JP2010238728A - 導電コイルの転位方法および導電コイル - Google Patents

Abstract

【課題】 導電線材を複数の線材群に分割して巻きつける場合において、転位スペースを極小化し、巻枠に対する導電線材の巻き効率を高め、導電コイルの小型化、および、これにより導電線材への垂直磁界を減少させ、通電電流の増加および交流損失低減が可能な導電コイルの転位方法および導電コイルを提供する。
【解決手段】 最上段の線材Ａ（１０１ｂ）が、線材群７ｂの巻き方向にずらされながら最下段に巻きつけられる。線材Ａ（１０１ｂ）が完全に最下段（すなわち巻枠３）に巻きつけられた後、残りの線材Ｂ〜線材Ｇが線材Ａ上にずらされて乗せられる。線材群７ｂの線材Ｂ（１０２ｂ）〜線材Ｇ（１０７ｂ）の線材Ａ上へのずらしが開始された後、隣接する線材群７ａの転位が線材群７ｂと同様に行われる。ここで、線材群７ｂの転位開始位置から、線材群７ａの転位開始位置までの周方向のずれ長さ（図中Ｃ）は、「転位長さ」Ｄよりも長い。
【選択図】図４

Description

本発明は、電気機器等に用いられ、特に超電導機器に用いられる導電コイルの転位方法およびこれを用いた導電コイルに関するものである。

従来、大きな電流を通電する必要のある超電導コイルでは、例えば高温超電導体であるテープ状の線材が複数重ねて用いられる。テープ状の線材を複数枚重ねて巻枠に巻きつけた場合、各テープ状線材の巻き位置（重ね位置）によって、インピーダンスが異なるため、各テープ状線材に電流が均一に流れない。これは、特に、電気抵抗を無視することができる超電導コイルにおいて問題となる。このため、複数のテープ状線材が重ねて用いられる場合には、それぞれのテープ状線材の巻き位置を入れ替えるための転位を行う必要がある。

このような超電導体の転位方法としては、例えば、巻き枠に円環状の溝を設け、溝にそって超電導導体を巻き付け、溝同士の間の土手部に設けられた切欠き部を渡り部として、渡り部で転位を行う超電導コイルがある（特許文献１）。

特開平２００３−１１５４０５号公報

しかし、特許文献１のような方法は、土手部に設けられた切欠き部を渡り部として、渡り部で転位を行う旨が記載されているのみであり、土手部の厚みは超電導体を巻きつけることができない。超電導体を巻きつけられないスペースは、コイルにとって無駄なスペースであるだけでなく、コイル高さを増加させることにつながり、超電導コイルの高さ制約がある場合や小型化を図る場合には、より効率良く転位を行い、巻き効率の高い導電コイルが望まれている。

特に、溝部には溝部幅に応じた超電導導体が一列に巻きつけられるため、超電導導体を複数列に巻きつける場合には、このような方法では転位が困難である。

図６（ａ）は、従来の方法により、超電導線材１１１が複数重ねて巻きつけられる場合における転位部１１０を示す図である。通常、超電導線材１１１は転位部１１０で転位が行われ、線材の巻き重ね位置の入れ替えが行われる。図６（ａ）に示すように、従来の転位部１１０においては、転位に伴い、超電導線材１１１の一列分の幅のスペース（図中Ｘ）が形成される。したがって、転位回数分だけ超電導線材１１１が巻きつけられないスペースが生じる。

