2A-a01

MRI / 遮蔽電流磁場 (2)MRI 用 1/2 サイズアクティブシールド型３ＴREBCO 超電導マグネット
Half-size 3T REBCO superconducting magnet with active shielding coils for MRI
横山彰一，三浦英明，野村航大，松田哲也，井上達也，江口諒，森田友輔，大竹俊輔，佐藤伸治（三菱電機）
YOKOYAMA Shoichi, Miura Hideaki, Nomura Kota, Matsuda Tetsuya, Inoue Tatsuya,
Eguchi Ryo, Morita Yusuke, Otake Syunsuke, Sato Shinji (Mitsubishi Electric Corp.)
E-mail: Yokoyama.Shoichi@dx.MitsubishiElectric.co.jp
１．はじめに液体ヘリウムレスの医療用 MRI 超電導マグネットを実用化するための研究開発を平成 28 年度より NEDO プロジェクトとして実施中である[1-3]。本プロジェクトでは、ＭＲＩシステムへの実用化に向け超電導マグネットシステムを開発し、課題などを検討しており、今年度（H30）には 1/2 サイズアクティブシー
ルド型 3T マグネットを試作し、ＭＲＩへの適用を検証する。本
報告では、1/2 サイズアクティブシールド型 3T マグネットの試
作状況および冷却システムについて述べる。
２．1/2 サイズアクティブシールド型３Ｔマグネット試作状況
本年度完成を目指し、試作している 1/2 サイズアクティブシ
ールド型３Ｔコイルの諸元を Table 1 に示す。コイルは３分割のメインコイルと１対のアクティブシールドコイルから成る。使用する超電導線材の線長は 72km、インダクタンスは 145H、イメージング定格磁場 2.9T での蓄積エネルギーは 1.6MJ である。
コイルはシングルパンケーキコイルを 220 枚積層し接続する。
コイルの径方向巻線精度は 0.1mm でありコイルの各ブロックの軸方向、径方向設置位置精度は 0.5mm で製作している。
現在、コイル積層を実施しており、全体組立後に後述のクライ
オスタットに組み込み、真空引き後冷却し、励磁、磁場均一度測定およびシミングを行い、磁場均一度 2ppm 以下を達成し、イメージングによる実証を行う予定である。
３．1/2 サイズアクティブシールド型３Ｔマグネット冷却システム
マグネットの外形は、全高 1.8m、軸長 1.7m、常温ボア径480mm である。コイルのある冷凍機 2nd ステージの被冷却重量が約 900kg、1st ステージ分は約 100kg と 2nd 側が重いた
め、冷凍機 1 台での室温からの初期冷却時間は Fig.1 に示すように、約 3 週間を要する解析結果が得られた。そこで、コイルの初期冷却時間を短縮するために冷凍機を 2 台設置し、さらに冷凍機の 1st ステージの冷凍能力を有効活用するために熱スイッチを 1st ステージと 2nd ステージの間に 2 個設置した。
その結果、Fig.2 に示すように、約 10 日間と半減できる見込を得た。Fig.2 で分かるように初期冷却時にコイルと冷凍機の温度差が大きいことから熱抵抗が改善できればより冷却時間が短縮できる。定常時のコイル設定温度は 20K 以下であることから、通常は冷凍機 1 台で運転する設計であり、他の 1 台はメンテナンス時に切り替えて使用することを想定している。
４．まとめ
液体ヘリウムを使用しない MRI 高温超電導マグネットを設計し、製作中である。伝導冷却方式の課題であるコイルの初期冷却時間の短縮について、半減の見込を得た。2018 年度
内に製作完了し、冷却・励磁試験を実施する。
謝辞
本研究は、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の「高温超電導実用化促進技術開発」のうち「高温超電導高安定磁場マグネットシステム開発」により委託・支援を受け実施したものである。
参考文献
1. S. Yokoyama, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 94 (2017) p.76
2. S. Yokoyama, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 96 (2018) p.1
3. H. Miura, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 96 (2018) p.2

冷凍機 1 台のみ

冷凍機 2 台＋熱スイッチ

Fig.1 Results of the initial cooling properties analysis on thehalf-size active shield-type 3T coil (cooled by one GM
cryocooler without thermal switch)

Fig.2 Results of the initial cooling properties analysis on thehalf-size active shield-type 3T coil (cooled by two
GM cryocoolers with thermal switches)― 90 ―

第97回

2018年度秋季低温工学・超電導学会

2A-a02

MRI / 遮蔽電流磁場 (2)MRI 用 1/2 サイズアクティブシールド型５T 高温超電導コイルの最適磁気設計
Optimal magnetic design of a half-size 5T REBCO superconducting magnet
with active shielding coil for MRI
三浦英明，松田哲也，野村航大，横山彰一，井上達也，江口諒，森田友輔，大竹俊輔，佐藤伸治（三菱電機）
MIURA Hideaki，MATSUDA Tetsuya，NOMURA Kota，YOKOYAMA Shoichi，INOUE Tatsuya，EGUCHI Ryo，
MORITA Yusuke，OTAKE Shunsuke，SATO Shinji (Mitsubishi Electric Corp.)
E-mail: Miura.Hideaki@dx.MitsubishiElectric.co.jp
1．はじめに高温超電導体を応用し，液体ヘリウムかつ小型・軽量の医療用 MRI 超電導マグネットを実用化するための研究開発を行っている[1]。開発のターゲットは全身撮影用 3T-MRI マグネットである。コイル電流密度 200 A/mm2，最大経験磁場 7 T を
1/2 サイズで実証するため，1/2 サイズアクティブシールド型
5T コイルを試作予定である。
今回，設計したコイルの形状と諸元を紹介するとともに，コイルの電流負荷率について報告する。
2．設計コイル形状とコイル諸元
1/2 サイズアクティブシールド型 5T 高温超電導マグネットを製作するため，コイル最適配置を設計した。最適化手法はSimulated Annealing 法を用い，その目的関数は磁場均一度の最小化とした[2][3]。最適化後のコイル諸元を Table1，1/4
断面図を Fig.1 に示す。
従来のコイルは，主コイルが 6 群，シールドコイルが 2 群の合計 8 群で構成されていた。主コイルを一体で製作すると，軸方向電磁応力が最大 135 MPa となり，超電導特性を劣化させる可能性があった。提案形状では，主コイルの最も外側のコイル群(No.3 コイル群)を 2 分割し，その間に電磁力を支持できる空間を設けた。No.3 コイル群の電磁力を他のコイル群に伝えない構造とし，設けた空間を利用して No.3-1，3-2 コイル群の電磁力を独立に支持することで，軸方向電磁応力を最大30 MPa に抑制することができた。高磁場かつ高電流密度の
MRI 超電導コイルを実現するには，コイル形状や磁場均一度のみならず，電磁応力を考慮して設計しなければならない。なお，磁場均一度は 1.7 ppm(250 mmDSV)であり，目標の 2 ppm
以下を満たした。

