200 (A) . Thereafter, the rectified current decreases rapidly and gradually goes to zero. The reason why the rectified current IDC becomes unstable in this way is considered to be because the capacity limit of the magnetic circuit formed by the magnetic yokes 2 and 3 has been exceeded as shown in FIG. That is, when the rectified current IDC increases and the input alternating current IAC increases, both the positive and negative sides of the magnetic yokes 2 and 3 reach the saturation region. As a result, the rectification mechanism described above fails and the rectification operation cannot be performed normally. According to the inventor's study, when the iron yoke amorphous magnetic material having a sectional area S mag of 0.1 (m 2 ) and a magnetic circuit length L mag of 1 (m) is used as the magnetic yokes 2 and 3, The maximum current value that can be rectified was about 100 (A).

尚、本実施形態に係る整流器20における各種コイルや配線は、常電動線及び超電導線のいずれも使用可能である。本実施例では特に、整流器20を極低温(液体窒素温度)で動作させることを目的としているので、コイルや配線を超電導線を用いて整流器20の損失を低減できるように構成している。   In addition, as for the various coils and wiring in the rectifier 20 which concerns on this embodiment, both a normal electric wire and a superconducting wire can be used. In particular, the present embodiment aims to operate the rectifier 20 at an extremely low temperature (liquid nitrogen temperature), and thus the coil and the wiring are configured to reduce the loss of the rectifier 20 by using a superconducting wire.

以上説明したように、本実施形態に係る整流器1及び20によれば、第2及び第4のコイル5,7に直流電源から直流バイアス電流IDC_BIASを供給することによって、第1及び第2の磁気ヨーク2,3に対してバイアス磁場HBIASを印加する。磁気ヨーク2,3は磁性体により構成されているため、バイアス磁場HBIASを印加することにより、磁性体からなる第1及び第2の磁気ヨーク2,3の透磁率μが変化する。ここで、磁性体が有する磁気飽和現象によって、所定値以上のバイアス磁場HBIASが印加されると、第1及び第2のコイル4,6のインダクタンスは周期的に流れる方向が変化する交流電流IACのうち、一方向に対して小さくなると共に、他方向に対して大きくなる。その結果、実質的に交流電流IACから一方向に向かって流れる成分を抽出し、整流効果を得ることができる。
このように本発明に係る整流器によれば、極低温環境下で十分な信頼性を確保することが難しい半導体素子を用いることなく、整流動作を実現することができる。すなわち、液体窒素温度のような極低温領域においても作動可能であり、損失の少ない整流器を提供できる。
As described above, according to the rectifiers 1 and 20 according to the present embodiment, the first and second coils 5 and 7 are supplied with the DC bias current IDC_BIAS from the DC power supply. A bias magnetic field H BIAS is applied to the magnetic yokes 2 and 3. Since the magnetic yoke 2 and 3 is made of a magnetic material, by applying a bias magnetic field H BIAS, permeability mu r of the first and second magnetic yokes 2,3 made of a magnetic material is changed. Here, when a bias magnetic field H BIAS greater than or equal to a predetermined value is applied due to a magnetic saturation phenomenon of the magnetic material, the inductance of the first and second coils 4 and 6 changes the alternating current I in which the flowing direction changes periodically. Of AC , it decreases in one direction and increases in the other direction. As a result, it is possible to extract the component flowing from the substantially alternating current I AC flows in one direction, to obtain the rectification effect.
As described above, according to the rectifier according to the present invention, it is possible to realize a rectification operation without using a semiconductor element in which it is difficult to ensure sufficient reliability in a cryogenic environment. In other words, it is possible to provide a rectifier that can operate even in a cryogenic region such as liquid nitrogen temperature and has little loss.

本発明は、交流電源から供給される交流電流を整流して、直流電流として負荷側に出力する整流器、特に液体窒素温度のような極低温領域においても動作可能な整流器に利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a rectifier that rectifies an alternating current supplied from an alternating current power source and outputs it as a direct current to the load side, particularly a rectifier that can operate even in an extremely low temperature region such as liquid nitrogen temperature.

