JP4899983B2 - 超電導コイルおよび該超電導コイルを備えた超電導機器 - Google Patents

Description

本発明は、超電導コイルおよび該超電導コイルを備えた超電導機器に関し、詳しくは、超電導コイルを形成する超電導線の巻き方を改良することにより超電導コイルの特性を効率良く発揮するものである。

従来、帯状の超電導線を巻回して形成した種々の超電導コイルが提供されている。
例えば、特開２００２−１１０４１６号公報（特許文献１）で提供されている超電導コイル１は、図８に示すように、超電導線２を所謂フラットワイズ巻きして超電導線２の広幅面をコイルの軸線と平行としている。
また、特開平６−３４２７１８号公報（特許文献２）で提供されている超電導コイル３は、図９に示すように、超電導線４をエッジワイズ巻きして超電導線４の広幅面をコイルの軸線と直交させている。

ところで、超電導線は交流印加時に発生する磁場の影響を受けやすく、帯状の超電導線の広幅面に対して直交方向の磁場がかかると、大きく臨界電流が低下して、交流損失が大きくなり、超電導の特性を効率良く発揮できなくなる問題がある。
図１０（Ａ）は、超電導線の広幅面に対して直交方向の磁場をかけた場合の臨界電流を示し、図１０（Ｂ）は、超電導線の幅方向と磁場方向が平行である場合の臨界電流を示す。このグラフからわかるように、磁場の大きさや冷却温度の条件を変えても、いずれの場合も直交方向の磁場がかかった超電導線は、広幅面を磁場の方向と平行とした超電導線よりも臨界電流が小さくなる。なお、図１０のグラフの縦軸の数値は、磁束密度０ステラ（Ｔ）、温度７７ケルビン（Ｋ）の状態で超電導線に通電した場合の臨界電流を１としたときの臨界電流の大きさを示す。
一方、図１１は、周波数１Ｈｚ時の磁場の大きさと交流損失の大きさの関係を示し、実線が超電導線の広幅面に対して直交方向の磁場をかけた場合、破線が超電導線の広幅面と磁場方向が平行である場合である。このグラフからわかるように、広幅面に直交方向の磁場がかかった超電導線の方が広幅面と磁場方向を平行とした超電導線よりも交流損失が大きくなる。

前記特許文献１で提供されている超電導コイル１では、超電導コイル１に電流を通電すると、図１２（Ａ）に示すようような磁場５が発生する。超電導コイル１の軸線方向の中央付近では、磁場５の方向と超電導線２の広幅面とが平行となっているため大きな悪影響は受けないが、軸線方向の両端位置では磁場５の方向と超電導線２の広幅面とが略直交し、超電導線２の広幅面に直交方向の磁場５がかかって大きな悪影響を受ける。
逆に、前記特許文献２で提供されている超電導コイル３では、図１２（Ｂ）に示すような磁場６が発生し、超電導コイル２の軸線方向の両端位置では、磁場６の方向と超電導線４の広幅面とが略平行となっているため大きな悪影響は受けないが、軸線方向の中央付近では磁場６の方向と超電導線４の広幅面とが略直交し、超電導線４の広幅面に直交方向の磁場６がかかって大きな悪影響を受ける。
即ち、前記特許文献１、２で提供されているような超電導コイル１、３共に交流印加時に自ら発生させた磁場により悪影響を受けて性能が低下してしまう問題がある。

特開２００２−１１０４１６号公報 特開平６−３４２７１８号公報

本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、帯状の超電導線を巻回して形成する超電導コイルにおいて、超電導線の巻き方を改良することにより、交流印加時に自ら発生する磁場から受ける影響を小さくして超電導コイルの特性を効率良く発揮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、帯状の超電導線を巻枠に巻回してコイル部を形成し、該コイル部を前記巻枠の軸線方向に複数並列して順次電気接続し、あるいは連続した前記超電導線を前記巻枠に巻回して前記複数のコイル部を形成している超電導コイルであって、
前記巻枠の軸線方向の中央位置のコイル部では、前記超電導線の広幅面を前記巻枠の軸線と平行にしている一方、
前記巻枠の軸線方向の少なくとも両端位置のコイル部では、内周側の超電導線の広幅面を前記巻枠の軸線に対して傾斜させると共に内周側から外周側にかけてターン毎に、前記巻枠の軸線に対する前記超電導線の広幅面の傾斜角度が次第に大きくなるように変化させ、外周側の超電導線の広幅面を巻枠の軸線に対して垂直とし、交流印加時に発生する磁場方向に対して前記超電導線の広幅面を平行化させていることを特徴とする超電導コイルを提供している。

