3B-a01

安定性・保護Multi-Stacked 無絶縁 REBCO パンケーキコイルの局所的常電導転移時の電磁的挙動
Electromagnetic behavior during a local normal transition in multi-stacked no-insulation
REBCO pancake coils
尾下 遥，鄭 斉一，市川 哲理，柿本 雄太，金原 徹郎，石山 敦士(早稲田大学); 野口 聡(北海道大学)；
渡部 智則，長屋 重夫（中部電力）
ONOSHITA Haruka,Zheng Qiyi,ICHIKAWA Tetsuri,KAKIMOTO Yuta,KINPARA Tetsuro,ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.);
NOGUCHI So (Hokkaido Univ.); WATANABE Tomonori,NAGAYA Shigeo (Chubu Electric Power Co.,Inc)E-mail: atsushi@waseda.jp
1．はじめに無絶縁コイル（以下「NI コイル」）では，電流が常電導転移部を避けて隣接ターンへ転流し，ホットスポットの形成を抑制できることが示唆されている。これにより，従来の絶縁コイルでは二律背反の関係にある高電流密度化と高熱的安定性を両立できる巻線方式として期待されている。しかし，積層 NI コイ
ルでは，あるコイル内で常電導転移が発生すると通電電流が一定でも発生磁場が変化し，他のコイルに電圧が誘導され電流分布や全体の発生磁場が変化するといった絶縁コイルとは異なる電磁的挙動をすると考えられる。そのためコイル内の振舞を明らかにする必要がある。今回は内径 60[mm]の小口径
NI ダブルパンケーキコイルを作製し，これを 3 個積層して局所的常電導転移を模擬した実験と数値解析を行い，NI コイル
特有の電磁的挙動について検討を行ったので報告する。

Table.1 Specifications of NI REBCO Pancake coilParameters
ValuesREBCO
Tape width (mm)4.00
Conductor Copper stabilizer
20
thickness(µm)>80Tape Ic @77K, self-field (A)60;70NIi.d; o.d (mm)CoilHeight (mm)10.0Turn per pancake
50
Number of DP
3
Coil Ic @77K, self-field (A)60

2．実験方法
今回の実験で用いた試作NIコイルとREBCO線材の諸元をTable.1 に示す。各ダブルパンケーキコイルの上段，巻線中央の 25 ターン目に抵抗値が 1000[Ω]のヒーター（歪ゲージ）を設置した。さらに，NIコイルの中央にはホール素子が設置されている。実験は液体窒素中で行い，積層した各NIコイル(DP1,DP2,DP3)はそれぞれ直列に接続して通電した。
3．実験結果と数値解析結果
Fig.2 にスタックした中央の DP2 のヒーターに 10 秒間入熱した場合の中心磁場の変化を，Fig.3 に各 NI コイルの両端電圧の様子をそれぞれ示す。DP2 の中心磁場は上下の NI コイ
ルよりも大きく減衰している。これは NI コイル内で局所的常電導転移が発生した場合に転流によって周方向電流が減少し，径方向電流が増加する現象によるもので，先行研究[1]で示されている。DP2 の下段コイルおよび DP１，DP3 では，磁場の減少を妨げる誘導電流が発生していると考えられる。また，ヒータ
ー入熱を止めると中心磁場の値は元に戻ることから NI コイル
内の電流分布が局所的常電導転移前に戻ったといえる。
また、Fig.4,5 に今回の実験に対して行った数値解析の結果から中心磁場の変化と各 NI コイルの両端電圧の様子をそれぞれ示す。なお，数値解析には各パンケーキコイル毎に周方向と径方向の電流を求める集約型簡易計算方法[3]を使用した。中心磁場の変化を実験結果と比較すると，ヒーター投入時のそれぞれのコイルにおける磁場減少やヒーター入熱を止めた後の中心磁場が元に値に戻っていく様子がよく再現された。
本研究は科研費基盤研究 A(No. 26249036)によった。
参考文献
1. A.Ikeda, et al.: Abstracts of CSSJ Conference,
Vol.92 (2015) P.92
2. S.Yashiro, et al.: Abstracts of CSSJ Conference,
Vol.93 (2016) P.12
3. S.Noguchi, et al.: Abstracts of CSSJ Conference
Vol.95 (2017) P.20

Fig.2 Magnetic field traces during a heater input(Experiment)

Fig.3 Voltage traces during a heater input (Experiment)

Fig.4 Magnetic field traces during a heater input(Simulation)

Fig.5 Voltage traces during a heater input (Simulation)― 148 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

