JP2012064693A - 超電導コイルおよび超電導機器 - Google Patents

Abstract

【課題】ボビンなしで信頼性を確保することができる超電導コイルと、それを用いた超電導機器とを提供する。
【解決手段】超電導コイル１０１は、超電導線１１Ｓが巻き回されることによって形成されており、超電導電流が流されるものである。この超電導コイル１０１は、直線部１０ａ，１０ｂと、曲線部２０ａ，２０ｂと、ダミー線１１Ｄとを有する。直線部１０ａ，１０ｂは、平面視において、超電導線１１Ｓが直線状に延びている部分である。曲線部２０ａ，２０ｂは、平面視において、超電導線１１Ｓが曲線状に延びている部分である。ダミー線１１Ｄは、曲線部２０ａ，２０ｂの内周に沿って位置し、超電導電流が流れないように配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、超電導コイルおよび超電導機器に関する。

超電導線を巻き回すことにより形成された超電導コイルが、大電流を流すのに適したコイルとして用いられている。たとえばモータのステータおよびロータに超電導コイルが用いられることによって、より大電流の印加が可能となり、よってより大きな回転力が得られる。

たとえば特開２００３−１５８００９号公報（特許文献１）は、高温超電導材を用いたテープ導体をボビンに巻き回した超電導コイルを開示している。

特開２００３−１５８００９号公報

上記特許文献１の技術によれば、超電導コイルの内周にボビンが配置される。このボビンの存在が問題となることがある。たとえば、超電導コイルにおいてボビンが占める体積を確保しなければならないので、体積当たりのインダクタンスが低下し得る。またボビンの熱膨張係数と超電導線の熱膨張係数との相違に起因して超電導コイルに応力が加わることで超電導コイルの信頼性が低下し得る。また超電導コイルに電流を流すための端子が超電導コイルの内周に設けられる場合、超電導コイルの内周に位置するボビンが障害物となり得る。また超電導コイルが複雑な形状（たとえば後述する鞍形の形状）を有する場合、これに対応して複雑な形状のボビンを事前に製造しなければならない。また様々な形状の超電導コイルが製造される場合、各形状に対応したボビンを準備しなければならない。よってボビンを用いない超電導コイルが望まれる。しかしながら単純にボビンを廃したのでは、超電導コイルの内周のボビンによる保護がなくなることによって、超電導コイルの信頼性が低くなってしまうことがあった。

そこで、本発明の目的は、ボビンなしで信頼性を確保することができる超電導コイルと、それを用いた超電導機器とを提供することである。

本発明の超電導コイルは、超電導線が巻き回されることによって形成されており、超電導電流が流されるものである。この超電導コイルは、直線部、曲線部、およびダミー線を有する。直線部は、平面視において、超電導線が直線状に延びている部分である。曲線部は、平面視において、超電導線が曲線状に延びている部分である。ダミー線は、曲線部の内周に沿って位置し、超電導電流が流れないように配置されている。

本発明者は、超電導コイルの製造において超電導コイルの曲線部の内周に特にダメージが生じやすいことを見出した。本発明の超電導コイルによれば、このダメージが生じやすい部分に、ダミー線が位置する。ダミー線は、超電導電流が流れないように配置されているので、たとえダミー線にダメージが生じても、超電導コイルの超電導電流に影響しない。よって本発明によれば、より信頼性の高い超電導コイルが得られる。

好ましくは、ダミー線の熱膨張係数は、超電導線の熱膨張係数の±５％以内である。これによりダミー線の熱膨張係数と超電導線の熱膨張係数との差異に起因した応力を小さくすることができるので、この応力による超電導線へのダメージの発生を抑制することができる。なお本願明細書における熱膨張係数は温度７７Ｋおよび３００Ｋの間での平均値である。

好ましくは、ダミー線は、超電導線と同じ材料から作られている。これによりダミー線の熱膨張係数と超電導線の熱膨張係数との差異に起因した応力の発生を防止することができるので、この応力による超電導線へのダメージの発生を防止することができる。

