JP2014149264A - 超電導コイルの交流損失測定方法および交流損失測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】誘導機器に適用する超電導コイルの交流損失を高い測定精度で，評価できるように改良した超電導コイルの交流損失測定方法および交流損失測定装置を提供する。
【解決手段】交流を通電する超電導コイルに発生する交流損失の測定方法であって、その測定回路には被測定の超電導コイルに直列接続した電流母線コイル３ａ，および該電流母線コイルの内周側に同軸配置したピックアップコイル３ｂからなるキャンセルコイル３を備え、該キャンセルコイル３のピックアップコイル３ｂより取得した信号電圧をキャンセル電圧として、前記超電導コイルの両端電圧からインダクタンス成分の電圧をキャンセリングし、該電圧と、前記超電導コイルに直列接続したシャント抵抗４により測定される通電電流との積により交流損失を求める測定方法において、前記電流母線コイル３ａのコイル導体を多芯の撚線導体として交流損失を測定する。
【選択図】図１
【解決手段】交流を通電する超電導コイルに発生する交流損失の測定方法であって、その測定回路には被測定の超電導コイルに直列接続した電流母線コイル３ａ，および該電流母線コイルの内周側に同軸配置したピックアップコイル３ｂからなるキャンセルコイル３を備え、該キャンセルコイル３のピックアップコイル３ｂより取得した信号電圧をキャンセル電圧として、前記超電導コイルの両端電圧からインダクタンス成分の電圧をキャンセリングし、該電圧と、前記超電導コイルに直列接続したシャント抵抗４により測定される通電電流との積により交流損失を求める測定方法において、前記電流母線コイル３ａのコイル導体を多芯の撚線導体として交流損失を測定する。
【選択図】図１
Description
本発明は、超電導変圧器，超電導リアクトル，超電導電動機や超電導発電機などの超電導機器に適用する超電導コイルの交流損失測定方法および交流損失測定装置に関する。
超電導コイルは、高磁界発生手段として種々の分野で実用化が進められている。一方、変圧器などの誘導機器への適用では交番電流の通電により超電導コイルに交流損失が発生することから機器の開発，実用化が遅れていたが、近年になり超電導体の細線化による交流損失の小さな超電導線材の開発、さらには酸化物超電導体の出現によって、超電導変圧器などの誘導機器に適用する超電導コイルの研究，開発が急速に進められている。
ところで、超電導コイルは超電導状態において電気抵抗がゼロであるため抵抗損失はゼロとなるが、交番電流を通電したり変動磁界を加えたりすると交流損失（主としてヒステリシス損失)が発生する。しかも、超電導コイルを誘導機器に適用する環境下では、超電導コイルをコイル容器（クライオスタット）に収容して冷凍機で冷却することから、この冷凍機の冷凍能力やコイル容器の断熱性等を選定する上で、超電導コイルの交流損失を高い精度で測定・評価することが重要となる。
一方、超電導の交流損失測定方法としては、従来より四端子法とワットメータ等を用いる測定方法、日本工業規格 ＪＩＳ Ｈ７３１０，Ｈ７３１１に基づく交流損失試験方法、およびピックアップコイル，ロックインアンプを用いたポインチングベクトル法による交流損失測定方法などが知られている。
次に、交流損失測定について概要を以下に述べる。すなわち被測定の超電導コイルに通電する交番電流をＩ、超電導コイルの両端子間に発生する電圧（両端電圧）をＶとすると、交流損失Ｗｈは、
[J/cycle]・・・（１）
として表される。なお、θは電流Ｉと電圧Ｖとの間の位相角である。
として表される。なお、θは電流Ｉと電圧Ｖとの間の位相角である。
即ち、交流損失Ｗｈは被測定の超電導コイルを流れる電流Ｉと、該電流Ｉと同位相分の電圧Ｖcosθとの積を周回積分することにより求まり、電源の周波数をｆ[Hz]とすると、交流損失Ｐｈは、
Ｐｈ＝ｆ×Ｗｈ [Ｗ]・・・（２）
となる。
Ｐｈ＝ｆ×Ｗｈ [Ｗ]・・・（２）
となる。
