(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導線材を巻回した無誘導コイルをクライオ容器内に収容した限流素子用超電導コイル装置において、大円の円周に沿ってその大円よりも半径が小さい小円が移動してできるトロイド状の領域に、前記大円の円周の方向に進みながら、前記大円の円周の周りを巻かれた第１の超電導線材と、前記第１の超電導線材に沿って巻かれた第２の超電導線材と、を有することを特徴とする限流素子用超電導コイル装置。
【請求項２】
前記第１および第２の超電導線材の長さが同じであることを特徴とする請求項１に記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項３】
前記大円に垂直な方向の磁界を印加するための磁界印加コイルを具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項４】
前記超電導線材と補強材を同時に巻回して構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項５】
前記超電導線材と絶縁材を同時に巻回して構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項６】
前記補強材が波状加工されたテープで構成されることを特徴とする請求項４に記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項７】
超電導線材を巻回した無誘導コイルをクライオ容器内に収容した限流素子用超電導コイル装置において、大円の円周に沿ってその大円よりも半径が小さい小円が移動してできるトロイド状の領域に、前記大円の円周に沿った軸の周りに超電導線材が巻かれた複数のユニットコイルを有することを特徴とする限流素子用超電導コイル装置。
【請求項８】
前記大円に垂直な方向の磁界を印加するための磁界印加コイルを具備することを特徴とする請求項７に記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項９】
前記ユニットコイルが、一層おきに逆向きの電流を流して前記ユニットコイルの軸に発生する磁界をゼロにするように構成している２層以上の偶数層のソレノイドコイルで構成していることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項１０】
前記ユニットコイルが、その軸の周りに巻かれている複数のコイルに交互に逆向きの電流が流れるように構成したパンケーキコイルであることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項１１】
前記ユニットコイルを３個以上有することを特徴とする請求項７ないし請求項１０のいずれかに記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項１２】
前記ユニットコイルが超電導線材を２条以上でかつ偶数条にバイファイラー巻きしたパンケーキコイルを一段または複数段積層してなることを特徴とする請求項７ないし請求項１１のいずれかに記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項１３】
前記ソレノイドコイルが、熱膨張率が超電導線材のそれ以下である絶縁物の巻枠で構成されていて、その巻枠に超電導線材巾以上の角型溝が彫られていて、その溝にそって巻き回してなることを特徴とする請求項９に記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項１４】
前記超電導線材と補強材を同時に巻回して構成されることを特徴とする請求項７ないし請求項１３のいずれかに記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項１５】
前記超電導線材と絶縁材を同時に巻回して構成されることを特徴とする請求項７ないし請求項１４のいずれかに記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項１６】
前記補強材が波状加工されたテープで構成されることを特徴とする請求項１４に記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項１７】
前記ユニットコイルが、絶縁物でできた板にレコードの溝状の溝を形成し、その溝に超電導線材を入れて構成することを特徴とする請求項７ないし請求項１６のいずれかに記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項１８】
前記ユニットコイルが、絶縁物でできた板にレコードの溝状の溝を形成し、その溝に超電導線材より幅の広い絶縁物製のスペーサを入れ、そのスペーサの上に超電導線材を載せて巻くことを特徴とする請求項７ないし請求項１６のいずれかに記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項１９】
前記ユニットコイルの周囲に共通接続部材を配置し、共通接続部材に各ユニットコイルからの端子を電気的に接続することを特徴とする請求項７ないし請求項１８のいずれかに記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項２０】
前記ユニットコイルの周囲に環状の二本の共通接続部材を配置し、共通接続部材に各ユニットコイルからの端子を電気的に接続することを特徴とする請求項７ないし請求項１８のいずれかに記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項２１】