3B-a02

安定性・保護超高磁場用無絶縁 REBCO マグネットの熱的・機械的安定性
Thermal and mechanical stability of no-insulation REBCO magnets
for ultra high magnetic field generation
野口 聡（北海道大学／MIT）；PARK Dongkeun（MIT）；HAHN Seungyong（SNU/NHMFL）；岩佐 幸和（MIT）
NOGUCHI So (Hokkaido Univ./MIT); PARK Dongkeun (MIT); HAHN Seungyong (Seoul National Univ./NHMFL);IWASA Yukikazu (MIT)E-mail: noguchi@ssi.ist.hokudai.ac.jp
1．はじめに無絶縁巻線技術（No-Insulation Winding Technique; NI）[1]の登場により REBCO マグネットの安定性が向上した。液体窒
素冷却下において、臨界電流以上の電流を通電しても、焼損することなく、ダメージを受けにくいマグネットとして広く認識されている。Self-Protecting 機能と呼ばれることもあり、REBCO
マグネット開発に欠かせない技術となってきている。そして、超高磁場（30 T 以上）発生に NI-REBCO マグネットが応用され始めている。例えば、米国国立高磁場研究所（NHMFL）では、31.1 T のバックグラウンド磁場中で、12 個の NI REBCO パ
ンケーキで 14.4 T の発生に成功した（合計 45.5 T）。また、
NHML ではインサートコイルに NI REBCO パンケーキを用いることで 32 T の発生にも成功している。MIT では、1.3 GHz
NMR マグネットの開発を進めている。
本報告では、このような３０ T 以上の超高磁場を発生する
際の NI REBCO マグネットの熱的・機械的安定性について、シミュレーションを通じて検討していく。

Table 1. Specification of 6DP NI REBCO coils
30; 50Coil id; od (mm)Coil height (mm)4.0
Number of turns
200
70
Contact resistivity (µΩ•cm2)
Ic at 77 K (s.f.)
115
Operating temperature (K)
4.2
800

25
SP 1

700

SP 3

500

15

400
10

300

3．超高磁場 NI REBCO マグネットのシミュレーション
熱的・機械的安定性評価のためのシミュレーションとして、６
ダブルパンケーキ(DP)コイルが 15 T のバックグラウンドコイル
中で運転している条件を想定する。6DP コイルの諸元を表１に示す。液体ヘリウムによる冷却を想定し、200 A 通電中に一番下のシングルパンケーキコイル（SP 12）が突然、常電導転移したと仮定した（図１中の 0.5 s に常電導転移）。シミュレー
ション方法は各コイルの周方向と径方向の電流を求める簡易方法[2]を使用した。
図１に周方向電流と中心磁場の時間推移を示す。SP 12 が常電導転移し、まず SP 11 に大きな誘導電流が流れていることがわかる。そして、0.68 s 付近で SP 11 も常電導転移し、その後は、短時間に SP 10 → SP 1 と次々に常電導転移を引き

Nagnetic Field (T)Azimuthal Current (A)

600

SP 4
SP 5
SP 6
SP 7
SP 8
SP 9

200

5

SP 10

100

SP 11

0

SP 12

0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

Center Field

1Time (s)Fig. 1. Time transition of azimuthal current and on-axis
field. The SP 12 transitions into normal state at 0.5 s.
1.4
SP 1

1.2

SP 2
SP 3

1.0

SP 4
Strain (%)

2．NI REBCO マグネットの熱的・機械的安定性
超高磁場マグネットに共通している事項としては、NI 巻線
技術、パンケーキ巻きを採用し、インサートコイルとして使用、
もしくはネスティッド構造をしていることである。そして、大電流を流すために、液体ヘリウムによる浸漬冷却を採用している。
これまでの NI REBCO マグネットの性能試験では、液体窒素
による浸漬冷却がほとんどであったため、運転電流の大きさが大きく異なっていると言える。しかし、NI REBCO マグネット
を大電流運転している場合に、局所的な常電導転移が起きても、次ターンに電流が迂回することで、局所的な高発熱が起きなくなり、焼損を防げる。
一方で、超高磁場発生用 NI REBCO マグネットは、パンケーキが積層された構造が採用されており、一つのパンケーキ
が常電導転移した場合に、その隣のパンケーキコイルに大きな誘導電流が流れてしまう。そして、運転電流と誘導電流により発生するフープ力が許容フープ力を超え、パンケーキが破損することが予見される。したがって、このような NI REBCO マ
グネットは、常電導転移により焼損こそはしないが、機械的に大きなダメージを受けることになる。

SP 2

20

0.8

SP 5
SP 6

0.6

SP 7

0.4

SP 8
SP 9

0.2

SP 10

0.0

SP 11
0.0

0.2

0.4

0.6
Time (s)

0.8

1.0

SP 12

Fig. 2. Time transition of strain of each single pancake.
起こしている。そして、周方向電流も次第に大きくなっていることが分かる。
続いて、各パンケーキコイルの歪みの時間変化を図２に示す。REBCO テープ線材の最大許容歪みを 0.4%と想定した時、常電導転移前では問題ないが、0.5 s 以降は順次シングルパンケーキが常電導転移し、SP 1 – 11 の歪みが最大許容歪み
0.4%を超えていることが確認できる。これにより、REBCO テー
プ線材は機械的破損が起きたと想定できる。
以上より、超高磁場下での NI REBCO マグネットでも熱的に非常に安定しており、常電導転移を引き起こしても焼損す
ることはないであろう。しかし、大電流が誘導されることにより、
大きなフープ力が加わり、機械的な破損を引き起こすことがシ
ミュレーションにより明らかになった。
参考文献
1. S. Hahn, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., 21 (2010) pp. 15921595.
2. S. Noguchi, et al.: Abstracts of CSSJ Conference Vo. 95 (2017)p. 20.

