JP3073552B2 - 超電導線材 - Google Patents

超電導線材

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JP3073552B2 JP03164696A JP16469691A JP3073552B2 JP 3073552 B2 JP3073552 B2 JP 3073552B2 JP 03164696 A JP03164696 A JP 03164696A JP 16469691 A JP16469691 A JP 16469691A JP 3073552 B2 JP3073552 B2 JP 3073552B2
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    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

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  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超電導線材に係り、特
に、交流用に適用する超電導線材に関する。
【0002】
【従来の技術】NbTiを用いた金属系超電導線材は、現
在、磁気浮上列車や磁気共鳴断層撮影装置(MRI)等
の超電導コイルに広範に使用されるようになってきた
が、超電導線材をこのような直流用に応用するのではな
く交流用に応用する場合、特に周波数がパルス電流のよ
うな数ヘルツではなく商用周波数のような50または6
0ヘルツの場合には、変動磁界による交流損失をいかに
低減させることができるかが、交流用超電導線材の実用
化の鍵を握っている。
【0003】周知のように、交流損失には、ヒステリシ
ス損失、結合損失および渦電流損失の3つがあるが、従
来技術では、このような交流損失を低減するため、様々
な工夫がなされている。
【0004】ヒステリシス損失は、変動磁界に対する超
電導フィラメント内でのピンニング力の仕事量である
が、この量は、フィラメントの直径と変動磁界の大きさ
に比例するため、フィラメントの直径を直流用フィラメ
ントよりもさらに細いサブミクロンオーダーにすること
により、ヒステリシス損失の低減が図られている。
【0005】また、結合損失は、フィラメント間をルー
プ状に流れる電流による損失であるが、この量は、磁界
の時間変化率とフィラメントのツイストピッチの2乗に
比例し、フィラメント間、すなわち線材に直交する方向
の比抵抗に反比例するため、ツイストピッチを材料の限
界まで短くねじるとともに、比抵抗の大きなCuNiをフィ
ラメント間に入れることにより、結合損失の低減が図ら
れている。
【0006】さらに、渦電流損失は、クエンチを防止す
るために線材方向に配置された比抵抗の小さな安定化材
に発生する渦電流による損失であるが、この量は、磁界
の時間変化率と渦電流の流れる径の2乗に比例し、かつ
安定化材の比抵抗に反比例する。このため、比抵抗の大
きなCuNiを線材方向に配置し、安定化材を線材方向に対
して平行に細かく分断して渦電流の流れる径を小さくす
ることにより、クエンチを回避するために安定化材に電
流を流すことができるようにしつつ、渦電流損失の低減
が図られている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本出願人により平成3
年5月24日に出願された特願平3−120376号の
交流用超電導線材1を図5に示す。この超電導線材1
は、NbTiの極細フィラメント2をCuNiのマトリックス3
に埋め込み、かつ安定化材としてのCu4を中央付近に配
置した超電導素線5を7本よりあわせてある。この超電
導線材1では、フィラメント2の極細化が図られている
のでヒステリシス損失を低減することができる他、図5
でわかるように、安定化材としてのCuが細かく分断して
入れられているので、渦電流損失を低減することができ
る。さらに、フィラメント2をCuNiマトリックス3に埋
めてあるともに超電導素線5を捩じってあるので、結合
損失をある程度低減することができる。
【0008】しかしながら、このような超電導線材1で
は、フィラメント2間を流れる結合電流は、超電導素線
5の直径方向に流れて中央部分を横断するので、比抵抗
の大きなCuNiマトリックス3だけではなく比抵抗の小さ
なCu4にも流れてしまい、かなりの結合損失が生じてし
まう。
【0009】また、交流用超電導フィラメント2はフィ
ラメント径が細いために超電導素線5も細くなってお
り、超電導素線5の電流容量は、例えば、20A程度で
ある。このため、図5の交流用超電導線材1をさらによ
りあわせて数千A程度の大電流容量にすることが実用化
のために必要となる。このような超電導撚線は、図6に
示すように、図5に示した超電導線材1を1次撚線と
