JP3990089B2

JP3990089B2 - 交流電磁石

Info

Publication number: JP3990089B2
Application number: JP2000095660A
Authority: JP
Inventors: 義雄田邊; 健治香月; 潔和佐藤; 芳治金井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: JP2001284100A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子、陽子、イオンなどのビームを加速する加速器の分野において、加速粒子を偏向させるための交流電磁石に係り、特に導体を巻回した励磁コイルの交流磁場による渦電流損失の低減、製作容易化等を図った交流電磁石に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子、陽子、イオンなどのビームを数十億電子ボルト（数ＧｅＶ）程度の高エネルギ状態まで加速するため、円形や楕円形の加速器が使用されている。この加速器の構成は加速粒子が異なっても原理的には同じであるから、以下、電子用円形加速器を例にとって説明する。
【０００３】
図５は、円形加速器１の概略構成を示す平面図である。この円形加速器は、電子を生成して低エネルギ（例えば数億電子ボルト（数百ＭｅＶ））状態まで加速する線型加速器１００と、超高真空に保持された円形の真空ダクト１０１と、線型加速器１００により加速された電子ビームを真空ダクト１０１まで導く輸送管１００ａとを備えている。
【０００４】
真空ダクト１０１には、通過する電子ビームを偏向させて図５の時計方向に沿う周回軌道を形成させるため所定方向（図５の紙面表から裏へ向かう方向）の磁場を形成する複数の偏向電磁石１０２と、線型加速器１００から入射された電子ビームを数ＧｅＶ程度まで加速する高周波加速空胴１０３と、電子ビームを収束、発散させる各々複数の四極電磁石１０４ａ，１０４ｂと、電子ビームの収束、発散の収差を補正する複数の六極電磁石１０５ａ，１０５ｂなどを介挿してある。
【０００５】
このうち、各偏向電磁石１０２は図５に示すように、円形加速器の内側に曲率中心を有する扇型（セクタータイプ）とされている。なお、図示しないが平面視からみた形状が矩形のレクタンギュラ−タイプの偏向電磁石も知られており、その機能は図示のものと同一である。
【０００６】
図６は、図５に示した偏向電磁石１０２を拡大して示すＸ−Ｘ線縦断面図である。この図６に示すように、偏向電磁石１０２は、真空ダクト１０１を挟んだ状態で通過させ、磁気回路を形成する鉄心１１０と、この鉄心１１０のダクト側の磁極１１０ａと、この磁極片１１０ａに巻回された励磁コイル１１１とを有する。
【０００７】
そして、電子ビームは真空ダクト１０１中の所定の位置、例えば図６に示したＣ点の位置を、同図の紙面裏側から表に向かう方向に進み、これにより図中で磁極１１０ａの上側をＮ極、下側をＳ極とする磁場により偏向を受け、図中で左側に曲がりながら進む。
【０００８】
通常、偏向電磁石１０２は数１０Ｈｚで繰り返し運転されるため、交流磁場による渦電流損失が発生する。この渦電力損失を小さく抑えるため、鉄心１１０には通常０．５ｍｍ厚程度の薄い珪素鋼板が用いられる。また、真空ダクト１０１にも、渦電流が流れにくく抵抗率の大きいステンレス製の薄肉ダクトや、ベローズが用いられる。
【０００９】
さらに、励磁コイル１１１にも、渦電流損失を低減するため、多数の細い素線を撚り合わせたストランド線が用いられている。ストランド線の渦電流損失は素線径が小さいほど小さい。すなわち、同一断面積のストランド線では素線数の多い方が渦電流損失は小さくなる。
【００１０】
図７は、図６に示した励磁コイル１１１を拡大して示す断面図である。ストランド線１２０は有機物の線間絶縁物１２１により線間が電気絶縁され、この線間絶縁されたストランド線を複数回巻回した後、エポキシ含浸等により対地絶縁物１２２が取付けられる。
【００１１】
図８は、図７に示したストランド線１２０をさらに拡大して示す断面図である。ストランド線１２０は、例えば渦電流損失を抑えるためステンレス製とされた冷却管１２５と、この冷却管１２５の周りで撚り合わされたアルミニウム製のストランド素線１２３と、このストランド素線１２３間に含浸されたエポキシなどの充填材１２４と、ストランド線を電気絶縁するための線間絶縁物１２１とから構成される。
