(57)【要約】【課題】超電導コイルのコイル特性が劣化することを防止し、超電導コイルの安定性の向上を図った超電導コイルを提供する。【解決手段】超電導コイル１０Ａは、超電導線材を巻き回して、円弧部とこの円弧部につながる直線部とからなるレーストラック形状の直線部を膨らませて形成された超電導コイルであり、直線部に相当する直線相当部の半分の長さをａ、超電導線材が巻き回されている巻線部における円弧部の内半径をｂ、内半径ｂに対する直線相当部の膨らみ箇所における膨らみ長さの割合をｘ、直線相当部の膨らみ箇所における曲率半径をＲとした場合に、Ｒ＝｛ａ２＋（ｘ２＋２ｘ）ｂ２｝／２ｘｂを満足する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導線材を巻き回して、円弧部とこの円弧部につながる直線部とからなるレーストラック形状の前記直線部の代わりに前記直線部を膨らませた直線相当部が前記円弧部とつなげられた超電導コイルであり、
前記直線相当部の半分の長さをａ、前記超電導線材が巻き回されている巻線部での前記円弧部の内半径をｂ、前記円弧部の内半径ｂに対する前記直線相当部の膨らみ箇所における膨らみ長さの割合をｘとする場合、前記直線相当部の膨らみ箇所の曲率半径Ｒは、下記式（１）
Ｒ＝｛ａ２＋（ｘ２＋２ｘ）ｂ２｝／２ｘｂ  …（１）
を満足することを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
前記直線相当部の膨らみの割合ｘは、０．２以下の正数であることを特徴とする請求項１記載の超電導コイル。
【請求項３】
前記巻線部の内周側に一定厚さの巻枠を設けることを特徴とする請求項１または２記載の超電導コイル。
【請求項４】
前記巻枠と前記巻線部との境界面に離形処理を施した離形部を設けることを特徴とする請求項３記載の超電導コイル。
【請求項５】
前記巻線部の内部に離形処理を施した離形部を設けることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の超電導コイル。
【請求項６】
前記巻線部の内周側に口出し電極を設けることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の超電導コイル。
【請求項７】
コイル電極に平面部を設けることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の超電導コイル。
【請求項８】
前記口出し電極は、前記平面部に接続されることを特徴とする請求項７記載の超電導コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導テープ線等の薄膜超電導線材を巻き回してなる超電導コイルにおいて、風力用発電機などの回転機においては、いわゆるレーストラック形状の超電導コイルが用いられる。レーストラック形状の超電導コイルは、一般的に円弧部とこの円弧部とつながる直線部で構成される。
【０００３】
レーストラック形状の超電導コイルを形成する場合、巻線作業時において、円弧部では、超電導テープ線を巻枠に押し付ける力が作用する一方、直線部ではその力が作用しないため、緩んでしまい、巻線数が増加するにつれて座屈して超電導テープ線の超電導特性が低下するという課題があった。
【０００４】
上記課題を解決するため、例えば、特許文献１に記載されるように、直線部に相当する箇所の巻枠を外側に膨らませることによって緩みの防止を図った超電導コイルが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−９１２９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、レーストラック形状の超電導コイルを形成する場合において、単純に直線部に相当する箇所の巻枠を外側に膨らませた形状にしただけでは、超電導テープ線の緩みは防止できるとしても、円弧部と膨らませた箇所との接続箇所に段差が生じてしまうために、巻線時に薄膜超電導線材がダメージを受けてしまう可能性がある。
【０００７】