一方、図６（ｂ）に示すように、超電導線材１１１を２分割し、それぞれ複数の超電導線材１１１ａを重ねて線材群１１３ａ、１１３ｂを並列して設ける方法が考えられる。線材群１１３ａ、１１３ｂは、それぞれテープ状の超電導線材１１１ａが複数重ねて巻きつけられたものであり、線材群１１３ａ、１１３ｂは、巻枠の軸方向に互いに隣接して、かつ、互いに独立して巻枠に巻きつけられる。複数の線材群１１３ａ、１１３ｂを用いることで、より細い超電導線材１１１ａを用いても、太い超電導線材（図６（ａ）の超電導線材１１１）を用いた場合と同等の巻き体積を得ることができる。しかしながら、通常の転位方法では、図６（ｂ）のように、複数の線材群に分割（図６（ｂ）では２分割）した場合であっても、転位部１１０においては、超電導線材１１１ａ２本分の転位スペース（図中Ｘ）が必要となるため、巻き効率を向上させることはできなかった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、導電線材を複数の線材群にして巻きつける場合において、転位スペースを極小化し、巻枠に対する導電線材の巻き効率を高め、導電コイルの小型化、および、これにより導電線材への垂直磁界を減少させ、通電電流の増加および交流損失低減が可能な導電コイルの転位方法および導電コイルを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、第１の発明は、巻枠の外周に複数周螺旋状に導電線材が巻きつけられる導電コイルの転位方法であって、複数の前記導電線材を、前記巻枠の径方向に複数重ねて巻きつけて導電線材群を形成し、複数の前記導電線材群を、前記巻枠へ互いに隣接するように巻きつけ、隣接する前記導電線材群それぞれの転位開始位置を、前記巻枠の軸方向に互いに隣接する巻き周であり、かつ、前記巻枠の周方向において互いにずれた位置に設けることを特徴とする導電コイルの転位方法である。

前記導電線材を幅方向に複数配置して前記導電線材群が形成されてもよく、前記導電線材は、テープ状の超電導線材であってもよい。前記導電線材群内での転位は、前記導電線材群の最上段に巻きつけられていた導電線材を、前記巻枠軸方向に一列分ずらして前記巻枠に巻き付け、前記最上段に巻きつけられていた導電線材上に、転位前に２列目以下に巻き付けられていた導電線材をずらして重ねることで行われ、隣接する前記導電線材群それぞれの転位開始の前記巻枠の周方向におけるずれ長さが、前記導電線材群内における前記最上段に巻きつけられていた導電線材のずらし開始位置と前記２段目以下に巻きつけられていた導電線材のずらし開始位置との間の長さよりも大きいことが望ましい。

隣接する複数の前記導電線材群それぞれの前記導電線材幅がほぼ等しいことが望ましい。

隣接する前記導電線材群それぞれの転位部が、前記巻枠の周方向において重ならず、前記転位が行われる巻き周において、隣接する前記導電線材群同士は、前記導電線材の一本分の幅に略等しい隙間のみをあけて巻きつけられることが望ましい。

第１の発明によれば、複数の導電線材が複数重ねて巻きつけられる導電線材群が形成され、複数の導電線材群が隣接して巻き付けられ、さらにそれぞれの導電線材群の転位開始位置が周方向にずれているため、転位スペースを低減することができる。また、導電線材がテープ状の超電導線材であれば特にその効果が大きい。この場合、テープ状の超電導線材が幅方向に複数配置されて線材群が形成されれば、超電導線材一本当たりの幅を小さくすることができるため、より巻き効率を高めることができる。

特に、各導電線材群それぞれの転位開始位置のずれ幅が、線材群内における線材のずらし開始位置間長さ（転位長さ）よりも大きければ、転位部同士が重ならないため、確実に転位スペースを低減することができる。また、複数の線材群それぞれの導電線材幅が同一であれば転位スペース低減効果が大きい。

転位部において、それぞれの導電線材群同士が重ならず、転位スペースとして導電線材１本分の幅のみとすれば、極めて高い巻き効率を得ることができる。この場合、特に導電線材を幅方向に多数の線材群に分割して巻きつけることで、一本当たりの幅を小さくすることができるためより効果が大きい。

第２の発明は、第１の発明にかかる導電コイルの転位方法を用いて製造されることを特徴とする導電コイルである。

第２の発明によれば、転位スペースを低減することにより、導電コイルの軸長を短くでき、これによりコンパクトな導電コイルを得ることができる。

本発明によれば、導電線材を複数の線材群にして巻きつける場合において、転位スペースを極小化し、巻枠に対する導電線材の巻き効率を高め、導電コイルの小型化、および、これにより導電線材への垂直磁界を減少させ、通電電流の増加および交流損失低減が可能な導電コイルの転位方法および導電コイルを提供することができる。

超電導コイルを示す図。 転位部９における超電導線材５の転位状態を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図。 転位部９における超電導線材の巻き位置の入れ替え状態を示す図。 転位部９における各線材群７ａ、７ｂ転位位置を示す図で、（ａ）は各線材群の巻き上段方向から見た図、（ｂ）は線材群７ａの巻き側方から見た図。 転位部９における各線材群７ａ、７ｂ、７ｃ転位位置を示す図。 従来の転位方法を示す図。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、導電コイルとしての超電導コイル１を示す図である。超電導コイル１は、主に巻枠３、超電導線材５等から構成される。

