JP2018146291A - 超電導導体、電流測定装置、超電導機器 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導機器の複数の素線に流れる電流を測定して、各素線に分流される電流の均一性を精度よく検証すること。【解決手段】超電導機器（１）に用いられる超電導導体（１２）であって、超電導コイル（１０）から引き出された複数の素線（１３）を備え、複数の素線の電流を測定する複数のセンサ（３１）の測定位置が複数の素線の延在方向に位置ズレし、複数のセンサの測定位置で、複数の素線の延在方向が超電導コイルで発生する磁束に平行になる構成にした。【選択図】図１

Description

本発明は、超電導線を用いた超電導導体、電流測定装置、超電導機器に関する。

導体部分に超電導線を採用した超電導機器は小型化、軽量化、高効率化等のメリットがあり、様々な研究開発が行われている。従来は、超電導コイル等を駆動するために、液体ヘリウムで極低温で動作させることが必須条件であったが、高温超電導体の発見によって液体窒素温度近傍（７７Ｋ）で超電導状態を保つことができ、冷却負荷の軽減や絶縁強度の向上が実現されて超電導機器の優位性が従来よりも大きくなっている。

ところで、超電導線は電気抵抗が極めて小さく、直流通電時には通電損失が略ゼロになるが、交流通電時には鎖交磁束によって主にヒステリシス損失（交流損失）が発生する。超電導線では、このヒステリシス損失を低減することが課題になっており、例えば特許文献１−５のような解決策が提案されている。これら特許文献１−５では、超電導層と金属安定化層を積層したテープ状の超電導線を幅方向で複数の素線に分割して、超電導層を細線化することによってヒステリシス損失を低減している。

一方で、１本の超電導線に流せる電流容量は超電導組成や製法等によって決まり、液体窒素温度（７７Ｋ）では２００Ａ程度のものが多い。これを超えるような電流容量が超電導コイル側から要求される場合、複数本の超電導線を用いて導体化している。このような導体を用いて超電導コイルを製作する場合には、例えば特許文献６のように各超電導線のインダクタンス（交流抵抗成分）を略均等にすることで、超電導線に流れる電流を略均等にして、超電導コイル全体としての電流容量の効率化が図られている。

超電導コイルでは、超電導線を細分化して素線とする場合も、超電導線を素線として導体化する場合も、各素線に流れる電流を均等にすることが重要である。各素線の電流を均等化することは、上記したような電流容量の効率化のみならず、交流通電時のヒステリシス損失の低減にも効果がある。各素線に対する電流の均一性を検証するためには素線の電流値を測定する必要があり、通常の電気機器と同じ方法で電流測定してもよいが、各超電導素線のインピーダンスに影響を及ぼさない非接触式のセンサが望ましい。特許文献７では、ロゴスキーコイルによって各超電導素線の周囲に発生する磁束量を測定して電流に換算している。

特開２０１１−１３８６８９号公報 国際公開第２００５／００８６８７号 特開２０１１−０９６５６６号公報 特開２０１０−２８２８９３号公報 特開２０１０−２８２８９２号公報 特開平１１−２７３９３５号公報 特開２０１５−０８７１２４号公報

ロゴスキーコイル自体は電流経路に対して非接触であるため、複数の素線に対する電流分流に及ぼす影響は少ないが、１つの素線に対して１つのロゴスキーコイルが必要になる。このため、素線数が多くなると、ロゴスキーコイルを設置するためのスペースを広く取らなければならず、さらに複数の素線の間隔を十分に空けなければならない。複数の素線の間隔が広くなるのに伴って、超電導コイルから各素線に鎖交する磁束が増加する。鎖交磁束によって電流の測定位置でインダクタンスが影響を受けるため、超電導コイルにおける各素線の電流の均一性を検証することができなかった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、超電導機器の複数の素線に流れる電流を測定して、各素線に分流される電流の均一性を精度よく検証することができる超電導導体、電流測定装置、超電導機器を提供することを目的の１つとする。

本発明の超電導導体は、超電導機器に用いられる超電導導体であって、機器本体から引き出された複数の素線を備え、前記複数の素線の電流を測定する複数のセンサの測定位置が、前記複数の素線の延在方向に位置ズレしており、前記複数のセンサのうち少なくとも一部が、それぞれの前記延在方向で部分的に重なるように配置されることを特徴とする。

本発明の電流測定装置は、複数の素線から成る超電導導体を用いた超電導機器の電流測定装置であって、機器本体から引き出された前記複数の素線の電流を測定する複数のセンサを備え、前記複数のセンサの測定位置が前記複数の素線の延在方向に位置ズレしており、前記複数のセンサのうち少なくとも一部が、それぞれの前記延在方向で部分的に重なるように配置されることを特徴とする。

