JP3933253B2 - Oxide superconducting wire and cable for AC - Google Patents

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    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物超電導線材に係り、特に、臨界電流が大きく、交流損失を低減した交流用酸化物超電導線材、その製造方法、及び交流用酸化物超電導線材ケーブルに関する。
【0002】
【従来の技術】
金属マトリクス中に多数本の超電導フィラメントを埋設した酸化物超電導線材において、交流損失を低減する方法としては、各超電導フィラメントの径を小さくすること、および金属マトリクスの比抵抗を大きくすることのほかに、各超電導フィラメントにかけるツイストのピッチを小さくすることが知られている。
【0003】
ここで、ツイストピッチの大きさと交流損失との関係について説明する。
図10は、結合電流を説明する図である。図10において、参照符号1は超電導フィラメント、2は金属マトリクスをそれぞれ示す。
【0004】
超電導体に磁場をかけると、遮蔽電流がループ状に流れて、磁束が内部に侵入するのを妨げる。多芯化の目的は、磁束が内部に侵入するのを容易にし、遮蔽電流が個々の超電導フィラメントで還流するようにして安定性を高めるものであるが、そのような多芯線でも、磁場をかけた直後は、図10(a)に矢印で示すように、超電導フィラメント1,1間の金属マトリクス2の部分を介して遮蔽電流が流れ得る。この遮蔽電流は、金属マトリクス2の抵抗によっていずれ減衰するものであるが、線材が長くなると、遮蔽電流ループのインダクタンスが大きくなり、遮蔽電流の減衰に時間がかかってしまう。この状態を電磁気的結合と呼び、この結合状態にあるときは、あたかも一体の超電導体のようにふるまい、多芯化した効果がなくなってしまう。
【0005】
この電磁気的結合を少なくするには、超電導フィラメント1にツイストを施すのが有効である。ツイストを施すと、図10(b)に示すように、遮蔽電流はツイストピッチの1/2の領域で還流することになり、遮蔽電流ループのインダクタンスが小さくなって、遮蔽電流の減衰が早められる。そして、その減衰速度が磁場の変動周期より短くなれば、上記のような結合状態になることが防止される。遮蔽電流の減衰が磁場の変動周期より短くなる臨界長さLc は、金属マトリクス2の比抵抗ρ、超電導フィラメント1の径df 、臨界電流密度Jc 、外部磁界の変化速度dH/dtによって決定され、以下の式により表わされる。
【0006】
c =2{(2ρ・df ・Jc )/(μo ・dH/dt)}1/2
すなわち、この臨界長さLc の2倍以下のピッチで超電導フィラメント1にツイストを施すことにより、結合電流が流れるのを防止して、交流損失を低減させることができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、酸化物超電導線材においては、臨界長さLc の2倍以下のピッチで超電導フィラメント1にツイストを施すのは、非常に困難であるという問題がある。例えば、一般的な酸化物超電導線材である、比抵抗2.5×10-9Ω・mの銀を金属マトリクス2とした酸化物超電導多芯テープ線材(テープ厚さ0.25mm、テープ幅3mm、超電導フィラメント厚さ15μm、臨界電流密度Jc =104 A/cm2 )に、変化速度μo ・dH/dt=1.2T/secの交流磁場が、線材長手方向に対して直角方向で、線材の幅広面に対して平行方向から印加された場合、臨界長さLc は5mmとなり、ツイストピッチはその2倍の10mm以下にする必要がある。しかも、実際の大電流の交流ケーブルや高磁場発生の交流コイル等においては、さらに厳しい磁場条件となるために、臨界長さLc はさらに小さくなる。
【0008】
しかし、実用サイズの酸化物超電導線材に、このように短い臨界長さLc の2倍以下のピッチで、ツイストを施すことは極めて困難である。そのため、従来の酸化物超電導線材では、Lc の2倍以下のピッチでツイスト加工ができない場合は、超電導フィラメント1の電磁気的結合によって交流損失が増大するので、ツイストによる交流損失低減効果は期待できないと考えられていた。
【0009】
一方、中心部材に交流用酸化物超電導線材を複数層にわたって複数本巻き付けてなる交流用酸化物超電導ケーブルがある。このような交流用酸化物超電導ケーブルにおいて、各層のインピーダンス(抵抗とインダクタンスの和)が異なる場合、インピーダンスの小さい層ほど交流電流が多く流れるため、偏流が生じ、異常な交流損失の増大を引き起こす。各層のインピーダンスを揃えるため、各層のインダクタンス成分のみを調整し、揃えるための様々な方法があるが、各層の抵抗成分を揃える実用的な方法は、これまで知られていない。
【0010】
ここで、各層のインダクタンスを揃え、それによって各線材の臨界電流に対する通電電流の比を等しくし、各層の通電電流密度を等しくした場合について考察する。外側の層ほど自己磁界が強く、磁化による交流損失(抵抗成分)が大きくなるので、インダクタンス成分がたとえ等しくても、インピーダンスが大きくなってしまう。従って、相対的にインピーダンスの小さい内層に配置された線材に多くの電流が流れ、内層の交流損失が大きくなる。すると今度は、相対的にインピーダンスの小さくなる外層に配置された線材に多くの電流が流れるようになり、偏流現象が継続して起こるであろう。これは、ケーブル全体の異常な交流損失の増大を引き起こすことになる。
【0011】
本発明は、以上のような事情の下でなされ、臨界電流の低下を抑えるとともに、交流損失を大幅に低減させた交流用酸化物超電導線材を提供することを目的とする。
【0012】
本発明の他の目的は、臨界電流の低下を抑えるとともに、交流損失を大幅に低減させた交流用酸化物超電導線材の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の更に他の目的は、臨界電流の低下を抑えるとともに、交流損失を大幅に低減させた交流用酸化物超電導ケーブルを提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者は、鋭意、研究を重ねた結果、超電導フィラメントツイストピッチを所定範囲内とすることにより、ツイストを容易に行うことが出来るとともに、臨界電流の低下を抑えつつ、交流損失を低減し得ることを見出だした。本発明は、かかる知見に基づくものである。
【0014】
即ち、本発明(請求項1)は、金属マトリクスと、この金属マトリクス中に埋設された複数本の超電導フィラメントとを具備する交流用酸化物超電導丸線材であって、熱処理を施した後のツイスト加工により、前記超電導フィラメントに、下記式を満たすツイストピッチL でツイストを施したことを特徴とする交流用酸化物超電導線材を提供する。
【0015】
2Lc1<L ≦2Lc2
c1=2{(2ρ・df ・J )/(μ ・dH/dt)}1/2
c2=2{(2ρ・d ・Jcb)/(μ ・dH/dt)}1/2
(式中、ρは金属マトリクスの比抵抗(Ω・m)、df は超電導フィラメントの径(m)、d は超電導フィラメント群の径(m)、J は超電導フィラメントの臨界電流密度(A/m)、Jcbは超電導フィラメント群の臨界電流密度(A/m)、μ は真空の透磁率(H/m)、dH/dtは磁界の変化速度(A/m/sec))
また、本発明(請求項2)は、金属マトリクスと、この金属マトリクス中に埋設された複数本の超電導フィラメントとを具備する交流用酸化物超電導テープ線材であって、熱処理を施した後のツイスト加工により、前記超電導フィラメントに、下記式を満たすツイストピッチL でツイストを施したことを特徴とする交流用酸化物超電導線材を提供する。
【0016】
2Lc1<Lp ≦2Lc2
c1=2{(2ρ・dft・Jc )/(μo ・dH/dt)}1/2
c2=2{(2ρ・dbt・Jcb)/(μo ・dH/dt)}1/2
(式中、ρは金属マトリクスの比抵抗(Ω・m)、dftは超電導フィラメントの厚さ(m)、dbtは超電導フィラメント群の厚さ(m)、Jc は超電導フィラメントの臨界電流密度(A/m2 )、Jcbは超電導フィラメント群の臨界電流密度(A/m2 )、μo は真空の透磁率(H/m)、dH/dtは磁界の変化速度(A/m/sec))
更に、本発明(請求項3)は、酸化物超電導体又はその前駆体の圧縮粉体からなる複数本の棒状体を、マトリクス金属中に配置して、伸線加工を施す工程と、該伸線加工を施した複合線材に熱処理を施す工程と、該熱処理を施した複合線材にツイスト加工を施す工程と、該ツイスト加工を施した複合線材を伸線加工または圧延加工と熱処理とを繰り返して施す工程とを具備することを特徴とする交流用酸化物超電導線材(請求項1または2)の製造方法を提供する。ここで、前駆体とは、後処理により酸化物超電導体となり得るものを言う。