前記共通接続部材を酸化物超電導体で構成したことを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項２２】
前記複数のユニットコイルを各々独立のクライオ容器に納めることを特徴とする請求項７ないし請求項２１のいずれかに記載の限流素子用超電導コイル装置。
【請求項２３】
三相の複数のユニットコイルを同じ順でトロイド状に配置することを特徴とする請求項７ないし請求項２２のいずれかに記載の限流素子用超電導コイル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流電路における過電流を抑制する限流器に使用できる限流素子用超電導コイル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特開平２−２０２３２０号公報に示された超電導コイル装置による限流器は、電流を制限以下に抑えるインダクタンスを有しかつ制限値以上の臨界電流値をもつ超電導限流コイルと、その制限値より小さく通常電流より大きい臨界電流値をもち並列に接続された第１の超電導コイルと第２の超電導コイルとが互いに無誘導に巻かれて成された超電導トリガコイルと、この超電導トリガコイルに直列に接続された復帰用スイッチとから構成されている。これらのコイルはソレノイド構成であり、クライオ容器内に設置され冷媒中に浸漬されて運転される。
【０００３】
次に動作について説明する。通常は、通常電流より大きい臨界電流値を持ち抵抗零で無誘導に巻かれた超電導トリガコイルを、電流は電圧降下なしで流れる。事故で電路電流が過大になると超電導トリガコイルがクエンチし、抵抗値が増大する。このとき、超電導トリガコイルの抵抗値を超電導限流コイルのインピーダンスより大きくなるように設定しておけば、超電導トリガコイルに流れていた電流は超電導限流コイルに転流し、短絡電流は超電導限流コイルのインピーダンスによって決定される値に限流される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したソレノイドコイル構成では、コイル端部で線材に垂直磁界がかかるため、均一に常電導転移せずにコイルが劣化するなどの問題点があった。特に、垂直磁界に対し性能劣化の著しいという異方性をもつ酸化物超電導テープ導体等の線材を用いる場合には、安定に通電できず大きな交流損失が発生するなどの問題点があった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、端部での垂直磁界がほとんど発生しない無誘導超電導コイルを構成することにより、安定に通電でき交流損失が小さく均一に常電導転移できる限流素子用超電導コイル装置を得ることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、超電導線材を巻回した無誘導コイルをクライオ容器内に収容し、大円の円周に沿ってその大円よりも半径が小さい小円が移動してできるトロイド状の領域に、前記大円の円周の方向に進みながら、前記大円の円周の周りを巻かれた第１の超電導線材と、前記第１の超電導線材に沿って巻かれた第２の超電導線材と、を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項１の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置では、超電導線材をトロイド状に配置して無誘導コイルとすることにより、コイルの磁界を均一に小さくして安定に通電し、交流損失を低減させると共に均一に常電導転移が可能となる。
【００１２】
請求項２の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項１の発明において、前記第１および第２の超電導線材は同じ長さであることを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置では、請求項１の発明の作用に加え、第１および第２の超電導線材は同じ長さなので、通常時のインピーダンスを低減できると共に偏流を防止できる。
【００１４】
請求項７の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、超電導線材を巻回した無誘導コイルをクライオ容器内に収容し、大円の円周に沿ってその大円よりも半径が小さい小円が移動してできるトロイド状の領域に、前記大円の円周に沿った軸の周りに超電導線材が巻かれた複数のユニットコイルを有することを特徴とする。
【００１５】
請求項７の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置では、超電導線材をトロイド状に配置して無誘導コイルとすることにより、コイルの磁界を均一に小さくして安定に通電し、交流損失を低減させると共に均一に常電導転移が可能となることに加え、同一で複数のユニットコイルを等間隔でおくことで巻線が容易に構成でき、ユニット化できるので、劣化がおきた場合に劣化した部分のみの取り替えが容易となる。
【００１８】
請求項３および請求項８の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項１または請求項２もしくは請求項７の発明において、前記大円に垂直な方向の磁界を印加するための磁界印加コイルを具備することを特徴とする。
【００１９】
請求項３および請求項８の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置では、請求項１または請求項２もしくは請求項７の発明の作用に加え、抵抗発生後に強制的に磁界をかけることで、抵抗転移を促進し線材の劣化を防止する。
【００２０】
