JPH10106826A - 超電導コイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スペーサ１２を介して超電導巻線１１がボビ
ンの巻枠に層状に巻かれたコイルであって、巻き乱れが
防止され、かつ巻回された超電導巻線１１の超電導特性
の劣化が防止された超電導コイルを得る。 【解決手段】 スペーサ１２の下辺部と上辺部に、それ
ぞれ、下層受溝１２ａ…と上層溝１２ｂ…とが形成さ
れ、超電導巻線１１の少なくとも一部の外周に、前記の
受溝の周面と接触する補助線材１３が配設されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スペーサを用いて
超電導巻線を間隔巻きした超電導コイルに関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導コイルは、超電導磁石、超電導モ
ーター、超電導変圧器、超電導永久電流スイッチ、超電
導エネルギー貯蔵装置などの各種超電導機器に用いられ
ている。この超電導コイルは、液体ヘリウムなどの極低
温冷媒中にで臨界温度Ｔｃ以下に冷却した状態で電流を
流すと、電流損失なく磁界を発生することができる。し
かし、特に交流超電導コイルの場合は、通電中の交流損
失などに起因する発熱によって臨界電流値Ｉｃが低下し
たり、巻線の温度が臨界温度Ｔｃを越えて上昇して瞬時
に常電導性に転移する、いわゆるクエンチを起こすな
ど、超電導特性上の障害が起こり易い。

【０００３】このため、交流超電導コイルにおいては、
巻線として多重撚線構造を有する超電導巻線（以下、単
に「巻線」という）が用いられる。この多重撚線構造を
有する巻線（多重撚り巻線）は、例えば図５の符号４で
示すように、直径０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度の超電導
素線６が常電導の中心線６ａの周囲に複数本撚り合わさ
れてユニット７を形成し、このユニット７が更に常電導
の中心撚線７ａの周囲に複数本撚り合わされて全体とし
て花形断面の巻線４となるように構成されている。

【０００４】この多重撚り巻線４は、コイルに巻いたと
き、素線６どうしの間に冷媒が流通する通路が形成され
るので冷却効率が向上し、かつ断面積が等しい単線に比
べて表面積が著しく増大されているので交流損失も少な
い。また、可撓性が向上してコイルに巻くときの湾曲に
よる歪みの発生も軽減される。

【０００５】多重撚り巻線４を用いて超電導コイルを製
造する際には、更に巻線間の冷媒の流通をよくして冷却
効果を高めるために、スペーサを用いた間隔巻きが行わ
れる。間隔巻きされた超電導コイルの一例を図４（ａ）
（ｂ）に示す。この超電導コイルは、円筒状の巻枠１と
それぞれの端部に接合されたフランジ２ａ，２ｂからな
るボビン３の巻枠１に、例えばＮｂ−Ｔｉ合金などから
なる多重撚り巻線４が、下層と上層とを離間する複数の
角柱状のスペーサ５…を介して多層に巻かれ、巻線の双
方の端末４ｅ，４ｅが一方のフランジ２ａを通して引き
出されて形成されている。

【０００６】このスペーサ５の例を図６（ａ）（ｂ）に
示す。図６（ａ）のスペーサ５は、ボビンの巻枠１と等
しい長さを有する角柱であって、その断面の縦・横がそ
れぞれ３ｍｍ〜４ｍｍ程度とされ、その下辺部と上辺部
には、長さ方向にそれぞれ、下層の巻線４を受ける互い
に離間した下層受溝８ａ…と、上層の巻線４を受ける互
いに離間した上層受溝８ｂ…とが形成されている。この
下層受溝８ａ…と上層受溝８ｂ…は、図６（ａ）のスペ
ーサの場合、楕円弧状の周面を有している。

