JP5975345B2 - 電磁石用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、加速器等で使用される電磁石にパルス状の大電流を印加するための電磁石用電源装置に関する。

物理化学実験や医療等の分野で使用される加速器には、電磁石にパルス状の大電流を印加するための電磁石用電源装置が備えられている。従来の電磁石用電源装置としては、例えば、非特許文献１に記載のパワークローバ回路を採用したものが知られている。

図５（Ａ）に示すように、このタイプの電磁石用電源装置１００は、第１コンデンサ１０１および該第１コンデンサ１０１よりも静電容量値が大きい第２コンデンサ１０２を備え、第１スイッチ１０３および第２スイッチ１０４をＯＮ／ＯＦＦさせることにより電磁石１０５に第１コンデンサ１０１および／または第２コンデンサ１０２の放電電流（＝電磁石電流Ｉ）が印加されるよう構成されている。

より詳しくは、この電磁石用電源装置１００では、第１コンデンサ１０１が数千Ｖの高電圧で、第２コンデンサ１０２が数百Ｖの電圧でそれぞれ予め充電されている。図５（Ｂ）に示すように、時間ｔ_０において第１スイッチ１０３がＯＮされると、第１コンデンサ１０１の放電電流が電磁石１０５に供給され、電磁石電流Ｉが頂部（例えば、数十ｋＡ）まで一気に立ち上がる。時間ｔ_１において第１スイッチ１０３がＯＦＦされて第２スイッチ１０４がＯＮされると、第２コンデンサ１０２の放電電流が電磁石１０５に供給され、電磁石電流Ｉの電流値が頂部付近で維持される。その後、第２コンデンサ１０２の放電電流の減少とともに、電磁石電流Ｉの電流値は低下していく。

図６に、電磁石用電源装置１００とコンセプトがよく似た別の従来の電磁石用電源装置２００を示す。同図に示すように、電磁石用電源装置２００は、第１電流源２０１と、第２電流源２０２と、制御部２０６とを備えている。

第１電流源２０１は、第１充電電源２１０から出力される数千Ｖの電圧で予め充電された第１コンデンサ２１１の放電電流を電磁石２０５に供給することにより、電磁石電流Ｉを頂部まで一気に立ち上げ（図７（Ｂ）の時間ｔ_０〜時間ｔ_１）、かつ電磁石２０５の逆起電圧による回生電流を第１コンデンサ２１１に回生させることにより、電磁石電流Ｉを頂部から一気に立ち下げる（図７（Ｂ）の時間ｔ_２〜時間ｔ_３）よう構成されている。

第２電流源２０２は、電磁石電流Ｉの立ち上げ後に、第２充電電源２２０から出力される数百Ｖの電圧で予め充電された第２コンデンサ２２１の放電電流を電磁石２０５に供給することにより、電磁石電流Ｉの立ち下げ前まで頂部における電流値を維持する（図７（Ｂ）の時間ｔ_１〜時間ｔ_２）よう構成されている。

この電磁石用電源装置２００では、電磁石電流Ｉを立ち上げる期間（時間ｔ_０〜時間ｔ_１）、電磁石電流Ｉを維持する期間（時間ｔ_１〜時間ｔ_２）、および電磁石電流Ｉを立ち下げる期間（時間ｔ_２〜時間ｔ_３）で、第１電流源２０１の２つのスイッチング素子２１５ａ、２１５ｄおよび第２電流源２０２の２つのスイッチング素子２２５ａ、２２５ｄの導通状態が切り替えられる。これらのスイッチング素子２１５ａ、２１５ｄ、２２５ａ、２２５ｄの導通状態は、適当な駆動回路２１６、２２６を介して接続された制御部２０６によって切り替えられる。

田実、「コンデンサを用いたパルスパワー技術」、静電気学会誌、平成６年、第１８巻、第４号、ｐ．３５５−３６３

ところで、電磁石用電源装置２００では、電磁石電流Ｉ立ち下げのゼロクロス時において、第１電流源２０１のダイオード２１５ｂ、２１５ｃに並列接続されたサージ吸収用コンデンサ２１７ｂ、２１７ｃの静電容量と電磁石２０５のインダクタンスとに起因して、電磁石電流Ｉが共振する。共振のエネルギーは、電磁石電流Ｉの変化量に比例し、電磁石電流Ｉの傾き（傾きの絶対値）が大きいほど大きくなる。