請求項９の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項７または請求項８の発明において、前記ユニットコイルが、一層おきに逆向きの電流を流してコイル中心に発生する磁界をゼロにするように構成している２層以上の偶数層のソレノイドコイルで構成していることを特徴とする。
【００２１】
請求項９の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置では、請求項７または請求項８の発明の作用に加え、二層以上のソレノイドコイルの一層おきに逆向きに電流を流してコイル中心に発生する磁界をゼロにするので、巻き易く絶縁構成が容易に得られ通常のインピーダンスをより低減できる。
【００２２】
請求項１０の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項７または請求項８の発明において、前記ユニットコイルが、隣り合う複数の同心のコイルに交互に逆向きの電流が流れるように構成したパンケーキコイルを一段または複数段積層して構成されることを特徴とする。
【００２３】
請求項１０の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項７または請求項８の発明の作用に加え、パンケーキコイルを一段または複数段積層して形成されたユニットコイルの隣り合う複数の同心のコイルに交互に逆向きの電流を流す構成であるので、コイルを構成し易い。
【００２４】
請求項１１の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項７ないし請求項１０のいずれかの発明において、前記同心のコイルが３個以上であることを特徴とする。
【００２５】
請求項１１の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置では、請求項７ないし請求項１０のいずれかの発明の作用に加え、同心のコイルが３個以上であるので、よりインピーダンスを低減できる。
【００２６】
請求項１２の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項７ないし請求項１１のいずれかの発明において、前記ユニットコイルが超電導線材を２条以上でかつ偶数条にバイファイラー巻きしたパンケーキコイルを一段または複数段積層してなることを特徴とする。
【００２７】
請求項１２の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置では、請求項７ないし請求項１１のいずれかの発明の作用に加え、超電導線材を２条以上でかつ偶数条にバイファイラー巻きしたパンケーキコイルを一段または複数段積層してユニットコイルを構成しているので、線材にねじれる力をかけることがなく、通常のインピーダンスを非常に低減できる。
【００３０】
請求項１３の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項９の発明において、前記ソレノイドコイルが、熱膨張率が超電導線材のそれ以下である絶縁物の巻枠で構成されていて、その巻枠に超電導線材巾以上の角型溝が彫られており、その溝にそって超電導線材を巻き回してなることを特徴とする。
【００３１】
請求項１３の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置では、請求項９の発明の作用に加え、超電導線の動きを抑え、超電導線同士の接触による絶縁破壊による性能劣化から線材を保護できる。
【００３２】
請求項４および請求項１４の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、超電導線材を巻回した無誘導コイルをクライオ容器内に収容し、超電導線材をトロイド状に配置したことを特徴とする発明において、前記超電導線材と補強材を同時に巻回して構成されることを特徴とする。
【００３３】
請求項４および請求項１４の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置では、超電導線材をトロイド状に配置して無誘導コイルとすることにより、コイルの磁界を均一に小さくして安定に通電し、交流損失を低減させると共に均一に常電導転移が可能となることに加え、超電導線材と補強材を同時に巻き回すので、電磁力による性能劣化から線材を保護できる。
【００３４】
請求項５および請求項１５の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項１ないし請求項３のいずれかまたは請求項７ないし請求項１４のいずれかの発明において、前記超電導線材と絶縁材を同時に巻回して構成されることを特徴とする。
【００３５】
請求項５および請求項１５の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置では、超電導線材をトロイド状に配置して無誘導コイルとすることにより、コイルの磁界を均一に小さくして安定に通電し、交流損失を低減させると共に均一に常電導転移が可能となること、および、請求項１ないし請求項３のいずれかまたは請求項７ないし請求項１４のいずれかの発明の作用に加え、絶縁破壊による性能劣化から線材を保護できると共に、補強材を同時に巻き回すので絶縁破壊による性能劣化から線材を保護できる。
【００３８】
請求項６および請求項１６の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項４または請求項１４の発明において、前記補強材が波状加工されたテープで構成されることを特徴とする。
【００３９】
請求項６および請求項１６の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置では、請求項４または請求項１４の発明の作用に加え、補強材が波状加工されたテープであるので、電磁力保持、冷却効果、絶縁対策を一度に得られる。
