JP2002075078A - Superconducting cable and method for analyzing electric-current distribution in superconducting cable - Google Patents

Superconducting cable and method for analyzing electric-current distribution in superconducting cable

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JP2002075078A JP2000257482A JP2000257482A JP2002075078A JP 2002075078 A JP2002075078 A JP 2002075078A JP 2000257482 A JP2000257482 A JP 2000257482A JP 2000257482 A JP2000257482 A JP 2000257482A JP 2002075078 A JP2002075078 A JP 2002075078A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a superconducting cable which is compact and has a large capacity, and can lower the alternating-current loss of the conductor, and the method for analyzing electric-current distribution in a superconducting cable. SOLUTION: A superconducting cable which comprises a core material, a conducting layer of laminated structure made by winding spirally a plurality of tape-shaped superconducting multiconductor wires around the core material, an electrically insulating layer, and a magnetic shielding layer of laminated structure made by winding a plurality of tape-shaped superconducting multiconductor wires. The following architecture 1-3 is provided. 1 The winding pitch of at least one of the conductor layer and the magnetic shielding layer is different from that of the other layer. 2 The tape-shaped superconducting multiconductor wire has a structure in which superconducting filaments are imbedded in a matrix, and the filaments are spirally twisted. 3 The core material is fabricated by twisting together insulated strands.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、交流損失の低減を
図ることができる超電導ケーブルとその電流分布解析方
法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a superconducting cable capable of reducing AC loss and a method of analyzing a current distribution of the cable.

【0002】[0002]

【従来の技術】超電導ケーブルに用いられる導体構造と
して、芯材上にテープ状超電導多芯線を同一ピッチで螺
旋巻きして多層にした導体(単純多層導体)が知られてい
る。このような導体では、内周の超電導層ほど電流密度
が小さく、外周の超電導層ほど電流密度が大きいという
偏流が顕著となるため、高温超電導ケーブルの交流損失
低減対策が必要となる。例えば、特願2000−5107号(未
公開)には、テープ状超電導多芯線のピッチを変えるこ
とで各層の電流を均流化する技術が開示されている。
2. Description of the Related Art As a conductor structure used in a superconducting cable, a conductor (simple multilayer conductor) in which a tape-shaped superconducting multi-core wire is spirally wound at the same pitch on a core material to form a multilayer is known. In such a conductor, the current density is smaller in the inner superconducting layer, and the current density is larger in the outer superconducting layer. For example, Japanese Patent Application No. 2000-5107 (not disclosed) discloses a technique for changing the pitch of a tape-shaped superconducting multifilamentary wire to equalize the current of each layer.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかし、10kA近くの大
電流を通電する場合には、ピッチ調整だけで低損失を実
現するのは難しい。ピッチ調整導体の交流損失は、通電
時に各層のテープ状超電導多芯線に加わる磁場の大きさ
によって決まる。磁場は通電電流が大きくなるほど増大
するので、10kAクラスの大電流導体の損失は、1kAクラ
スの導体よりもl桁以上大きくなる。損失が増大する
と、その分だけ大きな冷却能力を持った冷凍機が必要と
なり、損失面での超電導ケーブルのメリットが薄れる。
However, when a large current of about 10 kA is applied, it is difficult to achieve low loss only by adjusting the pitch. The AC loss of the pitch adjusting conductor is determined by the magnitude of the magnetic field applied to the tape-shaped superconducting multifilamentary wires of each layer during energization. Since the magnetic field increases as the energizing current increases, the loss of a large current conductor of the 10 kA class is larger than that of the 1 kA class conductor by one order of magnitude or more. As the loss increases, a refrigerator having a large cooling capacity is required, and the advantage of the superconducting cable in terms of loss is reduced.

【0004】従って、本発明の主目的は、コンパクトか
つ大容量(特に3kA以上)で、導体の交流損失を低減す
ることができる超電導ケーブルと超電導ケーブルの電流
分布解析方法とを提供することにある。
Accordingly, a main object of the present invention is to provide a superconducting cable which is compact and has a large capacity (particularly 3 kA or more) and which can reduce the AC loss of a conductor, and a method for analyzing the current distribution of the superconducting cable. .

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明超電導ケーブル
は、芯材の構成、テープ状超電導多芯線の構成および
同多芯線の巻回の仕方に工夫を施したり、テープ状超
電導多芯線の厚さを限定することで、上記の目的を達成
する。
The superconducting cable according to the present invention is characterized in that the constitution of the core material, the constitution of the tape-shaped superconducting multifilamentary wire and the manner of winding the multifilamentary wire are devised, and the thickness of the tape-shaped superconducting multifilamentary wire is improved. The above object is achieved by limiting.

【0006】すなわち、第1の本発明に基づくケーブル
は、芯材と、芯材上に複数のテープ状超電導多芯線を螺
旋状に巻き付けてなる積層構造の導体層と、電気絶縁層
と、絶縁層上に複数のテープ状超電導多芯線を螺旋状に
巻き付けてなる積層構造の磁気遮蔽層とを具える超電導
ケーブルである。そして、以下の〜の構成を具える
ことを特徴する。
That is, the cable according to the first aspect of the present invention provides a core material, a conductor layer having a laminated structure in which a plurality of tape-shaped superconducting multi-core wires are spirally wound around the core material, an electrical insulating layer, and an insulating layer. A superconducting cable comprising a laminated magnetic shielding layer formed by spirally winding a plurality of tape-shaped superconducting multi-core wires on a layer. And it is characterized by comprising the following configuration (1).

【0007】導体層および磁気遮蔽層のうち、少なく
とも1層の巻きピッチが他層とは異なる。 テープ状超電導多芯線はマトリックス中に超電導フィ
ラメントが埋め込まれた構成で、このフィラメントは螺
旋状にツイストが施されている。 芯材は絶縁された素線を撚り合わせて構成されてい
る。
[0007] At least one of the conductor layer and the magnetic shielding layer has a different winding pitch from the other layers. The tape-shaped superconducting multifilamentary wire has a configuration in which a superconducting filament is embedded in a matrix, and this filament is twisted in a spiral shape. The core is formed by twisting insulated wires.

【0008】さらには、超電導フィラメントの外周に
高抵抗バリア層が配されていることが好ましい。
Further, it is preferable that a high resistance barrier layer is provided on the outer periphery of the superconducting filament.

【0009】以下、前記〜の各構成ごとについて説
明する。 (導体層および磁気遮蔽層のピッチ調整)導体層および
磁気遮蔽層のピッチを調整する具体的手法は、交流損失
を低減できるようなテープ状超電導多芯線のピッチを選
択できるものであればどのような手法でも構わないが、
例えば特願2000-5106号に開示されている方法を用いる
ことが好適である。この手法によれば、任意の芯材抵
抗、任意の導体サイズ、任意の螺旋巻き方向、任意の螺
旋巻きピッチを有する超電導ケーブルの電流分布、交流
損失が詳細に解析でき、交流損失を極小化するテープ状
超電導多芯線の巻回ピッチを決定することができる。こ
の手法の詳細については後述する。
Hereinafter, each of the above structures will be described. (Pitch Adjustment of Conductive Layer and Magnetic Shielding Layer) A specific method of adjusting the pitch of the conductive layer and the magnetic shielding layer is any as long as the pitch of the tape-shaped superconducting multifilamentary wire that can reduce the AC loss can be selected. Although it may be a simple method,
For example, it is preferable to use the method disclosed in Japanese Patent Application No. 2000-5106. According to this method, the current distribution and the AC loss of a superconducting cable having an arbitrary core material resistance, an arbitrary conductor size, an arbitrary spiral winding direction, and an arbitrary spiral winding pitch can be analyzed in detail, and the AC loss is minimized. The winding pitch of the tape-shaped superconducting multi-core wire can be determined. Details of this method will be described later.

【0010】(ツイスト線の使用)マトリックス中に超
電導フィラメントが埋め込まれた構成で、このフィラメ
ントが螺旋状に構成されたツイスト線自体については、
特開平7-105753号に記載されている。
(Use of Twisted Wire) With respect to a configuration in which a superconducting filament is embedded in a matrix, and this filament is formed in a spiral shape,
It is described in JP-A-7-105753.

【0011】螺旋状のフィラメントを持つ超電導線材で
は、マトリクスとフィラメント間に流れる誘導電流がツ
イストピッチごとに分断され、小ループとなって流れる
ため、電流の大きさも制限される。その結果、交流損を
小さく抑えることができる。
In a superconducting wire having a helical filament, the induced current flowing between the matrix and the filament is divided at every twist pitch and flows as a small loop, so that the magnitude of the current is also limited. As a result, AC loss can be reduced.

【0012】マトリクス材料としては、銀または銀合金
が好適である。銀合金には、Ag-Au合金、Ag-Mg合金、Ag
-Sb合金、Ag-Mn合金が好ましい。フィラメントを構成す
る超電導体はイットリウム系、ビスマス系、タリウム系
などの酸化物超電導体が好ましい。
Silver or a silver alloy is preferred as the matrix material. Ag-Au alloy, Ag-Mg alloy, Ag
-Sb alloy and Ag-Mn alloy are preferable. The superconductor constituting the filament is preferably an oxide superconductor of yttrium, bismuth or thallium.

【0013】このようなツイスト線は、パウダーインチ
ューブ法などにより製造する。例えば次の工程により得
ることができる。超電導体の原料粉末または超電導体の
粉末を第1パイプ中に充填し、これを伸線加工して単心
超電導線とする。単心超電導線を複数本用意し、これら
を第2パイプに挿入して再度伸線加工し、多芯超電導線
とする。多芯超電導線に所要のピッチで捻り加工を施
し、さらに軽く伸線加工を施してから、圧延加工してテ
ープ状とする。通常は、このテープ線に1回目の焼結を
行った後、もう一度圧延加工を施して、2回目の焼結を
行ってテープ状超電導多芯線を得る。超電導体の原料粉
末の一例としては、Bi−2212相を主相とする前駆体(最
終焼結後にBi−2223相が形成される)が挙げられる。第
1・第2パイプには、銀パイプなどを利用すれば良い。
[0013] Such a twisted wire is manufactured by a powder-in-tube method or the like. For example, it can be obtained by the following steps. The raw material powder of the superconductor or the powder of the superconductor is filled in the first pipe, and this is drawn to form a single-core superconducting wire. A plurality of single-core superconducting wires are prepared, inserted into the second pipe and drawn again to obtain a multi-core superconducting wire. The multifilamentary superconducting wire is twisted at a required pitch, further lightly drawn, and then rolled into a tape shape. Normally, after the first sintering of the tape wire, it is rolled once more, and the second sintering is performed to obtain a tape-shaped superconducting multi-core wire. As an example of the raw material powder of the superconductor, a precursor having a Bi-2212 phase as a main phase (a Bi-2223 phase is formed after final sintering) is given. A silver pipe or the like may be used for the first and second pipes.