従って、単純に直線部に相当する箇所の巻枠を外側に膨らませた形状にするだけの超電導コイルには、薄膜超電導線材へのダメージは超電導コイルのコイル特性の劣化につながり好ましくないという点で課題がある。
【０００８】
また、特許文献１に記載されるような巻芯の厚さが異なる超電導コイルでは、冷却時に超電導コイルに発生する熱応力が増加してしまう。熱応力の増加は超電導コイルのコイル特性の劣化につながり好ましくないという点で課題がある。
【０００９】
本発明は、上述した課題を考慮してなされたものであり、超電導コイルのコイル特性が劣化することを防止し、超電導コイルの安定性の向上を図った超電導コイルを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施形態に係る超電導コイルは、上述した課題を解決するため、超電導線材を巻き回して、円弧部とこの円弧部につながる直線部とからなるレーストラック形状の前記直線部の代わりに前記直線部を膨らませた直線相当部が前記円弧部とつなげられた超電導コイルであり、前記直線相当部の半分の長さをａ、前記超電導線材が巻き回されている巻線部での前記円弧部の内半径をｂ、前記円弧部の内半径ｂに対する前記直線相当部の膨らみ箇所における膨らみ長さの割合をｘとする場合、前記直線相当部の膨らみ箇所の曲率半径Ｒは、Ｒ＝｛ａ２＋（ｘ２＋２ｘ）ｂ２｝／２ｘｂを満足することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、超電導コイルのコイル特性が劣化することを防止し、超電導コイルの安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超電導コイルの構造を示す概略図。
【図２】本発明の実施例１〜３に係る超電導コイルの寸法および中心磁場を比較例に係る超電導コイルの寸法および中心磁場と比較して説明する説明図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る超電導コイルの構造を示す概略図。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る超電導コイルの構造を示す概略図。
【図５】本発明の実施形態に係る超電導コイルに口出し電極を接続した状態を示す概略図であり、（Ａ）が本発明の第１の実施形態に係る超電導コイルに口出し電極を接続した状態を示す概略図、（Ｂ）が本発明の第３の実施形態に係る超電導コイルに口出し電極を接続した状態を示す概略図。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る超電導コイルの構造を示す概略図であり、（Ａ）が平面図、（Ｂ）が正面図。
【図７】比較例に係る超電導コイルの構造を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係る超電導コイルについて、添付の図面を参照して説明する。
【００１４】
[第１の実施形態]
図１は、本発明の第１の実施形態の超電導コイルの一例である超電導コイル１０Ａの構造を示す概略図である。
【００１５】
超電導コイル１０Ａは、一般的なレーストラックコイルに対して、直線部を膨らませた直線相当部と円弧部とが滑らかにつながれた形状をもつ超電導コイルであり、一定の厚さの巻枠１１に超電導テープ線（薄膜超電導線材）を巻き回して形成される巻線部１３にコイル電極１２が取り付けられて構成される。
【００１６】
なお、図１に示される超電導コイル１０Ａの寸法および形状を表す符号ａ、ｂ、ｄ、Ｒ、およびＲｂは、それぞれ、長軸寸法（直線部）の半分の長さ、内半径、直線相当部の膨らみ箇所における膨らみ長さ、直線相当部の膨らみ箇所の曲率半径、および円弧部の曲率半径である。
【００１７】
ここで、直線相当部の膨らみの割合（＝ｄ／ｂ）をｘとした場合に、円弧部と膨らみを設けた直線相当部とが滑らかにつながるためには、下記式（１）を満たすように直線相当部の膨らみの曲率半径Ｒを設定することが必要である。
［数１］
Ｒ＝｛ａ２＋（ｘ２＋２ｘ）ｂ２｝／２ｘｂ  …（１）
【００１８】
