JP2010238787A - ダブルパンケーキコイル - Google Patents

Abstract

【課題】偏流が流れることを抑制することが可能なダブルパンケーキコイルを提供する。
【解決手段】ダブルパンケーキコイル１２は、複数本の線材を互いに絶縁して束ねた集合導体Ｓがパンケーキ状に巻回された一対のコイル部１４，１６を有し、最内層側で一方のコイル部１４の集合導体が他方のコイル部１６側に転位され当該他のコイル部の集合導体と連続しており、複数本の線材Ｗは、所定本ごとに、コイル部の周方向において異なる位置で転位されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、ダブルパンケーキコイルに関する。

例えば超電導電力貯蔵装置等に、ダブルパンケーキ形状の超電導コイル（ダブルパンケーキコイル）が使用される（特許文献１参照）。このダブルパンケーキコイルは、電極を外側に導出できるというメリットがある。また、大容量化のために、複数の超電導線を束ねた集合導体により形成したダブルパンケーキコイルが使用されることがある。

特開２００９−１６６２０号公報

ところが、従来、このような集合導体によるダブルパンケーキコイルでは、最内層側において周方向の同一箇所で、全ての超電導線がまとめて一方面のコイル部から他方面のコイル部に転位されていた。集合導体が素線毎に絶縁されている場合、超電導線ごとに巻き位置関係（外側内側関係）が相違し、抵抗成分がゼロに近くインダクタンスに左右されるインピーダンスが不均一になり、超電導線に流れる電流量が変化する際に偏流が生じ易くなる。そして、その結果、臨界電流を超える電流が流れることで、超電導状態から常電導状態への転移（クエンチ）が起こり易くなるという問題があった。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、その目的は、偏流が流れることを抑制することが可能なダブルパンケーキコイルを提供するところにある。

上記の目的を達成するための手段として、第１発明に係るダブルパンケーキコイルは、複数本の線材を互いに絶縁して束ねた集合導体がパンケーキ状に巻回された一対のコイル部を有し、最内層側で一方のコイル部の集合導体が他方のコイル部側に転位され当該他のコイル部の集合導体と連続しているダブルパンケーキコイルであって、前記複数本の線材は、所定本ごとに、前記コイル部の周方向において異なる位置で転位されている。

この発明によれば、最内層側では、所定本ごとの線材が周方向における異なる位置で個別に転位されている。従って、所定本ごとの線材が、いずれも最内層に部分的に位置することになる。従って、複数の線材をまとめて転位する従来のダブルパンケーキコイルに比べて、巻き位置関係の相違による、超電導線間のインピーダンスの相違を抑えることができ、偏流を抑制することが可能である。

第２発明は、第１の発明のダブルパンケーキコイルであって、前記複数の線材は、所定本ごとに、前記周方向において均等間隔の位置で転位されている、ダブルパンケーキコイル。

この発明によれば、複数の線材は、所定本ごとに、周方向において均等間隔の位置で転位されている。これにより、所定本ごとの線材を、同等に最内層に配置させることができるため、偏流をより効果的に抑制することができる。

本発明によれば、偏流が流れることを抑制することが可能である。

本発明の一実施形態に係る超電導線の構造例を示す断面図 第１コイル部を表面から見た図 第２コイル部を表面から見た透過図 図２のＸ−Ｘ断面図 ダブルパンケーキコイルの最内層を全周に亘って展開した図 ２つのダブルパンケーキを表面から見た簡略図

本発明の一実施形態を図１〜図６を参照しつつ説明する。
本実施形態の超電導コイルユニット１０（図６参照）は、例えば超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）、加速器、磁気浮上装置等に用いられる。超電導コイルユニット１０は、超電導線Ｗを巻回（巻線）して形成した複数（本実施形態では２つ）のダブルパンケーキコイル１２を、当該ダブルパンケーキコイル１２の軸線方向（巻回中心軸方向）に並べた構造を有する。

１．ダブルパンケーキコイルの構造
ダブルパンケーキコイル１２は、軸線方向に並べられた第１コイル部１４（一方のコイル部の一例）及び第２コイル部１６（他方のコイル部の一例）を有し、最内層で第１コイル部１４の超電導線Ｗが、第２コイル部１６側（軸線方向）に転位されて当該第２コイル部１６の超電導線Ｗと連続している構造を有する。また、ダブルパンケーキコイル１２は、大容量化のために超電導線Ｗを複数本（本実施形態では４本）束ねた集合導体Ｓが巻回されている。

