JPH0792509B2 - 磁気結合した複数の超伝導コイルの励磁方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気閉じこめ方式の核
融合装置の磁場発生装置に用いる超伝導コイルの励磁方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近時、ヘリカル型核融合装置やカスプ型
核融合装置などの定常磁場を発生させる磁場発生装置に
は大型の超伝導コイルが用いられる様になってきた。こ
の種の磁場発生装置には数個の超伝導コイルが用いられ
それぞれ異なった電流が必要であり、それらは相互に磁
気的に結合していることが多い。しかもその電流は数〜
数十ｋＡの大電流になって来ていた。従来、複数の超伝
導コイルの励磁回路に於いては、超伝導コイルに流す電
流回路と同数の電源で励磁するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この様な定常磁場発生
装置にあっては、時間的に変化しない定常磁場が必要で
あって、電源は必要な電流に立ち上げる時に所要の電圧
を発生させるために必要であるが、その後はその電流を
維持するために必要な電圧はコイル端子で零である。従
って、電流を維持するときには基本的に電源が不要であ
る。即ちコイルの両端を短絡すればそのコイルの電流を
維持することが出来ることは永久電流としてよく知られ
ており、磁気的に結合のない場合には複数の超伝導コイ
ルを唯一個の電源で順次永久電流にして励磁することは
容易である。しかし磁気的に結合している複数の永久電
流超伝導コイルの場合には一つのコイルに電源を接続し
てそのコイル電流を別の値にしようとして変化させると
他のコイルの電流も変化してしまうため、コイルの電流
を独立に設定することはできないと言う問題があった。

【０００４】このように磁気的に結合した複数の超伝導
コイルを備えた定常磁場発生装置にあって、高価な大電
流電源を数多く使うことなく、唯一個の電源だけで、各
電流回路の電流を任意に設定することが出来るものが望
まれていた。

【０００５】本発明はこのような課題を解決するために
なされたものであって、その目的とするところは、磁気
結合した複数の超伝導コイルを唯一個の電源で励磁で
き、しかも全てのコイル電流を任意の値に設定できる超
伝導回路の励磁方法を提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決する手段】上記の目的を達成するため、本
発明の超伝導回路の励磁方法においては、磁気結合した
複数の超伝導コイルと、その各端子間に設けた各々の短
絡スイッチと、一台の両極性可変電圧電源とから成り、
上記の各端子と上記両極性可変電圧電源とを各々接続ス
イッチを介して接続している励磁回路を励磁するにあた
り、これらの複数コイルの相互誘導係数行列と励磁の順
序から定まる最終電流値に基づき、所望の最終電流値を
得るための各コイルの励磁の順序及び初期電流値を定
め、この順序に従って第１の超伝導回路の接続スイッチ
を閉路して上記両極性可変電圧電源に電圧を発生させ、
上記所定の初期コイル電流に達した後にその短絡スイッ
チを閉路しその接続スイッチを開路してこの超伝導コイ
ルを準永久電流状態とし、順次他の各超伝導コイルも前
記順序に従って各々所定の初期コイル電流に励磁して、
各々準永久電流状態とすることにより、全ての超伝導コ
イルを所望の電流値の準永久電流状態にすることを特徴
とするものである。

【０００７】

【作用】第１の超伝導コイルと両極性可変電圧電源とを
接続している接続スイッチを閉路してから両極性可変電
圧電源の電圧を発生させ、この超伝導コイルの電流を増
加させて第１のコイル用の初期電流値に立ち上げ、その
後はこの超伝導コイルの電流を保持するような電圧とす
る。この状態に於て、該超伝導コイルの端子に接続され
た短絡スイッチを閉路した後上記電源の電圧を逆極性に
発生させてこの電源から流出していた電流が殆ど無くな
った時該接続スイッチを開路する。この状態において
は、第１の超伝導コイルの電流は該短絡スイッチを通し
て準永久電流となっている。

