JPH07509835A - energy storage device - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。 (57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】 エネルギー蓄積装置 発明の分野 本発明は、エネルギー蓄積装置に係る。[Detailed description of the invention] energy storage device field of invention The present invention relates to an energy storage device.
先行技術 エネルギー蓄積装置として使用するための超伝導磁石力蜘られている。しかしな がら、超伝導磁石の使用に伴う主たる問題は、磁石から非常に急激にエネルギー が消散されると共に磁石へ非常に急激にエネルギーが供給されることにより、そ の巻線に大きなストレス及び歪が生じ、その結果、これら巻線が動いて、発熱や 急冷状態を生じることである。prior art Superconducting magnets have been developed for use as energy storage devices. However However, the main problem with the use of superconducting magnets is that energy is released very rapidly from the magnet. is dissipated and energy is supplied to the magnet very rapidly. This causes large stress and strain on the windings, which causes these windings to move, causing heat generation and It is to produce a rapid cooling condition.
従来のエネルギー蓄積装置がDE−C−4027546号に開示されている。A conventional energy storage device is disclosed in DE-C-4027546.
この装置は、漂遊磁界を減少するように設計され、交互の方向に作用電流を各々 搬送する超伝導コイルの方形アレー(磁界の「チェス盤」パターンを形成する) を備えている。アレーから大きな距離においては、これらの磁界が互いに打ち消 し合い、漂遊磁界を減少させる。This device is designed to reduce stray magnetic fields and directs acting current in alternating directions, respectively. Carrying a rectangular array of superconducting coils (forming a “chessboard” pattern of magnetic fields) It is equipped with At large distances from the array, these fields cancel each other out. each other and reduce stray magnetic fields.
発明の要旨 本発明の1つの特徴によれば、エネルギー蓄積装置は、低Tc材料で作られた超 伝導電気コイルのアレーを備え、これらコイルの軸は実質的に平行であり、これ らコイルは非重畳式に横方向に離間されそしてこれら電気コイルは同じ方向に作 用電流を搬送する。Summary of the invention According to one feature of the invention, the energy storage device is made of low Tc material. comprising an array of conducting electrical coils, the axes of which are substantially parallel; The electrical coils are laterally spaced in a non-overlapping manner and the electrical coils are operated in the same direction. carry current for use.
低Tc超伝導材料を用いて、例えば、電気的サージ保護装置のようなエネルギー 蓄積装置を実施する方法であって、急冷の問題を克服し、ひいては、この装置に 対してエネルギーを迅速に解放及び供給できるような方法が分がった。実際にエ ネルギーは、一般に1秒未満の比較的短い時間に必要とされ、そして消散の後に 、装置は通常は約10秒以内に再付勢されねばならない。本発明による装置では これが可能である。Using low Tc superconducting materials, energy A method of implementing an accumulator that overcomes the problem of rapid cooling and that also A method has been found that allows energy to be rapidly released and supplied. Actually Energy is required for a relatively short period of time, generally less than 1 second, and after dissipation , the device typically must be reenergized within about 10 seconds. In the device according to the invention This is possible.
DE−C−4027546に開示された装置に伴う顕著な問題は、コイルに強力 な電磁バースト力が存在することである。A notable problem with the device disclosed in DE-C-4027546 is that the coil This means that there is a strong electromagnetic burst force.
DE−C−4027546に存在するバースト力に対して、本発明では、各ソレ ノイドの外側半径における戻り磁界がローレンツ力を招き、これは、圧縮性であ って、内側半径においてバースト力を支持する助けをする。For the burst forces present in DE-C-4027546, the present invention The return field at the outer radius of the nod induces a Lorentz force, which is compressible This helps support the burst force at the inner radius.
