(57)【要約】【課題】  並列化超電導導体を用いて交流損失の抑制を可能とし、かつコイルの電流容量の増大を図り、さらに、励磁突入時や突発的な短絡事故時等における過電流による導体の焼損を防止し、安全な大容量の超電導コイルを提供する。【解決手段】  複数本の超電導素線４０をコイル軸方向に並列配置してなる二次並列導体５０を、複数層並列に積層してなる三次並列導体６０を超電導導体ユニットとし、この超電導導体ユニットとしての三次並列導体６０を、巻枠５５の外周面上に巻回してなるものとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の超電導素線をコイル軸方向に並列配置してなる二次並列導体をユニットとし、この二次並列導体ユニットを複数層並列に積層してなる三次並列導体を単層もしくは複数層巻回してなる超電導コイルであって、前記超電導コイルの構造もしくは配置上、超電導コイルによって生ずる磁場分布によって前記二次並列導体ユニットの各超電導素線間に作用する垂直鎖交磁束が、互いに打ち消すように作用する部分を、少なくとも一部に有してなるコイル構成を備えることを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
複数本の超電導素線をコイル軸方向に並列配置してなる二次並列導体を、単層もしくは複数層巻回してなる超電導コイルであって、前記超電導コイルの構造もしくは配置上、超電導コイルによって生ずる磁場分布によって前記二次並列導体の各超電導素線間に作用する垂直鎖交磁束が、互いに打ち消すように作用する部分を、少なくとも一部に有してなるコイル構成を備える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、前記超電導素線は、基板面上に形成した超電導層を、複数の超電導導体に電気的に分離して並列化してなるものとすることを特徴とする超電導コイル。
【請求項４】
請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、前記超電導素線は、基板面上に、電気絶縁層の機能を有する中間層、超電導層を積層し、かつ前記超電導層を電気的に分離して並列化してなるものとすることを特徴とする超電導コイル。
【請求項５】
請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、前記超電導素線は、基板面上に、電気絶縁層の機能を有する中間層、超電導層および金属層を積層し、かつ前記超電導層および金属層を電気的に分離して並列化してなるものとすることを特徴とする超電導コイル。
【請求項６】
請求項１に記載の超電導コイルにおいて、前記二次並列導体ユニットを複数層並列に積層してなる三次並列導体を巻回する際に、前記各層の二次並列導体ユニットを転位してなることを特徴とする超電導コイル。
【請求項７】
請求項１に記載の超電導コイルにおいて、前記三次並列導体における複数本の超電導素線の内、少なくとも１本の超電導素線は、常電導導体材料からなる常電導素線に置き換えてなることを特徴とする超電導コイル。
【請求項８】
請求項７に記載の超電導コイルにおいて、前記三次並列導体における複数層の二次並列導体の内、最外層の二次並列導体は、常電導素線からなる二次並列導体に置き換え、この常電導素線からなる最外層は、転位しない構成とすることを特徴とする超電導コイル。
【請求項９】
請求項７に記載の超電導コイルにおいて、前記三次並列導体における複数層の二次並列導体の内、最外層の二次並列導体は、常電導材料もしくは高強度の絶縁材料からなる電磁力支持部材に置き換えてなる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、通電電流が高速で変動する電気機器、例えばエネルギー貯蔵，磁場応用，変圧器，リアクトル，限流器，モータ，発電機等に用い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、前記変圧器やリアクトルなどのような交流機器への超電導コイルの適用は、超電導導体が交流によって損失を発生するという現象があることから、その実用化は、あまり進んでいない。
【０００３】
しかしながら、近年、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が開発されて以来、変圧器などの交流機器への適用研究が進展し、その超電導コイルの構成に関しても、種々の提案が行われている。
【０００４】
