(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-02-14
(54)【発明の名称】高温超電導電気スイッチおよび整流器
(51)【国際特許分類】
H01F 6/00 20060101AFI20240206BHJP
H01F 6/06 20060101ALI20240206BHJP
【ＦＩ】
H01F6/00 180
H01F6/06 140
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023545344
(86)(22)【出願日】2022-01-26
(85)【翻訳文提出日】2023-07-26
(86)【国際出願番号】 NZ2022050009
(87)【国際公開番号】W WO2022164330
(87)【国際公開日】2022-08-04
(31)【優先権主張番号】2021900162
(32)【優先日】2021-01-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】AU
(31)【優先権主張番号】2021903414
(32)【優先日】2021-10-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】AU
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】519018945
【氏名又は名称】ヴィクトリア リンク リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】ロドニー・アラン・バッドコック
(72)【発明者】
【氏名】クリストファー・ウィリアム・バンビー
(72)【発明者】
【氏名】ジアンジャオ・ゲン
(72)【発明者】
【氏名】ジェームズ・ハミルトン・パーマー・ライス
(57)【要約】
前記整流器は、交流スイッチ電流を流すための、臨界電流を有するＨＴＳ材料セグメントを含む電気スイッチと、磁場発生器を制御して、前記ＨＴＳ材料に磁場を印加する磁場発生器と、磁場の大きさが比較的小さいときに低抵抗状態と、磁場の大きさが比較的大きいときに高抵抗状態との間でスイッチを切り替える制御機構であって、比較的大きい磁場の大きさは、交流スイッチ電流サイクルの一部について電流が臨界電流に近い、臨界電流と実質的に等しいか、または臨界電流より大きいように臨界電流を低減させるのに十分である、制御機構と、を含む。バイファイラ配置で配置された２本の超電導材料ストランドを有する電気スイッチも提供される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気スイッチであって、それぞれが輸送電流を流すように構成され、臨界電流を有する第１超電導材料ストランドおよび第２超電導材料ストランドと、
前記第１超電導材料ストランドおよび前記第２超電導材料ストランドに磁場を印加するように構成および配置され、高透磁率磁性コアを含む磁場発生器と、を含み、
前記磁場発生器は、磁場の大きさが比較的小さいときに低抵抗状態と、磁場の大きさが比較的大きいときに高抵抗状態との間で電気スイッチを切り換えるように選択的に制御されるように構成され、前記低抵抗状態では、前記輸送電流は前記臨界電流よりも実質的に小さく、前記高抵抗状態では、前記輸送電流は前記臨界電流に近い、前記臨界電流と実質的に等しいか、または前記臨界電流よりも大きく、
前記第１超電導材料ストランドおよび前記第２超電導材料ストランドは、前記磁場の領域内で互いに空間的に実質的に平行に配置され、前記輸送電流が前記磁場の領域内で前記第１超電導材料ストランドおよび前記第２超電導材料ストランドを通って逆方向に流れるように電気的に接続されている、電気スイッチ。
【請求項2】
前記高透磁率磁性コアは、ギャップによって分離された第１端部および第２端部を含み、前記第１超電導材料ストランドおよび前記第２超電導材料ストランドは前記ギャップ内に位置する、請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項3】
前記第１超電導材料ストランドおよび前記第２超電導材料ストランドは、それぞれ２つの対向する面を有するテープの形態である、請求項１～２のいずれか１項に記載の電気スイッチ。
【請求項4】
前記テープは、前記第１超電導材料ストランドの対向する面と前記第２超電導材料ストランドの対向する面とが平行になるように配置されている、請求項３に記載の電気スイッチ。
【請求項5】
前記テープは、前記第１超電導材料ストランドおよび前記第２超電導材料ストランドに印加される磁場が前記２つの対向する面のそれぞれに対して実質的に垂直になるように配向されている、請求項４に記載の電気スイッチ。
【請求項6】
前記電気スイッチは、エンドツーエンドで一体的に接続された第１超電導材料ストランドおよび第２超電導材料ストランドを含む単一の超電導材料セグメントを含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の電気スイッチ。
【請求項7】
前記第１超電導材料ストランドおよび前記第２超電導材料ストランドは、前記第１ストランドの一面を前記第２ストランドの一面に接続することにより電気的に接続されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の電気スイッチ。
【請求項8】
前記超電導材料は高温超電導（ＨＴＳ）材料である、請求項１～７のいずれか１項に記載の電気スイッチ。
【請求項9】
交流入力電流を整流するように構成された整流器であって、交流スイッチ電流を流すように構成され、臨界電流を有する高温超電導（ＨＴＳ）材料セグメントを含む電気スイッチと、
前記ＨＴＳ材料に磁場を印加するように構成および配置された磁場発生器と、
前記磁場発生器を制御して、前記磁場の大きさが比較的小さいときに低抵抗状態と、前記磁場の大きさが比較的大きいときに高抵抗状態との間で前記電気スイッチを切り換える制御機構であって、前記比較的大きな大きさは、前記交流スイッチ電流のサイクルの一部について、前記交流スイッチ電流が前記臨界電流に近い、前記臨界電流と実質的に等しいか、または前記臨界電流より大きいように前記ＨＴＳ材料の前記臨界電流を低減させるのに十分である、制御機構と、を含み、
前記電気スイッチは、交流入力電流を整流して直流出力を生成するように配置される、整流器。
【請求項10】
前記電気スイッチは、前記交流入力電流を半波整流するように配置され、前記直流出力は、前記電気スイッチにわたって並列に接続された負荷に伝達される、請求項９に記載の整流器。
【請求項11】
前記制御機構は、前記磁場の大きさが前記交流入力電流の位相に基づくように前記磁場発生器を制御するように構成される、請求項９～１０のいずれか１項に記載の整流器。
【請求項12】
前記制御機構は、前記磁場の大きさが前記交流スイッチ電流の位相と同位相で変化するように、前記磁場発生器に交流発生器電流を供給する、請求項１１に記載の整流器。
【請求項13】
前記交流スイッチ電流が第１方向に流れる場合、前記交流スイッチ電流の第１ピーク電流が、前記磁場発生器によって印加される磁場の大きさが比較的大きい場合の前記ＨＴＳ材料セグメントの前記臨界電流に近い、前記臨界電流と実質的に等しいか、または前記臨界電流よりも大きく、前記交流スイッチ電流が、前記第１方向とは反対の第２方向に流れる場合、第２ピーク電流が、前記磁場発生器によって印加される磁場の大きさが比較的小さい場合の前記ＨＴＳ材料セグメントの前記臨界電流よりも小さいように、前記交流スイッチ電流を制御する電流制御機構を含む、請求項１２に記載の整流器。
【請求項14】
前記磁場発生器は、ギャップを形成する磁性コアと、
前記磁性コアの一部の周りにコイル状に巻かれて、前記交流発生器電流を流す導体と、を含み、
前記ＨＴＳ材料セグメントは前記ギャップ内に位置する、請求項１１～１２のいずれか１項に記載の整流器。
【請求項15】
前記交流入力電流は前記交流発生器電流として前記導体に直接供給され、前記交流スイッチ電流は前記交流入力電流に基づくものである、請求項１４に記載の整流器。
【請求項16】
前記整流器は、一次側と二次側とを含む変圧器を含み、前記一次側は前記交流入力電流を受け取り、前記二次側は前記電気スイッチに接続される、請求項１４に記載の整流器。
【請求項17】
前記導電体は前記変圧器の一次側に接続されている、請求項１６に記載の整流器。
【請求項18】
前記導電体は前記変圧器の二次側に接続されている、請求項１６に記載の整流器。
【請求項19】
前記変圧器は、ギャップを形成する磁性コアを含む、請求項１６に記載の整流器。
【請求項20】
前記制御機構は、前記磁場発生器を通る交流発生器電流を制御するように構成された電流流れ制御デバイスを含む、請求項１４～１９のいずれか１項に記載の整流器。
【請求項21】
前記電流流れ制御デバイスは、前記交流発生器電流が第１方向に流れるときに前記磁場発生器が作動し、前記交流発生器電流が第１方向とは反対の第２方向に流れるときに前記磁場発生器が停止するように、前記磁場発生器にわたって並列に接続されたダイオードを含む、請求項２０に記載の整流器。
【請求項22】
前記電流流れ制御デバイスは、前記発生器制御スイッチが開いたときに前記磁場発生器が作動し、前記発生器制御スイッチが閉じられたときに前記磁場発生器が停止するように、前記磁場発生器にわたって並列に接続された発生器制御スイッチを含み、前記制御機構は、前記発生器制御スイッチの開閉を制御するように構成されたコントローラを含む、請求項２０に記載の整流器。
【請求項23】
前記整流器は、追加交流スイッチ電流を流すように構成され、臨界電流を有する追加高温超電導（ＨＴＳ）材料セグメントを含む少なくとも１つの追加電気スイッチと、
前記少なくとも１つの追加電気スイッチの各々についての、前記追加ＨＴＳ材料セグメントに追加磁場を印加するように構成および配置された追加磁場発生器と、を含み、
前記制御機構は、前記追加磁場発生器を制御して、前記追加磁場の大きさが比較的小さいときに低抵抗状態と、前記追加磁場の大きさが比較的大きいときに高抵抗状態との間で、前記各追加電気スイッチを切り替えるように構成され、前記比較的大きな大きさは、前記交流スイッチ電流のサイクルの一部について、前記交流スイッチ電流が前記臨界電流に近い、前記臨界電流と実質的に等しいか、または前記臨界電流より大きいように追加ＨＴＳ材料セグメントの前記臨界電流を低減させるのに十分であり、
前記少なくとも１つの追加電気スイッチは、前記電気スイッチと共に動作して、前記交流入力電流を整流して直流出力を生成するように配置される、請求項９～２２のいずれか１項に記載の整流器。
【請求項24】
前記制御機構は、前記各磁場発生器を作動および停止させ、前記各磁場発生器が停止しているときに低抵抗状態と、前記各磁場発生器が作動しているときに高抵抗状態との間で、前記各電気スイッチを切り換えるように構成される、請求項２３に記載の整流器。
【請求項25】
前記追加磁場発生器は第２磁場発生器を含み、前記制御機構は、前記第２磁場発生器が停止しているときに前記磁場発生器が作動し、前記第２磁場発生器が作動しているときに前記磁場発生器が停止するように構成される、請求項２４に記載の整流器。
【請求項26】
前記少なくとも１つの追加電気スイッチは、前記第２電気スイッチを含み、前記電気スイッチと前記第２電気スイッチは直列に接続され、前記直流出力は、前記スイッチのうちの１つにわたって並列に接続された負荷に伝達される、請求項２３～２５のいずれか１項に記載の整流器。
【請求項27】
前記少なくとも１つの追加電気スイッチは、第２電気スイッチを含み、前記電気スイッチおよび前記第２電気スイッチは、前記交流入力電流を全波整流するように構成される、請求項２３～２５のいずれか１項に記載の整流器。
【請求項28】
前記電気スイッチと前記第２電気スイッチは直列に接続され、前記直流出力は前記２つの電気スイッチ間に並列に接続された負荷に伝達される、請求項２６に記載の整流器。
【請求項29】
前記少なくとも１つの追加電気スイッチは、第２、第３、および第４電気スイッチを含み、第１対の電気スイッチは、前記前記第２電気スイッチに直列に接続された電気スイッチを含み、第２対の電気スイッチは、前記第４電気スイッチに直列に接続された第３電気スイッチを含み、前記第１対の電気スイッチは、前記第２対の電気スイッチに並列に接続され、前記直流出力は、前記第１端子と前記第２端子との間に接続された負荷に伝達され、前記第１端子は、前記電気スイッチと前記第２電気スイッチとの間にあり、前記第２端子は、前記第３電気スイッチと前記第４電気スイッチとの間にある、請求項２３～２８のいずれか１項に記載の整流器。
【請求項30】
前記磁性コアは、第１コア部と第２コア部とを含み、前記第１コア部と前記第２コア部は前記サーマルブレークによって分離されている、請求項１４に記載の整流器。
【請求項31】
前記変圧器は、前記第１コア部と前記第２コア部とを含むコアを含み、前記二次側は前記第１コア部を含み、前記二次側は前記第２コア部を含み、前記第１コア部と前記第２コア部は前記サーマルブレークによって分離されている、請求項１６に記載の整流器。
【請求項32】
前記第１コア部はクライオスタットの外側に配置され、前記第２コア部はクライオスタットの内側に配置される、請求項３０または３１に記載の整流器。
【請求項33】
前記磁場発生器は、前記磁性コアと前記導体との間にサーマルブレークを含む、請求項１４に記載の整流器。
【請求項34】
前記変圧器は、前記磁性コアと、前記磁性コアと前記一次側および／または二次側を形成する１つまたは複数の導体との間のサーマルブレークと、を含む、請求項１６に記載の整流器。
【請求項35】
前記サーマルブレークは絶縁材料を含む、請求項３３または３４に記載の整流器。
【請求項36】
前記電気スイッチは、請求項１～８のいずれか１項に記載の電気スイッチである、請求項９～３５のいずれか１項に記載の整流器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本技術は、超電導電気スイッチおよび整流器に関する。本技術は、特に、超電導材料、特に高温超電導材料で形成された部品を含む電気スイッチおよび整流器に関連するものであり得る。
【背景技術】
【0002】
超電導回路には幅広い用途がある。超電導回路を含むシステムの用途の例としては、超電導磁石、磁束ポンプ、故障電流制限器、磁気エネルギー貯蔵システム、宇宙推進、核融合、核磁気共鳴（ＮＭＲ）、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）、懸濁、水の浄化と誘導加熱が含まれる（これらに限定されない）。
【0003】
超電導回路の多くの用途では、電流を整流すること、つまり交流（ＡＣ、方向がサイクル的に反転する電流）を直流（ＤＣ、一方向にのみ流れる電流）に変換することが必要であるか、またはこれによる利益が得られる。
【0004】
超電導回路用の整流器は知られているが、損失を低減し、既存の整流器と比較してより高い効率を提供し、および／または他の利点を提供するために、超電導整流器および／または整流器の部品、例えばスイッチを改良する必要がある。
【0005】
高温超電導体（ＨＴＳ）には、上記のような用途も含めて多くの用途がある。ＨＴＳ被覆導体（ＣＣ）の製造プロセスの進歩により、高磁場下で高電流密度を流すことができるワイヤが開発された。これらのＣＣを巻いたコイルは、高界磁磁石／インサートとして優れた性能を示している。ＣＣコイルは、モーター／発電機、ＤＣ誘導ヒーター、磁気分離器など、他の多くの用途にも有望である。
【0006】
