JP5011211B2

JP5011211B2 - 超電導コイルの監視方法及び監視装置並びに監視センサを備えた超電導コイル

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Publication number: JP5011211B2
Application number: JP2008134505A
Authority: JP
Inventors: 祐二松井; 学青木; 喜美雄山田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-05-22
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2012-08-29
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Description

本発明は、超電導コイルの監視方法及び監視装置並びに監視センサを備えた超電導コイルに係り、特に、少ないセンサ数で超電導コイルの巻き線の変位と超電導コイルで発生する音響波とを検出可能にする手段に関する。

超電導線を巻回してなる超電導コイルの励磁中に、熱的、電磁気的、あるいは機械的擾乱により、急激かつ制御不能な常電導遷移が発生してしまうことがあり、これをクエンチと呼んでいる。クエンチの発生を防止するためには、クエンチ原因を解明して次期超電導コイルの設計にその対策を反映させる方法や、超電導コイルの励磁中にクエンチ原因となりうる擾乱の発生状況を監視しながら励磁条件を適切にコントロールしていく方法がある。

クエンチ原因は、
（１）超電導コイルの巻き線が変位するワイヤームーブメント、
（２）巻き線間に充填してある絶縁樹脂に微小な割れが発生する樹脂クラック、
（３）フラックスジャンプなどによる超電導線（巻き線）の不安定性、
の３種類に大別できる。このうち、（１），（２）は、機械的擾乱に分類され、（３）は機械的擾乱以外の擾乱という枠に分類される。

本願発明者らは、先に、超電導コイルのクエンチ原因を監視する技術として、超電導コイルに、サーチコイル又はループコイルと呼ばれるワイヤームーブメント検出用の磁気センサと、ワイヤームーブメント及び樹脂クラック検出用のＡＥ（Acoustic Emission：音響波）センサを備え、各センサの出力信号から、上記（１），（２），（３）のクエンチ原因を特定する技術を提案した（非特許文献１参照。）。

即ち、磁気センサ及びＡＥセンサは、各クエンチ原因に対して、以下のように変化するので、磁気センサ及びＡＥセンサの出力を監視することにより、クエンチ原因を特定することができる。

ワイヤームーブメント（巻き線変位）
…ＡＥセンサ：変化有り、磁気センサ：変化有り、
樹脂クラック
…ＡＥセンサ：変化有り、磁気センサ：変化無し
機械的擾乱以外（超電導線の不安定性など）
…ＡＥセンサ：変化無し、磁気センサ：変化無し
また、本願発明者らは、先に、音響波の検出手段としてＡＥセンサを用いる代わりに、音響波を受信すると振動する振動板の上にサーチコイルを取り付けたものを使用する技術についても提案した（特許文献１参照。）。

この例では、巻き線の変位と樹脂割れを識別する方法として、(イ)振動板上のサーチコイルの出力波形が片振れタイプか両触れタイプかを判定する、(ロ)音響波で振動する振動板上のサーチコイルの信号と音響波では振動しないように固定したサーチコイルの信号の変化パターンを比較する、という２つの方法が提案されている。
第７６回２００７年度春季低温工学・超電導学会講演概要集（２００７年５月１６日発行）ｐｐ４６１Ｄ−ａ０１「複数のセンサを用いた超電導コイルモニタリング方法の実験的検討」特開２００７−１６５３８４号公報

監視対象として、図９に示すような、ボビン２１に巻き線２３を巻き回して樹脂含浸し、その外周側にバインド２２を配置した超電導コイル２０を考える。

この超電導コイル２０の巻き線変位と樹脂割れの発生を非特許文献１に記載の技術を用いて検出する場合において、単に巻き線変位の有無と樹脂割れの発生の有無だけを把握する場合には、ＡＥセンサと磁気センサを少なくとも1個ずつ備えるだけでよい。しかし、互いに直交する３方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向）の変位量を独立で評価するためには、Ｘ軸方向の変位を検出するための第１のサーチコイル１０１、Ｙ軸方向の変位を検出するための第２のサーチコイル１０２、及びＺ軸方向の変位を検出するための第３のサーチコイル１０３が必要となる。また、巻き線変位や樹脂割れなどの機械的擾乱により発生する音響波の音源位置を検出するためには、少なくとも３個のＡＥセンサ１０４、１０５、１０６で受信した音響波の時刻差を求める必要がある。

