JP4567903B2 - 超電導コイル装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄板状線材を積層した矩形状の超電導線材を螺旋状に巻いてなる超電導コイル装置に係り、特に、超電導線材の巻回構成に改良を加えた超電導コイル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、交流電路における超電導変圧器や、過電流を抑制する抵抗型限流器あるいは整流型限流器には超電導コイル装置が組込まれている。ここで、超電導コイル装置の従来例について、図１１を参照しながら具体的に説明する。図１１は従来の限流器における超電導コイル装置の断面図である。
【０００３】
超電導コイル装置１８は、薄板状線材を積層して形成した端部端面が矩形状の超電導線材１９を、絶縁体で構成された同軸円筒状の巻枠２０の外周面に、順次同心の螺旋巻きで且つ重層することなく複数回巻くことにより構成されている。
この超電導コイル装置１８は断熱容器であるクライオ容器２１内に液体冷媒２２と共に浸漬されて運転されている。
【０００４】
以上の超電導コイル装置１８は通常運転時には超電導状態にあり、その抵抗値はゼロで電圧降下なしに通常運転電流が流れる。しかし、系統で事故が発生した場合は、電路の電流が過大になって超電導コイル装置１８の超電導状態が崩れ、超電導コイル装置１８自身に抵抗が発生する。このため、電路の短絡電流を制限する動作をして系統を保護する役割を果たすことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の超電導コイル装置では次のような問題点があった。すなわち、超電導コイル装置１８のインダクタンスが大きくなると、急峻波形に対して電位振動を起こし、超電導コイル装置１８におけるターン間の分担電圧が極端に不平衡になる。電力需要が増大化する近年、超電導コイル装置を適用する機器は高電圧化しており、これに伴って分担電圧の不平衡は進む傾向にある。したがって、超電導コイル装置において電位振動に対する絶縁特性を高めることは急務となっている。
【０００６】
また、超電導コイル装置１８は液体冷媒２２に浸漬されているが、その内部に気泡が発生すると、超電導コイル装置１８の耐電圧性能が低下する。このため、超電導コイル装置１８内部の気泡を取除くことが求められている。さらに、超電導線材１９は断面が矩形状なので、エッジ状の角部（長手方向と直交する方向の両端部）の電界は極めて高くなる。この結果、液体冷媒２２の絶縁耐力を超える高電界部を形成して絶縁不良を起こすおそれがある。
【０００７】
本発明は、以上の問題点を解消するために提案されたものであり、その主たる目的は、ターン間の分担電圧に合わせて絶縁距離を確保することにより、電位振動に対する絶縁特性を向上させ、高電圧機器に対応可能な超電導コイル装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、装置内の気泡を効率良く排除して耐電圧性能を向上させた超電導コイル装置を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、超電導線材の角部への電界集中を緩和して優れた絶縁信頼性を確保する超電導コイル装置を提供することにある。
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、薄板状線材を積層して形成した端部端面が矩形状の超電導線材を、少なくとも３個以上の同心状に配置された円筒形状巻枠の軸方向外周面に順次ターン間距離を所定間隔で螺旋状に重層することなく巻回するとともに、最外側の巻枠及び最内側の巻枠の一方の端部には外部リード線を接続し、所定容器内に冷媒とともに収納し、一体の超電導コイル装置として構成し、且つ前記所定間隔は外部リードが接続されている最外側及び最内側に配置される巻枠に形成される値はそれ以外の巻枠に形成される値よりも相対的に大きいことを特徴としている。このような請求項１の発明によれば、最外側の巻枠と最内側の巻枠における超電導線材のターン間距離を、中間部分の巻枠のそれよりも大きくしているため、超電導コイル装置におけるターン間の分担電圧に合わせてターン間の絶縁距離を確保することができる。したがって、分担電圧の極端な不平衡を回避し、電位振動に対する超電導コイル装置の絶縁特性を向上させることができる。これにより、高電圧化した機器に対応可能な超電導コイル装置を提供することが可能となる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の超電導コイル装置において、前記超電導線材は前記薄板状線材の間に絶縁層を挟んで構成したことを特徴としている。
