(57)【要約】【課題】超電導コイルの軸線方向の両端位置の超電導線に発生する磁界のうち超電導線の幅広面に対して直交方向の成分を少なくして、臨界電流の低下を防ぎ超電導コイルの特性を効率良く発揮する。【解決手段】超電導線１１ｅを巻回して形成したコイル部１１と、前記コイル部１１の軸線方向Ｙ両端側に配置される磁界分布調整用の大径部１２ａと、大径部１２ａ同士を連結し前記コイル部１１を軸線方向Ｙに貫通する小径部１２ｂとを有する鉄心１２と、を備えていることを特徴とする。【選択図】図１
2009111270.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状の超電導線を巻回して形成したコイル部と、
前記コイル部の軸線方向両端側に配置される磁界分布調整用の大径部と、大径部同士を連結し前記コイル部を軸線方向に貫通する小径部とを有する鉄心と、
を備えていることを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
前記大径部は前記コイル部の軸線方向端面と当接させて、前記コイル部と鉄心からなる磁気回路を形成するものである請求項１に記載の超電導コイル。
【請求項３】
前記コイル部は、シングルパンケーキコイルあるいはダブルパンケーキコイルを複数積層して形成されており、
前記大径部の外周縁は、前記コイル部の外周縁よりも径方向外側に突出し、突出長さ（Ｌ１）は、前記シングルパンケーキコイルあるいはダブルパンケーキコイルの軸線方向の長さ（Ｌ７）以上、前記コイル部の径方向の厚さ（Ｌ２）以下である請求項１または請求項２に記載の超電導コイル。
【請求項４】
前記大径部の軸線方向の先端面に磁束集中用の凸部を設けている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の超電導コイル。
【請求項５】
前記大径部又は前記凸部の軸線方向の先端面を平坦面、凹状の曲面あるいは凸状の曲面としている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の超電導コイル。
【請求項６】
前記鉄心は上部と下部に分割され、一方にネジ部を設けると共に他方に該ネジ部が挿通可能な切り溝を備えたネジ穴を設け、該ネジ穴に前記ネジ部を嵌合して上部と下部を嵌合する請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の超電導コイル。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の超電導コイルを備えた超電導機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイルに関し、詳しくは、超電導線を巻回したコイル部に電流を流した場合に、コイル部の軸線方向の両端位置に加わる磁界の分布を調整するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、帯状の超電導線を巻回して形成した種々の超電導コイルが提供されている。
例えば、特開２００２−１１０４１６号公報（特許文献１）で提供されている超電導コイルは、超電導線を所謂フラットワイズ巻きして超電導線の幅広面をコイルの軸線と平行としている。
【０００３】
このような超電導コイルの臨界電流は、帯状の超電導線に加わる磁界の強さだけでなく、磁界の方向の影響を受ける。即ち、帯状の超電導線の幅広面に対して直交方向の磁界が加わると、損失が大きくなり臨界電流が大きく低下する。
前記特許文献１で提供されている超電導コイルでは、超電導コイルに電流を通電すると、図７に示すような磁界５が発生する。超電導コイル１の軸線方向の中央付近では、超電導線２の幅広面と平行である磁界５が発生しているが、軸線方向の両端位置では、コイルの径方向、即ち超電導線２の幅広面に直交方向の成分を備える磁界５が発生している。
【０００４】
図８（Ａ）は、超電導線の幅広面に対して直交方向の磁界をかけた場合の臨界電流を示し、図８（Ｂ）は、超電導線の幅方向と磁界方向が平行である場合の臨界電流を示す。このグラフからわかるように、磁界の大きさや冷却温度の条件を変えても、いずれの場合も軸線方向に直交方向の磁界がかかった超電導線は、幅広面を磁界の方向と平行とした超電導線よりも臨界電流が小さくなる。なお、図８のグラフの縦軸の数値は、磁束密度０ステラ（Ｔ）、温度７７ケルビン（Ｋ）の状態で超電導線に通電した場合の臨界電流を１としたときの臨界電流の大きさを示す。