超電導コイル１０Ａは、ａ，ｂ，ｘ（＝ｄ／ｂ）が上記式（１）を満たしており、円弧部と直線相当部とが滑らかにつなげられている。
【００１９】
このように、円弧部と直線相当部とが滑らかにつなげられている超電導コイル１０Ａでは、円弧部と直線相当部との接続箇所に段差が生じないので、巻線時に当該段差による薄膜超電導線材損傷のリスクが低減される。
【００２０】
また、巻枠１１の厚さが一定である超電導コイル１０Ａでは、巻枠の厚さにバラツキがないため、巻枠の厚さが異なる場合に厚さが大きい箇所ほど冷却時に発生する熱応力が大きくなる傾向が抑制される。すなわち、冷却時における熱応力の増加が抑えられる。
【００２１】
続いて、超電導コイル１０Ａの直線相当部の膨らみ箇所における膨らみ長さｄの設定範囲について説明する。
【００２２】
直線部に膨らみを設けたレーストラック形状の超電導コイルでは、直線部に膨らみを設けていない一般的なレーストラックコイルと比較すると、中心磁場が減少してしまう。そこで、本願発明者は、前記式（１）を満たす超電導コイルのｄを変化させて、コイルの緩みを防止する効果を維持しつつも中心磁場の減少の影響がほとんどない範囲を知見した。ここで、中心磁場の減少の影響がほとんどないとは、超電導コイル１００（図７）によって形成される中心磁場に対して中心磁場の減少分が１％以下であることとする。
【００２３】
図２は、本発明の実施例（実施例１〜３）に係る超電導コイル（超電導コイル１０Ａ：図１）の寸法および中心磁場を比較例に係る超電導コイル（超電導コイル１００：図７）の寸法および中心磁場と比較して説明する説明図である。
【００２４】
実施例１〜３および比較例に係る超電導コイルの寸法は、図２に示されるように、直線相当部の膨らみ箇所における膨らみ長さｄ（直線相当部の膨らみの割合ｘ）に関係する寸法以外は共通である。すなわち、長軸寸法の半分の長さａおよび内半径ｂが、それぞれ、ａ＝７０ｍｍ，ｂ＝５０ｍｍ（円弧部の曲率半径Ｒｂ＝５０ｍｍ）である。なお、実施例１〜３および比較例に係る超電導コイルのいずれも、巻枠１１の厚さは４ｍｍ（一定値）としている。
【００２５】
直線相当部の膨らみ箇所における膨らみ長さｄについては、実施例１がｄ＝２．５ｍｍ、実施例２がｄ＝５ｍｍ、実施例３がｄ＝１０ｍｍ、比較例がｄ＝０ｍｍである。また、実施例１〜３に係る超電導コイル（超電導コイル１０Ａ）について、直線相当部の膨らみ箇所の曲率半径Ｒは、実施例１がＲ＝１０３１．２５ｍｍ、実施例２がＲ＝５４２．５０ｍｍ、実施例３がＲ＝３００．００ｍｍである。
【００２６】
直線相当部の膨らみの割合ｘが２０％以下に設定されている実施例１〜３に係る超電導コイルは、比較例に係る超電導コイル（超電導コイル１００）によって形成される中心磁場を１００（相対値）とした場合、実施例１では９９．９（相対値）、実施例２では９９．７（相対値）、実施例３では９９．１（相対値）であり、中心磁場の減少分が１％以下に抑えられていることが確認された。また、実施例１〜３のいずれの超電導コイルについても、直線相当部においてコイルの緩みは発生していないことが確認された。
【００２７】
従って、超電導コイル１０Ａの直線相当部の膨らみの割合ｘを０．２以下に設定すれば、コイルの緩みを防止する効果を維持しつつも中心磁場の減少を最小限（１％以下）に抑えることができる。
【００２８】
超電導コイル１０Ａによれば、円弧部と直線部を膨らませた直線相当部とを滑らかにつなげることができるので、円弧部と直線相当部との接続箇所に段差が生じることがなく、巻線時における薄膜超電導線材へのダメージを回避できるので、コイル特性が劣化することを防止し、安定性を向上させることができる。
【００２９】
また、超電導コイル１０Ａによれば、巻枠１１の厚さを一定とすることによって、冷却時の熱応力の増加を抑えることができるので、コイル特性が劣化することを防止し、安定性を向上させることができる。
【００３０】
さらに、超電導コイル１０Ａによれば、直線相当部における膨らみの割合ｘを２０％以下に抑えることで、コイルの緩みを防止する効果を維持しつつも中心磁場の減少を最小限（１％以下）に抑えることができるので、磁場を発生させるために必要な線材量の増加を回避できる。
【００３１】