【００１２】
アルミニウムは銅に比較して抵抗が大きいため、渦電流損失を減少する目的で、ストランド素線材料に用いられている。また、充填材１２４は、エポキシ含浸等により対地絶縁物１２２を取付けた時、同時に充填されるが、これはストランド素線１２３に発生する通電電流による発熱（ジュール損失）を効率よく冷却管１２５に伝達する役目を果たしている。
【００１３】
なお、偏向電磁石１０２を例にあげて従来技術を説明したが、四極電磁石１０４ａ，１０４ｂおよび六極電磁石１０５ａ，１０５ｂについても、偏向電磁石１０２と同様に、数１０Ｈｚの繰り返しで運転されるため、励磁コイルには偏向電磁石と同一構造のストランド線を用いる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図８に示したストランド線１２０は多数のストランド素線１２３から成るため、例えば磁極長手方向端部で９０度に曲げるとばらばらになり易く、またステンレス製冷却管が中心にあるため曲げ難い等、従来の冷却管を有するホロー導体に比較して巻線がし難い。また、コスト的にもホロー導体に比較して高価であり、さらにストランド線の素線本数が多いほど高価となる。
【００１５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、特に渦電流損失を増大させることなく、従来に比較して構成が簡単で製作等も容易に行える各種の交流電磁石を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、導体を磁極に複数回巻回して励磁コイルとした交流電磁石において、磁極空隙部に近い位置にある励磁コイルを、多数の素線を撚り合わせたストランド線により構成し、磁極空隙部から離れた位置にある励磁コイルを、ホロー導体により構成したことを特徴とする交流電磁石を提供する。
【００１７】
本発明によれば、磁極空隙部から離れた位置は磁極からの漏洩磁場が少なく、この部分にホロー導体を用いても渦電流損失は増加せず、全てをストランド線にした場合とほぼ同一の渦電流損失を維持することができ、しかも励磁コイルの製作を容易に行うことができる。また、ホロー導体の方が電流密度を大きくとることができるため、ホロー導体の断面は小さくてよく、励磁コイルを小型化することができる。
【００１８】
請求項２記載の発明では、多数の素線を撚り合わせたストランド線を複数回磁極に巻回した励磁コイルを有する交流電磁石において、前記ストランド線の素線数を、磁極空隙部から離れるに従って減少させたことを特徴とする交流電磁石を提供する。
【００１９】
本発明によれば、磁極空隙部から離れた位置に素線本数の少ないストランド線を用いたことにより、渦電流損失を増加させることがなく、全てを素線本数の多いストランド線にした場合とほぼ同一の渦電流損失とすることができ、しかも励磁コイルの製作を容易に行うことができる。
【００２０】
請求項３記載の発明では、多数の素線を撚り合わせたストランド線を複数回磁極に巻回した励磁コイルを有する交流電磁石において、磁極空隙部に近い位置のストランド線の素線材料をアルミニウムとし、磁極空隙部から離れた位置のストランド線の素線材料を銅としたことを特徴とする交流電磁石を提供する。
【００３６】
請求項４記載の発明では、磁極のコイル巻回用先端部を切り欠き、この切り欠きにより生じた空間で前記磁極とこれに巻回したストランド線から成る励磁コイルとを離間させたことを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の交流電磁石を提供する。
【００３７】
本発明によれば、磁極先端を離すことにより、ストランド線への漏洩磁場が小さくなり、渦電流損失の少ない交流電磁石とすることができる。
【００３８】
請求項５記載の発明では、磁極に巻回されるストランド線のうち、磁極先端部に位置するストランド線を、その磁極から離間させて形成した励磁コイルを有することを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の交流電磁石を提供する。
【００３９】
本発明によれば、磁極先端部のストランド線を磁極から離間させたことにより、ストランド線への漏洩磁場が小さくなり、渦電流損失の少ない交流電磁石となる。
【００４０】
