JP3878260B2 - 超伝導コイルシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導コイルシステムに関し、特に超伝導素線における偏流の発生を抑止低減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に、従来の超伝導コイルシステムを構成するケーブルインコンジット（Ｃable-in-Ｃonduit Ｃonductor、ＣＩＣＣ、「ＣＩＣ導体」ともいう）の断面の一例 を示す。
【０００３】
図１を参照して、ケーブルインコンジット導体は、ステンレスのコンジット（パイプ状のもの）の中に超伝導の素線（Ｓtrand、ストランド）が数十本〜数百 本撚り線にして詰めてなるものである。
【０００４】
ケーブルインコンジット導体において、断面内の素線面積を除いた割合を表わすボイド率は、通常35〜37％程度とされている（例えば、高橋その他、「ケーブルインコンジット導体の結合損失へのクロムメッキ厚依存性」、第５２回、１９９４年度秋季低温工学・超電導学会予稿集、Ａ３−６、第２２５頁参照、「文献１」という）。
【０００５】
これらの素線の間に液体Ｈｅ（ヘリウム）又は超臨界Ｈｅを流し、素線を冷却することにより、素線には超伝導状態で電流が流れることになる。
【０００６】
コンジットは、導体に働く巨大な電磁力に対抗して支持するという機能の他に、Ｈeの流路を確保する作用をなすものである。
【０００７】
図２に、この種のＣＩＣ導体の作製法の一例を示す。
【０００８】
図２を参照して、素線の径は0.76mmとされ、これは銅とＮbＴiやＮb₃Ｓn等とからなる超伝導フィラメントが中心部に埋め込まれている。
【０００９】
図２の例では、この素線を３本ずつ撚って一本の撚り線とし、さらにその撚り線を３本に撚って、一本の撚り線とし、さらにこの操作を２回繰り返し、最終的に６本のケーブルを、寸法23.0×27.6mmのコンジットの中に収容する。
【００１０】
結局、図２に示す例では、３×３×３×３×６＝486本の素線が用いられていることになる。
【００１１】
このように、多数の撚り線を用いることは幾つかの理由がある。
【００１２】
一の理由は、ＡＣ損（ＡＣ ｌｏｓｓ）を低減させるためである。交流回路もしくは時間的に変化する磁場中にある導体には渦電流が導体表面に流れる（この現象を表皮効果という）。
【００１３】
図２に示すように、素線の表面は銅から構成されているため、素線表面では渦電流が流れ易く、銅の抵抗によって発熱が生じ、超伝導コイルの安定性が損なわれることになる。従って、渦電流損を低減するため径の細い素線が用いられる。
【００１４】
ところで、表皮効果の特性的深さ（侵入深さ）をδ、素線径をｄとすれば、一つの設計基準は、次式（１）で与えられる。
【００１５】
ｄ ＜ δ …（１）
【００１６】
このような細い径の素線は、ＮbＴiなどをフィラメント状に加工することと整合性が良い。
【００１７】
また、素線を何本も撚り合せて製作する理由は、一つにはコイルを形成するための導体であるため、折曲げることが必要とされるからである。
【００１８】
その際、素線を撚ってないと、曲げ加工性が悪い他、場合によっては、破断することもある。
【００１９】
コイル作製時、コイルは一般に一方向に曲げられる。そして、コイルの内径側と外径側で長さが異なることになる。
【００２０】
仮に素線が撚られていないものとすると、外径側では素線は延び、内径側は縮むことになる。
【００２１】
このような非対称構造による超伝導導体の特性の低下を防ぐために撚り線加工が行われる。
【００２２】
そして、このように製作されたＣＩＣ導体を所定の形状に巻回することによってコイルを製作する。
【００２３】
この時、ＡＣ回路等に用いる際には、上述の理由によって素線間は電気的に絶縁されていることが望ましい。これは素線の表面が電気的に接続されているものとすると、複数の素線は、表面積が大きく、体積も大きな一つの導体と見なすことができ、この結果、渦電流損Ｗが増大するからである。渦電流損は特徴的な大きさの２乗に比例する。
【００２４】
【数１】

