特許 6227917 超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6227917

(24)【登録日】2017年10月20日

(45)【発行日】2017年11月8日

(54)【発明の名称】超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法

(51)【国際特許分類】

   H01F 6/02 20060101AFI20171030BHJP

【ＦＩ】

   H01F6/02

【請求項の数】6

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-151067(P2013-151067)

(22)【出願日】2013年7月19日

(65)【公開番号】特開2015-23191(P2015-23191A)

(43)【公開日】2015年2月2日

【審査請求日】2016年6月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000148357

【氏名又は名称】株式会社前川製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】誠真ＩＰ特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】玉田 紀治

(72)【発明者】

【氏名】駒込 敏弘

【審査官】 右田 勝則

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２４８７２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５２−１３０２９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第５９９９３８３（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第４７６４８３７（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｆ ６／０２

Ｈ０２Ｋ ５５／００−５５／０６

Ｈ０１Ｌ ３９／０２−３９／２０

Ｈ０１Ｌ ３９／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の超電導コイル及び第２の超電導コイルに対して直流電源が直列接続されて構成された電気回路と、
前記電気回路に対して並列に接続され、且つ、第１の超電導コイルに対して第１のコンデンサ及び第１の電圧検出部が直列接続されて構成された第１のループ回路と、
前記電気回路に対して並列に接続され、且つ、第２の超電導コイルに対して第２のコンデンサ及び第２の電圧検出部が直列接続されて構成された第２のループ回路と、
前記第１のループ回路及び前記第２のループ回路のうち、前記第１の超電導コイル及び前記第２の超電導コイル間の中点において共有される共通電位線上に設けられた交流信号供給部と
を備える超電導マグネットにおいてクエンチを検出する超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法であって、
前記交流信号供給部から所定周波数を有する交流信号を入力するアクティブ信号入力工程と、
前記第１の電圧検出部の検出値Ｖ１及び前記第２の電圧検出部の検出値Ｖ２を取得し、その電位差ΔＶ＝Ｖ１−Ｖ２を求める電位差算出工程と、
前記電位差ΔＶが所定の閾値を超えた場合に、前記超電導マグネットのクエンチを検出したと判定する判定工程と
を備え、
第１のコンデンサ及び電圧検出部の定数は前記第１のループ回路において共振条件が成立するように設定されており、
第２のコンデンサ及び電圧検出部の定数は前記第２のループ回路において共振条件が成立するように設定されていることを特徴とする超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法。

【請求項2】

第１の超電導コイル及び第２の超電導コイルに対して直流電源が直列接続されて構成された電気回路と、
前記電気回路に対して並列に接続され、且つ、第１の超電導コイルに対して第１のコンデンサ及び第１の電圧検出部が直列接続されて構成された第１のループ回路と、
前記電気回路に対して並列に接続され、且つ、第２の超電導コイルに対して第２のコンデンサ及び第２の電圧検出部が直列接続されて構成された第２のループ回路と、
前記第１のループ回路及び前記第２のループ回路のうち、前記第１の超電導コイル及び前記第２の超電導コイル間の中点において共有される共通電位線上に設けられた交流信号供給部と
を備える超電導マグネットにおいてクエンチを検出する超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法であって、
前記交流信号供給部から所定周波数を有する交流信号を入力するアクティブ信号入力工程と、
前記第１の電圧検出部の検出値Ｖ１及び前記第２の電圧検出部の検出値Ｖ２を取得し、その電位差ΔＶ＝Ｖ１−Ｖ２を求める電位差算出工程と、
前記電位差ΔＶが所定の閾値を超えた場合に、前記超電導マグネットのクエンチを検出したと判定する判定工程と
を備え、
前記交流信号供給部は、
交流信号源から交流信号が入力される第１のコイルと前記共通電位線に接続された第２のコイルとを含んで構成される変圧器であることを特徴とする超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法。

【請求項3】

前記第１の電圧検出部及び前記第２の電圧検出部は、前記第１のループ回路及び前記第２のループ回路においてそれぞれ直列に接続された抵抗素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法。

