JP2005303054A - 超電導コイル - Google Patents

Abstract

【課題】 交流電流を通電する超電導コイル全体の交流損失を低減し、ひいては運転効率の向上を図った超電導コイルを提供する。
【解決手段】 円筒状巻枠４の外周面上に、巻枠の軸方向及び半径方向に、超電導導体１０を円筒層状に巻回してなる超電導コイル１１において、単位体積当りの交流損失値が大小異なる、少なくとも２種類の超電導導体を用いて夫々形成したコイルを軸方向に配設してなり、かつ前記交流損失値が相対的に小さい超電導導体によって形成したコイル（Ｂ₁，Ｂ₂）を前記軸方向の両端部に配設し、交流損失値が相対的に大きい超電導導体によって形成したコイル（Ａ）を前記軸方向の中央部に配設したものとする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、変圧器やリアクトル等の誘導電器に用いる超電導コイルに関する。

超電導コイルは高磁界発生手段として種々の分野で実用されている。一方、変圧器やリアクトルなどのような交流機器への超電導コイルの適用は、超電導導体が交流によって損失を発生するという現象があることから、その実用化は、あまり進んでいない。

しかしながら、近年、超電導導体素線の細線化による交流損失の小さな超電導線が開発されて以来、変圧器などの交流機器への適用研究が進展し、その超電導コイルの構成に関しても、種々の提案が行われている（例えば、特許文献１参照）。

この場合の超電導導体としては、液体ヘリウムの蒸発温度である4Ｋの極低温で超電導状態を維持する金属超電導導体を使用した超電導線が、実用的な超電導材料として、主に使用されるが、最近では、酸化物超電導導体を適用した超電導コイルの開発も進められている。この酸化物超電導導体は高温超電導導体とも呼ばれており、この高温超電導導体を使用した場合には、金属超電導導体を使用した場合に比べて運転コストが低い利点がある。高温超電導コイルにおいては、例えば、ビスマス系の高温超電導導体の粉末を銀パイプ中に充填し、線引き、圧延して形成されたテープ状の高温超電導導体が一般に用いられている。

超電導コイルの巻線方式としては、パンケーキ巻線方式、円筒巻線方式などがある。

図５は、パンケーキ巻線方式の高温超電導コイルの模式的構成図を示す。パンケーキ巻線方式は、超電導テープを同心状に巻回したパンケーキコイルを、巻枠４の軸方向に電気絶縁部材９を介して積層した方式で、例えば、特許文献２に開示されている（詳細は、特許文献２参照）。

図５に示す超電導コイルは、隣接するパンケーキコイル間を、パンケーキの外周部に設けたコイル接続部８により電気的に接続した構成（いわゆる、ダブルパンケーキ方式の構成）を示す。このダブルパンケーキ方式の場合、各コイルの電気的接続は、例えば図５の最下段のコイルの外周部における超電導導体を出発点とし、当該コイルの内周部において次の上段コイルに立ち上がって電気的に接続され、前記上段コイルの外周部に戻って、前記コイル接続部８により、さらに上段コイルの外周部の超電導導体に接続される。このような接続を順次繰り返すことにより、最終的に、最上段コイルの外周部の超電導導体に到達する。上記ダブルパンケーキ方式によれば、電気的接続構成がシンプルとなる。

次に、図６に、特許文献１に開示された円筒巻線方式の高温超電導コイルの模式的構成図を示す。図６に示す円筒巻線方式は、巻枠４の円周方向に螺旋状に設けた土手部６と螺旋状の溝５に沿って高温超電導導体１０を巻き、巻枠４の軸方向に向かって螺旋状の溝内に繰返し巻回する方式である（詳細は、特許文献１参照）。

なお、後述する本発明の構成に一見近い構成を備えた高温超電導コイルが、特許文献３に開示されているが、その内容については後述する。
特開２００１−２４４１０８号公報（第３−４頁、図１） 特開平６−２６０３３５号公報（第１−２頁、図４） 特開２００１−１２６９１６号公報（第５頁、図１）

ところで、超電導コイルの巻線に用いられる超電導導体、特に、テープ状に形成された高温超電導導体の臨界電流、即ち超電導状態を保持する許容最大電流は、テープ導体の温度ならびにテープ導体に加わる磁束密度に依存するのみならず、磁界の向きにも大きく依存することが知られている。

図３は、温度が７７〔Ｋ〕のときのビスマス系高温超電導導体の臨界電流の磁束密度および方向に対する依存性を示す特性図である。図３において、縦軸は印加磁界がゼロのときの値を１として表示した臨界電流の相対値、横軸は磁束密度〔Ｔ〕であり、図中（1）の特性は、磁界がテープ導体の幅広面に平行に加わったときの特性、また（2）の特性は、磁界がテープ導体の幅広面に垂直に加わったときの特性である。

図３に示すように、磁界の方向がテープ導体の幅広面に平行である(1)の場合には、磁束密度の増大に伴う臨界電流の低下は比較的小さいが、磁界の方向がテープ導体の幅広面に垂直に加わる（2）の場合には、臨界電流は磁束密度の増大とともに大幅に低下し、例えば 0.04 〔Ｔ〕においては、磁界の方向が平行の場合の臨界電流の約 50 ％となる。

