JP4215244B2

JP4215244B2 - コイル損失状態監視システム及びコイル損失測定方法

Info

Publication number: JP4215244B2
Application number: JP2003096928A
Authority: JP
Inventors: 文夫住吉; 奉文笠原
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP2004301757A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力貯蔵装置，変圧器，半導体単結晶引き上げ装置、限流器，ＭＲＩ（磁気共鳴映像装置），発電機，電動機などのコイル応用装置の動作時における超伝導コイルや常伝導コイルのコイル全体の損失を測定すると共に、このコイル応用装置の動作中におけるコイル全体の損失の経時的変化の監視、又は損失を生じたコイル部分の検出とその箇所に生じた損失を監視するようにしたコイル損失測定方法及びコイル損失監視システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コイルを応用した装置の基本性能の一つであるコイル損失を測定することは、コイル応用装置の効率の評価やコイル巻線の冷却方法の検討など、装置設計上重要である。また、コイル応用装置の運転初期または運転中におけるコイル損失の発生状況、またはコイル周辺の発生磁界分布を監視することは、コイル応用装置の正常な動作状態、所謂健全性を把握する上で重要である。コイル損失の測定法には、電気的測定法と熱的測定法がある。（例えば非特許文献１、ｐ．２９７−３００参照。）前者の電気的測定法としては、無誘導巻コイル法，ポインチングベクトル測定法，マグネット損失の電気的測定法，ｔａｎδ計法があり、この電気的測定法は一般に感度が良いとされるが、高い測定技術を必要とし、面倒なこともあって汎用的でない。一方後者の熱的測定法は、感度は悪いが簡便な方法があり汎用的である。
【０００３】
また、誘導コイルの損失測定法としては、同一交流電源に接続した被測定誘導コイルと、損失角が既知の標準コンデンサに得られる電気量の位相差角を時間に換算して測定し、この測定値から求めた位相差角から既知である前記標準コンデンサの損失角を減算した角度が、前記被測定誘導コイルの損失角を与えることを利用して誘導コイルの損失を測定する方法がある。（例えば特許文献１参照。）
【０００４】
超伝導コイルは、運転中突然に、その巻線中に常伝導領域が生じる不安定現象により発熱し、さらに進むと、超伝導コイルとしての機能が損なわれる深刻な事態（クエンチと呼ばれる）に至る。このような場合は成るべく早くコイルへの通電を止めることが重要で、そのタイミングが遅れると、コイル自体の焼損や絶縁破壊などの損傷に至る可能性がある。そのため、超伝導コイル装置には、その運転中の健全性を常時監視する装置と、異常が検出されたとき速やかにコイルを保護する装置の両方が不可欠である。
【０００５】
このようなコイル応用装置の運転中に生じるコイル損失の異常を監視する装置としては、例えば、超伝導コイルのコイル巻線を２つの部分に分け、そのほぼ中間のタップから引出した電圧リードを利用して、２つの部分のコイル端子間電圧のバランスのずれ（バランス電圧）を見ている。そのバランス電圧は、平常時にゼロ電圧に近づくよう設定されており、もし片方に突然常伝導領域が生じると大きな電圧が観測され、その異常状態の発生を知ることができる。（例えば非特許文献１、ｐ．２１４、図６．１３（ａ）参照。）
またそれに類する方法として、コイルの内側の穴の部分に、コイル両端の電圧端子とは絶縁された独立のピックアップコイルを２個設置して、それらのバランス電圧を観測する監視システムがある。
【０００６】
また、小さなコイルの場合には、電源自体がコイルの両端電圧の急激な変化を検出して、自動的に運転を中止するシステムも採用されている。
また、常伝導コイルや伝導冷却による超伝導コイルのように、コイル巻線部分の損失増大や常伝導領域が生じると、異常発熱となって結果的にコイルやそれに付随する構造材などの温度が上昇する。この温度変化を調べる監視システムもある。
また、アコースティックエミションによる監視システムの開発も行われている。これはコイルから発生する音の変化を利用したものである。現段階ではまだ、補助システムとしては使われているが、主システムとしての信頼性は得られていない。
【０００７】
【非特許文献１】
船木和夫・住吉文夫共著、「多芯線と導体」発行所産業図書株式会社、１９９５年４月３日、ｐ．２１４、図６．１３（ａ），ｐ２８５−３００
【特許文献１】