即ち、巻き線変位の有無だけではなく変位の方向性及び変位量まで把握し、樹脂割れの有無だけではなく樹脂割れの周方向概略位置まで把握する場合には、１つの超電導コイルを監視する場合でも、少なくとも３個のサーチコイルと少なくとも３個のＡＥセンサとを備える必要があり、センサ数が多くなる。また、ＡＥセンサは、ノイズの影響を受けやすく、同軸ケーブルによる配線が必須であるので、超電導コイルを液体ヘリウムなどの低温冷媒を充填した恒温槽中で励磁する場合、同軸ケーブルを伝って外部から低温恒温槽内に持ち込まれる熱侵入量が大きく、低温冷媒の無駄が多くなる。さらには、図１０に示すように、複数の超電導コイル１１０、１２０、１３０、１４０が軸方向に積み重ねられた状態で配置される場合、超電導コイル１１０と超電導コイル１２０との間、超電導コイル１２０と超電導コイル１３０との間、超電導コイル１３０と超電導コイル１４０の間にはＺ軸方向の変位を評価するためのサーチコイルが設置できないので、従来法では超電導コイル１２０及び１３０のＺ軸方向の巻き線変位を評価することができない。

一方、特許文献１に記載の技術は、巻き線変位（特許文献１の中では摺動と表現）と樹脂割れ（特許文献１の中では音響波と表現）とを識別することができるが、巻き線変位が発生した場合、振動板上に設置したサーチコイルの出力信号には、大電流が流れている線材が動く際の磁束変化に基づく信号と、線材が動く際に発生する音響波信号の両方が重畳しているので、変位の方向性や変位量を検出することができない。

本発明は、かかる従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その第１の目的は、なるべく少数の監視センサで、超電導コイルの巻き線変位、巻き線変位の方向性、巻き線変位の変位量、樹脂割れの有無及び樹脂割れの発生位置を把握可能で、軸方向に積み重ねられた複数の超電導コイルにも設置可能な超電導コイルの監視方法を提供することにある。また、本発明の第２の目的は、上述の監視方法を実施可能な超電導コイルの監視装置を提供することにある。さらに、本発明の第３の目的は、上述の監視方法及び監視装置の実施に適用可能な超電導コイルを提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、超電導コイルの監視方法に関しては、第１に、監視対象である超電導コイルの機械共振周波数よりも十分に高い機械共振周波数を有する保持具をもって保持したサーチコイルを用い、このサーチコイルから出力されるサーチコイル出力信号の低周波成分から超電導コイルの巻き線の変位を検出し、高周波成分から超電導コイルで発生する音響波信号を検出することを特徴とする。

本発明は、超電導コイルの監視方法に関して第２に、前記第１の超電導コイルの監視方法において、前記検出された超電導コイルの巻き線の変位及び前記音響波信号を表示手段に表示することを特徴とする。

本発明は、超電導コイルの監視方法に関して第３に、前記第１の超電導コイルの監視方法において、前記超電導コイルの周方向に９０°ピッチで配置された４個のサーチコイルを用い、これら各サーチコイルから出力される各サーチコイル出力信号の低周波成分に基づいて、互いに直交する３方向に関する前記巻き線の変位を検出することを特徴とする。

本発明は、超電導コイルの監視方法に関して第４に、前記第１の超電導コイルの監視方法において、前記超電導コイルの周方向に配置された少なくとも３個以上のサーチコイルを用い、これら各サーチコイルから出力される各サーチコイル出力信号の高周波成分から前記超電導コイルで発生する音響波信号をそれぞれ検出し、検出された各音響波信号の受信時刻の差から音響波の発生位置を特定することを特徴とする。

本発明は、超電導コイルの監視方法に関して第５に、前記第１の超電導コイルの監視方法において、前記超電導コイルの周方向に９０°ピッチで配置された４個のサーチコイルを用い、これら４個のサーチコイルのうち、前記超電導コイルの径方向に関して対称の位置に配置された２個のサーチコイルから出力される各サーチコイル出力信号の低周波成分の差分信号から前記超電導コイルの巻き線の径方向変位を検出すると共に、加算信号から前記超電導コイルの巻き線の軸方向変位を検出することを特徴とする。

本発明は、超電導コイルの監視方法に関して第６に、前記第５の超電導コイルの監視方法において、前記差分信号に応じた前記超電導コイルの巻き線の径方向変位、及び前記加算信号に応じた前記超電導コイルの巻き線の軸方向変位を、表示手段に動画像で表示することを特徴とする。

