(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一のコイルあるいは同軸に巻回された内側コイルおよび外側コイルを備え、前記単一のコイルあるいは前記内側コイルおよび外側コイルが円筒状の絶縁材で形成された巻枠にテープ状線材の単体あるいは積層されたものからなる高温超電導線材を巻回してなる超電導巻線からなる誘導機器の超電導コイルにおいて、前記巻枠の外径側に矩形の断面形状を有する高温超電導線材用の溝と前記高温超電導線材用の溝より深い冷却ダクト用の溝とを互いに交差するようにして設け、前記高温超電導線材用の溝に沿って前記高温超電導線材を巻回するとともに、前記高温超電導線材と同等の幅を有する半硬化状樹脂を塗布し含浸させたガラス繊維またはポリエステル繊維よりなる第１のテープを前記高温超電導線材用の溝に沿って前記高温超電導線材の外周側に巻回し、その外周側に周方向に間隔をあけてスペーサを設置し、該スペーサの外周に半硬化状樹脂を塗布し含浸させたガラス繊維またはポリエステル繊維よりなる第２のテープを軸方向全体にわたって巻回し硬化処理したことを特徴とする誘導機器の超電導コイル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変圧器やリアクトルなどの誘導機器に使用される超電導コイルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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化されている。一方、変圧器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、その実用化は進んでいない。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材が開発されて、変圧器などの交流機器への適用研究が行われている。その場合、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材が、実用的な超電導材料として使用されることがある。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超電導線材は、金属超電導体を使用した超電導線材に比べて運転コストが低いという特長がある。
【０００３】
図１４は、従来技術による変圧器のコイル構成図である。図１４において、鉄心１、内側コイル２、外側コイル３００は同心状に配置されており、その対称軸はこの図の鉄心１の左側にある。従って、鉄心１の外径側に内側コイル２が、更にその外径側に外側コイル３００が配置されていることを示している。変圧器の場合、一般的に内側コイルを低圧巻線、外側コイルを高圧巻線として使用している。
【０００４】
変圧器の場合、前記した低圧巻線と高圧巻線の巻回数の比は、変圧比にほぼ比例する。例えば、変圧比２の変圧器の場合、高圧巻線の巻回数は低圧巻線の巻回数のほぼ２倍となる。この場合、高圧巻線を２層構造として構成するのが一般的である。図１５は、内側コイル（低圧巻線）２を１層、外側コイル（高圧巻線）３を内径側巻線３１と外径側巻線３２との２層とした場合の従来技術による変圧器のコイル構成図である。
【０００５】
図１６は、従来技術による銀シース高温超電導線材を図１５のようなコイル構成の変圧器に適用した場合の巻線構造図である。図１６において、巻枠４０は内側コイル２用の巻枠であり、巻枠４は外側コイル３の内径側巻線３１用の巻枠であり、巻枠４１は外側コイル３の外径側巻線３２用の巻枠である。現在開発されている高温超電導線材５は、厚さが０．２ｍｍ程度のテープ状線材の単体あるいは積層されたものからなるため、ＦＲＰ等の絶縁物で構成された巻枠４０，４，４１の外径側に施した溝に埋め込むようにして捲かれる。
【０００６】
