JP2679020B2 - 超電導装置及び熱式永久電流スイッチ - Google Patents

超電導装置及び熱式永久電流スイッチ

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JP2679020B2
JP2679020B2 JP1040105A JP4010589A JP2679020B2 JP 2679020 B2 JP2679020 B2 JP 2679020B2 JP 1040105 A JP1040105 A JP 1040105A JP 4010589 A JP4010589 A JP 4010589A JP 2679020 B2 JP2679020 B2 JP 2679020B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超電導装置に係わり、特に複数の永久電流ス
イッチを並列に接続してなる熱式永久電流スイッチを有
する超電導装置及びその熱式永久電流スイッチに関す
る。
〔従来の技術〕
磁気浮上列車や磁気共鳴イメージング装置(MRI)等
に用いられる超電導装置では、励磁した超電導コイルの
両端を短絡し、電源がなくとも循環電流が流れ続ける回
路を形成するための永久電流スイッチが用いられる。こ
の永久電流スイッチには、機械接触式のものと熱式のも
のがあるが、小型、軽量、操作の容易さ等の利点から熱
式を用いるのが一般的である。熱式永久電流スイッチは
スイッチ部分を超電導線で構成し、その臨界温度Tcを境
とした加熱と冷却により常電導状態と超電導状態との間
を転位させ、OFF−ON動作を得るものである。
ところで、熱式永久電流スイッチ(以下適宜、単にPC
Sと略す)は、OFF時、スイッチ遮断機能を得るため常電
導状態での電気抵抗をできるだけ大きくする必要があ
り、このためPCSを構成する超電導線は、NbTi等の多数
の超電導フィラメントをCuNi等の極低温でも高抵抗の基
材に埋め込んだものが一般に使用されている。例えば、
Cu−30%Niを基材とすることによりOFF時高い抵抗が得
られる。しかしながら、Cu−30%Niを基材とした超電導
線では下記のような問題が発生する。
(1) 通常の超電導線ではクエンチを防止するため基
材に電気抵抗の低いCu等の材質を用い、電気的安定化を
図っているが、Cu−30%Niは電気抵抗が大きいため電気
的安定化基材としての効果は期待できない。従って、常
電導の芽の発生が即クエンチにつながり、線材としての
Jc(臨界電流密度)が通常のCu基材の線材の比しかなり
小さくなる。
(2)Cu−30%Ni基材の超電導線は、線材内のフィラメ
ント間の電流分流時、抵抗が大であるため分流がうまく
行なわれず、これもJc低下の一因と考えられる。
上記問題の対策としては、Cu−30%Ni基材の超電導線
の線径を小さくしてJcを大きく取り、大電流用として
は、その小径の線材を複数本並列に使用し、全体のJcを
向上すればよい。
又、PCSにはON−OFF時間(スイッチング速度)の問題
もある。PCSは、通常液体ヘリウム温度で超電導状態(O
N)となっており、超電導線と共に巻回したヒータに通
電し温度をTc(臨界温度)以上に上昇させることによ
り、常電導状態に転移させOFFとする。このON−OFF動作
を短時間に行なわせる高速スイッチング機能を得るため
には、PCS本体の熱時定数が小さいことが必要であり、P
CSは小型、軽量の方がよい。
以上の観点からPCSとして一般に採用されているの
が、例えば特開昭54−129364号に記載のように小型PCS
素子を複数個並列に組合わせたものであり、この従来の
複数素子並列型PCSを用いた超電導装置の回路構成を第
3図に示す。永久電流スイッチ7は複数の永久電流スイ
ッチ素子(以下適宜、PCS素子と略す)71を並列に接続
して構成されている。また、PCS素子71の各口出線には
電流がPCS素子71間に均一に分流できるように抵抗72が
設けられている。このような構成により、大電流に対応
しかつ小型、軽量、高抵抗で高速なPCSを得ることがで
きる。
〔発明が解決しようとする課題〕
この従来の熱式永久電流スイッチにおいて、PCS7に紙
面に垂直な変動磁界が印加すると、PCS各素子71を並列
に接続する口出線間に図に示すようにI1,I2なる誘起電
流が流れる。この誘起電流は、PCS素子71間の接続抵抗
及び分流抵抗72が小さい場合は永久電流となってしま
う。今、超電導コイル1及びPCS7の閉回路に永久電流It
が流れており、PCS各素子71にはIt/5づつの電流が流れ
ているとする。この状態で、誘起電流I1,I2が発生する
と、PCS各素子71の電流値がアンバランスになり、It+I
1,1t+I2等、設計電流を越える電流が流れる素子も出て
来る。この電流It+I1又はIt+I2がPCS素子71の臨界電
流Icを越えると、そのPCS素子はクエンチすることにな
る。又、Icを越えていなくても、超電導状態は不安定な
方向へ移行したことにより、小さな擾乱でクエンチに至
ることになる。
複数素子並列型PCS7で1素子がクエンチすると、その
素子に流れていた電流が他の超電導状態にあるPCS素子
に分流しようとする。そこで超電導状態であった素子も
輸送電流が臨界電流Icを越え、クエンチしたり、又、不
安定な状態に移行したりということが起こる。
