JP5269248B2 - 超伝導電力貯蔵装置用コイルボビン - Google Patents

Description

本発明は超伝導電力貯蔵装置にトロイダル（ｔｏｒｏｉｄａｌ）状に超伝導コイルを巻線するために、複数で備えられる超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンに関する。

近年、高度化かつ情報化の社会に発展するにつれて、情報通信器機、電算器機、オンラインサービス器機、自動生産ライン及び精密制御器機が拡充され、このような敏感で重要な負荷に高品質の磁気エネルギーを供給する目的で超伝導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ：ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ）に対して研究及び開発が活発に進んでいる。超伝導電力貯蔵装置は、磁気エネルギー品質を制御するための小規模の超伝導電力貯蔵装置から負荷平準化を目的とする大容量超伝導電力貯蔵装置に至るまで多様である。最近には、敏感な負荷の磁気エネルギー品質を制御する目的で数ＭＪ級の小規模超伝導電力貯蔵装置が商用化して産業体及び軍用に適用されてその効果を立証している。

超伝導電力貯蔵装置の要部は、超伝導コイルでなる超伝導磁石と、超伝導磁石を収容する低温保持装置（ｃｒｙｏｓｔａｔ）と、超伝導磁石の二つの端子を低温保持装置の外部に引き出す電流リード（ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｅａｄ）と、電力系統から電力を変換させて供給する電力変換器とからなる。

従来には、主に薄い帯状の超伝導コイル線材を巻線してパンケーキ状に超伝導コイルを形成した後、一対を一緒に使うことでダブルパンケーキ状を成す。その後、ダブルパンケーキ状の超伝導コイルを積層して超伝導磁石を作る。超伝導コイルは、パンケーキ状の表面、つまり広い面に垂直な垂直磁場の強度によって臨界電流特性が非常に違う。垂直磁場の強度が高いほど臨界電流が低くなり、究極には超伝導磁石の運転電流を低める問題点がある。

超伝導磁石にエネルギーを貯蔵する場合には、前記の問題点を改善するために、超伝導コイルを積層する方式ではなく、トロイダル状に配置することで、超伝導コイルの垂直磁場の強度を減らす方法を使っている。

しかし、従来には、一対のパンケーキ超伝導コイルが互いに平行に付いているダブルパンケーキ状を成すため、超伝導コイルをトロイダル状に配置すれば、トロイダルの最外側円周面から外れる導体の領域が大きくなる。すなわち、トロイダルの曲面を離脱する部分での垂直磁場が増加する問題点がある。

特に、一般的に多く使う４ｍｍ幅以上の超伝導コイル線材の場合、その幅が増加するほどトロイダルの最外側円周面から離脱する導体の領域が増加するため、垂直磁場強度の減少効果が著しく落ちる問題点がある。

本発明は前記の問題を解決するためになされたもので、超伝導コイルで発生する垂直磁場の強度を減らすことができる超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンを提供することにその目的がある。

本発明が解決しようとする課題は前述した課題に制限されなく、ここで言及しない本発明が解決しようとするさらに他の課題は下記の本発明が属する技術分野で通常の知識を持った者に明らかに理解可能であろう。

本発明の超伝導電力貯蔵装置にトロイダル状に超伝導コイルを巻線するために複数で備えられる超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンは、円形板形状に互いに対向して形成される一対のコイルボビンフレームと、コイルボビンフレームのそれぞれに巻線されてパンケーキ状を成す超伝導コイルと、コイルボビンフレームの対向面の反対面のそれぞれに形成され、コイルボビンフレームを支持する第１支持板と、コイルボビンフレームの対向面のそれぞれに形成され、コイルボビンフレームを支持する第２支持板と、第２支持板の間に、トロイダルの中心に向けて板の厚さが次第に減る円形板形状に形成される中央フレームとを含む。
本発明のコイルボビンフレームは円形板形状の一部が開放構造を成すことを特徴とする。

本発明のコイルボビンフレームは、ＧＦＲＰ材、陽極酸化処理したアルミニウム材またはＧＦＲＰと陽極酸化処理したアルミニウムが接着してなる複合材の中でいずれか１種の素材でなることを特徴とする。
本発明の第１支持板は間隙を持つ二枚の板でなるか、あるいは直線孔及び曲線孔を含む板でなることを特徴とする。
本発明の第２支持板は超伝導コイルを引き込むかあるいは引き出す長孔が形成されることを特徴とする。
本発明の第１支持板、第２支持板及び中央フレームはＧＦＲＰ材または陽極酸化処理したアルミニウム材でなることを特徴とする。