【0014】フィラメントの数は、最終的なフィラメン
トの厚さ、テープ状超電導多芯線のサイズに応じて決定
する。通常は、7〜127芯程度とする。
The number of filaments is determined according to the final filament thickness and the size of the tape-shaped superconducting multifilamentary wire. Usually, it is about 7 to 127 cores.

【0015】フィラメントのツイストピッチは、一般に
短ピッチの方が損失低減に有効である。現状のツイスト
ピッチの下限は10mm程度である。ただし、極端に短ピッ
チのツイスト線を得ようとしても、フィラメントの断線
などが生じやすく、長ピッチの方が加工が容易である。
そのため、ツイストピッチは多芯超電導線の線径の5倍
以上とすることが実用的である。
In general, a short twist pitch of the filament is more effective in reducing loss. The lower limit of the current twist pitch is about 10 mm. However, even if an attempt is made to obtain an extremely short twisted wire, the filament is liable to be broken, and the long pitch is easier to process.
Therefore, it is practical to set the twist pitch to 5 times or more the wire diameter of the multi-core superconducting wire.

【0016】多芯超電導線の最終伸線径は、テープ線の
厚さおよびツイストピッチに応じて設定する。この最終
伸線径はφ0.5mm〜φ3mm程度が一般的である。
The final drawn diameter of the multi-core superconducting wire is set according to the thickness and the twist pitch of the tape wire. The final wire drawing diameter is generally about φ0.5 mm to φ3 mm.

【0017】テープ状超電導多芯線とした場合の最終的
な厚さは0.1〜0.4mm、アスペクト比(幅/厚さ)は10〜2
0程度が好ましい。
When the tape-shaped superconducting multi-core wire is used, the final thickness is 0.1 to 0.4 mm and the aspect ratio (width / thickness) is 10 to 2
About 0 is preferable.

【0018】(高抵抗バリア層)高抵抗バリア層は、フ
ィラメントの外周を被覆するように形成する。高抵抗バ
リア層の存在により、テープ状超電導多芯線のマトリッ
クスを構成する金属が超電導体に拡散して臨界電流密度
が低下することを防止できると共に、実質的にマトリッ
クスを高抵抗化して交流損失の低減を図ることができ
る。高抵抗バリア層の材料は、超電導体と反応しない
こと、伸線・圧延加工時に線材の加工性を阻害しない
ことを主な基準として選択する。より具体的には、Ca-C
u-O系酸化物、Bi2201相、Sr-V-O系酸化物などが最適で
ある。
(High resistance barrier layer) The high resistance barrier layer is formed so as to cover the outer periphery of the filament. The presence of the high-resistance barrier layer can prevent the metal constituting the matrix of the tape-shaped superconducting multi-core wire from diffusing into the superconductor and lowering the critical current density, and also substantially increase the resistance of the matrix to reduce AC loss. Reduction can be achieved. The material of the high resistance barrier layer is selected as a main criterion such that it does not react with the superconductor and does not impair the workability of the wire during drawing and rolling. More specifically, Ca-C
uO-based oxides, Bi2201 phase, Sr-VO-based oxides, etc. are optimal.

【0019】高抵抗バリア層を有するテープ状超電導多
芯線は、例えば次の工程により得ることができる。超電
導体の原料粉末または超電導体の粉末を第1パイプ中に
充填し、これを伸線加工して単心超電導線とする。単心
超電導線を第2パイプに挿入し、第1の銀パイプと第2
パイプとの間に高抵抗バリア層の材料を充填する。この
第2パイプを伸線加工してバリア層付き単芯線とする。
バリア層付き単芯線を複数本用意し、これらを第3パイ
プに挿入し、さらに伸線加工を施して多芯超電導線とす
る。多芯超電導線に所要のピッチで捻り加工を施し、さ
らに軽く伸線加工を施してから、圧延加工してテープ状
超電導多芯線を得る。第1・第2・第3パイプには銀パ
イプなどを利用すればよい。
A tape-shaped superconducting multi-core wire having a high resistance barrier layer can be obtained, for example, by the following steps. The raw material powder of the superconductor or the powder of the superconductor is filled in the first pipe, and this is drawn to form a single-core superconducting wire. Insert the single-core superconducting wire into the second pipe and connect the first silver pipe and the second
The material for the high resistance barrier layer is filled between the pipe and the pipe. The second pipe is drawn into a single core wire with a barrier layer.
A plurality of single-core wires with a barrier layer are prepared, inserted into a third pipe, and further subjected to wire drawing to form a multi-core superconducting wire. The multifilamentary superconducting wire is twisted at a required pitch, further lightly drawn, and then rolled to obtain a tape-shaped superconducting multifilamentary wire. A silver pipe or the like may be used for the first, second, and third pipes.

【0020】(撚り合わせ構造の芯材)従来、芯材には
一般にパイプ材が利用されていたが、撚り線構造の芯材
とすることで、交流損失の低減と過電流での温度上昇抑
制という2つの問題を同時に解決する。
(Core material of twisted structure) Conventionally, a pipe material is generally used as the core material. However, by using a core material of a stranded wire structure, AC loss can be reduced and temperature rise due to overcurrent can be suppressed. Solve the two problems at the same time.

【0021】超電導層の各層の巻きピッチが異なるピッ
チ調整型導体では導体軸方向の磁界が発生する。金属パ
イプを芯材として用いると、この軸方向磁場によって大
きな渦電流損失が発生する。
In a pitch-adjustable conductor in which the winding pitch of each layer of the superconducting layer is different, a magnetic field is generated in the conductor axis direction. When a metal pipe is used as a core material, a large eddy current loss occurs due to the axial magnetic field.

【0022】この渦電流損失を抑制するには、材料の抵
抗を上げることが損失低減に有効であり、金属でない方
が良いとも考えられる。しかし、超電導ケーブルに過電
流が流れたときのケーブル温度上昇を抑制するために
は、芯材が過電流を分担するようにする必要があり、そ
のためには、芯材の抵抗はなるべく低くする必要があ
る。その観点から、芯材を構成する材料は金属が好まし
い。
In order to suppress the eddy current loss, it is considered that increasing the resistance of the material is effective in reducing the loss, and it is considered that the material should not be made of metal. However, in order to suppress the rise in cable temperature when an overcurrent flows in the superconducting cable, it is necessary that the core material share the overcurrent, and for that purpose, the resistance of the core material must be as low as possible. There is. From that viewpoint, the material constituting the core material is preferably a metal.

【0023】そこで構造面からみると、芯材材料として
金属を前提にしたとき、芯材の断面を分割して、渦電流
のパスを小さくすることが有効である。具体的には、素
線絶縁の施された素線を撚り合わせて、芯材を構成すれ
ば良い。
In view of the structure, when metal is assumed as the core material, it is effective to divide the cross section of the core material to reduce the path of the eddy current. Specifically, the core material may be formed by twisting the insulated wires.

【0024】芯材表面を平滑化することも好ましい。こ
の平滑化により、ケーブルの曲げなどによる機械的な劣
化を抑制することができる。単なる撚り線導体は、表面
平滑性が悪く、この上に直接超電導線材を集合すると、
ケーブル導体を曲げたときに超電導線材の座屈が多発す
ることが判った。この問題の対策として、芯材表面を平
滑化すれば導体曲げによる超電導線材の座屈を抑制でき
る。平滑化の程度は、金属線の撚り溝による凹凸を緩和
できる程度とすれば良い。
It is also preferable to smooth the surface of the core material. By this smoothing, mechanical deterioration due to bending of the cable or the like can be suppressed. A simple stranded conductor has poor surface smoothness, and when superconducting wires are directly assembled on this,
It was found that buckling of the superconducting wire frequently occurred when the cable conductor was bent. As a countermeasure against this problem, buckling of the superconducting wire due to conductor bending can be suppressed by smoothing the core material surface. The degree of smoothing may be such that unevenness due to twisted grooves of the metal wire can be reduced.

【0025】芯材表面の凹凸を平滑化する手段として
は、芯線表面自体を円筒面状に成形する方法と、芯材表
面に平滑化する層を別途設けることが挙げられる。
Means for smoothing the irregularities on the surface of the core material include a method of forming the surface of the core wire itself into a cylindrical surface and a method of separately providing a layer for smoothing the surface of the core material.

【0026】前者としては、断面が円形状の金属線を撚
り合わせた後、この撚り線をダイスに通して芯線表面を
円筒面状に圧縮成形したり、円形状の金属線を撚り合わ
せた後、この撚り線表面を研磨して芯線表面を円筒面状
に形成することが挙げられる。
As the former, after twisting a metal wire having a circular cross section, the twisted wire is passed through a die to compress the core wire into a cylindrical surface, or after twisting a circular metal wire. Polishing the surface of the stranded wire to form the surface of the core wire into a cylindrical surface.

【0027】また、後者の具体例としては、次の手段が
挙げられる。
The following specific examples are given as the latter.

【0028】撚り合わされた金属線の外周にテープ材
を巻きつけたり、押出し被覆を形成する。その場合、絶
縁性のテープ材、押出し被覆材を用いることが好まし
い。テープ材、押出し被覆材自体の渦電流損失を回避す
ることができるからである。また、テープ材を金属にす
ると、テープエッジで超電導線が座屈する恐れがあるた
めである。
A tape material is wound around the twisted metal wire, or an extruded coating is formed. In that case, it is preferable to use an insulating tape material or an extruded covering material. This is because the eddy current loss of the tape material and the extrusion coating material itself can be avoided. Further, if the tape material is made of metal, the superconducting wire may buckle at the tape edge.

【0029】芯材における金属線のうち、最外層に使
用されている線材の径を内層側の線材の径よりも細径と
する。特に、最外層の線材とその直下の線材の撚り方向
を逆にする、もしくは両線材の撚りピッチを大きく変え
ることで、最外層の線材が直下の線材の撚り溝に落ち込
まず、芯材表面の平滑化を効果的に実現できる。
Of the metal wires in the core, the diameter of the wire used for the outermost layer is made smaller than the diameter of the wire on the inner layer side. In particular, by reversing the twisting direction of the outermost wire and the wire immediately below it, or by changing the twist pitch of both wires significantly, the wire of the outermost layer does not fall into the twist groove of the wire immediately below, and the surface of the core material Smoothing can be effectively realized.

