JP2960481B2 - 超電導体テープ中の渦電流の低減方法および超電導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、請求項１の上位概念に記載の超電導体テー
プにおける渦電流を低減する方法および請求項２の上位
概念に記載の超電導体装置から出発している。

従来の技術 本発明のそれぞれの上位概念は、西独国特許第265492
4号明細書から公知であるような従来技術に関連してい
る。機械的な応力に対して脆いという欠点を克服するた
めに、テープ形式の導体ないし複合線材が提案され、そ
の場合Nb₃Snから成る超電導層がNbから成るテープの周
りに設けられている。銅または銅合金から成る安定化層
が超電導層の周りに設けられており、その際通例ろう付
けされた層が超電導層と安定化層との間に設けられてい
る。安定化層の周りに一番外側の絶縁層が設けられてい
る。テープが、幾何学的な異方性によって惹き起こされ
かつ磁界の形成の際に問題を来す不均一な磁界に基づく
磁束の急激な変化の形における不安定性を有しているこ
とが欠点として認められている。更に、個々の複合ケー
ブルを安定化および／または強化材料から成る矩形また
は円形の管の周りに巻回することが公知である。交流使
用の際に結合電流に基づく不都合な作用を回避するため
に、超電導性の心線またはストランドが撚られる。それ
ぞれの心線が種々異なった導電性を有するようにするこ
ともでも結合電流を低減することができる。更に当該心
線間の接触抵抗を高めると結合電流ループを効果的に回
避することができる。渦電流損を回避するために、連続
的に中実な形を採用する代わりに、銅のような安定した
材料を、絶縁されていると同時に相互に分離されている
状態において使用するようにしている。銅を高い電気抵
抗を有する材料によって個々の区分に分割するようにす
ることもできる。

その際複合ケーブルの製造コストが比較的高い点は不
都合である。

更に関連技術として、米国の雑誌Physical Review Le
tters,Vol.58,Nr.25,1987年６月22日、第2687ないし第6
90頁に取り上げられているT.R.Dinger氏等の著の刊行物
“Direct Observation of Electronic in Single−Crys
tal y₁Ba₂Cu₃O_7-X"が挙げられる。そこには、所定の方
向において他のすべての方向におけるより小さい臨界電
流密度を有する異方性の高温−酸化超電導体の電気特性
について記載されている。

高温−超電導体の配向されたフィルムの製造は米国の
雑誌Appl.Phys.Lett.52（24）,1988年６月13日、第2074
ないし第2076頁に記載されているS.Jin氏等の著の刊行
物、“High critical currents in Y−Ba−Cu−O super
conductors"から公知である。

発明が解決しようとする問題点 本発明の課題は、比較的簡単に高温−超電導体におけ
る渦電流損の低減を保証する、冒頭に述べた形式の方法
および超電導体装置を提供することである。

問題点を解決するための手段 この課題は、本発明によれば請求項１および請求項２
に記載の構成によって解決される。

本発明の利点は、導体を外部の前以て決められた磁界
内（変圧器、発電機、機器等）で使用する際に、渦電流
が導体の短かな長さに制限される点にある。このことは
結晶面を周期的にねじることによって実現される。線間
の結合損失を回避するために、金属マトリクスに埋め込
まれかつ撚られないければならない細い超電導性の線が
用いられる、製造するのが面倒な複合−超電導体は不要
である。

ここでは、従来は技術上使用するのは困難とみなされ
ていた高温−超電導体の電気的な異方性が利用される。

実施例 次に本発明を図示の実施例につき図面を用いて詳細に
説明する。

第１図に部分的かつ原理的に示された、金属薄板から
成る直方体状の支持体ないし層支持体１は、0.2cm〜10c
mの範囲、有利には2cm〜3cmの範囲にある幅ｘ、および
0.05mm〜2mmの範囲、有利には0.4mm〜0.6mm範囲にある
厚さｙを有している。この支持体１には、例えばYBa₂Cu
₃O_7-Xのような電気的に異方性の高温−酸化超電導体か
ら成る２つのバイファイラテープA1およびA2がスパイラ
ル状に巻回されている。これらテープA1,A2の層厚ｄは
その幅b1より小さい。隣接するテープA1およびA2間に
は、0.1mm〜1mmの範囲にある幅b2のスペースないし溝２
が存在する。これによりｉで示されている電流が強制的
に支持体１をスパイラル状に流れることになり、しかも
第１図に示すようにテープA1においては右上方向に流
れ、A2においてはそれとは反対に左下方向に流れる。電
流ｉが反対方向に流れる２つの同じテープをこのように
巻回する構成によって、不都合なインダクタンスを回避
することができる。

