JP5656734B2 - 並列巻線を有する超電導磁石および超電導磁石システム - Google Patents

Description

本発明は、超電導磁石に関し、特に部分的に常電導転移（クエンチ）が発生した際にその発生を検出する検出機構を備えた超電導磁石に関するものである。

直流電気抵抗がゼロの超電導体には無損失で大電流を流すことができる。したがって超電導線材を用いて電磁石（超電導磁石）を構成すると、銅線を使った電磁石や永久磁石に比べて容易に強磁場を発生させることができる。また、超電導磁石をその構成回路をすべてが超電導状態で閉回路を構成すると、ひとたび超電導磁石に流れた電流は減衰することはなく（永久電流）、したがって、超電導磁石は安定した磁場を発生し続けることができる。このような性質を利用して、超電導磁石は単に強磁場を発生用途のみだけではなく、ＮＭＲ，ＭＲＩといった磁場の強度や安定度が必要な用途に利用されている。

超電導磁石にはクエンチ（常電導転移）が発生する可能性があり注意が必要である。クエンチとは超電導状態にある超電導磁石が、なんらかの要因によって超電導状態から常電導状態へ転移してしまう現象である。一般には外部擾乱によって、超電導線材の一部に発熱が生じ、その発熱によって超電導状態から常電導状態へ転移する。液体ヘリウム中で動作しているＮｂＴｉなどの超電導磁石では、その運転温度における比熱が小さいことや超電導状態を維持できる臨界温度が低いことから、超電導巻線部の微小変位による摩擦発熱や、巻線部の含浸樹脂材のクラックなどによっても容易にクエンチが発生しうる。超電導状態では超電導磁石は電気抵抗ゼロで運転されているが、ひとたびクエンチすれば電気抵抗が生じ、その結果その抵抗によって超電導電流は消失し、また、ジュール発熱による温度上昇により最悪の場合には磁石が焼損することもありえる。

超電導磁石にクエンチが発生した場合、焼損をさけるためには速やかに電流値を下げることが必要である。磁石が電源によって駆動されている電源駆動モード運転の場合には電流を急速に下げる（遮断する）ことによって焼損を防止する。磁石が永久電流モード運転を行っている場合には、永久電流回路に並列接続された外部抵抗回路に電流が流れるような操作が受動的もしくは能動的に行われ、外部抵抗を利用して回路中のエネルギーを（電流を）消費させる。また、超電導状態の磁石の全体（もしくは一部）を強制的にクエンチさせることによって磁石全体の抵抗を増加させて磁石の抵抗でエネルギーを消費させるクエンチバックという手法も併用されることがある。

現在、超電導応用製品に広く使われている超電導材料はＮｂＴｉ，Ｎｂ₃Ｓｎといった金属系超電導体である。これらの超電導材料をつかった超電導磁石は、超電導状態となる臨界温度が低いため（それぞれ９.５Ｋ，１５Ｋ）、液体ヘリウム浸漬冷却もしくはそれと同程度の温度となる冷凍機冷却によって極低温に冷やされて運転される。一方、イットリウム系やビスマス系などの酸化物超電導材料はその臨界温度が液体窒素よりも高いため、液体ヘリウムを利用する必要はなく、より高温での動作が可能である。また、金属系の超電導材料でも、ＭｇＢ₂の臨界温度は３９Ｋのため液体ヘリウムを使わない運転も可能となる。

これらの高温超電導材料（ＪＩＳの定義による高温超電導体は臨界温度が２５Ｋ以上のもの）を比較的高い温度領域動作させた場合、この材料の臨界温度が高いこととあいまって比熱が桁違いに大きくなることから、クエンチが発生しにくくなる。従来のＮｂＴｉのような金属系超電導材料（以降は実用超電導材料と記載する）は、クエンチがおきやすいことから、信頼性が必要となる応用機器には超電導体を使うことが敬遠されてきた。そこでクエンチのしにくい高温超電導材料は信頼性の観点からも冷却コストの低減からもその実用化が期待されている。

高温超電導材料はクエンチしにくいことが特徴であるが、ひとたびクエンチが発生すると実用超電導材料とは異なりクエンチ保護が格段に難しくなるという問題がある。超電導磁石では焼損を防止するためのクエンチ保護が必要であり、その方法については前述したとおりである。高温超電導磁石においてもその基本的な考え方は変わらない。焼損を避けるには、クエンチ箇所の局所的な発熱による温度上昇を防ぐことが必要であり、そのためには電流を急激に減少させることが必要である。

電源駆動型の磁石の場合、クエンチが発生を即座に検出し速やかに電源遮断を行う必要がある。一般にクエンチ検出は、超電導磁石の巻線部両端の電圧、もしくは、マグネットの中点と巻線部両端とのバランス電圧の変化を検出しクエンチ判定を行っている。クエンチ判定を行うためには、クエンチにより生じた常電導抵抗による電圧発生が十分大きくなければならない。

