JP7226085B2 - 超電導コイルの製造方法及び超電導コイル - Google Patents

Description

本開示は、超電導コイルの製造方法及び超電導コイルに関する。

特許文献１（特開２０１７－１４３１７３号公報）には、超電導コイルの製造方法が記載されている。特許文献１に記載された超電導コイルの製造方法は、巻枠に超電導線材が重ねて巻き付けられた巻線部を形成する工程を有する。巻線部を形成する工程では、形成中の巻線部の外径が計測されるとともに、当該外径に応じて径方向において隣り合う超電導線材の間に離形テープが挿入される。特許文献１に記載された超電導コイルの製造方法によると、超電導コイルの外径を設計値に近づけることができる。

特開２０１７－１４３１７３号公報

特許文献１に記載された超電導コイルの製造方法においては、巻枠が偏心して巻線機の軸部材に取り付けられた場合、当該偏心に起因して、径方向における超電導コイルの厚さが変動してしまう。

本開示は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本開示は、径方向における厚さの変動を抑制することができる超電導コイルの製造方法及び超電導コイルを提供するものである。

本開示の超電導コイルの製造方法は、軸部材と、軸部材に取り付けられ、かつ超電導線材が巻き付けられる第１外周面を含む巻枠とを有する巻線機を準備する工程と、軸部材を回転中心軸周りに回転させることにより、第１外周面に超電導線材が重ねて巻き付けられた巻線部を形成する工程とを備える。巻線部を形成する工程では、回転中心軸に対する巻枠の偏心量と形成中の巻線部の外径との差に応じて、回転中心軸に直交し、かつ回転中心軸を通る径方向において互いに隣り合う超電導線材の間に共巻材が挿入される。

本開示の超電導コイルの製造方法によると、径方向における超電導コイルの厚さの変動を抑制することができる。

図１は、超電導コイル１０の斜視図である。 図２は、超電導線材２の長手方向に直交する断面図である。 図３は、超電導コイル１０の製造方法を示す工程図である。 図４は、超電導コイル１０の製造方法において用いられる巻線機３０の部分正面図である。 図５は、超電導コイル１０の製造方法において用いられる巻枠３２の断面図である。 図６は、巻線部形成工程Ｓ２において共巻材３を挿入する際の模式図である。 図７は、超電導コイル１０の製造方法の第１変型例において用いられる巻線機３０の部分正面図である。 図８は、超電導コイル１０の製造方法の第２変型例において用いられる巻線機３０の部分正面図である。

［本開示の実施形態の説明］
まず、本開示の実施態様を列記して説明する。

（１）一実施形態に係る超電導コイルの製造方法は、軸部材と、軸部材に取り付けられ、かつ超電導線材が巻き付けられる第１外周面を含む巻枠とを有する巻線機を準備する工程と、軸部材を回転中心軸周りに回転させることにより、第１外周面に超電導線材が重ねて巻き付けられた巻線部を形成する工程とを備える。巻線部を形成する工程では、回転中心軸に対する巻枠の偏心量と形成中の巻線部の外径との差に応じて、回転中心軸に直交し、かつ回転中心軸を通る径方向において互いに隣り合う超電導線材の間に共巻材が挿入される。

上記（１）の超電導コイルの製造方法によると、回転中心軸に対する巻枠の偏心量を考慮した上で共巻材の挿入の有無が決定されるため、径方向における超電導コイルの厚さの変動を抑制することができる。

（２）上記（１）の超電導コイルの製造方法において、外径は、第１測定器により計測されてもよい。偏心量は、第２測定器により計測されてもよい。

（３）上記（２）の超電導コイルの製造方法において、巻枠は、回転中心軸に沿う軸方向に直交する上面を含んでいてもよい。巻線部は、第２外周面を有していてもよい。上面には、上面から軸方向に沿って突出する円環形状の突出部が形成されていてもよい。第１測定器は、径方向において第２外周面に対向するように配置されていてもよい。第２測定器は、径方向において突出部と対向するように配置されていてもよい。

