超電導コイルの電源装置
【課題】電源装置の小型化が可能なスイッチング制御を採用し、スイッチングした際発生するスイッチングノイズを低減させることができる超電導コイルの電源装置を提供する。
【解決手段】超電導コイル２を励磁する電源装置１０１を、交流電力を直流電力にする直流電源手段５１と、スイッチング信号に基づいて直流電力を交流状のスイッチング電力とする第１・第２スイッチング部５２・５３を並列接続したスイッチング手段５６と、スイッチング電力を一定電圧の平滑化電力にして超電導コイル２に出力する平滑手段５５と、第１・第２スイッチング部５２・５３に対して、所定の周波数でスイッチング信号をそれぞれ出力することにより所定の平滑化電力を形成し、第２スイッチング部５３に出力するスイッチング信号を第１スイッチング部５２に出力するスイッチング信号に対して位相差を持たせて出力するスイッチング制御手段５４とを備えた構成とする。
【解決手段】超電導コイル２を励磁する電源装置１０１を、交流電力を直流電力にする直流電源手段５１と、スイッチング信号に基づいて直流電力を交流状のスイッチング電力とする第１・第２スイッチング部５２・５３を並列接続したスイッチング手段５６と、スイッチング電力を一定電圧の平滑化電力にして超電導コイル２に出力する平滑手段５５と、第１・第２スイッチング部５２・５３に対して、所定の周波数でスイッチング信号をそれぞれ出力することにより所定の平滑化電力を形成し、第２スイッチング部５３に出力するスイッチング信号を第１スイッチング部５２に出力するスイッチング信号に対して位相差を持たせて出力するスイッチング制御手段５４とを備えた構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイルを励磁する電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超電導コイル用の電源装置には、特許文献１にあるように所望の電圧を超電導コイルに与えるためにトランジスタで制御したものが用いられてきた。この特許文献１に記載された電源装置は、電源から負荷に電力を供給する電力供給回路の一部が複数本の分岐経路とされていて、複数本の分岐経路それぞれにトランジスタが設けられ、電力供給経路に流れる電流の値が電流値検出部により検出され、この検出された電流値が一定となるように電圧制御部によりトランジスタの制御端子に与えられる電圧値が制御されるように構成されている。
【０００３】
しかしながら、上記のように所望の電圧を超電導コイルに与えるためにトランジスタを使用して制御する場合、トランジスタにおいて絶えず熱消費が行われるため、比較的消費電力も増加するとともに放熱手段が大型化してしまうという問題がある。
【０００４】
この問題を解決するために、特許文献２の装置では、充放電用変換器を使用して、充放電及び保持のタイミングや、時間を全て掌握しスイッチング制御することにより所望の電圧を超電導コイルに与えている。このようにＯＮ・ＯＦＦのスイッチングをしてＯＦＦの期間を設けて制御するため消費電力（熱消費）を抑制することが可能となり、放熱手段の小型化も可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−９８８８５号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１８４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
もっとも、上記のように電圧制御の際に、パワー素子等のＯＮ・ＯＦＦを切り替えてスイッチング制御するため、スイッチングする際に電流リプル等のスイッチングノイズが発生してしまう。この電流リプル等のスイッチングノイズが増大すると通電した超電導コイルや永久電流の温度が上昇し、液体ヘリウムで冷却する超電導マグネットにおいて液体ヘリウムが蒸発してしまう。また、冷凍機で冷却するものは、超電導コイルを通電した回路の温度が上昇し、超電導コイルの冷却能力が下がりクエンチ現象を発生させてしまう場合があり不都合である。また、永久電流スイッチの場合はそのヒータを切っても電流リプル等のスイッチングノイズによる発熱のため超電導化しない問題が生じることもある。
【０００７】
そこで、本発明は上記の様な状況に着目してなされたものであり、その目的は、電源装置の小型化が可能なスイッチング制御を採用しつつ、スイッチングした際発生するスイッチングノイズを低減させることができる超電導コイルの電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を達成するための本発明に係る超電導コイルの電源装置は、交流電力を直流電力に変換する直流電源手段と、スイッチング信号に基づいて前記直流電力を出力許可と出力禁止とにスイッチングすることにより交流状のスイッチング電力とするスイッチング部を前記直流電源手段に複数並列接続したスイッチング手段と、前記各スイッチング部から出力された前記スイッチング電力を平滑化することにより一定電圧の平滑化電力にして前記超電導コイルに出力する平滑手段と、前記各スイッチング部に対して、所定の周波数で前記スイッチング信号をそれぞれ出力することにより所定の前記平滑化電力を形成すると共に、少なくとも一つの前記スイッチング信号を他のスイッチング信号に対して位相差を持たせて出力するスイッチング制御手段とを備えたことを特徴としている。
【０００９】
上記の構成によれば、各スイッチング部のそれぞれに対して、所定の周波数でスイッチング信号を出力することにより直流電力を出力許可と出力禁止とにスイッチングして交流状のスイッチング電力を出力し、出力されたスイッチング電力を平滑化することにより一定電圧の平滑化電力にして超電導コイルに出力する。ここで、直流電力をスイッチング電力に変換する際にスイッチングのタイミングで発生するスイッチングノイズは、スイッチング電力を平滑手段によって一定電圧の平滑化電力にしたとしてもわずかに残る。そこで、少なくとも一つのスイッチング部に対して出力するスイッチング信号を他のスイッチング部に対して出力するスイッチング信号に対して位相差を持たせて出力することにより、各スイッチング部から出力される平滑化電力に残ったスイッチングノイズの発生タイミングをそれぞれ位相差分ずれさせることができる。これによれば、並列接続された各スイッチング部から出力されたスイッチングノイズの発生タイミングが分散された平滑化電力を合流させることになるので、大きなノイズにはならずスイッチングノイズを低減させることができる。また、スイッチング部を使用してスイッチング制御をしているため、消費電力を抑えることができ、電源装置の小型化が可能となる。
【００１０】
また、本発明は、上記発明に係る超電導コイルの電源装置であって、前記スイッチング手段のスイッチング部は、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子、及び、第４スイッチング素子を具備し、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とが接続され、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との間から前記超電導コイルに接続されており、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第３スイッチング素子と第４スイッチング素子とが接続され、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子との間から前記超電導コイルに接続されるフルブリッジ回路であり、前記平滑手段は、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との間と前記超電導コイルとの間に接続した第１リアクトルを接続と、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子との間に接続した第２リアクトルと、前記第１リアクトルと前記超電導コイルとの間を一端とし、前記第２リアクトルと前記超電導コイルとの間を他端として接続した平滑コンデンサであり、前記スイッチング制御手段は、前記超電導コイルに流れる電流値を検出する電流検出器と、目標とする電流値を設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を出力する目標値設定器と、前記電流検出器が検出した電流値と前記目標値設定器が出力した電流指令値との差分の値を出力する電流制御回路と、位相差を付けたパルス信号を複数発生させる基本パルス生成器と、前記基本パルス生成器が発生させたパルス信号を積分した値から前記電流制御回路が出力した値を減算して、マイナスの値であればオンに、プラスの値であればオフに前記第１〜第４スイッチング素子をスイッチングするスイッチング信号としてのＰＷＭ信号に変換する、各フルブリッジ回路に対応する複数の信号変換器であることを特徴としている。
【００１１】
上記の構成によれば、基本パルス生成器から位相差を付けたパルス信号を各信号変換器にそれぞれ出力し、各信号変換器はそのパルス信号を積分した値から電流制御回路が出力した値を減算して、マイナスの値であればオンに、プラスの値であればオフに第１〜第４スイッチング素子をスイッチングするＰＷＭ信号に変換する。こうすることにより、各信号変換器は各々位相差を持ったＰＷＭ信号に変換する。そして、この位相差を持ったＰＷＭ信号によって、フルブリッジ回路毎に第１〜第４スイッチング素子が位相差を持ってオン・オフされることによりスイッチング制御される。こうすることにより、各フルブリッジ回路から出力される平滑化電力に残ったスイッチングノイズの発生タイミングをそれぞれ位相差分ずれさせることができる。これによれば、並列接続された各フルブリッジ回路から出力されたスイッチングノイズの発生タイミングが分散された平滑化電力を合流させることになるので、大きなノイズにはならずスイッチングノイズを低減させることができる。また、フルブリッジ回路のスイッチング素子を使用してスイッチング制御をしているため、消費電力を抑えることができ、電源装置の小型化が可能となる。
【００１２】
また、本発明は、上記発明に係る超電導コイルの電源装置であって、前記スイッチング手段のスイッチング部は、第１スイッチング素子、第１ダイオード、第２ダイオード、及び、第２スイッチング素子を具備し、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第１スイッチング素子と第１ダイオードとが接続され、第１スイッチング素子と第１ダイオードとの間から前記超電導コイルに接続されており、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第２ダイオードと第２スイッチング素子とが接続され、第２ダイオードと第２スイッチング素子との間から前記超電導コイルに接続される混合ブリッジ回路であり、前記平滑手段は、前記第１スイッチング素子と前記第１ダイオードとの間と前記超電導コイルとの間に接続された第１リアクトルと、前記第第２ダイオードと前記第２スイッチング素子との間に接続された第２リアクトルと、前記第１リアクトルと前記超電導コイルとの間を一端とし、前記第２リアクトルと前記超電導コイルとの間を他端として接続された平滑コンデンサであり、前記スイッチング制御手段は、前記超電導コイルに流れる電流値を検出する電流検出器と、目標とする電流値を設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を出力する目標値設定器と、前記電流検出器が検出した電流値と前記目標値設定器が出力した電流指令値との差分の値を出力する電流制御回路と、位相差を付けたパルス信号を複数発生させる基本パルス生成器と、前記基本パルス生成器が発生させたパルス信号を積分した値から前記電流制御回路が出力した値を減算して、マイナスの値であればオンに、プラスの値であればオフに前記第１〜第２スイッチング素子をスイッチングするスイッチング信号としてのＰＷＭ信号に変換する、各混合ブリッジ回路に対応する複数の信号変換器であることを特徴としている。
【００１３】
上記の構成によれば、基本パルス生成器から位相差を付けたパルス信号を各信号変換器にそれぞれ出力し、各信号変換器はそのパルス信号を積分した値から電流制御回路が出力した値を減算して、マイナスの値であればオンに、プラスの値であればオフに第１〜第２スイッチング素子をスイッチングするＰＷＭ信号に変換する。こうすることにより、各信号変換器は各々位相差を持ったＰＷＭ信号に変換する。そして、この位相差を持ったＰＷＭ信号によって、混合ブリッジ回路毎に第１〜第２スイッチング素子が位相差を持ってオン・オフされることによりスイッチング制御される。こうすることにより、各混合ブリッジ回路から出力される平滑化電力に残ったスイッチングノイズの発生タイミングをそれぞれ位相差分ずれさせることができる。これによれば、並列接続された各混合ブリッジ回路から出力されたスイッチングノイズの発生タイミングが分散された平滑化電力を合流させることになるので、大きなノイズにはならずスイッチングノイズを低減させることができる。また、混合ブリッジ回路のスイッチング素子を使用してスイッチング制御をしているため、消費電力を抑えることができ、電源装置の小型化が可能となる。
【００１４】
また、本発明は、上記発明に係る超電導コイルの電源装置であって、前記直流電源手段の電圧をコントロールする電圧制御手段を備えたことを特徴としている。
【００１５】
上記の構成によれば、直流電源手段の電圧をコントロールすることにより、スイッチング素子をスイッチングする際のスイッチングノイズが大きくならないように抑制することができる。
【００１６】
また、本発明は、上記発明に係る超電導コイルの電源装置であって、前記電圧制御手段は、前記超電導コイルの電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部で検出した電圧値を絶対値化する絶対値化部と、前記絶対値化部で絶対値化された値に所定値を加算する電圧制御部と、を備えていることを特徴としている。
【００１７】
上記の構成によれば、電圧検出部で検出した電圧値を絶対値化した値に所定値を加算した値を直流電源手段に出力することにより直流電圧手段の電圧を適正値にコントロールすることができる。これによれば、直流電源手段の電圧を必要最低限度まで低くすることにより、スイッチングで発生するオンとオフの電圧差を小さくできるので、スイッチング素子をスイッチングする際のスイッチングノイズとしての電流リプルが大きくならないように抑制することができる。
【００１８】
また、本発明は、上記発明に係る超電導コイルの電源装置であって、前記電圧制御手段は、前記超電導コイルのリアクタンスの値を記憶する記憶部と、電流増減速度が設定される設定器と、前記記憶部に記憶されたリアクタンスの値に前記設定器で設定された電流増減速度を乗算して電圧値を算出する電圧演算器と、前記電圧演算器で算出した電圧値を絶対値化する絶対値化部と、前記絶対値化部で絶対値化された値に所定値を加算する電圧制御部と、を備えていることを特徴としている。
【００１９】
上記の構成によれば、超電導コイルのリアクタンスの値に設定器で設定された電流増減速度を乗算して電圧値を算出し、算出した電圧値を絶対値化した値に所定値を加算した値を直流電源手段に出力することにより直流電圧手段の電圧を適正値にコントロールすることができる。これによれば、直流電源手段の電圧を必要最低限度まで低くすることにより、スイッチングで発生するオンとオフの電圧差を小さくできるので、スイッチング素子をスイッチングする際のスイッチングノイズとしての電流リプルが大きくならないように抑制することができる。
【００２０】
また、本発明は、上記発明に係る超電導コイルの電源装置であって、前記電圧制御手段は、前記スイッチング制御手段が出力した各パルス信号をフィルタで平均化した値を加算する加算器と、目標とする電圧目標値を設定する目標値設定器と、前記加算器で加算した値から前記目標設定器で設定した電圧目標値を減算し、マイナスであれば差分の値に相当するプラス出力をし、プラスであれば差分の値に相当するマイナス出力をする比較制御器とを備えていることを特徴としている。
【００２１】
上記の構成によれば、加算器で加算した値から目標設定器で設定した電圧目標値を減算し、マイナスであれば差分の値に相当するプラス出力を直流電源手段に出力し、プラスであれば差分の値に相当するマイナス出力を直流電源手段に出力することにより直流電圧手段の電圧を適正値にコントロールすることができる。これによれば、直流電源手段の電圧を必要最低限度まで低くすることにより、スイッチングで発生するオンとオフの電圧差を小さくできるので、スイッチング素子をスイッチングする際のスイッチングノイズとしての電流リプルが大きくならないように抑制することができる。
【００２２】
また、本発明は、上記発明に係る超電導コイルの電源装置であって、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に回生手段を更に設け、前記回生手段は、トランジスタと、前記トランジスタに直列接続された抵抗器と、前記直流電源手段の電圧を検出する直流電源電圧検出器と、閾値を設定する閾値設定器と、前記直流電源電圧検出器で検出した値が前記閾値設定器で設定した前記閾値を上回った場合に、前記トランジスタを導通させて前記抵抗器に電流を導通させるコンパレータと、を備えていることを特徴としている。
【００２３】
上記の構成によれば、超電導コイルを消磁する際において、直流電源電圧検出器で検出した値が閾値設定器で設定した閾値を上回った場合に、トランジスタを導通させて抵抗器に電流を導通させてエネルギーを消費させることにより直流電源手段の電圧を低下させることができる。
【００２４】
また、本発明は、上記発明に係る超電導コイルの電源装置であって、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に回生手段を更に設け、前記回生手段は、回生用スイッチング素子と、前記回生用スイッチング素子に直列接続された抵抗器と、前記直流電源手段の電圧を検出する直流電源電圧検出器と、閾値を設定する閾値設定器と、前記直流電源電圧検出器で検出した電圧値と前記閾値設定器で設定した閾値との差分の値を出力する回生制御手段と、基本となるパルス信号を発生させる基本パルス生成器と、前記基本パルス生成器が発生させたパルス信号を積分した値から前記回生制御手段が出力した値を減算して、マイナスの値であれば前記回生用スイッチング素子をオンに、プラスの値であれば前記回生用スイッチング素子をオフにスイッチングする信号に変換する回生用スイッチング素子制御回路と、を備えていることを特徴としている。
【００２５】
上記の構成によれば、超電導コイルを消磁する際において、基本パルス生成器が発生させたパルス信号を積分した値から回生制御手段が出力した値を減算して、マイナスの値であれば回生用スイッチング素子をオンにして、回生用スイッチング素子を導通させて抵抗器に電流を導通させてエネルギーを消費させることにより直流電源手段の電圧を低下させることができる。また、本回生手段を使用すれば、直流電源手段の電圧の変動をより抑制できるので、超電導コイルの消磁時に発生する電流リプルを抑制することができる。
【００２６】
また、本発明は、上記発明に係る超電導コイルの電源装置であって、前記超電導コイルに流れる電流値を検出する電流検出器と、目標とする電流値を設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を出力する目標値設定器と、前記電流検出器が検出した電流値と前記目標値設定器が出力した電流指令値との差分の値を出力する電流制御回路と、各スイッチング部に対応しており、各スイッチング部に流れる電流値を検出するブリッジ電流検出器と、各ブリッジ電流検出器で検出した電流値の平均値を算出する平均値算出器と、各スイッチング部に対応しており、各ブリッジ電流検出器で検出した電流値から前記平均値算出器で算出した平均値を減算して、その値を出力する比較器と、各スイッチング部に対応しており、前記比較器から出力された値がプラスであれば、前記電流制御回路から出力された値を減少させる補正をし、前記比較器から出力された値がマイナスであれば、前記電流制御回路から出力された値を増加させる補正をする補正手段と、を備えていることを特徴としている。
【００２７】
上記の構成によれば、各ブリッジ電流検出器で検出した電流値から平均値算出器で算出した平均値を減算した値がプラスであれば、電流制御回路から出力された値を減少させる補正をし、マイナスであれば、電流制御回路から出力された値を増加させる補正をすることができる。こうすることにより、各スイッチング部に流れる電流値を平均化することができる。これにより、一つのスイッチング部に電流が偏って流れる偏流現象を防止することができ、各種回路素子を保護することができる。
【発明の効果】
【００２８】
電源装置の小型化が可能なスイッチング制御を採用しつつ、スイッチングした際発生するスイッチングノイズを低減させることができる超電導コイルの電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る超電導コイルの電源装置の構成を示す概略図である。
【図２】第１実施形態に係る超電導コイルの電源装置の構成図である。
【図３】第１実施形態に係る第１フルブリッジ回路及び第２フルブリッジ回路の構成図である。
【図４】第１実施形態に係る第１ＰＷＭ信号変換器の構成図である。
【図５】第１実施形態に係る第１ＰＷＭ信号変換器にゲイン調整器を追加した構成図である。
【図６】第１実施形態に係る第１ＰＷＭ信号変換器での信号変換を説明した説明図である。
【図７】基本パルス生成器が出力する位相差を持ったパルス信号の説明図である。
【図８】例１に係る電圧制御手段を備えた超電導コイルの電源装置の構成図である。
【図９】例２に係る電圧制御手段を備えた超電導コイルの電源装置の構成図である。
【図１０】例３に係る電圧制御手段を備えた超電導コイルの電源装置の構成図である。
【図１１】第１実施形態に係る回生回路の構成図である。
【図１２】回生回路の変形例に係る構成図である。