本発明の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンは、第１支持板と第２支持板の超伝導コイル接触面に形成される絶縁テープまたは絶縁紙をさらに含むことを特徴とする。

本発明の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンは、第１支持板と第２支持板の間の上部及び下部のそれぞれに形成され、超伝導コイルを伝導冷却する金属伝導バーをさらに含むことを特徴とする。

本発明の金属伝導バーは、一端が超伝導コイルの外周面と対向して湾曲し、他端が第１支持板と第２支持板の間から外部に突出して平面を成し、突出部の幅が間部の幅より広いように段差を成すことを特徴とする。
本発明の第１支持板及び第２支持板は、金属伝導バーと締結するために、上下方向に伸びることを特徴とする。
本発明の金属伝導バーは、第１支持板及び第２支持板と締結するネジ孔が上下方向に長孔形を成すことを特徴とする。
本発明の金属伝導バーは陽極酸化処理したアルミニウム材でなることを特徴とする。
本発明の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンは、中央フレームの上側と下側に設けられる楔部をさらに含むことを特徴とする。

本発明の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンは、第１支持板の外側面に形成され、超伝導コイルを外部に案内して支持するジョイントサポーターをさらに含むことを特徴とする。
本発明のジョイントサポーターは第１支持板と締結するネジ孔が長孔形を成すことを特徴とする。

前記課題の解決手段によって、本発明の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンは、超伝導コイルで発生する垂直磁場の強度を減らすことができる効果がある。
また、本発明は、超伝導電力貯蔵装置の運転時に発生する渦電流を減らすことができる効果がある。
また、本発明は、超伝導コイルの冷却効率を向上させることができる効果がある。

以上のような本発明の解決しようとする課題、課題の解決手段、発明の効果を含んだ具体的な事項は次に記載する実施例及び図面に含まれている。本発明の利点及び特徴、並びにそれを達成する方法は添付図面に基づいて詳細に後述する実施例を参照すれば明らかになるであろう。明細書の全般にわたって同一参照符号は同一の構成要素を示すものである。

図１は本発明の一実施例による超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンの分解斜視図である。 図２は本発明の一実施例による超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンの結合斜視図である。 図３は本発明の一実施例による金属伝導バーを含む超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンの分解斜視図である。 図４は本発明の一実施例による金属伝導バーを含む超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンの結合斜視図である。 図５は図４の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンをＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの各方向に見た形状を示す図である。 図６は本発明の一実施例によるジョイントサポーターを説明するための図である。 図７は本発明の一実施例による二つの超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンを結合したサンプル写真である。 図８は本発明の一実施例によるトロイダル状を成す複数の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンを示す図である。 図９は本発明の他の実施例による第1支持板の斜視図である。

以下、添付図面に基づいて本発明をより詳細に説明する。

図１及び図２は本発明の一実施例による超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンを説明するための図である。具体的に、図１は本発明の一実施例による超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンの分解斜視図、図２は本発明の一実施例による超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンの結合斜視図である。

図１及び図２に示すように、本発明の一実施例による超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンは、コイルボビンフレーム１１０、超伝導コイル１２０、第１支持板１３０、第２支持板１４０及び中央フレーム１５０を含む。

コイルボビンフレーム１１０は、超伝導コイル１２０を巻線するために円形板形状を成し、一対が互いに対向して形成される。コイルボビンフレーム１１０は円形板形状の一部が開放構造１１１を成すことで、超伝導電力貯蔵装置の充放電の際に渦電流を減らすことができる。これは、変圧器で渦電流損失を減らすために鉄心に空隙（ｇａｐ）を形成した構造と同様な原理である。

また、コイルボビンフレーム１１０は、ＧＦＲＰ（ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃ；ガラス纎維強化プラスチック）材、陽極酸化（ａｎｏｄｉｚｉｎｇ）処理したアルミニウム材、またはＧＦＲＰと陽極酸化処理したアルミニウムが接着してなる複合材の中でいずれか１種の素材で形成することが好ましい。ＧＦＲＰ材と陽極酸化処理したアルミニウム材はいずれも絶縁材であり、これは超伝導コイル１２０からコイルボビンフレーム１１０を絶縁するためのものである。