この場合の超電導導体としては、液体ヘリウムの蒸発温度である4Ｋの極低温で超電導状態を維持する金属超電導体を使用した超電導線が、実用的な超電導材料として、主に使用されるが、最近では、酸化物超電導体を適用した超電導コイルの開発も進められている。この酸化物超電導体は、高温超電導体とも呼ばれており、この高温超電導体を使用した場合には、金属超電導体を使用した場合に比べて運転コストが低い利点がある。
【０００５】
ところで、通電電流が高速で変動する、例えば変圧器のような交流機器において、複数の導体を並列に使用するときには、導体の転位が行われる。これは、複数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誘起電圧の差を小さくし、これによってそれぞれの導体の電流分担を均一にするためである。
【０００６】
通電電流によって発生した磁束によるそれぞれの並列導体の誘起電圧の差によって、循環電流が誘起されるが、銅やアルミなどの通常の導体の場合には、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、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、通電電流の１００％とこれに９０°の位相差のある３０％の循環電流とのベクトル和となって、その絶対値はそれぞれの二乗の和の平方根になることから、約１０５％となり、循環電流の割には電流値の増加は小さい。
【０００７】
一方、導体として超電導線を用いた場合、超電導状態では抵抗はほぼ零であるので、循環電流をきめるインピーダンスはほとんどインダクタンスで決まる。従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、後に詳述する臨界電流に達すると、交流損失が増大したり、偏流が増進する。
【０００８】
また、超電導コイルの巻線に用いられる超電導導体（または超電導線）には、臨界温度，臨界電流，臨界磁場が存在する。即ち、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。
【０００９】
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た場合には、超電導状態から常電導状態、すなわち抵抗を持った通常の導体になり、ジュール発熱により超電導線は破損する可能性が生じる。
【００１０】
このように、超電導線を用いたコイルでは、循環電流を抑制することは非常に重要である。そのために、前述のように転位を行い、循環電流を抑制することが行われている。なお、酸化物超電導線の場合には、合金超電導体に比べて曲げの力に弱い性質を持っており、性能を発揮するための許容曲げ半径が存在する。従って、並列本数が多いほど、すなわち転位部が多いほど不安定箇所が多くなるので、転位作業には細心の注意を要する。
【００１１】
循環電流を抑制しつつ不安定箇所としての転位部を少なくし、転位作業を簡単にして低コスト化を図ることを目的とした超電導コイルの構成は、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に記載された発明の骨子は、下記のとおりである。即ち、「複数の超電導線を並列化し巻回してなる超電導コイルにおいて、巻線端部のみで転位を行なう構成とすること、加えてコイルの層数を、並列化している超電導線の並列本数の４倍（本数×４倍）の整数倍とすることで、転位部を少なくし、循環電流を抑制しつつ不安定部を少なくし得る。その結果、転位のための作業，時間が短縮されて安価となるだけでなく、少ない不安定部で循環電流を抑制できることから、高速の励磁，消磁を安定に行なうことが可能になるという利点も得られる。」ことにある。
【００１２】
図７は、特許文献１の図１に記載された超電導コイルの転位構成の一例を示す。図７においては、例えば、コイルの半径方向に３本重ねた超電導線３ａを、巻枠１ａから巻枠１ｂの方向に巻回して形成するに当たり、超電導線３ａが巻枠１ａ側の巻線の始まりではコイル内径方向から、例えば、図示しない（Ａ１，Ａ２，Ａ３）の順に重ねて巻かれているとして、巻線端部の転位部２ｂにおいて、まず（Ａ３）を次のターンに曲げ、同様に（Ａ２，Ａ１）と転位作業を行なうことで、巻枠１ｂ側の巻線の終わりでは、例えば（Ａ３，Ａ２，Ａ１）の順にする。上記により、特許文献１の図４に記載された従来の転位構成に比較して、転位部や巻線の曲げ数が少なくなるので、作業が著しく簡単になる。
【００１３】
なお、前記の「コイルの層数を、並列化している超電導線の並列本数の４倍（本数×４倍）の整数倍とする」構成例については、ここでは説明を省略する（詳細は、特許文献１参照）。
【００１４】
上記特許文献１に記載のような転位構成を採用することにより、導体を構成している超電導線のインダクタンスの均一化および電流分担の均一化を図ることができる。これにより、超電導線の並列本数を増加させることで電流容量を増大でき、かつ、並列本数増加による付加的な損失をなくすことができる。