【0030】芯材は、絶縁被覆された金属線を同心撚り
した構造であることが望ましい。先述した超電導線材の
座屈は、芯材表面の凹凸に起因して発生する。金属線を
撚りあわせた構造の芯材では多かれ少なかれ必ず表面に
凹凸が見られる。撚り合わせ構造のうち、最も凹凸を抑
制できるのは同心撚り構造である。
It is desirable that the core material has a structure in which an insulated metal wire is concentrically twisted. The buckling of the superconducting wire described above occurs due to unevenness on the surface of the core material. In the case of a core material having a structure in which metal wires are twisted, irregularities are always more or less seen on the surface. Among the twisted structures, the concentric twisted structure can most suppress unevenness.

【0031】第2の本発明に基づく超電導ケーブルは、
芯材と、芯材上に複数のテープ状超電導多芯線を螺旋状
に巻き付けてなる積層構造の導体層と、電気絶縁層と、
絶縁層上に複数のテープ状超電導多芯線を螺旋状に巻き
付けてなる積層構造の磁気遮蔽層とを具える超電導ケー
ブルである。そして、前記テープ状超電導多芯線の厚さ
を0.15mm以下とすることを特徴とする。
The superconducting cable according to the second aspect of the present invention comprises:
A core material, a conductor layer having a laminated structure in which a plurality of tape-shaped superconducting multi-core wires are spirally wound on the core material, and an electrical insulating layer,
A superconducting cable comprising: a magnetic shielding layer having a laminated structure in which a plurality of tape-shaped superconducting multifilamentary wires are spirally wound on an insulating layer. The thickness of the tape-shaped superconducting multifilamentary wire is 0.15 mm or less.

【0032】従来のテープ状超電導多芯線では、Jcの面
から厚さ0.2mm以上のものを用いて巻回ピッチの最適化
が図られていた。交流損失低減の面から試算を行ったと
ころ、テープ状超電導多芯線の厚みが薄いほど、交流損
失を低減できることがわかった。そのためにフィラメン
トサイズは変えずにフィラメント数を低減し、これによ
ってフィラメント束の厚さを低減する。この線を用いる
ことで、Jcはそのままで、交流損失の小さな超電導ケー
ブルを得ることができる。より好ましいテープ状超電導
多芯線の厚さは0.1mm以下である。この厚さは交流損失
低減の面からは薄い方が好ましいが、機械的強度や取り
扱いの容易性の面から0.01mm以上であることが望まし
い。
In the conventional tape-shaped superconducting multifilamentary wire, the winding pitch has been optimized by using a wire having a thickness of 0.2 mm or more from the surface of Jc. Estimation was made from the viewpoint of reducing the AC loss, and it was found that the AC loss could be reduced as the thickness of the tape-shaped superconducting multi-core wire was reduced. Therefore, the number of filaments is reduced without changing the filament size, thereby reducing the thickness of the filament bundle. By using this wire, a superconducting cable with a small AC loss can be obtained without changing Jc. A more preferable thickness of the tape-shaped superconducting multi-core wire is 0.1 mm or less. The thickness is preferably thinner from the viewpoint of reducing AC loss, but is preferably 0.01 mm or more from the viewpoint of mechanical strength and ease of handling.

【0033】もちろん、第1の本発明の構成と第2の本
発明の構成とを組み合わせてもよい。
Of course, the configuration of the first invention and the configuration of the second invention may be combined.

【0034】次に、本発明超電導ケーブルのテープ状超
電導多芯線のピッチを決定するのに最適な方法は、芯材
と、芯材の外周に複数のテープ状超電導多芯線を螺旋状
に巻き付けてなる積層構造の導体層と、電気絶縁層と、
絶縁層の外周に複数のテープ状超電導多芯線を螺旋状に
巻き付けてなる積層構造の磁気遮蔽層とを具える超電導
ケーブルの電流分布解析方法であって、下記の〜の
プロセスを具えることを特徴とする。
Next, an optimum method for determining the pitch of the tape-shaped superconducting multi-core wire of the superconducting cable according to the present invention is to spirally wind a core material and a plurality of tape-shaped superconducting multi-core wires around the core material. A conductive layer having a laminated structure,
A method for analyzing the current distribution of a superconducting cable comprising a magnetic shielding layer having a laminated structure in which a plurality of tape-shaped superconducting multi-core wires are spirally wound around the outer periphery of an insulating layer, comprising the following processes: Features.

【0035】 前記芯材、導体層および磁気遮蔽層を
少なくとも誘導リアクタンスで構成される回路にモデル
化するプロセス。 芯材サイズと比抵抗を含む芯材の諸元、臨界電流と
サイズならびにテープ状超電導多芯線に埋め込まれたフ
ィラメントのツイストピッチを含むテープ状超電導多芯
線の諸元、導体層および磁気遮蔽層の螺旋巻きの方向と
ピッチ、導体層と磁気遮蔽層の厚さと外径、導体層と磁
気遮蔽層の層数を含む導体層と磁気遮蔽層の諸元、なら
びに周波数と通電電流を含む必要なパラメータを入力す
るプロセス。 入力したパラメータを用いて回路中のインダクタン
スと実効抵抗を算出するプロセス。 前記モデルに基づいた回路方程式を作成し、各層の
電流分布を算出するプロセス。
A process of modeling the core material, the conductor layer and the magnetic shielding layer into a circuit composed of at least an inductive reactance. Specifications of core material including core size and specific resistance, critical current and size, specifications of tape-shaped superconducting multi-core wire including twist pitch of filament embedded in tape-shaped superconducting multi-core wire, conductor layer and magnetic shielding layer Spiral winding direction and pitch, thickness and outer diameter of conductor layer and magnetic shield layer, specifications of conductor layer and magnetic shield layer including number of conductor layers and magnetic shield layer, and necessary parameters including frequency and current flow The process of entering. The process of calculating inductance and effective resistance in a circuit using input parameters. A process of creating a circuit equation based on the model and calculating a current distribution of each layer.

【0036】ここで、後述する「モデル化」に対応させ
る必要上、導体層および磁気遮蔽層中にあるテープ状超
電導多芯線の各層同士は電気的に絶縁されていることが
好ましい。超電導体の各層のインピーダンス調節を考え
る場合、層間の乗り移り抵抗等の影響を完全に除外した
層間絶縁導体の方が、層間絶縁のない導体よりもモデル
化が容易である。また、この構造は導体中の渦電流損失
低減に対しても効果がある。
Here, it is preferable that each layer of the tape-shaped superconducting multi-core wire in the conductor layer and the magnetic shielding layer be electrically insulated in order to correspond to “modeling” described later. When considering the impedance adjustment of each layer of the superconductor, modeling is easier with an interlayer insulated conductor completely excluding the effects of transfer resistance between layers than a conductor without interlayer insulation. This structure is also effective in reducing eddy current loss in the conductor.

【0037】モデル化するプロセスとしては、芯材、導
体層および磁気遮蔽層を誘導リアクタンスのみで構成さ
れる回路にモデル化しても構わないが、抵抗と誘導リア
クタンスとで構成される回路にモデル化することが好ま
しい。従来、抵抗を考慮して電流分布の解析を行うこと
は極めて煩雑で難しいと考えられていた。本発明におけ
る「モデル化の仕方」および後述する「モデル化した回
路中の誘導リアクタンスと実効抵抗を算出する手法」を
用いることで、抵抗を考慮して正確な電流分布を解析す
ることができ、さらに解析結果を元に交流損失特性を解
析することができる。
As a modeling process, the core material, the conductor layer, and the magnetic shielding layer may be modeled as a circuit composed only of inductive reactance, but may be modeled as a circuit composed of resistance and inductive reactance. Is preferred. Conventionally, it has been considered that analyzing the current distribution in consideration of the resistance is extremely complicated and difficult. By using the "method of modeling" in the present invention and the "method of calculating inductive reactance and effective resistance in a modeled circuit" described later, it is possible to analyze an accurate current distribution in consideration of resistance, Further, the AC loss characteristics can be analyzed based on the analysis results.

【0038】モデル化するプロセスをより具体的に説明
する。まず、芯材ならびに導体層を誘導リアクタンスと
抵抗とが直列に配置された集中定数回路とみなす。ま
た、磁気遮蔽層を端末部の接続抵抗を介してつながった
閉回路ループとみなす。そして、導体層とそれにとりつ
けた電源が形成する回路を1次回路、磁気遮蔽層とその
端末部の接続抵抗とで形成する回路を2次回路とした相
互誘導回路とみなすことが好ましい。
The process of modeling will be described more specifically. First, the core material and the conductor layer are regarded as a lumped constant circuit in which inductive reactance and resistance are arranged in series. Also, the magnetic shielding layer is regarded as a closed circuit loop connected via a connection resistance of the terminal. It is preferable that a circuit formed by the conductor layer and the power supply attached thereto is regarded as a primary circuit, and a circuit formed by the magnetic shield layer and the connection resistance of the terminal portion is regarded as a secondary circuit as a secondary circuit.

【0039】モデル化した等価回路を元に電流分布を求
めるには、インダクタンスおよび実効抵抗の算出を行う
ために、モデル化した等価回路に対して必要なパラメー
タを設定する必要がある。パラメータとしては、テープ
状超電導多芯線の諸元(幅、厚さ、Ic)、芯材諸元(比
抵抗、外径、厚さ)、導体層・磁気遮蔽層諸元(各層の
巻き線方向、ピッチ、各層の外径、各層の厚さ、各層で
のIc維持率)、通電条件(通電電流、周波数)が挙げら
れる。また、各層のIcが異なる場合には、テープ状超電
導多芯線の臨界電流ならびにサイズを各層ごとに設定す
れば良い。
In order to obtain the current distribution based on the modeled equivalent circuit, it is necessary to set necessary parameters for the modeled equivalent circuit in order to calculate the inductance and the effective resistance. The parameters are tape-shaped superconducting multi-core wire specifications (width, thickness, Ic), core material specifications (specific resistance, outer diameter, thickness), conductor layer / magnetic shielding layer specifications (winding direction of each layer) , Pitch, outer diameter of each layer, thickness of each layer, Ic retention rate in each layer), and energization conditions (energization current, frequency). When the Ic of each layer is different, the critical current and size of the tape-shaped superconducting multifilamentary wire may be set for each layer.

