JP2010109043A - 超電導コイルの転位方法及び超電導コイル - Google Patents

Abstract

【課題】 転位数を少なくし、巻線高さの制約を緩和することができる酸化物超電導線材を用いた超電導コイルの転位方法及び超電導コイルを提供する。
【解決手段】 円筒状の絶縁材料を巻枠とし、この巻枠の外径側に沿ってテープ状酸化物超電導素線を複数本重ねてなる酸化物超電導導体を複数回巻回してなる超電導コイルの転位方法において、重なり合う前記複数本のテープ状酸化物超電導素線１〜８をグループ化して前記酸化物超電導導体を複数のグループに分割し、グループ単位で転位を行い、かつ超電導コイル２２の軸方向中央部２３で全転位を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、交流機器、例えばエネルギー貯蔵、磁場応用、変圧器、リアクトル、限流器、モータ、発電機等に用いる酸化物超電導線材を用いた超電導コイルの転位方法及び超電導コイルに関するものである。

酸化物超電導線材は大電流容量化のため、多数本の酸化物超電導線材を用いて多並列導体を構成し巻線にするが、そのまま巻線にすると各素線のインダクタンスが異なってしまうので、各素線に流れる電流は、インダクタンスの影響により不均一となる。電流が不均一になり偏流が生じると、損失の増大や電流容量の低下に伴う安全性の低下といった問題が生じる。そのため、巻線の際、素線の位置を入れ換える転位を行い、各素線の鎖交磁束を均一にすることにより電流分流を均一にする。なお、一般的な常電導機器においてもこのような転位を行うが、超電導機器では電気抵抗が無視できるほど小さく、インダクタンスのみで電流分流が決まるため、超電導機器のほうがより厳しい条件であり、常電導機器の転位方法を適用するだけで、電流分流を均一にすることは困難である。

図８はかかる従来の転位方法によって製作された超電導コイルの模式図、図９はその超電導コイルの転位方法の説明図、図１０は酸化物超電導線材の並列導体の転位状態を示す斜視図であり、図１０（ａ）は層状に配置される酸化物超電導線材の素線を示す斜視図、図１０（ｂ）はその素線が重ねられた並列導体を示す斜視図、図１０（ｃ）はその並列導体の転位状態を示す斜視図である。

これらの図において、１０１は絶縁材料からなる巻枠、１０２は素線１〜８が層状に配置された酸化物超電導線材の並列導体が巻枠１０１上に巻回された超電導コイルである。ここでは、８本の素線からなる並列導体が３２巻回（ターン）されている。

図８に示すように、従来の超電導コイルでは、最初の巻回において、素線８を最上層に以下素線７，６，５，４，３，２，１と層状に配置した酸化物超電導線材の並列導体〔図１０（ｂ）参照〕を巻枠１０１上に巻回するが、ここで、各素線の電流分流を均一にするため転位を行う。つまり、図１０（ｃ）に示すように、素線７を最上層に、以下、素線６，５，４，３，２，１とし、素線８を最下層にする第１回目の転位がなされる。次いで、素線６を最上層となし、以下、同様に最上層の素線を入れ換えて転位を行う。そのようにして中央部１０３に至ると、最上層から素線１，８，７，６，５，４，３，２と層状に配置された並列導体の全転位を行って、素線２，３，４，５，６，７，８，１の配置とする。その後は、同様に並列導体の最上層の素線を最下層に配置するように転位を行う。