【0017】
更にまた、本発明(請求項4)は、中心部材の周囲に、複数本の交流用酸化物超電導線材(請求項1または請求項2)を、複数層にわたって配置してなる交流用酸化物超電導ケーブルであって、前記Lp を、外層にいくほど前記2Lc1に近く設定し、かつ内層にいくほど前記2Lc2に近く設定したことを特徴とする交流用酸化物超電導ケーブルを提供する。
【0018】
本発明の交流用酸化物超電導線材の特徴は、超電導フィラメントのツイストピッチLp を、式2Lc1<Lp ≦2Lc2を満たすようにしたことにあるが、臨界電流が低下しない程度のピッチで、できるだけ2Lc1に近く設定することが望ましい。
【0019】
なお、Lp が2Lc1以下では、ツイストを施すことが非常に困難となり、また、臨界電流が低下し易くなる。一方、2Lc2を越えると、交流損失を低減するという本発明の効果を得ることが出来ない。
【0020】
本発明の交流用酸化物超電導線材に使用可能な酸化物超電導体の種類は、特に限定されないが、好ましいものとして、ビスマス系、イットリウム系、タリウム系等の臨界温度の高い超電導体等を挙げることが出来る。
【0021】
また、本発明の交流用酸化物超電導線材に使用可能な金属マトリクスとしては、銀、またはAg−Au、Ag−Cu、Ag−Mgなどの銀合金等を挙げることができる。
【0022】
更に、本発明の交流用酸化物超電導ケーブルに使用可能な中心部材としては、ステンレス製やアルミニウム製の可とう性のある中空部材等を挙げることができる。
【0023】
また、本発明の交流用酸化物超電導ケーブルにおいて、各層の電流密度を一様にするために、各層間に絶縁材を介在させることが好ましく、そのような絶縁材として、ポリイミド系のフィルム等を挙げることができる。
【0024】
以上のように構成される本発明の交流用酸化物超電導線材によれば、酸化物超電導線材の超電導フィラメントのツイストピッチを所定範囲内としているので、ツイストを容易に施すことができるとともに、臨界電流の低下を抑えつつ、交流損失を低減することが可能である。
【0025】
また、本発明の交流用酸化物超電導線材の製造方法によれば、ツイスト加工を施す前に加熱処理を施しているので、酸化物超電導線材に小ピッチのツイストを施した際の臨界電流の低下を抑えることが可能である。
【0026】
さらに、本発明の交流用酸化物超電導ケーブルによると、ケーブルの定格通電時において各層の線材の交流損失が等しくなるようにツイストピッチを選択した交流用酸化物超電導線材を用いているので、各層の通電電流が偏流するのを抑制し、異常な交流損失の増大を防止することができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る酸化物超電導丸線材を示す図であり、図1(a)は、断面構造を示し、図1(b)は、酸化物超電導丸線材の内の1本の超電導フィラメントのツイスト状態を示している。
【0028】
図1において、超電導フィラメント1は、酸化物超電導体からなり、その複数本を、銀等よりなる金属マトリクス2中に埋め込むことにより、酸化物超電導体が構成されている。そして、金属マトリクス2に埋め込まれている各超電導フィラメント1は、所定のピッチLp でツイストが施されている。この酸化物超電導丸線材の臨界長さLc は、下記式で与えられる。
【0029】
c =2{(2ρ・df ・Jc )/(μo ・dH/dt)}1/2
一方、このような超電導線材においては、マトリクス比(超電導フィラメントの体積を1としたときの金属マトリクスの体積比)を小さくするほど臨界電流を大きくすることができ、また、フィラメント径を小さくするほど交流損失が小さくなることが知られている。そこで、マトリクス比を小さくしながら、フィラメント径を小さくし、その分、超電導フィラメントの本数を多くすると、超電導フィラメント同士の間隔が小さくなる。そのような線材に伸線加工や熱処理を施すと、超電導フィラメントが変形して、部分的に超電導フィラメント同士が非常に接近したり、接触したりする。これは、外部磁界中で電磁気的にフィラメントが結合し易い部分とそうでない部分をつくり、超電導フィラメントの径が実質的に大きくなって、等価的なフィラメント径deff が実際のフィラメント径df よりも大きくなること、等価的な臨界電流密度JceffがフィラメントのJc よりも小さくなることに相当する。その結果、等価的な臨界長さLceffが大きくなって、下記式に示すようになる
ceff=2{(2ρdeff ・Jceff)/(μo ・dH/dt)}1/2
等価的なフィラメント径deff は、超電導フィラメント1の実際のフィラメント径df と超電導フィラメント群の径db の間の値となる。また、JceffがJc とJcbの間の値となる。したがって、等価的な臨界長さLceffは、次のLc1とLc2の間の値となる。
【0030】
c1=2{(2ρ・df ・Jc )/(μo ・dH/dt)}1/2
c2=2{(2ρ・db ・Jcb)/(μo ・dH/dt)}1/2
ただし、db は超電導フィラメント群の径(m)、Jcbは超電導フィラメント群の臨界電流密度(A/m2 )である。
【0031】
上記式に示すように、Lc1およびLc2は、線材が使用される磁界の変化速度を考慮して求められるものである。
なお、超電導フィラメント1の径df は、実測してもよいが、下記式によっても与えられる。
【0032】
f =d/{(1+λ)N}1/2
(式中、dは線材の外径(m)、λはマトリクス比、Nは超電導フィラメント1の本数を示す。)
また、臨界電流密度Jc は、下記式により与えられる。
【0033】
c =Ic (1+λ)/(πd2 /4)
(式中、Ic は線材の臨界電流(A)である。)
そしてまた、超電導フィラメント群の臨界電流密度Jcbは、下記式により与えられる。
【0034】
cb=Ic /(πdb 2 /4)
図2は、本発明の他の実施形態に係る酸化物超電導テープ線材を示す図である。このような酸化物超電導テープ線材においても、超電導フィラメント1にピッチLp でツイストが施されている。この場合、超電導フィラメント1の径df の代わりに、その線材に印加される磁場に面した超電導フィラメント1の厚さdftを用いる。また、超電導フィラメント群db の径の代わりに、その線材に印加される磁場に面した超電導フィラメント群の厚さdbtを用いる。
【0035】
そして、超電導フィラメントの厚さdftは、テープ線材が丸線材を圧延や伸線して成形される関係上、線材内の各超電導フィラメント1でばらつきが出るため、平均的な値を式を用いて求める。
【0036】
本願発明において、線材超電導フィラメントおよび超電導フィラメント群の厚さとは、ツイストピッチの方向(臨界長さの方向、線材の長さ方向)と使用時に加わる変動磁界の方向とを含む面に対して直交する方向に計測した寸法を言う (図1,2,7〜9参照)。
【0037】
超電導フィラメント1の厚さdftは、下記式により与えられる。
ft=t/{(1+λ)N}1/2
(式中、tは線材の厚さ(m)である。)
また、臨界電流密度Jc は、下記式により与えられる。
【0038】
c =Ic (1+λ)/tw
(式中、wは線材の幅(m)である。)
更に、超電導フィラメント群の臨界電流密度Jcbは、下記式により与えられる。
【0039】
cb=Ic /dbtbw
(式中、dbt,dbwは、それぞれ超電導フィラメント群の厚さ及び幅である。)
なお、超電導フィラメント群の径および厚さは、以下のようにして求めることができる。
【0040】
(1)線材の断面をとって実測する。
一方の超電導フィラメントと、これと180°回転対象の位置にある超電導フィラメントの外側間の距離を、群の径および厚さとする(図1(a),図2(a)参照)。
【0041】
超電導フィラメント群の厚さは、線材の長さ方向と直交する断面中、最も厚い部分で実測した値を用いる。その理由は、厚い部分が錯交する磁束が最も多く、線材の交流損失の大きさには、この部分の影響が最も大であるからである。
【0042】
(2)計算により算出する。
ここで丸線材を例にとって説明する。
交流用酸化物超電導線材を製造する際に最後に用いた管の外径寸法(D0 )で、その中に納められた線材の集合体の外径Di を除した値に、最終線材の外径dをかけることにより算出する。db =d×Di /D0
なお、納められた線材の集合体の外径Di の代わりに、最後に用いた管の内径(直径)を用いて概算することもできる。
【0043】
【実施例】
実施例1
(Bi+Pb):Sr:Ca:Cu=2:2:2:3の組成に調製された酸化物超電導体の圧縮混合粉体を外径10mmの棒状に成形し、内径10.5mm、外径15mmの銀管に挿入し、複合体を得た。この複合体を伸線機によって対辺寸法2.0mmの六角線材に加工した。この六角線材19本を内径11mm、外径15mmの銀管に挿入し、線径1.5mmまで伸線加工を施した。