【請求項4】

前記判定工程では、前記電位差ΔＶを電気信号として取得し、バンドパスフィルタによって該電気信号のうち前記交流信号の周波数に対応する帯域成分に基づいて判定を行う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超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法。

【請求項5】

前記判定工程においてクエンチが検出された場合に、前記直流電源を自動的に遮断する保護工程を備え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超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法。

【請求項6】

前記第１の超電導コイル及び前記第２の超電導コイルは、互いに前記中点を介して直列接続されたダブルパンケーキ構造を有す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超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超電導コイルに対して直流電源が直列接続されて構成される電気回路を有する超電導マグネットにおいてアクティブ信号である交流信号を入力することによってクエンチを検出する超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法の技術分野に関する。

【背景技術】

【0002】

電動機や発電機などの電気機器やＭＲＩなどの医療用診断装置のような磁場を利用した機器では、しばしば強力な磁場が必要とされる。一般的に強磁場は例えばサマリウム・コバルト系やネオジム・鉄・ボロン等の永久磁石によって得ることができるが、単体の永久磁石では利用できる最大磁束密度Ｂは約０．５Ｔ程度が限度とされている。より強力な磁場を得る手段として、例えば、永久磁石を組み合わせたハルバッハ磁気回路が知られている。ハルバッハ磁気回路は永久磁石が作る双極子磁場の磁場分布方向に合わせて永久磁石の磁化容易軸を配置してドーナツ状磁気回路を構成することで、ドーナツの中心部分に均一で強磁場を発生させる磁気回路である。図５はハルバッハ磁気回路の構成例であり、中空の筐体３０内に複数の永久磁石３２を組み合わせて構成しており、最大磁束密度Ｂ＝１．５（Ｔ）を実現している。

【0003】

このようなハルバッハ磁気回路は、磁気を帯びた永久磁石を多数組み合わせることで構成するため、その組み立てに膨大な力を要するため、更に強力な磁場を得ることは困難であるとされている。そこで、より強力な磁場を得る手段として、近年、超電導マグネットが注目されている。超電導マグネットは、極低温状態において電気抵抗値が略ゼロとなる超電導線をコイル状に巻回して構成されており、大電流を流すことで数Ｔ以上の強磁場を容易に発生することができる。

【0004】

超電導マグネットは膨大な電流を印加することによって強力な磁場を発生できる。超電導マグネットを運転するにあたり、超電導相が突然破壊されて常電導相に転移すると過熱し、超電導コイルを破壊（焼損）する、いわゆるクエンチ現象が発生する。実際の超電導マグネットの運用では、このようなクエンチ現象の回避が極めて重要である。クエンチ現象が生じる原因は様々であるが、超電導コイル巻線の一部が局部的に動くワイヤー・ムーブメントが原因の一つとして挙げられる。例えば、超電導コイル巻線の一部が何らかの理由によって微小ながら動くと、磁場中における線材移動によって起電力が発生し、発熱が生じる。そして発熱によって温度が超電導線の臨界温度以上に達すると、超電導相が破壊されてクエンチ現象となって観測される。このようなクエンチ現象は、超電導コイル巻線の溶断のような重大な故障事故の原因となるため、早期且つ精度よく検出することが求められている。

【0005】

この種のクエンチ検出方法は様々な手法が検討されているが、その一例として例えば特許文献１がある。特許文献１では超電導コイルを電圧タップを用いて複数区間に区分し、それぞれの電位差を測定することによってクエンチの検出を行う手法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１２−２４８７２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

Ｙ系或いはＢｉ系と呼ばれる高温超電導線は、従来の金属超電導線に比べて高い臨界温度Ｔｃを有するため、一般的にクエンチ現象は生じにくいとされている。しかしながら、超電導マグネットではコイル巻線が強磁場に曝されるため、クエンチの発生リスクが比較的高くなる。

【0008】

また高温超電導線は製法上の制約からテープ形状の線材を用いるのが一般的である。このようなテープ形状の高温超電導線をコイル巻線に用いる場合、図６に示すパンケーキ構造が広く採用されている。この例では、外側から内側に向かってパンケーキ状に巻回された第１の超電導コイルＬ１と、内側から外側に向かってパンケーキ状に巻回された第２の超電導コイルＬ２とが、内側において連続に電気的に接続された、いわゆるダブルパンケーキ構造を有している。このようなダブルパンケーキ構造は、磁場強度の低い外周部で接続しながら階層を増やすことで、簡易に強力な磁場の発生が可能となるメリットがある。