上記（３）の超電導コイルの製造方法によると、巻線部の形成が開始された後においても巻枠の偏心量を計測することができる。

（４）上記（２）又は（３）の超電導コイルの製造方法において、第１計測器及び第２計測器は、レーザ変位計であってもよい。

（５）上記（２）の超電導コイルの製造方法において、巻枠は、回転中心軸に沿う軸方向に直交する上面を含んでいてもよい。巻線部は、第２外周面を有していてもよい。上面には、円環状に識別パターンが形成されていてもよい。第１測定器は、径方向において第２外周面に対向するように配置されていてもよい。第２測定器は、軸方向において上面に対向するように配置され、かつ識別パターンを撮像する撮像装置と、撮像装置により撮像された識別パターンに対する画像処理により偏心量を測定する処理装置とを有していてもよい。

上記（５）の超電導コイルの製造方法によると、巻線部の形成が開始された後においても巻枠の偏心量を計測することができる。また、上記（５）の超電導コイルの製造方法によると、第１測定器の配置場所と第２測定器の配置場所との間の干渉を避けることができる。

（６）上記（５）の超電導コイルの製造方法において、第１測定器は、レーザ変位計であってもよい。

（７）上記（１）から（６）の超電導コイルの製造方法において、巻枠は、第１外周面において、６５０ｍｍ以上の外径を有していてもよい。

（８）一実施形態に係る超電導コイルは、コイル軸周りに超電導線材が重ねて巻き回された巻線部を備える。巻線部は、コイル軸に直交し、かつコイル軸を通る径方向において厚さを有する。厚さの最大値と厚さの最小値との差は、０．１ｍｍ以下である。

（９）上記（８）の超電導コイルにおいて、厚さは、３０ｍｍ以上であってもよい。
（１０）上記（８）又は（９）の超電導コイルにおいて、巻線部は、６５０ｍｍ以上の内径を有していてもよい。

［本開示の実施形態の詳細］
次に、本開示の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さない。

実施形態に係る超電導コイル（以下においては、超電導コイル１０」とする）及びその製造方法を説明する。

＜超電導コイル１０の構成＞
以下に、超電導コイル１０の構成を説明する。

図１は、超電導コイル１０の斜視図である。図１に示されるように、超電導コイル１０は、ダブルパンケーキコイルである。なお、超電導コイル１０は、シングルパンケーキコイルであってもよい。超電導コイル１０は、コイル軸Ａ１を有している。

超電導コイル１０は、複数の巻線部１を有している。各々の巻線部１は、コイル軸Ａ１に沿う方向（軸方向）において、重ねられている。巻線部１は、コイル軸Ａ１周りに超電導線材２を重ねて巻き回すことにより形成されている。図１中においては示していないが、巻線部１には、共巻材３が含まれている。共巻材３は、コイル軸Ａ１に直交し、かつコイル軸Ａ１を通る方向（径方向）において隣り合う超電導線材２の間に挿入されている。

巻線部１は、厚さＴを有している。厚さＴは、径方向における巻線部１の厚さである。厚さＴの最大値と厚さＴの最小値との差は、例えば、０．１ｍｍ以下である。すなわち、厚さＴのばらつきは、０．１ｍｍ以下の範囲内にある。厚さＴは、例えば、３０ｍｍ以上である。巻線部１は、内周面１ａと、外周面１ｂとを有している。巻線部１は、内径ｄ１を有している。内径ｄ１は、好ましくは、６５０ｍｍ以上である。なお、巻線部１の外径は、例えば、１２００ｍｍ以下である。

図２は、超電導線材２の長手方向に直交する断面図である。図２に示されるように、超電導線材２は、シース層２１と、超電導フィラメント２２とを有している。超電導線材２は、さらに、補強部材２３と、補強部材２４とを有していてもよい。