また、本発明は、前記の課題を解決するため、超電導コイルの監視装置に関しては、第１に、監視対象である超電導コイルの機械共振周波数よりも十分に高い機械共振周波数を有する保持具をもって超電導コイルの近傍に設置されたサーチコイルと、このサーチコイルから出力されるサーチコイル出力信号の増幅手段と、この増幅手段により増幅されたサーチコイル出力信号から低周波成分を濾波するローパスフィルタと、前記増幅手段により増幅されたサーチコイル出力信号から高周波成分を濾波するハイパスフィルタと、前記ローパスフィルタにより濾波された前記サーチコイル出力信号の低周波成分の変化及び前記ハイパスフィルタにより濾波された前記サーチコイル出力信号の高周波成分の変化を表示する表示手段とを備えたことを特徴とする。

本発明は、超電導コイルの監視装置に関して第２に、前記第１の超電導コイルの監視装置において、前記超電導コイルに対する前記サーチコイルの設定位置が、前記超電導コイルの軸方向の中央位置から一端側又は他端側に偏倚した位置であることを特徴とする。

本発明は、超電導コイルの監視装置に関して第３に、前記第１の超電導コイルの監視装置において、前記超電導コイルに対する前記サーチコイルの設定位置が、前記超電導コイルの周方向を、９０°ピッチで分割する位置であることを特徴とする。

本発明は、超電導コイルの監視装置に関して第４に、前記第１の超電導コイルの監視装置において、前記サーチコイルを、前記保持具を介して、前記超電導コイルの巻き線を巻回するボビンの内面に設定したことを特徴とする。

本発明は、超電導コイルの監視装置に関して第５に、前記第１の超電導コイルの監視装置において、前記サーチコイルを、前記保持具を介して、前記超電導コイルの巻き線の外周を覆うバインドの外面に設定したことを特徴とする。

本発明は、超電導コイルの監視装置に関して第６に、前記第３の超電導コイルの監視装置において、前記超電導コイルの周方向に９０°ピッチで配置された４個のサーチコイルのうち、前記超電導コイルの径方向に関して対称の位置に配置された２個のサーチコイルから出力される各サーチコイル出力信号の差分信号を求める手段及び加算信号を求める手段と、これら差分信号及び加算信号を積分する手段とを備えたことを特徴とする。

本発明は、超電導コイルの監視装置に関して第７に、前記第１の超電導コイルの監視装置において、前記表示手段は、前記サーチコイル出力信号の低周波成分の変化に基づく前記超電導コイルの３次元的な動画像を表示することを特徴とする。

さらに、本発明は、前記の課題を解決するため、超電導コイルに関しては、第１に、超電導コイルの機械共振周波数よりも十分に高い機械共振周波数を有する保持具をもって保持されたサーチコイルを、ボビンの内面又はバインドの外面に設定したことを特徴とする。

本発明は、超電導コイルに関して第２に、前記第１の超電導コイルにおいて、前記サーチコイルを、前記超電導コイルの軸方向の中央位置から一端側又は他端側に偏倚した位置に設定したことを特徴とする。

以下、本発明に係る超電導コイルの監視方法及び監視装置並びに監視センサを備えた超電導コイルの作用効果について説明する。

まず、巻き線変位の変位方向及び変位量を把握する方法について説明すると、監視対象である超電導コイルは、図２（Ａ）に実線５１で示すように、径方向に対して勾配がほぼ一定な磁場分布を形成する。このような磁場勾配が形成されている中で、径方向変位によって超電導コイルの巻き線とサーチコイルとの相対距離が変化すると、サーチコイル内を鎖交する磁束が変化するため、サーチコイルの出力に電圧信号が発生する。一方、軸方向に対しては、図２（Ｂ）に実線５３で示すように、中央位置で極小値を持ち、勾配が連続的に変化する磁場分布になる。したがって、図２(Ｃ)に示すように、サーチコイル１ｂを超電導コイルの中央位置（Ｚ＝Ｚ０）に配置した場合には、この位置における磁場分布の接線５５は傾きを持たず、超電導コイルがＺ軸方向に変位してもサーチコイル１ｂの出力信号は変化しないが、図２(Ｄ)に示すように、サーチコイル１ｂを超電導コイルの中央位置から下方にずれた位置（Ｚ＝Ｚ１）に配置した場合には、この位置における磁場分布の接線５５は傾きを持つため、超電導コイルがＺ軸方向に変位したとき、サーチコイル１ｂの出力に電圧信号を発生させることができる。つまり、サーチコイルを超電導コイルの中央位置からずれた位置に配置した場合、サーチコイルは、径方向の変位と軸方向の変位の両方に感度を持つようになる。

なお、図９に示す従来法では、ボビンの鍔の位置にＺ軸用（軸方向用）のサーチコイルを設置しているので、径方向用のサーチコイルについては、軸方向に感度を持たないように超電導コイル中央位置に配置されている。

