JP2024158181A - 磁場発生装置および磁気冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁力支持構造を簡素化しつつ、アンバランス電磁力の発生を抑制できる磁場発生装置および磁気冷凍装置を提供する。
【解決手段】回転磁場発生装置８は、周状に複数の電磁石４が配置された磁石円板３と、複数の電磁石４がそれぞれ対向するように間隔を空けて磁石円板３を積層することによって形成される磁場作用空間を有する磁場発生装置であって、回転磁場発生装置８は、支持円板２によって積層された電磁石４間に働く電磁力が支持されており、積層された磁石円板３の両端部には電磁石４間に働く電磁力を低減するエンドヨーク７が設置されており、磁石円板３内の電磁石４は、電磁石４の軸方向に磁束が連続するように磁石円板３内の同一位相位置に配置され、同一位相位置の電磁石４は、同一電流で運転されるように結線されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁場発生装置および磁気冷凍装置に関する。

昨今、脱炭素社会に向けた重要なエネルギー源として水素の利用が考えられている。水素は、酸素と化学結合させて発電したり、燃焼させて熱エネルギーとして利用したりすることができる。
水素をエネルギー源とする水素社会実現のためには、水素を社会に供給するために、水素の製造、貯蔵、輸送の水素サプライチェーンが構築される必要がある。水素エネルギーの貯蔵、輸送を考えるとき、水素ガスはエネルギー密度が低いことから、体積が１／８００に小さくなる液体水素（液化水素）の形態を利用することが有用である。

しかし、液体水素の液化温度は、マイナス２５３度であることから水素のエネルギーのおよそ１／３が液化および冷温保持のために使われてしまうことになる。したがって、液体水素の生成効率が十分に高くなければ、水素をエネルギー源とするメリットを活かすことができない。現在、既存の水素液化プラントの効率は３０％程度とされており、さらなる効率の改善が望まれている。

近年、磁気熱量効果を利用した高効率の水素液化が脚光を浴びている。磁気熱量効果とは、磁性体のエントロピーと温度の依存性から生じる性質である。一定温度で磁性体に磁場を印加すると、磁性体の磁気モーメントが磁場によって整列しエントロピーが減少する。一方、断熱状態にして磁場を取り除くと外部から熱を吸収して(外部を冷却して)磁気モーメントはランダムになる。これをカルノーサイクル的に運転すれば断熱消磁による冷却となる。

磁気熱量効果を利用した磁気冷凍装置では、磁気作業物質（磁性体）に対して磁場を印加する、取り去るということを繰り返すことと、磁気作業物質（磁性体）と熱交換して冷熱を回収する作業流体の制御とが必要である。非特許文献１には、能動的蓄冷式磁気冷凍（ＡＭＲ：Active Magnetic Regenerative）について解説がされている。

ＡＭＲの動作は、下記の４つのステップからなる。１）磁場を磁気作業物質に印加する。２）作業流体を一方向から流入して熱交換する。３）磁場を取り除く。４）作業流体を逆方向に流して冷熱を回収する。非特許文献１では、固定された永久磁石に対して、磁気作業物質を詰め込んだユニットが、永久磁石がつくる磁場空間を往復運動することによって、磁気作業物質に対し磁場の印加と除去を繰り返している。

特許文献１および特許文献２では、固定された磁気作業物質に対して磁界発生装置が回転することによって磁場の印加と除去を繰り返している。また、磁気冷凍機を用いた水素液化機については同じく非特許文献１に多段のＡＭＲと水素凝縮用のカルノーサイクル磁気冷凍機（ＣＭＲ：Carnot Magnetic Refrigerator)を組み合わせた液化装置が開示されている。
一方、水素液化用磁気冷凍装置の大容量化のために、回転型の超電導磁石を用いて磁場の印加、除去を行なう方法が特許文献３に開示されている。この方法によると、ギャップを空けて対向させた超電導コイル群を回転軸に対して回転方向に並べて配置し、これを軸を中心に回転させることによって磁気作業物質に磁場の印加および除去を繰り返し行なうこととし、この回転超電導コイル群を多数積層することによって作業領域を増やして大容量化を実現している。

特開２００６－３０８１９７号公報 特開２００７－１４７２０９号公報 特開２０２２－１３６６７１号公報

TEION KOGAKU (J. Cryo. Super. Soc. Jpn.) Vol.50 No.2 (2015)特開2015-124741号公報

特許文献３に開示されている磁石のように、ギャップを有して対向する磁石（電磁石、永久磁石）では、互いにひきつけ合うような電磁力が磁石間に働く。磁気冷凍装置ではギャップの磁場強度を上げることが重要であるため、ギャップの磁場強度が高い磁石では強大な電磁力が働き、これを支持するための構造が必要である。特許文献３では電磁力支持するためのコイル支持円板を備えられており、かつ、ギャップを有して積層された磁石の端部には磁性体円板を設置し、磁性体に働く吸引力を利用して磁石間に働く電磁力を低減している。

この電磁力の低減は、積層磁石を構成するそれぞれの起磁力（電磁石、永久磁石など）の電磁力バランスを取ることによって実現されている。起磁力のバランスが崩れた場合にはそのずれによってアンバランス電磁力が発生することから、それを支持するための強度が高い支持構造が必要となる。
なお、ＭＲＩ(磁気共鳴装置)は、磁石間にギャップを有して対向するが、磁石が強度の高い構造体に固定されている。また、磁石間のギャップには、移動する構成要素がない。そのため、本願発明の課題は存在しない。

本発明は上記実状に鑑み創案されたものであり、電磁力支持構造を簡素化しつつ、アンバランス電磁力の発生を抑制できる磁場発生装置および磁気冷凍装置の提供を目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の磁場発生装置は、周状に複数の電磁石が配置された円板と、前記複数の電磁石がそれぞれ対向するように間隔を空けて前記円板を積層することによって形成される磁場作用空間を有する磁場発生装置であって、前記円板によって積層された前記電磁石間に働く電磁力が支持されており、積層された前記円板の両端部には前記電磁石間に働く電磁力を低減する磁性体ヨークが設置されており、前記円板内の前記電磁石は、前記電磁石の軸方向に磁束が連続するように前記円板内の同一位相位置に配置され、前記同一位相位置の前記電磁石は、同一電流で運転されるように結線されている。

本発明によれば、電磁力支持構造を簡素化しつつ、アンバランス電磁力の発生を抑制できる磁場発生装置および磁気冷凍装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る回転磁場発生装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る回転磁場発生装置の磁石円板の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る回転磁場発生装置のシャフトとこれに固定される磁石円板を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る回転磁場発生装置における磁束の流れを側方から見た概念図である。 本発明の実施形態に係る回転磁場発生装置のドライブ運転モードの場合の結線方法を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る回転磁場発生装置のドライブ運転モードの場合の他の結線方法を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る回転磁場発生装置の超電導コイルと永久電流スイッチで構成された単位永久電流運転コイルの回路図である。 本発明の実施形態に係る回転磁場発生装置のモジュールコイルが積層された積層磁石のエネルギー回収回路図である。 本発明の実施形態に係る回転磁場発生装置の９０°ピッチで配置された４つのコイルカラムから構成される磁石であって、それぞれのコイルカラムは３段コイルから構成されている回路図である。 本発明の実施形態に係る回転磁場発生装置のダブルパンケーキ巻きコイルの結線方法の一例の平面図を示す。 図１０ＡのダブルパンケーキコイルのＩ方向矢視の一部断面を含む概念的側面図。 図１０ＡのＩ方向矢視の一部断面を含む概念的側面図である。 本発明の実施形態に係る回転磁場発生装置の口出し位置を揃えたダブルパンケーキ巻きコイル３１、３２の結線方法の一例を示す図である。 図１２ＡのダブルパンケーキコイルのII方向矢視の一部断面を含む概念的側面図である。 本発明の実施形態に係る回転磁場発生装置の口出部が外側にくるレイヤー巻きコイルの斜視図である。 本発明の実施形態に係る回転磁場発生装置の口出部が高さ方向で揃う口出部が外側にくるレイヤー巻きコイルの斜視図である。 本発明の実施形態のギャップを有する積層超電導磁石を用いた磁気冷凍装置の概念図である。

以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る回転磁場発生装置８の構成を示す斜視図である。図２は、回転磁場発生装置８の磁石円板３の構成を示す平面図である。各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。
図１に示すように、回転磁場発生装置８（磁場発生装置）は、磁場を発生させる磁石円板３を備え、磁石円板３は、支持円板２（図２）上に鉄芯４ａ１、４ｂ１、４ｃ１、４ｄ１を磁極として、それぞれ平板状に巻き回された超電導コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ（総称する場合は、超電導コイル１と呼ぶ）が、９０度ピッチで配置されている。

