JP5008112B2 - 放射状集合導体 - Google Patents

Description

本発明は、交流損失を低減し、漏れ磁界を小さくすることが可能であるという特徴を備えた、特に電力ケーブル、抵抗型限流器、超伝導機器への電流リード、電流供給ブスバー等に有用である放射状集合導体に関する。

従来の三相交流超伝導ケーブルとして、複数本の超伝導線材を円筒状に束ねた導体を、図１のように、３つ並べた構造又は図２のように、同軸状に積層した構造が検討されている。しかし、このような構造は、大電流化、低損失化、高い冷却効率を図るのには限界がある。
例えば、図１の構造の超伝導ケーブルでは、大きな漏れ磁界を遮蔽するために、相毎に導体層を覆うシールド層が不可欠であり、高価な超伝導材料が余分に必要となる問題がある。また、図２の同心円状に各相を配置した構造では、各導体層のサイズ（径）が大きく異なるので、流れる電流が不均一になるという問題がある。

公知刊行物として、金属マトリックス内に、放射状に超伝導体を配置した導体からなる多芯セラミックス超伝導線材及びその製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この線材では、超伝導体が電気絶縁されていないため、超伝導体同士が電気的に結合して大きな交流損失が生じる等の問題がある。
また、臨界電流の低下を抑え、交流損失を低減させる目的で、金属マトリックスに埋設した複数本の超伝導フィラメントからなる交流用酸化物超伝導丸線材において、超伝導フィラメントに一定の条件のツイストを施す提案がなされており、その一例として複数のテープ線材を放射状に複数層に渡って巻きつけた例が示されている（特許文献２の図８参照）。

しかし、特許文献２の図８では、外部磁界Ｂ（変動磁界Ｂ）の方向が円周に沿った方向を向いており、これは全ての線材に同方向に位相差のない電流を流すことを意味している。
超伝導フィラメントに一定の条件のツイストを施すことによる交流損失を低減させるという程度の意味はあるが、このような場合、依然として大きな交流損失が発生し、根本的な解決には至っていないという問題がある。
このように、従来の超伝導ケーブルでは、大電流化、低損失化及び高い冷却効率を保有させるには限界があり、また漏れ磁界を遮蔽するためのシールド層を必要としたり、電流が不均一に流れるなどの問題があった。

特開平５−５４７３１号公報 特開平１０−５０１５３号公報

本発明は、上記の問題点を解決することを目的とし、大電流化するために多数の導体を配置しても、冷却効率が良く、電気絶縁がし易く、また各導体に位相の異なる交流電流を流すことにより、交流損失を著しく低減でき、漏れ磁界を小さくすることができるという著しい特性を備えた集合導体を提供することを課題とする。また、同集合導体を使用して、各導体に異なる方向の直流電流あるいは変動電流を流すことにより漏れ磁界を小さくすると同時に変動電流による損失を小さくすることを課題とする。さらに、漏れ磁界を小さくすることが可能であるために、シールド層を特に必要とせず、超伝導体を用いた場合には、必要とされる高価な超伝導材料の量も少なくても済むという、低コスト化を図ることができる技術を提供することを課題とする。