次に、超電導コイルの巻回中心を介してその対称位置に配置された２つのサーチコイル（例えば、図１に記載のサーチコイル１とサーチコイル３）について考える。超電導コイルの巻き線が径方向に変位する場合、巻き線が一方のサーチコイルに近づくような動きは、他方のサーチコイルから遠ざかる動きになるので、各サーチコイルから出力されるサーチコイル出力信号は、＋，−が逆位相となる。したがって、これら２つのサーチコイル出力信号を減算することによって径方向変位を強調することができ、加算することによって径方向の変位を打ち消すことができる。一方、巻き線が軸方向に変位する場合には、巻き線に対する２つのサーチコイルの相対位置は同じように変化するので、各サーチコイルから出力される２つのサーチコイル出力信号は、＋，−の符号が同じになる。したがって、２つのサーチコイル出力信号を加算することにより、軸方向変位を強調することができ、減算することにより、軸方向の変位を打ち消すことができる。

このように、超電導コイルの軸方向の中央位置からずれた位置であって、超電導コイルの巻き線中心を介して超電導コイルの対称位置にある２つのサーチコイル信号を減算及び加算することで径方向変位と軸方向変位を独立に検出することができる。

また、上述のように、サーチコイルを超電導コイルの軸方向の中央位置からずれた位置配置すると、非特許文献１に記載の技術のように、サーチコイルをボビン鍔に取り付ける必要は無いので、軸方向に積み重ねられた複数の超電導コイルの全てについて、径方向変位と軸方向変位を独立に検出することができる。

次に、サーチコイルの出力信号から磁束変化に基づく信号成分と音響波の信号成分を分離する方法を説明する。超電導コイルの巻き線は、ある程度の大きさと重量を持っているので、巻き線変位の機械共振周波数は比較的低い。これに対して、超電導コイルの機械共振周波数よりも十分に高い機械共振周波数を有する保持具をもってサーチコイルを保持し、これを超電導コイルの近傍にしっかりと固定すると、音響波を受信した場合、サーチコイル出力信号は、元々の音響波の周波数より保持具の機械的共振周波数に大きな感度を持つことになる。したがって、超電導コイルに巻き線の変位と樹脂クラックとが同時に発生した場合、サーチコイル出力信号には巻き線の変位に基づく低周波の信号と巻き線の変位及び樹脂クラックに基づく高周波の信号とが重畳することになるので、サーチコイルの出力信号から算出した変位信号をローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと表記する。）とハイパスフィルタ（以下、ＨＰＦと表記する。）を用いて低周波成分と高周波成分に分離することにより、磁束変化に基づく信号成分と音響波の信号成分とを容易に検出することができる。

また、音響波の信号成分を容易に検出できることから、超電導コイルの周方向に少なくとも３個以上のサーチコイルを配置することにより、各サーチコイルへの音響波の受信時刻の差から、樹脂割れの周方向位置を算出することができる。

なお、特許文献１に記載の技術は、音響波に対する感度を上げるために、機械共振周波数が低いＬ字型の振動板を保持具として使用するので、磁束変化に基づく信号成分と音響波の信号成分の周波数帯域が近くなり、各信号の分離が困難になりやすい。

本発明によると、監視対象である超電導コイルの機械共振周波数よりも十分に高い機械共振周波数を有する保持具をもって保持したサーチコイルを用い、このサーチコイルから出力されるサーチコイル出力信号の低周波成分から超電導コイルの巻き線の変位を検出し、高周波成分から超電導コイルで発生する音響波信号を検出するので、超電導コイルの周囲に少なくとも４個のサーチコイルを配置することにより、巻き線変位の有無、巻き線変位の方向性及びその変位量、並びに樹脂割れの有無及び樹脂割れの位置まで検出することができ、センサ数の減少を図ることができる。また、本発明によれば、軸方向に積み重ねられた複数の超電導コイルの全てについて、サーチコイルの設置が可能で、巻き線変位及び樹脂割れを正確に検出することができる。さらに、本発明によれば、サーチコイルによって磁束変化と音響波の両方を検出できるので、ＡＥセンサを用いて音響波を検出する場合とは異なり、同軸ケーブルの使用を不要とすることができて、低温恒温槽内に封入される低温冷媒の無駄を防止することができる。

以下、本発明に係る超電導コイルの監視方法及び監視装置並びに監視センサを備えた超電導コイルの第１実施形態を、図１〜図６を参照しながら説明する。本発明の第1実施形態は、超電導コイルを構成するボビンの内周側に４個のサーチコイルを等分に配置し、アナログ演算を主とする監視信号変換装置でサーチコイルの出力信号を処理することを特徴とするものである。