【0009】

一方で、テープ形状の高温超電導線はその薄さから、略円形断面を有する線材に比べて、熱伝達特性が小さい。そのため、常電導相が生じた場合に、発熱によって溶断のような重大な故障につながりやすいため、より早期に精度のよいクエンチ検出が求められる。

【0010】

本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、超電導マグネットにおいてクエンチ現象を早期且つ精度よく検出可能な超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明に係る超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法は上記課題を解決するために、第１の超電導コイル及び第２の超電導コイルに対して直流電源が直列接続されて構成された電気回路と、前記電気回路に対して並列に接続され、且つ、第１の超電導コイルに対して第１のコンデンサ及び第１の電圧検出部が直列接続されて構成された第１のループ回路と、前記電気回路に対して並列に接続され、且つ、第２の超電導コイルに対して第２のコンデンサ及び第２の電圧検出部が直列接続されて構成された第２のループ回路と、前記第１のループ回路及び前記第２のループ回路のうち、前記第１の超電導コイル及び前記第２の超電導コイル間の中点において共有される共通電位線上に設けられた交流信号供給部とを備える超電導マグネットにおいてクエンチを検出する超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法であって、前記交流信号供給部から所定周波数を有する交流信号を入力するアクティブ信号入力工程と、前記第１の電圧検出部の検出値Ｖ１及び前記第２の電圧検出部の検出値Ｖ２を取得し、その電位差ΔＶ＝Ｖ１−Ｖ２を求める電位差算出工程と、前記電位差ΔＶが所定の閾値を超えた場合に、前記超電導マグネットのクエンチを検出したと判定する判定工程とを備えることを特徴とする。

【0012】

本発明によれば、直流電源が設けられた直流電気回路とは独立に解析可能な交流回路である同等の第１のループ回路及び第２のループ回路を設け、それぞれのループ回路における電位差に基づいて、クエンチに密接な関連性がある磁束フロー抵抗等で発生した微小抵抗値を求めることによりクエンチを検出することができる。

【0013】

本発明の一態様では、第１のコンデンサ及び電圧検出部の定数は前記第１のループ回路において共振条件が成立するように設定されており、第２のコンデンサ及び電圧検出部の定数は前記第２のループ回路において共振条件が成立するように設定されているとよい。
この態様によれば、各ループ回路を共振回路になるように構成することで、近似計算を用いた磁束フロー抵抗等で発生した微小抵抗値の演算上精度を高めることができる。その結果、クエンチを高精度で検出可能とすることができる。

【0014】

また、前記第１の電圧検出部及び前記第２の検圧検出部は、前記第１のループ回路及び前記第２のループ回路においてそれぞれ直列に接続された抵抗素子であってもよい。
この態様によれば、抵抗素子の両端電位を測定することにより、簡易な構成で各ループ回路における電圧降下を直接電圧検出することができる。

【0015】

尚、上記のループ回路の電流検出方法として電流トランスを用いた態様も考えられる。例えば、前記第１の電圧検出部及び前記第２の検圧検出部は、第１のループ回路を流れる電流を検出する第１の電流トランスと、第２のループ回路を流れる電流を検出する第２の電流トランスと、前記第１の電流トランス及び前記第２の電流トランスの検出値を対応する電圧値に変換して前記電位差ΔＶを求めるようにしてもよい。
尚、この態様のように電流検知を行う場合でも、共振状態では無限大の高周波電流が流れることを防止するために、交流電流を制限する抵抗が必要である。

【0016】

本発明の他の態様では、前記判定工程では、前記電位差ΔＶを電気信号として取得し、バンドパスフィルタによって該電気信号のうち前記交流信号の周波数に対応する帯域成分に基づいて判定を行ってもよい。
この態様によれば、磁束フロー抵抗等の微小抵抗の算出に用いられる電位差に含まれるノイズ成分を、バンドパスフィルタによって除去することができる。この態様では特に、交流信号のキャリア周波数帯域以外の成分をバンドパスフィルタによって除去することで、直流電源や外部の影響によるノイズを排除し、精度よくクエンチを検出することができる。