【0044】
次いで、300℃×1時間の熱処理を施した後、3mm〜90mmのピッチでツイスト加工を施した。その後、圧延または伸線と熱処理を繰り返し、厚さ0.24mm,幅3.3mmのテープ線材と、外径1mmの丸線材とに加工した。この時のテープ線材のフィラメント厚さは26μmであり、丸線材のフィラメント径は110μmであった。また、銀比は3.5であり、最終的なツイストピッチは7mm〜200mmとなった。
【0045】
実施例2
中心部材に実施例1で示した手順で作製した、複数本の酸化物超電導テープ線3を、複数層にわたって巻き付けて、交流用酸化物超電導ケーブルを作製した。即ち、図3に示すように、外径30mmφの中心部材4に、酸化物超電導テープ3を、各層間に厚さ0.35mmの絶縁材5を介在させて、螺旋状に5層巻き付け、外径35.2mmφの酸化物超電導ケーブルを作製した。
【0046】
この酸化物超電導ケーブルでは、最内層の1層目から最外層の5層目まで、順に29,30,31,32,33枚の酸化物超電導テープ3が配置されており、合計155枚のテープ線3を使用した。ケーブルの臨界電流をテープ線の臨界電流の本数倍で見積もると、2325Aとなる。このケーブルの定格交流通電電流(50Hz)をピーク値1000Aに設定し、定格通電時の磁場計算を各素線の通電電流が同じ場合(各層の通電電流密度が同じ場合)について行った。求めた各層の酸化物超電導テープ3に印加される平均的な磁場変化速度から、それぞれのテープに対するLc1とLc2を求めた。
【0047】
各層のテープ線材の超電導フィラメントの電磁気的結合状態を調節し、それらの交流損失が等しくなるように各層のテープのツイストピッチを最内層の1層目から最外層の5層目まで順に、44mm,23mm,16mm,12mm,9mmに設定した。これらのツイストピッチは、外層ほど2Lc1に近く、かつ内層ほど2Lc2に近くなるように設定されている。
【0048】
従来例
(Bi+Pb):Sr:Ca:Cu=2:2:2:3の組成に調製された酸化物超電導体の圧縮混合粉体を、外径10mmの棒状に成形し、内径10.5mm、外径15mmの銀管に挿入し、複合体を得た。この複合体を伸線機によって対辺寸法2.0mmの六角線材に加工した。この六角線材19本を、内径11mm、外径15mmの銀管に挿入し、線径1.5mmまで伸線加工を施した。
【0049】
その後、圧延または伸線と熱処理を繰り返し、厚さ0.24mm,幅3.3mmのテープ線材と、外径1mmの丸線材とに加工した。この時のテープ線材のフィラメント厚さは26μm、丸線材のフィラメント径は110μm、銀比は3.5であった。
【0050】
比較例
(Bi+Pb):Sr:Ca:Cu=2:2:2:3の組成に調製された酸化物超電導体の圧縮混合粉体を、外径10mmの棒状に成形し、内径10.5mm、外径15mmの銀管に挿入し、複合体を得た。この複合体を伸線機によって対辺寸法2.0mmの六角線材に加工した。この六角線材19本を、内径11mm、外径15mmの銀管に挿入し、線径1.5mmまで伸線加工を施した。次いで、熱処理なしで、3mm〜90mmのピッチでツイスト加工を施した。
【0051】
その後、圧延または伸線と熱処理を繰り返し、厚さ0.24mm,幅3.3mmのテープ線材と、外径1mmの丸線材とに加工した。この時のテープ線材のフィラメント厚さは26μmで、丸線材のフィラメント径は110μmであった。また、銀比は3.5であり、最終的なツイストピッチは7mm〜200mmとなった。
【0052】
作製した線材の交流損失を磁化法を用いて測定した。測定条件は、磁場振幅を30mTに固定し、周波数を変えることによって、磁場変化速度μo ・dH/dtを変化させた。サンプルは、長さ40mmの線材を75本束ねたもので、線材間は絶縁すると共に、サンプルの端部は超電導フィラメント同士の接触がないように研磨した。なお、変動磁場は線材長手方向に対して垂直に印加し、テープ線材の幅広面に対して平行に印加した。一方、臨界電流(自己磁場、77K)を4端子法で測定した。また、臨界電流は電圧タップ間に1μV/cmの電圧が発生したときの電流値で定義した。
【0053】
図4に、実施例のテープ線材の交流損失のツイストピッチ依存性を、従来例の交流損失で規格化して示す。図4において、点線Aはμo ・dH/dt=1T/sにおける2Lc1、点線Bはμo ・dH/dt=1T/sにおける2Lc2、実線Cはμo ・dH/dt=0.1T/sにおける2Lc1、実線Dはμo ・dH/dt=0.1T/sにおける2Lc2をそれぞれ示している。
【0054】
なお、2Lc1、2Lc2は、以下のようなテープ線材の各パラメーターの計算結果を基に求めた。
c =15×{1/(0.24×3.3×10-6)}×(1+3.5)
=85.2×106 [A/m2
f =26×10-6[m]
λb =(152 −10.52 )/102 =1.148
cb=15×{1/(0.24×3.3×10-6)}×(1+1.148)
=40.7×106 [A/m2
ρ=2.5×10-9(Ω・m)
(77Kにおける銀の比抵抗)
f =t/{(1+λ)N}1/2
=0.24×10-3/{(1+3.5)×19}1/2
=2.6×10-5m=26μm
なお、λb は、フィラメント群の面積を1としたときのマトリクス部分の面積を示す。
【0055】
これらのパラメータを下記式に代入することにより、臨界長さLc を求めることができる。
c =2{(2ρ・df ・Jc )/(μo ・dH/dt)}1/2
(1)μo ・dH/dt=1T/sにおける2Lc1は、0.0133
図4において、点線Aで示される。
【0056】
(2)μo ・dH/dt=1T/sにおける2Lc2は、0.0228
図4において、点線Bで示される。
(3)μo ・dH/dt=0.1T/sにおける2Lc1は、0.042
図4において、実線Cで示される。
【0057】
(4)μo ・dH/dt=0.1T/sにおける2Lc2は、0.072
図4において、実線Dで示される。
図4から明らかなように、μo ・dH/dt=1T/sのときも、μo ・dH/dt=0.1T/sのときも、2Lc1<Lp <2Lc2の領域でツイストピッチが小さくなるほど交流損失が小さくなっている。また、磁場変化速度μo ・dH/dtが大きくなるほど、Lc1,Lc2が小さくなる側にシフトするので、フィラメントの電磁的結合が顕著となり、交流損失が増大しているのが分かる。このように、Lc1の2倍より大きいツイストピッチであっても、Lc2の2倍以下のピッチであれば、フィラメントの電磁的結合による交流損失の増大を抑制することができる。
【0058】
以上の交流損失の低域効果は、丸線材においても同様に確認された。
次に、図5に、実施例と比較例における臨界電流のツイストピッチ依存性を、それぞれのツイストを施さない場合の臨界電流で規格化して示す。なお、ツイストを施さない状態での臨界電流は、実施例のテープ線材が15A、実施例の丸線材が5Aで、比較例のテープ線材と丸線材の臨界電流もそれらとほぼ同じであった。
【0059】
図5から明らかなように、実施例のテープ線材においては、ツイストピッチが小さくなっても臨界電流の低下はほとんどなく、ほぼ一定である。それに対して、比較例のテープ線材においては、ピッチが約20mm以下の領域では、ツイストピッチが小さくなるほど臨界電流が小さくなっている。同様に、実施例における丸線材の臨界電流も、ツイストピッチが小さい場合においても臨界電流の低下がほとんどない。これに対して、比較例の丸線材は、ピッチが約15mm以下で臨界電流の低下が生じている。このことから、ツイスト加工前の適度な熱処理は、ツイスト加工性を向上させ、線材のツイストによる臨界電流の低下を抑制していることが分かる。
【0060】
なお、ツイスト加工前の熱処理の温度及び時間として、上記実施例では、それぞれ300℃,1時間としたが、必ずしもそれに限定されず、加熱温度は200℃〜400℃、加熱時間は3時間以下の範囲で適宜最適な温度及び時間を設定するのが望ましい。
【0061】
一方、実施例2で示した酸化物超電導ケーブルの定格通電(1000A)時の交流損失をロックインアンプを用いた4端子法により測定した。ケーブルの交流損失の測定値は、素線における通電損失と磁化損失の計算値を、使用した素線の本数倍した値とほぼ一致した。これは、各層の交流損失がほぼ等しくなることによって各層における偏流が抑制されたため異常な交流損失の増大が発生しなかったためであると考えられる。
【0062】
実施例3
中心部材に複数本の素線を絶縁材を介して複数層にわたって巻き付けたケーブルの種々の例を図6〜図9に示す。図6〜図9において、(a)は斜視図、(b)は断面図、(c),(d)は線材1本を取り出して示す斜視図である。なお、図6は、丸線材を用いた例、図7〜図9は、テープ線材を用いた例をそれぞれ示す。また、図中、Bは外部磁界(変動磁界の方向)、iは電流をそれぞれ示す。