この場合に、通常の誘導機器のようにコイルが常電導体であれば、前記（１），（２）式で算出される損失は、抵抗損失と交流損失の和となって測定される。これに対して、超電導コイルは抵抗損失がゼロであるために交流損失のみが測定される。しかも超電導コイルの交流損失は通常の誘導コイルに比べて著しく小さく、かつ前記（１）式における電圧Ｖにはインダクタンス成分が含まれ、しかもこのインダクタンス成分電圧（誘導成分）は電流Ｉと同相の電圧（抵抗成分）に比べて著しく大であることから、電流Ｉと電圧Ｖとの位相角θは殆どの場合に８９°以上となる。
これに対して、現行のワットメータにおける位相角の測定確度は１°程度であるために、このワットメータを使って超電導コイルの交流損失を測定しようとしても、測定不能，あるいは測定誤差が大となって交流損失を高精度に測定，評価することが極めて困難となる。
そこで、超電導コイルの交流損失の測定精度を高める測定方法として、超電導コイルの両端電圧からインダクタンス成分の電圧をキャンセリングする所謂"キャンセル法"の交流損失測定方法が実施されており、その測定方法による測定結果のレポートが非特許文献１に報告されている。
次に、前記 "キャンセル法"による超電導コイルの交流損失測定方法に適用する交流測定回路を図３に示す。図３において、１は交流電源、２は被測定の超電導コイル、３はキャンセルコイル、４はシャント抵抗、５は可変抵抗６，７からなるキャンセル回路、８はディジタルオシロスコープであり、前記キャンセルコイル３は、超電導コイル２に直列接続した電流母線コイル（コイル巻回数：１ターン以上）３ａと、該電流母線コイル３ａの内周側に同軸配置したピックアップコイル（コイル巻回数：１ターン以上）３ｂからなり、このピックアップコイル３ｂで取得した信号電圧をキャンセル電圧として、後記のように超電導コイル２の両端電圧からインダクタンス成分の電圧をキャンセル処理して超電導コイル２の交流損失を測定する。なお、図４は前記ピックアップコイル３ｂの構成断面図であり、図中の３ａ-1，３ｂ-1は電流母線コイル３ａ，ピックアップコイル３ｂのコイル導体を巻装したコイルボビンであり、従来の電流母線コイル３ａは銅材の中実導体（丸棒，あるいは平角棒）をコイルボビン３ａ−１に巻装して構成している。
キャンセル法による交流損失測定方法を以下に述べる。前記の交流損失測定回路において、交流電源１から被測定の超電導コイル２に交番電流を通電した状態で、超電導コイル２の両端間に発生した電圧とキャンセルコイル３のピックアップコイル３ｂより取得した電圧を、それぞれキャンセル回路５の可変抵抗６，７により閉回路とする。そして、キャンセル回路5から得られる電圧Vlossおよびシャント抵抗から得られる通電電流Iをディジタルオシロスコープ８に表示すると、それぞれ正弦波形として表示される。この時点では、VlossとIはほぼ90°の位相差がある。そして、Vlossが通電電流Iと略同位相となるように可変抵抗を調整する。即ち、電圧VlossがVcosθに相当する。このキャンセル回路５からの信号電圧Vloss（測定回路の母線電流Ｉと略同相な電圧）と、シャント抵抗４を介して得た信号電流Ｉをディジタルオシロスコープ８内で演算（積算および積分）処理して超電導コイル２の交流損失を求める。
なお、図示していないが、前記のキャンセルコイル３として、円筒状の巻枠にトロイダル状に導線を巻回したロゴスキーコイルの中心部に電流母線を貫通させ、ロゴスキーコイルの電圧をキャンセル電圧としてキャンセリングする方式もある。
坂本 大輔、他５名、「自動交流損失測定装置の開発(2)」、第57回1997年度秋季低温工学・超電導学会講演概要集、低温工学・超電導学会、１６７頁
ところで、図３，図４で述べた構成の測定回路により超電導コイルの交流損失を測定する方法では、その測定精度面で次記のような課題が残る。
すなわち、図３，図４の"キャンセル法"による交流損失測定回路においては、キャンセルコイル３の電流母線コイル３ａに超電導コイル２と同じ母線電流を通電し、ピックアップコイル３ｂの信号電圧をキャンセル電圧として超電導コイル２の両端電圧からインダクタンス成分の電圧をキャンセル処理するようにしている。一方、先述のように超電導コイル２のインダクタンス成分の電圧（誘導成分）は通電電流と同相の電圧（抵抗成分）に比べて著しく大であり、これに対応してピックアップコイル３ｂで取得するキャンセル電圧を大きくするには、電流母線コイル３ａの巻数を大きくすることが有効である。
