JPH10107332A - 永久電流スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 堅牢で信頼性が高く、しかも小型で製造が簡
単な無誘導型コイルを有する磁界式の永久電流スイッチ
を得る。 【解決手段】 永久電流スイッチ用コイルのボビン１１
の一方の端面１３に折り返し部材１４が設けられ、この
折り返し部材１４が、それぞれボビン１１の一直径上で
ボビン外周に内接しかつボビンの外径Ｄの１／２より小
さい外径ｄを有する２個の円筒状突起１４ａ、１４ｂか
らなり、永久電流スイッチ用のコイル導体１２がこの２
個の突起１４ａ、１４ｂの外周に沿ってＳ字形に折り返
して巻回され、この折り返しの両側から延びる導体１２
ａ、１２ｂがボビン１１の周面上を同一方向に平行に螺
旋巻きされてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、無誘導型コイルを
有する磁界式の永久電流スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】永久電流スイッチは、超電導コイルと組
み合わせて永久電流回路を実現するために不可欠の要素
であり、超電導磁気エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、
磁気浮上鉄道、理化学実験用超電導マグネット等への応
用が進められている。この永久電流スイッチは、環境条
件を設定することによって超電導状態と常電導状態との
間をいずれの方向にも転移し得る導体から形成されてな
り、この導体が超電導状態にあるときは電気抵抗がゼロ
となるので電流が減衰せずに導通してスイッチ・オンの
状態となり、導体を常電導状態に転移させると電気抵抗
が高くなって実質的にスイッチ・オフの状態が実現され
るようになっている。

【０００３】例えば、図６〜図８に作動態様を示す超電
導磁気エネルギー貯蔵装置において、永久電流スイッチ
は以下のように用いられる。この超電導磁気エネルギー
貯蔵装置において、超電導コイル１と永久電流スイッチ
２とは並列に接続され、この並列回路はパワーリード線
３と開閉スイッチ４とを介して交直変換装置５に接続さ
れ、この交直変換装置５は更に、図示しない交流電源系
統に接続されている。この超電導コイル１と永久電流ス
イッチ２は、いずれも低温において超電導状態に転移す
る超電導性導体から形成され、その並列回路全体が液体
ヘリウムなどの冷媒で冷却されている。

【０００４】いま、この超電導エネルギー貯蔵装置を用
いて電力の貯蔵を行うには、先ず図６に示すように、開
閉スイッチ４を閉じ、かつ永久電流スイッチ２を常電導
状態にもたらすことでスイッチ・オフの状態とし、直流
電流を超電導コイル１に流し込み、電力を電磁エネルギ
ーとして超電導コイル１内に蓄積する。

【０００５】次に、開閉スイッチ４を閉じた状態で永久
電流スイッチ２を超電導状態にもたらすことでスイッチ
をオン状態にした後、外部からの電流を減ずると永久電
流スイッチ２に電流が流れ込む。外部からの直流電流が
ゼロになると、超電導コイル１に流れる電流と同等の電
流が永久電流スイッチ２に流れ、永久電流モードとな
る。この状態で、図７に示すように、開閉スイッチ４を
開く。すると、超電導コイル１も永久電流スイッチ２も
共に電気抵抗がゼロであるから、電流は永久電流となっ
て減衰することなくこの閉回路中を流れ続け、超電導コ
イル１に蓄積されたエネルギーが無損失で貯蔵されるこ
とになる。

【０００６】この貯蔵されたエネルギーを取り出すに
は、図８に示すように、開閉スイッチ４を閉じた後に永
久電流スイッチ２を常電導状態にもたらすことでスイッ
チ・オフとする。すると、上記の閉回路に貯蔵されてい
たエネルギーは、パワーリード線３を通して電力として
取り出すことができる。

【０００７】上記の永久電流スイッチ２は、スイッチン
グが超電導状態と常電導状態との間の転移によって行わ
れるものであるから、この転移をいかに再現性よく安定
にかつ高速で行うかが重要な課題となる。ところでこの
転移は、温度、磁界、電流のいずれか、ないしは相互の
条件変化により起こるものであることがわかっている。
すなわち、これらの３条件にはそれぞれ臨界値があっ
て、その少なくともいずれかの臨界値を境にして導体が
超電導状態になったり常電導状態になったりする。