巻枠３は絶縁材料からなる円筒状部材である。巻枠３の外周には超電導線材５が巻きつけられる。導電線材としての超電導線材５は、例えばテープ状の酸化物超電導体である。超電導線材５は複数本が重ねて巻きつけられる。このようにして複数本の超電導線材５が巻きつけられたものを、以後、超電導線材の「線材群」と称する。

超電導コイル１では、２群の線材群７ａ、７ｂが隣接して巻きつけられる。すなわち、線材群７ａ、７ｂに巻きつけられる超電導線材５は、１の線材群として巻きつけられた幅広の超電導線材を２分割したものである。したがって、線材群７ａ、７ｂは互いに隣接するように、複数本の超電導線材５が巻枠３に対して螺旋状に巻きつけられる。なお、線材群７ａ、７ｂそれぞれに巻きつけられる超電導線材５の幅は同一であることが望ましい。すなわち、幅広の基線材は等分に分割されることが望ましい。

超電導線材５は、線材群７ａ、７ｂにおいて重ねられて巻きつけられるため、重ね位置によって、それぞれのインピーダンスが異なる。超電導材では、電気抵抗を無視できるため、このインピーダンスの影響を強く受け、超電導線材５の重ね位置によって流れる電流量が不均一となる。したがって、線材群７ａ、７ｂは、所定量の巻き回数ごとに設けられる転位部９において、線材群７ａ、７ｂそれぞれの上下の超電導線材の巻き重ね位置を入れ替える転位が行われる。

転位部９が形成される巻き周においては、転位に伴い、超電導線材５（線材群７ａ、７ｂ）が巻きつけられない隙間が生じる。この隙間を、以後、転位スペースと称する。すなわち、超電導コイル１には、転位部９の数だけ、転位スペース１０が形成される。

図２および図３は、転位部９を示す図であり、図２（ａ）は転位部９における線材群７ａ、７ｂにおける超電導線材５の入れ替え状態を示す斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ部拡大図である。図３は、線材群７ａでの超電導線材５の巻き重ね位置の入れ替えを示す図であり、図中上部が最上段の巻き重ね位置、図中下部が最下段の巻きかさね位置を示す図である。

図２（ｂ）に示すように、転位部９にさしかかる前の状態での線材群７ａにおける超電導線材５を、重ね位置毎に、上段から下段にかけて線材Ａ（１０１ａ）〜線材Ｇ（１０７ａ）とする。同様に、図示を省略するが、転位部９にさしかかる前の状態での線材群７ｂにおいても、重ね位置毎の超電導線材５を、上段から下段にかけて線材Ａ（１０１ｂ）〜線材Ｇ（１０７ｂ）とする。

転位部９では、まず、例えば線材群７ｂの最上段に巻きつけられている線材Ａ（１０１ｂ）が、線材群７ｂの側方（巻き方向）へずらされて、巻枠３（図１）に巻きつけられる。次いで、線材Ａ（１０１ｂ）を除く線材Ｂ（１０２ｂ）〜線材Ｇ（１０７ｂ）が、線材Ａ（１０１ｂ）の上方にずらされながら重ねられる。この状態においては、線材群７ｂの線材Ｂ（１０２ｂ）〜線材Ｇ（１０７ｂ）が、線材群７ａから離れるようにずらされていく。

さらに、線材群７ａの最上段に巻きつけられている線材Ａ（１０１ａ）が、線材群７ｂ方向（巻き方向）へずらされて、巻枠３（図１）に巻きつけられる。次いで、線材Ａ（１０１ａ）を除く線材Ｂ（１０２ａ）〜線材Ｇ（１０７ａ）が、線材Ａ（１０１ａ）の上方にずらされながら重ねられる。

すなわち、転位部９においては、図３に示すように最上段の線材Ａが最下段へ移動し、最下段に移動した線材Ａ上に、線材Ｂ〜線材Ｇがそのまま乗せられる。したがって、転位部９において、線材群内での線材の入れ替えが行われる。

