JP2661993B2 - 円弧状レーストラック型コイルの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は円弧形状のレーストラック型コイルの製造方
法に関するものである。

〔従来の技術〕

電子や陽子などの荷電粒子を加速し、または蓄積する
ためのシンクロトロンでは、荷電粒子にローレンツ力を
与えて円軌道または円弧状の軌道を描かせるために双極
電磁石が使用されている。

通常この双極電磁石は第４図に示すような形状の超伝
導線材を巻回した円弧状レーストラック型コイル（11）
を荷電粒子ビームに円弧状軌道を描かせる箇所の上下に
配置した構成である。

このような円弧状レーストラック型コイル（11）は一
般に第７図に示すように両端部が半円形でこれらの間を
２本の直線部分で結んだ形状の直線状レーストラック型
コイルの２本の直線部分を、所定の曲率半径Ｒで荷電粒
子ビームに曲げ角度θを与えるために、これら直線部分
の形成面内で同一方向に曲率半径Ｒで曲率中心Ｏにおい
てθの角度をなす円弧形状としたものである。

上記円弧状レーストラック型コイルは例えば以下のよ
うな方法で製作される。

第７図に示すように両端部が半円形でこれらの幅が一
様な幅Ｗを有し、該幅の中心線がコイル設計により定め
られた荷電粒子ビームの曲げ角度θの範囲内において、
曲率中心Ｏ点に対し曲率半径Ｒをもった巻型（13）を用
い、該巻型（13）に適当な固定治具により超伝導線材の
巻き初めの一端を固定した後、順次必要な巻数および必
要な層数だけ巻回して円弧状レーストラック型コイル
（11）を製作するものである。

ところで上記コイルを超伝導電磁石として使用する時
にはコイルの線材は自己の磁場によりローレンツ力を受
ける。このため線材の固定が不十分であると線材が動
き、超伝導状態が破壊されて常伝導状態に移行してしま
う。

従ってこれを防止するためにコイル成形の際には通常
線材に張力を加えた状態で巻線を行っている。これを上
記第７図の場合で説明すると、線材に張力を加えて円弧
状の巻型（13）の外周面に巻回する際に外周面の凸面
部、即ちTU,UV,VS部では線材は巻型（13）に一致した形
状となる。ところが外周面の凹面部、即ちST部では線材
に張力が加わっているためにＳ点とＴ点間が直線で張ら
れる状態になるので、線材は巻型（13）のST部から離れ
てしまい目的とするコイル形状を得ることができない。
そこでこれに対処するために次のような方法がある。

先ず〔イ〕線材を１巻する時に一旦ST部を直線に張っ
た後、円弧STと同一の曲率の凸面を有する押型（14）に
より直線状線材をST部に押し付けることでその線材につ
いて必要な円弧形状を得、次にその線材に並べて次の線
材を巻く時は押型（14）を一旦外した後に巻き、その後
再び押型（14）を当てる。以下同様の手順により所定の
巻数だけ線材を巻回した後全体を樹脂等で接着して線材
を互いに固着して円弧状レーストラック型コイルを作製
する方法。

または〔ロ〕任意の層で線材を隙間なく並べて巻回す
るときに線材の厚さ以下の厚さを有する複数の同一形状
の押型（14′）を１巻毎に巻型（13）に押し付け、１層
巻上がる毎に樹脂にて固着する方法。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら上記〔イ〕の方法では線材の次の巻回時
に押型（14）を一旦巻型（13）から外すため線材に緩み
が生じ、これが線材の長手方向に波及してしまう。この
ため線材に張力を加えて巻線を行っても実際には十分な
張力を加えたことにはならず、運転時に不安定性を生ず
る。さらにコイル内部の張力にアンバランスが生ずるの
でコイルユニットに著しい変形が起こり、鉄芯やコイル
フォーマーへの組み込みが困難となる。また押型により
コイル形状が決まるので層数と同じ数の押型が必要であ
ってコストが高い。

また上記〔ロ〕の方法では多数の押型が必要であって
コスト高になると同時に樹脂による固着時間が長くなり
納期が非常に長期化する。

さらに第７図に示す巻型（13）のST部に沿って線材を
固着する別の方法として、特開昭62−169305号公報に外
周に熱硬化性樹脂層を有する線材を加熱ローラーで巻型
に押圧しながら巻回して行く方法が示されているが、こ
の方法では樹脂の硬化時間が必要なため線材に張力を加
えて巻線する場合は製作時間が非常に長くなるので実用
的ではない。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はこれに鑑み種々検討の結果、従来の問題点を
解決し、高性能の円弧状レーストラック型コイルを短期
間かつ低コストで製造する方法を提供するものである。

