JP4674457B2 - 超電導コイル - Google Patents

Description

この発明は、変圧器やリアクトル等の超電導交流機器に用いる超電導コイルに関する。

超電導コイルは高磁界発生手段として種々の分野で実用されている。一方、変圧器やリアクトルなどのような交流機器への超電導コイルの適用は、超電導導体が交流によって損失を発生するという現象があることから、その実用化は、あまり進んでいない。

しかしながら、近年、超電導導体素線の細線化による交流損失の小さな超電導線が開発されて以来、変圧器などの交流機器への適用研究が進展し、その超電導コイルの構成に関しても、種々の提案が行われている（例えば、特許文献１参照）。

この場合の超電導導体としては、液体ヘリウムの蒸発温度である4Ｋの極低温で超電導状態を維持する金属超電導導体を使用した超電導線が、実用的な超電導材料として、主に使用されるが、最近では、液体窒素の蒸発温度である７７Ｋでも超電導状態を維持する酸化物超電導導体を適用した超電導コイルの開発も進められている。この酸化物超電導導体は高温超電導導体とも呼ばれており、この高温超電導導体を使用した場合には、金属超電導導体を使用した場合に比べて冷媒単価が安く、また、高温で運転できるため、運転コストが低い利点がある。高温超電導コイルにおいては、例えば、ビスマス系の高温超電導導体の粉末を銀パイプ中に充填し、線引き、圧延して形成されたテープ状の高温超電導導体が一般に用いられている。

超電導コイルの巻線方式としては、円筒巻線方式，パンケーキ巻線方式やディスク巻線方式などがある。円筒巻線方式は、巻枠の円周方向に沿って超電導導体をソレノイド状に巻きながら、巻枠の軸方向に向かって繰返し巻く方法で、特許文献１にも開示される一般的な巻線方法である。

パンケーキ巻線方式は、超電導テープを同心状に巻回したパンケーキコイルを、巻枠の軸方向に電気絶縁部材を介して積層した方式で、例えば、特許文献２に開示されている（詳細は、特許文献２参照）。

ディスク巻線方式は、例えば特許文献３において開示された巻線方法であり、図４にその概念的な構成を示す。この方式は、図４に示すように、円筒状巻枠４の外周上に溝５を形成してこの溝に超電導導体をコイル半径方向に複数回繰り返して巻き回し、コイル軸方向の次のターンに移動する際に、溝間において内径側に移動し、それを軸方向に繰り返し巻き回すことを特徴とする。即ち、図中、Ｍ，Ｌ，Ｎで示すように、多層巻線を１つの巻枠に１工程で巻線することができ、小型化できるという特徴がある。

ところで、超電導コイルの巻線に用いられる超電導導体、特に、テープ状に形成された高温超電導導体の臨界電流、即ち超電導状態を保持する許容最大電流は、テープ導体の温度ならびにテープ導体に加わる磁束密度に依存するのみならず、磁界の向きにも大きく依存することが知られている。

図５は、温度が７７〔Ｋ〕のときのビスマス系高温超電導導体の臨界電流の磁束密度および方向に対する依存性を示す特性図である。図５において、縦軸は印加磁界がゼロのときの値を１として表示した臨界電流の相対値、横軸は磁束密度〔Ｔ〕であり、図中（１）の特性は、磁界がテープ導体の幅広面に平行に加わったときの特性、また（２）の特性は、磁界がテープ導体の幅広面に垂直に加わったときの特性である。

図５に示すように、磁界の方向がテープ導体の幅広面に平行である（１）の場合には、磁束密度の増大に伴う臨界電流の低下は比較的小さいが、磁界の方向がテープ導体の幅広面に垂直に加わる（２）の場合には、臨界電流は磁束密度の増大とともに大幅に低下し、例えば 0.04 〔Ｔ〕においては、磁界の方向が平行の場合の臨界電流の約 50 ％となる。