電磁石用電源装置２００では、電磁石電流Ｉを立ち下げる期間における電磁石２０５の両端の電圧（以下、「電磁石電圧」という）が、図７（Ａ）に示すように、電磁石電流Ｉを立ち上げる期間における電磁石電圧とほぼ同じ大きさで逆極性の電圧値（−数千Ｖ）になるので、電磁石電流Ｉは、図７（Ｂ）に示すように、立ち上げ時と同程度の傾きをもって一気に立ち下がる。このため、電磁石用電源装置２００では、共振のエネルギーが大きくなり、図８（Ｂ）に示すように、電磁石電流Ｉ立ち下げのゼロクロス付近で電磁石電流Ｉが大きく（例えば、頂部における電流値の１０％以上）振動してしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、電磁石に供給するパルス状電流（電磁石電流）立ち下げのゼロクロス時における振動を抑制可能な電磁石用電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る電磁石用電源装置は、（１）電磁石にパルス状電流を印加する電磁石用電源装置であって、第１電圧で予め充電された第１コンデンサの第１放電電流を電磁石に供給することにより、パルス状電流を頂部まで立ち上げ、かつ電磁石の逆起電圧による回生電流を第１コンデンサに回生させることにより、パルス状電流を頂部から立ち下げる第１電流源と、パルス状電流の立ち上げ後に、第１電圧よりも低い第２電圧で予め充電された第２コンデンサの第２放電電流を電磁石に供給し、さらにその後、第２電圧よりも低い第３電圧で予め充電された、第２コンデンサよりも静電容量値の大きい第３コンデンサの第３放電電流を第２放電電流とともに電磁石に供給することにより、パルス状電流の立ち下げ前までパルス状電流を頂部において維持する第２電流源と、を備え、パルス状電流の立ち下げの途中で、回生電流の回生先が第１電流源から第２電流源に切り替わることを特徴とする。

この構成によれば、パルス状電流の立ち下げの途中で回生電流の回生先を第１電流源から第２電流源に切り替えることにより、電磁石電圧を低くして、パルス状電流の傾きを緩やかにすることができる。したがって、この構成によれば、パルス状電流立ち下げのゼロクロス時における振動を抑制することができる。なお、本明細書において、電圧の大小（高低）を比較するときは、その絶対値で比較するものとする。

上記（１）の電磁石用電源装置では、（２）回生電流の回生先が第１電流源から第２電流源に切り替わると、回生電流は、第２コンデンサおよび第３コンデンサに回生されることが好ましい。

この構成によれば、回生電流が第２コンデンサと該第２コンデンサよりも静電容量値の大きい第３コンデンサに回生されるので、回生電流により第２コンデンサの電圧値が跳ね上がってしまうのを防ぐことができ、パルス状電流の傾きをより確実に緩やかにすることができる。

上記（２）の電磁石用電源装置では、（３）第２電流源が、第２コンデンサと、第３コンデンサおよび整流素子からなる直列回路と、整流素子を短絡可能に構成された短絡手段とを有している場合、短絡手段は、回生電流の回生先が第１電流源から第２電流源に切り替わると、非導通状態から導通状態となり、整流素子を短絡させるよう構成できる。

上記（１）〜（３）の電磁石用電源装置は、例えば、（４）第１電圧を出力する第１充電電源と、第２電圧を出力する第２充電電源と、第３電圧を出力する第３充電電源とを備えている。

上記（１）〜（３）電磁石用電源装置は、（５）第１電圧を出力する第１充電電源と、第３電圧を出力する第３充電電源と、第４電圧を出力する第４充電電源とを備え、第２電圧は、第３電圧および第４電圧の和電圧であってもよい。

本発明によれば、電磁石に供給するパルス状電流立ち下げのゼロクロス時における振動を抑制可能な電磁石用電源装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る電磁石用電源装置の回路図である。 第１実施形態に係る電磁石用電源装置の波形図であって、（Ａ）は電磁石電圧の全体波形図、（Ｂ）は（Ａ）の拡大波形図、（Ｃ）は電磁石電流の全体波形図、（Ｄ）は（Ｃ）の拡大波形図である。 第１実施形態に係る電磁石用電源装置の波形図であって、（Ａ）は図２（Ａ）における一点鎖線円Ａ内の拡大波形図、（Ｂ）は図２（Ｃ）における一点鎖線円Ｂ内の拡大波形図である。 本発明の第２実施形態に係る電磁石用電源装置の回路図である。 （Ａ）は従来の電磁石用電源装置の回路図、（Ｂ）は電磁石電流の波形図である。 従来の電磁石用電源装置の回路図である。 従来の電磁石用電源装置の波形図であって、（Ａ）は電磁石電圧の全体波形図、（Ｂ）は電磁石電流の全体波形図である。 従来の電磁石用電源装置の波形図であって、（Ａ）は図７（Ａ）における一点鎖線円Ａ内の拡大波形図、（Ｂ）は図７（Ｂ）における一点鎖線円Ｂ内の拡大波形図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る電磁石用電源装置の好ましい実施形態について説明する。