実用超電導材料を用いた超電導磁石では、局所的にクエンチが発生した場合、そこで発生するジュール熱によりその周辺の領域も速やかに常電導状態へ転移し、常電導領域が拡大していく（クエンチ伝播）。そのため、クエンチ発生直後からすみやかにクエンチ電圧信号は増加し容易にクエンチ検出を行うことが可能である。

高温磁石のクエンチ時の保護の難しさは、クエンチ領域が拡大せずクエンチ電圧が小さいことによる。

一方、高温超電導材料では、臨界温度が高いため常電導転移しにくいことに加え、実用超電導材料よりも高い温度領域で使用されることから比熱が大きいため、クエンチ領域は拡大しにくい。そのため、高温超電導磁石ではクエンチが発生しても十分なクエンチ検出電圧が得られず、クエンチの検出が難しくなる。そのため、クエンチが発生した局所的な領域には電流が流れ続けることとなりやがては焼損に至る。

永久電流モード運転の磁石の場合、クエンチ保護はクエンチ電圧を検出して能動的に保護動作へ移行するアクティブ保護方式と、クエンチ発生電圧によって受動的に保護動作が行われるパッシブ保護方式の２種類がある。アクティブ保護方式については、前述した電源駆動型磁石と同様にクエンチ信号を検出できるかどうかが問題となる。

パッシブ保護方式は、クエンチした領域の電圧発生をトリガーとして保護動作が自発的に行われるものであるが、一般にはこの発生電圧がドライビングフォースとなり磁石の電流の分流により保護動作が行われる。例えば、外部抵抗回路に分流させて磁石のエネルギーを消費させる方式では、クエンチ電圧によって外部抵抗に分流する電流が決まる。常電導領域が拡大しないと発生電圧が小さいため外部抵抗へは電流は十分には分流せず、クエンチ発生領域の電流が下がらず焼損に至ることとなる。

また、たとえ外部抵抗を十分に小さくしたとしても、分流回路の時定数が長くなるため、クエンチ領域の電流はなかなか下がらないことになる。したがって、高温超電導磁石ではパッシブ動作による磁石保護は難しく、アクティブな方式とすることが適切である。

特開２０１０−１０９０４３号公報

したがって、本発明の目的は、超電導体を利用した超電導磁石のクエンチ発生時における焼損防止のために、クエンチ発生を早期に検出しクエンチ保護を可能とする超電導磁石の提供にある。

上述のように、高温超電導材料を利用した超電導磁石では、クエンチが発生した場合速やかに磁石焼損防止のための保護動作を行うことが必要である。高温超電導材料はクエンチ伝播速度が遅くクエンチが発生しても常電導領域があまり拡大しないためクエンチ信号電圧が小さくクエンチ発生を検出することが困難であった。

特許文献１には、超伝導磁石システムの保護，クエンチ検出について記載されている。クエンチ検出については、一般に高精度のクエンチ検出が可能なバランス電圧法が開示されている。バランス電圧法はクエンチ時に発生する微小電圧を検出するために、磁石に流れる電流変化（外乱によるものも含む）によるコイルの誘導電圧をキャンセルすることが必須であるが、外部につけられた抵抗分圧器によってそれを実現する。この方法では磁石の励磁状態（電流値，電流掃引速度）が異なるとコイルに発生する電圧が異なるために、抵抗分圧比の調整だけでは誘導電圧を完全にキャンセルすることは難しい。そのため、それを改善するための結線の工夫や、個々のコイルが発生する誘導電圧を組み合わせてキャンセルする方法についても言及している。

クエンチ発生電圧の小さい高温超伝導材料を利用した超伝導磁石では、さらに誘導電圧のキャンセルが重要になる。

バランス電圧法によるクエンチ検出感度を改善するには、クエンチ検出を行うべきコイルに発生する電圧信号（ただしクエンチ電圧を除く）と分圧回路で発生する電圧が、コイルの通電状態にかかわらず一致するように分圧回路を構成すればよい。

これを実現する最も簡単な構成方法は、クエンチ検出を行うべきコイルと分圧回路を同一構造とし、検出対象のコイルと分圧回路に流れる電流が常に同一（ただし、クエンチ発生時を除く）とすることである。これは、並列導体でコイルを巻きまわし、並列導体の適当な中間位置でバランス電圧を検出する構成とすることによって実現できる。

本発明は高温超電導磁石であってもクエンチ発生電圧を高精度に検出することの可能な超電導磁石を提供し、速やかにクエンチの発生を検出して保護動作を行うことを目的とする。上記の目的を果たすために、クエンチ発生直後の微小なクエンチ電圧を検出するための、高精度にクエンチ電圧検出する手段について説明する。本発明は、複数の超電導体よりなる並列導体、およびその各超電導体に接続された電圧端子で電圧計測を行うことが必須である。

１）並列導体の交差（撚り合わせ・転位など）
２）（複数）中間位置での電圧検出
３）（複数）接続部での電圧検出
４）閉ループ長の短縮（接続区間の個数の増加）
を必要なクエンチ電圧検出精度に応じて組み合わせることができる。

