JP2014179505A - 超電導コイル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】立体的な屈曲部を有しながら長手方向に長くなることを抑制する。
【解決手段】超電導コイル装置６０は、巻回した超電導線材を有する同一平面上にない三次元形状の超電導鞍型コイル１０を有する。超電導鞍型コイル１０には、磁場発生対象部の長手方向に沿って延びる長手部１１と、磁場発生対象部の長手方向に垂直な横断面の縁線に沿って延びるわたり部１２と、長手部１１とわたり部１２とを接続する屈曲部１３とが形成されている。長手方向から見たわたり部１２の形状は直線である。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、超電導線材を使用した超電導コイル装置に関する。

モータなどの回転機あるいは加速器用偏向電磁石等では一般的に鞍型形状のコイルが用いられており、特に高い磁場強度が求められる場合には超電導技術が適用される。

一方でイットリウム系超電導線材などのテープ形状の超電導線材では、幅方向に曲げることが困難であり、無理に曲げた場合、超電導体に大きな歪みが発生し超電導特性が劣化してしまう。

そのため、鞍型コイルのような立体的な屈曲部のある超電導コイルでは、幅方向曲げ歪みを低減させるために、超電導線材を屈曲部で傾ける方法が採られている（例えば特許文献１、２、３参照）。

これは、テープ幅方向の一方の端部の屈曲部での長さと、もう一方の端部の屈曲部での長さの差分が幅方向の曲げ歪みを与えるため、屈曲部で線材を傾けることで端部長さの差分を小さくし、幅方向曲げ歪みを低減する技術である。

特開２０１１−９１０９４号公報 特開２０１０−１１８４５７号公報 特開２００９−４９０４０号公報

ところで、前述のように線材への歪みを低減する屈曲部を設けた場合、コイルの長手方向の長さは長くなってしまう。さらに、超電導線材の全てのターンがコイル軸を中心に径方向に積層され、また、コイル同士も径方向に重ねられるため、超電導線材の長手方向の長さが長くなり、使用する線材量が多くなってしまう。

そこで、本発明の実施形態は、立体的な屈曲部を有しながら長手方向に長くなることを抑制することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態は、巻回した超電導線材を有する同一平面上にない三次元形状の超電導鞍型コイルを備えた超電導コイル装置において、前記超電導鞍型コイルには、磁場発生対象部の長手方向に沿って延びる長手部と、前記磁場発生対象部の長手方向に垂直な横断面の縁線に沿って延びるわたり部と、前記長手部と前記わたり部とを接続する屈曲部と、が形成され、前記長手方向から見た前記わたり部の形状は直線である、ことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、立体的な屈曲部を有しながら長手方向に長くなることを抑制することができる。

第１の実施形態に係る超電導コイル装置の構成を示す平面図である。 第１の実施形態に係る超電導コイル装置の構成を示す正面図である。 第１の実施形態に係る超電導コイル装置の構成を示す横断面図である。 第１の実施形態に係る超電導コイル装置との比較のために従来の超電導鞍型コイルの構成を示す平面図である。 第１の実施形態に係る超電導コイル装置との比較のために従来の超電導鞍型コイルの構成を示す正面図である。 第１の実施形態に係る超電導コイル装置との比較のために従来の超電導鞍型コイルの構成を示す横断面図である。 第２の実施形態に係る超電導コイル装置の構成を示す平面図である。 第２の実施形態に係る超電導コイル装置の構成を示す正面図である。 第２の実施形態に係る超電導コイル装置の構成を示す横断面図である。 第２の実施形態に係る超電導コイル装置との比較のために従来の超電導鞍型コイルの構成を示す平面図である。 第２の実施形態に係る超電導コイル装置との比較のために従来の超電導鞍型コイルの構成を示す正面図である。 第２の実施形態に係る超電導コイル装置との比較のために従来の超電導鞍型コイルの構成を示す横断面図である。 第３の実施形態に係る超電導コイル装置の構成を示す平面図である。 第３の実施形態に係る超電導コイル装置の構成を示す正面図である。 第３の実施形態に係る超電導コイル装置の構成を示す横断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る超電導コイルについて説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る超電導コイル装置の構成を示す平面図、図２は、同じく正面図である。図３は、同じく横断面図である。