なお、本実施の形態においては、線材群７ａ、７ｂは線材Ａ〜線材Ｇまでの７枚重ねの例を示したが、本発明はこれに限らず、複数枚の超電導線材５が巻きつけられれば何枚重ねであってもよい。

次に、転位部９における各線材群７ａ、７ｂの転位位置について説明する。図４（ａ）は、図１における転位部９の拡大図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ部を側方（巻枠３の軸方向）から見た図である。

前述の通り、線材群７ａ、７ｂは隣接して独立して巻枠３に巻きつけられる。線材群７ａの巻き周を、・・・ｎ−１、ｎ、ｎ＋１・・・とし、線材群７ｂの巻き周を、・・・ｍ−１、ｍ、ｍ＋１・・・とすると、図４（ａ）に示すように、巻枠３には巻き方向に対して、ｎ−１、ｍ−１、ｎ、ｍ、ｎ＋１、ｍ＋１、・・・の順に線材群７ａ、７ｂが交互に巻きつけられる。

まず、巻枠３に対する巻き方向（図４では上方から下方に向かって（かつ、左側から右側に向かって）巻きつけられるとする）に位置する巻き周ｍの線材群７ｂから転位が行われる。前述の通り、最上段の線材Ａ（１０１ｂ）が、線材群７ｂの巻き方向にずらされながら最下段に巻きつけられる。線材Ａ（１０１ｂ）が完全に最下段（すなわち巻枠３）に巻きつけられた後、残りの線材Ｂ〜線材Ｇが線材Ａ上にずらされて乗せられる。

したがって、図４（ｂ）に示すように、最上段の線材Ａ（１０１ｂ）が最下段に移動し、転位前に線材Ａ（１０１ｂ）の下側に位置する線材Ｂ（１０２ｂ）が最上段へ移動する。また、転位前に最下段であった線材Ｇ（１０７ｂ）は線材Ａ（１０１ｂ）上に移動する。

ここで、最上段の線材Ａ（１０１ｂ）を側方にずらし始めてから、残りの線材Ｂ（１０２ｂ）〜線材Ｇ（１０７ｂ）を線材Ａ（１０１ｂ）上に移動させる（ずらし始める）までの長さ（図中矢印Ｄ）を、以後「転位長さ」と称する。すなわち、「転位長さ」とは、一の線材群の転位内において最上段およびそれ以外の線材のずらし開始位置のずれ幅を指す。

線材群７ｂの線材Ｂ（１０２ｂ）〜線材Ｇ（１０７ｂ）の線材Ａ上へのずらしが開始された後、隣接する巻き周ｎの線材群７ａの転位が線材群７ｂと同様に行われる。前述のとおり、巻き周ｎは、巻き周ｍに対して巻枠３の軸方向に隣接する。ここで、線材群７ｂの転位開始位置から、線材群７ａの転位開始位置までの周方向のずれ長さ（図中矢印Ｃ）は、「転位長さ」Ｄよりも長い。すなわち、隣接する線材群それぞれの転位開始位置の周方向のずれ幅は、「転位長さ」よりも長い。したがって、線材群７ａを構成する線材が、線材群７ｂを構成する線材と重なり合うことがない。

転位部９においては、線材群７ａと線材群７ｂとの間に、転位スペース（図中Ｅ）が形成される。図４（ａ）においては、巻き周ｍ−１と巻き周ｎとの間、または、巻き周ｍと巻き周ｎ＋１との間に転位スペースが形成される。

本発明においては、線材群７ａ、７ｂそれぞれを独立させて形成し、隣接する巻き周において、それぞれの転位開始位置を周方向にずらして形成するため、線材群同士が重ならず、このため、転位スペースは超電導線材５の幅一列分と略同等の幅のみとなる。

以上説明したように、本実施形態にかかる超電導コイル１によれば、複数の超電導線材５が複数重ねて巻きつけられる線材群７ａ、７ｂを巻枠３の軸方向に隣接するように巻き付け、さらにそれぞれの線材群７ａ、７ｂ内での転位開始位置が周方向にずれているため、転位スペースを低減することができる。

特に、線材群７ａ、７ｂそれぞれの転位開始位置の周方向におけるずれ幅が、「転位長さ」よりも大きいため、各線材群の転位部同士が重なることがない。このため、転位スペースを超電導線材５の１本分の幅のみとすることができ、極めて高い巻き効率を得ることができる。