［第１実施形態］
図１に、本発明の第１実施形態に係る電磁石用電源装置１Ａを示す。電磁石用電源装置１Ａは、電磁石５にパルス状の大電流である電磁石電流Ｉを印加するためのもので、同図に示すように、第１電流源２と、第２電流源３と、これらを制御する制御部６とを備えている。

第１電流源２は、第１電圧（例えば、数千Ｖ）を出力する第１充電電源２０と、第１電圧で充電される第１コンデンサ２１と、Ｈブリッジ接続された４つのスイッチング素子２５ａ〜２５ｄを備えている。４つのスイッチング素子２５ａ〜２５ｄには、各１つのサージ吸収用コンデンサ２７ａ〜２７ｄが並列接続されている。

第１電流源２のスイッチング素子２５ａ〜２５ｄはブリッジ回路部を構成し、第１スイッチング素子２５ａおよび第２スイッチング素子２５ｂの接続点が第１出力端、第３スイッチング素子２５ｃおよび第４スイッチング素子２５ｄの接続点が第２出力端となっている。第１コンデンサ２１は、このブリッジ回路部に並列接続されている。

第１電流源２の第１スイッチング素子２５ａおよび第４スイッチング素子２５ｄは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体素子であり、第１スイッチング素子２５ａおよび第４スイッチング素子２５ｄの制御端子であるゲートは適当な駆動回路２６を介して制御部６に接続されている。

第２電流源３は、第１電圧よりも低い第２電圧（例えば、百数十Ｖ）を出力する第２充電電源３０と、第２電圧で充電される第２コンデンサ３１と、第２電圧よりも低い第３電圧（例えば、１００Ｖ）を出力する第３充電電源３２と、第３電圧で充電される第２コンデンサ３１よりも静電容量値の大きい第３コンデンサ３３と、第３コンデンサ３３に直列接続された整流素子３４と、Ｈブリッジ接続された４つのスイッチング素子３５ａ〜３５ｄと、整流素子３４に並列接続された第５スイッチング素子３５ｅ（本発明の「短絡手段」に相当）とを備えている。４つのスイッチング素子３５ａ〜３５ｄおよび第５スイッチング素子３５ｅには、各１つのサージ吸収用コンデンサ３７ａ〜３７ｅが並列接続されている。

第２電流源３のスイッチング素子３５ａ〜３５ｄはブリッジ回路部を構成し、第１スイッチング素子３５ａおよび第２スイッチング素子３５ｂの接続点が第３出力端、第３スイッチング素子３５ｃおよび第４スイッチング素子３５ｄの接続点が第４出力端となっている。第２コンデンサ３１と、第３コンデンサ３３および整流素子３４の直列回路とは、このブリッジ回路部に並列接続されている。

第２電流源３の第１スイッチング素子３５ａ、第４スイッチング素子３５ｄおよび第５スイッチング素子３５ｅは、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子であり、第１スイッチング素子３５ａ、第４スイッチング素子３５ｄおよび第５スイッチング素子３５ｅの制御端子であるゲートは適当な駆動回路３６を介して制御部６に接続されている。

第１電流源２の第１出力端および第２電流源３の第４出力端は、電磁石５に接続されている。また、第１電流源２の第２出力端および第２電流源３の第３出力端は、直接接続されている。

なお、図１では、第１電流源２の第１スイッチング素子２５ａおよび第４スイッチング素子２５ｄ、第２電流源３の第１スイッチング素子３５ａ、第４スイッチング素子３５ｄおよび第５スイッチング素子３５ｅは、制御部６によって制御されるため、これらのスイッチング素子２５ａ、２５ｄ、３５ａ、３５ｄ、３５ｅをＯＮ（導通）／ＯＦＦ（非導通）させるためには、各々駆動回路２６、３６が必要となる。

一方、第１電流源２の第２スイッチング素子２５ｂおよび第３スイッチング素子２５ｃ、第２電流源３の第２スイッチング素子３５ｂおよび第３スイッチング素子３５ｃは、ＯＮ／ＯＦＦを切り替えることがなく、制御部６により制御する必要がないため、ダイオードのみでまかなうことができ、駆動回路２６、３６は不要である。図１において、スイッチング素子２５ｂ、２５ｃ、３５ｂ、３５ｃをダイオードで表現したのはこのためである。

