JP2004301757A

JP2004301757A - System for monitoring coil loss condition, and coil loss measuring method

Info

Publication number: JP2004301757A
Application number: JP2003096928A
Authority: JP
Inventors: Fumio Sumiyoshi; 文夫住吉; Tomofumi Kasahara; 奉文笠原
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP4215244B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To measure a loss in an individual super conductive coil or normal conductive coil when operating a coil applied device, to monitor a loss condition in all the coils under the operation of the coil applied device, or to detect a coil portion generating an abnormal coil loss. <P>SOLUTION: A periphery of the one coil under the operation condition of the coil applied device, all the coils connected with the plurality of coils, or the one portion of the measured coils 1 is surrounded by metal members 2, sensors 3 for measuring pointing vectors P provided as an outer product of a magnetic field vector and an electric field vector are arranged in a plurality of proper objective areas on a circumferential face of the metal members 2, and the coil loss condition in the measured coil 1 is monitored based on values of the pointing vectors P detected by the plurality of sensors 3 to monitor the soundness of the coil device. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力貯蔵装置，変圧器，半導体単結晶引き上げ装置、限流器，ＭＲＩ（磁気共鳴映像装置），発電機，電動機などのコイル応用装置の動作時における超伝導コイルや常伝導コイルのコイル全体の損失を測定すると共に、このコイル応用装置の動作中におけるコイル全体の損失の経時的変化の監視、又は損失を生じたコイル部分の検出とその箇所に生じた損失を監視するようにしたコイル損失測定方法及びコイル損失監視システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コイルを応用した装置の基本性能の一つであるコイル損失を測定することは、コイル応用装置の効率の評価やコイル巻線の冷却方法の検討など、装置設計上重要である。また、コイル応用装置の運転初期または運転中におけるコイル損失の発生状況、またはコイル周辺の発生磁界分布を監視することは、コイル応用装置の正常な動作状態、所謂健全性を把握する上で重要である。コイル損失の測定法には、電気的測定法と熱的測定法がある。（例えば非特許文献１、ｐ．２９７−３００参照。）前者の電気的測定法としては、無誘導巻コイル法，ポインチングベクトル測定法，マグネット損失の電気的測定法，ｔａｎδ計法があり、この電気的測定法は一般に感度が良いとされるが、高い測定技術を必要とし、面倒なこともあって汎用的でない。一方後者の熱的測定法は、感度は悪いが簡便な方法があり汎用的である。
【０００３】
また、誘導コイルの損失測定法としては、同一交流電源に接続した被測定誘導コイルと、損失角が既知の標準コンデンサに得られる電気量の位相差角を時間に換算して測定し、この測定値から求めた位相差角から既知である前記標準コンデンサの損失角を減算した角度が、前記被測定誘導コイルの損失角を与えることを利用して誘導コイルの損失を測定する方法がある。（例えば特許文献１参照。）
【０００４】
超伝導コイルは、運転中突然に、その巻線中に常伝導領域が生じる不安定現象により発熱し、さらに進むと、超伝導コイルとしての機能が損なわれる深刻な事態（クエンチと呼ばれる）に至る。このような場合は成るべく早くコイルへの通電を止めることが重要で、そのタイミングが遅れると、コイル自体の焼損や絶縁破壊などの損傷に至る可能性がある。そのため、超伝導コイル装置には、その運転中の健全性を常時監視する装置と、異常が検出されたとき速やかにコイルを保護する装置の両方が不可欠である。
【０００５】
このようなコイル応用装置の運転中に生じるコイル損失の異常を監視する装置としては、例えば、超伝導コイルのコイル巻線を２つの部分に分け、そのほぼ中間のタップから引出した電圧リードを利用して、２つの部分のコイル端子間電圧のバランスのずれ（バランス電圧）を見ている。そのバランス電圧は、平常時にゼロ電圧に近づくよう設定されており、もし片方に突然常伝導領域が生じると大きな電圧が観測され、その異常状態の発生を知ることができる。（例えば非特許文献１、ｐ．２１４、図６．１３（ａ）参照。）
またそれに類する方法として、コイルの内側の穴の部分に、コイル両端の電圧端子とは絶縁された独立のピックアップコイルを２個設置して、それらのバランス電圧を観測する監視システムがある。
【０００６】
また、小さなコイルの場合には、電源自体がコイルの両端電圧の急激な変化を検出して、自動的に運転を中止するシステムも採用されている。
また、常伝導コイルや伝導冷却による超伝導コイルのように、コイル巻線部分の損失増大や常伝導領域が生じると、異常発熱となって結果的にコイルやそれに付随する構造材などの温度が上昇する。この温度変化を調べる監視システムもある。
また、アコースティックエミションによる監視システムの開発も行われている。これはコイルから発生する音の変化を利用したものである。現段階ではまだ、補助システムとしては使われているが、主システムとしての信頼性は得られていない。
【０００７】
【非特許文献１】
船木和夫・住吉文夫共著、「多芯線と導体」発行所産業図書株式会社、１９９５年４月３日、ｐ．２１４、図６．１３（ａ），ｐ２８５−３００
【特許文献１】
特公平８−２７３１０号公報（第１−２頁）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来コイル損失の異常を検知する監視システムは、例えば超伝導コイルのように容器内が極低温の場合のコイル損失を、容器の外から電気的に測定することはできなかった。また、１個又は複数のコイルの一部分で発生するコイル損失を選択的に電気的に測定することもできなかった。即ち、１個のコイルの一部分（例えば、２個のコイルが連結されて１個のコイル組立として構成されているものの一方のコイル）、又は複数のコイルが接続されている内の一部のコイルで発生する損失について、コイルの何処の箇所で異常が発生しているかを検知することはできなかった。また、従来はコイル自体に影響を及ぼすような測定方法により耐電圧性能を劣化させる場合があるなどの問題があった。
本発明は、これらの問題をすべて解決することができたコイル損失状態監視システム及びコイル損失測定方法を提供するものであり、これによりコイル又はコイル装置の健全性を調べることができる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願の第１の発明によるコイル損失状態監視システムは、コイル応用装置の運転状態における１個のコイル又は複数個のコイルが接続されたコイルの全部若しくは一部のコイルの被測定コイルの周囲を金属製部材で囲み、該金属製部材周面の複数の適宜の対象領域に磁界ベクトルと電界ベクトルの外積として得られるポインチングベクトルを測定するセンサーを配置し、該複数のセンサーにより検出されるポインチングベクトル値から前記被測定コイルのコイル損失状態を監視するようにしたものである。
【００１０】
本願の第２の発明によるコイル損失状態監視システムは、コイル応用装置の運転状態における１個のコイル又は複数個のコイルが接続されたコイルの全部若しくは一部のコイルの被測定コイルの周囲を金属製部材で囲み、該金属製部材周面の複数の適宜の対象領域に磁界ベクトルと電界ベクトルの外積として得られるポインチングベクトルを測定するセンサーを配置し、該複数のセンサーにより検出されるポインチングベクトル値の総和を所要のタイミングで検出し、該ポインチングベクトル値の総和から前記被測定コイルのコイル損失状態を監視するようにしたものである。
【００１１】
本願の第３の発明によるコイル損失状態監視システムは、コイル応用装置の運転状態における１個のコイル又は複数個のコイルが接続されたコイルの全部若しくは一部のコイルの被測定コイルの周囲を金属製部材で囲み、該金属製部材周面の複数の適宜の対象領域に磁界ベクトルと電界ベクトルの外積として得られるポインチングベクトルを測定するセンサーを配置し、該複数のセンサーの各出力を所要のタイミングで切り替えて該複数箇所のポインチングベクトル値を表示装置に該複数箇所毎に繰り返し表示するようにして、該複数箇所のポインチングベクトル値から前記被測定コイルのコイル損失状態を監視するようにしたものである。
【００１２】
本願の第４の発明によるコイル損失測定方法は、コイル応用装置の運転状態における１個のコイル又は複数個のコイルが接続されたコイルの全部若しくは一部のコイルの被測定コイルの周囲を金属製部材で囲み、該金属製部材周面の複数の適宜の対象領域に磁界ベクトルと電界ベクトルの外積として得られるポインチングベクトルを測定するセンサーを配置し、該複数のセンサーにより検出される各ポインチングベクトル値と該各ポインチングベクトルの対象領域の面積とから各ポインチングベクトル部のコイル損失を求め、該各ポインチングベクトル部のコイル損失の総和から前記被測定コイルの損失を求めるようにしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明によるコイル損失測定法及びコイル損失監視システムの基本的概念を説明する模式図を示す。図１において、１はコイル損失の測定対象の被測定コイル、２は被測定コイル１の周囲に設けられた球状（地球儀状）の金属製部材であり、例えば銅ホイルなどのように導電性の良い薄い金属が望ましい。ただし、他の金属であって、その板厚が薄くなくても測定はできる。
この球状の金属製部材２の外周面には、磁界ベクトルと電界ベクトルの外積からポインチングベクトルを測定するための磁界と電界を検出するセンサー３を複数設けてある。この球状の金属製部材２には、説明を容易にするため、図面に向かって上側を北極（ＮｏｒｔｈＰｏｌｅ），下側を南極（ＳｏｕｔｈＰｏｌｅ），右側を東（Ｅａｓｔ），左側を西（Ｗｅｓｔ）として表してある。
【００１４】
ポインチングベクトルＰは、単位時間に単位面積を通過するエネルギーの流れの大きさであり、Ｐ＝Ｅ（電界）×Ｈ（磁界）で表される。従って、図２（ａ）に示すポインチングベクトルＰを検出するセンサー３は、図２（ｂ）（ｃ）に示すように、西向の電界Ｅｗと北向の磁界Ｈｎとの外積であるポインチングベクトルＰ１を測定するセンサー３１（図２（ｂ））と、北向の電界と東向の磁界Ｈｅとの外積であるポインチングベクトルＰ２を測定するセンサー３２（図２（ｃ））とにより構成されているものであり、ポインチングベクトルＰ１とＰ２とを積算したものである。このセンサー３を球状の金属製部材２の外周面に適宜数を配置して、センサー３を配置した各領域のポインチングベクトルの変化の有無により、コイル又はコイル応用装置の健全性を監視するものである。また、センサー３を配置した各領域の各ポインチングベクトル値とその対象領域の面積とからコイル損失を求め、各領域のコイル損失の総和から被測定コイル１全体のコイル損失を測定するものである。
【００１５】
次に、本発明の実施例に基づきコイル損失の測定方法を説明する。図３は被測定コイル１の周囲を球状の金属製部材２で囲ったもので、この金属製部材２の表面に、磁界を検出するピックアップコイル５ａ，５ｂと、電界を検出する電圧リード６ａ，６ｂとを、その一部についての配置を示したものである。
図３（ａ）は前述したポインチングベクトルＰ１の測定と、図３（ｂ）はポインチングベクトルＰ２の測定とを示すものであり、細い矢印は磁界の方向で太い矢印は電界の方向を示している。なお、金属製部材２の軸方向（北極と南極間）に１カ所だけスリット４を設けてある。このスリット４は、ポインチングベクトルＰ１の電界を検出する距離が短くなるため、ほぼ全周に亘って電界を測定するように設けたものである。また、金属製部材２の赤道部分に、例えばゴムなどの絶縁部材９を挟み、北半球と南半球とを電気的に分離するようにし、被測定コイル１の抵抗で発生する電界を測定する。
【００１６】
図３（ａ）におけるポインチングベクトルＰ１の測定においては、磁界Ｈｎを測定するピックアップコイル５ａ、…は横の円周方向に複数段設けられ、電界Ｅｗを測定する電圧リード６ａ、６ｂ，…はピックアップコイル５ａ，…設置位置とほぼ重なる箇所の円周方向の電界を測定するように各段毎に設けられている。この実施例の場合は金属製部材２が球状であるため、ポインチングベクトルＰ１の測定における円周各位値の磁界Ｈｎと電界Ｅｗがほぼ均一であることから、それぞれ１個のピックアップコイル５ａと電圧リード６ａで測定するようにしているものである。ただし、基本的には金属製部材２の形状に基づいてポインチングベクトルを測定する箇所毎にピックアップコイル５ａと電圧リード６ａを設けることである。
【００１７】
図３（ｂ）におけるポインチングベクトルＰ２の測定においては、磁界Ｈｅを測定するピックアップコイル７ａ，７ｂ，…と電界Ｅｎを測定する電圧リード８ａ，８ｂ，…は、前述のポインチングベクトルＰ１を測定するピックアップコイル５ａと電圧リード６ａと合致する位置に個々に設けられているものである。即ち、ポインチングベクトルＰ１とＰ２とは同一地域を対象として測定するようにしているものである。なお、Ｐ２の測定における赤道部分の電界Ｅｎは、絶縁部材９で挟んで電圧リードが設けられ、その間の電界を測定するものである。
【００１８】
次に、図３に示した被測定コイル１を球状の金属製部材２により囲んで測定する場合の具体的測定方法を説明する。なお、図４に測定回路を示す。図４において、１は被測定コイル、２は球状の金属製部材でその断面図を示す。１１はピックアップコイルであり、前述の磁界Ｈｎ，Ｈｅを検出するピックアップコイル５ａ，…と７ａ，７ｂ，…とを総称して示す。１２は電圧リードであり、前述の電界Ｅｗ，Ｅｎを検出する電圧リード６ａ，６ｂ，…と８ａ，８ｂ，…とを総称して示す。なお、各ピックアップコイル１１（５，７）と各電圧リード１２（６，８）は、所要のタイミングで端子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄで切換えて、測定回路に接続されるようになっている。１４はオシレータであり、被測定コイルに対する交流信号として、例えば１００Ｈｚ又は２００Ｈｚの信号がそれぞれ出力すると共に、ロックイン増幅器１５にアイソレーション増幅器１６を介して参照信号を出力するものである。
【００１９】
１７は電力増幅器であり、オシレータ１４からアイソレーション増幅器１８を介して入力される交流信号１００Ｈｚ，２００Ｈｚを増幅し、被測定コイル１に所要の電流を供給するものである。１９はシャント抵抗、２０は電圧計、２１は可変抵抗ＶＲ１，ＶＲ２からなるキャンセルボックス、２２は差動増幅器である。
【００２０】
この実施例における測定装置の諸元は、次の表１に記載の通りである。
【表１】