― 149 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

3B-a03

安定性・保護

導電性樹脂を用いた REBCO コイルの伝導冷却試験
Test results of a conduction-cooled REBCO coil by using conductive epoxy resin
宮﨑 寛史，岩井 貞憲，宇都 達郎，草野 貴史，小柳 圭，石井 祐介，野村 俊自（東芝エネルギーシステムズ）
MIYAZAKI Hiroshi，IWAI Sadanori，UTO Tatsuro， KUSANO Takashi，
KOYANAGI Kei，ISHII Yusuke，NOMURA Shunji (Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation)
E-mail: hiroshi17.miyazaki@toshiba.co.jp
Table 1 Specification of two stacked pancake
impregnated with conductive epoxy resin
Tape width (mm)Tape thickness (mm)Tape length (m)Inner diameter (mm)Outer diameter (mm)Height (mm)Number of turns/pancake
Number of pancake
Inductance (mH)
(Reference value)

2．コイル試作
樹脂含浸したコイルが冷却時の熱応力で劣化することを防止するために，コイルを径方向に分割することが有効である。
径方向の分割とターン間の短絡を両立するため，離形処理したポリイミドテープと REBCO 超電導線材を共巻した含浸コイ
ルにおいて，コイル側面のみ導電性樹脂で含浸する構成とした。導電性樹脂をコイル側面に塗布した内径 500 mm，154 ターンのシングルパンケーキコイル 2 枚の間に伝熱板として0.25 mm の高純度アルミシートを挿入して接着し，2 積層コイ
ルを試作した。試作した 2 積層コイルの諸元を Table 1 に示
す。

107

1

I/I0, B/B0

0.8
0.6

I/I0
B/B0

0.4
0.2
0

0

200

400

600

Time (s)Fig. 1 Sudden discharging test result of two stacked pancake
coils impregnated with conductive epoxy resin

Voltage (mV)

20
15
10

Coil voltage

5
0

302

Power supply current (Ir+IΘ)

301
300
299

55

45

IΘ

298

296

60

50

40

297

4．まとめ
導電性樹脂を使用した内径 500 mm，2 積層コイルを試作
し，伝導冷却中にて通電試験を実施した。コイル温度 40 K，
300 A 通電時にコイル温度を上昇させる試験を実施した結果，コイルに電圧が生じてもすぐに熱暴走することなく，電流が径方向に迂回して，焼損を回避できることを確認した。

4
0.17
518
500
570
10
154
2

1.2

Current (A)3．伝導冷却試験
導電性樹脂を塗布した 2 積層コイルを伝導冷却試験装置に組み込み，高純度アルミシートを 2 段 GM 冷凍機の 2 段ス
テージに取り付けた。また，コイル温度を任意の温度に設定できるようにするため，2 段ステージにヒータを取り付けた。コイ
ルに流れている周方向の電流と径方向の電流は直接測定することが困難であるため，中心磁場を測定して，磁場係数の値から周方向の電流を算出し、電源電流と周方向電流の差分から径方向電流を算出した。最初に，電流が導電性樹脂を介して径方向に迂回することを確認するため，コイル温度を
40 K に設定した状態で，10 A 通電し，遮断試験を実施した。
Fig. 1 に規格化した電源電流 I/I0 および中心磁場 B/B0 を示す。時定数は，89 秒であり，径方向の抵抗に換算すると1.2 mであった。次に，コイル温度 40 K で，300 A 通電した状態で，2 段ステージに取り付けたヒータによりコイル温度を上昇させる試験を実施した。試験結果を Fig. 2 に示す。コイ
ル温度の上昇とともに，コイルに電圧が発生し，周方向電流が減少して、径方向に迂回する現象が観測された。最終的に，
2 積層間の差電圧が 1 V を超えて，電源が遮断したが，コイルは焼損することなく，その後の再測定の結果，劣化等の異常がないことを確認した。

coils

35

Coil temperature
0

200

400

600

800

Temperature (K)1．はじめに高温超電導コイルは，熱的安定性が高いため，低温超電導コイルに比べてクエンチする可能性は低い。しかし，万が一クエンチしてしまうと，ホットスポットが発生し，焼損してしまう危
険性が極めて高い。我々は，伝導冷却型高温超電導コイルの焼損を防止する方法として，導電性樹脂を用いてターン間を短絡させ，異常時には，導電性樹脂を介して電流を迂回させる方法を開発した。コイル保護は，一般的に電流密度および蓄積エネルギーが高いほど困難となるため，今回，導電性樹脂を使用した内径 500 mm，2 積層の REBCO コイルを試作
し，伝導冷却中にて通電試験を実施した。

30
1000

Time (s)Fig. 2 Overcurrent test result of two stacked pancake coils
impregnated with conductive epoxy resin― 150 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