【００１５】
次に、前記酸化物超電導材料（高温超電導線材）の従来技術について述べる。高温超電導線材の量産性の高い好ましい製造方法として、例えば、フレキシブルなテープ基板上に、酸化物超電導材料を膜状に形成する方法が考えられ、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法等の気相法を用いた製造方法の開発が進められている。上記のような、テープ基板上に酸化物超電導膜が形成された構造を有する高温超電導線材は、最外層に超電導膜が露出し、露出した側の表面は何ら安定化処理が施されていない。そのため、このような高温超電導線材に比較的大きな電流を流した場合に、局所的な熱発生のため、超電導膜が局所的に超電導状態から常電導状態へ転移し、電流輸送が不安定になるという問題があった。
【００１６】
前記問題点を解決し、高い臨界電流値を有し、安定した電流輸送を行なうことができる、ならびに、長期間の保存によってもその安定性が低下しない酸化物超電導導体およびその製造方法を提供することを目的として、特許文献２には、下記のような構成を備えたテープ状の超電導線が開示されている。
【００１７】
即ち、「フレキシブルなテープ基板とテープ基板上に形成された中間層と、中間層上に形成された酸化物超電導膜と、酸化物超電導膜上に形成された、厚さが０．５μｍ以上の金または銀からなる膜（常電導の金属層）とを備える超電導線」である。特許文献２に記載された実施例の一例としては、「基板としてのハステロイテープの上に、中間層としてイットリア安定化ジルコニア層もしくは酸化マグネシウム層が設けられ、この上にＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導膜が形成され、さらにこの上に金または銀からなるコーティング膜が形成される。」
しかしながら、上記特許文献２に記載されたような量産性が高いテープ状の超電導線材を交流機器に用いた場合、超電導線材に発生する交流損失は、偏平なテープの形状異方性により、テープの偏平な面に垂直に作用する垂直磁界中の交流損失が支配的となり、交流損失が増大する問題がある。また、転位構成に関しても難があり、これ等の問題を解消するため、本願発明の一部の発明者等は、国際出願（PCT/JP2004/009965）により、以下のような超電導線材および同線材を用いた超電導コイルを開示している。
【００１８】
図６は、前記国際出願において図１として開示された超電導線材である。即ち、前記国際出願は、「交流損失の抑制が可能な超電導線材を提供し、さらにこの超電導線材を用いた超電導コイルは、転位なしの簡便な構成により線材に対する垂直磁界による鎖交磁束がキャンセル可能な構成で、かつ、垂直磁界による線材内循環電流を抑制して電流分流を均一化でき、これにより低損失の超電導コイルを提供すること」を目的とし、図６に示すように、「基板３１面上に超電導薄膜を形成してテープ状にしてなる超電導線材において、少なくとも超電導層３３としての超電導薄膜部に、スリット３５を加工し、断面が矩形状の複数の超電導薄膜部に電気的に分離して並列化した並列導体、即ち、複数の要素導体を並列化した並列導体としてなるものとし、また、前記超電導線材を巻回してなる超電導コイルとしては、超電導コイルの構造もしくは配置上、超電導コイルによって生ずる磁場分布によって前記並列導体の各導体要素３０間に作用する垂直鎖交磁束が、互いに打ち消すように作用する部分を、少なくとも一部に有してなる、転位なしの簡便なコイル構成」を開示する。
【００１９】
なお、図６において、部番３０は、分割された金属層および超電導層からなる導体要素を示し、３２は中間層、３４は金属層、３５は分割溝としてのスリット、３６は電気絶縁性材料を示す。図６（ａ）に示す分割前の超電導導体は、例えば、基板３１としてのハステロイテープの上に、電気絶縁層の機能を有する中間層３２を設け、この上に超電導層３３としてＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導膜を形成し、さらにこの上に、常電導の金属層３４として、例えば金または銀からなるコーティング膜を形成したものを用いる。また、前記中間層３２としては、ガドリニウムジルコニウム酸化物（Gd2Zr2O7）層上に酸化セリウム(CeO2)層を形成した２層構造を用いる。なお、前記金属層３４は設けなくともよい。
【００２０】