【００２１】
球状の金属製部材２は、プラスチックの球（半径１０７ｍｍ）の中央にコイル長１０７ｍｍの被測定コイルを置き、プラスチックの球面上は金属製部材（薄い銅ホイル又はテープ）で覆っている。
Ｐ１の測定は、北緯８０°〜南緯８０°まで１０°毎に電界検出用の電圧リード６と磁界検出用のピックアップコイル５のセットを球面上に設置してある。Ｐ２測定は緯度１０°間に電界検出用の電圧リード８とその間に磁界検出用のピックアップコイル７とのセットを北緯９０°〜南緯９０°まで１０°毎に設置してある。球面の全体に渡り３６点のポインチングベクトルＰを測定する。そして、Ｐ１とＰ２の和とその測定面の表面積の積が見掛上のコイル損失になる。球面のコイル損失値の総和が装置内部で発生するコイル損失値である。
【００２２】
また、交流損失測定の感度を高めるためキャンセルボックス２１とロックイン増幅器１５による位相差測定を用いている。ポインチングベクトルＰを球面全体に渡って測定する際、球面の測定をＰ１の測定とＰ２の測定を合わせて３６分割している。その各測定点における電圧リード１２の拾う信号電圧とピックアップコイル１１の拾う信号電圧をそれぞれＶ_ｅ，Ｖ_ｈとする。このとき通電電流Ｉと磁界Ｈを基準に取ったベクトル図が図５（ａ）である。Ｖ_ｅは損失成分Ｖ_ｅ１と蓄積エネルギ成分Ｖ_ｅ２の合成ベクトルである。そこでまず、Ｖ_ｅに含まれるＶ_ｅ２と同相の信号電圧をＶ_ｅに加える（実際は差し引く）ことで、余分なＶ_ｅ２を可能な限り小さくする。その結果、図５（ｂ）に示すようにＶ_ｅ’とＶ_ｅ１の位相差は９０°より十分小さくなり、Ｖ_ｅ１が測定可能となる。このように、信号電圧から損失成分でない余分な成分を引いてやることを、ここではキャンセリングと呼ぶことにしている。
【００２３】
次に、Ｖ_ｅ’からＶ_ｅ１を取り出し、損失成分の電界を求めるためにロックイン増幅器１５を用いる。ロックイン増幅器１５は、オシレータ１４からの参照信号を基準とし測定信号に含まれる参照信号と同相または９０度ずれた成分の微小信号のみを検出する。参照信号（ＲＥＦ）はオシレータ１４の同期信号出力から出る方形波をロックイン増幅器１５に入力し、ロックイン増幅器自体でＶ_ｈと同相にする。これは、図５で示するようにＶ_ｅ１が通電電流Ｉと同相であり、Ｖ_ｈは通電電流Ｉに対して確実に９０度ずれているため、参照信号としては適しているからである。測定においてキャンセル比を調節していくと、位相差φ’はほとんど０度になり、Ｖ_ｅ’はＶ_ｅ１となる。よって、非常に測定が困難であったＶ_ｅ１を精度良く求めることができる。
【００２４】
次に、計算方法について述べる。測定した電界，磁界の信号電圧は、以下のように処理をされ、交流損失が得られる。前述の説明の通り、ポインチングベクトルＰはエネルギーの流れであり、電界Ｅ〔Ｖ／ｍ〕と磁界Ｈ〔Ａ／ｍ〕の外積で表される。
【数１】

