(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電特性または損失特性が外部から加わる横磁界に対して方向性を有している導体であり、かつ、超電導線材の一本または複数本を含む通電部およびその通電部を収納したコンジットを有している導体を巻装した超電導コイルであって、
捻りながら巻線加工ができる円形もしくは多角形の断面外形の前記コンジットと一緒に前記通電部が捻られ、または捻りを与えない巻線加工ができる断面外形の前記コンジットに対して前記通電部が捻られることで、各巻装位置において、前記横磁界の方向に対して前記通電特性または損失特性が最良となる方向に前記導体の方向が略一致するように前記通電部が捻りを与えられて、前記導体が巻かれていることを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
通電特性または損失特性が外部から加わる横磁界に対して方向性を有している導体であり、かつ、超電導線材の一本または複数本を含む通電部およびその通電部を収納したコンジットを有している導体を巻装する超電導コイルの製造方法であって、
前記コンジットを、捻りながら巻線加工ができる円形または多角形の断面外形を有するものとし、
当該超電導コイルの巻枠に前記導体を巻く際に、各巻装位置において、前記横磁界の方向に対して前記通電特性または損失特性が最良となる方向に前記通電部が略一致するように、導体供給部に前記導体の中心軸を中心として捻りを与えながら前記導体を巻くことを特徴とする超電導コイルの製造方法。
【請求項３】
通電特性または損失特性が、外部から加わる横磁界に対して方向性を有している導体であり、かつ、超電導線材の一本または複数本を含む通電部およびその通電部を収納したコンジットを有している導体を巻装する超電導コイルの製造方法であって、
前記コンジットを、捻りを与えない巻線加工ができる断面外形を有するものとし、
当該超電導コイルの巻枠に前記導体を巻く前に、巻いた後の状態で前記通電部が、各巻装位置において、前記横磁界の方向に対して前記通電特性または損失特性が最良となる方向に略一致することになるように、前記通電部に予めその通電部の中心軸を中心として前記コンジットに対する捻りを与えておき、当該導体を前記巻枠に巻くことを特徴とする超電導コイルの製造方法。
【請求項４】
通電特性または損失特性が外部から加わる横磁界に対して方向性を有している導体であり、かつ、超電導線材の一本または複数本を含む通電部およびその通電部を収納したコンジットを有している導体であって、
当該導体の前記通電部のみまたは、前記コンジットを含む導体全体が、その導体の中心軸を中心として捻りを与えられており、その捻りが、超電導コイルの巻枠に前記導体を巻いた後の状態で、前記通電部が各巻装位置において前記横磁界の方向に対して前記通電特性または損失特性が最良となる方向に略一致することになるように、前記導体の長手方向に変化することを特徴とする超電導コイルに用いる超電導導体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力貯蔵装置、変圧器、半導体単結晶引き上げ装置、限流器、ＭＲＩなどに用いられる超電導コイル及びその製造方法並びにそれに用いる超電導導体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導を応用した電力機器は、高効率、機器の省スペース化などの特長を有しており、実用化に向けた研究開発が進められている。超電導体は、液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）近傍のみで動作する金属系の低温超電導体に対し、アルカリ土類金属を主成分として焼成により得られる高温超電導体は液体ヘリウム温度のみならず、冷凍機による伝導冷却温度（約２０Ｋ）、過冷却液体窒素温度（６６Ｋ）、液体窒素温度（７７Ｋ）あるいはそれ以上の温度領域でも使用できるため、冷却の経済性やハンドリングの容易さなどから電力機器への応用が期待されている。
【０００３】
超電導導体の構造の例を図７に示す。図中（ａ）は素線２１を撚ったものを扁平状に並べて成形したラザフォードケーブルと呼ばれる平角成形より線、（ｂ）はＣｕなどの門型の補強材２２内に平角成形より線２３とＡｌなどの安定化材２４を収納した複合導体、（ｃ）はステンレスなどのコンジット２５内に素線２１を収納したケーブル・イン・コンジット導体、（ｄ）は素線２１を撚った一次より線２６を小径の補強用線材２７に巻いた二次より線２８を大径の補強用線材２９の回りに配した多重より線導体、（ｅ）は複数のテープ状素線３０を積層した並列導体、（ｆ）はテープ状素線３０を円形コンジット３１の回りに同心円状に配した同心円形より線導体である。
【０００４】
