JP4893301B2 - 超電導コイルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超電導コイルの製造方法に関し、積層した超電導線をダブルパンケーキコイル形状に巻回した超電導コイルの製造方法に関する。

従来、超電導線を巻回した種々の超電導コイルが提供されており、本出願人は、特開平８−２９８２０８号公報（特許文献１）において、ダブルパンケーキコイル形状の超電導コイルを提供している。このダブルパンケーキコイル形状の超電導コイルは、超電導線を巻回した２層のコイル部を最内周ターンの渡り部で連続させている。

前記ダブルパンケーキコイル形状の超電導コイルは、１本の超電導線を巻回したものに限らず、積層した複数本の超電導線を巻回する場合もある。
例えば、積層した２本の超電導線を巻回してダブルパンケーキコイル形状の超電導コイルとした場合、一方の超電導線が常に内周側、他方の超電導線が常に外周側に巻回されるため、コイルにおける２本の超電導線のインダクタンス（Ｌ）に差が生じる。
コイルに交流を通電したときのコイル抵抗は√（Ｒ^２＋ω^２・Ｌ^２）で表されるが、超電導コイルの場合、Ｒ＝０であるため、コイル抵抗がインダクタンスに大きく左右される。よって、前記のように超電導線の巻線位置の相違により各コイルのインダクタンスが異なると、各コイルの抵抗に差が生じ、超電導線に偏流が生じやすくなり、交流損失が増大する問題がある。
なお、前記Ｒは超電導線の抵抗、ωは２πｆ（ｆは周波数）を示す。

前記問題を解消するため、複数のダブルパンケーキコイルを接続した超電導コイルにおいて、一方のダブルパンケーキコイルで内周側に巻回された超電導線を他方のダブルパンケーキコイルで外周側に巻回された超電導線と接続すると共に、一方のダブルパンケーキコイルで外周側に巻回された超電導線を他方のダブルパンケーキコイルで内周側に巻回された超電導線と接続する方法がある。即ち、ダブルパンケーキコイル同士の接続部分で超電導線を転移させ、積層した超電導線によりそれぞれ形成された各コイルのインダクタンスを均一にして偏流の発生を防止している。
しかしながら、この方法では、ダブルパンケーキコイルの個数を自由に設定することができず、また、積層する超電導線の本数が増加するに伴ってダブルパンケーキコイルの個数も増加してしまう問題がある。

特開平８−２９８２０８号公報

本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、積層した複数本の超電導線をダブルパンケーキコイル形状に巻回した超電導コイルにおいて、１つのダブルパンケーキコイルで交流通電時の偏流の発生を防止して交流損失を低減できる製造方法を提供することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、帯状の複数本の超電導線を積層して巻回して、ダブルパンケーキコイルの第１層のコイル部と第２層のコイル部が形成されていると共に、第１層と第２層のコイル部の超電導線を連続している最内周ターンの渡り部において、内周側の超電導線と外周側の超電導線が転移されている超電導コイルの製造方法であって、
複数のサプライリールに巻回された超電導線を所要長さ分だけ寄せ巻きリールにシングルパンケーキコイル形状にそれぞれ巻回し、
前記サプライリールに巻回された残りの超電導線を重ね合わせて積層した状態で巻枠にシングルパンケーキコイル形状に巻回して第１層のコイル部を形成し、
前記寄せ巻きリールに巻回した超電導線を前記巻枠に巻回する際に、前記第１層のコイル部の内周側の超電導線と外周側の超電導線を転移させて積層し、該積層した超電導線をシングルパンケーキコイル形状に巻回して第２層のコイル部を形成してダブルパンケーキコイル形状としていることを特徴とする超電導コイルの製造方法を提供している。