シース層２１は、例えば銀（Ａｇ）により形成されている。シース層２１は、第１面２１ａと、第２面２１ｂとを有している。第２面２１ｂは、第１面２１ａの反対面である。超電導フィラメント２２は、シース層２１の内部において、超電導線材２の長手方向に沿って延在している。超電導フィラメント２２は、例えば（Ｂｉ，Ｐｂ）_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙにより形成されている。

補強部材２３は、第１面２１ａ上に配置されており、補強部材２４は、第２面２１ｂ上に配置されている。補強部材２３及び補強部材２４は、ステンレス鋼、銅（Ｃｕ）合金、ニッケル（Ｎｉ）合金等により形成されている。

＜超電導コイル１０の製造方法＞
以下に、超電導コイル１０の製造方法を説明する。

図３は、超電導コイル１０の製造方法を示す工程図である。図３に示されるように、超電導コイル１０の製造方法は、準備工程Ｓ１と、巻線部形成工程Ｓ２とを有している。

準備工程Ｓ１においては、巻線機３０が準備される。図４は、超電導コイル１０の製造方法において用いられる巻線機３０の部分正面図である。図４中において、形成中の巻線部１（超電導線材２）は、点線により示されている。図４に示されるように、巻線機３０は、軸部材３１と、巻枠３２と、第１測定器３３と、第２測定器３４とを有している。

軸部材３１は、モータ（図示せず）等により、回転中心軸Ａ２周りに回転可能になっている。巻枠３２は、軸部材３１に取り付けられている。軸部材３１が回転することにより、巻枠３２も回転する。巻枠３２の上面視における（後述する上面３２ａに直交する方向から見た場合の）中心Ｃは、回転中心軸Ａ２から偏心していてもよい。すなわち、上面視において、中心Ｃと回転中心軸Ａ２とは、互いに一致していなくてもよい。中心Ｃと回転中心軸Ａ２との間の距離を、偏心量という。

図５は、超電導コイル１０の製造方法において用いられる巻枠３２の断面図である。図５中において、形成中の巻線部１（超電導線材２）は、点線により示されている。図５に示されるように、巻枠３２は、上面３２ａと、底面３２ｂとを有している。上面３２ａ及び底面３２ｂは、回転中心軸Ａ２に直交している。このことを別の観点からいえば、底面３２ｂから上面３２ａに向かう方向は、回転中心軸Ａ２に沿う方向（軸方向）に一致している。

図４及び図５に示されるように、上面３２ａには、突出部３２ａａが形成されている。突出部３２ａａは、上面３２ａから軸方向に沿って、底面３２ｂとは反対側に突出している。突出部３２ａａは、上面視において、円環形状を有している。上面視において、突出部３２ａａの円環形状の中心は、中心Ｃに一致している。

巻枠３２は、さらに、外周面３２ｃを有している。外周面３２ｃは、超電導線材２が巻き付けられる面である。巻枠３２は、外周面３２ｃにおいて、外径ｄ２を有している。外径ｄ２は、例えば６５０ｍｍ以上である。

第１測定器３３は、例えばレーザ変位計である。レーザ変位計は、測定対象物にレーザ光を照射する光源と、測定対象物において反射したレーザ光を受光する受光素子とを有している。レーザ変位計は、測定対象物において反射したレーザ光の受光位置に基づいて測定対象物の位置変化を検知する。第１測定器３３は、回転中心軸Ａ２に直交し、かつ回転中心軸Ａ２を通る方向（径方向）において、外周面１ｂに対向する位置に配置されている。第２測定器３４は、例えばレーザ変位計である。第２測定器３４は、径方向において、突出部３２ａａに対向する位置に配置されている。