高電流ＨＴＳコイルは、理想的で製造が難しくないが、通常、それらに通電するには、大規模で複雑な電子電流供給源と、室温と極低温環境の間を物理的に移行しなければならない太い電流リード線が必要とされる。これには高度な熱設計が必要で、クライオスタットと冷却システムにかなりの熱損失をもたらす。また、常電導回路部品全体で大幅な電圧降下が発生するため、超電導コイルに個別に通電するのに必要な電力よりもはるかに高い電力供給が必要になる。
【0007】
磁石システムから有害な金属電流リードを排除するアプローチの１つは、閉回路ＨＴＳコイルにＤＣ電流を無線で注入することである。これは、電流変圧器のＨＴＳ二次巻線に誘導されるＡＣ電流を整流することで実現できる。このような「誘導ＤＣ電流」は、ＨＴＳ磁束ポンプとして知られているタイプのデバイスを使用して実現でき、よりコンパクトかつ柔軟な将来のＨＴＳ磁石システムを可能にする。
【0008】
既存のＨＴＳ磁束ポンプは、高周波電磁スイッチによるサイクル的な作動を利用している。しかし、これらのスイッチには個別の独立電源とフィードスルーが必要であり、複雑さが増している。また、スイッチはクライオスタット内に配置されているので、効率に悪影響を及ぼす低温環境で熱が放散される。
【0009】
低温超電導体（ＬＴＳ）を用いた磁束ポンプは、整流磁束ポンプを含めて知られている。しかし、ＨＴＳとＬＴＳの間には大きな違いがあるため、ＬＴＳ用に設計されたシステムにはＨＴＳが適していない可能性がある。例えば、ＬＴＳ材料は、通常、低い臨界磁場（大きさ＜１Ｔ）を有するが、ＨＴＳは数十テスラの大きさの上部臨界磁場を有する。既存の磁束ポンプの中には、温度または磁場を印加することによって超電導状態からの遷移に依存するものもある。ほとんどの用途では、ＨＴＳを超電導状態から遷移させるために必要な磁場の強さの印加や十分に速い熱パルスの印加は実際には不可能である。
【0010】
したがって、特に、損失を低減し、既存の整流器と比較してより高い効率を提供し、および／または他の利点を提供するために、ＨＴＳ（例えば、磁束ポンプ）と共に使用するように適合された整流器、および／または、整流器の部品、例えばスイッチを含む整流器を改良することが特に必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
発明の目的
本技術の目的は、超電導材料で形成された少なくとも１つの部品を含む電気スイッチを提供することによって、および／または超電導材料で形成された少なくとも１つの部品を含む電気スイッチを含む整流器を提供することによって、上記の利点／ニーズのいずれか１つまたは複数を満たすことである。代替的に、本技術の１つの目的は、少なくとも１つの有用な選択肢を公衆に提供することである。
本技術の目的は、超電導材料で形成された少なくとも１つの部品を含む電気スイッチを提供することによって、および／または超電導材料で形成された少なくとも１つの部品を含む電気スイッチを含む整流器を提供することによって、上記の利点／ニーズのいずれか１つまたは複数を満たすことである。代替的に、本技術の１つの目的は、少なくとも１つの有用な選択肢を公衆に提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明の一態様によれば、超電導材料セグメントを含む電気スイッチが提供される。いくつかの形態では、電気スイッチは、超電導材料セグメントに磁場を選択的に印加することによって、高抵抗状態では、超電導材料セグメントを通って流れる電流が超電導材料セグメントの臨界電流に近い、臨界電流と実質的に等しいか、または臨界電流よりも大きいように、低抵抗超電導状態と高抵抗超電導状態との間で制御されるように構成される。いくつかの形態では、超電導材料セグメントは、高温超電導材料セグメントである。
【0013】
本技術の別の態様によれば、交流入力電流を整流するように構成された整流器が提供される。整流器は、交流スイッチ電流を流すように構成された高温超電導（ＨＴＳ）材料セグメントを含む電気スイッチを含み、このＨＴＳ材料セグメントは臨界電流を有する。整流器は、ＨＴＳ材料に磁場を印加するように構成および配置された磁場発生器をさらに含んでもよい。整流器は、磁場の大きさが比較的小さいときに低抵抗状態と、磁場の大きさが比較的大きいときに高抵抗状態との間で電気スイッチを切り替えるように磁場発生器を制御する制御機構をさらに含んでもよく、比較的大きな大きさは、交流スイッチ電流のサイクルの一部について、交流スイッチ電流が臨界電流に近い、臨界電流と実質的に等しいか、または臨界電流より大きいように、このＨＴＳ材料セグメントの臨界電流を低減させるのに十分である。電気スイッチは、交流入力電流を整流して直流出力を生成するように構成されてもよい。
【0014】
諸例では、
ａ）電気スイッチは、交流入力電流を半波整流するように構成されてもよく、直流出力は、電気スイッチにわたって並列に接続された負荷に伝達される。
ｂ）制御機構は、磁場の大きさが交流入力電流の位相に基づくように磁場発生器を制御するように構成されてもよい。
ｃ）制御機構は、磁場の大きさが交流スイッチ電流の位相と同位相で変化するように、磁場発生器に交流発生器電流を供給してもよい。
ｄ）整流器は、交流スイッチ電流が第１方向に流れる場合、交流スイッチ電流の第１ピーク電流が、磁場発生器によって印加される磁場の大きさが比較的大きい場合のＨＴＳ材料セグメントの臨界電流に近い、臨界電流と実質的に等しいか、または臨界電流よりも大きく、交流スイッチ電流が第１方向とは反対の第２方向に流れるとき、第２ピーク電流が、前記磁場発生器によって印加される磁場の大きさが比較的小さい場合のＨＴＳ材料セグメントの臨界電流よりも小さいように、交流スイッチ電流を制御する電流制御機構を含んでもよい。
ｅ）磁場発生器は、ギャップを形成する磁性コアを含んでもよく、磁場発生器は、交流発生器電流を流す、コイル内の磁性コアの一部の周りに巻かれた導体を含んでもよく、ＨＴＳ材料セグメントはギャップ内に位置する。
ｆ）交流入力電流は、交流発生器電流として導体に直接供給してもよく、交流スイッチ電流は交流入力電流に基づく。
ｇ）整流器は、一次側と二次側とを含む変圧器を含んでもよく、一次側は交流入力電流を受け取り、二次側は電気スイッチに接続される。
ｈ）導体は、変圧器の一次側に接続されてもよい。
ｉ）導体は、変圧器の二次側に接続されてもよい。
ｊ）変圧器は、ギャップを形成する磁性コアを含んでもよい。
ｋ）制御機構は、磁場発生器を通る交流発生器電流を制御するように構成された電流流れ制御デバイスを含んでもよい。
ｌ）電流流れ制御デバイスは、交流発生器電流が第１方向に流れるときに磁場発生器が作動し、交流発生器電流が第１方向とは反対の第２方向に流れるときに磁場発生器を停止するように、磁場発生器にわたって並列に接続されたダイオードを含んでもよい。
ｍ）電流流れ制御デバイスは、磁場発生器にわたって並列に接続された発生器制御スイッチを含み、発生器制御スイッチが開いたときに磁場発生器が作動し、発生器制御スイッチが閉じられたときに磁場発生器が停止するようにしてもよく、制御機構は、発生器制御スイッチの開閉を制御するように構成されたコントローラを含む。
ｎ）整流器は、追加交流スイッチ電流を流すように構成され、臨界電流を有する追加高温超電導（ＨＴＳ）材料セグメントを含む少なくとも１つの追加電気スイッチをさらに含んでもよい。
ｏ）整流器は、少なくとも１つの追加電気スイッチの各々について、追加ＨＴＳ材料セグメントに追加磁場を印加するように構成および配置された追加磁場発生器をさらに含んでもよい。
ｐ）制御機構は、追加磁場発生器を制御して、追加磁場の大きさが比較的小さいときに低抵抗状態と、追加磁場の大きさが比較的大きい高抵抗状態との間で、各追加電気スイッチを切り替えるように構成され、比較的大きな大きさは、交流スイッチ電流のサイクルの一部について、交流スイッチ電流が臨界電流に近い、臨界電流と実質的に等しいか、または臨界電流より大きいように追加ＨＴＳ材料セグメントの臨界電流を低減させるのに十分である。
ｑ）少なくとも１つの追加電気スイッチは、交流入力電流を整流して直流出力を生成するように電気スイッチと共に動作するように構成されていてもよい。
ｒ）制御機構は、各磁場発生器を作動および停止させ、各磁場発生器が停止しているときに低抵抗状態と、各磁場発生器が作動しているときに高抵抗状態との間で、各電気スイッチを切り換えるように構成されてもよい。
ｓ）追加磁場発生器は第２磁場発生器を含んでもよく、制御機構は、第２磁場発生器が停止しているときに磁場発生器が作動し、第２磁場発生器が作動しているときに磁場発生器が停止するように構成されてもよい。
ｔ）前記少なくとも１つの追加電気スイッチは、第２電気スイッチを含んでもよく、前記電気スイッチと前記第２電気スイッチは直列に接続されてもよく、前記直流出力は、前記スイッチのうちの１つにわたって並列に接続された負荷に伝達される。
ｕ）前記少なくとも１つの追加電気スイッチは、第２電気スイッチをふうんでもよく、前記電気スイッチおよび前記第２電気スイッチは、前記交流入力電流を全波整流するように構成されてもよい。
ｖ）電気スイッチと第２電気スイッチは直列に接続されてもよく、直流出力は２つの電気スイッチの間に並列に接続された負荷に伝達される。
ｗ）前記少なくとも１つの追加電気スイッチは、第２、第３、および第４電気スイッチを含んでもよく、第１対の電気スイッチは、前記第２電気スイッチに直列に接続された電気スイッチを含んでもよく、第２対の電気スイッチは、前記第４電気スイッチに直列に接続された第３電気スイッチを含んでもよく、前記第１対の電気スイッチは、前記第２対の電気スイッチに並列に接続され、前記直流出力は、前記第１端子と前記第２端子との間に接続された負荷に伝達されてもよく、前記第１端子は、前記第１電気スイッチと前記第２電気スイッチとの間にあり、前記第２端子は、前記第３電気スイッチと前記第４電気スイッチとの間にあってもよい。
ｘ）コアは、第１コア部分と第２コア部分とを含んでもよく、第１コア部分と第２コア部分は、サーマルブレークによって分離されている。
ｙ）変圧器は、第１コア部分と第２コア部分とを含むコアを含んでいてもよく、前記一次側は前記第１コア部を含んでもよく、前記二次側は前記第２コア部を含んでもよく、前記第１コア部と前記第２コア部は前記サーマルブレークによって分離されてもよい。
ｚ）第１コアはクライオスタットの外側に配置されてもよく、第２コアはクライオスタットの内側に配置されてもよい。
ａ）電気スイッチは、交流入力電流を半波整流するように構成されてもよく、直流出力は、電気スイッチにわたって並列に接続された負荷に伝達される。
ｂ）制御機構は、磁場の大きさが交流入力電流の位相に基づくように磁場発生器を制御するように構成されてもよい。
ｃ）制御機構は、磁場の大きさが交流スイッチ電流の位相と同位相で変化するように、磁場発生器に交流発生器電流を供給してもよい。
ｄ）整流器は、交流スイッチ電流が第１方向に流れる場合、交流スイッチ電流の第１ピーク電流が、磁場発生器によって印加される磁場の大きさが比較的大きい場合のＨＴＳ材料セグメントの臨界電流に近い、臨界電流と実質的に等しいか、または臨界電流よりも大きく、交流スイッチ電流が第１方向とは反対の第２方向に流れるとき、第２ピーク電流が、前記磁場発生器によって印加される磁場の大きさが比較的小さい場合のＨＴＳ材料セグメントの臨界電流よりも小さいように、交流スイッチ電流を制御する電流制御機構を含んでもよい。
ｅ）磁場発生器は、ギャップを形成する磁性コアを含んでもよく、磁場発生器は、交流発生器電流を流す、コイル内の磁性コアの一部の周りに巻かれた導体を含んでもよく、ＨＴＳ材料セグメントはギャップ内に位置する。
ｆ）交流入力電流は、交流発生器電流として導体に直接供給してもよく、交流スイッチ電流は交流入力電流に基づく。
ｇ）整流器は、一次側と二次側とを含む変圧器を含んでもよく、一次側は交流入力電流を受け取り、二次側は電気スイッチに接続される。
ｈ）導体は、変圧器の一次側に接続されてもよい。
ｉ）導体は、変圧器の二次側に接続されてもよい。
ｊ）変圧器は、ギャップを形成する磁性コアを含んでもよい。
ｋ）制御機構は、磁場発生器を通る交流発生器電流を制御するように構成された電流流れ制御デバイスを含んでもよい。
ｌ）電流流れ制御デバイスは、交流発生器電流が第１方向に流れるときに磁場発生器が作動し、交流発生器電流が第１方向とは反対の第２方向に流れるときに磁場発生器を停止するように、磁場発生器にわたって並列に接続されたダイオードを含んでもよい。
ｍ）電流流れ制御デバイスは、磁場発生器にわたって並列に接続された発生器制御スイッチを含み、発生器制御スイッチが開いたときに磁場発生器が作動し、発生器制御スイッチが閉じられたときに磁場発生器が停止するようにしてもよく、制御機構は、発生器制御スイッチの開閉を制御するように構成されたコントローラを含む。
ｎ）整流器は、追加交流スイッチ電流を流すように構成され、臨界電流を有する追加高温超電導（ＨＴＳ）材料セグメントを含む少なくとも１つの追加電気スイッチをさらに含んでもよい。
ｏ）整流器は、少なくとも１つの追加電気スイッチの各々について、追加ＨＴＳ材料セグメントに追加磁場を印加するように構成および配置された追加磁場発生器をさらに含んでもよい。
ｐ）制御機構は、追加磁場発生器を制御して、追加磁場の大きさが比較的小さいときに低抵抗状態と、追加磁場の大きさが比較的大きい高抵抗状態との間で、各追加電気スイッチを切り替えるように構成され、比較的大きな大きさは、交流スイッチ電流のサイクルの一部について、交流スイッチ電流が臨界電流に近い、臨界電流と実質的に等しいか、または臨界電流より大きいように追加ＨＴＳ材料セグメントの臨界電流を低減させるのに十分である。
ｑ）少なくとも１つの追加電気スイッチは、交流入力電流を整流して直流出力を生成するように電気スイッチと共に動作するように構成されていてもよい。
ｒ）制御機構は、各磁場発生器を作動および停止させ、各磁場発生器が停止しているときに低抵抗状態と、各磁場発生器が作動しているときに高抵抗状態との間で、各電気スイッチを切り換えるように構成されてもよい。
ｓ）追加磁場発生器は第２磁場発生器を含んでもよく、制御機構は、第２磁場発生器が停止しているときに磁場発生器が作動し、第２磁場発生器が作動しているときに磁場発生器が停止するように構成されてもよい。
ｔ）前記少なくとも１つの追加電気スイッチは、第２電気スイッチを含んでもよく、前記電気スイッチと前記第２電気スイッチは直列に接続されてもよく、前記直流出力は、前記スイッチのうちの１つにわたって並列に接続された負荷に伝達される。
ｕ）前記少なくとも１つの追加電気スイッチは、第２電気スイッチをふうんでもよく、前記電気スイッチおよび前記第２電気スイッチは、前記交流入力電流を全波整流するように構成されてもよい。
ｖ）電気スイッチと第２電気スイッチは直列に接続されてもよく、直流出力は２つの電気スイッチの間に並列に接続された負荷に伝達される。
ｗ）前記少なくとも１つの追加電気スイッチは、第２、第３、および第４電気スイッチを含んでもよく、第１対の電気スイッチは、前記第２電気スイッチに直列に接続された電気スイッチを含んでもよく、第２対の電気スイッチは、前記第４電気スイッチに直列に接続された第３電気スイッチを含んでもよく、前記第１対の電気スイッチは、前記第２対の電気スイッチに並列に接続され、前記直流出力は、前記第１端子と前記第２端子との間に接続された負荷に伝達されてもよく、前記第１端子は、前記第１電気スイッチと前記第２電気スイッチとの間にあり、前記第２端子は、前記第３電気スイッチと前記第４電気スイッチとの間にあってもよい。
ｘ）コアは、第１コア部分と第２コア部分とを含んでもよく、第１コア部分と第２コア部分は、サーマルブレークによって分離されている。
ｙ）変圧器は、第１コア部分と第２コア部分とを含むコアを含んでいてもよく、前記一次側は前記第１コア部を含んでもよく、前記二次側は前記第２コア部を含んでもよく、前記第１コア部と前記第２コア部は前記サーマルブレークによって分離されてもよい。