図１７は、図１６のＡ−Ａ断面図である。前記したように、超電導線材５は交流通電時に交流損失を発生するので、冷却効率を向上するために、半径方向に間隔をおいて液体窒素が流入できるような冷却ダクト６０，６，６１としての溝加工が巻枠４０，４，４１に施されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
変圧器の場合、負荷側で短絡事故が発生すると、大きな短絡電流が流れることにより過大な電磁力がコイルに働く。図１５に示した変圧器のコイル構成の場合、矢印の向きの電磁力が働くこととなる。すなわち、内側コイル（低圧巻線）２には径方向に内向きの力がかかり、外側コイル（高圧巻線）３には径方向に外向きの力がかかることになる。
【０００８】
短絡電流の大きさは変圧器の％インピーダンスの逆数倍となるので、例えば、％インピーダンスが１０％の場合、定格電流に対して１０倍の短絡電流が流れる。さらに、衝撃係数や波高値を考慮すると、短絡電流（実効値）に対して約２．５倍として電磁力を見積もる必要があり、結局％インピーダンスが１０％の場合は、定格電流（実効値）の２５倍の短絡電流（実効値）が流れるものとして対策を講じる必要がある。
【０００９】
一方、高温超電導線材を変圧器用コイルに適用した場合、超電導であるがゆえに電流密度は通常の油入変圧器に比べて５〜２０倍となる。従って、前述した短絡電流を考慮した場合、過大な電磁力がコイルにかかり、破損する危険性が非常に高くなる。図１５に示した変圧器のコイル構成の場合、内側コイル２は径方向に内向きの力が働くため、巻枠が電磁力支持を兼用することとなり、巻枠の厚みを適切な値とすることにより電磁力支持が可能となる。しかしながら、外側コイル３の場合は径方向に外向きの力が働くため、超電導線材には引っ張り力がかかり、電磁力支持をしないと最悪の場合断線する危険性が発生する。
【００１０】
本発明の目的は、前述した短絡事故時における電磁力による破損を防止し安全に継続運転することのできる、高温超電導線材を適用した誘導機器の超電導コイルを提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、単一のコイルあるいは同軸に巻回された内側コイルおよび外側コイルを備え、前記単一のコイルあるいは前記内側コイルおよび外側コイルが円筒状の絶縁材で形成された巻枠にテープ状線材の単体あるいは積層されたものからなる高温超電導線材を巻回してなる超電導巻線からなる誘導機器の超電導コイルにおいて、前記巻枠の外径側に矩形の断面形状を有する高温超電導線材用の溝と前記高温超電導線材用の溝より深い冷却ダクト用の溝とを互いに交差するようにして設け、前記高温超電導線材用の溝に沿って前記高温超電導線材を巻回するとともに、前記高温超電導線材と同等の幅を有する半硬化状樹脂を塗布し含浸させたガラス繊維またはポリエステル繊維よりなる第１のテープを前記高温超電導線材用の溝に沿って前記高温超電導線材の外周側に巻回し、その外周側に周方向に間隔をあけてスペーサを設置し、該スペーサの外周に半硬化状樹脂を塗布し含浸させたガラス繊維またはポリエステル繊維よりなる第２のテープを軸方向全体にわたって巻回し硬化処理することとした。このような構成とすることによって、超電導巻線にかかる半径方向に外向きの電磁力が硬化処理した第１のテープとその外周側の第２のテープとの両方で支持されるので、電磁力に対するより強固な支持構造となる。また、前記テープを形成するガラス繊維またはポリエステル繊維が優れた耐低温特性を有するので、極低温で使用される超電導コイルにおける電磁力に対する支持構造として十分な強度を有するものとなる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の参考例を示す変圧器のコイル構成図である。図１において、１１，１１１はスペーサ、１２は支持円筒であり、その他の構成要素は図１５と同じであり同じ符号を付してある。図１５との相違点は、外側コイル３のさらに外周側に支持円筒１２を設置し、外側コイル３の内径側巻線３１と外径側巻線３２との間、および外径側巻線３２と支持円筒１２との間にそれぞれスペーサ１１，１１１を挿入した点である。この構成とすることにより、外側コイル（高圧巻線）３にかかる半径方向に外向きの力を支持することができる。