更に別の利点は、連続的な軌道を形成できる磁界プロファイルを与えるようにア レーを組み立てできることである。更に、非常に小さな曲率半径が後に続く連続 的な軌道が理論的に要求される場合に連続的な軌道では実際上達成できないよう なプロファイルを与えることができる。導体には鋭い屈曲部の付近にストレスの 集中及び局部的な歪が生じて、e/m力のもとでワイヤが移動するおそれを高め る。例えば、ある環境においては、「クラッド」コイルを用いた「ボックス型永 久」磁石を使用してアレーをシールドすることが効果的である。Yet another advantage is that the magnetic Being able to assemble the rail. Furthermore, a series followed by a very small radius of curvature If a continuous trajectory is theoretically required, it may not be possible to achieve it in practice with a continuous trajectory. profile. Conductors are exposed to stress near sharp bends. Concentrated and localized strains may occur, increasing the risk of wire movement under e/m forces. Ru. For example, in some environments "box-type permanent" using "clad" coils may be It is effective to shield the array using long-term magnets.
各々のコイルは、e/mカ及び熱的歪に対して単に機械的に支持されるだけであ る。個々のエレメントの形状は通常は円筒状であるから、巻線は、不連続性のお それなく、しかるべき位置に単にクランプし「糊付け」することができる。各コ イルの連続長さが短いことは、熱的に誘起されるコイルの体積変化による不連続 歪の変化を低減する。小さな擾乱が歪エネルギー勾配に沿ってカスケード状の極 微運動を解放しないように歪エネルギーを最適に分布するアレーを設計できる見 込みが相当に大きなものとなっている。Each coil is only mechanically supported against e/m forces and thermal strain. Ru. Since the shape of the individual elements is usually cylindrical, the windings are free from the possibility of discontinuities. Instead, it can simply be clamped and "glued" in place. Each The short continuous length of the coil is due to discontinuities due to thermally induced volume changes in the coil. Reduce distortion changes. Small perturbations create cascading poles along the strain energy gradient. It is possible to design an array that optimally distributes strain energy without releasing micromotion. The impact is quite large.
本発明では、電荷放電要求の負荷時間に一致するようにシステムを融通性をもっ て接続することができる。例えば、アレー全体からエネルギーを部分的に抽出す るのではなくて、ある区分から全てのエネルギーを取り出すように、更に迅速な 部分放電を達成することができる。このアレーの解決策は、システムのダメージ 裕度を与えるようにアレーのサブセットの並列接続が使用される場合に、エレメ ント的な欠陥を許容する。稼働中に、エレメントは、個々に交換することができ る。The present invention allows the system to be flexible to match the load time of charge discharge demands. can be connected. For example, to partially extract energy from the entire array. An even faster method is to extract all the energy from a certain section rather than Partial discharge can be achieved. This array solution is designed to prevent damage to the system. When parallel connections of subsets of arrays are used to provide Tolerating minor defects. During operation, elements can be replaced individually. Ru.
コイルのアレーの幾何学形状は、保護回路、及びアクティブな保護システムをト リガーする早期急冷センサの相互接続に適したものである。The geometry of the array of coils can be used to activate protection circuits and active protection systems. Suitable for interconnecting early quench sensors to trigger.
コイルのアレーは、大きな1部片巻線の場合よりも、冷却チャンネルを取り付け るための多数のオプションを与えることができる。冷却は、急冷保護を助成する ように局部的に増加することができる。Arrays of coils are easier to install cooling channels than large one-piece windings. It can give you many options to choose from. Cooling aids quench protection It can be increased locally like this.
磁界の変化中にLTSC複合の超伝導体フィラメント内の発熱を最小にするため には、非常に小さなフィラメント直径が必要とされる。標準的なフィラメント導 線は、約70ミクロン直径のフィラメントを有する。マイクロSMESの場合に は、2ミクロン直径のフィラメントが必要とされる。To minimize heat generation within the superconducting filament of the LTSC composite during changes in the magnetic field requires a very small filament diameter. standard filament conductor The wire has filaments approximately 70 microns in diameter. In the case of micro SMES requires a 2 micron diameter filament.