このような請求項２の発明によれば、薄板状線材の間に絶縁層を挟んでいるので、薄板状線材同士の接触による編流を防ぐことができる。このため、超電導線材に均等な電流を流すことができ、超電導コイル装置は安定した絶縁特性を発揮することができる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の超電導コイル装置において、最外側の巻枠及び最内側の巻枠の一方の端部には外部リード線を接続し、この外部リード線が接続された端部付近の前記超電導線材のターン間距離を、反対側端部付近の前記超電導線材のターン間距離よりも大きく設けたことを特徴としている。
このような請求項３の発明によれば、サージ電圧進入側である外部リード線接続側付近における超電導線材のターン間距離を、反対側端部付近のそれよりも大きくすることで、ターン間の分担電圧に合わせたターン間の絶縁距離を確保でき、電位振動による分担電圧の極端な不平衡を回避できる。これにより、電位振動に対する超電導コイル装置の絶縁特性を向上させることができる。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１、２または３に記載の超電導コイル装置において、中心軸が水平面とのなす角度を１度から９０度の範囲で傾斜させて配置したことを特徴としている。
このような請求項４の発明によれば、超電導コイル装置を傾けて配置することで、超電導コイル装置内の気泡を効率良く外部へ排出することができる。したがって、超電導コイル装置の耐電圧性能が向上する。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項１、２、３または４に記載の超電導コイル装置において、前記超電導線材には線材の長さ方向の面及び厚さ方向の面に接する断面構造がＬ字形で、前記超電導線材よりも断面の大きなＬ字形絶縁体を取付けたことを特徴としている。
請求項６の発明は、請求項１、２、３または４に記載の超電導コイル装置において、片端が開いた構造の二つ折りにしたコの字形絶縁体を備え、前記コの字形絶縁体の内側に前記超電導線材を挟んだことを特徴としている。
請求項７の発明は、請求項１、２、３または４に記載の超電導コイル装置において、前記超電導線材の断面より大きな断面を持つ絶縁性テープを、前記超電導線材の両面に張り合わせたことを特徴としている。
これら請求項５、６または７の発明によれば、超電導線材をＬ字形絶縁体、コの字形絶縁体または絶縁性テープで覆うことにより、超電導線材における絶縁性能を向上させることができる。
【００１３】
請求項８の発明は、請求項１、２、３または４に記載の超電導コイル装置において、前記超電導線材の間に絶縁スペーサを設置したことを特徴としている。
このような請求項８の発明によれば、超電導線材におけるターン間の絶縁距離を絶縁スペーサで確実に得ることができるため、超電導コイル装置の絶縁性能を向上させることができる。
【００１４】
請求項９の発明は、請求項１、２、３、４、５、６、７または８に記載の超電導コイル装置において、隣接する前記巻枠同士を接続する接続部を、前記巻枠の半径方向に対して一直線状ではなく、ずらして配置したことを特徴としている。
このような請求項９の発明によれば、巻枠同士の接続部を一直線状に並べずにずらして配置することにより、接続部の絶縁距離を大きくとることができ、超電導コイル装置の絶縁性能を向上させることができる。
【００１５】
請求項１０の発明は、請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９に記載の超電導コイル装置において、前記超電導線材の端部に曲面加工を施したことを特徴としている。
このような請求項１０の発明によれば、超電導線材端部を曲面としたので、超電導線材の角部に集中する電界を緩和させることができ、優れた絶縁信頼性を確保することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例について図面を参照して具体的に説明する。