超電導線およびダミー線は一の線を構成していてもよい。これにより、一の線を巻き回すだけで、超電導線およびダミー線の両方を配置することができる。

超電導線およびダミー線はそれぞれ別個の線を構成していてもよい。これにより、ダミー線の配置および材料の選択の自由度を高めることができる。

好ましくは、本発明の超電導コイルは、上述した超電導コイルを各々有する複数のコイル部を含み、複数のコイル部は互いに積層されている。これにより、超電導コイルのインダクタンスを高めることができる。

本発明の超電導機器は、上述した超電導コイルを有する。これにより超電導機器の信頼性を高めることができる。

上述したように、本発明によれば、ボビンなしで信頼性を確保することができる超電導コイルと、それを用いた超電導機器とを提供することができる。

本発明の実施の形態１における超電導コイルを概略的に示す斜視図（Ａ）、および正面図（Ｂ）である。 図１の超電導コイルを概略的に示す平面図である。 超電導線の第１の例を示す断面斜視図である。 超電導線の第２の例を示す断面斜視図である。 図１の超電導コイルの製造方法の第１の工程を概略的に示す斜視図である。 図１の超電導コイルの製造方法の第２の工程を概略的に示す平面図である。 超電導線の曲線部のフラットワイズを説明するための斜視図である。 超電導線の曲線部のエッジワイズを説明するための正面図である。 本発明の実施の形態２における超電導コイルを概略的に示す平面図である。 図１の超電導コイルの製造方法の一工程を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態３における超電導コイルを概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態４における超電導機器としてのモータを概略的に示す断面図である。 図１２のモータが有するロータを概略的に示す斜視図である。 図１２のモータが有するステータを概略的に示す斜視図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
はじめに本実施の形態の超電導コイルの構成について説明する。

主に図１を参照して、本実施の形態の超電導コイル１０１は、超電導電流が流されるものであり、超電導線１１が巻き回されることによって形成されているパンケーキコイルである。超電導コイル１０１の平面視（図２）における形状はレーストラック形状を有する。また超電導コイル１０１は、鞍形（図１（Ａ）および（Ｂ））の外縁形状を有する。すなわち、正面から見て（図１（Ａ）の矢印Ｉ（Ｂ）の視点で見て）、図１（Ｂ）に示すように、曲線部２０ａには、互いに対向する凸面Ｐ１および凹面Ｐ２が設けられている。曲線部２０ｂの形状も同様である。

図２を参照して、超電導線１１は、巻き始めＷ１から位置Ｐを介して巻き終わりＷ２へと巻き回されている。超電導線１１のうち、巻き始めＷ１から位置Ｐまでの部分をダミー線１１Ｄと定義し、位置Ｐから巻き終わりＷ２までの部分を超電導線１１Ｓと定義する。すなわち一の超電導線である超電導線１１は、超電導線１１Ｓおよびダミー線１１Ｄから構成されている。

超電導コイル１０１のレーストラック形状は、具体的には、互いに対向する直線部１０ａおよび１０ｂと、互いに対向する曲線部２０ａおよび２０ｂとを有する。直線部１０ａおよび１０ｂは、平面視において、超電導線１１Ｓが直線状に延びている部分である。曲線部２０ａおよび２０ｂは、平面視において、超電導線１１Ｓが曲線状に延びている部分である。

超電導線１１Ｓの位置Ｐ側の端部には端子３１が設けられており、巻き終わりＷ２側の端部には端子３２が設けられている。端子３１および３２の各々は、超電導線１１の表面に形成された絶縁被覆（図示せず）が一部除去されることによって形成されており、好ましくはさらに導体の部材が付加されることによって形成されている。端子３１および３２を用いることにより、両者の間に超電導電流を流すことができ、超電導線１１のうち超電導線１１Ｓの部分のみが超電導電流の経路となる。好ましくは端子３１は、その形成および使用の容易性の観点で、直線部１０ａおよび１０ｂのいずれかに位置しており、また端子３２も同様である。

ダミー線１１Ｄは、曲線部２０ａおよび２０ｂの内周に沿って位置する部分を含む。またダミー線１１Ｄは、端子３１よりも巻き始めＷ１側に配置されることによって、超電導電流が流れないように配置されている。

