JPS5953685B2 - Superconducting toroidal magnet - Google Patents

Superconducting toroidal magnet

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JPS5953685B2
JPS5953685B2 JP51072655A JP7265576A JPS5953685B2 JP S5953685 B2 JPS5953685 B2 JP S5953685B2 JP 51072655 A JP51072655 A JP 51072655A JP 7265576 A JP7265576 A JP 7265576A JP S5953685 B2 JPS5953685 B2 JP S5953685B2
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superconducting
coil
coils
excitation
toroidal
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隆 佐藤
雅民 岩本
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Mitsubishi Electric Corp
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/001Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for superconducting apparatus, e.g. coils, lines, machines
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

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  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は電気的、熱的、および機械的な保護を必要と
する超電導トロイダルマグネットの改良に関するもので
ある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION This invention relates to improvements in superconducting toroidal magnets that require electrical, thermal, and mechanical protection.

現在核融合炉や電気エネルギー蓄積装置用の磁界発生装
置等として超電導トロイダルマグネットの使用が考えら
れているが、実用的規模の超電導トロイダルマグネット
の大きさは、蓄積エネルギー数でいえば、IOHジュー
ル(IOOGJ)以上の、これまで実現されたことのな
い巨大なものである。
Currently, superconducting toroidal magnets are being considered for use as magnetic field generators for nuclear fusion reactors and electrical energy storage devices, but the size of a practical-scale superconducting toroidal magnet is IOH Joule (in terms of stored energy). This is a gigantic project that has never been realized before.

超電導トロイダルマグネットの主要構成要素は超電導ト
ロイダルコイルであり、第1図に超電導トロイダルコイ
ル1の概念を示す。
The main component of a superconducting toroidal magnet is a superconducting toroidal coil, and FIG. 1 shows the concept of a superconducting toroidal coil 1.

すなわち、図に示すように、超電導トロイダルコイルは
トロイダル電流10によつてコイル内に磁界Bが発生す
るように構成されている。しかし、現実の超電導トロイ
ダルコイル1を第1図のように均等に巻線することはほ
とんどないと考えられる。
That is, as shown in the figure, the superconducting toroidal coil is configured so that a magnetic field B is generated within the coil by a toroidal current 10. However, it is considered that the actual superconducting toroidal coil 1 is almost never wound evenly as shown in FIG.

なぜなら、超電導トロイダルコイルの主半径Rはl0m
程度、小半径γが数mの巨大なものであるために超電導
トロイダルコイル1を1個のコイルとして作るのは非常
に困難なこと、および核融合燃料の供給、真空排気、計
測などのためにトロイダル磁界領域への接近を必要とす
ることなどによる。したがつて、第2図に示すように、
超電導トロイダルコイル1はいくつかに分割して、個々
の超電導コイル2の組合せとして形成される。
Because the main radius R of the superconducting toroidal coil is l0m
It is very difficult to make the superconducting toroidal coil 1 as a single coil because the small radius γ is huge, several meters, and it is necessary to supply nuclear fusion fuel, evacuation, measurement, etc. For example, by requiring access to the toroidal magnetic field region. Therefore, as shown in Figure 2,
The superconducting toroidal coil 1 is divided into several parts and formed as a combination of individual superconducting coils 2.

第3図は超電導トロイダルコイル1を構成する超電導コ
イル2の一種であるパンケーキ形超電導コイルの一部破
断斜視図で、この超電導コイル2は、超電導線3をター
ン間スペーサ4を介して巻’回したパンケーキコイル2
00を複数個、層間スペーサ5を介して巻枠6内に積重
ねて固定した構成を有し、超電導線3はターン間、層間
の両方ともターン間スペーサ4および゛層間スペーサ5
によつて電気的に絶縁され、かつ層間スペーサ5により
、液体ヘリウムなどの冷却媒体が流される間隙7が形成
される。
FIG. 3 is a partially cutaway perspective view of a pancake-shaped superconducting coil, which is a type of superconducting coil 2 constituting the superconducting toroidal coil 1. This superconducting coil 2 is made by winding a superconducting wire 3 with a spacer 4 between turns. Rotated pancake coil 2
00 are stacked and fixed in a winding frame 6 via an interlayer spacer 5, and the superconducting wire 3 has an interturn spacer 4 and an interlayer spacer 5 both between turns and between layers.
The interlayer spacer 5 forms a gap 7 through which a cooling medium such as liquid helium flows.