図１（Ａ），（Ｂ）は第１実施形態に係る監視対象である超電導コイル２０と監視センサであるサーチコイル１〜４の位置関係を図示したものである。超電導コイル２０は、ボビン２１に巻き線２３を巻き回して樹脂含浸し、その外周側にバインド２２を配置した構造をしている。サーチコイル１〜４は、図1（Ｃ）に示すような高周波音響波に対して振動しうる保持具２４に保持され、ボビン２１の内側に例えばボルトなどにより固着されている。本実施形態においては、巻き線２３の変位の機械共振周波数は数十Ｈｚ〜数百Ｈｚであるのに対し、サーチコイル１〜４の共振周波数が数ＫＨｚになるような保持具２４を採用しており、巻き線変位による磁束変化の周波数帯域と音響波を受信した場合の周波数帯域が十分に離れたものになるようにしている。

サーチコイル１〜４は、Ｘ軸（超電導コイル２０の特定の径方向）の正方向を０°とした場合、０°、９０°、１８０°、２７０°の位置に配置している。また、軸方向については、サーチコイル１〜４の全てが、超電導コイル２０の中央位置から同一の方向に等距離ずらした位置（Ｚ＝Ｚ１となる位置）に配置している。超電導コイル２０がサーチコイル１の近傍において形成する径方向の磁場分布は図２（Ａ）の実線５１に示すように勾配がほぼ一定となるので、下記の数１に示すような直線５２で近似できる。但し、数１において、▽Ｂｈは径方向の磁場勾配、Ｃｈは近似直線５２の切片を表す定数である。

また、軸方向の磁場分布は、図２(Ｂ)に実線５３で示すように、中央位置で極小値を持ち、勾配が連続的に変化する磁場分布になる。サーチコイルをＺ＝Ｚ１の位置に配置したときの磁場勾配は、下記の数２に示すような接線５４で表される。但し、数２において、▽Ｂｖ１はＺ＝Ｚ１位置における軸方向の磁場勾配、Ｃｖ１は近似直線５２の切片を表す定数である。

このような磁場勾配が形成されている状態で、巻き線２３のＸ軸方向の変位量をＬｘ（ｔ）、Ｙ軸方向の変位量をＬｙ（ｔ）、Ｚ軸方向の変位量をＬｚ（ｔ）とすると、サーチコイル１〜４の出力信号Ｖ１（ｔ）〜Ｖ４（ｔ）は以下の各数式で表される。但し、これらの各数式において、Ｎはサーチコイル巻き線のターン数、Ｓはサーチコイルの断面積を表している。

これらの式同士を加減すると、下記の数７〜数９になる。

数７〜数９をさらに変形させると、下記の数１０〜数１２が導かれる。

これら数１０〜数１２で表される式は、サーチコイル１〜４の出力信号を演算処理することにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の変位を独立して検出できることを示している。

実際の信号処理は、図１（Ｄ）に示す監視信号変換装置３０が行う。監視信号変換装置３０では、まず、サーチコイル１〜４の出力信号を、絶縁アンプ３１〜３４で増幅する。また、これら絶縁アンプ３１の出力信号と絶縁アンプ３３の出力信号を、差動アンプ３５で差動増幅する。さらに、差動アンプ３５の出力信号を、積分演算子３８で積分する。差動アンプ３５及び積分回路３８は、数１０に記載の信号処理を実行する役割を果たす。積分回路３８の出力をＬＰＦ４１に透過させると、Ｘ軸方向の巻き線変位信号が分離でき、ＨＰＦ４２を透過させると、音響波信号が分離できる。

同様に、数１１に記載の信号処理を実行するために、絶縁アンプ３２と絶縁アンプ３４の出力信号を差動アンプ３６で差動増幅し、積分回路３９で積分する。ＬＰＦ４３とＨＰＦ４４を透過させると、Ｙ軸方向の変位信号と音響波信号に分離できる。

さらに、数１２に記載の信号処理を実行するために、絶縁アンプ３１〜絶縁アンプ３４の信号を加算アンプ３７で加算し、積分回路４０で積分する。ＬＰＦ４５とＨＰＦ４６を透過させると、Ｚ軸方向の変位信号と音響波信号に分離できる。これらの信号は、表示部４７で励磁操作中に実時間表示するとともに、収録部４８に記録して励磁操作終了後に詳細解析が可能なようにしている。