【００２５】
ここにＷは渦電流損を表わし、ｄは特徴的な素線径を表わしている。
【００２６】
実際には接触部は一つの素線でも数多くあることから、渦電流は複雑な流れ方をする。
【００２７】
以上の理由によって、原子力研究所（以下「原研」）の実証ポロイダルコイル（ＤＰＣ）計画において、ＮbＴi−30KＡ級コイル（ＤＰＣ−Ｕ）をＣＩＣ導体で作る際に、各々の素線はフォルマル（Ｆｏｒｍｖａｒ）絶縁を行なっている。
【００２８】
すなわち、図２に示す素線の表面に絶縁材のフォルマルを数μｍ塗布している（図３参照）。すなわち図３に示すように、素線の表面に絶縁材を塗布することによって、素線間の絶縁が完全に確保されている。
【００２９】
このような構造を取ることによって、ＡＣ損（＝渦電流損の他に、ＡＣ回路で用いる超伝導コイルの損はヒステリシス損、近接効果損等があるが、一般には渦電流損が支配的である）の少ない安定した超伝導コイルが出来る予定であった。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、原研で行なわれたＤＰＣの実験は、実際には以下に説明するように、うまく行かなかった。
【００３１】
ＡＣ電流を通電する前に、パルス状の電流波形で実験を行なった（図４参照）。コイルへの単独励磁のため、コイルによって発生する磁場波形も図４と相似となる。
【００３２】
したがって、０〜ｔ₁の間の磁場変化率dＢ／dｔ（磁場の時間微分）が求まる。実験では０〜ｔ₁までの時間及びＩ₀の値を外部電源によって制御し、磁場変化率dＢ／dｔを変え、超伝導コイルの安定性等のデータを取得した。
【００３３】
この結果、この超伝導コイルにおいては、安定に運転できる磁場変化率dＢ／dｔの値は当初設計値の約１／1000となった。
【００３４】
本来は磁場変化率dＢ／dｔについて世界記録を達成することを予定したものが、結果的に、従来のコイルよりもはるかに低い磁場変化率dＢ／dｔの値でコイルがクエンチを生じたのである。
【００３５】
このため、原研及びメーカー、大学の研究者の間でその原因について盛んに研究され、それは各々の素線の電流が同じでなく大きな偏流があるためであることが発見された。その解析についての概要を以下に記す。
【００３６】
簡単のため素線を２本とした場合の等価回路を図５に示す。
【００３７】
図５を参照して、Ｌ₁、ｒ₁は素線１の自己インダクタンス及び抵抗、Ｌ₂、ｒ₂は素線２の自己インダクタンス及び抵抗、Ｍは相互インダクタンスを表わしている。
【００３８】
回路網方程式は、次式（３）、（４）で与えられる。
【００３９】
Ｖ＝ｒ₁・ｉ₁＋ｊωＬ₁・ｉ₁＋ｊωＭ・ｉ₂ …（３）
【００４０】
Ｖ＝ｒ₂・ｉ₂＋ｊωＬ₂・ｉ₂＋ｊωＭ・ｉ₁ …（４）
【００４１】
ここに、ωは回路の振動周波数を、ｊはｊ²＝−１なる虚数をそれぞれ表わしている。
【００４２】
上式（３）、（４）を電流ｉ₁、ｉ₂について解くと、次式（５）が導出される。
【００４３】
【数２】

