JP2009162607A - 並列に連結された複数の超伝導線材に流れる電流の非接触式測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】並列線材を構成する超伝導線材に流れる電流をホールセンサを用いて非接触式で測定し、並列線材に電流の不均衡が発生するかどうかを確認する非接触式測定方法を提供する。
【解決手段】並列に連結された複数の超伝導線材に流れる電流の非接触式測定方法において、複数のホールセンサを配置する段階と、前記各ホールセンサによって測定される電圧値と、前記各超伝導線材に流れる電流値と、前記電圧値との間の関係を定義するための行列関係式を設定する段階と、前記複数の超伝導線材に設定電流値を複数回印加し、前記複数のホールセンサを通して測定電圧値を測定する段階と、前記設定電流値及び前記測定電圧値を前記行列関係式に代入し、前記変数行列の各変数の値を算出する段階と、前記各超伝導線材に未知の電流が流れる状態で前記複数のホールセンサによって測定された複数の未知電圧値と、各超伝導線材に流れる未知の電流の強さを算出する段階とを含む。
【選択図】図６

Description

本発明は、非接触式測定方法に関するもので、より詳細には、並列に連結された複数の超伝導線材に流れる電流をホールセンサを用いて非接触式で測定できる非接触式測定方法に関するものである。

超伝導線材または高温超伝導（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ:ＨＴＳ）線材の発見とともに、超伝導線材を用いた電力応用機器開発に関する研究が活発に進行されている。

既存の銅を使用する一般の電力機器と異なって、超伝導電力機器では、超伝導線材の特性を維持するための冷却設備が必要である。したがって、超伝導電力機器が一般の電力機器よりも優れた経済性を確保するためには、高効率・大容量の電力機器に使用可能な線材が開発されるべきである。

現在開発されている２世代超伝導線材の臨界電流が約２５０Ａ未満であることを考慮すると、大容量の電力機器を製作するためには、多数本の超伝導線材を並列に連結した線材の使用が提案されている。また、超伝導線材のうち現在開発された１ｃｍ幅のＹＢＣＯ線材は、約２８０Ａの臨界電流を有している。しかしながら、大容量・高温超伝導の電力機器に使用するためには、数百または数千Ａの電流が必要となるので、多数本の超伝導線材を並列に連結して使用すべきである。

並列に連結された超伝導線材（以下、‘並列線材'という。）を用いてコイルを製作する場合、並列線材を構成する各超伝導線材のインピーダンスの差のために、超伝導線材間に流れる電流が不均一になるという問題が発生する。

上記のような不均一な電流の分布は、並列線材に流れる通電電流を減少させ、交流損失を増加させる原因として作用している。したがって、通電電流を増加させ、交流損失を低減させるためには、並列線材を構成する各超伝導線材の電流分布を均一にすべきである。

並列線材を構成する各超伝導線材の電流分布を均一にするためには、まず、並列線材に電流の不均一が発生するかどうかを確認しなければならない。そこで、本発明は、並列線材を構成する各超伝導線材に流れる電流をホールセンサを用いて非接触式で測定する方法を提供し、並列線材に電流の不均衡が発生するかどうかを確認できる非接触式測定方法を提供することを目的とする。

前記目的は、本発明によって、並列に連結された複数の超伝導線材に流れる電流の非接触式測定方法において、（ａ）前記各超伝導線材の周辺に形成される磁場に基づいて、電圧値を測定するための複数のホールセンサを配置する段階と；（ｂ）前記各ホールセンサによって測定される前記電圧値と、前記各超伝導線材に流れる電流値と、前記電圧値と前記電流値との間の関係を定義するための複数の変数からなる変数行列との間の行列関係式を設定する段階と；（ｃ）前記複数の超伝導線材に既に設定された設定電流値を複数回印加し、前記複数のホールセンサを通して前記測定電圧値を測定する段階と；（ｄ）前記設定電流値及び前記測定電圧値を前記行列関係式に代入し、前記変数行列の各変数の値を算出する段階と；（ｅ）前記各超伝導線材に未知の電流が流れる状態で前記複数のホールセンサによって測定された複数の未知電圧値と、前記（ｄ）段階で算出された前記変数行列を行列関係式に代入し、前記各超伝導線材に流れる前記未知の電流の強さを算出する段階と；を含むことを特徴とする非接触式測定方法によって達成される。

ここで、前記行列関係式は、数学式

（ここで、ｎは、並列に連結された前記超伝導線材の個数で、Ｖ_ｋ（ｋ＝１、２、３、…、ｎ）は、前記各ホールセンサによって測定される電圧値で、Ｉ_ｋ（ｋ＝１、２、３、…、ｎ）は、前記各超伝導線材に流れる電流値で、Ｋ_ｉｊ（ｉ＝１、２、３、…、ｎ、ｊ＝１、２、３、…、ｎ）は、前記変数行列の前記各変数である。）で表現される。