【０００７】このスペーサ５は、図４（ｂ）に示したよ
うに、コイルの巻層を周回して、内側の巻層であれば例
えば８本、外側の巻層であれば例えば１６本というよう
に、巻層の周長に応じて複数本が等間隔に環状に配列さ
れ、ボビン３に巻線４が層状に巻かれたとき、段層の下
層の巻線４を下層受溝８ａ…が受け込み、上層の巻線４
を上層受溝８ｂ…が受け込むことによって、下層巻線４
と上層巻線４とを上下方向に離間すると共に、同層で隣
合う巻線どうしも左右方向に離間して、それぞれの巻線
を上下左右に接触しないように離間している。これによ
って、隣合う巻線と巻線との間には、冷媒が流通するに
十分な間隙が形成される。このとき、スペーサ５…自体
は、上・下層の巻線の巻張力によって、ズレ動かないよ
うに固定される。

【０００８】図６（ｂ）に示すスペーサ５は、下層受溝
と上層受溝の形状が図６（ａ）のスペーサと異なる以外
は同様である。図６（ｂ）のスペーサ５の下層受溝９ａ
と上層受溝９ｂの周面の形状は、いずれも台形であっ
て、比較的広い開口部と狭められた平面状の底面部とを
有している。

【０００９】前記の図６（ａ）（ｂ）に示すスペーサ５
は、いずれであっても、例えば断面の縦・横がそれぞれ
３ｍｍ〜４ｍｍの細長い角柱で、この縦方向上下に、そ
れぞれの深さＤの合計が前記縦長より小さい受溝を形成
しなければならないので、その受溝の形状は、加工上の
制約から、受溝幅Ｗに比べて深さＤが比較的浅いものと
されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前記のスペーサ５を用
いて多重撚り巻線４を巻き進めると、受溝の深さが比較
的浅いために、図７に示すように、断面花形に形成され
た巻線４の、先端部の素線６が受溝の底部に当接し、１
点支持となるために巻線４の保持が安定せず、またこの
素線６のみに巻線４全体の巻張力が集中して負荷される
ことになり、素線に歪みが発生し、超電導特性を低下さ
せる原因ともなる。特にコイルの最上層の巻線は、上層
から押圧されることがないので保持が更に不安定にな
り、巻き乱れを起こし易いという問題があった。

【００１１】また、一般に、磁界式永久電流スイッチ
（ＰＣＳ）を用いてエネルギー貯蔵装置などを構築する
場合に、回路に異常が発生したとき、極低温冷媒に浸漬
され超電導状態にあるＰＣＳを直ちに常電導状態に転移
させ、電流を遮断できるようにする安全対策が超電導コ
イルに求められる場合がある。

【００１２】本発明は、前記の課題を解決するためにな
されたものであって、従ってその目的の一つは、スペー
サを介して多重撚り巻線をコイルに巻回した超電導コイ
ルであって、巻き乱れが防止され、かつ一部の超電導素
線に巻張力が集中することによって生じる障害が防止さ
れた超電導コイルを提供することにある。本発明の他の
目的は、超電導状態から直ちに常電導状態に転移する手
段を有する超電導コイルを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに本発明は、巻線がボビンの巻枠上に、下層と上層と
を離間するスペーサを介して層状に巻かれたコイルであ
って、このスペーサの下辺部と上辺部に、それぞれ長さ
方向に沿って、下層と上層の巻線を受ける受溝が互いに
離間して形成され、巻線の少なくとも一部の外周に、前
記の受溝の周面と接触する補助線材が配設されてなる超
電導コイルを提供する。

【００１４】前記の補助線材は、非磁性の絶縁被覆金属
線または高分子線条であることが好ましい。または、前
記の補助線材は、電熱線であることが好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例により図面を用いて説明する。 （実施例１）図１に実施例１の超電導コイル１０の部分
断面図を示す。このコイル１０は、基本的には多重撚り
された巻線１１が、ボビンの巻枠（図示せず）上に、下
層と上層とを離間する角柱状のスペーサ１２…を介して
複数層に巻かれて形成されている。このスペーサの下辺
部と上辺部には、それぞれ長さ方向に沿って、下層と上
層の巻線１１を受ける受溝１２ａ、１２ｂが互いに離間
して形成されている。そして、この巻線１１の外周に
は、前記の上辺部受溝１２ｂの周面と接触する補助線材
１３…が配設されている。