【図１３】励磁時及び消磁時のスイッチングレギュレータの電圧変動を示した説明図である。
【図１４】偏流防止機構を備えた超電導コイルの電源装置の構成図である。
【図１５】第１実施形態に係るＰＷＭ信号を説明した説明図である。
【図１６】変形例に係るＰＷＭ信号を説明した説明図である。
【図１７】図１５及び図１６に示したＰＷＭ信号によりスイッチング素子をスイッチング制御した場合の超電導コイル及びスイッチング素子に流れる電流を説明した第１説明図である。
【図１８】図１５及び図１６に示したＰＷＭ信号によりスイッチング素子をスイッチング制御した場合の超電導コイル及びスイッチング素子に流れる電流を説明した第２説明図である。
【図１９】図１５及び図１６に示したＰＷＭ信号によりスイッチング素子をスイッチング制御した場合の超電導コイル及びスイッチング素子に流れる電流を説明した第３説明図である。
【図２０】第２実施形態に係る超電導コイルの電源装置における混合ブリッジ回路及び混合ブリッジ回路の構成図である。
【図２１】変形例１に係る超電導コイルの電源装置の構成図である。
【図２２】変形例１に係る第１ハーフブリッジ回路及び第２ハーフブリッジ回路の構成図である。
【図２３】変形例４に係る超電導コイルの電源装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（第１実施形態）
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。本発明に係る電源装置１０１は、図１に示すように超電導コイル２を励磁するための電源であって、交流電源５０から出力される交流電力を直流電力に変換する直流電源手段５１と、スイッチング信号に基づいて直流電力を出力許可と出力禁止とにスイッチングすることにより交流状のスイッチング電力とする第１スイッチング部５２及び第２スイッチング部５３を直流電源手段５１に並列接続したスイッチング手段５６と、第１スイッチング部５２及び第２スイッチング部５３から出力されたスイッチング電力を平滑化することにより一定電圧の平滑化電力にして超電導コイル２に出力する平滑手段５５と、各第１スイッチング部５２及び第２スイッチング部５３に対して、所定の周波数でスイッチング信号をそれぞれ出力することにより所定の平滑化電力を形成すると共に、第２スイッチング部５３に出力するスイッチング信号を第１スイッチング部５２に出力するスイッチング信号に対して位相差を持たせて出力するスイッチング制御手段５４とを主に備えた構成をしている。以下、より詳しい構成を説明する。
【００３１】
（電源装置１０１の構成）
図２に示すように、電源装置１０１は、超電導コイル２に接続されている。そして、電源装置１０１は、交流電源５０と接続されたスイッチングレギュレータ１１０（直流電源手段５１）と、スイッチングレギュレータ１１０と接続された４つのスイッチング素子２１〜２４からなる第１フルブリッジ回路１０３（第１スイッチング部５２）と、同じくスイッチングレギュレータ１１０と接続された４つのスイッチング素子３１〜３４からなる第２フルブリッジ回路１０４（第２スイッチング部５３）と、第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４に対してスイッチング素子２１〜２４・３１〜３４をオン・オフするＰＷＭ信号を出力するスイッチング制御手段５４と、スイッチング制御手段５４と第１フルブリッジ回路１０３との間に接続された第１ドライバー部１０５と、スイッチング制御手段５４と第２フルブリッジ回路１０４との間に接続された第２ドライバー部１０６と、図３に示すようにスイッチング素子２１（第１スイッチング素子）とスイッチング素子２２（第２スイッチング素子）との間と超電導コイル２との間に接続された第１リアクトル１２１と、スイッチング素子２３（第３スイッチング素子）とスイッチング素子２４（第４スイッチング素子）との間に接続された第２リアクトル１２２と、第１リアクトル１２１と超電導コイル２との間を一端４１ａとし、第２リアクトル１２２と超電導コイル２との間を他端４１ｂとして接続された平滑コンデンサ４１（平滑手段）と、同様にスイッチング素子３１とスイッチング素子３２との間と超電導コイル２との間に接続された第１リアクトル１２３と、スイッチング素子３３とスイッチング素子３４との間に接続された第２リアクトル１２４と、第１リアクトル１２３と超電導コイル２との間を一端４２ａとし、第２リアクトル１２４と超電導コイル２との間を他端４２ｂとして接続された平滑コンデンサ４２（平滑手段）と、スイッチングレギュレータ１１０のプラス側とマイナス側との間に接続された回生回路１１８（回生手段）とを具備している。
【００３２】
超電導コイル２は、巻枠に超電導線材を略螺旋状に巻き付けることにより構成されており、液体ヘリウムにより極低温（約４．２Ｋ）に冷却した状態で電流を流すことで強磁場を発生させるようになっている。スイッチングレギュレータ１１０は、交流電源５０から出力される交流電力を所定の直流電力に変換する役割を果たす装置である。なお、以後の説明では、超電導コイル２の２ａから２ｂに電流が流れる方向を正方向とし、超電導コイル２の２ｂから２ａに電流が流れる方向を逆方向とする。
【００３３】
スイッチング制御手段５４は、電流検出器１１１と、目標値設定器１７０と、電流制御回路１１２と、基本パルス生成器１０９と、第１ＰＷＭ信号変換器１０７と、第２ＰＷＭ信号変換器１０８とを主な構成要素としている。
【００３４】
電流検出器１１１は、超電導コイル２の２ｂ側と接続して超電導コイル２に流れる電流値を検出し、検出した電流値を電流制御回路１１２に出力できるように接続されている。また、目標値設定器１７０は、目標とする電流値を予め設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を電流制御回路１１２に出力できるように接続されている。また、電流制御回路１１２は、電流検出器１１１が検出した電流値と目標値設定器１７０が出力した電流指令値との差分の値を電流誤差信号として第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８に出力することができるように接続されている。また、基本パルス生成器１０９は、第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８に位相差を付けたパルス信号を出力可能に接続されている。
【００３５】
第１ＰＷＭ信号変換器１０７は、図４に示すように、電流制御回路１１２が出力した電流誤差信号を正方向信号（プラス側）と逆方向信号（マイナス側）に分離する分離器１３１と、分離器１３１で分離された正方向信号と基本パルス生成器１０９から出力されたパルス信号とから正方向のＰＷＭ信号（スイッチング信号）を出力するＰＷＭ信号生成器１３２と、分離器１３１で分離された逆方向信号と基本パルス生成器１０９から出力されたパルス信号とから逆方向のＰＷＭ信号（スイッチング信号）を出力するＰＷＭ信号生成器１３３とを具備している。なお、第２ＰＷＭ信号変換器１０８も第１ＰＷＭ信号変換器１０７と同様の構成をしているため説明を省略する。
【００３６】
ＰＷＭ信号生成器１３２は、基本パルス生成器１０９が発生させたパルス信号を積分して三角波にする三角波発生器１４１と（図６参照）、分離器１３１で分離された正方向信号と三角波発生器１４１で発生させた三角波を比較し三角波の方が小さい間、スイッチング素子２１〜２４のいずれかをＯＮにスイッチングするＰＷＭ信号に変換し、三角波の方が大きい間、スイッチング素子２１〜２４のいずれかをＯＦＦにスイッチングするＰＷＭ信号に変換して第１ドライバー部１０５に出力するＰＷＭ信号発生器１４２と（図６参照）、で構成されている。同様に、ＰＷＭ信号生成器１３３は、基本パルス生成器１０９が発生させたパルス信号を積分して三角波にする三角波発生器１４３と、分離器１３１で分離された逆方向信号と三角波発生器１４３で発生させた三角波を比較し三角波の方が小さい間、スイッチング素子２１〜２４のいずれかをＯＮにスイッチングするＰＷＭ信号に変換し、三角波の方が大きい間、スイッチング素子２１〜２４のいずれかをＯＦＦにスイッチングするＰＷＭ信号に変換して第１ドライバー部１０５に出力するＰＷＭ信号発生器１４４とで構成されている。なお、三角波発生器１４１と三角波発生器１４３とは全く同じ働きであるため１個にして共用しても良い。
【００３７】
なお、ＰＷＭ信号によるスイッチング制御の精度を上げたい場合、図５に示すように、電流制御回路１１２が出力する電流誤差信号に所定の倍率（ゲイン）を掛けて補正するゲイン調整器１４５を追加する。ここで、ゲイン調整器１４５は、スイッチングレギュレータ１１０から所定の倍率を指令する電圧制御信号が入力されてゲインを決めることになる。
【００３８】
ここで、基本パルス生成器１０９は、第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８に対して、所定の周波数で位相差を持ったパルス信号を出力する。具体的には、図７（ａ）に示すように、第１ＰＷＭ信号変換器１０７に対して出力するパルス信号をパルス信号１としたら、第２ＰＷＭ信号変換器１０８に出力するパルス信号はパルス信号１に対して１８０°の位相差を持ったパルス信号２となる。なお、スイッチング手段としてのフルブリッジ回路が４ユニットある構成であれば、図７（ｂ）に示すように９０°の位相差を持たせたパルス信号を発生させることになる。
【００３９】
第１ドライバー部１０５は、図３に示すように、正方向駆動回路５と、逆方向駆動回路６と、ハイサイド駆動回路９と、ローサイド駆動回路１０と、ハイサイド駆動回路１１と、ローサイド駆動回路１２とを具備している。そして、正方向駆動回路５は、駆動回路９及びローサイド駆動回路１２にＰＷＭ信号発生器１４２から出力されたＰＷＭ信号を出力可能に接続されている。また、逆方向駆動回路６は、ローサイド駆動回路１０及びハイサイド駆動回路１１にＰＷＭ信号発生器１４４から出力されたＰＷＭ信号を出力可能に接続されている。なお、第２ドライバー部１０６も同様の構成をしている。
【００４０】
第１フルブリッジ回路１０３は、４つのスイッチング素子２１〜２４を備えている。各スイッチング素子２１〜２４には、ＰチャンネルのパワーＭＯＳＦＥＴを使用している。また、各スイッチング素子２１〜２４素子内には寄生ダイオード２１ａ〜２４ｄと称されるダイオードが内蔵されている。この寄生ダイオードはスイッチング素子がＯＦＦの時、行き場のない電流を還流する役割を果たす。なお、本実施形態では、パワーＭＯＳＦＥＴはすべてをＰチャンネルで構成しているが、パワーＭＯＳＦＥＴにＮチャンネルのものを使用しても良い。また、ＮチャンネルとＰチャンネルの両方を使用したコンプリメンタリ素子を使用しても良い。また、パワーＭＯＳＦＥＴの代わりに通常のバイポーラトランジスタを使用してもよい。なお、第２フルブリッジ回路１０４も同様の構成をしている。
【００４１】
そして、図３に示すように、第１フルブリッジ回路１０３において、スイッチングレギュレータ１１０のプラス側Ｖｃｃからスイッチング素子２１を介してスイッチング素子２２に接続し、スイッチング素子２２はスイッチングレギュレータ１１０のマイナス側ＧＮＤに繋がっている。また、スイッチング素子２１とスイッチング素子２２との間の接続点から第１リアクトル１２１を経て超電導コイル２の２ａに接続されている。また、スイッチングレギュレータ１１０のプラス側Ｖｃｃからスイッチング素子２３を介してスイッチング素子２４に接続し、スイッチング素子２４はスイッチングレギュレータ１１０のマイナス側ＧＮＤに繋がっている。また、スイッチング素子２３とスイッチング素子２４との間の接続点から第２リアクトル１２２を経て超電導コイル２の２ｂに接続されている。
【００４２】
同様に、第２フルブリッジ回路１０４において、スイッチングレギュレータ１１０のプラス側Ｖｃｃからスイッチング素子３１を介してスイッチング素子３２に接続し、スイッチング素子３２はスイッチングレギュレータ１１０のマイナス側ＧＮＤに繋がる。また、スイッチング素子３１とスイッチング素子３２との間の接続点から第１リアクトル１２３を経て超電導コイル２の２ａに接続されている。また、スイッチングレギュレータ１１０のプラス側Ｖｃｃからスイッチング素子３３を介してスイッチング素子３４に接続し、スイッチング素子３４はスイッチングレギュレータ１１０のマイナス側ＧＮＤに繋がっている。また、スイッチング素子３３とスイッチング素子３４との間の接続点から第２リアクトル１２４を経て超電導コイル２の２ｂに接続されている。
【００４３】
ここで、ＰＷＭ信号生成器１３２から出力された正方向のＰＷＭ信号は、正方向駆動回路５及びハイサイド駆動回路９とローサイド駆動回路１２を経てスイッチング素子２１及びスイッチング素子２４のＯＮ・ＯＦＦを制御する。この系統がＯＮであるときは超電導コイル２の２ａから２ｂに電流が流れる。また、ＰＷＭ信号生成器１３３から出力された逆方向のＰＷＭ信号は、逆方向駆動回路６及びローサイド駆動回路１０とハイサイド駆動回路１１を経てスイッチング素子２２及びスイッチング素子２３のＯＮ・ＯＦＦを制御する。この系統がＯＮであるときは超電導コイル２の２ｂから２ａに電流が流れる。なお、図４では交流（サインカーブ）を入力しているが、実際の超電導マグネットではこのような使い方をすることはほとんどなく、あくまでＰＷＭの動作の説明のためである。
【００４４】
平滑コンデンサ４１は、第１リアクトル１２１と超電導コイル２との間を一端４１ａとし、第２リアクトル１２２と超電導コイル２との間を他端４１ｂとして接続されている。同様に平滑コンデンサ４２は、第１リアクトル１２３と超電導コイル２との間を一端４２ａとし、第２リアクトル１２４と超電導コイル２との間を他端４２ｂとして接続されている。このように超電導コイル２の２ａに第１リアクトル１２１と第１リアクトル１２３を経由してひとまとめに接続するのは第１フルブリッジ回路１０３と第２フルブリッジ回路１０４の短絡・干渉防止のためである。また、平滑コンデンサ４１を設けるとリアクトル１２１・１２２との間でローパスフィルタになりスイッチングノイズを軽減する。なお、平滑コンデンサ４２も同様である。
【００４５】
回生回路１１８は、図２に示すように、スイッチングレギュレータ１１０のプラス側とマイナス側との間に接続されている。この回生回路１１８は、図１１に示すように、トランジスタ１５１と、トランジスタ１５１に直列接続された抵抗器１５２と、スイッチングレギュレータ１１０の電圧を検出する電圧検出器１５４（直流電源電圧検出器）と、閾値を設定する閾値設定器１５５と、電圧検出器１５４で検出した値が閾値設定器１５５で設定した閾値を上回った場合に、トランジスタ１５１を導通させて抵抗器１５２に電流を導通させるコンパレータ１５３とを備えている。
【００４６】
（電源装置１０１の動作）
次に、本実施形態に係る電源装置１０１の動作について説明する。まず、超電導コイル２の励磁時の電源装置１０１の動作を説明した後に、超電導コイル２の消磁時の電源装置１０１の動作について説明する。
【００４７】
まず、超電導コイル２を励磁するにあたり、目標値設定器１７０において、励磁時における目標とする電流値を設定する。これにより、目標値設定器１７０は、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を電流制御回路１１２出力することになる。
【００４８】
そして、スイッチングレギュレータ１１０の電源をオンにすることにより交流電源５０から出力された交流電力を直流電力に変換する。これにより、超電導コイル２の励磁が開始される。
【００４９】
次に、電流検出器１１１は、超電導コイル２に流れる電流値を検出してその値を電流制御回路１１２にフィードバックする。そして、電流制御回路１１２は、電流検出器１１１が検出した電流値と目標値設定器１７０が出力した電流指令値との差分の値を電流誤差信号として第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８に出力する。
【００５０】
そして、第１ＰＷＭ信号変換器１０７に出力された電流誤差信号は、分離器１３１によって正方向信号（プラス側）と逆方向信号（マイナス側）に分離される（図４参照）。そして、分離器１３１によって分離された正方向信号はＰＷＭ信号生成器１３２のＰＷＭ信号発生器１４２に入力される。また、分離器１３１によって分離された逆方向信号はＰＷＭ信号生成器１３３のＰＷＭ信号発生器１４４に入力される。なお、第２ＰＷＭ信号変換器１０８に出力された電流誤差信号においても同様の処理がなされる。
【００５１】
一方、基本パルス生成器１０９は、第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８に対して、位相差を持ったパルス信号を出力する。具体的には、図７（ａ）に示すように、第１ＰＷＭ信号変換器１０７に対して出力するパルス信号をパルス信号１としたら、第２ＰＷＭ信号変換器１０８に出力するパルス信号はパルス信号１に対して１８０°の位相差を持ったパルス信号２である。
【００５２】
そして、第１ＰＷＭ信号変換器１０７に出力されたパルス信号１は、ＰＷＭ信号生成器１３２の三角波発生器１４１において、積分されて三角波信号に変換されて（図６参照）、ＰＷＭ信号発生器１４２に出力される。同様に、パルス信号１は、ＰＷＭ信号生成器１３３の三角波発生器１４３において、積分されて三角波信号に変換されて（図６参照）、ＰＷＭ信号発生器１４４に出力される。
【００５３】
次に、ＰＷＭ信号発生器１４２は、分離器１３１で分離された正方向信号と三角波発生器１４１で発生させた三角波信号を比較し三角波信号の方が小さい間、スイッチング素子２１・２４をＯＮにスイッチングするＰＷＭ信号に変換し、三角波の方が大きい間、スイッチング素子２１・２４をＯＦＦにスイッチングするＰＷＭ信号に変換する（図６参照）。また、ＰＷＭ信号発生器１４４は、分離器１３１で分離された逆方向信号と三角波発生器１４３で発生させた三角波信号を比較し三角波信号の方が小さい間、スイッチング素子２２・２３をＯＮにスイッチングするＰＷＭ信号に変換し、三角波の方が大きい間、スイッチング素子２２・２３をＯＦＦにスイッチングするＰＷＭ信号に変換する（図６参照）。
【００５４】
そして、ＰＷＭ信号生成器１３２のＰＷＭ信号発生器１４２から出力された正方向のＰＷＭ信号は、第１ドライバー部１０５の正方向駆動回路５及びハイサイド駆動回路９とローサイド駆動回路１２を経てスイッチング素子２１及びスイッチング素子２４のＯＮ・ＯＦＦを制御する。また、ＰＷＭ信号生成器１３３のＰＷＭ信号発生器１４４から出力された逆方向のＰＷＭ信号は、逆方向駆動回路６及びローサイド駆動回路１０とハイサイド駆動回路１１を経てスイッチング素子２２及びスイッチング素子２３のＯＮ・ＯＦＦを制御する。
【００５５】
同様に、第２ＰＷＭ信号変換器１０８は、パルス信号１に対して１８０°の位相差を持ったパルス信号２と電流制御回路１１２が出力した電流誤差信号からスイッチング素子３１〜３４をＯＮ・ＯＦＦにスイッチングするＰＷＭ信号に変換する。そして、第２ＰＷＭ信号変換器１０８から出力された正方向のＰＷＭ信号は、第２ドライバー部１０６の正方向駆動回路７及びハイサイド駆動回路１３とローサイド駆動回路１６を経てスイッチング素子３１及びスイッチング素子３４のＯＮ・ＯＦＦを制御する。また、第２ＰＷＭ信号変換器１０８から出力された逆方向のＰＷＭ信号は、逆方向駆動回路８及びローサイド駆動回路１４とハイサイド駆動回路１５を経てスイッチング素子３２及びスイッチング素子３３のＯＮ・ＯＦＦを制御する。
【００５６】
そして、スイッチングレギュレータ１１０から出力された直流電力は、スイッチング素子２１〜２４のオン・オフが制御された第１フルブリッジ回路１０３を介して交流状のスイッチング電力として出力される。そして、スイッチング電力は、第１リアクトル１２１又は第２リアクトル１２２を経由して平滑化電力として超電導コイル２に供給されることになる。同様に、スイッチングレギュレータ１１０から出力された直流電力は、スイッチング素子３１〜３４のオン・オフが制御された第２フルブリッジ回路１０４を介して交流状のスイッチング電力として出力される。そして、スイッチング電力、は第１リアクトル１２３又は第２リアクトル１２４を経由して平滑化電力として超電導コイル２に供給されることになる。なお、第１フルブリッジ回路１０３から出力された平滑化電力と第２フルブリッジ回路１０４から出力された平滑化電力は合流して超電導コイル２に供給される。また、超電導コイル２の２ａに第１リアクトル１２１と第１リアクトル１２３を経由してひとまとめにするのは第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４の短絡・干渉防止のためでもある。また、平滑コンデンサ４１・４２は、リアクトル１２１〜１２４との間でローパスフィルタになりスイッチングノイズを軽減する役割を果たす。
【００５７】
次に、図１５及び図１７を参照して、図１５に示すＰＷＭ信号によりスイッチング素子２１〜２４のＯＮ・ＯＦＦをスイッチング制御した場合の超電導コイル２及びスイッチング素子２１〜２４に流れる電流に関して説明する。なお、前述したようにスイッチング素子２１〜２４には寄生ダイオード２１ａ〜２４ｄと呼ばれるダイオードを備えているが、図１７では分かりやすくするために、分離して表記している。また、図１７には出力付近のリアクトル１２１〜１２４、平滑コンデンサ４１・４２などを省略して表記している。また、コンデンサ６００はスイッチングレギュレータ１１０に内蔵されている出力コンデンサで代用する場合と図１７（ａ）のようにスイッチングレギュレータ１１０に内蔵されている出力コンデンサとは別にスイッチング素子近傍に追加する場合とがある。ここでは、いずれにしても、コンデンサの機能説明のため取り出して表記している。
【００５８】