ｚ）第１コアはクライオスタットの外側に配置されてもよく、第２コアはクライオスタットの内側に配置されてもよい。
【0015】
ａａ）磁場発生器は、磁性コアと導体との間にサーマルブレークを含んでもよい。
ｂｂ）変圧器は、磁性コアと、磁性コアと一次側および／または二次側を形成する１つまたは複数の導体との間のサーマルブレークと、を含んでもよい。
ｃｃ）前記サーマルブレークは、絶縁材料を含んでもよい。
ｂｂ）変圧器は、磁性コアと、磁性コアと一次側および／または二次側を形成する１つまたは複数の導体との間のサーマルブレークと、を含んでもよい。
ｃｃ）前記サーマルブレークは、絶縁材料を含んでもよい。
【0016】
本発明の別の態様によれば、輸送電流を流すように構成され、臨界電流を有する超電導材料セグメントを含む電気スイッチが提供される。電気スイッチは、超電導材料セグメントに磁場を印加するように構成および配置された磁場発生器をさらに含んでもよい。超電導材料セグメントは、バイファイラ配置であってもよい。磁場発生器は、高透磁率磁性コアを含んでもよい。磁場発生器は、磁場の大きさが比較的小さい場合の低抵抗状態と、磁場の大きさが比較的大きい場合の高抵抗状態との間で、電気スイッチを切り替えるように選択的に制御されるように構成されてもよい。低抵抗状態では、輸送電流は臨界電流よりも大幅に小さくてもよい。高抵抗状態では、輸送電流は、臨界電流に近い、臨界電流と実質的に等しいか、または臨界電流よりも大きくてもよい。
【0017】
本発明の別の態様によれば、それぞれが輸送電流を流すように構成され、臨界電流を有する、第１超電導材料ストランドおよび第２超電導材料ストランドを含む電気スイッチが提供される。電気スイッチは、第１超電導材料ストランドおよび第２超電導材料ストランドに磁場を印加するように構成および配置された磁場発生器をさらに含んでもよい。磁場発生器は、高透磁率磁性コアを含んでもよい。磁場発生器は、磁場の大きさが比較的小さい場合の低抵抗状態と、磁場の大きさが比較的大きい場合の高抵抗状態との間で電気スイッチを切り替えるように選択的に制御されるように構成されてもよい。低抵抗状態では、輸送電流は臨界電流よりも大幅に小さくてもよい。高抵抗状態では、輸送電流は、臨界電流に近い、臨界電流と実質的に等しいか、または臨界電流よりも大きくてもよい。第１超電導材料ストランドおよび第２超電導材料ストランドは、磁場の領域内で互いに空間的に実質的に平行に配置されてもよく、輸送電流が磁場の領域内で第１超電導材料ストランドおよび第２超電導材料ストランドを通って逆方向に流れるように電気的に接続されてもよい。
【0018】
諸例では、
ａ）高透磁率磁性コアは、ギャップによって分離された第１端部および第２端部を含んでもよく、第１超電導材料ストランドおよび第２超電導材料ストランドはギャップ内に配置される。
ｂ）第１超電導材料ストランドおよび第２超電導材料ストランドは、それぞれ２つの対向する面を有するテープの形態であってもよい。
ｃ）テープは、第１超電導材料ストランドの対向する面と第２超電導材料ストランドの対向する面とが平行になるように配置されてもよい。
ｄ）テープは、第１超電導材料ストランドおよび第２超電導材料ストランドに印加される磁場が前記２つの対向する面のそれぞれに対して実質的に垂直になるように配向されてもよい。
ｅ）電気スイッチは、第１超電導材料ストランドおよび第２超電導材料ストランドを含む超電導材料セグメントを含んでもよく、または、第１超電導材料ストランドおよび第２超電導材料ストランドは、第１ストランドの一面を第２ストランドの一面に接続することにより電気的に接続されてもよい。
ｆ）超電導材料は高温超電導（ＨＴＳ）材料である。
ａ）高透磁率磁性コアは、ギャップによって分離された第１端部および第２端部を含んでもよく、第１超電導材料ストランドおよび第２超電導材料ストランドはギャップ内に配置される。
ｂ）第１超電導材料ストランドおよび第２超電導材料ストランドは、それぞれ２つの対向する面を有するテープの形態であってもよい。
ｃ）テープは、第１超電導材料ストランドの対向する面と第２超電導材料ストランドの対向する面とが平行になるように配置されてもよい。
ｄ）テープは、第１超電導材料ストランドおよび第２超電導材料ストランドに印加される磁場が前記２つの対向する面のそれぞれに対して実質的に垂直になるように配向されてもよい。
ｅ）電気スイッチは、第１超電導材料ストランドおよび第２超電導材料ストランドを含む超電導材料セグメントを含んでもよく、または、第１超電導材料ストランドおよび第２超電導材料ストランドは、第１ストランドの一面を第２ストランドの一面に接続することにより電気的に接続されてもよい。
ｆ）超電導材料は高温超電導（ＨＴＳ）材料である。
【0019】
本発明の別の態様によれば、輸送電流を流すように構成され、臨界電流を有する超電導材料セグメントを含む電気スイッチが提供される。電気スイッチは、超電導材料セグメントに磁場を印加するように構成および配置された磁場発生器をさらに含んでもよい。磁場発生器は、高透磁率磁性コアを含んでもよい。磁場発生器は、磁場の大きさが比較的小さい場合の低抵抗状態と、磁場の大きさが比較的大きい場合の高抵抗状態との間で電気スイッチを切り替えるように選択的に制御されるように構成されてもよい。低抵抗状態では、輸送電流は臨界電流よりも大幅に小さくてもよい。高抵抗状態では、輸送電流は、臨界電流に近い、臨界電流と実質的に等しいか、または臨界電流よりも大きくてもよい。超電導材料セグメントは、高透磁率磁性コアに近づくにつれて超電導材料セグメントを通って流れる輸送電流によって発生する自己磁場を実質的に相殺するように配置されてもよい。
【0020】
本技術の別の態様によれば、本技術のいずれか一態様による整流器が提供され、電気スイッチは、本技術のいずれか一態様による電気スイッチである。本発明の別の態様では、本技術のいずれか一態様による整流器における本技術のいずれか一態様による電気スイッチの使用が提供される。
【0021】
全ての新規な態様において考慮されるべき技術の更なる態様は、技術の実際の適用例の少なくとも１つを提供する以下の説明を読めば当業者には明らかになる。
本技術の１つまたは複数の実施形態を、以下の図面を参照しながら、限定することを意図せずに、例としてのみ説明する。
本技術の１つまたは複数の実施形態を、以下の図面を参照しながら、限定することを意図せずに、例としてのみ説明する。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】高温超電導体の例示的な電場対電流のグラフを示す。
【図2】大きさの異なる３つの外部磁場を印加したときの超電導材料の電場対電流のグラフである。
【図3】本技術の一形態による整流器の概略図である。
【図5】本技術の別の形態による整流器の概略図である。
【図8】本技術の別の形態による整流器の概略図である。
【図10】本技術の別の形態による整流器の概略図である。
【図12】本技術の別の形態による整流器の概略図である。
【図13】本技術の別の形態による整流器の概略図である。
【図14】本技術の別の形態による整流器の概略図である。
【図16】本技術の別の形態による整流器の概略図である。
【図17】本技術の別の形態による整流器の概略図である。
【図19】本技術の別の形態による整流器の概略図である。
【図20】本技術の別の形態による整流器の概略図である。
【図21】本技術の別の形態による整流器の概略図である。
【図22】本技術の別の形態による整流器の概略図である。
【図23】本技術の別の形態による整流器の概略図である。
【図26】本技術の別の形態による整流器の概略図である。
【図29】本技術の別の形態による整流器の概略図である。
【図32】本技術の一形態による変圧器の概略図である。
【図33】本技術の別の形態による変圧器の概略図である。
【図34】本技術の別の形態による整流器の斜視図である。
【図35】本技術の別の形態による整流器の斜視図である。
【図36A】本技術の一形態による電気スイッチの概略図である。
【図36B】本技術の別の形態による電気スイッチの概略図である。
【図37】異なる印加場、及び超電導材料セグメントがバイファイラ配置とユニファイラ配置の場合における、本技術の形態による電気スイッチにおける超電導材料セグメントの臨界電流の関係を示す図である。
【図38A】本技術の形態による電気スイッチの磁場プロファイルを示す。
【図38B】別の形態の技術による電気スイッチの磁場プロファイルを示す。
【発明を実施するための形態】
【0023】
６．１．超電導体に関する検討
現在の技術の理解を助けるために、読者は超電導体の臨界温度や超電導体の臨界電流などの超電導用語に親しんでおく必要がある。しかし、読者の利益のために、以下でこれらの概念について簡単に説明する。
現在の技術の理解を助けるために、読者は超電導体の臨界温度や超電導体の臨界電流などの超電導用語に親しんでおく必要がある。しかし、読者の利益のために、以下でこれらの概念について簡単に説明する。
【0024】
超電導体の臨界温度は、従来、超電導体の抵抗率がゼロまたはほぼゼロまで低下する温度と定義される。言い換えれば、超電導体は、超電導体の温度が臨界温度を下回る場合には超電導状態にあり、温度が臨界温度を上回る場合には非超電導状態にあると言われる。超電導体の多くは絶対零度に近い臨界温度を持っている。例えば、水銀の臨界温度は４．１Ｋであることが知られている。しかしながら、一部の材料は、３０Ｋから１２５Ｋのように、はるかに高い臨界温度を持つことも知られている。例えば、二ホウ化マグネシウムの臨界温度は約３９Ｋであるが、イットリウムバリウム銅酸化物（ＹＢＣＯ）の臨界温度は約９２Ｋである。これらの超電導体は一般に高温超電導体と呼ばれる。
【0025】
高温超電導線またはテープの臨界電流は、従来、ワイヤに沿って１００μＶ／ｍ（＝１μＶ／ｃｍ）の電場降下を引き起こす超電導ワイヤ／テープの電流と定義される。臨界電流は、使用される超電導材料および超電導材料の物理的配置の両方の関数であることを理解すべきである。例えば、幅広のテープ／ワイヤは、同じ材料で構成された薄いテープ／ワイヤよりも高い臨界電流を有することがある。しかし、本明細書全体を通じて、超電導体／超電導材料の臨界電流を参照することは、検討を簡略化するためであることを理解すべきである。
【0026】
超電導体／超電導材料では、電流Ｉが臨界電流Ｉ臨界とほぼ等しくなる場合、超電導体の抵抗はゼロではないが、小さい。しかし、Ｉが臨界電流Ｉ臨界よりもはるかに大きい場合、超電導体の抵抗が十分に大きくなり、熱放散が発生し、超電導体が臨界温度を超える温度まで加熱される可能性があり、その結果、超電導体は超電導でなくなる。このような状態は「クエンチ」と呼ばれることもあり、超電導体自体に損傷を与える可能性がある。
図１は、高温超電導体の内部電場対電流曲線を示す例示的なプロットを示す。なお、このプロットに示される電場は、以下の方程式で抵抗に関係していることを理解すべきである。
図１は、高温超電導体の内部電場対電流曲線を示す例示的なプロットを示す。なお、このプロットに示される電場は、以下の方程式で抵抗に関係していることを理解すべきである。
【0027】
【数1】
・Ｅは電場である。
・Ｉは超電導体を流れる電流である。
・Ｒはワイヤの抵抗である。
・Ｌはワイヤの長さである。
【0028】
したがって、図１のプロットは超電導体の単位長さ当たりの抵抗に関係しており、図示の曲線が非線形であるため、結果として得られる超電導体の抵抗は電流に対して非線形になる。
【0029】
この図から、超電導体の臨界電流Ｉ臨界以下では、超電導体内の電場強度が実質的にゼロであることが分かる。超電導体内の電流が臨界電流に近づくと、超電導体中の電場が増加し始める。臨界電流では、超電導体内の電場は１００μＶ／ｍである。超電導体内の電流が臨界電流を超えてさらに増加すると、導体内の電場強度が急速に増加する。
【0030】
本明細書全体を通じて、超電導材料および超電導材料を含む部品の相対抵抗について言及する。より具体的には、本明細書は、低抵抗状態または高抵抗状態にある超電導材料について言及する。超電導状態にあるとき、超電導材料はゼロまたは実質的にゼロの抵抗を有することができるので、これらの抵抗は、通常、所定の電流に対して超電導材料にわたって存在する電場によって表されることが理解されるべきである。しかし、本明細書全体を通じて、前述の検討を簡略化するために、超電導材料の低抵抗状態や高抵抗状態などの相対抵抗について言及する。
【0031】
「低抵抗状態」という用語は、超電導材料が超電導状態でほぼゼロまたは実質的にゼロの抵抗を有する場合、または材料が部分超電導状態で低抵抗を有する場合を指してもよい。「高抵抗状態」という用語は、超電導材料が低抵抗状態よりも実質的に大きい抵抗を有する状態、例えば、実質的にゼロではない抵抗、またはゼロに近いが低抵抗状態よりも実質的に大きい抵抗を有する状態を指す。誤解を避けるため、文脈上明確に別段の指示がない限り、本明細書で言及する高抵抗状態には、超電導状態が含まれてもよい。
【0032】
同様に、本明細書において、超電導体に流れる電流が臨界電流を超えた結果として超電導体が高抵抗状態にあると記載されている場合、脈で明確に別段の指示がない限り、超電導体に流れる電流が臨界電流に近いか、臨界電流と実質的に等しい場合にも高抵抗状態が達成され得ることを理解すべきである。
【0033】
本明細書に記載されている技術を説明する際には、材料およびその材料を含む部品を「超電導」と呼ぶ。この用語は、当技術分野ではこのような材料について一般的に使用されており、関連する材料が常に超電導状態であることを意味するものとはみなされない。特定の条件下では、材料およびその材料を含む部品は超電導状態でないことがある。つまり、材料は超電導であると表現できても、超電導ではない。
【0034】
６．２．超電導材料
本技術の特定の形態は、様々なタイプの超電導材料を含んでもよい。例えば、本技術の形態は、高温超電導（ＨＴＳ）材料を含んでもよい。記載された技術の形態での使用に適したＨＴＳ材料の例としては、銅酸化物超電導体、例えば、イットリウムバリウム銅酸化物、ガドリニウムバリウム銅酸化物、またはビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（ＢＳＣＣＯ）などの希土類バリウム銅酸化物（ＲｅＢＣＯ）超電導体、および鉄系超電導体が挙げられる。ＢＳＣＣＯ超電導体は、通常、臨界電流と印加される磁場との間に強い相互依存性を持ち、そのため、現在の技術のいくつかの形態に特に適している可能性がある。他のタイプの超電導体は、他の形態の技術に使用することがある。
本技術の特定の形態は、様々なタイプの超電導材料を含んでもよい。例えば、本技術の形態は、高温超電導（ＨＴＳ）材料を含んでもよい。記載された技術の形態での使用に適したＨＴＳ材料の例としては、銅酸化物超電導体、例えば、イットリウムバリウム銅酸化物、ガドリニウムバリウム銅酸化物、またはビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（ＢＳＣＣＯ）などの希土類バリウム銅酸化物（ＲｅＢＣＯ）超電導体、および鉄系超電導体が挙げられる。ＢＳＣＣＯ超電導体は、通常、臨界電流と印加される磁場との間に強い相互依存性を持ち、そのため、現在の技術のいくつかの形態に特に適している可能性がある。他のタイプの超電導体は、他の形態の技術に使用することがある。
【0035】
技術の形態は高温超電導体に関連して説明されるが、技術の他の形態では、代わりに他の種類の超電導体、例えば低温超電導体を使用できることを理解すべきである。
特定の形態では、超電導材料はテープの形態で提供されてもよい。
特定の形態では、超電導材料はテープの形態で提供されてもよい。
【0036】
６．３．超電導体への磁場の影響
