JP2016189388A - 電磁石 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却に適した構造を有する電磁石を提供する。【解決手段】電磁石は、棒状部位１０を有するヨーク１と、ヨーク１の周囲に配置されるコイル２と、を有する。コイル２は、導線が巻き回わされて環状に形成されたコイルセグメント２０を複数有する。複数のコイルセグメント２０は、棒状部位１０の軸に沿って互いに離間して配置されている。各々のコイルセグメント２０の間に、コイルセグメント２０の外周側と内周側とを連通する空間Ｓｐが形成されている。【選択図】図３

Description

本開示は、磁場を印加可能な電磁石に関する。

磁場を印加可能な電磁石が用いられる装置の一例として、試料振動型磁力計（ＶＳＭ；Vibrating Sample Magnetometer）が知られている（特許文献１参照）。試料振動型磁力計は、一定の周波数及び振幅で試料を加振させながら電磁石で磁場を印加し、試料の磁化曲線を測定する装置である。

近年、例えば３Ｔ（テスラ）といった強磁場を印可し磁気特性を評価する要求があり、このような要求に対応することが求められる。強磁場を発生させるためには、コイルに流す電流値が高くなり、それに伴って発熱するため、コイルを冷却する冷却機構が必要となる。

特開２００４−１９１１７２号公報

図５は、強磁場を発生できる電磁石の一例を示す図である。強磁場を発生できる電磁石の冷却には、一般に水冷方式の冷却機構が採用される。

具体例に、同図の例では、電磁石は、棒状部位１０１０を有するヨーク１００１と、棒状部位１０１０の周囲に配置されるコイル１００２と、を有し、磁場を印加するために用いられる。棒状部位１０１０を先細り状の磁極片１０１１とし、対をなす磁極片１０１１の先端１０１１ａを、磁場印加領域であるギャップＧｐを挟んで突き合わせて配置すると共に、磁極片１０１１の基端同士を連結ヨーク（図示せず）で接続して磁気回路を構成している。コイル１００２は、導線が巻き回されて環状に形成された複数のコイルセグメント１０２０で構成される。複数のコイルセグメント１０２０は、各々のコイルセグメント１０２０の間に金属製の放熱板１０２１を挟み込んで配列される。放熱板１０２１は、コイルセグメント１０２０よりも大径に形成され、径方向外側端部１０２１ａに冷却パイプＰｉが溶接される。冷却パイプＰｉに冷却水等の冷媒を流すことによって放熱板１０２１を介してコイルセグメント１０２０が冷却される。

しかしながら、水冷方式の冷却機構は、冷媒を循環させる機構や温まった冷媒を冷却する機構などが必要となり、設置場所や冷却機構のコストが増大してしまう。

本開示は、このような課題に着目してなされたものであって、その目的は、冷却に適した構造を有する電磁石を提供することである。

本開示は、上記目的を達成するために、次のような手段を講じている。

すなわち、本開示の電磁石は、棒状部位を有するヨークと、前記ヨークの周囲に配置されるコイルと、を備え、前記コイルは、導線が巻き回わされて環状に形成されたコイルセグメントを複数有し、前記複数のコイルセグメントは、前記棒状部位の軸に沿って互いに離間して配置され、各々のコイルセグメントの間に、前記コイルセグメントの外周側と内周側とを連通する空間が形成されている。

このように、各々のコイルセグメントの間に、コイルセグメントの外周側と内周側とを連通する空間が形成されているので、空間を介して内周側に空気を流入させることができ、冷却効果を向上させることが可能となる。

本開示の一実施形態の電磁石を模式的に示す右側面図。 図１のＡ−Ａ部位断面図。 電磁石を模式的に示す図。 電磁石の変形例を模式的に示す図。 従来の電磁石を模式的に示す図。

以下、本開示の一実施形態の電磁石について、図面を参照して説明する。

図１及び図２に示すように、電磁石は、磁場を印加するために用いられ、棒状部位１０を有するヨーク１と、棒状部位１０の周囲に配置されるコイル２と、を有する。本実施形態では、棒状部位１０を先細り状の磁極片１１とし、対をなす磁極片１１の先端１１ａを、磁場印加領域であるギャップＧｐを挟んで突き合わせて配置すると共に、磁極片１１の基端１１ｂ同士を、サイドヨーク１２、フロントヨーク１３及びバックヨーク１４で接続して磁気回路を構成している。なお、磁極片１１は、ポールピースとも呼ばれ、サイドヨーク１２に対して軸方向に抜脱可能にボルトなどの締着具で固定されている。