図２に示すように、電磁石用電源装置１Ａの動作はＩ〜Ｖの５つのフェイズに分かれている。各フェイズにおいて、第１電流源２の第１スイッチング素子２５ａおよび第４スイッチング素子２５ｄ、並びに第２電流源３の第１スイッチング素子３５ａ、第４スイッチング素子３５ｄおよび第５スイッチング素子３５ｅは、制御部６の制御下で、ＯＮ／ＯＦＦが下表のように切り替えられる。以下、各フェイズにおける電磁石用電源装置１Ａの動作を順に説明する。

（フェイズＩ）
フェイズＩは準備フェイズであり、第１電流源２の第１スイッチング素子２５ａおよび第４スイッチング素子２５ｄ、第２電流源３の第１スイッチング素子３５ａ、第４スイッチング素子３５ｄおよび第５スイッチング素子３５ｅをＯＦＦに設定した状態で、第１コンデンサ２１、第２コンデンサ３１および第３コンデンサ３３の充電が行われる。

より詳しくは、第１コンデンサ２１は、第１充電電源２０から出力される第１電圧によって両端の電圧が数千Ｖになるまで充電され、第２コンデンサ３１は、第２充電電源３０から出力される第２電圧によって両端の電圧が百数十Ｖになるまで充電され、さらに第３コンデンサ３３は、第３充電電源３２から出力される第３電圧によって両端の電圧が第２の電圧より低い電圧（例えば約１００Ｖ）になるまで充電される。第３コンデンサ３３には整流素子３４が直列接続されているので、第２コンデンサ３１が百数十Ｖまで充電されても、第３コンデンサ３３が第３電圧の電圧値（約１００Ｖ）を超えて充電されることはない。

第１電流源２のブリッジ回路部を構成する第１スイッチング素子２５ａおよび第４スイッチング素子２５ｄはＯＦＦである。また、第１電流源２の第２スイッチング素子２５ｂおよび第３スイッチング素子２５ｃもＯＦＦである。すなわち、フェイズＩでは、第１電流源２と電磁石５とが電気的に切り離された状態となっており、第１電流源２から電磁石５に向けて電磁石電流Ｉが供給されることはない。同様に、第２電流源３と電磁石５も電気的に切り離された状態となっているので、第２電流源３から電磁石５に向けて電磁石電流Ｉが供給されることはない。

（フェイズＩＩ）
フェイズＩＩは、電流立ち上げフェイズである。フェイズＩＩでは、第１電流源２が第１コンデンサ２１の第１放電電流を電磁石５に供給することにより、電磁石電流Ｉが頂部まで立ち上げられる。

より詳しくは、フェイズＩＩでは、第１電流源２の第１スイッチング素子２５ａおよび第４スイッチング素子２５ｄ、第２電流源３の第４スイッチング素子３５ｄがＯＮに設定され、第２電流源３の第１スイッチング素子３５ａおよび第５スイッチング素子３５ｅがＯＦＦに設定される。このため、第１電流源２の第１スイッチング素子２５ａ→第１電流源２の第１出力端→電磁石５→第２電流源３の第４出力端→第２電流源３の第４スイッチング素子３５ｄ→第２電流源３の第２スイッチング素子３５ｂ（ダイオード）→第２電流源３の第３出力端→第１電流源２の第２出力端→第１電流源２の第４スイッチング素子２５ｄの経路で第１コンデンサ２１の第１放電電流が流れる。これにより、電磁石電圧が第１コンデンサ２１の充電電圧（＝第１電圧、数千Ｖ）まで上昇し、電磁石電流Ｉが数十ｋＡまで上昇する。

なお、フェイズＩＩでは、第２電流源３の第１スイッチング素子３５ａをＯＮに設定し、第２電流源３の第４スイッチング素子３５ｄをＯＦＦに設定してもよい。この場合、第１コンデンサ２１の第１放電電流は、・・・→第２電流源３の第４出力端→第２電流源３の第３スイッチング素子３５ｃ（ダイオード）→第２電流源３の第１スイッチング素子３５ａ→第２電流源３の第３出力端→・・・の経路で流れる。

（フェイズＩＩＩ）
フェイズＩＩＩは、電流維持フェイズである。フェイズＩＩＩでは、第２コンデンサ３１と第３コンデンサ３３および整流素子３４からなる直列回路とが電磁石５に並列に接続され、第２電流源３が第２コンデンサ３１の第２放電電流および第３コンデンサ３３の第３放電電流を電磁石５に供給することにより、頂部における電磁石電流Ｉの電流値が一定に維持される。