【００２３】
図２は、図１の外側コイルの拡大断面図である。図２において、超電導線材５は、絶縁材料からなる巻枠４，４１の外径側に設けられた溝に沿って巻回されている。２層からなる巻線３１，３２間に絶縁材料からなるスペーサ１１を挿入し、内径側巻線３１にかかる力を支持する。最外径側に設置した支持円筒１２と外径側巻線３２との間に同様にスペーサ１１１を挿入することにより、外径側巻線３２にかかる力を支持する構造となっている。
【００２４】
図３は、図２の外側コイルの中心軸に垂直な断面図である。図３において、巻枠４，４１の外周側には、円周方向に１か所以上の溝すなわち冷却ダクト６，６１が設けてあり、冷却冷媒である液体窒素が流入できる構造となっている。これは、定常時において交流を通電した際に発生する交流損失による発熱を冷却するためのものである。
【００２５】
なお、図１ないし図３で示した第１の参考例では、外側コイルが２層の超電導巻線を半径方向に重ねて形成される構成について説明したが、外側コイル３が１層の超電導巻線から形成される構成にも本発明は適用可能であり、最外径側に設置した支持円筒と、外側コイルの超電導巻線との間にスペーサを挿入することにより、外側コイルの超電導巻線にかかる半径方向に外向きの力を支持することができる。
【００２６】
図４は、図３とは異なる別の参考例を示す断面図であり、図５は、図３とは異なるさらに別の参考例を示す断面図である。このようにすれば、さらに冷却表面積を増加することができ、冷却効率を向上することができる。図４は、スペーサ１１，１１１を２以上の複数のスペーサ１１Ａ，１１１Ａに分割し、間隔をあけて配置したものである。この構成にすれば、スペーサ１１Ａ，１１１Ａのそれぞれ隣接するもの同士の間の間隔が冷却ダクト６２，６３となるので、図３の参考例に比べ超電導線材５が冷媒に接する面積が大きくなる。さらに、スペーサ１１Ａ，１１１Ａの周方向の配置を図５に示すように、冷却ダクト６２，６３の周方向位置と巻枠４，４１に溝加工された冷却ダクト６，６１の周方向位置とが互い違いになるように配置することにより、超電導線材５の冷却される箇所を分散することができる。
【００２７】
図６は、本発明の第２の参考例を示す変圧器の外側コイルの拡大断面図である。図６において、１３は半硬化状樹脂含浸ガラスバインドテープ（以下では「ガラスバインドテープ」と称する）であり、その他の構成要素は図２と同じであり同じ符号を付してある。巻線３１，３２間および外径側巻線３２と支持円筒１２との間にスペーサを配置するかわりに、半硬化状のガラスバインドテープ１３を巻線３１，３２の外周に巻線全体、すなわち軸方向全体にわたって１層以上巻回して硬化処理したものである。巻線３１，３２にかかる外向きの電磁力は、硬化処理させたガラスバインドテープ１３で支持することとなる。図２の参考例に比較して、最外径側の支持円筒が不要となり、簡便な構成とすることができる。
【００２８】
なお、上記の半硬化状のガラスバインドテープは、ガラス繊維よりなるテープに半硬化状樹脂を塗布して形成されたものであり、ガラス繊維の有する優れた耐低温特性により極低温で使用可能な特性を有する。このテープの素材としてガラス繊維の代わりにポリエステル繊維等の他の優れた耐低温特性を有する繊維を用いてもよい。
図７は、図６の外側コイルの中心軸に垂直な断面図である。
【００２９】
なお、図２や図６に示す参考例の場合、外向きの力を支持するためには、超電導線材５がスペーサ１１，１１１あるいはガラスバインドテープ１３と直接接する必要があり、超電導線材５を埋め込むための巻枠４，４１の溝深さは超電導線材５の厚さと等しくする必要があり、溝加工時における溝深さに寸法精度が要求される。
【００３０】