【００４４】
請求項１７の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項７ないし請求項１６のいずれかの発明において、前記ユニットコイルが、絶縁物でできた板にレコードの溝状の溝を形成し、その溝に超電導線材を入れて構成することを特徴とする。
【００４５】
請求項１７の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置では、請求項７ないし請求項１６のいずれかの発明の作用に加え、ユニットコイルは絶縁物でできた円板のディスク型の溝に超電導線材を入れて構成するので、電磁力保持、冷却効果、絶縁効果を一度に得られる。
【００４６】
請求項１８の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項７ないし請求項１６のいずれかの発明において、前記ユニットコイルが、絶縁物でできた板にレコードの溝状の溝を形成し、その溝に超電導線材より幅の広い絶縁物製のスペーサを入れ、そのスペーサの上に超電導線材を載せて巻くことを特徴とする。
【００４７】
請求項１８の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項７ないし請求項１６のいずれかの発明の作用に加え、絶縁物でできた円板のディスク型の溝に超電導線材より幅の広い絶縁物製のスペーサを入れ、そのスペーサの上に超電導線材を載せて巻くので、線材にねじりをかけて劣化させることなく、電磁力保持、冷却効果、絶縁効果を得られる。
【００４８】
請求項１９の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項７ないし請求項１８のいずれかの発明において、ユニットコイル周囲に共通接続部材を配置し、共通接続部材に各パンケーキコイルからの端子を電気的に接続することを特徴とする。
【００４９】
請求項１９の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置では、請求項７ないし請求項１８のいずれかの発明の作用に加え、ユニットコイル周囲に共通接続部材を配置し、共通接続部材に各パンケーキコイルからの端子を電気的に接続するので、構成を簡単にできる。
【００５０】
請求項２０の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項７ないし請求項１８のいずれかの発明において、無誘導コイル周囲に環状の二本の共通接続部材を配置し、共通接続部材に各ユニットコイルからの端子を電気的に接続することを特徴とする。
【００５１】
請求項２０の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置では、請求項７ないし請求項１８のいずれかの発明の作用に加え、無誘導コイル周囲に環状の二本の共通接続部材を配置し、共通接続部材に各ユニットコイルからの端子を電気的に接続するので、構成を簡単にできる。
【００５２】
請求項２１の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項１７または請求項１８の発明において、前記共通接続部材を酸化物超電導体で構成したことを特徴とする。
【００５３】
請求項２１の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置では、請求項１７または請求項１８の発明の作用に加え、共通接続部材を酸化物超電導体で構成したので、接続部で発生する損失を低減できる。
【００５４】
請求項２２の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項１７または請求項１８の発明において、前記複数のユニットコイルを各々独立のクライオ容器に納めることを特徴とする。
【００５５】
請求項２２の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置では、請求項１７または請求項１８の発明の作用に加え、複数のユニットコイルを各々独立のクライオ容器に納めるので、構成を簡単にしメンテナンスを容易にできる。
【００５６】
請求項２３の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項７ないし請求項２２のいずれかの発明において、三相の複数のユニットコイルを同じ順でトロイド状に配置することを特徴とする。
【００５７】
請求項２３の発明に係わる限流素子用超電導コイル装置は、請求項７ないし請求項２２のいずれかの発明の作用に加え、三相の複数のユニットコイルを同じ順でトロイド状に配置するので、装置としてコンパクトにできる。
【００５８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わる限流素子用超電導コイル装置におけるコイル構成の説明図である。
【００５９】
図１に示すようにコイル１はトロイド状に形成されている。図２は、図１のトロイド状コイルのコイル方向での断面図である。４本の超電導線材が設けられており、各々の超電導線は２枚の同じ長さの超電導線材である超電導テープ２ａ、２ｂを重ねて形成されている。そして、絶縁材３および補強材４を介してそれぞれの超電導線は結合されている。
【００６０】
図３は、超電導線テープ２の一例として、３ｍｍ幅、０．３ｍｍ厚のＡｇシースの（Ｂｉ，Ｐｂ）２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｙ（Ｂｉ２２２３）酸化物超電導テープの臨界電流密度Ｊｃの磁界依存性を示した特性図である。Ｂｉ２２２３酸化物超電導テープでは、テープ面に垂直方向に磁界をかけた場合の臨界電流密度Ｊｃの劣化が著しい。そこで、この方向に磁界がかからないように超電導テープを配置すればさらに効果が望まれる。