より詳しくは、フェイズＩＩＩでは、第１電流源２の第４スイッチング素子２５ｄ、第２電流源３の第１スイッチング素子３５ａおよび第４スイッチング素子３５ｄがＯＮに設定され、第１電流源２の第１スイッチング素子２５ａ、第２電流源３の第５スイッチング素子３５ｅがＯＦＦに設定される。このため、フェイズＩＩＩに移行した当初は、第２電流源３の第１スイッチング素子３５ａ→第２電流源３の第３出力端→第１電流源２の第２出力端→第１電流源２の第４スイッチング素子２５ｄ→第１電流源２の第２スイッチング素子２５ｂ（ダイオード）→第１電流源２の第１出力端→電磁石５→第２電流源３の第４出力端→第２電流源３の第４スイッチング素子３５ｄの経路で第２コンデンサ３１の第２放電電流が流れる。このとき、第２コンデンサ３１の両端の電圧は、第２放電電流の放出とともに第２電圧（百数十Ｖ）から比較的急な勾配（以下「第１の傾き」という）で低下していく。したがって、図２（Ｂ）に示すように、電磁石電圧も同じ傾きで低下していく。

第２コンデンサ３１の両端の電圧が第３電圧を下回ると、整流素子３４が導通状態となり、第２コンデンサ３１の第２放電電流と同じ経路を通って第３コンデンサ３３の第３放電電流も電磁石５に供給され始める。第２コンデンサ３１の両端の電圧および第３コンデンサ３３の両端の電圧は、第２および第３放電電流の放出とともに第１の傾きよりも緩やかな勾配（以下「第２の傾き」という）で低下していく。

第１の傾きは、第２コンデンサ３１の静電容量値により調整することができ、第２の傾きは、第２コンデンサ３１および第３コンデンサ３３の静電容量値により調整することができる。具体的には、第２コンデンサ３１の静電容量値を大きくすることで第１の傾きを小さくし、静電容量値を小さくすることで第１の傾きを大きくすることができる。同様に、第２コンデンサ３１および第３コンデンサ３３の総静電容量値を大きくすることで第２の傾きを小さくし、総静電容量値を小さくすることで第２の傾きを大きくすることができる。

また、傾きが切り替わるタイミングは、第２電圧および第３電圧の電圧差により調整することができる。具体的には、切り替えのタイミングを遅らせたい場合は、上記電圧差を大きくすればよい。反対に、早期に切り替えを行いたい場合は、上記電圧差を小さくすればよい。

本実施形態に係る電磁石用電源装置１Ａでは、第３コンデンサ３３の静電容量値を第２コンデンサ３１の１０倍以上に設定して第２の傾きを第１の傾きの約１／１０にし、さらに第２電圧および第３電圧の電圧差を適当に調整することで、電磁石電圧波形を理想とする電磁石電圧波形に近似させている。

なお、フェイズＩＩＩでは、第１電流源２の第１スイッチング素子２５ａをＯＮに設定し、第１電流源２の第４スイッチング素子２５ｄをＯＦＦに設定してもよい。この場合、第２および第３放電電流は、・・・→第１電流源２の第２出力端→第１電流源２の第３スイッチング素子２５ｃ（ダイオード）→第１電流源２の第１スイッチング素子２５ａ→第１電流源２の第１出力端→・・・の経路で流れる。

（フェイズＩＶ）
フェイズＩＶは、電流立ち下げフェイズである。フェイズＩＶでは、電磁石５の逆起電圧Ｖ_１による回生電流を第１コンデンサ２１に回生させることにより、電磁石電流Ｉが頂部から立ち下げられる。

より詳しくは、フェイズＩＶでは、第２電流源３の第４スイッチング素子３５ｄおよび第５スイッチング素子３５ｅがＯＮに設定され、第１電流源２の第１スイッチング素子２５ａおよび第４スイッチング素子２５ｄ、第２電流源３の第１スイッチング素子３５ａがＯＦＦに設定される。すなわち、電磁石５は、第１コンデンサ２１と電気的に接続される一方、第２コンデンサ３１および第３コンデンサ３３と電気的に切り離される。このため、フェイズＩＶでは、第２および第３放電電流の供給が停止するとともに、電磁石５には、第１充電電源２０の出力電圧（第１電圧）とほぼ同じ大きさの逆起電圧Ｖ_１（−数千Ｖ）が生じることとなる。