ここで各測定点における電界と磁界を以下のように定義する。
【００２５】
【数２】

ピックアップコイル１１が拾う磁界の信号電圧をＶ_ｈ〔Ｖ〕、電圧リード１２が拾う信号電圧Ｖ_ｅ〔Ｖ〕とすると、
【数３】

と表すことができる。
【００２６】
ただし、Ｎはピックアップコイル１１のターン数、φは磁束、μ_０は真空の透磁率、Ｓはピックアップコイルの断面積、ｄは電圧リードの端子間距離である。Ｖ_ｅの基本波成分には、空間の蓄積エネルギー成分が含まれているため、Ｖ_ｈを蓄積エネルギー成分を差し引くための基準信号とすることでキャンセルを行う。このときのキャンセル比をｋ、キャンセル後の電界Ｖ_ｅ’と磁界の位相差をφ’とすると、キャンセル後の電界信号Ｖ_ｅ’は（３）式及び（４）式から
【００２７】
【数４】

となる。
ただし
【数５】

である。
【００２８】
一方、参照信号Ｖ_ｒにはオシレータ１４の同期信号出力から、出力電圧と同期している方形波を入力する。
【数６】

今回は、参照信号Ｖ_ｒの位相を蓄積エネルギーと同じ成分にするため、ロックイン増幅器１５において９０度ずらす。
【数７】

【００２９】
それぞれの信号はロックイン増幅器１５内のＰＳＤ（位相検波器）においてミキサされ、同相成分が直流電圧で出力される。ＰＳＤの出力をＶ_０とすると、
【数８】

ここで、バンドパスフィルタをかけることにより、Ｖ_０から直流成分Ｖ_０ｄｃのみ取り出すことができる。
【数９】

【００３０】
ポインチングベクトルＰは電界と磁界の外積であり、これを時間積分することでコイル損失が求められる。電界と磁界は、
【数１０】

であり、それぞれ測定信号との関係は、
【数１１】

と表すことができる。
【００３１】
ここで、測定試料単位長さ当たり、巻線間全体のコイル損失をＷとすると、
【数１２】

と表すことができる。
【００３２】
今回の測定ではポインチングベクトルを球面上３６点に渡り測定することら、各測定点（ｉ番目）の電界と磁界をそれぞれＥ（ｉ）、Ｈ（ｉ）、巻線中心間距離をｗとすると（１２）式は、
【数１３】

と近似できる。ここで、
【数１４】

である。
【００３３】
さらに（１０）式、（１２）式より
【数１５】

となることより、最終的に測定装置内のコイル損失は、
【数１６】

と表される。
【００３４】
次に、被測定コイル１の通電電流Ｉはオシレータ１４で制御する。ピックアップコイル１１が拾う磁界信号を抵抗分圧することでキャンセルを行い、ロックインアンプ１５を用いることで電界の損失成分を得る。今回のピックアップコイル１１の信号電圧が少なかったために、電圧リード１２の信号電圧を分圧した測定個所がある。このため、測定電圧はキャンセル比の分だけ小さくなっているが、損失計算時にキャンセル比で補正してある。なお、Ｐ２の電界測定の赤道部分は電圧リードの信号電圧が大きいため、キャンセルボックス２１の可変抵抗を２段にしてキャンセル処理を行ったものである。
【００３５】
【実施例】
次に被測定コイル１として、表２に示す諸元の被測定コイル１を室温空間で通電してコイル損失測定を行った実施例を説明する。
【表２】

【００３６】
被測定コイル１の電流値Ｉを５Ａ、周波数を１００Ｈｚ，２００Ｈｚに変化させて測定した。この測定における各測定領域の磁界，電界，ポインチングベクトル，コイル損失の各測定データを、後述する被測定コイル１に他のコイルを接続した状態で、被測定コイル１のコイル損失を測定した測定結果と共に表示した、図６乃至図９に基づいて説明する。なお、この測定における１００Ｈｚの測定データは白丸で示し、２００Ｈｚの測定データは白四角で示してある。この測定における磁界の測定結果を図６（ａ）（ｂ）、電界の測定結果を図７（ａ）（ｂ）に示す。図６及び図７の横軸は測定の位置を緯度で示している。図６（ａ）（ｂ）より磁界の測定は周波数の依存性がなく左右対称で測定に問題がない。磁界Ｈｎは北緯６０°と南緯６０°の部分でピークになっている。これは、被測定コイル１とピックアップコイル５が接近しているためである。また、磁界Ｈｅは北緯８０°と南緯８０°の部分でピークになっているのは、リード線とピックアップコイル７が接近しているためである。また、図７（ｂ）から電界Ｅｎは、赤道部分でコイルの抵抗により発生する電位差が計測されている。
【００３７】
次に図８（ａ）（ｂ）は各ポインチングベクトル計測箇所のＰ１，Ｐ２の測定結果であり、図９（ａ）（ｂ）は各ポインチングベクトル計測箇所のＰ１，Ｐ２に基づく見掛上のコイル損失の測定結果である。この測定空間内の抵抗は、四端子法による測定により０．４３Ωであった。この抵抗値よりコイル損失の理論値は、５．４１Ｗである。測定結果は、１００Ｈｚが５．３２Ｗ、２００Ｈｚが５．７５Ｗであった。この測定結果は、図９（ｂ）に現れているように、Ｐ２の赤道部分のみで決まっている。そのため、被測定コイル１の抵抗成分の損失は、Ｐ２の赤道部分のみで測定している。そして、Ｐ２の赤道部分以外の部分とＰ１の損失値の和は、１００Ｈｚで５．２２×１０^−３〔Ｗ〕、２００Ｈｚで１．６２×１０^−２〔Ｗ〕である。これは、被測定コイル１の渦電流損失と考えられる。
【００３８】
また、被測定コイル１で発生する渦電流損失の理論値は、
【数１７】

より求めた結果、１００Ｈｚは１．０１２×１０^−４〔Ｗ〕、２００Ｈｚは２．０２４×１０^−４〔Ｗ〕になった。
【００３９】
前述の被測定コイル１の室温空間での理論計算によるコイル損失と、実際の測定結果におけるコイル損失を表３に示す。
【表３】

【００４０】
次に前述した被測定コイル１に他のコイル２３を接続した状態で、被測定コイル１の損失を測定した実施例について説明する。即ち、複数のコイルの一部分で発生するコイル損失だけを選択的に測定できる実施例としたものである。この測定においては、図１０に示すように、被測定コイル１と他のコイル２３とを直列に配置し、他のコイル２３を測定システムの外側に置き、被測定コイル１の測定を行ったものである。なお、この測定においては、円周方向の磁界と電界が一定のときのみ測定可能であるため、２つのコイルは同軸上に配置して測定したものである。また被測定コイル１に接続した他のコイル２３の諸元は、表４に示す通りである。
【００４１】
【表４】

【００４２】
この実施例における測定においても、周波数を１００Ｈｚ，２００Ｈｚに変化させて測定し、その測定結果を、前述したように被測定コイル１を単独に測定した測定値と重ね合わせて、図６乃至図９に１００Ｈｚの測定データは白丸で示し、２００Ｈｚの測定データは白四角で表示してある。即ち、この測定における各測定領域の磁界の測定結果を図６（ａ）（ｂ）、電界の測定結果を図７（ａ）（ｂ）、ポインチングベクトルの測定結果を図８（ａ）（ｂ）、コイル損失の測定結果を図９（ａ）（ｂ）に示してある。この測定による被測定コイル１の測定結果は、表５に示す通りである。
【００４３】
【表５】