前記製造方法で製造した超電導コイルによれば、前記ダブルパンケーキコイルの渡り部において、積層された内周側の超電導線と外周側の超電導線を転移して積層位置を逆転させているため、第１層のコイル部で内周側に積層されている超電導線は第２層のコイル部で外周側に積層され、第１層のコイル部で外周側に積層されている超電導線は第２層のコイル部で内周側に積層される。このように、各超電導線の巻線位置の偏りを１つのダブルパンケーキコイル内で解消することにより、積層した超電導線でそれぞれ形成したコイルのインダクタンスを均一にしている。これにより、各コイルの交流通電時のコイル抵抗を均一にでき、超電導線ごとに通電量が異なる偏流の発生を防止して、交流損失を低減することができる。
また、１つのダブルパンケーキコイル内で積層した超電導線を転移させているため、１つのダブルパンケーキコイルで偏流の発生を防止して交流損失を低減でき、接続するダブルパンケーキコイルの個数を自由に設定することができる。

２本の超電導線を積層して巻回する場合、第１超電導線と第２超電導線の２本の超電導線が積層されて巻回され、前記渡り部において、第１超電導線と第２超電導線の内外位置が転移され、
前記第１層のコイル部では第１超電導線が内周側、第２超電導線が外周側とされると共に、前記第２層のコイル部では第１超電導線が外周側、第２超電導線が内周側とされている。

また、３本の超電導線を積層して巻回する場合、第１、第２、第３超電導線からなる３本の超電導線が積層されて巻回され、前記渡り部において、中間位置に積層する前記第３超電導線を挟んで第１超電導線と第２超電導線の内外位置が転移され、
前記第１層のコイル部では前記第３超電導線を中間位置として第１超電導線が内周側、第２超電導線が外周側とされると共に、前記第２層のコイル部では前記第３超電導線を中間位置として第１超電導線が外周側、第２超電導線が内周側とされている。
このように、３本の超電導線を積層して巻回する場合、中間位置の第３超電導線は常に中間位置に積層される一方、第１層のコイル部で中間位置の第３超電導線の内周側に積層されている第１超電導線は第２層のコイル部で中間位置の第３超電導線の外周側に積層され、第１層のコイル部で中間位置の第３超電導線の外周側に積層されている第２超電導線は第２層のコイル部で中間位置の第３超電導線の内周側に積層されている。これにより、３本の超電導線を積層して巻回した場合にも、３本の超電導線でそれぞれ形成されたコイルのインダクタンスを略均一にすることができる。
また、３本の超電導線を積層した場合であっても、超電導線を転移する際には、外周側と内周側の超電導線を中間位置の１本の超電導線を乗り越えさせるだけでよいため、超電導線を転移させた位置で超電導線が大きく捻れることがなく、超電導線の損傷を防止することができる。

本発明の製造方法によれば、一方のコイル部を形成した後、他方のコイル部の形成に移行する際に、内周側の超電導線と外周側の超電導線を転移させて積層し、この転移させて積層した超電導線を巻回して他方のコイル部を形成するだけで、超電導線の巻線位置の偏りを防止することができる。これにより、複数本の超電導線でそれぞれ形成されたコイルのインダクタンスを均一として、偏流の発生を防止した超電導コイルを形成することができる。

前記本発明の方法で製造した超電導コイルを備えた超電導機器としては、モータ、発電機、変圧器、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、限流器等が挙げられる。

前述したように、本発明の製造方法により製造するダブルパンケーキコイル形状の超電導コイルでは、ダブルパンケーキコイルの渡り部において、積層された内周側の超電導線と外周側の超電導線を転移して積層位置を逆転させているため、１つのダブルパンケーキコイルで超電導線の巻線位置の偏りを解消することができる。これにより、複数本の超電導線でそれぞれ形成されたコイルのインダクタンスを均一にして、各コイルの交流通電時のコイル抵抗を均一にでき、超電導線ごとに通電量が異なる偏流の発生を防止して、交流損失を低減することができる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図８に、本発明の第１実施形態を示す。
本実施形態の超電導コイル１０は、２本の帯状の第１超電導線１１Ａと第２超電導線１１Ｂを重ね合わせて積層した状態で円筒状の巻枠（図示せず）に巻回しており、上下に積層した第１層のコイル部１０ａと第２層のコイル部１０ｂの２層からなるダブルパンケーキコイル形状としている。
前記第１層のコイル部１０ａと第２層のコイル部１０ｂとは、第１層のコイル部１０ａの最内周の第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂと第２層のコイル部１０ｂの最内周の第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂとを斜めに延びる渡り部１０ｃの第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂでそれぞれ連続させている。
なお、第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂはビスマス系超電導線材にポリイミドテープをラッピングして絶縁被覆層を設けており、積層した第１、第２超電導線１１Ａと１１Ｂを互いに絶縁している。

