JP2013080749A

JP2013080749A - 超電導コイルおよび超電導コイル巻枠

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Publication number: JP2013080749A
Application number: JP2011218687A
Authority: JP
Inventors: Kei Koyanagi; 圭小柳; Taizo Tosaka; 泰造戸坂; Kenji Tazaki; 賢司田崎; Hiroshi Miyazaki; 寛史宮崎; Tsutomu Kurusu; 努来栖; Ken Yoshiyuki; 健吉行
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-05-02

Abstract

【課題】テープ形状の超電導線材が強固に接着された超電導コイル、および、テープ形状の超電導線材を強固に接着することができる超電導コイル巻枠を提供する。
【解決手段】超電導コイル巻枠は、テープ形状の超電導線材２２が、厚み側の側面２２Ｂで円弧状曲面を有する巻枠３の曲面上に面するよう巻回された鞍型コイル用の超電導コイル巻枠であって、前記円弧状曲面上に設けられる前記鞍型コイルのエッジワイズに曲げられた部分に接触する位置に、前記円弧状曲面上に突設され、前記鞍型コイルの外層側を向いた面４１が平面であるガイド４と、を備える。また、超電導コイルは、前記超電導コイル巻枠と、前記鞍型コイル状に巻回され、幅側の側面２２Ａの少なくともエッジワイズに曲げられた部分の少なくとも一部が、前記ガイドの前記平面４１と接着されている超電導線材２２と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明の実施の形態は、超電導コイルおよび超電導コイル巻枠に関する。

金属系超電導線材を使った加速器用の多極コイルやモーターの界磁コイルとして、湾曲
した鞍型のような三次元形状のコイルが用いられる。一方、超電導特性と機械的特性に優
れる第二世代の高温超電導線材の開発が進んでおり、従来の金属系超電導線材に替わって
機器への適用が期待されている。この高温超電導線材は、金属基板上に中間層を介して超
電導層を形成させる製法のため、テープ形状となる。また、その厚さは０．１ｍｍから０
．２ｍｍ程度である。このようなテープ形状の超電導線材を用いて、その線材の厚み側の
側面を枠表面に接着させて鞍型コイルを作成する場合、テープ形状の超電導線材をエッジ
ワイズに曲げる部分が生じる。線材の厚み側の側面では接着面積が小さいために、エッジ
ワイズに曲げた部分で、コイルが線材自身の弾性力により容易に巻枠から脱離してしまう
。

特開２００６−３１９１８９号公報

本発明が解決しようとする課題は、テープ形状の超電導線材が強固に接着された超電導
コイル、および、テープ形状の超電導線材を強固に接着することができる超電導コイル巻
枠を提供することである。

上記課題を達成するために、実施形態の超電導コイル巻枠は、テープ形状の超電導線材
が、厚み側の側面で円弧状曲面を有する巻枠の曲面上に面するよう巻回された鞍型コイル
用の超電導コイル巻枠であって、前記円弧状曲面上に設けられる前記鞍型コイルのエッジ
ワイズに曲げられた部分に接触する位置に、前記円弧状曲面上に突設され、前記鞍型コイ
ルの外層側を向いた面が平面であるガイドと、を備える。

また、上記課題を達成するために、実施形態の超電導コイルは円弧状曲面を有する巻枠
と、前記巻枠表面に円弧周方向に沿って突設されたガイドと、テープ形状であって、その
厚み側の側面で前記巻枠の曲面上に面するように鞍型コイル状に巻回されており、幅側の
側面の少なくともエッジワイズに曲げられた部分が、前記ガイドの前記鞍型コイルの外層
側を向いた平面と接着されているテープ形状の超電導線材と、を備える。

第１の実施形態による超電導コイルを示す斜視図。（ａ）第１の実施形態による超電導コイルの概略を示す上面図、（ｂ）図２（ａ）に示すＡ−Ａ線による矢視図。（ａ）超電導線材２２の斜視図、（ｂ）エッジワイズに曲げた超電導線材２２の正面図。第２の実施形態による超電導コイルの断面を示す概略図。

以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）

図１から図３を用いて第１の実施形態による超電導コイルの構成を説明する。

図１は、本実施形態による超電導コイルを示す斜視図、図２（ａ）は本実施形態による
超電導コイルの概略を示す上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すＡ−Ａ線による矢視図
である。