鋼マトリクス導体においてニオブ・チタンの2ミクロンフィラメントを共処理す る場合には、引出し中に導体が非常に折れ易いことになる。これらの折れは、導 体がその最終サイズに近づくにつれてもっとも頻繁に生じ、それ故、作業コスト が高くつ(。長さの要件を緩和できることが、コスト節減の主要素である(接合 アレーのジヨイントは、低磁界領域に配置できるので、効率的に形成することが できる)。Co-processing niobium titanium 2 micron filament in steel matrix conductor In this case, the conductor is very susceptible to breakage during withdrawal. These folds are Occurs most often as the body approaches its final size, hence the cost of work Relaxing length requirements is a key factor in cost savings (joint Array joints can be placed in low magnetic field regions, making them efficient to form. can).
コイルアレーにおいて、「より多くの磁束がより多くの巻回を通る」ことは、シ ステムの単位体積当たりのインダクタンスを増加させる。これは、単位インダク タンス当たりの冷却コストが低いと共に、容易に適合され且つシールドされるよ りコンパクトな構造であることを意味する(磁界の変化率が急激であることから 縁磁界ハザードの防止が必須である)。In a coil array, "more magnetic flux passes through more turns" means Increase the inductance per unit volume of the stem. This is the unit inductor Easy to adapt and shield with low cooling cost per tank This means that it has a compact structure (because the rate of change of the magnetic field is rapid). (Prevention of fringe magnetic field hazard is essential).
コイルは、従来の低温(Tc)超伝導体で形成され、このコイルの超伝導体は液 体ヘリウムの温度にあり、それより高い温度の超伝導材料にも適用できるが、一 般的には、液体窒素の温度又はそれより低い温度で超伝導する材料のみに適用で きる。The coil is formed of a conventional low temperature (Tc) superconductor, and the superconductor of this coil is a liquid It is at the temperature of body helium and can be applied to superconducting materials at higher temperatures, but In general, it is only applicable to materials that are superconducting at liquid nitrogen temperatures or lower. Wear.
これらのコイルは、入力及び出力接続部に対して直列又は並列に接続することが できる。並列な構成体は、電気コイルを選択的に使用できるようにし、ひいては 、必要に応じて部分的なエネルギー解放を達成することができる。These coils can be connected in series or in parallel to the input and output connections. can. The parallel arrangement allows selective use of the electrical coils and thus , partial energy release can be achieved if necessary.
ある場合には、幾つかの又は全てのコイル内に更に別のコイルをネスト構成にす ることができる。In some cases, some or all of the coils may be nested with additional coils within them. can be done.
図面の簡単な説明 以下、添付図面を参照し、本発明によるエネルギー蓄積装置の一例を以下に詳細 に説明する。Brief description of the drawing Hereinafter, an example of an energy storage device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Explain.
図1は、支持及び低温構造体を省略した状態でコイル構成体を示した装置の断面 図である。Figure 1 is a cross-section of the device showing the coil arrangement with the support and cryogenic structure omitted. It is a diagram.
図2は、図1に示すコイルの1つの長手方向断面図である。FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view of one of the coils shown in FIG.
図3は、図1に示す装置の半径に沿った磁界プロファイルの変化を示すグラフで ある。Figure 3 is a graph showing the variation of the magnetic field profile along the radius of the device shown in Figure 1. be.
図4は、図1に示す7個のコイルのアレー及び37個のコイルのアレーの半径R に沿って単一エレメントコイルによる磁界プロファイルを各々示したグラフであ る。FIG. 4 shows the radius R of the 7 coil array and 37 coil array shown in FIG. This is a graph showing the magnetic field profile due to a single element coil along the Ru.
図5は、図1に示したコイルにサイズが等しい単一の大きなコイルに対し半径方 向の磁界プロファイルを示した図である。Figure 5 shows the radial direction for a single large coil of equal size to the coil shown in Figure 1. It is a figure showing the magnetic field profile of the direction.