前記積層した２本の第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂは、前記渡り部１０ｃで積層位置を転移している。
詳細には、図２に示すように、第１超電導線１１Ａの渡り部と第２超電導線１１Ｂの渡り部は超電導コイル１０の周方向にずらして設けており、上層の第１層のコイル部１０ａで外周側に積層されている第２超電導線１１Ｂが内周側に積層されている第１超電導線１１Ａを渡り部１０ｃで内周側へ乗り越え、下層の第２層のコイル部１０ｂでは内周側に積層されている。
逆に、上層の第１層のコイル部１０ａで内周側に積層されている第１超電導線１１Ａが外周側に積層されている第２超電導線１１Ｂを渡り部１０ｃで外周側へ乗り越え、下層の第２層のコイル部１０ｂでは外周側に積層されている。

また、外周面に位置する第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂの端末１１ａでは、絶縁被覆層を剥離して超電導線材を露出させて端子（図示せず）を取り付けており、巻回した超電導線１１の外周面にプリプレグテープ（図示せず）を５周程度巻き付けて、超電導線１１の巻回状態を保持している。

次に、超電導コイル１０の製造装置２０および該製造装置２０を用いた超電導コイル１０の製造方法について説明する。
超電導コイルの製造装置２０は、図３に示すように、超電導線供給部２１と超電導線巻取部２２からなる。
超電導線供給部２１は、スタンド２３と、該スタンド２３で回転自在に支持されたリール保持部２４と、該リール保持部２４を回転させるサーボモータ２５をそれぞれ２組備えている。
一方、超電導線巻取部２２は、スタンド２６と、該スタンド２６で回転自在に支持されたリール保持部２７と、該リール保持部２７を回転させるサーボモータ２８を１組み備えている。

まず、図４に示すように、超電導線供給部２１のリール保持部２４Ａ、２４Ｂに第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂを巻き付けたサプライリール３０Ａ、３０Ｂを取り付ける。サプライリール３０Ａ、３０Ｂはリール保持部２４Ａ、２４Ｂの軸線方向に互いにずらして配置している。
一方、超電導線巻取部２２のリール保持部２７に２つの寄せ巻きリール３１Ａ、３１Ｂと１つの巻枠３２を取り付ける。

次いで、サプライリール３０Ａ、３０Ｂから第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂをそれぞれ巻き戻し、この巻き戻した第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂの端部を寄せ巻きリール３１Ａ、３１Ｂにそれぞれ固定する。次いで、サーボモータ２５、２８を稼動させて、リール保持部２４Ａ、２４Ｂ、２７を回転させ、図５に示すように、第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂを略半分の長さだけサプライリール３０Ａ、３０Ｂから寄せ巻きリール３１Ａ、３１Ｂに巻き取って、寄せ巻き体３３Ａ、３３Ｂを形成する。

次いで、図６に示すように、第１超電導線１１Ａと第２超電導線１１Ｂの渡り部１０ｃに近接する部分を、第１超電導線１１Ａが下層、第２超電導線１１Ｂが上層となるように重ね合わせ、この重ね合わせた部分を巻き枠３２に固定し、さらに、超電導線１１Ａ、１１Ｂを巻き付けたサプライリール３０Ａ、３０Ｂを巻き枠３２と対向する位置へ移動させる。このとき、サプライリール３０Ａと３０Ｂ同士も対向する位置に配置する。