本実施形態による超電導コイルは鞍型コイルであり、円筒形の巻枠３と、巻枠３上に設
けられたガイド４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄと、巻枠３上でガイド４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄに
沿って鞍型に巻回された超電導線材２２を備える。ここで、鞍型に巻回された超電導線材
２２について、巻枠３の円筒表面を周方向に渡る２Ａで示した部分をエンド部、巻枠３の
軸方向に平行な２Ｂで示した部分を直線部と呼称する。

以下、超電導線材２２について詳細に説明する。図３（ａ）は超電導線材２２の斜視図
である。超電導線材２２は、軸方向、つまり長手方向に垂直な断面が長方形であるテープ
形状の超電導線材である。超電導線材２２の、その長方形断面の長辺を含む各側面、すな
わち、線材の幅側の各側面を幅広面２２Ａとする。一方、長方形断面の短辺を含む各側面
、つまり、超電導線材２２の厚み側の各側面をエッジ面２２Ｂとする。幅広面２２Ａの片
方または両方には、フェノキシ樹脂、エポキシ樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、ポリアミ
ド樹脂等の熱硬化性の樹脂を含んだ接着剤を塗布することで、接着剤層が設けられる。

次に、ガイド４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄの詳細について説明する。なお、ガイド４Ａ、４
Ｂ、４Ｃ、４Ｄをまとめて指す際にはガイド４と記載する。ガイド４は巻枠３上に突設さ
れる。ガイド４は巻枠３と一体であってもよいし、巻枠３とは他の素材、例えば繊維強化
樹脂で作成し巻枠上に凸に固着させてもよい。図２（ａ）に示すように、ガイド４はエン
ド部２Ａに設けられている。ガイド４の鞍型コイルの外層側を向いたガイド側面を４１と
し、鞍型コイルの内層側を向いたガイド側面を４２とする。ガイド側面４１は平面であり
、面が粗くなるように粗面加工が施される。また、ガイド４はガイド側面４１が巻枠３表
面に対して垂直になるように設けられることが望ましい。

ガイド４Ａ、４Ｂは一方のエンド部２Ａに設けられ、ガイド４Ｂはガイド４Ａよりも外
層側にガイド４Ａと同様の向きで設けられている。ガイド４Ｃ、４Ｄはガイド４Ａが設け
られているエンド部２Ａに対向するもう一方のエンド部２Ａに取り付けられ、ガイド４Ｄ
はガイド４Ｃよりも外層側にガイド４Ｃと同様の向きで取り付けられている。

以下に、本実施形態による超電導コイルのエンド部２Ａにおける構成を詳細に説明する
。ガイド４のガイド側面４１は、超電導線材２２のエンド部２Ａの幅広面２２Ａと接着剤
層を介して接着される。エンド部２Ａで超電導線材２２はエッジワイズに曲げられ、巻枠
３表面を周方向に渡っている。つまり、ガイド４は、エッジワイズに曲げられた超電導線
材２２の幅広面２２Ａと接着される。

図３（ｂ）はエッジワイズに曲げた超電導線材２２の正面図である。エッジワイズの曲
げとは、図３（ｂ）に示すように、テープ形状の線材を、一方のエッジ面を内径側として
、幅広面と同一面上で曲げることである。一方のエッジ面近傍には線材をたわませる方向
の力がかかっており、もう一方のエッジ面近傍には線材を引き張る方向の力がかかってい
る。よって、エッジワイズに曲げられた部分、つまり、エンド部２Ａには、線材の幅方向
に弾性力がかかっている。

以下に、図２（ｂ）を用いてガイド４が設けられている巻枠３上に、超電導線材２２が
巻回される手順を説明する。まず、超電導線材２２はガイド４Ａ、そして４Ｃの各々のガ
イド側面４１に接着され、ガイド４Ａ、４Ｃに沿うように所定回数巻回される。次に、ガ
イド４Ａ、４Ｃの外層側に、所定の間隔を空けて設けられたガイド４Ｂ、そして４Ｄの各
々のガイド側面４１に接着され、ガイド４Ｂ、４Ｄに沿うように所定回数巻回される。超
電導線材２２は、ガイド４と接触している部分ではガイド４と接着され、超電導線材２２
同士で接触している部分では超電導線材２２同士で接着される。