謝辞
本研究は，国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の「高温超電導実用化促進技術開発」のうち「高温超電導高安定磁場マグネットシステム開発」
により委託・支援を受け実施したものである。
参考文献
1. S. Yokoyama, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol.
96(2018) p.1
2. T. Matsuda, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol.
92(2015) p. 8
3. H. Miura, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol.
96(2018) p. 2

3．コイルの電流負荷率評価
1/2 サイズアクティブシールド型 5T コイルは，現在製作中の 1/2 サイズアクティブシールド型 3T コイルよりも高電流密度化しており，最大経験磁場も大きい。高温超電導線材の磁場
角度依存性を改善し，コイルの臨界電流を向上させるために，
人工ピン導入線材の使用を予定している。今回設計したコイ
ルに，人工ピン未導入線材を使用した場合と，人工ピン導入
線材を使用した場合の臨界電流を比較した。運転温度は 20
K とした。
Fig.1 に人工ピン未導入線材と，人工ピン導入線材を使用した場合の，線材の臨界電流が最も小さくなる部位を示す。前者は No.3-2 コイル群の端部であり，後者は No.3-1 コイル群の端部であった。臨界電流が最も小さくなる部位の磁場をもとに，人工ピン未導入線材と人工ピン導入線材の通電特性を比較した。その結果を Fig.2 に示す。原点から引かれた直線は，臨界電流が最も小さくなる部位におけるコイルロードラインである。人工ピン未導入線材では臨界電流が 286 A (電流負荷率 75 %)に対し，人工ピン導入線材では 354 A (電流負荷率
61 %)であった。この結果より，コイルの臨界電流を向上させる
ためには，人工ピン導入線材の適用が有効である。

Table 1 Specifications of the half-size 5T coil.

Fig. 1 1/4 cross sectional view of the half-size 5T coil.

Fig. 2 Load line of the half-size 5T coil.

― 91 ―

第97回

2018年度秋季低温工学・超電導学会

2A-a03

MRI / 遮蔽電流磁場 (2)MRI 用高温超電導高安定磁場マグネットシステム開発～伝導冷却型 MRI マグネットにおける遮蔽電流特性評価～
Development of HTS high stable magnetic field magnet system for MRI- Evaluation of shielding current characteristics in a conduction-cooled MRI magnet 金丸 允駿，旦尾 一樹，長崎 陽，宮城 大輔，津田 理（東北大）；三浦 英明，横山 彰一（三菱電機）
KANAMARU Masatoshi, ASAO Kazuki, NAGASAKI Yoh, MIYAGI Daisuke, TSUDA Makoto (Tohoku Univ.);
MIURA Hideaki, YOKOYAMA Shoichi (Mitsubishi Electric Corp.)
E-mail: masatoshi.kanamaru.s4@dc.tohoku.ac.jp
1．はじめにMRI 用高温超電導マグネットでは，励磁時に線材内に遮蔽電流が誘起され，時間的に減衰する。この遮蔽電流の減衰に起因する磁場変動は，MRI 用マグネットの中心磁場の時間的安定性に悪影響を及ぼす。また，MRI 用マグネットでは，複数のコイルが積層されるため，各コイルで生じる遮蔽電流分布は複雑になる。このため， 1 個のダブルパンケーキコイルで検討してきた遮蔽電流磁場の変動抑制法が，複数コイルで構成される MRI マグネットでも有効であることを検証する必要がある。
そこで，本研究では，REBCO 線材を用いたダブルパンケーキ
コイルを 10 個積層させた伝導冷却型 MRI 用マグネットを作製し，磁場変動抑制法の 1 つである「繰り返しオーバーシュート法」[1]が，MRI 用マグネットの中心磁場の遮蔽電流磁場変動に及ぼす影響について検討した。
2．実験方法本実験に使用した積層型高温超電導マグネットの構造を
Fig.1 に示す。実験に使用した高温超電導マグネットは，全てダブルパンケーキコイルで構成されており，磁場測定用 NMRを用いてマグネット中央部における磁場を測定した。本検討に使用したマグネットの励磁波形を Fig.2 に示す。励磁波形として繰り返しオーバーシュート法を適用した。繰り返しオーバー
シュート波形を適用する際のオーバーシュート量は，ΔI1 が運
転電流 Ioper の 0.1 %，ΔI2 が 0.2 %の様に，0.6 %まで 0.1 %ずつ増加させた。また，磁場変動率 εcenter の評価は，オーバーシ
ュート後 60 秒間の磁場変動率の平均値とした。なお，マグネットの Ic はコイルに使用した線材の Jc-B 特性を用いて算出し，冷却温度 4.5 K で 649 A とした。また，運転電流は 64.91 A，
97.37 A，129.83 A(負荷率 10%，15%，20%)の 3 種類とし，マグネット励磁時のスイープ速度を 0.1A/sec.とした。
3．実験結果
運転温度 4.5 K，運転電流を 64.91 A，97.37 A，129.83 A とし，オーバーシュート量 ΔI を変化させた場合の電流ホールド
後 60 秒間の磁場変動率 εcenter の平均値を Fig.3 に示す。これより，電流負荷率に関わらず，オーバーシュート量を増やしていくと磁場変動率の符号が変わること，および，符号が変化す
る直前の磁場変動率が負荷率の大きさに関わらず目標値の 1
ppm/h.以下になることがわかった。また，負荷率が大きくなるにつれて，磁場安定化に必要なオーバーシュートの量が大きくなることがわかった。なお，この傾向は，シングルコイルにおいても確認されている。また，負荷率が 20%の場合において，磁場変動率を目標値以下にするのに必要なオーバーシュー
ト量を臨界電流値で規格化した値は，シングルコイルでは
4.9 %であったのに対し，積層型コイルでは 0.0010 %と小さかった。これは，シングルコイルでは，1 個のコイルの遮蔽電流
磁場の変動を抑制することになるのに対し，積層型コイルでは複数コイルの合成された遮蔽電流磁場の変動を抑制することになるためであると考えられる。複数コイルの合成された遮蔽
電流磁場変動が，シングルコイルの遮蔽電流磁場変動よりも小さくなる原因については，今後検討していく予定である。

以上より，積層型高温超電導マグネットにおいても，負荷率の大きさに関わらず，「繰り返しオーバーシュート法」を適用することで，十分な磁場変動抑制効果が得られると考えられる。
謝辞
本研究は，国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）「高温超電導実用化促進技術／高温超電導高安定磁場マグネットシステム技術開発（コイル開発）」により委託・支援を受け実施したものである。

Fig.1 Schematic view of MRI magnet and NMR probe formagnetic field measurement.