巻線部形成工程Ｓ２においては、巻線部１が形成される。巻線部１は、外周面３２ｃに超電導線材２が重ねて巻き付けられることにより、形成される。

巻線部形成工程Ｓ２においては、形成中の巻線部１の外径が測定される。形成中の巻線部１の外径は、第１測定器３３により測定される。より具体的には、形成中の巻線部１の外径は、第１測定器３３により測定された形成中の巻線部１の外周面１ｂの位置に基づいて算出される。第１測定器３３は、形成中の巻線部１の外径を、超電導線材２が巻枠３２に１周巻き付けられる間に複数回測定するとともに、その測定結果を平均化することにより形成中の巻線部１の外径を算出してもよい。形成中の巻線部１の外径は、超電導線材２の周回毎に測定される。

巻線部形成工程Ｓ２においては、回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量が測定される。回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量は、第２測定器３４により測定される。より具体的には、回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量は、第２測定器３４により測定された突出部３２ａａの位置に基づいて算出される。第２測定器３４は、回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量を、超電導線材２が巻枠３２に１周巻き付けられる間に複数回測定するとともに、その測定結果を平均化することにより、回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量を算出してもよい。回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量は、超電導線材２の周回毎に測定されてもよく、１度だけ測定されてもよい。

図６は、巻線部形成工程Ｓ２において共巻材３を挿入する際の模式図である。図６に示されるように、巻線部形成工程Ｓ２においては、径方向において隣り合う超電導線材２の間に、共巻材３が挿入される。共巻材３は、ポリイミド等の絶縁性の樹脂材料により形成された絶縁テープである。共巻材３は、超電導線材２よりも薄い。共巻材３の厚さは、例えば０．１ｍｍ以下である。共巻材３の厚さは、０．０５ｍｍ以下であってもよく、０．０２５ｍｍ以下であってもよい。

共巻材３を挿入するか否かは、形成中の巻線部１の外径と回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量との差に基づいて決定される。共巻材３を挿入するか否かは、例えば、形成中の巻線部１の外径と回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量との差が所定の閾値を超えているかにより決定される。この閾値は、例えば、超電導線材２のターン数毎に定められている。形成中の巻線部１の外径と回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量との差に応じて、異なる厚さを有する共巻材３が挿入されてもよい。

巻線機３０は、形成中の巻線部１の外径と回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量との差が上記の閾値を超えたときに自動で共巻材３を挿入するように構成されていてもよい。巻線機３０は、形成中の巻線部１の外径と回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量との差が上記の閾値を超えたときに、一旦軸部材３１の回転（超電導線材２の巻き付け）を止め、手動で共巻材３を差し込んだ後に再度軸部材３１の回転（超電導線材２の巻き付け）を開始してもよい。

以上のような手順を繰り返され、超電導線材２の周回数が所定のターン数に達すると、巻線部形成工程Ｓ２が終了する。

＜超電導コイル１０の製造方法の効果＞
以下に、超電導コイル１０の製造方法の効果を説明する。

共巻材３の挿入の有無を形成中の巻線部１の外径のみに基づいて決定することにより、巻線部１の外径の変動を抑制することは可能である。しかしながら、巻枠３２が回転中心軸Ａ２に対して偏心するように軸部材３１に取り付けられている場合、巻線部１の外径の変動が抑制されても、回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心に起因して、厚さＴの変動が生じる。

巻枠３２を軸部材３１に取り付ける際の作業性を考慮して、軸部材３１に取り付けられる巻枠３２の部分には遊びが設けられているが、外径ｄ２が大きくなるにしたがって（すなわち、巻枠３２の重量が増加するにしたがって）当該遊びを大きくする必要があるため、厚さＴの変動は、外径ｄ２が大きい場合に特に顕著となる。

この点、超電導コイル１０の製造方法においては、形成中の巻線部１の外径のみならず、回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量も考慮して、共巻材３の挿入の有無が決定されているため、回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心に起因した厚さＴの変動が抑制されるように、共巻材３が挿入される。このように、超電導コイル１０の製造方法によると、厚さＴの変動が抑制された超電導コイル１０を製造することができる。