即ち本発明は円弧状レーストラック型コイルの製造方
法において、線材を直線状レーストラック型コイルに巻
いた後、２本の平行な直線部分にそれぞれ所定の曲率半
径を有する円弧状の凸状押型を当接して同一方向にプレ
ス成形し、同時にコイル両端部の線材をその巻回方向へ
移動させることなく、該コイルの両端部間を張って線材
に張力を加えながら両端部間の距離を減少させることを
特徴とするものである。

〔作用〕

このように直線状のレーストラック型コイルの直線部
分を、これら線材に張力を加えながら該コイルの両端部
間の距離を減少させ、所望の曲率半径を有する２個の凸
状押型で同一方向にプレス成形するのは、所定形状で線
材に張力が作用した状態の円弧状レーストラック型コイ
ルが成形できるからである。

その後このコイルをその形状と線材に加わる張力を保
持した状態でコイル支持構造体に組み込むには、上記成
形に用いた押型やその他の治具を円弧状レーストラック
型コイルから取り外さずに、線材に張力を加えたままで
電磁石に組み込み、これら治具をマグネットの一部とし
て使用することでもよいし、または線材にエポキシプリ
プレグ処理を施した絶縁材を被覆した後上記成形を行
い、その形状と張力状態を維持しながら全体を加熱炉内
に挿入して加熱キュアーした後コイルを取り出し、電磁
石に組み込んでもよい。

また直線部分をプレス成形する際にコイル両端部の線
材をその巻回方向へ移動させないのは以下に示す理由に
より、移動させると円弧部の外周側と内周側の線材でそ
の張力が変化してしまい成形が困難になるばかりか一様
な特性のコイルが得られなくなってしまうからである。

即ち第８図（イ）に示すように中心間距離00がＲ×θ
だけ隔てられた半径ｒの円筒板（２）（３）に厚さｔの
テープ状の導体をｎターン巻回して巻厚さｎ×ｔとした
直線状レーストラック型コイル（５）と、該コイル
（５）を第８図（ロ）に示すように曲率半径Ｒで円筒板
中心Ｏ′,O′と曲率中心O_Sとのなす角度がθとなるよう
にプレス成形した円弧状レーストラック型コイル（11）
についてコイル最内周から任意のターン数ｉ番目の導体
の長さを比較する。なおこのとき便宜上コイル各部には
図のように符号をつける。

第８図（ロ）において内周側の線分Ａ′Ｂ′Ｃ′Ｄ′
の長さＬは次の第１式に示すように第８図（イ）の直線
長さABに等しい。さらに第８図（ロ）の外周側の円弧長
さＥ′Ｈ′は第２式に示すように第８図（イ）の線分EF
GHの長さｌに等しい。

Ｌ＝２×（ｒ＋ｉ×ｔ）×θ/2 ＋（Ｒ−ｒ−ｉ×ｔ）×θ ＝Ｒ×θ＝AB…… ｌ＝２×（ｒ＋ｉ×ｔ）×θ/2＋Ｒ×θ ＝（Ｒ＋ｒ＋ｉ×ｔ）×θ ＝Ｅ′Ｈ′…… 従って円弧部の内周側および外周側の線長はプレス成
形の前後で変化せず、かつ両端部のローラーは回転する
ことはない。

〔実施例〕

次に本発明の一実施例について説明する。

第１図に示すようにベース（１）上に２個の円筒板
（２）（３）を、それらの中心間距離は図示していない
適当な駆動装置により移動可能でそれぞれ周方向に回転
しないように設けた。そして高さ1.8mm×幅1.2mmのNbTi
超伝導線にエポキシ樹脂をプレプリグ処理したガラスク
ロステープを絶縁材として巻付け、線材断面の仕上がり
寸法を高さ1.9mm×幅1.3mmとし、一方の円筒板（２）に
この超伝導線（４）の一端を固定して他方の円筒板
（３）との間で該線材（４）を下方、即ちベース（１）
側から上方へ積層しながら14ターン巻回して第一層とし
た。続いてその上に連続する線材（４）を同じく14ター
ン巻回して第２層を形成し、以下順次第10層まで巻回し
て線材（４）の他端を円筒板（３）に適当な固定具によ
り固定し、直線状レーストラック型コイル（５）を作製
した。