超電導体を用いたこの被覆は、材料の結晶ｃ軸がどこ
でも、層支持体１の表面に対して90゜±５゜の角度を形
成するように行われる。適当な方法は、冒頭に述べた、
S.Jin氏等著の刊行物に記載されている。

第２図は、主方向ｃを有する電気的に異方性の高温−
超電導体を示している。主方向およびそれとは反対の方
向において臨界電流密度j1は他のすべての方向a,bにお
けるより小さい。矢印によって、超電導体において磁界
Ｈの方向に対して垂直である面内を流れる渦電流i_wが示
されている。臨界電流密度j1の方向における比較的僅か
な導電性により、渦電流の強さが制限される。

第１図の超電導体装置は、実施例において磁界Ｈに関
して、支持体１の狭幅側の側面が磁界に対して90゜±５
゜の垂直な位置にあるように位置決めされている。超電
導体テープA1,A2における渦電流i_wは、支持体１の広幅
側の面の領域においては交互にこの領域を主方向ｃにお
いて流れかつ周期的にそれとは反対方向に配向されてい
る、すなわち180゜回転している領域を流れる。支持体
１の狭幅側の側面の領域において渦電流i_wは平面a,bに
おいて流れ、その結果ここでは渦電流低減の所望の効果
は生じない。

第３図は、電気的に異方性の超電導層３ないし２つの
同じ厚さの層3.1および3.2から組み合わされていると見
なすことができるが、実際には１つの層から成る超電導
性の２層導体３が非超電導性の支持体１上に析出されて
いる、本発明の別の実施例を示している。超電導層３は
2cm〜3cmの範囲の幅b3および0.01mm〜1mmの範囲、有利
には0.1mm〜0.4mmの範囲にある厚さd3を有している。層
３の長手方向Ｄにおいて一様または周期的な間隔15にお
いて下半層3.2において非超電導性の分離区域、すなわ
ち被着面から1/2の厚さのところまで層３内に入り込ん
でいるウェブまたは切り欠きないし溝５が設けられてお
りかつ上半層3.1において非超電導性の分離区域、すな
わち層３の上面から層真ん中ないし層の1/2の厚さのと
ころまでに入り込んでいるウェブまたは切り欠きないし
溝４が設けられている。ウェブまたは溝4,5は、上面か
ら見て段状に形成されており、それぞれ、層３の中央に
おける長手方向Ｄにおける非超電導性の分離区域、すな
わち下半層3.2における長手ウェブまたは長手溝６およ
びそれに対して平行に延在する非超電導性分離区域、す
なわち層３の中央における長手方向Ｄにおける上半層3.
1における長手ウェブまたは長手溝７を備えている。全
体として１つの周期ないし中段に属するウェブまたは溝
4,5はＨの形を成し、その際破線で示されたウェブない
し溝４は超電導体層３の上半部においてのみ延在しかつ
実線で示されているウェブないし溝５は超電導体層３の
下半部においてのみ延在する。ｃ軸に関する上述のこと
が当てはまる。Ｈの横方向バーにおける非超電導性の分
離層6,7は超電導体層３全体に達している。非超電導性
の分離区域、ウェブまたは溝４〜７の幅は≦0.5mmであ
る。

支持体１は2cm〜3cmの幅、0.1mm〜2mmの厚さでありか
つ必要に応じて1km以上の長さである。

この２テープ導体に代わって、被着される超電導体の
ｃ軸が周期的に180゜づつ回転されている、図示されて
いない単層導体を設けることもできる。その際ｃ軸と層
支持体表面とは、90゜±５゜および270゜±５゜の角度
を形成し、この角度は、層支持体１の幅ｘプラス厚さｙ
の周期長でもって周期的にこれら２つの値を交互にと
る。

