(57)【要約】【課題】超電導体コイルのインピーダンスを測定して絶縁不良の検出を定量的に行う絶縁不良検出方法および装置を提供する。【解決手段】超電導材が絶縁材で被覆された帯状の超電導線がダブルパンケーキコイルの形状で巻線された超電導体コイルにおける絶縁不良の検出を、１００Ｈｚ以上１５０Ｈｚ以下の高周波で且つ１Ａ以上１０Ａ以下の交流の低電流を定電流電源から通電して、インピーダンス演算手段でインピーダンスを測定し、測定したインピーダンスが設定値以下であると、前記ダブルパンケーキコイルの２層のコイル部を連続する内周ターンの渡り部において絶縁不良が発生していること絶縁不良検出手段で検出している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導材が絶縁材で被覆された帯状の超電導体が、ダブルパンケーキコイルの形状で巻線された超電導体コイルにおける絶縁不良検出方法であって、
１００Ｈｚ以上１５０Ｈｚ以下の高周波で且つ１Ａ以上１０Ａ以下の交流の低電流を通電して、測定されるインピーダンスが設定値以下であると、前記ダブルパンケーキコイルの２層のコイル部を連続する内周ターンの渡り部が絶縁不良として検出していることを特徴とする超電導体コイルの絶縁不良検出方法。
【請求項２】
前記設定値は、１２０Ｈｚで２Ａの通電時において、前記測定されるインピーダンスが非絶縁不良時に測定されるインピーダンスの５０％、あるいは／および１２０Ｈｚで５Ａ通電時において、前記測定されるインピーダンスが非絶縁不良時に測定されるインピーダンスの８５％としている請求項１に記載の絶縁不良検出方法。
【請求項３】
超電導材が絶縁材で被覆された帯状の超電導体が、ダブルパンケーキコイルの形状で巻線された超電導体コイルにおける絶縁不良検出装置であって、
前記超電導体コイルに、１００Ｈｚ以上１５０Ｈｚ以下の高周波で且つ１Ａ以上１０Ａ以下の交流の低電流を通電する定電流電源と、
前記定電流電源に接続して、前記超電導体コイルのインピーダンスを測定するインピーダンス演算手段と、
前記インピーダンス演算手段に接続して、測定された前記超電導体コイルのインピーダンスと、予め設定したインピーダンスとを比較して、前記超電導体コイルの絶縁不良の有無を検出する絶縁不良検出手段と、
を備えていることを特徴とする超電導体コイルの絶縁不良検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超導電体コイルにおける絶縁不良検出方法および装置に関し、詳しくは、ダブルパンケーキコイルの形状で巻線された超電導体コイルの内周渡り部に絶縁不良が発生しているか否かを検出するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より超電導体コイルにおいて、絶縁不良が発生し超導電材同士が接触すると、超電導体コイルに閉回路が構成され、該閉回路に電流が流れることにより異常発熱が起こるという問題がある。
このため、超電導体コイルにおいて絶縁を確保するための様々な方法が提供されている。例えば、特開平７−８６０２６号公報（特許文献１）では、超電導線材と絶縁テープを共巻きして超電導マグネットを製造する方法が提供されている。
前記製造方法は、超電導線材の幅をＷｓ、厚みをＴとした場合、絶縁テープは幅ＷｔをＷｓ＋Ｔ以上とし、既に巻終えた下層の超電導線材と隣接する超電導線材とを絶縁テープが被覆するように巻回して、各超電導線材同士を絶縁している。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−８６０２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記のように、製造時において絶縁不良が発生しない製造方法が提供されているが、超導電体コイルがダブルパンケーキコイルの形状とされる場合、上下に積層される２層のコイル部を連続する内周ターンの渡り部等では、超導電体が傾斜して巻かれ、その帯状の幅方向の両端エッジが上下層のコイルに接触するために絶縁不良が最も発生しやすい箇所となっている。また、この渡り部で絶縁不良が発生すると、前記したように、閉回路が形成され、大きな誘導電流が流れて異常発熱を発生する。そのため、製造されたダブルパンケーキコイルの形状の超電導体コイルにおいて、内周渡り部について、絶縁不良を検査して品質管理を行う必要がある。