次に絶縁被覆によって覆われた超電導線１１の内部構造について詳しく説明する。
図３を参照して、超電導線１１は、たとえばビスマス（Ｂｉ）系の超電導線であってもよい。ビスマス系の超電導線は、長手方向に延びる複数の超電導体８１ａと、複数の超電導体８１ａの全周を被覆するシース部８１ｂとを有する。シース部８１ｂは超電導体８１ａに接触している。複数本の超電導体８１ａの各々は、たとえばＢｉ−Ｐｂ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系の組成を有するビスマス系超電導体が好ましく、特に、ビスマスおよび鉛：ストロンチウム：カルシウム：銅の原子比がほぼ２：２：２：３の比率で近似して表されるＢｉ２２２３相を含む材質が最適である。シース部８１ｂの材質は、たとえば銀や銀合金よりなっている。なお、超電導体８１ａは、単数本であってもよい。

図４を参照して、超電導線１１は、基板８１ｃと、基板８１ｃ上に接して設けられた中間層８１ｄと、中間層８１ｄ上に接して設けられた超電導層８１ｅと、超電導層８１ｅ上に接して設けられた安定化層８１ｆとを有する。基板８１ｃは、たとえばステンレス鋼、ニッケル合金（たとえばハステロイ）、または銀合金などの金属よりなっている。中間層８１ｄは、たとえばイットリア安定化ジルコニア、酸化セリウム、酸化マグネシウムまたはチタン酸ストロンチウムなどよりなっている。中間層８１ｄは省略されてもよい。超電導層８１ｅはたとえばＲＥ１２３系超電導体よりなっている。安定化層８１ｆは、超電導層８１ｅの表面保護のために設けられる層であり、たとえば銀や銅などよりなっている。安定化層８１ｆは省略されてもよい。

なおＲＥ１２３系超電導体とは、ＲＥ_xＢａ_yＣｕ_zＯ_7-dにおいて、０．７≦ｘ≦１．３、１．７≦ｙ≦２．３、２．７≦ｚ≦３．３であることを意味する。また、ＲＥ１２３系超電導体のＲＥとは、希土類元素およびイットリウム元素の少なくともいずれかを含む材質を意味する。また、希土類元素としては、たとえばネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ホルミニウム（Ｈｏ）、サマリウム（Ｓｍ）などが含まれる。ＲＥ１２３系超電導線は、液体窒素温度（７７．３Ｋ）での臨界電流密度がビスマス系の超電導線よりも高いという利点を有している。また、低温下および一定磁場下における臨界電流値が高いという利点を有している。一方で、ＲＥ１２３系超電導体はビスマス系超電導体のようにシース部で被覆することができないので、配向金属基板上に気相法のみまたは液相法のみによって超電導体（超電導薄膜材料）を成膜する方法で製造される。

超電導線１１は、図３または図４に示すように、上面１２と、下面１３と、側面１４および１５とを有する。上面１２および下面１３は凸面Ｐ１および凹面Ｐ２（図１（Ａ））形成する。また側面１４および１５は超電導コイル１０１の内周面および外周面を形成する。なお超電導層８１ｅが内周側に配置する場合には、超電導層８１ｅに圧縮応力が加えられることを抑制できるので、超電導層８１ｅの劣化を抑制できる点で有利である。超電導層８１ｅを外側に配置する場合には、外部電源との端子をとりやすい点で有利である。

図５および図６を参照して、次に超電導コイル１０１の製造方法について説明する。まず平面視においてレーストラック形状を有する巻芯５２が準備される。好ましくは巻芯５２の側面ＳＦに、上述した鞍形の形状に対応した傾斜（図示せず）が設けられている。