【0040】本発明解析方法では、テープ状超電導多芯
線のフィラメントにツイストが施されたものを用いる。
その場合、パラメータの設定として各層毎にツイストピ
ッチを設定する。ツイストが施されたテープ状超電導多
芯線とは、酸化物超電導体のフィラメントがマトリクス
中に埋め込まれた線材で、線材の長手方向に沿ってフィ
ラメントが螺旋状にねじられた構成のものを言う(例え
ば特開平7-105753号参照)。フィラメントのツイストピ
ッチをパラメータとした具体的な回路方程式については
後に詳しく説明する。
In the analysis method of the present invention, a tape-shaped superconducting multifilamentary wire obtained by twisting a filament is used.
In that case, a twist pitch is set for each layer as a parameter setting. The twisted tape-shaped superconducting multi-core wire is a wire in which a filament of an oxide superconductor is embedded in a matrix, and has a configuration in which the filament is spirally twisted along the longitudinal direction of the wire ( For example, see JP-A-7-105753. A specific circuit equation using the twist pitch of the filament as a parameter will be described later in detail.

【0041】また、実効抵抗の算出に際して、前記集中
定数回路中の抵抗は、導体層を流れる電流によって変化
することとして扱うことが好適である。高温超電導導体
の特徴の一つに、超電導状態から常伝導状態への転位が
緩やかということがある。直流通電特性を例にとると、
高温超電導導体の電流−電圧曲線はV〜I(n〜10)の
様になり、理想的な超電導体のようにI=Icでステップ状
(不連続的)に有限の電圧が発生するわけではない。
In calculating the effective resistance, it is preferable to treat the resistance in the lumped constant circuit as changing according to the current flowing through the conductor layer. One of the features of the high-temperature superconducting conductor is that the dislocation from the superconducting state to the normal conducting state is moderate. Taking DC conduction characteristics as an example,
The current-voltage curve of a high-temperature superconducting conductor looks like V to In ( n to 10), and a step-like (discontinuous) finite voltage is generated at I = Ic like an ideal superconductor. is not.

【0042】このような、非線形の電流−電圧特性を持
つ高温超電導ケーブルを常伝導導体のような電流に依存
しない抵抗を持つとして取り扱うことや、理想的なテー
プ状超電導多芯線のようにIc以下で抵抗がゼロとして取
り扱うことは、モデルと実際のケーブルとの間に誤差を
生じさせる元となる。
Such a high-temperature superconducting cable having a non-linear current-voltage characteristic can be treated as having a current-independent resistance such as a normal conductor, or can be used as an ideal tape-shaped superconducting multi-core wire. Treating the resistance as zero in, causes an error between the model and the actual cable.

【0043】そこで、電流によって変化する抵抗を考え
ることで、より厳密に超電導ケーブルの交流損失を取り
扱えるようになる。
Therefore, by considering the resistance that changes with the current, the AC loss of the superconducting cable can be handled more strictly.

【0044】さらに、高温超電導ケーブルの最も重要な
特徴の一つは、臨界電流(Ic)を越える電流を流したと
き、従来の金属系超電導素線の様なクエンチ現象を生じ
ることなく、安定にIcを越える通電ができることであ
る。また、同じ容量のピッチ調整導体とピッチ無調整導
体の交流損失を比較すると、両者に最も差が生じるのは
導体Ic近傍であることが理論的に予測できる。
Further, one of the most important characteristics of the high-temperature superconducting cable is that when a current exceeding the critical current (Ic) is applied, the quench phenomenon unlike the conventional metal-based superconducting wire does not occur, and the high-temperature superconducting cable is stable. It is possible to conduct electricity exceeding Ic. Further, comparing the AC loss of the pitch adjusting conductor and the AC loss of the pitch non-adjusting conductor having the same capacity, it can be theoretically predicted that the most difference between the two occurs near the conductor Ic.

【0045】このように高温超電導ケーブル解析のため
には、導体のIc以上ならびにIc近傍の交流損失特性予測
も重要となる。これらの効果は、モデル化したときの集
中定数回路中の抵抗が電流によって変化すると考えるこ
とで、はじめてモデルの中に取り入れることができる。
As described above, for the analysis of the high-temperature superconducting cable, it is also important to predict the AC loss characteristics above the conductor Ic and near the conductor Ic. These effects can be incorporated into the model for the first time by considering that the resistance in the lumped constant circuit at the time of modeling changes with the current.

【0046】より具体的には、テープ状超電導多芯線の
実効抵抗Reffを、各層の交流損失量Wlayerと通電電流
Iを用いて、Reff=Wlayer/Iとし、Reffを前記集中
定数回路中の抵抗とみなせばよい。そして、この損失量
layerをテープ状超電導多芯線の交流電流−損失特性
をもとに計算することが好適である。例えば、交流損失
量Wlayerはノリスの式から求めれば良い。そして、I>
Icにおける交流損失量Wlayerを求める式がI<Icにおけ
る交流損失量Wlayerを求める式と連続するようにすれ
ばよい。
More specifically, the effective resistance R eff of the tape-shaped superconducting multifilamentary wire is calculated by calculating the AC loss W layer of each layer and the energizing current.
Using I, R eff = W layer / I 2 and R eff may be regarded as the resistance in the lumped constant circuit. It is preferable to calculate the loss W layer based on the AC current-loss characteristics of the tape-shaped superconducting multi-core wire. For example, the AC loss amount W layer may be obtained from the Norris equation. And I>
The formula for the AC loss W layer in Ic may be so as to be continuous with the equation for the AC loss W layer in I <Ic.

【0047】続いて、モデルに対応した回路方程式を作
成し、各層の電流分布を算出する。その際、パラメータ
を入力するプロセスにおいて、各層の電流値として適宜
な初期値を与え、この初期値をもとに各層の電流分布を
演算する。次に、演算により得られた電流値を用いて再
度パラメータの入力プロセスから電流分布の算出プロ
セスまでを繰り返す。そして、この繰り返しを、演算
の前後における各層の電流値の差が所望の範囲に収束す
るまで実行すればよい。
Subsequently, a circuit equation corresponding to the model is created, and the current distribution of each layer is calculated. At that time, in the process of inputting parameters, an appropriate initial value is given as a current value of each layer, and a current distribution of each layer is calculated based on the initial value. Next, the process from the parameter input process to the current distribution calculation process is repeated using the current value obtained by the calculation. This repetition may be performed until the difference between the current values of the respective layers before and after the calculation converges to a desired range.

【0048】演算結果を収束させるための所定の範囲と
は、10%以下、より好ましくは5%以下、さらに好まし
くは1%以下である。演算の前後における各層の電流値
の差が10%を超えると解析結果の正確性が低下する。ま
た、演算の前後における電流値の差を1%程度の差に収
束できれば、それ以上の演算を繰り返しても時間がかか
るだけであり、解析結果の精度向上にほどんど寄与しな
いからである。
The predetermined range for converging the operation result is 10% or less, more preferably 5% or less, and further preferably 1% or less. If the difference between the current values of each layer before and after the calculation exceeds 10%, the accuracy of the analysis result decreases. Further, if the difference between the current values before and after the calculation can be converged to a difference of about 1%, even if the calculation is further repeated, it takes a long time, and does not substantially contribute to the improvement of the accuracy of the analysis result.

【0049】そして、算出された電流分布から磁場分布
を求めて、さらに交流損失量を算出するプロセスを具え
ることが好適である。
It is preferable to provide a process for obtaining a magnetic field distribution from the calculated current distribution and further calculating an AC loss amount.

【0050】[0050]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。 (実施例1)導体層の外径が24mmで、導体の容量が8.4kAp
の超電導ケーブル用導体を設計した。このケーブル用導
体は、中心から順に芯材、導体層、絶縁層、磁気遮蔽層
を具える。
Embodiments of the present invention will be described below. (Example 1) The outer diameter of the conductor layer is 24 mm, the capacity of the conductor is 8.4 kAp
Of superconducting cable was designed. This cable conductor includes a core material, a conductor layer, an insulating layer, and a magnetic shielding layer in this order from the center.

【0051】芯材は、導体軸方向磁場による渦電流損失
を抑制するために、素線絶縁を施した銅線を同心撚りし
たものを用いた。用いた銅線は直径1mm、本数250本で
ある。
As the core material, in order to suppress the eddy current loss due to the magnetic field in the conductor axial direction, a material obtained by concentrically twisting an insulated copper wire was used. The copper wires used were 1 mm in diameter and 250 in number.

【0052】導体層は、芯材の上に所定のピッチでテー
プ状超電導多芯線を螺旋状に巻回して積層構造に形成す
る。テープ状超電導多芯線の各層間には薄い絶縁層(層
間絶縁)を配置することが渦電流損失低減の面で有効で
ある。各素線には、エナメルやUVコート等の絶縁コーテ
ィングがなされていればさらに良い。
The conductor layer is formed in a laminated structure by spirally winding a tape-shaped superconducting multi-core wire on a core material at a predetermined pitch. It is effective to arrange a thin insulating layer (interlayer insulation) between each layer of the tape-shaped superconducting multi-core wire in terms of reducing eddy current loss. It is even better if each strand is provided with an insulating coating such as enamel or UV coating.

【0053】使用するテープ状超電導多芯線は次のよう
にした得た。まずBi2O3、PbO、SrCO 3、CaCO3およびCuO
を用いて、Bi:Pb:Sr:Ca:Cu=1.81:0.40:1.98:2.
21:3.03の組成比になるように配合した。この粉末を大
気中において750℃で12時間、800℃で8時間、さらに減
圧雰囲気133.3Pa(1Torr)において760℃で8時間の順に
熱処理を行った。これら各熱処理後には粉砕を行う。こ
の熱処理と粉砕とを経て得られた粉末をさらにボールミ
ルにより粉砕し、サブミクロンの粉末とした。この粉末
を800℃で2時間熱処理した後、外径12mm,内径9mmの銀
パイプ中に充填した。
The tape-shaped superconducting multi-core wire used is as follows.
I got it. First BiTwoOThree, PbO, SrCO Three, CaCOThreeAnd CuO
By using, Bi: Pb: Sr: Ca: Cu = 1.81: 0.40: 1.98: 2.
It was blended so as to have a composition ratio of 21: 3.03. This powder
12 hours at 750 ° C and 8 hours at 800 ° C in air
8 hours at 760 ° C under 133.3Pa (1 Torr) pressure atmosphere
Heat treatment was performed. Grinding is performed after each of these heat treatments. This
The powder obtained through heat treatment and pulverization of
To a submicron powder. This powder
Is heat treated at 800 ° C for 2 hours, and then silver with an outer diameter of 12 mm and
Filled in pipe.