この間隙7は超電導線3の表面に発生した冷却媒体の気
泡を逃がす役割と、冷却媒体を供給する役割をもつ。し
かし、このようなパンケーキ形超電導コイルは、GJ級
のコイルが発生する巨大な電磁力によつて、超電導線3
の特性が劣化、あるいは超電導線の断線などが生ずる可
能性があるという欠点を有している。
This gap 7 has the role of allowing air bubbles of the cooling medium generated on the surface of the superconducting wire 3 to escape, and the role of supplying the cooling medium. However, such a pancake-shaped superconducting coil cannot be used for superconducting wires due to the huge electromagnetic force generated by the GJ-class coil.
The disadvantage is that the characteristics of the superconductor may deteriorate or the superconducting wire may break.

この従来の超電導コイルの欠点を補なうために第4図に
示すような構造の超電導コイルが考えられている。
In order to compensate for the drawbacks of the conventional superconducting coil, a superconducting coil having a structure as shown in FIG. 4 has been considered.

すなわち、第4図に示す超電導コイル2では、金属また
は絶縁物よりなる板状の保持部材8の両側面に複数個の
コイル溝9を設け、そのコイル溝に超電導線3を収納し
て形成される超電導デイスク100を複数個積重ねて、
ボルト10及びナツト11で締付けて組立てられている
。以上のように構成された超電導コイル2は、コイルが
発生する巨大な電磁力に対して十分耐えることができる
ので、核融合炉やエネルギー蓄積装置用の超電導トロイ
ダルマグネツトを構成する要素である超電導コイルとし
て採用することができる。これらの超電導コイルを用い
た磁界発生装置としてのトロイダルマグネツトの励磁運
転回路としては、従来、第5図の回路が考えられていた
That is, the superconducting coil 2 shown in FIG. 4 is formed by providing a plurality of coil grooves 9 on both sides of a plate-shaped holding member 8 made of metal or an insulator, and storing the superconducting wire 3 in the coil grooves. By stacking a plurality of superconducting disks 100,
It is assembled by tightening bolts 10 and nuts 11. The superconducting coil 2 configured as described above can sufficiently withstand the huge electromagnetic force generated by the coil, so it is suitable for use in superconducting toroidal magnets that are used in nuclear fusion reactors and energy storage devices. Can be used as a coil. Conventionally, the circuit shown in FIG. 5 has been considered as an excitation driving circuit for a toroidal magnet as a magnetic field generator using these superconducting coils.

図に示すように、超電導トロイダルコイル1は冷却媒体
12が貯液されたクライオスタツト13の中に浸漬され
、スイツチ14を閉じた状態で、励磁電源15によつて
定格運転電流1。まで励磁される。ところで、超電導ト
ロイダルコイル1の運転中に、超電導トロイダルコイル
1がクエンチ(もとの超電導状態に復帰しえない超電導
破壊)することがある。
As shown in the figure, a superconducting toroidal coil 1 is immersed in a cryostat 13 in which a cooling medium 12 is stored, and with a switch 14 closed, a rated operating current of 1 is applied by an excitation power source 15. It is excited up to. By the way, during operation of the superconducting toroidal coil 1, the superconducting toroidal coil 1 may be quenched (superconducting breakdown in which the original superconducting state cannot be restored).

なお、超電導トロイダルコイル1にクエンチが発生した
ことの検出は、超電導トロイダルコイル1に発生する抵
抗性電圧が所定値に達したことにより検知するのが普通
であるが、温度上昇を測定し、これより検知する場合も
ある。
Note that the occurrence of quench in the superconducting toroidal coil 1 is normally detected when the resistive voltage generated in the superconducting toroidal coil 1 reaches a predetermined value, but it is also possible to detect this by measuring the temperature rise. In some cases, it may be more detectable.

超電導トロイダルコイル1にクエンチが発生した場合、
超電導トロイダルコイル1に蓄えられた磁気エネルギを
急速に取り去り、超電導トロイダルコイル1の温度上昇
をある限界内(室温程度)に抑える必要がある。
When quench occurs in superconducting toroidal coil 1,
It is necessary to rapidly remove the magnetic energy stored in the superconducting toroidal coil 1 and suppress the temperature rise of the superconducting toroidal coil 1 within a certain limit (about room temperature).

第5図に示した磁界発生装置は、超電導トロイダルコイ
ル1にクエンチが発生した場合の保護のために用いられ
る構成として′普通のもので、保護抵抗16を超電導ト
ロイダルコイル1と並列に接続し、クエンチが生じた場
合にスイツチ]4を開き、超電導トロイダルコイル1に
蓄えられた磁気エネルギを急速に保護抵抗16に吸収さ
せるようにしたものである。
The magnetic field generating device shown in FIG. 5 has a common configuration used for protection when quench occurs in the superconducting toroidal coil 1, and a protective resistor 16 is connected in parallel with the superconducting toroidal coil 1. When a quench occurs, the switch] 4 is opened, and the magnetic energy stored in the superconducting toroidal coil 1 is rapidly absorbed by the protective resistor 16.

