JP7314654B2 - 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回さ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、超電導線材の厚さが考慮されていない。その結果、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たとしても、超電導線材の厚さのバラつきに起因して、超電導コイルの外周面における真円度が不十分となるおそれがある。

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、超電導コイルの外周面における真円度を改善することができる超電導コイルの製造方法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、巻枠を有する巻線機を準備する工程と、巻枠に超電導線材が重ねて巻き回さ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、巻枠に巻き回される前の超電導線材の厚さである第１厚さに基づいて、形成中の巻線部の中心軸に直交し、かつ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を挿入するか否かが決定される。

本開示の超電導コイルの製造方法によると、超電導コイルの外周面における真円度を改善することができる。

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の詳細な工程図である。 図７は、第１共巻材挿入工程Ｓ２３において共巻材３を挿入する際の模式図である。 図８は、周方向に沿って測定された外周面１ｂの半径を示す模式的なグラフである。

［本開示の実施形態の説明］
まず、本開示の実施形態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、巻枠を有する巻線機を準備する工程と、巻枠に超電導線材が重ねて巻き回された巻線部を形成する工程とを備えている。巻線部を形成する工程では、巻枠に巻き回される前の超電導線材の厚さである第１厚さに基づいて、形成中の巻線部の中心軸に直交し、かつ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を挿入するか否かが決定される。

上記（１）の超電導コイルの製造方法によると、超電導コイルの外周面における真円度を改善することができる。

（２）上記（１）の超電導コイルの製造方法において、第１厚さは、第１レーザ変位計により測定されてもよい。

（３）上記（１）又は（２）の超電導コイルの製造方法において、巻線部を形成する工程では、第１厚さに基づいて、共巻材の厚さである第２厚さが選択されてもよい。

上記（３）の超電導コイルの製造方法によると、超電導コイルの外周面における真円度をさらに改善することができる。

（４）上記（３）の超電導コイルの製造方法において、巻線部を形成する工程では、第１厚さ及び形成中の巻線部の外径に基づいて、第２厚さが決定されてもよい。

上記（４）の超電導コイルの製造方法によると、超電導コイルの外周面における真円度をさらに改善することができる。

（５）上記（４）の超電導コイルの製造方法において、外径は、第２レーザ変位計により測定されてもよい。

（６）上記（１）から（５）の超電導コイルの製造方法において、共巻材の長さは、形成中の巻線部の外周長さ未満であってもよい。

上記（６）の超電導コイルの製造方法によると、超電導コイルの外周面における真円度をさらに改善することができる。

（７）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。巻線部の外周面における真円度は、０．１ｍｍ以下である。

（８）上記（７）の超電導コイルにおいて、巻線部の外径は、６８０ｍｍ以上であってもよい。

［本開示の実施形態の詳細］
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ものとする。

（実施形態に係る超電導コイルの構成）
以下に、実施形態に係る超電導コイル（以下「超電導コイル１０」とする）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、内周面１ａと、外周面１ｂとを有している。巻線部１は、外径Ｄ１を有している。外径Ｄ１は、径方向におけるコイル軸Ａ１と外周面１ｂとの間の距離である。外径Ｄ１は、好ましくは、６８０ｍｍ以上である。巻線部１の内径（径方向におけるコイル軸Ａ１と内周面１ａとの間の距離）は、例えば、６５０ｍｍ以上であり、巻線部１の厚さ（径方向における内周面１ａと外周面１ｂとの間の距離）は、例えば、３０ｍｍ以上である。

巻線部１の外周面１ｂにおける真円度は、０．１ｍｍ以下である。平面視においてコイル軸Ａ１を中心とし、第１半径を有する円を、第１円とする。平面視においてコイル軸Ａ１を中心とし、第１半径よりも大きい第２半径を有する円を、第２円とする。第２半径と第１半径との差は、０．１ｍｍである。平面視において、外周面１ｂが第１円と第２円との間に収まる場合、巻線部１の外周面１ｂにおける真円度が、０．１ｍｍ以下になる。このことを別の観点から言えば、外周面１ｂとコイル軸Ａ１との間の距離の最大値から外周面１ｂとコイル軸Ａ１との間の距離の最小値を除した値が、０．１ｍｍ以下になっている。

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。

（実施形態に係る超電導コイルの製造方法）
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とを有している。巻線機３０は、第２測定器３４をさらに有していてもよい。

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。

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言えば、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。

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が巻き回される面である。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、一対のレーザ変位計（レーザ変位計３３ａ及びレーザ変位計３３ｂ）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。レーザ変位計３３ａ及びレーザ変位計３３ｂは、巻枠３２に巻き回される前の超電導線材２を挟んで互い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、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。