【０００８】従来から永久電流スイッチのスイッチング
方式としては、温度を変化させる熱式が最も一般的に用
いられている。熱式は、スイッチ用導体である超電導導
体（以下、単に「導体」という）と温度制御用のヒータ
ー線とを一緒にコイル状に巻き込み、普通、エポキシ樹
脂を含浸して断熱構造にしたものが多い。これに用いる
巻線用の導体としては、主にＮｂ−Ｔｉ合金からなる超
電導線が用いられており、その臨界温度は約９Ｋであ
る。従ってこの導体は約９Ｋを境にして超電導状態と常
電導状態との間を転移する。

【０００９】この永久電流スイッチを作動する際は、ヒ
ーター線に通電して超電導線を約９Ｋ以上に加熱すれば
スイッチはオフ状態となり、ヒーター線の通電を止め周
囲のヘリウムによって導体を約９Ｋ以下に冷却すればス
イッチはオンとなる。従って、約９Ｋを挟んで導体の温
度の降下／上昇を繰り返すことによって、スイッチング
が可能となる。

【００１０】しかし、この熱式の装置では、温度制御系
に熱容量があったり、熱伝導に時間がかかるなどのた
め、特に大電流用のスイッチングの応答に数秒から数十
秒もかかるという問題がある。また、この構造では導体
の温度を上げるために熱捌けの悪い断熱構造を取らざる
を得ないことから、オフ状態にしたとき、導体に急激な
局所的発熱が生じ、熔断してしまうなどの惧れもあっ
た。

【００１１】一方、磁界式永久電流スイッチは、低温域
において、超電導導体に外部から磁界を印加すると、臨
界磁界強度を境にして超電導状態と常電導状態との転移
が行われる性質を利用するものである。従ってこの磁界
式永久電流スイッチは、スイッチング用の超電導コイル
（以下、単に「コイル」という）と制御磁界発生用の電
磁石とで構成される。実際には、コイルの外周に磁界制
御用超電導磁石が同軸的に配される場合が多い。コイル
の導体としては、磁界制御が容易な適度の臨界磁界強度
を有する超電導性素材が用いられ、例えば１Ｔ（テス
ラ）以下程度の臨界磁界強度を有するＣｕ−Ｎｂ合金な
どが一般的に用いられる。

【００１２】この磁界式永久電流スイッチは原理的に導
体の温度を上昇させる必要がないため、熱捌けのよいコ
イル構造が可能となり、導体およびコイルが有効に冷却
されるので、制御のため高速で外部磁界強度を変動させ
たときに発生する導体の交流熱損失の発熱による導体温
度上昇が比較的少なく、熱式と比べれば安定かつ高速の
スイッチングが可能となる利点を有する。

【００１３】磁界式永久電流スイッチは通常、上記のよ
うにコイルと制御用超電導磁石とが組み合わされて用い
られる。そこで、超電導磁石の励磁・減磁に伴う磁界変
動によりコイルに誘導される誘導電圧を極力小さくする
ために、コイルは、いわゆる「無誘導巻き」の構造がと
られる。この無誘導巻きは、隣接する導体に逆向きの電
流が流れるように導体をボビン上に巻回することによっ
て実現される。無誘導巻き構造のコイル（以下、「無誘
導コイル」という）は、コイル自体の自己インダクタン
スをきわめて小さくすることで誘導電圧の発生を抑制す
る利点を有している。

【００１４】永久電流スイッチ用コイルの無誘導巻きは
従来、以下のように行われている。すなわち、図９に示
すように、予めボビン３１の一端部の周面に、軸心がこ
れと直交する円筒状の折り返しガイド３２を設ける。一
方、図１０に示すように、導体３３は所要長の中央部３
４をループにしてその両側をそれぞれリール３５、３６
に巻取る。次に図１１に示すように、導体３３の中央ル
ープ部３４を上記ボビン３１の折り返しガイド３２に半
巻きし、その両側の導体３３ａ、３３ｂをボビン３１に
平行に螺旋巻きして無誘導コイルを作製する。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の無誘導
コイルには以下のような問題があった。 導体の中央３４から巻き始める必要があるため、２本
のリール３５、３６を用いた中央出し工程などが必要で
製造工程が煩雑になる。 電流容量を大きくするためには、撚線化などにより導
体の径が必然的に太くなるので、これに伴って折り返し
ガイド３２の外径を大きくせざるを得ず、ボビンの構造
上、コイルの大容量化に限界が生じる。すなわち、導体
は太さに応じて曲げ径に限界があり、曲げ径が小さくな
ると、導体にかかる歪の増加により超電導特性（特に臨
界電流密度Ｊｃ）が低下する。このため、太い導体を無
誘導巻きするためには折り返しガイド３２の直径を大き
くせざるを得ない。しかしボビン３１の外径に対して折
り返しガイド３２の外径を大きくするのは構造上限度が
あるので、その限度より大きい曲げ径が要求される太さ
の導体は使用できないことになる。 折り返しガイド３２の外径は導体の螺旋巻きされた巻
き幅（ピッチ）より大きいので、折り返しガイド３２か
ら導出された導体が正常な螺旋巻き部に至る間は平行に
ならず、このためインダクタンスを極小化することがで
きない。 ボビンの周面に折り返しガイド３２が設けられている
ために、コイルの外側に同軸的に設置する超電導磁石の
内径を大きくせざるを得ず、永久電流スイッチ全体が大
型化し、また超電導磁石の磁界分布の均一性や容積の増
大などの点で不利になる。