次に、表示部４７に表示する監視画面について説明する。なお、以下の監視例は、図６に示すように、監視対象である超電導コイル２０と監視対象ではない超電導コイル８０を軸方向に配置し、超電導コイル２０と超電導コイル８０が引き合うような電磁力が働いている励磁状態で記録したものである。

図３は巻き線２３が突発的な変位を起こしたと推定される監視画面を示している。上から１段目の画面には、Ｘ軸方向の変位信号及びＹ軸方向の変位信号が表示され、上から２段目の画面には、Ｚ軸方向の変位信号が表示されている。これらの各変位信号は、画面の中央付近で突発的に変化していて、その変化量はＺ軸方向及びＹ軸方向で大きく、Ｘ軸方向で小さい様子まで観察できる。したがって、これらの画面を監視することにより、超電導コイル２０は、ある時点でＺ−Ｙ方向に急激に変位しており、クエンチを発生するおそれがあることが判る。

また、上から３段目の画面には、Ｘ軸方向とＹ軸方向の音響信号が表示されているが、本例においては２つの信号変化が重なりあって見えている。上から４段目の画面は、Ｚ軸方向の音響信号を表示している。これらの図から明らかなように、音響信号はいずれも画面中央付近で振幅が急に大きくなり、徐々に減衰している。サーチコイル１〜４の出力信号は、磁束変化と音響波の両方を捉えていることから、図３の３段目と４段目の画面は、巻き線に変位が発生した状況をモニタリングしていると判定できる。

図４は、樹脂割れが発生したと推定される監視画面を示している。上から１段目及び２段目の画面からは、突発的な変位信号の変化が観察できないが、上から３段目及び４段目の画面の右端に近いところでは、信号が変化している様子を観察できる。つまり、図４の画面は、巻き線の変位を伴わない機械的擾乱を捉えており、図４は樹脂割れが発生した状況をモニタリングしていると判定できる。

図５は、巻き線２３がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３方向について異なる変位をしている様子を監視した画面を示している。左側上段は、Ｘ方向及びＹ方向の変位信号を表示しており、左側下段は、Ｚ軸方向の変位信号を表示している。これらの画面を監視することにより、時間Ｔ１において、超電導コイル２０の巻き線２３が超電導コイル８０に引き付けられる方向に突発的な変位を起こした様子をモニタリングできる。左側上段に示したＹ軸方向の変位信号は周期性のある変化を示しているが、Ｘ軸方向の変位信号では周期性は明確になっていない。時間Ｔ１においてＺ軸方向に突発的な変位が発生した後も、Ｙ軸方向の周期性のある変化は継続している。図５の右側上段には、Ｘ軸方向とＹ軸方向の巻き線変位のリサージュ図を示している。左側の線５６で示すのは突発的な変位が起こる前のリサージュであり、右側の線５７で示すのは突発的な変位が起こった後のリサージュである。巻き線２３は、Ｙ軸方向に長い楕円状の軌跡を描くような水平運動をしていて、Ｚ軸方向に突発的な変位が発生したときに楕円運動の中心軸にずれは発生しているものの、楕円運動は継続したままである様子をモニタリングできている。

次に、本発明の第２実施形態を、図７を参照しながら説明する。本発明の第２実施形態は、４つのサーチコイル５〜８をバインド２２の外周面に配置すると共に、これら各サーチコイル５〜８から出力されるサーチコイル出力信号の処理を、Ａ／Ｄ変換ボード６１を備えた監視信号変換ＰＣで行うことを特徴とする。

図７（Ａ），（Ｂ）は、第２実施形態に係る監視対象である超電導コイル２０と監視センサであるサーチコイル５〜８との位置関係を示す図である。サーチコイル５〜８は、第１実施形態と同様に、高周波音響波に対して振動しうる保持具２４をもってバインド２２の外側に保持される。

本例においては、Ｘ軸の正方向を０°と表現した場合、４５°、１３５°、２２５°、３１５°の各位置にサーチコイル５〜８を配置している。また、軸方向については、全てのサーチコイル５〜８を、超電導コイル２０の中央位置から同一方向に等距離ずらした位置（Ｚ＝Ｚ１となる位置）とした。巻き線２３のＸ軸方向の変位量をＬｘ（ｔ）、Ｙ軸方向の変位量をＬｙ（ｔ）、Ｚ軸方向の変位量をＬｚ（ｔ）とすると、サーチコイル５〜８の出力信号Ｖ５（ｔ）〜Ｖ８（ｔ）は、以下の数１３〜数１６で表される。