【００４４】
この表５から明らかなように、銅コイルを２個直列に接続して、１００Ｈｚの交流電流を磁界の発生が同じ向きになるように通電して測定した結果、全測定値は理論値とほぼ一致していることが確認された。なお、渦電流損失の測定は、他のコイル２３に近い半球で測定値が増加している。これは、他のコイル２３で発生する磁界の影響を受けて増加しているものである。
【００４５】
前述した測定結果は、図４に示した測定回路により、球状の金属製部材２の表面の各部に設置されたセンサーとしてのピックアップコイルによる磁界の測定と、電圧リードによる電界の測定とを各設置部毎に切換えて行い、その各設置部のポインチングベクトルを測定することにより、その各設置部に対応する見掛上のコイル損失を測定するものである。また、それと共に各センサー設置部の測定値の総和が被測定コイル全体のコイル損失となる。
【００４６】
従って、各設置部のセンサーを所要のタイミングにより切換えて測定し、その測定結果を表示装置上に繰り返し表示することにより、いずれかのセンサー設置部でコイル損失値の増加が検知された場合、そのセンサー設置部に対応するコイル位置で異常な発熱が生じたことを検出することができるものである。被測定コイルが超伝導コイルの場合は、コイルの一部で常伝導化したことを検出することができるし、その変化の程度についても測定することができる。勿論、被測定コイルの全体の損失が、予め計算された理論値に比較してどの程度の差異を有しているか、或いは全体のコイル損失の変化の検出により、被測定コイルの異常の発生を検出することもできる。
【００４７】
前述した実施例では、被測定コイルの周囲を囲む金属製部材を、銅ホイルのような薄い金属を用いた実施例により説明したが、金属製部材を図１５に示すように例えば銅線による網状金属製部材２４にして、渦電流損失の低減を図るようにしてもよい。また、薄い銅板等の金属板に多数の孔を開けたパンチングメタルにより囲むようにしてもよい。また、被測定コイルが超伝導コイルのように冷却用容器に収容されているような場合で、冷却用容器が金属の場合は金属の外周面に磁界及び電界を測定するセンサーを、その金属容器に直接設置してもよい。また、冷却用容器がプラスチックのような場合は、そのプラスチック容器の周囲を前述した金属製部材で囲み、その周囲にセンサーを設けるようにすればよい。
【００４８】
また、前述した実施例では、被測定コイルの周囲を囲む金属製部材を球状に形成して構成したが、被測定コイルの形状に基づいて様々な形状に形成してもよい。この金属製部材の形状によって、センサーの設置する位置と設置個数を考慮して、測定精度が維持できるように配置することが重要である。
【００４９】
前述した実施例では、室温空間で被測定コイル１を単体で測定した場合と、被測定コイル１に他のコイル２３を接続した状態で被測定コイル１のみを金属製部材２により囲んで、適宜箇所にセンサーを配置し、各領域のポインチングベクトルを測定した場合について説明したが、被測定コイルコイルの態様は色々ある。例えば、前述したように、２個のコイルが連結されて１個のコイル組立として構成されている場合、このコイル組立全体を金属製部材で囲み全体を測定多少としてもよいし、２個の内の１個のコイルを金属製部材で囲み、そのコイル組立の一部分のコイル損失を測定することもできる。また、複数個のコイルが接続されている場合、その複数個のコイルの内１個のコイル又は２個以上の複数個、或いは複数個のコイル全部について金属製部材で囲み、当該部分のコイル損失を測定することもできるし、測定対象のコイルの健全性の監視と異常状態の発生箇所の検出を行うことができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上本発明を詳細に説明したが、本発明は次のような効果を奏するものである。
（１）１個または複数のコイルを含む装置について、１個のコイルの一部分、又は複数のコイルの一部分で発生する損失を選択的に、かつ高感度で電気的に測定できる。これにより、コイル又はコイル応用装置の健全性を監視することができる。
（２）コイル損失の測定は、金属製部材を使用するため、任意の形状をもつコイルやコイル容器に適用可能であって、例えコイル容器内が極低温でも、測定は容器の外周を囲む金属製部材に対して行うので、室温空間に置かれた多数個の電界および磁界センサーで測定でき、ハンドリングばかりでなくメンテナンスもし易い。
（３）コイル応用装置の運転開始時におけるコイル損失の正常か否かの確認、及び運転状態におけるコイル損失の変化の監視を、コイル応用装置の耐電圧性能を劣化させることなく、或いは劣化のリスクが小さい状況下で可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるコイル損失状態監視システム及びコイル損失測定方法の基本的概念を説明する模式図である。
【図２】本発明に係るポインチングベクトルを測定する磁界及び電界のセンサーを説明する模式図である。
【図３】本発明に係るポインチングベクトルを測定する磁界及び電界のセンサーの金属製部材への配置を示す模式図である。
【図４】本発明に係るポインチングベクトルを測定する一実施例の回路図である。
【図５】本発明に係るポインチングベクトルの測定を説明するベクトル図である。
【図６】本発明に係るポインチングベクトルの要素である磁界の測定例を示す特性図である。
【図７】本発明に係るポインチングベクトルの要素である電界の測定例を示す特性図である。
【図８】本発明に係るポインチングベクトルの測定例を示す特性図である。
【図９】本発明に係るコイル損失の測定例を示す特性図である。
【図１０】本発明によるコイル損失測定方法の他の実施例を説明する模式図である。
【図１１】本発明に係るポインチングベクトルを測定するための被測定コイルを囲む金属製部材の他の例を説明する模式図である。
【符号の説明】
１被測定コイル
２金属製部材
３センサー（ポインチングベクトルＰ測定用）
４金属製部材に設けられたスリット
５ピックアップコイル（ポインチングベクトルＰ１測定用）
６電圧リード（ポインチングベクトルＰ１測定用）
７ピックアップコイル（ポインチングベクトルＰ２測定用）
８電圧リード（ポインチングベクトルＰ２測定用）
１１ピックアップコイル
１２電圧リード
１３端子
１４オシレータ
１５ロックイン増幅器
１６，１８アイソレーション増幅器
１７電力増幅器
１９シャント抵抗
２０電圧計
２１キャンセルボックス
２２差動増幅器
２３他のコイル
２４網状金属製部材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a superconducting coil and a normal conducting coil during operation of a coil application device such as a power storage device, a transformer, a semiconductor single crystal pulling device, a current limiter, an MRI (magnetic resonance imaging device), a generator, and a motor. In addition to measuring the loss of the entire coil, monitoring the change over time of the loss of the entire coil during the operation of this coil application device, or detecting the coil portion where the loss occurred and monitoring the loss generated at that location The present invention relates to a coil loss measuring method and a coil loss monitoring system.
[0002]
[Prior art]
Measuring the coil loss, which is one of the basic performances of a device using a coil, is important in device design, such as evaluating the efficiency of a coil application device and examining a method of cooling a coil winding. In addition, it is important to monitor the state of occurrence of coil loss at the beginning or during operation of the coil application device or the distribution of the generated magnetic field around the coil in order to grasp the normal operating state of the coil application device, so-called soundness. is there. Methods for measuring coil loss include electrical measurement and thermal measurement. (For example, see Non-Patent Document 1, p. 297-300.) Examples of the former electric measurement method include a non-inductive winding coil method, a poinching vector measurement method, an electric measurement method for magnet loss, and a tan δ measurement method. This electrical measurement method is generally considered to have good sensitivity, but requires a high measurement technique and is not versatile because it is troublesome. On the other hand, the latter thermal measurement method has low sensitivity but has a simple method and is generally used.
[0003]
In addition, as a method for measuring the loss of an induction coil, the phase difference angle between the measured induction coil connected to the same AC power supply and a standard capacitor having a known loss angle is converted into time and measured. There is a method of measuring the loss of an induction coil by utilizing the fact that the angle obtained by subtracting the known loss angle of the standard capacitor from the phase difference angle obtained from the value gives the loss angle of the measured induction coil. (For example, see Patent Document 1)
[0004]
The superconducting coil suddenly generates heat due to an unstable phenomenon in which a normal conduction region is generated in its winding during operation, and further progresses to a serious situation (called a quench) in which the function of the superconducting coil is impaired. . In such a case, it is important to stop the energization of the coil as soon as possible, and if the timing is delayed, there is a possibility that the coil itself may be damaged such as burnout or dielectric breakdown. Therefore, a superconducting coil device requires both a device that constantly monitors the soundness during operation and a device that immediately protects the coil when an abnormality is detected.
[0005]
As a device for monitoring abnormalities in coil loss occurring during the operation of such a coil application device, for example, a coil lead of a superconducting coil is divided into two portions, and a voltage lead drawn from a tap substantially in the middle is used. Then, the deviation (balance voltage) of the balance between the coil terminal voltages of the two portions is observed. The balance voltage is set so as to approach zero voltage in normal times. If a normal conduction region is suddenly generated on one side, a large voltage is observed, and the occurrence of the abnormal state can be known. (For example, see Non-Patent Document 1, p. 214, and FIG. 6.13 (a).)
As a similar method, there is a monitoring system that installs two independent pickup coils insulated from voltage terminals at both ends of the coil in a hole inside the coil and observes a balance voltage between them.
[0006]
In the case of a small coil, a system in which the power supply itself detects a sudden change in the voltage between both ends of the coil and automatically stops the operation is also employed.
Also, as in the case of a normal conduction coil or a superconducting coil with conduction cooling, if the loss of the coil winding increases or the normal conduction region occurs, abnormal heat is generated and the temperature of the coil and its accompanying structural materials will increase. To rise. Some monitoring systems check for this temperature change.
Monitoring systems using acoustic emission are also being developed. This utilizes the change in sound generated from the coil. At this stage, it is still used as an auxiliary system, but its reliability as a main system has not been obtained.
[0007]
[Non-patent document 1]
Kazuo Funaki and Fumio Sumiyoshi, “Multi-core Wires and Conductors,” Sangyo Tosho Publishing Co., Ltd., April 3, 1995, p. 214, FIG. 6.13 (a), p285-300
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 8-27310 (page 1-2)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional monitoring system for detecting an abnormality in coil loss cannot electrically measure the coil loss when the inside of the container is at a very low temperature, such as a superconducting coil, from outside the container. In addition, it has not been possible to selectively and electrically measure a coil loss generated in a part of one or a plurality of coils. That is, a part of one coil (for example, one of two coils connected to form one coil assembly) or a part of a plurality of coils connected to one coil It was not possible to detect at which part of the coil the abnormality occurred with respect to the loss caused by the above. Conventionally, there has been a problem that the withstand voltage performance may be degraded by a measuring method that affects the coil itself.
