JP2004040036A

JP2004040036A - 無誘導巻線及び永久電流スイッチ

Info

Publication number: JP2004040036A
Application number: JP2002198609A
Authority: JP
Inventors: Kenji Goto; 後藤　謙次; Takashi Saito; 斉藤　隆
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2002-07-08
Filing date: 2002-07-08
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】優れた冷却効率を得ることができ、もって高速なスイッチ動作が可能な永久電流スイッチを構成することができる無誘導巻線を提供する。
【解決手段】超電導コイル（無誘導巻線）１０は、２本の超電導成形撚線１１，１２をその一端で接合して重ね合わせ、前記各超電導成形撚線の外周面に沿って絶縁テープ１３，１４をそれぞれ配置するとともに、前記接合部を起点としてコイル状に巻線した構成とされている。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久電流スイッチ用コイル等に用いられる無誘導巻線に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導永久電流スイッチは、超電導マグネットと組み合わせて永久電流回路を実現するために不可欠な要素であり、超電導エネルギー貯蔵システム、核融合システム、磁気浮上列車、理化学実験用超電導マグネットシステム、ＮＭＲ（核磁気共鳴）、ＭＲＩ（磁気共鳴映像法）等への利用が成されている。
ところで、超電導エネルギー貯蔵システムなどにおいて、超電導マグネットを永久電流状態で運転する装置においては、超電導コイルと永久電流スイッチを並列接続で構成し、この並列回路を所望の電源にパワーリードを介して接続する構成が一般的になっている。上記永久電流スイッチとしては、熱式永久電流スイッチが広く用いられているが、電力用超電導エネルギー貯蔵の分野では、大電流化に伴うスイッチの安定性確保、及び高速動作の観点から、熱式スイッチには課題が多いとされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記熱式スイッチに対して、超電導状態と常電導状態のコントロールを磁界により行う磁界式超電導スイッチは、巻線構造を熱捌けのよい形状にすることが可能であり、冷却による安定化の効果を十分に生かせることから導体の大容量化に適していると考えられる。また、スイッチング速度が原理的に外部磁界の変化速度に依存するため、磁界の高速掃引によりスイッチング速度の高速化が可能である。これらの永久電流スイッチに用いられる超電導コイルには無誘導巻線が用いられており、素線絶縁を施した超電導導体を巻き枠に巻き付けて用いるため、超電導導体どうしを密着させて巻線を行っても線材間の導通は発生しないという特徴を有していた。しかし、この線材を密着させて巻線を行う方法により作製された無誘導巻線を用いた場合、超電導コイルが超電導状態から常電導状態に遷移するスイッチオフ動作では高速なスイッチ動作が可能であるが、常電導状態から超電導状態に復帰するスイッチオン動作では密着した巻線内に熱がこもってしまい、高速なスイッチ動作を実現することができないという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであって、優れた冷却効率を得ることができ、もって高速なスイッチ動作が可能な永久電流スイッチを構成することができる無誘導巻線を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る無誘導巻線は、超電導導体をコイル状に巻線した無誘導巻線であって、前記超電導導体が、２本の超電導成形撚線をそれらの一端で接合し、重ね合わせて構成され、前記各超電導成形撚線の外周面に沿って絶縁テープがそれぞれ配置されており、前記接合部を起点としてコイル状に巻線されたことを特徴としている。
【０００６】