このようにすると、超電導トロイダルコイル1に蓄えら
れていた磁気エネルギの大部分は保護抵抗16で消費さ
れ、1部の磁気エネルギのみが冷却媒体中で消費される
ので超電導トロイダルコイル1の温度上昇は限界以下に
抑えられるだけでなく、冷却媒体の消費も少なくなる。
しかし上記従来の磁界発生装置における超電導コイルの
保護は、約100KJ以下の超電導コイルには有効であ
るが、それ以上の磁気エネルギをもつ大形超電導コイル
には適用できない。
In this way, most of the magnetic energy stored in the superconducting toroidal coil 1 is consumed by the protective resistor 16, and only a portion of the magnetic energy is consumed in the cooling medium, so that the temperature of the superconducting toroidal coil 1 does not rise. Not only is this kept below the limit, but the consumption of cooling medium is also reduced.
However, although the protection of the superconducting coil in the conventional magnetic field generating device described above is effective for superconducting coils of approximately 100 KJ or less, it cannot be applied to large superconducting coils having magnetic energy greater than that.

以下、この点について述べる。第5図において、超電導
トロイダルコイル1にクエンチが生じたときスイツチ1
4を開き、超電導トロイダルコイル1と保護抵抗16か
ら構成される閉回路をつくると電流1。
This point will be discussed below. In Fig. 5, when quench occurs in superconducting toroidal coil 1, switch 1
4 is opened to create a closed circuit consisting of the superconducting toroidal coil 1 and the protective resistor 16, the current is 1.

は時定数で減衰する。decays with a time constant.

ここでL(H)は超電導トロイダルコイル1のインダク
タンス、Rpは保護抵抗16の抵抗値、Rc(Ω)は超
電導トロイダルコイルの抵抗値で、通常、時間と共に増
加する量である。電流減衰時定数τpが小さいほど、超
電導トロ”イダルコイル1が常電導状態になつたことに
よるジユール発熱が小さくなり、超電導トロイダルコイ
ル1内の温度上昇が小さくなる。
Here, L (H) is the inductance of the superconducting toroidal coil 1, Rp is the resistance value of the protective resistor 16, and Rc (Ω) is the resistance value of the superconducting toroidal coil, which usually increases with time. The smaller the current decay time constant τp is, the smaller the Joule heat generation caused by the superconducting toroidal coil 1 entering the normal conduction state becomes, and the smaller the temperature rise within the superconducting toroidal coil 1 becomes.

時定数τpを小さくするには、保護抵抗16の抵抗値R
pと超電導トロイダルコイル1の常電導状態抵抗値Rc
を大きくする必要がある。Rcは超電導トロイダルコイ
ル1のコイル安定化法、巻線内状況、超電導線の常電導
基材(例えば、銅)量などによつて変化する量であるが
、ここでは、超電導トロイダルコイル1の常電導部分が
極く1部にとどまつている場合にれは完全安定化超電導
コイルが局部的に常電導状態になつており、常電導部分
が周囲に伝播しない場合に相当)のRc=0について論
する。この場合の時定数τpはRc〉0の場合のτpよ
り長くなり、コイル保護はより困難となるので、Rc=
0の場合について論するだけで十分である。電流減衰時
定数τpはいくらでも長くしてよいのではなく、電流減
衰時定数限界τa以下にしなければならない。
In order to reduce the time constant τp, the resistance value R of the protective resistor 16 is
p and the normal conduction state resistance value Rc of the superconducting toroidal coil 1
needs to be made larger. Rc is an amount that changes depending on the coil stabilization method of the superconducting toroidal coil 1, the condition inside the winding, the amount of the normal conductive base material (for example, copper) of the superconducting wire, etc.; We discuss Rc = 0 (this corresponds to the case where the fully stabilized superconducting coil is locally in a normally conducting state and the normally conducting part does not propagate to the surroundings) when the conducting part remains in only one part. do. The time constant τp in this case is longer than τp when Rc>0, and coil protection becomes more difficult, so Rc=
It is sufficient to discuss the case of 0. The current decay time constant τp cannot be made as long as desired, but must be set to be less than or equal to the current decay time constant limit τa.

τaは、電流が減衰するとき、こ超電導線の熱容量によ
つて発熱を吸収して、時間t→1における温度が超電導
体や絶縁物を劣化させない温度T。(通常300K)以
下になるという条件で計算すると、式で与えられる。
τa is the temperature T at which when the current attenuates, heat generation is absorbed by the heat capacity of the superconducting wire, and the temperature at time t→1 does not deteriorate the superconductor or insulator. (usually 300K) or less, it is given by the formula.