特公平８−２７３１０号公報（第１−２頁）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来コイル損失の異常を検知する監視システムは、例えば超伝導コイルのように容器内が極低温の場合のコイル損失を、容器の外から電気的に測定することはできなかった。また、１個又は複数のコイルの一部分で発生するコイル損失を選択的に電気的に測定することもできなかった。即ち、１個のコイルの一部分（例えば、２個のコイルが連結されて１個のコイル組立として構成されているものの一方のコイル）、又は複数のコイルが接続されている内の一部のコイルで発生する損失について、コイルの何処の箇所で異常が発生しているかを検知することはできなかった。また、従来はコイル自体に影響を及ぼすような測定方法により耐電圧性能を劣化させる場合があるなどの問題があった。
本発明は、これらの問題をすべて解決することができたコイル損失状態監視システム及びコイル損失測定方法を提供するものであり、これによりコイル又はコイル装置の健全性を調べることができる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願の第１の発明によるコイル損失状態監視システムは、コイル応用装置の運転状態における１個のコイル又は複数個のコイルが接続されたコイルの全部若しくは一部のコイルの被測定コイルの周囲を金属製部材で囲み、該金属製部材周面の複数の適宜の対象領域に磁界ベクトルと電界ベクトルの外積として得られるポインチングベクトルを測定するセンサーを配置し、該複数のセンサーにより検出されるポインチングベクトル値から前記被測定コイルのコイル損失状態を監視するようにしたものである。
【００１０】
本願の第２の発明によるコイル損失状態監視システムは、コイル応用装置の運転状態における１個のコイル又は複数個のコイルが接続されたコイルの全部若しくは一部のコイルの被測定コイルの周囲を金属製部材で囲み、該金属製部材周面の複数の適宜の対象領域に磁界ベクトルと電界ベクトルの外積として得られるポインチングベクトルを測定するセンサーを配置し、該複数のセンサーにより検出されるポインチングベクトル値の総和を所要のタイミングで検出し、該ポインチングベクトル値の総和から前記被測定コイルのコイル損失状態を監視するようにしたものである。
【００１１】
本願の第３の発明によるコイル損失状態監視システムは、コイル応用装置の運転状態における１個のコイル又は複数個のコイルが接続されたコイルの全部若しくは一部のコイルの被測定コイルの周囲を金属製部材で囲み、該金属製部材周面の複数の適宜の対象領域に磁界ベクトルと電界ベクトルの外積として得られるポインチングベクトルを測定するセンサーを配置し、該複数のセンサーの各出力を所要のタイミングで切り替えて該複数箇所のポインチングベクトル値を表示装置に該複数箇所毎に繰り返し表示するようにして、該複数箇所のポインチングベクトル値から前記被測定コイルのコイル損失状態を監視するようにしたものである。
【００１２】
本願の第４の発明によるコイル損失測定方法は、コイル応用装置の運転状態における１個のコイル又は複数個のコイルが接続されたコイルの全部若しくは一部のコイルの被測定コイルの周囲を金属製部材で囲み、該金属製部材周面の複数の適宜の対象領域に磁界ベクトルと電界ベクトルの外積として得られるポインチングベクトルを測定するセンサーを配置し、該複数のセンサーにより検出される各ポインチングベクトル値と該各ポインチングベクトルの対象領域の面積とから各ポインチングベクトル部のコイル損失を求め、該各ポインチングベクトル部のコイル損失の総和から前記被測定コイルの損失を求めるようにしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明によるコイル損失測定法及びコイル損失監視システムの基本的概念を説明する模式図を示す。図１において、１はコイル損失の測定対象の被測定コイル、２は被測定コイル１の周囲に設けられた球状（地球儀状）の金属製部材であり、例えば銅ホイルなどのように導電性の良い薄い金属が望ましい。ただし、他の金属であって、その板厚が薄くなくても測定はできる。
この球状の金属製部材２の外周面には、磁界ベクトルと電界ベクトルの外積からポインチングベクトルを測定するための磁界と電界を検出するセンサー３を複数設けてある。この球状の金属製部材２には、説明を容易にするため、図面に向かって上側を北極（North Pole），下側を南極（South Pole），右側を東（East），左側を西（West）として表してある。
【００１４】