超電導体における臨界電流は、超電導体に印加される外部磁場に依存する。より具体的には、超電導体により高い外部磁場が印加されると、臨界電流が臨界磁場の値まで低下し、その値を超えて超電導体が超電導（低抵抗）状態でなくなる。この関係は図２に示されている。図２は大きさの異なる３つの外部磁場を印加したときの超電導材料の電場対電流のグラフを示す。外部磁場の最大の大きさＢ印加１は、は最小臨界電Ｉ臨界１となる。
超電導体における臨界電流は、超電導体に印加される外部磁場に依存する。より具体的には、超電導体により高い外部磁場が印加されると、臨界電流が臨界磁場の値まで低下し、その値を超えて超電導体が超電導（低抵抗）状態でなくなる。この関係は図２に示されている。図２は大きさの異なる３つの外部磁場を印加したときの超電導材料の電場対電流のグラフを示す。外部磁場の最大の大きさＢ印加１は、は最小臨界電Ｉ臨界１となる。
【0037】
６．４．電気スイッチ
本技術の形態は、超電導材料に大きな外部磁場が印加されると、超電導材料の臨界電流が減少する原理を利用する電気スイッチに関する。図３および図４は、例示的な電気スイッチ２１０を示す。以下では、これらの図に示される技術の形態についてより詳細に説明するが、本発明の目的のために、スイッチ２１０が説明される。
本技術の形態は、超電導材料に大きな外部磁場が印加されると、超電導材料の臨界電流が減少する原理を利用する電気スイッチに関する。図３および図４は、例示的な電気スイッチ２１０を示す。以下では、これらの図に示される技術の形態についてより詳細に説明するが、本発明の目的のために、スイッチ２１０が説明される。
【0038】
電気スイッチ２１０は、上記のいずれかのタイプのＨＴＳ材料のような高温超電導（ＨＴＳ）材料セグメントを含む。高温超電導材料は、臨界電流Ｉ臨界、および臨界温度Ｔ臨界を有する。ＨＴＳ材料は、ＨＴＳ材料を臨界温度Ｔ臨界よりも低い温度に維持するように構成されたクライオスタット７１０（図示せず）内に配置される。
【0039】
図２に示すように、外部磁場Ｂ印加がＨＴＳ材料セグメントに印加されると、臨界電流が減少する。これにより、磁場Ｂ印加を印加することで、ＨＴＳ材料セグメントをスイッチとして機能させることができる。磁場Ｂ印加の大きさが特定の値を有する場合、ＨＴＳ材料が臨界電流よりも小さいスイッチ電流（すなわち、電気スイッチ２１０を通って流れる電流）を通って流すと、ＨＴＳ材料は低抵抗状態になる。磁場Ｂ印加の大きさがこの値から、臨界電流がＨＴＳ材料によって流れる電流の大きさに近いか、それよりも低い値に低下するのに十分な比較的大きな大きさまで増加すると、ＨＴＳ材料は高抵抗状態になる。
ＨＴＳ材料の低抵抗状態はスイッチ２１０の閉状態と同等であり、高抵抗状態はスイッチ２１０の開状態と同様であると考えることができる。しかし、高抵抗状態は機械式スイッチによく見られる電気的な開回路ではなく、むしろ高抵抗の導電状態を表すことを理解すべきである。この高抵抗導電状態では、ＨＴＳ材料は超電導状態のままであるものの、より高いレベルの抵抗を有するか、非超電導状態にする可能性がある。
ＨＴＳ材料の低抵抗状態はスイッチ２１０の閉状態と同等であり、高抵抗状態はスイッチ２１０の開状態と同様であると考えることができる。しかし、高抵抗状態は機械式スイッチによく見られる電気的な開回路ではなく、むしろ高抵抗の導電状態を表すことを理解すべきである。この高抵抗導電状態では、ＨＴＳ材料は超電導状態のままであるものの、より高いレベルの抵抗を有するか、非超電導状態にする可能性がある。
【0040】
スイッチの低抵抗状態と高抵抗状態との間の磁場Ｂ印加の大きさの差は、連続的に変化する大きさを含む、および２つの大きさの間で変化することを含む、複数の大きさに変化してもよい。低抵抗状態では、磁場Ｂ印加の大きさは、ゼロまたは非ゼロであってもよい。
【0041】
ＨＴＳ材料に印加される磁場Ｂ印加のいずれの大きさも臨界場の大きさよりも小さくなければならないことが理解されるべきである。ここで、臨界磁場は、ＨＴＳ材料を高抵抗状態に移行させるためにＨＴＳ材料に印加される外部磁場の大きさである。
【0042】
超電導電気スイッチにおけるエネルギー損失は、切り替え中の臨界電流にほぼ比例する。電気スイッチ２１０は、切り替え中に臨界電流の値を低減することによって動作するので、電気スイッチ２１０（および電気スイッチ２１０を含むデバイス）は、従来の超電導電気スイッチよりも低損失であり、したがって効率が高い。
【0043】
６．５．整流器
本技術の特定の形態では、電気スイッチ２１０を使用し、特定の形態では、切り替えアセンブリ２００の形態の複数の電気スイッチ２１０を使用して、交流入力電流を整流する。本技術の異なる形態は、整流効果を生み出すために、任意の構成で１つまたは複数の電気スイッチ２１０を利用してもよい。以下の説明では、電気スイッチの適切な構成の例が説明されるが、他の構成が本技術の他の形態で使用されてもよいことが理解されるべきである。
本技術の特定の形態では、電気スイッチ２１０を使用し、特定の形態では、切り替えアセンブリ２００の形態の複数の電気スイッチ２１０を使用して、交流入力電流を整流する。本技術の異なる形態は、整流効果を生み出すために、任意の構成で１つまたは複数の電気スイッチ２１０を利用してもよい。以下の説明では、電気スイッチの適切な構成の例が説明されるが、他の構成が本技術の他の形態で使用されてもよいことが理解されるべきである。
【0044】
本技術の形態による整流器１００は、切り替えアセンブリ２００と、磁場発生器アセンブリ３００と、制御機構４００と、電流供給アセンブリ５００と、を含む。これらの機能部分については、各機能部分の例示的な形態を説明しながら、以下でより詳細に説明する。また、各機能部分の例示的な形態の組み合わせからなる整流器１００のいくつかの具体例についても説明する。各機能部分の例示的な形態の他の組み合わせも、本技術のいくつかの形態において提供され、本技術は、図示および／または説明された特定の例に限定されないことを理解すべきである。
【0045】
特定の形態では、電流供給アセンブリ５００は、切り替えアセンブリ２００に交流を供給するように構成される。切り替えアセンブリ２００は、１つまたは複数の電気スイッチ２１０の配列を含み、交流を整流して直流出力を生成するように構成される。直流出力は負荷６００に伝達されてもよい。磁場発生器アセンブリ３００は、１つまたは複数の磁場発生器３１０を含み、各磁場発生器３１０は、１つまたは複数の電気スイッチ２１０に磁場を印加するように構成される。制御機構４００は、切り替えアセンブリ２００の電気スイッチ２１０を切り替えるために、磁場発生器アセンブリ３００を制御する。
【0046】
超電導材料を含む整流器１００の任意の部分は、超電導材料を各超電導材料の臨界温度Ｔ臨界よりも低い温度に維持するように構成された１つまたは複数のクライオスタット７１０内に収容される。
【0047】
６．６．切り替えアセンブリ
本技術の特定の形態では、切り替えアセンブリ２００は、１つまたは複数の電気スイッチ２１０の配置を含み、交流を整流して直流出力を生成するように構成される。以下に例を通して説明するように、切り替えアセンブリ２００内の電気スイッチ２１０の配置は、整流器１００によって実行される整流のタイプを決定する。
本技術の特定の形態では、切り替えアセンブリ２００は、１つまたは複数の電気スイッチ２１０の配置を含み、交流を整流して直流出力を生成するように構成される。以下に例を通して説明するように、切り替えアセンブリ２００内の電気スイッチ２１０の配置は、整流器１００によって実行される整流のタイプを決定する。
【0048】
本技術の特定の形態では、整流器１００は半波整流器である。半波整流器は、一方向に流れる電流を流すうが、他方向に流れる電流をブロックする。半波整流器のいくつかの形態では、切り替えアセンブリは単一の電気スイッチ２１０を含む。半波整流器の他の形態では、切り替えアセンブリは２つの電気スイッチ２１０を含む。
【0049】
図３、図４、図５、図６、図８、図９、図１０、図１１、図１２、図１３、および図１９は、単一のスイッチ２１０を含む半波整流器１００用の切り替えアセンブリ２００の例示的な形態を示している。これらの形態では、負荷６００は電気スイッチ２１０にわたって並列に接続される。スイッチ２１０が「閉」構成の場合、負荷６００にわたって電圧が印加されず、負荷電流ｉ負荷が負荷６００に伝達される。スイッチ２１０が「開」構成の場合、負荷６００にわたって電圧Ｖ出力が発生し、負荷電流ｉ負荷が負荷６００に伝達される。スイッチ２１０が開いたときに、負荷電流ｉ負荷が増加するか減少するかは、スイッチ２１０を通って流れるスイッチ電流ｉスイッチｉの方向によって決定され、その方向は、交流入力電流ｉ１の位相に比べてスイッチ２１０が開くタイミングによって決定される。いくつかの形態では、制御機構４００は、交流入力電流ｉ１が一方向に流れるときにスイッチ２１０を開き、交流入力電流ｉ１が逆方向に流れるときにスイッチ２１０を閉じるように、スイッチ２１０の開閉を制御することができ、すなわち、交流入力電流ｉ１の位相に基づいて各スイッチ２１０の状態をタイミング的に制御する。このようにして、電圧Ｖ出力は、負荷６００にわたって一方向（または極性）にのみ発生させてもよく、それによって半波整流器が提供される。他の形態では、制御機構４００は、現在のサイクルの異なる時点でスイッチ２１０の開閉が行われるように制御されてもよい。制御機構４００は、負荷６００にわたる電圧Ｖ出力が、負荷電流ｉ負荷を、さまざま時点での負荷電流ｉ負荷の増加および減少を含む所望の方法で変化させるように、交流入力電流ｉ１の位相で選択された時間にスイッチ２１０を開閉するように動作可能である。このように負荷６００の負荷電流ｉ負荷を段階的に変化させることを「ポンピング」と表現することができる。
【0050】
２つのスイッチ２１０ａ、２１０ｂを含む半波整流器１００用の切り替えアセンブリ２００の例示的な形態が図１４、図２０および図２３に示されている。これらの形態では、２つのスイッチ２１０ａ、２１０ｂが直列に接続され、一方のスイッチ２１０にわたって負荷６００が並列に接続される。交流ｉ２が切り替えアセンブリ２００に供給される。切り替えアセンブリ２００は、交流ｉ２を整流するために各スイッチ２１０の状態を制御するように構成された制御機構４００によって制御される。例えば、制御機構４００は、各スイッチ２１０の状態が交流ｉ２の流れ方向に基づくように各スイッチ２１０を制御する。この形態では、交流ｉ２の流れの方向は電流の位相に依存するので、制御機構４００は、交流ｉ２の位相に基づいて各スイッチ２１０の状態をタイミング的に制御する。例えば、交流ｉ２が第１方向に流れる（すなわち、電流の流れが正である）場合には、第１スイッチ２１０ａはその低抵抗状態に置かれ、第２スイッチ２１０ｂはその高抵抗状態に置かれる。これにより、スイッチ２１０ａを通って、負荷６００にわたってループの外側の周囲に低抵抗経路が形成される。制御機構４００は、電流の極性が変化した場合（例えば、正から負に変化した場合）、スイッチ２１０ａを高抵抗状態に、スイッチ２１０ｂを低抵抗状態に遷移させてもよい。２１０ａの高抵抗状態は変圧器からの電流を妨げ、負極性の電流流れを遮断する手段を提供する。一方、２１０ｂの低抵抗状態は、時定数Ｌ／Ｒで指数関数的に減衰しながらも、負荷内の電流が流れ続ける経路を提供する（負荷が超電導であれば、負荷電流は一定に保たれることを意味する）。これにより、負荷６００を通って流れる電流は半波整流されてもよい。同様に、制御機構４００は、適切な時間にスイッチ２１０ａ、２１０ｂを開閉し、負荷６００の電流を必要に応じて増減させてもよい。
【0051】
本技術のいくつかの形態では、制御機構４００は、交流サイクルのある期間にわたって、同時に低抵抗状態にするように、スイッチ２１０ａ、スイッチ２１０ｂの両方を制御してもよい。つまり、スイッチ２１０ｂは、ｉ２が正である時間の一部だけ高抵抗状態であってもよく、スイッチ２１０ａは、ｉ２が負である時間の一部だけ高抵抗状態であってもよく、残りの時間は、ｉ２が正であるか負であるかにかかわらず、両方とも低抵抗状態であってもよい。これは、スイッチを流れる電流が所望の方向にあるときにスイッチが開いた構成（つまり、高抵抗状態）になるようにするための実際的な制御戦略として使用されてもよい。制御機構４００は、明示的に述べられていないとしても、本明細書に記載された技術のいずれかの形態の整流器のスイッチをこのように制御することができる。
【0052】
２つのスイッチ２１０ａ、２１０ｂを含む全波整流器１００用の切り替えアセンブリ２００の例示的な形態が図１７、図２２および図２６に示されている。２つのスイッチ２１０ａ、２１０ｂは直列に接続されており、負荷６００は２つのスイッチ２１０ａ、２１０ｂ間に並列に接続されている。切り替えアセンブリ２００には交流が供給される。切り替えアセンブリ２００は、交流を整流するために各スイッチ２１０の状態を制御するように構成された制御機構４００によって制御される。例えば、制御機構４００は、各スイッチ２１０の状態が交流の流れの方向に基づくように各スイッチ２１０を制御してもよい。この形態では、交流の流れ方向は電流の位相に依存するため、制御機構４００は、交流の位相に基づいて各スイッチ２１０の状態をタイミング的に制御する。第１方向に電流が流れている場合（例えば、電流が正の場合）、第１スイッチ２１０ａは低抵抗状態になり、第２スイッチ２１０ｂは高抵抗状態になる。これにより、スイッチ２１０ａを通る回路の上半分の周囲に低インピーダンス経路が形成され、負荷６００に第１方向に電流が通って流れる。第２方向に交流が流れている場合（例えば、電流が負の場合）、第１スイッチ２１０ａは高抵抗状態に置かれ、第２スイッチ２１０ｂは低抵抗状態に置かれる。これにより、スイッチ２１０ｂを通る回路の下半分の周囲に低インピーダンス経路が形成され、負荷６００に第１方向に電流が通って流れる。このようにスイッチの開閉を制御すると、交流の方向にかかわらず、常に正極端子から負極端子へと一方向で負荷に電流が通って流れる。これにより、電圧Ｖ出力は負荷６００にわたって一方向（または極性）でのみ発生してもよく、交流は負荷６００を介して直流に全波整流される。半波整流器の前述の例と同様に、制御機構４００は、負荷にわたる電圧が所望の極性で発生し、それに応じて負荷６００を流れる電流が増加または減少するように、スイッチ２１０の開閉のタイミングを制御してもよい。
【0053】
４つのスイッチ２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃおよび２１０ｄを含む全波整流器１００の切り替えアセンブリ２００の例示的な形態が図１６、図２１、図２９および図３０に示されている。２つのスイッチ２１０ａ、２１０ｂは、第１対のスイッチを形成し、互いに直列に接続されている。他の２つのスイッチ２１０ｃ、２１０ｄは、第２対のスイッチを形成し、互いに直列に接続されている。この２対のスイッチは互いに並列に接続され、各スイッチは交流源に並列に接続されている。負荷６００は、第１対のスイッチのスイッチ２１０ａ、２１０ｂ間の端子から第２対のスイッチのスイッチ２１０ｃ、２１０ｄ間の端子に接続される。切り替えアセンブリ２００は、交流を整流するために各スイッチ２１０の状態を制御するように構成された制御機構４００によって制御される。例えば、制御機構４００は、各スイッチ２１０の状態が交流の流れ方向に基づくように各スイッチ２１０を制御してもよい。この形態では、交流の流れ方向は電流の位相に依存するため、制御機構４００は、交流の位相に基づいて各スイッチ２１０の状態をタイミング的に制御する。第１方向に電流が流れている場合（例えば、電流が正の場合）、第１および第４のスイッチ２１０ａ、２１０ｄは低抵抗状態に置かれ、第２および第３スイッチ２１０ｂ、２１０ｃは高抵抗状態に置かれる。これにより、第１および第４のスイッチ２１０ａ、２１０ｄを通る低インピーダンス経路が生じ、負荷６００を通って第１方向に電流が通って流れることになる。第２方向に交流が流れている場合（例えば、電流が負の場合）、第１および第４のスイッチ２１０ａ、２１０ｄは高抵抗状態に置かれ、第２および第３スイッチ２１０ｂ、２１０ｃは第３低抵抗状態に置かれる。これにより、第２および第３スイッチ２１０ｂ、２１０ｃを通る低インピーダンス経路が生じ、負荷６００を通って第１方向に電流が流れることになる。このようにスイッチの開閉を制御すると、交流の方向にかかわらず、常に正極端子から負極端子へと一方向で負荷に電流が通って流れる。これにより、電圧Ｖ出力は負荷６００にわたって一方向（または極性）でのみを発生してもよく、交流は負荷６００を介して直流に全波整流される。半波整流器の前述の例と同様に、制御機構４００は、負荷にわたる電圧が所望の極性で発生し、それに応じて負荷６００を流れる電流が増加または減少するように、スイッチ２１０の開閉のタイミングを制御することができる。