The present invention provides a coil loss state monitoring system and a coil loss measuring method that can solve all of these problems, and can check the soundness of a coil or a coil device.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The coil loss state monitoring system according to the first aspect of the present invention is a system in which the circumference of the measured coil of one or all or a part of the coils to which a plurality of coils are connected in the operating state of the coil application device is metal. A sensor for measuring a poining vector obtained as an outer product of a magnetic field vector and an electric field vector is disposed in a plurality of appropriate target regions on the peripheral surface of the metal member, and the poining detected by the plurality of sensors is provided. The coil loss state of the coil to be measured is monitored from a vector value.
[0010]
The coil loss state monitoring system according to the second invention of the present application is a system in which the circumference of the measured coil of one or all or some of the coils to which a plurality of coils are connected in the operating state of the coil application device is metal. A sensor for measuring a poining vector obtained as an outer product of a magnetic field vector and an electric field vector is disposed in a plurality of appropriate target regions on the peripheral surface of the metal member, and the poining detected by the plurality of sensors is provided. The sum of the vector values is detected at a required timing, and the coil loss state of the measured coil is monitored from the sum of the pointing vector values.
[0011]
The coil loss state monitoring system according to the third invention of the present application is a system in which the circumference of the measured coil of one or all or a part of the coils connected to a plurality of coils in the operating state of the coil application device is metal. A sensor for measuring a poining vector obtained as an outer product of a magnetic field vector and an electric field vector is arranged in a plurality of appropriate target regions on the peripheral surface of the metal member, and each output of the plurality of sensors is required. By switching at the timing, the poining vector values of the plurality of locations are repeatedly displayed on the display device for each of the plurality of locations, and the coil loss state of the measured coil is monitored from the poining vector values of the plurality of locations. It was done.
[0012]
The coil loss measuring method according to the fourth aspect of the present invention is a method of measuring the circumference of a coil to be measured of one or all or a part of coils connected to a plurality of coils in an operating state of the coil application device. A sensor for measuring a poining vector obtained as an outer product of a magnetic field vector and an electric field vector is disposed in a plurality of appropriate target regions on the peripheral surface of the metal member, and each poining detected by the plurality of sensors. The coil loss of each pointing vector portion is obtained from the vector value and the area of the target area of each pointing vector, and the loss of the coil to be measured is obtained from the sum of the coil losses of each pointing vector portion. It is.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the basic concept of a coil loss measuring method and a coil loss monitoring system according to the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a coil to be measured whose coil loss is to be measured, and 2 denotes a spherical (globe-shaped) metal member provided around the coil 1 to be measured, for example, a conductive material such as a copper foil. Good thin metal is preferred. However, the measurement can be performed even if the thickness of the other metal is not thin.
A plurality of sensors 3 for detecting a magnetic field and an electric field for measuring a pointing vector from an outer product of the magnetic field vector and the electric field vector are provided on the outer peripheral surface of the spherical metal member 2. In order to facilitate the description, the spherical metal member 2 has an upper side in the drawing, a north pole, a lower side in a south pole, a right side in the east (East), and a left side in the west (West). ).
[0014]
The poinching vector P is the magnitude of the flow of energy passing through the unit area per unit time, and is represented by P = E (electric field) × H (magnetic field). Accordingly, as shown in FIGS. 2B and 2C, the sensor 3 for detecting the poining vector P shown in FIG. 2A is a poining vector which is an outer product of the westward electric field Ew and the northward magnetic field Hn. A sensor 31 (FIG. 2 (b)) for measuring P1 and a sensor 32 (FIG. 2 (c)) for measuring a poining vector P2 which is an outer product of a northward electric field and an eastward magnetic field He. And is obtained by integrating the pointing vectors P1 and P2. An appropriate number of the sensors 3 are arranged on the outer peripheral surface of the spherical metal member 2, and the soundness of the coil or the coil application device is monitored based on the presence or absence of a change in the pointing vector of each area where the sensor 3 is arranged. It is. In addition, a coil loss is obtained from each poining vector value of each area where the sensor 3 is arranged and the area of the target area, and the coil loss of the entire measured coil 1 is measured from the sum of the coil losses of each area. .
[0015]
Next, a method of measuring a coil loss based on an embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 shows a case where a coil 1 to be measured is surrounded by a spherical metal member 2. Pickup coils 5 a and 5 b for detecting a magnetic field and voltage leads 6 a and 5 a for detecting an electric field are provided on the surface of the metal member 2. 6b shows the arrangement of a part thereof.
FIG. 3A shows the measurement of the above-described poining vector P1 and FIG. 3B shows the measurement of the poining vector P2. A thin arrow indicates the direction of the magnetic field, and a thick arrow indicates the direction of the electric field. ing. It should be noted that the slit 4 is provided only at one location in the axial direction of the metal member 2 (between the north pole and the south pole). The slit 4 is provided so as to measure the electric field over substantially the entire circumference since the distance for detecting the electric field of the pointing vector P1 becomes short. Further, an insulating member 9 such as rubber is sandwiched between equatorial portions of the metal member 2 so that the northern hemisphere and the southern hemisphere are electrically separated, and an electric field generated by the resistance of the coil 1 to be measured is measured.
[0016]
In the measurement of the pointing vector P1 in FIG. 3A, a plurality of pickup coils 5a,... For measuring the magnetic field Hn are provided in a plurality of stages in the horizontal circumferential direction, and the voltage leads 6a, 6b,. The pickup coils 5a,... Are provided for each stage so as to measure the electric field in the circumferential direction at a location substantially overlapping the installation position. In the case of this embodiment, since the metal member 2 is spherical, the magnetic field Hn and electric field Ew of each circumferential value in the measurement of the poinching vector P1 are substantially uniform, so that one pickup coil 5a and voltage The measurement is performed with the lead 6a. However, basically, a pickup coil 5a and a voltage lead 6a are provided at each position where the poining vector is measured based on the shape of the metal member 2.
[0017]
In the measurement of the pointing vector P2 in FIG. 3B, the pickup coils 7a, 7b,... For measuring the magnetic field He and the voltage leads 8a, 8b,. The pickup coils 5a and the voltage leads 6a are individually provided at positions corresponding to each other. That is, the pointing vectors P1 and P2 are measured for the same area. The electric field En at the equator in the measurement of P2 is obtained by providing a voltage lead between the insulating members 9 and measuring the electric field therebetween.
[0018]
Next, a specific measurement method when the measurement target coil 1 shown in FIG. 3 is surrounded by a spherical metal member 2 for measurement will be described. FIG. 4 shows a measurement circuit. In FIG. 4, reference numeral 1 denotes a coil to be measured, and 2 denotes a spherical metal member. Reference numeral 11 denotes a pickup coil, which collectively represents the pickup coils 5a,... And 7a, 7b,. Reference numeral 12 denotes voltage leads, and the voltage leads 6a, 6b,... And 8a, 8b,. The pickup coils 11 (5, 7) and the voltage leads 12 (6, 8) are switched by