上記の課題に鑑み、本発明は、複数の平角形状導体又は平角形状複合導体をそれぞれ独立の導体となるように絶縁体を介して放射状に配置し、これらの隣り合う独立した放射状導体に異なる位相の交流電流又は異なる方向の直流電流あるいは変動電流を流す放射状集合導体に関する。
本発明は、超伝導導体に特に有用であるが、通常の交流用導体に適用できることは言うまでもない。放射状集合導体の配置総数は、通常電流成分の整数倍である。
このような、本発明の特異な構造を持つ放射状集合導体は、発生する磁界が互いに打ち消し合うため、交流電流の位相差がない場合に比べて、交流損失及び漏れ磁界が著しく小さくなるという著しい特性を備えている。
また、同集合導体を使用し、各導体に異なる方向の直流電流あるいは変動電流を流すことにより、同様に磁界が打ち消し合って漏れ磁界を小さくすることができ、また変動電流による損失を小さくすことができるという効果を備えている。したがって、交流のみならず異なる方向の直流電流や変動電流を流す場合、特に大電流を流すような場合においても、著しい効果がある。
なお、本明細書で使用する「変動電流」とは、時間的に変動（増加／減少）はするけれども電流の方向（正負）は変わらない電流を意味する。この変動電流は、直流電流のように時間的に一定でもなく、また通常の意味での交流電流のように正負が逆転するものではない。しかし、このような変動電流においても、上記の通り、漏れ磁界が小さくなるのはもちろんのこと、変動電流による損失も小さくなるという効果がある。

平角形状導体又は平角形状複合導体としては、テープ、ストリップ若しくはこれらの複合導線、又は丸線、角線若しくは撚線を平角形状に配列した複合導線を使用することができる。
上記平角形状導体又は平角形状複合導体は、通常用いることのできる代表例を示したもので、放射状集合導体としての機能を持たせることができるものであれば、これらに制限されるものではない。上記の例示の変形は本願発明に包含されるものである。

この各導体の放射状に開放された構造は、電気絶縁が容易であるという特徴を有している。また、超伝導材を使用して大電流を流す場合には、冷媒により冷却することが必要となるが、従来技術である図１又は図２に示すように、各導体が同心円の閉鎖された構造では冷媒の通路を設置する場合には著しく制限される。また、例えば管状導体の内部に冷媒を流して冷却しようとする場合には、外部導体と内部導体では冷却能力が異なるので、冷却が均一にできないという問題がある。
しかし、本発明の場合は、各導体は絶縁体を介して放射状に開放されているので、冷媒流路の配置は極めて容易である。また、断面のどの位置においても、対称になっているので、例えば導体間に冷媒流路を配置した場合においても、導体の冷却が均一にできるという特徴を有している。

以上から、本発明の放射状集合導体は、超伝導導体及び通常の交流用導体若しくは直流用導体あるいは変動電流用導体として使用でき、電力ケーブル、限流器、電流リード又は電流供給ブスバーとして、特に有用である。抵抗型限流素子を放射状に配置した場合は、通常動作時の低インピーダンス化が可能となる。
上記の通り、漏れ磁界が著しく小さくなるので、シールド層は不必要ではあるが、放射状集合導体の周囲に、さらに超伝導テープ線材又は銅網線などのシールド層を配置して、一層漏れ磁界をより減少させる構造とすることを妨げるものではない。このような構造は、従来と同様に、容易に採用することができる。

また、本発明の放射状集合導体の具体例として、例えば複数の平角形状導体又は平角形状複合導体を、それぞれ独立の導体となるように絶縁体を介して放射状に配置し、該放射状に配置した２枚の導体を単位として、隣り合う導体に流れる交流電流の位相差が１８０度になるように交流電流を流し、その単位となる導体を放射状に多数配置した限流器とすることができる。

さらに、例えば複数の平角形状導体又は平角形状複合導体を、それぞれ独立の導体となるように絶縁体を介して放射状に配置し、該放射状に配置したｎ枚の導体を単位として、隣り合う導体に流れる交流電流の位相差が３６０／ｎ度になり、かつ単位となるｎ枚の導体に流れる交流電流の総和の瞬時値がゼロになるようにｎ相交流電流を流し、その単位となる導体を放射状に多数配置したｎ相交流ケーブルとすることができる。
この場合、放射状に配置した３枚の導体を単位とする、すなわちｎを３とすることにより、通常使用されている三相交流ケーブルとすることができることは容易に理解できるところである。その他、ｎを任意に変えることにより、四相交流、六相交流等を含む多相交流を対象とすることができる。