【0017】

この場合、前記判定工程では、前記バンドパスフィルタの出力信号を増幅する増幅器の出力に基づいて判定を行ってもよい。
この態様によれば、バンドパスフィルタによって余分なノイズが除去されているため増幅した場合でも必要な信号がノイズに埋もれることなく、大きな信号として取り出すことができるので、より高精度にクエンチを検出することができる。

【0018】

また、前記交流信号供給部は、交流信号源から交流信号が入力される第１のコイルと前記共通電位線に接続された第２のコイルとを含んで構成される変圧器であってもよい。
この態様によれば、交流信号の入力の際に変圧器を介することによって、非接触な信号入力が可能となり、よりノイズの少ないクエンチ検出が可能となる。

【0019】

また、前記検出工程においてクエンチが検出された場合に、前記電気回路を自動的に遮断する保護工程を備えてもよい。
この態様によれば、磁束フロー抵抗等で発生した微小抵抗の増加によってクエンチが生じるおそれがあると判断された場合には、自動的に電気回路を遮断することによって（例えば保護回路などを組み込むとよい）、重大な故障事故につながるリスクを早期に回避することができる。

【0020】

また、前記第１の超電導コイル及び前記第２の超電導コイルは、互いに前記中点を介して直列接続されたダブルパンケーキ構造を有してもよい。
この態様では、ダブルパンケーキ構造は図６を参照して上述したようにパンケーキ状に巻回されたコイル内側に構造上、中点を設けやすいため、本発明に係るアクティブ・クエンチ検出方法で用いられる回路構成を容易に組み込むことができる。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、直流電源が設けられた直流電気回路とは独立に解析可能な交流回路である同等の第１のループ回路及び第２のループ回路を設け、それぞれのループ回路における電位差に基づいて、クエンチに密接な関連性がある磁束フロー抵抗を求めることによりクエンチを検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】ＹＢＣＯ高温超電導線の外部磁場ゼロにおける電流・電圧特性を示すグラフである。

【図2】超電導体における磁束フロー抵抗の発生原理を示す模式図である。

【図3】参考技術に係るクエンチ検出装置の全体構成を示す概略図である。

【図4】本実施例に係るクエンチ検出装置の全体構成を示す概略図である。

【図5】ハルバッハ磁気回路の構成例である。

【図6】パンケーキ構造を有する超電導コイルの一例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

【0024】

本実施例では、高温超電導材料であるＹＢＣＯ高温超電導体を線材とする超電導線を巻回してなる超電導コイルＬ１及びＬ２をクエンチの検出対象とした場合について説明する。図１は超電導コイルＬ１及びＬ２を構成するＹＢＣＯ高温超電導線の外部磁場ゼロ（自己磁場特性）における電流電圧特性（ＶＩ）を示すグラフである。この例では、ＳｕｐｅｒＰｏｗｅｒ社の長さ５００ｃｍ、線幅１２ｍｍのＹＢＣＯ高温超電導線を用いており、横軸は電流（Ａ）、縦軸は電圧（Ｖ）を示している。
図１に示すように、超電導コイルＬ１及びＬ２に流す直流電流を０Ａから臨界電流Ｉｃ（≒４００Ａ）に向かって増加していくと、約２００Ａを超えた近傍から電圧が上昇し始め約３５０Ａから急激な電圧上昇が確認できた。この電圧は超電導線内の磁束が動いた事により発生する電圧であり、クエンチ現象の前兆現象として磁束フロー抵抗の増加が生じている事を示している。