上記課題を解決する超電導磁石は、第一と第二の超電導線材が互いに並列に密着するように配置された並列導体が巻きまわされており、前記第一と第二の超電導線材は少なくとも二箇所で電気的に接続されており、超電導磁石に発生する電圧を検出するための電圧端子を備え、電圧端子の一方が第一の超電導線材、電圧端子のもう一方が第二の超電導線材の前記電気的接続箇所の間に設置されていることを特徴とする。電気的接続箇所は、第一と第二の超電導線材の端部を含む箇所であることが好ましい。

さらに高精度のクエンチ検出を実現するためには、接続箇所で挟まれる区間の少なくとも１箇所以上において、前記第一と前記第二の超電導線材が交差していること（撚り合わせされている、もしくは、転位されていること）が好ましい。また、第一と第二の電圧端子（電圧端子対）が、基準位置となる接続箇所からの距離が概等しく設置されていることが好ましい。

本発明において高精度のクエンチ検出を実現するための形態は、接続箇所で挟まれる区間に接続箇所ではない位置に電圧端子対が設置され、かつ、前記区間を規定する２箇所の接続箇所のうち少なくとも１箇所に電圧端子対が設置されている区間を、超電導巻線の中に少なくとも１箇所以上有することを特徴とする超電導磁石である。

本発明において高精度のクエンチ検出を実現するための形態は、接続部に設置された電圧端子対によって検出される電圧信号、または、接続部を含まない中間位置に配置された電圧端子対によって検出される電圧信号を複数組み合わせて信号処理することによってクエンチ検出を行うことを特徴とする超電導磁石システムである。

本発明の超電導磁石は、従来のクエンチ保護システムと組み合わせて使用することができる。

本発明によれば、外部擾乱の影響を受けることなく局所的に常電導転移した領域で発生する電圧を高精度で検出することができ、クエンチ保護可能な高温超電導磁石を提供することができる。

高精度にクエンチ電圧検出可能なコイルの基本構成である。 クエンチ電圧検出回路の回路図である。 ２本の並列導体の両端で電気的な接続を取った一区間の回路図である。 転位を設けたクエンチ電圧検出可能なコイルである。 電流接続部の電圧変化も併用したクエンチ電圧検出可能なコイルである。 並列導体が４枚構成の場合のクエンチ検出端子の設置の一例である。 超電導線材および電圧端子などの構成を示す概念図である。 超伝導コイルの概略外観図である。 コイルの試験回路である。 パンケーキコイルへの本発明の適用例である。 ４並列導体で巻き線されたダブルパンケーキコイルの結線の概念図である。 パンケーキコイルの接続の概念図その１である。 パンケーキコイルの接続の概念図その２である。

図１は高精度にクエンチ電圧検出可能なコイルの基本構成である。二本の超電導線材１１ａ，１１ｂよりなり、途中で電気的接続３１ａ，３１ｂ，３１が形成された並列導体４１が巻きまわされている。２本持ちで並列導体４１が巻きまわされたコイルである。超電導線材１１ａ，１１ｂのそれぞれの電気的接続３１ａ，３１ｂ，３１ではさまれる区間に電圧端子２１ａ，２１ｂが取り付けられている。

（原理）
図２はクエンチ電圧検出回路の回路図である。クエンチが発生したときに生じる微小な電圧信号を精度よく検出するため、外乱ノイズによる影響を低減させる構成となっている。密着させて構成した並列導体の両端を電気的に接続し、接続によってはさまれた区間の並列導体のそれぞれに電圧端子を配置し、その地点の電位差を測定することによってクエンチを検出する。この配置は言わばブリッジ回路的になっており高精度の電圧計測が可能となる。この構成により２本の導体それぞれに発生している電圧ノイズの同相成分をキャンセルできる。同相成分としては、磁石を駆動する電源からの直接的なノイズやそれぞれの並列導体がコイルを形成していることから拾う外部からの電磁波ノイズである。

一方、逆相成分のノイズとしては、接続部ではさまれた区間のループ電流によるノイズがある。このループ電流は閉ループに鎖交する磁束変化によってもたらされるものである。これに対しては後述のように鎖交するループの面積を小さく設計することや、並列導体を撚り合わせることによってこの影響を低減することが可能である。

同相成分，逆相成分のノイズをキャンセルするためには並列導体が密着して配置されることが重要である。密着とは線材の断面寸法に対し、その最大長よりも小さなギャップで導体が近接して配置されることを言う。

（検出電圧）
２本の超電導体よりなる並列導体におけるクエンチ発生時の電圧について図３に基づいて説明する。２本以上の線材を用いた並列導体構成であっても同様に計算を行えばよい。