図８は、本発明の第３の参考例を示す変圧器の外側コイルの拡大断面図である。図８において、１４はエポキシ樹脂であり、その他の構成要素は図２と同じであり同じ符号を付してある。巻線３１，３２間および外径側巻線３２と支持円筒１２との間にスペーサを配置するかわりに、溝加工された円筒状の巻枠４Ａ，４１Ａに超電導線材５を巻回し、巻枠４Ａ，４１Ａとの接触部にエポキシ樹脂１４を塗布して硬化させたものである。
【００３１】
図９は、図８の外側コイルの中心軸に垂直な断面図である。
本参考例の場合、前述したような超電導線材５を埋め込むための巻枠４Ａ，４１Ａの溝深さは、超電導線材５の厚さと等しくする必要はなく、あらかじめ超電導線材５の厚さより深く溝加工しておき、余った部分にエポキシ樹脂１４を塗布すればよい。従って、巻枠４Ａ，４１Ａの溝加工に厳密な寸法精度を要求する必要はなく、コスト的に有利となる。
【００３２】
また、エポキシ樹脂１４を塗布するかわりに、超電導線材５と同じ幅のガラスバインドテープを巻枠４Ａ，４１Ａの溝に沿って超電導線材５の外周側に１層以上巻回してもよい。
【００３３】
また、エポキシ樹脂は極低温でも十分な機械的強度で使用可能なものあるが、エポキシ樹脂の代わりに、極低温でも十分な機械的強度で使用可能な他の樹脂を用いてもよい。
【００３４】
なお、図８に示す第３の参考例の構成では、図２や図６に示す第１または第２の参考例に比較して、電磁力に対する支持力が低下し不十分となる場合がある。このような場合には、以下のようにすればよい。
【００３５】
図１０は、本発明の第４の参考例を示す変圧器の外側コイルの拡大断面図である。図１０において、１５および１６はガラスバインドテープであり、その他の構成要素は図２と同じであり同じ符号を付してある。溝加工された円筒状の巻枠４Ａ，４１Ａに超電導線材５を巻回し、超電導線材５と同じ幅のガラスバインドテープ１５を巻枠４Ａ，４１Ａの溝に沿って超電導線材５の外径側に１層以上巻回し、さらにその外周側に巻線全体、すなわち、軸方向全体にわたってガラスバインドテープ１６を１層以上巻回し、硬化処理することにより一体成形する。このガラスバインドテープ１５および１６により電磁力を支持する。
【００３６】
なお、ガラスバインドテープ１５を巻回するかわりに、巻枠４Ａ，４１Ａの溝に沿って超電導線材５の外径側にエポキシ樹脂を塗布してもよい。
図１１は、図１０の外側コイルの中心軸に垂直な断面図である。
【００３７】
図１１と図９とを比較すれば分かるように、本参考例は電磁力に対する強固な支持構造となっている。
【００３８】
図１２は、本発明の第１の実施例を示す変圧器の外側コイルの拡大断面図である。図１２において、１７，１７１はスペーサ、１８はガラスバインドテープ、１９はエポキシ樹脂またはガラスバインドテープであり、その他の構成要素は図２と同じであり同じ符号を付してある。図１３は、図１２の外側コイルの中心軸に垂直な断面図である。
【００３９】
巻枠４Ａ，４１Ａの溝に沿って超電導線材５の外径側にエポキシ樹脂または超電導線材５と同じ幅のガラスバインドテープ１９を塗布または巻回し、更にその外径側に周方向に間隔をおいてスペーサ１７，１７１を設置し、更にその外径側にガラスバインドテープ１８を巻線全体、すなわち、軸方向全体にわたって１層以上巻回して硬化処理を行う。
【００４０】
図１０および図１１で示した参考例では、巻線の外側全体をガラスバインドテープ１６で覆ってしまうため、超電導線材５に接している液体窒素が交流損失による発熱のために蒸発して発生した窒素ガスは、巻枠４Ａ，４１Ａの外周側に形成された冷却ダクト６Ａ，６１Ａに沿って上方向に抜けて行かざるを得ない。また、冷却ダクト６Ａ，６１Ａ内の液体窒素は全て高さ方向の最下側より流入することとなる。従って、交流損失が増大すると、上部の巻線ほど冷却が悪くなる可能性もある。これに対して、図１２および図１３に示した構成では、巻線全体を覆うガラスバインドテープ１８と冷却ダクト６Ａ，６１Ａとの間にスペースがあるため、蒸発したガスは巻線の外径側に抜けて行くことも可能となる。また、全てのターン間で液体窒素の冷却ダクト６Ａ，６１Ａへの流入・流出が自由になるため、高さ方向において上部巻線の冷却が悪くなることはない。さらに、最外径側のガラスバインドテープ１８にて巻線全体を覆っているため、図１０に示した参考例と同様の強固な電磁力支持構造となる。