【０００８】次に第２の超伝導コイルと両極性可変電圧
電源とを接続している接続スイッチを閉路してから該電
源の電圧を発生させ、この超伝導コイルの電流を増加さ
せて第２のコイル用の初期電流値に立ち上げ、その後は
この超伝導コイルの電流を保持するような電圧とする。
この状態に於て、第２の超伝導コイルの端子に接続され
た短絡スイッチを閉路した後該電源の電圧を逆極性に発
生させてこの電源から流出していた電流が殆ど無くなっ
た時該接続スイッチを開路する。この状態においては、
第２の超伝導コイルの電流は該短絡スイッチを通して準
永久電流となっている。この時第１のコイル電流は第２
コイルとの磁気結合のため第１コイル用の当初の初期電
流とは異なった値の準永久電流となっている。

【０００９】以下同様にして次々と超伝導コイルを励磁
し全ての超伝導コイルの励磁が終わると、各コイルには
全て準永久電流が流れている状態になる。ただし各コイ
ルの準永久電流の値は、磁気結合のため新たにコイルが
励磁される毎に順次その値がかわり最終値となってい
る。

【００１０】各コイルの最終準永久電流値は、コイル間
の磁気結合の程度を表わす相互誘導係数、各コイルの初
期電流値、励磁の順序によって一意に決まるものであ
る。従って、全てのコイルの最終準永久電流値が所望の
値になるように励磁の順序と各コイルの初期電流値を予
め算定しておくことは可能であり、これにより各コイル
に任意の最終準永久電流値を設定することができる。

【００１１】次に全てのコイルの減磁を行うには次のよ
うにする。任意のコイルを選び、それに接続している接
続スイッチを閉路し、そのコイルに流れている電流と同
じ電流を電源から供給する。この状態の時、短絡スイッ
チの電流は無くなるので、短絡スイッチを開路する。次
に電流を減じる向きの電圧を電源に発生させれば、電流
が減少して実質零となった時に接続スイッチを開路す
る。以下同様に次々にコイルを減磁して、全てのコイル
の電流を無くすことが出来る。

【００１２】全コイル減磁の途中で、必要なら励磁され
ていないコイルの励磁を行うことも出来る。そして別の
初期電流を設定して行けば、別の最終準永久電流値の組
合せを得ることが出来る。

【００１３】コイルを順次励磁して行く場合に、あるコ
イルの電流が、そのコイルに許容された最大電流値を超
える場合が有り得る。この様な場合には励磁の順序を変
えることによって避けることが出来る。

【００１４】この様にして唯１台の電源で複数の超伝導
コイルを任意の電流値に励磁することが可能である。

【００１５】上述の説明に於ける準永久電流について説
明する。上述の短絡スイッチは、常伝導スイッチである
が、その電気抵抗は極めて小さいものを使用することを
念頭に置いている。即ちそれに接続している超伝導コイ
ルの自己誘導係数Ｌとその超伝導コイルの端子との接続
抵抗を含めてその短絡スイッチの全抵抗Ｒとの比Ｌ／Ｒ
を減衰時定数と呼び、この大きさ（時間）が励磁、減
磁、および定常磁場発生装置の使用時間としての「定
常」と見なす時間の長さに比べて充分長い場合、この回
路の電流は実質上永久電流と見なす事が出来るので、準
永久電流と呼ぶ。即ちこの場合、定常磁場発生装置の使
用時間中は電流の減衰はないものと考えてよい。

【００１６】なお、現在の技術では、大型核融合装置の
磁場発生装置に使用出来る大電流短絡スイッチで超伝導
のものがまだ開発されていないので、上記短絡スイッチ
は、常伝導スイッチを使用せざるを得ないが、超伝導ス
イッチで高電圧大電流に耐えうるものが開発されれば、
それを使用して真に永久電流とすることが出来る。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例の構成を図１によって
説明する。図１において、１はヘリカル磁場用の超伝導
コイルで３個のコイルを直列接続したものであり、２，
３はその端子である。４，５，６はポロイダル磁場用の
超伝導コイルで、７，８は超伝導コイル４の端子、９，
１０は超伝導コイル５の端子、１１，１２は超伝導コイ
ル６の端子である。１３は両極性可変電圧電源としての
サイリスタ整流電源で図示外の制御装置の指令により正
負の電圧を発生させることが出来かつその大きさを変化
させることが出来るようになっている。１４は端子２と
端子３との間に挿入された短絡スイッチ、１５は端子７
と端子８との間に挿入された短絡スイッチ、１６は端子
９と端子１０との間に挿入された短絡スイッチ、１７は
端子１１と端子１２との間に挿入された短絡スイッチで
ある。