図３は２本の並列導体の両端で電気的な接続を取った一区間の回路図であり、それぞれの導体の中間のＡ点，Ｂ点に電圧端子を配置する。ここでＲ_bは並列導体の電気的な接続抵抗で、Ｒ_qはクエンチによって発生した常電導抵抗を示す。並列導体のそれぞれの自己インダクタンスはＬであり、相互インダクタンスＭ（ただし、Ｍ＞０）で磁気的に結合しているとする。電圧端子の位置は区間の内側の任意の場所とし、そのときの位置によってインダクタンスが１−α：α（ただし、０＜α＜１）に配分されるものとする。ただし、電圧端子の位置Ａ，Ｂは並列導体のほぼ同じ位置に配置することとする。クエンチ抵抗分布は電圧端子の位置を基準として両側に広がっていることを仮定し、電圧端子位置を中心に１−β：β（ただし、０＜β＜１）の比率で配置されているとした。クエンチ抵抗が電圧端子位置よりも図中で左側にのみある場合にはβは０となり、右側のみにある場合にはβは１となる。

初期状態では、上側，下側の回路経路に流れる電流はそれぞれ０.５Ｉであり、クエンチ発生後に閉ループを周回する電流Ｉ_lによって上下の経路の電流の再配分が起こるとして回路方程式を解くと

となる。ただし、
である。

次に電圧端子Ａ−Ｂ間の電位差を求める。便宜上、電圧端子間の電圧を接続抵抗部での電圧発生Ｖ_Rj、インダクタンス部分での電圧発生Ｖ_Lおよびクエンチ抵抗による電圧発生Ｖ_Rqに分けて考える。それぞれの電圧は

となる。α＝０.５、すなわち電圧端子が中点にあるとし、接続抵抗Ｒ_bに対しクエンチ発生抵抗Ｒ_qが十分に小さいとして近似すると

が得られる。Ａ−Ｂ間の電位差は

であたえられるので、

となり時間発展の項が消えるのが分かる。接続抵抗が０.０１から１μΩのオーダであり、閉回路のインダクタンスが１から１００μＨのオーダであるので電流分流時定数は１０から１００秒のオーダとなる。電流分流による接続抵抗部での電圧発生をモニターするだけでは、この時定数の時間程度待たなければ電圧が立ち上がってこないため高速なクエンチ検出は難しいが、中間点で電圧端子をとることによってクエンチ直後の電圧発生が原理的に検出できることがわかる。

数式９から分かるように検出される電圧は、クエンチ発生箇所が電圧端子位置に対し上流側か下流側によって異なる。上流側（β＝０）の場合には−Ｒ_qＩ／４となるが下流側（β＝１）の場合には符号が反転し＋Ｒ_qＩ／４となる。クエンチ領域が電圧端子をまたぐような場合にはβに応じてその絶対値は小さくなり、最悪の場合にはゼロにもなりうる。このようなケースはあまりおきないと考えられるが、この場合中点から若干ずらした位置にもうひとつの電圧端子を設置すればよい。

中間部の電圧端子でクエンチ電圧を観測する場合には信号の時間発展が見られず（ただし、クエンチ抵抗が変化しない場合）、電流接続部では分流により電圧の時間変化が見られる。中間位置両者の電圧のオーダは同じであるので電流接続部の電圧変化も併用してクエンチ検出を行うことによってよりクエンチ検出の信頼性が向上する。

図４は超電導線材に転位を設けたクエンチ電圧検出可能なコイルである。二本の超電導線材１４ａ，１４ｂよりなり、途中で電気的接続３４ａ，３４ｂが形成された並列導体４４が巻きまわされている。２本持ちで並列導体４４が巻きまわされたコイルである。超電導線材１４ａ，１４ｂのそれぞれの電気的接続３４ａ，３４ｂではさまれる区間に電圧端子２４ａ，２４ｂが取り付けられている。

高精度の電圧計測を実現するためには、並列導体を構成する導体および設置される電圧端子のそれぞれが電気的に等価となるようにしてノイズの同相成分をキャンセルすることが重要である。そのためには並列導体が物理的に近接していることや、電圧端子の位置が同じであることや、導体同士の位置が交換されるように転位５４が施されていることが重要となる。転位とは、各線材のインダクタンスが等しくなるように巻き線の途中で導体位置を入れ替えることであり、撚ることとは必ずしも等価ではない（導体が２本の場合には転位することと撚ることは同じとなる）。

図５は電流接続部の電圧変化も併用したクエンチ電圧検出可能なコイルである。二本の超電導線材１５ａ，１５ｂよりなり、途中で電気的接続３５ａ，３５ｂ，３５ｃが形成された並列導体４５が巻きまわされている。電気的接続３５ａ，３５ｂの中間位置に電圧端子２５ａ，２５ｂを設置し、電気的接続３５ｂ，３５ｃの中間位置に電圧端子２５ｅ，２５ｆを設置し、電気的接続３５ｂに電圧端子２５ｃ，２５ｄを設置し、それぞれの電圧端子の信号を組み合わせることによってクエンチ検出の信頼性をあげることができる。

このように両端が電気的に接続された並列導体の中間位置に電圧端子を設置すればクエンチ検出を行うことができることがわかる。高精度の電圧計測を実現するためには、並列導体を構成する導体および設置される電圧端子のそれぞれが電気的に等価となるようにしてノイズの同相成分をキャンセルすることが重要である。そのためには並列導体が物理的に近接していることや、電圧端子の位置が同じであることや、導体同士の位置が交換されるように転位５５ａ，５５ｂが施されていることが重要となる。