【０００５】
超電導体コイルの絶縁不良を検査する方法として、超電導体コイルを液体窒素中に浸し、絶縁不良が発生している場合は接触部分において液体窒素が沸騰することを利用して、目視で液体窒素の状態を観察する方法が考えられる。
しかし、超導電線材の接触部分が非常に小さい場合、容器と窒素の接触部分の沸騰など周囲の沸騰と見分けが付かず、絶縁不良の検出が困難である。さらに、目視に頼っているため、絶縁不良の検出精度が検査員の能力に左右され客観性が保証されないという問題がある。
【０００６】
本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、目視等の方法に頼らず、特に、絶縁不良が発生しやすい前記ダブルパンケーキの渡り部における絶縁不良の発生の有無を定量的に検出できる絶縁不良検出方法および装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため、本発明は、超電導材が絶縁材で被覆された帯状の超電導体が、ダブルパンケーキコイルの形状で巻線された超電導体コイルにおける絶縁不良検出方法であって、
１００Ｈｚ以上１５０Ｈｚ以下の高周波で且つ１Ａ以上１０Ａ以下の交流の低電流を通電して、測定されるインピーダンスが設定値以下であると、前記ダブルパンケーキコイルの２層のコイル部を連続する内周ターンの渡り部が絶縁不良として検出していることを特徴とする超電導体コイルの絶縁不良検出方法を提供している。
【０００８】
前記のように、所定の交流電流を通電して検出対象の超電導体コイルのインピーダンスを測定し、予め定めた設定値よりもインピーダンスが小さければ、絶縁不良が発生しているとして検出している。このように、絶縁不良の検出に超電導体コイルのインピーダンスを用いているので、絶縁不良の検出を定量的に行うことができ、検出の客観性を保証することができる。
【０００９】
具体的には、前記設定値は、１２０Ｈｚで２Ａの通電時において、前記測定されるインピーダンスが非絶縁不良時に測定されるインピーダンスの５０％とし、５０％以下の場合は絶縁不良が発生しとして規定している。
あるいは／および、１２０Ｈｚで５Ａ通電時において、前記測定されるインピーダンスが非絶縁不良時に測定されるインピーダンスの８５％とし、８５％以下の場合は絶縁不良が発生していると規定している。
前記した測定条件の交流電流の周波数および電流量、さらに、前記測定条件に応じた前記設定値は、後述するように、本発明者が繰り返し実験で知見したものである。
【００１０】
また、本発明では、超電導材が絶縁材で被覆された帯状の超電導体が、ダブルパンケーキコイルの形状で巻線された超電導体コイルにおける絶縁不良検出装置として、
前記超電導体コイルに、１００Ｈｚ以上１５０Ｈｚ以下の高周波で且つ１Ａ以上１０Ａ以下の交流の低電流を通電する定電流電源と、
前記定電流電源に接続して、前記超電導体コイルのインピーダンスを測定するインピーダンス演算手段と、
前記インピーダンス演算手段に接続して、測定された前記超電導体コイルのインピーダンスと、予め設定したインピーダンスとを比較して、前記超電導体コイルの絶縁不良の有無を検出する絶縁不良検出手段と、
を備えていることを特徴とする超電導体コイルの絶縁不良検出装置を提供している。
【発明の効果】
【００１１】