本発明の放射状集合導体は、各導体に位相の異なる交流電流を流すことにより、交流損失を著しく低減でき、漏れ磁界を小さくすることができるという著しい特性を備えている。また、放射状集合導体を対称的に配置することができるので、電流が不均一に流れる問題もないという特徴を有する。
また、同集合導体を使用し、各導体に異なる方向の直流電流あるいは変動電流を流すことにより、同様に磁界が打ち消し合って漏れ磁界を小さくすることができ、また変動電流による損失を小さくすることができるという効果を備えている。
さらに、大電流化するために多数の導体を配置しても、放射状集合導体が開放構造なので、電気絶縁体の設置及び冷媒流路の配置が容易であるという特徴を備えている。それに伴い冷却効率が良好となり、均一冷却が可能であるという利点がある。
上記の通り、漏れ磁界を小さくすることが可能であるために、シールド層を特に必要とせず（なお、漏れ磁界防止効果をより一層高めるために、シールド層の使用を妨げるものではない）、超伝導線材を使用した場合には、必要とされる高価な超伝導材料の量も少なくても済み、低コスト化を図ることができるという優れた効果を有する。

以下に、本発明の特徴を、図に沿って具体的に説明する。なお、以下の説明は、本願発明の理解を容易にするためのものであり、これに制限されるものではない。すなわち、本願発明の技術思想に基づく変形、実施態様、他の例は、本願発明に含まれるものである。

図３は、本発明を適用した場合の代表的な例を示すものであり、複数の平角形状導体を、それぞれ独立の導体となるように絶縁体を介して放射状に配置するとともに、該放射状に配置した３枚の導体を単位として、隣り合う導体に流れる交流電流（Iu, Iv, Iw）の位相差を１２０度とし、これを放射状に多数配置して三相交流ケーブルとしたものである。
これによって、発生する磁界は互いに打ち消し合うため、交流電流の位相差がない場合に比べて、交流損失及び漏れ磁界は著しく小さくなる。なお、絶縁体については、特に図示していないが、導体の周囲に配置するだけで良いので、特に複雑な構造を必要としない。
また、冷却方法も、放射状に多数配置した導体の中心部又は絶縁体の間若しくは内部に配置するだけで良いので、これも複雑な構造を必要としないという利点がある。このように、放射状に配置した導体自体が開放構造になっているので、絶縁体及び冷媒流路の配置が容易であることは容易に理解できる。

図４は、反平行電流の場合を示すものであり、超伝導導体を放射状に配置し、隣り合う導体に流れる交流電流（+I, -I）の位相が１８０度になるように電流を流す場合の例を示すものである。
この場合、発生する磁界は互いに打ち消し合うため、上記と同様に交流電流の位相差がない場合に比べて、交流損失及び漏れ磁界は著しく小さくなる。
このような超伝導導体を多数配置して大電流化を図っても、損失や漏れ磁界の増加は非常に小さくなる。また、図３及び図４に示すように、導体となる線材は対称的な配置なので、電流が不均一に流れる問題はない。
同様に、該集合導体を使用して、各導体に異なる方向の直流電流あるいは変動電流を流すことにより、漏れ磁界や変動電流による損失を小さくすることが可能である。

基本となる導体、特に超伝導導体としては、図５（断面図）に示すような一枚のテープ状線材を使用することができる。また、図６（断面図）のように、複数枚のテープ線材を束ねて複合化することもできる。
さらに、図７（断面図）に示すようにラザフォードケーブルのような丸線を平角形状（断面）に配置して複合導体とすることもできる。
この場合の線材は、角線又は撚線とすることも可能である。このような複合導体は、前記テープ状線材と同等の機能を有する。すなわち、既存の導体をそのまま使用することができるという利点がある。