即ち、前記特許文献の超電導コイル１に電流を流した場合には、コイルの軸線方向の両端位置において、超電導線２の幅広面に直交方向の成分を備える磁界５が加わり、臨界電流が低下してクエンチが生じやすくなり、超電導コイル１の性能が低下してしまう問題がある。
【０００５】
また、超電導コイル内の分散した磁束を軸方向に収束させるために、鉄心にコイル軸上に配置する場合がある。この場合、鉄心の外周面から直交に漏れ磁束が発生し、超電導線には鉄心からも幅広面に直交方向の成分を備える磁場（磁界）が加わる。このため、鉄心がない場合に比べて超電導線の幅広面に直交方向の成分を備える磁場が多く加わるという問題がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１１０４１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、超電導コイルの軸線方向の両端位置の超電導線に加わる磁界のうち超電導線の幅広面に対して直交方向の成分を少なくして、臨界電流の低下を防ぎ超電導コイルの特性を効率良く発揮することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明は、帯状の超電導線を巻回して形成したコイル部と、
前記コイル部の軸線方向両端側に配置される磁界分布調整用の大径部と、大径部同士を連結し前記コイル部を軸線方向に貫通する小径部とを有する鉄心と、
を備えていることを特徴とする超電導コイルを提供している。
【０００９】
前記構成によれば、コイル部の軸線方向両端側に鉄心の大径部を設けているので、コイル部に電流を通電した場合に、従来ならばコイル部の軸線方向の両端位置に加わる磁界を鉄心の大径部に集中して分布させることができ、コイル部の両端位置において超電導線の幅広面に対して直交方向の磁界成分を少なくすることができる。このため、臨界電流の低下によるクエンチの発生を防ぎ、超電導コイルの特性を効率良く発揮することができる。
【００１０】
前記大径部は前記コイル部の軸線方向端面と当接させていることが好ましい。
前記構成により、鉄心の大径部、小径部とコイル部からなる磁気回路が閉成される。磁気回路が閉成されることで、コイル部の軸線方向の両端位置に加わる磁界をより大径部に集中して分布させることができる。
【００１１】
前記コイル部は、シングルパンケーキコイルあるいはダブルパンケーキコイルを複数積層して形成されており、
前記大径部の外周縁は、前記コイル部の外周縁よりも径方向外側に突出し、突出長さ（Ｌ１）は、前記シングルパンケーキコイルあるいはダブルパンケーキコイルの軸線方向の長さ（Ｌ７）以上、前記コイル部の径方向の厚さ（Ｌ２）以下であることが好ましい。
鉄心の大径部をコイル部の外周縁から突出させることで、コイル部の軸線方向の両端位置に加わる磁界を大径部の突出部分にも分布させることができ、コイル部の両端位置において超電導線の幅広面に対して直交方向の磁界成分を少なくすることができる。
【００１２】
鉄心の大径部を前記シングルパンケーキコイルあるいはダブルパンケーキコイルの軸線方向の長さ（Ｌ７）より短い長さで径方向外側に突出させると、コイル部の軸線方向の両端位置に加わる磁界を大径部の突出部分に分布させることができない場合がある。また、前記コイル部の径方向の長さ（Ｌ２）より長くすると、コイル部の軸線方向の両端位置に加わる磁界だけでなく、コイル部の他の位置に加わる磁界も大径部の突出部分に分布してしまい、超電導コイルの特性が低下することがある。
【００１３】
前記大径部の軸線方向の先端面に磁束集中用の凸部を設けていることが好ましい。
前記構成とすることで、鉄心を通る磁束は鉄心の突出部の凸部の先端面から出る。該超電導コイルがモータなどの超電導機器に用いられる場合、鉄心の凸部の先端面から集中して磁束が出ることで、効率よく超電導機器を動作させることができる。
前記鉄心の大径部の凸部の軸線方向の突出長さは、前記大径部の径方向外周端から小径部の径方向外周端の長さよりも小とすることが好ましい。該凸部の突出長さが大径部の径方向外周端から小径部の径方向外周端の長さ以上である場合には、凸部の側面から磁束が漏れ、該凸部の先端面から出る磁束が減少するためである。
【００１４】
前記大径部又は前記凸部の軸線方向の先端面を平坦面、凹状の曲面あるいは凸状の曲面としていてもよい。