まず、図１５に示すようにスイッチング素子２１及びスイッチング素子２４がＯＮ、スイッチング素子２２及びスイッチング素子２３がＯＦＦである期間Ａの間、図１７（ａ）に示すように、電流はスイッチング素子２１から超電導コイル２を経由してスイッチング素子２４に流れる。その後、全てのスイッチング素子２１〜２４がＯＦＦにした場合（期間Ｂ）、超電導コイル２に電流が流れ続けようとするため、図１７（ｂ）に示すように、電流は寄生ダイオード２２ｂから超電導コイル２を経由して寄生ダイオード２３ｂに流れる。この時は負荷側からコンデンサ６００が充電されることになる。このように従来の流れとは逆方向に流れる事を転流と称するが、寄生ダイオード２１ａ〜２４ｄのＯＮ電圧などのロスがあるので戻って来るエネルギーは供給されたエネルギー１００％ではない。上記のような電流の流れがスイッチング素子２１〜２４のＯＮ・ＯＦＦにより繰り返されることにより、コンデンサ６００の充電放電が繰り返されることになる。
【００５９】
また、図１５に示すＰＷＭ信号によりスイッチング素子３１〜３４のＯＮ・ＯＦＦをスイッチング制御した場合にも上記説明と同様に超電導コイル２及びスイッチング素子３１〜３４に電流が流れる。この場合、第２ＰＷＭ信号変換器１０８に出力するパルス信号２はパルス信号１に対して１８０°の位相差を持っているため、スイッチング素子３１〜３４のＯＮ・ＯＦＦのタイミングは、スイッチング素子２１〜２４のＯＮ・ＯＦＦのタイミングに対してずれることから、スイッチング素子２１〜２４及びスイッチング素子３１〜３４のＯＮ・ＯＦＦのタイミングが分散されることになる。
【００６０】
以上超電導コイル２の励磁時の電源装置１０１の動作を説明した。次に、超電導コイル２の消磁時の電源装置１０１の動作について説明する。
【００６１】
超電導コイル２の消磁時、コンパレータ１５３は、電圧検出器１５４で検出した値が閾値設定器１５５で設定した閾値（本実施形態では、１３．５Ｖ）を上回った場合に、トランジスタ１５１を導通させて抵抗器１５２に電流を導通させて電源装置１０１内のエネルギーを消費させてスイッチングレギュレータ１１０の電圧を低下させる。なお、コンパレータ１５３は、電圧検出器１５４で検出した値が所定の値（本実施形態では、１２．５Ｖ）を上回った場合に、トランジスタ１５１の導通を中止する。図１３に示すように、励磁時はスイッチングレギュレータ１１０側からエネルギーが供給されてコントロールされているので電圧は１２Ｖで一定している。一方、消磁時にはエネルギーが電源装置１０１内を還流し電圧を上昇し、回生開始閾値１３．５Ｖに達するとトランジスタ１５１を導通させて抵抗器１５２に電流を導通させエネルギーを消費させる。また、回生停止閾値１２．５に達するとトランジスタ１５１の導通を中止する。このように二つの閾値を持ち応差（ヒステリシス）を持った動作をさせている。このような回生制御の結果、消磁時の電圧は、図１３に示すように１２．５Ｖと１３.５Ｖの間を往来したギザギザした波形になる。このようして、超電導コイル２の消磁時には、回生回路１１８を用いてスイッチングレギュレータ１１０の電圧上昇を抑制する。
【００６２】
以上に説明した構成によれば、第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４のそれぞれに対して、所定の周波数でＰＷＭ信号を出力することにより直流電力を出力許可（オン）と出力禁止（オフ）とにスイッチングして交流状のスイッチング電力を出力し、出力されたスイッチング電力を平滑化することにより一定電圧の平滑化電力にして超電導コイル２に供給する。ここで、直流電力をスイッチング電力に変換する際にスイッチングのタイミングで発生するスイッチングノイズは、スイッチング電力を平滑コンデンサ４１・４２等によって一定電圧の平滑化電力にしたとしてもわずかに残る。そこで、第２フルブリッジ回路１０４に対して出力するＰＷＭ信号を第１フルブリッジ回路１０３に対して出力するＰＷＭ信号に対して位相差を持たせて出力することにより、第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４から出力される平滑化電力に残ったスイッチングノイズの発生タイミングをそれぞれ位相差分ずれさせることができる。これによれば、並列接続された第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４から出力されたスイッチングノイズの発生タイミングが分散された平滑化電力を合流させることになるので、大きなノイズにはならずスイッチングノイズを低減させることができる。また、スイッチング制御をしているため、消費電力を抑えることができ、電源装置１０１の小型化が可能となる。
【００６３】
また、位相差を持ったＰＷＭ信号に変換するのに以下の手法を使用している。基本パルス生成器１０９から１８０°の位相差を付けたパルス信号を第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８に対してそれぞれ出力し、第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８はそのパルス信号を積分した値から電流制御回路１１２が出力した値を減算して、マイナスの値であればオンに、プラスの値であればオフにそれぞれのスイッチング素子２１〜２４・３１〜３４をスイッチングするＰＷＭ信号に変換する。こうすることにより、第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８は各々位相差を持ったＰＷＭ信号に変換する。そして、この位相差を持ったＰＷＭ信号によって、第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４毎にスイッチング制御される。こうすることにより、第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４から出力される平滑化電力に残ったスイッチングノイズの発生タイミングをそれぞれ位相差分ずれさせることができる。
【００６４】
また、上記の構成によれば、第１フルブリッジ回路１０３（第２フルブリッジ回路１０４）に第１リアクトル１２１（１２３）と第２リアクトル１２２（１２４）と平滑コンデンサ４１（４２）を接続しているため、スイッチング素子２１〜２４（３１〜３４）をスイッチングする際のスイッチングノイズとしての電流リプルをカットして低減させることができる。
【００６５】
また、上記の構成によれば、超電導コイル２を消磁する際において、電圧検出器１５４で検出した値が閾値設定器１５５で設定した閾値を上回った場合に、トランジスタ１５１を導通させて抵抗器１５２に電流を導通させてエネルギーを消費させることによりスイッチングレギュレータ１１０の電圧を低下させることができる。
【００６６】
以上、第１実施形態について説明したが、本発明は更に下記構成を追加・変更して実施することができるものである。
【００６７】
例えば、電源装置１０１に、スイッチングレギュレータ１１０の電圧をコントロールする電圧制御手段を更に追加した構成にすることも可能である。
【００６８】
（電圧制御手段の例１）
具体的には、図８に示すように、電源装置１０１は、電圧制御手段として、電圧検出部１１３と、絶対値化部１１４と、電圧制御部１１５とを備えた構成とする。電圧検出部１１３は、超電導コイル２の両端に接続して超電導コイル２の電圧を検出し、絶対値化部１１４に検出した値を出力可能に接続されている。絶対値化部１１４は、電圧検出部１１３で検出した電圧値を絶対値化し、電圧制御部１１５に絶対値化された値を出力可能に接続されている。電圧制御部１１５は、絶対値化部１１４で絶対値化された値に所定値を加算した値をスイッチングレギュレータ１１０に出力可能に接続されている。
【００６９】
第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４を使用して超電導コイル２にプラス電圧を与える場合もマイナス電圧を与える場合も元の電圧はプラスのみでよい。例えば、出力が±１０Ｖ必要な場合、内部のロス（例えば１Ｖ）を考慮して元電源は１１Ｖの単一電源でよい。このため、超電導コイル２の電圧を電圧検出部１１３で計測し、絶対値化部１１４で絶対値化して、電圧制御部１１５でロス分（１Ｖ）に余裕分（１Ｖ）を加えた値２Ｖ（例）を加算してスイッチングレギュレータ１１０の電圧制御ができるようになる。
【００７０】
上記の構成によれば、電圧検出部１１３で検出した電圧値を絶対値化した値に所定値を加算した値をスイッチングレギュレータ１１０に出力することによりスイッチングレギュレータ１１０の電圧を適正値にコントロールすることができる。これによれば、スイッチングレギュレータ１１０の電圧を必要最低限度まで低くすることにより、スイッチングで発生するオンとオフの電圧差を小さくできるので、スイッチング素子２１〜２４・スイッチング素子３１〜３４をスイッチングする際のスイッチングノイズとしての電流リプルが大きくならないように抑制することができる。
【００７１】
（電圧制御手段の例２）
また、スイッチングレギュレータ１１０の電圧をコントロールする電圧制御手段として、図９に示すように、記憶部１１７と、電圧演算器１１６と、目標値設定器１７０と、絶対値化部１１４と、電圧制御部１１５とを備えた構成とする。記憶部１１７は、超電導コイル２のリアクタンスの値を記憶し、必要に応じて電圧演算器１１６に超電導コイル２のリアクタンスの値を電圧演算器１１６に出力可能に接続されている。目標値設定器１７０は、電流増減速度が設定可能とされ、必要に応じて電圧演算器１１６に電流増減速度を出力可能に接続されている。電圧演算器１１６は、記憶部１１７に記憶されたリアクタンスの値に目標値設定器１７０で設定された電流増減速度を乗算して電圧値を算出し、絶対値化部１１４に算出した電圧値を出力可能に接続されている。絶対値化部１１４は、電圧演算器１１６で算出した電圧値を絶対値化し、電圧制御部１１５に絶対値化した値を出力可能に接続されている。電圧制御部１１５は、絶対値化部１１４で絶対値化された値に所定値を加算した値をスイッチングレギュレータ１１０に出力可能に接続されている。
【００７２】
電圧演算器１１６は、記憶部１１７に記憶された超電導コイル２リアクタンスの値に目標値設定器１７０で設定された電流増減速度を乗算して電圧値を算出する。そして、電圧演算器１１６で算出された電圧値を絶対値化部１１４で絶対値化して、電圧制御手段の例１同様に、電圧制御部１１５でロス分に余裕分を加えた値を加算してスイッチングレギュレータ１１０を電圧制御する。
【００７３】
上記の構成によれば、超電導コイル２のリアクタンスの値に目標値設定器１７０で設定された電流増減速度を乗算して電圧値を算出し、算出した電圧値を絶対値化した値に所定値を加算した値をスイッチングレギュレータ１１０に出力することによりスイッチングレギュレータ１１０の電圧を適正値にコントロールすることができる。これによれば、スイッチングレギュレータ１１０の電圧を必要最低限度まで低くすることにより、スイッチングで発生するオンとオフの電圧差を小さくできるので、スイッチング素子２１〜２４・スイッチング素子３１〜３４をスイッチングする際のスイッチングノイズとしての電流リプルが大きくならないように抑制することができる。
【００７４】
（電圧制御手段の例３）
また、スイッチングレギュレータ１１０の電圧をコントロールする電圧制御手段として、図１０に示すように、加算器１６５と、目標値設定器１６３と、比較回路１６４と、更に、参照電圧を出力する参照電圧器１６６と、電圧制御回路１６７とを備えた構成とする。加算器１６５は、第１ＰＷＭ信号変換器１０７から出力された正方向のＰＷＭ信号および逆方向のＰＷＭ信号を合成してフィルタ１６１によって平均化した値と、第２ＰＷＭ信号変換器１０８から出力された正方向のＰＷＭ信号および逆方向のＰＷＭ信号を合成してフィルタ１６２によって平均化した値とを加算した値を比較回路１６４に出力可能に接続されている。目標値設定器１６３は、目標とする電圧目標値が設定可能とされ、必要に応じて比較回路１６４に電圧目標値を出力可能に接続されている。比較回路１６４は、加算器１６５で加算した値から目標値設定器１６３で設定した電圧目標値を減算し、マイナスであれば差分の値に相当するプラス出力を電圧制御回路１６７に出力し、プラスであれば差分の値に相当するマイナス出力を電圧制御回路１６７に出力可能に接続されている。参照電圧器１６６は参照電圧を電圧制御回路１６７に出力可能に接続されている。電圧制御回路１６７は、参照電圧器１６６の参照電圧を参照して、比較回路１６４から出力されたプラス出力又はマイナス出力をスイッチングレギュレータ１１０に出力可能に接続されている。
【００７５】
仮に、第１フルブリッジ回路１０３および第２フルブリッジ回路１０４の正方向を制御するデューティが８０％で、第１フルブリッジ回路１０３および第２フルブリッジ回路１０４の逆方向を制御するデューティが０％とすると、仮にパルス高さが５Ｖで設計されていれば正方向８０％＋逆方向０％の合計８０％を平均化してフィルタ１６１の出力が４Ｖになり、同様にフィルタ１６２の出力も４Ｖであるため、加算器１６５が出力する信号は８Ｖとなる。目標値設定器１６３では、電圧目標値を比較回路１６４に出力し、比較回路１６４は、加算器１６５から得た値の方が電圧目標値より小さければプラスの出力、加算器１６５から得た値の方が電圧目標値より大きければマイナスの出力を電圧制御回路１６７に出力して調整する。なお、１６６は参照電圧器であり、通常スイッチングレギュレータ１１０の定格電圧の半分程度、例えば５Ｖなどに相当する参照電圧にする。上記加算器１６５の両フィルタ信号が加算され、倍化されているので、この参照電圧も倍化し、５×２＝１０Ｖなどに設定する。このようにして、電圧制御回路１６７の出力はデューティ比８０％で運転するようにＰＷＭ信号から得た電圧をフィードバック信号としてスイッチングレギュレータ１１０の電圧制御をし、平均的なデューティ比８０％で運転するように制御する。
なお、正常に制御していればフィルタ１６１の出力とフィルタ１６２の出力は同値なので、片方を省略しても良い。また、第１ＰＷＭ信号変換器１０７から出力された正方向のＰＷＭ信号および逆方向のＰＷＭ信号を合成してフィルタ１６１によって平均化する代わりに、正方向のＰＷＭ信号をフィルタで平均化し、逆方向のＰＷＭ信号を別のフィルタで平均化しあと加算し、フィルタ１６１を省略する方法を採用しても良い。
【００７６】
上記の構成によれば、加算器１６５で加算した値から目標値設定器１６３で設定した電圧目標値を減算し、マイナスであれば差分の値に相当するプラス出力をスイッチングレギュレータ１１０に出力し、プラスであれば差分の値に相当するマイナス出力をスイッチングレギュレータ１１０に出力することによりスイッチングレギュレータ１１０の電圧を適正値にコントロールすることができる。これによれば、スイッチングレギュレータ１１０の電圧を必要最低限度まで低くすることにより、スイッチングで発生するオンとオフの電圧差を小さくできるので、スイッチング素子２１〜２４・スイッチング素子３１〜３４をスイッチングする際のスイッチングノイズとしての電流リプルが大きくならないように抑制することができる。
【００７７】
（回生回路１１８の変形例）
また、第１実施形態で説明した図１１に示した回生回路１１８に代えて、図１２に示した回生回路１１８に変更してもよい。
【００７８】
図１２に示す回生回路１１８は、回生用スイッチング素子１７４と、抵抗器１５２と、電圧検出器１５４（直流電源電圧検出器）と、閾値設定器６５５と、回生制御手段１７１と、基本パルス生成器１７３と、回生用スイッチング素子制御回路１７２とを備えた構成をしている。回生用スイッチング素子１７４は、スイッチングレギュレータ１１０のプラス側とマイナス側との間に接続され、オン・オフにより直列に接続した抵抗器１５２に電流を導通させるか導通させないかをコントロールする役割を果たす。抵抗器１５２は、回生用スイッチング素子１７４に直列接続され、導通された電流を通過させてエネルギーを消費させる役割を果たす。電圧検出器１５４は、スイッチングレギュレータ１１０のプラス側とマイナス側に接続してスイッチングレギュレータ１１０の電圧を検出し、検出した電圧値を回生制御手段１７１に出力可能に接続されている。閾値設定器６５５は、予め所定の回生開始閾値や最大回生閾値を設定し、必要に応じて設定した回生開始閾値や最大回生閾値を回生制御手段１７１に出力可能に接続されている。回生制御手段１７１は、電圧検出器１５４で検出した電圧値と閾値設定器６５５で設定した回生開始閾値、例えば１２.５Ｖとの差分の値を回生用スイッチング素子制御回路１７２に出力可能に接続されている。パルス生成器１７３は、パルス信号を回生用スイッチング素子制御回路１７２に出力可能に接続されている。回生用スイッチング素子制御回路１７２は、基本パルス生成器１７３が発生させたパルス信号を積分した値から回生制御手段１７１が出力した値を減算して、マイナスの値であれば回生用スイッチング素子１７４をオンに、プラスの値であれば回生用スイッチング素子１７４をオフにスイッチングするＰＷＭ信号に変換し、そのＰＷＭ信号を回生用スイッチング素子１７４に出力可能にするように接続されている。なお、回生制御手段１７１などでは閾値設定器６５５で設定した最大回生閾値、例えば１３．５ＶでＰＷＭ信号が最大の状態（例えば常にオンになる状態）で制御される。また、基本パルス生成器１７３には、基本パルス生成器１０９を流用してもよい。
【００７９】
上記の構成によれば、超電導コイル２を消磁する際において、基本パルス生成器１７３が発生させたパルス信号を積分した値から回生制御手段１７１が出力した値を減算して、マイナスの値であれば回生用スイッチング素子１７４をオンにして、回生用スイッチング素子１７４を導通させて抵抗器１５２に電流を導通させてエネルギーを消費させることによりスイッチングレギュレータ１１０の電圧を低下させることができる。また、閾値との差分に応じてＰＷＭ信号のオンとオフの比率を変化させてスイッチングするので回生動作時のスイッチングの電圧変動を小さくできる。図１３ののこぎり型変動をほとんどなくし、消磁に伴うエネルギー吸収の状況に応じて、この例では１２．５Ｖと１３．５Ｖの間のどこかのバランス点（電圧）でほぼ一定の電圧になるように回生動作が制御される。これにより、超電導コイル２の消磁時にスイッチングレギュレータ１１０の電圧が回生動作で変動するために生じる電流リプルを抑制することができる。
【００８０】
（偏流防止機構）
また、電源装置１０１に、第１フルブリッジ回路１０３又は第２フルブリッジ回路１０４に電流が偏って流れる偏流現象を防止することができる機構を更に追加した構成にすることも可能である。
【００８１】
具体的には、図１４に示すように、電源装置１０１において、電流検出器１１１と、目標値設定器１７０と、電流制御回路１１２と、ブリッジ電流検出器５０１と、ブリッジ電流検出器５０２と、平均値算出器５０３と、比較器５０４と、比較器５０５と、指令値補正手段５０６（補正手段）と、指令値補正手段５０７とを備えた構成にする。
【００８２】
電流検出器１１１は、超電導コイル２の２ｂ側と接続して超電導コイル２に流れる電流値を検出し、検出した電流値を電流制御回路１１２に出力できるように接続されている。目標値設定器１７０は、目標とする電流値を予め設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を電流制御回路１１２に出力できるように接続されている。電流制御回路１１２は、電流検出器１１１が検出した電流値と目標値設定器１７０が出力した電流指令値との差分の値を電流誤差信号として指令値補正手段５０６及び指令値補正手段５０７に出力することができるように接続されている。ブリッジ電流検出器５０１は、第１フルブリッジ回路１０３に接続して第１フルブリッジ回路１０３に流れる電流値を検出し、検出した電流値を平均値算出器５０３に出力できるように接続されている。ブリッジ電流検出器５０２は、第２フルブリッジ回路１０４に接続して第２フルブリッジ回路１０４に流れる電流値を検出し、検出した電流値を平均値算出器５０３に出力できるように接続されている。平均値算出器５０３は、ブリッジ電流検出器５０１及びブリッジ電流検出器５０２で検出した電流値の平均値を算出し、算出した平均値を比較器５０４及び比較器５０５に出力できるように接続されている。比較器５０４は、ブリッジ電流検出器５０１で検出した電流値から平均値算出器５０３で算出した平均値を減算して、その値を指令値補正手段５０６に出力できるように接続されている。比較器５０５は、ブリッジ電流検出器５０２で検出した電流値から平均値算出器５０３で算出した平均値を減算して、その値を指令値補正手段５０７に出力できるように接続されている。指令値補正手段５０６は、比較器５０４から出力された値がプラスであれば、電流制御回路１１２から出力された値を減少させる補正をし、比較器５０４から出力された値がマイナスであれば、電流制御回路１１２から出力された値を増加させる補正をして、補正した値を第１ＰＷＭ信号変換器１０７に出力できるように接続されている。指令値補正手段５０７は、比較器５０５から出力された値がプラスであれば、電流制御回路１１２から出力された値を減少させる補正をし、比較器５０５から出力された値がマイナスであれば、電流制御回路１１２から出力された値を増加させる補正をして、補正した値を第２ＰＷＭ信号変換器１０８に出力できるように接続されている。なお、比較器５０４及び比較器５０５にリミッタを設け、リミッタに達した場合は内部異常扱いとして、電流の供給を停止する保護モードの構成を追加してもよい。
【００８３】
上記の構成によれば、各ブリッジ電流検出器５０１・５０２で検出した電流値から平均値算出器５０３で算出した平均値を減算した値がプラスであれば、電流制御回路１１２から出力された値を減少させる補正をし、マイナスであれば、電流制御回路１１２から出力された値を増加させる補正をすることができる。こうすることにより、第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４に流れる電流値を平均化することができる。これにより、第１フルブリッジ回路１０３又は第２フルブリッジ回路１０４の一方に電流が偏って流れる偏流現象を防止することができ、各種回路素子を保護することが可能となる。
【００８４】
（第２実施形態）
第１実施形態に係る電源装置１０１がバイポーラタイプ、即ち超電導コイル２に流れる電流が２ａから２ｂと２ｂから２ａとのいずれでも流れるタイプであるの対して、図２０に示す第２実施形態に係る電源装置２０１は、ユニポーラタイプ、即ち超電導コイル２に流れる電流が２ａから２ｂ方向にのみ流れる構成をしている。
