JP2017033976A - Superconducting magnet device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、超電導マグネット装置に関し、特に、超電導コイルのクエンチ保護回路を備えた超電導マグネット装置に関する。 The present invention relates to a superconducting magnet device, and more particularly to a superconducting magnet device including a quench protection circuit for a superconducting coil.
超電導コイルがクエンチした場合、できるだけ早く電源電流を遮断するとともに、超電導コイルに蓄積されているエネルギーを放出させる必要がある。そのため、超電導マグネット装置には、超電導コイルに並列に接続されたクエンチ保護回路が設けられている(たとえば非特許文献1を参照)。 When the superconducting coil is quenched, it is necessary to cut off the power source current as soon as possible and to release the energy stored in the superconducting coil. For this reason, the superconducting magnet device is provided with a quench protection circuit connected in parallel to the superconducting coil (see, for example, Non-Patent Document 1).
上記非特許文献1において、クエンチ保護回路は、超電導コイルに対して逆並列に接続されたダイオードと、ダイオードに直列に接続される保護抵抗とから構成されている。超電導コイルがクエンチした場合には、電源電流が遮断されると、超電導コイルに蓄積されているエネルギーは、超電導コイル、保護抵抗およびダイオードで形成される閉回路を電流が流れて放出される。
In the said
上記非特許文献1に記載されるクエンチ保護回路によれば、超電導コイル、ダイオードおよび保護抵抗で形成される閉回路を流れる電流は、超電導コイルのインダクタンスと保護抵抗の抵抗値とで決まる時定数に従って減衰する。
According to the quench protection circuit described in
このとき、閉回路に流れる電流の時間的変化に伴い、超電導コイルには自己誘導による誘導起電圧が発生する。誘導起電圧の大きさは、超電導コイルのインダクタンスと電流の時間的変化とを積算した値に等しくなる。したがって、閉回路に流れる電流を速く減衰させようとすると、電流の時間的変化が大きくなるため、超電導コイルに発生する誘導起電圧も大きくなる。その結果、インダクタンスが高い超電導コイルを用いた超電導マグネット装置においては、超電導コイルの耐電圧を超える誘導起電圧が発生することによって、超電導コイルが損傷してしまう可能性がある。 At this time, an induced electromotive voltage due to self-induction is generated in the superconducting coil with the temporal change of the current flowing in the closed circuit. The magnitude of the induced electromotive voltage is equal to a value obtained by integrating the inductance of the superconducting coil and the temporal change in current. Therefore, if the current flowing through the closed circuit is to be attenuated quickly, the temporal change of the current increases, and the induced electromotive voltage generated in the superconducting coil also increases. As a result, in a superconducting magnet device using a superconducting coil having a high inductance, an induced electromotive voltage exceeding the withstand voltage of the superconducting coil may be generated, thereby possibly damaging the superconducting coil.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、超電導コイルの耐電圧を超える電圧を発生させることなく、超電導コイルに蓄積されたエネルギーを速やかに放出させることが可能なクエンチ保護回路を備えた超電導マグネット装置を提供することである。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and the object of the present invention is to quickly store the energy stored in the superconducting coil without generating a voltage exceeding the withstand voltage of the superconducting coil. To provide a superconducting magnet device with a quench protection circuit that can be released.
本発明の一態様に係る超電導マグネット装置は、超電導コイルと、超電導コイルに並列に接続されたクエンチ保護回路とを備える。クエンチ保護回路は、ダイオードと、ダイオードと直列に接続された抵抗と、ダイオードおよび抵抗を含む直列回路に、さらに直列に接続されたコンデンサとを含む。 A superconducting magnet device according to an aspect of the present invention includes a superconducting coil and a quench protection circuit connected in parallel to the superconducting coil. The quench protection circuit includes a diode, a resistor connected in series with the diode, a series circuit including the diode and the resistor, and a capacitor connected in series.
上記によれば、超電導コイルの耐電圧を超える電圧を発生させることなく、超電導コイルに蓄積されたエネルギーを速やかに放出させることが可能なクエンチ保護回路を備えた超電導マグネット装置を提供することができる。 According to the above, it is possible to provide a superconducting magnet device including a quench protection circuit capable of quickly releasing energy stored in the superconducting coil without generating a voltage exceeding the withstand voltage of the superconducting coil. .
[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
[Description of Embodiment of the Present Invention]
First, embodiments of the present invention will be listed and described.