凸部の軸線方向の先端面の形状により、鉄心の凸部の軸線方向の先端面から出る磁束の分布が変わる。このため、超電導コイルが用いられる超電導機器に応じて鉄心の軸線方向先端面から出る磁束の分布を変化させ、超電導機器を効率良く動作させることができる。
【００１５】
前記鉄心は上部と下部に分割され、一方にネジ部を設けると共に他方に該ネジ部が挿通可能な切り溝を備えたネジ穴を設け、該ネジ穴に前記ネジ部を嵌合して上部と下部を嵌合するものであってもよい。
前記構成とすることで、鉄心にコイル部を取り付けることができる。
【００１６】
また、前記コイル部は、超電導線を巻回した１層のコイルからなるシングルパンケーキコイルを軸線方向に連続させて設けて形成してもよい。また、２層のコイルが最内周ターンの渡り部で連続するダブルパンケーキコイルを軸線方向に複数積層して形成してもよい。
【００１７】
また、本発明は、前記超電導コイルを備えた超電導機器を提供している。
前記超電導機器としては、モータ、発電機、変圧器、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、限流器等が挙げられる。
【発明の効果】
【００１８】
前述したように、本発明の超電導コイルによれば、コイル部の軸線方向両端側に鉄心の大径部を設けているので、コイル部に電流を通電した場合に、従来ならばコイル部の軸線方向の両端位置に加わる磁界を鉄心の大径部に集中して分布させることができ、コイル部の両端位置において超電導線の幅広面に対して直交方向の磁界成分を少なくすることができる。このため、臨界電流が低下せず、クエンチを生じることなく安定して超電導コイルに通電を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１及び図２は本発明の第１実施形態を示す。
本発明の超電導コイル１０は、超電導線１１ｅを巻回して形成されたコイル部１１に鉄心１２を貫通させている。
【００２０】
鉄心１２は円柱形状の大径部１２ａと小径部１２ｂを備えており、小径部１２ｂはコイル部１１の径方向Ｘの中心部に配置してコイル部１１の中空１１ｄに軸線方向Ｙに貫通している。小径部１２ｂの直径ｒ１はコイル部１１の中心部の中空１１ｄに挿入できるようにコイル部１１の中空１１ｄの直径ｒ２よりも若干小さくしている。
【００２１】
大径部１２ａ−Ａ、１２ａ−Ｂはコイル部１１の軸線方向Ｙ両端側に配置し、小径部１２ｂで連結されている。また、大径部１２ａの軸線方向Ｙの端面１２ｃの一方をコイル部１１の軸線方向Ｙ端面１１ａと当接させる一方、大径部１２ａの他方の端面である軸線方向Ｙ先端面１２ｄは平坦面としている。
大径部１２ａの外周縁は、前記コイル部１１の外周端よりも径方向Ｘ外側に突出し、該突出長さＬ１は、後述するパンケーキコイル１１ｃの軸線方向Yの長さＬ７以上、コイル部１１の内周縁から外周縁の径方向Ｘの長さＬ２以下としており、本実施形態では本実施形態では突出長さＬ１はパンケーキコイル１１ｃの軸線方向Yの長さＬ７としている。
また、大径部１２ａの軸線方向Ｙの長さＬ３（厚み）はパンケーキコイルの軸線方向Ｙ長さＬ７と等しくしている。
大径部１２ａは磁界分布の調整を行っており、大径部１２ａの端面１２ｃがコイル部１１の軸線方向Ｙの端面１１ａと当接することで、コイル部１１と鉄心１２の小径部１２ｂ、大径部１２ａからなる磁気回路を形成している。
【００２２】
鉄心１２は小径部１２ｂと大径部１２ａが連結された部分で上部１２ｅと下部１２ｆに分割されており、上部１２ｅは大径部１２ａ−Ａ、下部１２ｆは小径部１２ｂと大径部１２ａ−Ｂからなる。下部１２ｆの小径部１２ｂの軸線方向Ｙの先端部をネジ部１２ｇとしている。上部１２ｅの大径部１２ａ−Ａの軸線方向Ｙの小径部１２ｂ側の端面１２ｃにはネジ穴１２ｈを凹設し、該ネジ穴１２ｈの内周面に小径部１２ｂのネジ部１２ｇが挿通可能な切り溝１２ｉを備えている。
小径部１２ｂのネジ部１２ｇを大径部１２ａのネジ穴１２ｈに螺合して上部１２ｅと下部１２ｆを連結している。
【００２３】
コイル部１１は、シングルパンケーキコイル１１ｃを軸線方向Ｙに複数積層して形成しており、該シングルパンケーキコイル１１ｃは、長さ方向に直交する幅を４ｍｍ、厚さを０．２ｍｍとした帯状のビスマス系超電導線１１ｅを円筒状の巻枠にフラットワイズ巻きしている。図１に示すように、複数のシングルパンケーキコイル１１ｃの軸線方向Ｙの端面同士を重ね合わせ、隣接するパンケーキコイルの超電導線１１ｅを夫々溶接して接続し、一つのコイル部１１としている。両端のパンケーキコイルの超電導線１１ｅの端面をリード線（図示せず）を介して電源（図示せず）と接続している。