次に巻芯５２の周りに、矢印ＷＤに示すように、超電導線１１が巻き回される。巻き回しによって曲線部２０ａおよび２０ｂ（図１（Ａ））が形成される際には、超電導線１１にねじれを形成するための張力Ｔの印加が必要となる。特に鞍形の超電導コイル１０１を形成するためには、超電導線１１を曲がりやすい方向（図７：フラットワイズ）だけでなく、曲がりにくい方向（図８：エッジワイズ）にも曲げる必要ある。このように曲げにくい方向に曲げられた曲線部２０ａおよび２０ｂは、性能の劣化が特に生じやすい部分である。

次に端子３１および３２（図１および図２）が設けられる。また巻き回された超電導線１１に樹脂が含浸されることで、固定および補強が行われる。この樹脂としては、通常、８０〜１６０℃程度で硬化する熱硬化性樹脂が用いられる。この熱硬化のための加熱工程において、超電導線１１の熱膨張係数と、巻芯５２の熱膨張係数との差異に起因して、応力が発生する。この応力によって、曲線部２０ａおよび２０ｂの内周、つまりダミー線１１Ｄの曲線部に負担がかかる。

次に超電導コイル１０１が巻芯５２から外される。この際、超電導コイル１０１の内周と巻芯５２の外周との摩擦などに起因して、曲線部２０ａおよび２０ｂの内周、つまりダミー線１１Ｄの曲線部に応力が加わりやすい。

以上の工程により超電導コイル１０１（図１）が得られる。上述したように、製造工程において超電導コイルの曲線部２０ａおよび２０ｂの内周には特にダメージが生じやすい。

本実施の形態によれば、上記のダメージが生じやすい部分に、ダミー線１１Ｄが位置する。ダミー線１１Ｄは、超電導電流が流れないように配置されているので、たとえダミー線１１Ｄにダメージが生じても、超電導コイル１０１の超電導電流に影響しない。よって本発明によれば、より信頼性の高い超電導コイルが得られる。

また超電導線１１Ｓおよびダミー線１１Ｄは一の超電導線１１を構成している。これにより、一の線を巻き回すだけで、超電導線１１Ｓおよびダミー線１１Ｄの両方を配置することができる。

なお本実施の形態においては超電導線１１Ｓおよびダミー線１１Ｄは互いに同じ材料から作られているが、超電導線１１Ｓおよびダミー線１１Ｄは互いに異なる材料から作られていてもよく、またダミー線１１Ｄは超電導線でなくともよい。この場合、ダミー線１１Ｄの熱膨張係数は、超電導線の熱膨張係数の±５％以内であることが好ましい。これによりダミー線１１Ｄの熱膨張係数と超電導線の熱膨張係数との差異に起因した応力を小さくすることができるので、この応力による超電導線へのダメージの発生を抑制することができる。

なお、たとえば超電導線１１Ｓが、Ｂｉ２２２３相を有する超電導体８１ａと、銀のシース部８１ｂ（図３）とを有するものである場合、温度７７Ｋおよび３００Ｋの間での熱膨張係数の平均値は、約１０×１０^-6Ｋ^-1である。この測定はレーザ干渉式熱膨張率測定装置によって行うことができる。

（実施の形態２）
図９を参照して、本実施の形態の超電導コイル１０２は、超電導線１１と、ダミー線１１Ｄａ、１１Ｄｂと、端子３１、３２とを有する。超電導線１１は、超電導電流が流されるものであり、巻き回されることによって超電導コイル１０２を形成している。また超電導線１１は、実施の形態１とほぼ同様に、直線部１０ａ、１０ｂ、および曲線部２０ａ、２０ｂを形成している。端子３１は超電導線１１の巻き始めＷ１側に設けられている。端子３２は超電導線１１の巻き終わりＷ２側に設けられている。

ダミー線１１Ｄａおよび１１Ｄｂのそれぞれは、曲線部２０ａおよび２０ｂの内周に沿って位置している。ダミー線１１Ｄａおよび１１Ｄｂの各々は、超電導線１１とは別個の線を構成しており、また超電導線１１と電気的に接続されずに配置されている。よってダミー線１１Ｄａおよび１１Ｄｂの各々は、超電導電流が流れないように配置されている。好ましくは、図示されているように、曲線部２０ａおよび２０ｂの全体がダミー線１１Ｄａおよび１１Ｄｂによって覆われている。