図6は、図1に示すアレーの半径方向の磁界プロファイルを、外側の部材を弱( した状態で示した図である。FIG. 6 shows the radial magnetic field profile of the array shown in FIG. FIG.
図7は、図1の中央コイルの内周に対する磁界プロファイルを示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a magnetic field profile for the inner circumference of the central coil in FIG. 1.
図8は、図1の中央コイルの外周に対する磁界プロファイルを示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a magnetic field profile with respect to the outer circumference of the central coil in FIG. 1.
図9は、図1に示すアレーの外側コイルの内周に対する磁界プロファイルを示す 図である。FIG. 9 shows the magnetic field profile for the inner circumference of the outer coil of the array shown in FIG. It is a diagram.
図1Oは、図1に示す外側のコイルの外周に対する磁界プロファイルを示す図で ある。Figure 1O is a diagram showing the magnetic field profile for the outer circumference of the outer coil shown in Figure 1. be.
好ましい実施例の詳細な説明 図1は、37個のコイルlないし37の六角形アレーを示している。アレーの各 個々のコイルは、図2に長手方向断面で示した寸法を有している。内側の半径は 0.9mであり、外側の半径は1.Omであり、そして長さは2mである。この 例の説明上、巻線の電流密度は、?、5 x 10” Am−”であると仮定す る。これらのコイルは、型に設けられた従来の低Tc銅線がら低温装置内で巻か れ、これらは、図示明瞭化のために省略しである。コイルは、その中にネスト状 にされた付加的なコイルを含んでもよいが、この例では示されていない。DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows a hexagonal array of 37 coils 1 to 37. each of the array The individual coils have the dimensions shown in longitudinal section in FIG. The inner radius is 0.9 m, and the outer radius is 1. Om, and the length is 2 m. this To explain the example, what is the current density in the winding? , 5 x 10" Am-" Ru. These coils are wound in a cryogenic machine from conventional low Tc copper wire in a mold. These are omitted for clarity of illustration. The coils are nested inside Additional coils may be included, but are not shown in this example.
このコイルシステムに対し、アンペアの法則を用いると共に導体体積に対する数 値積分を含む公知の技術を使用して磁界が計算されている。これらの計算は、充 分に正確な結果が得られるよう確保するために、積分に使用された多数の異なる ステップサイズで繰り返された。For this coil system, we use Ampere's law and the number for the conductor volume. The magnetic field is calculated using known techniques including value integration. These calculations are To ensure that minutely accurate results are obtained, there are many different repeated with step size.
蓄積エネルギーは、磁界が認知できる空間の全ての体積に対し磁界強度の平方の 積分から計算された。精度を確認するために、積分に対して異なる空間限界でこ れらの計算が繰り返された。The stored energy is calculated as the square of the magnetic field strength for all the volume of space where the magnetic field is perceivable. Calculated from integrals. To check the accuracy, try this in different spatial limits for the integral: These calculations were repeated.
この例示的なシステムの開発について説明するために、次のものに対して計算を 行った。To illustrate the development of this example system, we performed calculations for the following: went.
■、単一コイルエレメント。■, Single coil element.
2、六角形アレーにおける7個のこのようなエレメント(図1においてlないし 7と番号付けされたエレメント)。2. Seven such elements in a hexagonal array (labeled l to l in Figure 1) element numbered 7).
3、図1に示す37個のコイルの完全なアレー。3. Complete array of 37 coils shown in Figure 1.
4、最も外側のコイル(番号9.10.18.15.16.23等)がそれらの 巻線断面の減少により弱くされた37個のコイルの同様のアレー。巻線断面の減 少は、内側の巻線半径を0.9mから0.93mに変更することによって行った 。4. The outermost coils (numbers 9, 10, 18, 15, 16, 23, etc.) A similar array of 37 coils weakened by reducing the winding cross section. Reduction of winding cross section The smaller diameter was achieved by changing the inner winding radius from 0.9m to 0.93m. .