ところで、図３の測定回路で通電電流が１kAを超えるような超電導コイルの交流損失を測定するには、通電に伴うコイルのジュール発熱の関係から電流母線コイル３ａの導体断面積を３００mm2〜５００mm2とする必要があり、そのために電流母線コイル３ａがかなり大形化してしまう。
そこで、キャンセルコイル３の電流母線コイル３ａを小形化するには、キャンセルコイル３を水（純水）や液体窒素や液体ヘリウム等の液体冷媒に浸漬した状態で使用するのが有効な手段である。例えば、キャンセルコイル３の導体材料を銅とした場合に、該コイルを液体窒素（７７Ｋ）で冷却することにより室温と比べて電気抵抗率が約１／７に低減するので、小径断面のコイル導体を使って所要の電流容量を確保できる。また、コイル導体に丸棒や平角棒等の中実導体を使用すれば、電流母線コイルの更なるコンパクト化が可能である。
ところで、前記電流母線コイル３ａのコイル導体を中実導体として交番電流を通電すると、電流母線コイルの自己インダクタンスや表皮効果により導体断面内に電流密度の偏り（コイルの内径側に電流が集中）が生じてしまう。また、この電流密度の偏りに伴い電流母線コイル３ａの導体内部にはローカルな渦電流が生じ抵抗損が大きくなり、そのためにピックアップコイル３ｂから取得するキャンセル電圧の位相のずれ（超電導コイル電圧とピックアップコイル電圧との位相のずれ）を大きくしてしまう。その結果、図３の測定回路で述べたインダクタンス成分電圧のキャンセリングが不十分となって超電導コイルの交流損失測定精度が低下してしまうおそれがある。特に、コイル導体の電気抵抗率を小さくしたり、交流電源１の周波数を大きくしたりすると更に顕著な位相の偏りが生じてしまう可能性がある。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は交流損失測定回路に組み込んだキャンセルコイルの電流母線コイルを改良することにより、前記課題を解決して誘導機器に適用する超電導コイルの交流損失を高い測定精度で評価できるようにした超電導コイルの交流損失測定方法および交流損失測定装置を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明によれば、交流損失の測定回路に被測定の超電導コイルと直列接続した電流母線コイル、および該電流母線コイルの内周側に同軸配置したピックアップコイルからなるキャンセルコイルを備え、該キャンセルコイルのピックアップコイルから取得した信号電圧をキャンセル電圧として、前記超電導コイルの両端電圧からインダクタンス成分の電圧をキャンセリングし、該電圧と、前記超電導コイルに直列接続したシャント抵抗により測定される通電電流との積により交流損失を求める測定方法において、
前記電流母線コイルのコイル導体を多芯の撚線導体として超電導コイルの交流損失を測定する。
前記電流母線コイルのコイル導体を多芯の撚線導体として超電導コイルの交流損失を測定する。
また、前記電流母線コイルの導体は、複数本の素線を集合撚りしてなる集合撚線を一次導体として、この一次導体を多重に複合撚りして所定の導体断面積に形成した多芯の複合撚線導体とする。
さらに、上記の交流損失測定方法により測定された交流損失に基づいて設計された超電導コイルを用いて電気機器を構成するとよい。
また、さらに、交流を通電する超電導コイルに発生する交流損失の測定装置であって、その測定回路には被測定の超電導コイルに直列接続した電流母線コイル、および該電流母線コイルの内周側に同軸配置したピックアップコイルからなるキャンセルコイルを備え、該キャンセルコイルのピックアップコイルより取得した信号電圧をキャンセル電圧として、前記超電導コイルの両端電圧からインダクタンス成分の電圧をキャンセリングし、該電圧と、前記超電導コイルに直列接続したシャント抵抗により測定される通電電流との積により交流損失を求める測定装置において、
前記電流母線コイルのコイル導体として多芯の撚線導体を用いる。
前記電流母線コイルのコイル導体として多芯の撚線導体を用いる。
また、前記電流母線コイルの導体は、複数本の素線を集合撚りしてなる集合撚線を一次導体として、この一次導体を多重に複合撚りして所定の導体断面積に形成した多芯の複合撚線導体であるとよい。