請求項６記載の発明では、磁極のコイル巻回用先端部を切り欠き、この切り欠きにより生じた空間で前記磁極とこれに巻回したストランド線から成る励磁コイルとを離間させる一方、前記磁極に巻回されるストランド線のうち、磁極先端部に位置するストランド線も、その磁極から離間させて形成した励磁コイルとすることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の交流電磁石を提供する。
【００４１】
本発明によれば、磁極先端をストランド線から離間させ、かつ磁極先端部のストランド線を磁極から離間させることにより、ストランド線への漏洩磁場が小さくなり、渦電流損失の少ない交流電磁石となる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る交流電磁石の実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。なお、以下の実施形態で説明する交流電磁石は図５に示した円形加速器等に適用される偏向電磁石、回極電磁石、六極電磁石等についてのものであり、各図において同一または相当部分には同一符号を付して説明する。
【００４３】
第１実施形態（図１）
図１は本発明の第１実施形態に係る励磁コイル１１１の断面図である。
【００４４】
この励磁コイル１１１は、全体として図１０に示した従来構成とほぼ同様のものであり、図１０をそのまま参照して同図と同一部分については説明を省略する。この励磁コイル１１１は、ストランド線１２０と、ホロー導体１３０と、線間絶縁物１２１と、対地絶縁物１２２とから成っている。
【００４５】
図１においては下側部分が磁極空隙部に近い部分であり（図１０参照）、この部分では漏洩磁場も大きいので、ストランド線１２０が用いられている。
【００４６】
これに対し、図１の上側部分は磁極空隙部から離れた部分であり、漏洩磁場が殆どない。そこで、この上側部分には、ホロー導体１３０が用いられている。
【００４７】
このような構成の本実施形態によると、渦電流損失はほとんど増加しないが、導体の全てをストランド線とした場合に比較して、ホロー導体１３０の採用によって励磁コイル１１１の製作を容易に行うことができる。
【００４８】
また、ホロー導体１３０は通電電流密度を大きくできるため励磁コイル１１１をコンパクト化することができ、これにより、鉄心１１０もコンパクトな構成とすることができる。
【００４９】
第２実施形態（図２）
図２は本発明の第２実施形態に係る励磁コイル１１１の断面図である。
【００５０】
この励磁コイル１１１は、ストランド線１２０ａと、このストランド線１２０ａよりも素線数が少ないストランド線１２０ｂと、このストランド線１２０ｂよりもさらに素線数の少ないストランド線１２０ｃと、線間絶縁物１２１と、対地絶縁物１２２とから成っている。この図２においても、下側が磁極空隙部に近い部分であり、漏洩磁場も大きいので、素線数の多いストランド線１２０ａを用いるが、上側になるにしたがって漏洩磁場が小さくなるため、これらの部分では素線数の少ないストランド線１２０ｂ、素線数のさらに少ないストランド線１２０ｃを用いている。
【００５１】
したがって、本実施形態によっても、渦電流損失はほとんど増加することなく、かつ巻回容易な線数の少ないストランド線を用いることにより、励磁コイル製作を容易に行えるようになる。
【００５２】
なお、本実施形態において、例えば、ストランド線１２０ａ，１２０ｂの素線材料は抵抗率の大きなアルミニウムとし、ストランド線１２０ｃの素線材料はアルミニウムより抵抗率の小さい銅とすることが望ましい。このような材質構成とすれば、前述したように、渦電流損失は殆ど増大させることなく、励磁コイルの抵抗を小さくすることができるので、励磁電源容量およびジュール損失による発熱を除去する冷却装置容量を小さくすることができる。
【００６９】
第３実施形態（図３）
図３は本発明の第３実施形態による偏向電磁石１０２を示す断面図である。
【００７０】
この偏向電磁石１０２は、真空ダクト１０１を挟んだ状態で通過させ、磁気回路を形成する鉄心１１０と、この鉄心１１０のダクト側の両端を切り欠いた対向する磁極１１０ｂと、これらの磁極片１１０ｂに巻回された励磁コイル１１１とを有する。
【００７１】
従来技術では、磁極の空隙部に面する部分の両端から励磁コイル１１１への漏洩磁場が大きく、したがって渦電流損失が局所的に大きかった。これに対し、本実施形態によれば、磁極１１０ｂの両先端を切り欠いた形状とすることにより、漏洩磁場が励磁コイル１１１側へ行き難くなり、局所的渦電流損失を低減することができる。