このような導体のうち、図７（ｃ），（ｄ），（ｆ）の導体は外部から加わる横磁界の方向に対して特性上の方向性はないが、（ａ），（ｂ），（ｅ）の導体は、方向性を有する。また、（ｅ）を除くすべての導体で、一部あるいは全体により線加工がなされており、（ｃ），（ｄ），（ｆ）では導体軸のまわりに規則的な捻りが施されていると見ることもできる。
【０００５】
ところで、高温超電導コイルの巻線に使われるＢｉ２２２３テープ線材の幅広面に垂直に加わる横磁界（軸に平行な磁界は縦磁界と呼び、これと区別する）がコイルの最大通電電流いわゆる臨界電流を劣化させる現象（以下、「垂直磁界通電特性劣化現象」と呼ぶ）のために、コイルの性能（最大出力磁界及び最大貯蔵エネルギー）は低く押えられているのが現状である。
【０００６】
また、Ｂｉ２２２３テープ線材に限らず、Ｙ１２３テープ線材やＴｌ  １２２３テープ線材、Ｎｂ3Ｓｎテープ線材など、種々のテープ形状の超電導線材、あるいは、外観がテープ形状に近い平角成形より線導体の場合についても、テープあるいは平角成形より線の幅広面に垂直な磁界下では、幅広面に平行な横磁界の場合に比べ、条件によっては１から５桁も大きなヒステリシス損失あるいは結合損失が発生し、問題となっている。
【０００７】
高温超電導コイルの垂直磁界通電特性劣化現象の対策としては、線材内の超電導材料の量を増やすことや導体内の線材の数量を増やすことが最も有効である。これは超電導材料の総量を増やしコスト高の要因となる。これを少しでも解消するためには、金属系の低温超電導コイルで従来から採用されている「グレーディング技術」が比較的有効と考えられる。これは、必要な部分だけ、必要な量だけ、局所的に線材量を加減して、超電導材料の量の最小化を図るというものである。
【０００８】
しかしながら、図１に示す有限長ソレノイドの例のように、垂直磁界は一般に、コイル１０の端部において大きくなるため、グレーディング技術によってその部分だけを補強することになるなど、コイル構造を複雑化させ製作技術上の困難を伴う。また、特殊な応用、例えば超電導トランスでは、比較的低磁界で使われコイル中心部分に鉄心を入れるので、垂直磁界通電特性劣化現象は起きない。
【０００９】
ところが、一般の応用では、高い発生磁界のために、鉄心内の磁束密度が飽和するので鉄心を入れることができない。たとえ鉄心を入れることができても、付加的に鉄心内で発生するヒステリシス損失や渦電流損失が大きくなり問題になる。また磁界印加方向によらず特性が均一な高温超電導の丸断面線材の開発も進められているが、テープ線材以上の性能は本質的に得られない。
【００１０】
代表的な平角成形より線導体であるラザフォードケーブルは超電導高エネルギー加速器用に開発されたもので加速器の主たる構成物であるダイポールマグネットなどの巻線として用いられる。ダイポールマグネットを例にとると、数ｍの長いマグネットの両端部では、電子などの粒子が走るマグネット中心長軸上における磁界の均一度が最優先される。そのためラザフォードケーブルは３次元的に加工されたスペーサに沿って巻線加工がなされる。その際、ラザフォードケーブルはその軸のまわりにわずかな捻りが結果的に加わることになる。
【００１１】
しかしながら、その捻りは巻線加工時に結果的に生じるものであり、その作用については予測することができない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、超電導コイルの端部に発生するコイル軸に垂直な方向の磁界や他のコイルから加わる磁界に起因する、高温超電導コイルの垂直磁界通電特性劣化現象、高温及び低温超伝導コイルの損失増大、という２つの問題に対し、コイル、線材、導体それぞれの構造を複雑化せず、しかも超電導線材や導体の量を減らす方向で解決する超電導コイル及びその製造方法並びにそれに用いる超電導導体を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の超電導コイルは、通電特性または損失特性が外部から加わる横磁界に対して方向性を有している導体であり、かつ、超電導線材の一本または複数本を含む通電部およびその通電部を収納したコンジットを有している導体を巻装した超電導コイルであって、捻りながら巻線加工ができる円形もしくは多角形の断面外形の前記コンジットと一緒に前記通電部が捻られ、または捻りを与えない巻線加工ができる断面外形の前記コンジットに対して前記通電部が捻られることで、各巻装位置において、前記横磁界の方向に対して前記通電特性または損失特性が最良となる方向に前記導体の方向が略一致するように前記通電部が捻りを与えられて、前記導体が巻かれていることを特徴とする。
【００１４】
ここで「通電部」とは、超電導線材の一本または複数本のほかに、安定化材や構造材の一部も含んだものを言う。
【００１５】
この超電導コイルの製造方法には、次の２つの方法がある。
【００１６】