【００６１】
すなわち、この第１の実施の形態では、図３の特性を持つＢｉ２２２３酸化物超電導テープ２ａ、２ｂを２枚重ねたものを超電導線材とし、図１のように、その超電導テープ面に垂直に磁界がかからないように配置している。これにより無誘導コイルを得るようにしている。
【００６２】
図２に示すように、４本の超電導線材は正の方向に電気を流す線材の長さと、負の方向に電気を流す線材の長さとが等しくなるように配置する。各線材に２００Ｍｐａ以上の引張り強度をもつ波状の補強材４を同時に巻き回して電磁力により線材が引張られ性能が劣化することに対し保護を行う。
【００６３】
補強材４には比誘電率が液体窒素の値に近いものを用いる。補強材４と線材との間には、絶縁紙、ＦＲＰ板、カプトンテープなどの絶縁材３を同時に巻き回して絶縁をとる。線材がホルムアール等の絶縁材３で被覆されている場合、または補強材４が絶縁材３で構成されているか被覆されている場合には、この絶縁材３は不要である。ここで、絶縁材３とは室温での体積抵抗率が１０７Ω・ｍ以上のものをさす。
【００６４】
この第１の実施の形態により、限流素子用として６．６ｋＶ級の限流素子用超電導コイル装置を製作したところ、通常は負荷率８０％まで交流５０Ｈｚで安定に通電でき、損失は１２０Ｗと小さく、事故時には均一に抵抗転移した。また、素子は劣化することなく良好な限流器としての性能が得られた。
【００６５】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図４は本発明の第２の実施の形態に係わる限流素子用超電導コイル装置の説明図である。
【００６６】
図４に示すように、２種類のユニットコイル５ａ、５ｂを用意し、これらを交互に一定の間隔を保って等間隔に配置し、共通接続部材６ａ、６ｂで接続して構成される。２種類のユニットコイル５ａ、５ｂについては後述する。電流は電極７ａから入りユニットコイル５ａを通り、共通接続部材６ａを経由してユニットコイル５ｂを通り、共通接続部材６ｂを経由して隣のユニットコイル５ａを通るという経緯を繰り返し、電極７ｂから出ていく。
【００６７】
図５はユニットコイル５の説明図であり、図５（ａ）はユニットコイル５の特性概念の説明図、図５（ｂ）はユニットコイル５の巻き方の説明図、図５（ｃ）はユニットコイル５の超電導線材の説明図である。
【００６８】
図５（ａ）に示すように、ユニットコイル５は３つの構成コイル８ａ、８ｂ、８ｃからなるパンケーキコイルを積層して構成している。すなわち、複数の超電導線材が同心に螺旋状に巻かれ、各線材に通電される電流の向きが交互に逆向きになるように形成される。各構成コイル８ａ、８ｂ、８ｃを通過する磁束の和が零となるようにターン数および面積を決定する。これにより、無誘導コイルを形成するようにしている。
【００６９】
たとえば、３つのコイルが構成コイル８ａ、構成コイル８ｂ、構成コイル８ｃの順に配置され、構成コイル８ａ、８ｃは正方向に電流が流れ、構成コイル８ｂには逆向きの電流を流すとして、各構成コイル８ａ、８ｂ、８ｃの断面積をＳａ、Ｓｂ、Ｓｃ、ターン数をＮａ、Ｎｂ、Ｎｃとした場合、以下の式が成立するように、各断面積Ｓおよびターン数Ｎを決定する。
【００７０】
Ｎａ・Ｓａ＋Ｎｃ・Ｓｃ＝Ｎｂ・Ｓｂ
ここで、最小構成コイル８ａの内直径は、超電導線材の曲げひずみによるＩｃ劣化が曲げがない場合と比較して１０％以内に抑えられるような値以上の径に設定する。
【００７１】
図６にその一例として、超電導線材がＡｇ／Ｂｉ２２２３テープである場合のＩｃと曲げ歪みとの関係を示す。この図６によるとＡｇ／Ｂｉ２２２３テープを使用する場合、Ｉｃ劣化１０％以内を満たすには、曲げ歪みは０．２５％未満である必要がある。
【００７２】
次に、ユニットコイル５の具体的な巻き方について図５（ｂ）を参照して説明する。ユニットコイル５には２種類あり、一つは図５（ｂ）に示すように、構成コイル８ａとコイル８ｃが右巻きで、構成コイル８ｂが左巻である場合である。これら構成コイル８ａ、８ｂ、８ｃを、断面がコ字型接続部材９を用いて直列接続する。このようにして形成されたシングルパンケーキコイルがユニットコイル５ａである。
【００７３】
一方、もう一つは、構成コイル８ａと構成コイル８ｃが左巻きで、構成コイル８ｂが右巻である場合である。これら構成コイル８ａ、８ｂ、８ｃを、断面がコ字型接続部材９を用いて直列接続する。このようにして形成されたシングルパンケーキコイルがユニットコイル５ｂである。
【００７４】
そして、ユニットコイル５ａ、５ｂをそれぞれ６個ずつ用意し、共通接続部材６ａ、６ｂにより電気的に接続する。つまり、これら２種類のユニットコイル５ａ、５ｂを図４に示すように交互に配置し、ユニットコイル５ａとユニットコイル５ｂは共通接続部材６ａ、６ｂで順次電気的に接続し、一周させることで直列接続を得る。
【００７５】
また、構成コイル８ａ、８ｂ、８ｃを製作する際は、図５（ｃ）に示すように超電導テープ２と絶縁材３と波状の補強材４とを共に巻き回す。ここで、超電導線テープ２または波状の補強材４が絶縁物により被覆されている場合、または波状の補強材４が絶縁物で構成されている場合には絶縁材３は不要となる。このようにして、３つの構成コイル８ａ、８ｂ、８ｃからなるパンケーキコイルを積層してユニットコイルとしている。
【００７６】
この第２の実施の形態では、性能に異方性のあるＢｉ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ２Ｏｙ（Ｂｉ２２１２）のＡｇシーステープ（３．８ｍｍ幅、０．２５ｍｍ厚）を ３枚重ねたものを超電導線材とし、より性能劣化するテープ面に垂直な磁界がかからないように線材を配置している。