図２に示すように、超電導コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、それぞれ、鉄芯４ａ１、４ｂ１、４ｃ１、４ｄ１とともに、電磁石４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ（総称する場合は、電磁石４と呼ぶ）を形成している。
複数の超電導コイル１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）と複数の鉄芯４ａ１、４ｂ１、４ｃ１、４ｄ１とは、支持円板２の両面に形成されている。

＜ギャップｇを有する多層積層磁石＞
図３は、本実施形態の回転磁場発生装置８のシャフト６（伝熱シャフト）とこれに固定される磁石円板３（３ａ、……）を示す斜視図である。
回転磁場発生装置８は、空隙のギャップｇを介して、磁石円板３（３ａ、……）が積層され構成されている。換言すれば、磁石円板３（３ａ、……）における対向する電磁石４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ（超電導コイル１(１a、１ｂ、１ｃ、１ｄ)、鉄心４ａ１、４ｂ１、４ｃ１、４ｄ１）の間には、軸方向に、空隙のギャップｇが形成されている。ギャップgの空間が磁場作用空間として利用される。磁場作用空間とは、電磁石４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが取り付けられた磁石円板３（３ａ、……）間の空間である。

回転磁場発生装置８の磁場発生手段は、図３に示す超電導磁石もしくは常電導電磁石の電磁石４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄである。本実施形態では、磁場発生手段として上述の超電導電磁石を用いた例を説明する。
電磁石４として超電導磁石を用いることで、エネルギー消費を削減できる。

磁石円板３は、シャフト６等もしくはその他の構造を介して中心軸が一致するように一体化され、回転磁場発生装置８の場合はこの軸を中心としてモータ等により駆動され回転する。回転磁場発生装置８は、磁石円板３の回転に伴い、磁場作用空間は回転して移動する。

＜回転磁場発生装置８の磁束の流れ＞
図４は、実施形態の回転磁場発生装置８における磁束の流れを側方から見た概念図である。
回転磁場発生装置８のシャフト６方向の端部ｊｃ１，ｊｃ２（図４参照）に鉄製の円板のエンドヨーク７（磁性体ヨーク）が設置されている。
超電導コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、それぞれ電流を流した際に隣接する超電導コイルに発生する磁場が、互いに逆向きになるように配置されている（図４の白抜き矢印参照）。磁石円板３（３ａ、……）を上下方向に積層する際、電流が流れる超電導コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの作る磁束が、電磁石４の軸方向に連続するように、磁石円板３（３ａ、……）の位相が配置される。

磁束の向きは、エンドヨーク７で磁束が軸（シャフト６）に直角方向に形成され、磁束が上向き下向きが交互になるように並べられている。回転磁場発生装置８のある位相に着目すると、磁束は、シャフト６が延在する軸方向に連続しており一つの棒磁石のように見える。回転磁場発生装置８を全体として見ると、棒磁石がＮ極とＳ極の極性を変えて並んでいるように見える。

図４に示すように、棒磁石の向きを交互に変えて、磁石全体として磁気モーメントがゼロとなるように構成すると、磁気ロスが無いので回転磁場発生装置８が全体としての漏洩磁場を小さく抑えることができる。
また、回転磁場発生装置８のシャフト６方向の端部ｊｃ１，ｊｃ２に鉄製の円板のエンドヨーク７が設置されているので、磁界が磁性体のエンドヨーク７内を密度が高くなるように通り、回転磁場発生装置８の端部ｊｃ１，ｊｃ２からの磁場の漏洩を抑制できる。

エンドヨーク７によって、磁束密度が高められ、回転磁場発生装置８の端部ｊｃ１，ｊｃ２に近い磁場作用空間の磁場強度をエンハンス(強化)するので有利である。
また、銅酸化物超電導材料のテープ線材で超電導コイル１（１ａ、……）を構成する場合には、超電導コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄはテープ面に対して垂直方向の磁場によって超電導電流輸送特性が低下する。エンドヨーク７によって磁界がエンドヨーク７の延在方向に沿って集中して通り、端部ｊｃ１，ｊｃ２の超電導コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに加わる垂直成分の磁場強度を低減できる。
そのため、より多くの電流を超電導コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに流すことができるので、磁場を発生させる上で有利となる。

磁石円板３（３ａ、……）は、前記のとおり、ギャップｇ(図４参照)を空けて積層されており、中心軸がシャフト６に一致するように一体化される。
この時、磁石円板３（３ａ、……）を一体化シャフトのシャフト６を使って一体化する。もしくは磁石円板３同士の接触部にインロー構造を構成しておいて互いに嵌合させる。あるいは、インロー構造の伝達部品を介して、磁石円板３を一体化する。磁石円板３の一体化は磁石円板３の位置ずれ（軸ずれ）を防止するためである。回転磁場発生装置８においては、さらに軸ずれの他、シャフト６の回転力を、磁石円板３に伝達するための摩擦構造、キー構造などを備えることで、シャフト６の回転駆動力を磁石円板３に伝達できる。

磁石円板３を構成する支持円板２は、磁石円板３（３ａ、……）間の吸引力を支持するために、強度のある鉄またはステンレス製としたが、電磁力が問題にならない場合には円板は熱伝導率の大きな銅やアルミニウム合金などを使ってもよい。支持円板２が銅やアルミニウム合金の場合には、熱伝導率が高い支持円板２を利用して超電導コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを冷却できるので望ましい。

図１に示すように、磁石円板３はシャフト６もしくはその他の構造を介して中心軸が一致するように一体化されている。回転磁場発生装置８の場合は、シャフト６の軸を中心としてモータ等(図示せず)により駆動され回転する。回転磁場発生装置８の場合は磁石円板３（３ａ、……）の回転に伴い、磁場作用空間は回転して移動する。

このように、回転磁場発生装置８（図１）は、周状に複数の電磁石４が配置され磁石円板３（図３）と、複数の電磁石４がそれぞれ対向するように間隔を空けて磁石円板３を積層することによって形成される磁場作用空間（ギャップgの空間）を有する。回転磁場発生装置８は、支持円板２（図２）によって積層された電磁石４間に働く電磁力が支持されており、積層された磁石円板３の両端部（端部ｊｃ１，ｊｃ２）には電磁石４間に働く電磁力を低減するエンドヨーク７（図４）が設置されている。磁石円板３内の電磁石４は、電磁石４の軸方向に磁束が連続するように磁石円板３内の同一位相位置に配置され、同一位相位置の電磁石４は、同一電流で運転（後記「ドライブ運転モード」「永久電流モード運転」）されるように結線されている。

以下上述のように構成された回転磁場発生装置８の動作について説明する。
＜電磁力を低減するための原理＞
まず、電磁力を低減するための原理について説明する。
端部のない無限長ソレノイドコイルに働く電磁力はゼロである。これはコイルのどの位置から周囲の磁場環境を見ても対称であって区別が付かず、また、ソレノイドコイル軸方向に直交する磁場成分が存在しない。そのため、ソレノイドコイルの各部分には軸方向の電磁力が発生しないためである。
ギャップｇを有する積層磁石においても同様にこのような状況を作り出せば各超電導磁石４a、４ｂ、４ｃ、４ｄに働く軸方向の吸引力を低減（またはゼロ）とすることができる。実際の場合には、端部のない無限長の積層磁石を実現することは不可能である。そこで、それに準ずるようにコイルが感じる磁場分布があたかも無限長ソレノイドがつくるような、磁石軸のシャフト６に直交する磁場成分をつくらないように構成する。

そのために、積層磁石の端部から漏れる磁束を端部ｊｃ１、ｊｃ２に設置した磁性体円板のエンドヨーク７に引き込んで、リターンする磁束を積層磁石が感じないようにする。そのためには磁性体円板のエンドヨーク７の厚さを十分に厚くする。また、隣接する積層磁石Ｊ(Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃ、Ｊｄ)のつくる磁束の向きを互いに反対の向きとして、磁束の流れを連続とする、ことが有効である。この構成により、積層されたそれぞれの積層磁石Ｊが感じるシャフト６に直交方向の磁場が小さくなる。その結果、積層磁石Jを構成する磁石の軸方向の吸引力を小さくすることができる。

これは見方を変えれば、積層磁石Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃ、Ｊｄを構成する個々の磁石間には互いに軸方向の吸引力が働いているが、両端部に磁性体円板のエンドヨーク７を配置することによって、端部ｊｃ１、ｊｃ２に配置された磁石に対して磁性体円板のエンドヨーク７方向への吸引力を働かせて互いの電磁力をキャンセルしているとも言える。もちろん、エンドヨーク７には本来超電導コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに働く吸引電磁力をキャンセルするための力が発生していることから、エンドヨーク７同士の間に機械的支持構造を配置してこの力を支える必要がある。