本発明の超電導機器は、複数の素線から成る超電導導体を用いた超電導機器であって、前記複数の素線の通電によって磁場が発生する機器本体と、前記機器本体から引き出された前記複数の素線の電流を測定する複数のセンサとを備え、前記複数のセンサの測定位置が前記複数の素線の延在方向に位置ズレしており、前記複数のセンサのうち少なくとも一部が、それぞれの前記延在方向で部分的に重なるように配置されることを特徴とする。

これらの構成によれば、複数のセンサが素線の延在方向に位置ズレしているため、センサ同士の接触を避けながら隣り合う素線同士を近づけることができる。複数の素線の間隔が狭いため、素線に鎖交する磁束量を最小限することができる。よって、超電導機器の機器本体から引き出された各素線のインダクタンスへの影響を抑え、各素線に流れる電流を測定して各素線に分流される電流の均一性を精度よく検証することができる。

本発明によれば、センサを素線の延在方向に位置ズレして設けて、素線に鎖交する磁束量を最小限することで、超電導導体の複数の素線に分流される電流の均一性を精度よく検証することができる。

本実施の形態の超電導機器の模式図である。 本実施の形態の超電導導体の斜視図である。 比較例の電流測定装置及び集電板の配置構成の模式図である。 本実施の形態の電流測定装置及び集電板の配置構成の模式図である。 変形例の超電導機器の模式図である。

以下、本実施の形態の超電導機器について説明する。図１は、本実施の形態の超電導機器の模式図である。図２は、本実施の形態の超電導導体の斜視図である。

図１に示すように、超電導機器１は、円筒状の巻枠１１の外周面にテープ状の超電導導体１２を巻き付けた超電導コイル（機器本体）１０を備えて構成されている。超電導導体１２は複数（本実施の形態では３本）の素線１３から成り、超電導コイル１０の一方の電極で分岐されて素線１３毎に引き出されている。超電導コイル１０から引き出された複数の素線１３は集電板１５に接続され、集電板１５を介して複数の素線１３が電気的に接続されている。集電板１５にはリード線１６ａ、超電導コイル１０の他方の電極にはリード線１６ｂが接続されており、超電導コイル１０には一対のリード線１６ａ、１６ｂを介して交流電源（不図示）から電力が供給される。このような超電導コイル１０は、断熱容器（不図示）内で冷媒に浸漬されて超電導状態が維持されている。

図２Ａに示すように、超電導導体１２は、テープ基材２１上に中間層２２、超電導層２３、金属安定化層２４を積層したテープ状の超電導線２０で構成されている。超電導線２０にはテープの延在方向に沿って金属安定化層２４から超電導層２３までスリット２５が入れられている。また、上記したように超電導コイル１０（図１参照）の一方の電極では、超電導線２０が延在方向に沿って完全に分離されており、超電導線２０が細分化されて超電導コイル１０の素線１３として引き出されている。超電導線２０が複数に細分化されることで、超電導導体１２の交流通電時の鎖交磁束によるヒステリシス損失（交流損失）が低減されている。

なお、テープ基材２１にはハロステイ、ステンレス等の比較的電気抵抗の高い材料が用いられ、中間層２２には単層構造又は多層構造の絶縁材が用いられる。超電導層２３にはイットリウム層等の高温超電導層が用いられ、金属安定化層２４には通電電流の安定化のために銀や銅などの電気抵抗の低い材料が用いられている。ここでは、高温超電導体を例示して説明するが、超電導状態を作り出すことができればよく、高温超電導体に限定されるものではない。したがって、超電導コイル１０に対する冷媒としては、液体窒素の他に、液体ヘリウム等の他の冷媒が用いられてもよい。

また、図２Ｂに示すように、超電導導体１２は、複数のテープ状の超電導線２０を積層して構成されてもよい。この場合、超電導コイル１０の一方の電極では、超電導導体１２が超電導線２０毎に完全に分離され、各超電導線２０が超電導コイル１０の素線１３として引き出される。複数の超電導線２０によって超電導導体１２が形成されているため、電流容量が大きな超電導機器１の要求（例えば、２００Ａ以上）にも対応することが可能になっている。なお、超電導線２０は、厚み方向で多層構造にしたテープ形状に限定されず、同心円状に多層構造にした同軸形状に形成されていてもよい。また、超電導導体１２は超電導線２０を超伝導コイル１０の軸方向に並べて構成されたり、積層構造と並列構造を組み合わせた構造としてもよい。