ここで、IO(A)はタエンチする前のコイル電流、m
(G4m)は単位長さ当りの常電導基材の重畳、A(m
りは基材の断面積、Qcは積分する。C(J/g)は基
材の比熱、ρ(Ω−m)は常電2導基材の抵抗率である
Here, IO(A) is the coil current before quenching, m
(G4m) is the superposition of normal conducting substrate per unit length, A(m
ri is the cross-sectional area of the base material, and Qc is integrated. C (J/g) is the specific heat of the base material, and ρ (Ω-m) is the resistivity of the normal conductive base material.

例えば、大形超電導コイル用の10mm×36mm断面
の超電導線にI。
For example, I is applied to a superconducting wire with a cross section of 10 mm x 36 mm for a large superconducting coil.

=34.700A流したときの時定数限界τaは50秒
になる。第5図の磁界発生装置において、クエンチを検
二出して電源をしや断したときの電流減衰時定数τpを
50秒以下にする必要があるから、超電導トカイダル1
のインダクタンスLを例えば260Hとすれば、保護抵
抗10の抵抗値Rpは、式(1)から、Rp=5.2Ω
以上にしなければならない。
=34. The time constant limit τa when 700A flows is 50 seconds. In the magnetic field generator shown in Fig. 5, it is necessary to keep the current decay time constant τp to 50 seconds or less when a quench is detected and the power is turned off.
For example, if the inductance L of
It has to be more than that.

ただし、Rc=0とみなしている。この電流減衰時に超
電導コイル5の両端に発生する電圧VtはVt=IOR
p(v)・・・・・・・・・(3)である。
However, it is assumed that Rc=0. The voltage Vt generated across the superconducting coil 5 during this current attenuation is Vt=IOR
p(v) (3).

Ic=34.700A.RP=5.2Ωを代入すると、
t=180kになる。このような高い電圧ではコイル両
端の絶縁を保つことは極めて困難である。このように、
大形超電導コイルにおいては、従来の構成では超電導ト
ロイダルコイル1を保護することはできない。上記のよ
うな困難に鑑みて、大形超電導コイルがクエンチしたと
きに破損しないように保護することのできる大形磁界発
生装置が提案されてい第6図は、この先行技術の一実施
例を示す図で、1−1〜1−nは分割された励磁コイル
、15−1〜]5−nはそれぞれ励磁するための励磁電
源、14−1〜14−nはスイツチ、16−1〜16−
nは保護抵抗で、励磁コイル1−1〜1nはそれぞれ独
立した励磁系で励磁されるように構成したものである。
Ic=34.700A. Substituting RP=5.2Ω, we get
t=180k. At such high voltages, it is extremely difficult to maintain insulation across the coil. in this way,
In a large superconducting coil, the superconducting toroidal coil 1 cannot be protected with the conventional configuration. In view of the above-mentioned difficulties, a large magnetic field generator has been proposed that can protect a large superconducting coil from being damaged when it is quenched. FIG. 6 shows an example of this prior art. In the figure, 1-1 to 1-n are divided excitation coils, 15-1 to 5-n are excitation power supplies for excitation, 14-1 to 14-n are switches, 16-1 to 16-
n is a protective resistor, and the excitation coils 1-1 to 1n are configured to be excited by independent excitation systems.

第6図において励磁コイル1−1〜1−nのっち一つの
励磁コイル、例えば1−1とするが、クエンチした場合
、その励磁コイル1−1の属する励磁回路のスイツチ]
4−]を開き、励磁コイル1−1のエネルギを保護抵抗
16−1に放出させる。
In FIG. 6, one of the excitation coils 1-1 to 1-n, for example 1-1, is quenched, and the excitation circuit to which the excitation coil 1-1 belongs is switched.]
4-] is opened to release the energy of the excitation coil 1-1 to the protective resistor 16-1.

そのときの時定数τPnは、超電導コイル5に抵抗が発
生しないと仮定したとき、である。
The time constant τPn at that time is the one when it is assumed that no resistance is generated in the superconducting coil 5.

ここで、Ln(H)は各分割コイル1−1〜1−nのイ
ンダクタンスであり、n個の分割コイルが同時に減衰し
たとき、Lnは超電導コイル5のインダクタンスLに対
しての関係がある。
Here, Ln(H) is the inductance of each of the divided coils 1-1 to 1-n, and when the n divided coils are attenuated simultaneously, Ln has a relationship with the inductance L of the superconducting coil 5.

1個の励磁コイル1−1だけが電流減衰する場合の励磁
コイル1−1のインダクタンスLnは自己インダクタン
スのみであり、当然(5)式のLnよりも小さい。
The inductance Ln of the excitation coil 1-1 when only one excitation coil 1-1 attenuates the current is only a self-inductance, and is naturally smaller than Ln in equation (5).