積層磁石Ｊの個々の磁石にとって軸方向の電磁力がバランスしている状態とは、個々のどの磁石から見てもその磁石周辺の磁場分布が同じように見えているということである。電磁力は磁気モーメントの大きさと磁界の勾配（ひずみ）によって生じるが、それぞれの磁石の強度が同じであって、その磁石の周辺の磁場のひずみ具合が対称であり磁石間で同じであれば、電磁力はバランスした結果、磁石間に働く吸引力はゼロとなる。したがって、磁石間に働く吸引力をゼロとする（小さくする）には、磁石の強度と磁石がつくる磁場の形が等しいことが必要条件となる。

＜アンバランス電磁力の発生＞
次に、アンバランス電磁力の発生について説明する。
前記の通り、積層磁石Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃ、Ｊｄを構成する個々の磁石間に働く軸方向吸引力をキャンセルしている本質は、磁石が周囲につくる磁場環境がどの磁石から見ても同じであることである。したがって、この条件が崩れると電磁力がバランスしなくなりマクロな吸引力が発生することになる。
アンバランスの発生要因は、個々の磁石位置が設計位置からずれることや起磁力の大きさが変化することである。位置ずれの要因については構成方法によって様々な要因があるためここでは考えない。電磁石についてのみ考えることにする。電磁石の積層磁石Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃ、Ｊｄの起磁力が変化する要因としては、超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄに流れる電流の大きさや電流の経路が変化することなどが考えられる。

例えば、REBCO（銅酸化物超伝導体）、BSCCO（ビスマス系超伝導体）などの高温超電導材料を使ったテープ導体を用いたコイルでは、コイル巻線層間の電気絶縁を省略してコイルを巻き回す無絶縁巻線（ＮＩ）という巻き方がされる場合がある。これは、万一、コイルの一部に劣化が生じた（生じている）場合においても、その劣化箇所（超電導電流輸送特性が劣る部分）を迂回して隣接した層の超電導テープに電流が渡ることによって、その劣化箇所での局所発熱による焼損を防止する方法である。

このようなコイルでは、不測の事態によりコイルの電流経路が変化し起磁力（アンペアターン）が変化する可能性がある。このような状況になると磁界がバランスしなくなり、アンバランス電磁力が発生する。また、永久電流モード運転をしているコイルの一部がクエンチして超電導が常電導になると磁場喪失することになり、アンバランス電磁力が発生することになる。

したがって、アンバランス電磁力を発生させないためには、積層磁石Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃ、Ｊｄの個々のコイルの運転電流比を一定に保ち、かつ、各積層磁石Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃ、Ｊｄのそれぞれの電流経路を変化させないことが必要となる。また、電流経路を変化させないことが、常時それが完全に実現できないまでもアンバランス電磁力を増大させないように速やかに、個々のコイルの運転電流比を一定に保つこと、および、電流経路を変化させないことの条件に復帰させることが必要となる。

＜アンバランス電磁力の抑制の実現方法＞
次に、アンバランス電磁力の抑制の実現方法について述べる。
アンバランス電磁力抑制の対象として、同一位相に磁石軸方向にギャップｇを介して並べられたコイル群(積層磁石Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃ、Ｊｄの各コイル)を想定する。このコイル群をコイルカラム（磁石カラム）９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ(図６参照)、個々の各コイルの超電導コイル(１ａ、１ｅ、１ｊ)、(１ｂ、１ｆ、１ｋ)、(１ｃ、１ｇ、１ｍ)、(１ｄ、１ｈ、１ｎ)を要素コイルと呼ぶことにする。

一つの積層磁石Ｊａの要素コイルである超電導コイル１ａ、１ｅ、１ｊを眺めたときに、要素コイルである超電導コイル（１ａ、１ｅ、１ｊ)の入口と出口の間の電流経路において電流の流れる大きさが変化する電流パスを持たないように構成する。
また、一つの積層磁石Ｊｂの要素コイルである超電導コイル(１ｂ、１ｆ、１ｋ)を眺めたときに、要素コイルの超電導コイル(１ｂ、１ｆ、１ｋ)の入口と出口の間の電流経路において電流の流れる大きさが変化する電流パスを持たないように構成し、かつ、コイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを構成する個々の要素コイルである超電導コイル(１a、１ｅ、１ｊ)、(１ｂ、１ｆ、１ｋ)、(１ｃ、１ｇ、１ｍ)、(１ｄ、１ｈ、１ｎ)にそれぞれ流れる電流の比を一定に保つ。積層磁石Ｊｃ、Ｊｄの各要素コイルについても、積層磁石Ｊａ、Ｊｂと同様である。これにより、各積層磁石Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃ、Ｊｄの電磁力アンバランスの発生を抑制することができる。

積層磁石Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃ、Ｊｄの各要素コイルの入口と出口の間で電流経路を変化させないようにするためには、コイル巻線の素線絶縁なされており分流経路を持たないように構成すれば実現される。なお、テープ２枚持ちで電流容量を増やした複合導体の場合については、コイルにした時にその２つの経路の電流がつくる磁場は同一と見做せるので、その２導体間での電流の分流については経路が変わらないものと見做す。

各コイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを構成する要素コイル(超電導コイル(１a、、１ｅ、１ｊ)、(１ｂ、１ｆ、１ｋ)、(１ｃ、１ｇ、１ｍ)、(１ｄ、１ｈ、１ｎ)のそれぞれに流れる電流比を一定に保つためには、個々の要素コイルに流れる電流が連続となるように結線することによって実現することができる。なお、各要素コイルに流れる電流値が連続であればよく、要素コイルが空間的に隣接するような順番で結線されている必要はない。また、要素コイルは、物理的に接続された結線ではなく磁気的な結合を介して（トランス等を介して）で電流が供給されていてもよく、電流値が連続であればよい。

回転磁場発生装置８（磁場発生装置）は、ドライブ運転モード（励磁電源に超電導磁石が接続されて常時電源から電流が供給される運転方法）と、永久電流モード運転とがあり、順に説明する。

＜ドライブ運転モード＞
図５は、ドライブ運転モード（励磁電源に超電導磁石が接続されて常時電源から電流が供給される運転方法）の場合の結線方法を示す回路図である。

図５は、９０°ピッチで４つのコイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが３段の要素コイル(１ａ、１ｅ、１ｊ)、(１ｂ、１ｆ、１ｋ)、(１ｃ、１ｇ、１ｍ)、(１ｄ、１ｈ、１ｎ)で結線された例を表している。
図５の結線方法の例では、並列接続された４つのコイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄへの電流供給が１つの電流経路（図５の符号Ａ参照）で供給されている。
それぞれのコイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄにおいて、電流パスは１つしかないので、常にコイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ内の各要素コイル(１ａ、１ｅ、１ｊ)、(１ｂ、１ｆ、１ｋ)、(１ｃ、１ｇ、１ｍ)、(１ｄ、１ｈ、１ｍ)に流れる電流は等しく比は一定状態が保たれる。
図５の結線方法の例では、並列接続された４つのコイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄへの電流供給が１つの電流経路（図５の符号Ａ参照）で供給されており、その４つのコイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄそれぞれで電磁力がバランスするように設計がされることになる。

ここで、前記の図３に示すように、要素コイルの超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄを支持円板２の上に設置し、支持円板２を積層することで積層磁石Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃ、Ｊｄを構成した。しかし、この方法に限らず、例えば、予め積層磁石の軸方向に要素コイルを、ギャップを介して巻き回せる巻枠構造を作製しておく。そして、その巻枠に超電導線を巻き回してコイルカラムを形成し、コイルカラムを回転軸に対して回転対称となるように製作しても、回転磁場発生装置８を構成することができる。
なお、磁石の製作方法は、上記に限定されず、コイルカラム単位で同一電流が流れるような電流経路を形成するものであればどのような構成でもよい。

図６は、ドライブ運転モードの場合の他の結線方法を示す回路図である。図６中の矢印は、電流の流れを表わす。
図６は、９０°ピッチで４つのコイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが３段の要素コイル(１ａ、１ｅ、１ｊ)、(１ｂ、１ｆ、１ｋ)、(１ｃ、１ｇ、１ｍ)、(１ｄ、１ｈ、１ｎ)において、すべての要素コイルをひとつづきに結線される。すなわち、入力口のコイルカラム９ａの要素コイル１ａが、コイルカラム９ｂの要素コイル１ｂに接続され、コイルカラム９ｂの要素コイル１ｂが、コイルカラム９ｃの要素コイル１ｃに接続され、コイルカラム９ｃの要素コイル１ｃが、コイルカラム９ｄの要素コイル１ｄに接続され、コイルカラム９ｄの要素コイル１ｄが、同じコイルカラム９ｄの次段の要素コイル１ｈに接続される。以下同様に接続され、コイルカラム９ｄの最終段の要素コイル１ｎが出力口となる。