上記超電導導体を、図６（ｂ）に示すように、超電導導体の長手方向にスリット加工し、図６（ｃ）に示すように、スリット加工して形成された溝の中および導体の周囲全体にわたって、エポキシ樹脂，エナメルなどの可とう性をもつ電気絶縁性材料３６を充填して並列導体を構成する。上記のような超電導線材を超電導コイルに適用する場合には、前記並列導体からなる超電導線材を、図６（ｂ）に示すように、コイル中心軸１４を中心として、図示しない電気絶縁性材料からなる円筒状巻枠の外周面上に、円筒層状に巻回する。
【００２１】
上記図６に示す超電導線材は、超電導薄膜部を複数に分割し、電気的に並列化することで、マルチフィラメント超電導導体として機能し、電流分流の均一化が図れると共に、超電導線に垂直方向に印加される磁界が低減でき、結果として交流損失を低減することが可能になる。
【００２２】
なお、前記国際出願（PCT/JP2004/009965）は、さらに、上記図６に示す超電導線材を適用する超電導コイルの好ましい構成について開示する。即ち、前記国際出願は、「前記超電導線材を巻回してなる超電導コイルとしては、超電導コイルの構造もしくは配置上、超電導コイルによって生ずる磁場分布によって前記並列導体の各導体要素間に作用する垂直鎖交磁束が、互いに打ち消すように作用する部分を、少なくとも一部に有してなるコイル構成を備えるものとする。これにより、交流損失の抑制が可能な超電導線材を提供し、さらにこの超電導線材を用いた超電導コイルは、転位なしの簡便な構成により線材に対する垂直磁界による鎖交磁束がキャンセル可能な構成で、かつ、垂直磁界による線材内循環電流を抑制して電流分流を均一化でき、これにより低損失の超電導コイルを提供することができる。」旨を記載する（詳細は、前記国際出願参照）。
【００２３】
次に、変圧器の短絡事故等の過電流対策について述べる。変圧器が短絡事故を起こすとコイルに大きな短絡電流が流れて過大な電磁力が働く。超電導変圧器の場合には、常電導変圧器に比較して電流密度が高く、言い換えれば同じ電流容量であれば超電導変圧器の方が導体断面積が小さい。従って、同じ電磁力が導体に作用した場合、超電導変圧器の方がより大きな応力が導体に作用することになる。酸化物超電導変圧器の場合には、導体が酸化物であるので機械的強度が比較的低く、この過電流時の電磁力に耐えられない可能性がある。
【００２４】
この問題を解決するための手段が、特許文献３に開示されている。特許文献３のに要約の記載を引用すれば、即ち、「円筒状の絶縁巻枠の外周面側に螺旋状の溝を形成し、この溝に沿ってテープ状の超電導線材を巻回してなる超電導コイルにおいて、前記超電導線材に重ねてその外周側に銅，銅合金，チタン，ステンレス鋼等の常導電体を用いた金属テープを巻き付けて樹脂の硬化処理などによりバインドし、さらに金属テープを超電導線材と電気的に並列接続する。これにより、短絡事故などの際に超電導線材に加わる半径方向の電磁力を外周側から金属テープで支持し、さらに、過電流によるジュール発熱で超電導線材が常電導化した場合には、電流の一部を金属テープに分流させて急激な温度上昇によるコイル焼損を防ぐ。」
【特許文献１】特開平１１−２７３９３５号公報（第２−４頁、図１−４）
【特許文献２】特開平７−３７４４４号公報（第２−７頁、図１）
【特許文献３】特開平２００１−２４４１０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
ところで、前記特許文献２や国際出願（PCT/JP2004/009965）に記載されたような、量産性の高いテープ状の超電導線材の臨界電流は、自己磁界、液体窒素温度(77K)下において約100Aである。超電導コイルの状態においては、磁界の発生により、臨界電流はさらに低下し、機器として使用できる電流は、上述した臨界電流100Aより大幅に低下する。
【００２６】
一方、要求される電流容量は、機器や用途によって様々であり、例えば変圧器の低圧巻線のように大電流が必要な場合には、前記特許文献２や国際出願に記載された方法では対応できない可能性がある。
【００２７】
さらに、交流機器としては、例えば励磁突入時や突発的な短絡事故時等において、短時間ではあるが定格電流以上の電流を流しても耐えることができる、いわゆる過電流対策を要求される場合がある。前記特許文献２や国際出願に記載されたテープ状の超電導線には、前述のように、安定化層として銀や金等の金属層が形成されている。この金属層は主として超電導性能向上を目的として配設するもので、この金属層の厚さは一般的に10μm以下で、過電流対策としては不十分な場合がある。
【００２８】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、この発明の課題は、並列化超電導導体を用いて交流損失の抑制を可能とし、かつコイルの電流容量の増大を図り、さらに、励磁突入時や突発的な短絡事故時等における過電流による導体の焼損を防止し、安全な大容量の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】