(1)本発明の一態様に係る超電導マグネット装置(図1参照)は、超電導コイル10と、超電導コイル10に並列に接続されたクエンチ保護回路120とを備える。クエンチ保護回路120は、ダイオードD1と、ダイオードD1と直列に接続された抵抗(保護抵抗)RPと、ダイオードD1および抵抗RPを含む直列回路に、さらに直列に接続されたコンデンサC1とを含む。
(1) A superconducting magnet device (see FIG. 1) according to an aspect of the present invention includes a
このようにすれば、クエンチを検出することで超電導コイル10への給電が遮断されると、超電導コイル10、コンデンサC1、抵抗RPおよびダイオードD1からなる閉回路を電流が流れることにより、超電導コイル10に蓄積されているエネルギーが放出される。超電導コイル10、コンデンサC1、抵抗RPおよびダイオードD1からなる閉回路においては、LCRの直列共振回路が形成されているため、コンデンサC1の容量を調整することにより、超電導コイル10の耐電圧を超える電圧を発生させることなく、超電導コイル10に蓄積されたエネルギーを速やかに放出させることができる。
In this way, when power supply to the
(2)上記(1)に係る超電導マグネット装置100において好ましくは、超電導コイル10、ダイオードD1、抵抗RPおよびコンデンサC1で形成される閉回路において、自己誘導により超電導コイル10に発生する最大電圧は、下記式(1)で表される。
(2) Preferably, in the
V=1.005×Io×C−0.498×L0.510 …(1)
(式(1)中、Vは最大電圧を表し、Ioはクエンチが発生していない正常時の超電導コイル10の通電電流を表し、Lは超電導コイル10のインダクタンスを表し、CはコンデンサC1の容量を表す。)
このようにすれば、自己誘導により超電導コイル10に発生する最大電圧を、超電導コイル10のインダクタンスL、コンデンサC1の容量Cおよび通電電流Ioの関数として一般化することができる。これにより、超電導コイル10の耐電圧を超える電圧を発生させることなく閉回路を流れる電流を速く減衰させるのに適したコンデンサC1の容量Cを、簡易に設定することができる。ただし、最大電圧は、上記式(1)で表される値に限定されるものではなく、ダイオードD1の特性により若干の変動を有している。
V = 1.005 * Io * C- 0.498 * L 0.510 ... (1)
(In the formula (1), V represents the maximum voltage, Io represents the current flowing through the
In this way, the maximum voltage generated in the
(3)上記(2)に係る超電導マグネット装置100において好ましくは、コンデンサC1の容量Cは、最大電圧Vが超電導コイル10の耐電圧以下となるという条件を満たす。
(3) Preferably, in the
このようにすれば、超電導コイル10の耐電圧を超える電圧を発生させることなく、超電導コイル10に蓄積されたエネルギーを速やかに放出させることができる。
In this way, the energy stored in the
[本発明の実施形態の詳細]
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
[Details of the embodiment of the present invention]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
[超電導マグネット装置の構成]
図1は、実施の形態に係る超電導マグネット装置の概略構成図である。
[Configuration of superconducting magnet device]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a superconducting magnet apparatus according to an embodiment.
図1を参照して、超電導マグネット装置100は、超電導コイル10と、励磁用電源20と、遮断器30と、クエンチ検出回路110と、クエンチ保護回路120とを備える。
Referring to FIG. 1,
超電導コイル10は、超電導線材が巻き回されることによって形成される。たとえば、超電導線材は、帯状の形状を有する酸化物超電導線材である。酸化物超電導線材は、その延在方向に延びるBi系超電導体と、この超電導体を被覆するシースとを有する。シースは、たとえば銀または銀合金により形成されている。
超電導コイル10は、図示しない冷却装置によって冷却される。冷却装置は、超電導コイル10に熱的に接続された冷却ヘッドを有しており、超電導コイル10を構成する超電導体の臨界温度以下の極低温を冷却ヘッドに発生させる。これにより、超電導コイル10が極低温に冷却される。なお、冷却装置を用いずに、断熱容器内に収容された液体ヘリウムまたは液体窒素などの冷媒に超電導コイル10を浸漬させる構成としてもよい。
励磁用電源20は、超電導コイル10に電流を供給する。超電導コイル10のクエンチが発生していない正常時、電流は超電導コイル10を流れ、クエンチ保護回路120には電流は流れない。
The excitation power supply 20 supplies a current to the
遮断器30は、励磁用電源20と超電導コイル10との間に接続される。遮断器30は、クエンチ検出回路110の制御部114から与えられる異常信号に応答して導通(オン)状態から非導通(オフ)状態に駆動される。これにより、超電導コイル10への給電が遮断される。
The
クエンチ検出回路110は、超電導コイル10のクエンチを検出する。クエンチ検出回路110は、クエンチ検出方法として最も基本的な方法である、電圧による検出方法を採用する。クエンチ検出回路110は、電圧による検出方法に代えて、アコースティック・エミッションの検出による方法、超音波を用いた音響的方法、光ファイバを用いた光学的方法、および冷媒圧力上昇を検出する方法などの周知のクエンチ検出方法を採用してもよい。
The
クエンチ検出回路110は、端子MT,ETA,ETBと、電圧差検出部DUと、電圧計112と、制御部114とを含む。端子MTは、超電導コイル10の中点MPに接続される。端子ETA,ETBは、超電導コイル10の両端EPA,EPBにそれぞれ接続される。超電導コイル10のコイル導体のうち、中点MPから端点EPAまでを区間SGA、中点MPから端点EPBまでを区間SGBと称する。区間SGBは、中点MPに関して区間SGAと対称である。
The quench
電圧差検出部DUは、区間SGAの両端EPA,MPにかかる電圧(すなわち、端子ETA,MT間の電圧)と、区間SGBの両端EPB,MPにかかる電圧(すなわち、端子ETB,MT間の電圧)とを比較し、これらの電圧差を検出する。 The voltage difference detection unit DU includes a voltage applied to both ends EPA and MP of the section SGA (that is, a voltage between the terminals ETA and MT) and a voltage applied to both ends EPB and MP of the section SGB (that is, a voltage between the terminals ETB and MT). ) To detect these voltage differences.