一方、図５ないし図６に示したような高温超電導コイルでは、例えば図５のコイルを例に述べると、テープ導体に直流電流を通電した際に、図４に模式的に示したような磁束を生じることとなる。即ち、コイルの軸中心部には、主として軸方向、つまりテープ導体の幅広面に平行な方向の磁束が生じる。このうち、コイル積層方向中央部では軸方向の成分のみとなり、磁束密度の絶対値は図中にＡで表示したテープ導体の巻枠４の内接部分において最大となる。コイルの内部を中央部から軸方向端部へと向かうにしたがって磁束が発散するので、磁束密度の絶対値は減少するが、一方、中心軸より隔たるにしたがい、径方向、つまりテープ導体の幅広面に垂直な方向成分の大きな磁束が生じることとなり、特に積層方向の両端のＢ部に位置する巻線では幅広面に垂直な成分が大きくなる。上記は、図６に示した、円筒巻線方式のコイルにおいても同様である。

ところで、コイル線材への印加磁界が大きいと、その部分に発生する交流損失が増えることになる。従って、コイル全体の交流損失の内、軸方向両端部側に配設されたコイルにおける超電導導体の交流損失の割合が大きく、特に、垂直磁界の影響が大きい。変圧器などの交流を通電する超電導交流機器の場合、コイルに交流を通電すると交流損失が発生し、システムの運転効率に大きく影響するため、交流損失を少しでも減らし、冷却装置を含めた全体のシステムの運転効率を向上させることが重要な課題である。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、この発明の課題は、交流電流を通電する超電導コイル全体の交流損失を低減し、ひいては運転効率の向上を図った超電導コイルを提供することにある。

前述の課題を解決するため、この発明は、円筒状巻枠の外周面上に、巻枠の軸方向及び半径方向に、超電導導体を円筒層状に巻回してなる超電導コイルにおいて、単位体積当りの交流損失値が大小異なる、少なくとも２種類の超電導導体を用いて夫々形成したコイルを軸方向に配設してなり、かつ前記交流損失値が相対的に小さい超電導導体によって形成したコイルを前記軸方向の両端部に配設し、交流損失値が相対的に大きい超電導導体によって形成したコイルを前記軸方向の中央部に配設したものとする（請求項１の発明）。

上記構成によれば、コイル全体の交流損失への影響が大きい巻線軸方向端部の交流損失を少なくでき、効果的にコイル全体の交流損失を下げることができ、冷却装置を含めた運転効率の向上を図った超電導コイルが提供できる。

上記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし４の発明が好ましい。即ち、前記請求項１に記載の超電導コイルにおいて、前記コイルが３種類以上の場合には、各コイルにおける超電導導体の前記交流損失値は、前記中央部を最大とし、前記両端部に向けて順次小としたものとする（請求項２の発明）。これにより、コイル全体の交流損失がさらに低減される。

また、前記請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、前記超電導コイルがダブルパンケーキコイル方式の場合、一対のダブルパンケーキコイルに用いる超電導導体は、同一の超電導導体とする（請求項３の発明）。これにより、交流損失を減らすことができるとともに、電気的接続構成がシンプルとなる。

さらに、運転コスト低減およびコイル製作の容易化の観点から、前記請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超電導コイルにおいて、前記超電導導体は、テープ状のビスマス系高温超電導体とする（請求項４の発明）。

この発明によれば、交流電流を通電する超電導コイル全体の交流損失を低減し、ひいては運転効率の向上を図った超電導コイルを提供することができる。

図面に基づき、本発明の実施の形態について以下に述べる。

図１は本発明の実施の形態を示すパンケーキ巻線方式の超電導コイルの模式的構成を示した図であり、図５に示した部材と同一機能部材には同一番号を付して、詳細説明を省略する。図１において、図５に示した超電導コイルと異なる点は、単位体積当りの交流損失値が大小異なる２種類の超電導線材（１の線材Ａ，２の線材Ｂ）を用いて夫々形成したコイル（Ａ，Ｂ）を軸方向に配設した点である。

図１に示す高温超電導コイル１１は、ダブルパンケーキコイル方式であり、軸方向中央部のコイル（Ａ）および軸方向両端部の各コイル（Ｂ₁およびＢ₂）は、それぞれ一対のダブルパンケーキコイルであって、各一対のコイルに用いる超電導導体１０は、同一の超電導導体、例えば、テープ状のビスマス系高温超電導体（後述する2223線材）とし、詳細は後述するように、コイル（Ｂ₁およびＢ₂）における線材Ｂの交流損失値は、コイル（Ａ）における線材Ａのそれより小とする。

なお、図１に示す超電導コイルにおいて、コイルを３種類以上とする場合には、前述のように、各コイルにおける超電導導体の交流損失値は、中央部を最大とし、前記両端部に向けて順次小とする。