これらの各式どうしを加減すると、数１７〜数１９の各式になる。

数１７〜数１９をさらに変形すると、数２０〜数２２の各式になる。

数２０〜数２２は、サーチコイル５〜８の出力信号を演算処理することにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の変位を独立に検出できることを示している。

実際の信号処理は、図７（Ｃ）に示す監視信号変換ＰＣ６０が行う。サーチコイル５〜８の出力信号を、まず、絶縁入力タイプのＡ／Ｄ変換ボード６１でデジタル信号に変換する。次に、信号変換演算部６２は、予め記憶させておいた信号処理プログラムに基づいて、デジタル信号に対して数２０〜数２２の演算処理を行い、さらに、デジタルＬＰＦとデジタルＨＰＦの演算処理を行って、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の変位信号と音響波信号を分離する。これらの分離信号は、ＣＲＴや液晶ディスプレイなどからなる表示部６５に、励磁操作中の実時間で表示する。また、これらの分離信号及びサーチコイル出力のデジタル信号は、半導体メモリやハードディスクからなる記録部６３に記録して、励磁操作終了後に詳細解析が可能なようにしている。動画データ演算部６４は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の変位信号から巻き線２３が３次元的に動く様子を動画表示するためのデータを算出し、表示部６５でその動画を表示する機能も備えている。超電導コイル２０の動きを表示部６５に３次元動画表示することにより、励磁操作者はコイル巻き線の動きの状態を直感的に把握することが可能となる。

次に、磁束変化と音響波を１つのセンサで検出する本発明のサーチコイルを用いた場合にも、音響波の検出に特化したＡＥセンサを用いた場合と同様に、機械的擾乱の発生位置を特定できることを明らかにする。

図８（Ａ）は、監視対象である超電導コイル２０と監視センサであるサーチコイル９〜１３、及び、比較対象センサであるＡＥセンサ１３〜１５の位置関係を示す図である。サーチコイル９〜１２は、第１実施形態と同様に、図1（Ｃ）に示すような高周波音響波に対して振動しうる保持具２４でボビン２１の内側に保持されている。ＡＥセンサ１３〜１５は、バインド２２の外側に設置されている。Ｘ軸の正方向を０°とした場合、サーチコイル９〜１２は、４５°、１３５°、２２５°、３１５°の各位置に配置され、ＡＥセンサ１３〜１５は、９０°、２１０°、３３０°の各位置に配置している。図８（Ｂ）に各センサで収録した機械的擾乱の収録信号波形の一例を示す。この図から明らかなように、ＡＥセンサ１３〜１５における音響波の受信時刻にも、サーチコイル９〜１３における音響波の受信時刻にも差があり、図８（Ｂ）のデータからその時間差を算出することができる。このデータから超電導コイル２０上の音響波の発生位置を定法にしたがって算出すると、ＡＥセンサ１３〜１５を用いた場合にも、サーチコイル９〜１３を用いた場合にも、図８（Ａ）に符号７１で示す位置が音響波の音源位置（＝機械的擾乱の発生位置）となり、本発明のサーチコイルを用いて機械的擾乱の発生位置を評価できることを検証できた。

なお、図８の例においては、４個のサーチコイル９〜１３を用いたが、音響波の発生位置を算出するためには、少なくとも３個のサーチコイルを備えれば足りる。

第１実施形態に係る超電導コイル及びその監視装置の構成図である。超電導コイルが形成する磁場分布の説明図である。巻き線が突発的に変位した様子をモニタリングした画像を示す図である。樹脂割れが発生した様子をモニタリングした画像を示す図である。巻き線がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３方向について異なる変位をしている様子をモニタリングした画像を示す図である。監視対象である超電導コイルと監視対象外の超電導コイルの位置関係を示す説明図である。第２実施形態に係る超電導コイル及びその監視装置の構成図である。サーチコイルを用いて機械的擾乱の発生位置を特定できることを示す図である。従来法による監視センサの配置例を示す図である。従来法の問題点を示す説明図である。

符号の説明

１〜１２…サーチコイル、１３〜１５…ＡＥセンサ、２０…超電導コイル、２１…ボビン、２２…バインド、２３…巻き線、２４…保持具、３０…監視信号変換装置、３１〜３４…絶縁アンプ、３５〜３６…差動アンプ、３７…加算アンプ、３８〜４０…積分回路、４１、４３、４５…ローパスフィルタ、４２、４４、４６…ハイパスフィルタ、４７…表示部、４８…収録部、６０…監視信号変換ＰＣ、６１…Ａ／Ｄ変換ボード、６２…信号変換演算部、６３…記録部、６４…動画データ演算部、６５…表示部