切り替えアセンブリ２００におけるスイッチ２１０の特定の例示的な配置について説明したが、本技術の他の形態の他の切り替えアセンブリ２００は、交流を整流するためのスイッチ２１０の他の配置を有することが理解されるべきである。本技術の他の形態の切り替えアセンブリ２００は、他の数のスイッチ２１０を有してもよい。
切り替えアセンブリ２００におけるスイッチ２１０の特定の例示的な配置について説明したが、本技術の他の形態の他の切り替えアセンブリ２００は、交流を整流するためのスイッチ２１０の他の配置を有することが理解されるべきである。本技術の他の形態の切り替えアセンブリ２００は、他の数のスイッチ２１０を有してもよい。
【0054】
６．７．磁場発生器アセンブリ
本技術の特定の形態では、磁場発生器アセンブリ３００は、１つまたは複数の磁場発生器３１０を含み、各磁場発生器３１０は、切り替えアセンブリ２００の１つまたは複数の電気スイッチ２１０に磁場を印加するように構成される。
本技術の特定の形態では、磁場発生器アセンブリ３００は、１つまたは複数の磁場発生器３１０を含み、各磁場発生器３１０は、切り替えアセンブリ２００の１つまたは複数の電気スイッチ２１０に磁場を印加するように構成される。
【0055】
磁場発生器アセンブリ３００の例示的な形態が図３～図６、図８～図１４、図１６、図１７、図１９～図２４、図２６、図２７、図２９、図３０、図３４、図３５に示されている。これらの形態では、磁気発生器アセンブリ３００は、１つまたは複数の磁場発生器３１０を含む。各磁場発生器３１０は、磁性コア３２０を含んでもよい。コア３２０は、フェライトコア（例えば、鉄心）または積層鋼／強磁性コアなどの高透磁率磁性コアであってもよい。他の形態では、動作周波数における他のタイプの高い比透磁率を使用することもでき、または非磁性コアまたは空芯を使用することもできる。空芯は、電気スイッチ２１０のサイズ、重量およびコストを有利に低減してもよく、コアを飽和させることなく、より大きな電流を駆動する能力を提供してもよい。図示の形態において、磁性コア３２０は、丸い角を有する正方形のリングのような実質的にリング状の中実コアである。
【0056】
例示的な形態では、磁性コア３２０はギャップ３３０を形成する。ギャップ３３０は、固体磁気コア３２０内の空間、例えば正方形のリンクコアの片側の空間であってもよい。空芯の任意の部分もギャップ３３０と見なしてもよい。
【0057】
例示的な形態では、導体は、コイル３４０内の磁性コア３２０の一部に巻かれる。例えば、導体で形成されたコイル３４０は、正方形のリングコアの側面、例えば、ギャップ３３０が形成されている側面とは反対側に巻かれてもよい。空芯では、コイル３４０は、その内部に空間領域を画定し、この空間領域は、空芯であり、ギャップ３３０を含むものと考えられる。使用時には、導体は発生器電流を流してもよい。コイル３４０を通る発生器電流の流れは、コア３２０内およびギャップ３３０を横切る磁場を発生させる。本技術の特定の形態では、電気スイッチ２１０を含むＨＴＳ材料セグメントは、ギャップ３３０を横切る磁場発生器３１０によって生成される磁場が、スイッチ２１０に印加される外部磁場Ｂ印加となるように、ギャップ３３０内に配置される。
【0058】
特定の形態では、導体によって流れる発生器電流は、発生器電流が交流発生器電流となるように、電流源、例えば交流源によって供給されてもよい。後でより詳細に説明するように、特定の形態では、導体に電流を供給する交流源は、整流器１００の電流供給アセンブリ５００によって受け取る交流入力電流と同じか、または交流入力電流および／またはギャップ３３０に配置されたスイッチ２１０を通って流れる交流スイッチ電流と同位相で大きさが変化する交流供給源であってもよい。他の形態では、磁場発生器３１０の導体に発生器電流を供給する電流源は、別個の電流源３５０であってもよい。これらの形態では、電流源３５０は直流源であってもよい。
【0059】
磁場発生器３１０によって発生させる磁場の大きさは、連続的に変化してもよい。代替的に、磁場発生器３１０によって発生させる磁場の大きさは、２つの一定値の間で変化してもよい。特定の形態では、一定値の１つがゼロであってもよい。
【0060】
特定の形態では、磁場発生器３１０は、磁場Ｂ印加を複数の電気スイッチ２１０に印加するように構成されてもよい。例えば、図１６、図２１、図２９および図３０に示す整流器１００の形態では、磁場発生器３１０ａは、電気スイッチ２１０ａ、２１０ｄに磁場を印加するように構成され、磁場発生器３１０ｂは、電気スイッチ２１０ｂ、２１０ｃに磁場を印加するように構成されてもよい。各磁場発生器３１０ａ、３１０ｂは、単一の磁性コア３２０と、各電気スイッチのＨＴＳ材料がその中に配置された１つまたは複数のギャップ３３０と、を含んでもよい。代替的に、図３０に示す例のように、各磁場発生器３１０ａ、３１０ｂは、それぞれ磁性コア３２０を含み、コイル３４０を形成するためにそれらの周りに巻かれた導体を有する複数の成分磁場発生器を含み、各成分磁場発生器のコイル３４０は、成分磁場発生器を同時に励磁するために電気的に接続されている。
【0061】
磁場発生器アセンブリ３００における磁場発生器３００の特定の例示的な配置について説明したが、本技術の他の形態の他の磁場発生器３１０は、他の形態をとり得ることを理解すべきである。
【0062】
６．８．制御機構
本技術の特定の形態による整流器１００は、切り替えアセンブリ２００の電気スイッチ２１０を切り替えるために磁場発生器アセンブリ３００を制御するように構成された制御機構４００を含む。
本技術の特定の形態による整流器１００は、切り替えアセンブリ２００の電気スイッチ２１０を切り替えるために磁場発生器アセンブリ３００を制御するように構成された制御機構４００を含む。
【0063】
本技術の特定の形態では、制御機構４００は、各磁場発生器３１０によって発生させる磁場の大きさが、電流供給アセンブリ５００によって受け取られる交流入力電流の位相に基づくように、磁場発生器アセンブリ３００の磁場発生器３１０を制御するように構成される。例えば、各磁場発生器３１０によって発生させる磁場の大きさは、交流入力電流の位相に対して一定の位相差である位相に応じて変化してもよい。一例では、一定の位相差はゼロであってもよく、この場合、各磁場発生器３１０によって発生させる磁場は、交流入力電流と同位相に変化する。特定の例では、各磁場発生器３１０によって発生させる磁場の大きさは、交流入力電流の各サイクルの一部については第１値であり、交流入力電流の各サイクルの別の部分について第２値であってもよい。第１値または第２値のいずれかはゼロであってもよい。
【0064】
加えて、特定の態様では、制御機構４００は、磁場発生器３１０を介して磁場が供給される電気スイッチ２１０を通る交流の位相に基づいた位相（すなわち、交流スイッチ電流）を有する交流（すなわち、交流発生器電流）を磁場発生器３１０に供給するように構成される。したがって、磁場発生器３１０によって発生させる磁場の大きさは、交流スイッチ電流の大きさと同位相で変化する。例えば、交流発生器電流の大きさは、交流スイッチ電流の位相から一定の位相差を有する位相で変化してもよい。一例では、一定の位相差はゼロであってもよく、この場合、各磁場発生器３１０によって発生させる磁場は、交流スイッチ電流と同位相に変化する。特定の例では、各磁場発生器３１０によって発生させる磁場の大きさは、交流スイッチ電流の各サイクルの一部については第１値であり、交流スイッチ電流の各サイクルの別の部分については第２値であってもよい。第１値または第２値のいずれかはゼロであってもよい。
【0065】
本技術の特定の形態では、交流入力電流は、交流発生器電流として磁場発生器３１０に直接供給されてもよい。磁場発生器３１０がコイル３４０に巻かれた導体を含む例では、交流入力電流は導体／コイル３４０に直接供給されてもよい。
【0066】
上記した技術の特定の形態では、交流入力電流または交流入力電流に基づく交流（例えば、分流器において交流入力電流から分割された交流、または変圧器の一次側の交流入力電流から変圧器の二次側に発生させた交流を含む）が磁場発生器３１０に供給され、ここで、１）磁場発生器３１０は、電気スイッチ２１０に磁場を印加し、２）電気スイッチ２１０は、交流入力電流（同様に、例えば、分流器において交流入力電流から分割された交流、または変圧器の一次側の交流入力電流から変圧器の二次側で発生させた交流を含む。）に基づく交流スイッチ電流を流す。本形態のこのような技術では、電気スイッチ２１０に印加される外部磁場Ｂｐの大きさの変化のタイミングが、電流間の関係によって交流入力電流の位相に自動的に同期されるので、１つまたは複数の「自動同期」電気スイッチ２１０を含むと考えられ得る。これらの形態では、制御機構４００は、交流入力電流と交流発生器および交流スイッチ電流との間の所定の関係を容易にする電気部品および／または接続と考えられ得る。
【0067】
特定の形態では、電気スイッチ２１０に印加される外部磁場Ｂｐの一部は、記載された手段で交流入力電流の位相と自動的に同期してもよく、磁場発生器３１０は、外部磁場Ｂｐの他の部分を別の手段で発生させるように構成された発生器部分を含んでもよい。
次に、本技術の形態による整流器１００内に提供される自動同期電気スイッチ２１０の特定例について説明する。
次に、本技術の形態による整流器１００内に提供される自動同期電気スイッチ２１０の特定例について説明する。
【0068】
図３および図４に示す整流器１００の形態では、磁場発生器３１０は、交流源９００から交流入力電流ｉ１の供給を受ける。磁場発生器３１０は、磁場Ｂｐを発生させ、その磁場を電気スイッチ２１０に印加するように構成されてもよい。図４に示すように、磁場発生器は、磁性コア３２０の周りに巻かれたコイル３４０を含み、コイル３４０には、交流入力電流ｉ１が流れる。コイル３４０は、電気スイッチ２１０の一部として構成され、磁性コア３２０のギャップ３３０内に配置されたあるＨＴＳ材料セグメントに電気的に接続されている。したがって、交流入力電流ｉ１が変化すると、印加磁場Ｂｐが変化し、両者が同期する。
【0069】
図５、図６、図１２、および図１９に示す整流器１００の形態では、交流源９００は、交流入力電流ｉ１を磁場発生器３１０に供給し、磁場発生器３１０は、磁場Ｂｐを発生させ、この磁場を電気スイッチ２１０に印加するように構成される。図６に示すように、磁場発生器は、磁性コア３２０の周りに巻かれたコイル３４０を含み、コイル３４０には、交流入力電流ｉ１が流れる。コイル３４０は、変圧器５１０の一次側の一次コイル５２０に電気的に接続されている。変圧器５１０は、変圧器５１０の二次側の二次コイル５３０に交流ｉ２を発生させる。二次コイル５３０は、電気スイッチ２１０の一部として構成され、磁性コア３２０内のギャップ３３０内に配置されるＨＴＳ材料セグメントに電気的に接続され。二次コイル５３０の交流ｉ２は、一次コイル５２０の交流入力電流ｉ１と同期しているので、交流入力電流ｉ１の変化は、印加磁場Ｂｐの変化につながり、両者が同期する。
【0070】
図１４、図１６、図１７、図２０、図２１、および図２２に示す整流器１００の形態では、磁場発生器アセンブリ３００は、図５、図６および図１９に示す形態と同様に、変圧器５１０の一次側にある。図１４、図１６、図１７、図２０、図２１、図２２に示す形態の場合、磁場発生器アセンブリ３００は、複数の磁場発生器３１０、例えば２つの磁場発生器３１０ａ、３１０ｂを含み、各磁場発生器は、磁場Ｂ印加１およびＢ印加２を電気スイッチ２１０ａ、２１０ｂ（または図１６および図２１に示す形態の場合、電気スイッチ２１０ａ、２１０ｄおよび２１０ｂ、２１０ｃ）にそれぞれ印加するように構成される。
【0071】
図８、図９および図１３に示す整流器１００の形態では、交流源９００は、変圧器５１０の一次側の一次コイル５２０に交流入力電流ｉ１を供給する。変圧器５１０は、変圧器５１０の二次側の二次コイル５３０に交流ｉ２を発生させる。二次コイル５３０は、磁場Ｂｐを発生させ、この磁場を電気スイッチ２１０に印加するように構成された磁場発生器３１０に電気的に接続されている。図９に示すように、磁場発生器は、磁性コア３２０の周りに巻かれたコイル３４０を含み、コイル３４０には、二次コイル５３０から供給される交流ｉ２が供給される。コイル３４０は、電気スイッチ２１０の一部として構成され、磁性コア３２０内のギャップ３３０内に配置されるＨＴＳ材料セグメントに電気的に接続されている。二次コイル５３０における交流ｉ２は二次コイル５２０における交流入力電流ｉ１と同期しており、つまり、同位相であるので、交流入力電流ｉ１の変化により、印加磁場Ｂｐが変化し、両者が同期する。
【0072】
図１０および図１１に示す整流器１００の形態では、交流源９００は、変圧器５１０の一次側の一次コイル５２０に交流入力電流ｉ１を供給する。変圧器５１０は、変圧器５１０の二次側の二次コイル５３０に交流ｉ２を発生させる。この形態では、変圧器５１０と磁場発生器３１０とが同一の部品で構成されており、すなわち、磁界発生器３１０の磁性コア３２０は変圧器５１０の磁性コア５４０としても機能する。この磁性コア３２０／５４０は、電気スイッチ２１０の一部として構成されるＨＴＳ材料セグメントがその中に配置されるギャップ３３０を含み、このＨＴＳ材料セグメントは変圧器５１０の二次コイル５３０に電気的に接続されている。二次コイル５３０の交流ｉ２は、一次コイル５２０の交流入力電流ｉ１と同期しており、つまり、同位相であるので、交流入力電流ｉ１の変化により、印加磁場Ｂｐが変化し、両者が同期する。本技術のこのような形態の整流器１００は、単一の磁性コア３２０／５４０のみを使用するので、図５、図６、図８および図９に示す整流器よりもコンパクトになり得る。
【0073】
本技術のいくつかの形態では、制御機構４００は、任意の１つまたは複数の磁場発生器３１０を通る交流発生器電流を制御するように構成された１つまたは複数の電流流れ制御デバイスを含む。
【0074】
本技術のいくつかの形態では、各電流流れ制御デバイスは、磁場発生器３１０のうちの１つにわたって並列に接続されたダイオード４１０を含む。特定の形態では、ダイオード４１０は、ある方向の電流がダイオード４１０を通って流れることを可能にするが、別の反対方向の電流がダイオード４１０を通って流れることをブロックするように構成されたダイオードタイプであってもよい。このタイプのダイオードを含む整流器１００の形態が図１２、図１３、図１４、図１６および図１７に示されている。これらの形態では、ダイオード４１０が電流を流す方向に電流が流れると、磁場発生器３１０は短絡し、その結果として停止する。ダイオード４１０が電流をブロックする方向に電流が流れると、磁場発生器３１０に電流が通って流れ、磁場発生器３１０が作動する。これは、磁場発生器３１０によって印加される磁場Ｂ印加によって制御される電気スイッチ２１０が、交流サイクルの半分の間のみ作動（すなわち、高抵抗状態になるか、または開く）可能であることを意味する。本明細書に記載の他のタイプの整流器１００と比較して、ダイオード４１０を含む整流器１００の形態の１つの利点は、電流がコイル３４０の巻線を通って流れるとき、磁場発生器３１０がエネルギーの抵抗損失を引き起こすので、ダイオード４１０は、ダイオード４１０が電流を流し、磁場発生器３１０を通って電流が流れないとき、サイクルの半分の間に、抵抗損失が実質的に生じないことを意味する。