以下、加速器用の偏向電磁石に使用される超電導コイル装置を例にとって説明する。

超電導コイル装置６０は、超電導鞍型コイル１０を有する。超電導鞍型コイル１０は、厚み方向に積層されたテープ状の超電導線材５を有する。

超電導鞍型コイル１０には、偏向部１１、わたり部１２および屈曲部１３が形成されている。

偏向部１１は、図１および図２に示すように巻軸５０の長手方向に沿って延びている。ここで、巻軸５０は、加速器の加速粒子が通過する真空配管である加速器ダクト８（図３参照）の外側に、加速器ダクト８に沿って設けられる。

わたり部１２は、図３に示すように、巻軸５０の長手方向に垂直な横断面の縁線に沿って延びている。

巻軸５０の長手方向から超電導鞍型コイル１０を見た場合、わたり部１２は直線形状をしている。

屈曲部１３は、図１に示すように偏向部１１とわたり部１２とを接続する部分である。

超電導鞍型コイル１０は、巻軸５０と、巻軸５０に取り付けられた巻枠５１とに沿って超電導線材５を巻回することにより組立てられる。すなわち、超電導線材５を１ターン目は巻枠５１に、２ターン目以降は前のターンに沿わせながら巻線することにより製作が可能である。

なお、事前に平面状のパンケーキ形状あるいはレーストラック形状、または鞍型形状に超電導線材５を巻線し、その後、外力を加えることで本実施形態における超電導鞍型コイル１０の形状に成形する方法でもよい。

また、巻枠５１ないし前のターンに超電導線材５を沿わせる際に、巻枠５１と超電導線材５または超電導線材５同士を接着させてもよい。このようにすることで、より高い巻線精度が簡便に実現できる。

巻軸５０の断面は、図３に示すように、レーストラック状の形状である。すなわち、図３のコイル軸方向の２つの線（紙面上では横方向に延びる上および下の部分）は直線である。

なお、図３の紙面上の左右両側の線は、半円状（楕円の半分を含む）でも、あるいは、直線と角の曲線の組合せのいずれでもよい。

したがって、巻軸５０の断面において、図３の紙面上での上下（Ｙ軸方向）の幅Ｙ１は、左右（Ｘ軸方向）の幅Ｘ１に比べて小さくなっている。

なお、図３において符号７は磁場空間である。

図４は、第１の実施形態に係る超電導コイル装置との比較のために従来の超電導鞍型コイルの構成を示す平面図である。図５は、同じく正面図である。図６は、同じく横断面図である。

図４および図５に示すように、超電導鞍型コイル１００は、偏向部１０１および屈曲部１０２を有する。

巻軸１５０の断面は、図６に示すように円形である。したがって、巻軸１５０の断面において、図６の紙面上での上下（Ｙ軸方向）の幅Ｙ２は、左右（Ｘ軸方向）の幅Ｘ２と等しい。

図４ないし図６に示す従来の超電導鞍型コイル１００においては、本実施形態による超電導コイル装置６０の超電導鞍型コイル１０のような巻軸５０の長手方向から見て直線状のわたり部１２のような部分は存在しない。

なお、従来の超電導鞍型コイルの巻軸としては断面が楕円形の場合もある。従来の超電導鞍型コイル１００は、円筒状または楕円筒状の巻軸に沿って巻きまわされて形成され磁場空間７に所定の磁場を発生させる。

一方、第１の実施形態に係る超電導コイル装置６０の超電導鞍型コイル１０の長手方向断面でのコイル配置は従来の超電導鞍型コイル１００と同等であるため、磁場空間７に発生する磁場分布は同等のものとなる。