前記構成の超電導コイルによれば、超電導コイルの軸線方向の中央側と両端とで超電導線の巻き方を変え、軸線方向の中央側では超電導線の広幅面をコイルの軸線と一致させ、軸線方向の両端では内周側の超電導線の広幅面をコイルの軸線に対して傾斜させ、外周側の超電導線の広幅面をコイルの軸線と直交させることにより、いずれの位置でも超電導線の広幅面とコイルへの交流電流の通電により発生する磁場の方向とを近づけて平行化しているため、超電導線の広幅面に略垂直方向の磁場がかかることがない。
よって、本発明の超電導コイルは通電により自ら発生させた磁場によって大きな影響を受けず、臨界電流があまり低下せず、効率良く超電導の特性を発揮することができる。

前記超電導線の巻付方向を変えているコイル部は、超電導コイルの径や長さに応じて、コイルの軸線方向の両端に１つずつとしてもよいし、複数個ずつ設けてもよい。
なお、コイルの軸線方向の両端において、超電導線の広幅面をコイルの軸線に対して傾斜させている部位の超電導線は、その広幅面をコイル軸線方向の端部に向けて拡がるように傾斜させて、通電時に発生する磁場の方向に近接させている。

また、連続した前記超電導線を前記巻枠に巻回して前記複数のコイル部を形成している超電導コイルは、複数のシングルパンケーキコイルからなるコイル部を巻枠の軸線方向に連続させて設けてもよいし、巻枠の軸線方向の一端から他端にかけて超電導線を螺旋状に巻回した後、さらに他端から一端にかけて超電導線を螺旋状に巻回し、この巻回を繰り返して巻枠の軸線方向に複数のコイル部を設けた構成としてもよい。

前記のように、超電導線の巻付方向を変えているコイル部では、内周側から外周側にかけてターン毎に、前記巻枠の軸線に対する前記超電導線の広幅面の傾斜角度を次第に大きくしている。
図１２に示したように、コイルの軸線方向両端における磁場の方向は、コイルの内周側ではコイルの軸線方向に近く、外周側へいくに従ってコイルの軸線方向に対する傾斜角度が大きくなる。よって、前記構成とすることにより、全ての部位で超電導線の広幅面を磁場方向により近接させることができる。

前記超電導線の広幅面をコイルの軸線に対して傾斜させて巻回されている部位の超電導線は、前記磁場方向に対する広幅面の傾斜角度を４５度以下としていることが好ましい。
前記超電導線の広幅面を磁場方向に完全に一致させることは困難であるが、前記のように、超電導線の広幅面の磁場方向に対する傾斜角度を４５度以下とすることにより、超電導コイルが自ら発生させた磁界から大きな悪影響を受けるのを防止することができる。

前記巻枠の両端位置に設けるコイル部の保持枠を備え、該保持枠に超電導線の巻付角度を規制する溝が設けられて、該溝に前記超電導線が巻き付けられていることが好ましい。
前記構成によれば、保持枠に形成された溝に超電導線を嵌め込みながら巻回するだけで、超電導線をコイルの軸線方向に対して傾斜させた状態で巻回することができる。

また、本発明は、前記超電導コイルを備えた超電導機器を提供している。
前記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、本発明によれば、超電導コイルの軸線方向の中央側と両端とで超電導線の巻き方を変え、中央側でも両端でも超電導線の広幅面と超電導コイルにより発生する磁場方向とを近づけているため、超電導線の広幅面に略垂直方向の磁場がかかることがない。
よって、本発明の超電導コイルは通電により自ら発生させた磁場によって大きな影響を受けず、臨界電流があまり低下せず効率良く超電導の特性を発揮することができる。

