JP2004281503A

JP2004281503A - 超電導コイル

Info

Publication number: JP2004281503A
Application number: JP2003067736A
Authority: JP
Inventors: Edmund Soji Otabe; エドモンド荘司小田部; Teruo Matsushita; 照男松下; Akira Tomioka; 章富岡; Toshio Kamiide; 俊夫上出
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】並列配置された超電導線を用いて通電容量の拡大を図ることができ、かつ、簡便な転位構成により電流分流を均一化して循環電流を抑制でき、さらに冷却面積を多く確保することによって、安定した運転が可能な大電流容量、低損失の超電導コイルを提供する。
【解決手段】断面が矩形平板状の複数本の超電導線を電気的に並列化して並列導体とし、この並列導体を、円筒状巻枠の外周面上に円筒層状に巻回してなる超電導コイルにおいて、並列導体は、複数本の超電導線１３ａ〜１３ｄを少なくともコイル軸方向に並列化したものとし、かつ、コイル半径方向に冷却板２１を備えるものとする。また、コイル軸方向に複数ターン巻回し、かつコイル半径方向に複数層巻回してなるコイルは、各層の並列導体の軸方向端部のみに、並列導体における複数の超電導線の転位部を設けてなるものとする。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、通電電流が高速で変動する、例えばエネルギー貯蔵用，磁場応用，変圧器やリアクトル等の誘導電器などに用いる超電導コイル、特に、その巻回構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導コイルは高磁界発生手段として種々の分野で実用されている。一方、変圧器やリアクトルなどのような交流機器への超電導コイルの適用は、超電導導体が交流によって損失を発生するという現象があることから、その実用化は、あまり進んでいない。
【０００３】
しかしながら、近年、超電導導体素線の細線化による交流損失の小さな超電導線が開発されて以来、変圧器などの交流機器への適用研究が進展し、その超電導コイルの構成に関しても、種々の提案が行われている。
【０００４】
この場合の超電導導体としては、液体ヘリウムの蒸発温度である４Ｋの極低温で超電導状態を維持する金属超電導体を使用した超電導線が、実用的な超電導材料として、主に使用されるが、最近では、酸化物超電導体を適用した超電導コイルの開発も進められている。この酸化物超電導体は高温超電導体とも呼ばれており、この高温超電導体を使用した場合には、金属超電導体を使用した場合に比べて運転コストが低い利点がある。
【０００５】
ところで、通電電流が高速で変動する、例えば変圧器のような交流機器において、複数の導体を並列に使用するときには、導体の転位が行われる。これは、複数の導体の相対位置を変えることによってそれぞれの導体を磁気的に一致させて誘起電圧の差を小さくし、これによってそれぞれの導体の電流分担を均一にするためである。
【０００６】
負荷電流によって発生した漏れ磁束によるそれぞれの並列導体の誘起電圧の差を導体のインピーダンスで除した値が循環電流となるのであるが、銅やアルミなどの通常の導体の場合には、インピーダンスは抵抗値だけと見なせるので循環電流は負荷電流に対し位相が９０°ずれたものになる。そのため、例えば３０％の循環電流が発生したとしても、１本の導体に流れる電流は、負荷電流の１００％とこれに９０°の位相差のある３０％の循環電流とのベクトル和となって、その絶対値はそれぞれの二乗の和の平方根になることから、約１０５％となり、循環電流の割には電流値の増加は小さい。
【０００７】
一方、導体として超電導線を用いた場合、超電導状態では抵抗はほぼ零であるので、循環電流をきめるインピーダンスはほとんどインダクタンスで決まる。従って循環電流は負荷電流と同相になり、仮に循環電流が３０％とすると、負荷電流にこの循環電流が加算されて超電導線には１３０％の電流が流れることになる。
