JP6486817B2 - 超電導コイルおよび超電導コイル装置 - Google Patents
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Description
よって、超電導状態になって電気抵抗がほぼゼロになっても、無限には電流を流せない。
電流密度、温度および磁場のいずれかがこれらの臨界値を越えると、超電導線材は常電導状態へ転移する。
よって、超電導コイルでは、超電導相からの常電導転移に対する保護が必要になる。
励磁電源の遮断後、超電導コイルおよび保護抵抗のみの閉回路となるため、コイルに流れる電流を減衰させることができる。
この遮断機構によって、超電導コイル装置が大型になるとともに複雑になる。
実施形態にかかる超電導コイルおよび超電導コイル装置は、高温超電導線材および低温超電導線材のいずれにおいても効果を発揮する。
ただし、以下では、特に高い効果を発揮する高温超電導線材を用いた場合を例にして説明する。
まず、図1の一般的な高温超電導線材20の構成斜視図を用いて、高温超電導線材20の構成を説明する。
高温超電導線材20は、図1に示されるように、一般に薄膜状の層が積層されたテープ形状の薄膜線材20を構成している。
この薄膜線材20は、例えばレアメタル酸化物(RE酸化物)からなる高温超電導層25(以下、「超電導層25」という)を含むREBCO線材などの線材である。
保護層26は、超電導層25に含まれる酸素が超電導層25から拡散することを防止して、超電導層25を保護している。
安定化層21は、超電導層25への過剰通電電流の迂回経路となって熱暴走を防止する。
ただし、薄膜線材20を構成する各層の種類および数はこれに限定されるものではなく、必要に応じて多くても少なくてもよい。
薄膜線材20は、例えば図2で示されるように、巻回中心Cを中心に同心円状のいわゆるパンケーキ形状に巻回されて巻線部材12が構成される。
この巻線部材12には図示しない巻枠14に巻回されて超電導コイル10が構成される。
また、図4は、図3のΩ部を拡大して示す断面図である。
巻線部材12は、一般的に、巻枠14への巻回によって成形された後に、巻枠14ごとエポキシ樹脂などの絶縁材16に含浸される。
巻枠14に巻回されて隣接する複数の薄膜線材20同士の間隙(線材間隙)に絶縁材16が充填されるとともに、巻線部材12が絶縁材16でコーティングされる。
絶縁材16にエポキシ樹脂などの粘着性を有する絶縁材料を用いる場合は、隣接するターン間の薄膜線材20同士は、絶縁されるとともに接着され、一体的に構成される。
また、絶縁材16は、線材間隙に充填されるものと、巻線部材12の全体をコーティングするものとがあり、それぞれ別個に形成されることもある。
なお、線材間隙に形成する絶縁材16は、絶縁材料のテープ線としてもよい。
図5に示されるように、薄膜線材20は、絶縁材16で絶縁せずに線材間隙の一部に常電導金属32を配置する場合もある。また、隣接する他のターンの薄膜線材20を直に接触させて配置しても良い。
常電導金属32を配置する場合、薄膜線材20の局所的な常電導転移による常電導箇所15が発生した際、コイル周方向に流れていた通電電流Iの一部Iaが、常電導金属32を横断して隣接する他のターンの薄膜線材20に向かってコイル径方向に流出する。
巻線部材12は、薄膜線材20が巻回によってコイル径方向に積層されることで形成されるコイル径方向に沿った側面18を有する。
迂回路19は、この側面18において、異なるターンの薄膜線材20を電気的に接続する。
これらの材料は、板材または箔などにして圧着またはハンダ接続などによって電気的に巻線部材12に接続される。
特にメッキによって迂回路19を形成すると、迂回路19を薄くすることができ、超電導コイル10Aの自由な変形を阻害しない。
なお、図3および図4では巻線部材12の側面18の片面のみに迂回路19を設けた例を示しているが、両面に設けてもよい。
迂回路19を設けることで、薄膜線材20の一部で常電導転移による局所的なフラックスフロー抵抗が発生したときに、コイル周方向に流れていた通電電流Iの一部Iaが、迂回路を介して隣接する他のターンの薄膜線材20に、コイル径方向へ迂回することができる。
ここで、コイル周方向に流れる通電電流はIからI−Iaに減少する。このとき、迂回路19の抵抗をRa、フラックスフロー抵抗をRとすると、コイル径方向に迂回する電流Iaは、R/(R+Ra)に比例する。
よって、フラックスフロー抵抗が増大に伴い、より多くの通電電流がコイル径方向に迂回することになる。
よって、局所的に常電導状態に転移した常電導箇所15に多量の通電電流Iが流れるのを未然に防止することができ、熱暴走等が発生することを抑制することができる。
図6および図7に示されるように、超電導コイル10Aは、薄膜線材20の特定の線材間隙に離形材31を配置して、離形材31の配置部分が他の線材間隙部分よりも接着力が低い箇所を設けることがある。
薄膜線材20は、上述したように各種の層(21〜26)を積層しているので、テープ面垂直方向の引張り応力、すなわち剥離応力にきわめて脆弱である。
よって、超電導コイル10Aに薄膜線材20を用いる場合、剥離応力が許容値以上にならないように工夫する必要がある。
離形材31によって、剥離応力に合わせて巻線部材12を複数に分割することで、この剥離応力が低減される。
離形材31によって常電導金属32が非接着になった箇所では、この箇所の近傍で常電導転移が発生しても通電電流Iを十分に横断して流出させることができない。
