(57)【要約】【課題】複数本の並列導体からなる超電導コイルを対象に、その循環電流を極力抑制して安定した超電導線性能が発揮できるように改良した超電導コイルを提供する。【解決手段】超電導線材をコイル素線として複数本の超電導線Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4を半径方向に重ねて円筒状巻枠１に巻装した超電導コイルであって、各超電導線を軸方向の巻回途中箇所で転位し、かつコイル両端部の巻き始め，巻き終わり端から引き出した口出線３を介して各超電導線を並列接続した構成になるものにおいて、前記超電導線Ａ1〜Ａ4の各本ごとに、その巻き始め端と巻き終わり端の位置をコイルの周方向で同一位置に合わせて巻回し、かつ各超電導線の間でその巻き始め，巻き終わりの終端位置をコイルの周方向で相対的にずらした上で、その巻き始め端，巻き終わり端に接続した口出線３-1，３-2，３-3，３-4を軸方向に引き出して並列接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導線材をコイル素線として複数本の超電導線を半径方向に重ねて円筒状巻枠に巻装した超電導コイルであり、前記超電導線の半径方向位置を巻回途中箇所で転位し、かつコイル両端部の巻き始め，巻き終わり端から引き出した口出線を介して各超電導線を並列接続した構成になるものにおいて、
前記超電導線の各本ごとに、その巻き始め端と巻き終わり端の位置をコイルの周方向で同一位置に合わせたことを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導コイルにおいて、各超電導線の間でその巻き始め，巻き終わりの終端位置をコイルの周方向で相対的にずらした上で、その巻き始め端，巻き終わり端に接続した口出線を軸方向に引き出して並列接続したことを特徴とする超電導コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超電導コイル、特に超電導変圧器や超電導リアクトルなどの誘導機器に適用される超電導コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導コイルは、高磁界発生手段として種々の分野で実用されている。一方、変圧器やリアクトルなどのような交流誘導機器への超電導コイルの適用についても、近年になり超電導導体素線の細線化による交流損失の小さな超電導線材が開発されて以来、変圧器などの交流機器への適用の研究が進み、その超電導コイルの構成に関して様々な提案がなされている。すなわち、超電導線材としてビスマス系（Ｂｉ系）の超電導線が既に実用化され、さらに次世代の超電導線として交流損失が低く、高電流密度，低コスト化が期待されているイットリウム系（Ｙ系），ホルミウム系（Ｈｏ系），ガドリニウム系（Ｇｄ系）などの酸化物超電導材を使用したテープ状の超電導線材も実用化に向け開発が進んでいることは周知の通りである。
【０００３】
一方、変圧器などの交流機器において、複数本の並列導体を使用するコイルでは一般にコイル導体の転位が行われている。これは、複数本の導体の相対位置を途中箇所で変えることによってそれぞれの導体の磁束鎖交量を平均化させて並列導体の誘起電圧差を小さく抑え、これによって各導体の電流分担を均一にするためである。
【０００４】
すなわち、複数本の導体を並列接続して巻回したコイルでは、通電電流によって発生した磁束によるそれぞれの誘起電圧の差によって並列導体に循環電流が誘起されるが、銅やアルミなどの通常の常電導導体の場合には、インピーダンスは抵抗性成分が主であるので、循環電流は通電電流に対し位相がおよそ９０°ずれたものになる。そのために、例えば３０％の循環電流が発生したとしても、導体に流れる電流は通電電流の１００％と９０°の位相差がある３０％の循環電流とのベクトル和となってその絶対値は約１０５％となるので、循環電流の大きさの割には各導体に通流する電流値の増加は小さい。
【０００５】
これに対して、コイル導体に超電導線を用いた超電導コイルは、超電導状態での超電導線の抵抗がほぼ零となるので、循環電流はほとんどインダクタンス成分によって決まる。したがって循環電流は通電電流と同相になり、仮に循環電流が３０％とすると、通電電流にこの循環電流が加算されて超電導線には１３０％の電流が流れることになる。この電流値が後記の臨界電流に達すると、超電導コイルの交流損失が増大したり偏流が増進する。
【０００６】
周知のように超電導導体には臨界温度，臨界電流，臨界磁場が存在し、超電導コイルに用いる超電導線が超電導状態を維持するためには、温度，電流，磁場が所定の臨界値以下である必要があるが、循環電流によって超電導線に臨界電流以上の電流が流れると超電導線が超電導状態から常電導状態、すなわち抵抗成分を持った通常の導体となってジュール発熱により超電導線は破損する危険性が生じる。
【０００７】