3B-a04

安定性・保護▷ᑻ⥺ᮦ䜢⏝䛔䛯ᶍᨃⓗᐇ㦂䛻䜘䜛㻌ⷧ⭷⥺ᮦ䛷ᕳ䛛䜜䛯ఏᑟ෭༷䝬䜾䝛䝑䝖䛾䜽䜶䞁䝏ಖㆤ䛻䛴䛔䛶䛾᳨ウ䠄㻝䠅㻌㻱㼤㼍㼙㼕㼚㼍㼠㼕㼛㼚㻌㼛㼒㻌㼝㼡㼑㼚㼏㼔㻙㼜㼞㼛㼠㼑㼏㼠㼕㼛㼚㻌㼜㼛㼟㼟㼕㼎㼕㼘㼕㼠㼥㻌㼛㼒㻌㼏㼛㼍㼠㼑㼐㻙㼏㼛㼚㼐㼡㼏㼠㼛㼞㻌㼙㼍㼓㼚㼑㼠㼟㻌㼠㼔㼞㼛㼡㼓㼔㻌㼟㼕㼙㼡㼘㼍㼠㼕㼛㼚㻌㼑㼤㼜㼑㼞㼕㼙㼑㼚㼠㼟㻌㼡㼟㼕㼚㼓㻌㼟㼔㼛㼞㼠㻌㼜㼕㼑㼏㼑㼟㻌㼛㼒㻌㼏㼛㼍㼠㼑㼐㻌㼏㼛㼚㼐㼡㼏㼠㼛㼞㻌㻔㻝㻕㻌㻌㞵ᐑ㻌 ᑦஅ䠈⨶㻌 ⇊ᤩ䠈஭ୖ ぬ䠄ி኱䠅䠗᭮ᡃ㒊㻌 ཭㍜䠄ி኱䞉Ꮫ᣺ '&䠅$0(0,<$1DR\XNL/82;LMLH,128(6DWRUX .\RWR8QLYHUVLW\ 62*$%(<XVXNH .\RWR8QLYHUVLW\-636'& (PDLODPHPL\DQDR\XNLD#N\RWRXDFMSሙྜ䚸㟁ὶῶ⾶䛜༑ศ㏿䜔䛛䛷䛒䛳䛯䛯䜑䛻⥺ᮦ䛿ຎ໬䛧㻝䠊⫼ᬒ㻌䛶䛔䛺䛔䛣䛸䛜䜟䛛䜛䚹ప ㉸ఏᑟ䝬䜾䝛䝑䝖䛾䜽䜶䞁䝏ಖㆤ䛻䛴䛔䛶䛿䚸䜽䜶䞁䝏᳨ฟჾ䛻䛶㟁ᅽ䜢᳨ฟ䛧䛯䛾䛱䚸㐽᩿ჾ䛷㟁※䛛䜙䝬䜾䝛䝑ㅰ㎡㻌䝖䜢ษ䜚㞳䛧䚸እ㒊䛾ಖㆤ᢬ᢠ䛷䜶䝛䝹䜼䞊䜢྾཰䛩䜛䛸䛔䛖ᮏ◊✲䛿⛉Ꮫᢏ⾡᣺⯆ᶵᵓ䛾◊✲ᡂᯝᒎ㛤஦ᴗ䛂ᡓ␎ⓗ᪉ἲ䛜ᗈ䛟⏝䛔䜙䜜䛶䛔䜛䚹୍᪉䚸㧗 ㉸ఏᑟ䝬䜾䝛䝑䝖䛾䜽䜲䝜䝧䞊䝅䝵䞁๰ฟ᥎㐍䝥䝻䜾䝷䝮䛃䛾ᨭ᥼䛻䜘䜛䜒䛾䛷䛒䜛䚹䜶䞁䝏᳨ฟ䞉ಖㆤ䛿ᅔ㞴䛷䛒䜛䛸ゝ䜟䜜䛶䛔䜛䛜䚸௬䛻㟁ᅽ┘ど䛻䜘䜚䜽䜶䞁䝏䜢᳨ฟ䛷䛝䛯䛸䛧䛶䚸ಖㆤ᢬ᢠ䛷䜶䝛䝹䜼
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Current
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Current
Coillead䛷䛿䚸▷ᑻ⥺ᮦ䛾ᖖఏᑟ㒊䛾᣺䜛⯙䛔䛿䝬䜾䝛䝑䝖䛻䛚䛡䜛ᖖఏᑟ㒊䛾᣺䜛⯙䛔䜢䛒䜛⛬ᗘᶍᨃ䛷䛝䜛䛸⪃䛘䜙䜜䜛䚹㻟䠊ᐇ㦂⿦⨨䛸▷ᑻ⥺ᮦヨᩱ㻌ᐇ㦂⿦⨨䛾ᴫᛕᅗ䜢 )LJ 䛻♧䛩䚹ヨᩱ䛿ఏᑟ෭༷䛥䜜䛯᭷ຠ㛗  PP 䛾┤⥺≧ⷧ⭷⥺ᮦ䛷䚸⥺ᮦ㠃䛻ᆶ┤䛻᭱኱
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VT10

VT1
Cu-T

Cu-T
VT6 TS2
TS1 VT5
Quench heater

25 mm

150 mm25 mm

Voltage (mV)Current (A))LJ 6FKHPDWLFYLHZRIH[SHULPHQWDOVHWXS 97YROWDJHWDS
76 WHPSHUDWXUH VHQVRU &X7 FRSSHU FXUUHQWWHUPLQDO 