同相成分の電圧のキャンセル以外にいわば逆相の電圧を抑制することも重要である。これに相当する電圧は、２箇所の電気的接続箇所で挟まれた閉ループ回路に鎖交する磁束変化によって誘起される電圧である。この電圧を抑制するためには閉ループの面積を小さくすれば良い。そのためには並列導体間の距離を小さくする以外に、ループの長さを短くすることも効果的である。

ループの面積を小さくする以外には、２つの並列導体を撚りあわせることによって、鎖交磁束によって誘起される電圧をキャンセルするようにすればよい。これは一般的にノイズ低減のために信号線を撚り合せたツイストペア線と同じ考え方である。ツイストペア線はある程度均一に多くの撚りを施すことによってキャンセル残りを少なくする。原理的には１回のみ撚り合せておけば十分で、ただし、この場合には撚り合せによって形成される２つループの面積が等しくなるようにする必要がある。これを実際に巻き線に適用する場合には、２箇所の電気的接続のはさまれた並列導体のちょうど中間地点、すなわち、それぞれの電気的接続から距離が等しくなる位置で並列導体を１回撚り、この位置に電圧端子を設置すればよい。

本発明の超電導コイルは、ソレノイドコイルや、パンケーキコイルなど、種々の形状の超電導コイルに使用することができる。また、本発明の超電導コイルは、複数本の導体を使用するため、大型の磁石に好適である。

本発明の超電導コイルを適用する超電導装置には、並列導体を使った超電導応用機器として知られている超電導変圧器や、ＳＭＥＳ（超電導磁気エネルギー貯蔵装置）などがある。酸化物超電導線材を使ったＳＭＥＳでは、導体の電流容量を増加させるためにテープ線材が積層されて導体が構成される。

図６は、並列導体が４枚構成の場合のクエンチ検出端子の設置の一例である。並列導体４６を構成する超電導線材１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄに対し、２つの導体をペアにし、第一の超電導線材１６ａと第二の超電導線材１６ｂのペアに対しては第一の電圧端子２６ａおよび第二の電圧端子２６ｂの電圧端子を立て、第三の超電導線材１６ｃおよび第四の超電導線材１６ｄには、もう１対の電圧端子２６ｃ，２６ｄを立てればよい。１つの超電導線材の電位を基準にクエンチ電圧を検出するのであるから、電圧端子をそれぞれの線材につければよく、任意の２つの端子間で電圧を計測すればよい。なお、並列導体４６の途中で電気的接続３６が形成されている。

ＳＭＥＳや超電導変圧器など、通電する電流が変化するような超電導磁石においては誘導電圧の発生からクエンチ電圧の検出が難しくなる。しかし、本発明のようなクエンチ検出方法は、構成導体のそれぞれが等価とみなせるような並列導体に対し、等価な位置に電圧端子を設置して電圧を検出することによって同相成分のノイズを低減するのが特徴であり、非常に有効である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は以下で取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。

図７，図８を用い、ＭｇＢ₂丸線を使用した並列導体４７よりなる超電導コイルについて説明する。図７は超電導線材および電圧端子などの構成を示す概念図である。図８は超伝導コイルの概略外観図である。ＭｇＢ₂超電導線材１７ａ，１７ｂを２本持ちにしてワインドアンドリアクト法（Ｗ＆Ｒ法）でＭｇＢ₂コイルを製作した。巻線に使ったＭｇＢ₂超電導線材は被覆なし線材直径がφ２.０、ガラス被覆絶縁込み直径がφ２.２４の超電導線材であり、パウダーインチューブ法で製造されたものである。コイルはレイヤー巻とし、巻線部内直径３２０mm，高さ１６０mm、１層あたりのターン数は３６ターン、層数２０とした。

コイルは上部フランジ側から巻きはじめた。１から５層目まではその層から次の層へ巻き線が移り変わる段落とし部で、平行２本持ちの状態で次の層に乗り上げていったが、５層から６層目の段落とし部では転位５６ａを行った。丸線導体を２本持ちで平行に巻く場合には、段落とし部で、ボビンと巻線端部と間のすきまを埋めるように転位を行うことが可能であるので、ボビンの構造は導体一本でコイル巻き線を行う場合と特に変わることはない。ただし、転位を行うと２本の導体が交差するため、巻き線機の導体の供給装置に若干の工夫が必要となる。

コイルボビン６８の上部フランジには切り欠きが２箇所半径方向に設けられており、１０層巻いたところで並列導体を切り欠きから引き出し、フランジ面に４５度の位相分だけ這わせたあと、もうひとつのフランジ切り欠きからコイルボビン６８に巻き戻した。１１層から１５層目は平行２本持ちのまま段落とし部は乗り上げ、１５層から１６層に移り変わるところでもう一度転位５６ｂを行った。その後は最終層まで平行２本持ちのまま巻線をすすめ、最終層で電流口出し部に並列導体を立ち上げステンレスワイヤーで固定した。