なお、各実施の形態において、同一の部材に関しては同一の符号を付している。
【００１７】
（１）第１の実施の形態
［構成］
第１の実施の形態は請求項１の発明に対応するもので、図１の（ａ）は第１の実施の形態における斜視図、（ｂ）は第１の実施の形態における中間部分の超電導コイルの斜視図である。
【００１８】
図１の（ａ）に示すように、第１の実施の形態は、３個の同心状に配置された円筒形状の絶縁体である巻枠の軸方向外周面に超電導線材５を螺旋状に重層することなく複数回密着巻回して最外層コイル２、中間層コイル３及び最内層コイル４を構成し、これらコイル２，３，４を所定容器（図示せず）内に冷媒とともに収納して一体の超電導コイル装置１を構成している。超電導線材５は薄板状線材を積層して形成した端部端面が矩形状の線材である。コイル２，３，４は同心円状で且つそれぞれの間に空間を空けて配置されている。
【００１９】
第１の実施の形態における構成上の特徴は、最外層コイル２と最内層コイル４における超電導線材５の巻き間隔であるターン間距離７ａが、中間層コイル３の超電導線材５の巻き間隔であるターン間距離７ｂ（図１の（ｂ）に図示）よりも大きく設けられている点にある。
【００２０】
［作用効果］
以上のような第１の実施の形態によれば、最外層コイル２と最内層コイル４における超電導線材５のターン間距離７ａを、中間層コイル装置３のターン間距離７ｂよりも広くしているので、ターン間の分担電圧に合わせて絶縁距離を確保でき、電位振動により端部側のコイル２，４に多く電圧分担するといった不均衡を解消することができる。したがって、電位振動に対する超電導コイル装置１の絶縁特性が向上し、高電圧化機器への対応が容易となる。
【００２１】
（２）第２の実施の形態
［構成］
第２の実施の形態は請求項２の発明に対応しており、図２は第２の実施の形態における要部斜視図である。図２に示すように、第２の実施の形態における超電導線材５は薄板状線材５ｃの間に絶縁層９を挟み、薄板状線材５ｃと絶縁層９とが交互に複数枚重なって構成されている。
【００２２】
［作用効果］
以上のような第２の実施の形態における超電導線材５では、薄板状線材５ｃ同士が絶縁層９により電気的に絶縁された状態となる。そのため、超電導線材５の途中で編流が起こらない。したがって、超電導線材５に対して均等な電流を流すことができ、安定した絶縁特性を発揮することができる。
【００２３】
（３）第３の実施の形態
［構成］
第３の実施の形態は請求項３の発明に対応し、図３は第３の実施の形態における斜視図である。図３に示すように、超電導コイル装置１の最外相コイル２及び最内層コイル４の上端部には外部リード線１０，１１がそれぞれ接続されている。この時、外部リード線１０，１１が接続された端部付近の超電導線材５のターン間距離７ｃが、下端部付近の超電導線材５のターン間距離７ｄよりも広く設けられている。
【００２４】
［作用効果］
以上のような第３の実施の形態において、外部リード線１０，１１との接続側端部はサージ電圧進入側であるため、分担電圧が大きい。そこで、外部リード線１０，１１との接続側付近のターン間距離７ｃを、反対側端部付近のターン間距離７ｄよりも大きくすることで、ターン間の分担電圧に合わせたターン間の絶縁距離を確保することができる。したがって、電位振動による分担電圧の不平衡を回避し、電位振動に対する絶縁特性の向上を図ることができる。
【００２５】
（４）第４の実施の形態
［構成］
第４の実施の形態は請求項４の発明に対応したものであり、図４は第４の実施の形態における斜視図である。図４に示すように、第４の実施の形態において、超電導コイル装置１はその中心軸が水平面とのなす角度を１度〜９０度の範囲で傾けて配置されている。
【００２６】
［作用効果］
このような第４の実施の形態によれば、超電導コイル装置１の内部に発生した気泡を超電導コイル装置１を傾けることで外部に放出することができる。これにより、超電導コイル装置１の耐電圧性能を高めることが可能となる。
【００２７】
（５）第５の実施の形態
［構成］