terminals

13a, 13b, 13c, 13d at required timing and connected to a measurement circuit. . An oscillator 14 outputs, for example, a 100 Hz or 200 Hz signal as an AC signal to the coil under measurement, and outputs a reference signal to the lock-in amplifier 15 via the isolation amplifier 16.
[0019]
A power amplifier 17 amplifies AC signals 100 Hz and 200 Hz input from the oscillator 14 via the isolation amplifier 18 and supplies a required current to the coil 1 to be measured. 19 is a shunt resistor, 20 is a voltmeter, 21 is a cancel box composed of variable resistors VR1 and VR2, and 22 is a differential amplifier.
[0020]
The specifications of the measuring apparatus in this embodiment are as shown in Table 1 below.
[Table 1]

[0021]
The spherical metal member 2 has a coil to be measured having a coil length of 107 mm placed at the center of a plastic sphere (radius 107 mm), and the plastic sphere is covered with a metal member (thin copper foil or tape).
In the measurement of P1, a set of a voltage lead 6 for detecting an electric field and a pickup coil 5 for detecting a magnetic field are set on a spherical surface every 10 ° from 80 ° north to 80 ° south latitude. In the P2 measurement, a set of a voltage lead 8 for detecting an electric field and a pickup coil 7 for detecting a magnetic field between the voltage leads 8 is set at intervals of 10 ° from 90 ° north latitude to 90 ° south latitude during a latitude of 10 °. The poining vectors P at 36 points are measured over the entire spherical surface. The product of the sum of P1 and P2 and the surface area of the measurement surface is the apparent coil loss. The sum of the spherical coil loss values is the coil loss value generated inside the device.
[0022]
Further, in order to enhance the sensitivity of the AC loss measurement, a phase difference measurement using the cancel box 21 and the lock-in amplifier 15 is used. When measuring the pointing vector P over the entire sphere, the measurement of the sphere is divided into 36 by combining the measurement of P1 and the measurement of P2. The signal voltage picked up by the voltage lead 12 and the signal voltage picked up by the pickup coil 11 at each measurement point are respectively V _e , V _h And FIG. 5A is a vector diagram based on the current I and the magnetic field H at this time. V _e Is the loss component V _e1 And stored energy component V _e2 Is a composite vector of So first, V _e V included in _e2 Signal voltage in phase with V _e By adding (actually subtracting) the extra V _e2 As small as possible. As a result, as shown in FIG. _e 'And V _e1 Is sufficiently smaller than 90 °, and V _e1 Can be measured. In this manner, subtracting an extra component other than a loss component from the signal voltage is referred to as canceling here.
[0023]
Next, V _e 'To V _e1 And the lock-in amplifier 15 is used to obtain the electric field of the loss component. The lock-in amplifier 15 detects only a minute signal having a component that is in-phase or shifted by 90 degrees from the reference signal included in the measurement signal with reference to the reference signal from the oscillator 14. As the reference signal (REF), a square wave output from the synchronization signal output of the oscillator 14 is input to the lock-in amplifier 15, and the lock-in amplifier itself outputs V _h And in-phase. This corresponds to V as shown in FIG. _e1 Are in phase with the conduction current I, and V _h Is definitely 90 degrees with respect to the conduction current I, so that it is suitable as a reference signal. As the cancellation ratio is adjusted in the measurement, the phase difference φ ′ becomes almost 0 degree, _e 'Is V _e1 It becomes. Therefore, V, which was very difficult to measure _e1 Can be obtained with high accuracy.
[0024]
Next, a calculation method will be described. The measured signal voltages of the electric field and the magnetic field are processed as described below to obtain an AC loss. As described above, the pointing vector P is a flow of energy, and is represented by the outer product of the electric field E [V / m] and the magnetic field H [A / m].
(Equation 1)

Here, the electric field and the magnetic field at each measurement point are defined as follows.
[0025]
(Equation 2)

The signal voltage of the magnetic field picked up by the pickup coil 11 is V _h [V], the signal voltage V picked up by the voltage lead 12 _e [V],
[Equation 3]

It can be expressed as.
[0026]
Here, N is the number of turns of the pickup coil 11, φ is the magnetic flux, μ ₀ Is the magnetic permeability of vacuum, S is the sectional area of the pickup coil, and d is the distance between terminals of the voltage lead. V _e Since the fundamental wave component of contains a stored energy component of space, V _h Is used as a reference signal for subtracting the stored energy component. The cancellation ratio at this time is k, and the electric field V after cancellation is _e And the phase difference between the magnetic field and φ, the electric field signal V after cancellation _e 'Is from equations (3) and (4)
[0027]
(Equation 4)

It becomes.
However
(Equation 5)

It is.
[0028]
On the other hand, the reference signal V _r , A square wave synchronized with the output voltage is input from the synchronization signal output of the oscillator 14.
(Equation 6)

This time, the reference signal V _r Are shifted by 90 degrees in the lock-in amplifier 15 in order to make the phase the same as the stored energy.
(Equation 7)

[0029]
Each signal is mixed in a PSD (phase detector) in the lock-in amplifier 15, and an in-phase component is output as a DC voltage. Output of PSD to V ₀ Then
(Equation 8)

Here, by applying a band-pass filter, V ₀ From the DC component V _0dc Only can be taken out.
(Equation 9)

[0030]
The poinching vector P is the outer product of the electric field and the magnetic field, and the time loss is integrated to obtain the coil loss. Electric and magnetic fields are
(Equation 10)

And the relationship with the measurement signal is
[Equation 11]

It can be expressed as.
[0031]
Here, assuming that the coil loss between the windings per unit length of the measurement sample is W,
(Equation 12)

It can be expressed as.
[0032]
In this measurement, by measuring the pointing vector over 36 points on the spherical surface, the electric field and magnetic field at each measurement point (i-th) are E (i) and H (i), and the distance between the winding centers is w. Then, equation (12) becomes
(Equation 13)

Can be approximated. here,
[Equation 14]

It is.
[0033]
Furthermore, from equations (10) and (12)
(Equation 15)

Finally, the coil loss in the measuring device is
(Equation 16)

It is expressed as
[0034]
Next, the current I flowing through the measured coil 1 is controlled by the oscillator 14. Cancellation is performed by dividing the magnetic field signal picked up by the pickup coil 11 by resistance, and a loss component of the electric field is obtained by using the lock-in amplifier 15. Since the signal voltage of the pickup coil 11 this time is small, there is a measurement point where the signal voltage of the voltage lead 12 is divided. For this reason, the measured voltage is reduced by the cancel ratio, but is corrected by the cancel ratio when calculating the loss. Since the signal voltage of the voltage lead is large in the equator part of the electric field measurement of P2, the cancellation process is performed by setting the variable resistor of the cancel box 21 to two stages.
[0035]
【Example】
Next, an example in which the measured coil 1 having the specifications shown in Table 2 is energized in a room temperature space and the coil loss is measured as the measured coil 1 will be described.
[Table 2]

[0036]
The measurement was performed while changing the current value I of the measured coil 1 to 5 A and changing the frequency to 100 Hz and 200 Hz. In this measurement, the measurement data of the magnetic field, electric field, pointing vector, and coil loss of each measurement area were measured by measuring the coil loss of the measured coil 1 with another coil connected to the measured coil 1 described later. A description will be given based on FIGS. 6 to 9, which are displayed together with the results. The measurement data at 100 Hz in this measurement is indicated by a white circle, and the measurement data at 200 Hz is indicated by a white square. FIGS. 6A and 6B show the measurement results of the magnetic field in this measurement, and FIGS. 7A and 7B show the measurement results of the electric field. The horizontal axis in FIGS. 6 and 7 indicates the measurement position in latitude. 6 (a) and 6 (b), the measurement of the magnetic field has no frequency dependence and is symmetrical with no problem in the measurement. The magnetic field Hn has a peak at 60 ° north latitude and 60 ° south latitude. This is because the measured coil 1 and the pickup coil 5 are close to each other. The magnetic field He peaks at the latitudes of north latitude 80 ° and south latitude 80 ° because the lead wire and the pickup coil 7 are close to each other. Also, from FIG. 7B, the electric field En is a potential difference generated by the resistance of the coil at the equator portion.
[0037]
Next, FIGS. 8 (a) and 8 (b) show the measurement results of P1 and P2 at each point of the poining vector measurement, and FIGS. 9 (a) and 9 (b) show the apparent values based on P1 and P2 of each point of the pointing vector measurement. It is a measurement result of the coil loss above. The resistance in this measurement space was 0.43Ω as measured by a four-terminal method. From this resistance value, the theoretical value of the coil loss is 5.41 W. The measurement results were 5.32 W at 100 Hz and 5.75 W at 200 Hz. This measurement result is determined only at the equator portion of P2 as shown in FIG. 9B. Therefore, the loss of the resistance component of the measured coil 1 is measured only at the equator portion of P2. Then, the sum of the parts other than the equator part of P2 and the loss value of P1 is 5.22 × 10 at 100 Hz. ^-3 [W], 1.62 × 10 at 200 Hz ^-2 [W]. This is considered to be eddy current loss of the coil 1 to be measured.
[0038]
The theoretical value of the eddy current loss generated in the measured coil 1 is:
[Equation 17]