上記のように、超電導コイルの交流損失測定回路に直列接続して超電導コイルと同じ電流を通電する電流母線コイルの導体を多芯の撚線導体として超電導コイルの交流損失を測定することにより、コイル導体を中実導体とした従来の電流母線コイルと比べて、通電時の表皮効果による影響，およびローカルな渦電流の発生を低く抑えてコイル導体の断面内での電流密度が均等化され、その結果としてピックアップコイルを介して取得するキャンセル電圧の位相のずれを低く抑えて交流損失の測定精度向上が図れる。また、前記電流母線コイルの導体を多芯の複合撚線導体として構成したことにより、通電時の電流密度を均等化できて精度の高い交流損失の測定が可能となる。
なお、本発明の測定方法および測定装置による測定精度の向上は、有限要素法による解析的に求めた結果からも検証されている。
以下、本発明による超電導コイルの交流損失測定方法および交流損失測定装置を図１〜図３に示す実施例に基づいて説明する。
すなわち、図３に示した"キャンセル法"に基づく超電導コイルの交流損失測定方法の測定回路に組み込んだキャンセルコイル３の電流母線コイル３ａについて、この実施例では図１（ａ），（ｂ）で示すように電流母線コイル３ａのコイル導体に多芯の撚線導体３ｃを採用してコイルを構成している。ここで、多芯の撚線導体３ｃは、例えば３本以上の軟銅素線３−１を集合撚りした集合撚線３ｃ−２を一次導体（ストランド）として、この一次導体を多重に複合撚りして所定の導体断面積を形成している。
なお、このキャンセルコイル３は、被測定の超電導コイル２から分離して、液体窒素（７７Ｋ），もしくは液体ヘリウム（４.２Ｋ）を満たした別な容器に収納して使用する。
次に、コイル導体に多芯撚線導体３ｃを採用した電流母線コイル３ａとピックアップコイル３ｂからなる前記構成のキャンセルコイル３（図１参照）、および比較例として中実の丸棒をコイル導体として構成した電流母線コイル３ａを図３の測定回路に組み込み、交番電源１から超電導コイル２に通電する電流の周波数を３０〜１００Hzに変えて１サイクル当りの交流損失 [J/cycle]を測定した結果を図２に示す。なお、図中に表した交流損失の値は、周波数３０Hzの通電時における交流損失を1として規格化している。
この測定結果から判るように、多芯の撚線導体で電流母線コイル３ａを形成したキャンセルコイル（図１参照）を使って測定した場合には、1サイクル当りの交流損失は各周波数でほぼ同じ値を示している。一方、電流母線コイル３ａを丸棒の中実導体で形成した従来のキャンセルコイル（図４参照）を用いた場合には、1サイクルあたりの交流損失が周波数の上昇とともに減少していく結果となった。
被測定の超電導コイル２の線材が高温超電導線である場合に、理論的には１００Hz以下の領域で発生する交流損失はヒステリシス損失が支配的であるため、1サイクル当りの交流損失は周波数によらず略一定となるはずである。したがって、図２の測定結果から電流母線コイル３ａを多芯の撚線導体で形成した場合の方が正しいと判断できる。一方、中実の丸棒導体で電流母線コイルを形成した場合の測定結果では、キャンセルコイル３のピックアップコイル３ｂで取得したキャンセル電圧に先記の位相ずれが大きくなり、これが原因で測定エラーが大きくなったものと推測される。
次に、図２の測定結果を検証するために、前記電流母線コイル３ａの温度を室温、液体窒素温度（７７Ｋ）、液体ヘリウム温度（４.２Ｋ）とした場合の、ピックアップコイル３ｂで取得した電圧（キャンセル電圧）と母線電流との位相差を有限要素法により解析的に求めた結果の一例を次記の表１に示す。なお、理想とする電流とピックアップコイル電圧の位相差φは９０°であり、この位相差φが９０°に限り無く近いほど超電導コイル２のインダクタンス成分電圧のキャンセリングが有効に機能して交流損失の測定精度が向上する。表１に、電流母線コイルの線材種別と温度，位相差の関係を示す。
表１の解析結果から判るように、電流母線コイル３ａの導体を中実の丸棒とした場合には、コイル温度により位相差φの値が異なり、室温での位相差φ（８９,９５１°）が最も大きく、液体窒素温度（７７Ｋ）で冷却したときには位相差φ（８３.８６０°）が減少して理想とする位相差９０°に対するキャンセル電圧の位相のずれが大きくなっている。