【００４１】
スペーサ１７，１７１の材料としては、ステンレス等の高強度材料でもよいが、渦電流による損失が発生するため、ＦＲＰ等の絶縁材料を使用したほうが望ましい。
【００４２】
なお、上述した実施例および各参考例では、本発明を同軸に巻回された内側コイルおよび外側コイルを備えた変圧器の超電導コイルに適用した構成について説明したが、本発明は、変圧器以外のリアクトルなどの誘導機器の超電導コイルにも適用することができる。単一のコイルのみを備えたリアクトルにおいては、この単一のコイルを形成する全ての超電導巻線に半径方向に外向きの電磁力がかかるので、これら全ての超電導巻線に本発明のような電磁力対策を施す。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、前述のように、超電導線材と同等の幅を有する半硬化状樹脂を塗布した第１のテープを単一のコイルあるいは外側コイルの超電導巻線の溝に沿って前記超電導線材の外周側に巻回し、その外周側に周方向に間隔をあけてスペーサを設置し、該スペーサの外周に半硬化状樹脂を塗布した第２のテープを軸方向全体にわたって巻回し硬化処理することによって、前述した短絡事故時に発生する過大な電磁力による半径方向の力を支持することが可能となり、破損を防止でき、機械的に安定な誘導機器の超電導コイルを提供することができる。また、この構成では、半径方向に外向きの電磁力が硬化処理した第１のテープとその外周側の第２のテープとの両方で支持されるので、電磁力に対するより強固な支持構造となる。
【００５３】
また、かかる構成において、前記テープがガラス繊維またはポリエステル繊維よりなるものとすることによって、極低温で使用される超電導コイルにおける電磁力に対する支持構造として十分な強度を有するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の参考例を示す変圧器のコイル構成図。
【図２】  図１の外側コイルの拡大断面図。
【図３】  図２の外側コイルの中心軸に垂直な断面図。
【図４】  図３とは異なる別の参考例をしめす断面図。
【図５】  図３とは異なるさらに別の参考例をしめす断面図。
【図６】  本発明の第２の参考例を示す変圧器の外側コイルの拡大断面図。
【図７】  図６の外側コイルの中心軸に垂直な断面図。
【図８】  本発明の第３の参考例を示す変圧器の外側コイルの拡大断面図。
【図９】  図８の外側コイルの中心軸に垂直な断面図。
【図１０】  本発明の第４の参考例を示す変圧器の外側コイルの拡大断面図。
【図１１】  図１０の外側コイルの中心軸に垂直な断面図。
【図１２】  本発明の第１の実施例を示す変圧器の外側コイルの拡大断面図。
【図１３】  図１２の外側コイルの中心軸に垂直な断面図。
【図１４】  従来技術による変圧器のコイル構成図。
【図１５】  図１４とは異なる従来技術による変圧器のコイル構成図。
【図１６】  従来技術による超電導線材を用いた変圧器の巻線構造図。
【図１７】  図１６のＡ−Ａ断面図。
【符号の説明】
１…鉄心、２…内側コイル、３…外側コイル、４，４Ａ，４１，４１Ａ…巻枠、５…超電導線材、６，６Ａ，６１，６１Ａ，６２，６３…冷却ダクト、１１，１１Ａ，１１１，１１１Ａ，１７，１７１…スペーサ、１２…支持円筒、１３，１５，１６，１８…ガラスバインドテープ、１４…エポキシ樹脂、１９…エポキシ樹脂またはガラスバインドテープ、３１…内径側巻線、３２…外径側巻線。
【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】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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