（１）超電導コイルの巻枠に前記導体を巻く際に、各巻装位置において、前記横磁界の方向に対して前記通電特性または損失特性が最良となる方向に略一致するように、導体供給部に前記導体の中心軸を中心として捻りを与えながら前記導体を巻く。
【００１７】
この場合、前記コンジットの中心軸に対するそのコンジットの捻りを制御しながら巻線加工が容易にできるように、前記コンジットの断面の外形は捻りながら巻線加工ができる円形あるいは多角形とし、そのコンジットの外周表面に加えられた捻りの応力が確実に内部の超電導線材に伝わるように、超電導線材の周囲に置かれたコンジットとそれより内部の超電導線材とは機械的に一体化する。
【００１８】
（２）超電導コイルの巻枠に前記導体を巻く前に、巻いた後の状態で、各巻装位置において、前記横磁界の方向に対して前記通電特性または損失特性が最良となる方向に略一致することになるように、前記通電部に予めその通電部の中心軸を中心として前記コンジットに対する捻りを与えておき、当該導体を前記巻枠に巻く。
【００１９】
この場合、巻き線作業工程を出来る限り単純化し、またコイル巻き線部分の巻き線同士の密着性を良くするために、前記コンジットを、捻りを与えない巻線加工ができる断面外形、例えば円形や長方形等の多角形を有するものとし、超電導線材とその周囲に配するコンジットとを一体化する前に、予め計算された磁界の印加方向を考慮して超電導線材にコンジットに対する捻りを施したものを用いる。その場合は、巻き線時に捻りを与えない通常の巻き線方法が採用できる。
【００２０】
さらに、本発明の超電導コイルに用いる超電導導体は、通電特性または損失特性が外部から加わる横磁界に対して方向性を有している導体であり、かつ、超電導線材の一本または複数本を含む通電部およびその通電部を収納したコンジットを有している導体であって、当該導体の前記通電部のみまたは、前記コンジットを含む導体全体が、その導体の中心軸に対して捻りを与えられており、その捻りが、超電導コイルの巻枠に前記導体を巻いた後の状態で、前記通電部が各巻装位置において前記横磁界の方向に対して前記通電特性または損失特性が最良となる方向に略一致することになるように、前記導体の長手方向に変化することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の一実施形態をＢｉ２２２３テープ線材を積層した超電導導体を例にとって説明する。
【００２２】
図２は、導体１１の一例である。これは、Ｂｉ２２２３テープ線材１を２８本積層して円形のコンジット３内に収納したものであり、テープ線材１同士は絶縁物あるいは高抵抗金属からなる介在テープ２によって電気的に分離されている。このテープ線材１間の通電電流を均一化するために転位されている。ここでは、個々のテープ幅を３．５ｍｍ、テープ厚みを０．２５ｍｍとすると、１本当たりの転位におおよそ５０ｍｍを要するので、全体の転位には、約１．４ｍを要す。また、導体１１の外形は円形とし、外径は約１０ｍｍである。この導体１１を使って巻線する、平均直径８２０ｍｍ、コイル長７６０ｍｍ、コイル巻線部厚み１８０ｍｍの図３のようなソレノイド状コイルを考える。全体の転位長１．４ｍはコイル０．５ターン程度に相当する。コイル１０の中心部分の導体は、磁界の方向がコイル軸に平行であるため（図１参照）、（ａ）に示すように横磁界の方向に対してテープ線材１の幅広面が平行になるように巻き、コイル１０の端部では、図１に示すように磁界の方向がコイル軸に対して傾くため、図３（ｂ），（ｃ）に示すように、横磁界の方向に対してテープ線材１の幅広面が平行になるように捻って斜めに巻く。その中間においては、磁界の方向は徐々に変化するため、導体１１も徐々に傾くように巻く。
【００２３】
コイルの巻線を捻りながらコイル巻き枠に巻く方法の一例を図６に示す。同図において、１２はコイル巻き枠、１３はコイル巻き芯、１４は導体巻き取り枠である。コイル巻き枠１２に導体１１を巻く際に、導体１１のコイル上の位置に応じて導体１１が所定の角度捻られるように、導体巻き取り枠１４の軸を±９０度の範囲で傾けながらコイル巻き枠１２に巻くと、図３に示すコイル１０を得ることができる。
【００２４】
この形状のコイルを２０Ｋで用いると、コイルの最大通電電流が２．５ｋＡのとき、巻線部分におけるコイル軸方向の最大磁界は４Ｔ、コイル半径方向の最大磁界は２．５Ｔである。Ｂｉ２２２３テープ線材１本の臨界電流の磁界依存性を図４に示す。テープ幅広面に垂直に２．５Ｔの横磁界が加わるとテープ１本当たり９０Ａ流れるのに対し、テープ幅広面に平行に４Ｔの横磁界が加わると、５６％増の１４０Ａ流れる。テープ２８本では、前者は２．５ｋＡ、後者は５６％増の３．９ｋＡとなる。したがって、図３の例示のように、コイル巻線部分の磁界方向と導体断面の特定の方向（ここでは内部のテープ幅広面に平行方向）とを略一致させることにより、コイルの最大通電電流２．５ｋＡを変えないとすると、使用するテープ線材の本数を３６％削減できる。