ここでは、最もきびしい条件として励磁コイル1−1〜
1−nが同時にクエンチしたとすると、各励磁コイル1
−1〜1−nの各電流10が減衰するとき各励磁コイル
1−1〜1−nにそれぞれ発生する電圧VnはVn=I
ORpn(V)・・・・・・・・・(6)となる。
Here, as the most severe conditions, excitation coils 1-1 to
1-n are quenched at the same time, each excitation coil 1
-1 to 1-n when each current 10 attenuates, the voltage Vn generated in each exciting coil 1-1 to 1-n is Vn=I
ORpn(V) (6).

これに(4)、(5)式を代入しての形で表わすことが
できる。一方、第5図の磁界発生装置におけるコイル両
端電圧Vtは、Rc:0とおいた(1)式と(3)式か
らになる。
It can be expressed by substituting equations (4) and (5) into this. On the other hand, the voltage Vt across the coil in the magnetic field generator shown in FIG. 5 is obtained from equations (1) and (3) where Rc: 0.

τP1τPnともτP=τPnくτa(電流減衰時定数
限界)であるから、第6図の先行技術の磁界発生装置の
クエンチ時の電圧Vnは第5図の従来技術の場合の電圧
Vt(7)n分の1になる。前に例としてあげた超電導
コイル(IO=34.700A.L:260H)の場合
について適当な分割数nを試算すると、各励磁コイル両
端の耐圧としてVp=5kVを仮定すると、(6)式に
おいてVn=5kVであるから、Rpn=0.14Ωが
得られる。
Since both τP and τPn are τP=τPn and τa (current decay time constant limit), the voltage Vn at the time of quenching of the magnetic field generator of the prior art shown in FIG. 6 is the voltage Vt(7)n of the prior art of FIG. It becomes 1/1. Calculating the appropriate division number n for the superconducting coil (IO = 34.700A.L: 260H) given as an example earlier, assuming Vp = 5kV as the withstand voltage at both ends of each excitation coil, in equation (6), Since Vn=5kV, Rpn=0.14Ω is obtained.

したがつて、(4)式に上記の値とτPn=50秒を代
入すると、Ln=7.2Hになるので、(5)式からn
:36が得られる。このように、大形磁界発生装置を第
6図に示す構成とすれば、核融合炉やエネルギ蓄積装置
などに用いられる大形超電導コイルの保護が容易となり
、絶縁処理も簡易なものにできるだけでなく、クエンチ
した励磁コイルの電流のみを零とし、他の大部分をその
まま励磁しておくことができるので、実用上適したもの
となる。
Therefore, by substituting the above value and τPn=50 seconds into equation (4), Ln=7.2H, so from equation (5), n
:36 is obtained. In this way, if the large magnetic field generator is configured as shown in Figure 6, it becomes easy to protect the large superconducting coils used in nuclear fusion reactors, energy storage devices, etc., and the insulation process can be simplified. This is suitable for practical use because only the current in the quenched excitation coil can be reduced to zero, and most of the other parts can be kept excited.

第7図はこの先行技術のさらに他の実施例を示す図で、
この例は個々の励磁コイル1−1〜1一nの中点を接地
したものである。
FIG. 7 is a diagram showing still another embodiment of this prior art,
In this example, the middle points of the individual excitation coils 1-1 to 1-n are grounded.

この場合では、励磁コイル1−1〜1−nのプラス端子
には、Vn/2、マイナス端子には、Vn/2の電圧が
生:するので、耐圧VpとしてVp=Vn/2
・・・・・・・・・(9)を考えればよい。
In this case, a voltage of Vn/2 is generated at the positive terminal of the exciting coils 1-1 to 1-n, and a voltage of Vn/2 is generated at the negative terminal, so that the withstand voltage Vp is Vp=Vn/2.
・・・・・・・・・Consider (9).