【0063】
図6は、円筒状の中心部材に複数本の丸棒線材を複数層にわたって巻き付けたケーブル、図7は、円筒状の中心部材に複数本のテープ線材を、テープの幅広の面が中心部材に接するように、複数層にわたって巻き付けたケーブル、図8は、円筒状の中心部材に複数本のテープ線材を、テープの幅狭の面が中心部材に接するように、放射状に、複数層にわたって巻き付けたケーブル、図9は、平板状の中心部材の周囲に、複数本のテープ線材を、複数層にわたって配置したケーブルをそれぞれ示す。なお、図9(c)は、中心部材の上下面に配置された1本のテープ線材を、図9(d)は、中心部材の側方に配置された1本のテープ線材をそれぞれ示す。
【0064】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の交流用酸化物超電導線材によれば、酸化物超電導線材の超電導フィラメントのツイストピッチを所定範囲内としているので、ツイストを容易に施すことができるとともに、臨界電流の低下を抑えつつ、交流損失を低減することが可能である。
【0065】
また、本発明の交流用酸化物超電導線材の製造方法によれば、ツイスト加工を施す前に加熱処理を施すことにより、酸化物超電導線材に小ピッチのツイストを施した際の臨界電流の低下を抑えることが可能である。
【0066】
さらに、本発明の交流用酸化物超電導ケーブルによると、ケーブルの定格通電時において各層の線材の交流損失が等しくなるようにツイストピッチを選択した交流用酸化物超電導線材を用いているので、各層の通電電流が偏流するのを抑制し、異常な交流損失の増大を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る酸化物超電導丸線材を示す図。
【図2】本発明の他の実施形態に係る酸化物超電導テープ線材を示す図。
【図3】本発明の更に他の実施形態に係る酸化物超電導ケーブルを示す図。
【図4】ツイストピッチに対する交流損失の変化を示す特性図。
【図5】ツイストピッチに対する臨界電流の変化を示す特性図。
【図6】本発明の酸化物超電導ケーブルの一例を示す図。
【図7】本発明の酸化物超電導ケーブルの一例を示す図。
【図8】本発明の酸化物超電導ケーブルの一例を示す図。
【図9】本発明の酸化物超電導ケーブルの一例を示す図。
【図10】酸化物超電導線材の結合電流を説明する図。
【符号の説明】
1…超電導フィラメント
2…金属マトリクス
3…超電導テープ線材
4…中心部材
5…絶縁材
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an oxide superconducting wire, and more particularly to an oxide superconducting wire for alternating current having a large critical current and reduced alternating current loss, a method for manufacturing the same, and an oxide superconducting wire cable for alternating current.
[0002]
[Prior art]
In oxide superconducting wires with a large number of superconducting filaments embedded in a metal matrix, AC loss can be reduced by reducing the diameter of each superconducting filament and increasing the specific resistance of the metal matrix. It is known to reduce the pitch of the twist applied to each superconducting filament.
[0003]
Here, the relationship between the magnitude of the twist pitch and the AC loss will be described.
FIG. 10 is a diagram for explaining the coupling current. In FIG. 10, reference numeral 1 denotes a superconducting filament, and 2 denotes a metal matrix.
[0004]
When a magnetic field is applied to the superconductor, the shielding current flows in a loop shape, preventing the magnetic flux from entering the inside. The purpose of increasing the number of cores is to facilitate the penetration of magnetic flux into the interior and improve the stability by allowing the shield current to flow back through the individual superconducting filaments. Immediately after that, as indicated by an arrow in FIG. 10A, a shielding current can flow through the portion of the metal matrix 2 between the superconducting filaments 1 and 1. This shielding current will eventually be attenuated by the resistance of the metal matrix 2. However, if the wire becomes long, the inductance of the shielding current loop increases, and it takes time to attenuate the shielding current. This state is called electromagnetic coupling. When in this coupled state, it behaves like an integrated superconductor and the effect of multi-core is lost.
[0005]
In order to reduce this electromagnetic coupling, it is effective to twist the superconducting filament 1. When the twist is applied, as shown in FIG. 10 (b), the shield current is circulated in a region of ½ of the twist pitch, the shield current loop inductance is reduced, and the decay of the shield current is accelerated. . And if the decay rate becomes shorter than the fluctuation period of the magnetic field, the above-mentioned coupled state is prevented. Critical length L at which the decay of the shield current is shorter than the fluctuation period of the magnetic fieldc Is the specific resistance ρ of the metal matrix 2 and the diameter d of the superconducting filament 1f , Critical current density Jc , Determined by the change rate dH / dt of the external magnetic field, and is expressed by the following equation.