逆起電圧Ｖ_１による回生電流は、第２電流源３の第４出力端→第２電流源３の第４スイッチング素子３５ｄ→第２電流源３の第２スイッチング素子３５ｂ（ダイオード）→第２電流源３の第３出力端→第１電流源２の第２出力端→第１電流源２の第３スイッチング素子２５ｃ（ダイオード）→第１コンデンサ２１→第１電流源２の第２スイッチング素子２５ｂ（ダイオード）→第１電流源２の第１出力端の経路で流れる。これにより、逆起電圧Ｖ_１による回生電流が第１コンデンサ２１に回生され、電磁石電流Ｉが、頂部から急峻な勾配（以下「第３の傾き」という）で一気に低下していく。

なお、フェイズＩＶでは、第２電流源３の第１スイッチング素子３５ａをＯＮに設定し、第２電流源３の第４スイッチング素子３５ｄをＯＦＦに設定してもよい。この場合、逆起電圧Ｖ_１による回生電流は、第２電流源３の第４出力端→第２電流源３の第３スイッチング素子３５ｃ（ダイオード）→第２電流源３の第１スイッチング素子３５ａ→第２電流源３の第３出力端→・・・の経路で流れる。

（フェイズＶ）
フェイズＶは、スローダウンフェイズである。フェイズＶでは、第１コンデンサ２１への回生を停止し、電磁石５の逆起電圧Ｖ_２（Ｖ_２＜Ｖ_１）による回生電流を第２コンデンサ３１および第３コンデンサ３３に回生させることにより、電磁石電流Ｉが緩やかに立ち下げられる。

より詳しくは、フェイズＶでは、第１電流源２の第４スイッチング素子２５ｄ、第２電流源３の第５スイッチング素子３５ｅがＯＮに設定され、第１電流源２の第１スイッチング素子２５ａ、第２電流源３の第１スイッチング素子３５ａおよび第４スイッチング素子３５ｄがＯＦＦに設定される。すなわち、電磁石５は、第１コンデンサ２１と電気的に切り離される一方、第２コンデンサ３１および第３コンデンサ３３と電気的に接続される。このため、フェイズＶでは、電磁石５には、第２充電電源３０の出力電圧（第２電圧）とほぼ同じ大きさの逆起電圧Ｖ_２（Ｖ_２＜Ｖ_１）が生じることとなる。

逆起電圧Ｖ_２による回生電流は、第２電流源３の第４出力端→第２電流源３の第３スイッチング素子３５ｃ（ダイオード）→第２コンデンサ３１→第２電流源３の第２スイッチング素子３５ｂ（ダイオード）→第２電流源３の第３出力端→第１電流源２の第２出力端→第１電流源２の第４スイッチング素子２５ｄ→第１電流源２の第２スイッチング素子２５ｂ（ダイオード）→第１電流源２の第１出力端の経路と、・・・→第２電流源３の第３スイッチング素子３５ｃ（ダイオード）→第２電流源３の第５スイッチング素子３５ｅ→第３コンデンサ３３→第２電流源３の第２スイッチング素子３５ｂ（ダイオード）→・・・の経路で流れる。これにより、逆起電圧Ｖ_２による回生電流が、第２コンデンサ３１および第３コンデンサ３３に回生され、電磁石電流Ｉが、第３の傾きよりも緩やかな勾配（以下「第４の傾き」という）で低下していく。

なお、フェイズＶでは、第１電流源２の第１スイッチング素子２５ａをＯＮに設定し、第１電流源２の第４スイッチング素子２５ｄをＯＦＦに設定してもよい。この場合、逆起電圧Ｖ_２による回生電流は、・・・→第１電流源２の第２出力端→第１電流源２の第３スイッチング素子２５ｃ（ダイオード）→第１電流源２の第１スイッチング素子２５ａ→第１電流源２の第１出力端→・・・の経路で流れる。

結局、本実施形態に係る電磁石用電源装置１Ａでは、電磁石電流Ｉの立ち下げの途中で、回生電流の回生先が第１コンデンサ２１から第２コンデンサ３１および第３コンデンサ３３に切り替わって電磁石電圧が低くなるので、電磁石電流Ｉの勾配が緩やかになり、共振のエネルギーは小さくなる。したがって、本実施形態に係る電磁石用電源装置１Ａによれば、図３（Ｂ）に示すように、電磁石電流Ｉ立ち下げのゼロクロス時における振動を抑制（例えば、頂部における電流値の０．１％以下に抑制）することができる。