前述したように、本発明によれば、超電導体コイルのインピーダンスを測定して、予め定めた設定値と比較して絶縁不良を検出する構成としているため、絶縁不良の検出を定量的に行い、検出の客観性を保証することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図４は本発明の実施形態を示す。
絶縁不良検出装置１０は、定電流電源１１と、定電流電源１１に接続したＣＰＵ１２からなり、ＣＰＵ１２は定電流電源１１に接続したインピーダンス演算手段１３と、インピーダンス演算手段１３に接続した絶縁不良検出手段１４からなる。また、検出対象である超電導体コイル２０は、絶縁不良検出装置１０の定電流電源１１に接続している。
【００１３】
超電導体コイル２０は、超電導材が絶縁材で被覆された帯状の超電導線材を、図２に示すように、第１コイル部３０ａと第２コイル部３０ｂの二層からなるダブルパンケーキコイルの形状で巻線している。
前記二層の第１コイル３０ａと第２コイル３０ｂとは、第１コイル部３０ａの最内周と第２コイル部３０ｂの最内周とを斜めに延びる渡り部３０ｃを設けて接続している。
【００１４】
前記ダブルパンケーキ形状の超導電体コイル２０では、前記したように、絶縁不良は渡り部３０ｃにおいて最も発生しやすく、かつ、渡り部に絶縁不良が発生すると異常発熱を発生する。よって、前記絶縁不良検出装置１０は、超電導体コイル２０の渡り部３０ｃにおいて超導電線材同士が接触して絶縁不良であることを検出するものとしている。
【００１５】
つぎに、前記絶縁不良検出装置１０を用いて前記渡り部３０ｃの絶縁不良の有無の検出方法の原理を説明する。
【００１６】
まず、超導電体コイル２０の渡り部３０ｃに超導電線材同士が接触して絶縁不良が発生した場合と、絶縁不良が発生していない場合とにおけるインピーダンスの値を測定し、絶縁不良が発生していない正常時におけるインピーダンスの値に対して絶縁不良時のインピーダンスの値の相関関係のデータを下記の実験より取得した。
【００１７】
実験で使用したダブルパンケーキコイルの形状の超電導体コイル２０は、内径２３０ｍｍ、外径２６０ｍｍ、高さ５ｍｍ、巻数４８ターンの二つのコイル部３０ａ、３０ｂを重ね合わせて２層とし、内周ターンを渡り部３０ｃにより接続している。
超電導体コイル２０Ａは、絶縁材であるカプトン（登録商標）により渡り部３０ｃをラッピングして絶縁を強化し、絶縁不良を生じさせない構成としている。
超導電体コイルＢは渡り部３０ｃで異常発熱が発生し、絶縁不良が生じているものである。
【００１８】
インピーダンスの値の測定は、前記超導電体コイル２０Ａと２０Ｂにそれぞれ１２０Ｈｚの高周波で、交流電流を０から２０Ａまで大きくして通電した。
交流電流を流した場合の超電導体コイル２０のインピーダンスは下式（１）で表される。
【００１９】
【数１】
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式中、Ｒは超電導体コイル２０の抵抗値、Ｌはインダクタンス値である。ω＝２πｆ（ラジアン／秒）であり、ｆは周波数（Ｈｚ）である。
【００２０】
周波数を１２０Ｈｚと高周波としているのは、下記の理由による。
周波数ｆ（Ｈｚ）の値を大きくすると、インピーダンスはインダクタンスＬの変化によってその値がほぼ決まり、抵抗Ｒの影響をあまり受けなくなる。
超電導体コイルが絶縁不良により線材の接触部分を有すると、超電導体コイルのインダクタンスＬが変化する。よって、該インダクタンスＬの変化を観察するために、周波数ｆの値を大きくし、本実験例では周波数ｆを１２０Ｈｚとした。１２０Ｈｚであれば抵抗Ｒの影響はほぼ無視され、インダクタンスＬが変化すればインピーダンスが変化する。インピーダンスの変化を検出することで、超電導体コイル２０が絶縁不良を発生していることを検出することができることとなる。
【００２１】
図３は前記超電導体コイル２０Ａと、超電導体コイル２０Ｂについて、通電した電流Ｉの大きさを変化させた場合のインピーダンスの値を測定したグラフである。
