JPS6057300B2 - 超電導コイル間のエネルギ転送装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、エネルギ転送時間の短縮をはかつた超電導
コイル間のエネルギ転送装置に関する。

超電導コイルに流れる電流による磁気エネルギを別の超
電導コイルに転送する場合、コイルに流れる電流を急変
させるには非常に高い電圧を必要とすると云うコイルの
電磁気学的性質が問題となる。このため、一般に電流変
化の緩衝装置としてコンデンサを用い、超電導コイルか
らのエネルギをこのコンデンサに移送し、さらにこの移
送されたエネルギを別の超電導コイルに再移送すること
によつて、超電導コイル間のエネルギ転送を行つている
。第１図は基本的なエネルギ転送装置の概略を示す回路
構成図である。直流電源１にスイッチ２を介して第１の
超電導コイル３が並列接続されている。このコイル３に
はスイッチ４を介してコンデンサ５が並列接続され、こ
のコンデンサ５にスイッチ６を介して第２の超電導コイ
ル７が並列接続されている。しかして、スイッチ２をＯ
Ｎして前記コイル３を励磁したのち、スイッチ２をＯＦ
Ｆにすると共にスイッチ４をＯＮすると、前記コイル３
に蓄えられた磁気エネルギがコンデンサＪ５に移送され
る。上記エネルギがすべてコンデンサ５に移送された時
点で、スイッチ４をＯＦＦにすると共にスイッチ６をＯ
Ｎにすると、コンデンサ５に移送された前記エネルギは
前記コイル７に再移送される。かくして、第１の超電導
コイル３丁の磁気エネルギが第２の超電導コイル７に転
送される。ところが、このような構成の装置では、前記
コイル３のエネルギに相当するコンデンサ５を必要とす
る。

このため、核融合炉の運転時等のように大きなエネルギ
を転送する場合には、極めて大きな容量のコンデンサ５
を必要とし、その設置場所や費用等の問題があり殆んど
実現不可能であつた。そこで従来、例えば第２図および
第３図に示すように、第１の超電導コイル３のエネルギ
を小量づつコンデンサ５を介して第２の超電導コイル７
に転送し、これを繰り返すことによつて、コンデンサ５
の容量を小さくするようにしている。

例えば第２図に示す装置では、第１の超電導コイル３の
両端にスイッチ８を接続して電流保持回路を形成し、こ
れをダイオード９を介してコンデンサ５に並列接続する
と共に、第２の超電導コイル７の両端にダイオード１０
を接続して電流保持回路を形成し、これをスイッチ６を
介してコンデンサ５に並列接続する。この回路において
、スイッチ６，８を同時に繰り返して０Ｎ・ＯＦＦ制御
することにより、前記コイル３の磁気エネルギが上記ス
イッチ６，８の切換に応動して、前記コイル７の電流回
路に小量づつ転送される。このため、上記転送の回数を
多くし、一回の操作にて転送するエネルギを小ささくす
ることによつて、コンデンサ５の容量を小さくすること
ができる。また、第３図に示す装置はサイリスタ１１，
１２を用いて各超電導コイル３，７の電流保持回路をそ
れぞれ形成し、これらの回路をコンデンサ５を介して並
列接続したものである。

したがつて、サイリスタ１１，１２を交互に点弧駆動す
れば、そのタイミングに応じてコンデンサ５に前記コイ
．ル３から小量づつエネルギが移送されると同時に、こ
のコンデンサ５から前記コイル７に上記エネルギが再移
送されることになる。しかしながら、この種の装置にあ
つても核融合炉のポロイダルコイルからエネルギを取り
出す場ζ合等の大きなエネルギを短時間に転送する場合
にば、大容量のコンデンサおよび多数のサイリスタ等が
必要となり、コスト高を招いた。