ポインチングベクトルＰは、単位時間に単位面積を通過するエネルギーの流れの大きさであり、Ｐ＝Ｅ（電界）×Ｈ（磁界）で表される。従って、図２（ａ）に示すポインチングベクトルＰを検出するセンサー３は、図２（ｂ）（ｃ）に示すように、西向の電界Ｅｗと北向の磁界Ｈｎとの外積であるポインチングベクトルＰ1 を測定するセンサー３１（図２（ｂ））と、北向の電界と東向の磁界Ｈｅとの外積であるポインチングベクトルＰ2 を測定するセンサー３２（図２（ｃ））とにより構成されているものであり、ポインチングベクトルＰ1 とＰ2 とを積算したものである。このセンサー３を球状の金属製部材２の外周面に適宜数を配置して、センサー３を配置した各領域のポインチングベクトルの変化の有無により、コイル又はコイル応用装置の健全性を監視するものである。また、センサー３を配置した各領域の各ポインチングベクトル値とその対象領域の面積とからコイル損失を求め、各領域のコイル損失の総和から被測定コイル１全体のコイル損失を測定するものである。
【００１５】
次に、本発明の実施例に基づきコイル損失の測定方法を説明する。図３は被測定コイル１の周囲を球状の金属製部材２で囲ったもので、この金属製部材２の表面に、磁界を検出するピックアップコイル５ａ，５ｂと、電界を検出する電圧リード６ａ，６ｂとを、その一部についての配置を示したものである。
図３（ａ）は前述したポインチングベクトルＰ1 の測定と、図３（ｂ）はポインチングベクトルＰ2 の測定とを示すものであり、細い矢印は磁界の方向で太い矢印は電界の方向を示している。なお、金属製部材２の軸方向（北極と南極間）に１カ所だけスリット４を設けてある。このスリット４は、ポインチングベクトルＰ1 の電界を検出する距離が短くなるため、ほぼ全周に亘って電界を測定するように設けたものである。また、金属製部材２の赤道部分に、例えばゴムなどの絶縁部材９を挟み、北半球と南半球とを電気的に分離するようにし、被測定コイル１の抵抗で発生する電界を測定する。
【００１６】
図３（ａ）におけるポインチングベクトルＰ1 の測定においては、磁界Ｈｎを測定するピックアップコイル５ａ、…は横の円周方向に複数段設けられ、電界Ｅｗを測定する電圧リード６ａ、６ｂ，…はピックアップコイル５ａ，…設置位置とほぼ重なる箇所の円周方向の電界を測定するように各段毎に設けられている。この実施例の場合は金属製部材２が球状であるため、ポインチングベクトルＰ1 の測定における円周各位値の磁界Ｈｎと電界Ｅｗがほぼ均一であることから、それぞれ１個のピックアップコイル５ａと電圧リード６ａで測定するようにしているものである。ただし、基本的には金属製部材２の形状に基づいてポインチングベクトルを測定する箇所毎にピックアップコイル５ａと電圧リード６ａを設けることである。
【００１７】
図３（ｂ）におけるポインチングベクトルＰ2 の測定においては、磁界Ｈｅを測定するピックアップコイル７ａ，７ｂ，…と電界Ｅｎを測定する電圧リード８ａ，８ｂ，…は、前述のポインチングベクトルＰ1 を測定するピックアップコイル５ａと電圧リード６ａと合致する位置に個々に設けられているものである。即ち、ポインチングベクトルＰ1 とＰ2 とは同一地域を対象として測定するようにしているものである。なお、Ｐ2 の測定における赤道部分の電界Ｅｎは、絶縁部材９で挟んで電圧リードが設けられ、その間の電界を測定するものである。
【００１８】
次に、図３に示した被測定コイル１を球状の金属製部材２により囲んで測定する場合の具体的測定方法を説明する。なお、図４に測定回路を示す。図４において、１は被測定コイル、２は球状の金属製部材でその断面図を示す。１１はピックアップコイルであり、前述の磁界Ｈｎ，Ｈｅを検出するピックアップコイル５ａ，…と７ａ，７ｂ，…とを総称して示す。１２は電圧リードであり、前述の電界Ｅｗ，Ｅｎを検出する電圧リード６ａ，６ｂ，…と８ａ，８ｂ，…とを総称して示す。なお、各ピックアップコイル１１（５，７）と各電圧リード１２（６，８）は、所要のタイミングで端子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄで切換えて、測定回路に接続されるようになっている。１４はオシレータであり、被測定コイルに対する交流信号として、例えば１００Ｈｚ又は２００Ｈｚの信号がそれぞれ出力すると共に、ロックイン増幅器１５にアイソレーション増幅器１６を介して参照信号を出力するものである。
【００１９】
１７は電力増幅器であり、オシレータ１４からアイソレーション増幅器１８を介して入力される交流信号１００Ｈｚ，２００Ｈｚを増幅し、被測定コイル１に所要の電流を供給するものである。１９はシャント抵抗、２０は電圧計、２１は可変抵抗ＶＲ1 ，ＶＲ2 からなるキャンセルボックス、２２は差動増幅器である。
【００２０】
この実施例における測定装置の諸元は、次の表１に記載の通りである。
【表１】