次いで、サプライリール３０Ａ、３０Ｂに巻き付けられた残りの第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂを、第１超電導線１１Ａが内周側、第２超電導線１１Ｂが外周側となるように重ね合わせながら、サーボモータ２５、２８を稼動させて、リール保持部２４Ａ、２４Ｂ、２７を回転させ、図７に示すように、残りの第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂをサプライリール３０Ａ、３０Ｂから巻枠３２に巻き取り、第１層のコイル部１０ａを形成する。
次いで、第１層のコイル部１０ａの最外周側となる第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂの端末１１ａの絶縁被覆層を剥離して露出させた超電導線材に端子を取り付け、プリプレグテープを巻き付けて形状保持する。

次いで、図８に示すように、第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂを全て巻き戻したサプライリール３０Ａ、３０Ｂをリール保持部２４Ａ、２４Ｂから取り外すと共に、第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂを巻き付けた寄せ巻き体３３Ａ、３３Ｂを一方のリール保持部２７から取り外して他方のリール保持部２４Ａ、２４Ｂにそれぞれ取り付ける。このとき、寄せ巻き体３３Ａ、３３Ｂを巻き枠３２と対向する位置に配置しており、寄せ巻き体３３Ａと３３Ｂ同士も対向する位置に配置する。
このように、寄せ巻き体３３Ａ、３３Ｂをリール保持部２４Ａ、２４Ｂに取り付ける際に、第１層のコイル部１０ａで内周側に配置されている第１超電導線１１Ａと外周側に配置されている第２超電導線１１Ｂを、渡り部１０ｃで転移させ、第２超電導線１１Ｂが内周側、第１超電導線１１Ｂが外周側となるように重ね合わせる。

次いで、サーボモータ２５、２８によりリール保持部２４Ａ、２４Ｂ、２７を前記と反対方向に回転させ、寄せ巻き体３３Ａ、３３Ｂの第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂを巻枠３２の第１層のコイル部１０ａに隣接する位置に巻き取り、第２層のコイル部１０ｂを形成する。
最後に、第２層のコイル部１０ｂの最外周側となる第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂの端末の絶縁被覆層を剥離して露出させた超電導線材に端子を取り付け、プリプレグテープを巻き付けて形状保持し、ダブルパンケーキコイル形状の超電導コイル１０としている。

前記製造方法で製造したダブルパンケーキコイル形状の超電導コイル１０によれば、ダブルパンケーキコイルの渡り部１０ｃにおいて、積層された内周側の超電導線と外周側の超電導線を転移して積層位置を逆転させているため、第１層のコイル部１０ａで内周側に積層されている第１超電導線１１Ａは第２層のコイル部１０ｂで外周側に積層され、第１層のコイル部１０ａで外周側に積層されている第２超電導線１１Ｂは第２層のコイル部１０ｂで内周側に積層される。これにより、２本の第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂの巻線位置の偏りを解消し、第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂでそれぞれ形成したコイルのインダクタンスを均一にして、各コイルの交流通電時のコイル抵抗を均一にでき、第１、第２超電導線１１Ａ、１１Ｂごとに通電量が異なる偏流の発生を防止して、交流損失を低減することができる。

図９に、本発明の製造方法で製造した超電導コイルの第２実施形態を示す。
本実施形態では、３本の超電導線１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを重ね合わせた状態で巻回し、ダブルパンケーキコイル形状の超電導コイル１０を形成している。
第１層のコイル部１０ａで内周側に積層された第１超電導線１１Ａを、渡り部１０ｃにおいて、中間位置の第３超電導線１１Ｃの外周側に乗り越えさせて転移させ、第２層のコイル部１０ｂでは中間位置の第３超電導線１１Ｃの外周側に積層して巻回している。
一方、第１層のコイル部１０ａで外周側に積層された第２超電導線１１Ｂを、渡り部１０ｃにおいて、中間位置の第３超電導線１１Ｃの内周側に乗り越えさせて転移させ、第２層のコイル部１０ｂでは中間位置の第３超電導線１１Ｃの内周側に積層して巻回している。
即ち、第１層のコイル部１０ａと第２層のコイル部１０ｂとで、第１超電導線１１Ａと第２超電導線１１Ｂの積層位置を中間位置の第３超電導線１１Ｃを挟んで逆転させている。