図６の結線方法の例では、４つのコイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが３段の要素コイル(１ａ、１ｅ、１ｊ)、(１ｂ、１ｆ、１ｋ)、(１ｃ、１ｇ、１ｍ)、(１ｄ、１ｈ、１ｎ)において、ひとつづきに結線されるので、超電導コイル（１ａ、１ｅ、１ｊ）の入口と出口の間の電流経路において電流の流れる大きさが変化する電流パスを持たず、コイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ内の各要素コイル(１ａ、１ｅ、１ｊ)、(１ｂ、１ｆ、１ｋ)、(１ｃ、１ｇ、１ｍ)、(１ｄ、１ｈ、１ｍ)に流れる電流は等しく比は一定状態が保たれる。

＜無絶縁巻線の場合＞
テープ状超電導線材を巻き回したコイルにおいて、高電流密度設計をする場合について述べる。
REBCO（銅酸化物超伝導体）やBSCCO（ビスマス系超伝導体）といったテープ状超電導線材を巻き回したコイルにおいて、高電流密度設計をする場合には、素線の絶縁をせずにコイルを巻き回す無絶縁巻線が行われる場合がある。要素コイルの入口、出口での電流値が連続で、かつ、コイルの内部で磁場分布に影響が出るような電流経路の変化が生じないことがアンバランス電磁力を発生させない要件である。そのため、コイル内部での電流経路が変化し、かつ、その経路変化は外部から制御できない無絶縁巻線ではアンバランス電磁力発生を抑制することが困難であり、ギャップｇを有する積層超電導磁石(Ｊ)への適用は望ましくない。

＜永久電流モード運転の場合＞
永久電流モード運転の場合、前述のドライブ運転モードと同様に、図５に示す結線方法のように、コイルカラム単位で超電導的に結線し、そのコイルカラム単位で永久電流ループを構成する。永久電流ループを構成するとは一続きのコイルカラムの電流の入り口と出口を永久電流スイッチで接続して、超電導閉回路を構成することである。この場合、４つのコイルカラムに対して４つの永久電流ループが構成される。
また、図６に示す結線方法のようにすべてのコイルを一続きとなるように超電導的に接続し、その電流の入り口と出口を永久電流スイッチで接続して永久電流ループを構成してもよい。この場合は４つのコイルカラムに対して１つの永久電流ループが形成される。
どちらの場合においても、永久電流ループ内の超電導コイルがクエンチして抵抗状態になった場合、その一続きの電流のループ内部で電流減衰が起きることとなり、すべてのコイルに流れる電流は等しく保たれていることからアンバランス電磁力は発生しない。

＜ギャップｇを有する積層超電導磁石(Ｊ)への適用＞
ギャップｇを有する積層超電導磁石(Ｊ)への適用について述べる。
本発明の適用対象のギャップを有する積層超電導磁石では、構成コイルの数が多くまた構造が複雑であるから個々のコイルをすべて超電導接続して永久電流回路を構成することは製作難易度が高く、また、製作コストもかかる。

図７は、超電導コイルと永久電流スイッチ（ＰＣＳ：persistent current switch）で構成された単位永久電流運転コイル（モジュールコイル１０と呼ぶ）の回路図である。
モジュールコイル１０は、簡便な永久電流磁石の利用方法を実現する。
図７に示すように、モジュールコイル１０は、超電導コイル１と、永久電流スイッチ（PCS）１１と、を備える。
永久電流スイッチ（PCS）１１は、熱的に超電導コイル１のオンオフを行なうものでヒーターを備えている（図７ではヒーターは抵抗で表現）。ヒーターへの通電によって、超電導コイル１のオンオフを行なう。

ギャップｇを有する積層超電導磁石(Ｊ)は、モジュールコイル１０を積層し、モジュールコイル１０間を常電導の配線ではんだ接続することによって、積層超電導磁石を製作する。モジュールコイル１０を積層し、モジュールコイル１０間を常電導の配線ではんだ接続する構成は、製作が簡便であり、また、実質的に磁場安定な永久電流モード磁石を実現することが可能である。

＜アンバランス電磁力の発生＞
アンバランス電磁力の発生について述べる。
モジュールコイル１０で積層磁石を構成した場合、定常運転時にはそれぞれのモジュールコイルで永久電流モード運転がされることから、無視できる程度の電流減衰によって起磁力は変化するものの一定の起磁力が保たれ、したがってアンバランス電磁力が発生することはない。しかしながら、いずれかひとつのモジュールコイル１０がクエンチしてコイルが常電導状態に転移すると、モジュールコイル１０の永久電流ループにおいて電流減衰が起る。その結果、該当モジュールコイル１０の磁場が失われて、アンバランス電磁力が発生する。

個々の要素コイルが永久電流モード運転されたモジュールコイルで構成される場合には、それぞれのコイル（要素コイル；モジュールコイル）は永久電流モード運転されていることから、クエンチしたコイルに隣接したコイルには磁気結合によってコイルの磁束を保存するように電流が流れ（増加し）、単にひとつのコイルがクエンチした時よりも大きなアンバランス電磁力が発生することになる。

図８は、モジュールコイル１０が積層された積層磁石のエネルギー回収回路図である。
図８に示すように、エネルギー回収回路５０は、積層磁石を構成するモジュールコイル１０(１０ａ，１０ｅ，１０ｊ)と、モジュールコイル１０をループするダイオード１２と、を備える。なお、エネルギー回収回路５０は、必要に応じて蓄積エネルギーを減衰させる外部抵抗を備えるものでもよい。
図８に示すエネルギー回収回路５０は、コイルカラム９(例えば、９ａ)（図５、図６）を構成するモジュールコイル１０(１０ａ，１０ｅ，１０ｊ)（図８）が数珠つなぎとなるように構成されている。
エネルギー回収回路５０は、適切な公知のクエンチ検出手段がクエンチ発生を検出すると、速やかにそれぞれのモジュールコイル１０(１０ａ，１０ｅ，１０ｊ)の永久電流スイッチ１１（１１ａ，１１ｅ，１１ｊ）をオフにすることによって、アンバランス電磁力の発生を最小限に抑えることができる。

本実施形態で用いられるモジュールコイル１０は、ＭｇＢ_２コイルであり、コイル巻線層間に銅シートが挿入されている。エネルギー回収回路５０は、モジュールコイル１０にクエンチが発生しても、自分自身の巻線のエンタルピーとエネルギー回収回路５０（以下、大ループという）のダイオード１２によってコイルの蓄積エネルギーが回収されて焼損に至らないように設計されている。
適切な公知のクエンチ検出手段を用いてコイルクエンチを検出したのち、エネルギー回収回路５０は、コイルカラム９ａを構成するすべてのモジュールコイル１０ａ，１０ｅ，１０ｊの永久電流スイッチ１１であるＰＣＳ１１ａ，１１ｅ，１１ｊを同時にオフにする。ＰＣＳ１１ａ，１１ｅ，１１ｊが次第に抵抗状態になると、その抵抗の大きさに応じた電流減衰がそれぞれのモジュールコイル１０ａ，１０ｅ，１０ｊの小ループで始まる。

ＰＣＳ１１ａ，１１ｅ，１１ｊに発生した電圧が、外部エネルギー回収回路のダイオード１２のフォワード電圧に到達すると、大ループを回ってコイルカラム９ａのエネルギーが回収され始める。ＰＣＳ１１ａ，１１ｅ，１１ｊの抵抗増加とともに全ての要素コイル１ａ，１ｅ，１ｊ（超電導コイル１）がダイオード１２で支配される大ループで同一電流となってエネルギー回収が行われる。エネルギー回収することで、モジュールコイル１０ａ，１０ｅ，１０ｊの焼損が抑制される。

ところで、コイルクエンチが発生したモジュールコイル１０における小ループ（モジュールコイル１０ａ，１０ｅ，１０ｊ）での初期電流減衰と、ＰＣＳ１１のオフ時間のばらつきによって生じる小ループでの電流減衰によって、個々のモジュールコイル１０の電流には差が生じる。しかし、コイルクエンチが発生した際にコイルカラム９が大ループへ接続されことによって、モジュールコイル１０ａ，１０ｅ，１０ｊの個々の電流のばらつき低減される。これにより、モジュールコイル１０ａ，１０ｅ，１０ｊでは、同一電流で流れるようになる。