【００１６】このスペーサ１２は、横断面形状が正方形
とされ、その下辺部と上辺部には、それぞれ長さ方向に
沿って、下層の巻線１１を受ける複数の、互いに離間し
た下層受溝１２ａ…と、上層の巻線１１を受ける複数
の、互いに離間した上層受溝１２ｂ…とが形成されてい
る。これらの下層受溝１２ａと上層受溝１２ｂとは、い
ずれも、周面が楕円弧状となるように形成されている。
これら受溝の寸法は、スペーサ１２の断面形状が例えば
１辺３．０ｍｍの正方形である場合に、幅が３．０ｍ
ｍ、深さが１．０ｍｍとされる。

【００１７】このコイルの巻線１１は、Ｎｂ−Ｔｉ合金
からなる直径０．２ｍｍ〜０．３ｍｍの超電導素線１４
が、銅製またはステンレス鋼製の常電導中心線１４ａの
周囲に６本撚り合わされてユニット１５を形成し、この
ユニット１５が更に銅製などの常電導中心撚線１５ａの
周囲に６本撚り合わされて全体として花形断面の巻線１
１となるように構成されている。この巻線１１の外径は
１．８０ｍｍ〜２．７ｍｍとされている。そして、この
巻線１１の外周には、スペーサ１２の上層受溝１２ｂの
周面と接触するように、２本の絶縁被覆された電熱線か
らなる補助線材１３が、互いに平行となるように螺旋巻
きされている。

【００１８】実施例１のコイルは、多重撚りされた巻線
１１の外周に、上層受溝１２ｂの周面と接触する補助線
材１３が配設されているので、巻線１１が少なくとも２
点で上層受溝１２ｂの周面と接触することになる。従っ
て巻線１１が断面花形の多重撚り超電導線であっても、
巻線の保持が安定し、巻き崩れが防止される。また巻張
力が分散されるので歪みが低減され、巻線の超電導特性
が巻回する前の超電導素線のそれと同等に維持される。

【００１９】（実施例２）図２に実施例２の超電導コイ
ル２０の部分断面図を示す。このコイル２０は、基本的
には多重撚りされた巻線２１が、ボビンの巻枠（図示せ
ず）上に、下層と上層とを離間する角柱状のスペーサ２
２…を介して複数層に巻かれて形成されている。このス
ペーサの下辺部と上辺部には、それぞれ、下層と上層の
巻線２１を受ける受溝２２ａ、２２ｂが互いに離間して
形成されている。そして、巻線２１の外周には、前記の
上層受溝２２ｂの周面と接触する補助線材２３が配設さ
れている。

【００２０】このスペーサ２２は、断面形状が正方形と
され、その下辺部と上辺部には、それぞれ長さ方向に、
下層の巻線２１を受ける複数の、互いに離間した下層受
溝２２ａ…と、上層の巻線２１を受ける複数の、互いに
離間した上層受溝２２ｂ…とが形成されている。これら
の下層受溝２２ａと上層受溝２２ｂとは、いずれも、周
面が台形状となるように形成されている。これら受溝の
寸法は、スペーサ２２の断面形状が例えば１辺３．０ｍ
ｍの正方形である場合に、開口部の幅が３．０ｍｍ、底
面部の幅が０．４ｍｍ〜０．６ｍｍ、深さが１．０ｍｍ
とされる。

【００２１】このコイルの巻線２１は、実施例１に用い
たものと同様の構成を有している。そして、この巻線２
１の外周には、スペーサ２２の上層受溝２２ｂの周面と
接触するように２本の高分子繊維製の補助線材２３が、
互いに平行となるように螺旋巻きされている。

【００２２】実施例２のコイルは、多重撚りされた巻線
２１の外周に、スペーサ２２の上層受溝２２ｂの周面と
接触する補助線材２３が配設されているので、巻線２１
が少なくとも２点、通常は３点で受溝の周面と接触する
ことになる。従って巻線２１が断面花形の多重撚り超電
導線であっても、巻線の保持が安定し、巻き崩れが防止
される。また巻張力が分散されるので歪みが低減され、
巻線の超電導特性が巻回する前の超電導素線のそれと同
等に維持される。