【0025】

図２は超電導体における磁束フロー抵抗の発生原理を示す模式図である。ここでは、超電導体１に磁場Ｂが印加されており、該超電導体１に侵入した磁場は磁束２として存在することとなる。磁束２は、超電導体１に流れる電流が微小である場合には、超電導体１に存在する欠陥等にピン止めされる。一方、超電導体１に大きな電流Ｉを流すと、ピン止めされている磁束２は図２に示すように、電流Ｉ及び磁場Ｂに対して直交方向にローレンツ力Ｆを受ける。電流Ｉの大きさを更に増やしていくと、ローレンツ力Ｆもまた増加し、ある閾値を超えるタイミングで磁束２はピン止めを外れて移動し始める。このとき、磁束フローによって電圧ΔＥが発生し、等価的にｒ=ΔＥ／Ｉ（電流は通電電流）の磁束フロー抵抗が発生することとなり、当該磁束フロー抵抗によって超電導体１ではｑ＝ｒＩ^２の発熱が生じる。
このとき、超電導コイルの冷却が不十分であると、この発生熱によって超電導線は等価抵抗の増大を招き、最終的には超電導マグネットのクエンチ現象として観測される。

【0026】

超電導コイルにおける磁束フロー抵抗は、原理的には、単純に超電導コイルの両端電圧を検出することによって測定すればよい。しかしながら、実際の超電導マグネットでは、駆動用の直流電源や外部からのノイズが存在するため、微小な磁束フロー抵抗に起因する電圧信号が埋もれてしまい、クエンチ検出が難しいという問題がある。
また、超電導マグネットのクエンチは電源電流を増加させている最中に発生することが多い。このとき、超電導コイルの両端には、超電導コイルのインダクタンスをＬとし、該超電導コイルに直流電源から供給される電流をｉ（t）とすると、超電導コイルの両端には磁束フロー抵抗の他に、

の電圧が生じることとなる。この電圧は数Ｖであるため、数〜数１０μＶ程度の磁束フロー電圧を分離して検出することは難しい。

【0027】

本発明に係る超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法は、このような問題点を解決することを目的としている。本実施例ではアクティブ・クエンチ検出方法を実施するための検出装置１０について詳しく後述するが、ここではまず図３を参照して、本発明に至る前提となった参考技術について説明する。図３は参考技術に係るクエンチ検出装置１０´の全体構成を示す概略図である。

【0028】

（参考技術）
参考技術に係るクエンチ検出装置１０´の検出対象である超電導マグネットは、パンケーキ構造を有する超電導コイルＬ１及びＬ２を直列接続してダブルパンケーキ型として構成されており（図６を参照）、該超電導コイルＬ１及びＬ２は互いに同等のインダクタンスを有するものが用いられている。超電導コイルＬ１及びＬ２には、商用電源で動作可能な直流電源３が直列接続されてなる電気回路４が形成されており、図３では電気回路４を流れる直流電流をＩｄｃで示している。直流電流Ｉｄｃの大きさは、超電導コイルＬ１及びＬ２で発生する磁場の大きさに応じて、不図示の電源コントローラによって制御される。

【0029】

電気回路４から超電導コイルに電流を流し、電流を増加させると、超電導コイルにはインダクタンスによる電圧ＶＬと磁束フロー等で発生した抵抗ｒによる電圧Ｖｒが合計電圧Ｅcとして現われる。

【0030】

また電気回路４には超電導コイルＬ１及びＬ２の一端側にノイズ補償コイルＬ₀（常電導線から構成されたコイル）が設けられている。コイルＬ₀は常電導線なので有限抵抗ｒｎを有し、電流の増加の際には、超電導コイルと同様にコイルＬ₀にはインダクタンス電圧ＶＬ0と有限抵抗電圧Ｖｒｎの合計電圧Ｅ₀として現われる。

【0031】

差動増幅器６において、補償コイルＬ₀からの電圧を増幅ゲインＡｏの増幅器７で増幅し、超電導コイルの電圧も増幅ゲインＡｃの増幅器８で増幅して、これらの電圧を差し引くと、次式で示す電圧が差動増幅器６の出力として現われる。

ここでＬ１、Ｌ２、Ｌ₀は既知量なので、微分項ｄＩ_dc／ｄｔの係数をゼロになるように差動増幅器６の増幅率Ａ₀、Ａｃを調整する事が出来る。従って、差動増幅器６の出力は電流Ｉ_dc に比例した電圧