上記したように、一般的には、対称的に転位を施すことにより、電流分流を均一にすることができる。

なお、素線を３本重ねた超電導線の場合、巻線端部のみで転位を行うようにした超電導コイルが開示されている（下記特許文献１参照）。
特開平１１−２７３９３５号公報

しかしながら、超電導コイルの電流分流を均一にするための転位方法は、巻線を行う導体構成や巻線構成によって決定される。例えば、従来の図８〜１０のような転位では、転位数が、（導体重ね数×２−１）回必要となる。転位には１ターン分のスペースが必要なため、導体の重ね数が多くなるほど転位数が多くなる。コイル高さは、所定のターン数＋転位数によって決まり、その転位数分だけコイル高さが増大し、結果的にコイル高さが大きくなってしまい、所定の機器を設計できなくなる。つまり、転位を必要とする超電導コイルは、転位による巻線高さの制約があり、従来の転位方法では小型化を図ることが困難であるという課題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、転位数を少なくし、巻線高さの制約を緩和することができる酸化物超電導線材を用いた超電導コイルの転位方法及び超電導コイルを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕円筒状の絶縁材料を巻枠とし、この巻枠の外径側に沿ってテープ状酸化物超電導素線を複数本重ねてなる酸化物超電導導体を複数回巻回してなる超電導コイルの転位方法において、重なり合う前記複数本のテープ状酸化物超電導素線をグループ化して前記酸化物超電導導体を複数のグループに分割し、グループ単位で転位を行い、かつ超電導コイルの軸方向中央部で全転位を行うことを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の超電導コイルの転位方法において、前記テープ状酸化物超電導素線の上下に重なり合う２つの素線を１つのグループとして転位を行うことを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の超電導コイルの転位方法において、前記酸化物超電導導体を幅方向に２つ並べて構成する場合、前記テープ状酸化物超電導素線の上下左右に隣り合う４つの素線を一つのグループとして転位を行うことを特徴とする。

〔４〕超電導コイルにおいて、上記〔１〕から〔３〕記載の超電導コイルの転位方法によって作製されることを特徴とする。

本発明によれば、酸化物超電導線材の素線をグループ化して転位を行うことにより、転位の数を従来よりも少なくできる。結果として、巻線高さを小さくし、かつ、各素線に流れる電流を均等にできるので、コンパクトで効率の良い超電導コイルを得ることができる。例えば、本発明の超電導コイルを用いて変圧器を製作する場合、巻線高さは変圧器設計の重要な因子であり、巻線高さは変圧器全体の構成に影響を与える。巻線高さを低く設定することが必要な場合に、従来技術では成し得なかった低い巻線高さを、本発明を適用することで実現でき、また、巻線高さの制約が緩和されることにより変圧器の構成に自由度が生じ、より効率の良い超電導変圧器を提供可能になる。

巻線高さを低くできることによる効果として、巻線高さが低いほど鉄心の高さも低くなり、その分、鉄心がコンパクトになって鉄損を抑えることができるので、効率が向上した変圧器になる。鉄心がコンパクトになることは、同時に、変圧器の重量軽減に直結するので、軽量化を最大の目的とする鉄道車両用変圧器には大きな効果がある。

本発明の超電導コイルの転位方法は、円筒状の絶縁材料を巻枠とし、この巻枠の外径側に沿ってテープ状酸化物超電導素線を複数本重ねてなる酸化物超電導導体を複数回巻回してなる超電導コイルの転位方法において、重なり合う前記複数本のテープ状酸化物超電導素線をグループ化して前記酸化物超電導導体を複数のグループに分割し、グループ単位で転位を行い、かつ超電導コイルの軸方向中央部で全転位を行う。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示すグループ転位法によって製作された超電導コイルの模式図、図２はその超電導コイルの転位方法の説明図、図３は酸化物超電導線材の並列導体の転位状態を示す図であり、図３（ａ）は層状に配置される酸化物超電導線材の素線を示す斜視図、図３（ｂ）はその素線が重ねられた並列導体を示す斜視図、図３（ｃ）はその並列導体の転位状態を示す斜視図である。

これらの図において、２１は絶縁材料からなる巻枠、２２は素線１〜８が層状に配置された酸化物超電導線材の並列導体が巻枠２１上に巻回された超電導コイルである。ここでは、８本の素線からなる並列導体が１６巻回されて、７（素線重ね数−１）回の転位が行われている。

ここで、本発明の超電導コイルでは、図２に示すように、最初の巻回において、素線８を最上層に以下素線７，６，５，４，３，２，１と層状に配置した酸化物超電導線材の並列導体〔図３（ｂ）参照〕を巻枠２１上に巻回する。この時、各素線に流れる電流を均一にするために転位を行うが、本発明の超電導コイルの転位方法では、層状に配置された素線の上下に重なり合う二つの素線を一つのグループとして転位を行う。ここでは、図３（ｃ）に示すように、次の巻回では素線６と５を最上層となし、以下、素線４，３，２，１とし、素線７と８を最下層とする第１回目の転位がなされる。次いで、素線４と３を最上層となし、以下、同様に上下に重なり合う二つの素線を一つのグループとして最上層の素線を入れ換えて転位を行う。そのようにして中央部２３に至ると、最上層から素線２，１，８，７，６，５，４，３と層状に配置された並列導体の全転位を行って、素線３，４，５，６，７，８，１，２の配置とする。その後も、二つの素線を一つのグループとして、並列導体の最上層の２つの素線を最下層に配置するようにして転位を行う。