【００７７】
また、共通接続部材６やコ字型接続部材９は銅または銅合金製のものを用いるが、さらに低損失が要求される場合は、臨界温度が７７Ｋ以上の超電導体のバルクを用い、線材との接続部材にＡｇメッキまたは半田メッキしてもよい。
【００７８】
この第２の実施の形態により、限流素子用として６．６ｋＶ級の限流素子用超電導コイル装置を製作したところ、通常は負荷率８５％まで交流５０Ｈｚで安定に通電でき、損失は１００Ｗと小さく、事故時には均一に抵抗転移した。また、素子は劣化することなく良好な限流器としての性能が得られた。
【００７９】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。図７は本発明の第３の実施の形態に係わる限流素子用超電導コイル装置の説明図であり、図７（ａ）は斜視図、図７（ｂ）は平面図である。
【００８０】
図７では、説明を簡単にするため４個のユニットコイル５が設けられた場合を示している。各ユニットコイル５の電流の入の部分の共通接続部材６ｓを環状共通接続部材１０ｓに電気的に接続し、電流の出の部分の共通接続部材６ｅを環状共通接続部材１０ｅに電気的に接続する。これにより、ユニットコイル５は並列接続される。
【００８１】
また、電流は電極７ｓから入り環状共通接続部材１０ｓを通って各ユニットコイル５に共通接続部材６ｓから入り、共通接続部材６ｅおよび環状共通接続部材１０ｅを通って電極７ｅから出ていく。環状共通接続部材１０ｓ、１０ｅは「印加電圧／冷媒の耐圧」分だけ空間的に距離を離す。
【００８２】
共通接続部材６、環状共通接続部材１０、電極７は、銅か銅合金製で形成される。そして、線材と接続する部分では電気的接続長を１０ｃｍ以上とるが、さらに低損失が要求される場合は、臨界温度が７７Ｋ以上の超電導体のバルクを用い、線材または接続端子との接続する部分にはＡｇメッキ又は半田メッキしてもよい。
【００８３】
ユニットコイル５はシングルパンケーキコイルを多層（例えば１６層）重ねて直列接続して構成される。図８に、ユニットコイル５内のシングルパンケーキコイルの構成図を示す。図８（ａ）は、補強材４に超電導テープ２を搭載して形成された超電導線がバイファイラー巻きされたものを示しており、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ部の詳細図、図８（ｃ）は図８（ｂ）のａ方向から見た部分側面図である。
【００８４】
図８（ａ）に示すように、超電導テープ２と補強材４との位置が反転するように中心部で巻き回しを行う。このときの巻き径Ｄは、超電導テープ２のＩｃの劣化が曲げを加えない場合と比較し１０％以内に収まる曲げ歪以下に抑えるように決定する。このように接続する場合、最内層のコイル径はＩｃの劣化が曲げを加えない場合と比較し１０％以内におさまる曲げ歪以下に抑えられる径の二倍が必要となる。
【００８５】
また、図８（ｂ）に示すように、超電導線は、２枚の超電導テープ２ａ、２ｂと補強材４とで形成され、バイファイラー巻きされた２枚の超電導線間の距離Ｌは、「かかりうる電圧／冷媒の耐圧」で決まる距離以上に離す。また、超電導線の超電導テープ２は、図８（ｃ）に示すように、補強材４より幅の狭いものが用いられている。ここで、補強材４の表面には必要に応じて絶縁材３が設けられる。
【００８６】
図９に、超電導線の巻き方を示す。ここで形成される超電導線は、１０ｍｍ幅、０．１ｍｍ厚のＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（Ｙ１２３）／ＹＳＺ／ハステロイ基板テープを２枚（２条）重ねたものを超電導線材とし、これら２枚を絶縁被覆した補強材と共に性能劣化の激しいテープ面に垂直な磁界がかからないようにバイフフイラー巻きする。このように、ユニットコイル５は超電導線材を２条以上でかつ偶数条にバイファイラー巻きしたパンケーキコイルを一段または複数段積層して形成される。
【００８７】
平面円板状の絶縁材であるＦＲＰ製板１１に、予めレコード状の溝１２を形成しておき、このＦＲＰ製板１１の中心部を固定具１３ａで回転自在に固定しておく。一方、超電導テープ２ａ、２ｂを巻き付けた２組の超電導テープ用リール１４ａ、１４ｂを用意し、その中心部を固定具１３ｂ、１３ｃで回転自在に固定すると共に、補強材４を巻き付けた２組の補強材用リール１５を固定具１３ｄで固定する。補強材用リール１５は、ホルムアールで絶縁被覆した非磁性体のＳＵＳ３１６製であり、補強材は、超電導線テープ２ａ、２ｂより幅の広いものとして形成されるので、その補強材用リール１５は、超電導線テープ２ａ、２ｂより幅の広いものが用意される。この補強材４はスペーサとしての役目もする。
【００８８】
そして、２組の各々の補強材の端部をＦＲＰ製板１１のレコード状溝１２に填め込み、補強材端部固定具１６でＦＲＰ製板１１に固定する。超電導テープ２ａ、２ｂは予め必要長の半分で引き出して各々の２個ずつの超電導テープ用リール１４ａ、１４ｂに巻かれており、引き出した部分を、ＳＵＳ３１６製の補強材４の中心上に載せて巻き始める。
【００８９】
レコード状溝にＳＵＳ３１６製の補強材４を填め込みながら、その上に超電導テープ２を乗せて巻き回していく。巻き線の終了後は超電導テープ２、補強材４ともに線の端部を巻き戻らぬよう固定し、平板からＦＲＰ製板１１ごと外し、その上にＦＲＰ製板１１と鏡像の関係にレコード状溝１２をきったＦＲＰ製板をかぶせてレコード状溝１２にＳＵＳ３１６製補強材２１の片端を填め込みパンケーキコイルを完成させる。
【００９０】
図１０に一層目と二層目との接続の様子を示す。図１０に示すように、一つめのシングルパンケーキコイルの外側の超電導テープ２ａと隣のシングルパンケーキコイルの内側の超電導テープ２ｂとを共通接続部材６ｂに電気的に接続することで直列接続する。このようにして、隣り合ったシングルパンケーキコイルを接続していく。
