(57)【要約】【課題】ヘリカル転位方式を採用した超電導コイルを対象に、そのコイル導体の巻回経路の途上に形成したヘリカル転位部の転位長さを簡易な手段で均等化して循環電流を極力抑制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】４本以上の超電導素線（例えば８本）を多並列化したコイル導体１０をコイル巻枠２０に巻回した超電導コイルであり、前記コイル導体１０はコイルの半径方向ＲＡ、軸方向ＡＸにそれぞれ複数本の超電導素線を配列し（例えば４本重ねで２本並べとし）、かつその巻回経路の途上でヘリカル転位（転位部ＴＰ）を施したものにおいて、前記ヘリカル転位の各転位部ＴＰに対応して、軸方向に並べた超電導素線の相互間に転位位置決め用のスペーサ（絶縁材）３０をコイル導体１０の巻回経路に沿って等間隔に配設し、このスペーサ３０を基準に、隣接するスペーサ３０の間に跨がって超電導素線のヘリカル転位を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
４本以上の超電導素線を電気的に多並列化した集合導体になるコイル導体をコイル巻枠に巻回した超電導コイルであり、前記コイル導体はコイルの半径方向に２本以上の超電導素線を重ねるとともにコイルの軸方向にも２本以上の超電導素線を並べて配列し、かつその巻回経路の途上でヘリカル転位を施したものにおいて、
前記ヘリカル転位の各転位部に対応して、コイルの軸方向に並べた超電導素線の相互間に転位位置決め用のスペーサ部材をコイル導体の巻回経路に沿って等間隔に配設し、該スペーサ部材を基準に隣接するスペーサ部材の間でコイル導体のヘリカル転位を行う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、前記スペーサ部材は、その径方向長さがコイルの半径方向に重ねた超電導素線の重ね厚さよりも長い寸法の絶縁材料からなり、該スペーサ部材の間に跨がって、コイル導体の最外径部に並ぶ１本の超電導素線、および最内径部に並ぶ１本の超電導素線をそれぞれコイルの軸方向に隣接する位置に移動してヘリカル転位させたことを特徴とする超電導コイル。
【請求項３】
請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、コイル導体の超電導素線数と同じ回数のヘリカル転位を、コイル導体の１ターン、ないし複数ターンの周回域で行うことを特徴とする超電導コイル。
【請求項４】
請求項３に記載の超電導コイルにおいて、超電導素線の本数に対応するヘリカル転位回数をｎとして、超電導コイルを構成するコイル導体の全巻数をｎの倍数と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】
本発明は、超電導線を巻線してなる超電導変圧器、超電導リアクトル、超電導限流器、超電導電動機や超電導発電機などに適用する超電導コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば変圧器のように通流電流が交番電流である交流機器のコイルにおいて、そのコイル導体に複数本の並列導体を使用するときには、一般に並列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変えることによってそれぞれの導体を磁気的に一致させて各導体の誘起電圧差を小さくして導体の電流分担を均一にするためである。
【０００３】
すなわち、コイルに流れる負荷電流によって発生した漏れ磁束（特に、変圧器コイルはコイル両端部において漏れ磁束が大きくなる）により、並列化した各導体の誘起電圧の差により並列導体のループには循環電流が流れる。この場合に、前記誘起電圧の差を並列導体のインピーダンスで除した値が循環電流となるが、銅やアルミなどの通常の導体を用いたコイルでは、インピーダンスが抵抗値だけと見なせるので、循環電流は負荷電流に対し位相が９０°ずれたものになる。例えば３０％の循環電流が発生したとしても、1本の導体に流れる電流は負荷電流の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り、その絶対値（それぞれの電流の二乗の和の平方根）は約１０５％となることから、循環電流の割には電流値の増加は小さい。