【００２１】
球状の金属製部材２は、プラスチックの球（半径１０７ｍｍ）の中央にコイル長１０７ｍｍの被測定コイルを置き、プラスチックの球面上は金属製部材（薄い銅ホイル又はテープ）で覆っている。
Ｐ1 の測定は、北緯８０°〜南緯８０°まで１０°毎に電界検出用の電圧リード６と磁界検出用のピックアップコイル５のセットを球面上に設置してある。Ｐ2 測定は緯度１０°間に電界検出用の電圧リード８とその間に磁界検出用のピックアップコイル７とのセットを北緯９０°〜南緯９０°まで１０°毎に設置してある。球面の全体に渡り３６点のポインチングベクトルＰを測定する。そして、Ｐ1 とＰ2 の和とその測定面の表面積の積が見掛上のコイル損失になる。球面のコイル損失値の総和が装置内部で発生するコイル損失値である。
【００２２】
また、交流損失測定の感度を高めるためキャンセルボックス２１とロックイン増幅器１５による位相差測定を用いている。ポインチングベクトルＰを球面全体に渡って測定する際、球面の測定をＰ1 の測定とＰ2 の測定を合わせて３６分割している。その各測定点における電圧リード１２の拾う信号電圧とピックアップコイル１１の拾う信号電圧をそれぞれＶ_e，Ｖ_hとする。このとき通電電流Ｉと磁界Ｈを基準に取ったベクトル図が図５（ａ）である。Ｖ_eは損失成分Ｖ_e1と蓄積エネルギ成分Ｖ_e2の合成ベクトルである。そこでまず、Ｖ_eに含まれるＶ_e2と同相の信号電圧をＶ_eに加える（実際は差し引く）ことで、余分なＶ_e2を可能な限り小さくする。その結果、図５（ｂ）に示すようにＶ_e’とＶ_e1の位相差は９０°より十分小さくなり、Ｖ_e1が測定可能となる。このように、信号電圧から損失成分でない余分な成分を引いてやることを、ここではキャンセリングと呼ぶことにしている。
【００２３】
次に、Ｖ_e’からＶ_e1を取り出し、損失成分の電界を求めるためにロックイン増幅器１５を用いる。ロックイン増幅器１５は、オシレータ１４からの参照信号を基準とし測定信号に含まれる参照信号と同相または９０度ずれた成分の微小信号のみを検出する。参照信号（ＲＥＦ）はオシレータ１４の同期信号出力から出る方形波をロックイン増幅器１５に入力し、ロックイン増幅器自体でＶ_hと同相にする。これは、図５で示するようにＶ_e1が通電電流Ｉと同相であり、Ｖ_hは通電電流Ｉに対して確実に９０度ずれているため、参照信号としては適しているからである。測定においてキャンセル比を調節していくと、位相差φ’はほとんど０度になり、Ｖ_e’はＶ_e1となる。よって、非常に測定が困難であったＶ_e1を精度良く求めることができる。
【００２４】
次に、計算方法について述べる。測定した電界，磁界の信号電圧は、以下のように処理をされ、交流損失が得られる。前述の説明の通り、ポインチングベクトルＰはエネルギーの流れであり、電界Ｅ〔Ｖ／ｍ〕と磁界Ｈ〔Ａ／ｍ〕の外積で表される。
【数１】