Fig.2 Waveform of magnet current.

Fig.3 Variation rate of magnetic flux density as a function ofratio of overshooting current to operating current.
参考文献
1. H. Miura, et al.: IEEE Transactions on Applied
Superconductivity, Vol.28 (2018), Issue.3, No.4401705― 92 ―

第97回

2018年度秋季低温工学・超電導学会

2A-a04

MRI / 遮蔽電流磁場 (2)加速器用高温超伝導二極マグネットにおける遮蔽電流磁界の通電電流制御及び補正用六極コイルとの組み合わせによる低減
Shielding-current induced field mitigation of an HTS dipole magnet for accelerator system
by current control and combination with sextupole correction coil
曽我部 友輔（京大・学振 DC1）；雨宮 尚之（京大）
SOGABE Yusuke (Kyoto University, JSPS DC1); AMEMIYA Naoyuki (Kyoto University)
E-mail: y-sogabe@asl.kuee.kyoto-u.ac.jp
1．はじめに粒子加速器用マグネットに高温超伝導マグネットを応用する上では異なる発生磁界すなわち異なる負荷率において遮蔽電流磁界の磁界精度への影響を抑制する必要がある。
我々は、加速器システム用マグネットとして設計されたある高温超伝導二極マグネットを対象に遮蔽電流磁界を三次元電磁界解析によって評価し、遮蔽電流磁界の二極及び六極成分を低減する方策として通電電流制御及び補正用六極コイ
ルとの組み合わせを提案し、それらの効果を電磁界解析によって評価した。

Fig. 1 Schematic view of analyzed magnets; (a) dipole coil [1];(b) combination of the dipole coil and sextupole
correction coils.

2．解析対象のマグネット・解析方法
解析対象とした高温超伝導二極マグネットの三次元形状
を Fig. 1(a)に示す。このマグネットは回転ガントリー用マグネットを意識して設計されたマグネットである。マグネット発生積分
磁界の高次多極成分の設計値は、2 極磁界成分の 1  10-3 以
下の大きさである。二極マグネットは三次元形状をもつため、別途開発された三次元電磁界解析モデルを適用した[2]。このモデルでは、消費メモリ及び計算時間削減のため階層型行列法を適用している。
3．遮蔽電流磁界とその低減手法
二極マグネットの設計積分磁界の 2 極成分の時間変化をFig. 2(a)に、補正を行わない場合のマグネット積分磁界の 2 極係数及び 6 極係数に遮蔽電流磁界が及ぼす影響bl1、bl3
をそれぞれ Fig. 2(b)、2(c)に破線で示す。bl1 の 1 周期目は実線と重なっている。補正を行わない場合のbl1、bl3 は、回転ガントリー用マグネットに要求される磁界精度の指標とされる 1  10-3 を上回っており、何らかの低減策が必要である。
bl1 は通電電流を調整・制御することによって低減することが可能である。通電電流制御を行った場合のbl1 を Fig.
2(b)に実線で示している。ビーム調整に使用する 1 周期目では通電電流制御は行わず、2 周期目のみ通電電流制御を行っている。この結果、通電電流制御を行った 2 周期目においてbl1 を 1  10-3 以下に低減することに成功した。
6 極磁界成分は二極マグネットの誤差磁界成分であるゆえに通電電流制御の影響をほぼ受けないため、6 極成分の低減の達成はマグネット設計の変更が必要である。加速器用マ
グネット特有の、異なる発生磁界に対して十分な磁界精度を担保する必要があるという要請を満足するため、本研究では、
2 極成分を発生する主二極コイルと、主二極コイルの遮蔽電流磁界が 6 極磁界成分に与える影響を補正するための補正用六極コイルの組合せによって二極マグネットを構成する方式を提案する。補正用六極コイルは高温超伝導線材で構成され、Fig. 1(b)に示すように主二極コイルのコイルエンド部に挿入される。補正用六極コイルの通電パターンを Fig. 3 に示す。1 周期目では、高温超伝導線に磁束を侵入させるため
100 A 通電、ホールドしている。この場合のマグネット全体でのbl3 を Fig. 2(c)に実線で示しており、2 周期目におけるbl3
を 1  10-3 以下に低減することに成功した。

Fig. 2 Influence of shielding-current induced field on dipoleand sextupole coefficients.

Fig. 3 Current pattern of the sextupole correction coil.
謝辞
本研究の一部は科研費基盤 A（16H02326）の支援によって、一部は科研費特別研究員奨励費（16J07799）の支援によって行われた。
参考文献
1. Y. Sogabe and N. Amemiya.: Abstracts of CSJ Conference,Vol. 95 (2017) p.26.
2. N. Tominaga, et. al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 28,
No. 3 (2018) 4900305.