【００４４】
ここで、素線は超伝導状態にあることから、上式（５）において、ｒ₁＝ｒ₂＝０とすると、２つの素線の電流比は、次式（５′）にて与えられる。
【００４５】
ｉ₁／ｉ₂＝（Ｌ₂−Ｍ）／（Ｌ₁−Ｍ） …（５′）
【００４６】
図２のＣＩＣ導体の製作方法の説明によって容易に理解されるように、素線は互いに密に巻いてあるため、相互インダクタンスＭは自己インダクタンスＬ₁、Ｌ₂に極めて近い値を取る。
【００４７】
さらに、自己インダクタンスＬ₁、Ｌ₂も完全に同じ値ではなく、互いに少しづつ異なることが一般的である。
【００４８】
原研ＤＰＣでは測定の結果自己インダクタンスのばらつきは約１％以内であり、相互インダクタンスは自己インダクタンスの99％程度であることが判明した。これを上式（５′）に代入すると、次式（６）が導出される。
【００４９】
ｉ₁／ｉ₂＝(101−99)／(100−99)＝２／１ …（６）
【００５０】
このように、わずかのインダクタンスの差が素線間の電流比を２倍にすることがわかる。
【００５１】
一方、素線には臨界電流Ｉ_Cがあり、一定以上の電流が流れるとクエンチが生じる。
【００５２】
すなわち、上述した原研ＤＰＣの構成においては、数本の（全部で486本の素線）素線の電流がＩ_Cを超せばクエンチが生じることになる。
【００５３】
これが、コイル全体のクエンチを誘い、その結果、当初予定の磁場変化率dＢ／dｔの値の１／1000程度しか安定に電流を流せなかったのである。
【００５４】
この現象についての解析は現在も盛んに研究されており、その研究結果は例えば下記に示す各種文献に記載されている。
【００５５】
（１）安藤その他、「交流・パルス用超電導撚線導体の内部に接触点があるときの偏流の解析」、第５２回、１９９４年度秋季低温工学・超電導学会予稿集、Ｅ１−22、第２２９頁（「文献２」という）。
【００５６】
（２）小泉その他、「３０ｋＡ級ＮｂＴｉ導体の偏流現象」、第５２回、１９９４年度秋季低温工学・超電導学会予稿集、Ａ３−１０、第２２９頁（「文献３」という）。
【００５７】
（３）樋田その他、「交流用超電導撚線導体における交流通電時のクエンチ特性について」、第５２回、１９９４年度秋季低温工学・超電導学会予稿集、Ａ３−３、第２２２頁（「文献４」という）。
【００５８】
このうち、小泉その他（原研）は、前記文献３において、クエンチ電流値の冷媒温度依存性に基づき、数本の素線には平均電流値の7.1倍もの電流が流れた可能性を指摘している。そして、ＤＰＣ−Ｕ導体では素線の自己インダクタンスの乱れは0.12％、素線長で0.06％と見積っている。
【００５９】
以上の解析結果より、最近製作されるＣＩＣ導体においては、図３に示すように素線表面に対するフォルマル絶縁は施されず、代って、クロムメッキが施されるように至っている。
【００６０】
素線の表面をクロムメッキを行った場合、素線間は完全には絶縁されないため、最初に説明したように、渦電流損が増大するが、しかし、銅表面のままよりは少ない。これは、クロムが銅に比べて電気伝導度が低いことによる。
【００６１】
一方、素線の偏流により一部の素線電流が臨界電流を超えるとクエンチが始まる。一般にクエンチはその素線のある部分から始まる。
【００６２】
するとクエンチが生じた部分では抵抗による電圧が発生するため、クロムメッキの接触部から他の素子（素線）に電流が転流（即ち分流）する。
【００６３】
図６に、２本の素線におけるクエンチによる分流の様子を示す。図６において、Ｒ₁は臨界電流Ｉ_Cを超えたために発生したクエンチによる抵抗を表わし、Ｒ_Cはクロムメッキの接触抵抗を表わしている。
【００６４】
素線１を流れている電流Ｉ₁は、クエンチ部にて分流する。この大きさは抵抗Ｒ₁とＲ_Cによって決まるが、抵抗Ｒ₁が大きくなると素線２に分流する割合が大きくなる。
【００６５】
実際には多くの素線間でこの現象が生じる。このような分流が行なわれることによって、素線電流が均一化され、コイルが安定に運転できるようになる。
【００６６】
しかし、このような構造を採用すればクロムメッキの厚さや、クロムメッキの厚さに応じた転流等を検討することが必要とされ、このため解析は複雑になり、実験が要求される。この研究は、例えば前記文献１、前記文献４、及び下記の文献等に記載されている。
【００６７】
土岡その他、「ケーブル導体における素線間偏流の解析」、第５２回、１９９４年度秋季低温工学・超電導学会予稿集、Ｅ１−24、第１２１頁（「文献５」という）。
【００６８】
結局、この種の研究の要旨は、渦電流損を低減するには完全に絶縁すれば良いが、素線の偏流が生じることから、コイルの要求仕様に応じて、クロムメッキ等の調整を行うことがＣＩＣ導体の最も重要な設計法である。
【００６９】
しかしながら、現状では、コイルの要求仕様に応じて、クロムメッキ等の調整を行なうための完全な設計法は確立されてない。
【００７０】
そして、上記した通り、超伝導素線は、それぞれ電気絶縁されている場合、並列回路になるので電流偏流が生じ、それによってクエンチが生じる。
【００７１】
超伝導素線は、内側にＮｂＴｉ等の超伝導材料が細線化して、銅等に埋め込まれている。素線の表面はフォルマル等の絶縁物でコーティングされているものから、Ｎｉメッキされているもの、銅そのものが表面になっているものまである。
【００７２】
素線に偏流の生じる原因は、複数の素子の自己インダクタンス及びこれらの間の相互インダクタンスがわずか（〜１％又はそれ以下）に異ること、及び、超伝導コイルのため、回路に殆ど抵抗成分が存在しない、という２つの理由によって生じる。詳細は文献（安藤伸一郎他、『大電流交流・パルス用超電導撚線導体の偏流に関する実験的研究』、電気学会論文誌Ａ、第223〜238頁、Vol.115-A、No.3、1995年、「文献６」という）等に記載されている。
【００７３】
以上の情況に対して、本発明者は、先に特願平６−３１６０７１号にて、超伝導コイルシステムを構成する電流リードの素線をそれぞれ電気絶縁し、それを超伝導素線にそれぞれ接続する方法を提案した。
【００７４】