第３図に図示の超電導体装置は特に、固有磁界損失の
みを低減すればよい、電流伝送用導体（ケーブル）とし
て適している。ここでは、電流が流れる層が周期的に交
換される２層導体によって撚りがシミュレートされる。
被着される超電導体のｃ軸は層３の表面に対して垂直方
向に配向されている。溝およびウェブ４および５は、そ
の都度の電流路が上層3.1と下層3.2との間で周期的に変
化するように作用する。電流の固有磁界は、それが上層
3.1および下層3.2の面において異なった、反対の方向を
有することによって特徴付けられているので、渦電流は
ウェブ５の周期間隔における長さ15に効果的に制限され
る。

渦電流は、超電導体において臨界長さl_cより短い長さ
に制限されることが重要である。ただし l_c＝４（（ｒ・ρ・j_c）／（dB/dt））^1/2 であって、ρ＝ｃ方向において臨界電流密度が上回った
際のこの方向における超電導体の電気抵抗、ｒ＝テープ
厚の1/2、j_c＝a,b方向における臨界電流密度、Ｂ＝磁束
密度、ｔ＝結合損失を効果的に抑圧するための時間であ
る。その際超電導層1A,A2のｃ方向は殆ど全部が磁界
Ｈ′に対して垂直方向に配向されていなければならな
い。そうしなければ比較的高い損失を来す渦電流がａ−
ｂ平面内に誘起される。第１図の装置において間隔２・
b1＋b2≦l_cでなければならない。第３図の装置において
は15≦l_cでなければならない。

発明の効果 本発明によれば、結晶面を周期的にねじるという比較
的簡単な仕方で、渦電流が導体の小さな長さに制限さ
れ、渦電流損が低減されるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、電気的に異方性の高温−超電導体から成る２
つのテープがスパイラル状に巻回されている金属支持体
の部分を原理的に示す斜視図であり、第２図は、電気的
に異方性の高温−超電導体における渦電流を示す略図で
あり、第３図は、金属テープ上に装着されておりかつ渦
電流を制限するために周期的な間隔をおいてウェブまた
は溝を有する電気的に異方性の高温−超電導体から成る
２層導体を略示する斜視図である。 １……支持体、2,4,7……溝、３……超電導層、5,6……
ウェブ、A1,A2……超電導性のテープ、i_w……渦電流、
ｃ……電流密度の主方向、j1……方向Ｃにおける臨界電
流密度