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が重ねて巻き回されることにより、形成される。

図６は、巻線部形成工程Ｓ２の詳細な工程図である。図６に示されるように、巻線部形成工程Ｓ２は、線材厚さ測定工程Ｓ２１と、第１判定工程Ｓ２２と、第１共巻材挿入工程Ｓ２３と、第１巻き回し工程Ｓ２４と、第３判定工程Ｓ２９とを有している。巻線部形成工程Ｓ２は、外径測定工程Ｓ２５と、第２判定工程Ｓ２６と、第２共巻材挿入工程Ｓ２７と、第２巻き回し工程Ｓ２８とをさらに有していてもよい。

線材厚さ測定工程Ｓ２１においては、第１測定器３３により、巻枠３２に巻き回される前の超電導線材２の厚さ（第１厚さ）が測定される。第１判定工程Ｓ２２においては、第１厚さに基づいて、共巻材３を挿入するか否かが決定される。より具体的には、第１判定工程Ｓ２２においては、第１厚さが第１閾値未満である場合に、共巻材３を挿入する判定がなされる。第１閾値は、超電導線材２の設計厚さに相当する。

第１判定工程Ｓ２２においては、第１厚さと第１閾値との差に基づいて、共巻材３の厚さ（第２厚さ）が決定される。第２厚さは、例えば０．１ｍｍ、０．０５ｍｍ及び０．０２５ｍｍのいずれかである。

第１共巻材挿入工程Ｓ２３は、第１判定工程Ｓ２２において第１厚さが第１閾値未満であると判定された場合に行われる。共巻材３は、例えば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。図７は、第１共巻材挿入工程Ｓ２３において共巻材３を挿入する際の模式図である。図７に示されるように、共巻材３は、形成中の巻線部１の中心軸に直交し、かつ当該中心軸を通る方向（径方向）において互いに隣り合う超電導線材２の間に挿入される。共巻材３の長さは、形成中の巻線部１の外周長さ未満であってもよい。挿入される共巻材３の長さは、例えば、超電導線材２の長手方向に沿った第１厚さの分布に基づいて決定されることになる。

図６に示されるように、第１共巻材挿入工程Ｓ２３が完了した後に、第１巻き回し工程Ｓ２４が行われる。第１巻き回し工程Ｓ２４においては、巻枠３２に対する超電導線材２の巻き回しが行われる。第１判定工程Ｓ２２において第１厚さが第１閾値以上であると判定された場合、第１共巻材挿入工程Ｓ２３を経ることなく、第１巻き回し工程Ｓ２４が行われる。

外径測定工程Ｓ２５は、第１巻き回し工程Ｓ２４中に行われる。外径測定工程Ｓ２５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２測定器３４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２測定器３４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２判定工程Ｓ２６においては、形成中の巻線部１の外径に基づいて、共巻材３を挿入するか否かが決定される。より具体的には、第２判定工程Ｓ２６においては、形成中の巻線部１の外径が第２閾値未満である場合に、共巻材３を挿入する判定を行う。第２閾値は、超電導線材２のターン数毎に定められている。第２判定工程Ｓ２６においては、形成中の巻線部１の外径と第２閾値との差に基づいて、第２厚さが決定される。

第２共巻材挿入工程Ｓ２７は、第２判定工程Ｓ２６において形成中の巻線部１の外径が第２閾値未満であると判定された場合に行われる。第１判定工程Ｓ２２において決定された第２厚さと第２判定工程Ｓ２６において決定された第２厚さが異なる場合、超電導線材２を一旦巻き戻して第１共巻材挿入工程Ｓ２３において挿入された共巻材３を除去した上で、第２判定工程Ｓ２６において決定された第２厚さを有する共巻材３が挿入し直される。第１共巻材挿入工程Ｓ２３が行われていない場合、超電導線材２を巻き戻すことなく、第２判定工程Ｓ２６において決定された第２厚さを有する共巻材３が挿入される。すなわち、超電導コイル１０の製造方法において、第２厚さは、第１厚さ及び形成中の巻線部１の外径に基づいて決定されている。

第２共巻材挿入工程Ｓ２７が行われた後は、第１巻き回し工程Ｓ２４に戻る。再び外径測定工程Ｓ２５及び第２判定工程Ｓ２６が行われた結果、形成中の巻線部１の外径が第２閾値以上になると、第２巻き回し工程Ｓ２８に進み、巻枠３２に対する超電導線材２の巻き回しが継続される。

第３判定工程Ｓ２９においては、巻枠３２に巻き回された超電導線材２のターン数が所定のターン数に達しているか否かが判定される。巻枠３２に巻き回された超電導線材２のターン数が所定のターン数に達した場合、巻線部１の形成が完了する。巻枠３２に巻き回された超電導線材２のターン数が所定のターン数に達していない場合、線材厚さ測定工程Ｓ２１に戻り、線材厚さ測定工程Ｓ２１～第２巻き回し工程Ｓ２８が繰り返される。以上により、巻線部形成工程Ｓ２が完了することになる。