以上により、速やかなクエンチ検出とＰＣＳ１１ａ，１１ｅ，１１ｊの遮断と、ダイオード１２が接続される大ループによる電流のばらつきの回復によって電磁力のアンバランスは抑制することができる。その結果、コイルクエンチによって磁場喪失する場合によって発生するモジュールコイル１０ａ，１０ｅ，１０ｊ間の電磁アンバランスを劇的に改善することができる。電磁アンバランスの低減により、積層超電導磁石(Ｊ)の電磁力支持構造の物量を低減することが可能となる。

なお、ダイオード１２でエネルギー回収が足りない場合は、外部抵抗がダイオード１２に直列に接続される。また、永久電流モード運転に支障がなく、エネルギー回収できる構成であれば、ダイオード１２に代えて抵抗で構成してもよい。

また、ＰＣＳ１１ａ，１１ｅ，１１ｊのオンオフにするヒーター回路(ヒーター１１ｔａ、１１ｔｅ，１１ｔｊが接続される回路)については直列接続で同一電流が同時に流れることが保証されるように構成しているが、これは実施の一例であって、ＰＣＳヒーター回路は別々に構成されていてもよく、ヒーター１１ｔａ、１１ｔｅ，１１ｔｊの電流の大きさに差があってもよい。

＜永久電流モード運転の場合２＞
図８に示すエネルギー回収回路５０では、コイルカラム９、すなわち、磁石軸（シャフト６)方向に積層された超電導コイルをひとまとまりにした励磁回路であるが、積層磁石を構成するモジュールコイルを任意の順番で接続した場合でもコイルカラム単位でPCSをオフとすることによってクエンチ発生時のアンバランス電磁力発生を抑制できる。

図９は、９０°ピッチで配置された４つのコイルカラム９（９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ）から構成される磁石であって、それぞれのコイルカラム９は３段コイルから構成されている回路図である。
モジュールコイル１０ａ～１０ｎは、入力点ｉ１と出力点ｏ１との間に直列に接続されている。

コイルカラム９ａは、超電導コイル１a、１ｅ、１ｊにて形成されている。コイルカラム９ｂは、超電導コイル１ｂ、１ｆ、１ｋにて形成されている。コイルカラム９ｃは、超電導コイル１ｃ、１ｇ、１ｍにて形成されている。コイルカラム９ｄは、超電導コイル１ｄ、１ｈ、１ｎにて形成されている。モジュールコイル１０ａ～１０ｎとは並列にダイオード１２が、出力点ｏ１から入力点ｉ１に向けて電流が流れるように接続されている。
それぞれのコイルカラム９に対して同時にＰＣＳ１１をオフにできるようにヒーター１１ｔを有するヒーター回路が構成されている。例えば、コイルカラム９ａに対して同時にＰＣＳ１１ａ、１１ｅ、１１ｊをオフにできるようにヒーター１１ｔａ、１１ｔｅ、１１ｔｊを有するヒーター回路が構成されている。

こうして、エネルギー回収用のダイオード１２は、数珠つなぎとなったモジュールコイル（１０ａ～１０ｎ）に対しその両端を短絡するように接続されて大ループを構成している。

以上の構成において、４つのコイルカラム９（９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ）を構成するモジュールコイル１０ａ～１０ｎのどれかひとつがクエンチした場合、クエンチ検出と同時にクエンチしたコイルカラム９のＰＣＳ１１をすべて同時にオフにする。例えば、モジュールコイル１０ａがクエンチした場合、クエンチ検出と同時にクエンチしたコイルカラム９ａのＰＣＳ１１ａ、１１ｅ、１１ｊをすべて同時にオフにする等である。
ＰＣＳ１１ａ、１１ｅ、１１ｊがオフになって十分な抵抗が発生すると、ＰＣＳ１１ａ、１１ｅ、１１ｊがオフされたモジュールコイル１０ａ、１０ｅ、１０ｊを構成する要素コイルの超電導コイル１ａ、１ｅ、１ｊは大ループのダイオード１２と結合されることになり、一続きの電流ループが構成されアンバランス電磁力の発生が抑制される。

一方、ＰＣＳオフしないその他のコイルカラム９ｂ、９ｃ、９ｄはこの動作に関わらず、永久電流モードのまま磁場が維持される。ＰＣＳオフしたコイルカラム９ａに流れていた電流は、ＰＣＳオフしていないコイルカラムのＰＣＳ９ｂ、９ｃ、９ｄ（超電導状態で抵抗ゼロ）を通過してダイオード１２に流れることになり、モジュールコイル１０ａ～１０ｎの結線順番に関わらずクエンチしたコイルカラム９ａの要素コイル(超電導コイル１a、１ｅ、１ｊ)は、ダイオード１２が接続される大ループに直列接続されることになる。

このように任意の順番に接続されたモジュールコイル１０ａ～１０ｎであっても、コイルカラム９単位でＰＣＳ１１オフ操作ができるように構成しておく。そして、コイルクエンチと同時に、コイルクエンチしたコイルカラム９内のＰＣＳ１１をオフとすることよってアンバランス電磁力の発生を抑制できる。

＜結線方法＞
このようにドライブモード運転でも永久電流モード運転でも、一続きの電流経路を実現することによってアンバランス電磁力発生を抑制できる。そのため、ギャップｇを有する積層磁石Ｊを構成する場合には簡便な方法で要素コイル（超電導コイル１）の結線を行えばよい。

最も合理的な磁石構成方法は、予め磁石円板３（図１）を積層した磁石円板モジュール（図示省略）を構成し、それを積層する方法である。具体的には、予め磁石円板モジュール内部で要素コイル（超電導コイル１）（図１）間の電流接続を行っておき、磁石円板３を積層した後に上下の磁石円板３間で電流接続することである。永久電流モード磁石、すなわちモジュールコイル１０を用いて積層磁石Ｊを構成する場合には、モジュールコイル１０間の接続はハンドリング容易な銅線をはんだ接続することになる。しかし、定常運転状態ではモジュールコイル１０内でループ状に電流が流れる。そのため、モジュールコイル１０間の接続銅線には電流が流れないため発熱のことをあまり考慮することはなく、容易に結線することができる。

一方、ドライブモード運転磁石の場合には、常時電流をコイル間の渡り線に流すことになる。そのため、渡り線およびはんだ接続部のジュール発熱を低減することが必須となる。その場合には支持円板２（図１）にマウントされた隣接する要素コイル同士のコイル口出し線を密着させるとともに、十分な接続面積を有する長さをもって接続されなければならない。
高温超電導線材は一般に曲げなどに対して耐力が小さく、曲げ半径が大きいと電流輸送特性が劣化する。そのため、最小限の曲げで線材を引き回したうえで接続する必要がある。曲げやねじりが最小で隣接するコイル間の接続を行なうためには、隣接するコイルの口出し位置を揃えてなるべく線材が直線上に並ぶようにして接続することとなる。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、テープ導体が巻き回されたダブルパンケーキ巻きコイルの場合の接続を示す図である。図１０Ａは、ダブルパンケーキ巻きコイル２１、２２の結線方法の一例の平面図を示す。図１０Ｂは、図１０Ａのダブルパンケーキ巻きコイル２１、２２のＩ方向矢視の一部断面を含む概念的側面図を示す。
パンケーキ巻きとは、主にテープ導体や幅広の矩形導体を用いてコイルを巻き回す方法の一つで、導体を一層巻いて、その層に次の導体が重なるように半径方向に導体を巻き重ねていく巻き方であり、平たいパンケーキ状の仕上がりになることからパンケーキ巻きと呼ばれる。ダブルパンケーキ巻きとはパンケーキ巻きコイルが２つ組み合わさった形状のもので、内側から巻き始めた２つのパンケーキコイルの終端部（口出しと呼ばれる）が外側となる。互いに逆向きに巻いたパンケーキ巻きコイルを２つ重ねて中心部で電気的接続を取ったパンケーキ巻きコイルは接続のあるダブルパンケーキ巻きコイルと呼ばれる。いずれの場合もダブルパンケーキ巻きコイルでは電流を流し込むための口出し部がコイルの外周側に位置することになる。ダブルパンケーキ巻きコイルを用いることにより、電流導入のためのリードと結線が容易となる効果がある。

図１０Ａに示すように、複数のダブルパンケーキ巻コイル２１、２２を接続するためには、隣接するダブルパンケーキ巻きコイル２１の口出し線２１ａ、２１ｂ、ダブルパンケーキ巻きコイル２２の口出し線２２ａ、２２ｂ等が直線となるように設置する。