ここで、ＧＦＲＰ材はプラスチック材であるので、超伝導電力貯蔵装置の充放電の際に渦電流損失を減らすことができる効果がある。一方、陽極酸化処理したアルミニウム材は熱伝導度に優れた金属材で、超伝導コイル１２０の伝導冷却効率を向上させることができる。ＧＦＲＰと陽極酸化処理したアルミニウムが接着してなる複合材は前記二つの特徴を共に持つことができ、その構造は、円形板形状において、内部の円形板をＧＦＲＰ材で形成し、外部の円形板を陽極酸化処理したアルミニウム材で形成した後、二つの円形板を互いに接着して構成することができる。

超伝導コイル１２０はコイルボビンフレーム１１０のそれぞれに巻線されてパンケーキ状を成す。超伝導コイル１２０はおよそ４ｍｍの幅を持つ薄い帯状の超伝導コイル線材を巻線して形成し、その素材は用途によって高温超伝導コイルまたは低温超伝導コイルのいずれかを使っても構わない。パンケーキ状の超伝導コイル１２０もコイルボビンフレーム１１０に形成されて一対を成す。

第１支持板１３０はコイルボビンフレーム１１０の対向面の反対面のそれぞれに形成され、コイルボビンフレーム１１０を支持する。すなわち、一つのコイルボビンを基準とするとき、コイルボビンの最外側面を形成する。第１支持板１３０は間隙１３１を持つ二枚の板でなるようにするか、直線孔１３２及び曲線孔１３３を形成する。すなわち、前記第1支持板１３０は間隙１３１を有する二枚の板に分離されて形成されるか、他の実施例として一体的に形成され、内部に直線孔１３２及び曲線孔１３３を含む板状をなす。前記間隙１３１または直線孔１３２及び曲線孔１３３は前記コイルボビンフレーム１１０の開放構造１１１と同様に、超伝導電力貯蔵装置の充放電の際に渦電流を減らすためのものである。第１支持板１３０は必要によってＧＦＲＰ材または陽極酸化処理したアルミニウム材のいずれか１種の素材で形成する。ＧＦＲＰ材を選択する場合、第１支持板１３０は間隙１３１が０（ゼロ）である一体型とする。

第２支持板１４０はコイルボビンフレーム１１０の対向面のそれぞれに形成され、コイルボビンフレーム１１０を支持する。第２支持板１４０はコイルボビンフレーム１１０の対向面の間に形成されることにより、一対の超伝導コイル１２０に対してスペーサ（ｓｐａｃｅｒ）の機能をする。

また、第２支持板１４０には、超伝導コイル１２０を引き込むか引き出す長孔１４１が形成されている。長孔１４１を通じて超伝導線をコイルボビンフレーム１１０に引き込んで超伝導コイル１２０を巻線し、長孔１４１を通じてコイルボビンフレーム１１０から超伝導線を引き出して対向する反対側コイルボビンフレーム１１０に形成される超伝導コイル１２０と連結する。第２支持板１４０の長孔１４１も、コイルボビンフレーム１１０の開放構造１１１と同様に、超伝導電力貯蔵装置の充放電の際に渦電流を減らす機能を持つ。また、図１及び図３で長孔１４１の形状を異にするように、長孔１４１の形状は引き込み及び引き出しの便利性、渦電流低減などを考慮して変更可能である。第２支持板１４０は必要によってＧＦＲＰ材または陽極酸化処理したアルミニウム材のいずれか１種の素材で形成する。

中央フレーム１５０は第２支持板１４０の間に、トロイダル状の中心に向けて板の厚さが次第に減る円形板形状に形成される。中央フレーム１５０の形状によって、本発明の一実施例によるコイルボビンは、従来のように二つのパンケーキ状超伝導コイルが平行に付いているダブルパンケーキ状を成すものではなく、まるでシングルパンケーキ状の超伝導コイルがトロイダル状を持つ構造に、二つのシングルパンケーキ状超伝導コイルが互いに一定の角をなしてトロイダルの中心に向けて次第に近くなるように連結されているダブルパンケーキ状を成す。この場合、トロイダル構造において、最外側円周面から外れる導体の領域を減らすことができるので、巻線された超伝導コイル面はトロイダルの曲面にもっと近くなるようになるので、超伝導コイルで発生する垂直磁場の強度を減らすことができる。中央フレーム１５０も必要によってＧＦＲＰ材または陽極酸化処理したアルミニウム材のいずれか１種の素材で形成することが好ましい。