上記特願平６−３１６０７１号に提案される方法によれば、超伝導素線の電気回路に電流リード部の素線の抵抗が入り、電流の偏流が解消される。
【００７５】
そして、上記方法によれば、電流リード部の抵抗は素線の温度が室温から低温にまで亘るため、室温で超伝導となる材料が発見されない限り、電流リード部の抵抗は必ず存在することになる。
【００７６】
現状の電流リード設計においては、超伝導コイルの民生応用の最も大きな市場と考えられている、ＳＭＥＳ（Superconducting Magnets Energy Storage Systems、超伝導コイルに電力を保存するシステム）のパラメータでは、上記方法によって、素線の偏流は解消され、安定な超伝導コイル運転が可能になる。
【００７７】
しかしながら、商用周波数（６０Ｈz〜５０Ｈz）では、電流リード部の抵抗では偏流を防ぐことはできない。
【００７８】
そもそも、超伝導コイルが利用される理由は、電気抵抗がない（電気抵抗＝０）ことによるためであり、今後の研究開発においても、電流リード部の抵抗値を低くすることが指向されるはずである。
【００７９】
また、現在電力の大部分は、商用周波数で利用されているため、超伝導コイルも商用周波数で利用可能になることが望ましい。
【００８０】
そのため、超伝導コイルを商用周波数で運転を行う必要があり、安定に運転するためには、超伝導素線の偏流を防止することが必須とされる。
【００８１】
本発明は、本発明者の上記知見によりなされたものであって、商用周波数で運転を行うことを可能とすると共に偏流の発生を回避する超伝導コイルシステムを提供することを目的とする。
【００８２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、２本の素線が略円筒中空磁性体の中空部で電流の向きが互いに逆向きとなるように配設されてなることを特徴とする超伝導コイルシステムを提供する。
【００８３】
また、本発明においては、好ましくは、前記磁性体がｎ×ｎ個アレイ状に配設され、ｎ対の素線（２ｎ本）が、前記磁性体の各々について中空部でそれぞれ対として電流の向きが互いに逆向きとなるように貫通して配設されたことを特徴とする。
【００８４】
また、本発明においては、好ましくは、前記磁性体が２行ｎ列の形態にアレイ状に配設され、ｎ対の素線（２ｎ本）が、前記磁性体の各々について中空部でそれぞれ対として電流の向きが互いに逆向きとなるように貫通して配設されたことを特徴とする。
【００８５】
そして、本発明においては、前記素線が商用周波数電源で駆動されることを特徴とするものである。
【００８６】
さらに、本発明においては、電流リードを形成する複数本（２ｎ本）のリード線を束ねることなく、ｎ×ｎ個アレイ状に配設された中空略円筒形状の磁性体の中空部を貫通するように配設された２ｎ本の素線にそれぞれ接続されてなる。
【００８７】
本発明においては、鉄芯又はフェライト・コアを利用する。これは一般には巻鉄芯と呼ばれるもので、複数枚の薄板を中空同軸に巻いて、図７に示すような、鉄芯を作る。すなわち、巻鉄芯は中心部に貫通孔が設けられており、略円筒状の形状をしている。
【００８８】
図７に示す鉄芯を複数個用いて、好ましくは、図８に示すようなアレイ状（マトリクス）の構成とする。
【００８９】
図８を参照して、鉄芯は、全部で３×３＝９個をマトリクス状に配設され、複数本の素線（６本）は、図示の如く▲１▼から▲６▼まで採番され、電流は同一素線の番号間の実線で示され、図の上から下に向かって電流が流れる（電流の向きは矢印で示す）。
【００９０】
各々鉄芯の中空部を２本の素線が貫通しており、さらにその２本の素線の電流方向は貫通穴の中では互いに逆向きになっている。
【００９１】
図８に示すような構成とした場合、ｎ×ｎ＝ｎ²（一般にｍ×ｎ個）の鉄芯に対して、素線の数は ２ｎ本設けられることになる。
【００９２】
後に説明するように、本発明によれば、素線間の偏流は無視し得る程の大きさに抑止低減されるとともに、商用電源で駆動することができる。
【００９３】
なお、素線が互いに電気的に絶縁されていれば、鉄芯を貫通する部分は必ずしも超伝導状態でなくてよい（例えば、液体窒素温度付近に配設される）。この場合、素線としては例えばＮｂＴｉ等の代りに銅線等が鉄芯コア中を貫通して配設される。
【００９４】
さらに本発明においては、好ましくは、鉄芯コアを図１４に示すような構成（２行×４列＝２×ｎ，ｎ＝４）とした場合に２ｎ本の素線に対して鉄芯コアの個数は２ｎ個で済むことになる。換言すればこれは次の通りとなる。即ち、中空磁性体コアがｍ×ｎ個アレイ状に配設され、ｎ対の素線（２ｎ本）が前記コアの各々をそれぞれ対として電流の向きが互いに逆向きとなるように貫通して配設され、コアの行列［ｋ，ｍ］アレイにおいて、１対の素線は第ｋ行の１つのコア「ｋ，ｍ］を通過後、次行の同列のコア［ｋ＋１，ｍ］の左右隣接のコア［ｋ＋１，ｍ−１］，［ｋ＋１，ｍ＋１］を夫々貫通し、但し、次行の両端では、１対の素線のうち１本は次行の同列のコア［ｋ＋１，ｍ］を再び前行と逆向きの方向に貫通する。
【００９５】
【発明の実施の形態】
本発明の原理及び実施の形態を詳細に説明する。
【００９６】
本発明に係る超伝導コイルシステムの全体構成を図１３に模式的に示す。図１３を参照して、超伝導コイルシステムは、超伝導コイル１を駆動するための電源と、この電源と超伝導コイルとを電気的に接続するための電流リードと、本発明に係る鉄芯コア（ｃｏｒｅ）と、超伝導コイルと、から構成されている。なお、図１３には、例えば超伝導コイルの液体ヘリウムによる冷却手段及び電流リードの冷却手段等は省略されている。
【００９７】
また、図１３において、鉄芯コアシステムは、超伝導コイルと電流リードとの間であればどこに挿入してもよい。
【００９８】
図９は、鉄芯、電流、座標の関係を模式的に示している。
【００９９】
鉄芯の中心に電流Ｉを流すと、電流Ｉによって磁場Ｈが発生する。図３を参照して、Ｉは電流（鉄芯の中心を流れる）、ｒは鉄芯中心からの距離を示し、磁場Ｈは次式（７）で与えられる。
【０１００】
【数３】