また、転位スペースを低減することにより、超電導コイル１の軸長を短くできるため、コンパクトな超電導コイル１を得ることができる。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

たとえば、本実施の形態においては、導電線材としてテープ状の超電導線材を用いる例を示したが、これに限られない。すなわち、超電導線材以外の導電線材を用いてもよく、その形態は問わない。また、本実施の形態においては、線材群７ａ、７ｂの２群の場合（すなわち基線材を２分割した場合）を示したが、これに限られない。図５は、線材群７ａ、７ｂ、７ｃの３群である場合における転位部９’を示す図である。

線材群が３群となった場合（すなわち基線材を３分割した場合）であっても、同様に、線材群７ｃの転位を行うとともに、線材群７ｃと隣接する線材群７ｂの転位を行う。この際、線材群７ｃ、７ｂの周方向の転位開始位置のずれ幅Ｃ’を、それぞれの線材群の「転位長さ」よりも長くすれば良い。同様に、線材群７ｂとこれに隣接する線材群７ａの周方向の転位位置のずれ幅Ｃ’’を、それぞれの線材群の「転位長さ」よりも長くすれば良い。

このようにすることで、線材群７ａ、７ｂ、７ｃそれぞれの転位部が巻枠軸方向に隣接する巻き周で行われ、かつ、転位開始位置が周方向にずれており、互いに重なり合うことがないため、転位スペースとしては、超電導線材５の１本分の幅のみとなる。このように、線材群の群数は、同一周回内（隣接する線材群のそれぞれの同一周回内）で全ての線材群の転位が完了できる限り、いくつであってもよい。

また、超電導コイル軸方向の略中央位置で、線材群内の線材全部を入れ替える全転位を行ってもよい。たとえば、最上段からＡ、Ｂ、・・・、Ｆ、Ｇという重ね位置を、Ｇ、Ｆ、・・・、Ｂ、Ａというように入れ替えを行ってもよい。

１………超電導コイル
３………巻枠
５………超電導線材５
７ａ、７ｂ、７ｃ………線材群
９………転位部
１０………転位スペース
１１０………転位部
１１１………超電導線材
１１３ａ、１１３ｂ………線材群

Claims (7)

1. 巻枠の外周に複数周螺旋状に導電線材が巻きつけられる導電コイルの転位方法であって、
   複数の前記導電線材を、前記巻枠の径方向に複数重ねて巻きつけて導電線材群を形成し、
   複数の前記導電線材群を、前記巻枠へ互いに隣接するように巻きつけ、
   隣接する前記導電線材群それぞれの転位開始位置を、前記巻枠の軸方向に互いに隣接する巻き周であり、かつ、前記巻枠の周方向において互いにずれた位置に設けることを特徴とする導電コイルの転位方法。
2. 前記導電線材を幅方向に複数配置して前記導電線材群が形成されることを特徴とする請求項１記載の導電コイルの転位方法。
3. 前記導電線材は、テープ状の超電導線材であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の導電コイルの転位方法。
4. 前記導電線材群内での転位は、前記導電線材群の最上段に巻きつけられていた導電線材を、前記巻枠軸方向に一列分ずらして前記巻枠に巻き付け、前記最上段に巻きつけられていた導電線材上に、転位前に２列目以下に巻き付けられていた導電線材をずらして重ねることで行われ、
   隣接する前記導電線材群それぞれの転位開始の前記巻枠の周方向におけるずれ長さが、前記導電線材群内における前記最上段に巻きつけられていた導電線材のずらし開始位置と前記２段目以下に巻きつけられていた導電線材のずらし開始位置との間の長さよりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の導電コイルの転位方法。
5. 隣接する複数の前記導電線材群それぞれの前記導電線材幅がほぼ等しいことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の導電コイルの転位方法。
6. 隣接する前記導電線材群それぞれの転位部が、前記巻枠の周方向において重ならず、前記転位が行われる巻き周において、隣接する前記導電線材群同士は、前記導電線材の一本分の幅に略等しい隙間のみをあけて巻きつけられることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の導電コイルの転位方法。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の導電コイルの転位方法を用いて製造されることを特徴とする導電コイル。

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