このように、超電導導体１２を１本の超電導線２０で構成して、超電導線２０を延在方向に沿って細分化したものを複数の素線１３にしてもよいし、超電導導体１２を複数の超電導線２０で構成し、超電導線２０毎に分岐させたものを複数の素線１３にしてもよい。いずれの構成でも、超電導導体１２が複数の素線１３を備えて構成されているため、電流容量の効率化及び交流通電時のヒステリシス損失を考慮すると、複数の素線１３のインダクタンスを同じにして各素線１３に流れる電流を均一にすることが好ましい。このため、超電導機器１に電流測定装置３０を設けて各素線１３の電流の均一性を検証可能にしている（図１参照）。

ところで、図３Ａに示す比較例の電流測定装置４５のように、ロゴスキーコイルをセンサ４６ａ−４６ｃとして素線４２ａ−４２ｃの電流を測定する場合には、センサ４６ａ−４６ｃ同士が接触しないように隣り合う素線４２ａ−４２ｃの間隔を十分に確保しなければならない。しかしながら、センサ４６ａ−４６ｃの測定位置では、隣り合う素線４２ａ−４２ｃの間隔に応じて鎖交磁束が増加して素線４２ａ−４２ｃのインダクタンスへの影響が大きくなる。素線４２ａ−４２ｃのインダクタンスが大きくなることで、素線４２ａ−４２ｃの電流分流特性が阻害されて各センサ４６ａ−４６ｃで適切に電流を測定できない。

さらに、図３Ｂに示すように、各素線４２ａ−４２ｃが集電板４３に接続されているが、集電板４３には超電導コイルで発生した磁束が板面を貫くことで渦電流が発生する。渦電流の発生によって集電板４３内部の偏流が生じ、さらに集電板４３が極低温化に置かれて偏流が大きくなることで、各素線４２ａ−４２ｃの電流分流特性が阻害されて各センサ４６ａ−４６ｃで適切に電流を測定できない。このように、超電導コイル４１からの鎖交磁束によって、各素線４２ａ−４２ｃの電流の均一性を精度よく検証することができない。そこで、本実施の形態では、超電導コイルで発生した鎖交磁束の影響を減らすように、センサの測定位置や、素線及び集電板の向きを調整している。

以下、図４を参照して、電流測定装置及び集電板の配置構成について説明する。図４は、本実施の形態の電流測定装置及び集電板の配置構成の模式図である。なお、図４Ａ及び図４Ｂは電流測定装置の配置構成、図４Ｃ及び図４Ｄは集電板の配置構成をそれぞれ示している。

図４Ａに示すように、電流測定装置３０はセンサ３１ａ−３１ｃを備えており、超電導コイル１０（図１参照）から引き出された各素線１３ａ−１３ｃにそれぞれセンサ３１ａ−３１ｃが取り付けられている。センサ３１ａ−３１ｃには、素線１３ａ−１３ｃの電流を非接触で測定可能なロゴスキーコイルが用いられている。ロゴスキーコイルは、素線１３ａ−１３ｃの周囲を囲んでおり、各素線１３ａ−１３ｃの通電によってロゴスキーコイルの巻線に鎖交する磁束の変化量を電圧として出力する。各センサ３１ａ−３１ｃでは、巻線から出力された電圧を時間積分することで電流を出する。

また、素線１３ａ−１３ｃに対する各センサ３１ａ−３１ｃの電流の測定位置では、素線１３ａ−１３ｃの延在方向が超電導コイル１０で発生する磁束に平行に向けられている。このため、各センサ３１ａ−３１ｃの測定位置では超電導コイル１０から放射状に発生した磁束が素線１３ａ−１３ｃに鎖交し難くなっている。しかしながら、各センサ３１ａ−３１ｃの測定位置で素線１３ａ−１３ｃが磁束に平行であっても、測定位置から外れた位置では素線１３ａ−１３ｃに磁束が平行になるとは限らない。このため、素線１３ａ−１３ｃの間隔を狭めて鎖交磁束を減らすことができるように、各センサ３１ａ−３１ｃが素線１３ａ−１３ｃの延在方向に位置ズレして設けられている。