となる。補償コイルＬ₀の線抵抗も事前に調べることができ既知量になるので、最終的に差動増幅器６の出力ΔＶは超電導コイルの磁束フロー等で発生した抵抗ｒに比例した値となる。このようにして、超電導コイル内に発生する磁束フロー等の微小抵抗ｒを検出する事ができる。

【0032】

このように参考技術に係るクエンチ検出装置１０´では、ある程度の精度でクエンチの発生の有無が可能である。しかしながら、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ₀及びｒｎが正確に事前に求めていないと超電導コイル内に発生する磁束フロー等の微小抵抗ｒを検出する事ができない。さらに常電導線で構成された補償コイルＬ₀に大電流を流すので、膨大な発熱があり、超電導コイルを使用するメリットが損なわれてしまうため、実現性が極めて乏しい。
以下に説明する実施例では、このような参考技術の課題を解決することが可能となる。

【0033】

図４は本実施例に係るクエンチ検出装置１０の全体構成を示す概略図である。尚、以下の説明では前述の説明と共通する箇所には同じ符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略する。

【0034】

クエンチ検出装置１０は、超電導コイルＬ１及びＬ２に対して直流電源３が直列接続されて構成された電気回路４を有する超電導マグネットを検出対象としている。該電気回路４には、交流回路である第１のループ回路１１及び第２のループ回路１２がそれぞれ並列に設けられている。特に、第１のループ回路１１及び前記第２のループ回路１２は、ダブルパンケーキ構造を有する超電導コイルＬ１及びＬ２間の中点１３において共通電位線１４が共有されるように構成されている。

【0035】

第１のループ回路１１にはコンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１が直列接続されており、第２のループ回路１２にはコンデンサＣ２及び抵抗Ｒ２が直列接続されている。コンデンサＣ１及びＣ２、並びに、抵抗Ｒ１及びＲ２は互いに同じ素子が用いられており、第１のループ回路１１と第２のループ回路１２が等価になるように構成されている。

【0036】

共通電位線１４上には変圧器１６が設けられており、該変圧器１６を介して信号発生源１５で生成された一定振幅を有する正弦波交流信号が入力される。変圧器１６は信号発生源１５に接続された第１のコイル１６ａと、共通電位線１４に接続された第２のコイル１６ｂとを含んで構成されており、交流信号を第１のループ回路１１及び第２のループ回路１２に入力するインターフェイスとして機能する。本実施例では、このように交流信号の入力インターフェイスとして変圧器１６を用いることで、非接触な信号入力が可能となり、よりノイズの少ないクエンチ検出が可能となる。

【0037】

ここで、交流回路である第１のループ回路１１及び第２のループ回路１２はそれぞれコンデンサＣ１及びＣ２を有しているため、電気回路４を流れる直流電流Ｉｄｃは第１のループ回路１１及び第２のループ回路１２を流れることなく、電気回路４のみを循環する。
一方、第１のループ回路１１及び第２のループ回路１２にそれぞれ含まれる素子（抵抗Ｒ１及びＲ２、並びに、コンデンサＣ１及びＣ２）は等しくなるように設定されているため、超電導コイルＬ１及びＬ２の両端電圧は互いに等電位となる。そのため、第１のループ回路１１及び第２のループ回路１２に供給される交流信号は、電気回路４に流れることなく、第１のループ回路１１及び第２のループ回路１２をそれぞれ循環することとなる。
このように検出装置１０が有する検出回路では、直流回路と交流回路は互いに独立して解析可能に構成されている。

【0038】

抵抗Ｒ１及びＲ２における電圧降下は電圧信号Ｖ１及びＶ２として取り出され、差動アンプ６に入力される。差動アンプ６は、電圧信号Ｖ１及びＶ２の差分ΔＶを出力する。これにより、超電導コイルＬ１及びＬ２のいずれかでクエンチ現象に伴う磁束フロー抵抗の増加が生じた場合には、ΔＶとして検出される。