【００２９】
前述の課題を解決するため、この発明は、複数本の超電導素線をコイル軸方向に並列配置してなる二次並列導体をユニットとし、この二次並列導体ユニットを複数層並列に積層してなる三次並列導体を単層もしくは複数層巻回してなる超電導コイルであって、前記超電導コイルの構造もしくは配置上、超電導コイルによって生ずる磁場分布によって前記二次並列導体ユニットの各超電導素線間に作用する垂直鎖交磁束が、互いに打ち消すように作用する部分を、少なくとも一部に有してなるコイル構成を備えるものとする（請求項１の発明）。
【００３０】
上記により、詳細は後述するように、二次並列導体ユニット中に、複数本の超電導素線を電気的に分離して多数配置することで、三次並列導体は、マルチフィラメントとして機能する導体となり、大電流容量超電導コイルの巻線が容易になると共に、電流分流均一化及び交流損失低減が図れる。また、前記二次並列導体ユニットの各超電導素線間に作用する垂直鎖交磁束が、互いに打ち消すように作用する部分を、少なくとも一部に有するものとするコイル構成に基づき、コイル構成上、垂直磁界に基づく交流損失が抑制される。この場合、コイル軸方向の超電導素線間で転位は不要であり、並列化して電流容量増大を図る上で構成を容易にすることができる。
【００３１】
また、この発明は、コイル構造を簡略化する観点から、下記請求項２のようにすることもできる。即ち、複数本の超電導素線をコイル軸方向に並列配置してなる二次並列導体を、単層もしくは複数層巻回してなる超電導コイルであって、前記超電導コイルの構造もしくは配置上、超電導コイルによって生ずる磁場分布によって前記二次並列導体の各超電導素線間に作用する垂直鎖交磁束が、互いに打ち消すように作用する部分を、少なくとも一部に有してなるコイル構成を備えるものとする（請求項２の発明）。
【００３２】
上記請求項１または２の発明の超電導素線の実施態様としては、基板面上に電気的に分離しない単一の超電導層を備えたものでもよいが、下記請求項３ないし５の発明が、マルチフィラメント化の観点から好ましい。即ち、前記請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、前記超電導素線は、基板面上に形成した超電導層を、複数の超電導導体に電気的に分離して並列化してなるものとする（請求項３の発明）。
【００３３】
また、請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、前記超電導素線は、基板面上に、電気絶縁層の機能を有する中間層、超電導層を積層し、かつ前記超電導層を電気的に分離して並列化してなるものとする（請求項４の発明）。さらに、請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、前記超電導素線は、基板面上に、電気絶縁層の機能を有する中間層、超電導層および金属層を積層し、かつ前記超電導層および金属層を電気的に分離して並列化してなるものとする（請求項５の発明）。
【００３４】
前記請求項４および５の発明における超電導素線は、例えば、前記国際出願において開示されたものであり、基板を金属材料からなるものとした場合には、その基板は安定化材として機能し、さらに請求項５における前記金属層も安定化材として機能する。
【００３５】
さらに、電流分担の均一化の観点から、前記請求項１に記載の超電導コイルにおいて、前記二次並列導体ユニットを複数層並列に積層してなる三次並列導体を巻回する際に、前記各層の二次並列導体ユニットを転位してなるものとする（請求項６の発明）。転位構成に関する実施形態の詳細は、後述する。
【００３６】
さらに、過電流対策の観点から、請求項１に記載の超電導コイルにおいて、前記三次並列導体における複数本の超電導素線の内、少なくとも１本の超電導素線は、常電導導体材料からなる常電導素線に置き換えてなるものとする（請求項７の発明）。
【００３７】
上記構成によれば、励磁突入時や突発的な短絡事故時などにおける過電流により超電導線材が抵抗状態になった場合に電流が常電導導体に分流することによりジュール発熱による焼損を防止できる。この点に関して、以下に詳述する。上述したように、二次素線を構成する素線のインダクタンスは、コイルの軸方向に配置することで均一化され、超電導素線と常電導素線とではほぼ同一となる。一方で、常電導素線は電気抵抗が存在し、超電導素線は通常の使用範囲では電気抵抗は無視できるほど小さい。従って常電導素線のインピーダンスは超電導素線より大きくなり、電流のほとんどは超電導素線を流れ、常電導素線での電流による発熱はほとんどない。この関係は、常電導素線を含む二次並列導体を用いた超電導コイルにおいても成立する。よって常電導素線を並列配置したことによる損失は無視できるほど小さい。ところが、超電導素線に臨界電流を超えるような過電流が流れると、磁束フローによる電気抵抗が発生する。超電導素線の電気抵抗と、常電導素線の電気抵抗の関係により、常電導素線にも電流が流れる。従って電流を常電導素線に流すことができるので、超電導素線に過度の電流を流すことを回避できる。結果として定格電流以上の過電流が発生しても特性劣化のない超電導コイルを提供できる。