ここで、本実施形態による超電導鞍型コイル１０と従来の超電導鞍型コイル１００の長さを比較する。

加速器ダクト８の断面の寸法については、形成される磁場および冷却の観点から、加速器のダクトが平面上に広がる方向、すなわち図３および図６のＸ軸方向の幅は、Ｙ軸方向の幅に比べてより重要である。

したがって、Ｘ軸方向の幅は変更することは望ましくないということから、図３におけるＸ方向の幅Ｘ１と図６におけるＸ方向の幅Ｘ２を等しいとすると、本実施形態の場合は、レーストラック断面に沿って巻回されているため、Ｙ軸方向高さが従来の超電導鞍型コイルに比べ低くなり、長手方向の幅が同等であれば、本実施形態の場合は、従来の超電導鞍型コイルに比べて超電導線材５の全長は短くなる。

以上のように、本実施形態によれば、超電導鞍型コイル１０の全長が従来の超電導鞍型コイル１００の全長に比べて短くなるため、従来の超電導鞍型コイル１００と同等の磁場分布を少ない超電導線材５の量で効率的に発生させることができる。

また、巻きまわす超電導体がテープ状である場合、本形状によれば屈曲部１３で線材を傾けることが可能であり、歪みの少ないコイルを巻線することができる。

［第２の実施形態］
図７は、第２の実施形態に係る超電導コイル装置の構成を示す平面図である。図８は、第２の実施形態に係る超電導コイル装置の構成を示す正面図である。図９は、第２の実施形態に係る超電導コイル装置の構成を示す横断面図である。

本実施形態は、第１の実施形態の変形であるが、磁場空間７に所定の磁場分布を発生させるために、超電導コイルを複数枚組み合わせて使用する場合を示している。

第２の実施形態における超電導コイル装置６０は、第１の実施形態と同様の超電導鞍型コイル１０、これにＹ軸方向に順次積層した第２の超電導コイル２０および第３の超電導コイル３０を有する。第２の超電導コイル２０は、偏向部２１、わたり部２２および屈曲部２３を有する。第３の超電導コイル３０は、３１…偏向部３１、わたり部３２および屈曲部３３を有する。

第２の超電導コイル２０の巻軸５０の長手方向の長さは、超電導鞍型コイル１０の巻軸５０の長手方向の長さと同じである。また、第２の超電導コイル２０の巻軸５０の長手方向に垂直方向の幅、すなわち、２つの偏向部２１間の間隔は、超電導鞍型コイル１０の巻軸５０の長手方向に垂直方向の幅よりも狭まっている。

第３の超電導コイル３０の巻軸５０の長手方向の長さは、第２の超電導コイル２０の巻軸５０の長手方向の長さと同じである。また、第３の超電導コイル３０の巻軸５０の長手方向に垂直方向の幅、すなわち、２つの偏向部３１間の間隔は、第２の超電導コイル２０の巻軸５０の長手方向に垂直方向の幅よりも狭まっている。

図１０は、第２の実施形態に係る超電導コイル装置との比較のために従来の超電導鞍型コイルの構成を示す平面図である。図１１は、第２の実施形態に係る超電導コイル装置との比較のために従来の超電導鞍型コイルの構成を示す正面図である。図１２は、第２の実施形態に係る超電導コイル装置との比較のために従来の超電導鞍型コイルの構成を示す横断面図である。

従来の超電導鞍型コイル１２０は、磁場空間７に所定の磁場分布を発生させるために、超電導コイルを複数枚組み合わせて使用する場合に、超電導鞍型コイル１００の外側に第２の超電導鞍型コイル１１０を設けるが、Ｙ軸方向に積層するのではなく、最初の超電導鞍型コイル１００と同一平面状に並べる。

したがって、第２の超電導鞍型コイル１１０は、最初の超電導鞍型コイル１００よりも広がっている。すなわち、第２の超電導コイル１１０の偏向部１１１は、最初の超電導コイル１００の偏向部１０１の外側に設けられている。また、第２の超電導コイル１１０の屈曲部１１２も、最初の超電導コイル１００の屈曲部１１２の外側に設けられている。