このようにパンケーキコイルを配置することで、コイル部１１の超電導線１１ｅの幅方向とコイルの軸線方向Ｙは一致する。
【００２４】
次に、超電導コイル１０の組み立て方法を示す。
まず、コイル部１１の径方向Ｘ中心部の中空１１ｄに、小径部１２ｂと大径部１２ａ−Ｂからなる鉄心１２の下部１２ｆを小径部１２ｂの先端から挿入して貫通させ、コイル部１１の軸線方向Ｙの端面１１ａを大径部１２ａ−Ｂの端面と当接させる。
次に、鉄心１２の上部１２ｅに設けたネジ穴１２ｈに、鉄心１２の下部１２ｆの小径部１２ｂの先端のネジ部１２ｇを挿入して螺合する。鉄心１２の上部１２ｅである大径部１２ａ−Ａの軸線方向Ｙ端面１２ｃがコイル部１１の軸線方向Ｙの他方の端面１１ａと当接した位置で固定される。
【００２５】
図２（Ａ）は本発明の超電導コイル１０に通電した場合に発生する磁界分布を示している。図２（Ｂ）は比較例であり、鉄心１２に大径部１２ａを備えていない超電導コイル１０の磁界分布である。なお、磁界分布は上下対称でかつ軸線方向Ｙの軸に対して回転対称なので、図２は超電導コイル１０の上半分かつ右側のみの断面図を示している。
【００２６】
図２（Ｂ）においては、コイル部１１が発生する磁界によりコイル部１１の軸線方向Ｙの両端位置のパンケーキコイルに加わる磁束φの方向は、超電導線１１ｅの幅広面に対してほぼ直交方向である。鉄心１２の外周面から出る磁束φは外周面に対して直交となるため、該磁束φを受けるコイル部１１の両端位置においても超電導線１１ｅの幅広面に対してほぼ直交方向に磁束φが加わる。
一方、図２（Ａ）において、鉄心１２の大径部１２ａをコイル部１１の端面１１ａと当接させた本発明の超電導コイル１０は、鉄心１２から発生する磁束φが大径部１２ａに集中して分布しており、コイル部１１の両端位置に加わる磁束φは少なくなる。また、両端位置に加わる磁束φであっても、超電導線１１ｅの幅広面に対してほぼ直交方向に加わるのではなく、超電導線１１ｅの幅広面に対して斜め方向から加わっているので、直交成分が少なくなっている。
【００２７】
本発明によれば、鉄心１２に大径部１２ａを設けてコイル部１１の軸線方向Ｙの両端側に配置しているので、コイル部１１に電流を通電した場合に、コイル部１１の軸線方向Ｙの両端位置に加わる磁界が大径部１２ａに集中して分布し、コイル部１１の両端位置において超電導線１１ｅの幅広面に対して直交方向の磁界成分を少なくすることができる。
【００２８】
なお、コイル部１１はダブルパンケーキコイルを用いてもよい。
なお、図１では超電導線１１ｅ間に介在される絶縁材の図示を簡略化しているが、超電導線１１ｅを巻回する際には超電導線１１ｅに帯状の絶縁材を重ね合わせて、該絶縁材を超電導線１１ｅと共に巻回し、隣接する超電導線１１ｅ同士が接触しないようにしている。
【００２９】
図３は第１実施形態の変形例を示す。
鉄心１２の大径部１２ａの軸線方向Ｙの先端面１２ｄの形状を第１実施形態と異ならせている。
図３（Ａ）は鉄心１２の大径部１２ａの軸線方向Ｙの先端面１２ｄを凹状の曲面としたものである。磁束φは鉄心１２の先端面１２ｄに対して直交方向に出るため、先端面１２ｄを凹状の曲面とすることで磁束φの分布を所定位置に集中させることができる。
図３（Ｂ）は鉄心１２の大径部１２ａの軸線方向Ｙの先端面１２ｄを凸状の曲面としたものである。
図３（Ｃ）は鉄心１２の大径部１２ａの軸線方向Ｙの先端面１２ｄの径方向Ｘの長さ（直径）を、大径部１２ａのコイル部１１と当接する他方の端面の径方向Ｘの長さよりも短くしたものであり、大径部１２ａを断面台形状としたものである。
【００３０】
このように、大径部１２ａの先端面１２ｄ形状を変化させることで、超電導コイル１０が用いられる超電導機器に応じて鉄心１２の軸線方向Ｙ先端面１２ｄから出る磁束φの分布を変化させ、超電導機器を効率良く動作させることができる。
なお、図３においては、コイル部１１の軸線方向Ｙ両端側に配置された鉄心１２の大径部１２ａ−Ａ、１２ａ−Ｂは同一の形状であるため、大径部１２ａ−Ａのみを示している。
また、他の構成および作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３１】
図４は本発明の第２実施形態を示す。