【０１０１】
この磁場Ｈによって、鉄芯の透磁率をμとすると、次式（８）の磁束密度Ｂが鉄芯中に発生する。
【０１０２】
【数４】

【０１０３】
この磁束密度Ｂを鉄芯の断面Ｓで積分すると（次式（９）参照）、この鉄芯の磁束Φが得られる。
【０１０４】
【数５】

【０１０５】
一般に磁性材料の特性は、図１０に示すようなＢ−Ｈ曲線で表わされる。図１０において、Ｂｒは残留磁束密度、Ｈｃは保磁力を示している。
【０１０６】
最初に磁化する時は、原点Ｏより出発するが、その後は磁性体特有のヒステリシスを示す。Ｈｃ、Ｂｒは材料によって決まり、さらに交流を流した時は渦電流損などによってＨｃが増大するのが一般的である。
【０１０７】
一般商用でトランス等で利用されている材料では次式（１０）程度である。
【０１０８】
【数６】

【０１０９】
さて、簡単のため、以下では２本の素線の回路を考える。この場合、鉄芯は１個であり、その等価回路は図１１に示すようなものとなる。
【０１１０】
図１１は、鉄芯を含む素線の等価回路であって、ＬAは素線Ａの自己インダク タンス、ＬBは素線Ｂの自己インダクタンス、Ｍは相互インダクタンス、Ｒは回 路抵抗を示している。
【０１１１】
図１１に示す等価回路の回路方程式は、次式（１１）、（１２）のようになる。
【０１１２】
【数７】

【０１１３】
【数８】

【０１１４】
ここで、ＩAは素線Ａの電流、ＩBは素線Ｂの電流、Ｖは外部電源電圧、ΦAはＩAによって鉄芯中に生じる磁束、ΦBはＩBによって鉄芯中に生じる磁束をそれぞれ示している。
【０１１５】
２本の素線は同じコイルを形成するため、自己インダクタンスは互いに近い値を持つ。即ち、次式（１３）で表される。
【０１１６】
【数９】

【０１１７】
同様に、相互インダクタンスＭも自己インダクタンスＬA、ＬBに近い値を持つ。即ち、次式（１４）で表される。
【０１１８】
【数１０】

【０１１９】
自己インダクタンスＬAとＬBが完全に等しければコイルに偏流がなく、安定に運転できる。
【０１２０】
ここで、素線Ａと素線Ｂの電流の差電流は次式（１５）のように表わされる。
【０１２１】
ΔＩAB＝ＩA−ＩB …（１５）
【０１２２】
一方、上式（１１）、（１２）の両辺の差を取ると、次式（１６）が得られる。
【０１２３】
【数１１】