300
700
0.1 s delay(a) 600
Time constant of
500
200
current decrease 1.5 s
Quench detection at 100 mV 400
Voltage between VT1-VT10 300
100
200(~ 130 mm)
100
0
0
400
End of heat pulse(b)300
Estimated from voltage
200
between VT5-VT6 (~ 12 mm)
100
0
0
5
10
Time (s))LJ  $Q H[DPSOH RI H[SHULPHQW UHVXOWV D  FXUUHQW DQGYROWDJH RI HQWLUH VDPSOH 9797  E  HVWLPDWHG
KRWVSRWWHPSHUDWXUHQHDUTXHQFKKHDWHU 9797 
Temperature (K)㻠䠊ᐇ㦂ᡭ㡰㻌
ᐇ㦂䛾ᡭ㡰䛿௨ୗ䛾㏻䜚䛷䛒䜛䚹 ヨᩱ䛻ᡤᐃ䛾☢⏺䜢༳ຍ䛩䜛䚹 ヨᩱ䛾 ᗘ䜢ᡤᐃ䛾್䛻ไᚚ䛧䚸⮫⏺㟁ὶ䜢 ᐃ䛩䜛䚹 ᡤᐃ䛾㟁ὶ䜢ὶ䛧䚸 ᗘ䜢ᡤᐃ䛾್䛻ไᚚ䛩䜛䚹 䝠䞊䝍䛻䜘䜚ᖖఏᑟ㒊䜢Ⓨ⏕䛥䛫䜛䚹 ヨᩱ඲య䛾㟁ᅽ䠄඲㟁ᅽ䠅䛜ᡤᐃ䛾್䠄᳨ฟ㟁ᅽ䠅䛻䛺䛳䛯䜙䠄䝬䜾䝛䝑䝖䛾䜽䜶䞁䝏᳨ฟ䜢ᶍᨃ䠅䚸ᡤᐃ䛾㐜ᘏ᫬㛫ᚅ䛳䛶䠄㐽᩿ჾືస䜎䛷䛾㐜䜜䛺䛹䜢ᶍᨃ䠅䚸ヨᩱ㟁ὶ䜢䛒䜙䛛䛨䜑タᐃ䛧䛯᫬ᐃᩘ䛷ᣦᩘ㛵ᩘῶ⾶䛥䛫䜛䠄እ㒊᢬ᢠ䛻䜘䜛䜶䝛䝹䜼䞊྾཰᫬䛾㟁ὶῶ⾶䜢ᶍᨃ䠅䚹 ヨᩱ䛾ຎ໬䛾᭷↓䜢ㄪ䜉䜛䛯䜑䚸⮫⏺㟁ὶ䜢 ᐃ䛩䜛䚹௨ୖ䛾ᡭ㡰䛾ᐇ㦂䜢䚸䠄☢ሙ䚸䠅 ᗘ䚸㟁ὶ䚸᳨ฟ㟁ᅽ䚸䠄㐜ᘏ᫬㛫䚸䠅㟁ὶῶ⾶᫬ᐃᩘ䜢ኚ໬䛥䛫䛶⾜䛖䚹