[0006]
Lc = 2 {(2ρ · df ・ Jc ) / (Μo DH / dt)}1/2
That is, this critical length Lc By twisting the superconducting filament 1 at a pitch of 2 times or less of this, it is possible to prevent the coupling current from flowing and reduce the AC loss.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the oxide superconducting wire, the critical length Lc There is a problem that it is very difficult to twist the superconducting filament 1 with a pitch of 2 times or less. For example, the specific resistance is 2.5 × 10 which is a general oxide superconducting wire.-9Oxide superconducting multi-core tape wire with Ω · m silver as metal matrix 2 (tape thickness 0.25mm, tape width 3mm, superconducting filament thickness 15μm, critical current density Jc = 10Four A / cm2 ), Change rate μo When an alternating magnetic field of dH / dt = 1.2 T / sec is applied in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the wire and parallel to the wide surface of the wire, the critical length Lc Is 5 mm, and the twist pitch needs to be 10 mm or less, which is twice that of the twist pitch. Moreover, in an actual high-current AC cable or an AC coil generating a high magnetic field, the critical length Lc Becomes even smaller.
[0008]
However, such a critical length L can be reduced to a practical size oxide superconducting wire.c It is extremely difficult to twist with a pitch of 2 times or less. Therefore, in the conventional oxide superconducting wire, Lc When twist processing cannot be performed at a pitch of 2 times or less, the AC loss increases due to the electromagnetic coupling of the superconducting filament 1, and therefore it was considered that the effect of reducing the AC loss due to the twist cannot be expected.
[0009]
On the other hand, there is an AC oxide superconducting cable in which a plurality of AC oxide superconducting wires are wound around a central member over a plurality of layers. In such an oxide superconducting cable for alternating current, when the impedance (sum of resistance and inductance) of each layer is different, a larger amount of alternating current flows in the layer with lower impedance, resulting in drift and an abnormal increase in alternating current loss. In order to align the impedance of each layer, there are various methods for adjusting and aligning only the inductance component of each layer, but no practical method for aligning the resistance component of each layer has been known so far.
[0010]
Here, the case where the inductance of each layer is made uniform, the ratio of the energization current to the critical current of each wire is made equal, and the energization current density of each layer is made equal is considered. Since the outer layer has a stronger self-magnetic field and an AC loss (resistance component) due to magnetization increases, the impedance increases even if the inductance components are equal. Therefore, a large amount of current flows through the wire disposed in the inner layer having a relatively low impedance, and the AC loss in the inner layer increases. This time, a large amount of current will flow through the wire disposed in the outer layer with relatively low impedance, and the drift phenomenon will continue. This causes an abnormal increase in AC loss of the entire cable.
[0011]
The present invention has been made under the circumstances as described above, and an object of the present invention is to provide an oxide superconducting wire for AC that suppresses a decrease in critical current and significantly reduces AC loss.
[0012]
Another object of the present invention is to provide a method for producing an oxide superconducting wire for alternating current that suppresses a decrease in critical current and significantly reduces alternating current loss.
Still another object of the present invention is to provide an oxide superconducting cable for AC that suppresses a decrease in critical current and significantly reduces AC loss.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has intensively studied, and as a result, by making the superconducting filament twist pitch within a predetermined range, it is possible to easily perform twisting while suppressing a decrease in critical current. It was found that AC loss can be reduced. The present invention is based on such knowledge.
[0014]
  That is, the present invention (Claim 1) is an oxide superconducting round wire rod for alternating current comprising a metal matrix and a plurality of superconducting filaments embedded in the metal matrix,By twisting after heat treatment,Twist pitch L satisfying the following formula for the superconducting filamentp Provided is an oxide superconducting wire for alternating current, characterized by being twisted in
[0015]
     2Lc1<Lp ≦ 2Lc2
     Lc1= 2 {(2ρ · df ・ Jc ) / (Μ0 DH / dt)}1/2
     Lc2= 2 {(2ρ · db ・ Jcb) / (Μ0 DH / dt)}1/2
    (Where ρ is the specific resistance of the metal matrix (Ω · m), df Is the diameter of the superconducting filament (m), db Is the diameter of superconducting filaments (m), Jc Is the critical current density of the superconducting filament (A / m2), JcbIs the critical current density of superconducting filaments (A / m2), Μ0 Is the vacuum permeability (H / m), dH / dt is the magnetic field change rate (A / m / sec))
  Moreover, the present invention (Claim 2) is an oxide superconducting tape wire for alternating current comprising a metal matrix and a plurality of superconducting filaments embedded in the metal matrix,By twisting after heat treatment,Twist pitch L satisfying the following formula for the superconducting filamentp Provided is an oxide superconducting wire for alternating current, characterized by being twisted in
[0016]
2Lc1<Lp ≦ 2Lc2
Lc1= 2 {(2ρ · dft・ Jc ) / (Μo DH / dt)}1/2
Lc2= 2 {(2ρ · dbt・ Jcb) / (Μo DH / dt)}1/2
(Where ρ is the specific resistance of the metal matrix (Ω · m), dftIs the thickness of the superconducting filament (m), dbtIs the thickness of superconducting filaments (m), Jc Is the critical current density of the superconducting filament (A / m2 ), JcbIs the critical current density of superconducting filaments (A / m2 ), Μo Is the vacuum permeability (H / m), dH / dt is the magnetic field change rate (A / m / sec))
Furthermore, the present invention (Claim 3) includes a step of arranging a plurality of rod-shaped bodies made of a compressed powder of an oxide superconductor or a precursor thereof in a matrix metal and performing a wire drawing process, A step of heat-treating the composite wire subjected to the wire processing, a step of twisting the composite wire subjected to the heat treatment, and drawing or rolling the composite wire subjected to the twist processing and heat treatment are repeated. A method for producing an oxide superconducting wire for alternating current (Claim 1 or 2). Here, a precursor means what can become an oxide superconductor by post-processing.
[0017]
Furthermore, according to the present invention (Claim 4), a plurality of AC superconducting wires for AC (Claim 1 or 2) are arranged over a plurality of layers around the central member. Cable, said Lp 2L to the outer layerc12Lc2Provided is an oxide superconducting cable for alternating current, characterized in that it is set close to.
[0018]
The feature of the oxide superconducting wire for alternating current of the present invention is the twist pitch L of the superconducting filament.p To the expression 2Lc1<Lp ≦ 2Lc22L as much as possible with a pitch that does not decrease the critical current.c1It is desirable to set it close to.
[0019]
Lp Is 2Lc1In the following, it becomes very difficult to apply twist, and the critical current tends to decrease. On the other hand, 2Lc2If it exceeds, the effect of the present invention of reducing AC loss cannot be obtained.
[0020]
The kind of oxide superconductor that can be used in the oxide superconducting wire for AC of the present invention is not particularly limited, but preferable examples include superconductors having a high critical temperature such as bismuth, yttrium, and thallium. I can do it.
[0021]
Moreover, as a metal matrix which can be used for the oxide superconducting wire for alternating current of this invention, silver alloys, such as silver or Ag-Au, Ag-Cu, Ag-Mg, etc. can be mentioned.
[0022]
Furthermore, examples of the central member that can be used in the oxide superconducting cable for AC of the present invention include a flexible hollow member made of stainless steel or aluminum.
[0023]
In addition, in the oxide superconducting cable for alternating current of the present invention, in order to make the current density of each layer uniform, it is preferable to interpose an insulating material between each layer, and as such an insulating material, a polyimide film or the like is used. Can be mentioned.
[0024]
According to the oxide superconducting wire for alternating current of the present invention configured as described above, since the twist pitch of the superconducting filament of the oxide superconducting wire is within a predetermined range, the twist can be easily applied and the critical current can be applied. It is possible to reduce the AC loss while suppressing the decrease in.
[0025]
In addition, according to the method for manufacturing an oxide superconducting wire for alternating current of the present invention, since the heat treatment is performed before the twist processing, the critical current is reduced when the oxide superconducting wire is twisted at a small pitch. Can be suppressed.