そして、前記複数の超伝導線材は、４本の超伝導線材が進行方向に対する断面方向に上下左右に配置され、前記（ａ）段階では、４個の前記ホールセンサが、上下左右に配置された前記４本の超伝導線材にそれぞれ一つずつ隣接するように配置される。

そして、前記複数の超伝導線材は、互いに撚り合ってＲｏｅｂｅｌバー形態で設けられ、前記（ａ）段階では、前記複数のホールセンサが、前記Ｒｏｅｂｅｌバー形態の前記複数の超伝導線材の外側に前記各超伝導線材に隣接するように配置される。

本発明に係る非接触式測定方法によると、並列線材を構成する各超伝導線材に流れる電流をホールセンサを用いて非接触式で測定する方法を提供することで、並列線材に電流の不均衡が発生するかどうかを確認することができる。

以下、添付された図面を参照して、本発明の各実施例をより詳細に説明する。

本発明に係る非接触式測定方法を説明する前に、並列線材の電流不均衡に対する電気的特性を確認する。このために、６本の超伝導線材を使用して並列線材を構成することを一例とした。図１に示すように、並列線材１００を構成する超伝導線材１，２，３，４，５，６の電流値を制御及び測定するために、６本の超伝導線材１，２，３，４，５，６の一側部分を共通的に銅端子１１０に連結し、６本の超伝導線材１，２，３，４，５，６の他側部分は、ホルダー１２０によって分離した後、それぞれの銅端子（図示せず）に連結した。

下記の［表１］は、図１に示した並列線材１００に使用された超伝導線材１，２，３，４，５，６の仕様を示したものである。

図１に示した６本の超伝導線材１，２，３，４，５，６からなる並列線材１００に電流が均一に流れるために、各超伝導線材１，２，３，４，５，６は、互いに絶縁状態で維持され、接触抵抗が全て均一でなければならない。しかしながら、製作過程で、超伝導線材１，２，３，４，５，６と銅端子１１０との連結部分で接触抵抗が発生するようになる。

このときに発生する接触抵抗値は小さいが、これによって、各超伝導線材１，２，３，４，５，６に流れる電流の値が均一でなくなる。したがって、各超伝導線材１，２，３，４，５，６の終端に任意の抵抗（例えば、０．１Ω）を連結することで、電流分布が均一に起きるようにした。そして、臨界電流を測定するための電圧タップの距離を１０ｃｍにし、１μＶ／ｃｍを基準にして測定した。

上記のような構成を通して、電流が均一でない状態での臨界電流と交流損失を測定する。まず、電流分布が均一に発生する条件で、各超伝導線材１，２，３，４，５，６に抵抗を順次連結し、電流不均衡が発生する４つのケースを設ける。下記の［表２］に示すように、電流が流れる超伝導線材１，２，３，４，５，６を決定し、電流が流れる各超伝導線材１，２，３，４，５，６は、図１に示した図面符号で表した。［表２］に示した５つの条件で各超伝導線材１，２，３，４，５，６に流れる臨界電流値を測定した値は、図２に示す通りである。

超伝導線材１，２，３，４，５，６に交流電流が流れると、超伝導線材１，２，３，４，５，６の内部及び外部で交流磁場が発生し、この交流磁場によって超伝導線材１，２，３，４，５，６に電界が誘起され、伝送電流の損失が発生する。この伝送電流の損失は、ノリス（Ｎｏｒｒｉｓ）が提案した平板モデルと楕円形モデルを用いて計算することができ、ＢＳＣＣＯ線材の場合、楕円形モデルを用いて損失を計算した。交流損失の計算には、［数学式１］に表現されたノリス式を用いた。

図３は、上記のような条件及び理論に基づいて実験した結果として、電流分布が均一であるときと、不均一であるときの臨界電流を示した図で、図４は、交流損失を測定するための回路構成を示した図で、図５は、電流分布が均一であるときと、各条件で電流分布が不均一であるときの交流損失の計算値と測定値を示した図である。

以下、上記のような方法を通して確認された並列線材１００の電流不均衡に対する電気的特性を用いて、並列に連結された複数の超伝導線材１，２，３，４，５，６、すなわち、上述したような、並列線材に流れる電流を測定するための本発明に係る非接触式測定方法に対して詳細に説明する。