［第２実施形態］
図４に、本発明の第２実施形態に係る電磁石用電源装置１Ｂを示す。電磁石用電源装置１Ｂは、第２電流源３ではなく、第２電流源４を備えている点において、第１実施形態に係る電磁石用電源装置１Ａと異なっている。

第２電流源４は、第３電圧（例えば、１００Ｖ）を出力する第３充電電源４２と、第３電圧で充電される第３コンデンサ４３と、第４電圧（例えば、数十Ｖ）を出力する第４充電電源４０と、第３電圧および第４電圧の和電圧（例えば、百数十Ｖ）である第２電圧で充電される第２コンデンサ４１と、第３コンデンサ４３に直列接続された整流素子４４と、Ｈブリッジ接続された４つのスイッチング素子４５ａ〜４５ｄと、整流素子４４に並列接続された第５スイッチング素子４５ｅ（本発明の「短絡手段」に相当）とを備えている。ただし、第１実施形態と同様、第２電流源４の第２スイッチング素子４５ｂおよび第３スイッチング素子４５ｃは、ＯＮ（導通）／ＯＦＦ（非導通）を切り替えることがなく、制御部６により制御する必要がないため、ダイオードでまかなうことができ、駆動回路４６は不要である。

本実施形態に係る電磁石用電源装置１Ｂでは、第２コンデンサ４１が第３電圧および第４電圧の和電圧である第２電圧で充電されるので、フェイズＩにおいて、第２コンデンサ４１は第３コンデンサ４３よりも高い電圧まで確実に充電される。したがって、電磁石用電源装置１Ｂによれば、フェイズＩＩＩにおいて、第２コンデンサ４１の放電と第３コンデンサ４３の放電とが同時に開始されてしまうのを確実に防ぐことができる。

また、本実施形態に係る電磁石用電源装置１Ｂでは、第１電流源２の第１スイッチング素子２５ａおよび第４スイッチング素子２５ｄ、並びに第２電流源４の第１スイッチング素子４５ａ、第４スイッチング素子４５ｂおよび第５スイッチング素子４５ｅを第１実施形態に係る電磁石用電源装置１Ａと同様に切り替えることで、電磁石電流Ｉの立ち下げの途中で電磁石電流Ｉの勾配を緩やかにすることができ、電磁石電流Ｉ立ち下げのゼロクロス時における振動を抑制することができる。

以上、本発明に係る電磁石用電源装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではない。

例えば、上記各実施形態では、第２電流源３（４）に第５スイッチング素子３５ｅ（４５ｅ）を設け、フェイズＶにおいて回生電流を第２コンデンサ３１（４１）および第３コンデンサ３３（４３）に回生させているが、第５スイッチング素子３５ｅ（４５ｅ）を設けることなく、回生電流を第２コンデンサ３１（４１）だけに回生させてもよい。回生電流を第２コンデンサ３１（４１）だけに回生させた場合であっても、電磁石電流Ｉの勾配を緩やかにすることができるので、電磁石電流Ｉ立ち下げのゼロクロス時における振動を抑制することができる。

しかしながら、第２コンデンサ３１（４１）は第３コンデンサ３３（４３）よりも静電容量値が小さいため、大電流が流れると第２コンデンサ３１（４１）の両端の電圧が跳ね上がってしまう場合がある。電圧が跳ね上がってしまう場合、電磁石電流Ｉの勾配が急峻になるので、電磁石電流Ｉ立ち下げのゼロクロス時における振動を抑制することができなくなる。

したがって、電磁石電流Ｉ立ち下げのゼロクロス時における振動を確実に抑制するためには、上記各実施形態に係る電磁石用電源装置１Ａ（１Ｂ）のように、第５スイッチング素子３５ｅ（４５ｅ）を設け、フェイズＶにおいて回生電流を第２コンデンサ３１（４１）および第３コンデンサ３３（４３）に回生させることが好ましい。

また、上記各実施形態において、電磁石電流Ｉを第４の傾きよりもさらに緩やかな勾配で低下させるために、フェイズＶＩを追加してもよい。フェイズＶＩでは、第１電流源２の第１スイッチング素子２５ａおよび第４スイッチング素子２５ｄ、並びに第２電流源３（４）の第１スイッチング素子３５ａ（４５ａ）、第４スイッチング素子３５ｄ（４５ｂ）および第５スイッチング素子３５ｅ（４５ｅ）は、制御部６の制御下で、ＯＮ／ＯＦＦが下表のように切り替えられる。