[第２の実施形態]
図３は、本発明の第２の実施形態の超電導コイルの一例である超電導コイル１０Ｂの構造を示す概略図である。
【００３２】
超電導コイル１０Ｂは、超電導コイル１０Ａに対して、さらに、離形部１４が設けられている点で相違するが、その他の点では実質的に相違しない。そこで、本実施形態の説明では、上記相違点を中心に説明し、超電導コイル１０Ａと同一の構成要素には同一の符号を付して、説明を省略する。
【００３３】
超電導コイル１０Ｂには、超電導コイル１０Ａに対して、さらに、巻枠１１と巻線部１３との境界面および内側巻線部１３ａと外側巻線部１３ｂとの境界面（以下、巻線部１３の内部と称する。）に離形処理を施した離形部１４が設けられている。超電導コイル１０Ｂでは、離形部１４を設けることによって、巻線部１３に発生する熱応力を低減させることができる。
【００３４】
離形処理の方法は、例えば、フッ素系樹脂、パラフィン、グリース、およびシリコンオイルから選択される少なくとも１種類以上の材料（離形材）を塗布することで行う。
【００３５】
なお、図３に示される超電導コイル１０Ｂでは、巻枠１１と巻線部１３との境界面および巻線部１３の内部に離形部１４が設けられているが、必ずしも巻枠１１と巻線部１３との境界面および巻線部１３の内部の両方に離形部１４を設ける必要はなく、これらの一方にだけ離形部１４を設けても良い。
【００３６】
このように構成される超電導コイル１０Ｂによれば、巻枠１１と巻線部１３との境界面および巻線部１３の内部の少なくとも一方に離形部１４が設けられているため、超電導コイル１０Ａが奏する効果に加え、さらに、冷却時に巻線部１３に発生する熱応力を低減させることができる。従って、超電導コイル１０Ｂでは、従来よりもコイル特性の劣化を防ぐことができ、コイルの安定性を向上させることができる。
【００３７】
超電導コイル１０Ｂにおいて、巻枠１１と巻線部１３との境界面および巻線部１３の内部の両方に離形部１４を設けた場合には、巻枠１１と巻線部１３との境界面および巻線部１３の内部の何れか一方に離形部１４を設けた場合よりも、冷却時に巻線部１３に発生する熱応力の低減効果をさらに高めることができる。
【００３８】
[第３の実施形態]
図４は、本発明の第３の実施形態の超電導コイルの一例である超電導コイル１０Ｃの構造を示す概略図である。
【００３９】
超電導コイル１０Ｃは、超電導コイル１０Ａに対して、コイル電極１２の代わりにコイル電極１２に平面部１５を設けたコイル電極１６が設けられる点で相違するが、その他の点では実質的に相違しない。そこで、本実施形態の説明では、上記相違点を中心に説明し、超電導コイル１０Ａと同一の構成要素には同一の符号を付して、説明を省略する。
【００４０】
超電導コイル１０Ｃは、超電導コイル１０Ａのコイル電極１２の代わりにコイル電極１６が設けられる。コイル電極１６は、コイル電極１２に平面部１５を設けて構成される。平面部１５は、例えば、コイル電極１６のコイル周方向における中央付近に設けられる。
【００４１】
図５は、超電導コイル１０Ａ，１０Ｃに口出し電極１９を接続した状態を示す概略図であり、図５（Ａ）が超電導コイル１０Ａに口出し電極１９を接続した状態を示す概略図、図（Ｂ）が超電導コイル１０Ｃに口出し電極１９を接続した状態を示す概略図である。
【００４２】
超電導コイル１０Ｃは、平面部１５を有するコイル電極１６を取り付けることで、コイル電極１２を取り付ける場合と比較して、接合部１８の体積を小さく抑えられる。すなわち、口出し電極１９を接続する際に必要となるハンダの量をより少量に抑えられる。
【００４３】
このように構成される超電導コイル１０Ｃでは、コイル電極１６が平面部１５を有することで、口出し電極１９を接続する際に必要となるハンダの量がコイル電極１２の場合と比べて、より少量に抑えることができるので、コイル電極１６と口出し電極１９との間の接続抵抗をコイル電極１２と口出し電極１９との間の接続抵抗よりも小さくすることができる。
【００４４】
従って、超電導コイル１０Ｃによれば、超電導コイル１０Ａが奏する効果に加え、例えば、超電導コイル１０Ａ，１０Ｂなどの平面部１５をもたないコイル電極１２を取り付けた超電導コイルよりもさらにコイルの安定性を向上させることができる。