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４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、超電導線の巻き方の異なる複数の第１コイル部２０と第２コイル部３０を軸線方向Ｙに重ね合わせた積層体とし、図中で上下に隣接するコイル部の超電導線の先端同士を接続して１つのコイルとしている。本実施形態では、超電導コイル１０の軸線方向Ｙの中央側に第２コイル部３０を複数配置する一方、軸線方向Ｙの両端に第１コイル部２０を１つずつ配置している。

第１コイル部２０は、長さ方向に直交する幅を４ｍｍ、厚さを０．２ｍｍとした帯状のビスマス系超電導線２１を図２に示す保持枠２２に巻回して形成している。
前記保持枠２２は、円盤状の樹脂製のハウジング２２ａに超電導線２１を挿入するための溝２２ｂを設けている。該溝２２ｂはハウジング２２ａの内周側から外周側にかけて渦巻き状に連続させており、ターンごとに溝２２ｂの断面形状を相違させている。即ち、最外周の溝を除いて、溝２２ｂを溝底面２２ｃに向けてハウジング２２ａの中心側へ傾斜させており、ターンごとにハウジング２２ａの軸線方向Ｙに対する傾斜角度を大きくしている。また、最外周の溝２２ｂは溝底面２２ｃをハウジング２２ａの軸線方向Ｙに対して直交させ、溝幅を超電導線２１の長さ方向に直交する幅と略一致させている。

図３に示すように、前記保持枠２２の溝２２ｂに超電導線２１を挿入することにより、第１コイル部２０を形成しており、最外周を除いて、超電導線２１が溝２２ｂの傾斜に沿って第１コイル部２０の軸線に対して傾斜された状態で配置される。詳細には、第１コイル部２０の軸線に対する超電導線２１の広幅面の幅方向Ｘの傾斜角度θは内周側から外周側にかけてターン毎に大きくなり、最外周では超電導線２１の幅方向Ｘを第１コイル部２０の軸線方向Ｙと直交させている。

一方、第２コイル部３０は、第１コイル部２０の超電導線２１と断面積を同一とした帯状のビスマス系超電導線３１を円筒状の巻枠にフラットワイズ巻きして形成しており、超電導線３１の広幅面の幅方向Ｘと第２コイル部３０の軸線方向Ｙを一致させたパンケーキコイルである。
なお、図１及び図４では、超電導線２１、３１の配置状態を明記するため、超電導線２１、３１間に介在される絶縁材の図示を簡略的に記載しているが、第２コイル部３０の超電導線３１を巻回する際には、超電導線３１に帯状の絶縁材３２を重ね合わせて、該絶縁材３２を超電導線３１と共に巻回し、隣接する超電導線３１同士が接触しないようにしている。

超電導コイル１０は、図１に示すように、複数の第２コイル部３０の軸線方向の端面同士を重ね合わせると共に、重ね合わせた第２コイル部３０の両端面に第１コイル部２０の軸線方向の端面を重ね合わせている。これら重ね合わせた隣接する第１、第２コイル部２０、３０の超電導線２１、３１をそれぞれ溶接して接続して１つの超電導コイル１０とし、両端の第１コイル部２０の超電導線の端部をリード線（図示せず）を介して電源と接続している。
前記のように第１コイル部２０と第２コイル部３０を配置することにより、超電導コイル１０は、軸線方向の中央では超電導線の幅方向Ｘとコイルの軸線方向Ｙを一致させている一方、軸線方向の端部では超電導線の幅方向Ｘとコイルの軸線方向Ｙを傾斜あるいは直交させている。