超電導成形撚線は、超電導導体からなる素線を多数撚り合わせ、所定形状の線材に圧縮成形した超電導導体である。本構成の無誘導巻線は、２本の超電導成形撚線をその一端で接合するとともに、２本を重ね合わせた状態で巻線するため、容易に無誘導巻線を作製することができる。また、重ね合わされた超電導成形撚線間に絶縁テープが挿入されていることで、超電導成形撚線自体に絶縁構造を設ける必要がなく、撚線どうしをほぼ密着させた状態で巻線を構成するため、インダクタンスが極めて小さい巻線を実現することができる。また、超電導成形撚線自体に絶縁構造を設けないことで超電導成形撚線の冷却効率を高めることができ、前記撚線どうしが密着するように巻線しても十分な冷却効率が得られ、永久電流スイッチに用いた場合に高速なスイッチング動作が可能な巻線とすることができる。
【０００７】
また、本発明に係る無誘導巻線としては、超電導導体をコイル状に巻線した無誘導巻線であって、前記超電導導体が、２本の超電導成形撚線をそれらの一端で接合し、重ね合わせて構成され、前記各超電導成形撚線が、絶縁材によりその周囲を被覆されており、前記接合部を起点としてコイル状に巻線された構成も適用することができる。
上記構成の無誘導巻線は、巻線された超電導成形撚線同士の絶縁を、それぞれの超電導成形撚線を絶縁材で被覆することにより確保した構成である。この成形撚線の被覆手法としては、成形撚線の周囲に絶縁テープを螺旋状に巻き付ける方法や、チューブ状の樹脂管中に上記成形撚線を挿入する方法などを例示することができる。
【０００８】
次に、本発明に係る無誘導巻線においては、前記超電導成形撚線をパンケーキコイル形に巻線した超電導コイルを複数積層して備え、前記超電導コイルの超電導成形撚線のうち内周側に配置された超電導成形撚線と、該超電導コイルと隣接して積層された超電導コイルの超電導成形撚線のうち外周側に配置された超電導成形撚線とが、前記超電導コイルの外周側で互いに接続された構成とすることもできる。
また、本発明に係る無誘導巻線においては、前記超電導成形撚線をパンケーキコイル形に巻線した超電導コイルを複数積層して備え、前記超電導コイルの超電導成形撚線のうち内周側に配置された超電導成形撚線と、該超電導コイルと隣接して積層された超電導コイルの超電導成形撚線のうち内周側に配置された超電導成形撚線とが、前記超電導コイルの外周側で互いに接続された構成としてもよい。
【０００９】
上記構成によれば、パンケーキコイル形の超電導コイルを積層し、積層された超電導コイルどうしを電気的に接続することで、任意の抵抗値を有する無誘導巻線を構成することができる。また、超電導コイルの外周側に導出された超電導成形撚線の端部の接続方法を上記のように変更することで、隣接して積層された超電導コイルの電流方向について順方向又は逆方向のいずれも選択することができる。
【００１０】
次に、本発明に係る無誘導巻線においては、前記積層された超電導コイル間に、スペーサが挿入された構成とすることもできる。上記構成によれば、超電導コイル間に冷媒流路を大きく確保し、冷却効率を高めることができるので、永久電流スイッチに用いる場合に高速なスイッチング動作が可能である。
【００１１】
次に、本発明に係る永久電流スイッチは、先に記載の無誘導巻線を備えたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１Ａは、本発明の一実施の形態である無誘導巻線の斜視構成図であり、図１Ｂは、図１Ａに示す挑戦銅成形撚線を拡大して示す部分斜視図である。図１Ａに示す超電導コイル（無誘導巻線）１０は、２本の超電導成形撚線１１，１２と、２本の絶縁テープ１３，１４とを一体的に、パンケーキコイル形に巻線した超電導コイルである。超電導成形撚線１１，１２は、その一端側で互いに電気的に接続されて重ね合わされている。絶縁テープ１３は、超電導成形撚線１１，１２間に沿設されて前記両撚線１１，１２を絶縁し、超電導成形撚線１２外面側に沿設された絶縁テープ１４は、巻線した状態で超電導成形撚線１１内面側と超電導成形撚線１２外面側とを絶縁している。そして、使用時には無誘導巻線１０の外周側に導出された超電導成形撚線１１，１２の端部に電源が接続され、超電導成形撚線１１とその外周側の超電導成形撚線１２の電流方向が互いに逆向きとされることで無誘導巻線を構成するようになっている。
【００１３】
超電導成形撚線１１，１２は、図１Ｂに示すように、超電導導体からなる超電導素線１５を複数本撚り合わせ、平角形状に圧縮成形した構造を備えている。超電導素線１５は、ＣｕＮｂ複合超電導線、あるいはＮｂ_３Ｓｎ、Ｖ_３Ｇａ等を代表とする金属間化合物系超電導線、ＮｂＴｉを代表とする合金系超電導線等から構成されている。
【００１４】