― 93 ―

第97回

2018年度秋季低温工学・超電導学会

2A-a05

MRI / 遮蔽電流磁場 (2)REBCO パンケーキコイルの遮蔽電流磁場計算ウェブサイト
Web page for simulation of screening current-induced field for REBCO pancake coils
野口 聡（北海道大学/MIT）；今井適（北海道大学）；PARK Dongkeun（MIT）；
HAHN Seungyong（SNU/NHMFL）；岩佐 幸和（MIT）
NOGUCHI So (Hokkaido Univ./MIT); IMAI Teki (Hokkaido Univ.); 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REBCO マグネットの応用では、しばしば遮蔽電流磁場が問題となる。シェイキング・マグネットなど、遮蔽電流磁場を低減する手法も提案されているが、それと同時に遮蔽電流磁場を見積もることも大変に重要である。そのために、有限要素法と薄板近似法を組み合わせた遮蔽電流磁場解析手法が開発され、その有用性も確認されてきている[1],[2]。しかし、多数のダブル・パンケーキが積層された REBCO マグネットにおいては、解くべき連立一次方程式が大きくかつ、マトリックスが密であるために、高速多重極展開法などの特殊な計算手法を併用する必要がある。それでも、数日から数週間の計算時間が必要となる。
そこで、我々は遮蔽電流磁場の簡易計算法を提案してきた[3]。提案手法では、コイル形状からコイル自身および遮蔽電流経路の自己および相互インダクタンスを算出し、等価回路
として遮蔽電流を計算する手法である。幾つかの制約条件は存在するが、有限要素法をベースとする計算手法に比べて、圧倒的に計算時間が短いという特徴がある。大規模な
REBCO マグネットでも、数分で解析できる。そして、提案してきた遮蔽磁場電流計算をウェブ上で提供し始めたので、そのシステムについて報告する。
2．ウェブ・システム 入力画面
本 報 告 で 提 案 す る シ ス テ ム （ SCIFweb service ） は 、
https://hbd.is.thokudai.ac.jp/scifweb/で提供している。使用する際には、ユーザ登録が必要となっている。
図１に、ユーザ登録後のウェブ・システム入力画面を示す。
本画面で、磁場算出位置 z 座標(mm)、電流上昇率(mA/s)、
ターゲット電流値(A)、およびコイル温度（K）を入力する。さらに、コイル情報として、z 方向位置(mm)、コイル長さ（REBCO
テープ幅）(mm)、内半径(mm)、外半径(mm)、巻数(turn)、
77K 自己磁場下の臨界電流値(A)、n 値、無絶縁巻きの場合の接触抵抗値(mΩ)、およびターン間絶縁の有無をパンケー
キごとに入力できる。
REBCO テープ線の線材特性は、コイル温度および臨界電流値、n 値をもとに、[4]で示された情報から求めている。ただし、30K 以下の温度に関しては、外挿しているため精度はかなり低い。また、現時点では、パンケーキの個数を最大１２個に制限している。
3．ウェブ・システム 解析事例
図２に、ウェブ・システムの解析結果画面を示す。グラフ上には電流、遮蔽電流の影響がない理想磁場、遮蔽電流磁場、さらに遮蔽電流を考慮した磁場を表示している。このグラフは、マウスを使い、拡大や縮小なども自由にでき、コピーすること
で他ソフトに貼り付けることも可能である。
さらに、その右横には、CVS データを提供している。２行目には、コイル全体の遮蔽電流を考慮していないインダクタンスと遮蔽電流を考慮した時のインダクタンスを示している。４行目以降に、時間、電流、遮蔽電流を考慮しない時の磁場、遮蔽電流磁場、遮蔽電流を考慮した時の磁場を提供している。
これらをコピーすることで、Microsoft Excel などの商用表計算ソフトに解析結果を移行できる。さらに、容易に解析条件等を変更できるような機能も有している。

観測点z座標電流上昇速度

電流値

温度

コ イ ル諸特性

コ イ ル⼨ 法

Fig. 1. Web page for input of simulation conditions andcoil configurations.

解析結果グラ フ

CVS形式データ

コ イ ルデータ

Fig. 2.

Web page of computation result.

図２には、パンケーキコイルが１２個の無絶縁 REBCO マグ
ネットの解析事例を表示しているが、解析時間は１秒以下で
あった。
4．まとめ
これまでに提案してきた等価回路を用いた遮蔽電流磁場計算法をウェブ上で公開したことを報告した。提案手法は、有限要素法による解析に比べて精度は低いが、短時間で計算でき、有効な手法である。これにより、多くの研究者がより手軽に遮蔽磁場を見積もることができるようになった。ただし、REBCO テープ線材の諸特性などは改善の余地がある。
今後は、熱解析や応力解析を連成させた解析手法を実装させていきたい。
参考文献
1.
2.
3.
4.

― 94 ―

H. Ueda, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 23 (2013)
4100205.
S. Noguchi, et al.: IEEE Trans. Magn., vol. 54 (2018) 7201904.
野口 聡 他：2017年度秋季低温工学・超電導学会講演概要集
1B-a01 (2017)
H. Ueda, et al: IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 24 (2014)
4701505.

第97回

2018年度秋季低温工学・超電導学会

2A-a06

安定性・保護欠陥のある線材で巻線した無絶縁パンケーキコイルの電磁的・熱的特性解析・評価

石山 敦士，市川 哲理，尾下 遥（早大）； 野口 聡（北大），ＩＣＨＫＡＷＡ．はじめに
REBCO 線材の欠陥・低特性箇所をある程度許容して高性能コイルを実現することができれば、これまで除外されてきた線材の利用も可能となり、コイルの低コスト化が期待できる。また、新たな劣化が生じても継続運転が可
能となれば、より高い安定性・信頼性を確保することができる。そこで、多くの欠陥の存在によって臨界電流に大きなばらつきが存在する REBCO 線材で巻線した無絶縁（NI）
コイルについて、その電磁的・熱的振舞いについて解析・評価を行ったので報告する。

Table 1

Specifications of NI model coil２．
解析対象
S.Hahn らの行った多数の欠陥のある NI モデルコイルの励
磁実験[1]を対象として数値解析を行った。モデルコイルの諸元を Table1 に、コイル内の臨界電流（Ic）分布を Fig.2 に示す。図にあるように供試モデルコイルに合わせて 6 箇所
（27,39,41,17,118 層目）大きな欠陥があるものと仮定して解析
を行った。
３．
数値解析
部分要素回路（PEEC）モデル（Fig.1）に基づく電流分布解
析と、FEM による温度分布解析を連成して[2]、Fig.2 に示す
Ic 分布を持つ NI モデルコイルを、一定の掃引速度で励磁して行ったときの熱暴走に至るまでの過渡的な電磁的・熱的振舞いを解析した。
Fig.1 PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) model４．
解析結果実験で得られたコイル両端の発生電圧の時間変化を数値解析により良く再現することができた。これにより、NI コイル内の熱暴走に至るまでの過渡的な電流と発熱・温度分布の変化を可視化することができ、また、欠陥のない NI コイル、絶縁された欠陥のあるコイルとの比較を行うことができた。
数値解析結果の一例として、通電電流に対するコイル両端
電圧の変化を Fig.3 に示す。従来の絶縁コイルにおいては、
もっとも Ic の低い箇所からの発熱によって熱暴走に至っている。すなわち、欠陥を許容することができない。これに対して、
NI コイルでは、欠陥部分を迂回して他の健全層の線材に電流が再配分されるため、図のように、層間を流れる電流によって徐々に電圧が発生していくが、欠陥のないコイルの熱意暴走電流の 98.9%まで熱暴走の発生を抑えることができた。

Fig.2 Ic Distribution of the REBCO Tape Used in simulation

本研究の一部は、科研費・基盤研究Ａ（No.26249036）および基盤研究Ｓ（18H05244）によった。
参考文献
1. S.Hahn et al., Supercond. Sci. Technol., Vol.29, No. 10, 2016
2. T.Wang et al.: IEEE Trans. Applied Supercond., vol.25, no.3,
2015― 95 ―