Coated conductor― 151 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

3B-a05

安定性・保護▷ᑻ⥺ᮦ䜢⏝䛔䛯ᶍᨃⓗᐇ㦂䛻䜘䜛ⷧ⭷⥺ᮦ䛷ᕳ䛛䜜䛯ఏᑟ෭༷䝬䜾䝛䝑䝖䛾㻌䜽䜶䞁䝏ಖㆤ䛻䛴䛔䛶䛾᳨ウ䠄㻞䠅㻌㻱㼤㼍㼙㼕㼚㼍㼠㼕㼛㼚㻌㼛㼒㻌㼝㼡㼑㼚㼏㼔㻙㼜㼞㼛㼠㼑㼏㼠㼕㼛㼚㻌㼜㼛㼟㼟㼕㼎㼕㼘㼕㼠㼥㻌㼛㼒㻌㼏㼛㼍㼠㼑㼐㻙㼏㼛㼚㼐㼡㼏㼠㼛㼞㻌㼙㼍㼓㼚㼑㼠㼟㻌㼠㼔㼞㼛㼡㼓㼔㻌㼟㼕㼙㼡㼘㼍㼠㼕㼛㼚㻌㼑㼤㼜㼑㼞㼕㼙㼑㼚㼠㼟㻌㼡㼟㼕㼚㼓㻌㼟㼔㼛㼞㼠㻌㼜㼕㼑㼏㼑㼟㻌㼛㼒㻌㼏㼛㼍㼠㼑㼐㻌㼏㼛㼚㼐㼡㼏㼠㼛㼞㻌㻔㻞㻕㻌㻌⨶ ⇊ᤩ䠈஭ୖ ぬ䠄ி኱䠅䠗᭮ᡃ㒊㻌 ཭㍜䠄ி኱䞉Ꮫ᣺ '&䠅䠗㞵ᐑ㻌 ᑦஅ䠄ி኱䠅
/82;LMLH,128(6DWRUX .\RWR8QLYHUVLW\ 62*$%(<XVXNH .\RWR8QLYHUVLW\-636'& 
$0(0,<$1DR\XNL .\RWR8QLYHUVLW\ (PDLO[OXR#DVONXHHN\RWRXDFMS෭༷᮲௳䜔䜽䜶䞁䝏㐣⛬䛻䛚䛡䜛ᛂຊ䛾≧ែ䛺䛹䚸ᐇ㝿䛾㻝䠊┠ⓗ㻌䝬䜾䝛䝑䝖䛸▷ᑻ⥺ᮦ䛻䛿㐪䛔䛜䛒䜛䛜䚸௒ᅇ䛾ᐇ㦂⤖ᯝ䛿䚸䛂▷ᑻ⥺ᮦ䜢⏝䛔䛯ᶍᨃⓗᐇ㦂䛻䜘䜛ⷧ⭷⥺ᮦ䛷ᕳ䛛䜜䛯ᖖఏᑟ㟁ᅽ᳨ฟ䚸㟁※㐽᩿䚸እ㒊᢬ᢠ䛻䜘䜛䜶䝛䝹䜼䞊྾ఏᑟ෭༷䝬䜾䝛䝑䝖䛾䜽䜶䞁䝏ಖㆤ䛻䛴䛔䛶䛾᳨ウ䠄䠅䛃䛷ㄝ཰䛸䛔䛖ྂ඾ⓗ᪉ἲ䛷䛾㧗 ㉸ఏᑟ䝬䜾䝛䝑䝖䛾䜽䜶䞁䝏ಖ᫂䛧䛯᪉ἲ䛻䜘䜚䚸୺䛻䚸㟁ὶ䛾኱䛝䛥䚸㟁ὶῶ⾶᫬ᐃᩘ䜢ኚㆤ䛾ྍ⬟ᛶ䜢♧၀䛩䜛䜒䛾䛷䛒䜛䚹໬䛥䛫䛶䚸ຎ໬䞉↝ᦆ䛜㉳䛣䜙䛺䛔䚸ゝ䛔᥮䛘䜜䜀䝬䜾䝛䝑䝖䛾䜽䜶䞁䝏ಖㆤ䛾ྍ⬟ᛶ䛜䛒䜛㐠㌿㡿ᇦ䜢ぢᴟ䜑䜛䛣䛸䛜䚸ㅰ㎡ᮏሗ࿌䛾ᐇ㦂䛾┠ⓗ䛷䛒䜛䚹ᮏ◊✲䛿⛉Ꮫᢏ⾡᣺⯆ᶵᵓ䛾◊✲ᡂᯝᒎ㛤஦ᴗ䛂ᡓ␎ⓗᡃ䚻䛿䚸ⷧ⭷⥺ᮦ䛷ᕳ䛔䛯䝁䜲䝹䛷ᵓᡂ䛥䜜䛯  ᴟ䝬䜾䝛䜲䝜䝧䞊䝅䝵䞁๰ฟ᥎㐍䝥䝻䜾䝷䝮䛃䛾ᨭ᥼䛻䜘䜛䜒䛾䛷䛒䜛䚹䝑䝖䜢ᨺ་◊䛾 +,0$& 䝡䞊䝮䝷䜲䞁䛻タ⨨䛧䚸⢏Ꮚ䝡䞊䝮ධ
7DEOH6DPSOHLQIRUPDWLRQᑕ䛻ᑐ䛩䜛Ᏻᐃᛶ䜢ホ౯䛩䜛ணᐃ䛷䛒䜛䚹௒ᅇ䛾ᐇ㦂䛿䚸䛣
7\SH
)<6&6&+䜜䛻ඛ❧䛱䚸⢏Ꮚ䝡䞊䝮ධᑕ䛻䜘䜚ᖖఏᑟ㒊䛜Ⓨ⏕䛧䛯䛸䛝:LGWKRIVDPSOH
PP䛾䜽䜶䞁䝏ಖㆤ䛾ྍ⬟ᛶ䜢᳨ウ䛩䜛䜒䛾䛸䜒఩⨨௜䛡䜙䜜䜛䚹
)XMLNXUD7KLFNQHVV RI FRSSHU RQ
PP
㻞䠊ヨᩱ⥺ᮦ㻌
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7DEOH 䛻ㅖඖ䜢♧䛩䝣䝆䜽䝷䛸 6XSHU3RZHU 䛷〇㐀䛥䜜䛯஧
7\SH
6&6:LGWKRIVDPSOHPP✀㢮䛾⥺ᮦ䛷ᐇ㦂䜢⾜䛳䛯䚹๓⪅䛿ཌ䛥 PPu 䛾㖡Ᏻᐃ
6XSHU3RZHU
7KLFNQHVV RI FRSSHU RQ
PP
໬ᒙ䜢ᣢ䛱䚸 ᗘ .䚸እ㒊☢ሙ 7 䛷⮫⏺㟁ὶ್䛜⣙ HDFKVLGH$ 䛷䛒䜛䚹䛣䛾⥺ᮦ䛿䚸ᨺ་◊䛷ヨ㦂䛥䜜䜛䝬䜾䝛䝑䝖䛾〇స䛻⏝䛔䛯⥺ᮦ䛸䜋䜌ྠ➼䛺䜒䛾䛷䛒䜛䚹ᚋ⪅䛿䚸ཌ䛥 PPu
B = 2 T, T = 30 K, Vth = 100 mV, td = 0.1 s(a) 䛾㖡Ᏻᐃ໬ᒙ䜢ᣢ䛱䚸 ᗘ .䚸እ㒊☢ሙ 7 䛷⮫⏺㟁ὶ
Jtape = 426 A/mm2
3002್䛜⣙ $ 䛷䛒䜛䚹
J
#15
311 K
Cu = 869 A/mm