一方、図６に示す構成の高温超電導コイルでは、テープ導体に交流電流を通電すると、図６に模式的に磁力線１３で示すような磁束を生じる。即ち、コイルの軸中心部には、主として軸方向、つまりテープ導体の幅広面に平行な方向の磁束が生じる。このうち、コイル軸方向中央部では磁束は軸方向の成分のみとなり、磁束密度の絶対値は図中にＡで表示したテープ導体の巻枠４の内接部分において最大となる。コイルの内部を中央部から軸方向端部へと向かうにしたがって磁束が発散するので、磁束密度の絶対値は減少するが、一方、中心軸より隔たるにしたがい、径方向、つまりテープ導体の幅広面に垂直な方向成分の大きな磁束が生じることとなり、特に軸方向の両端のＢ部に位置するコイルでは幅広面に垂直な成分が大きくなる。

コイル線材への印加磁界が大きいと、その部分に発生する交流損失も増えることになり、特に、垂直磁界の影響が大きい。従って、垂直磁界の最も大きいコイルの巻線端部で生じる交流損失を小さくすることにより、コイル全体の交流損失を効果的に小さくできる。

ところで、変圧器の低圧側巻線など、大電流を通電する場合、複数本の導体を並列にした並列導体を用いて、複数本を同時に巻枠に沿って巻き回す必要がある。図７は、３並列導体からなる高温超電導導体９を、層間に電気絶縁部材１１を挿入して巻回したコイルの一例を示す（詳細は、特許文献３参照）。図７の場合、並列導体の各導体への電流均一化のため、並列導体の相対位置を入れ替える、いわゆる転位を行う。並列導体における転位構成に関しては、特許文献３の図６にその詳細が開示されているが、ディスク巻線方式においても、円筒巻線方式においても、並列導体の全ての導体が半径方向の全ての位置を経験するように、例えば、コイル軸方向に巻線を移動させる度に転位が繰返し行われる。

さらに、図８に示すように、超電導線材には、導体内部への磁界の侵入を妨げようとする、いわゆる磁気遮蔽効果が働く。図８は、特許文献３において、図７（ａ）として開示された超電導コイル巻線部の部分拡大断面と磁力線の模式図を示し、図８の場合には４並列導体の例を示す。導体を半径方向に密に積層して巻く場合、高温超電導導体９におけるコイル軸方向両端部では、磁気遮蔽効果により、超電導導体外部へ磁力線１３を追い出すような作用が生じ、第１層の高温超電導導体９において、磁力線１３は高温超電導導体の外側に押し出される。即ち、コイルの磁界を始めに経験する半径方向の最も内側の導体の磁気遮蔽効果により、半径方向の２枚目以降への垂直方向の侵入磁界が小さくなり、侵入磁界が少なくなった導体における交流損失は低減し、結果としてコイル全体の交流損失が低減できる（詳細は、特許文献３参照）。
特開２００１−２４４１０８号公報 特開平６−２６０３３５号公報 特開２００３−１１５４０５号公報

ところで、変圧器などの交流を通電する超電導交流機器の場合、コイルに交流を通電すると交流損失が発生し、システムの運転効率に大きく影響するため、交流損失を少しでも減らし、冷却装置を含めた全体のシステムの運転効率を向上させることが重要な課題となる。上記特許文献３に開示された超電導コイルの構成によれば、交流損失がかなり低減できるが、さらに、より一層の低減が望まれる。

この発明は、上記のような点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、交流電流を通電する超電導コイル全体の交流損失をより一層低減し、ひいては運転効率の向上を図った超電導コイルを提供することにある。

前述の課題を解決するため、この発明は、矩形平板状の超電導導体複数本を積層してなる並列導体を、円筒状巻枠の外周面上に、巻枠の軸方向及び半径方向に巻回してなり、交流電流を通電する超電導交流機器用の超電導コイルにおいて、前記並列導体中のコイル半径方向内側の少なくとも１本の超電導導体は、所定の磁場と温度におけるその臨界電流密度が、他の超電導導体の臨界電流密度より大きいものとする（請求項１の発明）。

超電導導体の所定の磁場と温度における臨界電流密度が大きい程、前記磁気遮蔽効果が大きいことが知られている。そこで、上記構成によれば、並列導体中のコイル半径方向内側の少なくとも一部に前記臨界電流密度が大きい導体を用いることにより、他の導体への磁界の侵入を減少させることができる。従って、コイル全体の交流損失を減少させることができ、冷却装置を含めた運転効率の向上を図った超電導コイルが提供できる。