第５の実施の形態は請求項５の発明に対応しており、図５は第５の実施の形態における要部斜視図である。図５に示すように、超電導線材５には線材の長さ方向の下面及び厚さ方向の側面に接する断面構造がＬ字形で、超電導線材５よりも断面の大きなＬ字形絶縁体１２が取付けられている。これら超電導線材５及びＬ字形絶縁体１２は重ね合わされた状態で、巻枠６の外周面に密巻きされている。
【００２８】
［作用効果］
このような第５の実施の形態によれば、超電導線材５同士を密巻きにしても、超電導線材５はＬ字形絶縁体１２を挟んでいるため、超電導線材５同士は互いに絶縁された状態になり、超電導線材５における絶縁性能を向上させることができる。
【００２９】
（６）第６の実施の形態
［構成］
第６の実施の形態は請求項６の発明に対応しており、図６は第６の実施の形態における要部斜視図である。図６に示すように、片端が開いた構造の二つ折りにしたコの字形絶縁体１３が設けられている。コの字形絶縁体１３は超電導線材５の３面、すなわち上面、下面及び側面よりも大きく設定されており、コの字部分に超電導線材５が挟まれている。
【００３０】
［作用効果］
このような第６の実施の形態によれば、超電導線材５同士を密巻きにしても、超電導線材５はコの字形絶縁体１３内に収容しているため、前記第５の実施の形態と同じく超電導線材５同士は互いに絶縁された状態になり、超電導線材５における絶縁性能を向上させることができる。
【００３１】
（７）第７の実施の形態
［構成］
第７の実施の形態は請求項７の発明に対応しており、図７は第７の実施の形態における要部斜視図である。第７の実施の形態は、超電導線材５の断面より大きな断面を持つ絶縁性テープ１４が超電導線材５の両面に接着剤１５によって張り合わされたことを特徴としている。
【００３２】
［作用効果］
このような第７の実施の形態によれば、超電導線材５同士を密巻きにしても、超電導線材５の両面が絶縁性テープ１４によって覆われているため、前記第５及び第６の実施の形態と同じく超電導線材５同士は互いに絶縁された状態になり、超電導線材５における絶縁性能を向上させることができる。
【００３３】
（８）第８の実施の形態
第８の実施の形態は請求項８の発明に対応するもので、図８の（ａ）は第８の実施の形態における斜視図、（ｂ）は第８の実施の形態における要部拡大斜視図である。第８の実施の形態の特徴は、超電導線材５の間に絶縁スペーサ１６が設置されたことにある。
【００３４】
［作用効果］
上記の第８の実施の形態によれば、超電導線材５におけるターン間の絶縁距離を絶縁スペーサ１６で確実に得ることができる。したがって、超電導コイル装置１の絶縁性能を向上させることができる。
【００３５】
（９）第９の実施の形態
第９の実施の形態は請求項９の発明に対応しており、図９は第９の実施の形態における斜視図である。図９に示すように、隣接する巻枠同士を接続する接続部１７，１７は、巻枠の半径方向に沿って放射状に配置されている。この時、２つの接続部１７，１７は一直線状ではなく、ずれて配置されている。
【００３６】
［作用効果］
このような第９の実施の形態によれば、巻枠同士の接続部１７，１７を一直線状に並べずにずらして配置することで、接続部１７，１７同士の絶縁距離を大きくとることができ、超電導コイル装置１の絶縁性能を向上させることができる。
【００３７】
（１０）第１０の実施の形態
［構成］
第１０の実施の形態は請求項１０の発明に対応し、図１０は第１０の実施の形態における要部斜視図である。図１０に示すように、薄膜状の酸化物超電導体５ａが蒸着された超電導線材５の端部には曲面部５ｂが形成されている。曲面部５ｂは超電導線材５の厚さを直径とする半円状となっている。
【００３８】
［作用効果］
以上の第１０の実施の形態によれば、超電導線材５の端部に曲面部５ｂを持つことにより電界の集中を緩和することができる。したがって、超電導コイル装置１の絶縁性能を向上させることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、最外側の巻枠と最内側の巻枠における超電導線材のターン間距離を、中間部分の巻枠のそれよりも大きくするといった極めて簡単な構成によって、ターン間の分担電圧に合わせて絶縁距離を確保することができ、電位振動に対する絶縁特性を向上させて、高電圧機器に対応可能な超電導コイル装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施の形態における斜視図、（ｂ）は第１の実施の形態における中間部分の超電導コイルの斜視図。