【0054】次に、この銀パイプを直径1mmまで伸線加
工して単芯超電導線を得た。単芯超電導線を外径12mm,
内径9mmの銀パイプ中に37本はめ込み、これを直径1mmに
まで伸線加工して多芯超電導線とした。この多芯超電導
線を圧延加工し、850℃で50時間の熱処理を施し、所定
の厚さのテープ状超電導多芯線を得た。本例では、厚さ
が0.24mm(比較例)と0.15mm(実施例)の2通りのテー
プ状超電導多芯線を用いた。いずれの厚さのテープ状超
電導多芯線もツイストピッチは施されていない。
Next, this silver pipe was drawn to a diameter of 1 mm to obtain a single-core superconducting wire. A single-core superconducting wire with an outer diameter of 12 mm
Thirty-seven pieces were inserted into a silver pipe having an inner diameter of 9 mm, and this was drawn to a diameter of 1 mm to obtain a multi-core superconducting wire. This multifilamentary superconducting wire was rolled and heat-treated at 850 ° C. for 50 hours to obtain a tape-shaped superconducting multifilamentary wire having a predetermined thickness. In this example, two types of tape-shaped superconducting multi-core wires having a thickness of 0.24 mm (comparative example) and 0.15 mm (example) were used. No twist pitch is applied to the tape-shaped superconducting multi-core wires of any thickness.

【0055】絶縁層は、導体層の上にPPLP(ポリプロピ
レンフィルムにクラフト紙を貼り合わせた複合テー
プ)、クラフト紙、ポリエチレン、ゴムなどを配置して
形成する。ここではPPLPを用いた。
The insulating layer is formed by arranging PPLP (composite tape obtained by laminating kraft paper on a polypropylene film), kraft paper, polyethylene, rubber or the like on the conductor layer. Here, PPLP was used.

【0056】磁気遮蔽層は、絶縁層上に前述のテープ状
超電導多芯線を螺旋状に巻回して積層構造に形成したも
のである。テープ状超電導多芯線には層間絶縁や素線絶
縁を施しておくことが好ましいのは導体層と同様であ
る。
The magnetic shielding layer is formed by spirally winding the above-mentioned tape-shaped superconducting multi-core wire on an insulating layer to form a laminated structure. It is preferable that the tape-shaped superconducting multifilamentary wire is subjected to interlayer insulation or strand insulation as in the case of the conductor layer.

【0057】以上の超電導導体でケーブル1相分(1芯)と
なる。実際には、3芯を撚り合わせたものを断熱管に入
れて使用する。断熱管は二重のアルミコルゲートパイプ
内にスーパーインシュレーションなどの断熱材を配置す
ると共に真空引きした構成である。断熱管の外径は、管
路布設に対応させるために、130mm以下とすることが好
ましい。 上記構造のケーブル用導体において、導体層
および磁気遮蔽層における電流均一化のための最適巻き
ピッチの計算は、例えば特願2000−5107号に開示された
シミュレーションコードで可能である。
The above-described superconducting conductor is equivalent to one phase (one core) of the cable. In practice, three cores are twisted and used in an insulated tube. The heat insulating tube has a structure in which a heat insulating material such as super insulation is arranged in a double aluminum corrugated pipe and vacuum is evacuated. The outer diameter of the heat insulating pipe is preferably set to 130 mm or less in order to cope with the pipe laying. In the cable conductor having the above structure, the calculation of the optimum winding pitch for equalizing the current in the conductor layer and the magnetic shielding layer can be performed, for example, by a simulation code disclosed in Japanese Patent Application No. 2000-5107.

【0058】上記のシュミレーションコードに基づいて
求めたピッチおよび導体パラメータを表1に示す。表1
において、「導体層ピッチ」と「遮蔽層ピッチ」は、そ
れぞれ内層側から外周側に向かっての値を順に記載して
いる。
Table 1 shows the pitch and conductor parameters obtained based on the above simulation code. Table 1
In the above, “conductor layer pitch” and “shielding layer pitch” respectively describe values from the inner layer side to the outer peripheral side in order.

【0059】[0059]

【表1】 [Table 1]

【0060】以上の導体構造について、特願2000−5107
号に開示された手法で交流損失を計算した結果、同一の
導体サイズ、同一の導体Icであっても、通常の厚さの素
線(厚さ0.2〜0.3mm使用)を用いた場合よりも、素線サイ
ズの薄い方が交流損失が小さくなることを確認した。
Regarding the above conductor structure, Japanese Patent Application No. 2000-5107
As a result of calculating the AC loss by the method disclosed in the above, even if the same conductor size, the same conductor Ic, than the case of using a wire of normal thickness (using a thickness of 0.2 to 0.3 mm) It was confirmed that the smaller the strand size, the smaller the AC loss.

【0061】この計算結果に基づいて、容量が1/4の縮
小モデル導体を製作した。使用した素線サイズおよび導
体構造は表1と同一である。導体Icは2500Aで、2100Ap
(77K、50Hz)を導体−磁気遮蔽層に往復通電したとき
の導体部の損失は、素線厚さ0.24mmの場合が1W/m、素線
厚さ0.15mmの場合が0.5W/mと厚さが薄い方が小さいこと
を実験的に確認した。同様に、素線厚さ0.10mmの場合も
試算したところ、より一層損失の小さいことが判った。
Based on the calculation results, a reduced model conductor having a capacity of 1/4 was manufactured. The used wire size and conductor structure are the same as in Table 1. Conductor Ic is 2500A, 2100Ap
When the conductor (77K, 50Hz) is reciprocated between the conductor and the magnetic shielding layer, the loss of the conductor is 1W / m when the wire thickness is 0.24mm and 0.5W / m when the wire thickness is 0.15mm. It was experimentally confirmed that the smaller the thickness, the smaller the thickness. Similarly, a trial calculation was also performed for a wire thickness of 0.10 mm, and it was found that the loss was even smaller.

【0062】(実施例2)実施例1のように、テープ状超
電導多芯線の厚さを薄くすることによって交流損失が低
減することは確認した。しかし、8.4kAp通電時には、薄
い線を使用した場合にも、全損失は12W/mとなる。実用
化のためには、冷却システムの制約によって、全損失は
1W/mレベルとする必要があると言われている。ピッチ調
整導体の交流損失は、素線レベルの磁化損失の総和であ
り、導体損失低減のためには、素線レベルの磁化損失低
減が有効である。そこで、超電導フィラメントがツイス
トされたテープ状超電導多芯線を用いて交流損失の試算
を行った。
(Example 2) As in Example 1, it was confirmed that the AC loss was reduced by reducing the thickness of the tape-shaped superconducting multifilamentary wire. However, when 8.4 kAp is applied, the total loss is 12 W / m even when a thin wire is used. For practical use, the total loss is
It is said that 1W / m level is required. The AC loss of the pitch adjusting conductor is the sum of the strand-level magnetization loss, and the strand-level magnetization loss reduction is effective for reducing the conductor loss. Therefore, a trial calculation of AC loss was performed using a tape-shaped superconducting multi-core wire in which a superconducting filament was twisted.

【0063】このときの計算方法を以下に示す。交流損
失を求める手順は、超電導ケーブルを等価回路にモデル
化し、インダクタンスの導出・実効抵抗の導出を行い、
モデルに対応した回路方程式を作成し、電流分布の算出
を行う。導体層と遮蔽層の各層の電流分布を均一化する
ピッチを設定した後に、その条件のもとでフィラメント
のツイストピッチを設定して電流分布から磁場分布を求
め、交流損失を演算するようにした。
The calculation method at this time will be described below. The procedure to find the AC loss is to model the superconducting cable into an equivalent circuit, derive the inductance and the effective resistance,
A circuit equation corresponding to the model is created, and the current distribution is calculated. After setting the pitch for equalizing the current distribution of each layer of the conductor layer and the shielding layer, the twist pitch of the filament was set under that condition, the magnetic field distribution was obtained from the current distribution, and the AC loss was calculated. .

【0064】(モデル化)芯材、導体層(コア)および
磁気遮蔽層(シールド)と端末を含む超電導ケーブルを
図1のような等価回路とみなした。すなわち、芯材なら
びに導体層を誘導リアクタンスと抵抗とが直列に配置さ
れた集中定数回路とみなしている。導体層には外部電源
よりIallが供給され、各導体層間には絶縁が施されてい
るとした。
(Modeling) A superconducting cable including a core material, a conductor layer (core), a magnetic shielding layer (shield), and a terminal was regarded as an equivalent circuit as shown in FIG. That is, the core material and the conductor layer are regarded as a lumped constant circuit in which inductive reactance and resistance are arranged in series. It is assumed that Iall is supplied from an external power supply to the conductor layers, and insulation is provided between the conductor layers.

【0065】また、磁気遮蔽層はテープ状超電導多芯線
が端部にて接続抵抗rで接続され、図1のようなルー
プを形成するものとした。図中のi0、i1…は各層に流
れる電流、Lco、Lc1…は各層の周方向磁場によるイン
ダクタンス、Lao、Lal…は各層の軸方向磁場によるイン
ダクタンス、r0、r1…は各層の実効抵抗、rjは端末
のインダクタンスならびに抵抗、Vc、V1はそれぞれ導体
層側、磁気遮蔽層側の電圧である。添え字の0は芯材を
表し、導体層または磁気遮蔽層は内層より1、2、3…の
ように表記した。このモデルでは、導体層4層、磁気遮
蔽層2層として検討している。
[0065] The magnetic shielding layer is connected tape-like superconducting multifilamentary wire is in connection resistance r j at the end, and as forming a loop as shown in Figure 1. I 0, i 1 ... the current flowing through the respective layers in FIG, L co, L c1 ... is the inductance due to the circumferential direction magnetic field of each layer, L ao, L al ... an inductance due to the axial magnetic field of the respective layers, r 0, r 1 ... is the effective resistance of each layer, r j is the inductance and resistance of the terminal, and V c and V 1 are the voltages on the conductor layer side and the magnetic shielding layer side, respectively. The suffix 0 represents the core material, and the conductor layer or the magnetic shielding layer is represented as 1, 2, 3,... From the inner layer. This model considers four conductor layers and two magnetic shielding layers.

【0066】(インダクタンス導出)各超電導層のイン
ダクタンスについては、層間の相互インダクタンスも考
慮して、周方向成分を数式1と定義し、軸方向成分を数
式2と定義した。
(Derivation of Inductance) Regarding the inductance of each superconducting layer, the circumferential component is defined as Formula 1 and the axial component is defined as Formula 2 in consideration of the mutual inductance between the layers.

【0067】[0067]

【数1】 (Equation 1)

【0068】[0068]

【数2】 ここで、式中のanはn層目の半径Pnはn層目のピッチ
である。kはn層が、Z撚りのとき1、S撚りのとき2とす
る。
(Equation 2) Here, a n in the expression is the radius P n of the n-th layer and the pitch of the n-th layer. k is 1 when the n layer is Z-twisted, and 2 when the S layer is S-twisted.