【００２３】前記実施例１および実施例２のコイルにお
いて、補助線材１３または２３が特に有効となるのは、
最上段に配設されたスペーサ（１２Ｎまたは２２Ｎ）に
おいてである。この最上段のスペーサ（１２Ｎまたは２
２Ｎ）の上に巻かれた最上層巻線は、上層から押圧され
ることがないので、スペーサの受溝内での位置が不安定
になり、巻き乱れを起こし易い。この観点から一般に、
補助線材は、コイル巻線の最上段スペーサ（１２Ｎまた
は２２Ｎ）の上層受溝（１２ｂまたは２２ｂ）と接触す
る部分に施すだけであってもよい。

【００２４】（実施例３）実施例３の超電導コイルは、
超電導エネルギー貯蔵装置の磁界式ＰＣＳ（永久電流ス
イッチ）に用いられるものであって、多重撚りされた超
電導巻線が、ボビンの巻枠に複数層の無誘導巻きに巻か
れ、この巻線は、補助線材が電熱線からなる実施例１の
ものと同様である。このコイルの補助線材として用いら
れた電熱線は、絶縁被覆されたマンガニン線である。

【００２５】このＰＣＳ用コイルは、補助線材が用いら
れているので、巻き線に際しては実施例１のものと同様
に巻線の巻き崩れを防止することができる。更に、この
コイルは、ＰＣＳに組み込んだとき、超電導エネルギー
貯蔵装置の緊急時や電流取り出し時に、前記の補助線材
に通電して加熱し、超電導線の温度を臨界温度Ｔｃ以上
に上昇させ、クエンチを起こさせることによってコイル
に流れる電流を遮断することができる利点を有する。

【００２６】図３に、実施例３のＰＣＳ用コイル３３を
用いた超電導エネルギー貯蔵装置の一例を示す。この回
路においては、エネルギー貯蔵マグネット用の超電導コ
イル３１と磁界式ＰＣＳ３２に組み込まれた実施例３の
ＰＣＳ用コイル３３とが並列に接続され、この並列回路
がパワーリード３４，３４および開閉スイッチ３６を介
して電力受給装置（図示せず）に接続されている。この
並列回路は、全体が液体ヘリウムなどの冷媒で冷却さ
れ、超電導状態が実現する臨界温度Ｔｃ以下に保持され
ている。

【００２７】いま、この超電導エネルギー貯蔵装置を用
いて電力の貯蔵を行うには、先ず開閉スイッチ３６を閉
じた後、ＰＣＳ３２の制御用電磁石３５に上部臨界磁界
を越える制御磁界を発生させ、ＰＣＳ用コイル３３を常
電導状態に転移することでこのコイルに流れる電流を遮
断し、ＰＣＳ３２をスイッチ・オフの状態とする。この
状態で、パワーリード３４，３４から直流電流をエネル
ギー貯蔵マグネット用コイル３１に流し込み、電力を電
磁エネルギーとしてエネルギー貯蔵マグネット用コイル
３１内に蓄積する。

【００２８】次に、開閉スイッチ３６を閉じた状態でＰ
ＣＳ３２の制御用電磁石３５の磁界を上部臨界磁界以下
に減じ、ＰＣＳ用コイル３３を超電導状態にもたらすこ
とでスイッチをオン状態にした後、外部からの電流を減
ずるとＰＣＳ用コイル３３に電流が流れ込む。外部から
の直流電流がゼロになると、エネルギー貯蔵マグネット
用コイル３１に流れる電流と同等の電流がＰＣＳ用コイ
ル３３に流れ、永久電流モードとなる。この状態で開閉
スイッチ３６を開くと、エネルギー貯蔵マグネット用コ
イル３１もＰＣＳ用コイル３３も共に電気抵抗がゼロで
あるから、電流は永久電流となって減衰することなくこ
の閉回路中を流れ続け、エネルギー貯蔵マグネット用コ
イル３１に蓄積されたエネルギーが無損失で貯蔵される
ことになる。

【００２９】この貯蔵されたエネルギーを取り出すに
は、開閉スイッチ３６を閉じた後に、ＰＣＳ３２の制御
用電磁石３５に上部臨界磁界を越える制御磁界を発生さ
せ、ＰＣＳ用コイル３３を常電導状態にもたらすことで
スイッチ・オフとする。すると、上記の閉回路に貯蔵さ
れていたエネルギーは、パワーリード３４，３４を通し
て電力として取り出すことができる。