【図２】本発明の第２の実施の形態における要部斜視図。
【図３】本発明の第３の実施の形態における斜視図。
【図４】本発明の第４の実施の形態における斜視図。
【図５】本発明の第５の実施の形態における要部斜視図。
【図６】本発明の第６の実施の形態における要部斜視図。
【図７】本発明の第７の実施の形態における要部斜視図。
【図８】（ａ）は本発明の第８の実施の形態における斜視図、（ｂ）は第８の実施の形態における要部拡大斜視図。
【図９】本発明の第９の実施の形態における斜視図。
【図１０】本発明の第１０の実施の形態における要部斜視図。
【図１１】従来の超電導コイル装置の断面図。
【符号の説明】
１，１８…超電導コイル装置
２…最外層コイル
３…中間層コイル
４…最内層コイル
５，１９…超電導線材
５ａ…酸化物超電導体
５ｂ…曲面部
５ｃ…薄板状線材
６，２０…巻枠
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ…ターン間距離
９…絶縁層
１０，１１…外部リード線
１２…Ｌ字形絶縁体
１３…コの字形絶縁体
１４…絶縁性テープ
１５…接着剤
１６…絶縁スペーサ
１７…接続部
２１…クライオ容器
２２…液体冷媒

Claims (10)

1. 薄板状線材を積層して形成した端部端面が矩形状の超電導線材を、少なくとも３個以上の同心状に配置された円筒形状巻枠の軸方向外周面に順次ターン間距離を所定間隔で螺旋状に重層することなく巻回するとともに、
   最外側の巻枠及び最内側の巻枠の一方の端部には外部リード線を接続し、所定容器内に冷媒とともに収納し、一体の超電導コイル装置として構成し、且つ前記所定間隔は外部リードが接続されている最外側及び最内側に配置される巻枠に形成される値はそれ以外の巻枠に形成される値よりも相対的に大きいことを特徴とする超電導コイル装置。
2. 前記超電導線材は前記薄板状線材の間に絶縁層を挟んで構成したことを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル装置。
3. 最外側の前記巻枠及び最内側の前記巻枠の一方の端部に外部リード線を接続し、この外部リード線が接続された端部付近の前記超電導線材のターン間距離を、反対側端部付近の前記超電導線材のターン間距離よりも大きく設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の超電導コイル装置。
4. 中心軸が水平面とのなす角度を１度から９０度の範囲で傾斜させて配置したことを特徴とする請求項１、２または３に記載の超電導コイル装置。
5. 前記超電導線材には線材の長さ方向の面及び厚さ方向の面に接する断面構造がＬ字形で、前記超電導線材よりも断面の大きなＬ字形絶縁体を取付けたことを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の超電導コイル装置。
6. 片端が開いた構造の二つ折りにしたコの字形絶縁体を備え、前記コの字形絶縁体の内側に前記超電導線材を挟んだことを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の超電導コイル装置。
7. 前記超電導線材の断面より大きな断面を持つ絶縁性テープを、前記超電導線材の両面に張り合わせたことを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の超電導コイル装置。
8. 前記超電導線材の間に絶縁スペーサを設置したことを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の超電導コイル装置。
9. 隣接する前記巻枠同士を接続する接続部を、前記巻枠の半径方向に対して一直線状ではなく、ずらして配置したことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７または８に記載の超電導コイル装置。
10. 前記超電導線材の端部に曲面加工を施したことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９に記載の超電導コイル装置。

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