Fig.3 Comparison of Voltage Increment

第97回

2018年度秋季低温工学・超電導学会

2A-a07

安定性・保護

局所的な特性劣化を持つ NI REBCO パンケーキコイルの安定性
Stability of NI REBCO pancake coils including local degradation
高橋 俊二（上智大）；末富 佑（千葉大）；高尾 智明（上智大）；柳澤 吉紀（理研）；前田 秀明（JST）
TAKAHASHI Shunji (Sophia Univ.); SUETOMI Yu (Chiba Univ.); TAKAO Tomoaki (Sophia Univ.);
YANAGISAWA Yoshinori (RIKEN), MAEDA Hideaki (JST)1．はじめにNo-insulation(NI) REBCO コイルでは，局所的な特性劣化部が存在しても，電流が劣化部を避けて隣接するターンに迂回し，その通電特性と電磁特性は劣化のないコイルとほぼ変
わらなくなることが報告されている[1]。しかしながら，この現象については系統的な研究が行われておらず、劣化の度合い
やターン間接触抵抗等とコイル特性の関係は必ずしも明らかになっていない。我々は，5 ターンのコイルによる実験と、簡易的な回路解析により、これを明らかにしたので報告する。
2．5 ターンコイルの実験
4 mm 幅の REBCO 線材で巻いた 5 ターン NI シングルパンケーキコイル(NI コイル)と，絶縁 REBCO シングルパンケー
キコイル(INS コイル)を製作し特性を比較した。コイルの諸元をTable 1 に示す。コイルによって第 3 ターン中央部の線材に幅方向のスリットを設けることで人工的に劣化部位を作った。スリットの幅は 0 mm（すなわちスリットなし），1 mm, 2 mm, 3 mm とした。さらに NI コイルについては，第 3 ターン中央部が切り離された（すなわちスリット幅 4 mm）コイルも製作した。これらのコ
イルを液体窒素中で熱暴走が生じるまで通電した。
特性劣化のない NI コイルと INS コイルのコイル臨界電流
Ic,coil（1μV/cm 基準）はそれぞれ 117 A, 121 A である。これらの値で規格化した NI コイルと INS コイルの臨界電流（〇と△）と熱暴走電流（■と◆）を Fig.1 に示す。スリット長さ(劣化量)に対して，NI コイルと INS コイルの臨界電流低下の度合いはほ
ぼ変わらない（〇印/△印参照）。しかしながら，NI コイルでは，常伝導電圧発生後の立ち上がり方が INS コイルと比べて緩やかで，最終的に熱暴走に至る電流は NI コイルの方が高くなっている。実際，スリットが 3mm でも臨界電流を超えるまで熱暴走は生じない。これは，NI コイルではターン間接触抵抗を介した径方向への分流によって常伝導電圧の増大が抑制されるためである。
3．5 ターンコイルの回路解析
実験の劣化部を持つ 5 ターンコイルの回路解析を行い，実験と比較した。劣化部位に起因した定常的な常伝導電圧発
生の振る舞いに限定するために，熱的現象とインダクタンスを無視した簡単な電気回路の解析とした。ターン周方向は，超電導層と安定化層の並列回路とし，ターン同士は接触抵抗でつながった回路とした。また，線材の Ic を 100 A に統一し，3 ターン目の中央部にのみ周方向長さ 0.94 mm の劣化部 (Ic =Ic,deg)を設け，スリットを持つ実験コイルを模擬した。
まず，ターン間接触抵抗率 Rct を典型的な 100 μΩcm2[2]に設定し，Ic,deg が 25 A, 50 A, 75 A, 100 A のときについて解析を行った。コイル臨界電流 Ic,coil（1μV/cm 基準）を 100 A で規格化したところ，Fig. 1 の●印が示すように実験結果と概ね一致した。
次に，Ic,deg = 50 A のコイルについて，Rct を大きく変化させて V-I 特性を調べた。結果を Fig.2 に示す。Rct の変化によって電圧の立ち上がり始める電流値にはほとんど差はないが，その後は Rct が小さいほど緩やかに電圧が立ち上がっている。
このとき，第 3 ターンの周方向電流は減少し，内外の隣接ターンとの間に径方向電流が生じていた。通常，NI コイルにおける接触抵抗率は 10-100 μΩcm2 のオーダーにあるが，これが小さくなるほど，径方向電流が増え，電圧基準によって決まる見かけの Ic,coil が向上し，結果として劣化のないコイルの振る舞いに近づいていくと考えられる。このふるまいは，マトリクスに埋め込まれたマルチフィラメント線材において，一部のフィラメントが劣化しても，その影響が顕在化しないことと類似している。

Table 1 Coil parameters of NI coil and INS coilParameters
NI coil
INS coil
REBCO conductor
SuperPower(SCS4050)
Width; thickness (mm)4.0; 0.1
Length (m)0.5
Ic, min at 77 K (A)164
I.D.; O.D. (mm)30.0; 30.9
30.0; 31.0
Height (mm)4.0
Number of turns
5

Fig. 1 The normalized thermal runaway current as afunction of slit length

Fig. 2 Calculated V-I characteristics of NI coils withvarious turn-to-turn contact resistivities
4．まとめ
局所的な特性劣化を持つ NI コイルでは、INS コイルと比べて常伝導電圧発生後の立ち上がりが緩くなる。ターン間接触
抵抗率が小さいほどこの傾向が強くなるため，電圧基準によって決まるコイル臨界電流が向上し，劣化のないコイルの特性に近づく。当日は，コイルのターン数依存性や，径方向への分流が中心磁場へ与える影響などについて報告する。
謝辞
本研究は，JST未来社会創造事業，JPMJMI17A2の支援を受けたものである。
参考文献
1. S. Hahn, et al.: SuST 29 (2016) 105017
2. X. Wang et al.: SuST 26 (2013) 035012― 96 ―

第97回

2018年度秋季低温工学・超電導学会

2A-a08

安定性・保護

新手法を用いた NI レイヤー巻コイルと NI ダブルパンケーキ巻コイルの特性の顕著な差異
Significant difference in characteristics of a NI layer-wound coil using a new winding method
and a NI double-pancake coil
末富 佑（千葉大）；高橋 俊二，高尾 智明（上智大）；柳澤 吉紀，前田 秀明（理研）
SUETOMI Yu (Chiba Univ.)；TAKAHASHI Shunji, TAKAO Tomoaki (Sophia Univ.);
YANAGISAWA Yoshinori, MAEDA Hideaki (RIKEN)

Insulator sheet
Copper sheet･･････ ･･･

HTS conductor

･･･

7.1 s

Layer voltage (V)

(a)

(b)

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

Power supply current (A)Fig.1 Cross section of an intra-layer no-insulation (LNI)
REBCO coil.