Current (A)

250
200
150

Ic degraded

#14
#13
#12
#11
#10
#9
#8

280 K

#7

175 K #21

#6

#20

#5

162 K #19

#4

#18

#3
#2
#1

151 K #17

#24

(336 K)

207 K #23

296 K

Jtape = 383 A/mm2
JCu = 779 A/mm2
Jtape = 353 A/mm2
JCu = 719 A/mm2

#22

231 K

189 K

Not degraded
Degraded

169 K

#16
100
B = 2 T, T = 30 K, Vth = 50 mV, td = 0.1 s(b)200
Current (A)㻟䠊ᐇ㦂⤖ᯝ㻌㟁ὶ䛾኱䛝䛥䚸㟁ὶῶ⾶᫬ᐃᩘ䜢ኚ໬䛥䛫䛶䜽䜶䞁䝏ヨ㦂䜢⾜䛳䛯䚹䜽䜶䞁䝏䛻䜘䜚ຎ໬䞉↝ᦆ䛜㉳䛣䛳䛯䛛䛹䛖䛛䜢 )LJ 䛻䜎䛸䜑䛯䚹)LJ 䛻♧䛧䛯䜽䜶䞁䝏ヨ㦂䛿඲䛶☢⏺ 7䚸ᗘ  .䚸ᖖఏᑟ᳨ฟ㟁ᅽ฿㐩䛛䜙㟁ὶῶᑡ㛤ጞ䜎䛷䛾㐜ᘏ᫬㛫  V 䛷⾜䛳䛯䚹)LJ  D 䛾䝣䝆䜽䝷〇⥺ᮦ䛾ヨ㦂䚸)LJ E 䛾 6XSHU3RZHU 〇⥺ᮦ䛾ヨ㦂䛷䚸᳨ฟ㟁ᅽ䛿䛭䜜䛮䜜
P9P9 䛸䛧䛯䛜䚸ពᅗ䛧䛶␗䛺䜛್䛸䛧䛯䜟䛡䛷䛿䛺䛔䚹ྛ䝉䝹䛻䛚䛔䛶䚸␒ྕ䛿ᙜヱヨᩱ⥺ᮦ䛾䜽䜶䞁䝏ヨ㦂䛾㏻䛧␒ྕ䚸‫ۑ‬䞉‫ݳ‬䛿䜽䜶䞁䝏ヨ㦂ᚋ䛻⮫⏺㟁ὶ䛾ຎ໬䠄䛒䜛䛔䛿᩿⥺䠅䛜䛒䛳䛯䛛䛹䛖䛛䜢♧䛧䛶䛔䜛䚹䜎䛯䚸୍㒊䛾䝉䝹䛻᭩䛛䜜䛶䛔䜛 ᗘ䛿ศὶ䝰䝕䝹䛸㖡䛾᢬ᢠ್䛾 ᗘ౫Ꮡᛶ䜢⏝䛔䛶䚸䜽䜶䞁䝏䝠䞊䝍௜㏆䛾㟁ᅽ䛛䜙ィ⟬䛧䛯䝩䝑䝖䝇䝫䝑䝖 ᗘ䛷䛒䜛䚹㖡Ᏻᐃ໬ᒙཌ䛥䛜  PP u  䛾䝣䝆䜽䝷〇⥺ᮦ䛷䚸㟁ὶῶ⾶᫬ᐃᩘ䜢 V 䛸䛧䛯ሙྜ䚸㟁ὶ䜢 $ 䜎䛷ୖ䛢䛶䜒䜽䜶䞁䝏䛻䜘䜛⮫⏺㟁ὶ䛾ຎ໬䛿ぢ䜙䜜䛺䛛䛳䛯䚹㟁ὶῶ⾶᫬ᐃᩘ䜢 V 䛩䜛䛸䚸$ 䜎䛷䛿ຎ໬䛜ぢ䜙䜜䛺䛛䛳䛯䛜䚸$䛷䛾䜽䜶䞁䝏ヨ㦂ᚋ䚸⮫⏺㟁ὶ್䛾పୗ䛜ほ 䛥䜜䛯䚹䛣䛾䛸䛝䛾⥺ᮦ᩿㠃✚䛸㖡Ᏻᐃ໬ᒙ᩿㠃✚䛷ᖹᆒ䛧䛯㟁ὶᐦᗘ䛿䛭䜜䛮䜜 $PP$PP 䛷䛒䛳䛯䚹㖡Ᏻᐃ໬ᒙཌ䛥䛜  PP u  䛾 6XSHU3RZHU ⥺ᮦ䛷䚸㟁ὶ
ῶ⾶᫬ᐃᩘ䜢 V 䛸䛧䛯ሙྜ䚸$ 䜎䛷䛿ຎ໬䛜ぢ䜙䜜䛺䛛䛳䛯䛜䚸$ 䛷䛾䜽䜶䞁䝏ヨ㦂䛷ヨᩱ䛜↝ᦆ᩿⥺䛧䛯䚹䛣䛾䛸䛝䛾⥺ᮦ᩿㠃✚䛸㖡Ᏻᐃ໬ᒙ᩿㠃✚䛷ᖹᆒ䛧䛯㟁ὶᐦᗘ䛿䛭䜜䛮䜜 $PP$PP 䛷䛒䛳䛯䚹
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150