【００１６】本発明はこれらの問題を解決するためにな
されたものであり、従ってその目的は、小型で信頼性が
高く、しかも製造が容易な無誘導型コイルを有する小型
で電流容量の大きい永久電流スイッチを提供することに
ある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、無誘導型
コイルを有し、このコイルのボビンの少なくとも一方の
端面に、コイル導体をこの端面上でＳ字形に巻回できる
突起状の折り返し部材が設けられ、永久電流スイッチ用
のコイル導体の中間部がこの折り返し部材に沿ってＳ字
形に折り返して巻回され、この折り返しの両側から延び
るコイル導体が、ボビンの周面上を同一方向に平行に螺
旋巻きされてなる永久電流スイッチを提供することによ
って解決できる。

【００１８】この折り返し部材は、それぞれボビンの外
径の１／２より小さい外径を有する２個の円筒状突起か
らなり、この双方の突起がいずれもボビンの一直径上で
ボビンの外周に内接して形成されたものであることが好
ましい。ここで折り返し部材は、実質的に導体を端面上
でＳ字形に巻回できる突起状のものであればよいので、
上記の円筒状突起以外にも円柱状突起、楕円柱状突起、
多角形柱状突起、半円筒状突起、半円柱状突起などから
形成されたものであってもよい。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例により図面を用いて説明する。 （実施例１）図１は本発明のコイルの一実施例を示して
いる。図１において、コイル１０は概略、ボビン１１
と、これに巻回された導体１２とから構成されている。
このボビン１１は、その一方の端面１３に、導体１２を
この端面１３上でＳ字形に巻回できる突起状の折り返し
部材１４が設けられている。この折り返し部材１４は、
図２に示すように、それぞれボビン１１の外径Ｄの１／
２より小さい外径ｄを有する２個の円筒状突起１４ａ、
１４ｂからなり、この双方の突起１４ａ、１４ｂがいず
れもボビン１１の一直径上でボビン１１の外周に内接し
て形成されている。従って、双方の突起１４ａ、１４ｂ
の間には導体１２が通過し得る間隙１５が形成されてい
る。

【００２０】導体１２は以下のように巻回されている。
すなわち、図３に示すように、導体１２はその中間部が
上記の２個の突起１４ａ、１４ｂの外周に沿って、かつ
間隙１５を通ってＳ字形に折り返して巻回され、この折
り返し部の両側から延びる導体１２ａ、１２ｂが、図４
に示すように、ボビン１１の周面上を同一方向に平行し
て螺旋巻きされている。

【００２１】このコイル１０は、導体１２が折り返し部
材１４によってＳ字形に折り返して巻回され、折り返し
の両側の導体１２ａ、１２ｂがボビン１１の周面上を同
一方向に平行して螺旋巻きされているので、このコイル
１０の導体の一端（例えば１２ａの端末Ａ）から電流を
流すと、電流の方向が隣接する導体１２ａ、１２ｂ間で
逆向きになり、インダクタンスが相互にキャンセルされ
る。また、折り返し部材１４からそれぞれ導出された導
体１２ａ、１２ｂは平行性に乱れが生じない。従って超
電導磁石の励磁・減磁に伴う磁界変動によりコイルに誘
導される誘導電圧を極小とすることができ無誘導性が実
現する。また、コイルへの電流流し込みや遮断、ならび
に制御磁界変化に伴って発生するコイル端子電圧が極小
化される。