ここで各測定点における電界と磁界を以下のように定義する。
【００２５】
【数２】

ピックアップコイル１１が拾う磁界の信号電圧をＶ_h〔Ｖ〕、電圧リード１２が拾う信号電圧Ｖ_e〔Ｖ〕とすると、
【数３】

と表すことができる。
【００２６】
ただし、Ｎはピックアップコイル１１のターン数、φは磁束、μ₀は真空の透磁率、Ｓはピックアップコイルの断面積、ｄは電圧リードの端子間距離である。Ｖ_eの基本波成分には、空間の蓄積エネルギー成分が含まれているため、Ｖ_hを蓄積エネルギー成分を差し引くための基準信号とすることでキャンセルを行う。このときのキャンセル比をｋ、キャンセル後の電界Ｖ_e’と磁界の位相差をφ’とすると、キャンセル後の電界信号Ｖ_e’は（３）式及び（４）式から
【００２７】
【数４】

となる。
ただし
【数５】

である。
【００２８】
一方、参照信号Ｖ_rにはオシレータ１４の同期信号出力から、出力電圧と同期している方形波を入力する。
【数６】

今回は、参照信号Ｖ_rの位相を蓄積エネルギーと同じ成分にするため、ロックイン増幅器１５において９０度ずらす。
【数７】

【００２９】
それぞれの信号はロックイン増幅器１５内のＰＳＤ（位相検波器）においてミキサされ、同相成分が直流電圧で出力される。ＰＳＤの出力をＶ₀とすると、
【数８】

ここで、バンドパスフィルタをかけることにより、Ｖ₀から直流成分Ｖ_0dcのみ取り出すことができる。
【数９】

【００３０】
ポインチングベクトルＰは電界と磁界の外積であり、これを時間積分することでコイル損失が求められる。電界と磁界は、
【数１０】

であり、それぞれ測定信号との関係は、
【数１１】

と表すことができる。
【００３１】
ここで、測定試料単位長さ当たり、巻線間全体のコイル損失をＷとすると、
【数１２】

と表すことができる。
【００３２】
今回の測定ではポインチングベクトルを球面上３６点に渡り測定することら、各測定点（ｉ番目）の電界と磁界をそれぞれＥ（ｉ）、Ｈ（ｉ）、巻線中心間距離をｗとすると（１２）式は、
【数１３】

と近似できる。ここで、
【数１４】

である。
【００３３】
さらに（１０）式、（１２）式より
【数１５】

となることより、最終的に測定装置内のコイル損失は、
【数１６】

と表される。
【００３４】
次に、被測定コイル１の通電電流Ｉはオシレータ１４で制御する。ピックアップコイル１１が拾う磁界信号を抵抗分圧することでキャンセルを行い、ロックインアンプ１５を用いることで電界の損失成分を得る。今回のピックアップコイル１１の信号電圧が少なかったために、電圧リード１２の信号電圧を分圧した測定個所がある。このため、測定電圧はキャンセル比の分だけ小さくなっているが、損失計算時にキャンセル比で補正してある。なお、Ｐ2 の電界測定の赤道部分は電圧リードの信号電圧が大きいため、キャンセルボックス２１の可変抵抗を２段にしてキャンセル処理を行ったものである。
【００３５】
【実施例】
次に被測定コイル１として、表２に示す諸元の被測定コイル１を室温空間で通電してコイル損失測定を行った実施例を説明する。
【表２】

【００３６】
被測定コイル１の電流値Ｉを５Ａ、周波数を１００Ｈｚ，２００Ｈｚに変化させて測定した。この測定における各測定領域の磁界，電界，ポインチングベクトル，コイル損失の各測定データを、後述する被測定コイル１に他のコイルを接続した状態で、被測定コイル１のコイル損失を測定した測定結果と共に表示した、図６乃至図９に基づいて説明する。なお、この測定における１００Ｈｚの測定データは白丸で示し、２００Ｈｚの測定データは白四角で示してある。この測定における磁界の測定結果を図６（ａ）（ｂ）、電界の測定結果を図７（ａ）（ｂ）に示す。図６及び図７の横軸は測定の位置を緯度で示している。図６（ａ）（ｂ）より磁界の測定は周波数の依存性がなく左右対称で測定に問題がない。磁界Ｈｎは北緯６０°と南緯６０°の部分でピークになっている。これは、被測定コイル１とピックアップコイル５が接近しているためである。また、磁界Ｈｅは北緯８０°と南緯８０°の部分でピークになっているのは、リード線とピックアップコイル７が接近しているためである。また、図７（ｂ）から電界Ｅｎは、赤道部分でコイルの抵抗により発生する電位差が計測されている。
【００３７】
次に図８（ａ）（ｂ）は各ポインチングベクトル計測箇所のＰ1 ，Ｐ2 の測定結果であり、図９（ａ）（ｂ）は各ポインチングベクトル計測箇所のＰ1 ，Ｐ2 に基づく見掛上のコイル損失の測定結果である。この測定空間内の抵抗は、四端子法による測定により０．４３Ωであった。この抵抗値よりコイル損失の理論値は、５．４１Ｗである。測定結果は、１００Ｈｚが５．３２Ｗ、２００Ｈｚが５．７５Ｗであった。この測定結果は、図９（ｂ）に現れているように、Ｐ2 の赤道部分のみで決まっている。そのため、被測定コイル１の抵抗成分の損失は、Ｐ2 の赤道部分のみで測定している。そして、Ｐ2 の赤道部分以外の部分とＰ1 の損失値の和は、１００Ｈｚで５．２２×１０^-3〔Ｗ〕、２００Ｈｚで１．６２×１０^-2〔Ｗ〕である。これは、被測定コイル１の渦電流損失と考えられる。
【００３８】
また、被測定コイル１で発生する渦電流損失の理論値は、
【数１７】