【０００８】
超電導線は、超電導状態を維持するために、温度，電流，磁場が、所定値以下である必要がある。この所定値を、それぞれ臨界温度，臨界電流，臨界磁場といい、循環電流によって臨界電流以上の電流が流れた場合には、超電導状態から常電導状態、すなわち抵抗を持った通常の導体になり、ジュール発熱により破損する可能性がある。
【０００９】
このように、超電導線を用いたコイルでは、循環電流を抑制することは非常に重要である。超電導導体でも転位を行うことで循環電流を抑制することができるが、酸化物超電導線の場合には、合金超電導体に比べて曲げの力に弱い性質を持っており、性能を発揮するための許容曲げ半径が存在し、転位作業には細心の注意を要する。従って、並列本数が多いほど、すなわち転位部が多いほど作業時間が掛かるので高価になる。また、転位部は十分に注意して作業しても、超電導線を曲げているので不安定箇所となることは避けられず、この不安定箇所も転位部が多いほど増える。
【００１０】
超電導変圧器のようにコイルの層数が少なく、層の間隔に余裕があり、かつ巻線径が大きい場合には不安定箇所の対策は容易で従来の転位法で十分であるが、エネルギー貯蔵用や磁場応用のコイルの場合はコイルの層数が多く、層を密接させることが要求されるので、不安定箇所の対策をするスペースが小さくなる。したがって、不安定箇所の対策の影響が他の上下の層、または隣接する超電導線に及ぶ可能性があり、要求される仕様を満たせないだけでなく、安定した運転が行なえなくなってしまう問題がある。
【００１１】
上記問題を解消し、循環電流を抑制しつつ不安定箇所としての転位部を少なくし、転位作業を簡単にして低コスト化を図ることを目的とした超電導コイルの構成は、例えば、特許文献１に開示されている。
【００１２】
特許文献１に記載された発明の骨子は、下記のとおりである。即ち、「複数の超電導線を並列化し巻回してなる超電導コイルにおいて、巻線端部のみで転位を行なう構成とすること、加えてコイルの層数を、並列化している超電導線の並列本数の４倍（本数×４倍）の整数倍とすることで、転位部を少なくし、循環電流を抑制しつつ不安定部を少なくし得る。その結果、転位のための作業，時間が短縮されて安価となるだけでなく、少ない不安定部で循環電流を抑制できることから、高速の励磁，消磁を安定に行なうことが可能になるという利点も得られる。」ことにある。
【００１３】
図５は、特許文献１の図１に記載された超電導コイルの転位構成の一例を示す。図５においては、例えば、コイルの半径方向に３本重ねた超電導線３ａを、巻枠１ａから巻枠１ｂの方向に巻回して形成するに当たり、超電導線３ａが巻枠１ａ側の巻線の始まりではコイル内径方向から、例えば、図示しない（Ａ１，Ａ２，Ａ３）の順に重ねて巻かれているとして、巻線端部の転位部２において、まず（Ａ３）を次のターンに曲げ、同様に（Ａ２，Ａ１）と転位作業を行なうことで、巻枠１ｂ側の巻線の終わりでは、例えば（Ａ３，Ａ２，Ａ１）の順にする。上記により、特許文献１の図４に記載された従来の転位構成に比較して、転位部や巻線の曲げ数が少なくなるので、作業が著しく簡単になる。
【００１４】
なお、前記の「コイルの層数を、並列化している超電導線の並列本数の４倍（本数×４倍）の整数倍とする」構成例については、ここでは説明を省略する（詳細は、特許文献１参照）。
【００１５】
一方、前記超電導コイルにおいては、交流損失等に伴う発熱が効果的に除去され、常電導転位を生じることなく安定して運転できる構成が要請される。このような観点から好ましい構成として、特許文献２には、「電気絶縁性材料からなる円筒状巻枠の外周面上に円筒層状に巻回してなる超電導巻線の層間に、良熱伝導性材料からなる伝熱冷却板を備えた超電導コイル」が開示されている。
【００１６】
【特許文献１】
特開平１１−２７３９３５号公報（第２−４頁、図１−４）
【特許文献２】
特開平１１−１３５３１８号公報（第２−４頁、図２）