図１に示す絶縁テープ１３，１４は、超電導成形撚線１１，１２を絶縁するために設けられる。この絶縁テープ１３，１４としては、ポリイミドテープや、ＰＥＴテープ、ポリエチレンテープ等の絶縁性の樹脂テープが好適に用いられ、紙テープを用いることもできる。また、これらの絶縁テープ１３，１４の厚さを絶縁性を損なわない範囲で薄くすれば、超電導コイル１０の巻線間隔を狭めて超電導コイル１０のインダクタンスを低減することができる。
【００１５】
図１に示す超電導コイル１０では、超電導成形撚線１１，１２間に、絶縁テープ１３，１４を沿設した構成としたが、本発明に係る無誘導巻線の実施形態としては、図２に示す構成も適用することができる。図２は本発明の無誘導巻線の他の実施の形態を示す図であり、図２Ａは、本実施形態の超電導コイル１６の斜視構成図、図２Ｂは、図２Ａに示す超電導成形撚線１７，１８を拡大して示す斜視構成図である。
図２に示す超電導コイル１６は、２本の超電導成形撚線１７，１８を一体的にパンケーキコイル形に巻線した超電導コイルである。超電導成形撚線１７，１８は、その一端側で互いに電気的に接続されて重ね合わされている。そして、使用時には無誘導巻線１６の外周側に導出された超電導成形撚線１７，１８の端部に電源が接続され、超電導成形撚線１７とその外周側の超電導成形撚線１８の電流方向が互いに逆向きとされることで無誘導巻線を構成するようになっている。
【００１６】
超電導成形撚線１７，１８は、図２Ｂに示すように、図１Ｂに示すものと同様の超電導素線１５を複数本撚り合わせ、平角形状に圧縮成形した構造を備えている。そして、本実施形態に係る超電導成形撚線１７，１８は、その周囲に絶縁テープ１９が螺旋状に巻かれることで、素線１５と外部とを絶縁するようになっている。この絶縁テープ１９としては、先の絶縁テープ１３，１４と同様のものを用いることができる。あるいは、チューブ上の樹脂管に撚り合わせた超電導素線１５を挿入して超電導成形撚線を構成しても良い。
【００１７】
図２に示す超電導コイル１６においても、図１に示す超電導コイル１０と同様の動作が可能である。また、超電導成形撚線１７，１８自体が絶縁材を備えているので、巻線時に絶縁テープを間に挟み込む必要が無く、予め図２Ｂに示すような超電導成形撚線１７，１８を用意しておくならば、容易に無誘導巻線を作製することができる。
【００１８】
（無誘導巻線の巻線方法）
次に、図１に示す超電導コイル（無誘導巻線）１０の巻線方法を図３を参照して以下に説明する。図３Ａ、３Ｂは、係る巻線方法を説明するための説明図である。まず、図２に示す構成を備えた超電導成形撚線１１，１２を用意し、図３Ａに示すように、両者の先端部を接合することで、超電導成形撚線１１，１２を電気的に接続して接合部２０を形成する。この接合部２０の形成にあたっては、超電導成形撚線１１，１２を構成する超電導素線１５をほぐし、１本ずつの超電導素線１５どうしをはんだ等により接合する。
次いで、図３Ｂに示すように、超電導成形撚線１１，１２間に、両テープに沿って絶縁テープ１３を配設する。また、超電導成形撚線１２の外面側に絶縁テープ１４を沿設する。次に、図３Ｂに示すように、上記テープ１１〜１４を一体的に保持した状態で、超電導成形撚線の接合部２０を起点として略円柱状のボビン２１に巻回することで、図１に示す超電導コイル１０を得ることができる。
【００１９】
このように、本実施形態の巻線方法によれば、予め超電導成形撚線１１，１２を両者の端部で電気的に接続して一体化し、絶縁テープ１３，１４により超電導成形撚線どうしの絶縁を確保した状態で巻線するので、極めて容易に無誘導巻線を作製することができるとともに、巻線間隔がほとんどない巻線を構成することができ、インダクタンスの小さい無誘導巻線を実現することができる。
【００２０】
（無誘導巻線の他の形態）
次に、図１に示す実施形態の超電導コイル１０は、図４に示すように、複数を積み重ねるとともに隣接して積層された超電導コイルの超電導テープどうしを電気的に接続した構成とすることもできる。このようにパンケーキ形の超電導コイルを積み重ねて構成することで、各種の抵抗値を有する超電導コイルを作製することができる。