より求めた結果、１００Ｈｚは１．０１２×１０^-4〔Ｗ〕、２００Ｈｚは２．０２４×１０^-4〔Ｗ〕になった。
【００３９】
前述の被測定コイル１の室温空間での理論計算によるコイル損失と、実際の測定結果におけるコイル損失を表３に示す。
【表３】

【００４０】
次に前述した被測定コイル１に他のコイル２３を接続した状態で、被測定コイル１の損失を測定した実施例について説明する。即ち、複数のコイルの一部分で発生するコイル損失だけを選択的に測定できる実施例としたものである。この測定においては、図１０に示すように、被測定コイル１と他のコイル２３とを直列に配置し、他のコイル２３を測定システムの外側に置き、被測定コイル１の測定を行ったものである。なお、この測定においては、円周方向の磁界と電界が一定のときのみ測定可能であるため、２つのコイルは同軸上に配置して測定したものである。また被測定コイル１に接続した他のコイル２３の諸元は、表４に示す通りである。
【００４１】
【表４】

【００４２】
この実施例における測定においても、周波数を１００Ｈｚ，２００Ｈｚに変化させて測定し、その測定結果を、前述したように被測定コイル１を単独に測定した測定値と重ね合わせて、図６乃至図９に１００Ｈｚの測定データは白丸で示し、２００Ｈｚの測定データは白四角で表示してある。即ち、この測定における各測定領域の磁界の測定結果を図６（ａ）（ｂ）、電界の測定結果を図７（ａ）（ｂ）、ポインチングベクトルの測定結果を図８（ａ）（ｂ）、コイル損失の測定結果を図９（ａ）（ｂ）に示してある。この測定による被測定コイル１の測定結果は、表５に示す通りである。
【００４３】
【表５】