Claims

監視対象である超電導コイルの機械共振周波数よりも十分に高い機械共振周波数を有する保持具をもって保持したサーチコイルを用い、このサーチコイルから出力されるサーチコイル出力信号の低周波成分から超電導コイルの巻き線の変位を検出し、高周波成分から超電導コイルで発生する音響波信号を検出することを特徴とする超電導コイルの監視方法。
前記検出された超電導コイルの巻き線の変位及び前記音響波信号を表示手段に表示することを特徴とする請求項１に記載の超電導コイルの監視方法。
前記超電導コイルの周方向に９０°ピッチで配置された４個のサーチコイルを用い、これら各サーチコイルから出力される各サーチコイル出力信号の低周波成分に基づいて、互いに直交する３方向に関する前記巻き線の変位を検出することを特徴とする請求項１に記載の超電導コイルの監視方法。
前記超電導コイルの周方向に配置された少なくとも３個以上のサーチコイルを用い、これら各サーチコイルから出力される各サーチコイル出力信号の高周波成分から前記超電導コイルで発生する音響波信号をそれぞれ検出し、検出された各音響波信号の受信時刻の差から音響波の発生位置を特定することを特徴とする請求項１に記載の超電導コイルの監視方法。
前記超電導コイルの周方向に９０°ピッチで配置された４個のサーチコイルを用い、これら４個のサーチコイルのうち、前記超電導コイルの径方向に関して対称の位置に配置された２個のサーチコイルから出力される各サーチコイル出力信号の低周波成分の差分信号から前記超電導コイルの巻き線の径方向変位を検出すると共に、加算信号から前記超電導コイルの巻き線の軸方向変位を検出することを特徴とする請求項１に記載の超電導コイルの監視方法。
前記差分信号に応じた前記超電導コイルの巻き線の径方向変位、及び前記加算信号に応じた前記超電導コイルの巻き線の軸方向変位を、表示手段に動画像で表示することを特徴とする請求項５に記載の超電導コイルの監視方法。
監視対象である超電導コイルの機械共振周波数よりも十分に高い機械共振周波数を有する保持具をもって超電導コイルの近傍に設置されたサーチコイルと、このサーチコイルから出力されるサーチコイル出力信号の増幅手段と、この増幅手段により増幅されたサーチコイル出力信号から低周波成分を濾波するローパスフィルタと、前記増幅手段により増幅されたサーチコイル出力信号から高周波成分を濾波するハイパスフィルタと、前記ローパスフィルタにより濾波された前記サーチコイル出力信号の低周波成分の変化及び前記ハイパスフィルタにより濾波された前記サーチコイル出力信号の高周波成分の変化を表示する表示手段とを備えたことを特徴とする超電導コイルの監視装置。
前記超電導コイルに対する前記サーチコイルの設定位置が、前記超電導コイルの軸方向の中央位置から一端側又は他端側に偏倚した位置であることを特徴とする請求項７に記載の超電導コイルの監視装置。
前記超電導コイルに対する前記サーチコイルの設定位置が、前記超電導コイルの周方向を、９０°ピッチで分割する位置であることを特徴とする請求項７に記載の超電導コイルの監視装置。
前記サーチコイルを、前記保持具を介して、前記超電導コイルの巻き線を巻回するボビンの内面に設定したことを特徴とする請求項７に記載の超電導コイルの監視装置。
前記サーチコイルを、前記保持具を介して、前記超電導コイルの巻き線の外周を覆うバインドの外面に設定したことを特徴とする請求項７に記載の超電導コイルの監視装置。
前記超電導コイルの周方向に９０°ピッチで配置された４個のサーチコイルのうち、前記超電導コイルの径方向に関して対称の位置に配置された２個のサーチコイルから出力される各サーチコイル出力信号の差分信号を求める手段及び加算信号を求める手段と、これら差分信号及び加算信号を積分する手段とを備えたことを特徴とする請求項９に記載の超電導コイルの監視装置。
前記表示手段は、前記サーチコイル出力信号の低周波成分の変化に基づく前記超電導コイルの３次元的な動画像を表示することを特徴とする請求項７に記載の超電導コイルの監視装置。
超電導コイルの機械共振周波数よりも十分に高い機械共振周波数を有する保持具をもって保持されたサーチコイルを、ボビンの内面又はバインドの外面に設定したことを特徴とする超電導コイル。
前記サーチコイルを、前記超電導コイルの軸方向の中央位置から一端側又は他端側に偏倚した位置に設定したことを特徴とする請求項１４に記載の超電導コイル。