本実施形態の超電導コイルも第１実施形態と同様の方法により形成している。
即ち、超電導線をそれぞれ巻き付けた３つのサプライリールからそれぞれ寄せ巻き体３３を作成した後、３本の超電導線１１Ａ〜１１Ｃを重ね合わせて巻回して第１層のコイル部１０ａを作製する。
次いで、渡り部１０ｃで第１超電導線１１Ａと第２超電導線１１Ｂを転移させた後、３つの寄せ巻き体３３の超電導線１１Ａ〜１１Ｃを重ね合わせて巻回して第２層のコイル部１０ｂを作製してダブルパンケーキコイル形状の超電導コイルを作製している。

前記構成によれば、３本の超電導線を重ね合わせて巻回した場合でも、渡り部１０ｃで第１超電導線１１Ａと第２超電導線１１Ｂを転移させて巻線位置の偏りをなくすと共に、中間位置の第３超電導線１１Ｃを常に中間位置に積層して巻回することにより、３本の超電導線１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃでそれぞれ形成したコイルのインダクタンスを近づけて、偏流の発生を防止することができる。
なお、他の構成及び作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。

前記本発明の製造方法で製造する超電導コイルの実施の形態はすべての点で例示であって、これら実施形態に限定されず、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の範囲内でのすべての変更が含まれる。

本発明の製造方法で製造する超電導コイルは、自動車等の駆動用モータや、その他発電機、変圧器、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）等の超電導機器に用いられるものである。

本発明の第１実施形態の超電導コイルを示す図面である。 超電導コイルの渡り部を示す図面である。 超電導コイルの製造装置を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。 超電導コイルの製造装置にサプライリール、寄せ巻きリールおよび巻枠を取り付けた状態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。 寄せ巻き体を作製した状態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。 超電導コイルの第１層のコイル部を作製する前の状態を示す図面である。 超電導コイルの第１層のコイル部を作製した状態を示す図面である。 超電導コイルの第２層のコイル部を作製する前の状態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。 第２実施形態の超電導コイルの渡り部を示す図面である。

符号の説明

１０ 超電導コイル
１０ａ 第１層のコイル部
１０ｂ 第２層のコイル部
１０ｃ 渡り部
１１Ａ 第１超電導線
１１Ｂ 第２超電導線
１１Ｃ 第３超電導線
２０ 超電導コイルの製造装置
３０Ａ、３０Ｂ サプライリール
３１Ａ、３１Ｂ 寄せ巻きリール
３２ 巻枠
３３Ａ、３３Ｂ 寄せ巻き体

Claims (1)

1. 帯状の複数本の超電導線を積層して巻回して、ダブルパンケーキコイルの第１層のコイル部と第２層のコイル部が形成されていると共に、第１層と第２層のコイル部の超電導線を連続している最内周ターンの渡り部において、内周側の超電導線と外周側の超電導線が転移されている超電導コイルの製造方法であって、
   複数のサプライリールに巻回された超電導線を所要長さ分だけ寄せ巻きリールにシングルパンケーキコイル形状にそれぞれ巻回し、
   前記サプライリールに巻回された残りの超電導線を重ね合わせて積層した状態で巻枠にシングルパンケーキコイル形状に巻回して第１層のコイル部を形成し、
   前記寄せ巻きリールに巻回した超電導線を前記巻枠に巻回する際に、前記第１層のコイル部の内周側の超電導線と外周側の超電導線を転移させて積層し、該積層した超電導線をシングルパンケーキコイル形状に巻回して第２層のコイル部を形成してダブルパンケーキコイル形状としていることを特徴とする超電導コイルの製造方法。