[0026]
Furthermore, according to the oxide superconducting cable for alternating current of the present invention, since the oxide superconducting wire for alternating current is used in which the twist pitch is selected so that the AC loss of the wire of each layer becomes equal at the rated energization of the cable, It is possible to suppress the bias of the energized current and prevent an abnormal increase in AC loss.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an oxide superconducting round wire according to an embodiment of the present invention, FIG. 1 (a) shows a cross-sectional structure, and FIG. 1 (b) shows an oxide superconducting round wire. The twist state of one superconducting filament is shown.
[0028]
In FIG. 1, a superconducting filament 1 is made of an oxide superconductor, and an oxide superconductor is formed by embedding a plurality of them in a metal matrix 2 made of silver or the like. Each superconducting filament 1 embedded in the metal matrix 2 has a predetermined pitch Lp The twist is given. The critical length L of this oxide superconducting round wirec Is given by:
[0029]
Lc = 2 {(2ρ · df ・ Jc ) / (Μo DH / dt)}1/2
On the other hand, in such a superconducting wire, the critical current can be increased as the matrix ratio (volume ratio of the metal matrix when the volume of the superconducting filament is 1) is decreased, and the filament diameter is decreased. It is known that AC loss is reduced. Therefore, if the filament diameter is reduced while the matrix ratio is reduced and the number of superconducting filaments is increased accordingly, the distance between the superconducting filaments is reduced. When wire drawing or heat treatment is applied to such a wire, the superconducting filaments are deformed, and the superconducting filaments are partially very close to each other or come into contact with each other. This creates a portion where the filaments are likely to be coupled electromagnetically in an external magnetic field and a portion where the filaments are not likely to be coupled, so that the diameter of the superconducting filament is substantially increased and the equivalent filament diameter deff Is the actual filament diameter df The equivalent critical current density JceffIs the filament Jc It corresponds to becoming smaller. As a result, the equivalent critical length LceffBecomes larger, as shown in the following formula
Lceff= 2 {(2ρdeff ・ Jceff) / (Μo DH / dt)}1/2
Equivalent filament diameter deff Is the actual filament diameter d of the superconducting filament 1f And the diameter d of the superconducting filament groupb Between the values. JceffIs Jc And JcbBetween the values. Therefore, the equivalent critical length LceffIs the next Lc1And Lc2Between the values.
[0030]
Lc1= 2 {(2ρ · df ・ Jc ) / (Μo DH / dt)}1/2
Lc2= 2 {(2ρ · db ・ Jcb) / (Μo DH / dt)}1/2
Where db Is the diameter of superconducting filaments (m), JcbIs the critical current density of superconducting filaments (A / m2 ).
[0031]
As shown in the above equation, Lc1And Lc2Is determined in consideration of the rate of change of the magnetic field in which the wire is used.
The diameter d of the superconducting filament 1f May be actually measured, but is also given by the following equation.
[0032]
df = D / {(1 + λ) N}1/2
(Where d is the outer diameter (m) of the wire, λ is the matrix ratio, and N is the number of superconducting filaments 1)
Also, the critical current density Jc Is given by:
[0033]
Jc = Ic (1 + λ) / (πd2 / 4)
(Wherein Ic Is the critical current (A) of the wire. )
And also the critical current density J of the superconducting filament groupcbIs given by:
[0034]
Jcb= Ic / (Πdb 2 / 4)
FIG. 2 is a diagram showing an oxide superconducting tape wire according to another embodiment of the present invention. Even in such an oxide superconducting tape wire, the pitch L is formed on the superconducting filament 1.p The twist is given. In this case, the diameter d of the superconducting filament 1f Instead of the thickness d of the superconducting filament 1 facing the magnetic field applied to the wire.ftIs used. Superconducting filament group db The thickness d of the superconducting filament group facing the magnetic field applied to the wire instead of the diameter ofbtIs used.
[0035]
And the thickness d of the superconducting filamentftSince the tape wire is formed by rolling or drawing a round wire, the superconducting filaments 1 in the wire vary, so an average value is obtained using an equation.
[0036]
In the present invention, the thicknesses of the wire superconducting filament and the superconducting filament group are orthogonal to the plane including the twist pitch direction (critical length direction, wire length direction) and the direction of the varying magnetic field applied during use. This refers to the dimension measured in the direction (see Figures 1, 2, 7-9).
[0037]
Superconducting filament 1 thickness dftIs given by:
dft= T / {(1 + λ) N}1/2
(In the formula, t is the thickness (m) of the wire.)
Also, the critical current density Jc Is given by:
[0038]
Jc = Ic (1 + λ) / tw
(In the formula, w is the width (m) of the wire.)
Furthermore, the critical current density J of the superconducting filament groupcbIs given by:
[0039]
Jcb= Ic / Dbtdbw
(Where dbt, DbwAre the thickness and width of the superconducting filament group, respectively. )
The diameter and thickness of the superconducting filament group can be obtained as follows.
[0040]
(1) A cross section of the wire is taken and measured.
The distance between one superconducting filament and the outside of the superconducting filament at the position to be rotated by 180 ° is defined as the diameter and thickness of the group (see FIGS. 1A and 2A).
[0041]
As the thickness of the superconducting filament group, a value measured at the thickest portion in the cross section orthogonal to the length direction of the wire is used. The reason is that the thick part has the most magnetic flux intermingled, and the influence of this part is the greatest on the magnitude of the AC loss of the wire.
[0042]
(2) Calculate by calculation.
Here, a round wire will be described as an example.
The outer diameter of the tube used lastly when manufacturing the oxide superconducting wire for alternating current (D0 ), The outer diameter D of the assembly of wire rods stored in thei This is calculated by multiplying the value obtained by dividing the outer diameter d of the final wire rod. db = D × Di / D0
In addition, the outer diameter D of the aggregate of stored wiresi Instead of, it is also possible to estimate using the inner diameter (diameter) of the last used tube.
[0043]
【Example】
Example 1
(Bi + Pb): Sr: Ca: Cu = 2: 2: 2: 3 oxide superconductor compressed mixed powder prepared in a composition having a 10 mm outer diameter and formed into a rod shape having an inner diameter of 10.5 mm and an outer diameter of 15 mm. Was inserted into a silver tube to obtain a composite. This composite was processed into a hexagonal wire having an opposite side dimension of 2.0 mm by a wire drawing machine. The 19 hexagonal wires were inserted into a silver tube having an inner diameter of 11 mm and an outer diameter of 15 mm, and the wire was drawn to a wire diameter of 1.5 mm.
[0044]
Next, after heat treatment at 300 ° C. for 1 hour, twist processing was performed at a pitch of 3 mm to 90 mm. Thereafter, rolling or wire drawing and heat treatment were repeated to process into a tape wire having a thickness of 0.24 mm and a width of 3.3 mm and a round wire having an outer diameter of 1 mm. The filament thickness of the tape wire at this time was 26 μm, and the filament diameter of the round wire was 110 μm. The silver ratio was 3.5, and the final twist pitch was 7 mm to 200 mm.
[0045]
Example 2
A plurality of oxide superconducting tape wires 3 produced by the procedure shown in Example 1 were wound around the central member over a plurality of layers to produce an oxide superconducting cable for alternating current. That is, as shown in FIG. 3, an oxide superconducting tape 3 is wound around a central member 4 having an outer diameter of 30 mmφ, and an insulating material 5 having a thickness of 0.35 mm is interposed between the layers, and five layers are spirally wound. An oxide superconducting cable having a diameter of 35.2 mmφ was produced.
[0046]
In this oxide superconducting cable, 29, 30, 31, 32, and 33 oxide superconducting tapes 3 are arranged in order from the first innermost layer to the fifth outermost layer, for a total of 155 tapes. Line 3 was used. When the critical current of the cable is estimated by the number of times of the critical current of the tape wire, it becomes 2325A. The rated AC energization current (50 Hz) of this cable was set to a peak value of 1000 A, and the magnetic field calculation at the time of rated energization was performed when the energization current of each strand was the same (when the energization current density of each layer was the same). From the obtained average magnetic field change rate applied to the oxide superconducting tape 3 of each layer, L for each tape is obtained.c1And Lc2Asked.