【００７２】
第４実施形態（図４）
図４は本発明の第４実施形態による偏向電磁石１０２を示す断面図である。
【００７３】
この偏向電磁石１０２は、真空ダクト１０１を挟んだ状態で対向する磁極１１０ａを有する鉄心１１０と、この鉄心１１０の磁極片１１０ａに巻回された磁極先端側が欠けた励磁コイル１１１ａとを有している。
【００７４】
従来技術では、磁極の空隙部に面する部分の両端から励磁コイルへの漏洩磁場が大きく、したがって渦電流損失が局所的に大きかったのに対し、本実施形態によれば、磁極先端部を切り欠いた励磁コイル１１１ａとしたことにより、漏洩磁場が励磁コイル側へ行き難くなり、局所的渦電流損失を低減することができる。
【００７５】
なお、鉄心１１０のダクト側の両端を切り欠いた磁極１１０ｂと、この磁極１１０ｂの片部に巻き回された磁極先端側を切り欠いた励磁コイル１１１ａとの両者を兼ね備えた構成とした場合には、さらに局所的渦電流損失の低減が図れる。
【００７６】
【発明の効果】
以上で詳述したように、本発明によれば、偏向電磁石、四極電磁石、六極電磁石などの交流電磁石の渦電流損失を増大することなく、ストランド線を巻回した励磁コイルをコンパクトな構成にすることができ、しかも製作も容易に行えるようになる。また、ストランド線自体のコスト、および励磁コイルの巻線コスト等も低減できるため、信頼性を損なうことなく、廉価な交流電磁石を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による励磁コイルを示す断面図。
【図２】本発明の第２実施形態による励磁コイルを示す断面図。
【図３】本発明の第３実施形態による偏向電磁石を示す断面図。
【図４】本発明の第４実施形態による偏向電磁石を示す断面図。
【図５】従来の円形加速器の電磁石配置を示す概略構成図。
【図６】図５中のＸ−Ｘ線に沿う偏向電磁石の断面図。
【図７】従来の励磁コイルを示す断面図。
【図８】従来のストランド線を示す断面図。
【符号の説明】
１円形加速器
１００線型加速器
１００ａ輸送管
１０１真空ダクト
１０２偏向電磁石
１０３高周波加速空胴
１０４ａ，１０４ｂ四極電磁石
１０５ａ，１０５ｂ六極電磁石
１１０鉄心
１１０ａ磁極
１１０ｂ両端を切り欠いた磁極
１１１励磁コイル
１１１ａ磁極先端部を切り欠いた励磁コイル
１２０，１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃストランド線
１２１線間絶縁物
１２２対地絶縁物
１２３ストランド素線
１２４充填材
１２５冷却管
１２６ストランド素線
１３０ホロー導体

Claims

導体を磁極に複数回巻回して励磁コイルとした交流電磁石において、磁極空隙部に近い位置にある励磁コイルを、多数の素線を撚り合わせたストランド線により構成し、磁極空隙部から離れた位置にある励磁コイルを、ホロー導体により構成したことを特徴とする交流電磁石。
多数の素線を撚り合わせたストランド線を複数回磁極に巻回した励磁コイルを有する交流電磁石において、前記ストランド線の素線数を、磁極空隙部から離れるに従って減少させたことを特徴とする交流電磁石。
多数の素線を撚り合わせたストランド線を複数回磁極に巻回した励磁コイルを有する交流電磁石において、磁極空隙部に近い位置のストランド線の素線材料をアルミニウムとし、磁極空隙部から離れた位置のストランド線の素線材料を銅としたことを特徴とする交流電磁石。
磁極のコイル巻回用先端部を切り欠き、この切り欠きにより生じた空間で前記磁極とこれに巻回したストランド線から成る励磁コイルとを離間させたことを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の交流電磁石。
磁極に巻回されるストランド線のうち、磁極先端部に位置するストランド線は、その磁極から離間させて形成した励磁コイルを有することを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の交流電磁石。
磁極のコイル巻回用先端部を切り欠き、この切り欠きにより生じた空間で前記磁極とこれに巻回したストランド線から成る励磁コイルとを離間させる一方、前記磁極に巻回されるストランド線のうち、磁極先端部に位置するストランド線も、その磁極から離間させて形成した励磁コイルとすることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の交流電磁石。