Normalized axial
magnetic field (null)

150
100
50
508

510
512
Time, t (s)

1

0
516

514

Isupply
VL1
VL2
VL3
VL4
VL5
VL6
VL7
VL8

Bup
Bcenter
Blow

0.5

15%
508
510
512
Time, t (s)

0

514

516

Fig.2 Transient signals of the LNI REBCO coil during athermal runaway in an over-current operation.
38.5 s

(a)

150

1.5
1

100

0.5

50

(b)

0

540

550 560 570
Time, t (s)

580

1

0

Power supply current (A)3．実験結果と考察
Fig. 2(a)に LNI コイルの過電流試験における各レイヤー電
圧と電源電流を、Fig. 2(b)に最大値で規格化した磁場を示す。
t = 507.9 s (Isupply = 150.0 A) で、VL4 が急激に上昇し熱暴走が発生している。熱暴走は外層側と内層側に伝播し、最終的に、t = 513.2 s において最外層である VL8 が立ち上がり、各レイヤー電圧は 0.1-0.4 V の範囲で定常状態に至っている。
Bcenter は VL4 が立ち上がってから 7.1 s 後の t = 515.0 s において熱暴走前の 15%まで減少している。平均的には 12.0%/s の速度で減衰している。
Fig. 3(a)に NI ダブルパンケーキ巻コイルの過電流試験における各ダブルパンケーキ電圧と電源電流を、Fig. 3(b)に最大値で規格化した磁場を示す。熱暴走は t = 541.4 s (Isupply =136.5 A) において、VDP2 から発生し、上部と下部のダブルパ
ンケーキへと伝播している。t = 576.2 s で VDP9 が立ち上がった後、過電圧によって電源が遮断された。Bcenter は VDP2 が熱暴走してから 38.5 s 後の t = 579.9 s において、熱暴走前の 6%まで減少しており、平均的には 2.4%/s の速度で減衰している。
両コイルの熱暴走時の振る舞いを比較すると、NI ダブルパ
ンケーキ巻コイルは不均一かつ非連続な磁場の減衰を示すのに対し、LNI コイルは磁場が均一かつ連続的に減衰している。これは、ダブルパンケーキ巻コイルでは、熱暴走発生時にパンケーキ毎にシングルターン状態[2]に遷移し、この状態がパンケーキ間で伝播する事によって磁場が順次減衰するのに対し、LNI コイルでは、レイヤー毎にシングルターン状態に遷移し、これがレイヤー間を伝播する事で磁場が減衰するためである。レイヤー間の伝播はレイヤー同士の広い接触面積を介した熱伝導に加え、各レイヤー間の強い磁気結合によって加速されるため、このような均一かつ連続的な磁場減衰になる。このような振る舞いは、電磁力のアンバランスを抑制する観点から有利である。
4．まとめ
LNI コイルは NI ダブルパンケーキ巻コイルと比較して、均一かつ連続的に磁場が減衰する。また、ヘリウムガス中で 700

本研究は、JST、未来社会創造事業、JPMJMI17A2、及び、理研の大学院生リサーチ・アソシエイト制度の支援を受けたものである。

Double-pancake
voltage (V)2．実験方法フジクラ社製の REBCO 線材を用いて、内径 80 mm の LNI
コイル(8 レイヤー×16 ターン)と、NI ダブルパンケーキ巻コイル(16 ターン×9 ダブルパンケーキ)を製作した。Fig. 1 に示す
様に LNI コイルはレイヤー間にポリイミドシート(厚さ 12.5 μm)と銅シート(厚さ 7 μm)を挿入している。これらのコイルを用いて液体窒素中で過電流試験を行った。LNI コイルでは各レイヤーの電圧信号(最内層より VL1～VL8)、NI ダブルパンケー
キ巻コイルでは各ダブルパンケーキの電圧信号(上部より VDP1
～VDP9)、両コイルにおいて電源電流(Isupply)とボア内の上部・中心部・下部に取り付けたホール素子による磁場信号(Bup,
Bcenter, Blow)を計測した。

A/mm2 の高電流密度で過電流試験を行い、コイルが保護された事も確認している。磁場遅れの比較と合わせ、詳細は学会にて報告する。

Normalized axial
magnetic field (null)

1．はじめにHTS コイルを熱暴走から保護する技術として、no-insulation(NI)法が有効であるが、永久電流コイルに適し、また、均一磁場を得やすいレイヤー巻コイルでは、長い磁場遅れが生じるため適用できなかった。我々はこの問題を解決するために、層間に絶縁シートと銅シートを挿入して回路構造を変化させる intra-Layer No-Insulation (LNI)法を用いる事で、磁場遅れの時定数を 3 桁短くできる事を示した[1]。
本報では、ほぼ同形状の LNI コイルと NI ダブルパンケー
キ巻コイルを用いて、液体窒素浸漬冷却下において通電試
験を行い、両者の熱暴走・自己保護特性を比較し、また、数値解析によって磁場遅れのコイルスケール依存性を比較する
ことで、両者の特性を系統的に明らかにした。

Isupply
VDP1
VDP2
VDP3
VDP4
VDP5
VDP6
VDP7
VDP8
VDP9

Bup
Bcenter
Blow

0.5
0

540

6%
550 560 570
Time, t (s)580

Fig.3 Transient signals of the NI REBCO double-pancake
coil during a thermal runaway in an over-current operation.
参考文献[1] 末富他, 2017 年度秋季低温工学・超電導学会 1A-p03[2] Yanagisawa et al. Physica C 499 40-4 (2014)― 97 ―

第97回

2018年度秋季低温工学・超電導学会

2A-a09

安定性・保護無絶縁 REBCO マグネットのターン間接触抵抗の測定方法
Measurement method of turn-to-turn resistance in NI REBCO pancake coil
野口 聡（北海道大学/MIT）；立田 貴裕，植田 浩史，金 錫範（岡山大学）；石山 敦士（早稲田大学）
NOGUCHI So (Hokkaido Univ./MIT); TATSUTA Takahiro, UEDA Hiroshi, KIM Seokbeom (Okayama Univ.);
ISHIYAMA Atsushi (WASEDA Univ.)
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）は、
高熱的安定性をもたらし、多くの高磁場発生用マグネットに採用され始めている。高熱的安定性を実現するには、ターン間
接触抵抗とインダクタンスのバランスが重要であることが明らかになっている[1]。しかし、ターン間接触抵抗の特性は完全に把握されていなく、制御することも難しい。現時点では、コイルの遮断特性から、時定数を求め、ターン間接触抵抗を算出している。ターン間接触抵抗値は、温度や電流値、外部磁場の影響で変化すると思われているが、実際の計測は難しく、ターン間接触抵抗の特性は明らかになっていない。
そこで、本報告では、ターン間接触抵抗の新しい測定方法を提案する。提案する測定方法では、NI REBCO パンケー
キ・コイルに 5〜50 Hz 程度の交流電流を流し、そのインピーダンスを測定することで、ターン間接触抵抗値を求めている。
以下に、理論および実験結果を示す。
2．ターン間接触抵抗測定法
NI REBCO パンケーキ・コイルが超伝導状態である時、ターン間接触抵抗 Rct とコイル・インダクタンス L の並列回路とみなすことができる（図１参照）。その時のコイル・インピーダンス Z
は、�������

|Z||Im(Z)|

0.5
0.4
0.3
0.2

(1)