また、コンデンサの容量を小さくするため、転送の繰り
返し回数を多くして一回の操作によつて転送するエネ・
ルギを小さくすることは、エネルギ転送に要する時間が
長くなると云う問題がある。このため、大容量のエネル
ギを短時間に転送することは困難であつた。本発明は上
記事情を考慮してなされたもので、その目的とするとこ
ろは、コンデンサを用いることなく短時間に大きなエネ
ルギの転送を行い得ると共に、超電導コイルに対する耐
電圧要求を緩和することのできる簡単な構成の超電導コ
イル間のエネルギ転送装置を提供することにある。すな
わち、本発明はエネルギを送出する側の第１の超電導コ
イル、或いはこの第１の超電導コイルからのエネルギを
受容する側の第２の超電導コ）イルに可変抵抗器を並列
接続し、エネルギ転送時に上記可変抵抗器の抵抗値を徐
々に増加させ上記各コイルの両端電圧を略一定に保持す
ることによつて、前記目的を達成せんとしたものである
。

以下、この発明の詳細な説明の実施例によつて説明する
。第４図はこの発明の第１の実施例の概略を示す回路構
成図である。

直流電源２１にはスイッチ２２を介して第１の超電導コ
イル２３が並列接続されている。このコイル２３には可
変抵抗器２４が”並列接続されると共に、スイッチ２５
（第１のスイッチ回路）を介して第２の超電導コイル２
６が並列接続されている。そして、上記コイル２６の両
端にダイオード２７（第２のスイッチ回路）が接続され
て電流保持回路が形成されている。なお、前記可変抵抗
器２４は第１の超電導コイル２３から第２の超電導コイ
ル２６にエネルギを転送するときに、初期状態でその抵
抗値をコイル２３の電流が流れたときの電圧降下が所定
の転送電圧となる値に設定し転送時間の経過に伴つて徐
々に抵抗値を増大して前記コイル２３に流れる電流と前
記コイル２３に流れる電流との差分、つまり過乗分を流
すものである。そして、この可変抵抗器２４の抵抗値は
各コイル２３，２６に加わる電圧が略一定に保たれるよ
うに変化させる。また、可変抵抗器２４はその抵抗値を
連続的に可変できるものが好ましいが、第５図および第
６図に示す如く直列接続された複数の抵抗器およびこれ
らの抵抗器にそれぞれ接続したスイッチで形成され、そ
の合成抵抗値が階段状に可変されるものであつても実質
的には構わない。このように構成された本装置の作用を
説明する。

まず、前記スイッチ２２が０Ｎ１スイッチ２５が０ＦＦ
で、第１の超電導コイル２３は電源２１により励磁され
て磁気エネルギを蓄積しているものとする。

いま、前記スイッチ２２を０ＦＦにすると共に前記スイ
ッチ２５を０Ｎにすると、第１の超電導コイル２３に蓄
積されたエネルギは可変抵抗器２４に供給されると共に
、スイッチ２５を介して第２の超電導コイル２６に転送
される。

つまり、前記コイル２３の電流は可変抵抗器２４および
コイル２６に流れることになる。このとき、初期状態に
おいてコイル２６の電流は零であるから、前記コイル２
３からの電流の大部分は可変抵抗器２４に流れる。そし
て、転送時間の経過に伴つてコイル２６に流れる電流が
増加するので、コイル両端電圧をほぼ一定に保つために
可変抵抗器２４の抵抗値を大きくするので、可変抵抗器
２４に流れる電流は小さくなる。これと共に、前記コイ
ル２３に流れる電流は一定の割合で減少し、前記コイル
２６に流れる電流は一定の割合で増加する。しかして、
可変抵抗器２４に流れる電流が略零となつた時点、つま
りコイル２３，２６に流れる各電流が略等しくなつた時
点で前記スイッチ２５をＯＦＦにすると、コイル２６お
よびダイオード２７からなる閉回路にコイル２６の電流
が保持される。かくして、第１の超電導コイル２３に蓄
積されていたエネルギの一部は、第２の超電導コイル２
６に転送されコイル２６に蓄積される。なお、前記スイ
ッチ２５を０ＦＦにした時点での第１の超電導コイル２
３のエネルギは可変抵抗器２４にて消費される。ところ
で、第１の超電導コイル２３から第２の超電導コイル２
６への転送エネルギの効率は次のようにして求められる
。