鉄心１２の大径部１２ａの形状を第１実施形態と相違させており、前記大径部１２ａの軸線方向Ｙの先端面１２ｄに磁束集中用の凸部１２ｊを設けている。凸部１２ｊは円柱形状であり、本実施形態では凸部１２ｊの径方向Ｘの長さＬ４を小径部１２ｂの直径ｒ１と同じとしている。なお、凸部１２ｊの径方向Ｘの長さＬ４を小径部１２ｂより小さくしてもよい。
大径部１２ａの先端面１２ｄから凸部１２ｊの先端面１２ｋまでの長さ、即ち凸部１２ｊの軸線方向Ｙの突出長さＬ５は、凸部１２ｊの外周縁から大径部１２ａの外周縁までの径方向Ｘの長さＬ６よりも小としている。本実施形態では、該突出長さＬ５を凸部１２ｊの外周縁から大径部１２ａの外周縁までの径方向Ｘの長さＬ６の０．５５倍としている。
【００３２】
本実施形態によれば、大径部１２ａの軸線方向Ｙの先端面１２ｄに凸部１２ｊを設けることで、鉄心１２を通る磁束φは鉄心１２の凸部１２ｊの先端面１２ｋから集中して出るため、該超電導コイル１０がモータなどの超電導機器に用いられる場合に効率よく超電導機器を動作させることができる。
なお、他の構成および作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３３】
図５及び図６は第２実施形態の変形例を示す。
大径部１２ａの先端面１２ｄに設けた凸部１２ｊの軸線方向Ｙの先端面１２ｋの形状を第２実施形態と異ならせている。
図５（Ａ）は鉄心１２の凸部１２ｊの軸線方向Ｙの先端面１２ｋを凹状の曲面としたものである。
図５（Ｂ）は鉄心１２の凸部１２ｊの軸線方向Ｙの先端面１２ｋを凸状の曲面としたものである。
図６（Ａ）は鉄心１２の凸部１２ｊの軸線方向Ｙの先端面１２ｋの径方向Ｘの長さ（直径）を、小径部１２ｂの径方向Ｘの長さより短くしたものであり、凸部１２ｊを断面台形状としたものである。
図６（Ｂ）は鉄心１２の凸部１２ｊの軸線方向Ｙの先端面１２ｋの径方向Ｘの長さ（直径）を、小径部１２ｂの径方向Ｘの長さより長くしたものであり、凸部１２ｊを断面逆台形状としたものである。
【００３４】
このように、大径部１２ａの先端面１２ｄに設けた凸部１２ｊの軸線方向Ｙの先端面１２ｋの形状を変化させることで、超電導コイル１０が用いられる超電導機器に応じて鉄心１２の軸線方向Ｙ先端面１２ｋから出る磁束φの分布を変化させ、超電導機器を効率良く動作させることができる。
なお、図５及び図６においては、コイル部１１の軸線方向Ｙ両端側に配置された鉄心１２の大径部１２ａＡ、Ｂ及び凸部１２ｊは同一の形状であるため、大径部１２ａＡの凸部１２ｊのみを示している。
また、他の構成および作用効果は第２実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３５】
なお、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】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態の超電導コイルの断面図である。
【図２】（Ａ）は第１実施形態の超電導コイルの磁束φ分布図であり、（Ｂ）は比較例である。
【図３】第１実施形態の変形例を示す超電導コイルの断面図である。
【図４】第２実施形態の超電導コイルの断面図である。
【図５】第２実施形態の変形例を示す超電導コイルの断面図である。
【図６】第２実施形態の変形例を示す超電導コイルの断面図である。
【図７】従来例の超電導コイルを示す図面である。
【図８】（Ａ）（Ｂ）は超電導線に加わる磁界の方向と臨界電流の関係を示す図面である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  超電導コイル
１１  コイル部
１１ａ  端面
１１ｃ  シングルパンケーキコイル
１１ｅ  超電導線１１ｅ
１２  鉄心
１２ａ  大径部
１２ｂ  小径部
１２ｅ  上部
１２ｆ  下部
１２ｊ  凸部
１２ｋ  先端面
Ｘ  径方向
Ｙ  軸線方向
φ  磁束
【図１】
2009111270.tif 000003
【図２】
2009111270.tif 000004
【図３】
2009111270.tif 000005
【図４】
2009111270.tif 000006
【図５】
2009111270.tif 000007
【図６】
2009111270.tif 000008
【図７】
2009111270.tif 000009
【図８】
2009111270.tif 000010