前記超電導コイル１０に交流電流を通電すると、図４の矢印で示す磁場が発生する。この磁場の方向は、超電導コイル１０の軸線方向Ｙの中央付近では、超電導コイル１０の軸線と略平行となる一方、超電導コイル１０の軸線方向Ｙの端部側へ行くに従って超電導コイル１０の軸線に対する傾斜角度が大きくなっていく。さらに、第１コイル部２０を配置した超電導コイル１０の軸線方向Ｙの端部では、磁場の方向が内周側から外周側へ行くに従って超電導コイル１０の軸線に対する傾斜角度が大きくなり直交方向に近付いていく。
本発明の超電導コイル１０は、磁場の方向と軸線方向Ｙとが略並行になる軸線方向Ｙの中央付近に超電導線の幅広面の幅方向Ｘを軸線方向Ｙと並行とした第２コイル部３０を配置する一方、磁場方向と軸線方向Ｙとが傾斜あるいは直交する軸線方向Ｙの端部位置に超電導線の幅方向Ｘを軸線方向Ｙと傾斜もしくは直交させた第１コイル部２０を配置している。これにより、超電導コイル１０への通電により発生する磁場の方向に対する超電導２１、３１の幅方向Ｘの傾斜角度を、超電導線２１、３１の全ての位置において４５度以下としている。

よって、超電導コイル１０の中央付近だけでなく端部位置においても、超電導線の幅方向Ｘと超電導コイル１０への通電により発生する磁場の方向とを平行化させているため、超電導コイル１０が自ら発生した磁場による影響を受け難く、臨界電流が大幅に低下することがなく、超電導の特性を効率良く発揮することができる。

なお、本実施形態では、超電導コイル１０の軸線方向の両端に第１コイル部２０を１つずつ配置しているが、両端に複数個ずつ配置してもよい。
また、第１コイル部２０において、超電導線２１の幅方向Ｘを超電導コイル１０の軸線方向Ｙと直交させた超電導線２１を１ターンしか設けていないが複数ターン設けてもよい。
さらに、第１コイル部２０の超電導線２１は、第２コイル部３０の超電導線３１よりも幅の小さなものを用いてもよい。これにより、超電導線の幅方向をコイルの軸線方向に傾斜させた巻回やエッジワイズ巻きが容易となる。この場合、断面積の大きな１本の超電導線３１に断面積の小さな超電導線２１を複数本接続し、第１コイル部２０と第２コイル部３０とで電流容量が同様となるようにしていることが好ましい。

図５乃至図７は、本発明の第２実施形態を示す。
本実施形態の超電導コイル４０では、ビスマス系超電導線４１を巻回する巻枠４２および該巻枠４２への巻回方法を第１実施形態と相違させており、超電導線４１を巻枠の軸線方向Ｙに沿って螺旋状に巻回し、この螺旋巻きを軸線方向に複数回往復させて軸線方向に複数のコイル部を形成して超電導コイル４０としている。
なお、図５では、超電導線４１の配置状態を明記するため、巻枠（保持枠）４２の図示を簡略的に記載している。

本実施形態の巻枠４２Ａは、図６（Ａ）に示すように、軸線方向Ｙに長尺な円筒状のハウジング４２ａの外面に螺旋状の溝４２ｂを設けており、該溝４２ｂのうち、軸線方向Ｙの両端のそれぞれ略１周分の溝４２ｂは、溝底面４２ｃの幅方向Ｘを軸線方向の端部に向けて径方向の外方へ傾斜させている。溝４２ｂの他の部位の溝底面４２ｃは、その幅方向Ｘを軸線方向Ｙと平行としている。

また、前記巻枠４２Ａに外嵌する巻枠４２Ｂ、該巻枠４２Ｂに外嵌する４２Ｃ、該巻枠４２Ｃに外嵌する巻枠４２Ｄを設けている。
巻枠４２Ｂ、４２Ｃでも、軸線方向両端のそれぞれ略１周分の溝４２ｂは、溝底面４２ｃの幅方向Ｘを巻枠４２Ｂ、４２Ｃの軸線方向Ｙに対して傾斜させており、その傾斜角度を巻枠４２Ｂは巻枠４２Ａよりも、巻枠４２Ｃは巻枠４２Ｂよりも大きくしている。
最外層の巻枠４２Ｄでは、図７に示すように、軸線方向両端のそれぞれ略１周分の溝４２ｂの溝幅を超電導線４１の厚さと略同一、溝深さを超電導線４１の幅と略同一の断面矩形状の溝としている。