巻き上がったコイルは熱処理時にコイル変形を抑制するための熱処理治具を追加した後、６４０℃でアルゴンガス中で熱処理を行った。熱処理完了後、上部フランジの外側に這わせた部分の並列導体のガラス被覆を除去したのち、その部分で２本の導体を半田付けによって電気的接続３７ｂを作成した。半田による接続長はおよそ１００mmであった。また、半田接続をした脇の部分にクエンチを発生させるためのヒータ線を並列導体の片側に設置した。ヒータ線を巻きつけた長さはおよそ５mmとした（図示せず）。

コイルの口出し部から立ち上げたそれぞれの並列導体を門型銅の中におさめ半田付けによって電気的接続３７ａ，３７ｃを作成した。従って、２本持ちの並列導体を巻きまわしたコイルは、その両端および中間点の合計３箇所で並列導体が電気的に接続されており（電気的接続３７ａ，３７ｂ，３７ｃ）、３箇所の接続によって形成された２つの区間のそれぞれほぼ中点の位置で２本の超電導線材は一回、転位されている（転位５６ａ，５６ｂ）。下部フランジに開けられた長穴から、第５層の最終ターンと第１５層の最終ターンの２箇所の並列導体の絶縁被覆をはがし、そこに電圧端子２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄを取り付けた。電圧端子対の位置は、電気的接続によって形成された２つの区間のそれぞれのほぼ中点である。その後、熱処治具を取り外し、エポキシ樹脂で真空加圧含浸をした。

図９にこのコイルの試験回路を示す。２本の並列導体で巻きまわされ中間地点および両端で電気的に接続されるコイルのため、回路図では２つパラレル回路の中間地点と両端が結線され、電気的接続３９ａ，３９ｂ，３９ｃが存在する。また、中間地点の接続と両端との接続の間で転位が施されているため電流経路が入れ替わるように表現している（転位５９ａ，５９ｂ）。電圧端子２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄはちょうどこの転位５９ａ，５９ｂのところに設置され、電圧信号はクエンチ検出器７１に入力される。保護抵抗６９がコイルと並列に接続され、クエンチが発生するとクエンチ検出器７１から制御信号線７２を通じて直流電源７０がコイルから切り離され、この保護抵抗６９でコイルに蓄積されたエネルギーが消費される。

この超電導コイルを液体ヘリウム中で８００Ａ（２本持ちなので１本あたり４００Ａ）の通電試験を行った。超電導線材自体の臨界電流値は４９０Ａであり臨界電流に対する負荷率は８２％であった。４００Ａ定常運転中にコイル両端で電圧ノイズを計測したところ、その強度は概ね４００ｍＶであった。一方、電圧端子にて計測したノイズは６０μＶ未満であった。

４００Ａ通電状態でヒータに通電して巻線にクエンチを発生させた。ヒータ通電直後に１００μＶを越える電圧が生じ２００μＶの閾値電圧で直流電源を遮断し、１オームの外部抵抗で磁石のエネルギーを消費させた。電圧発生から遮断動作に入るまでの時間は０.５秒以内であり、磁石を焼損させることなくクエンチ保護を行うことができた。

本実施例ではクエンチ電圧を検出する電圧端子２９ａ，２９ｂを電気的接続３９ａ，３９ｂの中間位置に配置した。また、電圧端子２９ｃ，２９ｄを電気的接続３９ｂ，３９ｃの中間位置に配置した。しかし、さらに電圧端子を電気的接続３９ｂの位置に追加して配置することによりさらに高精度のクエンチ検出システムとすることができる。

３箇所の電気的接続によって形成される２つのループのそれぞれ中間位置に電圧端子対を１つずつ配置する。さらに真ん中の電気的接続の位置に電圧端子を配置する。この電圧端子は第一の導体から第二の導体（またはその逆）への電流転流時にその電流による電圧ドロップを検出するように電気的接続をはさむように第一の導体側と第二の導体側に１本ずつ配置する。

３対の電圧端子対をクエンチ検出装置の電圧入力に接続し、時間的に連続もしくは短い間隔（望ましくは１０ｍｓｅｃ以下）をおいて断続的に電圧計測を行い、ループ中間位置に配置された電圧端子対の電圧信号が設定された閾値電圧をこえるかどうかを監視する。

ループ中間位置の端子電圧が閾値電圧を超えた場合、電気的接続に設置された電圧端子の電圧上昇が指定された時間内に発生するか監視する。ここで指定された時間はそれぞれ磁石に依存する設計事項であるが、概ね１秒から３０秒程度の時間が設定される。所定の時間内に電圧上昇（変動）が観測された場合、クエンチが発生したものと判定し、クエンチ保護装置へ制御信号を発行する。ここではクエンチ検出およびクエンチ保護動作意向のシーケンスについて一般的化して説明しているので、保護方式については言及しない。電圧上昇（変動）が観測されない場合には、先のループ中間位置での電圧発生はノイズによるものと判定し、ループ中間位置の電圧監視を再度行う。