さらに、第３の超電導鞍型コイルを設ける場合も、図１０、図１１に示すように、第２の超電導鞍型コイル１１０よりも広がった形状で設置する。

以上のように、本実施形態による超電導コイル装置６０により磁場空間７に発生する磁場分布は、従来のものと同等となる。

一方、コイルの長さは、本実施形態による超電導コイル装置においては、各コイルがＹ軸方向に重なる位置へ配置されているため、長手方向に全てのターンが並ぶ従来方式のように巻厚分コイルが長手方向に伸びてしまうことがない。

このため、コイル長さが従来方式に比べて短くなり、従来の超電導鞍型コイルと同等の磁場分布を少ない超電導線材の量で効率的に発生させることができる。

［第３の実施形態］
図１３は、第３の実施形態に係る超電導コイル装置の構成を示す平面図である。図１４は、第３の実施形態に係る超電導コイル装置の構成を示す正面図である。図１５は、第３の実施形態に係る超電導コイル装置の構成を示す横断面図である。

本実施形態は、第１の実施形態の変形である。第３の実施形態においては、超電導鞍型コイル４０は、偏向部４１、わたり部４２および屈曲部４３を有する点では、第１の実施形態と同様であるが、２つの偏向部４１が、巻軸５０の長手方向に沿って曲がるように形成されている。なお、曲率は、それぞれの偏向部４１において一定であることが望ましい。

以上のような本実施形態における超電導コイル装置６０によって形成される磁場は、コイル形状に合わせて長手方向に曲がった形で発生する。

一般的に加速器用偏向電磁石では、粒子を磁場によって曲げることに用いられる。そのため、磁場を粒子の軌道に沿った曲がった形で発生させると、磁場空間７の形成が効率的に無駄なくできる効果がある。

［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

例えば、実施形態では、加速器の偏向電磁石に使用される超電導コイルの場合を例として説明しているが、これに限定されない。たとえば、モータなどの回転電機に使用されるコイルにも本発明は適用できる。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。

さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

５…超電導線材、７…磁場空間（磁場発生対象部）、８…加速器ダクト、１０…超電導鞍型コイル、１１…偏向部（長手部）、１２…わたり部、１３…屈曲部、２０…第２の超電導コイル、２１…偏向部（長手部）、２２…わたり部、２３…屈曲部、３０…第３の超電導コイル、３１…偏向部（長手部）、３２…わたり部、３３…屈曲部、４０…超電導鞍型コイル、４１…偏向部（長手部）、４２…わたり部、４３…屈曲部、５０…巻軸、５１…巻枠、６０…超電導コイル装置、１００…超電導鞍型コイル、１０１…偏向部、１０２…屈曲部、１１０…第２の鞍型超電導コイル、１１１…偏向部、１１２…屈曲部、１２０…超電導鞍型コイル、１５０…巻軸、

Claims (4)

1. 巻回した超電導線材を有する同一平面上にない三次元形状の超電導鞍型コイルを備えた超電導コイル装置において、
   前記超電導鞍型コイルには、
   磁場発生対象部の長手方向に沿って延びる長手部と、
   前記磁場発生対象部の長手方向に垂直な横断面の縁線に沿って延びるわたり部と、
   前記長手部と前記わたり部とを接続する屈曲部と、
   が形成され、
   前記長手方向から見た前記わたり部の形状は直線である、
   ことを特徴とする超電導コイル装置。
2. 前記磁場発生対象部は加速器の平面状に広がる加速器用ダクトの一部であって、
   前記加速器用ダクトを囲むように複数の前記超電導鞍型コイルが配設され、
   配設された複数の前記超電導鞍型コイル全体の上下の高さは、前記超電導鞍型コイル全体の横幅よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル装置。
3. 巻回した超電導線材を有する外側コイルをさらに備え、
   前記外側コイルは、コイル軸方向に前記超電導鞍型コイルの外側に配設される、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導コイル装置。
4. 前記長手部は、前記長手方向に曲がっていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の超電導コイル装置。

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