前記巻枠４２Ａの溝４２ｂに、図６（Ｂ）に示すように、超電導線４１の広幅面が溝底面４２ｃに沿うように、超電導線４１を軸線方向Ｙの一端から他端にかけて螺旋状に巻回している。その後、巻枠４２Ａに巻枠４２Ｂを外嵌して前記超電導線４１を軸線方向Ｙの他端から一端にかけて巻回し、巻枠４２Ｃ、４２Ｄについても同様の作業を繰り返し、最後に巻枠４２Ｄの外周面に外装カバー（図示せず）を外嵌して、超電導４１が巻枠４２の溝４２ｂから脱落しないように保持して超電導コイル４０を形成している。

前記構成によっても、超電導コイル４０の中央付近だけでなく端部位置においても、超電導線の幅方向と超電導コイル４０への通電により発生する磁場の方向とを一致させているため、超電導コイル４０が自ら発生した磁場による影響を受け難く、臨界電流が大幅に低下することがなく、超電導の特性を効率良く発揮することができる。
なお、本実施形態では、巻枠の個数を４個としているが任意に設定してもよい。
また、本実施形態では、超電導コイル４０の軸線方向の両端のターンのみ超電導線の幅方向を軸線方向に傾斜もしくは直交させているが、軸線方向Ｙの両側の複数ターンの超電導線をそのように巻回してもよい。
さらに、超電導線４１の幅方向を超電導コイル４０の軸線方向と直交させた部位を軸線方向の両端にそれぞれ１ターンしか設けていないが複数ターン設けてもよい。

なお、前記実施形態では、ビスマス系超電導線を巻回して超電導コイルを形成しているが、長さ方向に直交する幅を１０ｍｍ、厚さ１μｍとした帯状のイットリウム系超電導線を同様の方法により巻回して超電導コイルを形成してもよい。
また、前記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の断面図である。 保持枠を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。 保持枠に超電導線を巻回した状態を示す断面図である。 超電導コイルに磁場を発生させた状態を示す図面である。 本発明の第２実施形態の超電導コイルの断面図である。 最内周の巻枠を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は断面図である。 最外周の巻枠を示す図面である。 従来例の超電導コイルを示す図面である。 他の従来例の超電導コイルを示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 （Ａ）（Ｂ）は超電導線にかかる磁場の方向と臨界電流の関係を示す図面である。 超電導線にかかる磁場の方向と交流損失の関係を示す図面である。 （Ａ）（Ｂ）は従来の問題点を示す図面である。

符号の説明

１０、４０ 超電導コイル
２０ 第１コイル部
２１、３１、４１ 超電導線
２２ 保持枠
３０ 第２コイル部
４２Ａ〜４２Ｄ 巻枠（保持枠）

Claims (4)

1. 帯状の超電導線を巻枠に巻回してコイル部を形成し、該コイル部を前記巻枠の軸線方向に複数並列して順次電気接続し、あるいは連続した前記超電導線を前記巻枠に巻回して前記複数のコイル部を形成している超電導コイルであって、
   前記巻枠の軸線方向の中央位置のコイル部では前記超電導線の広幅面を前記巻枠の軸線と平行にしている一方、
   前記巻枠の軸線方向の少なくとも両端位置のコイル部では、内周側の超電導線の広幅面を前記巻枠の軸線に対して傾斜させると共に、内周側から外周側にかけてターン毎に、前記巻枠の軸線に対する前記超電導線の広幅面の傾斜角度が次第に大きくなるように変化させ、外周側の超電導線の広幅面を巻枠の軸線に対して垂直とし、交流印加時に発生する磁場方向に対して前記超電導線の広幅面を平行化させていることを特徴とする超電導コイル。
2. 前記超電導線の内周側の広幅面の傾斜角度は４５度以下としている請求項１に記載の超電導コイル。
3. 前記巻枠の両端位置に設けるコイル部の保持枠を備え、該保持枠に超電導線の巻付角度を規制する溝が設けられて、該溝に前記超電導線が巻き付けられている請求項１または請求項２に記載の超電導コイル。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の超電導コイルを備えた超電導機器。

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