【0069】(抵抗成分導出)各層の抵抗成分は、導体
層を構成する素線のACロス理論値Wnorris(ノリスの
式)から導くこととした。このとき、素線一本あたりの
実効抵抗rwireは、素線に流れる電流Iwireを用いて数
式3のように定義する。
(Derivation of Resistance Component) The resistance component of each layer is derived from the theoretical AC loss value W norris (Norris' equation) of the strands constituting the conductor layer. At this time, the effective resistance r wire per one wire is defined as Expression 3 using the current I wire flowing through the wire .

【0070】[0070]

【数3】 (Equation 3)

【0071】ここで、素線の損失Wnorrisは、z=Iwire/
Icとすればz<1(臨界電流値未満)のとき、ノリスの
式より数式4のようになる。
Here, the wire loss W norris is expressed as z = I wire /
Assuming Ic, when z <1 (less than the critical current value), Equation 4 is obtained from Norris' equation.

【0072】[0072]

【数4】 (Equation 4)

【0073】そして、z>1のとき、フラックススロー
損失は数式5のようになる。
Then, when z> 1, the flux throw loss is as shown in Expression 5.

【0074】[0074]

【数5】 (Equation 5)

【0075】ここで、nは、電圧が電流Iのn乗に比例
するとした場合のIc近傍でのn値であり、数式5はz=
1で数式4と連続するようにしている。これら数式4、
5は実験結果と良く一致する。
Here, n is the n value near Ic when the voltage is proportional to the current n raised to the nth power.
1 is set to be continuous with Equation 4. Equation 4
5 agrees well with the experimental results.

【0076】なお、ジョイント抵抗については、試験で
求めた端末の抵抗値(3×10-6Ω/ケーブル長)を採用し
た。
For the joint resistance, the terminal resistance value (3 × 10 −6 Ω / cable length) determined in the test was adopted.

【0077】(回路方程式)このモデルでは、回路方程
式は下式のようになる。
(Circuit Equation) In this model, the circuit equation is as follows.

【0078】[0078]

【数6】 (Equation 6)

【0079】上式で、初期条件として各層のピッチ、
Lc、La、r1、Iallを与えれば、i0〜i6、Vc、Vsに関す
る9元連立方程式となり、計算によって各層の電流分布
を求めることができる。
In the above equation, the pitch of each layer as an initial condition,
L c, L a, be given the r 1, I all, i 0 ~i 6, V c, by 9-way simultaneous equations relating V s, it is possible to obtain a current distribution of each layer by computation.

【0080】(電流分布の算出)計算は、まず全通電電
流(Iall)に対して初期電流分布(各層の電流値)を適
当に与え、そのときの各超電導層の抵抗値を先述の抵抗
成分導出プロセスにしたがって求める。すると数式6の
回路方程式中のiiとVc、Vsを除く全数値が既知の値とな
るために、数式6を解いてio〜i6、Vc、Vsを求めること
ができる。この電流値をもとに再度各超電導層の抵抗値
を求めた後、数式6からio〜i6を求める。この作業を、
演算前後の計算結果の差が一定値以下となるまで繰り返
す。今回は前後の計算結果の差が1%以下となったとき
に、計算が終了したとみなした。
(Calculation of current distribution) In the calculation, first, an initial current distribution (current value of each layer) is appropriately given to the entire energized current (I all ), and the resistance value of each superconducting layer at that time is determined by the aforementioned resistance value. Determined according to the component derivation process. Then, since all the numerical values except i i , V c , and V s in the circuit equation of Expression 6 become known values, it is possible to obtain i o to i 6 , V c , and V s by solving Expression 6. . After the resistance value of each superconducting layer is obtained again based on this current value, i o to i 6 are obtained from Expression 6. This work,
The process is repeated until the difference between the calculation results before and after the calculation becomes equal to or smaller than a certain value. In this case, when the difference between the calculation results before and after becomes 1% or less, the calculation is considered to be completed.

【0081】数式6の回路方程式を解けば電流分布が求
まるはずであるが、実際は回路中の抵抗成分が電流によ
って変化する効果を取り入れる必要があるので、答えを
解析的に見出すことはできない。「演算前後の計算結果
の差が一定値以下となるまで繰り返す」という手法を取
り入れることによって、はじめて任意の巻きピッチ条件
の超電導ケーブルの電流分布を計算によって推測できる
ようになった。以上のプロセスを経た時点で電流分布が
求められるため、その結果を元にして以下のプロセスに
より交流損失量を求める。
Although the current distribution should be obtained by solving the circuit equation of Equation 6, the answer cannot be found analytically because the effect that the resistance component in the circuit changes due to the current needs to be taken into account. By adopting the technique of "repeating until the difference between the calculation results before and after the calculation becomes equal to or less than a certain value", the current distribution of the superconducting cable under an arbitrary winding pitch condition can be estimated by calculation for the first time. Since the current distribution is obtained at the time of passing through the above process, the AC loss is obtained by the following process based on the result.

【0082】(磁場の計算)このモデルでは、導体層は
複数のテープ状超電導多芯線が螺旋状に巻かれた構造で
あり、通電時の磁場は、図2に示すように、周方向磁場
成分と導体軸方向磁場成分に分けて考えることができ
る。
(Calculation of Magnetic Field) In this model, the conductor layer has a structure in which a plurality of tape-shaped superconducting multifilamentary wires are spirally wound. As shown in FIG. And the conductor axial magnetic field component.

【0083】このときのn層目に加わる周方向磁界成分H
cn(単位はA/m)は数式7で表される。
At this time, the circumferential magnetic field component H applied to the n-th layer
cn (unit: A / m) is represented by Expression 7.

【0084】[0084]

【数7】 (Equation 7)

【0085】また、n層目に加わる軸方向磁界成分H
an(単位はA/m)は数式8で表される。
The axial magnetic field component H added to the n-th layer
an (the unit is A / m) is represented by Expression 8.

【0086】[0086]

【数8】 (Equation 8)

【0087】(交流損失の計算)導体の交流損失は、導
体を図3に示すような隣接したn個の無限平面にモデル
化して計算した。このようなモデル化は、例えば「H.IS
HII(ISS’97プロシーディングス)」等から報告があ
り、円筒導体の磁界分布を表すモデルとしては簡便であ
る。
(Calculation of AC Loss) The AC loss of the conductor was calculated by modeling the conductor into n adjacent infinite planes as shown in FIG. Such modeling is, for example, "H.IS
HII (ISS'97 Proceedings) "etc., and it is a simple model to represent the magnetic field distribution of a cylindrical conductor.

【0088】導体の磁化損失は、各層の磁化損失の総和
とする。ツイスト素線を用いた導体の磁化損失は、各層
のフィラメント1本あたりの磁化損失と、素線1本あたり
の結合損失を計算し、これをもとにして導体の交流損失
を計算する。
The magnetization loss of the conductor is the sum of the magnetization losses of the respective layers. The magnetization loss of a conductor using a twisted strand is calculated by calculating the magnetization loss per filament in each layer and the coupling loss per strand, and based on this, the AC loss of the conductor is calculated.

【0089】フィラメント1本あたりの磁化損失W(単
位はW/m)は、ビーンモデルを前提にして公式(数式9、
10)で表す。
The magnetization loss W f per filament (unit: W / m 3 ) is given by a formula (Formula 9,
10).

【0090】[0090]

【数9】 (Equation 9)

【0091】[0091]

【数10】 (Equation 10)

【0092】ここで、数式9は磁場がフィラメント全域
に侵入してない場合、数式18は磁場がフィラメントの全
域に侵入している場合である。fは周波数(Hz)、Jcは超
電導フィラメントの臨界電流密度(A/m)、Hmは外部磁
界のピーク値(A/m)、tはフィラメントの厚さ(m)であ
る。
Here, Equation 9 is for the case where the magnetic field does not penetrate the entire filament, and Equation 18 is for the case where the magnetic field has penetrated the entire filament. f is the frequency (Hz), J c is the superconducting filament critical current density (A / m 2), Hm is the peak value of the external magnetic field (A / m), t is the thickness of the filament (m).

【0093】Hopnはn層以外に流れる電流がn層部に作る
磁場(n層部にとっての外部磁場)の大きさでありn層の周
方向磁界成分Hcnと軸方向磁界成分Hanを用いて、Hopn
数式11で表される。
[0093] The H opn's a size n layer of the circumferential magnetic field component H cn the axial field component H an, (external magnetic field for the n layer portion) field current flowing through the non-n layer is made in the n layer portion When used, Hopn is represented by Equation 11.

【0094】[0094]

【数11】 [Equation 11]

【0095】ここで、n層を流れる電流が作る磁場I
opn(n層部にとっての自己磁場)はHopnと比較して十分小
さいものとした。この値をもとに、n層目の単位長さあ
たりの磁化損失Wfnは数式12で求めた。
Here, the magnetic field I generated by the current flowing through the n-layer
opn (the self-magnetic field for the n-layer) was set to be sufficiently smaller than that of Hopn . Based on this value, the magnetization loss W fn per unit length of the n-th layer was obtained by Expression 12.

【0096】[0096]

【数12】 (Equation 12)

【0097】xnは素線中のフィラメント数、ynはn層目
の素線数、Sfはフィラメント1本の断面積である。
[0097] x n is the number of filaments in strand, y n is the number of the strands of the n-th layer, the S f is the cross-sectional area of one filament.

【0098】n層目の素線1本あたりの結合損失W(W/
m3)は、数式13で表わされる。
The coupling loss W c (W /
m 3 ) is represented by Expression 13.

【0099】[0099]

【数13】 (Equation 13)

【0100】ここでλは、超電導線材内の超電導体占有
率、σiは超電導束内の等価電導率、lpは線材のツイス
トピッチである。
Here, λ is the occupancy of the superconductor in the superconducting wire, σ i is the equivalent conductivity in the superconducting flux, and l p is the twist pitch of the wire.

【0101】この値をもとに、n層目の単位長さあたり
の結合損失Wcnは数式14で求めた。
Based on this value, the coupling loss W cn per unit length of the n-th layer was obtained by Expression 14.

【0102】[0102]

【数14】 [Equation 14]

【0103】ただし、ωγ>1となる場合には、ツイス
トによる交流損失低減効果は小さいとして、線材のオー
バーオールJc=Jc、フィラメントの厚さ=テープ状超電
導多芯線の厚さ、フィラメント数=1、結合損失=0で損
失Wfn、Wcnを計算するようにした。
However, when ωγ> 1, it is assumed that the effect of reducing the AC loss due to the twist is small, and the overall Jc = Jc of the wire, the thickness of the filament = the thickness of the tape-shaped superconducting multi-core wire, the number of filaments = 1, The loss Wfn and Wcn are calculated when the coupling loss is zero.