【００９１】
図１０の矢印は電流の流れる方向を示しており、電流は共通接続部材６ａから一つめのシングルパンケーキコイルの内側のテープ２ａ’から入り、超電導テープ２ａ、共通接続部材６ｂ、超電導テープ２ｂ、超電導テープ２ｂ’、共通接続部材６ａと出て行く。一つのユニットコイル５には２４０Ａ電流が流せる。そこで、例えば３ｋＡｒｍｓ通電するためには、８個のユニットコイル５を直径２ｍの円の周りに配置して並列接続しトロイダルコイルを構成することになる。
【００９２】
このように、ユニットコイル５は、隣り合う複数の同心のコイルに、交互に逆向きの電流が流れるように構成したパンケーキコイルを一段または複数段積層して構成される。また、一層おきに逆向きの電流を流してコイル中心に発生する磁界をゼロにするようにユニットコイル５を構成してもよい。
【００９３】
この第３の実施の形態により、限流素子用として ６６ｋＶ級の限流素子用超電導コイル装置を製作したところ、通常は負荷率９０％まで交流５０Ｈｚで安定に通電でき、損失は１０ｗと小さく、事故時には均一に抵抗転移した。また、素子は劣化することなく良好な限流器としての性能が得られた。
【００９４】
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。図１１は本発明の第４の実施の形態に係わる限流素子用超電導コイル装置の説明図であり、図１１（ａ）は概略斜視図、図１１（ｂ）はその概略側面図、図１１（ｃ）はユニットコイル５の説明図、図１１（ｄ）は溝付き巻枠の説明図である。
【００９５】
図１１（ａ）に示すように、ユニットコイル５は上部で環状共通接続部材１０ｅに接続され、下部で環状共通接続部材１０ｓに接続されている。すなわち、図１１（ｂ）の概略側面図に示すように、各々のユニットコイル５の超電導テープの端部は、ユニットコイル５の上部において、電極７ｅを介し環状共通接続部材１０ｅに接続され、ユニットコイル５の下部において、電極７ｓを介し環状共通接続部材１０ｓに接続されている。
【００９６】
図１１（ｃ）に示すように、ユニットコイル５は各々独立してクライオ容器１７内に入れられ、ユニットコイル５は二層のソレノイドコイルをインダクタンスがほぼ０となるように接続して構成されている。すなわち、図１１（ｄ）に示す溝付き巻枠の内側に右巻きコイルの一層目１８ａが正方向で接続され、溝付き巻枠の外側に二層目１８ｂが負方向に電流を流すように接続されている。これにより、無誘導コイルを形成している。超電導テープ２は、図１１（ｄ）に示すように、溝付き巻枠の角型でスパイラルにきった溝１９に巻き込んでいる。
【００９７】
ここで、電極７ｅ、７ｓおよび環状共通接続部材１０ｅ、１０ｓは、ジュール損を低減するため臨界温度が７７．３Ｋ以上である酸化物超電導体にＡｇまたは半田をメッキしたものを用いてもよい。
【００９８】
また、使用した超電導テープ２は、図１２に示すように、１μｍの酸化物Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７‐δ２０が１μｍのＹＳＺ板２１を介して幅１０ｍｍ、０．１ｍｍ厚の網目状基板のハステロイ板２２の上に蒸着された網目形状をしている。また、ソレノイドコイルはコイルのシータ方向の熱膨張係数が１．６×１０‐６［１／Ｋ］であるダイニーマＦＲＰを用いた。
【００９９】
第４の実施の形態により、限流素子用として ６６ｋＶ級の限流素子用超電導コイル装置を製作したところ、通常は負荷率９５％まで交流５０Ｈｚで安定に通電でき、損失は３０Ｗと小さく、事故時には均一に抵抗転移した。また、素子は劣化することなく良好な限流器としての性能が得られた。
【０１００】
次に、本発明の第５の実施の形態を説明する。図１３は本発明の第５の実施の形態に係わる限流素子用超電導コイル装置の説明図であり、図１３（ａ）は概略斜視図、図１３（ｂ）は磁界印加コイルの説明図である。
【０１０１】
ここで、限流素子用超電導コイル装置のユニットコイル５は、第３の実施の形態に説明したものと同じものであるが、ここでは、製作方法としてパンケーキコイルは事前に巻いたものをＦＲＰ製板のレコード状溝に入れる方法で製作したものを用いている。
【０１０２】
このユニットコイル５を、図１３（ａ）に示すように交流三相のＵ相、Ｖ相、Ｗ相交互に配置し、図１３（ｂ）に示すように各相ごとに環状共通接続部材１０ｕ、１０ｖ、１０ｗを介して接続する。そして、この三相全部が一つのトロイダルコイルとなっている無誘導の限流素子用超電導コイル装置に、図１３（ｂ）に示す向きに磁界がかかるように、磁界印加コイル２３を配置する。
【０１０３】
ここでかける磁界は、超電導テープのＩｃが磁界をかけないときと比較し ５０％以下になるように設定すればよい。たとえば、Ｂｉ２２２３超電導テープを使用した場合には、図３よりＢ：０．３Ｔ以上が必要となる。限流素子用超電導コイル装置の部分での空間の磁界の均一度は５％以内が望ましい。
【０１０４】
この第５の実施の形態により限流素子用として６６ｋＶ級の限流素子用超電導コイル装置を製作したところ、通常は負荷率９１％まで交流５０Ｈｚで安定に通電でき、損失は１０Ｗと小さく、事故時には均一にすばやく抵抗転移した。また、素子は劣化することなく良好な限流器としての性能が得られた。
【０１０５】
次に、本発明の第６の実施の形態を説明する。第６の実施の形態では、第２の実施の形態で用いる超電導テープ２として、図１４に示すような超電導テープを用いるようにしたものである。すなわち、第２の実施の形態と同じように、３個の逆向きの構成コイルでできたパンケーキコイルを用い、使用する超電導テープ２として図１４に示すものを用いる。
【０１０６】