具体的には、電圧差検出部DUは、可動端子T1および固定端子T2,T3を有する可変抵抗器PM(ポテンショメータとも称される)と、電圧計112とを含む。固定端子T2,T3は、端子ETA,ETBにそれぞれ接続される。電圧計112は、可動端子T1と端子MTとの間に接続される。可動端子T1の位置に応じて、端子T1,T3間の抵抗値と、端子T2,T3間の抵抗値とが変化する。
Specifically, voltage difference detection unit DU includes a variable resistor PM (also referred to as a potentiometer) having a movable terminal T1 and fixed terminals T2 and T3, and a
可変抵抗器PMは、可動端子T1と固定端子T2との間に接続された抵抗RCと、可動端子T1と固定端子T3との間に接続された抵抗RDとが直列接続されたものに置き換えることができる。可動端子T1の位置が変化することによって、抵抗RC,RDの一方の抵抗値が増加し、他方の抵抗値が減少する。より一般的には、抵抗RC,RDの少なくとも一方の抵抗値が調整可能であればよい。 The variable resistor PM is replaced with a resistor RC connected between the movable terminal T1 and the fixed terminal T2 and a resistor RD connected between the movable terminal T1 and the fixed terminal T3 connected in series. Can do. As the position of the movable terminal T1 changes, one resistance value of the resistors RC and RD increases and the other resistance value decreases. More generally, it is sufficient that at least one resistance value of the resistors RC and RD is adjustable.
クエンチが発生していない正常時において、電圧計112で検出される電圧が0になるように可動端子T1の位置が調整される。このようにすると、区間SGA,SGBのいずれか一方において、超電導線材が常伝導状態に転移してクエンチが発生した場合には、電圧計112によって閾値を超える電圧が検出される。以下の説明において、ブリッジ間に発生する電圧(すなわち、電圧計112の検出値)を「バランス電圧Vb」とも称する。
The position of the movable terminal T1 is adjusted so that the voltage detected by the
制御部114は、電圧計112の検出電圧(バランス電圧)Vbが閾値を超えたときに異常と判定し、遮断器30に異常信号を出力する。異常信号を受けて遮断器30が非導通(オフ)状態に駆動されることにより、励磁用電源20から超電導コイル10への給電が遮断される。励磁用電源20からの給電が遮断された後、クエンチ保護回路120は、超電導コイル10に蓄積されたエネルギーを速やかに放出させる。これにより、クエンチによる超電導コイル10の損傷を回避する。
The
[クエンチ保護回路の構成]
クエンチ保護回路120は、超電導コイル10に対して並列に接続される。クエンチ保護回路120は、ダイオードD1と、保護抵抗RPと、コンデンサC1とを含む。
[Configuration of quench protection circuit]
The quench
保護抵抗RPは、ダイオードD1と直列に接続される。コンデンサC1は、ダイオードD1および保護抵抗RPを含む直列回路に、さらに直列に接続される。すなわち、ダイオードD1、保護抵抗RPおよびコンデンサC1を含む直列回路によりクエンチ保護回路120が構成されている。
The protective resistor RP is connected in series with the diode D1. Capacitor C1 is further connected in series to a series circuit including diode D1 and protective resistor RP. That is, the quench
このような構成とすることにより、超電導コイル10にクエンチが発生した場合には、クエンチ検出回路110がクエンチを検出することで励磁用電源20からの給電が遮断されると、超電導コイル10、コンデンサC1、保護抵抗RPおよびダイオードD1からなる閉回路を電流が流れる。これにより、超電導コイル10に蓄積されているエネルギーが放出される。
With this configuration, when quenching occurs in the
ここで、超電導コイル10、コンデンサC1、保護抵抗RPおよびダイオードD1からなる閉回路においては、LCRの直列共振回路が形成されている。そのため、閉回路を流れる電流は振動しながら減衰する。詳細には、LCRの直列共振回路において、超電導コイル10とコンデンサC1との間でエネルギーのやり取りが繰り返されることで振動が維持される一方で、保護抵抗RPでエネルギーの損失が生じることで振動の振幅が指数関数的に減少する。
Here, an LCR series resonance circuit is formed in the closed circuit including the
閉回路を流れる電流の振動振幅がどのように減衰するかについては、LCRの直列共振回路が持つ周波数特性に依存する。超電導コイル10のクエンチ保護の観点から、閉回路を流れる電流の減衰が速いことが求められる。
How the oscillation amplitude of the current flowing through the closed circuit is attenuated depends on the frequency characteristics of the LCR series resonant circuit. From the viewpoint of quench protection of the