【0104】なお、周波数50Hz、透磁率4π×10−7、比
抵抗=純銀の77Kの比抵抗であれば、ツイストピッチは1
2mm以下でωγ<1となる。
If the frequency is 50 Hz, the magnetic permeability is 4π × 10 −7 , and the specific resistance is 77K of pure silver, the twist pitch is 1
At 2 mm or less, ωγ <1.

【0105】導体全体の損失W(W/m)は数式15で表さ
れる。
The loss W (W / m) of the entire conductor is expressed by Expression 15.

【0106】[0106]

【数15】 (Equation 15)

【0107】以上のような考えにしたがって、導体の磁
場分布と交流損失量を算出してシステムを解析するシミ
ュレーションコードを作成して、コンピューター内に組
み込み、解析装置とした。
In accordance with the above-described concept, a simulation code for analyzing the system by calculating the magnetic field distribution of the conductor and the amount of AC loss was prepared and incorporated into a computer to obtain an analysis device.

【0108】本コードでの計算の流れを図4に示す。
「電流分布計算」のステップから「各層のピッチを設
定」のステップに戻るのは、演算前後の計算結果の差が
一定値以下となるまで繰り返すことを示している。「交
流損失計算」のステップから「各層のツイストピッチを
設定」のステップにリターンしているのは、あるツイス
トピッチで交流損失計算を行い、損失が所定値以下とな
るまでツイストピッチを変えて損失計算を繰り返すこと
を示している。この所定値は、冷却システムの制約によ
って、全損失で1W/m程度とすることが好ましい。
FIG. 4 shows the flow of calculation using this code.
Returning from the step of “current distribution calculation” to the step of “setting the pitch of each layer” indicates that the process is repeated until the difference between the calculation results before and after the calculation becomes equal to or smaller than a certain value. The reason for returning from the “AC loss calculation” step to the “Set twist pitch of each layer” is to perform AC loss calculation at a certain twist pitch and change the twist pitch until the loss becomes less than or equal to a predetermined value. This indicates that the calculation is repeated. This predetermined value is preferably set to about 1 W / m in total loss due to restrictions of the cooling system.

【0109】上記のコードでは、各層の巻きピッチとフ
ィラメントのツイストピッチを異なるステップで独立に
入力する方法にしたが、巻きピッチとフィラメントのツ
イストピッチを同時に入力することも可能である。その
場合には、素線のフィラメントレベルでインピーダンス
を調整することが可能である。
In the above code, the winding pitch of each layer and the twist pitch of the filament are input independently in different steps, but it is also possible to input the winding pitch and the twist pitch of the filament simultaneously. In that case, it is possible to adjust the impedance at the filament level of the strand.

【0110】以上の解析装置を用いて、ケーブル導体の
交流損失とツイストピッチの関係を調べた。ケーブル導
体構造は、テープ状超電導多芯線のフィラメントにツイ
ストが施されている点およびマトリックスをAg−Au合金
とした点を除いて実施例1で説明したケーブルと同様で
ある。本例で用いたテープ状超電導多芯線は、多芯超電
導線を得た後、これに所要のピッチで捻り加工を施し、
さらに軽く伸線加工を施してから、テープ状に圧延加工
して得た。得られたテープ状超電導多芯線は、図5に示
すように、Ag−Au合金のマトリックス中に超電導体のフ
ィラメントが埋設され、このフィラメントが螺旋状に形
成されている。フィラメントのツイストピッチは、短い
方が交流損失低減に有効なため、極力短いツイストピッ
チとして10mmを選択した。テープ状超電導多芯線の諸元
を表2に示す。表2の「母材比抵抗」とはAg−Au合金の
比抵抗を、「外被厚さ」とはマトリックス(ここではAg
−Au合金)の厚さを、「フィラメント体積率」とはテー
プ状超電導多芯線の単位体積当たりに占めるフィラメン
トの体積率を、「Ic/wire」はテープ状超電導多芯線1
本当たりの臨界電流値を示している。
Using the above analyzer, the relationship between the AC loss of the cable conductor and the twist pitch was examined. The cable conductor structure is the same as the cable described in the first embodiment except that the filament of the tape-shaped superconducting multi-core wire is twisted and the matrix is made of an Ag-Au alloy. The tape-shaped superconducting multi-core wire used in this example, after obtaining a multi-core superconducting wire, subjected to twist processing at a required pitch,
Further, the wire was lightly drawn and then rolled into a tape. In the obtained tape-shaped superconducting multifilamentary wire, as shown in FIG. 5, a filament of a superconductor is embedded in a matrix of an Ag-Au alloy, and the filament is formed in a spiral shape. Since the shorter the twist pitch of the filament is, the more effective it is to reduce the AC loss, 10 mm was selected as the shortest possible twist pitch. Table 2 shows the specifications of the tape-shaped superconducting multi-core wire. In Table 2, "base metal specific resistance" is the specific resistance of the Ag-Au alloy, and "jacket thickness" is the matrix (here, Ag
-Au alloy), the "filament volume fraction" is the volume fraction of the filament per unit volume of the tape-shaped superconducting multifilamentary wire, and "Ic / wire" is the tape-shaped superconducting multifilamentary wire 1
It shows the critical current value per book.

【0111】[0111]

【表2】 [Table 2]

【0112】計算の結果、導体交流損失は0.7W/mとな
り、厚さが0.24mmのテープ状超電導多芯線でも実用レベ
ルの交流損失が実現可能であることが判った。すなわ
ち、遮蔽層を含むケーブル導体外径が40mm以下のコンパ
クトな導体でも、8.4kApという大電流を通電したときの
交流損失を1W/m以下とすることができる。
As a result of the calculation, the conductor AC loss was 0.7 W / m, and it was found that a practical level of AC loss could be realized even with a tape-shaped superconducting multi-core wire having a thickness of 0.24 mm. That is, even with a compact conductor having a cable conductor outer diameter of 40 mm or less including the shielding layer, the AC loss when a large current of 8.4 kAp is applied can be made 1 W / m or less.

【0113】(実施例3)実施例2のように、ツイストが
施されたテープ状超電導多芯線を用いることで超電導フ
ィラメント間の電磁気的な結合が解消され、かつマトリ
ックスの比抵抗が銀の約100倍の1×10−7Ωmの素線を用
いれば、損失が1W/m以下のコンパクト・大容量導体が実
現できることが判った。
(Embodiment 3) As in Embodiment 2, the electromagnetic coupling between the superconducting filaments is eliminated by using a twisted tape-shaped superconducting multifilamentary wire, and the specific resistance of the matrix is approximately equal to that of silver. It was found that using a 100 × 1 × 10 −7 Ωm strand, a compact and large-capacity conductor with a loss of 1 W / m or less could be realized.

【0114】しかし、実際には、銀以外の金属とはすぐ
に化学反応しやすい高温超電導体では、マトリックスの
高抵抗化は非常に難しい技術である。また、超電導フィ
ラメントがセラミックスであるテープ状の高温超電導線
では、加工性の問題からフィラメント同士がつながって
ネットワーク状の電流パスを形成するブリッジングが存
在し、短ピッチの理想的なツイストを施すのは困難であ
る。そこで、これらの問題点を克服する導体として、以
下の導体構造を検討した。
However, in practice, it is very difficult to increase the resistance of the matrix of a high-temperature superconductor which easily reacts with a metal other than silver immediately. Also, in the case of tape-shaped high-temperature superconducting wires in which the superconducting filament is made of ceramics, there is bridging in which the filaments are connected to each other to form a network-like current path due to workability problems. It is difficult. Therefore, the following conductor structure was studied as a conductor that overcomes these problems.

【0115】芯材 ・軸方向の渦電流損失に対応した、絶縁素線を用いた撚
り線構造。 導体層・磁気遮蔽層用のテープ状超電導多芯線 ・素線中のフィラメントにツイストが施された線材を使
用。 ・超電導フィラメントに高抵抗バリア層が施された線材
を使用。 ・素線各層のピッチは、各素線の電流が均一になるよう
に調整する。
Core material-Stranded wire structure using insulated wires corresponding to eddy current loss in the axial direction. Tape-shaped superconducting multi-core wire for conductor layer and magnetic shielding layer-Uses a wire in which the filament in the strand is twisted. -Uses a wire with a high resistance barrier layer applied to the superconducting filament. -The pitch of each layer of the strand is adjusted so that the current of each strand becomes uniform.

【0116】高抵抗バリア層を有するテープ状超電導多
芯線はパウダーインチューブ法により製造することが好
適である。この製法の一例は次の通りである。
The tape-shaped superconducting multifilamentary wire having a high resistance barrier layer is preferably produced by a powder-in-tube method. An example of this manufacturing method is as follows.

【0117】実施例1と同様に、Bi2O3、PbO、SrCO3、C
aCO3およびCuOを所定の組成比に配合し、この粉末に熱
処理、粉砕を繰り返してサブミクロンの粉末を得る。こ
の粉末を800℃で2時間熱処理した後、外径25mm,内径22
mmの第1銀パイプ中に充填して、第1銀パイプを直径20
mmまで伸線加工する。
As in Example 1, Bi 2 O 3 , PbO, SrCO 3 , C
aCO 3 and CuO are mixed in a predetermined composition ratio, and heat treatment and pulverization are repeated on the powder to obtain a submicron powder. After heat treating this powder at 800 ° C for 2 hours, the outer diameter is 25mm and the inner diameter is 22mm.
mm of the first silver pipe and fill the first silver pipe with a diameter of 20 mm.
Wire drawing up to mm.

【0118】次に、外径23mm、内径22mmの第2銀パイプ
を用意し、粉末を充填した第1銀パイプを第2銀パイプ
内に挿入して、両パイプの間に高抵抗バリア層となるSr
−V−O酸化物を充填する。この第2銀パイプを直径1.44
mmまで伸線加工し、単芯超電導線を得る。単芯超電導線
を外径14mm,内径13mmの第3銀パイプ中に37本はめ込
み、これを直径1.25mmにまで伸線加工して多芯超電導線
とした。この多芯超電導線に所要のピッチで捻り加工を
施し、さらに軽く伸線加工を施してから圧延加工し、84
0℃で50時間の熱処理を施して、厚さが0.24mmのテープ
状超電導多芯線を得た。
Next, a second silver pipe having an outer diameter of 23 mm and an inner diameter of 22 mm was prepared, and the first silver pipe filled with powder was inserted into the second silver pipe, and a high-resistance barrier layer was formed between the two pipes. Become Sr
-Fill with VO oxide. This second silver pipe has a diameter of 1.44
Draw to a single-core superconducting wire. 37 single-core superconducting wires were fitted into a third silver pipe having an outer diameter of 14 mm and an inner diameter of 13 mm, and were drawn to a diameter of 1.25 mm to form a multi-core superconducting wire. This multifilamentary superconducting wire is twisted at the required pitch, further lightly drawn, and then rolled.
Heat treatment was performed at 0 ° C. for 50 hours to obtain a tape-shaped superconducting multi-core wire having a thickness of 0.24 mm.