【００８５】
具体的には、図２０に示す第２実施形態に係る電源装置２０１は、第１実施形態の電源装置１０１のスイッチング素子２２の代わりにダイオード２２２を設け、スイッチング素子２３の代わりに、ダイオード２２３を設けている。そして、逆方向のＰＷＭ信号がないので、電源装置１０１における逆方向駆動回路６、ローサイド駆動回路１０、ハイサイド駆動回路１１は設けていない。同様に、第１実施形態の電源装置１０１のスイッチング素子３２の代わりにダイオード２３２を設け、スイッチング素子３３の代わりに、ダイオード２３３を設けている。そして、逆方向のＰＷＭ信号がないので、電源装置１０１における逆方向駆動回路８、ローサイド駆動回路１４、ハイサイド駆動回路１５は設けていない。スイッチング素子２２・２３及びスイッチング素子３２・３３を省いたのは、正方向の電流だけ流れるのであれば、スイッチング素子２２・２３及びスイッチング素子３２・３３はＯＮになることがないから不要となったためであり、逆にダイオード２２２・２２３及びダイオード２３２・２３３が必要なのは、スイッチング素子２２・２３及びスイッチング素子３２・３３がＯＦＦしたタイミングでの電流の逃げ道がなくなるのでこれを逃がすためである。
【００８６】
電源装置２０１では、スイッチング素子２１（第１スイッチング素子）、ダイオード２２２（第１ダイオード）、ダイオード２２３（第２ダイオード）、及び、スイッチング素子２４（第２スイッチング素子）からなるスイッチング手段を混合ブリッジ回路２０３としている。また、スイッチング素子３１（第１スイッチング素子）、ダイオード２３２（第１ダイオード）、ダイオード２３３（第２ダイオード）、及び、スイッチング素子３４（第２スイッチング素子）からなるスイッチング手段を混合ブリッジ回路２０４としている。
【００８７】
上記の構成によれば、基本パルス生成器１０９は、第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８に対して、位相差を持ったパルス信号を出力する。具体的には、第１実施形態同様に、図７（ａ）に示すように、第１ＰＷＭ信号変換器１０７に対して出力するパルス信号をパルス信号１としたら、第２ＰＷＭ信号変換器１０８に出力するパルス信号はパルス信号１に対して１８０°の位相差を持ったパルス信号２である。そして、第１ＰＷＭ信号変換器１０７はパルス信号１を積分した値から電流制御回路１１２が出力した値を減算して、マイナスの値であればオンに、プラスの値であればオフにスイッチング素子２１・２４をスイッチングするＰＷＭ信号に変換する。同様に、第２ＰＷＭ信号変換器１０８はパルス信号２を積分した値から電流制御回路１１２が出力した値を減算して、マイナスの値であればオンに、プラスの値であればオフにスイッチング素子３１・３４をスイッチングするＰＷＭ信号に変換する。そして、第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８は各々位相差を持ったＰＷＭ信号を出力する。そして、この位相差を持ったＰＷＭ信号によって、混合ブリッジ回路２０３及び混合ブリッジ回路２０４毎にスイッチング制御される。こうすることにより、混合ブリッジ回路２０３及び混合ブリッジ回路２０４から出力される平滑化電力に残ったスイッチングノイズの発生タイミングをそれぞれ位相差分ずれさせることができる。これによれば、並列接続された混合ブリッジ回路２０３及び混合ブリッジ回路２０４から出力されたスイッチングノイズの発生タイミングが分散された平滑化電力を合流させることになるので、大きなノイズにはならずスイッチングノイズを低減させることができる。また、スイッチング素子を使用してスイッチング制御をしているため、消費電力を抑えることができ、電源装置の小型化が可能となる。
【００８８】
また、上記の構成によれば、第１実施形態同様に、混合ブリッジ回路２０３（混合ブリッジ回路２０４）に第１リアクトル１２１（１２３）と第２リアクトル１２２（１２４）と平滑コンデンサ４１（４２）を接続しているため、スイッチング素子２１・２４（３１・３４）をスイッチングする際のスイッチングノイズとしての電流リプルをカットして低減させることができる。
【００８９】
（変形例）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することができるものである。
【００９０】
（変形例１）
例えば、第１実施形態では、スイッチング手段として、フルブリッジ回路である第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４を使用している。しかし、これに限らず、図２１に示すように、ハーフブリッジ回路である第１ハーフブリッジ回路６０３及び第２ハーフブリッジ回路６０４を使用した構成にしてもよい。この場合、図２２に示すように、第１ハーフブリッジ回路６０３は、スイッチング素子６２１素子及びスイッチング素子６２２の２つのスイッチング素子から構成されている。同様に、第２ハーフブリッジ回路６０４もスイッチング素子６３１素子及びスイッチング素子６３２の２つのスイッチング素子から構成されている。また、直流電源手段にはプラス・マイナス電源が必要で、スイッチングレギュレータ１１０及びスイッチングレギュレータ６１０の２段構えの構成としている。そして、スイッチングレギュレータ１１０とスイッチングレギュレータ６１０の中点（図ではＧＮＤ）に超電導コイル２を接続する。
【００９１】
上記の構成によっても、第１ハーフブリッジ回路６０３及び第２ハーフブリッジ回路６０４に対してそれぞれ位相差を付けてスイッチング制御することができる。即ち、第１ハーフブリッジ回路６０３及び第２ハーフブリッジ回路６０４毎によって、スイッチング素子６２１・６２２及びスイッチング素子６３１・６３２のオン・オフのタイミングが分散されることになる。これにより、スイッチング素子６２１・６２２及びスイッチング素子６３１・６３２のオン・オフのタイミングが分散されるので、スイッチング素子６２１・６２２及びスイッチング素子６３１・６３２をスイッチングする際のスイッチングノイズを低減させることができる。また、スイッチング素子６２１・６２２及びスイッチング素子６３１・６３２を使用してスイッチング制御をしているため、消費電力を抑えることができる。
【００９２】
（変形例２）
また、第１実施形態では、図２及び図３に示したように、電源装置１０１を２組のフルブリッジ回路（第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４）で構成する例で説明したが、フルブリッジ回路は３組、４組やそれ以上、たとえば８組構成としても良い。もっとも、フルブリッジ回路の構成数が多い方がスイッチングノイズは減少するが、回路構成の複雑化する。また、第１実施形態では、１つのフルブリッジ回路（例えば、第１フルブリッジ回路１０３）に４つのスイッチング素子２１〜２４を使用しているが、これに限らず、２つのスイッチング素子を並列で使用して合計８つのスイッチング素子でフルブリッジ回路を構成してもよい。
【００９３】
（変形例３）
また、第１実施形態ではスイッチング素子２１〜２４のＯＮ・ＯＦＦをスイッチング制御するために図１５で示したＰＷＭ信号を使用している。スイッチング素子２１とスイッチング素子２４は同じＰＷＭ信号でＯＮ/ＯＦＦし、スイッチング素子２２とスイッチング素子２３はＯＦＦのままとなっている。しかしながら、これに限らず、図１５のようなＰＷＭ信号以外に種々のものが実現できる。図１６（ａ）、図１６（ｂ）、図１６（ｃ）はその変形例である。
【００９４】
（変形例３−１：図１６（ａ））
図１６（ａ）では、スイッチング素子２１に対するＰＷＭ信号とスイッチング素子２２に対するＰＷＭ信号とは補完関係にあり、スイッチング素子２３に対するＰＷＭ信号とスイッチング素子２４に対するＰＷＭ信号とも補完関係にある。
【００９５】
（変形例３−２：図１６（ｂ））
また、図１６（ｂ）では、スイッチング素子２１に対するＰＷＭ信号とスイッチング素子２２に対するＰＷＭ信号とは補完関係にあり、スイッチング素子２３に対するＰＷＭ信号とスイッチング素子２４に対するＰＷＭ信号とも補完関係にあるが、スイッチング素子２１に対するＰＷＭ信号とスイッチング素子２４に対するＰＷＭ信号とは異なる信号である。
【００９６】
次に、図１７〜図１９を参照して図１６（ｂ）に示すＰＷＭ信号によりスイッチング素子２１〜２４をＯＮ・ＯＦＦした場合の超電導コイル２およびスイッチング素子２１〜２４に流れる電流を説明する。
【００９７】
まず、スイッチング素子２１・２４がＯＮでスイッチング素子２２・２３がＯＦＦである期間Ａでは、電流は図１７（ａ）のようにスイッチング素子２１から超電導コイル２を経由してスイッチング素子２４に流れる。次に、スイッチング素子２１・２３がＯＮでスイッチング素子２２・２４がＯＦＦである期間Ｂでは、電流は図１８（ｂ）のようにスイッチング素子２１から超電導コイル２を経由してスイッチング素子２３に流れて還流することになる。再びスイッチング素子２１・２４がＯＮでスイッチング素子２２・２３がＯＦＦである期間Ｃでは、電流は図１７（ａ）のようにスイッチング素子２１から超電導コイル２を経由してスイッチング素子２４にながれる。次に、スイッチング素子２２・２４がＯＮで２１・２３がＯＦＦである期間Ｄでは、電流は図１９のようにスイッチング素子２２から超電導コイル２を経由してスイッチング素子２４に流れて還流することになる。
【００９８】
上記のように超電導コイル２に電流が流れ続けるが、スイッチングレギュレータ１１０からコンデンサ６００に溜まった電流が放電されながら供給される状態と、スイッチングレギュレータ１１０やコンデンサ６００からほとんど電流が供給されずに還流している状態とを繰り返す。
【００９９】
スイッチング素子２１〜２４のＯＮ・ＯＦＦをスイッチング制御するために図１５で示したＰＷＭ信号を使用した場合、コンデンサ６００がスイッチング毎に充放電を繰り返すので、コンデンサ６００の性能により制御特性が悪くなることや、繰り返す充放電でコンデンサ６００の寿命が短くなる場合がある。しかしながら、スイッチング素子２１〜２４のＯＮ・ＯＦＦをスイッチング制御するために図１６（ｂ）で示したＰＷＭ信号を使用した場合、スイッチング素子２１〜２４の応答性や内部抵抗で性能が決まるため、コンデンサ６００の性能に左右する場合と比べて制御性能の向上が期待できる。また、コンデンサ６００の寿命の問題も軽減される。
【０１００】
（変形例３−３：図１６（ｃ））
また、図１６（ｃ）では、スイッチング素子２１に対するＰＷＭ信号とスイッチング素子２２に対するＰＷＭ信号とは補完関係にあり、スイッチング素子２３に対するＰＷＭ信号とスイッチング素子２４に対するＰＷＭ信号とも補完関係にあるが、スイッチング素子２１に対するＰＷＭ信号とスイッチング素子２２に対するＰＷＭ信号とはそれぞれデューティ比５０％で位相差を持っている。
【０１０１】
この場合も、コンデンサ６００の充放電の繰り返し、寄生ダイオード２１ａ〜２４ｄの還流を回避できるので、効率・制御性能・部品寿命を良くするこができる。
【０１０２】
（変形例４）
また、図２３に示すように、超電導コイル２の２ａ端、２ｂ端をそれぞれスイッチングレギュレータ１１０のマイナス側にコンデンサ５４１・５４２を挿入し交流的に接地するのもよい。このコンデンサ５４１・５４２は図２３のように平滑コンデンサ４１・４２と併用するのも良いが、設計次第では平滑コンデンサ４１・４２を廃止してコンデンサ５４１・５４２のみでもよい。なお、接地はスイッチングレギュレータ１１０のプラス側でも良い。このコンデンサ５４１・５４２によれば超電導コイル２の２ａ端、２ｂ端に乗る同相ノイズを吸収できる。同相の電圧ノイズが超電導コイル２に乗ると、超電導コイル２に大きな静電容量が地面との間にある場合には、電流リプルが発生することがあるため、これを除去できる。
【符号の説明】
【０１０３】
２ 超電導コイル
２１〜２４・３１〜３４ スイッチング素子
４１・４２ 平滑コンデンサ
５０ 交流電源
５１ 直流電源手段
５２ 第１スイッチング手段
５３ 第２スイッチング手段
５４ スイッチング制御手段
１０１ 電源装置
１０３ 第１フルブリッジ回路
１０４ 第２フルブリッジ回路
１０５ 第１ドライバー部
１０６ 第２ドライバー部
１０７ 第１ＰＷＭ信号変換器
１０８ 第２ＰＷＭ信号変換器
１０９ パルス生成器
１１０ スイッチングレギュレータ
１１１ 電流検出器
１１２ 電流制御回路
１１８ 回生回路
１２１・１２３ 第１リアクトル
１２２・１２４ 第２リアクトル
１７０ 目標値設定器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイルを励磁する電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超電導コイル用の電源装置には、特許文献１にあるように所望の電圧を超電導コイルに与えるためにトランジスタで制御したものが用いられてきた。この特許文献１に記載された電源装置は、電源から負荷に電力を供給する電力供給回路の一部が複数本の分岐経路とされていて、複数本の分岐経路それぞれにトランジスタが設けられ、電力供給経路に流れる電流の値が電流値検出部により検出され、この検出された電流値が一定となるように電圧制御部によりトランジスタの制御端子に与えられる電圧値が制御されるように構成されている。
【０００３】
しかしながら、上記のように所望の電圧を超電導コイルに与えるためにトランジスタを使用して制御する場合、トランジスタにおいて絶えず熱消費が行われるため、比較的消費電力も増加するとともに放熱手段が大型化してしまうという問題がある。
【０００４】
この問題を解決するために、特許文献２の装置では、充放電用変換器を使用して、充放電及び保持のタイミングや、時間を全て掌握しスイッチング制御することにより所望の電圧を超電導コイルに与えている。このようにＯＮ・ＯＦＦのスイッチングをしてＯＦＦの期間を設けて制御するため消費電力（熱消費）を抑制することが可能となり、放熱手段の小型化も可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−９８８８５号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１８４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
もっとも、上記のように電圧制御の際に、パワー素子等のＯＮ・ＯＦＦを切り替えてスイッチング制御するため、スイッチングする際に電流リプル等のスイッチングノイズが発生してしまう。この電流リプル等のスイッチングノイズが増大すると通電した超電導コイルや永久電流の温度が上昇し、液体ヘリウムで冷却する超電導マグネットにおいて液体ヘリウムが蒸発してしまう。また、冷凍機で冷却するものは、超電導コイルを通電した回路の温度が上昇し、超電導コイルの冷却能力が下がりクエンチ現象を発生させてしまう場合があり不都合である。また、永久電流スイッチの場合はそのヒータを切っても電流リプル等のスイッチングノイズによる発熱のため超電導化しない問題が生じることもある。
【０００７】
そこで、本発明は上記の様な状況に着目してなされたものであり、その目的は、電源装置の小型化が可能なスイッチング制御を採用しつつ、スイッチングした際発生するスイッチングノイズを低減させることができる超電導コイルの電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を達成するための本発明に係る超電導コイルの電源装置は、交流電力を直流電力に変換する直流電源手段と、スイッチング信号に基づいて前記直流電力を出力許可と出力禁止とにスイッチングすることにより交流状のスイッチング電力とするスイッチング部を前記直流電源手段に複数並列接続したスイッチング手段と、前記各スイッチング部から出力された前記スイッチング電力を平滑化することにより一定電圧の平滑化電力にして前記超電導コイルに出力する平滑手段と、前記各スイッチング部に対して、所定の周波数で前記スイッチング信号をそれぞれ出力することにより所定の前記平滑化電力を形成すると共に、少なくとも一つの前記スイッチング信号を他のスイッチング信号に対して位相差を持たせて出力するスイッチング制御手段とを備えたことを特徴としている。
【０００９】
上記の構成によれば、各スイッチング部のそれぞれに対して、所定の周波数でスイッチング信号を出力することにより直流電力を出力許可と出力禁止とにスイッチングして交流状のスイッチング電力を出力し、出力されたスイッチング電力を平滑化することにより一定電圧の平滑化電力にして超電導コイルに出力する。ここで、直流電力をスイッチング電力に変換する際にスイッチングのタイミングで発生するスイッチングノイズは、スイッチング電力を平滑手段によって一定電圧の平滑化電力にしたとしてもわずかに残る。そこで、少なくとも一つのスイッチング部に対して出力するスイッチング信号を他のスイッチング部に対して出力するスイッチング信号に対して位相差を持たせて出力することにより、各スイッチング部から出力される平滑化電力に残ったスイッチングノイズの発生タイミングをそれぞれ位相差分ずれさせることができる。これによれば、並列接続された各スイッチング部から出力されたスイッチングノイズの発生タイミングが分散された平滑化電力を合流させることになるので、大きなノイズにはならずスイッチングノイズを低減させることができる。また、スイッチング部を使用してスイッチング制御をしているため、消費電力を抑えることができ、電源装置の小型化が可能となる。
【００１０】
また、本発明は、上記発明に係る超電導コイルの電源装置であって、前記スイッチング手段のスイッチング部は、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子、及び、第４スイッチング素子を具備し、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とが接続され、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との間から前記超電導コイルに接続されており、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第３スイッチング素子と第４スイッチング素子とが接続され、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子との間から前記超電導コイルに接続されるフルブリッジ回路であり、前記平滑手段は、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との間と前記超電導コイルとの間に接続した第１リアクトルを接続と、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子との間に接続した第２リアクトルと、前記第１リアクトルと前記超電導コイルとの間を一端とし、前記第２リアクトルと前記超電導コイルとの間を他端として接続した平滑コンデンサであり、前記スイッチング制御手段は、前記超電導コイルに流れる電流値を検出する電流検出器と、目標とする電流値を設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を出力する目標値設定器と、前記電流検出器が検出した電流値と前記目標値設定器が出力した電流指令値との差分の値を出力する電流制御回路と、位相差を付けたパルス信号を複数発生させる基本パルス生成器と、前記基本パルス生成器が発生させたパルス信号を積分した値から前記電流制御回路が出力した値を減算して、マイナスの値であればオンに、プラスの値であればオフに前記第１〜第４スイッチング素子をスイッチングするスイッチング信号としてのＰＷＭ信号に変換する、各フルブリッジ回路に対応する複数の信号変換器であることを特徴としている。
【００１１】
上記の構成によれば、基本パルス生成器から位相差を付けたパルス信号を各信号変換器にそれぞれ出力し、各信号変換器はそのパルス信号を積分した値から電流制御回路が出力した値を減算して、マイナスの値であればオンに、プラスの値であればオフに第１〜第４スイッチング素子をスイッチングするＰＷＭ信号に変換する。こうすることにより、各信号変換器は各々位相差を持ったＰＷＭ信号に変換する。そして、この位相差を持ったＰＷＭ信号によって、フルブリッジ回路毎に第１〜第４スイッチング素子が位相差を持ってオン・オフされることによりスイッチング制御される。こうすることにより、各フルブリッジ回路から出力される平滑化電力に残ったスイッチングノイズの発生タイミングをそれぞれ位相差分ずれさせることができる。これによれば、並列接続された各フルブリッジ回路から出力されたスイッチングノイズの発生タイミングが分散された平滑化電力を合流させることになるので、大きなノイズにはならずスイッチングノイズを低減させることができる。また、フルブリッジ回路のスイッチング素子を使用してスイッチング制御をしているため、消費電力を抑えることができ、電源装置の小型化が可能となる。
【００１２】
また、本発明は、上記発明に係る超電導コイルの電源装置であって、前記スイッチング手段のスイッチング部は、第１スイッチング素子、第１ダイオード、第２ダイオード、及び、第２スイッチング素子を具備し、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第１スイッチング素子と第１ダイオードとが接続され、第１スイッチング素子と第１ダイオードとの間から前記超電導コイルに接続されており、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第２ダイオードと第２スイッチング素子とが接続され、第２ダイオードと第２スイッチング素子との間から前記超電導コイルに接続される混合ブリッジ回路であり、前記平滑手段は、前記第１スイッチング素子と前記第１ダイオードとの間と前記超電導コイルとの間に接続された第１リアクトルと、前記第第２ダイオードと前記第２スイッチング素子との間に接続された第２リアクトルと、前記第１リアクトルと前記超電導コイルとの間を一端とし、前記第２リアクトルと前記超電導コイルとの間を他端として接続された平滑コンデンサであり、前記スイッチング制御手段は、前記超電導コイルに流れる電流値を検出する電流検出器と、目標とする電流値を設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を出力する目標値設定器と、前記電流検出器が検出した電流値と前記目標値設定器が出力した電流指令値との差分の値を出力する電流制御回路と、位相差を付けたパルス信号を複数発生させる基本パルス生成器と、前記基本パルス生成器が発生させたパルス信号を積分した値から前記電流制御回路が出力した値を減算して、マイナスの値であればオンに、プラスの値であればオフに前記第１〜第２スイッチング素子をスイッチングするスイッチング信号としてのＰＷＭ信号に変換する、各混合ブリッジ回路に対応する複数の信号変換器であることを特徴としている。