【００４５】
[第４の実施形態]
図６は、本発明の第４の実施形態の超電導コイルの一例である超電導コイル１０Ｄの構造を示す概略図であり、図６（Ａ）が超電導コイル１０Ｄの平面図、図６（Ｂ）が超電導コイル１０Ｄの正面図である。
【００４６】
超電導コイル１０Ｄは、超電導コイル１０Ｃの巻線部１３を二層とした巻線部１３−１，１３−２を備える２積層コイルである点と、巻線部１３−１，１３−２に接続されるコイル電極１６−１，１６−２の平面部１５にそれぞれ口出し電極１９−１，１９−２が接続される点において、超電導コイル１０Ｃと相違するが、その他の点では実質的に相違しない。そこで、本実施形態の説明では、上記相違点を中心に説明し、超電導コイル１０Ｃと同一の構成要素には同一の符号を付して、説明を省略する。
【００４７】
超電導コイル１０Ｄは、レーストラック状に巻き回して形成される巻線部１３−１と、巻線部１３−２とを備える２積層コイルである。
【００４８】
また、超電導コイル１０Ｄでは、巻線部１３−１と接続されるコイル電極１６−１および巻線部１３−２と接続されるコイル電極１６−２が内周側に取り付けられており、コイル電極１６−１，１６−２の各平面部１５に、それぞれ、口出し電極１９−１，１９−２が取り付けられる。
【００４９】
このように構成される超電導コイル１０Ｄでは、口出し電極１９−１，１９−２がコイルの内周側に取り付けられるため、巻線部１３−１，１３−２に直接熱応力が加わることがない。また、超電導コイル１０Ｄでは、平面部１５を有するコイル電極１６−１，１６−２を取り付けているため、超電導コイル１０Ｃと同様に口出し電極１９−１，１９−２を接続する際に必要となるハンダの量がより少量に抑えられる。
【００５０】
従って、超電導コイル１０Ｄによれば、超電導コイル１０Ｃが奏する効果に加え、口出し電極１９−１，１９−２を接続する際の影響を低減することができるので、コイル特性の劣化を防ぐことができ、コイルの安定性を向上させることができる。
【００５１】
以上、超電導コイル１０Ａ〜１０Ｄによれば、円弧部と直線部を膨らませた直線相当部とを滑らかにつなげることができるので、円弧部と直線相当部との接続箇所に段差が生じることがなく、巻線時における薄膜超電導線材へのダメージを回避できるので、コイル特性が劣化することを防止し、安定性を向上させることができる。
【００５２】
また、超電導コイル１０Ａ〜１０Ｄによれば、巻枠１１の厚さを一定とすることによって、冷却時の熱応力の増加を抑えることができるので、コイル特性が劣化することを防止し、安定性を向上させることができる。
【００５３】
さらに、超電導コイル１０Ａ〜１０Ｄによれば、直線相当部における膨らみの割合ｘを２０％以下に抑えることで、コイルの緩みを防止する効果を維持しつつも中心磁場の減少を最小限（１％以下）に抑えることができるので、磁場を発生させるために必要な線材量の増加を回避できる。
【００５４】
なお、本明細書において、幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではない。すなわち、実施段階では、上述した実施例以外にも様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、追加、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５５】
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ…超電導コイル、１１…巻枠、１２…コイル電極、１３，１３−１，１３−２…巻線部、１３ａ…内側巻線部、１３ｂ…外側巻線部、１４…離形部、１５…平面部、１６，１６−１，１６−２…コイル電極、１８…接合部（ハンダ）、１９，１９−１，１９−２…口出し電極、１００…超電導コイル（比較例）。
【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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