【0119】このテープ状超電導多芯線の断面は、図6
に示すように、マトリックス1中に複数のフィラメント2
が配置され、そのフィラメント2の外周を高抵抗バリア
層3が覆った構造になっている。
The cross section of the tape-shaped superconducting multi-core wire is shown in FIG.
As shown in the figure, a plurality of filaments 2
Are arranged, and the outer periphery of the filament 2 is covered with the high-resistance barrier layer 3.

【0120】以上のテープ状超電導多芯線を用いて、実
施例1と同様の構造のケーブル用導体を試作し、交流損
失を試算した。その結果、導体交流損失は0.2W/mであっ
た。高抵抗バリア層を有するテープ状超電導多芯線を用
いることで、遮蔽層を含む導体外径が40mm以下のコンパ
クトな導体に8.4kApという大電流を通電したときにも、
交流損失が1W/m以下の導体を実現できる。
Using the tape-shaped superconducting multi-core wire described above, a cable conductor having the same structure as in Example 1 was prototyped, and the AC loss was estimated. As a result, the conductor AC loss was 0.2 W / m. By using a tape-shaped superconducting multi-core wire with a high resistance barrier layer, even when a large current of 8.4 kAp is applied to a compact conductor with a conductor outer diameter of 40 mm or less including the shielding layer,
A conductor with an AC loss of 1 W / m or less can be realized.

【0121】高抵抗バリアを配置すると、実効的な母材
の比抵抗がアップする。前述の数式13-C中の超電導束内
の等価導電率σiは母材の導電率をσOとすれば数式16の
ように表される。
When a high resistance barrier is arranged, the specific resistance of the effective base material increases. The equivalent electric conductivity σ i in the superconducting flux in the above-mentioned Expression 13-C is expressed as Expression 16 when the electric conductivity of the base material is σ O.

【0122】[0122]

【数16】 (Equation 16)

【0123】一方、導電率σmの高抵抗バリア層が配置
された場合、超電導束内の等価導電率σiは数式17のよ
うに近似できる。
On the other hand, when a high resistance barrier layer having a conductivity σ m is provided, the equivalent conductivity σ i in the superconducting flux can be approximated as in Expression 17.

【0124】[0124]

【数17】 [Equation 17]

【0125】よって、銀よりも2桁程度抵抗が高い高抵
抗バリア材料を配置すれば、等価導電率も約2桁程度高
くなり、先述のSr−V−0等の高抵抗バリア材料は、十分
この条件を満足する(多芯線と導体 住吉文夫、船木和
夫共著 産業図書)。このとき、ωτ∝σi・lp 2の関係が
あるので、ツイストが有効となるツイストピッチの上限
は1桁程度大きくなる。
Therefore, if a high-resistance barrier material having a resistance about two orders of magnitude higher than silver is provided, the equivalent conductivity will be about two orders of magnitude higher, and the high-resistance barrier material such as Sr-V-0 described above will not be sufficiently used. Satisfies this condition (Multi-core wire and conductor Fumio Sumiyoshi, Kazuo Funaki, Sangyo Tosho). At this time, since there is a relationship of ωτ∝σ i · l p 2 , the upper limit of the twist pitch at which the twist is effective increases by about one digit.

【0126】これまでは、母材の比抵抗の制約から、短
ピッチのツイストでしか、ツイストによる損失低減の効
果は出ないと考えられていた。しかし、高抵抗バリア層
を配置することによって、加工が容易な長ピッチのツイ
ストでも、導体の交流損失低減に有効な、ツイスト条件
が実現できるようになった。
Heretofore, it has been considered that the effect of reducing the loss by the twist is not obtained only with the short pitch twist due to the restriction of the specific resistance of the base material. However, by arranging the high resistance barrier layer, even with a long pitch twist that can be easily processed, a twist condition effective for reducing the AC loss of the conductor can be realized.

【0127】[0127]

【発明の効果】以上説明したように、本発明超電導ケー
ブルによれば、導体層の電流を均流化し、交流損失を大
幅に低減することができる。特に、超電導フィラメント
に高抵抗バリア層を施した素線を利用すれば、更に一層
の交流損失低減を図ることができる。
As described above, according to the superconducting cable of the present invention, the current in the conductor layer can be made uniform and the AC loss can be greatly reduced. In particular, if a wire having a high resistance barrier layer applied to a superconducting filament is used, further reduction in AC loss can be achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】超電導ケーブルの等価回路へのモデル化手法を
示す説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a method of modeling a superconducting cable into an equivalent circuit.

【図2】超電導ケーブルにおける通電時の磁場成分の説
明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a magnetic field component during energization in a superconducting cable.

【図3】円筒導体を無限平面にモデル化する手法の説明
図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of a method of modeling a cylindrical conductor into an infinite plane.

【図4】超電導ケーブルの交流損失を評価する手順のフ
ローチャートである。
FIG. 4 is a flowchart of a procedure for evaluating an AC loss of a superconducting cable.

【図5】ツイスト線の概略透視斜視図である。FIG. 5 is a schematic perspective view of a twist line.

【図6】高抵抗バリア層を有するテープ状超電導多芯線
の横断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view of a tape-shaped superconducting multi-core wire having a high-resistance barrier layer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 マトリックス 2 フィラメント 3 高抵抗バリア層 1 Matrix 2 Filament 3 High resistance barrier layer

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 芯材と、芯材の外周に複数のテープ状超
電導多芯線を螺旋状に巻き付けてなる積層構造の導体層
と、電気絶縁層と、絶縁層の外周に複数のテープ状超電
導多芯線を螺旋状に巻き付けてなる積層構造の磁気遮蔽
層とを具える超電導ケーブルであって、以下の〜の
構成を具えることを特徴する超電導ケーブル。 導体層および磁気遮蔽層のうち、少なくとも1層の巻
きピッチが他層とは異なる。 テープ状超電導多芯線はマトリックス中に超電導フィ
ラメントが埋め込まれた構成で、このフィラメントは螺
旋状にツイストが施されている。 芯材は絶縁された素線を撚り合わせて構成されてい
る。
1. A core material, a conductor layer having a laminated structure in which a plurality of tape-shaped superconducting multi-core wires are spirally wound around the outer periphery of the core material, an electrical insulating layer, and a plurality of tape-shaped superconducting wires disposed on the outer periphery of the insulating layer. A superconducting cable comprising: a magnetic shielding layer having a laminated structure formed by spirally winding a multifilamentary wire, wherein the superconducting cable has the following configuration. At least one of the conductor layer and the magnetic shielding layer has a different winding pitch from the other layers. The tape-shaped superconducting multifilamentary wire has a configuration in which a superconducting filament is embedded in a matrix, and this filament is twisted in a spiral shape. The core is formed by twisting insulated wires.
【請求項2】 超電導フィラメントの外周に高抵抗バリ
ア層が配されていることを特徴とする請求項1に記載の
超電導ケーブル。
2. The superconducting cable according to claim 1, wherein a high resistance barrier layer is provided on the outer periphery of the superconducting filament.
【請求項3】 芯材と、芯材上に複数のテープ状超電導
多芯線を螺旋状に巻き付けてなる積層構造の導体層と、
電気絶縁層と、絶縁層上に複数のテープ状超電導多芯線
を螺旋状に巻き付けてなる積層構造の磁気遮蔽層とを具
える超電導ケーブルであって、 前記テープ状超電導多芯線の厚さが0.15mm以下であるこ
とを特徴とする超電導ケーブル。
3. A core material, a conductor layer having a laminated structure formed by spirally winding a plurality of tape-shaped superconducting multi-core wires on the core material,
A superconducting cable comprising an electric insulating layer and a magnetic shielding layer having a laminated structure in which a plurality of tape-shaped superconducting multi-core wires are spirally wound on the insulating layer, wherein the tape-shaped superconducting multi-core wire has a thickness of 0.15. A superconducting cable having a diameter of not more than mm.
【請求項4】 芯材と、芯材の外周に複数のテープ状超
電導多芯線を螺旋状に巻き付けてなる積層構造の導体層
と、電気絶縁層と、絶縁層の外周に複数のテープ状超電
導多芯線を螺旋状に巻き付けてなる積層構造の磁気遮蔽
層とを具える超電導ケーブルの電流分布解析方法であっ
て、下記の〜のプロセスを具えることを特徴とする
超電導ケーブルの電流分布解析方法。 前記芯材、導体層および磁気遮蔽層を少なくとも誘
導リアクタンスで構成される回路にモデル化するプロセ
ス。 芯材サイズと比抵抗を含む芯材の諸元、臨界電流と
サイズならびにテープ状超電導多芯線に埋め込まれたフ
ィラメントのツイストピッチを含むテープ状超電導多芯
線の諸元、導体層および磁気遮蔽層の螺旋巻きの方向と
ピッチ、導体層と磁気遮蔽層の厚さと外径、導体層と磁
気遮蔽層の層数を含む導体層と磁気遮蔽層の諸元、なら
びに周波数と通電電流を含む必要なパラメータを入力す
るプロセス。 入力したパラメータを用いて回路中のインダクタン
スと実効抵抗を算出するプロセス。 前記モデルに基づいた回路方程式を作成し、各層の
電流分布を算出するプロセス。
4. A core material, a conductor layer having a laminated structure in which a plurality of tape-shaped superconducting multi-core wires are spirally wound around the outer periphery of the core material, an electric insulating layer, and a plurality of tape-shaped superconducting wires disposed on the outer periphery of the insulating layer. A method for analyzing the current distribution of a superconducting cable comprising a magnetic shielding layer having a multilayer structure formed by spirally winding a multi-core wire, comprising the following processes: . A process of modeling the core, the conductor layer and the magnetic shielding layer into a circuit composed of at least an inductive reactance. Specifications of core material including core size and specific resistance, critical current and size, specifications of tape-shaped superconducting multi-core wire including twist pitch of filament embedded in tape-shaped superconducting multi-core wire, conductor layer and magnetic shielding layer Spiral winding direction and pitch, thickness and outer diameter of conductor layer and magnetic shield layer, specifications of conductor layer and magnetic shield layer including number of conductor layers and magnetic shield layer, and necessary parameters including frequency and current flow The process of entering. The process of calculating inductance and effective resistance in a circuit using input parameters. A process of creating a circuit equation based on the model and calculating a current distribution of each layer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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