超電導コイル１０の製造方法においては、上面３２ａに突出部３２ａａが形成されており、第２測定器３４で突出部３２ａａの位置を測定することにより回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量が算出されている。突出部３２ａａは、上面３２ａから軸方向に沿って突出しているため、超電導線材２の巻き付けを開始した後においても超電導線材２に隠れることはない。したがって、超電導コイル１０の製造方法によると、超電導線材２の巻き付け開始後においても、第２測定器３４による偏心量の測定を継続することができる。

＜超電導コイル１０の製造方法の第１変形例＞
以下に、超電導コイル１０の製造方法の第１変型例を説明する。ここでは、超電導コイル１０の製造方法と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さないものとする。

超電導コイル１０の製造方法の第１変型例は、準備工程Ｓ１と、巻線部形成工程Ｓ２とを有している。この点に関して、超電導コイル１０の製造方法の第１変型例は、超電導コイル１０の製造方法と共通している。しかしながら、超電導コイル１０の製造方法の第１変型例は、巻線機３０の構成及び回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量の測定方法に関して、超電導コイル１０の製造方法と異なっている。

図７は、超電導コイル１０の製造方法の第１変型例において用いられる巻線機３０の部分正面図である。図７中において、形成中の巻線部１（超電導線材２）は、点線により示されている。図７に示されるように、巻線機３０は、第２測定器３４を有していない。なお、巻線機３０は、軸部材３１と、巻枠３２と、第１測定器３３とを有している。上面３２ａには、突出部３２ａａが形成されていない。

超電導コイル１０の製造方法の第１変型例では、回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量が、第１測定器３３により測定される。より具体的には、回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量は、超電導線材２の巻き付けが開始される前に巻枠３２を回転させ、外周面３２ｃの位置を第１測定器３３で測定することにより算出される。

なお、超電導コイル１０の製造方法の第１変形例においては、超電導線材２の周回毎に回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量を測定せず、上記の方法により得られた偏心量が、共巻材３の挿入の有無の判断に供され続けることになる。

超電導コイル１０の製造方法の第１変型例によると、第１測定器３３を形成中の巻線部１の外径の測定及び回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量の測定の双方に用いることができる。その結果、超電導コイル１０の製造方法の第２変形例によると、第２測定器３４の設置を省略することができる。

＜超電導コイル１０の製造方法の第２変形例＞
以下に、超電導コイル１０の製造方法の第２変型例を説明する。ここでは、超電導コイル１０の製造方法と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さないものとする。

超電導コイル１０の製造方法の第２変型例は、準備工程Ｓ１と、巻線部形成工程Ｓ２とを有している。この点に関して、超電導コイル１０の製造方法の第２変型例は、超電導コイル１０の製造方法と共通している。しかしながら、超電導コイル１０の製造方法の第２変型例は、巻線機３０の構成及び回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量の測定方法に関して、超電導コイル１０の製造方法と異なっている。

図８は、超電導コイル１０の製造方法の第２変型例において用いられる巻線機３０の部分正面図である。図８中において、形成中の巻線部１（超電導線材２）は、点線により示されている。図８に示されるように、上面３２ａには、突出部３２ａａが形成されていない一方で、識別パターン３２ａｂが形成されている。識別パターン３２ａｂは、例えば、同心円状に描かれた細線である。識別パターン３２ａｂは、刻印、印刷等により描かれている。但し、識別パターン３２ａｂは、これに限られるものではない。

第２測定器３４は、撮像装置３４ａと、処理装置３４ｂとを有している。撮像装置３４ａは、軸方向において上面３２ａと対向するように配置されることにより、識別パターン３２ａｂが撮像可能になっている。処理装置３４ｂは、撮像装置３４ａに接続されており、撮像装置３４ａから出力された画像信号に対する信号処理を行う。この信号処理により、回転中心軸Ａ２に対する巻枠３２の偏心量が測定される。撮像装置３４ａは、例えばイメージセンサであり、処理装置３４ｂは、例えばＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）である。なお、第１測定器３３は、例えばレーザ変位計である。

