JP5998824B2 - 超電導コイルの交流損失測定方法 - Google Patents
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Description
本発明は、超電導線材を巻線して超電導変圧器，超電導リアクトル，超電導電動機，超電導発電機などの超電導機器に適用する超電導コイルの交流損失測定方法に関する。
超電導線材を巻線した超電導コイルは、高磁界発生手段として種々の分野で実用化が進められている。ところで、変圧器などの誘導機器への適用では、超電導コイルに交流損失（主としてヒステリシス損失，渦電流損失，誘導結合損失など)を発生することから機器の開発，実用化が遅れていたが、近年になり超電導導体素線の細線化による交流損失の小さな超電導線材の開発、さらには酸化物超電導体の出現によって、誘導機器の実用化に向けて超電導コイルの研究，開発が急速に進められている。
ところで、超電導コイルは超電導状態において電気抵抗がゼロであるため抵抗損失はゼロとなるが、前記のように交番電流を通電したり変動磁界を印加すると交流損失が発生する。しかも、超電導コイルを誘導機器に適用して使用する環境下では、超電導コイルをコイル容器（クライオスタット）に収容して冷凍機で冷却することから、この冷凍機の冷凍能力やコイル容器の断熱性等を考慮，検討する上で、超電導コイルの特性，特に交流損失を高い精度で測定・評価することが極めて重要となる。
一方、超電導コイルの交流損失測定方法として、従来より、ワットメータ等を用いる方法や、ロックインアンプ等の位相差から求める測定方法などが知られており、その交流損失測定の概要を以下に述べる。
すなわち、被測定物の超電導コイルに通電する交番電流をＩ、超電導コイルに発生する電圧をＶとすると、交流損失Ｗｈは、
として表される。但し、θは電流Ｉと発生電圧Ｖとの位相角である。
即ち、交流損失Ｗｈは超電導コイルの電流Ｉと、電流Ｉと同位相分の電圧Ｖcosθとの積を周回積分することにより求まり、電源の周波数をｆ[Hz]とすると、交流損失Ｐｈは、
Ｐｈ＝ｆ×Ｗｈ [W]・・・（２）
となる。
Ｐｈ＝ｆ×Ｗｈ [W]・・・（２）
となる。
この場合に、通常の誘導機器のように被測定物のコイルが常電導体であれば、前記（１），（２）式にて算出される交流損失は、抵抗損失と交流損失の和となって測定される。これに対して、超電導コイルは抵抗損失がゼロであるために交流損失のみ測定されることとなるが、この場合に超電導コイルに発生する交流損失は極めて小さく、前記（１）式における位相角θは89°以上となる。したがって、通常のワットメータやロックインアンプで交流損失を測定しようとしても測定不能、あるいは測定誤差が大となって交流損失の精度の高い測定，評価が困難となる。
そこで、超電導コイルの交流損失測定精度を高める測定方法として、超電導コイルの発生電圧から得た被測定電圧の誘導成分をキャンセルするいわゆる"キャンセル法"による交流損失の測定方法，およびその測定結果のレポートが報告されている（非特許文献１参照）。
図４は、前記 "キャンセル法"に対応する従来例の交流損失測定回路（等価回路図）である。図４において、１は交流電源、２は被測定物の超電導コイル、３は誘導成分電圧発生コイル（ロゴスキーコイル）、４はシャント抵抗、５は演算器、６はデジタルオシロスコープである。
上記の測定回路にて、交流電源１から被測定物の超電導コイル２に交番電圧を印加して超電導コイル２の発生電圧，および誘導成分電圧発生コイル３で検出した電圧を演算器５に入力し、この演算器５にて超電導コイル２の発生電圧からインダクタンス成分の電圧をキャンセル処理する。そして、演算器５の出力信号を後段のデジタルオシロスコープ６により信号処理して超電導コイル２の交流損失を測定する。
次に、図4の交流損失測定回路による電流―電圧のベクトル図を図５に示す。すなわち、交流電源1からの通電により超電導コイル２に発生する電圧（両端端子電圧）はＶcであり、該電圧Ｖcと電流I（電流Iは図４におけるシャント抵抗４の端子電圧から求める）との位相角はθとなる。ここで、発生電圧Ｖcのうち交流損失の測定に必要な電圧は電流Iと同位相の電圧成分Ｖlossであり、前記誘導成分電圧発生コイル３で検出した電圧をキャンセル電圧Ｖcanとして、超電導コイル２の発生電圧Ｖcからそのインダクタンス成分の電圧ＶLをキャンセル処理することで交流損失に対応する電圧Ｖlossが求まる。
坂本 大輔、他５名、「自動交流損失測定装置の開発(2)」、第57回1997年度秋季低温工学・超電導学会講演概要集、低温工学・超電導学会、１６７頁