【００４４】
この表５から明らかなように、銅コイルを２個直列に接続して、１００Ｈｚの交流電流を磁界の発生が同じ向きになるように通電して測定した結果、全測定値は理論値とほぼ一致していることが確認された。なお、渦電流損失の測定は、他のコイル２３に近い半球で測定値が増加している。これは、他のコイル２３で発生する磁界の影響を受けて増加しているものである。
【００４５】
前述した測定結果は、図４に示した測定回路により、球状の金属製部材２の表面の各部に設置されたセンサーとしてのピックアップコイルによる磁界の測定と、電圧リードによる電界の測定とを各設置部毎に切換えて行い、その各設置部のポインチングベクトルを測定することにより、その各設置部に対応する見掛上のコイル損失を測定するものである。また、それと共に各センサー設置部の測定値の総和が被測定コイル全体のコイル損失となる。
【００４６】
従って、各設置部のセンサーを所要のタイミングにより切換えて測定し、その測定結果を表示装置上に繰り返し表示することにより、いずれかのセンサー設置部でコイル損失値の増加が検知された場合、そのセンサー設置部に対応するコイル位置で異常な発熱が生じたことを検出することができるものである。被測定コイルが超伝導コイルの場合は、コイルの一部で常伝導化したことを検出することができるし、その変化の程度についても測定することができる。勿論、被測定コイルの全体の損失が、予め計算された理論値に比較してどの程度の差異を有しているか、或いは全体のコイル損失の変化の検出により、被測定コイルの異常の発生を検出することもできる。
【００４７】
前述した実施例では、被測定コイルの周囲を囲む金属製部材を、銅ホイルのような薄い金属を用いた実施例により説明したが、金属製部材を図１５に示すように例えば銅線による網状金属製部材２４にして、渦電流損失の低減を図るようにしてもよい。また、薄い銅板等の金属板に多数の孔を開けたパンチングメタルにより囲むようにしてもよい。また、被測定コイルが超伝導コイルのように冷却用容器に収容されているような場合で、冷却用容器が金属の場合は金属の外周面に磁界及び電界を測定するセンサーを、その金属容器に直接設置してもよい。また、冷却用容器がプラスチックのような場合は、そのプラスチック容器の周囲を前述した金属製部材で囲み、その周囲にセンサーを設けるようにすればよい。
【００４８】
また、前述した実施例では、被測定コイルの周囲を囲む金属製部材を球状に形成して構成したが、被測定コイルの形状に基づいて様々な形状に形成してもよい。この金属製部材の形状によって、センサーの設置する位置と設置個数を考慮して、測定精度が維持できるように配置することが重要である。
【００４９】
前述した実施例では、室温空間で被測定コイル１を単体で測定した場合と、被測定コイル１に他のコイル２３を接続した状態で被測定コイル１のみを金属製部材２により囲んで、適宜箇所にセンサーを配置し、各領域のポインチングベクトルを測定した場合について説明したが、被測定コイルコイルの態様は色々ある。例えば、前述したように、２個のコイルが連結されて１個のコイル組立として構成されている場合、このコイル組立全体を金属製部材で囲み全体を測定多少としてもよいし、２個の内の１個のコイルを金属製部材で囲み、そのコイル組立の一部分のコイル損失を測定することもできる。また、複数個のコイルが接続されている場合、その複数個のコイルの内１個のコイル又は２個以上の複数個、或いは複数個のコイル全部について金属製部材で囲み、当該部分のコイル損失を測定することもできるし、測定対象のコイルの健全性の監視と異常状態の発生箇所の検出を行うことができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上本発明を詳細に説明したが、本発明は次のような効果を奏するものである。
（１）１個または複数のコイルを含む装置について、１個のコイルの一部分、又は複数のコイルの一部分で発生する損失を選択的に、かつ高感度で電気的に測定できる。これにより、コイル又はコイル応用装置の健全性を監視することができる。
（２）コイル損失の測定は、金属製部材を使用するため、任意の形状をもつコイルやコイル容器に適用可能であって、例えコイル容器内が極低温でも、測定は容器の外周を囲む金属製部材に対して行うので、室温空間に置かれた多数個の電界および磁界センサーで測定でき、ハンドリングばかりでなくメンテナンスもし易い。
（３）コイル応用装置の運転開始時におけるコイル損失の正常か否かの確認、及び運転状態におけるコイル損失の変化の監視を、コイル応用装置の耐電圧性能を劣化させることなく、或いは劣化のリスクが小さい状況下で可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるコイル損失状態監視システム及びコイル損失測定方法の基本的概念を説明する模式図である。
【図２】本発明に係るポインチングベクトルを測定する磁界及び電界のセンサーを説明する模式図である。
【図３】本発明に係るポインチングベクトルを測定する磁界及び電界のセンサーの金属製部材への配置を示す模式図である。
【図４】本発明に係るポインチングベクトルを測定する一実施例の回路図である。
【図５】本発明に係るポインチングベクトルの測定を説明するベクトル図である。
【図６】本発明に係るポインチングベクトルの要素である磁界の測定例を示す特性図である。
【図７】本発明に係るポインチングベクトルの要素である電界の測定例を示す特性図である。
【図８】本発明に係るポインチングベクトルの測定例を示す特性図である。
【図９】本発明に係るコイル損失の測定例を示す特性図である。
【図１０】本発明によるコイル損失測定方法の他の実施例を説明する模式図である。
【図１１】本発明に係るポインチングベクトルを測定するための被測定コイルを囲む金属製部材の他の例を説明する模式図である。
【符号の説明】
１被測定コイル
２金属製部材
３センサー（ポインチングベクトルＰ測定用）
４金属製部材に設けられたスリット
５ピックアップコイル（ポインチングベクトルＰ1 測定用）
６電圧リード（ポインチングベクトルＰ1 測定用）
７ピックアップコイル（ポインチングベクトルＰ2 測定用）
８電圧リード（ポインチングベクトルＰ2 測定用）
１１ピックアップコイル
１２電圧リード
１３端子
１４オシレータ
１５ロックイン増幅器
１６，１８アイソレーション増幅器
１７電力増幅器
１９シャント抵抗
２０電圧計
２１キャンセルボックス
２２差動増幅器
２３他のコイル
２４網状金属製部材