本発明の放射状に配置した導体によって漏れ磁界を著しく減少させることができ、その効果は従来のシールドを不要とする程度のものであるが、このシールドをさらに配置して、漏れ磁界を一層抑制することが可能である。
図８にその例を示す。内部には複数枚のテープ線材を束ねた複合化導体を、絶縁体を介して放射状に配置し、該放射状に配置した３枚の導体を単位として、隣り合う導体に流れる交流電流（Iu, Iv, Iw）の位相差を１２０度とし、これを放射状に多数配置して三相交流ケーブルとしたものであり、その周囲にシールドを配置した構造を示す。
これによって、漏れ磁界をより一層抑制することが可能となる。シールド装置としては、超伝導テープ線材又は銅網線などのシールドを使用することができる。

本発明の放射状集合導体は、各導体に位相の異なる交流電流を流すことにより、交流損失を著しく低減でき、漏れ磁界を小さくすることができるという特性を備え、また放射状集合導体を対称的に配置することができるので、電流が不均一に流れる問題もない。同集合導体を使用し、各導体に異なる方向の直流電流あるいは変動電流を流すことにより、同様に磁界が打ち消し合って漏れ磁界を小さくすることが可能となり、また変動電流による損失を小さくすることも可能となる。
さらに、大電流化するために多数の導体を配置しても、放射状集合導体が開放構造なので、電気絶縁体の設置及び冷媒流路の配置が容易であり、均一冷却が可能である。したがって、電力ケーブル、限流器、電流リード又は電流供給ブスバーとして有用である。

従来の、複数本の超伝導線材を円筒状に束ねた導体の周囲に磁気シールド層を配置した構造体を３つ並べた三相超伝導ケーブルの説明図である。 従来の同軸状に積層した構造の三相超伝導ケーブルの説明図である。 本発明の、複数の平角形状導体を放射状に配置し三相交流ケーブルとした説明図である。 本発明を反平行電流の場合に適用した場合を示すものであり、超伝導導体を放射状に配置し、隣り合う導体に流れる交流電流（+I, -I）の位相が１８０度になるように電流を流す場合の説明図である。 本発明で使用する基本導体として、一枚のテープ状線材を使用した例である。 本発明で使用する基本導体として、複数枚のテープ線材を束ねて複合化した例である。 本発明で使用する基本導体として、ラザフォードケーブルのような丸線を平角形状（断面）に配置して複合導体とした例である。 内部には複数枚のテープ線材を束ねて複合化導体を該放射状に配置し、その周囲にシールドを配置した構造を示す説明図である。

Claims (6)

1. 複数の平角形状超伝導導体又は平角形状複合超伝導導体を、それぞれ独立の導体となるように絶縁体を介して放射状に配置し、該放射状に配置したｎ（ｎは３以上の整数）枚の導体を単位として、隣り合う導体に流れる交流電流の位相差が３６０／ｎ度になるようにｎ相の交流電流を流すことを特徴とする放射状集合超伝導導体。
2. 平角形状超伝導導体又は平角形状複合超伝導導体が、テープ、ストリップ若しくはこれらの複合導線、又は丸線、角線若しくは撚線を平角形状に配列した複合導線であることを特徴とする請求項１記載の放射状集合超伝導導体。
3. 電力ケーブルであることを特徴とする請求項１又は２記載の放射状集合超伝導導体。
4. 放射状集合超伝導導体の周囲にさらにシールド層を配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の放射状集合超伝導導体。
5. 複数の平角形状超伝導導体又は平角形状複合超伝導導体を、それぞれ独立の導体となるように絶縁体を介して放射状に配置し、該放射状に配置したｎ（ｎは３以上の整数）枚の導体を単位として、隣り合う導体に流れる交流電流の位相差が３６０／ｎ度になり、かつ単位となるｎ枚の導体に流れる交流電流の総和の瞬時値が常にゼロになるようにｎ相交流電流を流し、その単位となる導体を放射状に多数配置したｎ相交流ケーブルであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の放射状集合超伝導導体。
6. ｎが３であることを特徴とする請求項５に記載の放射状集合超伝導導体。

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