ところで、図４，図５で述べた従来の交流損失測定方法では測定精度の面で次記のような課題が残る。すなわち短小な超電導線材、あるいは小規模な超電導コイル（あるいは超電導巻線）等を被測定物とする実験室レベルでの測定であれば、前記位相角θがせいぜい89.5°以下のレベルであるので、先記の"キャンセル法"による測定法が有効となる。しかしながら、中・大規模の超電導変圧器や超電導リアクトル等の誘導機器に適用する超電導コイルでは、前記発生電圧Ｖc，誘導成分の電圧ＶLが大きく、しかも交流損失の測定位相角θは89.5°以上となるため、先記の"キャンセル法"でも測定誤差が大きくなって交流損失の測定精度が低くなる可能性が高い。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は前記課題を解決して誘導機器に適用する超電導コイルの交流損失を高い精度で測定，評価できるように改良した超電導コイルの交流損失測定方法を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明によれば、超電導線材を巻回してなる超電導コイルを交番電圧，あるいは交番電流にて通電する際に発生する交流損失の測定方法において、予め抵抗値を測定した無誘導抵抗を前記超電導コイルに並列に接続し、超電導コイルおよび無誘導抵抗の両端電圧と通電電流との積により求めた損失から、無誘導抵抗による損失分を差し引いて超電導コイルの交流損失を求めるものとする。
上記測定方法のように、予め抵抗値を測定した無誘導抵抗を被測定物の超電導コイルに並列に接続して求めた損失から、無誘導抵抗による損失分を差し引いて（キャンセル処理）交流損失を求めることにより、図４，図５で述べた先記の"キャンセル法"において測定誤差が大きくなる位相角θが89.5°以上の領域においても精度の高い交流損失測定が可能となる。また、本発明による測定方法の測定結果は、有限要素法による磁場解析を基にした計算結果とよく一致していることが確認されている。
以下、本発明による超電導コイルの交流損失測定方法を図１〜図３に示す実施例に基づいて説明する。なお、図１の測定回路図において、図４に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
本発明の超電導コイルの交流損失測定方法に基づく図１の測定回路（等価回路）においては、図４に示した従来の"キャンセル法"による交流損失測定回路を基本として、被測定物の超電導コイル２と並列に予め抵抗値を測定した無誘導抵抗７を追加接続している。
なお、この無誘導抵抗７は被測定物の超電導コイルの規模によっても異なるがその目安として数ｋΩ〜数十ｋΩの抵抗を使用し、あらかじめ図１の測定回路から超電導コイル２を外して無誘導抵抗７のみ接続した状態で、無誘導抵抗７の端子電圧を検出してその抵抗損失を求めておく。次に、図１のように、測定回路に超電導コイル２と無誘導抵抗７を並列接続した状態で交流損失を測定する。
次に、図１の測定回路による電流−電圧のベクトル図を図２示す。なお、図２のベクトル図には図５における電圧Ｖc（超電導コイル２の発生電圧）を併記している。
すなわち、図２のベクトル図において、無誘導抵抗７を並列接続した超電導コイル２の両端子間に発生する端子電圧Ｖc2は、電流Ｉと同位相の交流損失と無誘導抵抗７の抵抗損失との合成電圧Ｖtと、超電導コイル２のリアクトル成分による電圧ＶLとのベクトル和となる。なお、無誘導抵抗７の誘導成分はゼロであり、よって電流Ｉと同位相の前記合成電圧Ｖtより得られる損失は、［超電導コイル２の交流損失］＋［無誘導抵抗７の抵抗損失］となる。
そこで、前記合成電圧Ｖtより得られた損失から、先記のように予め抵抗値を測定しておいた無誘導抵抗７の抵抗損失分を演算器５にて差し引くことにより、超電導コイル２の交流損失を求めることができる。しかも、超電導コイル２に無誘導抵抗７を並列接続することにより、図２のベクトル図における測定位相角φを、同ベクトル図中に併記した電圧Ｖc（無誘導抵抗７を接続しない図４の測定回路に対応）の位相角θよりも小さくすることが可能であり、これにより前記の"キャンセル法"で精度の高い交流損失の測定が可能となる。
図３は、被測定物の超電導コイル２に無誘導抵抗７を接続した図１の測定回路、および無誘導抵抗７を接続しない図４の測定回路にて、発明者等が実際に測定して得た超電導コイル２の交流損失測定結果を、有限要素法の磁場解析に基づく計算値と対比して表した図である。
この測定結果から判るように、超電導コイル２に無誘導抵抗７を並列接続した測定回路（図１参照）による測定法では、電流の小さい領域での交流損失が小さすぎるために測定結果の精度に多少のエラーが見られるものの、電流の大きい領域では計算値ともよく一致している。これに対して無誘導抵抗７を接続しない従来の測定回路（図４参照）で測定した結果では、電流の大きい領域においても大きな測定エラーが残る。この測定結果から、本発明による測定法では、超電導コイルの交流損失測定精度を高めて適正に評価できることが確認できた。
１：交流電源
２：超電導コイル
３：誘導成分電圧発生コイル
４：シャント抵抗
５：演算器
６：デジタルオシロスコープ
７：無誘導抵抗
２：超電導コイル
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４：シャント抵抗
５：演算器
６：デジタルオシロスコープ
７：無誘導抵抗
Claims (1)
- 超電導線材を巻回してなる超電導コイルを交番電圧，あるいは交番電流にて通電する際に発生する交流損失の測定方法において、予め抵抗値を測定した無誘導抵抗を前記超電導コイルに並列に接続し、この状態で超電導コイルおよび無誘導抵抗の両端電圧と通電電流との積により損失を求め、この損失から無誘導抵抗による損失を差し引いて交流損失を求めることを特徴とする超電導コイルの交流損失測定方法。
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