１−１．超電導線
図１は各超電導線Ｗ（線材の一例）の構造例を示す断面図である。超電導線Ｗは、イットリウム（Ｙ）系酸化物超電導体を有する扁平のテープ状線材（超電導テープ線材）である。具体的には超電導線Ｗは、耐熱性を有する高強度無配向金属基板（Hastelloy）上にＩＢＡＤ中間層、ＣｅＯ_２中間層、超電導層（ＹＢＣＯ）を積層し、それらの外周を安定化層（Ａｇ，Ｃｕ等）で覆った構造になっている。また、超電導線Ｗは、その外周が絶縁材によって覆われている。

なお、本実施形態の超電導線Ｗは、例えば横幅が略１０mmであり、厚さが略２００μmである。また、集合導体Ｓにおいて隣り合う超電導線Ｗ同士間における絶縁層の厚さは略５０μmである。また、超電導線Ｗは、ビスマス（Bi）系酸化物超電導体であってもよい。

１−２．第１コイル部及び第２コイル部
図２は各ダブルパンケーキコイル１２の第１コイル部１４を一面（以下、表面といい、他面を裏面という）から見た図であり、図３は第２コイル部１６を表面から見た透過図であり、図４は図２のＸ−Ｘ断面図である。なお、図３は透過図であるが、各超電導線Ｗは図２と同じ線種で示している。ダブルパンケーキコイル１２は、主として巻心１８、上記第１コイル部１４、第２コイル部１６、絶縁板２０を備える。

巻心１８は、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製であって、円筒形状に形成されている。第１コイル部１４は巻心１８の一端側（ダブルパンケーキコイル１２の表面側）に配置され（図２参照）、第２コイル部１６は巻心１８の他端側（ダブルパンケーキコイル１２の裏面側）に配置されている（図３参照）。

また、第１コイル部１４及び第２コイル部１６は、共通の上記集合導体Ｓによって構成されている。即ち、集合導体Ｓは、その略中央部分が転位部分とされてダブルパンケーキコイル１２の最内層側に配置される。集合導体Ｓのうち転位部分よりも一端側の部分が、巻心１８の上記表面側にパンケーキ状に巻回（軸線方向において同じ位置で重ね合わせるように巻回）されることにより、第１コイル部１４が形成されている。また、集合導体Ｓのうち転位部分よりも他端側の部分が、巻心１８の上記裏面側にパンケーキ状に巻回されることにより、第２コイル部１６が形成されている。

絶縁板２０は、例えばＦＲＰ製であり、上第１コイル部１４と第２コイル部１６との間に介在して両コイル部１４，１６間を絶縁する。絶縁板２０は、一対の半円弧状の板部材２０Ａ．２０Ａを有し、これらの板部材２０Ａ，２０Ａの端部同士を突き合わせることにより、全体として略円弧状をなすように構成されている。

また、巻心１８の軸線方向における略中央位置には、軸線Ｏを中心に対称な溝１８Ａ，１８Ａが形成されている。各溝１８Ａは、巻心１８の全周長の略４分の１に相当する長さを有する。一方、各板部材２０Ａは、その内径部分に挿入部２０Ｂが内側に向かって延設されている。そして、各板部材２０Ａの挿入部２０Ｂを巻心１８の各溝１８Ａに挿入し、且つ、各板部材２０Ａの端部同士を端子部２２によって固定することにより、絶縁板２０を巻心１８に固定することができる。

また、絶縁板２０の外周縁には、８つの端子部２２が等間隔で配置されている。各端子部２２に、上記４本の超電導線Ｗの端部（計８つ）が個別に接続される。

１−３．転位部分の構成
上記転位部分では、第１コイル部１４の集合導体Ｓが、軸線方向に超電導線Ｗの略幅相当分（本実施形態では絶縁板２０の厚み分を含む）だけ螺旋状に転位され、第２コイル部１６の集合導体Ｓに連続している。本実施形態では、集合導体Ｓのうち、互いに隣り合う２本ずつの超電導線Ｗが１組の組線Ｗ１、Ｗ２とされ、各組線Ｗ１、Ｗ２は、最内層の周方向において互いに異なる位置で転位されている。しかも、その転位位置は、最内層において等間隔に配置されている。なお、図２，３において、組線Ｗ１は、実線で示した超電導線Ｗ１１（内側線）、及び、点線で示した超電導線Ｗ１２（外側線）であり、組線Ｗ２は、１点鎖線で示した超電導線Ｗ２１（内側線）、及び、二点鎖線で示した超電導線Ｗ２２（外側線）である。