【００１３】
上記の構成によれば、基本パルス生成器から位相差を付けたパルス信号を各信号変換器にそれぞれ出力し、各信号変換器はそのパルス信号を積分した値から電流制御回路が出力した値を減算して、マイナスの値であればオンに、プラスの値であればオフに第１〜第２スイッチング素子をスイッチングするＰＷＭ信号に変換する。こうすることにより、各信号変換器は各々位相差を持ったＰＷＭ信号に変換する。そして、この位相差を持ったＰＷＭ信号によって、混合ブリッジ回路毎に第１〜第２スイッチング素子が位相差を持ってオン・オフされることによりスイッチング制御される。こうすることにより、各混合ブリッジ回路から出力される平滑化電力に残ったスイッチングノイズの発生タイミングをそれぞれ位相差分ずれさせることができる。これによれば、並列接続された各混合ブリッジ回路から出力されたスイッチングノイズの発生タイミングが分散された平滑化電力を合流させることになるので、大きなノイズにはならずスイッチングノイズを低減させることができる。また、混合ブリッジ回路のスイッチング素子を使用してスイッチング制御をしているため、消費電力を抑えることができ、電源装置の小型化が可能となる。
【００１４】
また、本発明は、上記発明に係る超電導コイルの電源装置であって、前記直流電源手段の電圧をコントロールする電圧制御手段を備えたことを特徴としている。
【００１５】
上記の構成によれば、直流電源手段の電圧をコントロールすることにより、スイッチング素子をスイッチングする際のスイッチングノイズが大きくならないように抑制することができる。
【００１６】
また、本発明は、上記発明に係る超電導コイルの電源装置であって、前記電圧制御手段は、前記超電導コイルの電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部で検出した電圧値を絶対値化する絶対値化部と、前記絶対値化部で絶対値化された値に所定値を加算する電圧制御部と、を備えていることを特徴としている。
【００１７】
上記の構成によれば、電圧検出部で検出した電圧値を絶対値化した値に所定値を加算した値を直流電源手段に出力することにより直流電圧手段の電圧を適正値にコントロールすることができる。これによれば、直流電源手段の電圧を必要最低限度まで低くすることにより、スイッチングで発生するオンとオフの電圧差を小さくできるので、スイッチング素子をスイッチングする際のスイッチングノイズとしての電流リプルが大きくならないように抑制することができる。
【００１８】
また、本発明は、上記発明に係る超電導コイルの電源装置であって、前記電圧制御手段は、前記超電導コイルのリアクタンスの値を記憶する記憶部と、電流増減速度が設定される設定器と、前記記憶部に記憶されたリアクタンスの値に前記設定器で設定された電流増減速度を乗算して電圧値を算出する電圧演算器と、前記電圧演算器で算出した電圧値を絶対値化する絶対値化部と、前記絶対値化部で絶対値化された値に所定値を加算する電圧制御部と、を備えていることを特徴としている。
【００１９】
上記の構成によれば、超電導コイルのリアクタンスの値に設定器で設定された電流増減速度を乗算して電圧値を算出し、算出した電圧値を絶対値化した値に所定値を加算した値を直流電源手段に出力することにより直流電圧手段の電圧を適正値にコントロールすることができる。これによれば、直流電源手段の電圧を必要最低限度まで低くすることにより、スイッチングで発生するオンとオフの電圧差を小さくできるので、スイッチング素子をスイッチングする際のスイッチングノイズとしての電流リプルが大きくならないように抑制することができる。
【００２０】
また、本発明は、上記発明に係る超電導コイルの電源装置であって、前記電圧制御手段は、前記スイッチング制御手段が出力した各パルス信号をフィルタで平均化した値を加算する加算器と、目標とする電圧目標値を設定する目標値設定器と、前記加算器で加算した値から前記目標設定器で設定した電圧目標値を減算し、マイナスであれば差分の値に相当するプラス出力をし、プラスであれば差分の値に相当するマイナス出力をする比較制御器とを備えていることを特徴としている。
【００２１】
上記の構成によれば、加算器で加算した値から目標設定器で設定した電圧目標値を減算し、マイナスであれば差分の値に相当するプラス出力を直流電源手段に出力し、プラスであれば差分の値に相当するマイナス出力を直流電源手段に出力することにより直流電圧手段の電圧を適正値にコントロールすることができる。これによれば、直流電源手段の電圧を必要最低限度まで低くすることにより、スイッチングで発生するオンとオフの電圧差を小さくできるので、スイッチング素子をスイッチングする際のスイッチングノイズとしての電流リプルが大きくならないように抑制することができる。
【００２２】
また、本発明は、上記発明に係る超電導コイルの電源装置であって、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に回生手段を更に設け、前記回生手段は、トランジスタと、前記トランジスタに直列接続された抵抗器と、前記直流電源手段の電圧を検出する直流電源電圧検出器と、閾値を設定する閾値設定器と、前記直流電源電圧検出器で検出した値が前記閾値設定器で設定した前記閾値を上回った場合に、前記トランジスタを導通させて前記抵抗器に電流を導通させるコンパレータと、を備えていることを特徴としている。
【００２３】
上記の構成によれば、超電導コイルを消磁する際において、直流電源電圧検出器で検出した値が閾値設定器で設定した閾値を上回った場合に、トランジスタを導通させて抵抗器に電流を導通させてエネルギーを消費させることにより直流電源手段の電圧を低下させることができる。
【００２４】
また、本発明は、上記発明に係る超電導コイルの電源装置であって、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に回生手段を更に設け、前記回生手段は、回生用スイッチング素子と、前記回生用スイッチング素子に直列接続された抵抗器と、前記直流電源手段の電圧を検出する直流電源電圧検出器と、閾値を設定する閾値設定器と、前記直流電源電圧検出器で検出した電圧値と前記閾値設定器で設定した閾値との差分の値を出力する回生制御手段と、基本となるパルス信号を発生させる基本パルス生成器と、前記基本パルス生成器が発生させたパルス信号を積分した値から前記回生制御手段が出力した値を減算して、マイナスの値であれば前記回生用スイッチング素子をオンに、プラスの値であれば前記回生用スイッチング素子をオフにスイッチングする信号に変換する回生用スイッチング素子制御回路と、を備えていることを特徴としている。
【００２５】
上記の構成によれば、超電導コイルを消磁する際において、基本パルス生成器が発生させたパルス信号を積分した値から回生制御手段が出力した値を減算して、マイナスの値であれば回生用スイッチング素子をオンにして、回生用スイッチング素子を導通させて抵抗器に電流を導通させてエネルギーを消費させることにより直流電源手段の電圧を低下させることができる。また、本回生手段を使用すれば、直流電源手段の電圧の変動をより抑制できるので、超電導コイルの消磁時に発生する電流リプルを抑制することができる。
【００２６】
また、本発明は、上記発明に係る超電導コイルの電源装置であって、前記超電導コイルに流れる電流値を検出する電流検出器と、目標とする電流値を設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を出力する目標値設定器と、前記電流検出器が検出した電流値と前記目標値設定器が出力した電流指令値との差分の値を出力する電流制御回路と、各スイッチング部に対応しており、各スイッチング部に流れる電流値を検出するブリッジ電流検出器と、各ブリッジ電流検出器で検出した電流値の平均値を算出する平均値算出器と、各スイッチング部に対応しており、各ブリッジ電流検出器で検出した電流値から前記平均値算出器で算出した平均値を減算して、その値を出力する比較器と、各スイッチング部に対応しており、前記比較器から出力された値がプラスであれば、前記電流制御回路から出力された値を減少させる補正をし、前記比較器から出力された値がマイナスであれば、前記電流制御回路から出力された値を増加させる補正をする補正手段と、を備えていることを特徴としている。
【００２７】
上記の構成によれば、各ブリッジ電流検出器で検出した電流値から平均値算出器で算出した平均値を減算した値がプラスであれば、電流制御回路から出力された値を減少させる補正をし、マイナスであれば、電流制御回路から出力された値を増加させる補正をすることができる。こうすることにより、各スイッチング部に流れる電流値を平均化することができる。これにより、一つのスイッチング部に電流が偏って流れる偏流現象を防止することができ、各種回路素子を保護することができる。
【発明の効果】
【００２８】
電源装置の小型化が可能なスイッチング制御を採用しつつ、スイッチングした際発生するスイッチングノイズを低減させることができる超電導コイルの電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る超電導コイルの電源装置の構成を示す概略図である。
【図２】第１実施形態に係る超電導コイルの電源装置の構成図である。
【図３】第１実施形態に係る第１フルブリッジ回路及び第２フルブリッジ回路の構成図である。
【図４】第１実施形態に係る第１ＰＷＭ信号変換器の構成図である。
【図５】第１実施形態に係る第１ＰＷＭ信号変換器にゲイン調整器を追加した構成図である。
【図６】第１実施形態に係る第１ＰＷＭ信号変換器での信号変換を説明した説明図である。
【図７】基本パルス生成器が出力する位相差を持ったパルス信号の説明図である。
【図８】例１に係る電圧制御手段を備えた超電導コイルの電源装置の構成図である。
【図９】例２に係る電圧制御手段を備えた超電導コイルの電源装置の構成図である。
【図１０】例３に係る電圧制御手段を備えた超電導コイルの電源装置の構成図である。
【図１１】第１実施形態に係る回生回路の構成図である。
【図１２】回生回路の変形例に係る構成図である。
【図１３】励磁時及び消磁時のスイッチングレギュレータの電圧変動を示した説明図である。
【図１４】偏流防止機構を備えた超電導コイルの電源装置の構成図である。
【図１５】第１実施形態に係るＰＷＭ信号を説明した説明図である。
【図１６】変形例に係るＰＷＭ信号を説明した説明図である。
【図１７】図１５及び図１６に示したＰＷＭ信号によりスイッチング素子をスイッチング制御した場合の超電導コイル及びスイッチング素子に流れる電流を説明した第１説明図である。
【図１８】図１５及び図１６に示したＰＷＭ信号によりスイッチング素子をスイッチング制御した場合の超電導コイル及びスイッチング素子に流れる電流を説明した第２説明図である。
【図１９】図１５及び図１６に示したＰＷＭ信号によりスイッチング素子をスイッチング制御した場合の超電導コイル及びスイッチング素子に流れる電流を説明した第３説明図である。
【図２０】第２実施形態に係る超電導コイルの電源装置における混合ブリッジ回路及び混合ブリッジ回路の構成図である。
【図２１】変形例１に係る超電導コイルの電源装置の構成図である。
【図２２】変形例１に係る第１ハーフブリッジ回路及び第２ハーフブリッジ回路の構成図である。
【図２３】変形例４に係る超電導コイルの電源装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（第１実施形態）
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。本発明に係る電源装置１０１は、図１に示すように超電導コイル２を励磁するための電源であって、交流電源５０から出力される交流電力を直流電力に変換する直流電源手段５１と、スイッチング信号に基づいて直流電力を出力許可と出力禁止とにスイッチングすることにより交流状のスイッチング電力とする第１スイッチング部５２及び第２スイッチング部５３を直流電源手段５１に並列接続したスイッチング手段５６と、第１スイッチング部５２及び第２スイッチング部５３から出力されたスイッチング電力を平滑化することにより一定電圧の平滑化電力にして超電導コイル２に出力する平滑手段５５と、各第１スイッチング部５２及び第２スイッチング部５３に対して、所定の周波数でスイッチング信号をそれぞれ出力することにより所定の平滑化電力を形成すると共に、第２スイッチング部５３に出力するスイッチング信号を第１スイッチング部５２に出力するスイッチング信号に対して位相差を持たせて出力するスイッチング制御手段５４とを主に備えた構成をしている。以下、より詳しい構成を説明する。
【００３１】
（電源装置１０１の構成）
図２に示すように、電源装置１０１は、超電導コイル２に接続されている。そして、電源装置１０１は、交流電源５０と接続されたスイッチングレギュレータ１１０（直流電源手段５１）と、スイッチングレギュレータ１１０と接続された４つのスイッチング素子２１〜２４からなる第１フルブリッジ回路１０３（第１スイッチング部５２）と、同じくスイッチングレギュレータ１１０と接続された４つのスイッチング素子３１〜３４からなる第２フルブリッジ回路１０４（第２スイッチング部５３）と、第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４に対してスイッチング素子２１〜２４・３１〜３４をオン・オフするＰＷＭ信号を出力するスイッチング制御手段５４と、スイッチング制御手段５４と第１フルブリッジ回路１０３との間に接続された第１ドライバー部１０５と、スイッチング制御手段５４と第２フルブリッジ回路１０４との間に接続された第２ドライバー部１０６と、図３に示すようにスイッチング素子２１（第１スイッチング素子）とスイッチング素子２２（第２スイッチング素子）との間と超電導コイル２との間に接続された第１リアクトル１２１と、スイッチング素子２３（第３スイッチング素子）とスイッチング素子２４（第４スイッチング素子）との間に接続された第２リアクトル１２２と、第１リアクトル１２１と超電導コイル２との間を一端４１ａとし、第２リアクトル１２２と超電導コイル２との間を他端４１ｂとして接続された平滑コンデンサ４１（平滑手段）と、同様にスイッチング素子３１とスイッチング素子３２との間と超電導コイル２との間に接続された第１リアクトル１２３と、スイッチング素子３３とスイッチング素子３４との間に接続された第２リアクトル１２４と、第１リアクトル１２３と超電導コイル２との間を一端４２ａとし、第２リアクトル１２４と超電導コイル２との間を他端４２ｂとして接続された平滑コンデンサ４２（平滑手段）と、スイッチングレギュレータ１１０のプラス側とマイナス側との間に接続された回生回路１１８（回生手段）とを具備している。
【００３２】
超電導コイル２は、巻枠に超電導線材を略螺旋状に巻き付けることにより構成されており、液体ヘリウムにより極低温（約４．２Ｋ）に冷却した状態で電流を流すことで強磁場を発生させるようになっている。スイッチングレギュレータ１１０は、交流電源５０から出力される交流電力を所定の直流電力に変換する役割を果たす装置である。なお、以後の説明では、超電導コイル２の２ａから２ｂに電流が流れる方向を正方向とし、超電導コイル２の２ｂから２ａに電流が流れる方向を逆方向とする。
【００３３】
スイッチング制御手段５４は、電流検出器１１１と、目標値設定器１７０と、電流制御回路１１２と、基本パルス生成器１０９と、第１ＰＷＭ信号変換器１０７と、第２ＰＷＭ信号変換器１０８とを主な構成要素としている。
【００３４】
電流検出器１１１は、超電導コイル２の２ｂ側と接続して超電導コイル２に流れる電流値を検出し、検出した電流値を電流制御回路１１２に出力できるように接続されている。また、目標値設定器１７０は、目標とする電流値を予め設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を電流制御回路１１２に出力できるように接続されている。また、電流制御回路１１２は、電流検出器１１１が検出した電流値と目標値設定器１７０が出力した電流指令値との差分の値を電流誤差信号として第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８に出力することができるように接続されている。また、基本パルス生成器１０９は、第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８に位相差を付けたパルス信号を出力可能に接続されている。
【００３５】
第１ＰＷＭ信号変換器１０７は、図４に示すように、電流制御回路１１２が出力した電流誤差信号を正方向信号（プラス側）と逆方向信号（マイナス側）に分離する分離器１３１と、分離器１３１で分離された正方向信号と基本パルス生成器１０９から出力されたパルス信号とから正方向のＰＷＭ信号（スイッチング信号）を出力するＰＷＭ信号生成器１３２と、分離器１３１で分離された逆方向信号と基本パルス生成器１０９から出力されたパルス信号とから逆方向のＰＷＭ信号（スイッチング信号）を出力するＰＷＭ信号生成器１３３とを具備している。なお、第２ＰＷＭ信号変換器１０８も第１ＰＷＭ信号変換器１０７と同様の構成をしているため説明を省略する。
【００３６】
ＰＷＭ信号生成器１３２は、基本パルス生成器１０９が発生させたパルス信号を積分して三角波にする三角波発生器１４１と（図６参照）、分離器１３１で分離された正方向信号と三角波発生器１４１で発生させた三角波を比較し三角波の方が小さい間、スイッチング素子２１〜２４のいずれかをＯＮにスイッチングするＰＷＭ信号に変換し、三角波の方が大きい間、スイッチング素子２１〜２４のいずれかをＯＦＦにスイッチングするＰＷＭ信号に変換して第１ドライバー部１０５に出力するＰＷＭ信号発生器１４２と（図６参照）、で構成されている。同様に、ＰＷＭ信号生成器１３３は、基本パルス生成器１０９が発生させたパルス信号を積分して三角波にする三角波発生器１４３と、分離器１３１で分離された逆方向信号と三角波発生器１４３で発生させた三角波を比較し三角波の方が小さい間、スイッチング素子２１〜２４のいずれかをＯＮにスイッチングするＰＷＭ信号に変換し、三角波の方が大きい間、スイッチング素子２１〜２４のいずれかをＯＦＦにスイッチングするＰＷＭ信号に変換して第１ドライバー部１０５に出力するＰＷＭ信号発生器１４４とで構成されている。なお、三角波発生器１４１と三角波発生器１４３とは全く同じ働きであるため１個にして共用しても良い。
【００３７】
なお、ＰＷＭ信号によるスイッチング制御の精度を上げたい場合、図５に示すように、電流制御回路１１２が出力する電流誤差信号に所定の倍率（ゲイン）を掛けて補正するゲイン調整器１４５を追加する。ここで、ゲイン調整器１４５は、スイッチングレギュレータ１１０から所定の倍率を指令する電圧制御信号が入力されてゲインを決めることになる。
【００３８】
ここで、基本パルス生成器１０９は、第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８に対して、所定の周波数で位相差を持ったパルス信号を出力する。具体的には、図７（ａ）に示すように、第１ＰＷＭ信号変換器１０７に対して出力するパルス信号をパルス信号１としたら、第２ＰＷＭ信号変換器１０８に出力するパルス信号はパルス信号１に対して１８０°の位相差を持ったパルス信号２となる。なお、スイッチング手段としてのフルブリッジ回路が４ユニットある構成であれば、図７（ｂ）に示すように９０°の位相差を持たせたパルス信号を発生させることになる。
【００３９】
第１ドライバー部１０５は、図３に示すように、正方向駆動回路５と、逆方向駆動回路６と、ハイサイド駆動回路９と、ローサイド駆動回路１０と、ハイサイド駆動回路１１と、ローサイド駆動回路１２とを具備している。そして、正方向駆動回路５は、駆動回路９及びローサイド駆動回路１２にＰＷＭ信号発生器１４２から出力されたＰＷＭ信号を出力可能に接続されている。また、逆方向駆動回路６は、ローサイド駆動回路１０及びハイサイド駆動回路１１にＰＷＭ信号発生器１４４から出力されたＰＷＭ信号を出力可能に接続されている。なお、第２ドライバー部１０６も同様の構成をしている。
【００４０】
第１フルブリッジ回路１０３は、４つのスイッチング素子２１〜２４を備えている。各スイッチング素子２１〜２４には、ＰチャンネルのパワーＭＯＳＦＥＴを使用している。また、各スイッチング素子２１〜２４素子内には寄生ダイオード２１ａ〜２４ｄと称されるダイオードが内蔵されている。この寄生ダイオードはスイッチング素子がＯＦＦの時、行き場のない電流を還流する役割を果たす。なお、本実施形態では、パワーＭＯＳＦＥＴはすべてをＰチャンネルで構成しているが、パワーＭＯＳＦＥＴにＮチャンネルのものを使用しても良い。また、ＮチャンネルとＰチャンネルの両方を使用したコンプリメンタリ素子を使用しても良い。また、パワーＭＯＳＦＥＴの代わりに通常のバイポーラトランジスタを使用してもよい。なお、第２フルブリッジ回路１０４も同様の構成をしている。
【００４１】
そして、図３に示すように、第１フルブリッジ回路１０３において、スイッチングレギュレータ１１０のプラス側Ｖｃｃからスイッチング素子２１を介してスイッチング素子２２に接続し、スイッチング素子２２はスイッチングレギュレータ１１０のマイナス側ＧＮＤに繋がっている。また、スイッチング素子２１とスイッチング素子２２との間の接続点から第１リアクトル１２１を経て超電導コイル２の２ａに接続されている。また、スイッチングレギュレータ１１０のプラス側Ｖｃｃからスイッチング素子２３を介してスイッチング素子２４に接続し、スイッチング素子２４はスイッチングレギュレータ１１０のマイナス側ＧＮＤに繋がっている。また、スイッチング素子２３とスイッチング素子２４との間の接続点から第２リアクトル１２２を経て超電導コイル２の２ｂに接続されている。
