高温超伝導線を用いた超伝導コンデンサによる全超伝導共振回路の開発

• Project/Area Number: 22K04065
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21010:Power engineering-related
• Research Institution: Niigata University
• Principal Investigator: 小川 純 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (60377182)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 高温超電導共振回路 / 交流損失 / 電磁界解析 / 高温超伝導共振回路

Outline of Research at the Start

共振回路の性能を表すQ値は電気抵抗に依存し抵抗が小さいほど高いQ値を示し、超伝導線の場合には銅などの金属に比べ抵抗成分が小さいことから高性能な回路が期待できる。研究代表者は平板構造である高温超伝導線を電極とした超伝導コンデンサと、これを用いた共振回路を提案している。想定している応用として非接触給電、電磁探査のほかに、回路の基礎要素であるインダクタンス（超伝導コイル、L）とキャパシタンス（超伝導コンデンサ、C）がそろうことにより、様々な基本的な回路を超伝導化することが可能となる。これにより、超伝導の特徴である大容量・低損失のメリットを生かした新しい交流回路への応用が期待される。

Outline of Annual Research Achievements

前年度実施したソレノイドコイル形状における数値解析の結果からコイル端部に垂直磁界が印加されることから損失が大きくなることが示された。この現象は超電導コイルにおいても同様な現象であり、コイルを構成する垂直磁界成分を減らすことにより交流損失の低減が可能であることが報告されている。
そこで、２３年度は垂直磁界成分を低減するためにトロイダル型の全超電導共振器について解析を実施した。トロイダル型の場合、端部がないため垂直磁界成分が減少することが予想され、線間距離において若干の垂直磁界成分が発生することが予想されることから、巻きピッチにおける交流損失特性の影響について調査を実施した。この場合、軸対象モデルを利用することができることから簡易的な数値解析モデルを提案し交流損失を導出した。また、超電導特性は電流値に対して非線形性を示すことから損失導出のためのモデルを作成し、このモデルを用い解析的に共振回路におけるQ値の導出コードを作成した。
実験においては、全超電導コンデンサの作成を行い共振特性までは確認した。交流損失を評価するための液体窒素の蒸発法による簡易測定装置の測定精度を上げるために、ダミーの超電導コイルで実験を行っている過程で、液体窒素を封印する容器の破損がありこの装置の再製作に時間が必要となり、交流損失特性の評価まで至らなかった。すでに破損した装置の再作成と動作確認が終了しており、24年度に実験を行うことは可能である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

数値実験においては順調に進んでおり、特定の形状に対する交流損失を簡易的に導出することは可能であるためおおむね順調である。実験においては、前述した通り交流損失評価のための装置の破損により全超電導共振回路の評価に遅れが生じてしまったが、すでに装置の再作成も終了している。今後この装置を用いて特性評価および実験条件における交流損失特性の調査を実施する。

Strategy for Future Research Activity

数値解析の手法は確立しており、この手法の妥当性を調査するため実験による調査を実施する。実験条件に合わせた数値解析結果と比較し大型全超電導共振器の設計に向けた設計指針の検討を行う。実験では交流損失の評価及び共振特性、Q値などの調査を行う。全超電導共振回路の抵抗値は周波数に対し非線形性を有することが予想されることから、外部にインダクタンスを用いることにより共振周波数を変化させることにより交流損失特性の調査を実施する。これらの内容に関しては積極的に国内、国外学会で発表を行う予定である。