コイル２に対して正方向（第１の方向）に電流を流すと、図２に示すように、磁束ｍｆ１、ｍｆ２が発現する。磁束ｍｆ１は、一方の磁極片１１からサイドヨーク１２、フロントヨーク１３、サイドヨーク１２を介して他方の磁極片１１に至る。磁束ｍｆ２は、一方の磁極片１１からサイドヨーク１２、バックヨーク１４、サイドヨーク１２を介して他方の磁極片１１に至る。

本実施形態の電磁石は、３Ｔ（テスラ）の強磁場を印加可能に構成しているので、コイル２に高熱が生じる。特にコイル２の外周側よりも内周側の方が多く発熱する。そこで、コイル２を次のように構成している。

図３に示すように、コイル２は、導線が巻き回されてドーナツ状（環状）に形成されたコイルセグメント２０を複数有する。複数のコイルセグメント２０は、棒状部位１０の軸に沿って互いに離間して配置されている。各々のコイルセグメント２０の間には、コイルセグメント２０の外周側と内周側を連通する空間Ｓｐが形成されている。

同図に示すように、空間Ｓｐの両側に配置される２つのコイルセグメント２０の双方には、対をなす放熱板２１が密着して設けられている。各々の放熱板２１は空間Ｓｐに臨んでいる。これにより、放熱板２１の面が空間Ｓｐに開放されているので、放熱板２１が無い場合に比べて放熱効果を向上させることが可能となる。本実施形態では、放熱板２１は、銅板であるが、コイルセグメント２０よりも熱伝導率が高ければ、これに限定されない。例えば、銀、金、アルミニウムなどが挙げられる。

図３に示すように、対をなす放熱板２１は、放熱スペーサ２２を介して連結されている。図１に示すように、放熱スペーサ２２は、コイル２の中心回りに放射状に配置されている。これによれば、対をなす放熱板２１及び放熱スペーサ２２が熱的に一体に接続されているので、表面積が増大し、放熱効果を更に向上させることが可能となる。本実施形態では、放熱スペーサ２２は、放熱板２１と同じ材質である銅で形成されているが、これに限定されない。放熱スペーサ２２には、放熱板２１と同等又は放熱板２１よりも熱伝導率の高い部材を利用可能である。なお、本実施形態では、放熱板２１と放熱スペーサ２２とは、絶縁性のＰＥＥＫネジ２３で締着されているが、放熱板２１と放熱スペーサ２２の固定方法はこれに限定されない。「Ｐｅｅｋ」は、英国のビクトレックス社の登録商標で、ポリエーテルエーテルケトン樹脂とも呼ばれる。

コイル２の固定方法に関し、図１及び図３に示すように、図示しない土台を足場として、樹脂キャップ３０を介してコイル保持ボルト３０で各々のコイルセグメント２０を下方から支持している。また、図示しない土台に対して位置固定されたコイル側板３２に対して、サイドヨーク１２から延びるイモネジ３３で押圧して固定している。

＜冷却効果＞
上記電磁石の効果を確認するために、比較例として、図５に示すように、複数のコイルセグメント１０２０の間に放熱板１０２１を挟んだ電磁石を製作した。図５では水冷方式であるが、比較例では、図１に示すようにコイル側方から空気を吹き付ける空冷とした。実施例として、図３に示すように複数のコイルセグメント２０の間に空間Ｓｐを形成し、且つ空間Ｓｐに対をなす放熱板２１が臨むようにし、対をなす放熱板２１を放熱スペーサ２２で連結した電磁石を製作した。図３の実施例も、図１に示すように、コイル側方から空気を吹き付ける空冷とした。図３の実施例は、図５の比較例と同じ条件になるように、導線の巻き数を同数にし、同じ励磁用電源を用いるとともに、同じエア吹き付け装置により空冷した。

図５の比較例の電磁石で３Ｔの磁場を励磁したところ、１時間も経過しないうちに、コイル温度の上昇による抵抗値の増大に起因して、励磁用電源の出力電圧が過多となり、リミッターがかかり、３Ｔの磁場が励起できなくなった。すなわち、電磁石の放熱効果が悪く、１時間も３Ｔの連続印加ができなかった。