中間位置の電圧端子によるクエンチ電圧信号と電気的接続に配置されたクエンチ電圧信号は時間変化が異なるため、この２つの信号を利用することによって、クエンチ検出誤りを防止できる。前者の信号はクエンチした瞬間に立ち上がるのに対し、後者の信号はそれよりも遅れて立ち上がってくる。中間位置の電圧端子による電圧を検出した後、接続位置の電圧端子の電圧挙動を確認することによって、中間位置で計測された電圧信号がクエンチ電圧なのかノイズなのかを判別できる。ノイズによるクエンチ検出誤りを抑制することができるため、クエンチ検出閾値電圧を下げることができ、さらに高精度のクエンチ検出が可能となる。

本実施例のコイルは丸線をつかったレイヤー巻きのソレノイドコイルであったが、パンケーキ巻きの酸化物超電導コイルのようなコイルにも適用可能である。また、本実施例では２本持ちの並列導体であったが、３本以上の導体が束ねられた大型の磁石でも同様に適用できる。

適用可能なマグネットシステムの例としては、ＳＭＥＳがある。現在、酸化物超伝導ＳＭＥＳは実用化を目材して開発が進められており、パンケーキコイルを複数トロイダルコイル状に配置する磁石システムが検討されている（図１２，図１３）。

図１０，図１１を使ってパンケーキコイルへの本発明の適用例を説明する。図１０はパンケーキコイルの外周側に電流リードが接続できるようにしたダブルパンケーキ巻きを示す。パンケーキコイル７５は、電流容量を増加させるために４枚のテープ導体７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７６ｄを積層したものが巻きまわされており、各線材に流れる電流を均一化するために４枚のテープには転位が施される（図示せず）。転位とは、各線材のインダクタンスが等しくなるように巻き線の途中で導体位置を入れ替えることであり、撚ることとは必ずしも等価ではない（導体が２本の場合には転位することと撚ることは同じとなる）。

図１１に４並列導体で巻き線されたダブルパンケーキコイルの結線の概念図を示す（転位については図示せず）。ダブルパンケーキコイルではコイルの中心部から４本の並列導体を巻き始めることになる。巻き始め部がちょうど導体の中間位置となるためこの位置に電圧端子１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄを配置するのが好ましい。４並列導体の両端には半田付けによって電気的接続１３１ａ，１３１ｂを作成した。従って、ダブルパンケーキコイルの場合、電気的接続が２箇所、電圧端子は１対となるのが基本形となる。ちょうど中間位置に電圧端子を配置するのは、前述の通りクエンチ時の電流転流にともなう誘導電圧のキャンセルだけでなく、閉ループに鎖交する磁束によって誘起される電圧をキャンセルすることが目的なので、電圧端子位置を挟んだ両側の磁束が鎖交するループは、鎖交磁束によって誘起される電圧がキャンセルするように適切に撚り合わされていることが重要である（図示せず）。

それぞれのパンケーキコイル７５は、図１２もしくは図１３に示すように直列もしくは並列またはそれらの組み合わせによって接続線７３、またはブスバー７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄに接続される。パンケーキコイルのユニットとブスバーの接続の間にはパンケーキコイルユニットへの電流の出し入れを制御するモジュールが配置されるが図１２，図１３はパンケーキコイルの接続の概念を図示しているので、ここではモジュールについては図示しない。

パンケーキコイルが並列接続される場合には、パンケーキコイルの両端電圧によってクエンチ発生したコイルを同定することはできない。本発明の電圧端子をそれぞれのコイルに配置することにより並列接続の場合でもクエンチしたコイルを同定することが可能となる。

ＳＭＥＳでは電流の出し入れが行われ、また、待機電流値もそのオペレーションに依存するため、外部抵抗分圧を利用したバランス電圧検出によるクエンチ検出方法では、コイルの誘導電圧の完全なキャンセルが困難であり高精度なクエンチ検出は不可能である。

本発明によるクエンチ検出方法は、クエンチ電圧以外の電圧信号は本質的にキャンセルする構成となっているため、ＳＭＥＳのような電流が変動する磁石システムでも高精度のクエンチ検出が可能である。この特徴はＳＭＥＳにおいてのみ発揮されるものではなく、変動電流（交流電流）が想定される超伝導磁石全般において発揮され、特に交流用途で並列転位導体が利用される超伝導変圧器のクエンチ検出に最適である。

１１ａ，１１ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１７ａ，１７ｂ 超電導線材
２１ａ，２１ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，２５ｅ，２５ｆ，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ，２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄ，１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄ 電圧端子
３１，３１ａ，３１ｂ，３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３６，３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，１３１ａ，１３１ｂ 電気的接続
４１，４４，４５，４６，４７ 並列導体
５４，５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂ，５９ａ，５９ｂ 転位
６８ ボビン
６９ 保護抵抗
７０ 直流電源
７１ クエンチ検出器
７２ 制御信号線
７３ 接続線
７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ ブスバー
７５ パンケーキコイル
７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７６ｄ テープ導体