その一方で、閉回路を流れる電流が減衰することに伴い、超電導コイル10には自己誘導による誘導起電圧が発生する。超電導コイル10のインダクタンスをLとし、閉回路を流れる電流Iの時間的変化をdI/dtとすると、超電導コイル10に発生する誘導起電圧はL×dI/dtで表される。したがって、電流の減衰が速くなると、dI/dtが大きくなるために誘導起電圧が増大する。このため、高いインダクタンスを有する超電導コイル10では、電流の減衰が速くなることで、超電導コイル10の耐電圧を超える誘導起電圧が発生する可能性がある。
On the other hand, as the current flowing through the closed circuit attenuates, an induced electromotive voltage is generated in the
このように、クエンチ保護回路において、閉回路を流れる電流の減衰の高速化と、超電導コイルに生じる電圧の低減とは、トレードオフの関係にある。本発明者らは、図1に示すクエンチ保護回路120において、コンデンサC1の容量と、閉回路を流れる電流の減衰特性および超電導コイル10に生じる誘導起電圧との関係について検証することにより、トレードオフの改善が図られることを見出した。
As described above, in the quench protection circuit, there is a trade-off between increasing the decay rate of the current flowing through the closed circuit and reducing the voltage generated in the superconducting coil. In the quench
以下では、本実施の形態に係るクエンチ保護回路120によってトレードオフが改善されることを検証した結果について説明する。
Hereinafter, a result of verifying that the tradeoff is improved by the quench
(コンデンサの容量と電流の減衰特性との関係)
最初に、本実施の形態に係るクエンチ保護回路120における、コンデンサC1の容量と超電導コイル10を流れる電流の減衰特性との関係をシミュレーションにより検証した。シミュレーションでは、図2に示す実施例と、図3に示す比較例との各々について、遮断器30をオフ状態とした時点以降に超電導コイル10に流れる電流の変化を算出した。
(Relationship between capacitor capacity and current attenuation characteristics)
First, in the quench
図2に示されるように、実施例に係るクエンチ保護回路120では、超電導コイル10のインダクタンスLを100Hとし(L=100H)、保護抵抗RPの抵抗値Rを1Ωとした(R=1Ω)。コンデンサC1については、容量Cを0.1F,1.0F,10F,100F,1000Fの間で変化させた。また、クエンチが発生していない正常時における超電導コイル10の通電電流Ioを200Aとした(Io=200A)。
As shown in FIG. 2, in the quench
これに対して、図3に示されるように、比較例に係るクエンチ保護回路130は、ダイオードD1および保護抵抗RPの直列回路により構成した。すなわち、比較例は、ダイオードD1および保護抵抗RPの直列回路に、さらにコンデンサが直列に接続されていない点が、実施例とは異なっている。比較例において、超電導コイル10、ダイオードD1および保護抵抗RPはそれぞれ、実施例と同様の構造とした。また、通電電流Ioを実施例と同様の200Aとした。
On the other hand, as shown in FIG. 3, the quench
図4にシミュレーション結果を示す。図4の横軸は遮断器30をオフした時点(時刻t=0)から経過した時間[s]を示し、縦軸は超電導コイル10を流れる電流[A]を示す。
FIG. 4 shows the simulation results. The horizontal axis in FIG. 4 indicates time [s] that has elapsed since the
図4において、波形k1は比較例(図3)における超電導コイル10を流れる電流を示す。波形k2〜k6は、実施例(図2)における超電導コイル10を流れる電流を示す。詳細には、波形k2はコンデンサC1の容量C=0.1Fのときの電流波形であり、波形k3はC=1Fのときの電流波形であり、波形k4はC=10Fのときの電流波形であり、波形k5はC=100Fのときの電流波形であり、波形k6はC=1000Fのときの電流波形である。
In FIG. 4, a waveform k1 indicates the current flowing through the
図4に示されるように、実施例は、コンデンサC1を有しない比較例と比較して、電流の減衰が速くなっている。ただし、電流の減衰の速さは、コンデンサC1の容量C=1000Fのとき(波形k6)には比較例と同程度であり、容量Cが100F,10F,1F,0.1Fの順に小さくなるにつれて、比較例との差が大きくなっている。また、容量C=1000F,100F,10Fのとき(波形k6,k5,k4)には、電流の振動振幅が見られない一方で、容量C=1F,0.1Fのとき(波形k3,k2)には、電流の振動振幅が見られる。 As shown in FIG. 4, the current decay is faster in the example than in the comparative example not having the capacitor C1. However, when the capacitance C of the capacitor C1 is 1000F (waveform k6), the speed of current decay is similar to that of the comparative example, and as the capacitance C decreases in the order of 100F, 10F, 1F, and 0.1F. The difference from the comparative example is large. In addition, when the capacitance C = 1000F, 100F, 10F (waveforms k6, k5, k4), no oscillation amplitude of the current is observed, while when the capacitance C = 1F, 0.1F (waveforms k3, k2). Shows the oscillation amplitude of the current.