【００２５】
次に、本コイルを６６Ｋで使用することを考える。図５に示すように、テープ幅広面に垂直な場合と平行な場合との臨界電流特性の差は２０Ｋに比べ顕著になる。コイル最大通電電流は０．４５ｋＡ、テープ幅広面に平行に加わる最大横磁界は０．７Ｔ、幅広面に垂直に加わる最大磁界は０．４Ｔである。このとき図５より、テープ１本の臨界電流値は、平行な横磁界０．７Ｔが印加されるとき４２Ａ、垂直な横磁界０．４Ｔが印加されるとき１６Ａである。テープ２８本では、後者は０．４５ｋＡ、前者は２．６倍の１．２ｋＡとなる。したがって、図３の例示のように、コイル巻線部分の磁界方向と導体断面の特定の方向（ここでは内部のテープ幅広面に平行方向）とを略一致させることにより、コイルの最大通電電流０．４５ｋＡを変えないとすると、使用するテープ線材の本数は６２％削減できることになる。
【００２６】
さらに損失についても、２０Ｋ、６６Ｋいずれの場合も、コイル巻き線のコイル内の位置にもよるが、局所的に最大１桁以上小さくできる。したがって、コイル全体で損失を数分の１に小さくできる。
【００２７】
Ｙ１２３やＴｌ  １２２３のテープ線材の場合は、臨界電流値の改善も期待できるが、特に損失の低減効果が著しい。これは、Ｙ１２３のテープ線材では超電導材料のＹ１２３が１〜１０ミクロン厚の膜状に形成されており、線材断面における超電導材料部分のアスペクト比が約３桁であることによる。したがって、横磁界の方向がテープ面に平行な場合、垂直な場合に比べ損失が約３桁小さい。
【００２８】
平角成形より線１本ないし複数本からなる超電導導体、あるいはそれらを一部とする超電導導体で巻線されたコイルを考える。コイルの形状は図３に示す形態と同じとする。図８に一例を示すように、超電導導体内に複数の平角成形より線２３がある場合、それらの幅広面同士が合わさるように積層されており、結果として、導体断面において内部の平角成形より線２３の幅広面に平行な方向が導体の「特定の方向」となる。この導体の特定の方向と、コイル巻線部分における発生磁界の方向とを略一致させる。その結果、内部の平角成形より線にはその幅広面に平行な方向の横磁界が印加されることになり、幅広面に垂直な方向に印加された場合に発生する大きな素線間結合損失を極めて小さくすることができる。従来の研究によると、結合損失を簡単に１桁小さくできる。あるいは導体の構造によってはさらに１桁から３桁小さくできる。なお図８において２４は安定化材、３２は構造材であるが、この例では、安定化材２４や構造材３２で発生する渦電流損失も幅広面に平行な横磁界が印加されるために小さくできている。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によると、超電導線材または超電導導体断面の特定の方向に磁界が加わると通電特性あるいは損失特性などに優れた性能が期待できる超電導線材または超電導導体でコイルを巻線する場合、巻線時あるいは巻線前に導体軸のまわりに適当な捻りを加えることによって、線材または導体に加わる外部横磁界の方向と、導体断面の特定の方向とを略一致させることができ、コイルの性能が飛躍的に高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  超電導コイルによる磁力線の方向及び強さを示す説明図である。
【図２】  導体の一例を示す斜視図である。
【図３】  コイル巻線の一例を示す斜視図である。
【図４】  ２０ＫにおけるＢｉ２２２３テープ線材の臨界電流特性グラフである。
【図５】  ６６ＫにおけるＢｉ２２２３テープ線材の臨界電流特性グラフである。
【図６】  コイル巻線時に導体を捻りながら巻く方法の例を示す斜視図である。
【図７】  一般的な導体の構造の例を示す断面図である。
【図８】  導体の別の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  テープ線材、２  介在テープ、３  コンジット、１０  コイル、１１  導体、１２  コイル巻き枠、１３  コイル巻き芯、１４  導体巻き取り枠、２１  素線、２２  門型の補強材、２３  平角成形より線、２４  安定化材、２５  コンジット、２６  一次より線、２７  小径の補強用線材、２８  二次より線、２９大径の補強用線材、３０  テープ状素線、３１  円形コンジット、３２  構造材
【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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【図８】
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