即ち、第3図のような構造の複数素子並列型PCSは、
変動磁界(AC磁界)に弱いということになる。
本発明の目的は、複数の永久電流スイッチ素子を並列
に接続する口出線を有する超電導装置において、口出線
に印加される外部変動磁界によるPCS各素子の輸送電流
の変動を抑制し、外部変動磁界に対して健全な超電導装
置を提供することである。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的は、超電導コイルと、この超電導コイルを励
磁する電源と、前記超電導コイルの両端に接続され、前
記超電導コイルを永久電流コードにする熱式永久電流ス
イッチとを有し、前記熱式永久電流スイッチは、各々超
電導線を無誘導巻きした複数の永久電流スイッチ素子
と、これら複数の永久電流スイッチ素子を並列に接続す
る超電導線からなる口出線とを有する超電導装置におい
て、前記複数の永久電流スイッチ素子の口出線をこれら
口出線が外部変動磁界に対して無誘導になるように接続
することにより達成される。
好ましくは、前記複数の永久電流のスイッチ素子の口
出線はツイストすることにより無誘導に接続される。こ
の場合、好ましくは、前記口出線は複数箇所でツイスト
し、ツイストピッチを小さくする。
〔作用〕
複数の永久電流スイッチ素子の口出線をこれら口出線
が外部変動磁界に対して無誘導になるように接続するこ
とにより、複数の永久電流スイッチ素子の口出線には外
部変動磁界による誘起電流が流れないため、PCS各素子
の輸送電流の変動による不安定状態は発生しない。
PCS各素子の口出線を複数回ツイストし、ツイストピ
ッチを小さくすることにより、ツイストした口出線のイ
ンダクタンスが小さくなるので、磁場の分布が不均一な
場合でも鎖交磁束による誘起電圧をほぼ0にでき、外部
変動磁界に対する健全性が更に向上する。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第1図により説明する。
第1図において、本実施例の超電導装置は、超電導コ
イル1、永久電流スイッチ即ちPCS2、外部保護抵抗3、
励磁電源4、直流遮断器5より構成される。超電導コイ
ル1及びPCS2は、液体ヘリウム等の冷媒により臨界温度
Tc以下に冷却されている。
PCS2は並列に接続された5個のPCS素子21a〜21eから
なり、PCS各素子21a〜21eはCu−30%Ni基材の超電動細
線を無誘導に巻回し、図示しないヒータも同時に巻込ん
だ構成となっている。またPCS各素子21a〜21eはそれぞ
れ超電導線からなる口出線22a〜22e及び23a〜23eをを有
し、一方の口出線23a〜23eには、PCS2を流れる電流の各
素子21a〜21eへの分流が確実に行なえるようこれら素子
に直列に分流抵抗24がそれぞれ接続されている。口出線
22a〜22e及び23a〜23eの各端には接続板25,26が設けら
れている。
口出線22a〜22e及び23a〜23eはその接続形態に特徴が
あり、図示のごとく一方の口出線22a〜22eはツイストし
て接続板25に接続されている。即ち、接続板25,26の対
向する接続点をそれぞれA〜E及びA′〜E′とする
と、素子21aの口出線22a,23aはE点とA′点に、素子21
bの口出線22b、23bはDとB′点に、素子21cの口出線22
c,23CはC点とC′点に、素子21dの口出線22d,23dはB
とD′点に、素子21eの口出線22e,23eはA点とE′点に
それぞれ接続されている。そして、ツイストした口出線
22a〜22eが交差する交点をOとすると、各口出線22a〜2
2e及び23a〜23eが図面上でO点を頂点として作る閉ルー
プの面積、例えば閉ループA−O−Eと閉ループA′−
21a−O−21e−E′の面積、閉ループB−O−Dと閉ル
ープB′−21b−O−21d−D′の面積がそれぞれ等しく
なるように構成されている。
ここで超電導コイル1を励磁して永久電流モードにす
るときの動作の概要を説明する。
まずPCS2は、前述した図示しない各素子21a〜21eに巻
込まれているヒータに通電して各素子の温度が臨界温度
Tc以上(OFF状態)になっているものとする。この状態
で直流遮断器5を閉じると電源4の電圧E及び超電導子
コイル1の自己インダクタンスLとで決まる励磁速度 dI/dt=E/L で超電導コイル電流が掃引される。励磁電源4は通常定
電流制御方式であり、超電導コイル電流が所定の電流It
に達したところで電圧E≒0となるよう制御される。
(ただし、常電導部分の抵抗r1に対してE=It・R1なる
電圧は必要である。) この状態でPCS2の各素子21a〜21eのヒータ電源をOFF
し、PCS2をON(超電導)状態とする。次に励磁電源4に
逆電圧−Eを印加し、電源出力電流を下げて行くと、電
源電流減衰分がPCS電流となって、暫時PCS2を流れる電
流が増加する。電源電流が0となった時点でPCS2を流れ
る電流はItとなり、超電導コイル1とPCS2とで超電導の
閉ループが構成され、分流抵抗24が十分小さい値なら、
永久電流Itが流れ続ける。(実際は超電導コイル1の自
己インダクタンスとPCS2の分流抵抗及び接続抵抗の総和
r2で決まる時定数τ=L/Rにて電流は減衰する。) ここで直流遮断器5を開にして、コイル励磁作業が完
了する。
この時点でPCS2の各素子21a〜21eに流れている電流は
全てほぼIt/5と均一となっている。
