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大型超伝導導体の電流分布が安定性ならびに交流損失に及ぼす影響に関する研究
https://ir.soken.ac.jp/records/466
https://ir.soken.ac.jp/records/4668bcf6fdb-fded-4aaf-b79c-4cbf41e5b410
| 名前 / ファイル | ライセンス | アクション |
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要旨・審査要旨 / Abstract, Screening Result (369.1 kB)
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本文 (17.4 MB)
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| Item type | 学位論文 / Thesis or Dissertation(1) | |||||
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| 公開日 | 2010-02-22 | |||||
| タイトル | ||||||
| タイトル | 大型超伝導導体の電流分布が安定性ならびに交流損失に及ぼす影響に関する研究 | |||||
| 言語 | ||||||
| 言語 | jpn | |||||
| 資源タイプ | ||||||
| 資源タイプ識別子 | http://purl.org/coar/resource_type/c_46ec | |||||
| 資源タイプ | thesis | |||||
| 著者名 |
平野, 直樹
× 平野, 直樹 |
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| フリガナ |
ヒラノ, ナオキ
× ヒラノ, ナオキ |
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| 著者 |
HIRANO, Naoki
× HIRANO, Naoki |
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| 学位授与機関 | ||||||
| 学位授与機関名 | 総合研究大学院大学 | |||||
| 学位名 | ||||||
| 学位名 | 博士（工学） | |||||
| 学位記番号 | ||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||
| 内容記述 | 総研大甲第324号 | |||||
| 研究科 | ||||||
| 値 | 数物科学研究科 | |||||
| 専攻 | ||||||
| 値 | 10 核融合科学専攻 | |||||
| 学位授与年月日 | ||||||
| 学位授与年月日 | 1998-03-24 | |||||
| 学位授与年度 | ||||||
| 値 | 1997 | |||||
| 要旨 | ||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||
| 内容記述 | 核融合炉用マグネット、および、超伝導電力貯蔵システム（SMES）等の大型電力機器への超伝導の応用を考えた場合、超伝導導体としては、数10kA級の大電流容量が必要であり、交流損失の低減及び冷却安定性の向上等の観点から、ケーブルインコンジット導体や成形撚線に見られるような複数の超伝導線を撚り合わせた構造の導体が用いられる。このような撚線導体では、導体端部の接続抵抗のアンバランスや素線間インダクタンスの僅かな相違により、各素線に均一に電流が分配されない偏流状態が生じることが知られており、この現象の解明およびその対策が超伝導導体を応用する際の重要な課題となっている。<br /> これまでの研究により、表面を電気的に絶縁した超伝導素線を撚り合わせた導体では、この電流偏流によって一部の素線が臨界電流を超え、不安定となることが明らかとなっている。そこで、表面を絶縁しない緊線を用いた撚線が開発され、局所的に一部の緊線が常伝導転移してもそこを流れていた電流が他に乗り移る転流現象が生じることで、安定性の向上が図られた。しかしながら、偏流の問題が解決したわけではなく、偏流が安定性に与える影響については明確にされていなかった。<br /> そこで、この点に着目し、大型超伝導撚線導体の基本構成単位であるNbTi/Cu 3本撚線を用いて、局所的な擾乱を1本の緊線に取り付けたカーボンペーストヒーターへのパルス通電により模擬し、超伝導撚線全体が常伝導転移するために必要となる最小のヒーター人熱エネルギーを測定することによって、種々の条件下における超伝導撚線の安定性を系統的に評価する実験を行った。<br /> はじめに、3本撚線の安定性の通電電流依存性を測定し、素線1本の安定性測定結果との比較を行った。3本撚線の安定性は、素線の安定性を本数倍した値に比べて大幅に向上することを確認し、1次元熱平衡方程式による解析を通して、この安定性向上が撚線化に伴う効果的な電流転流によることを示した。次に、緊線間の初期の電流分布を制御する独自の実験手法を用い、偏流が安定性に及ぼす影響を定量的に評価した。偏流の増大によって素線間を転流する電流量が増加し、素線間接触部でのジュール発熱によって安定性が劣化することが確認されたが、撚線化による安定性の向上に比べ、その影響は小さいことを明らかにした。<br /> また、撚線の安定性に関して、従来から多くの研究が行われてきており、数値解析や数本の撚線を用いた基礎研究によって、緊線間の電磁的・熱的な接触条件に依存して安定性が大きく変化することが示されている。しかしながら、素線間の接触状態を制御することは容易でないばかりか、素線間の接触抵抗を低くしすぎると、変動磁界中での素線間の結合電流が増大し、交流損失（結合損失）の増加を引き起こすことから、最適な接触条件は必ずしも明確になっていなかった。<br /> そこで、素線間の接触条件を制御するために、撚線を巻き付ける試料ボビンを工夫し、ボビンの外径を変化させることによって素線に加わる張力を変化させ、撚線間の接触抵抗と安定性との関係を定量的に評価できる実験装置を考案した。接触抵抗の減少により、安定性が向上することが確認され、本実験装置を用いた実験により、安定性を確保するために必要な最大の接触抵抗値の評価が可能となった。<br /> さらに、次世代の実用導体として期待されているNb3Snの11本成形撚線を試作開発し、素線表面をクロムメッキすることによる接触抵抗の変化が安定性に与える影響について研究を行った。結果として、クロムメッキをしたことによる素線表面状態の変化に関わらず、有効な素線間接触面積の増加による接触抵抗の低下が安定性の向上に寄与することを、撚線間接触部の走査電子顕微鏡（SEM）観察やオージエ電子分光法による分析を通じて確認した。<br /> このように、安定性の観点からは緊線間の接触抵抗を低くすることが望ましいこととなるが、逆に交流損失（結合損失）は増大することが知られている。しかしながら、偏流が結合損失に及ぼす影響については明確にされておらず、撚線の安定性の評価と同時に結合損失の評価を行うことが重要であると考えた。撚線内で緊線間のインダクタンスに僅かな相違があると、各素線の電流分布が一様でなくなり、偏流が生じる。素線間を絶縁しない撚線の場合、この偏流は導体長手方向に対し不変ではなく、場所により変化し、局所的な偏流が生じる。このことは、撚線内に偏流に伴ったループ電流が流れることを示しており、この電流が新たな結合電流として交流損失増大の原因となると推定された。<br /> 最近行われたケーブルインコンジット導体を用いた大型超伝導マグネットの通電試験の結果、短尺導体による交流損失の測定結果からは予測できない交流損失の増大が運転周波数近くの低周波数領域で観測され、問題となっている。この交流損失増大の原因が、前述の撚線内の局所的な偏流に起因していると推定し、これを検証する実験を行った。実験は、偏流を発生させるために意図的に撚り乱れをついけたNbTi/C本撚線を製作し、交流損失の周波数特性を測定した。この結果、偏流によって長時定数の結合電流が発生し、低周波数領域での交流損失が増大することを実験的に確認した。このことは、大型超伝導マグネットで見られた交流損失増大の原因を解明する重要な糸口となる成果と言える。<br /> 最後に、以上の研究を基に、高い安定性と低い交流損失を同時に満足する超伝導撚線導体の構造について検討を行い、高いピッチの1/2長さの偶数倍ごとに素線間を酸化物超伝導体粒子等の低抵抗物質で短絡させることにより、撚線内の電流分布を制御した導体構造が可能であることを示した。 | |||||
| 所蔵 | ||||||
| 値 | 有 | |||||
| フォーマット | ||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||
| 内容記述 | application/pdf | |||||