超電導コイル10、コンデンサC1、保護抵抗RPおよびダイオードD1からなる閉回路はLCRの直列共振回路により構成されるため、遮断器30をオフした時刻をt=0とし、時刻t(t>0)におけるコンデンサC1の端子電圧をVC、超電導コイル10の端子間電圧をVL、保護抵抗RPの端子間電圧をVRとすると、キルヒホッフの法則から、式(1)が導かれる。
Since the closed circuit composed of the
VC=Q/C、VR=RI、VL=L×dI/dt、I=dQ/dtの関係があることから、式(2)に示される2階の微分方程式が得られる。 Since there are relationships of V C = Q / C, V R = RI, V L = L × dI / dt, and I = dQ / dt, the second-order differential equation shown in Equation (2) is obtained.
t=0でI=Io,VC=0であることから、I=Ioexp(−st)と仮定すると、上記式(2)の解は、Q=−I/sで与えられる。これにより、上記式(2)から式(3)が得られる。 Since t = 0, I = Io, and V C = 0, assuming that I = Ioexp (−st), the solution of the above equation (2) is given by Q = −I / s. Thereby, Formula (3) is obtained from the above Formula (2).
さらに上記式(3)を変形することで、電流Iは式(4)のように表わすことができる。 Further, the current I can be expressed as shown in the equation (4) by modifying the equation (3).
上記式(4)において、4L/C>R2のときには、電流Iは振幅が減衰しながら振動する。これに対して、4L/C≦R2のときには、電流Iは振動することなく減衰する。なお、4L/C>R2の状態は振動減衰と呼ばれ、4L/C=R2の状態は臨界減衰と呼ばれ、4L/C<R2の状態は非振動減衰(または過減衰)と呼ばれる。超電導コイル10のインダクタンスLおよび保護抵抗RPの抵抗値Rがそれぞれ定められている場合、コンデンサC1の容量Cに応じて、電流Iは振動減衰、臨界減衰および非振動減衰のいずれかの状態をとる。
In the above formula (4), at 4L / C> R 2, the current I is oscillating with amplitude attenuated. In contrast, when the 4L / C ≦ R 2, the current I is attenuated without vibration. The state of 4L / C> R 2 is called vibration damping, the state of 4L / C = R 2 is called critical damping, and the state of 4L / C <R 2 is non-vibration damping (or overdamping). be called. When the inductance L of the
なお、図4では、容量C=10Fのとき(波形k4)、ダイオードD1によって電流Iが整流されることにより、振動のない電流波形が得られている。その結果、容量C=10Fのときに電流Iは最も速くI=0に到達している。 In FIG. 4, when the capacitance C = 10F (waveform k4), the current I is rectified by the diode D1, so that a current waveform without vibration is obtained. As a result, the current I reaches I = 0 the fastest when the capacitance C = 10F.
以上のように、実施例に係るクエンチ保護回路120では、ダイオードD1および保護抵抗RPの直列回路に、さらにコンデンサC1を直列に接続したことによって、コンデンサC1の容量Cを調整することで、コンデンサC1を有しない比較例に比べて、超電導コイル10に流れる電流をより速く減衰させることができる。以下の説明では、超電導コイル10を流れる電流の減衰の速さを表わす指標として、減衰時定数を用いる。本明細書において、減衰時定数とは、電流の振幅が約37%に減衰するまでの時間を意味する。
As described above, in the quench
図5は、コンデンサC1の容量と超電導コイル10を流れる電流の減衰時定数との関係を説明する図である。図5の横軸はコンデンサC1の容量C[F]を示し、縦軸は超電導コイル10を流れる電流の減衰時定数[s]を示す。減衰時定数は、図2に示す実施例について算出した、遮断器30をオフ状態とした時点以降に超電導コイル10に流れる電流の変化から求めた。超電導コイル10の保護抵抗RPの抵抗値Rを1Ωとし(R=1Ω)、超電導コイル10のインダクタンスLを1H,10H,100H,1000Hの間で変化させた。
FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the capacitance of the capacitor C1 and the decay time constant of the current flowing through the
図5において、波形k7はL=1000Hのときの関係を示し、波形k8はL=100Hのときの関係を示し、波形k9はL=10Hのときの関係を示し、波形k10はL=1Hのときの関係を示す。 In FIG. 5, a waveform k7 shows a relationship when L = 1000H, a waveform k8 shows a relationship when L = 100H, a waveform k9 shows a relationship when L = 10H, and a waveform k10 shows that L = 1H. Show the relationship.