となる。ここで、j, ωはそれぞれ虚数単位、角周波数である。
|��� | ≪ |�ω�|の場合、(1)式は、
� � ���
(2)とみなせる。したがって、比較的高い周波数では、コイル・イン
ピーダンスは、ターン間接触抵抗値となる。しかし、実際には、
100 Hz を超えるような交流周波数では、交流損失が大きくなり、式(2)は成り立たなくなる。
そこで、ターン間接触抵抗測定に有効な周波数を、表１に示 す コ イ ル で 検 討 し た 。 検 討 に は 、 PEEC(Partial Element
Equivalent Circuit)法[2]を使用した。コイルに 0.5 Hz から 1,000
Hz の交流電流を通電するシミュレーションを実施し、その際のコイル・インピーダンス Z および、その実部（Re(Z)）と虚部（Im(Z)）を調査した。図２に、その結果を表示する。また、図３に電圧と電流の位相差を示す。これらの図から分かるように、周波数が低い時には、インピーダンス虚数部が増大し、コイ
ル・インピーダンスが接触抵抗値と異なる値になる。一方、周波数が高い時にも、インピーダンス虚数部が増大し、コイル・インピーダンスが接触抵抗値と異なる値になっており、交流損
失の影響と思われる。これらの結果から、本コイルでは、5 から100 Hz ぐらいが、妥当な周波数であると思われる。
3．ターン間接触抵抗測定結果
表１に示したコイルのターン間接触抵抗を提案手法で測定した結果を表２に示す。測定は 10 Hz の交流電流を使用した。
測定結果は、従来の遮断による測定値と同オーダーの結果を得た。しかし、遮断による測定も交流損失が含まれていると考えられるため、オーダーの一致で十分と思われる。
4．まとめ
無絶縁 REBCO パンケーキ・コイルのターン間接触抵抗の新しい測定方法を提案した。また、遮断実験に近い接触抵抗値を実験で確認した。今後は、温度や外部磁場などを変化させ、ターン間接触抵抗の特徴を明らかにしていきたい。

|Re(Z)|

0.6
Impedance (mΩ)

������TABLE I
Specifications of NI REBCO coili.d.; o.d. (mm)60; 72
Length (mm)4
Number of turns (turn)
60
Inductance (mH)
0.410
70Contact resistivity (µΩ•cm2)
Contact resistance (mΩ)
0.511

0.1
0
0.1

1

Fig. 2.

10
Frequency f (Hz)

100

1000

Coil impedance vs. frequency.

1412
Phase angle (deg.)��Fig. 1. Equivalent circuit of NI pancake coil.

10
8
6
4
2
0

0.1

1

10
Frequency f (Hz)

100

1000

Fig. 3. Phase angle between voltage and current vs.
frequency.
TABLE II
Contact Resistance Measurement Results
SuddenAC current
discharging (Proposed)
Contact Resistance (µΩ)
237.91
28.7
11.9
Contact Resistivity (µΩ•cm2)
参考文献
1. H. Ueda, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 23(2013) 4100205.
2. S. Noguchi, et al.: IEEE Trans. Magn., vol. 54 (2018)
7201904.
3. 野口 聡 他：2017年度秋季低温工学・超電導学会講演
概要集1B-a01 (2017)
4. H. Ueda, et al: IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 24(2014) 4701505.

― 98 ―

第97回

2018年度秋季低温工学・超電導学会

2A-a10

安定性・保護

導電性樹脂による高温超電導コイルの保護技術開発(1)-開発概要Quench protection technique for an HTS coil using conductive epoxy resin (1)-Overview宮﨑 寛史，岩井 貞憲，宇都 達郎，草野 貴史，伊藤 智庸，野村 俊自（東芝エネルギーシステムズ）
MIYAZAKI Hiroshi，IWAI Sadanori，UTO Tatsuro，KUSANO Takashi，
ITO Toshinobu，NOMURA Shunji (Toshiba Energy Systems & Solutions)E-mail: hiroshi17.miyazaki@toshiba.co.jp

Fig.1 Photographs of (a) impregnated coil with turn-to-turninsulation and (b) impregnated coil using conductive epoxy
resin
Table 1 Specifications of two coils
Unit

Tape width
Tape thickness
Inner diameter
Outer diameter
Turns
InductanceTurn-to-turnresistance

450

4．まとめ
従来の絶縁コイルと，同諸元の導電性樹脂コイルをそれぞれ伝導冷却下で過電流試験を実施し，絶縁コイルが劣化する条件においても，導電性樹脂コイルは劣化を回避できることを示した。今後は，より蓄積エネルギーが高い条件にて，本手法の有効性を検証していく。

― 99 ―

Current (A)

mm
mm
mm
mm
mH
/
turn

Impregnated coilusing conductive
epoxy resin
4.1
0.17
100
192.7
200
11.9

7

(a) Impregnated coil with turnto-turn insulation

430

6
5

410

4

Coil current

3Power supply current

390

2

370

1

Voltage

350
0

0
2

4

6

Elapsed time (s)450(b) Impregnated coilconductive epoxy resin

430

Current (A)3．通電試験
絶縁コイルおよび導電性樹脂コイルを伝導冷却装置に組
み込み，冷凍機 2 段ステージに取り付けたヒータによりコイル
温度を 40 K に保つように制御し，過電流通電試験を実施した。コイル通電中にフラックスフロー抵抗による電圧の発生を確認後，電流を 1 A 刻みで増加させ，電圧が急激に上昇し，クエンチ検出器が動作するまで通電した。ここで，クエンチ検出器が動作する電圧を 1.1 V，検出後遮断するまでの時間を0.11 s とした。絶縁コイルおよび導電性樹脂コイルの過電流試験の結果を Fig. 2 に示す。両コイルともに，通電電流が415 A を超えたところで，電圧が急激に上昇し，クエンチ検出器が動作したが，導電性樹脂コイルは，電圧上昇に併せて電流の迂回が観測された。過電流試験後，両コイルの電流-電圧特性を取得した結果，絶縁コイルは熱暴走により一部焼損が見られ，劣化したが，導電性樹脂コイルは劣化もなく，焼損を回避できることを確認した。