図５はダブルパンケーキコイル１２の最内層を全周に亘って展開した図（軸線側から見た図）である。前述したように巻心１８には一対の溝１８Ａ，１８Ａが形成され、ここに各板部材２０Ａの挿入部２０Ｂが挿入される。このため、最内層のうち、各板部材２０Ａが挿入する非転位領域Ｅ１以外の領域が、集合導体Ｓの転位領域Ｅ２とされている。

一方の転位領域Ｅ２では、組線Ｗ１が、第１コイル部１４の最内層から第２コイル部１６の最内層へ転位される。これにより、次の非転位領域Ｅ１では、組線Ｗ２が第１コイル部１４の最内層に位置し、組線Ｗ１が第２コイル部１６の最内層に位置することになる。

そして、他方の転位領域Ｅ２では、組線Ｗ２が、第１コイル部１４の最内層から第２コイル部１６の最内層へ転位される。これにより、次の非転位領域Ｅ１では、組線Ｗ１が第１コイル部１４の最内層に位置し、組線Ｗ２が第２コイル部１６の最内層に位置することになる。なお、巻心１８のうち転位領域Ｅ２に対応する部分には、各組線Ｗ１、Ｗ２を螺旋状に案内するためのガイド溝１８Ｂ、１８Ｂが形成されている。

このような構成により、組線Ｗ１と組線Ｗ２とを、第１コイル部１４及び第２コイル部１６それぞれにおいて半円ずつ均等に最内層に配置させることができる。なお、上記転位により、各超電導線Ｗに僅かな捻りが生じるが、第１コイル部１４及び第２コイル部１６の外径は略５０cm〜１００cmであり、超電導線Ｗの幅に比べて十分に大きい。このため、捻りによる超電導線Ｗ間のインピーダンスの相違は極めて小さい。但し、本実施形態のように転位領域Ｅ２の全長を十分に使って転位させることにより、捻りを抑制することが超電導特性劣化防止等のため、好ましい。

１−４．超電導線の巻数
本実施形態では、各組線Ｗ１、Ｗ２は、内側に位置する超電導線（Ｗ１１、Ｗ２１）と外側に位置する超電導線（Ｗ１２、Ｗ２２）とで巻数が異なる。具体的には、超電導線Ｗ１１は、ダブルパンケーキコイル１２の表面側で反時計回りに略「Ｎ（自然数）＋２／８」周巻回され、裏面側で反時計周りに略「Ｎ＋１／８」周巻回され、その一端が端子部２２Ｃに接続され、その他端が端子部２２Ｈに接続されている。これにより、超電導線Ｗ１１は全体として「２Ｎ＋３／８」巻回されている。

超電導線Ｗ１２は、ダブルパンケーキコイル１２の表面側で反時計回りに略「Ｎ」周巻回され、裏面側で反時計周りに略「Ｎ−１／８」周巻回され、その一端が端子部２２Ａに接続され、その他端が端子部２２Ｂに接続されている。これにより、超電導線Ｗ１２は、全体として「２Ｎ−１／８」巻回されている。

超電導線Ｗ２１は、ダブルパンケーキコイル１２の表面側で反時計回りに略「Ｎ＋２／８」周巻回され、裏面側で反時計周りに略「Ｎ＋１／８」周巻回され、その一端が端子部２２Ｇに接続され、その他端が端子部２２Ｄに接続されている。これにより、超電導線Ｗ２１は、全体として「２Ｎ＋３／８」巻回されている。

超電導線Ｗ２２は、ダブルパンケーキコイル１２の表面側で反時計回りに略「Ｎ」周巻回され、裏面側で反時計周りに略「Ｎ−１／８」周巻回され、その一端が端子部２２Ｅに接続され、他端が端子部２２Ｆに接続されている。これにより、超電導線Ｗ２２は、全体として「２Ｎ−１／８」巻回されている。