一方、電流母線コイル３ａの導体を多芯の撚線とした場合は、コイル温度によらず前記位相差φの値は一定であり、理想とする９０°に限りなく近い値となる。これは、電流母線コイル３ａの導体を中実導体とした場合に、電流母線コイルの自己インダクタンスや表皮効果によりコイル導体の断面内に電流密度の偏りが生じてしまい、この電流密度の偏りが原因で電流母線コイルの導体内部でローカルな渦電流が生じ、その結果としてキャンセル電圧に位相のずれが発生するものと考えられる。
これに対して、多芯の多重の複合撚線をコイル導体として構成した図１の電流母線コイル３ａでは、撚線の各素線が導体の長手方向にツイストされ、かつ各素線同士が線接触となって素線間の接触抵抗も大きくなるので、コイル導体の断面方向にクロスする電流も極めて小さくなる。その結果、コイル導体の断面内での電流密度が均等化されてキャンセルコイル３のピックアップコイル３ｂから取得するキャンセル電圧の位相のずれが低減するためと推測される。
以上述べた説明から明らかなように、交流損失測定回路に組み込んだキャンセルコイル３の電流母線コイル３ａのコイル導体を多芯の複合撚線として被測定の超電導コイル２の交流損失を先記の"キャンセル法"で測定することにより、被測定の超電導コイルに発生する交流損失の測定精度を高めることができ、その評価，検証は図２の測定結果，および表１の解析結果からも確認できた。
また、以上で説明した本発明の交流損失測定方法により測定された交流損失に基づいて設計された超電導コイルを用いて、例えば超電導変圧器，超電導リアクトル，超電導電動機や超電導発電機などの電気機器を構成するとよい。
１：交流電源
２：被測定の超電導コイル
３：キャンセルコイル
３ａ：電流母線コイル
３ｂ：ピックアップコイル
３ｃ：多芯撚線導体
３ｃ−１：素線
３ｃ−２：集合線（一次導体）
４：シャント抵抗
５：キャンセル回路
８：ディジタルオシロスコープ
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Claims (5)
- 交流を通電する超電導コイルに発生する交流損失の測定方法であって、その測定回路には被測定の超電導コイルに直列接続した電流母線コイル、および該電流母線コイルの内周側に同軸配置したピックアップコイルからなるキャンセルコイルを備え、該キャンセルコイルのピックアップコイルより取得した信号電圧をキャンセル電圧として、前記超電導コイルの両端電圧からインダクタンス成分の電圧をキャンセリングし、該電圧と、前記超電導コイルに直列接続したシャント抵抗により測定される通電電流との積により交流損失を求める測定方法において、
前記電流母線コイルのコイル導体を多芯の撚線導体として交流損失を測定することを特徴とする超電導コイルの交流損失測定方法。 - 請求項１に記載の交流損失測定方法において、電流母線コイルの導体は、複数本の素線を集合撚りしてなる集合撚線を一次導体として、この一次導体を多重に複合撚りして所定の導体断面積に形成した多芯の複合撚線導体であることを特徴とする超電導コイルの交流損失測定方法。
- 請求項１に記載の交流損失測定方法により測定された交流損失に基づいて設計された超電導コイルを用いた電気機器。
- 交流を通電する超電導コイルに発生する交流損失の測定装置であって、その測定回路には被測定の超電導コイルに直列接続した電流母線コイル、および該電流母線コイルの内周側に同軸配置したピックアップコイルからなるキャンセルコイルを備え、該キャンセルコイルのピックアップコイルより取得した信号電圧をキャンセル電圧として、前記超電導コイルの両端電圧からインダクタンス成分の電圧をキャンセリングし、該電圧と、前記超電導コイルに直列接続したシャント抵抗により測定される通電電流との積により交流損失を求める測定装置において、
前記電流母線コイルのコイル導体として多芯の撚線導体を用いたことを特徴とする超電導コイルの交流損失測定装置。 - 請求項４に記載の交流損失測定装置において、前記電流母線コイルの導体は、複数本の素線を集合撚りしてなる集合撚線を一次導体として、この一次導体を多重に複合撚りして所定の導体断面積に形成した多芯の複合撚線導体であることを特徴とする超電導コイルの交流損失測定装置。
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