これにより、電磁石５は第１コンデンサ２１、第２コンデンサ３１（４１）および第３コンデンサ３３（４３）と電気的に切り離された状態となるので、回生電流は、第１コンデンサ２１、第２コンデンサ３１（４１）および第３コンデンサ３３（４３）に回生されることなく、第１電流源２および第２電流源３（４）内を流れ、電磁石電流Ｉが、第４の傾きよりもさらに緩やかな勾配で立ち下げられる。

さらに、上記各実施形態では、異なる電圧で予め充電された２つのコンデンサ（第２コンデンサ３１（４１）、第３コンデンサ３３（４３））の放電電流により電磁石電流Ｉの頂部における電流値を一定に維持したが、電磁石電圧波形を理想とする電磁石電圧波形により近似させるという観点から、コンデンサの数は３つ以上とし、電磁石電圧の傾きを２回以上、切り替えることがより好ましい。コンデンサの数を３つ以上とする場合、追加した各コンデンサに整流素子３４（４４）を直列接続し、かつ各整流素子３４（４４）にスイッチング素子（本発明の「短絡手段」に相当）を並列接続し、追加したスイッチング素子を、第５スイッチング素子３５ｅ（４５ｅ）と同様にＯＮ／ＯＦＦさせることが好ましい。

また、上記各実施形態における第１電流源２のスイッチング素子２５ａ〜２５ｄおよび第２電流源３（４）のスイッチング素子３５ａ〜３５ｅ（４５ａ〜４５ｅ）は、いずれもＩＧＢＴとダイオードの並列回路で構成することができる。

１Ａ、１Ｂ 電磁石用電源装置
２ 第１電流源
３、４ 第２電流源
５ 電磁石
６ 制御部
２０ 第１充電電源
２１ 第１コンデンサ
２５ａ〜２５ｄ 第１電流源の第１〜第４スイッチング素子
２６、３６、４６ 駆動回路
２７ａ〜２７ｄ、３７ａ〜３７ｄ、４７ａ〜４７ｄ サージ吸収用コンデンサ
３０ 第２充電電源
３１、４１ 第２コンデンサ
３２、４２ 第３充電電源
３３、４３ 第３コンデンサ
３４、４４ 整流素子
３５ａ〜３５ｄ、４５ａ〜４５ｄ、 第２電流源の第１〜第４スイッチング素子
３５ｅ、４５ｅ、 第２電流源の第５スイッチング素子
４０ 第４充電電源

Claims (5)

1. 電磁石にパルス状電流を印加する電磁石用電源装置であって、
   第１電圧で予め充電された第１コンデンサの第１放電電流を前記電磁石に供給することにより、前記パルス状電流を頂部まで立ち上げ、かつ前記電磁石の逆起電圧による回生電流を前記第１コンデンサに回生させることにより、前記パルス状電流を前記頂部から立ち下げる第１電流源と、
   前記パルス状電流の立ち上げ後に、前記第１電圧よりも低い第２電圧で予め充電された第２コンデンサの第２放電電流を前記電磁石に供給し、さらにその後、前記第２電圧よりも低い第３電圧で予め充電された、前記第２コンデンサよりも静電容量値の大きい第３コンデンサの第３放電電流を前記第２放電電流とともに前記電磁石に供給することにより、前記パルス状電流の立ち下げ前まで前記パルス状電流を前記頂部において維持する第２電流源と、
   を備え、
   前記パルス状電流の立ち下げの途中で、前記回生電流の回生先が前記第１電流源から前記第２電流源に切り替わることを特徴とする電磁石用電源装置。
2. 前記回生電流の回生先が前記第１電流源から前記第２電流源に切り替わると、前記回生電流は、前記第２コンデンサおよび前記第３コンデンサに回生されることを特徴とする請求項１に記載の電磁石用電源装置。
3. 前記第２電流源は、前記第２コンデンサと、前記第３コンデンサおよび整流素子からなる直列回路と、前記整流素子を短絡可能に構成された短絡手段とを有し、
   前記短絡手段は、前記回生電流の回生先が前記第１電流源から前記第２電流源に切り替わると、非導通状態から導通状態となり、前記整流素子を短絡させることを特徴とする請求項２に記載の電磁石用電源装置。
4. 前記第１電圧を出力する第１充電電源と、
   前記第２電圧を出力する第２充電電源と、
   前記第３電圧を出力する第３充電電源と、
   を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電磁石用電源装置。
5. 前記第１電圧を出力する第１充電電源と、
   前記第３電圧を出力する第３充電電源と、
   第４電圧を出力する第４充電電源と、
   を備え、
   前記第２電圧は、前記第３電圧および前記第４電圧の和電圧であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電磁石用電源装置。

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