この構成について図４を参照して以下に説明する。図４は、図１に示す超電導コイル１０と同等の構成を備えた超電導コイル１０ａ〜１０ｅを積み重ねた超電導コイルの斜視構成図である。図４に示すように、５本の超電導コイル１０ａ〜１０ｅは、それぞれ超電導成形撚線１１ａ〜１１ｅ、１２ａ〜１２ｅを備えて構成されており、図示上下方向で同軸位置に配置されるとともに、超電導コイル１０ａ〜１０ｅの外周に導出された超電導成形撚線は、隣接する超電導コイルの超電導成形撚線と電気的に接続されている。より詳細には超電導コイル１０ａの超電導成形撚線１２ａと、超電導コイル１０ａの直下に配置された超電導コイル１０ｂの超電導成形撚線１２ｂと接合部２５ａにより互いに電気的に接続され、超電導コイル１０ｂの超電導成形撚線１１ｂは、この超電導コイル１０ｂの直下に配置された超電導コイル１０ｃの超電導成形撚線１１ｃと接合部２４ｂにより互いに電気的に接続されている。すなわち、超電導コイル１０ａ、１０ｂは接合部２５ａにより電気的に接続され、超電導コイル１０ｂ、１０ｃは接合部２４ｂにより電気的に接続され、超電導コイル１０ｃ、１０ｄは接合部２５ｃにより電気的に接続され、超電導コイル１０ｄ、１０ｅは接合部２４ｄにより電気的に接続されている。
【００２１】
このように、本発明に係るパンケーキコイル形の超電導コイルを複数積層してコイルを構成する場合には、パンケーキ形の超電導コイル１０ａ〜１０ｅどうしの接合部を超電導コイルの外周側に形成することができるので、超電導コイルどうしの接続が極めて容易になり、もって各種の抵抗値を有する超電導コイルを容易に構成することが可能になる。
【００２２】
また、本実施形態の超電導コイルは図５に示すように、積み重ねたパンケーキ形超電導コイル１０ａ〜１０ｅ間にスペーサ２２を配してそれぞれの超電導コイル間を離間する構造とすることもできる。この場合には、超電導成形撚線１１ａ，１２ａを巻線するための円筒管２３の底部にフランジ状のスペーサ２２を備えたボビン２４に超電導テープ１１ａ〜１１ｅ及び超電導テープ１２ａ〜１２ｅを巻線して超電導コイル１０ａ〜１０ｅを作製し、円柱状の支持部材２７に円筒管２３を嵌め込んで超電導コイル１０ａ〜１０ｅを積み重ねることで、スペーサ２２により所定間隔で離間されたパンケーキ形超電導コイルを備えた超電導コイルを構成することができる。
図５に示すように、超電導コイル１０ａ〜１０ｅ間をスペーサ２２で離間して配置すれば、このスペーサ２２により冷媒流路が確保され、超電導コイル１０ａ〜１０ｅの冷却効率を高めることができ、永久電流スイッチとして用いた場合に高速のスイッチング動作が可能である。
【００２３】
（超電導エネルギー貯蔵装置）
上記構成を備えた本実施形態の超電導コイル１０は、超電導永久電流スイッチに好適に使用することができる。係る永久電流スイッチを備えた超電導エネルギー貯蔵装置の一例について図６を参照して説明する。この例の装置において、３１は超電導貯蔵コイル、３２は超電導コイル３１に並列接続された永久電流スイッチ、３３は超電導貯蔵コイル３１と永久電流スイッチ３２に接続されたパワーリード、３４はパワーリード３３に組み込まれた開閉スイッチ、３５はパワーリード３３に接続された交直変換器をそれぞれ示している。この例の永久電流スイッチ３２は、前記超電導コイル１０を備えている。
【００２４】
また、図６において３６は制御用超電導コイル、３７はこの制御用超電導コイル３６に接続された定電流源である。更に、図６において３８は冷却容器による極低温領域を示し、この領域を液体ヘリウムにより極低温に冷却することで超電導貯蔵コイル３１と永久電流スイッチ３２と制御用超電導コイル３６をそれぞれ超電導状態とすることができるようになっている。前記制御用超電導コイル３６は１テスラ程度の磁場を発生させることができるものである。
【００２５】
前記構成の装置によれば、電力の充電、貯蔵、放出ができるようになっている。まず、充電を行うには、開閉スイッチ３４を閉じて回路を接続するとともに、定電流源３７を作動させて制御用超電導コイル３６に通電し、制御用超電導コイル３６により永久電流スイッチ３２の超電導コイル１０に磁場を印加する。この場合、印加磁場は超電導コイル１０の臨界磁界より高くなるようにする。これにより、超電導コイル１０の超電導体は極低温であっても常電導状態となるので、永久電流スイッチ３２は切られた状態となり、超電導貯蔵コイル３１に直流電流が流れ、磁気エネルギーとして電力を貯蔵できるようになる。
【００２６】
次に、永久電流スイッチ３２に対する磁場を解除すると、永久電流スイッチ３２の超電導体が超電導状態となるので、超電導貯蔵コイル３１の両端を短絡することになる。更に、開閉スイッチ３４を開いて制御用超電導コイル３６に対する通電を停止する。これにより、超電導コイル３１は極低温に冷却されていて電気抵抗がゼロであるがために、電流は減衰することなく超電導コイル３１を流れ続け、そのときの超電導貯蔵コイル３１に蓄えられたエネルギーが無損失で保存されることとなる。
【００２７】