【０１２４】
上式（１６）においてΦAB＝ΦA−ΦBである。
【０１２５】
上式（１６）の初期条件（ｔ＝０）としては、ΔＩAB＝０，ＩB＝０，ΦAB＝０とされる。
【０１２６】
そして、上式（１６）の左辺は、ΔＩABを電流とし、インダクタンスＬA＋Ｍ，抵抗Ｒの回路とみなし、右辺はその回路の外部電源電圧と見なすことが出来る。次に、上式（１６）の右辺をさらに検討する。
【０１２７】
一本の素線電流は幾つかの導体について調べると、次式（１７）の通りである。
【０１２８】
ＩB≦５０〜１２０Ａ …（１７）
【０１２９】
また、例えば文献（R.I.Schermer and B.P.Turek，"Current Sharing Between Insulated Strands in a Superconducting Cable"，Adv.Cryog.Eng.26，(1980)，第599頁）には、自己インダクタンス１Ｈのもので、適切に作製すると、そのバラツキは１０^-5Ｈ程度であると記載さている。
【０１３０】
従って、今検討している２本の素線のモデルは次式（１８）となる。
δＬ＝１０^-5Ｈ＝１０μＨ …（１８）
【０１３１】
ここで、ＩB＝５０Ａとすれば、次式（１９）となる。
δＬ・ＩB＝５．０ × １０^-4 ＶＳ …（１９）
【０１３２】
従って、鉄芯の飽和磁束Φmaxがほぼ５．０×１０^-4ＶＳであれば、上式（１６）の右辺は常にゼロにすることが可能とされ、電流差ΔＩABは、図１０の保磁力の範囲内でゼロと見なすことが出来る。
【０１３３】
次に、本発明の実施例として、図１２に示す鉄芯の具体的な値を求める（鉄芯の長さｌ＝４ｃｍ、外径ａ1＝２．５ｃｍ、内径ａ2＝０．５ｃｍ、飽和磁束密度＝１．４Ｔesla）と、鉄芯の飽和磁束Φmaxは、次式（２０）のようなものとなる。
【０１３４】
Φmax＝１．４×１．０^-2×４．０^-2＝５．６×１０^-4ＶＳ …（２０）
【０１３５】
これは上式（１９）の値を超える。
【０１３６】
一方、図１２に示す形状（鉄芯の長さｌ＝４ｃｍ、外径ａ1＝２．５ｃｍ、内径ａ2＝０．５ｃｍ、飽和磁束密度＝１．４Ｔesla）では、保磁力に対応する回路の電流Ｉcは、上式（７）より次式（２１）のような値が導かれる。
【０１３７】
【数１２】

【０１３８】
上式（２１）において、＜ｒ＞は鉄芯の平均半径であり、０．７５ｃｍとした。
【０１３９】
従って、この様な鉄芯を用いれば、素線Ａ、Ｂでは、最大０．１４Ａの差しか生ぜず、これは、本来流すべき電流５０Ａに比べて極めて低い値であり、実質的に偏流問題は解消されたと考えてよい。
【０１４０】
しかも、これは上式（１６）について説明したように、保磁力としては１０００Ｈzの値を利用している。即ち、極めて高い周波数までこの方法は利用可能である（従って商用周波数に対応可）。
【０１４１】
素線の電流をバランスさせる装置の大きさについて考えてみる。
【０１４２】
上記した自己インダクタンス１Ｈのコイルに電流５０Ａの素線が１０００本あるとすれば、コイルの磁気エネルギーＥMは次式（２２）で表される。
【０１４３】
【数１３】