図１４に示すように、１μｍの酸化物Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７‐δ２０が１μｍのＹＳＺ板２１を介して幅１０ｍｍ、０．１ｍｍ厚で裏側に０．２ｍｍの突起のあるハステロイ板２２の上に蒸着された形状をしている。この裏面に凹凸のある超電導テープ２と絶縁板と補強材とを第２の実施の形態のように巻き回す。波状補強材は使用しない。
【０１０７】
この第６の実施の形態により、限流素子用として６６ｋＶ級の限流素子用超電導コイル装置を製作したところ、通常は負荷率９１％まで交流５０Ｈｚで安定に通電でき、損失は１０Ｗと小さく、事故時には均一にすばやく抵抗転移した。また、素子は劣化することなく良好な限流器としての性能が得られた。
【０１０８】
次に、本発明の第７の実施の形態を説明する。図１５は本発明の第７の実施の形態の説明図であり、図１５（ａ）は円筒形絶縁物を間隔をおいて接着した絶縁物製線の説明図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）の絶縁物と超電導テープとを巻いたバイファイラー巻きコイルの説明図である。
【０１０９】
ユニットコイル５は第３の実施の形態と同じように、バイファイラー巻きをしたパンケーキコイルとする。図１５（ａ）に示すように、絶縁板として、例えば釣り糸のような絶縁物製の１ｍｍ径の絶縁物製線２４に１ｃｍごとに厚み１ｍｍ、１ｃｍ径のＧＦＲＰのような絶縁物製円筒２５を機械的に接着したものを使用する。絶縁物製線２４はポリエチレンでもよい。また絶縁物製円筒２５は球でもよいし、素材は窒化アルミでもよい。
【０１１０】
この絶縁板と超電導テープと補強材とを、図１５（ｂ）に示すように第３の実施の形態のように巻き回す。波状補強材は使用しない。
【０１１１】
この第７の実施の形態により限流素子用として６６ｋＶ級の限流素子用超電導コイル装置を製作したところ、通常は負荷率９６％まで交流６０Ｈｚで安定に通電でき、損失は９Ｗと小さく、事故時には均一にすばやく抵抗転移した。また、素子は劣化することなく良好な限流器としての性能が得られた。
【０１１２】
ここで、隣り合う超電導線材間に冷却手段を設けることも可能である。これにより、発熱を冷却できると共に、絶縁距離を考慮して冷却溝の幅を決定すれば絶縁もかねられる。
【０１１３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によればトロイド状に無誘導の超電導コイルを構成するので、安定で交流損失が小さく，均一に常電導転移する限流素子用超電導コイル装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる限流素子用超電導コイル装置のコイル構成の説明図。
【図２】本発明の第１の実施の形態におけるコイルの断面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態における超電導テープの臨界電流密度の磁界依存性を示した特性図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係わる限流素子用超電導コイル装置のコイル構成の説明図。
【図５】本発明の第２の実施の形態におけるユニットコイルの説明図であり、図５（ａ）はユニットコイルの特性概念の説明図、図５（ｂ）はユニットコイルの巻き方の説明図、図５（ｃ）はユニットコイルの超電導線材の説明図。
【図６】本発明の第２の実施の形態におけるユニットコイルの最小構成コイルの内径を求める場合のＡｇ／Ｂｉ２２２３テープのＩｃと曲げ歪みとの関係を示す特性図。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係わる限流素子用超電導コイル装置の説明図であり、図７（ａ）は斜視図、図７（ｂ）は平面図。
【図８】本発明の第３の実施の形態におけるユニットコイルの説明図。
【図９】本発明の第３の実施の形態におけるユニットコイルの巻き方の説明図。
【図１０】本発明の第３の実施の形態におけるユニットコイルの間の巻き方の説明図。
【図１１】本発明の第４の実施の形態に係わる限流素子用超電導コイル装置の説明図であり、図１１（ａ）は概略斜視図、図１１（ｂ）はその概略側面図、図１１（ｃ）はユニットコイル５の説明図、図１１（ｄ）は溝付き巻枠の説明図。
【図１２】本発明の第４の実施の形態における超電導テープの説明図。
【図１３】本発明の第５の実施の形態に係わる限流素子用超電導コイル装置の説明図であり、図１３（ａ）は概略斜視図、図１３（ｂ）は磁界印加コイルの説明図。
【図１４】本発明の第６の実施の形態における超電導テープの説明図。
【図１５】本発明の第７の実施の形態の説明図であり、図１５（ａ）は円筒形絶縁物を間隔をおいて接着した絶縁物製線の説明図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）の絶縁物と超電導テープとを巻いたバイファイラー巻きコイルの説明図。
【符号の説明】
１  コイル
２  超電導テープ
３  絶縁物
４  補強材
５  ユニットコイル
６  共通接続部材
７  電極
８  構成コイル
９  コ字型接続部材
１０  環状共通接続部材
１１  ＦＲＰ製板
１２  レコード状溝
１３  固定具
１４  超電導テープ用リール
１５  補強材用リール
１６  補強材端部固定具
１７  クライオ容器
２４  絶縁物製線
２５  絶縁物製円筒
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003892605.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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