ここで、ガイド側面４２は超電導線材２２と接触しないよう、超電導線材２２はガイド
側面４２と所定の間隔５が空くように巻回される。

（作用）
超電導線材２２をエッジワイズに曲げた部分では、その形状を維持するためにより強固
に巻枠に固定する必要がある。本実施形態による超電導コイルでは、エンド部２Ａで、エ
ッジワイズに曲げられた超電導線材２２の幅広面２２Ａがガイド４と接着されるため、エ
ッジ面２２Ｂを巻枠３に接着させる場合よりも、接着面積が広い。そのため、エンド部２
Ａで、エッジワイズに曲げられた超電導線材２２を強固に接着し固定できる。

また、ガイド側面４１が粗面加工されたことにより、超電導線材２２はより強固にガイ
ド４に接着される。

また、ガイド側面４１が巻枠３表面に対して常に垂直になるようにガイドが形成されて
いる場合、巻枠３の曲面上に巻回された超電導線材２２は、所定の間隔を空けて設けられ
ているガイド４に接着された部分で、巻枠３に対して幅広面２２Ａが垂直となる。よって
、超電導線材２２の巻枠３の表面法線方向からのずれがガイドごとに解消される。

ここで、超電導線材２２は表面に接着剤層を有する。超電導線材２２は金属基板上に中
間層を介して超電導層が形成されることで作成されるため、温度変化による長さ方向の伸
縮を生じにくい。一方、接着剤層は熱硬化性の樹脂を含んでいるため、超電導線材２２に
用いられる金属よりも、温度変化による伸縮が大きい。そのため超電導線材２２は、厚み
方向では、接着剤層により伸縮するが、長さ方向では金属基板により伸縮は抑制される。

よって、超電導線材２２によるコイルにおいて、その径方向の温度変化による伸縮は、
その周方向の伸縮に比べて大きい。つまり、コイルの径方向と周方向で温度変化による伸
縮に異方性が生じ、コイルに線材剥離方向の応力が生じる。よって、コイルの巻数が増加
し、コイルの内径と外径の比が大きくなると、コイル周方向と径方向の伸縮の差が大きく
なり、コイルにかかる線材剥離方向の応力が増大する。

本実施形態の超電導コイルによれば、ガイド側面４２とその内層側のコイルとが間隔５
を空けて形成されているため、コイルが巻厚方向に分割されている。分割されたそれぞれ
のコイルでは、コイルの内径と外径の比が、間隔５を設けない場合に比べて小さくなる。
よって、ガイド側面４２とその内層側のコイルとの間に間隔５を設けることにより、間隔
５を設けない場合に比べ剥離方向応力が抑制される。

（効果）
ガイド４を巻枠３上に設けて、線材をガイドに接着することにより、超電導線材２２が
より強固に巻枠３上に固定される。よって、超電導線材２２の幅方向の弾性力や、巻線さ
れたコイルに対して冷却時の熱応力や励磁時の電磁力といった外力が加わっても、その形
状が維持される。

また、一般に、超電導コイルを作成する際は事前にその磁場特性の解析が行われ、解析
にはパラメータとして巻線が巻枠になす角度が必要となる。このとき、テープ形状の線材
が巻枠に対して常に垂直であると仮定すると、解析モデルが単純化される。よって、実際
に超電導コイルを作成する場合、超電導線材が巻枠に対して垂直であれば、事前の解析が
容易であり、かつ、解析データによる特性と実際に測定した特性とのずれが少ない超電導
コイルを作成することができる。

本実施形態による超電導コイルでは、巻枠３に対して垂直なガイド側面４１を有するガ
イド４に超電導線材２２を巻回すことで、超電導線材２２が巻枠３に対して常にほぼ垂直
に巻回されるため、事前の解析が容易であり、かつ、解析データによる特性と実際に測定
した特性とのずれを少なくすることができる。

また、超電導線材２２のようなテープ形状の超電導線材は、金属基板上に中間層を介し
て超電導層を形成されることで作成される。こうしたテープ形状の超電導線材は、テープ
の厚さ方向に剥離させる方向の応力により、超電導特性の劣化が生じやすい。

本実施形態による超電導コイルは、ガイド側面４２とその内層側のコイルとの間に設け
られた所定の間隔５により、超電導線材２２に加わる剥離方向の応力が低減される。よっ
て、巻回回数を多くした場合でも、超電導コイルの特性の劣化が抑制される。
（第２の実施形態）