図６を参照して説明すると、各超伝導線材の周辺に形成される磁場に基づいて、電圧値を測定するための複数のホールセンサ２１，２２，２３，２４を配置する。図６は、４本の超伝導線材１１，１２，１３，１４が、その進行方向に対する断面方向に上下左右に配置された一例を示した図で、ここで、４個のホールセンサ２１，２２，２３，２４は、上下左右に配置された４本の超伝導線材１１，１２，１３，１４にそれぞれ一つずつ隣接するように配置される。

超伝導線材１１，１２，１３，１４に電流が流れると、超伝導線材１１，１２，１３，１４の周辺に磁場が発生するが、このとき、磁場の大きさは電流の大きさに比例し、超伝導線材１１，１２，１３，１４で発生した磁場をホールセンサ２１，２２，２３，２４が測定するようになる。そして、ホールセンサ２１，２２，２３，２４によって測定された磁場の大きさは、電圧値に換算される。したがって、各ホールセンサ２１，２２，２３，２４によって測定された電圧値と、各超伝導線材１１，１２，１３，１４に流れる電流値との関係は、下記の［数学式２］のような行列関係式で表現される。

ここで、Ｖ行列は、各ホールセンサ２１，２２，２３，２４によって測定された電圧値で、Ｉ行列は、各超伝導線材１１，１２，１３，１４に流れる電流値で、Ｋ行列は、電圧値と電流値との間の関係を定義するための複数の変数からなる変数行列である。

そして、図６に示すように、４本の超伝導線材１１，１２，１３，１４からなる並列線材１０と、これに対応する４個のホールセンサ２１，２２，２３，２４が設置された場合、［数学式２］は、下記の［数学式３］のように表現される。

そして、［数学式３］をより汎用的な形態で表現すると、［数学式４］のように表現される。

（ここで、ｎは、並列に連結された超伝導線材の個数で、Ｖ_ｋ（ｋ＝１、２、３、…、ｎ）は、各ホールセンサによって測定される電圧値で、Ｉ_ｋ（ｋ＝１、２、３、…、ｎ）は、各超伝導線材に流れる電流値で、Ｋ_ｉｊ（ｉ＝１、２、３、…、ｎ、ｊ＝１、２、３、…、ｎ）は、変数行列の各変数である。）

［数学式３］のように行列関係式が設定された状態で、各超伝導線材１１，１２，１３，１４に既に設定された電流値（以下、‘設定電流値'という。）を複数回印加し、各ホールセンサ２１，２２，２３，２４を通して電圧値（以下、‘測定電圧値'という。）を測定する。

すなわち、４本の超伝導線材１１，１２，１３，１４のうち何れか一つ（例えば、超伝導線材１１）に一定の設定電流値（例えば、６０Ａの電流）を印加し、残りの超伝導線材１２，１３，１４には電流を流さない状態で、４個のホールセンサ２１，２２，２３，２４によって測定電圧値を測定する。そして、残りの３本の超伝導線材１２，１３，１４に対して一定の設定電流値を順次印加し、残りの超伝導線材１１，１２，１３，１４に電流を流さない方法で変数行列の各変数の値を算出することができる。さらに、変数行列の各変数の値は、各超伝導線材１１，１２，１３，１４に多様な設定電流値を印加することで算出することもできる。

上記のように行列関係式の変数行列が算出されると、各超伝導線材１１，１２，１３，１４にその値を知らない未知の電流が流れる状態、すなわち、並列線材１０に電流を印加し、各超伝導線材１１，１２，１３，１４に電流が分散されて流れる状態で、各ホールセンサ２１，２２，２３，２４によって測定された電圧値（以下、‘未知電圧値'という。）と、算出された変数行列を用いて現在の各超伝導線材１１，１２，１３，１４に流れる未知の電流強さが算出可能になる。これによって、並列線材１０に電源が印加されるとき、並列線材１０を構成する各超伝導線材１１，１２，１３，１４に流れる電流値を非接触式で測定可能となり、並列線材１０を構成する各超伝導線材１１，１２，１３，１４に電流が均等に流れるかどうかを確認可能になる。

一方、図６では、４本の超伝導線材１１，１２，１３，１４がその進行方向に対する断面方向に上下左右に配置される構造の並列線材１０を説明したが、複数の超伝導線材１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａが並列線材１０ａを構成する他の例では、図７に示すように、台形の超伝導線材１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａが撚り合って、並列線材１０ａがＲｏｅｂｅｌバー形態で設けられる。