Impregnated coilwith turn-to-turninsulation
4.1
0.17
100
192.4
200
7.3
-

Voltage (V)2．導電性樹脂を塗布した含浸コイル
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回避するため，ターン間に離形処理したポリイミドテープを挿入し，パンケーキコイルの側面に導電性樹脂を塗布する構成とした。フラックスフロー抵抗が発生した際には，導電性樹脂
を介して電流を迂回させ劣化を回避することができる。導電性樹脂の有効性を確認するため，導電性樹脂がない通常の絶縁コイルと導電性樹脂を塗布したコイルを 2 種類試作し，伝導冷却中にて過電流試験を実施した。Fig. 1 および Table 1 に
2 種類のコイルの外観および諸元を示す。導電性樹脂コイルのターン間抵抗は，コイル温度 40 K で電流遮断試験を実施
し，中心磁場の減衰時定数から算出した。

(b)

(a)

7

using

6
5

410

4

Coil current

390

3Power supply current

370

2
1

Voltage3500Voltage (V)1．はじめに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ている。
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方法を採用し，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。
本講演では，導電性樹脂を塗布した含浸コイルの特徴および要素コイルによる通電試験結果等について報告する。

0
2

4

6

Elapsed time (s)Fig.2 Overcurrent test results of two coils at 40 K

第97回

2018年度秋季低温工学・超電導学会

2A-a11

安定性・保護

導電性樹脂による高温超電導コイルの保護技術開発(2)－大型 6 積層 REBCO コイルの過電流通電試験結果－
Quench protection technique for an HTS coil using conductive epoxy resin (2)－Over-current test results of a REBCO coil composed of a stack of six single pancakes－
岩井 貞憲，宮﨑 寛史，宇都 達郎，草野 貴史，伊藤 智庸，野村 俊自（東芝エネルギーシステムズ）
IWAI Sadanori, MIYAZAKI Hiroshi, UTO Tatsuro, KUSANO Takashi,
ITO Toshinobu, NOMURA Shunji (TOSHIBA Energy Systems & Solutions)E-mail: sadanori.iwai@toshiba.co.jp

5．まとめ
導電性樹脂を電流の迂回路とするコイル保護構成について、6 積層 REBCO コイルを試作し、保護動作の検証試験を行った。77 K における過電流通電時、コイルの熱暴走回避を確認した。今後、より電流密度（発熱密度）が高くなる伝導冷
却下での検証を進めていく。
参考文献
1. 宮﨑寛史、岩井貞憲他：第 97 回 2018 年度秋季低温工学・超電導学会講演概要集, 2A-a10 (2018)

Coil No.
Tape width (mm)Tape thickness (mm)Tape length (m/pancake)
Inner diameter (mm)Outer diameter (mm)Number of turns/pancake
Coil Ic (A)n-value
Average turn-to-turnresistance (/turn)
Coil No.
Tape width (mm)Tape thickness (mm)Tape length (m/pancake)
Inner diameter (mm)Outer diameter (mm)Number of turns/pancake
Coil Ic (A)n-value
Average turn-to-turnresistance (/turn)
Coil Voltage

#1
4.1
0.1
258
501
554.5
156
77
29

#2
4.1
0.1
258
501
554.8
156
67
28

#3
4.1
0.1
258
501
554.5
156
64
27

23

20

14

#4
4.1
0.1
258
501
554.5
156
68
30

#5
4.1
0.1
258
501
554.6
156
60
33

#6
4.1
0.1
258
501
554.4
156
70
29

12

18

34

Current

Bcenter

800

100
80

600

60

400

40

200
0

20
0

20

40

60

80

0

Current (A)4．保護動作検証：過電流通電試験結果（77 K）
試作した大型 6 積層 REBCO コイルを液体窒素で冷却し、過電流通電試験を実施した。通電電流とコイル電圧のほか、周方向に流れる電流をモニタするため、コイル中心にホール素子を設置し、中心磁場を測定した。結果を Fig. 2 に示す。
図中のコイル電圧は 6 積層の両端電圧を示しているが、主に下層 2 枚のパンケーキ(#5, #6)で電圧発生が見られた。6 積層後の#6 のコイル Ic である 40 A から徐々に通電電流を上げていったところ、52 A ホールド時にコイル電圧の急上昇が見られたが、同時に中心磁場の減少が観測され、導電性樹脂を介したターン間の電流の迂回によるコイルの熱暴走回避を実験的に確認することができた。

Table 1 Specifications of the six single pancakes (#1～#6)
wound with the REBCO tapes.

Central magnetic field (mT)

2．大型 6 積層 REBCO コイルの試作・評価
6 積層用に試作したシングルパンケーキ(#1)を Fig. 1 に示す。また#1 から#6 の諸元を Table 1 にまとめた。内径 501 mm、
156 ターンの同諸元で巻線し、外径は 554.4～554.8 mm である。各パンケーキについて液体窒素中で通電試験を行った結果、コイル n 値は 27～33 であり、超電導特性に劣化が無いことを確認した。また、遮断試験を実施し、中心磁場の減衰時定数からターン間抵抗を算出した結果、12～34 /turn で、
全パンケーキのターン間が電気的に接続されていることを確認した。試験後、Table 1 に示す番号順に積層し、6 積層
REBCO コイル試作した。なお、インダクタンスはシングルパン
ケーキで 30 mH、6 積層時は 0.92 H となる。

Fig. 1 Large-scale single pancake coil #1. Conductive resin
was applied on the coil surface.

Voltage (mV)

1．はじめに高温超電導コイルに導電性樹脂を塗布することで、コイルが熱暴走する前にターン間に電流を迂回させる新たな保護技術を開発している。導電性樹脂はパンケーキ側面に設け、巻線部には離形処理を施した絶縁テープを共巻きすることで、熱応力による超電導特性の劣化を回避しつつ、保護のための迂回路の形成を可能にしたコイル構成となっている[1]。今回、よりインダクタンス、蓄積エネルギーが高くなる大型・積層構成での保護動作を検証した。本発表では、内径 501 mm、
156 ターンのシングルパンケーキコイル 6 枚を試作し、各パン
ケーキの超電導特性の劣化の有無、およびターン間抵抗を評価した結果、また、これらを積層し大型の 6 積層 REBCO コ
イルで過電流通電試験を実施した結果について報告する。

Time (min.)Fig. 2 Over-current test results of the REBCO coil composedof a stack of six single pancakes.

― 100 ―

第97回

2018年度秋季低温工学・超電導学会