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記特許文献１に記載されたような構成、即ち、コイルの半径方向に超電導線を３本重ねて電気的に並列配置した超電導コイルに、特許文献２に記載されたような巻線層間に冷却板を備える構成を適用した場合、図６に示す超電導コイルの部分断面図のような構成となり、この場合、下記のような問題がある。
【００１８】
図６において、１３ａ〜１３ｃは、それぞれコイルの半径方向に３本重ねて電気的に並列配置した超電導線を示し、２１はこの３本重ねの超電導線の両側にそれぞれ配設した冷却板を示す。
【００１９】
図６において、超電導線１３ａ〜１３ｃの運転時に発生する熱は、矢示のように、両側に配設した冷却板２１に流れる。超電導線１３ｂは、重ねた超電導線１３ａおよび１３ｃの間に配置され、超電導線１３ｂの発熱はこれらの超電導線を介して伝導する。重ねた超電導線の間の熱伝導は、超電導線そのものに比べ格段に悪く、１３ｂの温度は他の１３ａ、１３ｃに比べ高くなる。図６では３本重ねの場合であり、使用状況によっては問題にはならないが、さらに並列本数、すなわち重ねの数を増加させると、重ねの中央部の超電導線の温度が高くなり、超電導線の臨界電流が設計値より低くなり、結果として予期した通電容量を確保できなくなる問題が発生する。
【００２０】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、この発明の課題は、並列配置された超電導線を用いて通電容量の拡大を図ることができ、かつ、簡便な転位構成により電流分流を均一化して循環電流を抑制でき、さらに冷却面積を多く確保することによって、安定した運転が可能な大電流容量、低損失の超電導コイルを提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、この発明は、断面が矩形平板状の複数本の超電導線を電気的に並列化して並列導体とし、この並列導体を、円筒状巻枠の外周面上に円筒層状に巻回してなる超電導コイルにおいて、前記並列導体は、複数本の超電導線を少なくとも前記コイルの軸方向に並列化したものとし、かつ、前記コイルの半径方向に良熱伝導性材料からなる冷却板を備えるものとする（請求項１の発明）。
【００２２】
上記により、軸方向に並列化した並列導体は、それぞれ並列導体のコイル半径方向の面が冷却板により冷却されるので、冷却面積が多く確保できて熱的安定性が向上する。その結果、通電容量の拡大を図ることができる。
【００２３】
上記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし７の発明が好ましい。即ち、前記請求項１に記載の超電導コイルにおいて、前記並列導体は、前記複数本の各超電導線を、前記軸方向に等間隔で配設して並列化してなるものとする（請求項２の発明）。これにより、詳細は後述するように、各超電導線の自己および相互インダクタンスが均一となり、電流分流の均一化が図れる。
【００２４】
また、前記請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、前記軸方向に並列化した並列導体を、前記コイル軸方向に複数ターン巻回し、かつコイル半径方向に複数層巻回してなり、さらに、前記各層間に前記冷却板を設けてなるものとする（請求項３の発明）。これにより、複数のターン数および層数を有する超電導コイルの熱的安定性の向上を図ることができる。
【００２５】
さらに、前記請求項３に記載の超電導コイルにおいて、前記軸方向に並列化した並列導体は、前記コイルの半径方向にも２個の超電導線を並列化してなるものとし、前記各層間に設ける冷却板は、前記２個の超電導線の半径方向の少なくとも一方の面に熱的に接触して設けてなるものとする（請求項４の発明）。これにより、各超電導線は、それぞれ冷却板により直接的に冷却されるので、熱的安定性のさらなる向上を図ることができる。
【００２６】