図5に示されるように、超電導コイル10のインダクタンスLおよび保護抵抗RPの抵抗値Rが一定のもとでは、電流の減衰時定数はコンデンサC1の容量Cが小さいほど速くなる傾向がある。このため、超電導コイル10のインダクタンスLが1000Hと高い場合においても、コンデンサC1の容量Cを小さくすることで電流の減衰時定数を小さくできることが分かる。
As shown in FIG. 5, when the inductance L of the
(コンデンサの容量と超電導コイルの発生電圧との関係)
次に、本実施の形態に係るクエンチ保護回路120における、コンデンサC1の容量と超電導コイル10に発生する電圧との関係をシミュレーションにより検証した。シミュレーションでは、実施例に係るクエンチ保護回路120(図2)において、超電導コイル10のインダクタンスL=1H,10H,100H,1000Hの各々について、遮断器30をオフ状態とした時点以降に超電導コイル10に流れる電流の変化を算出した。保護抵抗RPについては、抵抗値Rを0.1Ω,1Ω,10Ωの間で変化させた。
(Relationship between capacitor capacity and superconducting coil voltage)
Next, the relationship between the capacitance of the capacitor C1 and the voltage generated in the
図6は、コンデンサC1の容量と超電導コイル10の発生電圧との関係を説明する図である。図6の横軸はコンデンサC1の容量C[F]を示し、縦軸は超電導コイル10の発生電圧の絶対値の最大値(以下「最大発生電圧[V]」とも称する)を示す。
FIG. 6 is a diagram for explaining the relationship between the capacitance of the capacitor C1 and the generated voltage of the
図6において、波形群k11はL=1000Hのときの関係を示し、波形群k12はL=100Hのときの関係を示し、波形群k13はL=10Hのときの関係を示し、波形群k14はL=1Hのときの関係を示す。各波形群において、実線はR=10Ωのときの関係を示し、点線はR=1Ωのときの関係を示し、破線はR=0.1Ωのときの関係を示す。 In FIG. 6, a waveform group k11 shows a relationship when L = 1000H, a waveform group k12 shows a relationship when L = 100H, a waveform group k13 shows a relationship when L = 10H, and a waveform group k14 The relationship when L = 1H is shown. In each waveform group, the solid line indicates the relationship when R = 10Ω, the dotted line indicates the relationship when R = 1Ω, and the broken line indicates the relationship when R = 0.1Ω.
図6に示されるように、超電導コイル10のインダクタンスLが一定のもとでは、コンデンサC1の容量Cが小さくなるほど超電導コイル10の最大発生電圧が大きくなる傾向がある。また、コンデンサC1の容量Cが一定の場合には、超電導コイル10のインダクタンスLが高くなるほど最大発生電圧が大きくなる。
As shown in FIG. 6, when the inductance L of the
ここで、コンデンサC1の容量と電流の減衰時定数との関係(図5)と、コンデンサC1の容量と超電導コイル10の最大発生電圧との関係(図6)とを比較すると、超電導コイル10のインダクタンスLが一定のもとでは、コンデンサC1の容量Cを小さくするに従って、電流の減衰時定数が小さくなる一方で、超電導コイル10の最大発生電圧が大きくなることが分かる。これによれば、超電導コイル10の最大発生電圧が超電導コイル10の耐電圧を超えない範囲で、コンデンサC1の容量をできる限り小さくすることで、超電導コイル10に耐電圧を超える電圧が発生することを抑制しつつ、超電導コイル10を流れる電流を速く減衰させることが可能となる。
Here, when the relationship between the capacitance of the capacitor C1 and the decay time constant of the current (FIG. 5) and the relationship between the capacitance of the capacitor C1 and the maximum generated voltage of the superconducting coil 10 (FIG. 6) are compared, It can be seen that, when the inductance L is constant, as the capacitance C of the capacitor C1 is reduced, the current decay time constant is reduced while the maximum voltage generated in the
[超電導コイルの最大発生電圧の一般化]
図6を参照して、コンデンサC1の容量と超電導コイル10の最大発生電圧との関係は、両対数グラフ上において直線で表わされる。この直線の傾きは、超電導コイル10のインダクタンスLによらず一定である。また、コンデンサC1の任意の容量における最大発生電圧は、log10Lに比例している。これによれば、最大発生電圧は、超電導コイル10のインダクタンスLとコンデンサC1の容量Cとの関数で表現できることが分かる。
[Generalization of maximum voltage of superconducting coil]
Referring to FIG. 6, the relationship between the capacitance of capacitor C1 and the maximum generated voltage of
そこで、以下では、クエンチ保護回路120において、超電導コイル10の最大発生電圧と超電導コイル10のインダクタンスLおよびコンデンサC1の容量Cとの関係を一般化する。
Therefore, in the following, in the quench
最初に、コンデンサC1の容量と超電導コイル10の発生電圧との関係を正規化する。図7には、超電導コイル10のインダクタンスL=1Hのときの関係を正規化したものを例示する。
First, the relationship between the capacity of the capacitor C1 and the generated voltage of the
正規化では、図6の波形群k14に示される関係について、近似曲線を導出した。導出にあたっては、超電導コイル10のインダクタンスLを1Hとし(L=1H)、かつ、超電導コイル10を流れる電流の初期値Ioを200Aとした(Io=200A)。電流Ioは、クエンチが発生していない正常時における超電導コイル10の通電電流に相当する。
In normalization, an approximate curve was derived for the relationship shown in the waveform group k14 in FIG. In derivation, the inductance L of the
超電導コイル10のインダクタンスL=1Hの場合の超電導コイル10の最大発生電圧をV(L=1,C,Io=200)とすると、近似曲線は式(5)のように表される。
When the maximum generated voltage of the
次に、超電導コイル10のインダクタンスと最大発生電圧との関係を正規化する。正規化では、図6に示す関係から、コンデンサC1の容量C=1Fのときの最大発生電圧をインダクタンスごとに抽出する。図8に、コンデンサC1の容量C=1Fかつ保護抵抗RPの抵抗値R=0.1Ωのときの超電導コイル10の最大発生電圧とインダクタンスとの関係を示す。図8の横軸は超電導コイル10のインダクタンスを示し、縦軸は各インダクタンスでの最大発生電圧を、インダクタンスL=1Hのときの最大発生電圧で正規化した値を示す。各インダクタンスでの最大発生電圧をV(L,C,Io=200)とすると、正規化された最大発生電圧は、V(L,C,Io=200)/V(L=1,C,Io=200)となる。
Next, the relationship between the inductance of the
図8に示される関係について近似曲線を導出した。近似曲線は式(6)のように表される。 An approximate curve was derived for the relationship shown in FIG. The approximate curve is expressed as Equation (6).