コイル２３に流れる電流をＩ。、コイル２６に流れる電
流をｉ１とすると、電流１。は初期値１。から徐々に小
さくなり時間Ｔ。で零となる。また、電流１１は零から
徐々に大きくなり１１＝ニＩＯとなつた時点ちの時の値
１１″で保持される。したがつて、コイル２３に蓄積さ
れているエネルギを第７図の三角形ち−０−ＴＯの面積
で表わすとコイル２６に蓄積される転送エネルギは第７
図の斜線で示す領域となる。そして、転送効率の最大値
は第１および第２の超電導コイル２３，２６の各インダ
クタンスＬＯ，Ｌｌが等しいとき（ＬＯ＝Ｌ１）で２５
〔％〕となる。このように本装置では、第１の超電導コ
イル２３に可変抵抗器２４を並列接続すると共に、上記
コイル２３にスイッチ２５を介して第２の超電導コイル
２６を並列接続し、前記可変抵抗器２４の抵抗値を転送
開始時から徐々に増加すると共に、前記可変抵抗器２４
に流れる電流が略零となる時点で前記スイッチ２５を０
ＦＦするようにしている。

このため、第１および第２の超電導コイル２３，２６に
流れる各電流値の変化を急変させることなく、コイル２
３，２６の両端電圧を比較的低い値で略一定に保持して
コイル２３，２６間のエネルギ転送を行うことができる
。したがつて、超電導コイル２３，２６に対する耐電圧
要求を緩和することができる。さらに、従来のようにコ
ンデンサを用いることなく、第１の超電導コイル２３か
ら第２の超電導コイル２６に直接エネルギを転送するよ
うにしているので、短時間に大きなエネルギを転送し得
ると云う効果を奏する。また、コンデンサやサイリスタ
等をを用いることなく、可変抵抗器２４を付加するのみ
の極めて簡単な構成て実現し得る等の利点がある。第８
図は第２の実施例の概略を示す回路構成図である。