耐圧として、VP=5kVを仮定して、(6)、(9)
式から得られる0.29Ωが個々の励磁コイル1−1〜
1−nの保護抵抗値となる。した.がつて、前記の超電
導コイル(IO:34.700A.L=260H)の励
磁コイルの場合Vp=5kVとすると必要な分割数nは
18であり、第5図、第6図の回路の場合の分割数36
の2分の1でよいという利点をもつ。この先行技術は以
上の説明より明らかな5ように、一つの励磁コイルを複
数個の超電導コイルで形成するとともに、各超電導コイ
ルごとに並列に接続された保護抵抗と、この並列体にそ
れぞれスイツチを介して励磁電流を給電する励磁装置と
を備え、クエンチを発生した励磁コイルの属すzる励磁
回路のスイツチを開くことにより当該クエンチを発生し
た励磁コイルの磁気エネルギを保護抵抗に吸収させるよ
うにしたもので、各励磁コイルの両端子間に発生する電
圧を低く押えることができるため特別の絶縁処理を施す
ことなく大形磁界発生装置を実現することができる。超
電導トロイダルコイル1をn個の励磁コイル1−1〜1
−nに分割する方法として最も単純であるのは、第2図
の超電導トロイダルコイル]を空間的に分割した超電導
コイル2がn個の場合、個々の超電導コイル2を個々の
励磁コイル1−1〜1−nとすることである。
Assuming VP=5kV as the withstand voltage, (6), (9)
0.29Ω obtained from the formula is the individual excitation coil 1-1~
The protective resistance value is 1-n. did. Therefore, in the case of the excitation coil of the superconducting coil (IO: 34.700A.L = 260H), if Vp = 5kV, the necessary number of divisions n is 18, and in the case of the circuits shown in Figs. 5 and 6. Number of divisions: 36
It has the advantage that only one half of the amount is required. As is clear from the above explanation, in this prior art, one excitation coil is formed by a plurality of superconducting coils, and a protective resistor is connected in parallel to each superconducting coil, and a switch is connected to each of the parallel bodies. The device is equipped with an excitation device that supplies an excitation current through the protective resistor, and by opening a switch of the excitation circuit to which the excitation coil that generated the quench belongs, the magnetic energy of the excitation coil that generated the quench is absorbed by the protective resistor. Since the voltage generated between both terminals of each excitation coil can be suppressed to a low level, a large magnetic field generator can be realized without special insulation treatment. The superconducting toroidal coil 1 is connected to n excitation coils 1-1 to 1.
The simplest way to divide the superconducting toroidal coil into n pieces is to divide the superconducting toroidal coil shown in FIG. ~1-n.

超電導コイル2の個数mがn以上の場合、励磁コイル数
はnでなくmにしてもよい。
When the number m of superconducting coils 2 is n or more, the number of excitation coils may be m instead of n.

この場合、個々の励磁コイル(すなわち、個々の超電導
コイル)に発生する電圧は、n個分割のときの値よりも
小さくなるので、コイルの電気的・熱的保護の上ではよ
り楽になる。また、超電導コイル2の個数mがn以下の
場合、1つの超電導コイルの中間からパワーリードを取
りだして、励磁コイル数をn個にすることができる。
In this case, the voltage generated in each excitation coil (that is, each superconducting coil) is smaller than the value when dividing into n pieces, making it easier to protect the coil electrically and thermally. Furthermore, when the number m of superconducting coils 2 is less than or equal to n, a power lead can be taken out from the middle of one superconducting coil to reduce the number of excitation coils to n.

以上3例のような励磁コイルの分割方法を採用する場合
、クエンチ時の超電導トロイダルコイルの電気的・熱的
保護はできるが、機械的保護はかなり困難になる。
When adopting the method of dividing the excitation coil as in the above three examples, it is possible to electrically and thermally protect the superconducting toroidal coil during quenching, but mechanical protection becomes considerably difficult.

第8図は超電導トロイダルコイルを構成する1個の超電
導コイル2の#1がクエンチした場合にその超電導コイ
ル2−01の両隣の超電導コイル2−02,2−24に
働く電磁力を示す図である。
Figure 8 is a diagram showing the electromagnetic force acting on superconducting coils 2-02 and 2-24 on both sides of superconducting coil 2-01 when #1 of one superconducting coil 2 constituting a superconducting toroidal coil is quenched. be.

ただし、超電導トロイダルコイルの空間的分割数mを2
4とし、コイルの諸元は前に例としてあげたものについ
て論することにする。第8図において、超電導コイル2
−01がクエンチしてコイル電流が減衰してゼロになる
と、その両端の超電導コイル2−02,2−24にθ方
向の電磁力Fが働く。
However, the number of spatial divisions m of the superconducting toroidal coil is 2
4, and we will discuss the coil specifications given above as an example. In Fig. 8, superconducting coil 2
-01 is quenched and the coil current attenuates to zero, an electromagnetic force F in the θ direction acts on the superconducting coils 2-02 and 2-24 at both ends.

この電磁力は、第8図に示すように、相反溌する向きを
もち、その大きさFは約7万トンもの巨大な力である。
この力に耐える支持構造を設計することは不可能ではな
いが、支持構造物重量の増加、およびそれに伴なう熱侵
入の増加、は超電導トロイダルコイルにとつて大きな欠
点となる。さらに、24個の超電導コイルのうち23個
の超電導コイルを運転することはできるが、磁界分布の
一様性が悪くなるという欠点をもつ。
As shown in Figure 8, this electromagnetic force has opposing directions, and its magnitude F is a huge force of about 70,000 tons.
Although it is not impossible to design a support structure that can withstand this force, the increased weight of the support structure and the associated increase in heat penetration are major drawbacks for superconducting toroidal coils. Furthermore, although it is possible to operate 23 of the 24 superconducting coils, it has the disadvantage that the uniformity of the magnetic field distribution deteriorates.