ここで、Ｒｏｅｂｅｌバー形態の並列線材１０ａにおいて、各ホールセンサ２１，２２，２３，２４は、図８に示すように、Ｒｏｅｂｅｌバー形態の並列線材１０ａを構成する各超伝導線材１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａに対する磁場を最適に測定できる位置に隣接するように配置される。図８の（ａ）において、ホールセンサ２１，２２，２３，２４は、Ｒｏｅｂｅｌバー形態の並列線材１０ａで台形の超伝導線材１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａの対角方向表面に隣接するように配置され、図８の（ｂ）において、ホールセンサ２１，２２，２３，２４は、Ｒｏｅｂｅｌバー形態の並列線材１０ａの周りに沿って各超伝導線材１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａに隣接するように配置される。

図７及び図８では、４本の超伝導線材１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａを用いてＲｏｅｂｅｌバー形態の並列線材１０ａを構成する一例を説明したが、５本以上の超伝導線材を用いてＲｏｅｂｅｌバー形態の並列線材を構成することも可能である。

また、並列線材の構造に対する多様な条件での実験を通して、各並列線材の構造によって超伝導線材に流れる電流を最も正確に把握できる位置を実験的に確認し、ホールセンサ２１，２２，２３，２４の配置を決定することができる。

以上、本発明の好適な実施例に対して詳細に説明してきたが、本発明の権利範囲は、これに限定されるものでなく、特許請求の範囲で定義された本発明の基本概念を用いた当業者の多様な変形及び改良形態も本発明の権利範囲に属するものである。

６本の超伝導線材を用いて並列線材を構成した一例を示した図である。 図１に示した並列線材を用いた実験値に対するグラフである。 図１に示した並列線材を用いた実験値に対するグラフである。 交流損失を測定するための回路構成の一例を示した図である。 電流分布が均一であるときと、各条件で電流分布が不均一であるときの交流損失の計算値と測定値を示した図である。 並列線材の構造とホールセンサの配置に対する実施例を示した図である。 並列線材の構造とホールセンサの配置に対する実施例を示した図である。 並列線材の構造とホールセンサの配置に対する実施例を示した図である。

符号の説明

１０，１０ａ 並列線材
１１，１２，１３，１４，１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ 超伝導線材
２１，２２，２３，２４ ホールセンサ

Claims (4)

1. 並列に連結された複数の超伝導線材に流れる電流の非接触式測定方法において、
   （ａ）前記各超伝導線材の周辺に形成される磁場に基づいて、電圧値を測定するための複数のホールセンサを配置する段階と；
   （ｂ）前記各ホールセンサによって測定される前記電圧値と、前記各超伝導線材に流れる電流値と、前記電圧値と前記電流値との間の関係を定義するための複数の変数からなる変数行列との間の行列関係式を設定する段階と；
   （ｃ）前記複数の超伝導線材に既に設定された設定電流値を複数回印加し、前記複数のホールセンサを通して測定電圧値を測定する段階と；
   （ｄ）前記設定電流値及び前記測定電圧値を前記行列関係式に代入し、前記変数行列の各変数の値を算出する段階と；
   （ｅ）前記各超伝導線材に未知の電流が流れる状態で前記複数のホールセンサによって測定された複数の未知電圧値と、前記（ｄ）段階で算出された前記変数行列を行列関係式に代入し、前記各超伝導線材に流れる前記未知の電流の強さを算出する段階と；を含むことを特徴とする非接触式測定方法。
2. 前記行列関係式は、下記の数学式
   

   

   （ここで、ｎは、並列に連結された前記超伝導線材の個数で、Ｖ_ｋ（ｋ＝１、２、３、…、ｎ）は、前記各ホールセンサによって測定される電圧値で、Ｉ_ｋ（ｋ＝１、２、３、…、ｎ）は、前記各超伝導線材に流れる電流値で、Ｋ_ｉｊ（ｉ＝１、２、３、…、ｎ、ｊ＝１、２、３、…、ｎ）は、前記変数行列の前記各変数である。）で表現されることを特徴とする請求項１に記載の非接触式測定方法。
3. 前記複数の超伝導線材は、４本の超伝導線材が進行方向に対する断面方向に上下左右に配置され、
   前記（ａ）段階では、４個の前記ホールセンサが、上下左右に配置された前記４本の超伝導線材にそれぞれ一つずつ隣接するように配置されることを特徴とする請求項２に記載の非接触式測定方法。
4. 前記複数の超伝導線材は、互いに撚り合ってＲｏｅｂｅｌバー形態で設けられ、
   前記（ａ）段階では、前記複数のホールセンサが、前記Ｒｏｅｂｅｌバー形態の前記複数の超伝導線材の外側に前記各超伝導線材に隣接するように配置されることを特徴とする請求項２に記載の非接触式測定方法。

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