実験の信頼性を高めるため、超電導体コイル２０Ａと２０Ｂをそれぞれ複数個用意して実験した。
【００２２】
図３に示すように、電流値が２Ａ付近では、超電導体コイル２０Ａのインピーダンスの値は約３Ωであるが、絶縁不良の超電導体コイル２０Ｂは約１Ωを示した。
この結果より、超電導体コイル２０Ｂはコイル内で接触部分を有しているため閉回路が構成され、該閉回路が超電導体コイル２０Ｂに流れる電流の作る磁界を打ち消しているのでインピーダンスが低下していると認められた。
一方で、電流値が大きくなると、絶縁不良か否かに関わらずインピーダンスの値はほぼ同じとなる。電流値を大きくすることで接触部分の接触抵抗が増大し、閉回路が磁界を打ち消す効果が低下することで、絶縁不良が生じていない超電導体コイル２０Ａのインピーダンスに近づいていくと認められた。
【００２３】
前記実験結果より、電流値が２Ａ付近では絶縁不良の有無によりインピーダンスの値が大きく異なり、また、５Ａ通電時においてもインピーダンスの値は異なると認めらた。
これより、電流値を２Ａ、５Ａとして超電導体コイルのインピーダンスの値を測定し、絶縁不良が生じていない超電導体コイルのインピーダンスの値と比較することで、超電導体コイル２０が絶縁不良か否かを検出することができる。
【００２４】
さらに、絶縁不良が超電導体コイル２０Ｂの渡り部３０ｃで発生していることを検証するために、絶縁は強化したが渡り部３０ｃをわざと接触させた超電導体コイル２０Ｄ、２０Ｅを製造し、電流に対するインピーダンス特性の測定を行った。
【００２５】
超電導体コイル２０Ｄ，２０Ｅは渡り部３０ｃにカプトンラッピングを施した上に、４．５ｍｍ幅のカプトンテープを線材に共巻きしてさらに絶縁を強化した。超導電線材の幅方向のエッジ部分よりもカプトンテープが若干はみ出ており、かつ、カプトンテープは張りがあるため異物が付着してもダブルパンケーキコイルの２層の接触部分で絶縁不良となる可能性が低い。また線材の巻き作業の終了後クリーンエアでコイル表面をブローした。
さらに、超電導体コイル２０Ｄ，２０Ｅは渡り部３０ｃの一部をわざと接触させた。
図２に示すように、第１コイル部３０ａ、第２コイル部３０ｂの渡り部３０ｃのうち、接触する可能性があるのは、３０ａ、３０ｂの二箇所である。そこで、超電導体コイル２０Ｄは渡り部３０ｃの一箇所、２０Ｅは二箇所を接触させた。
また、比較のために絶縁を強化したが渡り部３０ｃを接触させていない超電導体コイル２０Ｃも製造した。
【００２６】
図４は各コイルに流す電流の大きさを変化させた場合のインピーダンスの値を測定したグラフである。渡り部３０ｃで絶縁不良を生じさせた超電導体コイル２０Ｄ、２０Ｅのインピーダンスの値は、図３の異常発熱を観察した超電導体コイル２０Ｂのインピーダンスの値とほぼ同じ１Ωとなっていた。
従って、超電導体コイル２０Ｂは渡り部３０ｃで線材同士が接触しており、異常発熱の原因となっていることが確認できた。
【００２７】
また、絶縁を強化した超電導体コイル２０Ｃと渡り部３０ｃを接触させた超電導体コイル２０Ｄ，２０Ｅと比較すると、図３と同様に、２Ａ付近でインピーダンスの値の差が大きかった。
渡り部３０ｃの接触部分を有する超電導体コイル２０Ｄ，２０Ｅにおいては、インピーダンスの値は絶縁不良が生じていない超電導体コイル２０Ａ，２０Ｃの５０％以下となっており、５Ａ通電時においては８５％以下となっていた。
超電導体コイル２０Ｄ、２０Ｅは渡り部３０ｃの接触部分３１ａ、３１ｂ以外はカプトンラッピングしているが、図３の超電導体コイル２０Ｂにおいてはカプトンラッピングはしておらず、かつ絶縁不良を起こしているため、超電導体コイル２０Ｄ、２０Ｅに比べてよりインピーダンスの値が下がると考えられる。
【００２８】
前記実験結果より、超電導体コイルに絶縁不良が生じていることを検出するための設定値を、
（１）１２０Ｈｚで２Ａの通電時において、絶縁不良が発生していない場合に測定されるインピーダンスの５０％