【００１８】１８は両極性可変電圧電源１３を端子２，
３に接続しうるように挿入された接続スイッチ、１９は
両極性可変電圧電源１３を端子７，８に接続しうるよう
に挿入された接続スイッチ、２０は両極性可変電圧電源
１３を端子９，１０に接続しうるように挿入された接続
スイッチ、２１は両極性可変電圧電源１３を端子１１、
１２に接続しうるように挿入された接続スイッチであ
る。短絡スイッチ１４乃至１７及び接続スイッチ１８乃
至２１は各々電動、油圧、空圧等の駆動手段を具備し、
図示外の制御装置によりそれらの開閉操作が出来るよう
にしている。

【００１９】超伝導コイル１乃至６、及び両極性可変電
圧電源１３には各々の電流を測定する電流測定装置が具
備されて、測定された電流値が上記制御装置に伝達され
るようにしている。さらに上記制御装置は上記の各コイ
ル電流が予め指定された電流値になるように、両極性可
変電圧電源１３の電圧を発生させ、或はコイル電流と両
極性可変電圧電源１３の電流値を比較してこれらが実質
上一致した時に該コイルに接続された短絡スイッチを開
路し、或は両極性可変電圧電源１３の電流値が実質上零
となった時に、閉路している接続スイッチを開路する機
能をもたせている。

【００２０】上記の３個のヘリカル磁場用の超伝導コイ
ル、３個のポロイダル磁場用の超伝導コイル４，５，６
は相互に磁気結合している。また超伝導コイルの電流の
向きは超伝導コイル４のみ逆となる様な接続としてい
る。

【００２１】次に、その動作を図１と図２と共に説明す
る。まず励磁法について述べる。接続スイッチ１８を閉
路し、両極性可変電圧電源１３（以下電源と略称する）
より電圧を発生させる。超伝導コイル１の電流が増加し
て初期電流値Ｉ₁₁に達した後その電流値を保持する電圧
とする。短絡スイッチ１４を閉路した後、電源の電圧を
負にすると電源電流が減少して実質零になった後これを
保持する。この後接続スイッチ１８を開路する。この時
超伝導コイル１の電流は短絡スイッチ１４を通って流
れ、準永久電流となる。

【００２２】次に接続スイッチ１９を閉路し、電源より
電圧を発生させる。超伝導コイル４の電流が増加して初
期電流値Ｉ₂₁に達した後その電流値を保持する電圧とす
る。短絡スイッチ１５を閉路した後、電源の電圧を負に
すると電源電流が減少して実質零になった後これを保持
する。この後接続スイッチ１９を開路する。この時超伝
導コイル４の電流は短絡スイッチ１５を通って流れ、準
永久電流となる。この時超伝導コイル１の電流はＩ₁₂に
変化している。

【００２３】以下同様にして超伝導コイル５を励磁して
初期電流値Ｉ₃₁にし、超伝導コイル６を励磁して初期電
流値Ｉ₄₁にする。この状態においては超伝導コイル１の
準永久電流はＩ₁₄になっており、超伝導コイル４の準永
久電流はＩ₂₃になっており、超伝導コイル５の準永久電
流はＩ₃₂になっている。

【００２４】この時の準永久電流値Ｉ₁₄，Ｉ₂₃，Ｉ₃₂，
Ｉ₄₁と、初期電流値Ｉ₁₁，Ｉ₂₁，Ｉ ₃₁及び途中の準永久
電流値Ｉ₁₂，Ｉ₁₃，Ｉ₂₂の間の関係は、超伝導コイルの
誘導係数行列が予め判っていることから、容易に計算す
ることができる。従って、必要な最終永久電流となるよ
うに初期電流値を予め計算しておけば容易に最終値を得
ることができる。