【００２２】２個の突起１４ａ、１４ｂの直径ｄは同じ
でも異なっていてもよいが、このコイル１０は、折り返
しにおける導体１２の曲げ径が折り返し部材１４の各突
起１４ａ、１４ｂの外径ｄに依存するので、いずれも同
径でかつ許容範囲内で最大径とされていることが好まし
い。２個の突起１４ａ、１４ｂの間には導体１２が通る
間隙１５が確保されていればよいので、この範囲内で突
起１４ａ、１４ｂの外径ｄを大きく設計すれば、導体１
２の超電導特性（臨界電流密度Ｊｃ）に悪影響を及ぼさ
ない程度の曲げ径が達成できる。ボビン１１の周面に
は、導体１２が相互に平行して螺旋巻きされるように、
螺旋状のガイド溝（図示せず）が形成されていることが
好ましい。

【００２３】このコイル１０は、ボビン１１の周面に突
起物がないので、実質的な外径は従来のコイルより小さ
くなり、従って従来必要とされたものより小径の超電導
磁石にも挿入でき、永久電流スイッチ装置全体を小型化
することができる。また、コイル１０と超電導磁石との
間隙を極小にできるので、超電導磁石の磁界分布均一性
や容積効率なども改善される。

【００２４】このコイル１０は導体１２の巻回に際し
て、導体１２の一端をリールから繰り出し、ボビン１１
の折り返し部材１４が付属していない側から、例えば導
体１２ａの部分を螺旋巻きし、折り返し部材１４側の端
部まで巻き終わったら、この折り返し部材１４にＳ字巻
きして折り返し、更に、すでにボビン上に螺旋巻きされ
た導体１２ａの間隙に導体１２ｂを平行に巻き進めるこ
とによって無誘導巻きのコイルが形成される。従って、
従来の無誘導巻きコイルのように、導体の中央部から巻
き始めるために２本のリールを用いる中央出し工程など
が不要となり、製造工程が簡単になる。

【００２５】上記実施例１で示されるように、本発明の
永久電流スイッチにおいて、無誘導型コイルは、導体が
折り返し部材によってＳ字形に折り返して巻回され、折
り返しの両側から延びる導体がボビンの周面上を同一方
向に平行して螺旋巻きされているので、コイルの一端か
ら直流を流すと、電流の方向が隣接する導体間で逆向き
になり、インダクタンスが相互にキャンセルされ、無誘
導性を実現する。導体が折り返し部材によってＳ字形に
緩やかに折り返されるので、屈曲歪による超電導特性の
劣化が防げる。このコイルは周面に突起物がないので実
質的に外径が小さくなり、比較的小径の超電導磁石にも
挿入できるようになる。

【００２６】（実施例２〜実施例８）上の実施例１にお
いて、折り返し部材１４は２個の円筒状突起１４ａ、１
４ｂとしたが、この折り返し部材は、実質的に導体１２
を端面１３上でＳ字形に巻回することができる突起状の
ものであればよいので、上記実施例１のもの以外にもさ
まざまな形状のものが可能である。図５（ａ）〜図５
（ｇ）に、円筒状突起以外の折り返し部材を有する実施
例を示す。以下の実施例において、折り返し部材の形状
以外は実施例１と同様であるから、それらの説明は省略
する。

【００２７】（実施例２）図５（ａ）において、折り返
し部材は２個の円柱状突起１６ａ、１６ｂからなる。 （実施例３）図５（ｂ）において、折り返し部材は２個
の、導体１２が接触しない側面に切欠が形成された円柱
状突起１７ａ、１７ｂからなる。 （実施例４）図５（ｃ）において、折り返し部材は２個
の、凸面が互いに逆向きとなるように配設された半円柱
状突起１８ａ、１８ｂからなる。 （実施例５）図５（ｄ）において、折り返し部材は２個
の多角柱状突起１９ａ、１９ｂからなる。 （実施例６）図５（ｅ）において、折り返し部材は２個
の楕円柱状突起２０ａ、２０ｂからなる。 （実施例７）図５（ｆ）において、折り返し部材は２個
の、凸面が互いに逆向きに配設された半筒状突起２１
ａ、２１ｂからなる。 （実施例８）図５（ｇ）において、折り返し部材は２群
の釘状突起列２２ａ、２２ｂからなり、それぞれの群の
釘状突起列は、一体となって側面１３上で凸面を形成す
るように、かつその凸面が互いに逆向きとなるように配
列されている。折り返し部材の形状は上記実施例に限定
されるものではなく、例えば半楕円柱状突起、半楕円筒
状突起などを含め、種々の変形が可能であることはいう
までもない。