As a result, 100 Hz is 1.012 × 10 ^-4 [W], 200 Hz is 2.024 × 10 ^-4 [W].
[0039]
Table 3 shows the coil loss of the coil under measurement 1 by theoretical calculation in a room temperature space and the coil loss in the actual measurement result.
[Table 3]

[0040]
Next, an embodiment in which the loss of the measured coil 1 is measured in a state where the other coil 23 is connected to the measured coil 1 will be described. That is, this embodiment is one in which only the coil loss generated in a part of the plurality of coils can be selectively measured. In this measurement, as shown in FIG. 10, the measured coil 1 and another coil 23 are arranged in series, the other coil 23 is placed outside the measuring system, and the measured coil 1 is measured. It is. In this measurement, the measurement can be performed only when the magnetic field and the electric field in the circumferential direction are constant. Therefore, the two coils are arranged coaxially and measured. The specifications of the other coils 23 connected to the coil 1 to be measured are as shown in Table 4.
[0041]
[Table 4]

[0042]
Also in the measurement in this embodiment, the measurement is performed while changing the frequency to 100 Hz and 200 Hz, and the measurement result is superimposed on the measurement value obtained by independently measuring the coil 1 to be measured as described above, and FIG. The measured data at 100 Hz is indicated by white circles, and the measured data at 200 Hz is indicated by white squares. That is, the measurement results of the magnetic field in each measurement area in this measurement are shown in FIGS. 6A and 6B, the measurement results of the electric field are shown in FIGS. 7A and 7B, and the measurement results of the pointing vector are shown in FIGS. b) and the measurement results of the coil loss are shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b). The measurement results of the coil 1 to be measured by this measurement are as shown in Table 5.
[0043]
[Table 5]

[0044]
As is evident from Table 5, two copper coils were connected in series, and an alternating current of 100 Hz was applied to the magnetic field so that the magnetic field was generated in the same direction. It was confirmed that they matched. In the measurement of the eddy current loss, the measured value increases in a hemisphere close to another coil 23. This is increased under the influence of the magnetic field generated by the other coils 23.
[0045]
The measurement results described above show that the measurement circuit shown in FIG. 4 uses the measurement circuit shown in FIG. 4 to measure a magnetic field by a pickup coil as a sensor installed on each part of the surface of the spherical metal member 2 and an electric field by a voltage lead. The apparent coil loss corresponding to each installation part is measured by switching the setting for each installation part and measuring the pointing vector of each installation part. At the same time, the sum of the measured values of the sensor installation portions becomes the coil loss of the entire measured coil.
[0046]
Therefore, when the sensor of each installation part is switched and measured at a required timing, and the measurement result is repeatedly displayed on the display device, when an increase in the coil loss value is detected in any one of the sensor installation parts, the measurement is performed. It is possible to detect that abnormal heat generation has occurred at the coil position corresponding to the sensor installation part. When the coil to be measured is a superconducting coil, it is possible to detect that a part of the coil has become a normal conductor, and to measure the degree of the change. Of course, by detecting how much the total loss of the measured coil is different from the theoretical value calculated in advance, or by detecting a change in the total coil loss, the occurrence of an abnormality in the measured coil is determined. It can also be detected.
[0047]
In the above-described embodiment, the metal member surrounding the periphery of the coil to be measured has been described using the embodiment using a thin metal such as a copper foil. However, as shown in FIG. The metal member 24 may be used to reduce eddy current loss. Alternatively, a metal plate such as a thin copper plate may be surrounded by a punching metal having a large number of holes. When the coil to be measured is housed in a cooling container like a superconducting coil, and when the cooling container is metal, a sensor for measuring a magnetic field and an electric field is provided on the outer peripheral surface of the metal. It may be directly installed in. When the cooling container is made of plastic, the periphery of the plastic container may be surrounded by the above-described metal member, and a sensor may be provided around the metal member.
[0048]
In the above-described embodiment, the metal member surrounding the coil to be measured is formed into a spherical shape. However, the metal member may be formed into various shapes based on the shape of the coil to be measured. It is important to arrange the metal members in such a manner that the measurement accuracy can be maintained in consideration of the position and number of sensors to be installed.
[0049]
In the above-described embodiment, the case where the coil 1 to be measured is measured alone in the room temperature space, and the case where the other coil 23 is connected to the coil 1 to be measured, only the coil 1 to be measured is surrounded by the metal member 2 and Although the case where the sensor is arranged at the position and the poining vector of each area is measured has been described, there are various modes of the coil to be measured. For example, as described above, when two coils are connected to form a single coil assembly, the entire coil assembly may be surrounded by a metal member, and the whole may be measured or measured. Can be surrounded by a metal member, and the coil loss of a part of the coil assembly can be measured. Further, when a plurality of coils are connected, one of the plurality of coils, two or more of the coils, or all of the plurality of coils are surrounded by a metal member, and the coil loss of the portion is reduced. Can be measured, and the soundness of the coil to be measured can be monitored and the location where an abnormal state occurs can be detected.
[0050]
【The invention's effect】
Although the present invention has been described in detail, the present invention has the following effects.
(1) With respect to an apparatus including one or a plurality of coils, a loss occurring in a part of one coil or a part of a plurality of coils can be selectively and highly sensitively electrically measured. Thereby, the soundness of the coil or the coil application device can be monitored.
(2) The measurement of the coil loss is applicable to a coil or a coil container having an arbitrary shape because a metal member is used. Even if the temperature inside the coil container is extremely low, the measurement is performed on the metal surrounding the outer periphery of the container. Since the measurement is performed on the manufactured members, it can be measured by a large number of electric field and magnetic field sensors placed in a room temperature space, so that not only handling but also maintenance is easy.
(3) Confirming whether the coil loss is normal at the start of operation of the coil application device and monitoring the change of the coil loss in the operation state can be performed without deteriorating the withstand voltage performance of the coil application device or the risk of deterioration. Is possible in small situations.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a basic concept of a coil loss state monitoring system and a coil loss measuring method according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a magnetic field and electric field sensor for measuring a pointing vector according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic view showing an arrangement of a magnetic field and an electric field sensor for measuring a pointing vector according to the present invention on a metal member.
FIG. 4 is a circuit diagram of an embodiment for measuring a pointing vector according to the present invention.
FIG. 5 is a vector diagram illustrating measurement of a pointing vector according to the present invention.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a measurement example of a magnetic field which is an element of a pointing vector according to the present invention.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing an example of measuring an electric field which is a component of a pointing vector according to the present invention.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing a measurement example of a pointing vector according to the present invention.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing a measurement example of coil loss according to the present invention.
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating another embodiment of the coil loss measuring method according to the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating another example of a metal member surrounding a measured coil for measuring a pointing vector according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Coil to be measured
2 Metal members
3 sensors (for measuring poining vector P)
4 Slits provided on metal members
5 Pickup coil (for measuring the pointing vector P1)
6 Voltage lead (for measuring the pointing vector P1)
7 Pickup coil (for measuring poining vector P2)
8 Voltage lead (for measuring poining vector P2)
11 Pickup coil
12 Voltage lead
13 terminals
14 Oscillator
15 Lock-in amplifier
16,18 isolation amplifier
17 Power amplifier
19 Shunt resistor
20 Voltmeter
21 Cancel Box
22 Differential amplifier
23 Other coils
24 Reticulated metal members

Claims

コイル応用装置の運転状態における１個のコイル又は複数個のコイルが接続されたコイルの全部若しくは一部のコイルの被測定コイルの周囲を金属製部材で囲み、該金属製部材周面の複数の適宜の対象領域に磁界ベクトルと電界ベクトルの外積として得られるポインチングベクトルを測定するセンサーを配置し、該複数のセンサーにより検出されるポインチングベクトル値から前記被測定コイルのコイル損失状態を監視するようにしたコイル損失状態監視システム。In the operating state of the coil application device, the circumference of the measured coil of one or all or a part of the coils to which the plurality of coils are connected is surrounded by a metal member, and a plurality of the peripheral surfaces of the metal member are surrounded by a metal member. A sensor for measuring a poining vector obtained as an outer product of a magnetic field vector and an electric field vector is arranged in an appropriate target area, and a coil loss state of the measured coil is monitored from poining vector values detected by the plurality of sensors. Coil loss state monitoring system.