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ａ）主方向（ｃ）においてすべての他の方
   向（a,b）におけるより小さな臨界電流密度（j1）を有
   し、かつ ｂ）非超電導性の層支持体（１）上に層として被着され
   ている 少なくとも１つの異方性の、電流が流れる高温酸化超電
   導体テープにおける渦電流を低減する方法において、 ｃ）超電導体テープにおいて発生される渦電流を、前以
   て決められる臨界長さより短い周期的な間隔において区
   間毎に、超電導体テープの、超電導体の主方向（ｃ）お
   よびそれと反対方向に180゜だけ回転されて配向されて
   いる領域を通るように導き、その際前記臨界長さに対し
   て次式 l_c＝４（（ｒ・ρ・j_c）／（dB/dt））^1/2 が成り立ち、ただしρ＝ｃ方向において臨界電流密度を
   上回った際のこの方向における超電導体の電気抵抗、ｒ
   ＝テープ厚さの1/2、j_c＝ｃ方向に対して垂直であるa,b
   方向における臨界電流密度、Ｂ＝磁束密度、ｔ＝時間 ことを特徴とする超電導体テープ中の渦電流の低減方
   法。
2. 【請求項２】主方向（ｃ）においてすべての他の方向
   （a,b）におけるより小さい臨界電流密度（j1）を有
   し、かつ ｂ）非超電導性層支持体（１）上に層として被着されて
   おり、 ｃ）その際主方向（ｃ）および層支持体表面は90゜±５
   ゜の角度を形成する 少なくとも１つの異方性の、電流が流れる高温酸化超電
   導体テープ（A1,A2,3）を有する超電導体装置におい
   て、 ｄ）超電導体テープは、該超電導体テープを流れる電流
   の方向において周期的な間隔（2b1＋b2;15）をおいて規
   定の電流密度の電流領域の後に順次、比較的小さな臨界
   電流密度（j1）を有する電流領域を有しており、その際
   前記間隔≦臨界長さ（l_c）であり、該臨界長さに対して
   次式 l_c＝４（（ｒ・ρ・j_c）／（dB/dt））^1/2 が成り立ち、ただしρ＝ｃ方向において臨界電流密度を
   上回った際のこの方向における超電導体の電気抵抗、ｒ
   ＝テープ厚さの1/2、j_c＝ｃ方向に対して垂直であるa,b
   方向における臨界電流密度、Ｂ＝磁束密度、ｔ＝時間 ことを特徴とする超電導体装置。
3. 【請求項３】ａ）少なくとも１つの超電導体テープ（A
   1,A2）が層支持体（１）をスパイラル状に取り巻き、 ｂ）層支持体（１）は横断面において実質的に矩形に形
   成されており、その際支持体の幅（ｘ）はその厚さ
   （ｙ）より大きい 請求項２記載の超電導体装置。
4. 【請求項４】ａ）層支持体（１）は1cm〜5cmの範囲にあ
   る幅（ｘ）および ｂ）0.1mm〜2mmの領域にある厚さ（ｙ）を有する 請求項３記載の超電導体装置。
5. 【請求項５】ａ）層支持体（１）は2cm〜3cmの範囲にあ
   る幅（ｘ）および ｂ）0.4mm〜0.6mmの範囲にある厚さ（ｙ）を有する 請求項３記載の超電導体装置。
6. 【請求項６】少なくとも１つの超電導体テープ（A1,A
   2）の隣接する巻線は相互に、0.1mm〜1mmの領域にある
   前以て決めることができるテープ間間隔（b2）を有する
   請求項３から５までのいずれか１項記載の超電導体装
   置。
7. 【請求項７】ａ）超電導層（３）は長手方向（Ｄ）にお
   いて前以て決められた間隔（15）において周期的にずら
   されて、前記超電導層（３）の被着面から該超電導層内
   に入り込んでいる非超電導性の分離区域、溝またはウェ
   ブ（５）を有し、 ｂ）前記超電導層は前記前以て決められた間隔（15）に
   おいて周期的に、前記超電導層（３）の表面から該超電
   導層内に延在している非超電導性の分離区域、溝または
   ウェブ（４）を有している 請求項２記載の超電導体装置。
8. 【請求項８】ａ）非超電導性の分離区域、溝またはウェ
   ブ（4,5）は交互に、超電導層（３）の長手方向（Ｄ）
   に対して垂直にそれぞれ前記超電導層の真ん中まで延在
   しておりかつ ｂ）前以て決めることができる長さの区間（15）にわた
   って非超電導性の分離区域、長手溝または長手ウェブ
   （6,7）が層（３）の長手方向（Ｄ）において中央に ｃ）超電導層の厚さ（d3）において延在する 請求項７記載の超電導体装置。
9. 【請求項９】ａ）超電導層（３）は2cm〜3cmの範囲にあ
   る幅（b3）および ｂ）0.01mm〜1mmの範囲にある厚さ（d3）、 ｃ）例えば0.1mm〜0.4mmの範囲にある厚さを有し、かつ ｄ）非超電導性の分離区域、溝またはウェブ（４〜７）
   は≦0.5mmの幅を有する 請求項７から９までのいずれか１項記載の超電導体装
   置。
10. 【請求項１０】超電導層（３）の表面から該超電導層内
    に入り込んでいる非超電導性の分離区域、溝またはウェ
    ブ（４）並びに超電導層（３）の被着面の下面から該層
    内に入り込んでいる非超電導性の分離区域、溝またはウ
    ェブ（５）はそれぞれ、それらが共通にＨの形を有する
    ように段状に形成されており、その際Ｈの横方向バーは
    超電導層（３）の長手方向（Ｄ）において延在する非超
    電導性の分離区域、長手溝または長手ウェブ（6,7）に
    よって形成される請求項７から９までのいずれか１項記
    載の超電導体装置。