【０１４４】
これは、現状では世界最大級の超伝導コイルとなる。この程度のパラメータのコイルとしては核融合プラズマの閉込めに利用する「ＩＴＥＲ」と呼ばれる装置が知られている。これは高さ１５ｍ、横巾１０ｍ、厚さ１ｍ程のコイルが２０個程度利用される予定である。
【０１４５】
一方、本発明において提案される、鉄芯を利用した電流バランス装置は、例えば１０００本の素線が配設されているので、鉄芯は５００×５００個必要になる。
【０１４６】
隣接鉄芯との絶縁スペースも考えると、１個の鉄芯の占める空間は、次式（２３）に示す。
【０１４７】
３．５ｃｍ × ３．５ｃｍ × ６ｃｍ
＝７．３５×１０^-5ｍ³ …（２３）
【０１４８】
従って、鉄芯５００×５００の場合、次式（２４）のサイズとなる。
５００ × ５００ × ７．３５×１０^-5＝１８．４ｍ³ ・・・（２４）
【０１４９】
従って、このサイズはコイルに比べて極めて小さい体積の装置となり、実用上問題にならない。
【０１５０】
本発明の別の実施形態を図１４を参照して以下に説明する。図１４に示すように、本実施形態においては、２ｎ本（▲１▼〜▲８▼）の素線を２行×ｎ列（図１４では、簡単のためｎ＝４としている）のアレイ状に配設された鉄芯コアの中空部を互いに電流の向きが逆方向となるように対形式で貫通して配設されている。図８に示した鉄芯コアのアレイ構成と比べて、本実施形態によれば、偏流防止のための鉄芯コアの数が大幅に削減することができる。かくて、コアのｎ×ｎ配列の場合500×500＝250000個必要とされるものが、２×500＝1000個で済むことになり、1/250に低減している。なお、上記ＩＴＥＲのコイルでは、素線数は、１，０２４本程度である。
【０１５１】
素線の配置法としては、２ｎ本の素線を一側端からＩ₁〜Ｉ_2nと採番した場合に、２行ｎ列の形態にアレイ状に配設された鉄芯コアの一列目に配設された鉄芯コアを貫通する一対の素線は互いに隣り合うもの（Ｉ_i，Ｉ_i+1）とし、２列目に配設された鉄芯コアを貫通する一対の素線は、両端部を除いて（Ｉ_i、Ｉ_j）、但し、ｊ−ｉ＝２ｎ−３（この場合ｎ＝４、ｊ−ｉ＝５となる）、の組合せとなるように配置され、この場合、２ｎ個のコアで済むことになる。これを換言すれば、コアの行列アレイ内位置を［ｋ，ｍ］で表示すると、行列位置［ｋ，ｍ］において（両行端部を除き）、ある１対の素線は、第１行の１つの中空磁性体コア［ｋ，ｍ］を通過後次行の同列コア［ｋ＋１，ｍ］の左右隣接のコア［ｋ＋１，ｍ−１］、［ｋ＋１，ｍ＋１］を夫々通る。但し、両行端部では、１対のうち１本はコア［ｋ＋１、ｍ］（次行、同列コア）を前行とは逆向きに再び通る。このようにして各素線間の電流Ｉ₁,Ｉ₂...Ｉ_i,Ｉ_i+1...Ｉ_2nは均一化され、偏流は抑止、解消される。
【０１５２】
本発明のさらに別の実施形態として、図１５に示すように、鉄芯コアにクエンチ検出用の計測線（ケーブル）を所定ターン数巻回することにより、素線のクエンチ電圧を検出することができる。計測線の巻回数として例えば１０ターンとすれば、クエンチ電圧は１０倍として検出することが可能とされ計測を容易化する。
【０１５３】
さらにまた、本発明の別の実施形態は、図１６に示すように、クエンチ電圧検出用の計測線の端部に電源を接続し、前記素線に電流が流れていない時に、電源から、例えば図１７に電流波形として示すような電流を流し、鉄芯コアをリセットする回路構成としたものである。この回路構成により、鉄芯は一度素線への通電が終わった後に、図１０に示したＢ−Ｈ曲線の原点に復帰することができるため、後の通電が安定化する。
【０１５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、鉄芯の間に電流の向きが互いに逆方向の超伝導素線対を配設したことにより、素線の偏流を抑止低減することができるという効果を有する。また、本発明によれば、超伝導コイルで商用周波数で駆動することができるという利点を有する。
【０１５５】
さらに、本発明によれば、互いに電流が逆向きの１対の素線を中空部に貫通してなる鉄芯コアの構成は、２ｎ本の素線に対して、ｎ×ｎ（一般的にｍ×ｎ）あるいはこれよりも大幅に少ない数の２×ｎ個で構成することが可能とされ、鉄芯コア部のサイズは超伝導コイルに比べて極めて小さな容積の装置として構成されることになる。
【０１５６】
さらにまた、本発明によれば、素線のクエンチ検出用計測線を用いて鉄芯コアをリセットする手段を備えたことにより、素線の通電の安定化を図ることができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のケーブルインコンジット導体の構成を説明する断面図である。
【図２】素線からケーブルインコンジット導体を作製する工程を説明する図である。
【図３】素線の表面に電気的絶縁材を塗布した構成を示す図である。
【図４】素線に通電される電流信号の波形の一例を示す図である。
【図５】素線を２本とした場合の簡易モデルの等価回路を示す図である。
【図６】２本の素線におけるクエンチによる分流の様子を示す図である。
【図７】鉄芯の概略形状を示す図である。
【図８】本発明における鉄芯と素線の配置の一例を示す図である。
【図９】電流と鉄芯中の磁場の関係を説明する図である。
【図１０】磁性体のＢ−Ｈ曲線の一例を示す図である。
【図１１】鉄芯に配設された２本の素線の構成の等価回路を示す図である。
【図１２】鉄芯の具体的な寸法を説明するための図である。
【図１３】本発明に係る鉄芯を含む超伝導コイルシステムの全体構成を説明するための図である。
【図１４】本発明の別の実施形態を説明するための図である。
【図１５】本発明のさらに別の実施形態を説明するための図である。
【図１６】本発明の別の実施形態を説明するための図である。
【図１７】鉄芯コアのリセット用の電流波形を示す図である。

Claims (19)

