JPS6054762B2 - 超電導マグネツトの巻線方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超電導マグネットの巻線方法に係わり、特に
例えば核融合炉用マグネット等のように大型て高磁界を
発生し、パルス磁界、交流磁界等時間的に変化する磁界
が超電導巻線に作用する場合に好適な超電導マグネット
の巻線方法に関する。

従来大型の超電導マグネットは殆ど全て、いわゆる完
全安定化法に基づいて設計され各種の実用に供されてい
る。

この完全安定化法は次式で示される安定化パラメータα
が１より小さい条件のもとで超電導マグネットは安定に
運転されることは実証されている。 α＝」」Ｌ ・・
・・・・（１） Ａｓｕ、・Ｐ−ｑ ここでρは通常高純度の銅やアルミニウムのように極
低温で電気抵抗の低い金属により形成され、超電導素線
が埋め込まれたサブストレートの比抵抗、Ｉｄは臨界電
流、Ａｓｕｂはサブストレートの断面積、Ｐは液体ヘリ
ウムによつて冷却される面の実効周囲長、ｑは冷却面か
ら液体ヘリウムヘの熱流束をそれぞれ示す。

ここで第１図には従来の複合超電導線材１の断面が示
され、この複合超電導線材１は全体として断面矩形に形
成されるとともに、前述のサブストレート２中に超電導
素線３が埋込まれることにより形成されている。

ここて符号４は絶縁テープを示し、この図では絶縁テー
プ４は矩形断面の白瓜い面ａに貼着されている。また符
号５は前記ａに平行な断面中心線を示し、符号をは矩形
断面の内狭い側面を示し、ｗは広い面ａの幅を、をは狭
い面をの幅をそれぞれ示す。 ここでこのような複合超
電導線材１を巻く場合に通常フラットワイス巻線法と呼
ばれる巻方がある。

このフラットワイス巻線法は幅の広い面ａをコイル中心
線と平行となるように巻く巻方であり、円形コイルに巻
いた場合の例が第２図に示されている。図に示すように
線材１の広い面ａがコイル中心線６に平行になつている
。コイルは通常液体ヘリウムに浸漬されるが、この場合
前記面ａは両面とも絶縁物に覆われ幅の狭い面ｂが液体
ヘリウムに接して、これが冷却面になる。また符号７は
スペーサによつて構成される冷却チャンネルを示し、こ
の冷却チャンネル７に冷媒としての液体ヘリウム等が通
過するようになり、これによつて前記幅の狭い面ｂを介
してコイルを冷却するようになつている。このフラツト
ワイズ巻線法による超電導マグネットは巻線加工が容易
であり、直流磁界のみの装置用としては問題はないが、
例えばトカマク型核融合装置に使用されるトロイダルコ
イルのように、第２図に矢印Ｆで示すパルス垂直磁界が
このコイルに作用する場合には大きな問題がある。

すなわちパルス垂直磁界Ｆにより複合超電導線材１のサ
ブストレート２中には渦電流が流れて渦電流損失が生じ
、超電導素線３中には履歴損失が発生する。特に完全安
定化法に基づいて形成される複合超電導線材１のように
（サブストレート／超電導素線）比、すなわち超電導素
線に対するサブストレートの断面積比の大きな線材では
、サブストレート中の渦電流損失が大部分をしめること
になる。このため線材はその温度が上昇し液体ヘリウム
の蒸発量は増大するばかりでなく、前記完全安定化法の
条件が崩れてコイル全体が不安定な状態になるという欠
点があつた。特に渦電流損失はパルス磁界に垂直な面、
すなわち前記フラツトワイズ巻線法の場合には広い面ａ
の幅Ｗの３乗と垂直方向の厚さｔの１乗に比例し、渦電
流損失が大きくなることが理解できる。そこで上記の損
失を減少するために第３図および第４図に示すように線
材１の狭い面ｂをコイル中心線６に平行になるように巻
回す方法が考えられ、この方法をエツヂワイズ巻線法と
称する。

この場合パルス磁界Ｆは幅の狭い面ｂに垂直に作用する
ことになり、渦電流損失は面ｂの幅ｔの３乗と面ａの幅
ｗの１乗に比例し、前述のフラツトワイズ巻線法に比し
極めて少なくなる。すなわち線材のアスペクト比ｗ／ｔ
の値がＮとした場合には渦電流損失は、線材による磁界
の遮へい効果を無視した場合１／Ｎ２に減少する。また
エツヂワイズ巻線法によれば前述の完全安定化法の式に
おける冷却面の実効周囲長Ｐを長くとれるため、冷却効
果が長くなり完全安定化条件の達成が容易となることで
ある。しかしこの場合線材１の半径方向の厚みが増すた
め超電導素線３には大きな歪がかかり、断線または歪に
より超電導特性が劣化するという危険がある。