続いて、上記式(5)の近似曲線を、上記式(6)の近似曲線を用いて変形することにより、各インダクタンスでの最大発生電圧V(L,C,Io=200)は、式(7)のように表すことができる。 Subsequently, by deforming the approximate curve of the above formula (5) using the approximate curve of the above formula (6), the maximum generated voltage V (L, C, Io = 200) at each inductance is expressed by the formula ( 7).
上記式(7)を、さらに通電電流Ioについても一般化することにより、最終的に、最大発生電圧は、式(8)に示されるように、超電導コイル10のインダクタンスL、コンデンサC1の容量Cおよび通電電流Ioの関数として表現することができる。
By further generalizing the above equation (7) with respect to the energization current Io, the maximum generated voltage finally becomes the inductance L of the
ただし、最大発生電圧V(L,C,Io)は、保護抵抗RPに発生する電圧R×Io以上であるという条件(V(L,C,Io)≧R×Io)を満たすものとする。また、最大発生電圧V(L,C,Io)は、上記式(8)で表される値に限定されるものではなく、ダイオードD1の特性により若干の変動を有している。 However, it is assumed that the maximum generated voltage V (L, C, Io) satisfies the condition (V (L, C, Io) ≧ R × Io) that is equal to or higher than the voltage R × Io generated in the protective resistor RP. Further, the maximum generated voltage V (L, C, Io) is not limited to the value represented by the above formula (8), and has a slight variation depending on the characteristics of the diode D1.
また、超電導コイル10を過電圧から保護するためには、最大発生電圧V(L,C,Io)が超電導コイル10の耐電圧以下に抑える必要がある。すなわち、超電導コイル10の耐電圧をVwとすると、V(L,C,Io)≦Vwという条件を満たすことが求められる。
Further, in order to protect the
これらをまとめると、最大発生電圧V(L,C,Io)は、式(9)に示される関係式を満たす必要がある。 In summary, the maximum generated voltage V (L, C, Io) needs to satisfy the relational expression shown in Expression (9).
言い換えれば、図1に示される超電導マグネット装置100において、通電電流Ioおよび超電導コイル10のインダクタンスLがそれぞれ決まると、上記の関係式(9)を満足するように、クエンチ保護回路120におけるコンデンサC1の容量Cが設定される。これにより、クエンチが検出されて超電導コイル10への電流供給が遮断された場合において、耐電圧Vwを超える電圧を超電導コイル10に発生させることなく、超電導コイル10に蓄積されるエネルギーを速やかに放出させることができる。
In other words, in the
図9には、上記式(8)により一般化された最大発生電圧V(L,C,Io)と、図6に示したコンデンサC1の容量と最大発生電圧との関係との整合性を検証した結果を示す。図9のグラフは、図6に示したコンデンサC1の容量と最大発生電圧との関係に対して、上記式(8)を用いて算出した最大発生電圧とコンデンサC1の容量との関係を重ねて示したものである。 FIG. 9 verifies the consistency between the maximum generated voltage V (L, C, Io) generalized by the above equation (8) and the relationship between the capacity of the capacitor C1 and the maximum generated voltage shown in FIG. The results are shown. In the graph of FIG. 9, the relationship between the maximum generated voltage calculated using the above equation (8) and the capacitance of the capacitor C1 is superimposed on the relationship between the capacitance of the capacitor C1 and the maximum generated voltage shown in FIG. It is shown.
図9において、波形群k15はL=1000H,R=0.1Ωときの関係を示し、波形群k16はL=100H,R=0.1Ωのときの関係を示し、波形群k17はL=10H,R=0.1Ωのときの関係を示し、波形群k18はL=1H,R=0.1Ωのときの関係を示す。各波形群において、実線はシミュレーションから得られた関係を示し、破線は上記式(8)を用いて得られた関係を示す。 In FIG. 9, the waveform group k15 shows the relationship when L = 1000H and R = 0.1Ω, the waveform group k16 shows the relationship when L = 100H and R = 0.1Ω, and the waveform group k17 shows L = 10H. , R = 0.1Ω, and the waveform group k18 shows the relationship when L = 1H and R = 0.1Ω. In each waveform group, the solid line shows the relationship obtained from the simulation, and the broken line shows the relationship obtained using the above equation (8).