【００３８】
超電導素線を常電導素線に置き換える位置は、一ヶ所に限らず、例えば、前記三次並列導体におけるコイル軸方向の最上部または最下部の全てとする、あるいは、コイル層方向の１つの層全てとすることもできるが、過電流時の電磁力支持の観点から、常電導素線に電流分流の機能と電磁力支持機能を兼用させることが好ましい。この観点から、下記請求項８の発明が好ましい。
【００３９】
即ち、前記請求項７に記載の超電導コイルにおいて、前記三次並列導体における複数層の二次並列導体の内、最外層の二次並列導体は、常電導素線からなる二次並列導体に置き換え、この常電導素線からなる最外層は、転位しない構成とする（請求項８の発明）。この場合、複数本の常電導素線は、超電導素線と同様に絶縁被覆される。
【００４０】
常電導素線の材料としては、銅，銅合金，チタン，ステンレス鋼等の常導電材料を用いることができるが、コイルの仕様にもよるが、電磁力支持を重視する場合には、電気伝導率が比較的小さくても、機械的強度が高い材料を用いるのが望ましい。場合によっては、電気伝導率が大きい材料と機械的強度が高い材料とを、組み合わせることもできる。
【００４１】
また、過電流時の電磁力支持を重視する観点からは、下記請求項９の発明が好ましい。即ち、前記請求項７に記載の超電導コイルにおいて、前記三次並列導体における複数層の二次並列導体の内、最外層の二次並列導体は、常電導材料もしくは高強度の絶縁材料からなる電磁力支持部材に置き換えてなるものとする（請求項９の発明）。
【発明の効果】
【００４２】
この発明によれば、並列化超電導導体を用いて交流損失の抑制を可能とし、かつコイルの電流容量の増大を図り、さらに、励磁突入時や突発的な短絡事故時等における過電流による導体の焼損を防止して、安全かつ大容量の超電導コイルが提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
図１ないし図５に基づき、本発明の実施の形態について以下に述べる。
【００４４】
図１は、本発明の実施の形態の一例を示す超電導コイルの模式的断面図である。図１（ａ）は基板３１面上に、電気的に分離して並列化してなる複数の超電導層３３を有する超電導素線４０を示す。この超電導素線４０は、前記図６に示すように、基板、中間層、超電導層、金属層等からなる構成としてもよいが、前記金属層を省略したり、また、図１（ａ）に示すように、基板３１と電気的に分離して並列化した超電導層３３のみで構成することもできる。さらに、基板面上に電気的に分離しない単一の超電導層を備えるものとすることもできる。なお、図１（ａ）において、図６に示す電気絶縁性材料３６は図示を省略している。
【００４５】
図１（ｂ）は図１（ａ）に示す超電導素線４０を、コイル軸方向に４本並列配置したものであり、これが二次並列導体５０となる。なお、図１（ｂ）において、４本の超電導素線４０は、それぞれ電気的に絶縁されている。
【００４６】
図１（ｂ）の場合において、並列配置された各々の超電導素線４０のインダクタンスは同一であるので、二次並列導体５０における超電導素線４０は転位をする必要がない。結果として、二次並列導体５０は、超電導素線４０の並列本数倍の電流容量を持った導体と等価となる。
【００４７】
次に、図１（ｃ）について述べる。図１（ｃ）は二次並列導体５０を３層並列に積層して導体化した三次並列導体６０である。なお、図１（ｃ）において、各二次並列導体５０の間は電気的に絶縁されている。積層した二次並列導体５０どうしのインダクタンスは、コイル径方向の位置に起因して異なるので、転位を施す必要がある。この転位構成としては、前述の特許文献１に記載のような転位構成、即ち、コイルの軸方向端部で転位させる構成を採用することにより、導体を構成している超電導線のインダクタンスの均一化および電流分担の均一化を図り、コイルとしての電流密度の低下防止を図ることができる。詳細は後述する。
【００４８】
次に、図１（ｄ）について述べる。図１（ｄ）は前記三次並列導体６０を、コイル半径方向に複数層巻回し、かつコイル軸方向に複数ターン巻回してなるコイル構成の模式的断面を示す。なお、図１（ｄ）において、層数は省略して破線で示す。また、部番５４はコイルフランジ、５５は巻枠を示す。なお、巻枠は、図示のように円筒状でなくともよく、レーストラック状や、角に丸みを備えた矩形等の種々の形状があり得る。