[0047]
By adjusting the electromagnetic coupling state of the superconducting filaments of the tape wires of each layer, the twist pitch of each layer of tape is 44 mm in order from the first innermost layer to the fifth outermost layer so that their AC losses are equal. It was set to 23 mm, 16 mm, 12 mm, and 9 mm. These twist pitches are 2L for the outer layer.c12L for the inner layerc2It is set to be close to.
[0048]
Conventional example
(Bi + Pb): Sr: Ca: Cu = 2: 2: 2: 3 oxide superconductor compressed mixed powder prepared in a composition having a 10 mm outer diameter and formed into a rod shape, 10.5 mm inner diameter, outer diameter It was inserted into a 15 mm silver tube to obtain a composite. This composite was processed into a hexagonal wire having an opposite side dimension of 2.0 mm by a wire drawing machine. Nineteen hexagonal wires were inserted into a silver tube having an inner diameter of 11 mm and an outer diameter of 15 mm, and were drawn to a wire diameter of 1.5 mm.
[0049]
Thereafter, rolling or wire drawing and heat treatment were repeated to process into a tape wire having a thickness of 0.24 mm and a width of 3.3 mm and a round wire having an outer diameter of 1 mm. At this time, the filament thickness of the tape wire was 26 μm, the filament diameter of the round wire was 110 μm, and the silver ratio was 3.5.
[0050]
Comparative example
(Bi + Pb): Sr: Ca: Cu = 2: 2: 2: 3 oxide superconductor compressed mixed powder prepared in a composition having a 10 mm outer diameter and formed into a rod shape, 10.5 mm inner diameter, outer diameter It was inserted into a 15 mm silver tube to obtain a composite. This composite was processed into a hexagonal wire having an opposite side dimension of 2.0 mm by a wire drawing machine. Nineteen hexagonal wires were inserted into a silver tube having an inner diameter of 11 mm and an outer diameter of 15 mm, and were drawn to a wire diameter of 1.5 mm. Next, twist processing was performed at a pitch of 3 mm to 90 mm without heat treatment.
[0051]
Thereafter, rolling or wire drawing and heat treatment were repeated to process into a tape wire having a thickness of 0.24 mm and a width of 3.3 mm and a round wire having an outer diameter of 1 mm. The filament thickness of the tape wire at this time was 26 μm, and the filament diameter of the round wire was 110 μm. The silver ratio was 3.5, and the final twist pitch was 7 mm to 200 mm.
[0052]
The AC loss of the produced wire was measured using a magnetization method. The measurement condition is that the magnetic field amplitude is fixed at 30 mT and the frequency is changed by changing the frequency.o -DH / dt was changed. The sample was a bundle of 75 wires having a length of 40 mm, the wires were insulated, and the ends of the sample were polished so that there was no contact between the superconducting filaments. The varying magnetic field was applied perpendicular to the longitudinal direction of the wire, and applied in parallel to the wide surface of the tape wire. On the other hand, the critical current (self magnetic field, 77K) was measured by the four-terminal method. The critical current was defined as a current value when a voltage of 1 μV / cm was generated between the voltage taps.
[0053]
FIG. 4 shows the twist pitch dependence of the AC loss of the tape wire of the example normalized by the AC loss of the conventional example. In FIG. 4, the dotted line A is μo ・ 2L at dH / dt = 1T / sc1, Dotted line B is μo ・ 2L at dH / dt = 1T / sc2, Solid line C is μo ・ 2L at dH / dt = 0.1 T / sc1, Solid line D is μo ・ 2L at dH / dt = 0.1 T / sc2Respectively.
[0054]
2Lc12Lc2Was determined based on the calculation results of each parameter of the tape wire as follows.
Jc = 15 × {1 / (0.24 × 3.3 × 10-6)} × (1 + 3.5)
= 85.2 × 106 [A / m2 ]
df = 26 × 10-6[M]
λb = (152 -10.52 ) / 102 = 1.148
Jcb= 15 × {1 / (0.24 × 3.3 × 10-6)} × (1 + 1.148)
= 40.7 × 106 [A / m2 ]
ρ = 2.5 × 10-9(Ω · m)
(Specific resistance of silver at 77K)
df = T / {(1 + λ) N}1/2
= 0.24 × 10-3/{(1+3.5)×19}1/2
= 2.6 × 10-Fivem = 26 μm
Λb Indicates the area of the matrix portion when the area of the filament group is 1.
[0055]
By substituting these parameters into the following equation, the critical length Lc Can be requested.
Lc = 2 {(2ρ · df ・ Jc ) / (Μo DH / dt)}1/2
(1) μo ・ 2L at dH / dt = 1T / sc1Is 0.0133
In FIG. 4, it is indicated by a dotted line A.
[0056]
(2) μo ・ 2L at dH / dt = 1T / sc2Is 0.0228
In FIG. 4, this is indicated by a dotted line B.
(3) μo ・ 2L at dH / dt = 0.1 T / sc1Is 0.042
In FIG. 4, this is indicated by a solid line C.
[0057]
(4) μo ・ 2L at dH / dt = 0.1 T / sc2Is 0.072
In FIG. 4, it is indicated by a solid line D.
As is clear from FIG.o ・ When dH / dt = 1T / s, μo ・ 2L even when dH / dt = 0.1 T / sc1<Lp <2Lc2In this region, the AC loss decreases as the twist pitch decreases. Magnetic field change rate μo ・ The larger dH / dt, the more Lc1, Lc2It can be seen that the electromagnetic coupling of the filament becomes remarkable and the AC loss is increased. Thus, Lc1Even if the twist pitch is larger than twice thec2If the pitch is twice or less, the increase in AC loss due to electromagnetic coupling of the filaments can be suppressed.
[0058]
The above low-frequency effect of AC loss was also confirmed in the round wire.
Next, FIG. 5 shows the twist pitch dependence of the critical current in the example and the comparative example, normalized by the critical current when each twist is not applied. In addition, the critical current in the state where twist was not applied was 15A for the tape wire of the example, and 5A for the round wire of the example, and the critical currents of the tape wire and the round wire of the comparative example were almost the same.
[0059]
As is apparent from FIG. 5, in the tape wire of the example, the critical current hardly decreases even when the twist pitch is reduced, and is almost constant. On the other hand, in the tape wire of the comparative example, the critical current decreases as the twist pitch decreases in the region where the pitch is about 20 mm or less. Similarly, the critical current of the round wire rods in the examples hardly decreases even when the twist pitch is small. On the other hand, the round wire of the comparative example has a decrease in critical current when the pitch is about 15 mm or less. From this, it can be seen that moderate heat treatment before twisting improves twist workability and suppresses a decrease in critical current due to twisting of the wire.
[0060]
In addition, although it was set as 300 degreeC and 1 hour in the said Example as the temperature and time of the heat processing before twist processing, respectively, it is not necessarily limited to this, Heating temperature is 200 degreeC-400 degreeC, and heating time is 3 hours or less It is desirable to set the optimal temperature and time appropriately within the range.
[0061]
On the other hand, the AC loss at the time of rated energization (1000 A) of the oxide superconducting cable shown in Example 2 was measured by a four-terminal method using a lock-in amplifier. The measured value of the AC loss of the cable almost coincided with the value obtained by multiplying the calculated values of the conduction loss and the magnetization loss of the strand by the number of the strands used. This is considered to be because an abnormal increase in AC loss did not occur because the AC loss in each layer was made substantially equal, thereby suppressing the drift in each layer.