図１０Ｂに示すように、ダブルパンケーキ巻きコイル２２の口出し線２２ａと、ダブルパンケーキ巻きコイル２１の口出し線２１ｂとは、接続テープ導体ｔ１を介して接続することとなる。口出し線２２ａと口出し線２１ｂとの直接的な接続は、接続テープ導体ｔ１をねじりながら接続することとなり、口出し線２２ａと口出し線２１ｂとのコイル間距離が短い場合には実装困難となる。このように同一幅の接続テープ導体ｔ１、ｔ２、ｔ３を介して接続する場合には接続テープ導体ｔ１、ｔ２、ｔ３が斜めになってしまうため接続面積を稼ぐことが難しくなる。

図１１は、幅広テープ線Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３を用いたパンケーキ巻きコイル結線方法の一例の図１０ＡのＩ方向矢視の一部断面を含む概念的側面図である。
図１１に示すように、口出し線２２ａ、２１ｂの位置が異なる場合には、幅広のテープ導体Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３を利用する。
これにより、口出し線２２ａと口出し線２１ｂとの接続等に、テープ導体Ｔ１に十分な接続面積を確保して接続することが可能となる。なお、幅広のテープ導体Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３を用いた場合も、例えば、幅広のテープ導体Ｔ１の両端部をそれぞれ口出し線２２ａ、２１ｂに半田で２箇所接続することになる。つまり、接続部が２箇所となる。
接続部は２箇所となるものの幅の広いテープを使うことによって、テープを平行に揃えて接続長を長くとって接続することが可能となり、接続部でのジュール発熱を低減することができる。

図１２Ａは、口出し位置を揃えたダブルパンケーキ巻きコイル３１、３２の結線方法の一例を示す図である。図１２Ｂは、図１２Ａのダブルパンケーキ巻きコイル３１、３２のII方向矢視の一部断面を含む概念的側面図である。
接続テープ導体を介して接続することを回避するためには、図１２Ａ、図１２Ｂに示すように、ダブルパンケーキ巻きコイル３１の口出し線３１ａと、ダブルパンケーキ巻きコイル３２の口出し線３２ａの位置が揃うように２種類のダブルパンケーキ巻きコイル３１とダブルパンケーキ巻きコイル３２とを準備する。この場合、口出し線３１ａと口出し線３２ａは、軸に垂直な面内で直線上になるように配置できる。また、ダブルパンケーキ巻きコイル３１、３２の上下方向(軸方向)にも揃っているため接続テープ導体を介することなく直線的に接続ができる。半田で接続する接続箇所を、口出し線３１ａと口出し線３２ａとの接続部の１か所の半分に減らせることから、接続部でのジュール発熱を半分に低減することができる。

図１３Ａは、口出部４１ａ、４１ｂが外側にくるレイヤー巻きコイル４１の斜視図である。
レイヤー巻きとは、テープ状の導体だけではなく、矩形や丸断面の線材で巻き回す一般的な巻線方法である。具体的には、一周巻き回した線に並ぶように隣の列に（コイルの巻き軸方向）巻き回し軸方向に１層のコイルを形成した後、折り返すようにして１層巻きコイルに乗り上げて、次の層を軸方向に巻き進める方法である。この巻線の仕方では、コイルの口出し部はコイル巻線の内側と外側に位置することになる。

そのため、本実施形態の磁石円板３（図１）のようにコイルを横にならべて結線をするためには、コイルの内側の口出しから接続線を引き回す必要があり隣接するコイル間の結線が難しくなる。
ダブルパンケーキ巻きコイルの結線方法について述べたが、図１３Ａに示すレイヤー巻きと呼ばれるコイルの巻き方においても同様に口出し部を外側に位置するように構成することによってコイル間の接続を容易にすることができる。

そこで、ダブルパンケーキ巻きと同様のやりかたで、２つ重ねた巻線４１Ａ、４１Ｂ(図１３Ａ参照)の中央からそれぞれレイヤー巻を行なうとレイヤー巻きながら口出部４１ａ、４１ｂが外側にくるレイヤー巻きコイル４１を形成することができる。なお、２つ重ねた巻線４１Ａ、４１Ｂは、中心部で電気的接続がなされている。
こうして、口出し部４１ａ、４１ｂが外側にあるレイヤー巻きコイル４１を並べれば、隣接間コイルの接続が容易になる。

図１３Ｂは、口出部４１ａ、４２ａが高さ方向で揃う口出部４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂが外側にくるレイヤー巻きコイル４１、４２の斜視図である。
図１３Ｂに示すように、ダブルパンケーキ巻きコイルの時と同様に口出し位置が高さ方向で揃うように２種類の口出し部４１ａ、４１ｂが外側に位置するレイヤー巻きコイル４１と、口出し部４２ａ、４２ｂが外側に位置するレイヤー巻きコイル４２とを並べることによって、さらに接続を容易にすることができる。

＜磁気冷凍装置Ｒ＞
次に、本実施形態のギャップｇを有する積層超電導磁石Ｊを用いた磁気冷凍装置Ｒについて説明する。

図１４は、本実施形態のギャップｇを有する積層超電導磁石Ｊを用いた磁気冷凍装置Ｒの概念図である。
磁気冷凍装置Ｒは、真空容器１０２内に２段回転冷却装置１０１が固定されている。２段回転冷却装置１０１の最下部のコールドヘッド１０１ｈに積層超電導磁石(Ｊ)で構成された回転超電導磁石ユニット１００が吊り下げられている。
２段回転冷却装置１０１は回転可能なように構成されている。磁石駆動ユニット１０５は、駆動力伝達機構１０６を介して、２段回転冷却装置１０１の回転コールドヘッド１０１ｈおよび超電導磁石ユニット１００を回転させる。

回転超電導磁石ユニット１００は、磁気冷凍磁性体ユニット１０３の一部を挿入可能なようにギャップｇを空けて積層構成されている。磁気冷凍磁性体ユニット１０３は、その一部が積層超電導磁石(Ｊ)のギャップｇにおさまるように設置されている。
また、磁気冷凍装置Ｒとして働かせるために磁気冷凍磁性体ユニット１０３には磁気冷凍装置配管バブおよび排熱ユニット１０４が設置されている。そして、これら磁気冷凍構成に対して輻射入熱を低減するための輻射シールド１０７が設置されている。

上記構成によれば、複数のギャップｇを有する積層磁石Ｊにおいて磁石間に働く吸引力をキャンセルし電磁力アンバランスの発生を抑制できる。
したがって、アンバランス電磁力の発生を抑制し電磁力支持構造を簡素化したギャップｇを有する回転磁場発生装置８および磁気冷凍装置Ｒを提供できる。

［効果］
以上説明したように、本実施形態に係る回転磁場発生装置８（図１）は、周状に複数の電磁石４が配置された円板（支持円板２，磁石円板３）（図３）と、複数の電磁石４がそれぞれ対向するように間隔を空けて円板（磁石円板３）を積層することによって形成される磁場作用空間（ギャップgの空間）を有する磁場発生装置であって、回転磁場発生装置８は、円板（支持円板２）（図３）によって積層された電磁石４間に働く電磁力が支持されており、積層された円板（磁石円板３）の両端部（端部ｊｃ１，ｊｃ２）には電磁石４間に働く電磁力を低減する磁性体ヨーク（エンドヨーク７）（図４）が設置されており、円板（磁石円板３）内の電磁石４は、電磁石４の軸方向に磁束が連続するように円板（磁石円板３）内の同一位相位置に配置され、同一位相位置の電磁石４は、同一電流で運転（「ドライブ運転モード」「永久電流モード運転」）されるように結線されている（図５、図６）。

このように構成することにより、回転磁場発生装置８は、磁石円板３の両端部（端部ｊｃ１，ｊｃ２）にエンドヨーク７を配置することによって、端部ｊｃ１，ｊｃ２の超電導コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに加わる垂直成分の磁場強度を低減し、より多くの電流を超電導コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに流して有利な磁場を発生させるとともに、支持円板２（図３）が積層された電磁石４間に働く電磁力を機械的支持構造により支持する（<個々の磁石にとっての電磁力バランス達成>）。そして、回転磁場発生装置８は、同一位相位置の電磁石４が、同一電流で運転されるように結線することで（図５、図６）、電磁石に流れる電流の大きさや電流の経路を変化しないようにして電磁石の起磁力の変化を防ぎ、アンバランス電磁力の発生を抑制する（<アンバランス電磁力の発生抑制>）。これにより、電磁力支持構造を簡素化しつつ、アンバランス電磁力の発生を抑制する回転磁場発生装置８を実現することができる。