【００４９】
上記図１の実施形態のように超電導コイルを構成することにより、コイルの電流容量は、超電導素線４０の４並列×３重ね分、すなわち１２倍の電流容量を確保することが可能になる。大電流容量化を図る場合に、導体素線として、電流容量の大きな超電導素線を用いる場合と比較して、本発明のように、小電流容量の単位並列導体素線を用いて図１のような構成とする方が、製作が容易であり、かつ安価となる。
【００５０】
また、電気的に分離された二次並列導体５０、およびこれを構成する超電導素線４０、さらには電気的に分離された超電導層３３に作用する垂直鎖交磁界は、前記国際出願で開示されているように、超電導コイルの軸方向の対称性に基づき、超電導線材全体としては、互いに打ち消すように作用するので、垂直磁界に基づく交流損失は抑制される。さらに、分割した超電導層３３が独立したフィラメントとして振舞うことができ、さらに交流損失低減が可能になる。
【００５１】
次に、図２について述べる。図２は、請求項２の発明に関わる図１とは異なる実施形態を示す。図２に示す超電導コイルは、複数本の超電導素線４０をコイル軸方向に並列配置してなる二次並列導体５０を、単層もしくは複数層巻回してなる超電導コイルであり、この場合も、超電導コイルの軸方向の対称性に基づき、超電導コイルによって生ずる磁場分布によって前記二次並列導体５０の各超電導素線間に作用する垂直鎖交磁束が、互いに打ち消すように作用する。
【００５２】
なお、図２においては、超電導素線４０には、説明の便宜上、各超電導素線４０に１〜４の番号を付して示す。図２の実施形態の超電導コイルの場合には、二次並列導体５０を転位する必要はない。従って、全ての二次並列導体５０内部の前記超電導素線の番号を、軸方向に（１，２，３，４）、（１，２，３，４）、…………（１，２，３，４）の列とし、この列を層方向に繰り返す配列となるように巻回する。
【００５３】
なお、前記図１の場合には、二次並列導体を転位させることが望ましく、これについては後述する図４で述べる。
【００５４】
次に、図３について述べる。図３は、図１とはさらに異なる本発明の実施形態を示し、過電流対策として、図１に示す二次並列導体５０における複数本の超電導素線４０の内、１本の超電導素線４０を、常電導導体材料からなる常電導素線７０に置き換えてなる実施形態を示す。図３において、二次並列導体は５０ａで示し、三次並列導体は６０ａで示す。その他の部材は、図１と同様である。
【００５５】
図３（ａ）は、図１（ａ）と同様の超電導素線４０である。これを図３（ｂ）のように超電導コイルの軸方向に並べて配置する際に、全てを超電導素線４０とはせずに、常電導素線７０を含んで二次並列導体５０ａを構成する。配設された素線どうしのインダクタンスは前述のように同一である。
【００５６】
常電導素線７０には電気抵抗が常に存在するのに対し、超電導体からなる超電導素線４０は通常の状態では電気抵抗が無視できるほど小さい。従って電流は超電導素線４０に流れ、常電導素線７０におけるジュール発熱は無く、常電導線を配置したことによる損失は増えない。なお、常電導素線７０は、テープ状導体でも、撚り線からなる導体でもよい。
【００５７】
また、図３（ｃ）は、二次並列導体５０ａを３層重ねて導体化した三次並列導体６０ａである。この三次並列導体６０ａを図１と同様に一層あたり４ターン巻回してコイルを形成したのが図３（ｄ）である。層数は省略してある。
【００５８】
通常時には、電流は、超電導素線４０を流れるが、変圧器の励磁突入時のように過電流が流れる場合には、超電導素線４０に臨界電流以上の電流が流れる。臨界電流を超えると超電導素線４０に電気抵抗が発生する。この場合の超電導素線４０の電気抵抗と、常電導素線７０の電気抵抗の関係で、各素線に流れる電流が決定する。
【００５９】
ところで、初期の臨界電流の所定の倍率（線材によって異なる倍率）まで過電流が流れても、通電後の臨界電流は低下しないが、これを越えた過電流が流れると通電後の臨界電流が低下する、いわゆる臨界電流の劣化が生ずることが知られている。
【００６０】
本発明では、超電導素線４０の電気抵抗と、常電導素線７０の電気抵抗を適切に設定することで、過電流時の電流を常電導素線７０に分担できるので、超電導素線４０に流れる電流を低減でき、結果として超電導素線４０の前記臨界電流の劣化を抑止できる。
【００６１】
次に、図４について述べる。図４は、転位構成の説明を行うために簡略化した超電導コイルの実施形態を示す。図４の実施形態は、コイル軸方向に超電導素線４０を４個並列配置した二次並列導体を、半径方向に３層積層し、かつ最外層に常電導素線７０を配置して構成した三次並列導体６０ａを導体ユニットとして巻回してなる超電導コイルを示す。