（２）１２０Ｈｚで５Ａ通電時において、絶縁不良が発生していない場合に測定されるインピーダンスの８５％
を設定し、（１）の測定時に５０％以下である場合、（２）の測定時において８５％以下であれば、絶縁不良が発生していると規定している。
【００２９】
前記した実験データに基づいて、本発明では、ダブルパンケーキコイルの形状の超導電体コイルの渡り部における絶縁不良の発生の有無を検出している。
【００３０】
具体的には、超導電体コイル体２０を図１に示す絶縁不良検出装置１０の定電流電源１１に接続し、定電流電源１１により電流を超電導体コイル２０に流す。この電流は前記した理由に基づいて、１００Ｈｚ以上１５０Ｈｚ以下の高周波とし、かつ、１Ａ以上１０Ａ以下の交流電流としている。より好ましくは、１２０Ｈｚで、２Ａと５Ａの電流を流している。
【００３１】
前記したように、超導電体コイル２０に電流を流して、インピーダンス演算手段１３により、定電流電源１１から超電導体コイル２０に印加した電圧値Ｖと超電導体コイル２０に流した電流値Ｉを受け取り、下式（２）においてインピーダンスを演算する。
インピーダンス演算手段１３は２Ａと５Ａの電流通電時ごとにインピーダンスを演算し、演算したインピーダンスの値を絶縁不良検出手段１４に出力する。
なお、インピーダンス算出においては、所定の時間、電流値と電圧値を測定し、その平均値を使用してもよい。
【００３２】
Ｚ＝Ｖ／Ｉ    ・・・・・式（２）
【００３３】
絶縁不良検出手段１４では、絶縁不良が発生していない超導電体コイルに対して１２０Ｈｚで２Ａ、５Ａの交流電流を通電した時のインピーダンスの値を測定して、予め設定値を取得している。
この設定値は、２Ａの通電時におけるインピーダンスの５０％の設定値（１）と、５Ａ通電時において測定されるインピーダンスの８５％（２）とからなる。
【００３４】
よって、測定した超導電体コイル２０に２Ａ通電時におけるインピーダンスが前記設定値（１）以下である場合、あるいは／および５Ａ通電時におけるインピーダンスが前記設定値（２）以下であれば、測定した超導電体コイル２０に絶縁不良が発生しているとして検出している。
【００３５】
このように、本発明による絶縁不良検出装置によれば、所要の周波数で所要の電流を流すだけでの簡単な方法で、定量的に絶縁不良発生の有無を検出することができる。その結果、高精度に絶縁不良を検出し、超導電体コイルの高品質化を図ることができる。
【００３６】
なお、前記インピーダンス演算手段１３は定電流電源１１から超電導体コイル２０に流す電流値と電圧値を取得しているが、電流測定手段、電圧測定手段を設けて電流値と電圧値を取得してもよい。
また、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の特許請求の範囲内の種々の形態が含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明である超電導体コイルの絶縁不良検出装置の実施形態を示すブロック図である。
【図２】超電導体コイルの断面図である。
【図３】絶縁不良の超電導体コイルの電流に対するインピーダンスのグラフである。
【図４】絶縁を強化し、わざと接触部分を設けた超電導体コイルの電流に対するインピーダンスのグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１０  絶縁不良検出装置
１１  定電流電源
１２  ＣＰＵ
１３  インピーダンス演算手段
１４  絶縁不良検出手段
２０  超電導体コイル
３０ａ  第１コイル部
３０ｂ  第２コイル部
３０ｃ  渡り部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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