一方、本発明の一実施例による超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンは、第１支持板１３０と第２支持板１４０の超伝導コイル接触面に絶縁テープ（図示せず）または絶縁紙（図７の写真に一部図示）をさらに形成することで、超伝導コイル１２０から第１支持板１３０及び第２支持板１４０の絶縁度をもっと高めることができる。

図３〜図５は本発明の一実施例による金属伝導バーを含む超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンを説明するための図である。具体的に、図３は本発明の一実施例による金属伝導バーを含む超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンの分解斜視図、図４は本発明の一実施例による金属伝導バーを含む超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンの結合斜視図、図５は図４の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンをＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの各方向に見た形状を示す図である。

図３〜図５に示すように、本発明の一実施例による超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンは、第１支持板１３０と第２支持板１４０の間の上部及び下部のそれぞれに形成され、超伝導コイル１２０を伝導冷却する金属伝導バー１６０をさらに含む。

金属伝導バー１６０は一端１６１が超伝導コイル１２０の外周面と対向して湾曲することにより、超伝導コイル１２０の伝導冷却効率を向上させ、他端１６２が第１支持板１３０と第２支持板１４０の間から外部に突出して平面を成すもので、コイルボビンの支持部の機能をすることができ、突出部の幅（ａ）が間部の幅（ｂ）より広いように段差を成すことにより、突出部分の体積を増加させて伝導冷却効率を向上させるとともに、第１支持板１３０及び第２支持板１４０との締結強度を高めることができる。

また、金属伝導バー１６０と効率よく締結するために、第１支持板１３０及び第２支持板１４０は上下方向に伸びる。すなわち、第１支持板１３０及び第２支持板１４０は円形板形状に上下方向に羽板をさらに持つ形状を成す。
金属伝導バー１６０は超伝導コイル１２０から絶縁可能であり、熱伝導度の高い金属である陽極酸化処理したアルミニウム材で形成することが好ましい。

一方、図３〜図５には示されていないが、金属伝導バー１６０は、第１支持板１３０及び第２支持板１４０と締結するネジ孔を上下方向に伸びる長孔形に形成することで、底面からコイルボビンのそれぞれの設置高さを互いに合わせることができる。これにより、トロイダル構造から外れる導体の領域を減らすことができるので、巻線された超伝導コイルの面はトロイダルの曲面にもっと近くなるので、超伝導コイルで発生する垂直磁場の強度を一層減らすことができる。

また、本発明の一実施例による超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンは、中央フレーム１５０の上側と下側に楔部１７０をさらに形成することで、二つのシングルパンケーキ状の超伝導コイルが互いにトロイダルの中心に向けて次第に近くなるように中央フレーム１５０の上方と下方で安定に支持することができる。楔部１７０もＧＦＲＰ材または陽極酸化処理したアルミニウム材のいずれか１種の素材で形成する。
図６は本発明の一実施例によるジョイントサポーターを説明するための図である。

図６に示すように、本発明の一実施例による超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンは、第１支持板１３０の外側面に形成され、超伝導コイル１２０を外部に案内して支持するジョイントサポーター１８０をさらに含む。これは二つのコイルボビンの間に超伝導コイル１２０を連結するためのものである。ジョイントサポーター１８０は超伝導コイル１２０を支持するために絶縁材であるＧＦＲＰ材または陽極酸化処理したアルミニウム材で形成する。

また、ジョイントサポーター１８０は第１支持板１３０と締結するネジ孔１８１を位置調節可能に長孔形に形成することで、コイルボビン間のジョイントサポーター１８０の位置を合わせることができる。加えて、図６には長孔形ネジ孔１８１を一つだけ形成して示しているが、必要によって二つ以上のネジ孔を形成しても構わない。また、図６にはジョイントサポーター１８０が比較的第１支持板１３０の上部に位置しているが、必要によって下部または中間に位置するように形成しても構わない。

図７及び図８は本発明の一実施例による複数の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンを示す図である。具体的に、図７は本発明の一実施例による二つの超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンを結合したサンプル写真、図８は本発明の一実施例によるトロイダル形態を成す複数の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンを示す図である。

図７及び図８に示すように、本発明の一実施例による超伝導電力貯蔵装置用コイルボビン１００は、図１〜図６に基づいて前述した構造を持ち、複数が互いに連結されてトロイダル状を成し、超伝導電力貯蔵装置８００（全体超伝導電力貯蔵装置においてコイルボビンが設置される一部のみを図示する）内に配置される。これにより、本発明の一実施例による超伝導電力貯蔵装置用コイルボビン１００は、超伝導コイルで発生する垂直磁場の強度を減らすことができ、超伝導コイルの冷却効率を向上させることができ、超伝導電力貯蔵装置の運転時に発生する渦電流を減らすことができる。