例えば線材１の断面中心線５において曲率半径Ｄ／２で
該線材１を曲げた場合、前記第１図に示すフラツトワイ
ズ巻線法の場合に超電導素線３が受ける最大歪はｔ／Ｄ
であるが、第３図に示すようにエツヂワイズ巻線法の場
合には最大歪はｗ／Ｄとなり歪が大きくなることがわか
る。本発明はこのような従来技術の欠点を解消すべくな
されたもので、その目的は完全安定化条件の達成を容易
にするとともに超電導素線に対する歪を減少させ、超電
導特性の劣化を防止することができる超電導マグネット
の巻線方法を提供するにある。本発明は少なくとも一部
に超電導素線がサブストレートに埋設された超電導部材
を有する複合超電導線材を、矩形断面の一側面をコイル
中心線と平行にして巻回する超電導マグネットの巻線方
法において、複合超電導線材をコイル中心線から半径方
向に積層するような分割構造とし、各分割された線材を
巻回しながら互の接触面をろう接し、これによつて各分
割された線材の断面中心線からの距離を少なくして歪を
減少させるようにしたものである。

、以下本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。

第５図には本発明の第１実施例、特に複合超電導線材１
の断面形状が示されている。すなわち第５図に示す例は
エツヂワイズ巻線法によつて複合超電導線材１を巻回す
る場合において、この線材１を半径方向に三分割し、三
つの複合超電導部材８によつて複合超電導線材１を形成
するようにしたものである。ここで、あるサブストレー
ト２に超電導素線３を埋設して形成したものを複合超電
導部材８と称し、この複合超電導部材８をコイル”中心
線から半径方向に積層させることにより複合超電導線材
１が形成されている。このような複合超電導線材１を巻
回する場合には第６図に示すように複合超電導部材８の
スプール９を三つど絶縁テープ４のスプール１０を用意
し、巻線用回転台１１に固定した巻枠１２に最も内側に
おいて絶縁テープ４を一層と、その外周において複合超
電導部材８を三層とを逐次巻回しながら各複合超電導部
材８の接触面をろう接すればよい。図において符号１３
はこのろう接に使用されたろう材を示し、このろう材１
３は軟ろうでも硬ろうでもよく限定するものではない。
このような巻線方向を採用することによつて複合超電導
部材８の半径方向の厚みはｗ″となり、従つて巻回時の
歪はＷ７Ｄとなる。よつて同一仕様、同一外形寸法の線
材で従来の巻線方向を採用した場合の歪ｗ／Ｄを大幅に
低減させることができる。次に第７図、第８図には本発
明の第２、第３実施例が示されているが、これら実施例
は複合超電導線材１の構成を前記複合超電導部材８の他
に安定化用金属部材や補強用金属部材に分離することに
より巻線製造を容易にし、かつ用途に応じて安定性、あ
るいは機械的強度の増大を容易に達成することができる
ようにしたものである。

完全安定化条件を満足する線材、特に大容量線材では（
サブストレート／超電導素線）比は通常１０以上から数
１０に達する。一方極細多心構成の複合超電導線材にお
いては超電導素線とサブストレートの硬さや延性の相違
から加工容易な（サブストレート／超電導素線）比は１
０以下とされている。従つて線材構成を複合超電導部材
、安定化用金属部材および補強用金属部材に分離するこ
とにより、線材製作加工を容易にかつ安全に行うことが
できる。第７図に示す第２実施例は複合超電導線材１を
二分割し、複合超電導部材８と安定化用金属部材１４と
をろう接した構造であり、特に図において安定化用金属
部材１４は銅１５とアルミニウム１６との複合構造とな
つている。なお安定化用金属部材１４はこの構成に限定
する必要はなく、超電導素線３が破壊した場合に電流が
該部材を流れ、かつその電流による発熱が小さくて放熱
が充分であるものであればよい。次に第８図に示す本発
明の第３実施例は複合超電導線材１を６分割し、複合超
電導部材８、安定化用金属部材１４および補強用金属部
材１７を交互に多層に配設した構成である。

ここで補強用金属部材１７は図においては銅１５とステ
ンレス鋼１８の複合構造とされているが、これに限定す
るものではなく超電導素線３が破壊されて電流が該部材
に流れた場合においてもその抵抗が少なく、かつ機械的
に補強できるようなものであればよい。このような第２
、第３実施例により（サブストレート／超電導素線）比
に応じて複合超電導線材１の構成を適宜選択でき、これ
によつて線材加工を容易にするとともに完全安定化条件
を容易に満足することができる。