（実施形態に係る超電導コイルの製造方法の効果）
以下に、超電導コイル１０の製造方法の効果を説明する。

超電導コイル１０の製造方法においては、共巻材３を挿入するか否かの判断に際して、超電導線材２の厚さ（第１厚さ）が考慮されているため、超電導線材２の厚さのバラつきに起因した巻線部１の外周面１ｂにおける真円度の低下を抑制することができる。

超電導コイル１０の製造方法において、超電導線材２の厚さに基づいて共巻材３の厚さ（第２厚さ）が決定される場合、超電導線材２の厚さのバラつきに起因した外周面１ｂにおける真円度の低下をさらに抑制することができる。

超電導コイル１０の製造方法において、共巻材３の厚さを超電導線材２の厚さ及び形成中の巻線部１の外径に基づいて決定される場合、超電導線材２の厚さのバラつきに起因した外周面１ｂにおける真円度の低下をさらに抑制することができる。

超電導コイル１０の製造方法において、共巻材３の長さが形成中の巻線部１の外周長さ未満である場合、超電導線材２の厚さのバラつきに起因した形成中の巻線部１の外径の変動を細かく補正することができるため、超電導線材２の厚さのバラつきに起因した外周面１ｂにおける真円度の低下をさらに抑制することができる。

＜実施例及び比較例＞
比較例に係る超電導コイル（以下「超電導コイル２０」とする）の製造方法においては、形成中の巻線部１の外径に基づいて共巻材３を挿入するか否かが決定されており、共巻材３を挿入するか否かの判断において、巻枠３２に巻き回される前の超電導線材２の厚さは考慮されていない。

図８は、周方向に沿って測定された外周面１ｂの半径を示す模式的なグラフである。図８に示されるように、超電導コイル２０においては、外周面１ｂの半径の最小値と外周面１ｂの半径の最大値との差が、０．５ｍ以上になっていた。つまり、超電導コイル２０では、巻線部１の外周面１ｂにおける真円度が、０．５ｍｍ以上になっていた。

他方で、超電導コイル１０においては、外周面１ｂの半径の最小値と外周面１ｂの半径の最大値との差が、０．１ｍｍ以下になっていた。つまり、超電導コイル１０では、巻線部１の外周面１ｂにおける真円度が、０．１ｍｍ以下になっていた。このように、超電導コイル１０の製造方法によると、外周面１ｂにおける真円度が改善されていた。

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。

１０，２０ 超電導コイル
１ 巻線部
１ａ 内周面
１ｂ 外周面
２ 超電導線材
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
３ 共巻材
３０ 巻線機
３１ 軸部材
３２ 巻枠
３２ａ 上面
３２ｂ 底面
３２ｃ 外周面
３３ 第１測定器
３３ａ，３３ｂ レーザ変位計
３４ 第２測定器
Ａ１ コイル軸
Ａ２ 回転中心軸
Ｄ１，Ｄ２ 外径
Ｓ１ 準備工程
Ｓ２ 巻線部形成工程
Ｓ２１ 線材厚さ測定工程
Ｓ２２ 第１判定工程
Ｓ２３ 第１共巻材挿入工程
Ｓ２４ 第１巻き回し工程
Ｓ２５ 外径測定工程
Ｓ２６ 第２判定工程
Ｓ２７ 第２共巻材挿入工程
Ｓ２８ 第２巻き回し工程
Ｓ２９ 第３判定工程

Claims (5)

1. 巻枠を有する巻線機を準備する工程と、
   前記巻枠に超電導線材が重ねて巻き回さ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、前記巻枠に巻き回される前の前記超電導線材の厚さである第１厚さに基づいて、形成中の前記巻線部の中心軸に直交し、かつ、前記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を挿入するか否かが決定され、
   前記巻線部を形成する工程は、前記第１厚さが第１閾値未満である場合に前記共巻材を挿入して前記超電導線材を前記巻枠に巻き回す第１工程と、形成中の前記巻線部の外径が第２閾値未満である場合に形成中の前記巻線部から前記超電導線材を巻き戻すとともに前記第１工程において挿入された前記共巻材を除去した上で厚さが異なる別の前記共巻材を挿入して前記超電導線材を前記巻枠に巻き回す第２工程とを有する、超電導コイルの製造方法。
2. 前記第１厚さは、第１レーザ変位計により測定される、請求項１に記載の超電導コイルの製造方法。
3. 前記巻線部を形成する工程では、前記第１厚さに基づいて、前記共巻材の厚さである第２厚さが選択される、請求項１又は請求項２に記載の超電導コイルの製造方法。
4. 前記外径は、第２レーザ変位計により測定される、請求項１に記載の超電導コイルの製造方法。
5. 前記共巻材の長さは、形成中の前記巻線部の外周長さ未満である、請求項１から請求項４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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