この状態でPCS2に紙面に垂直な変動磁界を印加する
と、磁界が均一な場合、PCS2の各素子21a〜21eの口出線
22a〜22e及び23a〜23eが作る上述した各閉ループ内の鎖
交磁束は、例えば閉ループA−O−Eと閉ループA′−
21a−O−21e−E′、及び閉ループB−O−Dと閉ルー
プB′−21b−O−21d−D′とでは閉ループの面積が同
じなので同じとなり、それぞれ逆向きに相等しい誘起電
圧が生じようとし、結果として誘起電圧は打ち消しあっ
て0となり、各素子間には誘起電流が流れないことにな
る。即ち、各素子21a〜21eの口出線22a〜22eはツイスト
することにより無誘導に接続されている。
このため本実施例では、外部変動磁界に対してPCS各
素子21a〜21eを流れる電流が変動しないので、超電導閉
回路は安定な状態を保つことができる。
なお、本実施例では分流抵抗24を用いたが、分流抵抗
24を用いる代りに接続板25,26を常電導の材質例えば銅
で構成し、この接続板に分流抵抗の機能を持たせてもよ
く、この場合でも本実施例のように各素子21a〜21eの口
出線22a〜22eを無誘導となるように接続すれば、同様の
効果を得ることができる。
本発明の他の実施例を第2図により説明する。第2図
において、本実施例の永久電流スイッチ6は並列に接続
された2つのPCS素子61a,61bを有し、その口出線62a,62
b及び63a,63bはそれぞれ接続板64,65に3回ツイストさ
れた状態で接続されている。そしてこの場合でも、ツイ
ストすることにより形成される口出線の閉ループは、そ
れぞれ均一な鎖交磁界により発生する誘起電圧が打ち消
しあって0となるような面積関係にされている。またこ
の実施例では口出線に特別な分流抵抗は設けられていな
い。
本実施例では、口出線62a〜62e及び63a〜63eをそれぞ
れ3回ツイストしたので、ツイストピッチが小さくな
り、その結果、口出線のインダクタンスが小さくなる。
このため、磁場の分布が不均一な場合でも鎖交磁束によ
る誘起電圧をほぼ0にでき、外部変動磁界に対する健全
性を一層向上できる。
また、第1図の実施例の説明では、PCSを構成する素
子数を5個としているが、本実施例のように2個であっ
てもよく、結局、2個以上の複数の素子からなるPCSの
場合は全て同様の考え方が適用出来る。
更に、本実施例のように各素子に直列に接続た分流抵
抗が無くても、外部変動磁界に対する健全性については
同様の効果を得ることができる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、外部変動磁界に対して安定な複数素
子並列型PCS及びそのPCSを備えた超電導装置を提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例による超電導装置の回路図で
あり、第2図は本発明の他の実施例による永久電流スイ
ッチの回路図であり、第3図は従来の超電導装置の回路
図である。 符号の説明 1……超電導コイル 2;6……熱式永久電流スイッチ 21a〜21e;61a,61b……永久電流スイッチ素子 22a〜22e;23a〜23e;62a,62b,63a,63b……口出線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 進 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 昭54−129364(JP,A) 特開 昭60−7779(JP,A) 特開 昭63−264810(JP,A)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超電導コイルと、この超電導コイルを励磁
    する電源と、前記超電導コイルの両端に接続され、前記
    超電導コイルを永久電流モードにする熱式永久電流スイ
    ッチとを有し、前記熱式永久電流スイッチは、各々超電
    導線を無誘導巻きした複数の永久電流スイッチ素子と、
    これら複数の永久電流スイッチ素子を並列に接続する超
    電導線からなる口出線とを有する超電導装置において、
    前記複数の永久電流スイッチ素子の口出線をこれら口出
    線が外部変動磁界に対して無誘導になるように接続した
    ことを特徴とする超電導装置。
  2. 【請求項2】前記複数の永久電流スイッチ素子の口出線
    をツイストすることにより無誘導に接続したことを特徴
    とする請求項1記載の超電導装置。
  3. 【請求項3】前記口出線を複数箇所でツイストし、ツイ
    ストピッチを小さくしたことを特徴とする請求項2記載
    の超電導装置。
  4. 【請求項4】超電導コイルの両端に接続され、前記超電
    導コイルを永久電流モードにする熱式永久電流スイッチ
    において、各々超電導線を無誘導巻きした複数の永久電
    流スイッチ素子と、これら複数の永久電流スイッチ素子
    を並列に接続する超電導線からなる口出線とを有し、前
    記複数の永久電流スイッチ素子の口出線をこれら口出線
    が外部変動磁界に対して無誘導になるように接続したこ
    とを特徴とする熱式永久電流スイッチ。
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