２．超電導コイルユニット
図６は超電導コイルユニット１０を構成する２つのダブルパンケーキコイル１２，１２を表面から見た簡略図である。左側のダブルパンケーキコイル１２（以下、第１ダブルパンケーキコイル１２Ａという）は、第１コイル部１４が示されており、右側のダブルパンケーキコイル１２（以下、第２ダブルパンケーキコイル１２Ｂという）は、第２コイル部１６が透過的に示されている。但し、第２コイル部１６も第１コイル部１４と同様の線種で示されている。

第１ダブルパンケーキコイル１２Ａと第２ダブルパンケーキコイル１２Ｂとは同一構成である。そして、超電導コイルユニット１０は、第１ダブルパンケーキコイル１２Ａの表面と第２ダブルパンケーキコイル１２Ｂの裏面とを対向させた状態で組み付けた構成になっている。また、第１ダブルパンケーキコイル１２Ａの各超伝導線Ｗを、第２ダブルパンケーキコイル１２Ｂの異なる組線（Ｗ１、Ｗ２）であって、且つ、内側外側関係が異なる超電導線Ｗに接続する。

具体的には、第１ダブルパンケーキコイル１２Ａと第２ダブルパンケーキコイル１２Ｂとは略１２０度相対的にずらした状態で組み付けられている。そして、第１ダブルパンケーキコイル１２Ａの端子部２２Ｇと第２ダブルパンケーキコイル１２Ｂの端子部２２Ｂとが電気的に接続される。これにより、第１ダブルパンケーキコイル１２Ａの超電導線Ｗ２１（内側 ２Ｎ＋３／８巻）と、第２ダブルパンケーキコイル１２Ｂの超電導線Ｗ１２（外側 ２Ｎ−１／８巻）とが接続され、全長が「４Ｎ＋２／８」巻になる。

第１ダブルパンケーキコイル１２Ａの端子部２２Ｅと第２ダブルパンケーキコイル１２Ｂの端子部２２Ｈとが電気的に接続される。これにより、第１ダブルパンケーキコイル１２Ａの超電導線Ｗ２２（外側 ２Ｎ−１／８巻）と、第２ダブルパンケーキコイル１２Ｂの超電導線Ｗ１１（内側 ２Ｎ＋３／８巻）とが接続され、全長が「４Ｎ＋２／８」巻になる。

第１ダブルパンケーキコイル１２Ａの端子部２２Ｃと第２ダブルパンケーキコイル１２Ｂの端子部２２Ｆとが電気的に接続される。これにより、第１ダブルパンケーキコイル１２Ａの超電導線Ｗ１１（内側 ２Ｎ＋３／８巻）と、第２ダブルパンケーキコイル１２Ｂの超電導線Ｗ２２（外側 ２Ｎ−１／８巻）とが接続され、全長が「４Ｎ＋２／８」巻になる。

第１ダブルパンケーキコイル１２Ａの端子部２２Ａと第２ダブルパンケーキコイル１２Ｂの端子部２２Ｄとが電気的に接続される。これにより、第１ダブルパンケーキコイル１２Ａの超電導線Ｗ１２（外側 ２Ｎ−１／８巻）と、第２ダブルパンケーキコイル１２Ｂの超電導線Ｗ２１（内側 ２Ｎ＋３／８巻）とが接続され、全長が「４Ｎ＋２／８」巻になる。

以上の構成により、超電導コイルユニット１０において、接続線Ｗ'（第１ダブルパンケーキコイル１２Ａと第２ダブルパンケーキコイル１２Ｂとの超電導線Ｗ同士を接続したもの）の全長は全て同じ（「４Ｎ＋２／８」巻）になる。しかも、全ての接続線Ｗ'は、互いに組線Ｗ１、Ｗ２を構成する他の接続線Ｗ'との内側外側関係が、第１ダブルパンケーキコイル１２Ａと第２ダブルパンケーキコイル１２Ｂとで逆転している。従って、接続線Ｗ'同士を、幾何学対称（巻き位置、線の長さが一致）とすることができる。しかも、第１ダブルパンケーキコイル１２Ａと第２ダブルパンケーキコイル１２Ｂとを同一構成としつつ、接続線Ｗ'同士を幾何学対称にすることができる。