図４を用いて第２の実施形態による超電導コイルについて説明する。なお、第１の実施
形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図４は本実施形態による超電導コイルの断面を示す概略図であり、超電導コイルに対し
て図２（ｂ）と同様の方向からの断面図である。

ガイド４にはガイド側面４２に、フッ素樹脂テープ、パラフィン、グリース、シリコン
オイルなどを含む離型剤６が接着あるいは塗布されている。そして、ガイド側面４２はそ
れら離型剤６を介して、その内層側に巻回されている超電導線材２２と接触している。

（作用）
離型剤は弾性率が低いため、ガイド側面４２がその内層側のコイルと離型剤６を介して
接触されることで、離型剤６の部分でコイルが巻厚方向に分割されていると考えてよい。
分割されたそれぞれのコイルでは、コイルの内径と外径の比が、分割されないときに比べ
て小さくなる。つまり、第１の実施形態と同様に、ガイド４がガイド側面４２でその内層
側のコイルと離型剤６を介して接触していることにより、剥離方向応力が低減される。

（効果）
ガイド側面４２とその内層側のコイルが、離型剤６を介して接触していることにより、
超電導線材２２に加わる剥離方向応力が低減される。また、離型剤６を介してガイド４と
その内層側のコイルを接触させることが可能となり、第１の実施形態よりも密に超電導線
材２２を巻回することができる。

第１の実施形態のように間隔５を超電導線材２２とガイド４の間に介在させる際、接着
剤層が超電導線材２２からはみ出るなどして、意図せずガイド側面４２と超電導線材２２
が接着されてしまう場合がある。こうしたことを防ぐためにも、ガイド側面４２には離型
剤を設けることが望ましい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したも
のであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その
他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の
省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や
要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる
。

例えば、各実施形態では、巻枠３が円筒形であるとして説明したが、巻枠３は円弧状の
曲面を有した構造であり、その曲面上に鞍型コイルを設けるものであればよい。例えば、
巻枠３は軸方向の断面が楕円形の円筒であってもよいし、円弧状に湾曲した板であっても
よい。

各実施形態では円筒形である巻枠３の外層側側面にガイドと超電導線材２２を設けてい
るが、巻枠３の内層側にこれらを設けてもよい。

さらに、各実施形態では断面が長方形であるテープ形状の超電導線材２２を用いている
が、断面は長方形に限られなくて良い。例えば、線材の断面において、エッジ面が円弧状
や楕円弧状であってもよい。

また、エンド部２Ａにおいて、巻枠側のエッジ面２２Ｂには撓ませる方向の力がかかり
、もう一方のエッジ面２２Ｂには引き張られる方向の力がかかっている。巻枠側のエッジ
面２２Ｂが撓んで線材には、前のターンから剥がれようとする応力が加わっている。

そのため、第１の実施形態において、積極的に間隔５を超電導線材２２とガイド側面４
２の間に設けずに、超電導線材２２とガイド側面４２が接着されていない構成としてもよ
い。エンド部２Ａの線材にかかる、、前のターンから剥がれようとする応力により、容易
に超電導線材２２とガイド側面４２の間にギャップが生じるためである。

さらに、第１の実施形態において、ガイド４のガイド側面４１は巻枠３表面に対して垂
直方向から内層側もしくは外層側に所定角度で傾いてもよい。上述したように、超電導線
材２２には前のターンから剥がれようとする応力がかかっているため、ガイド側面４２を
垂直からある程度傾けることで、下端の撓みが緩和されて、接着しやすくなる。

しかし、事前の解析が容易であり、かつ、解析データによる特性と実際に測定した特性
とのずれが少ない超伝導コイルとするために、傾ける角度は１５度以内であることが望ま
しい。

また、接着剤層は超電導線材２２の、少なくともガイドと接着する方の幅広面２２Ａに
設けてあればよい。各実施形態では塗布するものとして説明したが、接着剤層を超電導線
材２２の表面に設けるには、ポリイミドフィルムやポリイミドフィルムとガラステ−プと
を貼り合わせた絶縁物に予め接着剤を塗布しておき、それを超電導線材２２にラップ巻き
、または、超電導線材２２と共巻きしてもよい。