この発明は上述の欠点を解消するためになされたもので
、超電導トロイダルコイルがクエンチしたときに、電気
的、熱的、および機械的に破損しないように保護するこ
との可能な超電導トロイダルマグネツトを提供すること
を目的とするものである。
This invention was made in order to eliminate the above-mentioned drawbacks, and provides a superconducting toroidal magnet that can be protected from electrical, thermal, and mechanical damage when the superconducting toroidal coil is quenched. The purpose is to provide

以下、図面に従つてこの発明を説明する。The present invention will be explained below with reference to the drawings.

第9図はこの発明の一実施例の概略的な構成を示す部分
図であり、超電導トロイダルコイル1を構成する複数の
超電導コイル2−01〜2−mのうち3個のみを示して
いる。
FIG. 9 is a partial diagram showing a schematic configuration of an embodiment of the present invention, showing only three of the plurality of superconducting coils 2-01 to 2-m constituting the superconducting toroidal coil 1.

図において、21−1〜2m−nは部分コイルで、各々
の超電導コイル2−01〜2−mは複数の部分コイル2
1−1〜2m−nによつて構成されている。
In the figure, 21-1 to 2m-n are partial coils, and each superconducting coil 2-01 to 2-m is a plurality of partial coils 2.
1-1 to 2m-n.

また励磁コイル1−1〜1−nは各超電導コイル2−0
1〜2−m内の相対位置の等しい部分コイル21−1〜
2m−nを電気結線して構成されている。すなわち、各
超電導コイル毎に複数の部分コイル21−]〜2m−n
に順次番号を付け、各超電導コイル2−0]〜2−mを
構成する部分コイルのうち同一番号の部分コイルを次々
に電気結線して励磁コイル1−1〜1−nが構成される
。なお、図には示していないが、励磁コイル11〜1−
nに対し、第6図または第7図に示した回路が設けられ
ており、前述のような効果、すなわち電気的および熱的
に破損しないような保護を有するように構成する。
Moreover, the exciting coils 1-1 to 1-n are each superconducting coil 2-0.
Partial coils 21-1 with equal relative positions within 1-2-m
It is constructed by electrically connecting 2m-n. That is, for each superconducting coil, a plurality of partial coils 21-]~2m-n
The excitation coils 1-1 to 1-n are constructed by sequentially numbering the partial coils having the same number among the partial coils constituting each of the superconducting coils 2-0] to 2-m and electrically connecting them one after another. Although not shown in the figure, the excitation coils 11 to 1-
The circuit shown in FIG. 6 or 7 is provided for n, and is configured to have the effect described above, that is, protection against electrical and thermal damage.

上述のように構成した場合には次の利点がある。The configuration as described above has the following advantages.

(1) 1つの励磁コイルがクエンチした場合、1つの
超電導コイルの中の1つの部分コイルの電流が減衰する
のであるから、クエンチした部分コイルの両隣の部分コ
イル間に生じる反溌力は、1個の超電導コイルを1個の
励磁コイルとした場合の反溌力の数10分の1の小さい
値になる。
(1) When one excitation coil is quenched, the current in one partial coil in one superconducting coil is attenuated, so the repulsive force generated between the partial coils on both sides of the quenched partial coil is 1 This is a small value that is several tenths of the repulsion force when three superconducting coils are used as one excitation coil.

したがつてクエンチを考慮した特別の支持構造を設ける
必要はない。(2)超電導トロイダルコイルを構成する
全超電導コイルの同番号の部分コイルの電流が減衰する
ためトロイダルコイル磁界分布の不均一性が小さくてす
む。
Therefore, there is no need to provide a special support structure that takes quenching into consideration. (2) Since the current in the partial coils having the same number among all the superconducting coils constituting the superconducting toroidal coil is attenuated, the non-uniformity of the toroidal coil magnetic field distribution can be reduced.

なお、以上の説明において、部分コイルは、第3図に示
すようなパンケーキ形超電導コイルに対してのパンケー
キコイルとしても良く、また第4図に示すような超電導
デイスクを複数個重ね合せた超電導コイルに対しての超
電導デイスクとしても良い。
In the above explanation, the partial coil may be a pancake coil for a pancake-shaped superconducting coil as shown in FIG. It may also be used as a superconducting disk for a superconducting coil.

また、以上の説明では各励磁コイルの構成要素として各
超電導コイルに対してそれぞれ1個ずつの部分コイルを
電気結線したものを示したが、超電導トロイダルコイル
の機械的保護の可能な範囲で、各超電導コイルに対して
部分コイル複数個を励磁コイルの構成要素としても良い
In addition, in the above explanation, one partial coil is electrically connected to each superconducting coil as a component of each excitation coil, but each A plurality of partial coils may be used as constituent elements of the excitation coil for the superconducting coil.