し、この1次撚線1を絶縁処理したステンレス線6の回
りに例えば6本よりあわせて2次撚線7を構成し、さら
にこの2次撚線7を径の大きな絶縁処理したステンレス
線8の回りに例えば6本よりあわせて3次撚線9として
いる。
【0010】このような3次撚線9では、2次撚線7同
士が近接しているため、各2次撚線7自身に生じるいわ
ゆる自己磁界は、他の2次撚線7からの影響を受けてか
なり大きくなる。上述したように、各交流損失は、磁界
またはその時間変化率の大きさに依存するので、実際の
3次撚線9の交流損失は、2次撚線7単独で使用したと
きの損失から予想される3次撚線9の損失よりも、ずっ
と大きくなる。これに加え、2次撚線7が近接している
ことにより、単位断面積あたりの発熱量が大きくなって
冷却効率を低下させるため、3次撚線9の電流容量はさ
らに小さくなってしまう。
【0011】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、超電導部分が常電導状態に転移したときのジ
ュール発熱による損傷を防止しつつ、正常な通電時の交
流損失を低減した超電導線材を提供することを目的とす
る。
【0012】
【0013】
【課題を解決するための手段】前記課題は、超電導フィ
ラメントをCuNiマトリックスに埋め込んで超電導素
線を構成し、この超電導素線を、Cu安定化材をCuN
iマトリックスに埋め込んだ中心線材の回りによりあわ
せて1次撚線を構成した超電導線材を提供することによ
り解決される。
【0014】
【0015】
【作用】請求項1に記載した構成により、正常な通電時
の交流損失を低減することができるとともに、超電導部
分が常電導状態に転移したときに、ジュール発熱による
損傷を防止することができる。
【0016】
【0017】
【実施例】以下、本発明に係る超電導線材の実施例につ
いて、添付図面を参照して説明する。
【0018】図1は、本発明に係る超電導線材の概略構
成例を示すものである。
【0019】この超電導線材10は、CuNiマトリックス
11に超電導フィラメント12を入れた超電導素線13
を、1次撚中心線材15の回りに例えば6本よりあわせ
て構成した1次撚線である。1次撚中心線材15は、1
次撚線10の中央に配置されるもので、CuNiマトリック
ス16にCu17を入れて構成される。図1でわかるよう
に、超電導素線13は、結合損失を低減するため、1次
撚中心線材15の回りで捩じってある。超電導フィラメ
ント12は、NbTi合金でつくるのが好ましいが、Nb3 Sn
等の超電導フィラメントでもよい。また、撚本数は、素
線や撚線中心線材の径、素線の電流容量等に応じて、他
の本数でもよい。
【0020】さらに、図1に示す1次撚線10を、図2
に示すように、2次撚中心線材18の回りに例えば6本
よりあわせた2次撚線からなる超電導線材20を構成し
てもよい。
【0021】2次撚中心線材18は、比抵抗が大きくか
つ非磁性でありさらにコイルを巻く際に容易に曲げるこ
とのできる材料がよいが、上述の捩じり構造のため、コ
イルに通電したときに生ずる電磁力は、ほとんどこの2
次撚中心線材18に作用する。従って、構造強度の高い
ステンレス21が最も好ましい。また、このステンレス
への不要な電流の流入を回避するため、ホルマール絶縁
等の絶縁被覆22を施すのが好ましい。
【0022】次に、この超電導線材10、20の作用を
説明する。
【0023】超電導素線13が捩じられているため結合
損失が低下するが、本実施例では、さらに、超電導フィ
ラメント12が比抵抗の大きなCuNiマトリックス11に
埋め込まれ、超電導フィラメント12間には比抵抗の小
さなCuが存在しないため、変動磁界により超電導フィラ
メント間に形成されるループに誘起される結合電流が減
少する。従って、交流通電時の結合損失を有効に低減す
ることができる。
【0024】また、図3(a) に示すように、通常は、超
電導素線13にほとんど電圧が発生していないので、超
電導素線13を流れる電流が1次撚中心線材15に流れ
込むことはないが、図3(b) に示すように、超電導素線
13が何等かの原因で常電導に転移したとき、超電導素
線13を流れていた電流は、常電導転移部に生ずる電圧
のため、超電導素線13と1次撚中心線材15との接点
を介して、1次撚中心線材15のCuNiマトリックス16
を通過しさらにCu17に流れ込むので、電流が常電導転
移部分に流れることによるジュール発熱を防止すること
ができる。電流の流れなくなった常電導部分は、液体ヘ
リウム(図示せず)による冷却作用によって一定時間後
に臨界温度以下となり、常電導部分は超電導状態に戻っ
て元のように電流が超電導素線13を流れるようにな
る。
【0025】次に、本発明に係る超電導線材の第2の実
施例を説明する。
【0026】図4は、本発明の超電導撚線としての超電
導線材30の概略構成例を示すものである。
【0027】この超電導線材30は、超電導素線13を