5、内側の半径が6.9mで、外側の半径が7mでそして長さが2mの単一の大 きなコイル38゜このコイルは、小エレメントコイルのサイズと比較して大きな 距離から見たときに、37コイルのアレーに等しく示すことができ、実際にはエ ネルギーの計算はほぼ同じ蓄積エネルギーをもつように示すことができる。5. A single large piece with an inner radius of 6.9 m, an outer radius of 7 m, and a length of 2 m. Kina coil 38゜This coil is larger than the small element coil size. When viewed from a distance, it can be shown to be equivalent to an array of 37 coils and is actually an array of 37 coils. Energy calculations can be shown to have approximately the same stored energy.
図3は、37個の同一コイルlないし37のアレーの半径Rに沿った磁界プロフ ァイルを示す。Figure 3 shows the magnetic field profile along radius R of an array of 37 identical coils l or 37. file.
図4は、7個のアレー及び37個のアレーの場合に各々単一エレメントコイルに 対して重畳された3つの同様のプロファイル40,41及び42を示している( 上記のケース1,2及び3)。Figure 4 shows a single element coil for 7 arrays and 37 arrays, respectively. It shows three similar profiles 40, 41 and 42 superimposed against ( Cases 1, 2 and 3 above).
図5は、比較のために表した等しい大きさの単一コイル38に対する磁界プロフ ァイルである(ケース5)。FIG. 5 shows the magnetic field profile for a single coil 38 of equal size for comparison. (Case 5).
図6は、外側のメンバーを弱くしたアレー37の磁界プロファイルである(ケー ス4)。Figure 6 shows the magnetic field profile of array 37 with weakened outer members (case S4).
これらアレーは、大きな単一のコイルと同様の磁界プロファイルを有するが、巻 線の外縁付近に負の磁界の小さな領域を有することが明らがである。この縁がら 離れたアレー内では、隣接するコイルの戻り磁束が、特定のコイル内の磁界を分 離されたコイルの場合よりも更に適度なレベルまで減少させる。コイルの外側の 半径においては、戻り磁束が負の磁界を増強し、強めな負の磁界の領域を形成す る。アレーの縁では、これらのメカニズムは生じない。外側のコイルの内側の巻 線半径における(正の)磁界強度が受け入れられない(バースト力が発生される ため、又は超伝導巻線の場合には導体の電流搬送能力が減少するため)場合には 、図6に示すように、外側のコイルを若干弱(することによりこれを減少するこ とができる。These arrays have a magnetic field profile similar to a large single coil, but with It is evident that there is a small region of negative magnetic field near the outer edge of the line. This border In distant arrays, the return flux of adjacent coils splits the magnetic field within a particular coil. reduced to a more moderate level than would be the case with separated coils. outside of the coil At the radius, the return flux enhances the negative magnetic field, forming a region of strong negative magnetic field. Ru. At the edges of the array, these mechanisms do not occur. Inner turn of outer coil The (positive) field strength at the wire radius is unacceptable (a burst force is generated) (or, in the case of superconducting windings, because the current carrying capacity of the conductor is reduced) , as shown in Figure 6, the outer coil is slightly weakened (this can be reduced by I can do it.
図7及び8は、アレーの中央又はその付近のコイル(例えば、コイルlないし7 の1つ)の各々内周及び外周付近の磁界強度の方位変化を示している。この磁界 変化は小さく、予想されるように、6重の対象性を有している。図9及びIOは 、アレーの縁におけるコイル(例えば、コイル9.15.20.25.30又は 35の1つ)に対する等価データを示している。ここでは、変化は非常に大きな ものである。その詳細な形態は、コイルの形状に基づ(ことが分かっている。7 and 8 show that the coils at or near the center of the array (e.g., coils 1-7) (1) shows changes in the direction of the magnetic field strength near the inner and outer peripheries. this magnetic field The changes are small and, as expected, have six-fold symmetry. Figure 9 and IO , a coil at the edge of the array (e.g. coil 9.15.20.25.30 or 35) is shown. Here the changes are very large It is something. Its detailed morphology is known to be based on the shape of the coil.