そこで、図6および図7で示されるように、離形材31によって非接続になる薄膜線材20を迂回路19で接続することで、通電電流Iの流出経路を確保する。
迂回路19によって、離形材31が非接着になった箇所で薄膜線材20に常電導箇所15が発生しても熱暴走等が発生することを抑制することができる。
通電電流Iが定常状態になったときの薄膜線材20の電気抵抗およびインダクタンスはほぼゼロで、迂回路19には有限の電気抵抗があるからである。
誘導電圧によって隣接する他のターンの薄膜線材20との間に電位差が発生し、この誘導電圧を迂回路19の電気抵抗で割った値の電流が迂回路19に流れる。
迂回路19の量に伴って増加するこの迂回する電流Iaは、上述のように、想定した磁場形状の形成を遅らせる。
また、迂回路19で発熱して超電導コイル10Aの超電導性を不安定にする。
そこで、迂回路19の位置は、超電導コイル10B(10)の側面18の一部のみに設けることが望ましい。
図8は、超電導コイル10(10A,10B)に作用する磁場形状の説明図である。
通電電流Iに基づく磁場Bは、超電導コイル10の巻回中心Cからコイル径方向に旋回して、図8に示されるように、一部が薄膜線材20に進入する。
薄膜線材20における各位置でのフラックスフロー抵抗の大きさは、各位置を貫くこの磁場Bの向きおよび大きさなどによって変化する。
図9からわかるように、フラックスフロー抵抗による電界強度が最大になるのは、超電導コイル10Aの最内周からコイル径方向の中央部付近までの位置である。
つまり、超電導コイル10Aの最内周から中央部付近までの位置では、一般に臨界電流値Icが他の位置もよりも低くなる。
つまり、迂回路19は、超電導コイル10Bの内部で臨界電流値Icを低下させるフラックスフロー抵抗が高くなる位置が好ましい。
図11に示されるように、迂回路19の位置は、巻線部材12にテープまたはスプレーなどのマスキング材料33を用いて限定してもよい。
よって、迂回路19が配置される具体的な位置は、実際の磁場Bの形状などによって、適宜決定される。
また、離形材31と迂回路19を組み合わせることで、超電導コイル10Bの内部で発生する剥離応力を軽減して、熱暴走等の発生を抑制することができる。
図12は、第2実施形態にかかる超電導コイル10に設けられる迂回路19の上面図である。
超電導コイル10による励磁の開始時には、通電電流Iに基づく磁場Bが変動する。
この磁場Bの変動によって、迂回路19aに渦電流が発生する。
そこで、迂回路19aをコイル径方向に切断して、切断されて分割された迂回路19aをコイル周方向に沿って配置することで、渦電流の周回経路を細分する。
迂回路19aにおける渦電流の周回経路を細分することで、渦電流損失を抑制することができる。
また、渦電流による発熱で熱暴走等が発生することを抑制することができる。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
つまり、渦電流損失による磁場Bの減少を防止するとともに、渦電流による発熱によって励磁の開始時に熱暴走等が発生することを防止することができる。
図13は、第3実施形態にかかる超電導コイル10に設けられる迂回路19b(19)の上面図である。
第3実施形態にかかる超電導コイル10は、図13に示されるように、ディスク状の迂回路19bには、側面18との接触面積を調整する空隙または空孔が設けられている。
よって、迂回路19bの導電率は、各超電導コイル10に合わせて自由に変更することができることが望ましい。
そこで、迂回路19bに空隙または空孔を設けて巻線部材12の側面18との接触面積を調整することで、超電導コイル10の外形および材質を変更せずに、自由に迂回路19bの導電率を調節する。
また、メッシュ材、パンチング材、フィラメント材、不織布、フェルト、ウールまたはスリット材など、空隙または空隙を有する既存の製品を迂回路19bとして用いてもよい。
また、これらの導電体を巻線部材12の製造時に適宜組み合わせたり、第1実施形態などに示した空隙等を有さない迂回路19bと組み合わせたりすることで導電率を調節してもよい。
また、グラファイト、炭素繊維または炭素繊維複合材などのカーボン材料なども迂回路19bとして好適に用いることができる。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
つまり、迂回路19bの厚みなどの外形を変更することなく、迂回路19bを最適な導電率にすることができる。
図14は、第4実施形態にかかる超電導コイル10C(10)の図2のII−II線に沿う断面を拡大して示す断面図である。
例えば、カーボンブラック、炭素繊維またはグラファイトなどのカーボン系の粉末で構成される導電性粉末35が、迂回路19を形成する。
また、微粒子または合成繊維を金属コートすることで導電性粉末35にしてもよい。
絶縁材16を導電性粉末35を含む導電性樹脂36にして巻線部材12を含浸することで、同時に、線材間隙にも導電性のある材料を充填することができる。
当然、線材間隙と側面18のコーティングとを別個に形成して、異なる導電率にしてもよい。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
また、導電性粉末35の混入量を調節することで、容易に導電率を変更することができる。
図15は、超電導コイル装置50の第1実施形態を示す部分的な断面斜視図である。