この発明は以上の説明より明らかなように、超電導トロ
イダルコイルの各超電導コイルを構成する部分コイルの
うち相対位置の等しい部分コイルを電気結線して1つの
励磁コイルを構成し、各励磁コイルごとに並列に接続さ
れた保護抵抗と、この並列体にそれぞれスイツチを介し
て励磁電流を給電する励磁装置とを備え、クエンチを発
生した励磁コイルの属する励磁回路のスイツチを開くこ
とにより当該クエンチを発生した励磁コイルの電流を保
護抵抗に吸収させるようにしたもので、部分コイルの電
流消滅によるトロイダル軸方向の電磁力を小さくし、か
つ、トロイダル磁界分布の不均一性を小さくし、かつ当
該励磁コイルの両端子間に発生する電圧を低く押えるよ
うにした超電導トロイダルマグネツトを実現することが
できる。
As is clear from the above description, in this invention, among the partial coils constituting each superconducting coil of a superconducting toroidal coil, partial coils having the same relative position are electrically connected to constitute one excitation coil, and each excitation coil is It is equipped with a protective resistor connected in parallel and an excitation device that supplies excitation current to each of the parallel bodies through a switch, and generates the quench by opening a switch of the excitation circuit to which the excitation coil that generated the quench belongs. The current in the excitation coil is absorbed by the protective resistor, which reduces the electromagnetic force in the toroidal axis direction due to the extinction of the current in the partial coil, and also reduces the non-uniformity of the toroidal magnetic field distribution. A superconducting toroidal magnet that suppresses the voltage generated between both terminals can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はトロイダルコイルの概念図、第2図は実際のト
ロイダルコイル構成図、第3図はパンケーキ形超電導コ
イルの一部破断斜視図、第4図はデイスク形超電導コイ
ルの一部断面図、第5図は従来の超電導トロイダルマグ
ネツトの回路図、第2 6図及び第7図はそれぞれこの
発明の超電導トロイダルマグネツトの回路図、第8図は
超電導コイ九1個がクエンチしたときに発生するトロイ
ダル′j方向に発生する電磁力分布、第9図はこの発明
のトロイダルマグネツトにおける電気結線を示す7構成
部分図である。 図において、1は超電導トロイダルコイル、2および2
−01〜2−mは超電導コイル、200はパンケーキコ
イル、100は超電導デイスク、1−]〜1−nは励磁
コイル、14−1〜14一0nはスイツチ、15−1〜
15−nは励磁電源、16−1〜16−nは保護抵抗、
21−1〜2m一nは部分コイルである。
Fig. 1 is a conceptual diagram of a toroidal coil, Fig. 2 is an actual toroidal coil configuration diagram, Fig. 3 is a partially cutaway perspective view of a pancake-shaped superconducting coil, and Fig. 4 is a partially sectional view of a disk-shaped superconducting coil. , FIG. 5 is a circuit diagram of a conventional superconducting toroidal magnet, FIGS. 26 and 7 are circuit diagrams of a superconducting toroidal magnet of the present invention, and FIG. 8 is a circuit diagram of a superconducting toroidal magnet according to the present invention. Distribution of electromagnetic force generated in the toroidal 'j direction. FIG. 9 is a partial diagram of seven components showing electrical connections in the toroidal magnet of the present invention. In the figure, 1 is a superconducting toroidal coil, 2 and 2
-01 to 2-m are superconducting coils, 200 is a pancake coil, 100 is a superconducting disk, 1-] to 1-n are excitation coils, 14-1 to 14-0n are switches, 15-1 to
15-n is an excitation power supply, 16-1 to 16-n are protection resistors,
21-1 to 2m-n are partial coils.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 超電導トロイダルコイルを分割して構成する複数の
超電導コイル、この各々の超電導コイルを分割して構成
する複数の部分コイル、上記各超電導コイル内の相対位
置の等しい上記部分コイルを電気結線して構成された励
磁コイル、上記各々の励磁コイルに並列に接続された保
護抵抗、および上記各励磁コイルと保護抵抗との並列体
にそれぞれスイッチを介して給電する励磁電源を備えた
超電導トロイダルマグネット。 2 各励磁コイルの中点が接地されていることを特徴と
する特許請求の範囲第1項記載の超電導トロイダルマグ
ネット。
[Scope of Claims] 1. A plurality of superconducting coils formed by dividing a superconducting toroidal coil, a plurality of partial coils formed by dividing each superconducting coil, and the partial coils having equal relative positions within each of the superconducting coils. an excitation coil configured by electrically connecting the excitation coils, a protection resistor connected in parallel to each of the excitation coils, and an excitation power source that supplies power to the parallel body of each of the excitation coils and the protection resistor via a switch. Superconducting toroidal magnet. 2. The superconducting toroidal magnet according to claim 1, wherein the middle point of each exciting coil is grounded.
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