このように、複数本の超電導線を並列接続した超電導コイルでは前記の循環電流を抑制することが非常に重要であり、このために並列接続した各超電導線をコイルの途中箇所で転位し、超電導線に流れる循環電流を抑制する方式が従来から採用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
次に、コイルの途中箇所で並列導体を転位した前記超電導コイルの等価回路を図２に、またこの等価回路に対応した各超電導線の転位位置を表す模式図を図３に示す。
【０００９】
なお、図２，図３に示す超電導コイルは、コイル素線として４本の超電導線Ａ1〜Ａ4をコイルの半径方向に重ねて円筒形巻枠（不図示）に巻装し、その巻き始め，巻き終わりの両端を並列に接続した４本並列のソレノイドコイルで、その軸方向に沿ってコイルを素線数と同じ数の四つのコイルブロックＢ1〜Ｂ4に区分した上で、各コイルブロック相互間の３箇所を転位部Ｃ1，Ｃ2，Ｃ3として超電導線Ａ1〜Ａ4を次記のように転位している。すなわち、コイル上端側のブロックＢ1では内径側から超電導線がＡ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4の順に重ねて巻回されており、転位部Ｃ1で１回目の転位を行った後のコイルブロックＢ2では、超電導線の配列が内径側からＡ4，Ａ1，Ａ2，Ａ3に変わる。以下、同様にして２回目の転位部Ｃ2を経たコイルブロックＢ3では内径側からＡ3，Ａ4，Ａ1，Ａ2となりに、３回目の転位部Ｃ3を経た下端のコイルブロックＢ4では超電導線が内径側からＡ2，Ａ3，Ａ4，Ａ1の順の配列となる。
【００１０】
なお、ｎ本のコイル導体を半径方向に重ねて巻回したコイルに対して、基本的に前記した転位をｎ−１回行うことによりコイルの全域で各導体の磁束鎖交量を平均化させて循環電流の発生を抑制できることが特許文献１にも開示されている。
【００１１】
次に、上記超電導コイルの従来における構成を図４（ａ）〜（ｃ）に示す。なお、図４（ａ）は超電導コイルの側面図、（ｂ），（ｃ）はそれぞれコイル上端部，下端部における超電導線の配列位置，口出線の引き出し位置を表した平面図である。図において１は絶縁物製の円筒形巻枠、２は図２，図３で述べたように４本の超電導線Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4（例えば、Ｙ系のテープ状超電導線（幅：５mm，厚さ：０．２mm程度））を半径方向に重ねて巻枠１の外周面に形成した螺旋溝に沿って右巻方向に巻装し、かつ途中の三箇所で転位した並列巻線、３は並列巻線２の上下両端部で超電導線Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4の巻き始め端，巻き終わり端にそれぞれ接続して軸方向に引き出した口出線であり、超電導線Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4と個別に対応する口出線３-1，３-2，３-3，３-4は端子板（不図示）を介して図２の等価回路のように並列接続している。なお、図示の口出線３-1，３-2，３-3，３-4は、例えば銅材の常電導導体で作られた導体片であり、その端部に形成した凹溝に超電導線の端部を嵌合して半田接合している。
【００１２】
ここで、コイル上端部では、４本の超電導線が内径側からＡ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4の順に配列し、コイルの下端部ではコイル途中箇所で行った３回の転位により超電導線が内径側からＡ2，Ａ3，Ａ4，Ａ1の順に配列している（図２，図３参照）。また、コイルの上下両端部で各超電導線Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4の巻き始め端，巻き終わり端に接続して軸方向に引き出した口出線３-1，３-2，３-3，３-4は、図示のようにコイルの周方向で左右に相対位置をずらして並んでいる。
【００１３】
すなわち、コイル上端側（図４（ｂ）参照）では、半径方向の最内径に位置する超電導線Ａ1の巻き始め端に接続した口出線３-1がコイル（右巻）の周方向で最も右側に並び、以下半径方向の配列順に対応して超電導線Ａ2，Ａ3，Ａ4の端部に接続した口出線３-2，３-3，３-4が口出線３-1の左側に間隔を隔てて順に配列している。
【００１４】
一方、コイルの下端側（図４（ｃ）参照）では、半径方向の最外径に位置する超電導線Ａ1の巻き終わり端部に接続した口出線３-1がコイル周方向で最も右側に位置し、以下半径方向の配列順に対応して超電導線Ａ4，Ａ3，Ａ2の端部に接続した口出線３-4，３-3，３-2が口出線３-1の左側に間隔を隔てて配列している。
【００１５】