【0075】
図１４、図１６、および図１７に示す本技術の形態では、整流器１００は、複数の電流流れ制御デバイスを含み、これらの形態では、複数の電流流れ制御デバイスの各々は、電流流れ制御デバイスが複数のダイオード４１０ａ、４１０ｂを含むように、ダイオードを含む。各ダイオード４１０ａ、４１０ｂは、磁場発生器３１０ａ、３１０ｂのそれぞれにわたって並列に接続されている。ダイオード４１０ａ、４１０ｂは、交流入力電流ｉ１が一方向に流れる場合、ダイオード４１０ａが電流の流れを許容し、ダイオード４１０ｂが電流の流れをブロックし、交流入力電流ｉ１が他方の逆方向に流れる場合、ダイオード４１０ａが電流の流れをブロックし、ダイオード４１０ｂが電流の流れを許容するように、互いに逆方向に配向されている。この配置の結果、交流入力電流ｉ１が一方向に流れる場合、磁場発生器３１０ｂは作動するが、磁場発生器３１０ａは停止し、交流入力電流ｉ１が逆方向に流れる場合、磁場発生器３１０ａは作動し、磁場発生器３１０ｂが停止する。これは、交流入力電流ｉ１が２方向に流れる場合、電気スイッチ３１０ａ、３１０ｂ（磁場発生器３１０ａ、３１０ｂはそれぞれ磁場を印加する）を切り換え得ることを意味する。
【0076】
図１５は、技術の一形態に従って、図１４の例示的な半波整流器１００の使用中に、磁場発生器３１０ａによって発生させる交流入力電流ｉ１、二次電流ｉ２、磁場発生器３１０ａによって発生させる磁場Ｂ印加１、磁場発生器３１０ｂによって発生させる磁場Ｂ印加２、および負荷６００にわたる出力電圧の大きさの例示的な経時変化を示す。交流入力電流ｉ１の大きさは、二次電流ｉ２の大きさのプロファイルに反映される図示の波形プロファイルを有するように電流供給アセンブリ５００（図示せず）によって制御されてもよい。ダイオード４１０ａは、交流入力電流ｉ１サイクルの正の部分で磁場発生器３１０ａによって発生させる磁場Ｂ印加１を作動させ、それ以外の部分では停止させる。ダイオード４１０ｂは、二次電流ｉ２サイクルの正の部分で、磁場発生器３１０ｂによって発生させる磁場Ｂ印加２を作動させ、それ以外の部分では停止させる。整流器１００は、交流入力電流ｉ１サイクルの正の部分のみの間に負荷６００にわたって電圧を発生させ、交流入力電流ｉ１を半波整流する効果を有する。
【0077】
図１８は、本技術の形態にしたがって、図１６および図１７の例示的な全波整流器１００の使用中に、交流入力電流ｉ１、磁場発生器３１０ａによって発生させる磁場Ｂ印加１、磁場発生器３１０ｂによって発生させる磁場Ｂ印加２、および負荷６００にわたる出力電圧の大きさの例示的な経時変化を示す。交流入力電流ｉ１の大きさは、電流供給アセンブリ５００によって図示された波形プロファイルを有するように制御されてもよい。このプロファイルは、二次コイル５３０（図示せず）における二次電流の大きさに反映される。ダイオード４１０ａは、交流入力電流ｉ１サイクルの正の部分では磁場発生器３１０ａによって発生させる磁場Ｂ印加１を作動させ、それ以外の部分では停止させる。ダイオード４１０ｂは、二次電流ｉ２サイクルの正の部分で磁場発生器３１０ｂによって発生させる磁場Ｂ印加２を作動させ、それ以外の部分では停止させる。整流器１００は、交流入力電流ｉ１がゼロ（負でも正でも）でない毎に、負荷６００にわたって正電圧を発生させ、交流入力電流ｉ１を全波整流するように機能する効果を有する。
【0078】
図１４、図１６および図１７に示す整流器１００の形態は、複数のダイオード４１０および複数の電気スイッチ２１０を含む。これらの整流器は、１つの電流源９００のみで動作してもよく、制御機構４００は、交流入力電流ｉ１によって駆動される、すなわち、外部制御機構を必要としないようにしてもよい。いくつかの形態では、これらは、図５、図６、図８、図９、図１０、図１１、図１２、および／または図１３に示す整流器１００の形態よりも効率的であり、極低温損失が少なくなり得る。さらに、図１４、図１６および図１７に示す整流器１００の形態は、対称交流入力電流ｉ１で動作してもよく（すなわち、図５、図６、図８、図９、図１０、図１１、図１２および／または図１３に示す整流器１００の形態に必要とされる非対称波形プロファイルを有するように入力電流を制御する必要がなくてもよい。）したがって、サイクルのかなりの部分で負荷６００にわたって出力電圧を発生してもよく、その結果、出力電圧および電力は、それらの他の形態の整流器と比較して増加する。しかしながら、いくつかの形態では、図１４、図１６および図１７の整流器１００は、本明細書で開示されている単一の電気スイッチ２１０のみを含む整流器１００よりも物理的に大きくてもよく、スイッチ２１０の作動／停止のタイミングを制御する制御機構４００が整流器の別個の部分である整流器形態（すなわち、非自動同期形態）と比較して、スイッチ２１０の作動／停止のタイミングはあまり効果的でない可能性がある。
【0079】
本技術の特定の形態では、制御機構４００は、磁場発生器３１０にわたって並列に接続された発生器制御スイッチ４２０の形態の１つまたは複数の電流流れ制御デバイスを含む。特定形態では、発生器制御スイッチ４２０は、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴのようなトランジスタの形態のスイッチであってもよい。発生器制御スイッチ４２０を含む整流器１００の形態が図１９～図２２に示されている。これらの形態では、制御機構４００は、各発生器制御スイッチ４２０に並列に接続された磁場発生器３１０にそれぞれ電流を流すかまたは短絡させることによって磁場発生器３１０を作動／停止するために、発生器制御スイッチ４２０を選択的に開閉するように構成されたスイッチ制御機構（図示せず）を含む。このようなスイッチ制御機構は、電流流れ制御デバイスが１つまたは複数のダイオードを含む整流器と比較して、整流器１００にさらなる複雑さをもたらすが、スイッチ制御機構は、電気スイッチ２１０の能動的制御を可能にし、これにより、より大きな柔軟性を提供し、本技術のいくつかの形態においてより大きな効率を達成することを可能にする。さらに、単一の電流源９００のみが必要であってもよい。
【0080】
図１９および図２０に示す整流器１００の例は、半波整流器である。図１９の整流器１００の形態は、磁場発生器３１０に並列に接続された単一の発生器制御スイッチ４２０を含む。制御機構４００は、交流入力電流ｉ１の位相に基づいてスイッチ４２０を選択的に開閉して、上記と同様に半波整流するように構成される。図２０に示す半波整流器１００の形態、および図２１および図２２に示す例示的な全波整流器１００の形態では、制御機構４００は、一方の磁場発生器３１０ａにわたって並列に接続された第１スイッチ４２０ａと、他方の磁場発生器３１０ｂにわたって並列に接続された第２スイッチ４２０ｂとを含む。制御機構４００は、交流入力電流ｉ１の位相に基づいてスイッチ４２０ａ、４２０ｂを選択的に開閉して整流するように構成される。
【0081】
上述した整流器の例示的な形態は、交流入力電流または交流入力電流に基づく電流（例えば、分流器において交流入力電流から分割された交流、または変圧器の一次側の交流入力電流から変圧器の二次側で発生させた交流を含む）によって磁場発生器アセンブリ３００が励磁される形態である。本技術の他の形態では、磁場発生器アセンブリ３００は、１つまたは複数の別個の電流／電源３５０を含む。図２３、図２４、図２６、図２７、図２９、および図３０は、本技術の例示的なこのような形態を示している。
【0082】
図２３および図２４に示す整流器１００の例示的な形態では、電気スイッチ２１０に印加される磁場Ｂ印加１およびＢ印加２は、それぞれ磁場発生器３１０ａ、３１０ｂによって発生させ、コイル３４０ａ、３４０ｂは、それぞれ電流源３５０ａ、３５０ｂによって供給される電流を流す。制御機構４００（図示せず）は、電流源３５０ａ、３５０ｂからコイル３４０ａ、３４０ｂへの電流供給を制御して、磁場発生器３１０ａ、３１０ｂを所望の方式で作動および停止させるように構成される。
【0083】
図２５は、本技術の一形態にしたがって、図２３および２４の例示的な半波整流器１００の使用中に、変圧器５１０の一次コイル５２０における交流入力電流ｉ１、変圧器５１０の二次コイル５３０における交流入力電流ｉ２、磁場発生器３１０ｂによって発生させる磁場Ｂ印加２、磁場発生器３１０ａによって発生させる磁場Ｂ印加１、負荷６００にわたる出力電圧、および負荷６００における電流の経時変化の測定値を示す。交流入力電流ｉ１の大きさは、電流供給アセンブリ５００（図示せず）によって制御され、図示された波形プロファイル、すなわち、電流ピークでの一定電圧の延長期間、交流入力電流ｉ１がゼロであるゼロクロスでのデッドタイムの延長期間、電流レベル間の一定の勾配遷移を有するようにする。制御機構４００は、電流ｉ１が正の場合には一定の非ゼロ磁場を電気スイッチ２１０ｂに印加し、電流ｉ１が負の場合にはゼロ磁場を印加するように、磁場発生器３１０ｂを制御するように構成されてもよい。制御機構４００は、電流ｉ１が負の場合には一定の非ゼロ磁場を電気スイッチ２１０ａに印加し、電流ｉ１が正の場合には、すなわち磁場発生器３１０ｂの作動／停止とは逆の場合にはゼロ磁場を電気スイッチ２１０ａに印加するように、磁場発生器３１０ａを制御するように構成されてもよい。これらの入力により、負荷６００にわたる出力電圧は、図２５に示す通り、すなわち、二次コイル５３０における交流ｉ２が臨界電流を超えるときの負荷６００にわたる非ゼロ電圧として示されてもよい。負荷６００がその超電導状態（例えば、その臨界温度より低いクライオスタット内）に維持された超電導材料セグメントを含む場合、負荷６００の電流は、図２５に示すように、負荷６００にわたる出力電圧パルス毎に段階的に増加してもよい（これを「ポンプ」と表現することができる）。
【0084】
制御機構４００は、上記技術に関する異なる形態で説明されたのと同様に、スイッチ２１０ａとスイッチ２１０ｂの両方を、交流サイクルのある期間、同時に低抵抗状態になるように制御して、スイッチを流れる電流が所望の方向にあるときにスイッチが開構成（すなわち、高抵抗状態）になることを保証してもよい。
【0085】
図２８および図３１は、本技術の特定の形態にしたがって、図２６および図２７（図２８の場合）および図２９および図３０（図３１の場合）の例示的な全波整流器１００の模擬使用中に、図２５に示されているような同じ変数の例示的な大きさ（変圧器５１０の二次コイル５３０における交流ｉ２を除く）を示す。例示的な全波整流器１００の効果は、図２３および図２４に関して上記の半波整流器で説明された効果と同様であり、サイクルの２つの段階、すなわち、二次コイル５３０における交流ｉ２が臨界電流を超えるときに、負荷６００にわたってゼロでない電圧のみが発生する。これにより、超電導負荷６００の電流が１サイクル当たり２回ポンピングされる。この場合も、制御機構４００は、交流サイクル中のある期間、２組のスイッチを同時に低抵抗状態にするように制御して、スイッチを流れる電流が所望の方向にあるときにスイッチが開構成（すなわち高抵抗状態）になるようにしてもよい。
【0086】
図２３、図２４、図２６、図２７、図２９、および図３０に示す整流器１００は、スイッチの切り替えタイミングを制御して効率を向上させてもよいので、前の図に示す整流器と比較して、より効率的に動作してもよい。これにより、超電導材料を冷却し、および／または出力電力を増加させるために、整流器をより低い低温負荷で動作させてもよい。他の目的を達成するために、切り替えのタイミングを制御してもよい。一方、追加の電源が必要であり、制御機構がより複雑であるため、前述の整流器と比較してコストが増加し、物理的な寸法が大きくなる可能性がある。
【0087】
６．９．電流供給アセンブリ
本技術の特定の形態による整流器１００は、切り替えアセンブリ２００内のＨＴＳ材料セグメントに交流を供給するように構成された電流供給アセンブリ５００を含む。電流供給アセンブリ５００は、交流源９００を含んでもよい。代替的にまたは追加的に、電流供給アセンブリ５００は、外部電流源から交流の供給を受けてもよい。
本技術の特定の形態による整流器１００は、切り替えアセンブリ２００内のＨＴＳ材料セグメントに交流を供給するように構成された電流供給アセンブリ５００を含む。電流供給アセンブリ５００は、交流源９００を含んでもよい。代替的にまたは追加的に、電流供給アセンブリ５００は、外部電流源から交流の供給を受けてもよい。
【0088】
図３、図４、図５、図６、図８、図９、図１０、図１１、図１２、および図１３に示される技術の形態では、整流器１００は電流制御機構を含み、電流制御機構は、電流の各サイクルにおいて、一方向（例えば正方向）に電流が流れるときに電流の第１第１ピークを有し、他方の逆方向（例えば負方向）に電流が流れたときに電流の第２ピークを有し、第１第１ピークでの電流の大きさが第２ピークでの電流の大きさよりも大きくなるように、１つまたは複数の電気スイッチ２１０のＨＴＳ材料セグメントを通って流れる交流（すなわち、交流スイッチ電流）を制御するように構成される。言い換えれば、交流スイッチ電流は、そのサイクル全体にわたって非対称になるように制御される。さらに、電流制御機構は、磁場発生器３１０によって印加される磁場の大きさが比較的大きい場合、第１ピークでの電流の大きさが、電気スイッチ２１０におけるＨＴＳ材料セグメントの臨界電流Ｉ臨界よりも大きく、磁場発生器３１０によって印加される磁場の大きさが比較的小さい場合、第２ピークでの電流の大きさが、電気スイッチ２１０におけるＨＴＳ材料セグメントの臨界電流Ｉ臨界よりも小さくなるように構成される。
【0089】
本技術の特定の形態では、電流供給アセンブリ５００（図では交流源９００によって表されるが、上述したように、他の形態では、電流供給アセンブリ５００は電流源を含まない）は、電流制御機構を含み、スイッチ２１０を通って流れる交流が上述したように非対称となるように、交流入力電流ｉ１を制御するように構成される。本技術の他の形態では、電流供給アセンブリ５００は、対称交流入力電流ｉ１を供給してもよく、電流制御機構は、対称交流入力電流ｉ１を受け取り、記載された非対称電流をスイッチ２１０に供給する。
図４Ａは、図３および図４に示す整流器１００の形態に関する以下の３つのグラフを示す。
１）交流入力電流ｉ１および磁場発生器３１０によってスイッチ２１０の高温超電導材料セグメントに印加される磁場Ｂｐの経時変化、
２）電気スイッチ２１０のＨＴＳ材料セグメントの臨界電流Ｉ臨界は、磁場発生器３１０によってスイッチ２１０のＨＴＳ材料セグメントに印加される磁場Ｂｐによってどのように変化するか、および
３）交流入力電流ｉ１が供給されたときの負荷６００にわたる電圧の経時変化。
電流サイクル中、磁場発生器３１０を流れる電流（およびスイッチ２１０を流れる電流）が増加するにつれて、スイッチ２１０に印加される磁場Ｂｐの大きさも増加する。磁場の増加は、電気スイッチ２１０のＨＴＳ材料セグメントの臨界電流Ｉ臨界を減少させる。スイッチ電流が、電気スイッチ２１０のＨＴＳ材料セグメントの臨界電流Ｉ臨界を超えると、電気スイッチ２１０は高抵抗状態となる。図４Ａにおいて、電気スイッチにおける臨界電流Ｉ臨界に等しい電流は、ｉｔｈと表される。したがって、スイッチの電流がｉｔｈを超えると、負荷６００にわたる電圧はゼロではなく、図４Ａの例では、交流入力電流ｉ１は、正のピーク値が臨界電流ｉｔｈを超えるように制御されているので、これはサイクルの正の部分で発生する。図４Ａでは、この電流は交流入力電流ｉ１として示されている。なぜなら、スイッチが「閉じられる」とき、すなわち低抵抗状態にあるとき、全ての入力電流が電気スイッチ２１０を通って流れると仮定しているからである。