これらのような相対的に長いコイルは、均一な磁界プロファイルを個々に有し、 その結果、第1次の変化により左右される滑らかな曲線が得られる。短いフープ (輪)は、均一な磁界をほどんどもたず、従って、縁においてコイルに対して得 られる方位磁界プロファイルは、第1次の成分と、容易に認知し得る第3次の成 分の両方を有する。Relatively long coils such as these individually have a uniform magnetic field profile, The result is a smooth curve dominated by first-order changes. short hoop (rings) have almost no uniform magnetic field and therefore have no advantage over the coils at the edges. The azimuthal magnetic field profile produced by the Having both minutes.
これらの詳細な相違は、本発明の原理に影響するものではなく、超伝導体におい ては、電流搬送能力は最大磁界値によって決定されるが、導体におけるフープの ストレスは、その周囲を平均化することにより得た平均値によって決定されるこ とを想起されたい。These detailed differences do not affect the principle of the present invention and are In this case, the current carrying capacity is determined by the maximum magnetic field value, but the current carrying capacity of the hoop in the conductor is Stress is determined by the average value obtained by averaging its surroundings. I would like you to remember that.
導体におけるストレスは、ローレンツの力から計算することができる。中間平面 にある導体については、この力は、導体の単位長さ当たりJθ・B工であり、こ れは半径方向外方に向けられる。他の支持体がない場合には、この力は、S=J 、 R,B、により与えられる導体のフープストレスにより含まれる。Stress in a conductor can be calculated from Lorentz forces. intermediate plane For a conductor in This is directed radially outward. In the absence of other supports, this force is S=J , R, B, due to the hoop stress of the conductor.
付加的な支持体が設けられる場合には、絶縁材、冷却チャンネル及び他の導体の ような弾性係数の低い材料力′(介在するために、全ての力を外部構造体へ伝達 することが困難であり、従って、導体には実質的なフープストレスが依然として 現れる。Insulation, cooling channels and other conductors, if additional supports are provided. Material forces with low elastic modulus such as therefore, there is still substantial hoop stress on the conductor. appear.
本発明は、電磁力の支持に対して2つの利点を与えることができる。第1に、小 さな巻線半径をもつコイルの使用により、所与のローレンツ力から低いフープス トレスが直接得られる。第2に、隣接コイルからの戻り磁束がストレスに対して 圧縮成分を生じる。これは、従順なマトリクスにおいて導体がもろい超伝導化合 物である場合に特に望ましいことである。このように、コイルは相互支持体を果 たす。この構造体は、宇宙や機械工学の他の分野で重量なしにスチフネスを形成 するのに用いられる「蜂の巣」合成物と同様である。The present invention can provide two advantages for electromagnetic force support. First, small Low hoops from a given Lorentz force due to the use of a coil with a small winding radius Torres can be obtained directly. Second, the return flux from adjacent coils produces a compressive component. This is a superconducting compound in which the conductor is brittle in a compliant matrix. This is particularly desirable when the object is a physical object. In this way, the coils serve as mutual supports. Tasu. This structure creates stiffness without weight in space and other fields of mechanical engineering. similar to the "honeycomb" compound used to
以下のテーブルは、コイルシステムにおける種々の態様の特性及びそれと等価な 単一コイルの特性を要約するものである。The table below lists the characteristics and equivalents of various aspects in the coil system. This summarizes the characteristics of a single coil.
コイルlないし37は、端子に直列又は並列に接続され、装置をスイッチを経て 電気回路に接続できるようにした。このスイッチの動作は、従来の蓄積装置の場 合と同様である。Coils 1 to 37 are connected in series or parallel to the terminals and the device is connected via a switch. It can be connected to an electric circuit. The operation of this switch is similar to that of traditional storage devices. It is the same as when
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