なお、上記のように各超電導線の終端部に接続した口出線３-1，３-2，３-3，３-4の引き出し位置をコイルの周方向で相対位置をずらしているのは、超電導コイルの工作，組立性のほかに、ジュール発熱の影響を小さく抑えるためである。すなわち、口出線３-1，３-2，３-3，３-4の引き出し位置をコイルの周方向で相対的にずらさずに、同じ半径方向に並べて引き出そうとすると、口出線と超電導線との充分な接続スペースが確保できなくてコイルの組立性が困難になるほか、口出線（銅材），および口出線と超電導線との半田接合部に生じるジュール発熱がこの口出線引き出し部位に集中し、このために超電導線の端部の温度が上昇して超電導特性が低下するおそれがある。図４に示したものは４並列コイルであるが、大容量化するために十数本、あるいは数十本並列としたコイルの場合はさらに口出し部の接続抵抗に起因するジュール発熱が大きくなる。また、コイルの上端部，および下端部で周方向に並ぶ口出線３-1，３-2，３-3，３-4の配列順序を図示のように各超電導線Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4の半径方向の配列順に合わせているのは、口出線と超電導線とを接続する工作性を配慮してのことである。
【特許文献１】特開平１０−１７２８２４号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、図４に示した従来構成の超電導コイルについて、並列導体に通流する循環電流を検証したところ、コイルを転位したにもかかわらず循環電流の抑制効果が期待通りに発揮されず、このままでは超電導線の温度上昇が大きくなるおそれのあることが判った。そこで、発明者は従来の超電導コイルについて再検討し、循環電流が増加する原因が次記の点にあることを見いだした。
【００１７】
すなわち、図４の超電導コイルについて、その上下両端部に着目して各超電導線Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4の巻回方向（右巻）の素線長さを検討すると、コイルの上端部（コイル巻き始め側）では最内径側に並ぶ超電導線Ａ1に接続した口出線３-1がコイルの巻回方向（周方向）で最も右側に位置し、前記超電導線Ａ1の外径側に並ぶ超電導線Ａ2，Ａ3，Ａ4の巻き始め端に接続した口出線３-2，３-3，３-4がこの順で口出線３-1の左側に間隔を隔てて並んでいる。したがって、コイル巻き始め側のコイルブロックＢ1（図２参照）について見ると、各超電導線の素線長さは超電導線Ａ1の素線長さが最も短く、これに続いてＡ2，Ａ3，Ａ4の順に長くなることが判る。一方、下端部のコイル巻き終わり側では最外径位置に転位した超電導線Ａ1の口出線３-1が最も右側に位置し、この位置から間隔を隔てて超電導線Ａ4，Ａ3，Ａ2の巻き終わり端に接続した口出線３-4，３-3，３-2がこの順で左側に間隔を隔てて並んでいる。したがって、図２におけるコイルブロックＢ4での各超電導線の素線長さはＡ1が最も長く、これに続いて内径側に配列したＡ4，Ａ3，Ａ2の順に短くなる。そのために、４本の超電導線Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4の間では巻き始め端から巻き終わり端に至るまでの素線長さが僅かながら異なり、その長さの相違に起因してコイルブロックＢ1とＢ4とでは各超電導線Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4のインダクタンス値が異なる分布を示すことになる。
【００１８】
一方、複数本の並列導体で構成した超電導コイルでは、前記のようにコイルの途中箇所で転位を適正に行っても、並列接続した超電導線Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4の個々のインダクタンス（自己インダクタンス）が整合されてないと循環電流が誘起し、その循環電流の大きさは各超電導線のインダクタンス値の違いによって決定される。
【００１９】
かかる点、図４に示した従来構成のように、コイル両端部で各超電導線Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4の巻き始め、巻き終わり側の素線長さが微妙に異なっていると、コイル全体で各超電導線のインダクタンスが不均等となるために循環電流が増加し、その結果として並列接続した超電導線の温度が上昇して超電導特性を低下させる不安定要因が大きくなる。
【００２０】
この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、複数本の並列導体からなる前記の超電導コイルを対象に、その循環電流を極力抑制して安定した超電導線性能が発揮できるように改良した超電導コイルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するために、この発明によれば、超電導線材をコイル素線として複数本の超電導線を半径方向に重ねて円筒状巻枠に巻装した超電導コイルであって、前記の各超電導線を軸方向の巻回途中箇所で転位し、かつコイル両端部の巻き始め，巻き終わり端から引き出した口出線を介して各超電導線を並列接続した構成になるものにおいて、
前記超電導線の各本ごとに、その巻き始め端と巻き終わり端の位置をコイルの周方向で同一位置に合わせるものとする（請求項１）。
【００２２】