【００４２】
同様に、第２フルブリッジ回路１０４において、スイッチングレギュレータ１１０のプラス側Ｖｃｃからスイッチング素子３１を介してスイッチング素子３２に接続し、スイッチング素子３２はスイッチングレギュレータ１１０のマイナス側ＧＮＤに繋がる。また、スイッチング素子３１とスイッチング素子３２との間の接続点から第１リアクトル１２３を経て超電導コイル２の２ａに接続されている。また、スイッチングレギュレータ１１０のプラス側Ｖｃｃからスイッチング素子３３を介してスイッチング素子３４に接続し、スイッチング素子３４はスイッチングレギュレータ１１０のマイナス側ＧＮＤに繋がっている。また、スイッチング素子３３とスイッチング素子３４との間の接続点から第２リアクトル１２４を経て超電導コイル２の２ｂに接続されている。
【００４３】
ここで、ＰＷＭ信号生成器１３２から出力された正方向のＰＷＭ信号は、正方向駆動回路５及びハイサイド駆動回路９とローサイド駆動回路１２を経てスイッチング素子２１及びスイッチング素子２４のＯＮ・ＯＦＦを制御する。この系統がＯＮであるときは超電導コイル２の２ａから２ｂに電流が流れる。また、ＰＷＭ信号生成器１３３から出力された逆方向のＰＷＭ信号は、逆方向駆動回路６及びローサイド駆動回路１０とハイサイド駆動回路１１を経てスイッチング素子２２及びスイッチング素子２３のＯＮ・ＯＦＦを制御する。この系統がＯＮであるときは超電導コイル２の２ｂから２ａに電流が流れる。なお、図４では交流（サインカーブ）を入力しているが、実際の超電導マグネットではこのような使い方をすることはほとんどなく、あくまでＰＷＭの動作の説明のためである。
【００４４】
平滑コンデンサ４１は、第１リアクトル１２１と超電導コイル２との間を一端４１ａとし、第２リアクトル１２２と超電導コイル２との間を他端４１ｂとして接続されている。同様に平滑コンデンサ４２は、第１リアクトル１２３と超電導コイル２との間を一端４２ａとし、第２リアクトル１２４と超電導コイル２との間を他端４２ｂとして接続されている。このように超電導コイル２の２ａに第１リアクトル１２１と第１リアクトル１２３を経由してひとまとめに接続するのは第１フルブリッジ回路１０３と第２フルブリッジ回路１０４の短絡・干渉防止のためである。また、平滑コンデンサ４１を設けるとリアクトル１２１・１２２との間でローパスフィルタになりスイッチングノイズを軽減する。なお、平滑コンデンサ４２も同様である。
【００４５】
回生回路１１８は、図２に示すように、スイッチングレギュレータ１１０のプラス側とマイナス側との間に接続されている。この回生回路１１８は、図１１に示すように、トランジスタ１５１と、トランジスタ１５１に直列接続された抵抗器１５２と、スイッチングレギュレータ１１０の電圧を検出する電圧検出器１５４（直流電源電圧検出器）と、閾値を設定する閾値設定器１５５と、電圧検出器１５４で検出した値が閾値設定器１５５で設定した閾値を上回った場合に、トランジスタ１５１を導通させて抵抗器１５２に電流を導通させるコンパレータ１５３とを備えている。
【００４６】
（電源装置１０１の動作）
次に、本実施形態に係る電源装置１０１の動作について説明する。まず、超電導コイル２の励磁時の電源装置１０１の動作を説明した後に、超電導コイル２の消磁時の電源装置１０１の動作について説明する。
【００４７】
まず、超電導コイル２を励磁するにあたり、目標値設定器１７０において、励磁時における目標とする電流値を設定する。これにより、目標値設定器１７０は、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を電流制御回路１１２出力することになる。
【００４８】
そして、スイッチングレギュレータ１１０の電源をオンにすることにより交流電源５０から出力された交流電力を直流電力に変換する。これにより、超電導コイル２の励磁が開始される。
【００４９】
次に、電流検出器１１１は、超電導コイル２に流れる電流値を検出してその値を電流制御回路１１２にフィードバックする。そして、電流制御回路１１２は、電流検出器１１１が検出した電流値と目標値設定器１７０が出力した電流指令値との差分の値を電流誤差信号として第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８に出力する。
【００５０】
そして、第１ＰＷＭ信号変換器１０７に出力された電流誤差信号は、分離器１３１によって正方向信号（プラス側）と逆方向信号（マイナス側）に分離される（図４参照）。そして、分離器１３１によって分離された正方向信号はＰＷＭ信号生成器１３２のＰＷＭ信号発生器１４２に入力される。また、分離器１３１によって分離された逆方向信号はＰＷＭ信号生成器１３３のＰＷＭ信号発生器１４４に入力される。なお、第２ＰＷＭ信号変換器１０８に出力された電流誤差信号においても同様の処理がなされる。
【００５１】
一方、基本パルス生成器１０９は、第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８に対して、位相差を持ったパルス信号を出力する。具体的には、図７（ａ）に示すように、第１ＰＷＭ信号変換器１０７に対して出力するパルス信号をパルス信号１としたら、第２ＰＷＭ信号変換器１０８に出力するパルス信号はパルス信号１に対して１８０°の位相差を持ったパルス信号２である。
【００５２】
そして、第１ＰＷＭ信号変換器１０７に出力されたパルス信号１は、ＰＷＭ信号生成器１３２の三角波発生器１４１において、積分されて三角波信号に変換されて（図６参照）、ＰＷＭ信号発生器１４２に出力される。同様に、パルス信号１は、ＰＷＭ信号生成器１３３の三角波発生器１４３において、積分されて三角波信号に変換されて（図６参照）、ＰＷＭ信号発生器１４４に出力される。
【００５３】
次に、ＰＷＭ信号発生器１４２は、分離器１３１で分離された正方向信号と三角波発生器１４１で発生させた三角波信号を比較し三角波信号の方が小さい間、スイッチング素子２１・２４をＯＮにスイッチングするＰＷＭ信号に変換し、三角波の方が大きい間、スイッチング素子２１・２４をＯＦＦにスイッチングするＰＷＭ信号に変換する（図６参照）。また、ＰＷＭ信号発生器１４４は、分離器１３１で分離された逆方向信号と三角波発生器１４３で発生させた三角波信号を比較し三角波信号の方が小さい間、スイッチング素子２２・２３をＯＮにスイッチングするＰＷＭ信号に変換し、三角波の方が大きい間、スイッチング素子２２・２３をＯＦＦにスイッチングするＰＷＭ信号に変換する（図６参照）。
【００５４】
そして、ＰＷＭ信号生成器１３２のＰＷＭ信号発生器１４２から出力された正方向のＰＷＭ信号は、第１ドライバー部１０５の正方向駆動回路５及びハイサイド駆動回路９とローサイド駆動回路１２を経てスイッチング素子２１及びスイッチング素子２４のＯＮ・ＯＦＦを制御する。また、ＰＷＭ信号生成器１３３のＰＷＭ信号発生器１４４から出力された逆方向のＰＷＭ信号は、逆方向駆動回路６及びローサイド駆動回路１０とハイサイド駆動回路１１を経てスイッチング素子２２及びスイッチング素子２３のＯＮ・ＯＦＦを制御する。
【００５５】
同様に、第２ＰＷＭ信号変換器１０８は、パルス信号１に対して１８０°の位相差を持ったパルス信号２と電流制御回路１１２が出力した電流誤差信号からスイッチング素子３１〜３４をＯＮ・ＯＦＦにスイッチングするＰＷＭ信号に変換する。そして、第２ＰＷＭ信号変換器１０８から出力された正方向のＰＷＭ信号は、第２ドライバー部１０６の正方向駆動回路７及びハイサイド駆動回路１３とローサイド駆動回路１６を経てスイッチング素子３１及びスイッチング素子３４のＯＮ・ＯＦＦを制御する。また、第２ＰＷＭ信号変換器１０８から出力された逆方向のＰＷＭ信号は、逆方向駆動回路８及びローサイド駆動回路１４とハイサイド駆動回路１５を経てスイッチング素子３２及びスイッチング素子３３のＯＮ・ＯＦＦを制御する。
【００５６】
そして、スイッチングレギュレータ１１０から出力された直流電力は、スイッチング素子２１〜２４のオン・オフが制御された第１フルブリッジ回路１０３を介して交流状のスイッチング電力として出力される。そして、スイッチング電力は、第１リアクトル１２１又は第２リアクトル１２２を経由して平滑化電力として超電導コイル２に供給されることになる。同様に、スイッチングレギュレータ１１０から出力された直流電力は、スイッチング素子３１〜３４のオン・オフが制御された第２フルブリッジ回路１０４を介して交流状のスイッチング電力として出力される。そして、スイッチング電力、は第１リアクトル１２３又は第２リアクトル１２４を経由して平滑化電力として超電導コイル２に供給されることになる。なお、第１フルブリッジ回路１０３から出力された平滑化電力と第２フルブリッジ回路１０４から出力された平滑化電力は合流して超電導コイル２に供給される。また、超電導コイル２の２ａに第１リアクトル１２１と第１リアクトル１２３を経由してひとまとめにするのは第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４の短絡・干渉防止のためでもある。また、平滑コンデンサ４１・４２は、リアクトル１２１〜１２４との間でローパスフィルタになりスイッチングノイズを軽減する役割を果たす。
【００５７】
次に、図１５及び図１７を参照して、図１５に示すＰＷＭ信号によりスイッチング素子２１〜２４のＯＮ・ＯＦＦをスイッチング制御した場合の超電導コイル２及びスイッチング素子２１〜２４に流れる電流に関して説明する。なお、前述したようにスイッチング素子２１〜２４には寄生ダイオード２１ａ〜２４ｄと呼ばれるダイオードを備えているが、図１７では分かりやすくするために、分離して表記している。また、図１７には出力付近のリアクトル１２１〜１２４、平滑コンデンサ４１・４２などを省略して表記している。また、コンデンサ６００はスイッチングレギュレータ１１０に内蔵されている出力コンデンサで代用する場合と図１７（ａ）のようにスイッチングレギュレータ１１０に内蔵されている出力コンデンサとは別にスイッチング素子近傍に追加する場合とがある。ここでは、いずれにしても、コンデンサの機能説明のため取り出して表記している。
【００５８】
まず、図１５に示すようにスイッチング素子２１及びスイッチング素子２４がＯＮ、スイッチング素子２２及びスイッチング素子２３がＯＦＦである期間Ａの間、図１７（ａ）に示すように、電流はスイッチング素子２１から超電導コイル２を経由してスイッチング素子２４に流れる。その後、全てのスイッチング素子２１〜２４がＯＦＦにした場合（期間Ｂ）、超電導コイル２に電流が流れ続けようとするため、図１７（ｂ）に示すように、電流は寄生ダイオード２２ｂから超電導コイル２を経由して寄生ダイオード２３ｂに流れる。この時は負荷側からコンデンサ６００が充電されることになる。このように従来の流れとは逆方向に流れる事を転流と称するが、寄生ダイオード２１ａ〜２４ｄのＯＮ電圧などのロスがあるので戻って来るエネルギーは供給されたエネルギー１００％ではない。上記のような電流の流れがスイッチング素子２１〜２４のＯＮ・ＯＦＦにより繰り返されることにより、コンデンサ６００の充電放電が繰り返されることになる。
【００５９】
また、図１５に示すＰＷＭ信号によりスイッチング素子３１〜３４のＯＮ・ＯＦＦをスイッチング制御した場合にも上記説明と同様に超電導コイル２及びスイッチング素子３１〜３４に電流が流れる。この場合、第２ＰＷＭ信号変換器１０８に出力するパルス信号２はパルス信号１に対して１８０°の位相差を持っているため、スイッチング素子３１〜３４のＯＮ・ＯＦＦのタイミングは、スイッチング素子２１〜２４のＯＮ・ＯＦＦのタイミングに対してずれることから、スイッチング素子２１〜２４及びスイッチング素子３１〜３４のＯＮ・ＯＦＦのタイミングが分散されることになる。
【００６０】
以上超電導コイル２の励磁時の電源装置１０１の動作を説明した。次に、超電導コイル２の消磁時の電源装置１０１の動作について説明する。
【００６１】
超電導コイル２の消磁時、コンパレータ１５３は、電圧検出器１５４で検出した値が閾値設定器１５５で設定した閾値（本実施形態では、１３．５Ｖ）を上回った場合に、トランジスタ１５１を導通させて抵抗器１５２に電流を導通させて電源装置１０１内のエネルギーを消費させてスイッチングレギュレータ１１０の電圧を低下させる。なお、コンパレータ１５３は、電圧検出器１５４で検出した値が所定の値（本実施形態では、１２．５Ｖ）を上回った場合に、トランジスタ１５１の導通を中止する。図１３に示すように、励磁時はスイッチングレギュレータ１１０側からエネルギーが供給されてコントロールされているので電圧は１２Ｖで一定している。一方、消磁時にはエネルギーが電源装置１０１内を還流し電圧を上昇し、回生開始閾値１３．５Ｖに達するとトランジスタ１５１を導通させて抵抗器１５２に電流を導通させエネルギーを消費させる。また、回生停止閾値１２．５に達するとトランジスタ１５１の導通を中止する。このように二つの閾値を持ち応差（ヒステリシス）を持った動作をさせている。このような回生制御の結果、消磁時の電圧は、図１３に示すように１２．５Ｖと１３.５Ｖの間を往来したギザギザした波形になる。このようして、超電導コイル２の消磁時には、回生回路１１８を用いてスイッチングレギュレータ１１０の電圧上昇を抑制する。
【００６２】
以上に説明した構成によれば、第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４のそれぞれに対して、所定の周波数でＰＷＭ信号を出力することにより直流電力を出力許可（オン）と出力禁止（オフ）とにスイッチングして交流状のスイッチング電力を出力し、出力されたスイッチング電力を平滑化することにより一定電圧の平滑化電力にして超電導コイル２に供給する。ここで、直流電力をスイッチング電力に変換する際にスイッチングのタイミングで発生するスイッチングノイズは、スイッチング電力を平滑コンデンサ４１・４２等によって一定電圧の平滑化電力にしたとしてもわずかに残る。そこで、第２フルブリッジ回路１０４に対して出力するＰＷＭ信号を第１フルブリッジ回路１０３に対して出力するＰＷＭ信号に対して位相差を持たせて出力することにより、第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４から出力される平滑化電力に残ったスイッチングノイズの発生タイミングをそれぞれ位相差分ずれさせることができる。これによれば、並列接続された第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４から出力されたスイッチングノイズの発生タイミングが分散された平滑化電力を合流させることになるので、大きなノイズにはならずスイッチングノイズを低減させることができる。また、スイッチング制御をしているため、消費電力を抑えることができ、電源装置１０１の小型化が可能となる。
【００６３】
また、位相差を持ったＰＷＭ信号に変換するのに以下の手法を使用している。基本パルス生成器１０９から１８０°の位相差を付けたパルス信号を第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８に対してそれぞれ出力し、第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８はそのパルス信号を積分した値から電流制御回路１１２が出力した値を減算して、マイナスの値であればオンに、プラスの値であればオフにそれぞれのスイッチング素子２１〜２４・３１〜３４をスイッチングするＰＷＭ信号に変換する。こうすることにより、第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８は各々位相差を持ったＰＷＭ信号に変換する。そして、この位相差を持ったＰＷＭ信号によって、第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４毎にスイッチング制御される。こうすることにより、第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４から出力される平滑化電力に残ったスイッチングノイズの発生タイミングをそれぞれ位相差分ずれさせることができる。
【００６４】
また、上記の構成によれば、第１フルブリッジ回路１０３（第２フルブリッジ回路１０４）に第１リアクトル１２１（１２３）と第２リアクトル１２２（１２４）と平滑コンデンサ４１（４２）を接続しているため、スイッチング素子２１〜２４（３１〜３４）をスイッチングする際のスイッチングノイズとしての電流リプルをカットして低減させることができる。
【００６５】
また、上記の構成によれば、超電導コイル２を消磁する際において、電圧検出器１５４で検出した値が閾値設定器１５５で設定した閾値を上回った場合に、トランジスタ１５１を導通させて抵抗器１５２に電流を導通させてエネルギーを消費させることによりスイッチングレギュレータ１１０の電圧を低下させることができる。
【００６６】
以上、第１実施形態について説明したが、本発明は更に下記構成を追加・変更して実施することができるものである。
【００６７】
例えば、電源装置１０１に、スイッチングレギュレータ１１０の電圧をコントロールする電圧制御手段を更に追加した構成にすることも可能である。
【００６８】
（電圧制御手段の例１）
具体的には、図８に示すように、電源装置１０１は、電圧制御手段として、電圧検出部１１３と、絶対値化部１１４と、電圧制御部１１５とを備えた構成とする。電圧検出部１１３は、超電導コイル２の両端に接続して超電導コイル２の電圧を検出し、絶対値化部１１４に検出した値を出力可能に接続されている。絶対値化部１１４は、電圧検出部１１３で検出した電圧値を絶対値化し、電圧制御部１１５に絶対値化された値を出力可能に接続されている。電圧制御部１１５は、絶対値化部１１４で絶対値化された値に所定値を加算した値をスイッチングレギュレータ１１０に出力可能に接続されている。
【００６９】
第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４を使用して超電導コイル２にプラス電圧を与える場合もマイナス電圧を与える場合も元の電圧はプラスのみでよい。例えば、出力が±１０Ｖ必要な場合、内部のロス（例えば１Ｖ）を考慮して元電源は１１Ｖの単一電源でよい。このため、超電導コイル２の電圧を電圧検出部１１３で計測し、絶対値化部１１４で絶対値化して、電圧制御部１１５でロス分（１Ｖ）に余裕分（１Ｖ）を加えた値２Ｖ（例）を加算してスイッチングレギュレータ１１０の電圧制御ができるようになる。
【００７０】
上記の構成によれば、電圧検出部１１３で検出した電圧値を絶対値化した値に所定値を加算した値をスイッチングレギュレータ１１０に出力することによりスイッチングレギュレータ１１０の電圧を適正値にコントロールすることができる。これによれば、スイッチングレギュレータ１１０の電圧を必要最低限度まで低くすることにより、スイッチングで発生するオンとオフの電圧差を小さくできるので、スイッチング素子２１〜２４・スイッチング素子３１〜３４をスイッチングする際のスイッチングノイズとしての電流リプルが大きくならないように抑制することができる。
【００７１】
（電圧制御手段の例２）
また、スイッチングレギュレータ１１０の電圧をコントロールする電圧制御手段として、図９に示すように、記憶部１１７と、電圧演算器１１６と、目標値設定器１７０と、絶対値化部１１４と、電圧制御部１１５とを備えた構成とする。記憶部１１７は、超電導コイル２のリアクタンスの値を記憶し、必要に応じて電圧演算器１１６に超電導コイル２のリアクタンスの値を電圧演算器１１６に出力可能に接続されている。目標値設定器１７０は、電流増減速度が設定可能とされ、必要に応じて電圧演算器１１６に電流増減速度を出力可能に接続されている。電圧演算器１１６は、記憶部１１７に記憶されたリアクタンスの値に目標値設定器１７０で設定された電流増減速度を乗算して電圧値を算出し、絶対値化部１１４に算出した電圧値を出力可能に接続されている。絶対値化部１１４は、電圧演算器１１６で算出した電圧値を絶対値化し、電圧制御部１１５に絶対値化した値を出力可能に接続されている。電圧制御部１１５は、絶対値化部１１４で絶対値化された値に所定値を加算した値をスイッチングレギュレータ１１０に出力可能に接続されている。
【００７２】
電圧演算器１１６は、記憶部１１７に記憶された超電導コイル２リアクタンスの値に目標値設定器１７０で設定された電流増減速度を乗算して電圧値を算出する。そして、電圧演算器１１６で算出された電圧値を絶対値化部１１４で絶対値化して、電圧制御手段の例１同様に、電圧制御部１１５でロス分に余裕分を加えた値を加算してスイッチングレギュレータ１１０を電圧制御する。
【００７３】
上記の構成によれば、超電導コイル２のリアクタンスの値に目標値設定器１７０で設定された電流増減速度を乗算して電圧値を算出し、算出した電圧値を絶対値化した値に所定値を加算した値をスイッチングレギュレータ１１０に出力することによりスイッチングレギュレータ１１０の電圧を適正値にコントロールすることができる。これによれば、スイッチングレギュレータ１１０の電圧を必要最低限度まで低くすることにより、スイッチングで発生するオンとオフの電圧差を小さくできるので、スイッチング素子２１〜２４・スイッチング素子３１〜３４をスイッチングする際のスイッチングノイズとしての電流リプルが大きくならないように抑制することができる。
【００７４】
（電圧制御手段の例３）