1次撚中心線材15の回りに例えば6本よりあわせた1
次撚線10を、2次撚中心線材18の回りに例えば6本
よりあわせて2次撚線20を構成し、この超電導線とし
ての2次撚線20を、3次撚中心線材31の回りに、ス
ペーサー32とともに、例えば6本ずつよりあわせて3
次撚線30としたものである。
【0028】超電導素線13は、CuNiマトリックスにNb
TiやNb3 Sn等の超電導フィラメントを埋めた図1に示す
本発明の第1の実施例の超電導素線であり、1次撚中心
線材15は、同様に図1に示す1次撚中心線材15に対
応させるのがよいが、超電導素線13を、安定化材を超
電導素線内に埋め込んだ図5に示したような超電導素線
として、これを7本よりあわせて1次撚線10としても
よい。
【0029】2次撚中心線材18、3次撚中心線材31
およびスペーサー32は、比抵抗が大きくかつ非磁性体
であり、また、コイル製作が容易なように適度な弾性を
有していればよく、ホルマール絶縁を施したステンレス
線が最も好ましい。また、コイル製造時の巻きを容易に
するため、3次撚中心線材31は、複数の線に分けて構
成し、中心線材全体の曲げ剛性を低減することが好まし
い。
【0030】次に、この超電導線材30の作用を説明す
る。
【0031】2次撚線20は、スペーサー32によって
互いに隔てられているので、2次撚線相互の距離は大き
くなる。従って、各2次撚線20が他の2次撚線20に
及ぼす磁界強度が減少し、自己磁界は小さくなる。従っ
て、超電導フィラメントに生じるヒステリシス損失、超
電導フィラメント間を流れる結合電流による結合損失お
よび安定化材を流れる渦電流損失が各々減少するので、
超電導線材30全体に生ずる交流損失を有効に低減する
ことができる。また、スペーサー32によって2次撚線
20が分散配置されているので、発生したジュール熱を
効率よく冷却することができる。
【0032】このような交流損失の低減および冷却効率
の向上により、超電導線材30の電流容量は、大きく改
善される。
【0033】なお、第2の実施例では、2次撚線を超電
導線とし、3次撚線を超電導撚線とした場合について説
明したが、1次撚線を超電導線とし、これを中心線材の
回りにスペーサーとともに交互によりあわせた2次撚線
を超電導撚線としてもよいし、超電導素線を超電導線と
し、これを中心線材の回りにスペーサーとともに交互に
よりあわせた1次撚線を超電導撚線としてもよい。
【0034】また、本発明の実施例では、超電導用線材
を交流用に用いるものとして説明したが、本発明は、こ
れに限定されるものではなく、直流用に用いてもよい。
【0035】
【発明の効果】超電導フィラメントをCuNiマトリッ
クスに埋め込んだ超電導素線を、Cu安定化材をCuN
iマトリックスに埋め込んだ中心線材の回りによりあわ
せた1次撚線からなる超電導線材により、クエンチ防止
のための安定化を行いつつ、超電導線材の交流損失を小
さくすることができる。
【0036】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る1次撚線の概略断面図。
【図2】図1に示す1次撚線をよりあわせて構成した2
次撚線の概略断面図。
【図3】(a) は通常時の電流の流れ方を示す説明図、
(b) は超電導部分が常電導状態に転移した場合の電流の
流れ方を示す説明図。
【図4】図2に示す2次撚線をよりあわせて構成した3
次撚線の概略断面図。
【図5】本出願人により出願された特願平3−1203
76号の超電導線材の概略断面図。
【図6】図5に示す1次撚線をステンレス線の回りによ
りあわせて2次撚線とし、さらにこの2次撚線を径の大
きなステンレス線の回りによりあわせた3次撚線の概略
断面図。
【符号の説明】
1 1次撚線 2 超電導フィラメント 3 マトリックス 4 安定化材 5 超電導素線 6 2次撚中心線 7 2次撚線 8 3次撚中心線材 9 3次撚線 10 1次撚線 11 マトリックス 12 超電導フィラメント 13 超電導素線 15 1次中心線材 16 マトリックス 17 安定化材 18 2次中心線材 20 2次撚線 21 ステンレス鋼 30 3次撚線 31 3次撚中心線材 32 スペーサー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01B 12/00 - 12/16 H01B 13/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 超電導フィラメントをCuNiマトリッ
    クスに埋め込んで超電導素線を形成し、この超電導素線
    を、Cu安定化材をCuNiマトリックスに埋め込んだ
    中心線材の回りによりあわせて1次撚線を構成したこと
    を特徴とする超電導線材。
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