また、各実施形態では２つの向かい合ったエンド部２Ａそれぞれにガイドを2つ、計４
つ設けたものとして説明しているが、ガイドは２つの向かい合ったエンド部２Ａに各々に
１つでもよいし、３つ以上設けてもよい。１つのエンド部２Ａにガイドを複数設けた場合
は上述したように、超電導線材２２は内層側のガイドから順に外層側のガイドへと所定の
回数ずつ巻回される。

また、ガイドはエンド部２Ａのみに設けられるのではなく、直線部２Ｂにも設けてよい
。このとき、エンド部２Ａと直線部２Ｂに設けられたガイドは繋がっていてもよいし、離
れていてもよい。ただし、エンド部２Ａと直線部２Ｂに設けられたガイドをつなげ、コイ
ルの一周分と同様の形状とする場合、内層側のガイドから順に外層側のガイドへ超電導線
材２２を巻回するために、コイルの内層側から数えて２番目以降のガイドには一部途切れ
た部分を形成する。

また、超電導線材２２に関して、巻枠３に面しているエッジ面２２Ｂは巻枠３と接着さ
れても接着されていなくてもよい。

１・・・超電導コイル、２Ａ・・・エンド部、２Ｂ・・・直線部、２２・・・超電導線材
，２２Ａ・・・幅広面、２２Ｂ・・・エッジ面、３・・・巻枠，４（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、
４Ｄ）・・・ガイド，４１・・・ガイド４の鞍型コイルの外層側を向いたガイド側面、４
２・・・ガイド４の鞍型コイルの内層側を向いたガイド側面、５・・・間隔、６・・・離
型剤。

Claims

テープ形状の超電導線材が、厚み側の側面で円弧状曲面を有する巻枠の曲面上に面する
よう巻回された鞍型コイル用の超電導コイル巻枠であって、
前記円弧状曲面上に設けられる前記鞍型コイルのエッジワイズに曲げられた部分に接触す
る位置に、前記円弧状曲面上に突設され、前記鞍型コイルの外層側を向いた面が平面であ
るガイドと、を備える超電導コイル巻枠。
前記ガイドの、前記鞍型コイルの外層側を向いた平面が、前記超電導コイル巻枠に対し
て垂直である前記ガイドと、を備える請求項１に記載の超電導コイル巻枠。
前記ガイドの、前記鞍型コイルの外層側を向いた平面が、前記超電導コイル巻枠に対し
て垂直から内層側、または外層側に所定の角度で傾いている前記ガイドと、を備える請求
項１に記載の超電導コイル巻枠。
前記鞍型コイルの内層側を向いた面に、弾性率が低い離型剤を有する前記ガイドと、を
備える請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の超電導コイル巻枠。
円弧状曲面を有する巻枠と、
前記巻枠表面に円弧周方向に沿って突設されたガイドと、
テープ形状であって、その厚み側の側面で前記巻枠の曲面上に面するように鞍型コイル状
に巻回されており、幅側の側面の少なくともエッジワイズに曲げられた部分のうち少なく
とも一部がが、前記ガイドの前記鞍型コイルの外層側を向いた平面と接着されているテー
プ形状の超電導線材と、
を備える超電導コイル。
前記ガイドの前記超電導線材と接着されている前記平面が、前記超電導コイル巻枠に対
して垂直な平面である請求項４に記載の超電導コイル。
前記ガイドの前記超電導線材と接着されている前記平面が、前記超電導コイル巻枠に対
して垂直から内層側、または外層側に所定の角度で傾いている平面である請求項６に記載
の超電導コイル。
前記コイルの内層側から外層側に順に一様な向きで複数の前記ガイド備え、前記コイル
内層側から数えて２番目以降のガイドでは、前記鞍型コイルの内層側をむいた前記ガイド
の面が、前記面の内層側に巻回された前記超電導線材と接触されない請求項５乃至請求項
７のいずれか一項に記載の超電導コイル。
前記コイルの内層側から外層側に順に一様な向きで複数の前記ガイド備え、少なくとも
前記コイル内層側から数えて２番目以降のガイドでは、前記鞍型コイルの内層側をむいた
前記ガイドの面に、前記超電導線材との摩擦係数を低減させるための離型剤を有する請求
項５乃至請求項８のいずれか一項に記載の超電導コイル。