超電導コイル１０の製造方法の第２変型例においては、上面３２ａに巻枠３２の偏心量の測定に用いられる識別パターン３２ａｂが形成されているため、超電導線材２の巻き付けを開始した後においても、識別パターン３２ａｂが超電導線材２に隠れることはない。したがって、超電導コイル１０の製造方法の第２変型例によると、超電導線材２の巻き付け開始後においても、第２測定器３４による偏心量の測定を継続することができる。

また、超電導コイル１０の第２変型例においては、第２測定器３４（撮像装置３４ａ）が上面３２ａと対向する位置に配置されているため、第２測定器３４の配置場所と第１測定器３３の配置場所とが互いに干渉しがたい。

今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 巻線部
１ａ 内周面
１ｂ 外周面
２ 超電導線材
３ 共巻材
１０ 超電導コイル
２１ シース層
２１ａ 第１面
２１ｂ 第２面
２２ 超電導フィラメント
２３，２４ 補強部材
３０ 巻線機
３１ 軸部材
３２ 巻枠
３２ａ 上面
３２ａａ 突出部
３２ａｂ 識別パターン
３２ｂ 底面
３２ｃ 外周面
３３ 第１測定器
３４ 第２測定器
３４ａ 撮像装置
３４ｂ 処理装置
Ａ１ コイル軸
Ａ２ 回転中心軸
Ｃ 中心
Ｓ１ 準備工程
Ｓ２ 巻線部形成工程
Ｔ 厚さ
ｄ１ 内径
ｄ２ 外径

Claims (7)

1. 軸部材と、前記軸部材に取り付けられ、かつ超電導線材が巻き付けられる第１外周面を含む巻枠とを有する巻線機を準備する工程と、
   前記軸部材を回転中心軸周りに回転させることにより、前記第１外周面に前記超電導線材が重ねて巻き付けられた巻線部を形成する工程とを備え、
   前記巻線部を形成する工程では、前記回転中心軸に対する前記巻枠の偏心量と形成中の前記巻線部の外径との差に応じて、前記回転中心軸に直交し、かつ前記回転中心軸を通る径方向において互いに隣り合う前記超電導線材の間に共巻材が挿入される、超電導コイルの製造方法。
2. 前記外径は、第１測定器により測定され、
   前記偏心量は、第２測定器により測定される、請求項１に記載の超電導コイルの製造方法。
3. 前記巻枠は、前記回転中心軸に沿う軸方向に直交する上面を含み、
   前記巻線部は、第２外周面を有し、
   前記上面には、前記上面から前記軸方向に沿って突出する円環形状の突出部が形成されており、
   前記第１測定器は、前記径方向において前記第２外周面に対向するように配置されており、
   前記第２測定器は、前記径方向において前記突出部と対向するように配置されている、請求項２に記載の超電導コイルの製造方法。
4. 前記第１測定器及び前記第２測定器は、レーザ変位計である、請求項３に記載の超電導コイルの製造方法。
5. 前記巻枠は、前記回転中心軸に沿う軸方向に直交する上面を含み、
   前記巻線部は、第２外周面を有し、
   前記上面には、円環状に識別パターンが形成されており、
   前記第１測定器は、前記径方向において前記第２外周面に対向するように配置されており、
   前記第２測定器は、前記軸方向において前記上面に対向するように配置され、かつ前記識別パターンを撮像する撮像装置と、前記撮像装置により撮像された前記識別パターンに対する画像処理により前記偏心量を測定する処理装置とを有する、請求項２に記載の超電導コイルの製造方法。
6. 前記第１測定器は、レーザ変位計である、請求項５に記載の超電導コイルの製造方法。
7. 前記巻枠は、前記第１外周面において、６５０ｍｍ以上１２００ｍｍ以下の外径を有する、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の製造方法。

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