【００２８】実施例１のコイル１０を用いて、その自己
インダクタンス（Ｌ）を測定した。このコイル１０は、
ボビン１１の直径Ｄが３０ｍｍであり、返し部材の円筒
状突起１４ａ、１４ｂの直径ｄがいずれも１３ｍｍ、高
さが５ｍｍであり、導体１２の直径が１．０ｍｍ、コイ
ルに卷いた導体長さが２１．５ｍであった。このコイル
について自己インダクタンス（Ｌ）を測定したところ、
１．２μＨであった。これはきわめて微小な値であり、
実質的に無誘導コイルであった。

【００２９】同様にして、実施例３のコイルの自己イン
ダクタンス（Ｌ）を測定したところ１．２μＨであり、
実質的に実施例１と同様の結果が得られた。同様にし
て、実施例４のコイルの自己インダクタンス（Ｌ）を測
定したところ１．２μＨであり、実質的に実施例１と同
様の結果が得られた。

【００３０】

【発明の効果】本発明の永久電流スイッチが有する無誘
導型コイルは、ボビンの一方の端面に導体をこの端面上
でＳ字形に巻回できる突起状の折り返し部材が設けら
れ、導体の中間部がこれに沿ってＳ字形に折り返して巻
回され、この折り返しの両側から延びる導体がボビンの
周面上を同一方向に平行して螺旋巻きされてなるもので
あるので、 コイルの製造に際して導体の中央部から巻き始める必
要がなく、２本のリールを用いた中央出し工程などが不
要で製造工程が簡略化される。 折り返し部材の直径が大きくできるので、導体にかか
る曲げ歪による超電導特性（特に臨界電流密度Ｊｃ）の
低下が防げる。 折り返し部材から導出された導体は直ちに平行螺旋巻
きされるので、コイルに非平行部が存在せず、インダク
タンスを極小化することができる。 ボビンの周面に折り返しガイドが設けられていないの
で、コイルの実質的な外径を小さくすることができ、従
って永久電流スイッチ全体を小型化することができると
ともに超電導磁石の効率も向上する。 上記の無誘導型コイルを用いたことによって、本発明の
永久電流スイッチは、小型、安価でしかも大電流容量の
利点を有するものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の永久電流スイッチに用いる無誘導型
コイルの一実施例を示す斜視図。

【図２】 図１の実施例に用いたボビンの軸心方向から
みた側面図。

【図３】 図１の実施例の軸心方向からみた側面図。

【図４】 図１の実施例の軸心に垂直な方向からみた側
面図。

【図５】 （ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）
（ｇ）はそれぞれ図１に示した実施例以外の実施例を示
す軸心方向からみた側面図。

【図６】 超電導磁気エネルギー貯蔵装置の一例におけ
る一作動態様を示す回路図。

【図７】 図６に示す超電導磁気エネルギー貯蔵装置の
他の作動態様を示す回路図。

【図８】 図６に示す超電導磁気エネルギー貯蔵装置の
更に他の作動態様を示す回路図。

【図９】 従来の永久電流スイッチ用コイルに用いられ
るボビンの一例を示す斜視図。

【図１０】 従来の無誘導巻きの一工程を示す平面図。

【図１１】 従来の永久電流スイッチ用コイルの一例を
示す斜視図。

【符号の説明】

１０……永久電流スイッチ用コイル、１１……ボビン、
１２，１２ａ，１２ｂ……導体、１３……ボビン側面、
１４……折り返し部材、１４ａ，１４ｂ……円筒状突
起、Ｄ……ボビン外径、ｄ……円筒状突起外径。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河野 宰 東京都江東区木場１丁目５番１号 株式会 社フジクラ内 (72)発明者 本間 仁 宮城県仙台市青葉区中山七丁目２番１号 東北電力株式会社研究開発センター内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 無誘導型コイルを有する永久電流スイッ
   チであって、このコイルのボビンの少なくとも一方の端
   面に、コイル導体をこの端面上でＳ字形に巻回できる突
   起状の折り返し部材が設けられ、 永久電流スイッチ用のコイル導体の中間部がこの折り返
   し部材に沿ってＳ字形に折り返して巻回され、この折り
   返しの両側から延びるコイル導体が、ボビンの周面上を
   同一方向に平行に螺旋巻きされてなる永久電流スイッ
   チ。
2. 【請求項２】 上記の折り返し部材が、それぞれボビン
   の外径の１／２より小さい外径を有する２個の円筒状突
   起からなり、この双方の突起がいずれもボビンの一直径
   上でボビンの外周に内接して形成された請求項１に記載
   の永久電流スイッチ。