Burnt out
#13
#12
#11
#10
#9

(382 K)
259 K

Solder of VT4
melted (T > 412 K)

Jtape = 475 A/mm2
JCu = 1188 A/mm2
Jtape = 450 A/mm2
JCu = 1125 A/mm2
Not degraded
Degraded

100

1
1.5
2
Time constant of current decrease (s))LJ([SHULPHQWUHVXOWV D )XMLNXUD E 6XSHU3RZHU

㻌

(a)
(b)

)LJ  3KRWR RI VDPSOH DIWHU H[SHULPHQWV D  EXUQ RXW E 
EXPS

― 152 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

3B-a06

安定性・保護素線絶縁のない複数のテープ線で構成される導体を用いた
高温超電導パンケーキコイルの局所的 Ic 低下に対する安定性
Stability against local critical current degradation in HTS pancake coilusing conductor composed of multiple tape wires without wire insulation
西岡 翼，宮城 大輔，津田 理（東北大学）；高尾 智明, 塚本 修巳（上智大学）
NISHIOKA Tsubasa，MIYAGI Daisuke，TSUDA Makoto (Tohoku Univ.);
TAKAO Tomoaki，TSUKAMOTO Osami (Sophia Univ.)
E-mail: tsubasa.nishioka.t1@dc.tohoku.ac.jp
Table 1. Specifications of sample HTS pancake coilSampleCoil.inner diameter. [m]1.5Tape thickness (Insulation) [mm]0.22Tape thickness (Non insulation)[mm] 0.16
Tape width[mm]4.0
n value
33
Number of Turns
75

1．はじめに近年，高磁場化へ向けて高温超電導コイルの製作が行われているが，巻数を増やす程インダクタンスが増加し，異常時のコイル保護が遅れてしまう事が問題となっている。そこで，本研究では，導体間は絶縁されているものの，導体を構成する
テープ線間は絶縁されていない 2 並列導体に着目し，局所的に通電特性が劣化した場合の電流・温度分布解析を行うこと
により，コイルの安定性を検討した。
2．解析方法・諸元
解析では，2 並列導体を 75 ターンしたシングルパンケーキ
コイルを対象とした。Table.1 にコイルの諸元を示す。テープ線の臨界電流値は，正常部が 200A であるのに対して劣化部を100A とし，電流分布解析には Fig.1 の電気回路モデルを用いた[1]。円周方向の分割数を 12 とし，18 周目の 1 要素が劣化しているとした。また，温度分布解析は，初期温度を 77K とし，
断熱条件下で行った。なお，励磁速度を 40A/s，目標電流を280A(負荷率 0.7)とし，目標電流到達後は，目標電流で一定とした。
3．電流分布解析結果
導体に劣化部が無い場合における，目標電流到達時と，十分時間が経過した 1000 秒後の電流分布解析結果を Fig.2 に示す。ここで，横軸は，コイルの巻数に対応し，縦軸は，並列導体を構成する各テープ線の電流値に対応している。目標電流到達時は，入力端(1 ターン目)付近において，並列導体内側(テープ線 1layer)に電流が集中する偏流現象が見られた。
しかし，出力端(75 ターン目)に近づくにつれて，電流の大小が逆転し，並列導体外側(テープ線 2layer)に電流が偏流した。
また，時間が経過するにつれて，偏流は次第に解消され，1000 秒後には，ともに一定の電流値に落ち着いた。導体に劣化部がある場合の結果を Fig.3 に示す。これより，劣化部だけでなく，正常部においても偏流が発生し，1000 秒が経過しても，偏流が解消されないことが分かった。
4．温度分布解析結果
劣化部無しの場合は，目標電流到達直後(7 秒後)において，
コイル入力端・出力端付近で発熱が見られた。これは，Fig.2の様に，コイル端部を中心に偏流が発生して，発熱が生じたためである。その後，時間が経過するにつれて，偏流が解消され，発熱量も減少したため，1000 秒後の温度上昇は全体として 0.04K 程度であった。一方，劣化部有りの場合は，目標電流到達直後に劣化部を中心として，局所的に 0.07K 程度の温度上昇が見られたが，2350 秒が経過しても熱暴走は発生しなかった。なお，2350 秒後の劣化部付近の温度上昇は，1.93K
程度であった。以上より，素線絶縁の無い，複数のテープ線で構成される導体を用いてコイルを構成すれば，劣化部があり，転流時の最大電流が高負荷率になる場合でも，コイルの熱的安定性を長時間保持できることが分かった。
謝辞
本研究は JSPS 科研費 JP16K06238 の助成を受けたものです。

Fig.1 Electrical circuit for an HTS pancake coil using a
conductor composed of two tape wires without wire insulation

Fig.2 Current distribution in an HTS pancake coil without local
critical current degradation

Fig.3 Current distribution in an HTS pancake coil with local
critical current degradation
参考文献[1] Tao Wang et al: IEEE vol.25,no. 3 2015

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第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会