[0062]
Example 3
Various examples of cables in which a plurality of strands are wound around a central member over a plurality of layers via an insulating material are shown in FIGS. 6 to 9, (a) is a perspective view, (b) is a cross-sectional view, and (c) and (d) are perspective views showing one wire taken out. 6 shows an example using a round wire, and FIGS. 7 to 9 show examples using a tape wire. In the figure, B represents an external magnetic field (the direction of a varying magnetic field), and i represents a current.
[0063]
FIG. 6 shows a cable in which a plurality of round rod wires are wound around a cylindrical central member over a plurality of layers. FIG. 7 shows a plurality of tape wires on a cylindrical central member, and the wide surface of the tape is a central member. FIG. 8 shows a cable wound around a plurality of layers so as to be in contact with each other. In FIG. FIG. 9 shows a cable in which a plurality of tape wires are arranged over a plurality of layers around a flat central member. 9C shows one tape wire disposed on the upper and lower surfaces of the center member, and FIG. 9D shows one tape wire disposed on the side of the center member.
[0064]
【The invention's effect】
As described above, according to the oxide superconducting wire for alternating current of the present invention, since the twist pitch of the superconducting filament of the oxide superconducting wire is within a predetermined range, the twist can be easily applied and the critical current can be reduced. The AC loss can be reduced while suppressing the decrease.
[0065]
In addition, according to the method for producing an oxide superconducting wire for alternating current of the present invention, the critical current can be reduced when a small pitch twist is applied to the oxide superconducting wire by performing heat treatment before twisting. It is possible to suppress.
[0066]
Furthermore, according to the oxide superconducting cable for alternating current of the present invention, since the oxide superconducting wire for alternating current is used in which the twist pitch is selected so that the AC loss of the wire of each layer becomes equal at the rated energization of the cable, It is possible to suppress the bias of the energized current and prevent an abnormal increase in AC loss.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an oxide superconducting round wire according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an oxide superconducting tape wire according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view showing an oxide superconducting cable according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing changes in AC loss with respect to twist pitch.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a change in critical current with respect to twist pitch.
FIG. 6 is a diagram showing an example of an oxide superconducting cable according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing an example of an oxide superconducting cable according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing an example of an oxide superconducting cable according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing an example of an oxide superconducting cable according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram for explaining a coupling current of an oxide superconducting wire.
[Explanation of symbols]
1 ... Superconducting filament
2 ... Metal matrix
3. Superconducting tape wire
4 ... Center member
5 ... Insulating material

Claims (4)

金属マトリクスと、この金属マトリクス中に埋設された複数本の超電導フィラメントとを具備する交流用酸化物超電導丸線材であって、熱処理を施した後のツイスト加工により、前記超電導フィラメントに、下記式を満たすツイストピッチL でツイストを施したことを特徴とする交流用酸化物超電導線材。
2Lc1<L ≦2Lc2
c1=2{(2ρ・df ・J )/(μ ・dH/dt)}1/2
c2=2{(2ρ・d ・Jcb)/(μ ・dH/dt)}1/2
(式中、ρは金属マトリクスの比抵抗(Ω・m)、df は超電導フィラメントの径(m)、d は超電導フィラメント群の径(m)、J は超電導フィラメントの臨界電流密度(A/m)、Jcbは超電導フィラメント群の臨界電流密度(A/m)、μ は真空の透磁率(H/m)、dH/dtは磁界の変化速度(A/m/sec))
An oxide superconducting round wire for alternating current comprising a metal matrix and a plurality of superconducting filaments embedded in the metal matrix, and the following formula is applied to the superconducting filament by twisting after heat treatment: AC oxide superconducting wire, characterized in that subjected to twist twist pitch L p satisfying.
2L c1 <L p ≦ 2L c2
L c1 = 2 {(2ρ · d f · J c ) / (μ 0 · dH / dt)} 1/2
L c2 = 2 {(2ρ · d b · J cb ) / (μ 0 · dH / dt)} 1/2
(Wherein the specific resistance (Omega · m of ρ metal matrix), d f is the diameter of the superconductive filaments (m), d b is the diameter of the superconductor filament group (m), J c is the superconducting filament critical current density ( A / m 2 ), J cb is the critical current density (A / m 2 ) of the superconducting filament group, μ 0 is the magnetic permeability (H / m) of vacuum, and dH / dt is the rate of change of the magnetic field (A / m / sec). ))
金属マトリクスと、この金属マトリクス中に埋設された複数本の超電導フィラメントとを具備する交流用酸化物超電導テープ線材であって、熱処理を施した後のツイスト加工により、前記超電導フィラメントに、下記式を満たすツイストピッチL でツイストを施したことを特徴とする交流用酸化物超電導線材。
2Lc1<L ≦2Lc2
c1=2{(2ρ・dft・J )/(μ・dH/dt)}1/2
c2=2{(2ρ・dbt・Jcb)/(μ・dH/dt)}1/2
(式中、ρは金属マトリクスの比抵抗(Ω・m)、dftは超電導フィラメントの厚さ(m)、dbtは超電導フィラメント群の厚さ(m)、J は超電導フィラメントの臨界電流密度(A/m )、Jcbは超電導フィラメント群の臨界電流密度(A/m )、μは真空の透磁率(H/m)、dH/dtは磁界の変化速度(A/m/sec))
An oxide superconducting tape wire for alternating current comprising a metal matrix and a plurality of superconducting filaments embedded in the metal matrix, and the following formula is applied to the superconducting filament by twisting after heat treatment: AC oxide superconducting wire, characterized in that subjected to twist twist pitch L p satisfying.
2L c1 <L p ≦ 2L c2
L c1 = 2 {(2ρ · d ft · J c ) / (μ 0 · dH / dt)} 1/2
L c2 = 2 {(2ρ · d bt · J cb ) / (μ 0 · dH / dt)} 1/2
(Wherein ρ is the specific resistance of the metal matrix (Ω · m), d ft is the thickness of the superconducting filament (m), d bt is the thickness of the superconducting filament group (m), and J c is the critical current of the superconducting filament. Density (A / m 2 ), J cb is the critical current density (A / m 2 ) of the superconducting filament group, μ 0 is the magnetic permeability (H / m) of the vacuum, and dH / dt is the rate of change of the magnetic field (A / m) / Sec))
酸化物超電導体又はその前駆体の圧縮粉体からなる複数本の棒状体を、マトリクス金属中に配置して、伸線加工を施す工程と、該伸線加工を施した複合線材に熱処理を施す工程と、該熱処理を施した複合線材にツイスト加工を施す工程と、該ツイスト加工を施した複合線材を伸線加工または圧延加工と熱処理とを繰り返して施す工程とを具備することを特徴とする、請求項1または2に記載の交流用酸化物超電導線材の製造方法。 A step of arranging a plurality of rod-shaped bodies made of a compressed powder of an oxide superconductor or a precursor thereof in a matrix metal and performing wire drawing, and heat-treating the composite wire subjected to the wire drawing And a step of twisting the composite wire subjected to the heat treatment, and a step of repeating the wire drawing or rolling and heat treatment of the composite wire subjected to the twist processing. The manufacturing method of the oxide superconducting wire for alternating currents of Claim 1 or 2. 中心部材の周囲に、複数本の、請求項1または請求項2に記載の交流用酸化物超電導線材を、複数層にわたって配置してなる交流用酸化物超電導ケーブルであって、前記L を、外層にいくほど前記2Lc1に近く設定し、かつ内層にいくほど前記2Lc2に近く設定したことを特徴とする交流用酸化物超電導ケーブル。An AC oxide superconducting cable in which a plurality of AC oxide superconducting wires according to claim 1 or 2 are arranged over a plurality of layers around a central member, wherein L p is An alternating-current oxide superconducting cable characterized by being set closer to the 2L c1 as it goes to the outer layer and set closer to the 2L c2 as it goes to the inner layer.
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