より詳細には、図４Ｂに示すように、センサ３１ａ−３１ｃが素線１３ａ−１３ｃの延在方向で部分的に重なるように並べられている。このため、素線１３ａ−１３ｃがセンサ３１ａ−３１ｃに接触しない範囲での間隔が狭められて素線１３ａ−１３ｃに鎖交する磁束量を減らすことが可能になっている。例えば、素線１３ａ、１３ｂ間で考えると、斜線に示すように超電導コイル１０（図１参照）からセンサ３１ａ、センサ３１ｂまでの素線１３ａ、１３ｂで、この素線１３ａ、１３ｂの間隔が最小になって、素線１３ａ、１３ｂ間に鎖交する磁束量が減少する。さらに、センサ３１ａ、３１ｂの位置ズレが略センサ１つ分であるため、電流の測定位置で素線１３ａ、１３ｂ間のインダクタンスのバラツキが最小限に抑えられている。

このように、センサ３１ａ−３１ｂの測定位置で素線１３ａ−１３ｂの延在方向を磁束に平行にすると共に、素線１３ａ−１３ｃの間隔を狭めることで素線１３ａ−１３ｃのインダクタンスを小さくしている。さらに、素線１３ａ−１３ｃの延在方向におけるセンサ３１ａ−３１ｃの位置ズレをセンサ１つ分にすることで、素線１３ａ−１３ｃ間のインダクタンスのバラツキを最小にしている。これらの構成によって、素線１３ａ−１３ｃの電流分流特性に対するインダクタンスの影響が抑えられて、超電導機器１の各素線１３ａ−１３ｃの電流を各センサ３１ａ−３１ｃで測定することが可能になっている。

さらに、図４Ｃに示すように、集電板１５の板面の向きが超電導コイル１０（図１参照）で発生する磁束に平行になるように調整されている。超電導コイル１０で発生した磁束が集電板１５に入り難くなるため、集電板１５内部での偏流が抑えられている。この構成により、集電板１５の偏流による素線１３ａ−１３ｃの電流分流特性への影響が抑えられて、超電導機器１の各素線１３ａ−１３ｃの電流を各センサ３１ａ−３１ｃでより精度よく測定することが可能になっている。また、図４Ｄに示すように、集電板１５の板厚面を超電導コイル１０の径方向に向けるようにして、集電板１５に入り込む磁束を減らすようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態の超電導機器１では、複数のセンサ３１が素線１３の延在方向に位置ズレしているため、センサ３１同士の接触を避けながら隣り合う素線１３同士を近づけることができる。複数の素線１３が超電導コイル１０で発生する磁束に平行で且つ素線の間隔が狭いため、センサ３１の測定位置で素線に鎖交する磁束量を最小限することができる。さらに、集電板１５の板面が超電導コイル１０で発生する磁束に平行に向けられて、集電板１５内部の偏流が減少されている。よって、超電導コイル１０の各素線１３に流れる電流を測定して各素線１３に分流される電流の均一性を精度よく検証することができる。

なお、本実施の形態では、集電板１５の板面を超電導コイル１０で発生した磁束に平行にしているが、集電板１５の板面と曲線状の磁束を完全に平行にすることはできない。そこで、図５の変形例に示すように、複数の素線１３の外面を絶縁し、複数の素線１３を撚り合わせて集合線３５として一カ所で電気的に接合してもよい。集電板を設けることなく複数の素線１３をリード線１６ａに接続できるため、超電導コイル１０で発生した磁束による素線１３の電流分流特性への影響をさらに抑えることができる。

また、本実施の形態では、センサとしてロゴスキーコイルが使用されている。上記したように、ロゴスキーコイルでは、巻線に対する鎖交磁束の変化量に応じた電圧を発生し、この電圧を時間積分することで電流が算出される。この場合、測定開始時点の初期電圧として積分定数を算定する必要がある。積分定数は測定開始時点の電圧の時間変化が関係するので、正弦波のような整った波形の場合には積分定数の算定が容易であるが、回転機のような高調波を含む波形の場合には電圧変化の変動量が大きく積分定数の算定が困難である。

このため、センサとしてロゴスキーコイルの代わりにシャント抵抗を用いるようにしてもよい。シャント抵抗では時間積分せずに電流を算出することができるため、高調波電流であっても簡易に電流を測定することができる。なお、基本的にシャント抵抗の温度依存性は小さいが、極低温化で精度よく使用するために予め校正してもよい。また、素線にシャント抵抗が直に接続されているため、シャント抵抗の抵抗値が各素線に分流される電流測定に影響する。しかしながら、測定対象がコイル形状であれば、インダクタンスによるインピーダンスに対してシャント抵抗の抵抗値は小さいので、これらの比率を把握することで、素線に分流する電流を測定することが可能である。