また、転位構成は、前記特許文献１に記載の構成を同様に採用することが好ましい。即ち、前記請求項３または４に記載の超電導コイルにおいて、前記コイル軸方向に複数ターン巻回し、かつコイル半径方向に複数層巻回してなるコイルは、各層の並列導体の軸方向端部のみに、並列導体における複数の超電導線の転位部を設けてなるものとする（請求項５の発明）。さらに、前記請求項５に記載の超電導コイルにおいて、前記層数は、前記並列導体における超電導線の並列本数の４倍の整数倍とする（請求項６の発明）。
【００２７】
さらにまた、運転コスト低減の観点から、上記請求項１ないし６のいずれか１項に記載の超電導コイルにおいて、前記超電導線は、高温超電導線とする（請求項７の発明）。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下に述べる。
【００２９】
図１は本発明の実施例を示す超電導コイルの模式的拡大部分断面図を示したものであり、超電導線４本を１組とした並列導体を、コイル軸方向に所定ターン数巻回した場合の構成を示す。
【００３０】
図１において、超電導線１３ａ〜１３ｄは、図示しない電極において一括接続してあり、電気的に並列に配設されている。また、超電導線１３ａ〜１３ｄはコイル中心軸１４を中心としてソレノイドコイル状に、超電導線４本を１組として、コイル軸方向に所定ターン数巻回する。冷却板２１は超電導線１３ａ〜１３ｄに直接接触するように配置する。
【００３１】
図２は、前記超電導線４本をコイル軸方向に等間隔で配設して並列化してなる並列導体の模式的構成を示す。図２に示す構成によれば、各超電導線の周りに形成される磁束は、図示のように同一となり、超電導線１３ａ〜１３ｄの自己インダクタンスは均一になるとともに、相互インダクタンスも均一となり、電流分布が均一となる。
【００３２】
例えば、幅４ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの超電導線４本を並列化して、内半径６０ｍｍで、コイル軸方向に５ターン巻回したコイルについて、電流分流比を計算した結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】

ここで、分流比とは各超電導線に流れる電流Ｉｎを平均電流Ｉｏで除して基準化した基準化電流Ｉｎ／Ｉｏの値である。各超電導線に均一に電流が流れた場合、各超電導線の分流比はそれぞれ１となる。表１の結果によれば、超電導線の電流のばらつきは、２％程度であり、循環電流はほとんど流れない。
【００３４】
図１の構成によれば、超電導線１３ａ〜１３ｄは全て冷却板２１に直接接触することができ、各超電導線の発熱は冷却板２１により良好に冷却可能であることが明らかである。なお、図２に示す超電導線のコイル軸方向の間隔は、より密にすることが望ましい。これにより、隣接する超電導線の磁束が打ち消しあうので、交流損失が小となり、低損失のコイルとすることができる。また、液体または気体などの冷媒による冷却方式の超電導コイルの場合においては、冷却板２１は冷媒に置き換わるだけで、その機能を果たすことができる。但し、この場合、電磁力の支持用のスペーサは別途必要となる。
【００３５】
次に、図３の実施例について述べる。図３は、コイル半径方向に２層巻回してなる超電導コイルの転位部を備えた模式的拡大部分断面図を示す。図３の超電導コイルの第一層においては、超電導線１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを４本並べて並列導体とし、この並列導体をコイル軸方向に所定ターン数巻回する。第二層に巻き上がる際に、図３中の右端部において、超電導線の位置を入れ替え、１３ｄ，１３ａ，１３ｂ，１３ｃの順として転位させる。このように、転位は巻線端部のみで行うことにより、コイル線軸方向の寸法は増加せず、コイルの電流密度を低下させることなく簡便に転位させることができる。
【００３６】
次に、図４の実施例について述べる。図４は、電流分流を均一化するために、超電導コイルの層数を、超電導線の並列本数の４倍の整数倍とする実施例であり、並列本数を４本としたときの転位例の説明図である。４本並列配置の場合には、超電導コイルの層数は１６の整数倍であり、図４に示す例は、最小層数の１６層の場合を示した。この場合において、１層あたり５ターン巻きまわし、層間の距離を１０ｍｍとし、最小巻線半径を６０ｍｍとしたときの電流分流を計算した。その結果を表２に示す。