また、スイッチングレギュレータ１１０の電圧をコントロールする電圧制御手段として、図１０に示すように、加算器１６５と、目標値設定器１６３と、比較回路１６４と、更に、参照電圧を出力する参照電圧器１６６と、電圧制御回路１６７とを備えた構成とする。加算器１６５は、第１ＰＷＭ信号変換器１０７から出力された正方向のＰＷＭ信号および逆方向のＰＷＭ信号を合成してフィルタ１６１によって平均化した値と、第２ＰＷＭ信号変換器１０８から出力された正方向のＰＷＭ信号および逆方向のＰＷＭ信号を合成してフィルタ１６２によって平均化した値とを加算した値を比較回路１６４に出力可能に接続されている。目標値設定器１６３は、目標とする電圧目標値が設定可能とされ、必要に応じて比較回路１６４に電圧目標値を出力可能に接続されている。比較回路１６４は、加算器１６５で加算した値から目標値設定器１６３で設定した電圧目標値を減算し、マイナスであれば差分の値に相当するプラス出力を電圧制御回路１６７に出力し、プラスであれば差分の値に相当するマイナス出力を電圧制御回路１６７に出力可能に接続されている。参照電圧器１６６は参照電圧を電圧制御回路１６７に出力可能に接続されている。電圧制御回路１６７は、参照電圧器１６６の参照電圧を参照して、比較回路１６４から出力されたプラス出力又はマイナス出力をスイッチングレギュレータ１１０に出力可能に接続されている。
【００７５】
仮に、第１フルブリッジ回路１０３および第２フルブリッジ回路１０４の正方向を制御するデューティが８０％で、第１フルブリッジ回路１０３および第２フルブリッジ回路１０４の逆方向を制御するデューティが０％とすると、仮にパルス高さが５Ｖで設計されていれば正方向８０％＋逆方向０％の合計８０％を平均化してフィルタ１６１の出力が４Ｖになり、同様にフィルタ１６２の出力も４Ｖであるため、加算器１６５が出力する信号は８Ｖとなる。目標値設定器１６３では、電圧目標値を比較回路１６４に出力し、比較回路１６４は、加算器１６５から得た値の方が電圧目標値より小さければプラスの出力、加算器１６５から得た値の方が電圧目標値より大きければマイナスの出力を電圧制御回路１６７に出力して調整する。なお、１６６は参照電圧器であり、通常スイッチングレギュレータ１１０の定格電圧の半分程度、例えば５Ｖなどに相当する参照電圧にする。上記加算器１６５の両フィルタ信号が加算され、倍化されているので、この参照電圧も倍化し、５×２＝１０Ｖなどに設定する。このようにして、電圧制御回路１６７の出力はデューティ比８０％で運転するようにＰＷＭ信号から得た電圧をフィードバック信号としてスイッチングレギュレータ１１０の電圧制御をし、平均的なデューティ比８０％で運転するように制御する。
なお、正常に制御していればフィルタ１６１の出力とフィルタ１６２の出力は同値なので、片方を省略しても良い。また、第１ＰＷＭ信号変換器１０７から出力された正方向のＰＷＭ信号および逆方向のＰＷＭ信号を合成してフィルタ１６１によって平均化する代わりに、正方向のＰＷＭ信号をフィルタで平均化し、逆方向のＰＷＭ信号を別のフィルタで平均化しあと加算し、フィルタ１６１を省略する方法を採用しても良い。
【００７６】
上記の構成によれば、加算器１６５で加算した値から目標値設定器１６３で設定した電圧目標値を減算し、マイナスであれば差分の値に相当するプラス出力をスイッチングレギュレータ１１０に出力し、プラスであれば差分の値に相当するマイナス出力をスイッチングレギュレータ１１０に出力することによりスイッチングレギュレータ１１０の電圧を適正値にコントロールすることができる。これによれば、スイッチングレギュレータ１１０の電圧を必要最低限度まで低くすることにより、スイッチングで発生するオンとオフの電圧差を小さくできるので、スイッチング素子２１〜２４・スイッチング素子３１〜３４をスイッチングする際のスイッチングノイズとしての電流リプルが大きくならないように抑制することができる。
【００７７】
（回生回路１１８の変形例）
また、第１実施形態で説明した図１１に示した回生回路１１８に代えて、図１２に示した回生回路１１８に変更してもよい。
【００７８】
図１２に示す回生回路１１８は、回生用スイッチング素子１７４と、抵抗器１５２と、電圧検出器１５４（直流電源電圧検出器）と、閾値設定器６５５と、回生制御手段１７１と、基本パルス生成器１７３と、回生用スイッチング素子制御回路１７２とを備えた構成をしている。回生用スイッチング素子１７４は、スイッチングレギュレータ１１０のプラス側とマイナス側との間に接続され、オン・オフにより直列に接続した抵抗器１５２に電流を導通させるか導通させないかをコントロールする役割を果たす。抵抗器１５２は、回生用スイッチング素子１７４に直列接続され、導通された電流を通過させてエネルギーを消費させる役割を果たす。電圧検出器１５４は、スイッチングレギュレータ１１０のプラス側とマイナス側に接続してスイッチングレギュレータ１１０の電圧を検出し、検出した電圧値を回生制御手段１７１に出力可能に接続されている。閾値設定器６５５は、予め所定の回生開始閾値や最大回生閾値を設定し、必要に応じて設定した回生開始閾値や最大回生閾値を回生制御手段１７１に出力可能に接続されている。回生制御手段１７１は、電圧検出器１５４で検出した電圧値と閾値設定器６５５で設定した回生開始閾値、例えば１２.５Ｖとの差分の値を回生用スイッチング素子制御回路１７２に出力可能に接続されている。パルス生成器１７３は、パルス信号を回生用スイッチング素子制御回路１７２に出力可能に接続されている。回生用スイッチング素子制御回路１７２は、基本パルス生成器１７３が発生させたパルス信号を積分した値から回生制御手段１７１が出力した値を減算して、マイナスの値であれば回生用スイッチング素子１７４をオンに、プラスの値であれば回生用スイッチング素子１７４をオフにスイッチングするＰＷＭ信号に変換し、そのＰＷＭ信号を回生用スイッチング素子１７４に出力可能にするように接続されている。なお、回生制御手段１７１などでは閾値設定器６５５で設定した最大回生閾値、例えば１３．５ＶでＰＷＭ信号が最大の状態（例えば常にオンになる状態）で制御される。また、基本パルス生成器１７３には、基本パルス生成器１０９を流用してもよい。
【００７９】
上記の構成によれば、超電導コイル２を消磁する際において、基本パルス生成器１７３が発生させたパルス信号を積分した値から回生制御手段１７１が出力した値を減算して、マイナスの値であれば回生用スイッチング素子１７４をオンにして、回生用スイッチング素子１７４を導通させて抵抗器１５２に電流を導通させてエネルギーを消費させることによりスイッチングレギュレータ１１０の電圧を低下させることができる。また、閾値との差分に応じてＰＷＭ信号のオンとオフの比率を変化させてスイッチングするので回生動作時のスイッチングの電圧変動を小さくできる。図１３ののこぎり型変動をほとんどなくし、消磁に伴うエネルギー吸収の状況に応じて、この例では１２．５Ｖと１３．５Ｖの間のどこかのバランス点（電圧）でほぼ一定の電圧になるように回生動作が制御される。これにより、超電導コイル２の消磁時にスイッチングレギュレータ１１０の電圧が回生動作で変動するために生じる電流リプルを抑制することができる。
【００８０】
（偏流防止機構）
また、電源装置１０１に、第１フルブリッジ回路１０３又は第２フルブリッジ回路１０４に電流が偏って流れる偏流現象を防止することができる機構を更に追加した構成にすることも可能である。
【００８１】
具体的には、図１４に示すように、電源装置１０１において、電流検出器１１１と、目標値設定器１７０と、電流制御回路１１２と、ブリッジ電流検出器５０１と、ブリッジ電流検出器５０２と、平均値算出器５０３と、比較器５０４と、比較器５０５と、指令値補正手段５０６（補正手段）と、指令値補正手段５０７とを備えた構成にする。
【００８２】
電流検出器１１１は、超電導コイル２の２ｂ側と接続して超電導コイル２に流れる電流値を検出し、検出した電流値を電流制御回路１１２に出力できるように接続されている。目標値設定器１７０は、目標とする電流値を予め設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を電流制御回路１１２に出力できるように接続されている。電流制御回路１１２は、電流検出器１１１が検出した電流値と目標値設定器１７０が出力した電流指令値との差分の値を電流誤差信号として指令値補正手段５０６及び指令値補正手段５０７に出力することができるように接続されている。ブリッジ電流検出器５０１は、第１フルブリッジ回路１０３に接続して第１フルブリッジ回路１０３に流れる電流値を検出し、検出した電流値を平均値算出器５０３に出力できるように接続されている。ブリッジ電流検出器５０２は、第２フルブリッジ回路１０４に接続して第２フルブリッジ回路１０４に流れる電流値を検出し、検出した電流値を平均値算出器５０３に出力できるように接続されている。平均値算出器５０３は、ブリッジ電流検出器５０１及びブリッジ電流検出器５０２で検出した電流値の平均値を算出し、算出した平均値を比較器５０４及び比較器５０５に出力できるように接続されている。比較器５０４は、ブリッジ電流検出器５０１で検出した電流値から平均値算出器５０３で算出した平均値を減算して、その値を指令値補正手段５０６に出力できるように接続されている。比較器５０５は、ブリッジ電流検出器５０２で検出した電流値から平均値算出器５０３で算出した平均値を減算して、その値を指令値補正手段５０７に出力できるように接続されている。指令値補正手段５０６は、比較器５０４から出力された値がプラスであれば、電流制御回路１１２から出力された値を減少させる補正をし、比較器５０４から出力された値がマイナスであれば、電流制御回路１１２から出力された値を増加させる補正をして、補正した値を第１ＰＷＭ信号変換器１０７に出力できるように接続されている。指令値補正手段５０７は、比較器５０５から出力された値がプラスであれば、電流制御回路１１２から出力された値を減少させる補正をし、比較器５０５から出力された値がマイナスであれば、電流制御回路１１２から出力された値を増加させる補正をして、補正した値を第２ＰＷＭ信号変換器１０８に出力できるように接続されている。なお、比較器５０４及び比較器５０５にリミッタを設け、リミッタに達した場合は内部異常扱いとして、電流の供給を停止する保護モードの構成を追加してもよい。
【００８３】
上記の構成によれば、各ブリッジ電流検出器５０１・５０２で検出した電流値から平均値算出器５０３で算出した平均値を減算した値がプラスであれば、電流制御回路１１２から出力された値を減少させる補正をし、マイナスであれば、電流制御回路１１２から出力された値を増加させる補正をすることができる。こうすることにより、第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４に流れる電流値を平均化することができる。これにより、第１フルブリッジ回路１０３又は第２フルブリッジ回路１０４の一方に電流が偏って流れる偏流現象を防止することができ、各種回路素子を保護することが可能となる。
【００８４】
（第２実施形態）
第１実施形態に係る電源装置１０１がバイポーラタイプ、即ち超電導コイル２に流れる電流が２ａから２ｂと２ｂから２ａとのいずれでも流れるタイプであるの対して、図２０に示す第２実施形態に係る電源装置２０１は、ユニポーラタイプ、即ち超電導コイル２に流れる電流が２ａから２ｂ方向にのみ流れる構成をしている。
【００８５】
具体的には、図２０に示す第２実施形態に係る電源装置２０１は、第１実施形態の電源装置１０１のスイッチング素子２２の代わりにダイオード２２２を設け、スイッチング素子２３の代わりに、ダイオード２２３を設けている。そして、逆方向のＰＷＭ信号がないので、電源装置１０１における逆方向駆動回路６、ローサイド駆動回路１０、ハイサイド駆動回路１１は設けていない。同様に、第１実施形態の電源装置１０１のスイッチング素子３２の代わりにダイオード２３２を設け、スイッチング素子３３の代わりに、ダイオード２３３を設けている。そして、逆方向のＰＷＭ信号がないので、電源装置１０１における逆方向駆動回路８、ローサイド駆動回路１４、ハイサイド駆動回路１５は設けていない。スイッチング素子２２・２３及びスイッチング素子３２・３３を省いたのは、正方向の電流だけ流れるのであれば、スイッチング素子２２・２３及びスイッチング素子３２・３３はＯＮになることがないから不要となったためであり、逆にダイオード２２２・２２３及びダイオード２３２・２３３が必要なのは、スイッチング素子２２・２３及びスイッチング素子３２・３３がＯＦＦしたタイミングでの電流の逃げ道がなくなるのでこれを逃がすためである。
【００８６】
電源装置２０１では、スイッチング素子２１（第１スイッチング素子）、ダイオード２２２（第１ダイオード）、ダイオード２２３（第２ダイオード）、及び、スイッチング素子２４（第２スイッチング素子）からなるスイッチング手段を混合ブリッジ回路２０３としている。また、スイッチング素子３１（第１スイッチング素子）、ダイオード２３２（第１ダイオード）、ダイオード２３３（第２ダイオード）、及び、スイッチング素子３４（第２スイッチング素子）からなるスイッチング手段を混合ブリッジ回路２０４としている。
【００８７】
上記の構成によれば、基本パルス生成器１０９は、第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８に対して、位相差を持ったパルス信号を出力する。具体的には、第１実施形態同様に、図７（ａ）に示すように、第１ＰＷＭ信号変換器１０７に対して出力するパルス信号をパルス信号１としたら、第２ＰＷＭ信号変換器１０８に出力するパルス信号はパルス信号１に対して１８０°の位相差を持ったパルス信号２である。そして、第１ＰＷＭ信号変換器１０７はパルス信号１を積分した値から電流制御回路１１２が出力した値を減算して、マイナスの値であればオンに、プラスの値であればオフにスイッチング素子２１・２４をスイッチングするＰＷＭ信号に変換する。同様に、第２ＰＷＭ信号変換器１０８はパルス信号２を積分した値から電流制御回路１１２が出力した値を減算して、マイナスの値であればオンに、プラスの値であればオフにスイッチング素子３１・３４をスイッチングするＰＷＭ信号に変換する。そして、第１ＰＷＭ信号変換器１０７及び第２ＰＷＭ信号変換器１０８は各々位相差を持ったＰＷＭ信号を出力する。そして、この位相差を持ったＰＷＭ信号によって、混合ブリッジ回路２０３及び混合ブリッジ回路２０４毎にスイッチング制御される。こうすることにより、混合ブリッジ回路２０３及び混合ブリッジ回路２０４から出力される平滑化電力に残ったスイッチングノイズの発生タイミングをそれぞれ位相差分ずれさせることができる。これによれば、並列接続された混合ブリッジ回路２０３及び混合ブリッジ回路２０４から出力されたスイッチングノイズの発生タイミングが分散された平滑化電力を合流させることになるので、大きなノイズにはならずスイッチングノイズを低減させることができる。また、スイッチング素子を使用してスイッチング制御をしているため、消費電力を抑えることができ、電源装置の小型化が可能となる。
【００８８】
また、上記の構成によれば、第１実施形態同様に、混合ブリッジ回路２０３（混合ブリッジ回路２０４）に第１リアクトル１２１（１２３）と第２リアクトル１２２（１２４）と平滑コンデンサ４１（４２）を接続しているため、スイッチング素子２１・２４（３１・３４）をスイッチングする際のスイッチングノイズとしての電流リプルをカットして低減させることができる。
【００８９】
（変形例）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することができるものである。
【００９０】
（変形例１）
例えば、第１実施形態では、スイッチング手段として、フルブリッジ回路である第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４を使用している。しかし、これに限らず、図２１に示すように、ハーフブリッジ回路である第１ハーフブリッジ回路６０３及び第２ハーフブリッジ回路６０４を使用した構成にしてもよい。この場合、図２２に示すように、第１ハーフブリッジ回路６０３は、スイッチング素子６２１素子及びスイッチング素子６２２の２つのスイッチング素子から構成されている。同様に、第２ハーフブリッジ回路６０４もスイッチング素子６３１素子及びスイッチング素子６３２の２つのスイッチング素子から構成されている。また、直流電源手段にはプラス・マイナス電源が必要で、スイッチングレギュレータ１１０及びスイッチングレギュレータ６１０の２段構えの構成としている。そして、スイッチングレギュレータ１１０とスイッチングレギュレータ６１０の中点（図ではＧＮＤ）に超電導コイル２を接続する。
【００９１】
上記の構成によっても、第１ハーフブリッジ回路６０３及び第２ハーフブリッジ回路６０４に対してそれぞれ位相差を付けてスイッチング制御することができる。即ち、第１ハーフブリッジ回路６０３及び第２ハーフブリッジ回路６０４毎によって、スイッチング素子６２１・６２２及びスイッチング素子６３１・６３２のオン・オフのタイミングが分散されることになる。これにより、スイッチング素子６２１・６２２及びスイッチング素子６３１・６３２のオン・オフのタイミングが分散されるので、スイッチング素子６２１・６２２及びスイッチング素子６３１・６３２をスイッチングする際のスイッチングノイズを低減させることができる。また、スイッチング素子６２１・６２２及びスイッチング素子６３１・６３２を使用してスイッチング制御をしているため、消費電力を抑えることができる。
【００９２】
（変形例２）
また、第１実施形態では、図２及び図３に示したように、電源装置１０１を２組のフルブリッジ回路（第１フルブリッジ回路１０３及び第２フルブリッジ回路１０４）で構成する例で説明したが、フルブリッジ回路は３組、４組やそれ以上、たとえば８組構成としても良い。もっとも、フルブリッジ回路の構成数が多い方がスイッチングノイズは減少するが、回路構成の複雑化する。また、第１実施形態では、１つのフルブリッジ回路（例えば、第１フルブリッジ回路１０３）に４つのスイッチング素子２１〜２４を使用しているが、これに限らず、２つのスイッチング素子を並列で使用して合計８つのスイッチング素子でフルブリッジ回路を構成してもよい。
【００９３】
（変形例３）
また、第１実施形態ではスイッチング素子２１〜２４のＯＮ・ＯＦＦをスイッチング制御するために図１５で示したＰＷＭ信号を使用している。スイッチング素子２１とスイッチング素子２４は同じＰＷＭ信号でＯＮ/ＯＦＦし、スイッチング素子２２とスイッチング素子２３はＯＦＦのままとなっている。しかしながら、これに限らず、図１５のようなＰＷＭ信号以外に種々のものが実現できる。図１６（ａ）、図１６（ｂ）、図１６（ｃ）はその変形例である。
【００９４】
（変形例３−１：図１６（ａ））
図１６（ａ）では、スイッチング素子２１に対するＰＷＭ信号とスイッチング素子２２に対するＰＷＭ信号とは補完関係にあり、スイッチング素子２３に対するＰＷＭ信号とスイッチング素子２４に対するＰＷＭ信号とも補完関係にある。
【００９５】
（変形例３−２：図１６（ｂ））
また、図１６（ｂ）では、スイッチング素子２１に対するＰＷＭ信号とスイッチング素子２２に対するＰＷＭ信号とは補完関係にあり、スイッチング素子２３に対するＰＷＭ信号とスイッチング素子２４に対するＰＷＭ信号とも補完関係にあるが、スイッチング素子２１に対するＰＷＭ信号とスイッチング素子２４に対するＰＷＭ信号とは異なる信号である。
【００９６】
次に、図１７〜図１９を参照して図１６（ｂ）に示すＰＷＭ信号によりスイッチング素子２１〜２４をＯＮ・ＯＦＦした場合の超電導コイル２およびスイッチング素子２１〜２４に流れる電流を説明する。
【００９７】
まず、スイッチング素子２１・２４がＯＮでスイッチング素子２２・２３がＯＦＦである期間Ａでは、電流は図１７（ａ）のようにスイッチング素子２１から超電導コイル２を経由してスイッチング素子２４に流れる。次に、スイッチング素子２１・２３がＯＮでスイッチング素子２２・２４がＯＦＦである期間Ｂでは、電流は図１８（ｂ）のようにスイッチング素子２１から超電導コイル２を経由してスイッチング素子２３に流れて還流することになる。再びスイッチング素子２１・２４がＯＮでスイッチング素子２２・２３がＯＦＦである期間Ｃでは、電流は図１７（ａ）のようにスイッチング素子２１から超電導コイル２を経由してスイッチング素子２４にながれる。次に、スイッチング素子２２・２４がＯＮで２１・２３がＯＦＦである期間Ｄでは、電流は図１９のようにスイッチング素子２２から超電導コイル２を経由してスイッチング素子２４に流れて還流することになる。
【００９８】
上記のように超電導コイル２に電流が流れ続けるが、スイッチングレギュレータ１１０からコンデンサ６００に溜まった電流が放電されながら供給される状態と、スイッチングレギュレータ１１０やコンデンサ６００からほとんど電流が供給されずに還流している状態とを繰り返す。
【００９９】
スイッチング素子２１〜２４のＯＮ・ＯＦＦをスイッチング制御するために図１５で示したＰＷＭ信号を使用した場合、コンデンサ６００がスイッチング毎に充放電を繰り返すので、コンデンサ６００の性能により制御特性が悪くなることや、繰り返す充放電でコンデンサ６００の寿命が短くなる場合がある。しかしながら、スイッチング素子２１〜２４のＯＮ・ＯＦＦをスイッチング制御するために図１６（ｂ）で示したＰＷＭ信号を使用した場合、スイッチング素子２１〜２４の応答性や内部抵抗で性能が決まるため、コンデンサ６００の性能に左右する場合と比べて制御性能の向上が期待できる。また、コンデンサ６００の寿命の問題も軽減される。
【０１００】
（変形例３−３：図１６（ｃ））
また、図１６（ｃ）では、スイッチング素子２１に対するＰＷＭ信号とスイッチング素子２２に対するＰＷＭ信号とは補完関係にあり、スイッチング素子２３に対するＰＷＭ信号とスイッチング素子２４に対するＰＷＭ信号とも補完関係にあるが、スイッチング素子２１に対するＰＷＭ信号とスイッチング素子２２に対するＰＷＭ信号とはそれぞれデューティ比５０％で位相差を持っている。
【０１０１】
この場合も、コンデンサ６００の充放電の繰り返し、寄生ダイオード２１ａ〜２４ｄの還流を回避できるので、効率・制御性能・部品寿命を良くするこができる。
【０１０２】
（変形例４）
また、図２３に示すように、超電導コイル２の２ａ端、２ｂ端をそれぞれスイッチングレギュレータ１１０のマイナス側にコンデンサ５４１・５４２を挿入し交流的に接地するのもよい。このコンデンサ５４１・５４２は図２３のように平滑コンデンサ４１・４２と併用するのも良いが、設計次第では平滑コンデンサ４１・４２を廃止してコンデンサ５４１・５４２のみでもよい。なお、接地はスイッチングレギュレータ１１０のプラス側でも良い。このコンデンサ５４１・５４２によれば超電導コイル２の２ａ端、２ｂ端に乗る同相ノイズを吸収できる。同相の電圧ノイズが超電導コイル２に乗ると、超電導コイル２に大きな静電容量が地面との間にある場合には、電流リプルが発生することがあるため、これを除去できる。