なお、第４図と同一部分には同一符号を付して、その詳
しい説明は省略する。この実施例が先に説明した第１の
実施例と異なる点は、第２の超電導コイル２６を２個用
いて各コイル２６にエネルギを分割して転送するように
したことにある。すなわち、第１の超電導コイル２３に
はスイッチ２８を介して可変抵抗器２４。が並列接続さ
れると共に、スイッチ２５２を介して第２の超電″導コ
イル２６。が並列接続されている。さらに、上記コイル
２６２にはスイッチ２５１を介して可変抵抗器２４１が
並列接続されると共に、上記スイッチ２５１を介して第
２の超電導コイル２６１が並列接続されている。なお、
第８図中２７，，２７。は第２の超電導コイル２６１，
２６２と共にそれぞれ電流保持回路を形成するダイオー
ドである。また、可変抵抗器２４１の抵抗値は前記可変
抵抗器２４と同様に所定の値から徐々に増大するもので
、可変抵抗器２４２の抵抗値はコイル２６１，２６．の
各インダクタンス等て定まる一定の値から徐々に増大す
するものとなつている。しかして、前記スイッチ２２が
０Ｎ１スイッチ２５１，２５。，２８が０ＦＦで第１の
超電導コイル２３に磁気エネルギが蓄積されているもの
とし、いまスイッチ２２を０ＦＦにすると共にスイッチ
２５１，２５２を０Ｎにすると、上記コイル２３の電流
は第２の超電導コイル２６１，２６２および可変抵抗器
２４１に流れる。このとき、初期状態において、コイル
２６１，２６２に流れる電流は零であるから、コイル２
３からの電流の大部分は可変抵抗器２４１に流れる。そ
して、転送時間の経過に伴つてコイル２６１，２６２の
電流が増大するので、可変抵抗器２４１での電圧降下を
所定の値に保つように可変抵抗器２４１の抵抗値を大き
くなるように変化させるので、可変抵抗器２４１に流れ
る電流は減少する。これと共に、前記コイル２３に流れ
る電流は一定の割合で減少し、前記コイル２６１，２６
２に流れる各電流はそれぞれ一定の割合で増加する。そ
して、可変抵抗器２４１に流れる電流が略零となつた時
点、つまりコイル２３に流れる電流とコイル２６１，２
６２に流れる電流の和とが略等しくなつた時点で前記ス
イッチ２５１を０ＦＦにすると共にスイッチ２８を０Ｎ
にすると、コイル２６１およびダイオード２７１からな
る閉回路にコイル２６１の電流が保持される。また、上
記時点でコイル２６１および可変抵抗器２４１に流れて
いた電流はスイッチ２８を介して可変抵抗器２４２に流
れることになる。このとき、可変抵抗器２４２の抵抗値
の初期値を適当な値に設定しておけば、スイッチ２５１
，２８の切換時にコイル２３，２６２の両端電圧が急変
することはない。そして、転送時間の経過に伴つて可変
抵抗器２４２の抵抗値を徐々に大きくし、前記したこと
と同様に可変抵抗器２４２に流れる電流が略零となつて
時点でスイッチ２５２を０ＦＦにすると、コイル２６２
およびダイオード２７２からなる閉回路にコイル２６２
の電流が保持される。かくして、第１の超電導コイル２
３に蓄積されていたエネルギの一部が第２の超．電導コ
イル２６１，２６。にそれぞれ転送させることになる。
また、この場合のエネルギ転送効率は次のようにして求
められる。コイル２３に流れる電流を１０１コイル２６
１，２６２に流れる電流をそれぞれＩｌ，ｉ２とすると
、電流１。は初期値１０から徐々に小さくなり時間Ｔ。
で零となる。また、電流１１は零から徐々に大きくなり
ｉ１＋Ｉ２：ＩＯとなつた時点ｔ１で保持され、電流１
２はＩ２−ニＩＯとなつた時点Ｔ２で保持される。した
がつて、第２の超電導コイル２６１，２６２に蓄積され
るエネルギは、それぞれ第９図の斜線Ａ，Ｂに示す領域
となる。この第９図と前記第７図とを比較すると明らか
なように、第９図の斜線領域（Ａ＋Ｂ）の方が第７図の
斜線領域よりも三角形１１−０−ＴＯで示されるコイル
２３の蓄積エネルギに対する比率が大きい。すなわち、
第２の実施例の方が第１の実施例よりもエネルギ転送効
率が高くなる。なお、この実施例で理論的に求めたエネ
ルギ転送効率の最大値は約４０〔％〕となつた。したが
つて、第２の実施例によれば、先の第１の実施例と同様
の効果を奏することは勿論、第１の実施例に比してエネ
ルギ転送効率の向上をはかり得ると云う利点がある。

第１０図は第３の実施例の概略を示す回路構成図である
。

なお、第４図および第８図と同一部分には同一符号が付
して、その詳しい説明は省略する。この実施例は先の第
２の実施例を発展させて、前記第２の超電導コイル２６
をｎ個用いるようにしたものである。すなわち、第１の
超電導コイル２３に可変抵抗器２４，，〜，２４ｎ＋１
の直列回路を並列接続し、可変抵抗器２４２，〜，２４
ｎ＋１にスイッチ２５１，〜，２５ｎをそれぞれ並列接
続すると共に、上記可変抵抗器２４１，〜，２４ｎ＋１
の各接続点と電源２１の一端との間に第２の超電導コイ
ル２６１，〜，２６ｎをそれぞれ接続したものである。
このような構成であつても、先の第１および第２の実施
例と同様の効果を奏するのは勿論のことである。

なお、この実施例では前記スイッチ２５１，〜，２５ｎ
を上記順に０Ｎ状態から順次ＯＦＦにしてエネルギの転
送がなされる。また、ｎ＝５として第２の超電導コイル
２６１，〜，２６ｎに蓄積される転送エネルギの総和は
第１１図の斜線で示す領域となる。これにより、第２の
超電導コイル２６１，〜，２６ｎの個数を増やすことで
エネルギ転送効率の向上をはかり得る。さらに、コイル
２６１，〜，２６ｎに予め所定のエネルギを蓄積してお
けば、第１２図に示す如くよソー層のエネルギ転送効率
の向上をはかり得る。第１３図は第４の実施例の概略を
示す回路構成図である。