また、その具体的な実施の態様として、前記各超電導線の間でその巻き始め，巻き終わりの終端位置をコイルの周方向で相対的にずらした上で、その巻き始め端，巻き終わり端に接続した口出線を軸方向に引き出して並列接続する（請求項２）。
【発明の効果】
【００２３】
上記構成の超電導コイルによれば、複数本の各超電導線について、その巻き始め端から巻き終わり端に至るコイル素線の長さが全て同一となり、かつこれに加えてコイルの途中箇所で超電導線を転位したことにより、並列接続した超電導線の個々についてそのインダクタンス値の各和が均等化される。これにより、循環電流を極力抑制して超電導線の過度な温度上昇を防ぐことができて超電導コイルの信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、この発明による実施の形態を図１（ａ）〜（ｃ）に示す実施例に基づいて説明する。なお、（ａ）は超電導コイルの側面図、（ｂ），（ｃ）はそれぞれコイル上端部，下端部における超電導線の配列位置，口出線の引き出し位置を表した平面図であり、図４（ａ）〜（ｃ）に対応する同一部材には同じ符号を付してその説明は省略する。なお、図１は４並列コイルを例として示しているが、他の並列数を有する超電導コイルも同様である。
【００２５】
図示実施例と図４に示した従来構成との相違点は、超電導線Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4の各本ごとに、その巻き始め端と巻き終わり端の位置をコイルの周方向で同一位置に合わせた上で、各超電導線の間でその巻き始め，巻き終わりの終端位置をコイルの周方向で相対的にずらして口出線３-1，３-2，３-3，３-4を上下軸方向に引き出して並列接続するようにしている。
【００２６】
すなわち、超電導コイルの上端部（図１（ｂ）参照）では、図４の従来構成と同様に半径方向の最内径に位置する超電導線Ａ1の巻き始め端に接続した口出線３-1がコイル（右巻）の周方向で最も右側に並び、以下半径方向の配列順に対応して超電導線Ａ2，Ａ3，Ａ4の端部に接続した口出線３-2，３-3，３-4が口出線３-1の左側に間隔を隔てて順に配列している。
【００２７】
一方、コイルの下端側では、軸方向の途中箇所での転位（図２参照）により各超電導線の配列順が内径側からＡ2，Ａ3，Ａ4，Ａ1になるが（図１（ｃ）参照）、各超電導線の巻き終わり端をそれぞれコイル上端側の口出線引き出し位置（図１（ａ）参照）と同じ周方向位置に合わせた上で、各超電導線の巻き終わり端に接続した口出線３-1，３-2，３-3，３-4を軸方向に引き出している。
【００２８】
上記構成により、並列導体の超電導コイルを構成する４本の超電導線Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4は、その巻き始め端から途中の転位箇所を経て巻き終わり端に至るコイル素線長さが全て同じ長さになる。したがって、コイルの軸方向でコイルブロックＢ1〜Ｂ4(図２参照)に分けて半径方向に転位した各超電導線Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4については、各超電導線のインダクタンスの各和が同等となり、これにより並列導体間に誘起される循環電流の増大を極力抑制し、この循環電流に伴う超電導線の温度上昇，超電導性能の低下を防ぐことができる。
【００２９】
また、図示実施例のように各超電導線Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4の巻き始め，巻き終わり端の位置をコイルの周方向で相対的にずらした上で、各超電導線に接続した口出線３-1，３-2，３-3，３-4をそれぞれ軸方向に引き出すようにしたことにより、その口出線の引き出し部に生じるジュール発熱を分散して超電導線への熱的影響を低く抑えることができるほか、超電導線に口出線を接続する組立工作についても、従来と同様な組立方法で作業を進めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の実施例による超電導コイルの構成図であり、（ａ）は側面図、（ｂ），（ｃ）はそれぞれ（ａ）におけるコイル上端部，下端部における超電導線の配列位置，口出線の引き出し位置を表した平面図
【図２】コイルの途中箇所で並列導体を転位した超電導コイルの等価回路図
【図３】図２の等価回路に対応した各超電導線の転位位置を表す模式図
【図４】従来における超電導コイルの構成図であり、（ａ）は側面図、（ｂ），（ｃ）はそれぞれ（ａ）におけるコイル上端部，下端部における超電導線の配列位置，口出線の引き出し位置を表した平面図
【符号の説明】
【００３１】
１    巻枠
２    並列導体
３    口出線
３-1〜３-4  並列導体の各超電導線と個々に対応する口出線
Ａ1〜Ａ4  超電導線
Ｂ1〜Ｂ4  コイルブロック
Ｃ1〜Ｃ3  転位箇所
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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