コイル応用装置の運転状態における１個のコイル又は複数個のコイルが接続されたコイルの全部若しくは一部のコイルの被測定コイルの周囲を金属製部材で囲み、該金属製部材周面の複数の適宜の対象領域に磁界ベクトルと電界ベクトルの外積として得られるポインチングベクトルを測定するセンサーを配置し、該複数のセンサーにより検出されるポインチングベクトル値の総和を所要のタイミングで検出し、該ポインチングベクトル値の総和から前記被測定コイルのコイル損失状態を監視するようにしたコイル損失状態監視システム。In the operating state of the coil application device, the circumference of the measured coil of one or all or a part of the coils to which the plurality of coils are connected is surrounded by a metal member, and a plurality of the peripheral surfaces of the metal member are surrounded by a metal member. A sensor for measuring a poining vector obtained as an outer product of a magnetic field vector and an electric field vector is arranged in an appropriate target area, and the sum of the poining vector values detected by the plurality of sensors is detected at a required timing. A coil loss state monitoring system configured to monitor a coil loss state of the measured coil from a sum of the pitch vector values.

コイル応用装置の運転状態における１個のコイル又は複数個のコイルが接続されたコイルの全部若しくは一部のコイルの被測定コイルの周囲を金属製部材で囲み、該金属製部材周面の複数の適宜の対象領域に磁界ベクトルと電界ベクトルの外積として得られるポインチングベクトルを測定するセンサーを配置し、該複数のセンサーの各出力を所要のタイミングで切り替えて該複数箇所のポインチングベクトル値を表示装置に該複数箇所毎に繰り返し表示するようにして、該複数箇所のポインチングベクトル値から前記被測定コイルのコイル損失状態を監視するようにしたコイル損失状態監視システム。In the operating state of the coil application device, the circumference of the measured coil of one or all or a part of the coils to which the plurality of coils are connected is surrounded by a metal member, and a plurality of the peripheral surfaces of the metal member are surrounded by a metal member. A sensor for measuring a pointing vector obtained as an outer product of a magnetic field vector and an electric field vector is arranged in an appropriate target area, and each output of the plurality of sensors is switched at a required timing to display the pointing vector values of the plurality of locations. A coil loss state monitoring system, wherein the coil loss state monitoring system monitors the coil loss state of the coil to be measured based on the pointing vector values of the plurality of places by repeatedly displaying the plurality of places on the device.

コイル応用装置の運転状態における１個のコイル又は複数個のコイルが接続されたコイルの全部若しくは一部のコイルの被測定コイルの周囲を金属製部材で囲み、該金属製部材周面の複数の適宜の対象領域に磁界ベクトルと電界ベクトルの外積として得られるポインチングベクトルを測定するセンサーを配置し、該複数のセンサーにより検出される各ポインチングベクトル値と該各ポインチングベクトルの対象領域の面積とから各ポインチングベクトル部のコイル損失を求め、該各ポインチングベクトル部のコイル損失の総和から前記被測定コイルの損失を求めるようにしたコイル損失測定方法。In the operating state of the coil application device, the circumference of the measured coil of one or all or a part of the coils to which the plurality of coils are connected is surrounded by a metal member, and a plurality of the peripheral surfaces of the metal member are surrounded by a metal member. A sensor that measures a poining vector obtained as an outer product of a magnetic field vector and an electric field vector is arranged in an appropriate target area, and each poining vector value detected by the plurality of sensors and the area of the target area of each poining vector A coil loss of each pointing vector portion, and a loss of the measured coil is obtained from the sum of the coil losses of the respective pointing vector portions.

前記被測定コイルの周囲を囲む前記金属製部材は薄い金属箔により構成された請求項１，２又は３に記載のコイル損失状態監視システム。4. The coil loss state monitoring system according to claim 1, wherein the metal member surrounding the coil to be measured is formed of a thin metal foil.

前記被測定コイルの周囲を囲む前記金属製部材は金属製網又はパンチングメタルにより構成された請求項１，２，３又は５に記載のコイル損失状態監視システム。6. The coil loss state monitoring system according to claim 1, wherein the metal member surrounding the coil to be measured is formed of a metal net or a punched metal.

前記被測定コイルが金属製容器に封入されている場合は、該金属製容器周面の適宜箇所にポインチングベクトルを測定する前記センサーを配置するようにした請求項１，２又は３に記載のコイル損失状態監視システム。4. The sensor according to claim 1, wherein, when the coil to be measured is enclosed in a metal container, the sensor for measuring a poining vector is arranged at an appropriate position on a peripheral surface of the metal container. 5. Coil loss status monitoring system.

前記被測定コイルが非金属製容器に封入されている場合は、該非金属製容器の周囲を前記金属製部材で囲むようにした請求項１，２，３，５又は６に記載のコイル損失状態監視システム。7. The coil loss state according to claim 1, 2, 3, 5, or 6, wherein when the coil to be measured is enclosed in a non-metallic container, the periphery of the non-metallic container is surrounded by the metal member. Monitoring system.

前記被測定コイルが超伝導の導体で巻線されたコイルを含んでいる請求項１，２，３，５，６，７又は８に記載のコイル損失状態監視システム。The coil loss state monitoring system according to claim 1, 2, 3, 5, 6, 7, or 8, wherein the coil to be measured includes a coil wound with a superconducting conductor.

前記被測定コイルへの定格通電電流が１ｋＡ以上の大電流による通電状態としてコイル損失の測定又はコイル損失の変化を監視するようにした請求項１，２，３，５，６，７，８又は９に記載のコイル損失状態監視システム。The method according to claim 1, wherein measuring a coil loss or monitoring a change in the coil loss is performed as an energized state in which the rated energizing current to the measured coil is a large current of 1 kA or more. 10. The coil loss state monitoring system according to item 9.

前記被測定コイルの周囲を囲む前記金属製部材は薄い金属箔により構成された請求項４に記載のコイル損失測定方法。The coil loss measuring method according to claim 4, wherein the metal member surrounding the periphery of the coil to be measured is formed of a thin metal foil.

前記被測定コイルの周囲を囲む前記金属製部材は金属製網又はパンチングメタルにより構成された請求項４又は１１に記載のコイル損失測定方法。The coil loss measuring method according to claim 4, wherein the metal member surrounding the periphery of the measured coil is formed of a metal net or a punched metal.

前記被測定コイルが金属製容器に封入されている場合は、該金属製容器周面の適宜箇所にポインチングベクトルを測定する前記センサーを配置するようにした請求項４に記載のコイル損失測定方法。5. The coil loss measuring method according to claim 4, wherein when the coil to be measured is enclosed in a metal container, the sensor for measuring a poining vector is arranged at an appropriate position on the peripheral surface of the metal container. .

前記被測定コイルが非金属製容器に封入されている場合は、該非金属製容器の周囲を前記金属製部材で囲むようにした請求項４，１１又は１２に記載のコイル損失測定方法。13. The coil loss measuring method according to claim 4, wherein when the coil to be measured is enclosed in a non-metal container, the non-metal container is surrounded by the metal member.

前記被測定コイルが超伝導の導体で巻線されたコイルを含んでいる請求項４，１１，１２，１３又は１４に記載のコイル損失測定方法。15. The coil loss measuring method according to claim 4, wherein the coil to be measured includes a coil wound with a superconducting conductor.

前記被測定コイルへの定格通電電流が１ｋＡ以上の大電流による通電状態としてコイル損失の測定又はコイル損失の変化を監視するようにした請求項４，１１，１２，１３，１４又は１５に記載のコイル損失測定方法。16. The coil according to claim 4, 11, 12, 13, 14, or 15, wherein the coil to be measured is energized by a large current having a rated current of 1 kA or more and a coil loss is measured or a change in the coil loss is monitored. Coil loss measurement method.