上記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし４の発明が好ましい。即ち、前記請求項１に記載の超電導コイルにおいて、前記臨界電流密度が大きい超電導導体を、前記並列導体の導体積層方向の両端部に配設し、導体積層方向中間部に臨界電流密度が小さい超電導導体を配設する（請求項２の発明）。これにより、交流において磁界の向きが変動しても、コイル全体の交流損失が低減できる。

また、前記請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、前記並列導体に転位を施す場合に、コイル軸方向の端部において、前記臨界電流密度が大きい超電導導体を、コイル半径方向の最内径側に配設する（請求項３の発明）。これにより、導体への垂直磁界成分が最も大きいコイル軸方向の端部における交流損失を減らすことができる。

さらに、運転コスト低減およびコイル製作の容易化の観点から、前記請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超電導コイルにおいて、前記超電導導体は、テープ状のビスマス系高温超電導体とする（請求項４の発明）。

この発明によれば、交流電流を通電する超電導コイル全体の交流損失を低減し、ひいては運転効率の向上を図った超電導コイルを提供することができる。

図面に基づき、本発明の実施の形態について以下に述べる。

図１は本発明の実施の形態を示す超電導コイルの模式的構成を示した図であり、図７に示した部材と同一機能部材には同一番号を付して、詳細説明を省略する。図１において、図７に示した超電導コイルと異なる点は、高温超電導導体を３並列導体とし、部番１０の臨界電流密度が大きい高温超電導導体（２）を、部番９の高温超電導導体（１）の半径方向の内側に配設した点である。また、図１は、軸方向のターン数が図７に比較して１ターン少ないコイルを示す。高温超電導導体（１）の臨界電流密度＝Jc1とすると、高温超電導導体（２）の臨界電流密度はJc1より大（臨界電流密度＞Jc1）である。

図１において、巻枠４は、例えば、ガラス繊維強化プラスチックなどの絶縁材料からなり、円筒の周方向に溝を設けた形状を有する。高温超電導線材は、例えばテープ状のビスマス系の線材からなる。図１の並列導体は、３本の矩形平面状の高温超電導線材からなり、３本の導体を同じ巻枠の溝に沿って半径方向に３層積層し、軸方向に４ターン巻回している。高温超電導線材は、絶縁被覆処理されたものが開発されているが、電力機器の場合、雷インパルス課電時には大きな電圧がかかることがあるため、層間の絶縁性能を維持するためには、図に示すように電気絶縁部材１１を介した構成が望ましい。電気絶縁部材１１の材料としては、ガラステープに半硬化状の樹脂を塗布したガラスバインドテープなどが好適である。

次に、図２について述べる。図２は、図８に相応する図で、本発明の実施の形態に係る超電導コイル巻線部の部分拡大断面と磁力線の模式図を示し、図２の場合には４並列導体の内の半径方向の内側の導体を高温超電導導体（２）１０とし、残る３本の導体を高温超電導導体（１）９とした例を示す。即ち、4本の並列導体のうち、１本が他の３本より臨界電流密度が高い線材である。断面形状はほぼ等しいので、超電導部の断面積がほぼ等しい導体同士では、臨界電流値が他より高くなる。例えば、３本が、77K、自己磁界における臨界電流が70A級で、１本が100A級という組み合わせを行う。

図２において磁力線１３で示すように、導体が磁界を受けると、超電導線の磁気遮蔽効果により、磁界の一部が導体の外部に押し出され、その周辺の超電導線への磁界の侵入が低減される。前述のように、超電導導体の磁気遮蔽効果は、導体の臨界電流密度に依存する。即ち、臨界電流密度が大きいほど、磁気遮蔽効果が大きいので、並列導体の一部を臨界電流密度の高い導体とすることにより、その他の並列導体、さらには半径方向のその他の層の並列導体への磁界の侵入を減らすことができ、コイル全体の交流損失を減らすことができる。また、交流磁場では、磁界の向きが変わるが、図３に図２とは異なる実施形態に示すように、並列導体の両端に臨界電流密度の大きい高温超電導導体１０を配置することにより、交流損失低減効果は、より増大する。