図9を参照して、いずれの波形群においても、シミュレーションから得られた関係と上記式(8)から得られた関係とは精度良く一致していることが分かる。すなわち、図9は、本実施の形態に係るクエンチ保護回路120において、超電導コイル10の最大発生電圧が、上記式(8)によって一般化できていることを証明している。
Referring to FIG. 9, it can be seen that in any waveform group, the relationship obtained from the simulation and the relationship obtained from the above equation (8) coincide with each other with high accuracy. That is, FIG. 9 proves that in the quench
[クエンチ保護回路の設計手順]
最後に、上記式(8)を利用したクエンチ保護回路120の設計手順について説明する。図10は、実施の形態に係るクエンチ保護回路120の設計手順を説明するフローチャートである。
[Quench protection circuit design procedure]
Finally, the design procedure of the quench
図10に示されるように、最初に、ステップS10により、通電電流Ioおよび超電導コイル10のインダクタンスLを上記式(8)に代入する。これにより、超電導コイル10の最大発生電圧V(L,C,Io)は、実質的に、コンデンサC1の容量Cの関数で表現される。
As shown in FIG. 10, first, in step S10, the conduction current Io and the inductance L of the
次に、ステップS20により、ステップS10で導出された最大発生電圧V(L,C,Io)が超電導コイル10の耐電圧Vw以下となるように、すなわち、上記関係式(9)を満たすように、コンデンサC1の容量Cを設定する。
Next, in step S20, the maximum generated voltage V (L, C, Io) derived in step S10 is equal to or lower than the withstand voltage Vw of the
詳細には、ステップS20では、上記関係式(9)を解くことにより、コンデンサC1の容量Cの許容範囲が求められる。図5に示したように、コンデンサC1の容量Cが小さいほど、超電導コイル10を流れる電流の減衰時定数が小さくなる。したがって、求められた許容範囲の下限値付近に容量Cを設定することが好ましい。
Specifically, in step S20, the allowable range of the capacitance C of the capacitor C1 is obtained by solving the relational expression (9). As shown in FIG. 5, the smaller the capacitance C of the capacitor C1, the smaller the decay time constant of the current flowing through the
ステップS20によりコンデンサC1の容量Cが設定されると、ステップS30により、保護抵抗RPの抵抗値Rを設定する。図4で説明したように、LCRの直列共振回路から構成される閉回路では、4L/C=R2の状態(臨界減衰)を境として、4L/C>R2のときに電流Iが振動減衰する一方で、4L/C<R2のときには電流Iは振動することなく減衰する。ただし、電流Iが振動減衰する場合であっても、ダイオードD1の整流作用によって振幅が抑制される(図4の波形k4参照)。そのため、保護抵抗RPの抵抗値Rは、臨界減衰となるときの抵抗値Rc(Rc=2(L/C)1/2)近傍の値に設定するのが好ましい。 When the capacitance C of the capacitor C1 is set in step S20, the resistance value R of the protective resistor RP is set in step S30. As described with reference to FIG. 4, in a closed circuit composed of an LCR series resonance circuit, the current I oscillates when 4L / C> R 2 with a boundary of 4L / C = R 2 (critical damping) as a boundary. while attenuation, when the 4L / C <R 2 current I is attenuated without vibration. However, even when the current I is damped by vibration, the amplitude is suppressed by the rectifying action of the diode D1 (see the waveform k4 in FIG. 4). Therefore, it is preferable to set the resistance value R of the protective resistor RP to a value in the vicinity of the resistance value Rc (Rc = 2 (L / C) 1/2 ) when critical damping is achieved.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time is to be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above-described embodiment but by the scope of claims, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims and all modifications within the scope.
10 超電導コイル
20 励磁用電源
30 遮断器
110 クエンチ検出回路
112 電圧計
114 制御部
120 クエンチ保護回路
C1 コンデンサ
D1 ダイオード
DU 電圧差検出部
RP 保護抵抗
PM 可変抵抗器
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記超電導コイルに並列に接続されたクエンチ保護回路とを備え、
前記クエンチ保護回路は、
ダイオードと、
前記ダイオードと直列に接続された抵抗と、
前記ダイオードおよび前記抵抗を含む直列回路に、さらに直列に接続されたコンデンサとを含む、超電導マグネット装置。 A superconducting coil;
A quench protection circuit connected in parallel to the superconducting coil,
The quench protection circuit includes:
A diode,
A resistor connected in series with the diode;
A superconducting magnet device, further comprising a capacitor connected in series to a series circuit including the diode and the resistor.
V=1.005×Io×C−0.498×L0.510 …(1)
(式(1)中、Vは前記最大電圧を表し、Ioはクエンチが発生していない正常時の前記超電導コイルの通電電流を表し、Lは前記超電導コイルのインダクタンスを表し、Cは前記コンデンサの容量を表す。) 2. The superconductivity according to claim 1, wherein a maximum voltage generated in the superconducting coil by self-induction in a closed circuit formed by the superconducting coil, the diode, the resistor, and the capacitor is represented by the following formula (1): Magnet device.
V = 1.005 * Io * C- 0.498 * L 0.510 ... (1)
(In the formula (1), V represents the maximum voltage, Io represents the energization current of the superconducting coil in a normal state where no quench occurs, L represents the inductance of the superconducting coil, and C represents the capacitance of the capacitor. Represents capacity.)
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Cited By (1)
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CN107994544A (en) * | 2017-12-11 | 2018-05-04 | 合肥中科离子医学技术装备有限公司 | A kind of superconducting magnet system quenching protection device and its method of work |
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- 2015-07-29 JP JP2015149235A patent/JP2017033976A/en active Pending
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