次に、この貯蔵された電力を取り出すには、開閉スイッチ３４を閉じて回路を接続するとともに、制御用超電導コイル３６に通電して永久電流スイッチ３２の超電導体を常電導状態に転位させる。これにより、超電導貯蔵コイル３１に蓄えられていた磁気エネルギーを交流電力として取り出すことができる。このようにして永久電流スイッチ３２のオン／オフ制御を行うことができる。尚、このような磁場の付加と解除により永久電流スイッチのオン／オフ制御を行うならば、応答が速いので高速応答に容易に対応することができる。
そして、図６に示す永久電流スイッチ３２では、冷却効率が高く、高速応答が可能な本発明に係る超電導コイル（無誘導巻線）を備えているので、高速なスイッチ動作が可能とされている。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る無誘導巻線は、２本の超電導成形撚線をその一端で接合し、重ね合わせ、前記各超電導成形撚線の外周面に沿って絶縁テープをそれぞれ配置するとともに、前記接合部を起点としてコイル状に巻線した構成とすることで、容易に無誘導巻線を作製することができる。また、重ね合わされた超電導成形撚線間に絶縁テープが挿入されていることで、超電導成形撚線自体に絶縁構造を設ける必要がなく、前記撚線どうしを密着させた状態で巻線を構成することができるため、インダクタンスが極めて小さい巻線を実現することができる。また、超電導成形撚線自体に絶縁構造を設けないことで超電導成形撚線の冷却効率を高めることができ、超電導成形撚線を密着して巻線しても十分な冷却効率が得られ、永久電流スイッチに用いた場合に高速なスイッチング動作が可能な巻線とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の無誘導巻線の一実施の形態である超電導コイルの斜視構成図である。
【図２】図２は、図１に示す超電導成形撚線１１，１２の斜視構成図である。
【図３】図３Ａ、図３Ｂは、図１に示す超電導コイルの巻線方法を説明するための説明図である。
【図４】図４は、複数のパンケーキ形コイルを積層して備える超電導コイルの斜視構成図である。
【図５】図５は、パンケーキ形超電導コイル間にスペーサを備えた超電導コイルの側面図である。
【図６】図６は、本発明に係る超電導コイルを備えた永久電流スイッチが適用された超電導エネルギー貯蔵装置の構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０，１０ａ〜１０ｅ，１６…超電導コイル（無誘導巻線）、１１，１２，１１ａ〜１１ｅ，１２ａ〜１２ｅ…超電導成形撚線、１７，１８…超電導成形撚線、１３，１４，１９…絶縁テープ、１５…超電導素線、２２…スペーサ、２１，２４…ボビン

Claims

超電導導体をコイル状に巻線した無誘導巻線であって、
前記超電導導体が、２本の超電導成形撚線をそれらの一端で接合し、重ね合わせて構成され、
前記各超電導成形撚線の外周側面に沿って絶縁テープがそれぞれ配置されており、
前記接合部を起点としてコイル状に巻線されたことを特徴とする無誘導巻線。
超電導導体をコイル状に巻線した無誘導巻線であって、
前記超電導導体が、２本の超電導成形撚線をそれらの一端で接合し、重ね合わせて構成され、
前記各超電導成形撚線が、絶縁材によりその周囲を被覆されており、
前記接合部を起点としてコイル状に巻線されたことを特徴とする無誘導巻線。
前記超電導成形撚線をパンケーキコイル形に巻線した超電導コイルを複数積層して備え、
前記超電導コイルの超電導成形撚線のうち内周側に配置された超電導成形撚線と、該超電導コイルと隣接して積層された超電導コイルの超電導成形撚線のうち外周側に配置された超電導成形撚線とが、前記超電導コイルの外周側で互いに接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の無誘導巻線。
前記超電導成形撚線をパンケーキコイル形に巻線した超電導コイルを複数積層して備え、
前記超電導コイルの超電導成形撚線のうち内周側に配置された超電導成形撚線と、該超電導コイルと隣接して積層された超電導コイルの超電導成形撚線のうち内周側に配置された超電導成形撚線とが、前記超電導コイルの外周側で互いに接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の無誘導巻線。
前記積層された超電導コイル間に、スペーサが挿入されたことを特徴とする請求項３又は４に記載の無誘導巻線。
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の無誘導巻線を備えたことを特徴とする永久電流スイッチ。