図４Ａは、図３および図４に示す整流器１００の形態に関する以下の３つのグラフを示す。
１）交流入力電流ｉ１および磁場発生器３１０によってスイッチ２１０の高温超電導材料セグメントに印加される磁場Ｂｐの経時変化、
２）電気スイッチ２１０のＨＴＳ材料セグメントの臨界電流Ｉ臨界は、磁場発生器３１０によってスイッチ２１０のＨＴＳ材料セグメントに印加される磁場Ｂｐによってどのように変化するか、および
３）交流入力電流ｉ１が供給されたときの負荷６００にわたる電圧の経時変化。
電流サイクル中、磁場発生器３１０を流れる電流（およびスイッチ２１０を流れる電流）が増加するにつれて、スイッチ２１０に印加される磁場Ｂｐの大きさも増加する。磁場の増加は、電気スイッチ２１０のＨＴＳ材料セグメントの臨界電流Ｉ臨界を減少させる。スイッチ電流が、電気スイッチ２１０のＨＴＳ材料セグメントの臨界電流Ｉ臨界を超えると、電気スイッチ２１０は高抵抗状態となる。図４Ａにおいて、電気スイッチにおける臨界電流Ｉ臨界に等しい電流は、ｉｔｈと表される。したがって、スイッチの電流がｉｔｈを超えると、負荷６００にわたる電圧はゼロではなく、図４Ａの例では、交流入力電流ｉ１は、正のピーク値が臨界電流ｉｔｈを超えるように制御されているので、これはサイクルの正の部分で発生する。図４Ａでは、この電流は交流入力電流ｉ１として示されている。なぜなら、スイッチが「閉じられる」とき、すなわち低抵抗状態にあるとき、全ての入力電流が電気スイッチ２１０を通って流れると仮定しているからである。
【0090】
電流がｉｔｈ未満の場合、ＨＴＳ材料セグメントは低抵抗状態となり、負荷６００には電流が通って流れない。さらに、負のピーク値が臨界電流ｉｔｈ（大きさ）を超えないように交流入力電流ｉ１が制御されるので、負荷６００を流れる電流が無視できることを意味するサイクルの負の全部分について、ＨＴＳ材料セグメントは低抵抗状態に維持される。複数のサイクルにわたって繰り返されると、周期的な正の電圧が負荷６００にわたって発生させ、それによって交流入力電流ｉ１を半波整流する。
【0091】
図７は、図５および図６に示す整流器１００の使用中に以下のパラメータの大きさの経時変化を示す４つのグラフを示す。
１）磁場発生器３１０および変圧器５１０の一次コイル５２０に供給される交流入力電流ｉ１、
２）変圧器５１０の二次コイル５３０で発生した交流ｉ２、
３）負荷６００にわたる端電圧、および
４）負荷６００における電流（負荷６００は、その臨界温度より低いクライオスタット中など、その超電導状態に維持された１つの超電導材料を含む）。
１）磁場発生器３１０および変圧器５１０の一次コイル５２０に供給される交流入力電流ｉ１、
２）変圧器５１０の二次コイル５３０で発生した交流ｉ２、
３）負荷６００にわたる端電圧、および
４）負荷６００における電流（負荷６００は、その臨界温度より低いクライオスタット中など、その超電導状態に維持された１つの超電導材料を含む）。
【0092】
この例では、電気スイッチ２１０のＨＴＳ材料セグメントの臨界電流Ｉ臨界は、外部ら磁場が印加されていない場合に２００Ａである。電気スイッチ２１０によって流れる交流ｉ２は、そのサイクルのどの時点においても２００Ａを超えないので、スイッチ２１０を高抵抗状態にするには不十分である。磁場発生器３１０によって発生させる０．２５Ｔの磁場を印加することにより、電気スイッチ２１０のＨＴＳ材料セグメントの臨界電流Ｉ臨界は約５０Ａに減少する。この場合、電気スイッチ２１０によって流れる交流ｉ２が５０Ａを超えると、電気スイッチ２１０は高抵抗状態に切り替わり、負荷６００にわたって電圧が発生する。交流入力電流ｉ１に従って交流ｉ２、は非対称であるため、スイッチ２１０は電流サイクルの正の部分でのみ高抵抗状態に切り替わり、半波整流される。その結果、負荷６００に流れる電流がポンピングされる。
【0093】
図３～図６に示す技術形態の整流器１００の１つの利点は、整流器のスイッチ２１０を切り替えるのに必要な電流が、スイッチ２１０に印加される外部磁場がない場合に必要な電流よりも著しく低いことである。これにより、入力電流要求が低減され、整流器１００における損失が低減され、負荷６００に同じレベルの電流および電圧が発生するときの効率が向上する。たとえば、図７に示すパラメータの場合、損失は７５％減少している。
【0094】
上述したように、本技術の特定の形態では、電流制御機構は、１つまたは複数の電気スイッチ２１０を通って流れる交流を非対称に制御し、ＨＴＳ材料セグメントの臨界電流に関して必要なピークの大きさを有するように構成される。電流制御機構は、任意の適切な方法で電流のこのような制御を達成することができる。特定の形態では、電流制御機構は、所望の波形を表すデジタル信号がデジタルアナログ変換器に供給されて、適切な非対称波形を有するアナログ電圧信号を生成するプログラマブル信号発生器を含んでもよい。このアナログ電圧信号は、非対称交流入力電流を発生させるために電力増幅器に供給されてもよい。
【0095】
本技術の特定の形態では、電流供給アセンブリ５００は、多くの例について既に説明したように、変圧器５１０を含んでもよい。変圧器は、電流源９００に接続された一次コイル５２０と、切り替えアセンブリ２００に接続された二次コイル５３０とを含んでもよい。変圧器５１０は、一次コイル５２０および二次コイル５３０が巻かれた磁性コア５４０を含んでもよい。図２３、図２４、図２６、図２７、図２９、および図３０の整流器１００では、交流入力電流ｉ１が変圧器５１０の一次コイル５２０に供給され、二次コイル５３０が切り替えアセンブリ２００に接続される。図５、図６、図１２、図１４、図１６、図１７、図１９、図２０、図２１、および図２２の整流器１００では、磁場発生器３１０（特に、導体を形成するコイル３４０）は、変圧器５１０の一次コイル５２０に接続されている。図８、図９および図１３の整流器１００では、磁場発生器３１０（特に、導体を形成するコイル３４０）は、変圧器５１０の二次コイル５３０に接続されている。図１０および図１１の整流器１００では、変圧器５１０および磁場発生器３１０は、上記でより詳細に説明したように、同一の部品で構成される。特定の形態では、一次コイル５２０は、常電導体材料で形成され、二次コイル５３０は超電導材料、例えばＨＴＳ材料で形成されてもよい。
【0096】
本技術の特定の形態による変圧器５１０を含む整流器１００は、例えば、超電導磁石、超電導モーター／発電機、宇宙推進システム、核融合炉、研究用磁石、ＮＭＲ、ＭＲＩ、浮上、水浄化、誘導加熱を含む様々な用途に適用し得る。整流器に変圧器５１０を使用することにより、整流器の２つの部分を物理的に分離することができ、つまり、この整流器を磁束ポンプとして、または磁束ポンプ内で使用することができる。アプリケーションにおける適切な整流器の形態は、物理的なサイズの制限、極低温熱負荷、出力電力、効率、コスト、制御性など、さまざまな要因に依存する。特定の形態では、図５、図６、図８、図９、図１０、図１１、図１２、および図１３の整流器１００は、効率、極低温熱負荷、および出力電力のような要素に対する要求が、いくつかの超電導モーター／発電機または実験室用超電導電源用途など、特に厳しいものではない、コンパクトで単純な、および／または低コストの用途に適していると考えられ得る。特定の形態では、図２３、図２４、図２６、図２７、図２９、および図３０の整流器１００は、高効率、極低温熱負荷、および／または高出力を必要とする用途、例えば、宇宙推進または高速ランプする大型磁石に適していると考えられ得る。例えば、他の図の整流器は、他の用途に適用してもよい。
【0097】
６．１０．サーマルブレーク
特定の技術形態では、電気スイッチ２１０および整流器１００は、ＨＴＳ材料などの超電導材料から作られた部品を含む。超電導材料は、超電導材料が低抵抗（「超電導」）状態になるためには、超電導材料の臨界温度未満の温度を有する環境に維持されなければならない。本技術の形態による整流器１００は、整流器１００の１つまたは複数の超電導材料の臨界温度よりも低い温度の適切な低温環境に整流器１００またはその一部を維持するように構成されたクライオスタット７００を含んでもよい。
特定の技術形態では、電気スイッチ２１０および整流器１００は、ＨＴＳ材料などの超電導材料から作られた部品を含む。超電導材料は、超電導材料が低抵抗（「超電導」）状態になるためには、超電導材料の臨界温度未満の温度を有する環境に維持されなければならない。本技術の形態による整流器１００は、整流器１００の１つまたは複数の超電導材料の臨界温度よりも低い温度の適切な低温環境に整流器１００またはその一部を維持するように構成されたクライオスタット７００を含んでもよい。
【0098】
整流器１００の動作に必要でない場合、整流器１００の特定の部分をクライオスタット７００内で低温に維持することは、エネルギーの観点からコストがかかる可能性がある。しかしながら、整流器１００の一部の部分を低温に維持し、他の部分をより高い温度に維持することは、クライオスタット７００からの熱損失をもたらし、エネルギーコストを増大させる可能性がある。したがって、本技術の特定の形態は、異なる部分を異なる温度に維持する必要がある場合に、熱エネルギーの流れを低減するために、整流器１００の１つまたは複数の部分を整流器１００の１つまたは複数の他の部分から断熱する１つまたは複数のサーマルブレーク７１０を含む。
【0099】
本技術の形態は、サーマルブレーク７１０の形態または構造によって制限されない。特定の形態では、サーマルブレーク７１０は、絶縁材料で形成された１つまたは複数の要素を含む。追加的にまたは代替的に、サーマルブレーク７１０は、真空領域を含んでもよい。追加的にまたは代替的に、サーマルブレーク７１０は、１つまたは複数の放射線シールドを含んでもよい。
【0100】
図３２は、本技術の特定の形態による変圧器５１０の概略図である。変圧器５１０は、以下の異なるタイプのサーマルブレーク７１０のうちのいずれか１つまたは複数を含んでもよい。
１）サーマルブレーカ７１０ａは、一次コイル５２０と磁性コア５４０との間に位置してもよい。
２）サーマルブレーク７１０ｂは、磁性コア５４０ａの第１部分と磁性コア５４０ｂの第２部分との間に位置してもよい。特定の形態では、一次コイル５２０は第１コア部５４０ａの周りに巻かれ、二次コイル５３０は第２コア部５４０ｂの周りに巻かれてもよい。
３）サーマルブレーカ７１０ｃは、二次コイル５３０と磁性コア５４０との間に位置してもよい。
１）サーマルブレーカ７１０ａは、一次コイル５２０と磁性コア５４０との間に位置してもよい。
２）サーマルブレーク７１０ｂは、磁性コア５４０ａの第１部分と磁性コア５４０ｂの第２部分との間に位置してもよい。特定の形態では、一次コイル５２０は第１コア部５４０ａの周りに巻かれ、二次コイル５３０は第２コア部５４０ｂの周りに巻かれてもよい。
３）サーマルブレーカ７１０ｃは、二次コイル５３０と磁性コア５４０との間に位置してもよい。
【0101】
図３３は、本技術の特定の形態による変圧器５１０の概略図であり、変圧器５１０は、一次コイル５２０および二次コイル５３０が共巻きされた同軸幾何形状を有し、一方のコイルは他方のコイルよりも軸に近い方向に巻かれている。このような変圧器５１０は、一次コイル５２０と二次コイル５３０との間にサーマルブレーク７１０ｄを含んでもよい。
同様に、整流器１００の磁場発生器３１０の任意の１つまたは複数は、例えば、磁性コア３２０ａの第１部分と磁性コア３２０ｂの第２部分との間のサーマルブレーク７１０、磁性コア３２０と磁性コア３２０の周りに巻かれた導体コイル３４０との間のサーマルブレークなど、１つまたは複数のサーマルブレーク７１０を含んでもよい。
同様に、整流器１００の磁場発生器３１０の任意の１つまたは複数は、例えば、磁性コア３２０ａの第１部分と磁性コア３２０ｂの第２部分との間のサーマルブレーク７１０、磁性コア３２０と磁性コア３２０の周りに巻かれた導体コイル３４０との間のサーマルブレークなど、１つまたは複数のサーマルブレーク７１０を含んでもよい。
【0102】
本技術の形態では、整流器１００は、超電導挙動を達成するために「冷たい」環境と「暖かい」環境との間の熱絶縁を提供するために、必要に応じて任意の数の位置にサーマルブレーク７１０を含むように構成され得ることを想定している。
【0103】
図３４は、サーマルブレーク７１０を含む整流器１００の一例を示す。図３４において、変圧器５１０、第１および第２磁場発生器３１０のそれぞれの磁性コアは、クライオスタット７００の内側に位置する一方のコア部分と、クライオスタット７００の外側に位置する他方のコア部分とを有する２つのコア部分に分割されている。各磁性コアの２つの部分は磁気的に結合されている。クライオスタット７００の内部は、電気スイッチ２１０を形成する超電導材料セグメントを含むクライオスタット７００の内部に位置する超電導材料セグメントが、低抵抗または超電導状態で動作できるように、十分に低い温度に維持される。これにより、クライオスタット７００の壁がサーマルブレーク７１０を形成する。図３４の整流器１００のレイアウトは、他の点では、図２６および図２７に示す整流器１００のレイアウトと同様である。
【0104】
図３５は、サーマルブレーク７１０を含む整流器１００の別の例を示す。この形態は、図２６および図２７に示す整流器１００と同様のレイアウトを有する整流器１００を再び示している。この形態では、磁場発生器３１０および変圧器５１０の磁性コア３２０、５４０のすべてがクライオスタット７００の内部に配置される。変圧器５１０、第１および第２磁場発生器３１０のそれぞれの磁性コアは２つのコア部に分割され、各磁性コアの２つのコア部はサーマルブレーカ７１０によって分離されている。各磁性コアの２つの部分は磁気的に結合されている。変圧器の一次コイル５２０と磁場発生器３１０のコイル３４０とに接続された導体は、クライオスタット７００の壁を貫通する。
【0105】
６．１１．バイファイラ配置
超電導材料の臨界電流は、材料により高い外部磁場が印加されると低下するという原理を利用した電気スイッチ２１０に関する技術形態が説明されてきた。図２４は、電気スイッチ２１０ａの一例を示す。図２４の電気スイッチ２１０ａは、バイファイラ配置で配置された超電導材料セグメントを含む。図３６は、バイファイラ配置で配置された超電導材料セグメントを含む別の電気スイッチ２１０を示している。次に、本技術のこの態様については、さらに詳細に説明する。
超電導材料の臨界電流は、材料により高い外部磁場が印加されると低下するという原理を利用した電気スイッチ２１０に関する技術形態が説明されてきた。図２４は、電気スイッチ２１０ａの一例を示す。図２４の電気スイッチ２１０ａは、バイファイラ配置で配置された超電導材料セグメントを含む。図３６は、バイファイラ配置で配置された超電導材料セグメントを含む別の電気スイッチ２１０を示している。次に、本技術のこの態様については、さらに詳細に説明する。
【0106】
図２４、図３６Ａおよび図３６Ｂに示す電気スイッチ２１０の形態に関して超電導材料セグメントのバイファイラ配置が説明されているが、バイファイラ配置は、本技術の他の形態にも適用可能であることを理解すべきである。特に、本明細書に記載された任意の電気スイッチ２１０のいずれも、本技術の代替形態において、バイファイラ配置で配置された超電導材料セグメントを含んでもよい。さらに、本技術の形態によれば、任意の整流器１００に組み込まれた任意の電気スイッチ２１０は、バイファイラ配置で配置された１つの超電導材料セグメントを含んでもよい。
【0107】