図１０を参照して、次に超電導コイル１０２の製造方法について説明する。まず巻芯５２の外周のうち曲線部２０ａおよび２０ｂのそれぞれに対応する位置にダミー線１１Ｄａおよび１１Ｄｂが貼り付けられる。次に超電導線１１が実施の形態１とほぼ同様に巻き回される。巻き回しが完了した後、さらに実施の形態１とほぼ同様の工程を経て、超電導コイル１０２が得られる。

好ましくは、ダミー線１１Ｄａおよび１１Ｄｂの熱膨張係数は、超電導線１１の熱膨張係数の±５％以内である。これによりダミー線１１Ｄａおよび１１Ｄｂの熱膨張係数と超電導線１１の熱膨張係数との差異に起因した応力を小さくすることができるので、この応力による超電導線１１へのダメージの発生を抑制することができる。

より好ましくは、ダミー線１１Ｄａおよび１１Ｄｂは、超電導線１１と同じ材料から作られている。これによりダミー線１１Ｄａおよび１１Ｄｂの熱膨張係数と超電導線１１の熱膨張係数との差異に起因した応力の発生を防止することができるので、この応力による超電導線１１へのダメージの発生を防止することができる。

なお上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態の超電導コイル１０２によれば、実施の形態１の超電導コイル１０１と同様に、より信頼性の高い超電導コイルが得られる。

また超電導線およびダミー線はそれぞれ別個の線を構成している。これにより、ダミー線の配置および材料の選択の自由度を高めることができる。具体的には、たとえば、超電導線の材料の使用量を削減することができる。

上記実施の形態１および２においては、一の超電導線１１が巻き回されている場合について説明したが、束ねられた複数の超電導線が共に巻き回されていてもよい。また鞍形の形状を有する超電導コイルについて説明したが、超電導コイルは必ずしも鞍形の形状を有する必要はなく、平面状の形状を有してもよい。すなわち凸面Ｐ１および凹面Ｐ２（図１（Ａ）および（Ｂ））の各々の代わりに平坦面が用いられてもよい。また平面視においてレーストラック形状を有する超電導コイルについて説明したが、超電導コイルは必ずしもレーストラック形状を有する必要はなく、直線部および曲線部の各々を有するものであればよい。

また端子３１および３２のそれぞれが互いに異なる直線部１０ａおよび１０ｂに設けられる場合について説明したが、両者は同一の直線部に設けられてもよい。

（実施の形態３）
図１１を参照して、本実施の形態の超電導コイル２００は、複数のコイル部１００ａ〜１００ｄと、接続部９１とを有する。なお図１１においては図を見易くするためにコイル部１００ｄの一部を切り欠いている。

複数のコイル部１００ａ〜１００ｄの各々は、上述した超電導コイル１０１または１０２と同様のものである。コイル部１００ａ〜１００ｄはこの順に積層されている。またこの積層は、コイル部１００ａおよび１００ｃの巻き回し方向と、コイル部１００ｂおよび１００ｄの巻き回し方向とが互いに逆となるように行われている。接続部９１、９１、９１のそれぞれは、コイル部１００ａの端子３１およびコイル部１００ｂの端子３１の間と、コイル部１００ｂの端子３２およびコイル部１００ｃの端子３２の間と、コイル部１００ｃの端子３１およびコイル部１００ｄの端子３１の間とを電気的に接続している。この構成により、コイル部１００ａの端子３２およびコイル部１００ｄの端子３２の間のインダクタンスは、コイル部の数に比例して高められている。

なお本実施の形態においては４つのコイル部が積層されているが、複数のコイル部の個数は適宜選択し得る。

（実施の形態４）
図１２〜図１４を参照して、本実施の形態における超電導機器としてのモータ７００について説明する。図１２に示すように、モータ７００は、回転子であるロータ５００と、ロータ５００の周囲に配置された固定子であるステータ６００とを備えている。

図１２および図１３に示すように、ロータ５００は、超電導コイル１００Ｓと、回転軸５１８と、ロータコア５１３と、ロータ軸５１６と、冷媒６１７とを含んでいる。超電導コイル１００Ｓは、上述した超電導コイル１０１、１０２、または２００とほぼ同様の構成を有している。