1 整流器
2 磁気ヨーク
3 磁気ヨーク
4 第1のコイル(交流コイル)
5 第2のコイル(直流コイル)
6 第3のコイル(交流コイル)
7 第4のコイル(直流コイル)
8 交流電源
9 直流電源
10 負荷
20 整流器
21 常温領域
22 極低温領域
23 変圧器
26 超電導マグネット
27 抵抗器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Rectifier 2 Magnetic yoke 3 Magnetic yoke 4 1st coil (alternating current coil)
5 Second coil (DC coil)
6 Third coil (AC coil)
7 Fourth coil (DC coil)
8 AC Power Supply 9 DC Power Supply 10 Load 20 Rectifier 21 Room Temperature Area 22 Cryogenic Area 23 Transformer 26 Superconducting Magnet 27 Resistor

Claims (6)

交流電源から供給される交流電流を整流して、直流電流として負荷側に出力する整流器であって、
第1のコイル及び第2のコイルが巻回された第1の磁気ヨークと、
第3のコイル及び第4のコイルが巻回された第2の磁気ヨークと
を備え、
前記第1及び第3のコイルは前記交流電源に対して直列接続されており、
前記第2及び第4のコイルは直流電源に対して直列接続されており、
前記直流電源から直流バイアス電流を出力させることにより、前記第1及び第2の磁気ヨークに対してバイアス磁界を発生させ、前記第1及び第3のコイルの正負いずれか一の方向に対するインダクタンスを他の方向に対するインダクタンスに比べて小さくしたことを特徴とする整流器。
A rectifier that rectifies an alternating current supplied from an alternating current power source and outputs it as a direct current to the load side,
A first magnetic yoke around which a first coil and a second coil are wound;
A second magnetic yoke around which a third coil and a fourth coil are wound,
The first and third coils are connected in series to the AC power source,
The second and fourth coils are connected in series to a DC power source,
By outputting a DC bias current from the DC power source, a bias magnetic field is generated for the first and second magnetic yokes, and the inductance in one of the positive and negative directions of the first and third coils is changed. A rectifier characterized in that it is smaller than the inductance in the direction of.
低温側に配置されると共に、前記交流電源から供給される交流電流を受ける一次側と、
高温側に配置されると共に、該一次側から磁気エネルギーとして転送された交流電流を変圧して前記負荷側に出力する二次側と
を有する変圧器を備えたことを特徴とする請求項1に記載の整流器。
A primary side which is arranged on a low temperature side and receives an alternating current supplied from the alternating current power source;
The transformer according to claim 1, further comprising a secondary side arranged on the high temperature side and having a secondary side that transforms an alternating current transferred as magnetic energy from the primary side and outputs the transformed alternating current to the load side. The rectifier described.
前記変圧器は複数の二次側を有しており、該複数の二次側の各々について、前記第1及び第2の磁気ヨークが設けられることにより、両波整流回路を形成していることを特徴とする請求項2に記載の整流器。   The transformer has a plurality of secondary sides, and a double-wave rectifier circuit is formed by providing the first and second magnetic yokes for each of the plurality of secondary sides. The rectifier according to claim 2. 前記第2及び第4のコイルは互いに逆方向に巻回されていることを特徴とすることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の整流器。   The rectifier according to any one of claims 1 to 3, wherein the second and fourth coils are wound in opposite directions. 前記第1及び第2の磁気ヨークは鉄系アモルファス系磁性体からなることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の整流器。   The rectifier according to any one of claims 1 to 4, wherein the first and second magnetic yokes are made of an iron-based amorphous magnetic material. 前記負荷は抵抗器を含んでなることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の整流器。   The rectifier according to any one of claims 1 to 5, wherein the load includes a resistor.
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