【0039】

差動アンプ６の出力ΔＶは、交流信号が有する周波数ｆ＝ｆ０に対応する帯域を有するバンドパスフィルタ１８に入力される。差動アンプ６からの入力信号には様々な周波数ノイズが含まれているため、バンドパスフィルタ１８によって交流信号が有する周波数（キャリア周波数）を抽出することで、余分なノイズを除去することができる。特に超電導マグネットＬ１及びＬ２の駆動用電源である直流電源３は大きな電圧ノイズを発生することが多いため、微小な磁束フロー電圧はノイズに埋もれがちである。そこで、本実施例ではバンドパスフィルタ１８によって検出信号に含まれるノイズを除去することで、精度のよいクエンチ検出が可能となっている。

【0040】

バンドパスフィルタ１８の出力信号は、磁束フロー抵抗の演算を行う検出部１９に入力される。 ここで共通電位線１４に供給される交流信号を、振幅ｅ０、周波数ｆ（各周波数ω＝２πｆ）の連続な正弦波とする。そして、第１のループ回路１１及び第２のループ回路１２を流れる交流電流をそれぞれｉ_１(t)及びｉ_２(t)とすると、以下の交流方程式が得られる。

ここでｒは超電導コイルＬ１あるいはＬ２で発生した磁束フロー抵抗を示しており（尚、図４では超電導コイルＬ２側に磁束フロー抵抗ｒが生じた場合を例示している）、変圧器１６のインピーダンスは十分に小さく無視できると仮定する。また、Ｍは超電導コイルＬ１_、及びＬ２間の相互インダクタンスであり、磁気結合係数Ｋを用いて

と表わされる。

【0041】

（４）式をフーリエ変換すると、次式が得られる。

（５）式に示す連立方程式を解くことにより、第１のループ回路及び第２のループ回路を流れる交流電流Ｉ_１及びＩ_２が得られる。

【0042】

ここで第１のループ回路１１及び第２のループ回路１２が共振状態にあると仮定すると、

が成立する。この場合、抵抗Ｒ_１及びＲ_２における電圧降下Ｖ_１及びＶ_２は、次式により求められる。

【0043】

ここで、磁束フロー抵抗ｒは微小であることから

と仮定すると、（５）式の分母はｒを無視して

と近似できるので、差動アンプ６の出力ΔＶは次式により求められる。

【0044】

（７）式によれば、差動アンプ６の出力ΔＶは磁束フロー抵抗ｒに比例することが示されている。また、Ｅ₀は交流信号の振幅であることから、ΔＶもまた交流信号となる。このように本実施例は磁束フロー抵抗を交流信号として得られるため、増幅器で増幅した場合でも、増幅器のドリフトの影響を受けることなく増幅することができる。

【0045】

ところで、直流電源３や外部からのノイズは、互いに等価である第１のループ回路１１及び第２のループ回路１２に対して同時・同相で印加されると考えられるため、これらのノイズは時間的に相殺される。また、上述したようにΔＶはバンドパスフィルタ１８でキャリア周波数を抽出して解析されるため、微小な磁束フロー抵抗ｒを精度よく検出できる。

【0046】

検出部１９では、このように求めた磁束フロー抵抗ｒが所定の閾値ｒ１より大きいか否かに基づいて、超電導コイルＬ１及びＬ２におけるクエンチの有無を判定する。閾値ｒ１はクエンチの発生を示唆する磁束フロー抵抗として設定され、例えば図１に示すＶ-Ｉ特性を予め実験的に求めて選択するとよい。

【0047】

そして検出部１９は磁束フロー抵抗ｒが閾値ｒ１を越えた場合（ｒ＞ｒ１）、ＤＣ電源３に設けられた保護回路２０を作動させることにより、超電導マグネットの運転を中断させ保護を図る。このとき、超電導コイルＬ１及びＬ２への供給電力を急激に遮断すると、電磁誘導作用によって大きな逆起電力が生ずるため、時間的に次第に減衰させるように制御するとよい。

【0048】

続いて、上述のクエンチ検出装置１０を用いて超電導マグネットの応用例であるＳＭＥＳ( Superconducting Magnet Energy Storage)に本発明を適用した場合について、具体的に検証する。ここではＳＭＥＳのエネルギーを例えば実験室規模のＥ＝１０００（Ｊ）とし、超電導コイルＬ１及びＬ２に流れる直流電流Ｉｄｃを４００（Ａ）とする。この場合、インダクタンスの計算式