このように構成することで、転位数を少なくし、巻線高さの制約を緩和することができる。ここでは、転位数は７回で済み、巻枠の高さＨを低減することができる。

図４は本発明の転位方法によって製作された超電導コイルに流れる電流の測定結果を示す図である。ここでは、横軸に素線番号、縦軸に電流分流率〔％〕を示している。この測定に用いたコイルの導体構成は、酸化物超電導素線８重ね、重なり合う２つの素線を１グループとして並列導体を４グループに分割し、ターン数は６４ターン、転位手法及び転位回数は図２に示した通りである。

図４から明らかなように、各素線の電流分流率はほぼ１００％となっており、各素線に対して十分な電流の分流が行われていることがわかる。

図５は本発明の他の実施例を示すグループ転位法によって製作された超電導コイルの模式図、図６はその超電導コイルの転位方法の説明図、図７はその酸化物超電導線材の並列導体の転位状態を示す図であり、図７（ａ）は層状に配置される酸化物超電導線材の素線を示す斜視図、図７（ｂ）はその素線が重ねられた幅方向に２つ並べて構成される並列導体を示す斜視図、図７（ｃ）はその並列導体の転位状態を示す斜視図である。

これらの図において、３１は素線、３２は素線３１を層状に配置した酸化物超電導線材を幅方向に２つ並べて構成される並列導体を巻回した超電導コイル、３３は素線３１の上下左右に隣り合う４つの素線のを一つのグループとした転位部、３５は超電導コイル３２の軸方向中央部３４の全転位部である。この実施例では、酸化物超電導線材からなる素線３１の上下左右に隣り合う４つの素線を一つのグループとして転位を行う。

このように、酸化物超電導線材の素線３１を層状に配置した並列導体を幅方向に２つ並べて構成する場合、上下左右に隣り合う４つの素線を一つのグループとして転位を行うようにすることができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の超電導コイルの転位方法及び超電導コイルは、各素線に流れる電流を均等にしつつ、コンパクトで効率の良い超電導コイルとして利用可能である。

本発明の実施例を示すグループ転位法によって製作された超電導コイルの模式図である。 本発明の実施例を示す超電導コイルの転位方法の説明図である。 本発明の実施例を示す酸化物超電導線材の並列導体の転位状態を示す斜視図である。 本発明の転位方法によって作製された超電導コイルに流れる電流測定結果を示す図である。 本発明の他の実施例を示すグループ転位法によって製作された超電導コイルの模式図である。 本発明の他の実施例を示す超電導コイルの転位方法の説明図である。 本発明の他の実施例を示す酸化物超電導線材の並列導体の転位状態を示す斜視図である。 従来の転位方法によって製作された超電導コイルの模式図である。 従来の超電導コイルの転位方法の説明図である。 従来の酸化物超電導線材の並列導体の転位状態を示す斜視図である。

符号の説明

１〜８，３１ 素線
２１ 巻枠
２２，３２ 超電導コイル
２３，３４ 中央部
３３ 転位部
３５ 全転位部

Claims (4)

1. 円筒状の絶縁材料を巻枠とし、該巻枠の外径側に沿ってテープ状酸化物超電導素線を複数本重ねてなる酸化物超電導導体を複数回巻回してなる超電導コイルの転位方法において、重なり合う前記複数本のテープ状酸化物超電導素線をグループ化して前記酸化物超電導導体を複数のグループに分割し、グループ単位で転位を行い、かつ超電導コイルの軸方向中央部で全転位を行うことを特徴とする超電導コイルの転位方法。
2. 請求項１記載の超電導コイルの転位方法において、前記テープ状酸化物超電導素線の上下に重なり合う２つの素線を１つのグループとして転位を行うことを特徴とする超電導コイルの転位方法。
3. 請求項１記載の超電導コイルの転位方法において、前記酸化物超電導導体を幅方向に２つ並べて構成する場合、前記テープ状酸化物超電導素線の上下左右に隣り合う４つの素線を一つのグループとして転位を行うことを特徴とする超電導コイルの転位方法。
4. 請求項１から３記載の超電導コイルの転位方法によって作製されることを特徴とする超電導コイル。

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