1. 電流バランス装置を備えた超伝導コイルシステムであって、
   前記電流バランス装置は、２本の素線が略円筒中空形状の磁性体の中空部を電流の向きが互いに逆向きとなるように貫通して配設されてなることを特徴とする超伝導コイルシステム。
2. 電流バランス装置を備えた超伝導コイルシステムであって、
   前記電流バランス装置は、
   ｎ×ｎ個アレイ状に配設された略円筒中空形状の磁性体を備え、ｎ対の素線（２ｎ本）が、前記磁性体の各々について中空部をそれぞれ対として電流の向きが互いに逆向きとなるように貫通して配設されたことを特徴とする超伝導コイルシステム。
3. 前記素線が商用電源で駆動されることを特徴とする請求項１又は２記載の超伝導コイルシステム。
4. 駆動電源と超伝導コイルとを電気的に接続する電流リードを形成する複数本（２ｎ本）のリード線を束ねることなく、ｎ×ｎ個アレイ状に配設された中空略円筒形状の磁性体の中空部を貫通するように配設されてなる２ｎ本の素線にそれぞれ接続されたことを特徴とする超伝導コイルシステム。
5. 前記磁性体が、所定の軟磁性材料からなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一に記載の超伝導コイルシステム。
6. 前記磁性体が、巻鉄芯（コア）からなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一に記載の超伝導コイルシステム。
7. 前記素線が、それに電気的に接続されかつ他の素線とは電気絶縁された導線を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか一に記載の超伝導コイルシステム。
8. 前記磁性体が、所定温度に冷却されてなることを特徴とする請求項７記載の超伝導コイルシステム。
9. 前記素線が電気的絶縁が施されてなることを特徴とする請求項１から６のいずれか一に記載の超伝導コイルシステム。
10. 前記素線が、超伝導状態に設定される超伝導素線を含むことを特徴とする請求項１記載の超伝導コイルシステム。
11. 駆動電源と超伝導コイルとを電気的に接続する電流リードを形成する複数本（２ｎ本）のリード線を束ねることなく、２行ｎ列の形態にアレイ状に配設された中空略円筒形状の磁性体の中空部を貫通するように配設されてなる２ｎ本の素線にそれぞれ接続されたことを特徴とする超伝導コイルシステム。
12. ２ｎ本の素線を一側端からＩ₁〜Ｉ_2nと採番した場合において、２行ｎ列の形態にアレイ状に配設された中空略円筒形状の磁性体の一段目（２行ｎ列の１行目）に配設された前記磁性体を貫通する一対の素線は互いに隣り合うもの（Ｉ_i，Ｉ_i+1）とし、
    ２段目（２行ｎ列の２行目）に配設された前記磁性体を貫通する一対の素線が、両端部を除いてＩ_i、Ｉ_j（ｊ−ｉ＝２ｎ−３）の組合せとなるように配線されることを特徴とする請求項１１記載の超伝導コイルシステム。
13. 前記磁性体の中空部を互いに２本の素線が電流の向きが逆向きとなるように配設されてなることを特徴とする請求項１１記載の超伝導コイルシステム。
14. 前記磁性体にクエンチ検出用の計測線を所定ターン巻回したことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一に記載の超伝導コイルシステム。
15. 電流バランス装置を備えた超伝導コイルシステムであって、
    前記電流バランス装置は、２本の素線が略円筒中空型状の磁性体の中空部を電流の向きが互いに逆向きとなるように貫通して配設されてなり、
    前記磁性体にケーブルを所定ターン巻回してなるクエンチ検出手段を備えると共に、前記ケーブルには、前記素線に電流が流れていない間に、電流源から所定の減衰率で減衰する交番電流を流し、前記磁性体をリセットする手段を備えたことを特徴とする超伝導コイルシステム。
16. 前記磁性体が、所定の軟磁性材料からなることを特徴とする請求項１５記載の超伝導コイルシステム。
17. 前記磁性体が、巻鉄芯（コア）からなることを特徴とする請求項１５記載の超伝導コイルシステム。
18. 電流バランス装置を備えた超伝導コイルシステムであって、
    前記電流バランス装置は、
    ｍ×ｎ個アレイ状に配設された中空磁性体コアを備え、
    ｎ対の素線（２ｎ本）が前記コアの各々をそれぞれ対として電流の向きが互いに逆向きとなるように貫通して配設され、コアの行列［ｋ，ｍ］アレイにおいて、１対の素線は第ｋ行の１つのコア「ｋ，ｍ」を通過後、次行の同列のコア［ｋ＋１，ｍ］の左右隣接のコア［ｋ＋１，ｍ−１］，［ｋ＋１，ｍ＋１］を夫々貫通し、但し、次行の両端では、１対の素線のうち１本は次行の同列のコア［ｋ＋１，ｍ］を再び前行と逆向きの方向に貫通することを特徴とする超伝導コイルシステム。
19. 前記電流バランス装置は、電流リードと超伝導コイルの間の任意の位置に配置される、ことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか一に記載の超伝導コイルシステム。

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