次に本発明者による実験結果を示す。

すなわちコイルに巻いた場合の最大磁界７．５Ｔ、設計
定格電流６ＫＡの線材について、前記第１実施例による
巻線方法により巻回した場合の実験値を比較のために従
来方式のフラツトワイズ巻線法とエツヂワイズ巻線法の
それぞれについての実験値をあわせて表１に示す。この
表から明らかのように前記第１実施例による巻線方法を
使用した場合には、渦電流損失はフラツトワイズ巻線法
の１′＆５となりエツヂワイズ巻線法と同様に大幅に減
少させることができるとともに、スペーサ露出率が０．
２７５と小さくてもフラツトワイズ巻線法の０．８０の
場合と同一安定化条件を得られる。

またコイル内半径０．５ｍ，に対する最大曲げ歪を従来
のエツヂワイズ巻線法の場合の３．２％に対して１．１
％と大幅に減少させることができる。次に超電導線材に
生じる歪と臨界電流の特性の関係を第９図に示す。

図においては代表的な超電導線材として符号Ａで示すＮ
ｂＴｉＺｒの他に符号Ｂで示すＮｂ３Ｓｎの極細多心線
材についても示している。×印は破断点を示す。超電導
線材がＮｂＴｉＺｒの場合には最大歪が１．１％である
ため、臨界電流の劣化は３％程度であり殆ど問題になら
ないが、従来方式のエツヂワイズ巻線法の場合には最大
歪が３．２％であるため１０％以上の臨界電流の劣化が
あり、断線の可能性がある。更にこの実施例において複
合超電導線材１の分割数を３分割より多くとれば、臨界
電流の劣化のない歪、例えば０．４％以下にすることは
容易である。歪による臨界電流の劣化は符号Ｂで示すＮ
ｂ３Ｓｎによつて超電導線材が形成されている極細多心
線の場合には更に顕著である。

この第１実施例と同一外形寸法を持つたＮｂ３Ｓｎ極細
多心線材を使用し、コイルの線材にかかる最大磁界を１
０Ｔ１設計定格電流を５．２７ＫＡとし、複合超電導線
材を１紛割して巻回した場合、コイル内半径０．５ｒｎ
，で歪が０．２％となり臨界電流の劣化は３％程度であ
り殆ど問題にならなかつたが、従来方式の場合、特にエ
ツヂワイズ巻線法の場合では超電導線材は殆どが断線し
た。

なお、上記実施例では複合超電導線材１の断面を長方形
に示したが、これに限定する必要はなく、例えば正方形
凹凸が形成されたもの等様々なものがある。以上のよう
に本発明によれば、パルス磁界、交流磁界等時間的に変
化する磁界下ても渦電流損失が少なく、幅の広い面を冷
却できる利点のあるエツヂワイズ巻線法を採用した場合
においても、従来より欠点となつていた曲げ加工時に生
ずる歪による超電導特性の劣化や超電導素線の断線を防
止することができるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の複合超電導線材の断面図、第２図は従来
のフラツトワイズ巻コイルの断面図、第３図は従来の複
合超電導線材の断面図、第４図は従来のエツヂワイズ巻
コイルの断面図、第５図は本発明に係る超電導マグネッ
トの巻線方法を使用した複合超電導線材の第１実施例を
示す断面図、第６図は同実施例における巻線方法を示す
斜視図、第７図は複合超電導線材の第２実施例を示す断
面図、第８図は同第３実施例を示す断面図、第９図は複
合超電導線材１の歪による臨界電流劣化特性を示す説明
図である。 １・・・・・・複合超電導線材、２・・・・・・サブス
トレート、３・・・・・・超電導素線、６・・・・・・
コイル中心線、８・・・・・・複合超電導部材、１３・
・・・・・ろう材、１４・・・・・・安定化用金属部材
、１７・・・・・・補強用金属部材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 少なくとも一部に超電導素線がサブストレートに埋
   設された超電導部材を有し、断面ほぼ矩形に形成された
   複合超電導線材を、該矩形の一側面をコイル中心線と平
   行にして巻回する超電導マグネットの巻線方法において
   、複合超電導線材をコイル中心線から半径方向に積層す
   るような分割構造とし、各分割された線材を巻回しなが
   ら互の接触面をろう接することを特徴とする超電導マグ
   ネットの巻線方法。