【００３０】この超電導エネルギー貯蔵装置において、
例えば制御用電磁石３５に異常が発生し、励磁不能とな
った場合などには、ＰＣＳ用コイル３３が超電導状態と
なったままで導通しているので、閉回路中に電流が流れ
続け、電力を取り出すことができなくなる。この場合の
対策として、実施例３の電熱補助線材を有する超電導コ
イルをＰＣＳ用コイル３３として用いれば、その電熱補
助線材に通電し加熱することによって、超電導導体の温
度を臨界温度Ｔｃ以上に上昇させ、クエンチさせてＰＣ
Ｓをスイッチ・オフの状態にして電流を遮断し、電力を
取り出すことができるようになる。

【００３１】上記の超電導エネルギー貯蔵装置の例で
は、実施例３の超電導コイルの補助線材を回路の安全装
置として用いたが、これ以外にも、この電熱補助線材は
他の超電導装置において、超電導コイルの電流のオン・
オフ手段として用いることができる。

【００３２】実施例３の超電導コイルを磁界式ＰＣＳ３
２のＰＣＳ用コイル３３として用いる場合には、制御用
電磁石３５の励磁・減磁に伴う磁界変動によりコイル端
末に発生する誘導電圧を極力小さくし、またコイル自体
の自己インダクタンスを極小とするために、巻線は無誘
導卷きとされる。これは一般に、ボビン巻枠の一端から
巻線を１列ずつ隔てて螺旋卷きし、巻枠の他端で折り返
した巻線をその間隙の列に沿って巻き返し、互いに隣接
する巻線に逆向きの電流が流れるようにして実現され
る。また、このコイルは、同様の無誘導巻きが多層に形
成され、隣合う下層と上層とでは螺旋巻きの方向が逆向
きとされる。

【００３３】本発明の超電導コイルは、交流損失の低減
ならびに冷却特性向上のために多重撚り構造とされた巻
線を用いる交流用超電導コイル、超電導永久スイッチ用
コイルなどとして特に有利に使用することができる。

【００３４】

【発明の効果】本発明の超電導コイルは、超電導巻線の
少なくとも一部の外周に、スペーサの受溝の周面と接触
する補助線材が配設されてなるものであるので、巻線の
巻き乱れを防ぎ、かつ一部の超電導素線に巻張力が集中
することを防止することで超電導特性の劣化を防ぐこと
ができる。

【００３５】この補助線材が電熱線であれば、補助線材
に通電することにより超電導巻線の温度を臨界温度以上
に上昇させることができるので、これを利用して超電導
コイルの電流をオン・オフすることができ、回路の緊急
対策用装置などとして用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１の超電導コイルの部分断面図。

【図２】 実施例２の超電導コイルの部分断面図。

【図３】 超電導エネルギー貯蔵装置の一例を示す回路
図。

【図４】 超電導コイルの一例を示す縦断面図（ａ）と
横断面図（ｂ）。

【図５】 多重撚り超電導線の一例を示す断面図。

【図６】 スペーサの一例を示す正面図と側面図
（ａ）、およびスペーサの他の一例を示す正面図と側面
図（ｂ）。

【図７】 従来の超電導コイルの一例を示す部分断面
図。

【符号の説明】

１０…超電導コイル、１１…巻線、１２…スペーサ、１
２ａ…下層受溝、１２ｂ…上層受溝、１３…補助線材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 隆 東京都江東区木場１丁目５番１号 株式会 社フジクラ内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超電導巻線が、ボビンの巻枠上に、下層
   と上層とを離間するスペーサを介して層状に巻かれたコ
   イルであって、 このスペーサの下辺部と上辺部に、それぞれ長さ方向に
   沿って、下層と上層の巻線を受ける受溝が互いに離間し
   て形成され、 超電導巻線の少なくとも一部の外周に、前記の受溝の周
   面と接触する補助線材が配設されてなる超電導コイル。
2. 【請求項２】 補助線材が、電熱線である請求項１に記
   載の超電導コイル。