回転磁場発生装置８（図１）において、電磁石４は、磁極（鉄心４ａ１、４ｂ１、４ｃ１、４ｄ１）を平板状に巻き回された超電導コイル１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）を要素コイル１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）として有し、要素コイル１は、当該要素コイルが作る磁束が電磁石４の軸方向に連続するように積層された各磁石円板３内に配置される（図４）。

このようにすることにより、磁石円板４を上下方向に積層する際、超電導コイル１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）の作る磁束が、電磁石４の軸方向に連続するように、磁石円板４の位相を配置するので、磁束は軸方向に連続しており一つの棒磁石のように見做せ、超電導コイル群を多数積層することによって作業領域を増やして大容量化を実現することができる。

回転磁場発生装置８（図１）において、要素コイル（１ａ、１ｅ、１ｊ)、(１ｂ、１ｆ、１ｋ)、(１ｃ、１ｇ、１ｍ)、(１ｄ、１ｈ、１ｎ)は、それぞれ電流を流した際に隣接する要素コイルに発生する磁場が、互いに逆向きになるように配置される（図４の白抜き矢印）。

このようにすることにより、超電導コイル１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）の作る磁束は軸方向に連続しており一つの棒磁石のように見做せ、かつ、この棒磁石の向きを交互に変えているので、磁石全体として磁気モーメントがゼロとなるように構成することができる。磁気ロスが無いので回転磁場発生装置８全体としての漏洩磁場を小さく抑えることができる。

回転磁場発生装置８（図１）において、要素コイル（１ａ、１ｅ、１ｊ)、(１ｂ、１ｆ、１ｋ)、(１ｃ、１ｇ、１ｍ)、(１ｄ、１ｈ、１ｎ) （図５、図６）は、各要素コイル（１ａ、１ｅ、１ｊ)、(１ｂ、１ｆ、１ｋ)、(１ｃ、１ｇ、１ｍ)、(１ｄ、１ｈ、１ｎ)に流れる電流が連続となるように電気的に接続されている。

このようにすることにより、要素コイル（１ａ、１ｅ、１ｊ)、(１ｂ、１ｆ、１ｋ)、(１ｃ、１ｇ、１ｍ)、(１ｄ、１ｈ、１ｎ)に流れる電流または電流比を一定に保つことが可能になり、各要素コイルが作る起磁力の変化を防止し、アンバランス電磁力の発生を抑制することができる。

回転磁場発生装置８（図１）において、要素コイル（１ａ、１ｅ、１ｊ)、(１ｂ、１ｆ、１ｋ)、(１ｃ、１ｇ、１ｍ)、(１ｄ、１ｈ、１ｎ)は、各磁石円板３内の同一位相位置に配置されてコイルカラム（磁石カラム）９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ（図５、図６）を構成し、当該コイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを構成する各要素コイル（１ａ、１ｅ、１ｊ)、(１ｂ、１ｆ、１ｋ)、(１ｃ、１ｇ、１ｍ)、(１ｄ、１ｈ、１ｎ) （図５、図６）が、一続きの電流で励磁される。

このようにすることにより、縦方向（電磁石４の軸方向）に構成されたコイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが同一電流であることを保証することができ、アンバランス電磁力の発生を抑制することができる。

回転磁場発生装置８（磁場発生装置）（図１）において、コイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ（図５、図６）を構成する各要素コイル（１ａ、１ｅ、１ｊ)、(１ｂ、１ｆ、１ｋ)、(１ｃ、１ｇ、１ｍ)、(１ｄ、１ｈ、１ｎ)に流れる電流または電流の比を所定値に保つ。

このようにすることにより、個々の要素コイルの運転電流比を一定に保つことで、個々の要素コイルに流れる電流の大きさの変化を防ぎ、アンバランス電磁力の発生を抑制することができる。

回転磁場発生装置８（磁場発生装置）（図１）において、並列接続されたコイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ（図５）への電流供給は、１つの電流経路（図５の符号Ａ参照）から電流を流す。

例えば、図５に示すように、並列接続された４つのコイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄへの電流供給が１つの電流経路で供給される。それぞれのコイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄで電流パスは１つしかないので常にそのコイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ内の要素コイルに流れる電流は等しく比は一定状態が保たれる。また、縦方向（電磁石４の軸方向）に構成されたコイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが同一電流である。これにより、コイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ内の要素コイル（１ａ、１ｅ、１ｊ)、(１ｂ、１ｆ、１ｋ)、(１ｃ、１ｇ、１ｍ)、(１ｄ、１ｈ、１ｎ)に流れる電流は等しく比は一定状態が保たれ、アンバランス電磁力の発生を抑制することができる。

また、回転磁場発生装置８は、永久電流モード運転の場合、図５のようにコイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ単位で結線し、そのコイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ単位で永久電流ループを構成することで、コイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄに発生するアンバランス電磁力の発生の抑制を行うことができる。

回転磁場発生装置８（図１）において、コイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ（図６）を構成する各要素コイル（１ａ、１ｅ、１ｊ)、(１ｂ、１ｆ、１ｋ)、(１ｃ、１ｇ、１ｍ)、(１ｄ、１ｈ、１ｎ)を一続きに結線して電流を流す。

このようにすることにより、個々の要素コイルに流れる電流が連続となるように結線され、電流が供給されるので、個々の要素コイルに流れる電流の大きさの変化を防ぐことができる。また、縦方向（電磁石４の軸方向）に構成されたコイルカラム９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが一続きの電流で励磁される。これにより、アンバランス電磁力の発生を抑制することができる。

また、回転磁場発生装置８は、永久電流モード運転の場合、図６のようにすべての要素コイルを一続きに結線して磁石全体で永久電流モード回路を構成することで、コイルカラムに発生するアンバランス電磁力の発生の抑制を行うことができる。

回転磁場発生装置８（図１）において、電磁石４は、超電導磁石である。

このようにすることにより、電磁石４として超電導磁石を用いることで、エネルギー消費を削減できる。また、超電導磁石を用いる回転磁場発生装置８において、電磁力バランスを維持することができる。

回転磁場発生装置８（磁場発生装置）（図１）において、電磁石４は、超電導磁石であり、電磁石４は、永久電流モードで運転される。

このようにすることにより、超電導磁石を用いる回転磁場発生装置８において、電磁力バランスを維持することができる。

回転磁場発生装置８（磁場発生装置）（図１）において、電磁石４は、要素コイル１と要素コイル１が接続される永久電流スイッチ１１とを有する要素永久電流モード磁石１０（図７）を構成する。

このようにすることにより、要素永久電流モード磁石１０を用いる回転磁場発生装置８において、永久電流モード運転の場合、電磁力バランスを維持することができる。
また、超電導コイルと永久電流スイッチ１１で構成された要素永久電流モード磁石１０は、モジュールコイル間を常電導の配線ではんだ接続するこが可能であり、積層超電導磁石を製作するのが簡便であり、また、実質的に磁場安定な永久電流モード磁石を実現することができる。

回転磁場発生装置８（図８）において、電磁石４の軸方向に磁束が連続するように配置される円板内の同一位相位置の電磁石４に対して、クエンチが発生した場合に、当該同一位相位置の要素永久電流モード磁石の永久電流スイッチ１１が全て遮断される。

すなわち、モジュールコイルで積層磁石を構成した場合、どれかひとつのモジュールコイルがクエンチしてコイルが常電導状態に転移すると、モジュールコイルの永久電流ループにおいて電流減衰がおこり、その結果そのモジュールコイルの磁場が失われアンバランス電磁力が発生する不具合がある。
回転磁場発生装置８は、クエンチ発生を検出すると同時に速やかにそれぞれのモジュールコイルの永久電流スイッチ１１をオフにすることによって、アンバランス電磁力の発生を最小限に抑えることができる。

回転磁場発生装置８（磁場発生装置）（図８、図９）において、クエンチが発生したときの電磁石の蓄積エネルギーを回収するダイオード１２または抵抗が、電磁石４に電流を流す回路に並列に接続されている。

このようにすることにより、クエンチが発生しても自分自身の巻線のエンタルピーとエネルギー回収回路５０（大ループ）のダイオード１２によってコイルの蓄積エネルギーが回収されて焼損に至らないようにすることができる。

回転磁場発生装置８（磁場発生装置）（図１０Ａ）において、要素コイル１の電流導入部である口出し部４１ａ等が当該要素コイルの外周側に位置する。

このようにすることにより、要素コイル１の口出し部４１ａ位置を揃えることができ、例えばテープ導体が巻き回されたダブルパンケーキ巻きコイル２１（図１０Ａ、図１２Ａ）を用いることが容易となる。