【００６２】
転位を行う場合、前述のように、「コイルの層数を、並列化している超電導線の並列本数の４倍（本数×４倍）の整数倍とする」構成が好ましいので、図４においては、３本（二次並列導体）×４倍で、１２層とした実施形態を示し、図４の下方に、１層、２層……１２層として各層を示す。また、超電導素線４０には、転位の説明の便宜上、各超電導素線４０に１〜１２の番号を付して示す。
【００６３】
図４のように三次並列導体６０ａを重ねて配置すると、図１と同様に、二次並列導体間でインダクタンスが変わるので、少なくとも超電導素線４０は、層間で転位を施す必要がある。転位をすることで、二次並列導体間のインダクタンスは均等になる。
【００６４】
常電導素線は転位しなくとも、常電導素線の材料や温度、積層枚数及び動作周波数等にもよるが、通常、常電導素線に流れる電流は抵抗により制限され、発熱が問題とならない場合が多いので、図４においては、常電導素線７０の二次並列導体に相当する導体間は、転位しない構成を示している。なお、必要に応じて転位する場合には、三次並列導体間で必要な転位を行う。
【００６５】
図４において、図の左上の方から、太線の矢印に沿って素線電流が流入し、図の右上の方から流出するが、その間は、三次並列導体６０ａの図の上下の層間において、太線で示すように、各超電導素線４０が、順次転位する。例えば、コイル中心軸１４に最も近い三次並列導体６０ａの３層の内、番号１〜４で示すコイル中心軸に最も近い二次並列導体は、図の左上方に示す位置Ａから導入され、図示Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ………Ｗを経て、図の右上に示す位置Ｘに導出するものとし、上記のように転位させることで、二次並列導体間のインダクタンスは均等になる。
【００６６】
次に、図５について述べる。図５は、三次並列導体における複数層の二次並列導体の内、最外層の二次並列導体を、常電導材料もしくは高強度の絶縁材料からなる電磁力支持部材７１に置き換えてなる実施形態を示す。
【００６７】
図５（ａ）および（ｂ）は、図３（ａ）および（ｂ）と同一であるので説明は省略する。図５（ｃ）は、二次並列導体５０ａを３層重ねて導体化したものに、常電導材料からなる電磁力支持部材７１をさらに重ねた三次並列導体６０ａを示す。図５（ｄ）は図５（ｃ）の三次並列導体を用いて複数ターン巻回してコイルを形成したものである。なお、電磁力支持部材７１は、図４と同様に、コイル軸方向に４分割してもよい。
【００６８】
常電導素線７０の効果は、前述した図３と同様であるので省略する。図５のような超電導コイルでは、大きな電磁力に耐えることのできる超電導コイルを提供できる。なお、この機械的支持材７１の材質としては、ステンレスなどの高強度の金属材料を用いることができる。また、安定化機能は常電導素線７０に委ね、電磁力支持部材７１には電磁力支持機能のみを委ねる場合には、機械的支持材７１の材質は、ガラステープなどの高強度の絶縁材料とすることもできる。
【００６９】
以上、本発明の各実施形態について、ソレノイドコイルを対象にして述べたが、本発明は、ソレノイドコイル以外に、パンケーキコイルや、主に超電導回転機に使用される鞍形コイル等の超電導コイルにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施形態を示す超電導コイルの模式的断面図。
【図２】本発明の図１とは異なる実施形態を示す超電導コイルの模式的断面図。
【図３】本発明の図１とはさらに異なる実施形態を示す超電導コイルの模式的断面図。
【図４】本発明の図１とはさらに異なる実施形態において転位構成を説明する面。
【図５】本発明の図３とは異なる実施形態を示す超電導コイルの模式的断面図。
【図６】国際出願（PCT/JP2004/009965）において開示された超電導線材の構成図。
【図７】特許文献１に開示された超電導コイルの転位構成の一例を示す図。
【符号の説明】
【００７１】
１〜１２  各超電導素線の表示番号
１４    コイル中心軸
３１    基板
３２    中間層
３３    超電導層
３４    金属層
３５    スリット
４０    超電導素線
５０、５０ａ    二次並列導体
５４    コイルフランジ
５５    巻枠
６０、６０ａ    三次並列導体
７０    常電導素線
７１    電磁力支持部材
【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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