Claims (18)

1. 第一と第二の超電導線材よりなる並列導体が巻きまわされた超電導磁石であって、
   前記第一と第二の超電導線材は、複数の接続箇所で電気的に接続されており、
   超電導磁石に発生する電圧を検出するための少なくとも１つの電圧端子対を備え、
   前記電圧端子対を構成する一方の電圧端子は前記第１の超電導線材に、他方の電圧端子は前記第２の超電導線材に設置され、
   前記電圧端子対は２つの前記接続箇所の間に設置されていることを特徴とする超電導磁石。
2. 請求項１に記載された超電導磁石であって、
   前記第一と第二の超電導線材は、線材の横断面寸法の最大長さよりも短いギャップを介して隣接するように配置されて巻きまわされることを特徴とする超電導磁石。
3. 請求項１または２に記載された超電導磁石であって、
   前記第一と第二の超電導線材は、両端で電気的に接続されていることを特徴とする超電導磁石。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の超電導磁石であって、
   前記第一と第二の超電導線材が少なくとも一箇所で転位されており、前記転位箇所が前記接続箇所間に設置されていることを特徴とする超電導磁石。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の超電導磁石であって、
   前記電圧端子対は、前記接続箇所間の中間点に設置されていることを特徴とする超電導磁石。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の超電導磁石であって、
   前記超電導線材は高温超電導体よりなることを特徴とする超電導磁石。
7. 第一と第二の超電導線材よりなる並列導体が巻きまわされた超電導磁石であって、
   前記第一と第二の超電導線材は、少なくとも３箇所の接続箇所で電気的に接続されており、
   超電導磁石に発生する電圧を検出するための少なくとも３つの電圧端子対を備え、
   前記電圧端子対を構成する一方の電圧端子は前記第１の超電導線材に、他方の電圧端子は前記第２の超電導線材に設置され、
   第１の電圧端子対は、前記３箇所の接続箇所のうち中央の接続箇所に設置され、
   第２の電圧端子対は、前記中央の接続箇所と、一端の接続箇所との間に設置され、
   第３の電圧端子対は、前記中央の接続箇所と、他端の接続箇所との間に設置されていることを特徴とする超電導磁石。
8. 請求項７に記載された超電導磁石であって、
   前記第一と第二の超電導線材は、線材の横断面寸法の最大長さよりも短いギャップを介して隣接するように配置されて巻きまわされることを特徴とする超電導磁石。
9. 請求項７または８に記載された超電導磁石であって、
   前記第一と第二の超電導線材は、両端で電気的に接続されていることを特徴とする超電導磁石。
10. 請求項７乃至９のいずれかに記載の超電導磁石であって、
    前記第一と前記第二の超電導線材が少なくとも２箇所で転位されており、
    第１の転位箇所は、前記中央の接続箇所と、前記一端の接続箇所との間に設置され、
    第２の転位箇所は、前記中央の接続箇所と、前記他端の接続箇所との間に設置されていることを特徴とする超電導磁石。
11. 請求項７乃至１０のいずれかに記載の超電導磁石であって、
    第２の電圧端子対は、前記中央の接続箇所と、前記一端の接続箇所との間の中間点に設置され、
    第３の電圧端子対は、前記中央の接続箇所と、前記他端の接続箇所との間の中間点に設置されていることを特徴とする超電導磁石。
12. 請求項７乃至１１のいずれかに記載の超電導磁石であって、
    前記超電導線材は高温超電導体よりなることを特徴とする超電導磁石。
13. 請求項１乃至６のいずれかに記載の超電導磁石を有する超電導磁石システムであって、
    前記電圧端子対によって検出される電圧信号に基づいてクエンチ検出を行うことを特徴とする超電導磁石システム。
14. 請求項７乃至１２のいずれかに記載の超電導磁石を有する超電導磁石システムであって、
    前記第１の電圧端子対及び第２の電圧端子対によって検出される電圧信号、または前記第１の電圧端子対及び第３の電圧端子対によって検出される電圧信号に基づいてクエンチ検出を行うことを特徴とする超電導磁石システム。
15. 請求項１乃至１２のいずれかに記載の超電導磁石であって、
    前記並列導体は密着して配置されることを特徴とする超電導磁石。
16. 請求項１乃至１２のいずれかに記載の超電導磁石であって、
    前記第一と第二の超電導線材の断面寸法に対し、その最大長よりも小さなギャップで前記並列導体が近接して配置されることを特徴とする超電導磁石。
17. 請求項１乃至４のいずれかに記載の超電導磁石であって、
    前記電圧端子対は、２つの前記接続箇所からの距離が等しくなる位置で設置されていることを特徴とする超電導磁石。
18. 請求項７乃至１０のいずれかに記載の超電導磁石であって、
    第２の電圧端子対は、前記中央の接続箇所と前記一端の接続箇所からの距離が等しくなる位置で設置され、
    第３の電圧端子対は、前記中央の接続箇所と前記他端の接続箇所からの距離が等しくなる位置で設置されていることを特徴とする超電導磁石。