なお、本実施形態において、各ダブルパンケーキコイル１２において、４本の超電導線Ｗを、転位領域Ｅ２，Ｅ２において均等配置することも可能である。しかし、そうすると、各超電導線Ｗに使用できる転位領域が狭くなり、第１コイル部１４及び第２コイル部１６の外径が超電導線Ｗの幅（軸方向転位幅）に比べて十分に大きくない場合は転位する際に大きく捻らざるを得なくなる。そこで、本実施形態のように、２本の超電導線Ｗを１組の組線とし、捻りによる超電導特性の低下などの影響が無視できるように超電導線の組線とコイルの積層数を適切に組み合わせ、組線ごとに転位位置を異ならせて捻りを抑制しつつ転位させる構成が好ましい。

３．本実施形態の効果
本実施形態によれば、最内層側では、各組線Ｗ１、Ｗ２が周方向における異なる位置で個別に転位されている。従って、各組線Ｗ１、Ｗ２が、いずれも最内層に部分的に位置することになる。従って、複数の線材をまとめて転位する従来のダブルパンケーキコイルに比べて、巻き位置関係の相違による、組線Ｗ１、Ｗ２間のインピーダンスの相違を抑えることができ、偏流を抑制することが可能である。

また、各組線Ｗ１、Ｗ２は、周方向において均等間隔の位置で、且つ、同一周長で転位されている。これにより、各組線Ｗ１、Ｗ２を、略４／１周長ずつ同等に最内層に配置させることができるため、偏流をより効果的に抑制することができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような種々の態様も本発明の技術的範囲に含まれる。特に、各実施形態の構成要素のうち、最上位の発明の構成要素以外の構成要素は、付加的な要素なので適宜省略可能である。
（１）上記実施形態のダブルパンケーキコイル１２は、４本の超電導線Ｗを束ねた集合導体Ｓを巻回したものであったが、本発明の「集合導体」はこれに限られない。複数の線材を束ねたものであれば、４本以外の本数を束ねたものであってもよい。

（２）上記実施形態のダブルパンケーキコイル１２は、２本を１組とした組線Ｗ１、Ｗ２ごとに転位位置を異ならせる構成であったが、本発明はこれに限れない。２本以外の複数本を１組の組線としてもよい。また、組線とはせずに１本ずつの超電導線Ｗごとに転位位置を異ならせる構成であってもよい。

（３）上記実施形態のダブルパンケーキコイル１２は、集合導体Ｓを円形状に巻回した構成であったが、本発明はこれに限られない。例えば正方形や正三角形（正多角形 但し、多角形の角部分が円弧状に丸められた形が好ましい）等、他の形状に巻回されたものであってもよい。

（４）上記実施形態のダブルパンケーキコイル１２は、２つの組み付けることにより各接続線Ｗ'の全長が同じになる構成であったが、本発明はこれに限られない。１つのダブルパンケーキコイルにおいて各超電導線が同じ長さに構成されたものであってもよい。

（５）上記実施形態では、最内層の半周分の転位領域Ｅ２，Ｅ２を利用して転位したが、本発明はこれに限られない。例えば絶縁板２０を巻心１８に他の方法で固定して非転位領域を排除し、最内周の全周を利用して転位させるようにしてもよい。

１０...超電導コイルユニット
１２...ダブルパンケーキコイル
１４...第１コイル部（一方のコイル部）
１６...第２コイル部（他方のコイル部）
Ｓ...集合導体
Ｗ...超電導線（線材）

Claims (2)

1. 複数本の線材を互いに絶縁して束ねた集合導体がパンケーキ状に巻回された一対のコイル部を有し、最内層側で一方のコイル部の集合導体が他方のコイル部側に転位され当該他のコイル部の集合導体と連続しているダブルパンケーキコイルであって、
   前記複数本の線材は、所定本ごとに、前記コイル部の周方向において異なる位置で転位されている、ダブルパンケーキコイル。
2. 請求項１に記載のダブルパンケーキコイルであって、
   前記複数の線材は、所定本ごとに、前記周方向において均等間隔の位置で転位されている、ダブルパンケーキコイル。

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