ロータ軸５１６は、回転軸５１８の長軸方向に延びる外周面の周囲に形成されている。ロータ軸５１６の外表面は円弧状である。ロータコア５１３は、ロータ軸５１６の、回転軸５１８に交差する断面における中央部分（回転軸５１８が配置されている領域）から放射状に、ロータ軸５１６の外周面から突出するように延びている。超電導コイル１００Ｓは、ロータコア５１３を囲むように、かつロータ軸５１６の円弧状の外表面に沿うように配置されている。冷媒６１７は、超電導コイル１００Ｓを冷却する。超電導コイル１００Ｓと冷媒６１７とは、断熱容器の内部に配置されている。

ロータ５００の周囲には、モータ７００の固定子としてのステータ６００が形成されている。ステータ６００は、超電導コイル１００Ｓと、ステータヨーク６２１と、冷媒６２７と、ステータコア６２３とを含んでいる。

ステータヨーク６２１は、ロータコア５１３の外周を取り囲んでいる。ステータヨーク６２１の外表面は円弧状である。超電導コイル１００Ｓは、ステータヨーク６２１の円弧状の外表面に沿うように配置されている。冷媒６２７は、超電導コイル１００Ｓを冷却する。超電導コイル１００Ｓと冷媒６２７とは、断熱容器の内部に配置されている。断熱容器は、ステータコア６２３の一部が配置されるように超電導コイル１００Ｓの中心において開口部を有している。ステータコア６２３は、超電導コイル１００Ｓの周囲を取り囲み、超電導コイル１００Ｓの中心部を貫通するように配置されている。なお、図１４においては、ステータコア６２３の記載が省略されている。

本実施の形態によれば、モータ７００が有するコイルが超電導コイル１００Ｓであることによって、モータの信頼性を高めることができる。

なお本実施の形態では、回転機器として、ロータ５００とステータ６００とを含むモータ７００を例に挙げて説明したが、本発明の回転機器はモータに特に限定されず、たとえば、発電機などにも適用可能である。

また本実施の形態では、ロータ５００の超電導コイル１００Ｓおよび超電導コイル１００Ｓの中心を貫通するロータコア５１３の一部は４本配置されているが、ロータコア５１３の本数はたとえば６本、８本、３本など任意の本数とすることができる。同様に、本実施の形態では、ステータ６００の超電導コイル１００Ｓおよび超電導コイル１００Ｓの中心を貫通するステータコア６２３の一部は６本配置されているが、たとえば４本、８本、３本など任意の本数とすることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ａ，１０ｂ 直線部、１１ 超電導線、１１Ｄ，１１Ｄａ，１１Ｄｂ ダミー線、１１Ｓ 超電導線、２０ａ，２０ｂ 曲線部、３１，３２ 端子、５２ 巻芯、９１ 接続部、１００ａ〜１００ｄ コイル部、１００Ｓ，１０１，１０２，２００ 超電導コイル、７００ モータ（超電導機器）。

Claims (7)

1. 超電導線が巻き回されることによって形成された、超電導電流が流される超電導コイルであって、
   平面視において前記超電導線が直線状に延びる直線部と、
   平面視において前記超電導線が曲線状に延びる曲線部と、
   前記曲線部の内周に沿って位置し、前記超電導電流が流れないように配置されたダミー線とを備える、超電導コイル。
2. 前記ダミー線の熱膨張係数は、前記超電導線の熱膨張係数の±５％以内である、請求項１に記載の超電導コイル。
3. 前記ダミー線は、前記超電導線と同じ材料から作られている、請求項１に記載の超電導コイル。
4. 前記超電導線および前記ダミー線は一の線を構成している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導コイル。
5. 前記超電導線および前記ダミー線はそれぞれ別個の線を構成している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導コイル。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の超電導コイルを各々有する複数のコイル部を備え、前記複数のコイル部は互いに積層されている、超電導コイル。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の超電導コイルを備える、超電導機器。

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