ところで、臨界電流密度の大きい導体は、磁気遮蔽効果が大きい一方、導体自身の垂直磁界に対する交流損失も大きい傾向がある（例えば、特願２００４−１１７９０３号の図２参照）。従って、臨界電流密度の大きい導体を多用することで、交流損失の増加を招く恐れがあり、磁気遮蔽効果による交流損失低減と、臨界電流密度の大きい導体による交流損失の増加との兼ね合いで、全体として交流損失が減少するように並列導体の構成を決めることが望ましい。

なお、本発明は、前述のディスク巻線方式に限らず、パンケーキ巻線方式や円筒巻線方式などで、並列導体を用いる場合にも適用できる。また、並列導体でない１導体の場合でも、コイルの半径方向に多層する場合には、その一部に臨界電流密度の高い導体を用いることで、その磁気遮蔽効果により、臨界電流密度の低い近傍の層への侵入磁界を低減できる。

次に、転位を伴う並列導体における導体配置方法について述べる。前述のように、並列導体は、電流の均一化のため、導体間で転位が行われ、軸方向に巻線が移動する際などに転位を行う。この転位により、偏流による交流損失の増加などを抑えることができる。

並列導体のうち１本が臨界電流の高い導体の場合、転位の影響で、臨界電流の高い導体が常に、コイル半径方向の最も内側にくるとは限らない。コイル軸方向に巻線が移動する際に転位を行う場合、少なくとも垂直磁界成分の最も大きいコイル軸方向の一端において、臨界電流の高い導体が内周側になるように巻き回すことで、その磁気遮蔽効果によりその他に加わる垂直磁界をより低減でき、効果的に交流損失を低減できる。実際には、巻線工程において、コイル軸方向の一端側から中心に向かって、並列導体を巻き始める際に、臨界電流密度の高い導体を最も内径側にして巻き始めることで、この配置が実現できる。

なお、請求項２の発明のように、並列導体内の導体積層方向（コイル半径方向）両端に臨界電流密度が高い導体を配置する構成と組み合わせて配置してもよい。また、パンケーキ巻線方式の場合は、両端のパンケーキコイルにのみ、並列導体の一部に臨界電流の高い線材を含んで巻き回せばよい。以上により、コイル全体の交流損失を下げ、運転効率の向上を図った超電導コイルが提供できる。

本発明の実施の形態を示す超電導コイルの模式的構成図。 本発明の超電導コイル巻線部の部分拡大断面と磁力線の模式図。 図２とは異なる実施形態の模式図。 特許文献３に開示されたディスク巻線方式の高温超電導コイルの概念的構成図。 高温超電導導体の臨界電流の磁束密度および方向依存性を示す特性図。 従来の超電導コイルに生じる磁束の模式図。 特許文献３に開示された３並列導体からなる高温超電導コイルの模式的構成図。 特許文献３に開示された超電導コイル巻線部の部分拡大断面と磁力線の模式図。

符号の説明

４ 巻枠
５ 溝
９ 高温超電導導体（１）
１０ 高温超電導導体（２）
１１ 電気絶縁部材
１３ 磁力線

Claims (4)

1. 矩形平板状の超電導導体複数本を積層してなる並列導体を、円筒状巻枠の外周面上に、巻枠の軸方向及び半径方向に巻回してなり、交流電流を通電する超電導交流機器用の超電導コイルにおいて、前記並列導体中のコイル半径方向内側の少なくとも１本の超電導導体は、所定の磁場と温度におけるその臨界電流密度が、他の超電導導体の臨界電流密度より大きいものとすることを特徴とする超電導コイル。
2. 請求項１に記載の超電導コイルにおいて、前記臨界電流密度が大きい超電導導体を、前記並列導体の導体積層方向の両端部に配設し、導体積層方向中間部に臨界電流密度が小さい超電導導体を配設することを特徴とする超電導コイル。
3. 請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、前記並列導体に転位を施す場合に、コイル軸方向の端部において、前記臨界電流密度が大きい超電導導体を、コイル半径方向の最内径側に配設することを特徴とする超電導コイル。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超電導コイルにおいて、前記超電導導体は、テープ状のビスマス系高温超電導体とすることを特徴とする超電導コイル。
   
   

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