Claims

コイル応用装置の運転状態における１個のコイル又は複数個のコイルが接続されたコイルの全部若しくは一部のコイルの被測定コイルの周囲を金属製部材で囲み、該金属製部材周面の複数の適宜の対象領域に磁界ベクトルと電界ベクトルの外積として得られるポインチングベクトルを測定するセンサーを配置し、該複数のセンサーにより検出されるポインチングベクトル値から前記被測定コイルのコイル損失状態を監視するようにしたコイル損失状態監視システム。
コイル応用装置の運転状態における１個のコイル又は複数個のコイルが接続されたコイルの全部若しくは一部のコイルの被測定コイルの周囲を金属製部材で囲み、該金属製部材周面の複数の適宜の対象領域に磁界ベクトルと電界ベクトルの外積として得られるポインチングベクトルを測定するセンサーを配置し、該複数のセンサーにより検出されるポインチングベクトル値の総和を所要のタイミングで検出し、該ポインチングベクトル値の総和から前記被測定コイルのコイル損失状態を監視するようにしたコイル損失状態監視システム。
コイル応用装置の運転状態における１個のコイル又は複数個のコイルが接続されたコイルの全部若しくは一部のコイルの被測定コイルの周囲を金属製部材で囲み、該金属製部材周面の複数の適宜の対象領域に磁界ベクトルと電界ベクトルの外積として得られるポインチングベクトルを測定するセンサーを配置し、該複数のセンサーの各出力を所要のタイミングで切り替えて該複数箇所のポインチングベクトル値を表示装置に該複数箇所毎に繰り返し表示するようにして、該複数箇所のポインチングベクトル値から前記被測定コイルのコイル損失状態を監視するようにしたコイル損失状態監視システム。
コイル応用装置の運転状態における１個のコイル又は複数個のコイルが接続されたコイルの全部若しくは一部のコイルの被測定コイルの周囲を金属製部材で囲み、該金属製部材周面の複数の適宜の対象領域に磁界ベクトルと電界ベクトルの外積として得られるポインチングベクトルを測定するセンサーを配置し、該複数のセンサーにより検出される各ポインチングベクトル値と該各ポインチングベクトルの対象領域の面積とから各ポインチングベクトル部のコイル損失を求め、該各ポインチングベクトル部のコイル損失の総和から前記被測定コイルの損失を求めるようにしたコイル損失測定方法。
前記被測定コイルの周囲を囲む前記金属製部材は薄い金属箔により構成された請求項１，２又は３に記載のコイル損失状態監視システム。
前記被測定コイルの周囲を囲む前記金属製部材は金属製網又はパンチングメタルにより構成された請求項１，２，３又は５に記載のコイル損失状態監視システム。
前記被測定コイルを封入する金属製容器周面の適宜箇所にポインチングベクトルを測定する前記センサーを配置するようにした請求項１，２又は３に記載のコイル損失状態監視システム。
前記被測定コイルを封入する非金属製容器の周囲を前記金属製部材で囲むようにした請求項１，２，３，５又は６に記載のコイル損失状態監視システム。
前記被測定コイルが超伝導の導体で巻線されたコイルを含んでいる請求項１，２，３，５，６，７又は８に記載のコイル損失状態監視システム。
前記被測定コイルへの定格通電電流が１ｋＡ以上の大電流による通電状態としてコイル損失の測定又はコイル損失の変化を監視するようにした請求項１，２，３，５，６，７，８又は９に記載のコイル損失状態監視システム。
前記被測定コイルの周囲を囲む前記金属製部材は薄い金属箔により構成された請求項４に記載のコイル損失測定方法。
前記被測定コイルの周囲を囲む前記金属製部材は金属製網又はパンチングメタルにより構成された請求項４又は１１に記載のコイル損失測定方法。
前記被測定コイルを封入する金属製容器周面の適宜箇所にポインチングベクトルを測定する前記センサーを配置するようにした請求項４に記載のコイル損失測定方法。
前記被測定コイルを封入する非金属製容器の周囲を前記金属製部材で囲むようにした請求項４，１１又は１２に記載のコイル損失測定方法。
前記被測定コイルが超伝導の導体で巻線されたコイルを含んでいる請求項４，１１，１２，１３又は１４に記載のコイル損失測定方法。
前記被測定コイルへの定格通電電流が１ｋＡ以上の大電流による通電状態としてコイル損失の測定又はコイル損失の変化を監視するようにした請求項４，１１，１２，１３，１４又は１５に記載のコイル損失測定方法。