これに対し、図３の実施例の電磁石で３Ｔの磁場を励磁したところ、３時間以上３Ｔの連続印加が可能であった。各コイルセグメント２０の温度の平均は、１時間経過時に４５℃以下であり、３時間経過時に約５０〜５５℃であった。このことより、実施例の電磁石は、従来の電磁石に比べて優れた放熱効果を有し、空冷を採用可能であることが分かった。

以上のように、本実施形態の電磁石は、棒状部位１０を有するヨーク１と、ヨーク１の周囲に配置されるコイル２と、を備える。コイル２は、導線が巻き回わされて環状に形成されたコイルセグメント２０を複数有する。複数のコイルセグメント２０は、棒状部位１０の軸に沿って互いに離間して配置されている。各々のコイルセグメント２０の間に、コイルセグメント２０の外周側と内周側とを連通する空間Ｓｐが形成されている。

このように、各々のコイルセグメント２０の間に、コイルセグメント２０の外周側と内周側とを連通する空間Ｓｐが形成されているので、空間Ｓｐを介して内周側に空気を流入させることができ、冷却効果を向上させることが可能となる。

本実施形態では、空間Ｓｐの両側に配置される２つのコイルセグメント２０の双方には、放熱板２１が密着して設けられ、放熱板２１が空間Ｓｐに臨んでいる。

この構成によれば、放熱板２１が無い場合に比べて放熱効果を向上させることが可能となる。

本実施形態では、空間Ｓｐの両側に配置される２つのコイルセグメント２０の双方には、対をなす放熱板２１が密着して設けられ、対をなす放熱板２１が空間Ｓｐに臨んでおり、対をなす放熱板２１は、放熱スペーサ２２を介して連結されている。

この構成によれば、対をなす放熱板２１が放熱スペーサ２２を介して連結されるので、表面積が増大して、放熱効果が向上する。それでいて、放熱スペーサ２２が対をなす放熱板２１を連結しているので、固定手段としても利用可能となる。

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

＜変形例＞
（１）本実施形態では、各々のコイルセグメント２０の間に、放熱板２１及び放熱スペーサ２２を設けているが、放熱効果が劣るものの、これらを省略可能である。

（２）本実施形態では、空間Ｓｐの両側に配置される２つのコイルセグメント２０の双方の放熱板２１が密着して設けられているが、これに限定されない。例えば、図４に示すように、放熱効果が劣るものの、一方のコイルセグメント２０のみに放熱板２１を設けてもよい。

（３）本実施形態では、対をなす放熱板２１の間に放熱スペーサ２２が連結されているが、放熱スペーサ２２を省略することも可能である。

（４）本実施形態では、コイル２が周回する棒状部位１０と、磁場印加領域であるギャップＧｐを形成する磁極片１１とが同一部位であるが、これに限定されない。磁極片とは異なる部位に棒状部位を形成し、コイルを周回させてもよい。

（５）本実施形態では、棒状部位１０は、直線状の棒状であるが、これに限定されない。コイルが周回していれば、湾曲する棒状であってもよい。

上記の各実施形態で採用している構造を他の任意の実施形態に採用することは可能である。各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１…ヨーク
１０…棒状部位
２…コイル
２０…コイルセグメント
２１…放熱板
２２…放熱スペーサ
Ｓｐ…空間

Claims (3)

1. 棒状部位を有するヨークと、前記ヨークの周囲に配置されるコイルと、を備え、
   前記コイルは、導線が巻き回わされて環状に形成されたコイルセグメントを複数有し、前記複数のコイルセグメントは、前記棒状部位の軸に沿って互いに離間して配置され、各々のコイルセグメントの間に、前記コイルセグメントの外周側と内周側とを連通する空間が形成されている、電磁石。
2. 前記空間の両側に配置される２つのコイルセグメントのうち少なくとも一方には、放熱板が密着して設けられ、前記放熱板が前記空間に臨んでいる、請求項１に記載の電磁石。
3. 前記空間の両側に配置される２つのコイルセグメントの双方には、対をなす放熱板が密着して設けられ、前記対をなす放熱板が前記空間に臨んでおり、前記対をなす放熱板は、放熱スペーサを介して連結されている、請求項１又は２に記載の電磁石。

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