【００２５】このようにして超伝導コイルに必要とされ
る準永久電流を流すことによって、それが作る準定常磁
場を用いて核融合実験をすることができる。

【００２６】上記の励磁順においては、超伝導コイル１
の準永久電流Ｉ₁₂が最終の準永久電流Ｉ₁₄より大きくな
っている。もしＩ₁₂が超伝導コイル１の最大許容電流値
を超えるならば励磁の順序を変更して超えないような順
序を選ぶことが可能である。例えば、超伝導コイル１を
最後に励磁すればよい。４個の超伝導コイルの励磁の順
番は２４通りであるので、そのなかから適当な順序を見
いだすことは可能である。

【００２７】次に減磁法を述べる。励磁と全く逆の順序
を辿り、減磁する。即ち、接続スイッチ２１を閉路して
電源に電圧を発生させ電源電流を超伝導コイル６の電流
Ｉ41に一致させる。この時短絡スイッチ１７の電流は零
になり、短絡スイッチ１７を開路する。この後電源に負
電圧を発生させると超伝導コイル６の電流は減少して零
になり、この時点で接続スイッチ２１を開路する。この
様にして超伝導コイル５，６，４，１と減磁してゆくこ
とが出来る。減磁の順序はどの超伝導コイルから始めて
もよく、その順序は２４通りある。

【００２８】準永久電流の時定数が充分長くないような
場合において、設定した電流値から減少した時には、再
度電流値の設定を行う必要がある。この場合には、上記
の減磁法と励磁法を続けて行えばよい。

【００２９】上記の実施例では、核融合装置に備えられ
た全ての超伝導コイルを１台の電源で励磁するようにし
たが、本発明を一部の複数超伝導コイルに実施すること
も可能である。また他の超伝導コイルの電流を変化させ
ている間に電流が変化しない超伝導コイルが必要なら、
この超伝導コイルに専用の電源を設ければ可能である。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、磁気結合した複数の超
伝導コイルと、その各端子間に設けた各々の短絡スイッ
チと、一台の両極性可変電圧電源とから成り、上記の各
端子と上記両極性可変電圧電源とを各々接続スイッチを
介して接続している励磁回路を励磁するにあたり、これ
らの複数コイルの相互誘導係数行列と励磁の順序から定
まる最終電流値に基づき、所望の最終電流値を得るため
の各コイルの励磁の順序及び初期電流値を定め、この順
序に従って第１の超伝導回路の接続スイッチを閉路して
上記両極性可変電圧電源に電圧を発生させ、上記所定の
初期コイル電流に達した後にその短絡スイッチを閉路し
その接続スイッチを開路してこの超伝導コイルを準永久
電流状態とし、順次他の各超伝導コイルも前記順序に従
って各々所定の初期コイル電流に励磁して、各々準永久
電流状態とするようにしているので、唯１台の電源で、
全ての超伝導コイルに所望の電流値の準永久電流を流す
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す回路図である。

【図２】励磁時の各超伝導コイルの電流変化を示す波形
図である。

【符号の説明】

１，４，５，６ 超伝導コイル １３ 両極性可変電圧電源 １４，１５，１６，１７ 短絡スイッチ １８，１９，２０，２１ 接続スイッチ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気結合した複数の超伝導コイルと、そ
   の各端子間に設けた各々の短絡スイッチと、一台の両極
   性可変電圧電源とから成り、上記の各端子と上記両極性
   可変電圧電源とを各々接続スイッチを介して接続してい
   る励磁回路を励磁するにあたり、これらの複数コイルの
   相互誘導係数行列と励磁の順序から定まる最終電流値に
   基づき、所望の最終電流値を得るための各コイルの励磁
   の順序及び初期電流値を定め、この順序に従って第１の
   超伝導回路の接続スイッチを閉路して上記両極性可変電
   圧電源に電圧を発生させ、上記所定の初期コイル電流に
   達した後にその短絡スイッチを閉路しその接続スイッチ
   を開路してこの超伝導コイルを準永久電流状態とし、順
   次他の各超伝導コイルも前記順序に従って各々所定の初
   期コイル電流に励磁して、各々準永久電流状態とするこ
   とにより、全ての超伝導コイルを所望の電流値の準永久
   電流状態にすることを特徴とする超伝導コイルの励磁方
   法。