積層されるコイル100nのうちには常電導性コイルが含まれていてもよいが、以下ではいずれも超電導性コイルであるとして説明する。
ここで、図16は、各々のコイル100n(例えば、n=1〜6)における磁場Bによるフラックスフロー抵抗による電界強度の垂直成分の分布を示す図である。
図16から、積層されるコイル100nは、巻回中心方向の中央部に位置するほど、磁場Bのテープ面垂直成分が小さく、遮蔽電流の影響が小さいことがわかる。
コイル間経路37で接続されるコイル100nの組が複数ある場合、それぞれのコイル間経路37の導電率を異なるものにして、迂回する通電電流Iの流量を調節してもよい。
つまり、コイル100nの積層体38における積層される位置によって、コイル100nの臨界電流値Icは異なる。
具体的には、通常、磁場Bの剥離方向(すなわち、コイル径方向)の成分が最大になる積層体38における両端のコイル100nが、臨界電流値Icが低くなるものである。
そこで、第1実施形態〜第4実施形態に示した超電導コイル10を積層体38の両端に配置する。
そこで、迂回路19が設けられた超電導コイル10は、積層体38の両端等のように、特に臨界電流値Icが低くなる位置に限定して用いることが望ましい。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
また、積層体38のうち特定の位置にのみ迂回路19を設けた超電導コイル10を用いることで、想定した磁場形状にするまでの励磁時間の長時間化を防止することができる。
図17は、超電導コイル装置50の第2実施形態を示す部分的な構成断面図である。
迂回路19は、通電電流Iを特定ターンの巻線部材12における他のターンの薄膜線材20へ迂回させるものである。
そこで、特定の超電導コイル10の側面18に設けられたコイル間経路37を隣接する他のコイル100nに電気的に接続する。
コイル間経路37が他のコイル100nに接続されることによって、常電導転移が進行した場合などに通電電流Iを他のコイル100nに迂回させることができる。
できるだけ速く磁場形状を想定した形状にするために、通電電流Iは、できるだけ一つの超電導コイル10の中でのみ迂回するのが望ましいからである。
また、反対に臨界電流値Icが高いと想定される位置にあるコイル100nについても、何らかの異常で予期せぬ抵抗が発生しても熱暴走等の発生を抑制することができる。
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
しかし、適用できる巻線部材12は、パンケーキ形状のものに限定されない。
例えば、図18(A)および図18(B)に示されるように、歪曲した巻枠14とともに曲面39に載置される鞍型の巻線部材12aにも適用することもできる。
また、迂回路19は、非円形に巻回したレーストラック型、鞍型、楕円または図19で示されるソレノイド型の巻線部材12bなどにも適用することができる。
Claims (12)
- 超電導線材が巻回によってコイル径方向に積層されることで形成される前記コイル径方向に沿った側面を有する巻線部材と、
前記巻線部材の側面に設けられて前記超電導線材を前記コイル径方向に電気的に接続する迂回路と、を備え、
前記迂回路は、通常運転時における前記超電導線材の抵抗より大きく、かつ、常電導転移時における前記超電導線材の抵抗よりも小さい抵抗の材料からなり、前記巻線部材の外側面に設けられた絶縁材の内側に前記迂回路が設けられることを特徴とする超電導コイル。 - 前記巻回によって対向する前記超電導線材の対向面間に接着力を弱める離形材が設けられ、
前記迂回路は、前記離形材を挟んで反対側の超電導線材同士を接続する請求項1に記載の超電導コイル。 - 前記迂回路は、常電導体、半導体、セラミック材または超電導材の材料で構成される請求項1または請求項2に記載の超電導コイル。
- 前記迂回路は、前記巻線部材の側面との接触面積を調整する空隙または空孔を有する請求項1または請求項2に記載の超電導コイル。
- 前記迂回路は、メッキまたは塗布により形成される請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の超電導コイル。
- 前記迂回路は、分割されてコイル周方向に沿って複数配置される請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の超電導コイル。
- 前記超電導線材は高温超電導線材である請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の超電導コイル。
- 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の超電導コイルを備える超電導コイル装置。
- 前記超電導コイルを含む複数のコイルが巻回中心に沿って積層された請求項8に記載の超電導コイル装置。
- 前記超電導コイルは、前記複数のコイルのうち臨界電流値が低くなる位置に配置される請求項9に記載の超電導コイル装置。
- 積層されて隣接する他のコイルに電気的に接続されるコイル間経路を備える請求項9または請求項10に記載の超電導コイル装置。
- 前記コイル間経路の導電率は、配置された巻回中心方向の位置によって異なる請求項11に記載の超電導コイル装置。
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