【０００４】
これに対してコイル導体に超電導線を用いたコイルでは、超電導状態の導体抵抗がほぼ零であるので、導体のインピーダンスはほとんどインダクタンスで決まる。したがって、漏れ磁束による循環電流は負荷電流と同相になり、仮に循環電流が３０％とすると、負荷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。
【０００５】
ところで、超電導線を超電導状態に維持するためには、臨界温度，臨界電流，臨界磁場以下に保つ必要があり、前記循環電流によって超電導体に臨界電流以上の電流が流れた場合には超電導状態から常電導状態に転移し、このためにコイル導体は抵抗を持った通常の導体になってジュール発熱でコイルが損傷する可能性がある。また、常電導状態にまで至らなくても、並列導体（超電導線）に流れる電流が臨界電流を超えると、その超電導線は磁束フロー状態、すなわち僅かながら抵抗（フラックスフロー抵抗）のある状態になる。このために、超電導コイルの通電電流を増やしていく励磁過程でこの磁束フロー状態が発生すると、磁束フロー状態となった超電導線の電流は臨界電流以上には増加せず、他の臨界電流に達していない超電導線の電流だけが増加することになる。そして、この状態でしばらく励磁状態を続けると、並列導体間の電流分流比はインダクタンスのみで決定される初期（ゼロ磁場からの増磁時）の電流分流比と次第にずれて来る。すなわち、循環電流は初期値および２本以上の並列導体では、その分布まで含めて初期状態とは次第にずれて来る。
【０００６】
このような状態でコイルの最大磁界、すなわち最大電流まで到達した後に消磁を始める場合に、各超電導線に流れる電流はその時点での電流値を初期値として電流の変化率がインダクタンスのみで決まる初期状態と同じように変化していき、循環電流はその時点の値および分布を初期値として初期状態と同じ変化率で流れ始める。そして、このような励消磁を任意の同じ電流値、または異なった電流値において何度か繰り返すと、並列導体に流れる電流は超電導線間で激しく偏り、この偏流に伴う超電導コイルの交流損失増大や不安定性を増大させる可能性がある。このように、複数本の超電導線を多並列化して構成した超電導コイルでは、並列導体に流れる循環電流を抑制することが極めて重要である。
【０００７】
かかる点、超電導コイルの並列導体を構成する超電導素線の相互間で転位を行なうことにより循環電流を抑制することが可能であり、次に従来における転位法の一例を図２〜図４に示す。先ず図２において、１０は複数本の超電導素線（例えば、テープ状の酸化物超電導線）を並列化したコイル導体であり、図示例では８本の超電導素線１〜８をコイルの半径方向（矢印ＲＡ）に４本重ね、軸方向（矢印ＡＸ）に２本並べてコイル導体１０を構成している。そして、このコイル導体１０を超電導コイルとしてコイル巻枠の周面に巻回していく途中で、図示のように４本重ねで２本並べとする構成の最上部（最外径部）に並ぶ２本の超電導素線（図中の１，２）を同時に最下部（最内周部）に移動して転位させており、その超電導コイルの巻線展開図を図３に示す。図３において、２０は円筒状のコイル巻枠、１１はコイル巻枠コイル導体１０に巻回したコイル導体１０の引き出しリードであり、コイル導体１０の４ターン毎に前記した転位（図２参照）を1回行っており、その転位部をＴＰとして図中に表す。
【０００８】
なお、上記のように超電導素線の数をｎ（図示例はｎ＝８）とて、コイル導体の転位を (ｎ−１)回，あるいは（２×ｎ−１）回行って循環電流を極力抑制するようにした超電導コイルの転位方式は既に提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００９】