に基づいて、超電導コイルＬ１及びＬ２の総インダクタンスＬは１２．５（ｍＨ）となり、それぞれのインダクタンスＬ１及びＬ２は６．２５（ｍＨ）となる。また磁気結合係数をＫ＝１とすると、相互インダクタンスは

となる。

【0049】

また信号発生源１５から出力される交流信号として、商用電源で作動する直流電源３からのノイズによる影響を減らすために、周波数ｆ＝４２．４１４（Ｈｚ）を選択するとよい。この場合、第１のループ回路１１及び第２のループ回路１２における共振条件

を成立させるために、コンデンサＣ１及びＣ２は、それぞれ０．０８８（μＦ）とする。また抵抗Ｒ１及びＲ２は１０（Ω）とし、交流信号の振幅をＥ₀＝１（Ｖ）とした場合、磁気フロー抵抗ｒとして１００（ｎΩ）が超電導コイルＬ２に発生したと仮定すると、（６）式により、ΔＶは約１０（ｎＶ）の交流電圧として検出される。ΔＶは差分電圧なので超電導コイルＬ１及びＬ２に対して同位相で入り込んだノイズは互いに相殺される。一方で、不平衡なノイズは相殺することができないが、バンドパスフィルタ１８を介して検出部１９に取り込むことで、キャリア周波数以外をカットすることができる。またΔＶは交流信号であるので増幅器で増幅させたとしても、増幅器のドリフトによる影響を回避することができ、良好な精度でクエンチを検出できる。
例えばΔＶを１００００倍に増幅することで、磁束フロー抵抗ｒ＝１００（ｎΩ）を０．１（ｍＶ）の検出信号として得ることができるので、一般的なデジタルボルトメータでも測定が可能となり、コストを抑えることができる。

【0050】

また検出部１９におけるクエンチ検出の閾値ｒ１は数μΩ程度に設定するとよい。仮に閾値ｒ１を１（μΩ）と設定した場合、上述したように直流電流が４００（Ａ）であることから、超電導コイルＬ２において

の発熱が発生すると、保護回路２０を作動するように制御する。

【0051】

以上説明したように、本実施例に係る検出装置１０では、直流電源３が設けられた直流電気回路４とは独立に解析可能な交流回路である同等の第１のループ回路１１及び第２のループ回路１２を設け、それぞれのループ回路における電位差に基づいて、クエンチに密接な関連性がある磁束フロー抵抗を求めることによりクエンチを検出することができる。

【0052】

尚、本実施例に係る検出装置１０では交流信号が超電導コイルＬ１及びＬ２に流れるため、超電導体に特有な交流損失にも留意する必要がある。交流損失は１サイクルあたりのエネルギー損失として表すことができる。例えば超電導ハンドブック（電気学会出版）によれば、交流損失Ｐ／ｆは交流信号Ｉａｃの振幅をＩｍ、超電導コイルＬ１及びＬ２を構成する超電導線の臨界電流密度をＪｃ、試料の領域をａとすると、次式で得られる。

例えば、超電導線の線臨界電流密度をＪｃ＝１０（ＭＡ／ｍ）程度とし、超電導線幅をａ＝４（ｍｍ）とする。本実施例では、交流電流の振幅Ｉｍ＝１００（ｍＡ）であるから、超電導線で発生する交流損失は１０^−５（Ｗ／ｍ）程度である。超電導コイルに使用される超電導線の全長が５００（ｍ）であるとすると、超電導マグネット全体での交流損失は５（ｍＷ）であり、無視できる程小さな値となる。
尚、更に交流損失を小さく抑えたい場合には、交流電源の電圧を更に下げればよい。

【産業上の利用可能性】

【0053】

本発明は、超電導コイルに対して直流電源が直列接続されて構成される電気回路を有する超電導マグネットにおいてクエンチを検出する超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法に利用可能である。

【符号の説明】

【0054】

３ 直流電源
４ 電気回路
６ 差動アンプ
１１ 第１のループ回路
１２ 第２のループ回路
１３ 中点
１５ 信号発生源
１６ 変圧器
１８ バンドパスフィルタ
１９ 検出部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】