【００３７】
【表２】

表２の結果によれば、超電導線の電流のばらつきは最大６％であり、電流分流をほぼ均一化できている。なお、超電導線の本数及び超電導線の位置の入れ替え方法は、図４に示したものに限定されるものではなく、例えば、２本の超電導線を一部同時に転位させることもできる（詳細は、前記特許文献１の図２および関連説明参照）。
【００３８】
【発明の効果】
この発明によれば前述のように、断面が矩形平板状の複数本の超電導線を電気的に並列化して並列導体とし、この並列導体を、円筒状巻枠の外周面上に円筒層状に巻回してなる超電導コイルにおいて、前記並列導体は、複数本の超電導線を少なくとも前記コイルの軸方向に並列化したものとし、かつ、前記コイルの半径方向に良熱伝導性材料からなる冷却板を備えるものとすることにより、
軸方向に並列化した並列導体の冷却面積が多く確保できて熱的安定性が向上する。その結果、通電容量の拡大を図ることができる。
【００３９】
また、コイル軸方向に複数ターン巻回し、かつコイル半径方向に複数層巻回してなるコイルは、各層の並列導体の軸方向端部のみに、並列導体における複数の超電導線の転位部を設けてなるものとし、さらに、前記層数は、前記並列導体における超電導線の並列本数の４倍の整数倍とすることにより、簡便な転位構成により電流分流を均一化して循環電流を抑制可能な超電導コイルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す超電導コイルの模式的部分断面図
【図２】本発明の実施例に関わり、超電導線４本をコイル軸方向に等間隔で配設して並列化してなる並列導体の模式的構成図
【図３】本発明の図１とは異なる超電導コイルの実施例の模式的部分断面図
【図４】超電導コイルの層数を、超電導線の並列本数の４倍とした実施例における転位例の説明図
【図５】特許文献１に記載された超電導コイルの転位構成の一例を示す図
【図６】超電導線を３本重ねて電気的に並列配置し冷却板を備えた従来の超電導コイルの模式的部分断面図
【符号の説明】
１３ａ〜１３ｄ：超電導線、１４：コイル中心軸、２１：冷却板。

Claims

断面が矩形平板状の複数本の超電導線を電気的に並列化して並列導体とし、この並列導体を、円筒状巻枠の外周面上に円筒層状に巻回してなる超電導コイルにおいて、
前記並列導体は、複数本の超電導線を少なくとも前記コイルの軸方向に並列化したものとし、かつ、前記コイルの半径方向に良熱伝導性材料からなる冷却板を備えることを特徴とする超電導コイル。
請求項１に記載の超電導コイルにおいて、前記並列導体は、前記複数本の各超電導線を、前記軸方向に等間隔で配設して並列化してなることを特徴とする超電導コイル。
請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、前記軸方向に並列化した並列導体を、前記コイル軸方向に複数ターン巻回し、かつコイル半径方向に複数層巻回してなり、さらに、前記各層間に前記冷却板を設けてなることを特徴とする超電導コイル。
請求項３に記載の超電導コイルにおいて、前記軸方向に並列化した並列導体は、前記コイルの半径方向にも２個の超電導線を並列化してなるものとし、前記各層間に設ける冷却板は、前記２個の超電導線の半径方向の少なくとも一方の面に熱的に接触して設けてなることを特徴とする超電導コイル。
請求項３または４に記載の超電導コイルにおいて、前記コイル軸方向に複数ターン巻回し、かつコイル半径方向に複数層巻回してなるコイルは、各層の並列導体の軸方向端部のみに、並列導体における複数の超電導線の転位部を設けてなることを特徴とする超電導コイル。
請求項５に記載の超電導コイルにおいて、前記層数は、前記並列導体における超電導線の並列本数の４倍の整数倍とすることを特徴とする超電導コイル。
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の超電導コイルにおいて、前記超電導線は、高温超電導線とすることを特徴とする超電導コイル。