本明細書の文脈では、別段の記載がない限り、「バイファイラ配置」とは、導体の２本のストランドが実質的に平行で電気的に接続され、電流がストランドを通って反対方向に流れるような、導体の２本のストランドの配置を意味すると理解されるべきである。これらのストランドは、互いに密接に隣接していてもよい。これらのストランドは、ある超電導材料セグメントの２つの部分を折り重ねたものであってもよい。代替的に、２本のストランドは、例えばはんだ付け、拡散接合、または他の適切な形態の電気接続によって互いに電気的に接続される、別個の超電導材料セグメントであってもよい。
【0108】
また、本技術の特定形態では、複数のバイファイラストランドが使用され得ることも理解されるべきである。したがって、文脈上明らかに別段の必要がない限り、本技術の他の形態は、バイファイラ配置を記述する場合に、複数のバイファイラストランドを有する同様の配列も含まれてもよい。
【0109】
より具体的には、例えば、図３６Ａを参照して示される技術形態において、電気スイッチ２１０は、バイファイラ配置の一形態において、超電導材料セグメント８００を含む。超電導材料セグメント８００は、超電導材料の２本のストランド（すなわち、サブセグメント）８１０ａ、８１０ｂを含む。２本のストランド８１０ａ、８１０ｂは、互いに直列に接続されている。超電導材料セグメント８００は、それ自体が二つ折りになるように配置されており、２本のストランド８１０ａ、８１０ｂは、空間的にほぼ平行に配置されている。このような配置では、超電導材料セグメント８００が輸送電流を流すと、第１ストランド８１０ａの電流は、第２ストランド８１０ｂの電流とは逆方向に流れる。超電導材料セグメント８００の折り畳み領域８２０（ループの形態を取ってもよい）は、２本のストランド８１０ａ、８０１ｂを超電導材料セグメント８００の長さに沿って分離してもよい。
図３６Ｂに示す技術の代替形態では、電気スイッチ２１０は、超電導材料の２つの別個のストランド８１０ａ、８１０ｂを含む。２本のストランド８１０ａ、８１０ｂのそれぞれの一端は、電気的接合部８２０ｂにおいて電気的に接続されており、２本のストランドはバイファイラ配置で配置されている。同様に、この配置では、超電導材料セグメント８００が輸送電流を流すとき、第１ストランド８１０ａの電流は第２ストランド８１０ｂの電流と逆方向に流れる。電気的接合部８２０ｂは、はんだ接合部、拡散接合部、または任意の適切な電気接合部であってもよい。
図３６Ｂに示す技術の代替形態では、電気スイッチ２１０は、超電導材料の２つの別個のストランド８１０ａ、８１０ｂを含む。２本のストランド８１０ａ、８１０ｂのそれぞれの一端は、電気的接合部８２０ｂにおいて電気的に接続されており、２本のストランドはバイファイラ配置で配置されている。同様に、この配置では、超電導材料セグメント８００が輸送電流を流すとき、第１ストランド８１０ａの電流は第２ストランド８１０ｂの電流と逆方向に流れる。電気的接合部８２０ｂは、はんだ接合部、拡散接合部、または任意の適切な電気接合部であってもよい。
【0110】
図３６Ａおよび図３６Ｂに示す技術形態では、２本のストランド８１０ａ、８１０ｂは、互いに近接して配置されてもよい。ストランド８１０ａ、８１０ｂの一方または両方に絶縁被覆を施してもよく、ストランドの絶縁被覆を互いに接触させてもよい。代替的に、絶縁層は、一方または両方のストランドと接触して、２つのストランド８１０ａ、８１０ｂの間に配置されてもよい。絶縁層は、ＫａｐｔｏｎまたはＮｏｍｅｘテープなどの絶縁テープで形成されてもよい。
【0111】
本技術の特定の形態では、超電導材料セグメント８００は、その幅および深さよりも明らかに長い長さおよび深さよりも明らかに長い幅を有する材料の長さであるテープの形態を取ってもよい。テープは、実質的に平行な２つの対向する面を有していてもよく、２つの面はテープの深さによって分離されている。ストランドは、一方のストランド８１０ａの対向する面と他方のストランド８１０ｂの対向する面とが平行となるように配置されていてもよい。図３６Ｂに示す技術形態では、２本のストランド８１０ａ、８１０ｂの各々は、バンドの形態を取ってもよい。２つの分離されたストランドは、一端で向かい合って電気的に接続（例えば、はんだ付け）されて、電気的に連続した接合部８２０ｂを形成してもよい。このような配置は、電気スイッチ２１０のインダクタンスを低減することができるが、低抵抗状態における抵抗の小さな増加を犠牲にして、このような利点を達成することができる。代替的に、単一の超電導材料セグメント（例えばテープ）を、その長さの隣接部分として２本のストランド１０ａ、８１０ｂがエンドツーエンドで接続されるように配置してもよい。
【0112】
本技術の特定の形態では、超電導材料セグメント８００は、前述したように高温超電導（ＨＴＳ）材料セグメントであってもよい。
【0113】
図２４、図３６Ａ、および図３６Ｂの技術形態で示されるように、本技術の特定の形態の電気スイッチ２１０は、磁場発生器３１０を作動させて超電導材料の２本のストランド８１０ａ、８０１ｂに磁場を印加するように配置されてもよい。磁場発生器３１０は、本明細書で前に説明した任意の磁場発生器の形態を取ってもよい。磁場発生器３１０は、先に説明されたように電気スイッチ２１０を低抵抗状態と高抵抗状態との間で移動させるために、磁場を選択的に発生させるように選択的に制御されてもよい。
【0114】
特定の形態では、磁場発生器３１０は、磁性コア３２０を含む。コア３２０は、フェライトコア（例えば、鉄心）のような強磁性コアや、積層鋼／鉄心のような高透磁率磁性コアであってもよい。図２４に示す例示的な形態では、磁気コア３２０ａは、実質的にリング状の中実コア、例えば円形リングである。他の形態では、コアは異なる形状、例えば丸い角を有する正方形のリングを有してもよい。例示的な形態では、磁性コア３２０は、ギャップ３３０によって分離された第１端部および第２端部を含む。ギャップ３３０は、中実磁性コア３２０内の空間、例えばリングコアの片側の空間であってもよい。
【0115】
特定の形態では、電気スイッチ２１０は、磁場発生器３１０によって発生された磁場がストランド８１０ａ、８０１ｂの対向する面に対して実質的に垂直になるように配置される。すなわち、磁場の磁束線は、磁束線がストランドと交差する部分でストランド８１０ａ、８０１ｂの面に対して実質的に垂直である。
【0116】
本技術の特定の形態では、ギャップ３３０の幅は、２つのストランド８１０ａ、８１０ｂの深さを合わせたものと同様であり、すなわち、ストランド８１０ａ、８１０ｂのそれぞれを、ストランドに最も近いコア３３０のそれぞれの端部から分離する空隙は比較的小さい。
【0117】
超電導材料セグメントのバイファイラ配置を含む電気スイッチ２１０の１つの利点は、単一の超電導材料セグメントを有する同様のスイッチと比較して、スイッチのインダクタンスが低減されることである。このような利点の１つは、電気スイッチ２１０に磁場を印加する磁場発生器３１０のコイル３４０が、他の場合よりも少ない巻数を有することができることである。
【0118】
超電導材料セグメントのバイファイラ配置を含む電気スイッチ２１０のもう１つの利点は、そのセグメントに印加される磁場が低い（例えばゼロ）ときに、その超電導材料セグメントの臨界電流の抑制を低減することに寄与することである。これにより、スイッチ２１０の低抵抗状態の臨界電流がより高くなる。次に、この効果については、さらに詳しく説明する。
【0119】
上記した技術の形態は、超電導材料セグメントにおける臨界電流を抑制するために、超電導材料セグメントに磁場が印加される電気スイッチ２１０を含む。この効果は、低抵抗状態と高抵抗状態との間で超電導材料セグメントを遷移させる技術の一部の形式で使用されている。磁場を発生させる磁場発生器３１０は、超電導材料セグメントに磁場を集束させるために使用可能な強磁性コアなどの高透磁率磁性コア３２０を含んでもよい。
【0120】
輸送電流を流す単一の超電導材料セグメントを強磁性コアの近傍に配置すると、磁場の強度がゼロを含む非常に低い場合でも、臨界電流がさらに抑制されることが観察された。実際には、印加される磁場の強度が低い場合には、この効果による臨界電流の相対的な追加抑制がより大きくなる。これは、電流が流れたときにコア３２０内の強磁性体が超電導材料に接近することによる自己電場増幅の効果によるものである。より具体的には、実験および有限要素解析を通じて、強磁性コア３２０を通る低磁気抵抗リターンパスの存在により、単一の超伝導材料セグメントの自己磁場が増幅され、単一の超伝導材料セグメントがテープの形態である場合には、テープに対して垂直に配向され、その幅全体に広がることが確認された。これにより、テープの幅全体にわたる各点の臨界電流密度が抑制され、したがって強磁性コアが存在しない場合と比較して全体の臨界電流が抑制される。
【0121】
さらに、超電導材料セグメントがバイファイラ配置で配置された電気スイッチ２１０は、このような効果を著しく軽減する、すなわち、記載された臨界電流の抑制を低減することが確認された。換言すれば、強磁性コア３２０に近づくと、バイファイラ配置は、超電導材料セグメントを通って流れる電流によって発生させる自己磁場を実質的に相殺する。図３７は、超電導材料セグメントがバイファイラ（青色、上線）およびユニファイラ（橙色、下線）配置で配置されている場合、すなわち超電導材料セグメントの単層で配置されている場合の、本技術の形態による電気スイッチ２１０の１つの超電導材料セグメントの異なる印加場における臨界電流を示す。これらの実験結果は、データベースからの超電導材料の基準値（緑の点線、中央線）と比較される。これは、低い印加磁場における臨界電流の抑制が、ユニファイラ配置と比較してバイファイラ配置では非常に低いことを示している。印加される磁界が自己磁界効果よりも大幅に大きい、より高い印加磁界では、その差はあまり顕著ではない。より高い印加電界における臨界電流の差が比較的小さいのは、単層ユニファイラ構成と比較して、二層バイファイラ構成のシールド能力の増加によるものと考えられる。本技術の特定の形態では、超電導材料セグメントは常に超電導状態に維持され得ることを理解すべきである。
【0122】
高い印加磁場と比較して、低い印加磁場に対する臨界電流の差がより大きいことは、バイファイラ配置の長さの超電導材料を備える電気スイッチ２１０が、例えばユニファイラ配置のスイッチと比較して改善された切り替え性能を有し得ることを意味する。切り替え性能は、磁場がゼロであるときの臨界電流と、磁場が印加されたときの臨界電流との比として計算できる切り替え係数ｋ、つまり、Ｉｃ（０）／Ｉｃ，ｂ（Ｂａ）によって与えてもよい。図３７から、ｋは、ニファイラ配置よりもバイファイラ配置の方が大きいことが分かる。輸送電流がＩｃ（０）より低い限り、切り替え係数ｋが高いほど、スイッチの効率が高くなるまた、低抵抗状態におけるより高い臨界電流により、電気スイッチ２１０はより高い最大電流を出力することができる。
【0123】
図３８Ａおよび図３８Ｂは、本技術の特定の形態による電気スイッチ２１０のための強磁性コア３２０の端部間のギャップ内の磁場プロファイルを示す。電気スイッチ２１０は、強磁性コア３２０の両端間に位置するテープの形態の超電導材料セグメント８１０を含む。磁場プロファイルは、有限要素解析によって生成される。図３８Ａでは、テープはコア３２０の端部間のギャップ３３０にユニファイラ配置で配置されており、すなわち、このギャップ３３０に単一のテープセグメントが通過している。図３８Ａでは、テープは１９５Ａの電流が流れるようにモデル化され、テープに印加される磁場は２５０ｍＴの磁場強度を有するようにモデル化されている。図３８Ｂでは、テープは、コア３２０の端部の間のギャップ３３０内にバイファイラ配置で配置される。すなわち、テープの２本のストランドが、互いに平行かつ近接してギャップ３３０内に配置される。図３８Ｂでは、テープは３７５Ａの電流が流れるものとしてモデル化され、テープに印加される磁界は７０ｍＴの磁界強度を有するものとしてモデル化される。
【0124】
図３８Ａおよび図３８Ｂは、超電導材料セグメントがユニファイラ配置で配置される技術の形態（図３８Ａ）の平均磁場の大きさが、超電導材料セグメントがバイファイラ配置で配置される技術の形態（図３８Ｂ）の平均磁場の大きさよりも著しく大きいことを示す。実際には、バイファイラ配置は磁気テープの自己インダクタンスをほぼ無くし、磁気テープに残留する磁場は主に磁気テープ表面と平行な方向になる。これは、ゼロ印加磁場下でのバイファイラ配置の臨界電流が、ユニファイラ磁気テープ（図３７参照）よりも明らかに大きい理由を説明している。
【0125】
また、コア３２０の端部間のギャップ３３０が大きいほど、印加される磁場の磁場強度が低くなることも確認されている。これは、ギャップ３３０が増加すると、同じ磁場強度を維持するために、より大きな電流源を磁場発生器に供給する必要があることを意味する。これは、追加の駆動電力を必要とし、追加の熱を放散するため、望ましくない場合がある。したがって、本技術の特定の形態では、ギャップ３３０の寸法は、可能な限り小さくしてもよく、例えば、ギャップ３３０の幅は、超電導材料セグメント８１０の２本のストランドの組み合わせの深さに類似している。
【0126】
６．１２．その他の注意事項
文脈上明らかに別途の必要がない限り、説明および特許請求の範囲全体を通じて、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの用語は、排他的または網羅的な意味ではなく、包括的な意味で、すなわち、「含むが限定されない」という意味で解釈されるべきである。
文脈上明らかに別途の必要がない限り、説明および特許請求の範囲全体を通じて、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの用語は、排他的または網羅的な意味ではなく、包括的な意味で、すなわち、「含むが限定されない」という意味で解釈されるべきである。
【0127】
上記および以下で引用されるすべての出願、特許および出版物の全開示は、もしあれば、参照により本明細書に組み込まれる。
【0128】
本明細書における先行技術の引用は、先行技術が世界の何れかの国の努力の分野における公知の一部を構成するという認識又は暗示とはみなされず、また、みなされるべきではない。
【0129】
この技術はまた、本出願の明細書において個別にまたは集合的に参照または示される部分、要素および特徴、および前記部分、要素または特徴の２つ以上の任意またはすべての組み合わせからなる、と広義に言うこともできる。
【0130】
前述の説明において、整数又は既知の等価物を有する構成要素に言及した場合、それらの整数は、あたかも個別に記載されているかのように本明細書に組み込まれる。
【0131】
本明細書に記載の現時点で好ましい実施形態に対する様々な変更および修正が当業者には明らかであることに留意されたい。このような変更および修正は、技術の精神および範囲から逸脱することなく、またそれに付随する利点を損なうことなく行うことができる。したがって、このような変更及び修正を本技術に含めることが意図されている。
【符号の説明】
【0132】
１００ 整流器
２００ 切り替えアセンブリ
２１０ スイッチ
３００ 磁場発生器アセンブリ
３１０ 磁場発生器
４００ 制御機構
６００ 負荷
９００ 電流源
２００ 切り替えアセンブリ
２１０ スイッチ
３００ 磁場発生器アセンブリ
３１０ 磁場発生器
４００ 制御機構
６００ 負荷
９００ 電流源
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図4A】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36A】
【図36B】
【図37】
【図38A】
【図38B】
【国際調査報告】