回転磁場発生装置８（図１）において、要素コイル１がパンケーキ巻きコイル２１（図１０Ａ、図１２Ａ）で構成されている。

このようにすることにより、例えばテープ導体が巻き回されたダブルパンケーキ巻きコイル２１（図１０Ａ）を用いることが可能となる。

回転磁場発生装置８（図１）において、要素コイル１がパンケーキ巻きコイルで２１（図１０Ａ、図１２Ａ）構成されており、パンケーキ巻きコイル２１間の電流接続がパンケーキ巻きコイル２１の巻線の導体サイズよりも大きな導体で接続されている。

このようにすることにより、幅の広いテープを使うことによって、テープを平行に揃えて接続長を長くとって接続することが可能となり、接続部でのジュール発熱を低減することができる。例えばテープ導体が巻き回されたダブルパンケーキ巻きコイル２１（図１０Ａ）を用いる場合であっても、幅広のテープ導体を利用することにより十分な接続面積を確保して接続することが可能となる。
なお、隣接する要素コイルの接続において、要素コイルの口出し線引出し位置を揃えることと、要素間接続を幅広の導電テープを介して接続することとは、それぞれ単独で適用してもよいし、併用してもよい。

回転磁場発生装置８（図１）において、要素コイル１の巻線口出し位置が、要素コイル同士で、要素コイル１の軸方向の位置が揃えられている（図１１）。

このようにすることにより、口出し線２１ａ（図１０Ａ）は面内で直線上になるように配置でき、かつ、上下方向にも揃っているため接続テープ導体を介することなく直線的に接続ができる。例えば、口出し部４１ａ、４１ｂ（図１３Ａ、図１４Ａ）が外側にあるレイヤー巻きコイル４１を並べれば、隣接間コイルの接続が容易になる。これにより、接続箇所を半分に減らせることから接続部でのジュール発熱を半分に低減することができる。

上記回転磁場発生装置８（図１）が用いられることを特徴とする磁気冷凍装置Ｒ（図３）。

磁気冷凍装置Ｒ（図３）は、アンバランス電磁力の発生を抑制できる回転磁場発生装置８（図１）を用いることで、磁気冷凍用の磁石装置の構造の簡素化、および装置の大容量化を実現することができる。

＜その他の実施形態＞
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。

上記各実施形態は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

本発明の磁場発生装置は、磁気熱量効果を利用した磁気冷凍用の磁石装置であり液体水素の液化などに利用できる。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ、１ｊ、１ｋ、１ｍ、１ｎ 超電導コイル（電磁石、超電導磁石、要素コイル、コイル）
２ 円板
３ 磁石円板（円板）
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 電磁石（超電導磁石）
４ａ１、４ｂ１、４ｃ１、４ｄ１ 鉄心（磁極）
６ シャフト
７ エンドヨーク（磁性体ヨーク）
８ 回転磁場発生装置（磁場発生ユニット、磁場発生装置）
９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ コイルカラム（磁石カラム）
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｍ、１０ｎ モジュールコイル(要素永久電流モード磁石)
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１ｊ、１１ｋ、１１ｍ、１１ｎ 永久電流スイッチ
１１ｔ、１１ｔａ～１１ｔｎ ヒーター(永久電流スイッチ)
１２ ダイオード
２１、２２、３１、３２パンケーキ巻きコイル
２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、３１ａ、３２ａ 口出し線(口出し部)
口出し部 ４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ
５０ エネルギー回収回路
１００ 回転超電導磁石ユニット（磁場発生装置）
１０１ ２段回転冷却装置(磁気冷凍装置)
１０１ｈ コールドヘッド(磁気冷凍装置)
１０２ 真空容器(磁気冷凍装置)
１０３ 磁気冷凍磁性体ユニット(磁気冷凍装置)
１０４ 排熱ユニット(磁気冷凍装置)
１０７ 輻射シールド(磁気冷凍装置)
ｇ ギャップ（磁場作用空間）
Ｊ、Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃ、Ｊｄ 電磁石(同一位相位置の電磁石)
ｊｃ１、ｊｃ２ 端部
Ｒ 磁気冷凍装置

Claims (18)

1. 周状に複数の電磁石が配置された円板と、
   前記複数の電磁石がそれぞれ対向するように間隔を空けて前記円板を積層することによって形成される磁場作用空間を有する磁場発生装置であって、
   前記円板によって積層された前記電磁石間に働く電磁力が支持されており、
   積層された前記円板の両端部には前記電磁石間に働く電磁力を低減する磁性体ヨークが設置されており、
   前記円板内の前記電磁石は、前記電磁石の軸方向に磁束が連続するように前記円板内の同一位相位置に配置され、
   前記同一位相位置の前記電磁石は、同一電流で運転されるように結線されている
   ことを特徴とする磁場発生装置。
2. 請求項１に記載の磁場発生装置において、
   前記電磁石は、
   磁極を平板状に巻き回された超電導コイルを要素コイルとして有し、
   前記要素コイルは、当該要素コイルが作る磁束が前記電磁石の軸方向に連続するように積層された各前記円板内に配置される
   ことを特徴とする磁場発生装置。
3. 請求項２に記載の磁場発生装置において、
   前記要素コイルは、それぞれ電流を流した際に隣接する前記要素コイルに発生する磁場が、互いに逆向きになるように配置される
   ことを特徴とする磁場発生装置。
4. 請求項２に記載の磁場発生装置において、
   前記要素コイルは、各前記要素コイルに流れる電流が連続となるように電気的に接続されている
   ことを特徴とする磁場発生装置。
5. 請求項２に記載の磁場発生装置において、
   前記要素コイルは、各前記円板内の同一位相位置に配置されてコイルカラムを構成し、当該コイルカラムを構成する各前記要素コイルが、一続きの電流で励磁される
   ことを特徴とする磁場発生装置。
6. 請求項５に記載の磁場発生装置において、
   前記コイルカラムを構成する各前記要素コイルに流れる電流または電流の比を所定値に保つ
   ことを特徴とする磁場発生装置。
7. 請求項５に記載の磁場発生装置において、
   並列接続された前記コイルカラムへの電流供給は、１つの電流経路から電流を流す
   ことを特徴とする磁場発生装置。
8. 請求項５に記載の磁場発生装置において、
   前記コイルカラムを構成する各前記要素コイルを一続きに結線して電流を流す
   ことを特徴とする磁場発生装置。
9. 請求項１に記載の磁場発生装置において、
   前記電磁石は、超電導磁石である
   ことを特徴とする磁場発生装置。
10. 請求項１に記載の磁場発生装置において、
    前記電磁石は、超電導磁石であり、
    前記電磁石は、永久電流モードで運転される
    ことを特徴とする磁場発生装置。
11. 請求項２に記載の磁場発生装置において、
    前記電磁石は、前記要素コイルと前記要素コイルが接続される永久電流スイッチとを有する要素永久電流モード磁石を構成する
    ことを特徴とする磁場発生装置。
12. 請求項１１に記載の磁場発生装置において、
    前記電磁石の軸方向に磁束が連続するように配置される前記円板内の前記同一位相位置の電磁石に対して、クエンチが発生した場合に、当該同一位相位置の前記要素永久電流モード磁石の前記永久電流スイッチが全て遮断されることを特徴とする磁場発生装置。
13. 請求項１に記載の磁場発生装置において、
    クエンチが発生したときの前記電磁石の蓄積エネルギーを回収するダイオードまたは抵抗が、前記電磁石に電流を流す回路に並列に接続されていることを特徴とする磁場発生装置。
14. 請求項２に記載の磁場発生装置において、
    前記要素コイルの電流導入部である口出し部が当該要素コイルの外周側に位置する
    ことを特徴とする磁場発生装置。
15. 請求項２記載の磁場発生装置において、
    前記要素コイルがパンケーキ巻きコイルで構成されている
    ことを特徴とする磁場発生装置。
16. 請求項２記載の磁場発生装置において、
    前記要素コイルがパンケーキ巻きコイルで構成されており、当該パンケーキ巻きコイル間の電流接続が当該パンケーキ巻きコイルの巻線の導体サイズよりも大きな導体で接続されていることを特徴とする磁場発生装置。
17. 請求項２に記載の磁場発生装置において、
    前記要素コイルの巻線口出し位置が、前記要素コイル同士で、前記要素コイルの軸方向の位置が揃えられている
    ことを特徴とする磁場発生装置。
18. 請求項１から請求項１６の何れか一項に記載の磁場発生装置が用いられる
    ことを特徴とする磁気冷凍装置。

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