次に、各コイルに用いる超電導導体の選定に関して、図２に基づき述べる。図２は、テープ状のビスマス系高温超電導体（2223線材）の磁束密度と交流損失との関係を示す特性図を示す。なお、磁束密度（Ｔ）および交流損失（J/m³・cycle）は、それぞれ対数目盛で示す。

図２においては、２種類の2223線材（線材(1)および(2)）に関して、線材に垂直磁界が作用した場合（実線で示すデータ）と、線材に平行磁界が作用した場合（破線で示すデータ）とをそれぞれ示している。図２によれば、同一磁束密度において、実線で示す垂直磁界の方が、破線で示す平行磁界に比較して、交流損失が格段に大きい。また、線材(1)と線材(2)とを比較すると、線材(1)の方が、印加磁界に対する単位体積・単位サイクル当たりの交流損失値が大きい。この交流損失の差は、テープ導体の平行方向に加わる磁界による差よりも、垂直方向に加わる磁界による差の方が、数倍〜数十倍大きい。

上記線材(1)と線材(2)とは、自己磁界によって定まる臨界電流が異なり、温度７７Ｋにおいて、線材(1)は７７Ａ，線材（2）は５０Ａである。図２に示すような交流損失特性は、2223線材以外のビスマス系高温超電導体においても、同様であり、一般に、前記臨界電流が小さい線材程、単位体積・単位サイクル当たりの交流損失値が小さい。

上記特性により、臨界電流値が小さい、すなわち磁界中における交流損失の小さい線材(2)を、垂直磁界の影響が大きい巻線軸方向端部に用いることで、コイル全体の交流損失を下げることができる。

上記複数線材を用いたコイルの配設方法は、前記パンケーキ巻線方式に限らず円筒巻線方式にも適用できる。前述のように、パンケーキ巻線方式の場合には、パンケーキコイル毎に単位体積当たりの交流損失値が異なる場合、軸方向の両端に単位体積当たりの交流損失値の小さいパンケーキコイルを配置し、中央方向にむけて単位体積当たりの交流損失値の大きいコイルを配置して、外周部のコイル接続部でコイルをつなげばよい。また、円筒巻線方式の場合には、コイルの軸方向両端部から単位体積当たりの交流損失値の小さい線材で巻き始め、中央部近くでは単位体積当たりの交流損失値の大きい線材と半田付けなどによって電気的に接続するようにして巻線すればよい。

なお、前記特許文献３には、前記実施例図１のように、軸方向中央部のコイル（Ａ）および軸方向両端部の各コイル（Ｂ₁およびＢ₂）を備えた本件実施例と類似したコイル構成が開示されている。しかしながら、特許文献３に記載されたコイル（Ａ）とコイル（Ｂ₁およびＢ₂）との関係は、コイル（Ａ）は母材として銀合金の線材を用い、コイル（Ｂ₁およびＢ₂）は母材として純銀を用いることにより、コイル（Ｂ₁およびＢ₂）の臨界電流密度を、コイル（Ａ）のそれに比較して大としており、本発明と臨界電流値の大小関係が逆となっている。その理由は、発明の課題が異なり、特許文献３の場合には、電流密度が高く、利用できる磁場が大きい超電導コイルを提供することを課題としているからである。

本発明の実施の形態を示す超電導コイルの模式的構成図。 図１の高温超電導体の磁束密度と交流損失との関係を示す特性図。 高温超電導導体の臨界電流の磁界強度および方向依存性を示す特性図。 従来のパンケーキ巻線方式の高温超電導コイルに生ずる磁束の模式図。 従来のパンケーキ巻線方式の高温超電導コイルの模式的構成図。 従来の円筒巻線方式の高温超電導コイルの模式的構成図。

符号の説明

１ 線材Ａ
２ 線材Ｂ
４ 巻枠
８ コイル接続部
９ 電気絶縁部材
１０ 高温超電導導体
１１ 高温超電導コイル

Claims (4)

1. 円筒状巻枠の外周面上に、巻枠の軸方向及び半径方向に、超電導導体を円筒層状に巻回してなる超電導コイルにおいて、
   単位体積当りの交流損失値が大小異なる、少なくとも２種類の超電導導体を用いて夫々形成したコイルを軸方向に配設してなり、かつ前記交流損失値が相対的に小さい超電導導体によって形成したコイルを前記軸方向の両端部に配設し、交流損失値が相対的に大きい超電導導体によって形成したコイルを前記軸方向の中央部に配設したことを特徴とする超電導コイル。
2. 請求項１に記載の超電導コイルにおいて、前記コイルが３種類以上の場合には、各コイルにおける超電導導体の前記交流損失値は、前記中央部を最大とし、前記両端部に向けて順次小としたことを特徴とする超電導コイル。
3. 請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、前記超電導コイルがダブルパンケーキコイル方式の場合、一対のダブルパンケーキコイルに用いる超電導導体は、同一の超電導導体としたことを特徴とする超電導コイル。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超電導コイルにおいて、前記超電導導体は、テープ状のビスマス系高温超電導体としたことを特徴とする超電導コイル。
   
   

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