このように、前述した本発明の技術的構成は本発明が属する技術分野の当業者が本発明のその技術的思想及び必須の特徴を変更しなくても他の具体的な形態に実施することができることが理解可能であろう。

したがって、以上に説明した実施例はすべての面で例示的なもので限定的なものではないと理解すべきであり、本発明の範囲は前記詳細な説明よりは後述する特許請求の範囲によって決まり、特許請求の範囲の意味及び範囲かつその等価の概念から導出されるすべての変更または変形の形態が本発明の範囲に含まれるものとして解釈されなければならない。

１００：コイルボビン
１１０：コイルボビンフレーム
１１１：開放構造
１２０：超伝導コイル
１３０：第１支持板
１３１：間隙
１３２：直線孔
１３３：曲線孔
１４０：第２支持板
１４１：長孔
１５０：中央フレーム
１６０：金属伝導バー
１６１：金属伝導バーの一端
１６２：金属伝導バーの他端
１７０：楔部
１８０：ジョイントサポーター
１８１：長孔形ネジ孔
８００：超伝導電力貯蔵装置

Claims (15)

1. 超伝導電力貯蔵装置にトロイダル（ｔｏｒｏｉｄａｌ）状に超伝導コイルを巻線するために複数で備えられる超伝導電力貯蔵装置用コイルボビンにおいて、
   円形板形状のもので、互いに対向して形成される一対のコイルボビンフレーム；
   前記コイルボビンフレームのそれぞれに巻線されてパンケーキ状を成す超伝導コイル；
   前記コイルボビンフレームの対向面の反対面のそれぞれに形成され、前記コイルボビンフレームを支持する第１支持板；
   前記コイルボビンフレームの対向面のそれぞれに形成され、前記コイルボビンフレームを支持する第２支持板；及び
   前記第２支持板の間に、前記トロイダルの中心に向けて板の厚さが次第に減る円形板形状に形成される中央フレーム；
   を含むことを特徴とする、超伝導電力貯蔵装置用コイルボビン。
2. 前記コイルボビンフレームは円形板形状の一部が開放構造を成すことを特徴とする、請求項１に記載の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビン。
3. 前記コイルボビンフレームは、ＧＦＲＰ材、陽極酸化処理したアルミニウム材またはＧＦＲＰと陽極酸化処理したアルミニウムが接着してなる複合材の中でいずれか１種の素材でなることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビン。
4. 前記第１支持板は間隙を持つ二枚の板でなるか、あるいは直線孔及び曲線孔を含む板でなることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビン。
5. 前記第２支持板は、前記超伝導コイルを引き込むかあるいは引き出す長孔が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビン。
6. 前記第１支持板、前記第２支持板及び前記中央フレームは、ＧＦＲＰ材または陽極酸化処理したアルミニウム材でなることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビン。
7. 前記第１支持板と前記第２支持板の超伝導コイル接触面に形成される絶縁テープまたは絶縁紙をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビン。
8. 前記第１支持板と前記第２支持板の間の上部及び下部のそれぞれに形成され、前記超伝導コイルを伝導冷却する金属伝導バーをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビン。
9. 前記金属伝導バーは、一端が前記超伝導コイルの外周面と対向して湾曲し、他端が前記第１支持板と前記第２支持板の間から外部に突出して平面を成し、突出部の幅が間部の幅より広いように段差を成すことを特徴とする、請求項８に記載の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビン。
10. 前記第１支持板及び前記第２支持板は、前記金属伝導バーと締結するために、上下方向に伸びることを特徴とする、請求項８または９に記載の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビン。
11. 前記金属伝導バーは、前記第１支持板及び前記第２支持板と締結するネジ孔が上下方向に長孔形を成すことを特徴とする、請求項８または９に記載の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビン。
12. 前記金属伝導バーは陽極酸化処理したアルミニウム材でなることを特徴とする、請求項８または９に記載の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビン。
13. 前記中央フレームの上側と下側に設けられる楔部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビン。
14. 前記第１支持板の外側面に形成され、前記超伝導コイルを外部に案内して支持するジョイントサポーターをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビン。
15. 前記ジョイントサポーターは、前記第１支持板と締結するネジ孔が長孔形を成すことを特徴とする、請求項１４に記載の超伝導電力貯蔵装置用コイルボビン。