次に、4本の超電導素線からなるコイル導体（並列導体）に３回の転位を行った超電導コイルを例に、その超電導コイルを電源に接続した状態の等価回路を図４に示す。図４では４本の超電導素線Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４を並列接続して巻回したコイルを４つのブロックＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４に分け、各ブロック間の転位部２ａ，２ｂ，２ｃで転位（転位回数：４−１＝３回）を行なうようにしている。すなわち、ブロックＢ１において４本の超電導素線がコイル内径方向からＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の順に重ねて巻かれているとすると、転位部２ａではコイル内径側からＡ４，Ａ１，Ａ２，Ａ３の重ね順に転位し、転位部２ｂではＡ３，Ａ４，Ａ１，Ａ２の重ね順に転位し、転位部２ｃではＡ２，Ａ３，Ａ４，Ａ１の重ね順に転位している。
【００１０】
上記したコイル導体の転位により、超電導線のインピーダンスは前述のようにインダクタンス分のみであるので、超電導素線Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４のインダクタンスの各和を等しくすることによって並列導体の相互間に流れる循環電流を抑制した状態で超電導コイルに電流を流すことができるようになる。
【００１１】
なお、図４に示した超電導コイルでは、４本の超電導素線Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４を半径方向に重ねた並列導体である場合を示したが、８本の超電導素線を４本重ねで２本並べとする構成の並列導体である場合には、図２，図３のように軸方向に並ぶ２本の超電導素線を同時に転位させる。
【００１２】
一方、超電導コイルの転位方式として、並列導体に所謂ヘリカル転位方式を採用した構成の超電導コイルも提案されており（特許文献３参照）、次にこのヘリカル転位方式によるコイル導体の転位部の斜視図を図５に、このヘリカル転位による超電導素線の転位，移動を表す転位模式図を図６に、ヘリカル転位を施した超電導コイルの巻線展開図を図７，図８に示す。
【００１３】
ここで、コイル導体１０は図２と同様に８本の超電導素線１〜８を４本重ねで２本並べとする構成の並列導体で構成しており、図中における右側列の最上部（最外径部）に並ぶ１本の超電導素線２を左側列の最上部（最外径部）に移動し、左側列の最下部（最内径部）に並ぶ１本の超電導素線７を右側列の最下部（最内径部）に移動してのヘリカル転位を行うようにしている。
【００１４】
また、図６の転位模式図において、図中の白抜き矢印Ｔ１〜Ｔ８はヘリカル転位の順、実線の円弧矢印は超電導素線の移動方向を表しており、前記Ｔ１〜Ｔ８の順にしたがって４本重ねで２本並べとした構成の各超電導素線１〜８の位置が反時計回りに移動（転位）していく。なお、当然のことながら、図６に示した反時計回りの転位とは逆に、最上部（最外径）の左側列に並ぶ超電導素線２を右側に移動（転位）し、同時に最下部（最内径）の右側列に並ぶ超電導素線７を右側に移動（転位）する時計回りのヘリカル転位でも転位効果は同じである。
【００１５】
そして、図６に示したヘリカル転位（Ｔ１〜Ｔ８）を経て各超電導素線１〜８の位置が一巡して元の位置に戻ることになる。したがって、このヘリカル転位をコイル導体１０の１ターン（または２ターン以上）毎に繰り返し行うことにより、各超電導素線１〜８のインダクタンスの和がほぼ等しくなる。
【００１６】
また、図７に示した超電導コイルの巻線展開図では、コイル導体１０の１ターン毎に一巡する８回のヘリカル転位を行っているが、コイルの巻線径が小さい超電導コイルである場合、あるいは多並列化したコイル導体１０の超電導素線数が多くてそのヘリカル転位数が増大する場合など、１ターンで所要回数の転位が一巡する転位部を形成するのがスペース的に困難である場合には、図８で示すように２ターン（あるいは２ターン以上）で所要回数の転位が一巡するようにヘリカル転位を行うようにしてもよい。但し、複数ターンでヘリカル転位を一巡させるコイル導体の全巻数は前記複数ターンの倍数となる。
【００１７】