また、本実施の形態では、非接触式のセンサとしてロゴスキーコイルを例示して説明したが、この構成に限定されない。非接触式のセンサとしてホール素子を用いて素子に流れる電流を測定するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、電流の測定位置で複数の素線の延在方向が磁束に平行であり、且つ複数のセンサが素線の延在方向に位置ズレして配置される構成にしたが、この構成に限定されない。少なくとも複数のセンサが素線の延在方向に位置ズレして、複数の素線の間隔が狭められていれば、素線の延在方向が磁束に平行でなくてもよい。

また、本実施の形態では、集電板の板面が磁束に平行である構成にしたが、この構成に限定されない。少なくとも複数のセンサが素線の延在方向に位置ズレして、複数の素線の間隔が狭められていれば、集電板の板面が磁束に平行でなくてもよい。

また、本実施の形態において、素線の延在方向は磁束に完全に平行である構成に限定されず、素線の取付誤差の範囲であれば僅かにズレが生じていてもよい。同様に集電板の板面は磁束に完全に平行である構成に限定されず、集電板の取付誤差の範囲であれば僅かにズレが生じていてもよい。したがって、ここでいう平行とは、実質的に平行と見なせる略平行を含む概念である。

また、本実施の形態において、超電導機器は、超電導導体を用いたものであればよく、例えば超電導変圧器、超電導モータ、超電導発電機、超電導電力貯蔵装置、加速器でもよい。

また、本実施の形態において、超電導機器の機器本体として超電導コイルを例示したが、この構成に限定されない。機器本体は、超電導導体の複数の素線の通電によって磁場が発生するものであればよい。

また、本実施の形態において、超電導体の材質は特に限定されず、銅酸化物超電導体、鉄系超電導体、金属低温超電導体のいずれでもよい。

また、本実施の形態では、超電導導体が複数の素線に細分化された超電導線、又は複数の超電導線を積層した導体で構成されたが、この構成に限定されない。超電導導体は、複数の超電導線を積層し、さらに各超電導線を複数の素線に細分化して構成されてもよい。

また、本発明の実施の形態及び変形例を説明したが、本発明の他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。

また、本発明の実施の形態は上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらに、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

１ 超電導機器
１０ 超電導コイル（機器本体）
１２ 超電導導体
１３ 素線
１５ 集電板
１６ａ、１６ｂ リード線
２０ 超電導線
３０ 電流測定装置
３１ センサ
３５ 集合線

Claims (10)

1. 超電導機器に用いられる超電導導体であって、
   機器本体から引き出された複数の素線を備え、
   前記複数の素線の電流を測定する複数のセンサの測定位置が、前記複数の素線の延在方向に位置ズレしており、
   前記複数のセンサのうち少なくとも一部が、それぞれの前記延在方向で部分的に重なるように配置されることを特徴とする超電導導体。
2. 前記複数の素線それぞれにおける前記測定位置における延在方向は、該測定位置における前記機器本体で発生する磁束に平行であることを特徴とする請求項１に記載の超電導導体。
3. 前記複数の素線を電気的に接続する集電板を備え、
   前記集電板は、板面が前記機器本体で発生する磁束と平行になるように配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導導体。
4. 前記複数の素線を撚り合わせて集合線とし、１箇所で電気的に接合したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導導体。
5. 前記複数の素線が超電導線を延在方向に沿って細分化したものである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超電導導体。
6. 前記複数の素線が複数の超電導線である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超電導導体。
7. 複数の素線から成る超電導導体を用いた超電導機器の電流測定装置であって、
   機器本体から引き出された前記複数の素線の電流を測定する複数のセンサを備え、
   前記複数のセンサの測定位置が前記複数の素線の延在方向に位置ズレしており、
   前記複数のセンサのうち少なくとも一部が、それぞれの前記延在方向で部分的に重なるように配置されることを特徴とする電流測定装置。
8. 前記センサが前記素線の周囲を囲むロゴスキーコイルであることを特徴とする請求項７に記載の電流測定装置。
9. 前記センサが前記素線に並列に接続されたシャント抵抗であることを特徴とする請求項７に記載の電流測定装置。
10. 複数の素線から成る超電導導体を用いた超電導機器であって、
    前記複数の素線の通電によって磁場が発生する機器本体と、
    前記機器本体から引き出された前記複数の素線の電流を測定する複数のセンサとを備え、
    前記複数のセンサの測定位置が前記複数の素線の延在方向に位置ズレしており、
    前記複数のセンサのうち少なくとも一部が、それぞれの前記延在方向で部分的に重なるように配置されることを特徴とする超電導機器。

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