なお、第１０図と同一部分には同一符号を付して、その
詳しい説明は省略する。この実施例は、先の第３の実施
例における可変抵抗器２４１，〜，２４ｎ＋１の代りに
固定抵抗器２９１，〜，２９ｎ＋１をそれぞれ用いると
共に、第１の超電導コイル２３に可変抵抗器２４を並列
接続したものである。このような構成であれば、先の第
３の実施例と同様の効果は勿論、可変抵抗器の個数を減
らしてローコスト化をはかり得る等の利点がある。

なお、この発明は上述した各実施例に限定されるもので
はない。例えば、前記第２のスイッチ回路としてダイオ
ードの代りにクライオスタットに入れた超電導コイルを
用い、このスイッチを前記第１のスイッチ回路と逆動作
させるようにしてもよい。また、前記第１および第２の
超電導コイルの各インダクタンスは、仕様に応じて適宜
定めればよいものである。さらに、前記可変抵抗器とし
て、各種の構造のものを使用できるのは勿論のことであ
る。その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々
変形して実施することができる。以上詳述したようにこ
の発明によれば、エネルギを転送する側の第１の超電導
コイル或いは上記エネルギが転送される側の第２の超電
導コイルに可変抵抗器を並列接続し、エネルギ転送時に
上記可変抵抗器の抵抗値を徐々に増加させ前記各コイル
の両端電圧を略一定に保つようにしているので、コンデ
ンサを用いることなく短時間に大きなエネルギの転送を
行い得ると共に、超電導コイルに対する耐電圧要求を緩
和し得る簡単な構成の超電導コイル間のエネルギ転送装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図はそれぞれ従来のエネルギ転送装置の概
略を示す回路構成図、第４図はこの発明の第１の実施例
の概略を示す回路構成図、第５図および第６図はそれぞ
れ上記実施例に用いる可変抵抗器の一例を示す回路構成
図、第７図は上記実施例の作用を説明するための図、第
８図は第２の実施例の概略を示す回路構成図、第９図は
上記第２の実施例の作用を説明するための図、第１０図
は第３の実施例の概略を示す回路構成図、第１１図およ
び第１２図はそれぞれ上記第３の実施例の作用を説明す
るための図、第１３図は第４の実施例の概略を示す回路
構成図である。 ２１・・・直流電源、２２・・・スイッチ、２３・・・
第１の超電導コイル、２４，２４１，〜，２４ｎ＋１・
・可変抵抗器、２５，２５１，〜，２５ｎ・・・スイッ
チ（第１のスイッチ回路）、２６，２６１，〜，２６ｎ
・・・第２の超電導コイル、２７，２７１，〜，２７、
・・・ダイオード（第２のスイッチ回路）、２８・・・
スイッチ、２９１，〜，２９ｎ・・・固定抵抗器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電流エネルギが蓄積される第１の超電導コイルと、
   この第１の超電導コイルに接続された第１のスイッチ回
   路と、この第１のスイッチ回路を介して前記第１の超電
   導コイルからエネルギが転送される第２の超電導コイル
   と、この第２の超電導コイルに並列接続されて電流保持
   回路を形成する第２のスイッチ回路と、前記第１或いは
   第２の超電導コイルに並列接続されてエネルギ転送時に
   おける前記第１および第２の超電導コイルの両端電圧を
   所定の電圧に略一定に保持する可変抵抗器とを具備して
   なることを特徴とする超電導コイル間のエネルギ転送装
   置。 ２ 前記第２のスイッチ回路は、前記第２の超電導コイ
   ルの電流の流れる向きに順方向に接続されたダイオード
   からなるものであることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の超電導コイル間のエネルギ転送装置。 ３ 前記可変抵抗器は、直列接続された複数の抵抗およ
   びこれらの抵抗を短絡するようにそれぞれ接続されたス
   イッチからなるもので、上記各スイッチのＯＮ−ＯＦＦ
   により全体の抵抗値が段階状に可変されるものであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超電導コイ
   ル間のエネルギ転送装置。