そのほか、先記した従来の転位方式では、図３に示すように各転位部ＴＰの前後で１ターン分に相応する軸方向の空白スペースＳＰを確保する必要があり、このためにコイル全体での軸方向寸法が増大して超電導コイルの高さが高くなってしまうという問題があるが、かかる点、ヘリカル転位方式では、図７，図８のように各転位部ＴＰの前後に前記した空白スペースＳＰの確保が必要ないため、コイル全体の巻線高さを縮小できるという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開平１０−１７２８２４号公報
【特許文献２】特開２０１０−１０９０４３号公報
【特許文献３】特開２０１２−１１９４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
ところで、前記したヘリカル転位方式（図５〜図８参照）を適用して超電導コイルを構成する場合には、図７，図８における各転位部ＴＰの転位長さ（コイルの周回方向の長さ）を等しくすることが前提条件となる。すなわち、各転位部ＴＰの転位長さにバラツキがあると、ヘリカル転位による循環電流の抑制効果が十分に得られず、電流の偏流発生による交流損失の増大や不安定性を招くこととなる。そのほか、コイルの各ターンに形成する転位部ＴＰの転位長さを所定の長さに等しく設定しないと、１または複数ターンで所要回数のヘリカル転位を一巡させることが困難となる。
【００２０】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的はヘリカル転位方式を採用した超電導コイルを対象に、そのヘリカル転位部の転位長さを簡易な手段で均等化して並列導体のインダクタンスの各和を極力同等とすることにより、並列導体の循環電流を極力抑制できるように改良した超電導コイルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
前記の目的を達成するために、本発明によれば、４本以上の超電導素線を電気的に多並列化した集合導体になるコイル導体をコイル巻枠に巻回した超電導コイルであり、前記コイル導体はコイルの半径方向に２本以上の超電導素線を重ねるとともにコイルの軸方向にも２本以上の超電導素線を並べて配列し、かつその巻回経路の途上でヘリカル転位を施したものにおいて、
前記ヘリカル転位の各転位部に対応して、コイルの軸方向に並べた超電導素線の相互間に転位位置決め用のスペーサ部材をコイル導体の巻回経路に沿って等間隔に配設し、該スペーサ部材を基準に隣接するスペーサ部材の間でコイル導体のヘリカル転位を行うようにし、具体的には次記のような態様でヘリカル転位を行うものとする。
（１）前記スペーサ部材は、その径方向長さがコイルの半径方向に重ねた超電導素線の重ね厚さよりも長い寸法の絶縁材料からなり、該スペーサ部材の間に跨がって、コイル導体の最外径部に並ぶ１本の超電導素線、および最内径部に並ぶ１本の超電導素線をそれぞれコイルの軸方向に隣接する位置に移動してヘリカル転位させさせるようにする。
（２）コイル導体の超電導素線数と同じ回数のヘリカル転位を、コイル導体の１ターン、ないし複数ターンの周回域で行う。
（３）前項（２）において、超電導素線の本数に対応するヘリカル転位回数をｎとして、超電導コイルを構成するコイル導体の全巻数をｎの倍数とする。
【発明の効果】
【００２２】
上記のように新たに追加付設したスペーサを基準に、複数本の超電導素線の集合導体になるコイル導体にヘリカル転位を行うことで、ヘリカル転位の各転位部における超電導素線の転位長さを均等化することができる。これにより、超電導コイルに巻回したコイル導体（複数本の超電導素線からなる並列導体）のインダクタンスの各和を極力同等として循環電流を抑制し、かつ循環電流の増大に起因するコイル導体の温度上昇を防止し、さらに従来の転位方式と比べて巻線高さを縮小できるコンパクトで安全な超電導コイルを提供することができる。
【００２３】
また、この超電導コイルにおいて、多並列のコイル導体を構成する超電導素線の本数と同じ回数のヘリカル転位を２以上の複数ターンに分けて行うことにより、巻線径が小さい超電導コイル、あるいはコイル導体の超電導素線数が多くてヘリカル転位の回数が増大した場合でも問題なく対応できる。
【００２４】