次に第２図に示すように直線状レーストラック型コイ
ル（５）の直線部分（６）（６′）の内側および外側に
連結板（７）で接続された成形用凸型（８）（９）を同
一方向を向けて配置し、さらにこれら凸型（８）（９）
はベース（１）に取り付けられた油圧シリンダー（10）
によりベース（１）上を円筒板（２）（３）のそれぞれ
の中心Ｍ、Ｎを結ぶ線に対して直角に移動可能な構造と
した。

その後油圧シリンダー（10）を作動して凸型（８）
（９）を一体に移動させ、所定の曲率半径を有する凸部
をコイル（５）の直線部分（６）（６′）に当接して徐
々に押圧した。この時同時にコイル（５）を構成する超
伝導線に緩みが生じたり、過大な張力が加わらないよう
に配慮しながら円筒板（２）（３）の中心距離MNを徐々
に減少させ、第３図に示すような曲げ角度60゜の円弧状
レーストラック型コイル（11）に成形た。

しかる後このコイル形状を維持するため、上記ベー
ス、凸型等の治具および図示していない固定治具により
コイル（11）の内外周面を上記形状に固定してから全体
を加熱炉中に挿入し、該コイル（11）を加熱キュアーし
て一体化した。加熱キュアー後は上記治具等は予め離型
処理を施してあるので、容易にコイル単体を取り出すこ
とができ、第４図に示す一体化した円弧状レーストラッ
ク型コイル（11）を得た。

なお本実施例では曲げ角度60゜の円弧状レーストラッ
ク型コイルの製造方法を説明したが、この曲げ角度は０
〜180゜の範囲まで適用可能である。但し曲げ角度が大
きくなった場合、例えば第５図に示すように180゜のと
きにはコイル内側に配置される成形用凸型（８′）はそ
の幅が円筒板の径より小さくなければならないので分割
型になる。

さらに本実施例は平面的な円弧状レーストラック型コ
イルを製作する場合であるが、本発明法によれば第６図
に示すようなコイル両端部が立ち上がった形状の鞍型コ
イル（12）の製造も可能である。

〔発明の効果〕

このように本発明法によれば、直線状のレーストラッ
ク型コイルを円弧状に成形する前後において各層を構成
する線材の周長は不変なので、成形により線材に緩みや
過度の張り等は発生せず安定性の優れた超伝導コイルが
得られる。また各線材の張力を等しくできるのでコイル
全体として変形が少なく寸法精度が優れているため、鉄
芯やフォーマーへの組み込みが容易でさらに鉄芯等との
間隙を小さくできるので運転時において線材の動きが極
めて少なくなり、安定性は一層改善される。さらに成形
用凸型の数が少なく、成形作業が簡単であるため低コス
トおよび短期間でコイル製作が可能になる等工業上顕著
な効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は直線状レーストラック型コイルの巻線方法を示
す説明図、第２図は本発明法の一実施例においてコイル
を円弧状に成形する前を示す平面図、第３図は本発明法
の一実施例においてコイルを円弧状に成形した後を示す
平面図、第４図は円弧状レーストラック型コイルを示す
斜視図、第５図は曲げ角度180゜の場合の円弧状レース
トラック型コイルを示す斜視図、第６図は鞍型コイルを
示す斜視図、第７図は従来方法を示す平面図、第８図
（イ）（ロ）はレーストラック型コイルを円弧状に成形
した際に線長が不変であることを示すための説明図であ
る。 １……ベース 2,3……円筒板材 ４……超伝導線材 ５……直線状レーストラック型コイル 6,6′……直線部分板 ７……連結板 8,8′……内側用成形凸型、 9,9′……成形用凸型 10……油圧シリンダー 11……円弧状レーストラック型コイル 12……鞍型コイル 13……巻型 14,14′……押型

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−55905（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−208206（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−169305（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−183714（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円弧状レーストラック型コイルの製造方法
   において、線材を直線状レーストラック型コイルに巻い
   た後、２本の平行な直線部分にそれぞれ所定の曲率半径
   を有する円弧状の凸状押型を当接して同一方向にプレス
   成形し、同時にコイル両端部の線材をその巻回方向へ移
   動させることなく、該コイルの両端部間を張って線材に
   張力を加えながら両端部間の距離を減少させることを特
   徴とする円弧状レーストラック型コイルの製造方法。