【符号の説明】
【０１０３】
２ 超電導コイル
２１〜２４・３１〜３４ スイッチング素子
４１・４２ 平滑コンデンサ
５０ 交流電源
５１ 直流電源手段
５２ 第１スイッチング手段
５３ 第２スイッチング手段
５４ スイッチング制御手段
１０１ 電源装置
１０３ 第１フルブリッジ回路
１０４ 第２フルブリッジ回路
１０５ 第１ドライバー部
１０６ 第２ドライバー部
１０７ 第１ＰＷＭ信号変換器
１０８ 第２ＰＷＭ信号変換器
１０９ パルス生成器
１１０ スイッチングレギュレータ
１１１ 電流検出器
１１２ 電流制御回路
１１８ 回生回路
１２１・１２３ 第１リアクトル
１２２・１２４ 第２リアクトル
１７０ 目標値設定器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルの電源装置であって、
交流電力を直流電力に変換する直流電源手段と、
スイッチング信号に基づいて前記直流電力を出力許可と出力禁止とにスイッチングすることにより交流状のスイッチング電力とするスイッチング部を前記直流電源手段に複数並列接続したスイッチング手段と、
前記各スイッチング部から出力された前記スイッチング電力を平滑化することにより一定電圧の平滑化電力にして前記超電導コイルに出力する平滑手段と、
前記各スイッチング部に対して、所定の周波数で前記スイッチング信号をそれぞれ出力することにより所定の前記平滑化電力を形成すると共に、少なくとも一つの前記スイッチング信号を他のスイッチング信号に対して位相差を持たせて出力するスイッチング制御手段と、
を備えたことを特徴とする超電導コイルの電源装置。
【請求項２】
前記スイッチング手段のスイッチング部は、
第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子、及び、第４スイッチング素子を具備し、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とが接続され、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との間から前記超電導コイルに接続されており、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第３スイッチング素子と第４スイッチング素子とが接続され、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子との間から前記超電導コイルに接続されるフルブリッジ回路であり、
前記平滑手段は、
前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との間と前記超電導コイルとの間に接続した第１リアクトルを接続と、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子との間に接続した第２リアクトルと、
前記第１リアクトルと前記超電導コイルとの間を一端とし、前記第２リアクトルと前記超電導コイルとの間を他端として接続した平滑コンデンサであり、
前記スイッチング制御手段は、
前記超電導コイルに流れる電流値を検出する電流検出器と、
目標とする電流値を設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を出力する目標値設定器と、
前記電流検出器が検出した電流値と前記目標値設定器が出力した電流指令値との差分の値を出力する電流制御回路と、
位相差を付けたパルス信号を複数発生させる基本パルス生成器と、
前記基本パルス生成器が発生させたパルス信号を積分した値から前記電流制御回路が出力した値を減算して、マイナスの値であれば出力許可のオンに、プラスの値であれば出力禁止のオフに前記第１〜第４スイッチング素子をスイッチングするスイッチング信号としてのＰＷＭ信号に変換する、各フルブリッジ回路に対応する複数の信号変換器であることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイルの電源装置。
【請求項３】
前記スイッチング手段のスイッチング部は、
第１スイッチング素子、第１ダイオード、第２ダイオード、及び、第２スイッチング素子を具備し、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第１スイッチング素子と第１ダイオードとが接続され、第１スイッチング素子と第１ダイオードとの間から前記超電導コイルに接続されており、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第２ダイオードと第２スイッチング素子とが接続され、第２ダイオードと第２スイッチング素子との間から前記超電導コイルに接続される混合ブリッジ回路であり、
前記平滑手段は、
前記第１スイッチング素子と前記第１ダイオードとの間と前記超電導コイルとの間に接続された第１リアクトルと、前記第第２ダイオードと前記第２スイッチング素子との間に接続された第２リアクトルと、
前記第１リアクトルと前記超電導コイルとの間を一端とし、前記第２リアクトルと前記超電導コイルとの間を他端として接続された平滑コンデンサであり、
前記スイッチング制御手段は、
前記超電導コイルに流れる電流値を検出する電流検出器と、
目標とする電流値を設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を出力する目標値設定器と、
前記電流検出器が検出した電流値と前記目標値設定器が出力した電流指令値との差分の値を出力する電流制御回路と、
位相差を付けたパルス信号を複数発生させる基本パルス生成器と、
前記基本パルス生成器が発生させたパルス信号を積分した値から前記電流制御回路が出力した値を減算して、マイナスの値であれば出力許可のオンに、プラスの値であれば出力禁止のオフに前記第１〜第２スイッチング素子をスイッチングするスイッチング信号としてのＰＷＭ信号に変換する、各混合ブリッジ回路に対応する複数の信号変換器であることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイルの電源装置。
【請求項４】
前記直流電源手段の電圧をコントロールする電圧制御手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の超電導コイルの電源装置。
【請求項５】
前記電圧制御手段は、
前記超電導コイルの電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部で検出した電圧値を絶対値化する絶対値化部と、
前記絶対値化部で絶対値化された値に所定値を加算する電圧制御部と、
を備えていることを特徴とする請求項４に記載の超電導コイルの電源装置。
【請求項６】
前記電圧制御手段は、
前記超電導コイルのリアクタンスの値を記憶する記憶部と、
電流増減速度が設定される設定器と、
前記記憶部に記憶されたリアクタンスの値に前記設定器で設定された電流増減速度を乗算して電圧値を算出する電圧演算器と、
前記電圧演算器で算出した電圧値を絶対値化する絶対値化部と、
前記絶対値化部で絶対値化された値に所定値を加算する電圧制御部と、
を備えていることを特徴とする請求項４に記載の超電導コイルの電源装置。
【請求項７】
前記電圧制御手段は、
前記スイッチング制御手段が出力した各パルス信号をフィルタで平均化した値を加算する加算器と、
目標とする電圧目標値を設定する目標値設定器と、
前記加算器で加算した値から前記目標設定器で設定した電圧目標値を減算し、マイナスであれば差分の値に相当するプラス出力をし、プラスであれば差分の値に相当するマイナス出力をする比較制御器と、
を備えていることを特徴とする請求項４に記載の超電導コイルの電源装置。
【請求項８】
前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に回生手段を更に設け、
前記回生手段は、
トランジスタと、
前記トランジスタに直列接続された抵抗器と、
前記直流電源手段の電圧を検出する直流電源電圧検出器と、
閾値を設定する閾値設定器と、
前記直流電源電圧検出器で検出した値が前記閾値設定器で設定した前記閾値を上回った場合に、前記トランジスタを導通させて前記抵抗器に電流を導通させるコンパレータと、
を備えていることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の超電導コイルの電源装置。
【請求項９】
前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に回生手段を更に設け、
前記回生手段は、
回生用スイッチング素子と、
前記回生用スイッチング素子に直列接続された抵抗器と、
前記直流電源手段の電圧を検出する直流電源電圧検出器と、
閾値を設定する閾値設定器と、
前記直流電源電圧検出器で検出した電圧値と前記閾値設定器で設定した閾値との差分の値を出力する回生制御手段と、
基本となるパルス信号を発生させる基本パルス生成器と、
前記基本パルス生成器が発生させたパルス信号を積分した値から前記回生制御手段が出力した値を減算して、マイナスの値であれば前記回生用スイッチング素子をオンに、プラスの値であれば前記回生用スイッチング素子をオフにスイッチングする信号に変換する回生用スイッチング素子制御回路と、
を備えていることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の超電導コイルの電源装置。
【請求項１０】
前記超電導コイルに流れる電流値を検出する電流検出器と、
目標とする電流値を設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を出力する目標値設定器と、
前記電流検出器が検出した電流値と前記目標値設定器が出力した電流指令値との差分の値を出力する電流制御回路と、
各スイッチング部に対応しており、各スイッチング部に流れる電流値を検出するブリッジ電流検出器と、
各ブリッジ電流検出器で検出した電流値の平均値を算出する平均値算出器と、
各スイッチング部に対応しており、各ブリッジ電流検出器で検出した電流値から前記平均値算出器で算出した平均値を減算して、その値を出力する比較器と、
各スイッチング部に対応しており、前記比較器から出力された値がプラスであれば、前記電流制御回路から出力された値を減少させる補正をし、前記比較器から出力された値がマイナスであれば、前記電流制御回路から出力された値を増加させる補正をする補正手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の超電導コイルの電源装置。
【請求項１】
超電導コイルの電源装置であって、
交流電力を直流電力に変換する直流電源手段と、
スイッチング信号に基づいて前記直流電力を出力許可と出力禁止とにスイッチングすることにより交流状のスイッチング電力とするスイッチング部を前記直流電源手段に複数並列接続したスイッチング手段と、
前記各スイッチング部から出力された前記スイッチング電力を平滑化することにより一定電圧の平滑化電力にして前記超電導コイルに出力する平滑手段と、
前記各スイッチング部に対して、所定の周波数で前記スイッチング信号をそれぞれ出力することにより所定の前記平滑化電力を形成すると共に、少なくとも一つの前記スイッチング信号を他のスイッチング信号に対して位相差を持たせて出力するスイッチング制御手段と、
を備えたことを特徴とする超電導コイルの電源装置。
【請求項２】
前記スイッチング手段のスイッチング部は、
第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子、及び、第４スイッチング素子を具備し、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とが接続され、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との間から前記超電導コイルに接続されており、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第３スイッチング素子と第４スイッチング素子とが接続され、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子との間から前記超電導コイルに接続されるフルブリッジ回路であり、
前記平滑手段は、
前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との間と前記超電導コイルとの間に接続した第１リアクトルを接続と、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子との間に接続した第２リアクトルと、
前記第１リアクトルと前記超電導コイルとの間を一端とし、前記第２リアクトルと前記超電導コイルとの間を他端として接続した平滑コンデンサであり、
前記スイッチング制御手段は、
前記超電導コイルに流れる電流値を検出する電流検出器と、
目標とする電流値を設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を出力する目標値設定器と、
前記電流検出器が検出した電流値と前記目標値設定器が出力した電流指令値との差分の値を出力する電流制御回路と、
位相差を付けたパルス信号を複数発生させる基本パルス生成器と、
前記基本パルス生成器が発生させたパルス信号を積分した値から前記電流制御回路が出力した値を減算して、マイナスの値であれば出力許可のオンに、プラスの値であれば出力禁止のオフに前記第１〜第４スイッチング素子をスイッチングするスイッチング信号としてのＰＷＭ信号に変換する、各フルブリッジ回路に対応する複数の信号変換器であることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイルの電源装置。
【請求項３】
前記スイッチング手段のスイッチング部は、
第１スイッチング素子、第１ダイオード、第２ダイオード、及び、第２スイッチング素子を具備し、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第１スイッチング素子と第１ダイオードとが接続され、第１スイッチング素子と第１ダイオードとの間から前記超電導コイルに接続されており、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第２ダイオードと第２スイッチング素子とが接続され、第２ダイオードと第２スイッチング素子との間から前記超電導コイルに接続される混合ブリッジ回路であり、
前記平滑手段は、
前記第１スイッチング素子と前記第１ダイオードとの間と前記超電導コイルとの間に接続された第１リアクトルと、前記第第２ダイオードと前記第２スイッチング素子との間に接続された第２リアクトルと、
前記第１リアクトルと前記超電導コイルとの間を一端とし、前記第２リアクトルと前記超電導コイルとの間を他端として接続された平滑コンデンサであり、
前記スイッチング制御手段は、
前記超電導コイルに流れる電流値を検出する電流検出器と、
目標とする電流値を設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を出力する目標値設定器と、
前記電流検出器が検出した電流値と前記目標値設定器が出力した電流指令値との差分の値を出力する電流制御回路と、
位相差を付けたパルス信号を複数発生させる基本パルス生成器と、
前記基本パルス生成器が発生させたパルス信号を積分した値から前記電流制御回路が出力した値を減算して、マイナスの値であれば出力許可のオンに、プラスの値であれば出力禁止のオフに前記第１〜第２スイッチング素子をスイッチングするスイッチング信号としてのＰＷＭ信号に変換する、各混合ブリッジ回路に対応する複数の信号変換器であることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイルの電源装置。
【請求項４】
前記直流電源手段の電圧をコントロールする電圧制御手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の超電導コイルの電源装置。
【請求項５】
前記電圧制御手段は、
前記超電導コイルの電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部で検出した電圧値を絶対値化する絶対値化部と、
前記絶対値化部で絶対値化された値に所定値を加算する電圧制御部と、
を備えていることを特徴とする請求項４に記載の超電導コイルの電源装置。
【請求項６】
前記電圧制御手段は、
前記超電導コイルのリアクタンスの値を記憶する記憶部と、
電流増減速度が設定される設定器と、
前記記憶部に記憶されたリアクタンスの値に前記設定器で設定された電流増減速度を乗算して電圧値を算出する電圧演算器と、
前記電圧演算器で算出した電圧値を絶対値化する絶対値化部と、
前記絶対値化部で絶対値化された値に所定値を加算する電圧制御部と、
を備えていることを特徴とする請求項４に記載の超電導コイルの電源装置。
【請求項７】
前記電圧制御手段は、
前記スイッチング制御手段が出力した各パルス信号をフィルタで平均化した値を加算する加算器と、
目標とする電圧目標値を設定する目標値設定器と、
前記加算器で加算した値から前記目標設定器で設定した電圧目標値を減算し、マイナスであれば差分の値に相当するプラス出力をし、プラスであれば差分の値に相当するマイナス出力をする比較制御器と、
を備えていることを特徴とする請求項４に記載の超電導コイルの電源装置。
【請求項８】
前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に回生手段を更に設け、
前記回生手段は、
トランジスタと、
前記トランジスタに直列接続された抵抗器と、
前記直流電源手段の電圧を検出する直流電源電圧検出器と、
閾値を設定する閾値設定器と、
前記直流電源電圧検出器で検出した値が前記閾値設定器で設定した前記閾値を上回った場合に、前記トランジスタを導通させて前記抵抗器に電流を導通させるコンパレータと、
を備えていることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の超電導コイルの電源装置。
【請求項９】
前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に回生手段を更に設け、
前記回生手段は、
回生用スイッチング素子と、
前記回生用スイッチング素子に直列接続された抵抗器と、
前記直流電源手段の電圧を検出する直流電源電圧検出器と、
閾値を設定する閾値設定器と、
前記直流電源電圧検出器で検出した電圧値と前記閾値設定器で設定した閾値との差分の値を出力する回生制御手段と、
基本となるパルス信号を発生させる基本パルス生成器と、
前記基本パルス生成器が発生させたパルス信号を積分した値から前記回生制御手段が出力した値を減算して、マイナスの値であれば前記回生用スイッチング素子をオンに、プラスの値であれば前記回生用スイッチング素子をオフにスイッチングする信号に変換する回生用スイッチング素子制御回路と、
を備えていることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の超電導コイルの電源装置。
【請求項１０】
前記超電導コイルに流れる電流値を検出する電流検出器と、
目標とする電流値を設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を出力する目標値設定器と、
前記電流検出器が検出した電流値と前記目標値設定器が出力した電流指令値との差分の値を出力する電流制御回路と、
各スイッチング部に対応しており、各スイッチング部に流れる電流値を検出するブリッジ電流検出器と、
各ブリッジ電流検出器で検出した電流値の平均値を算出する平均値算出器と、
各スイッチング部に対応しており、各ブリッジ電流検出器で検出した電流値から前記平均値算出器で算出した平均値を減算して、その値を出力する比較器と、
各スイッチング部に対応しており、前記比較器から出力された値がプラスであれば、前記電流制御回路から出力された値を減少させる補正をし、前記比較器から出力された値がマイナスであれば、前記電流制御回路から出力された値を増加させる補正をする補正手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の超電導コイルの電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【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２】
【図３】
【図４】
【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】
【公開番号】特開２０１２−３９８５７（Ｐ２０１２−３９８５７Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５５４５５（Ｐ２０１１−１５５４５５）
【出願日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【出願人】（５０２１４７４６５）ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社 (56)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【出願人】（５０２１４７４６５）ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社 (56)
【Ｆターム（参考）】
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