さらに、前記超電導コイルで、多並列のコイル導体を構成する超電導素線の数と同じ回数のヘリカル転位を２以上の複数ターンで行う場合に、そのヘリカル転位回数をｎとして、超電導コイルを構成するコイル導体の全巻数をｎの倍数とすることにより、損失の低い，安全性の高い大容量超電導コイルを構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例による超電導コイルの模式構成図であって、（ａ）はコイル導体のヘリカル転位部の斜視図、（ｂ）はコイル導体をコイル巻枠に巻回した状態の側視図である。
【図２】従来の転位方式を採用したコイル導体の転位部の模式斜視図である。
【図３】図２に対応する超電導コイルの巻線展開図である。
【図４】従来の転位方式を採用した超電導コイルの等価回路図である。
【図５】従来のヘリカル転位を採用したコイル導体の転位部の模式斜視図である。
【図６】図５のヘリカル転位に対応する超電導素線の移動、転位の経緯をコイル導体の断面で表した模式図である。
【図７】図６に対応する所定回数のヘリカル転位をコイル導体の各ターン毎に行った超電導コイルの巻線展開図である。
【図８】図６に対応する所定回数のヘリカル転位をコイル導体の２ターンに分けて行った超電導コイルの巻線展開図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明による超電導コイルの実施の形態を図１（ａ），（ｂ）に示す実施例に基づいて説明する。
【００２７】
すなわち、超電導コイルを構成するコイル導体（多並列導体）の超電導素線の本数、およびそのヘリカル転位法は基本的に図５〜図８に示した従来のヘリカル転位方式と同様に、８本の超電導素線１〜８をコイルの半径方向に４本重ね、コイルの軸方向に２本並べて多並列化したコイル導体１０をコイル巻枠２０の周面に巻回して超電導コイルを構成しているが、この実施例ではコイル導体１０の各ヘリカル転位部ＴＰに対応して、コイルの軸方向に２本並べた超電導素線の間には転位位置決め用のスペーサ３０を図示のようにコイル導体１０の巻回経路に沿って等間隔に追加配設し、該スペーサ３０を基準に隣接するスペーサ３０の間で次記のようにヘリカル転位を行うようにしている。
【００２８】
ここで、前記スペーサ３０は、その径方向長さが左右２列に並べて半径方向に４本ずつ重ねた超電導素線の重ね厚さよりも長い寸法の絶縁材料からなる。そして、コイル導体１０の経路に沿って等間隔に並ぶ各スペーサ３０の間に跨がって、右側列の最上部（最外径部）に並ぶ１本の超電導素線（図中の超電導素線２）を左側列の最上部（最外径部）に移動し、左側列の最下部（最内径部）に並ぶ１本の超電導素線（図中の超電導素線７）を右側列の最下部（最内径部）に移動してヘリカル転位を行っており、このヘリカル転位を図６と同様な経緯で順に行うことにより各超電導素線１〜８のヘリカル転位が一巡する。
【００２９】
したがって、上記の構成でスペーサ３０の長さ、およびその配列ピッチを適度に設定することにより、各ヘリカル転位部ＴＰの転位長さを均等化して、コイル導体１０の多並列導体（超電導素線１〜８）間のループに流れる循環電流を効果的に抑制することができる。
【００３０】
なお、超電導コイルの巻線内径が小さい、あるいはコイル導体の超電導素線数が多くなって各超電導素線の転位が一巡するヘリカル転位回数（図６参照）をコイルの１ターン内で行うことがスペース的に困難となる場合でも、スペーサ３０の長さ、およびその配列ピッチの設定を変更することにより、図８と同様に所定回数のヘリカル転位を２以上の複数ターンに分けて行うことができる。
【００３１】
なお、コイル導体の複数ターンで所定回数のヘリカル転位を一巡させるようにするには、超電導素線の本数に対応するヘリカル転位回数をｎとして、コイル導体の全巻数をｎの倍数に設定して超電導コイルを構成する。
【符号の説明】
【００３２】
１〜８：超電導素線
１０：コイル導体
１１：引き出しリード
２０：コイル巻枠
３０：スペーサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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