JP4219761B2

JP4219761B2 - 磁場発生装置及びその駆動方法

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Publication number: JP4219761B2
Application number: JP2003270785A
Authority: JP
Inventors: 衛 ▲濱▼田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2023-07-03
Also published as: JP2005026629A

Description

本発明は強い磁場を発生する磁場発生装置に関し、特に主コイルの保持に特徴を有する磁場発生装置及びその駆動方法に関するものである。

磁場発生装置は装置の中央部分に磁場を発生する装置であり、使用目的に応じて装置の中央付近の使用目的に応じた空間に均一な磁場を発生する装置である。磁場発生装置を駆動すると、周辺にも磁界を発生させてしまうので、周辺部分の磁束密度を小さくするために、例えば特許文献１，２に示すように、磁場発生装置の周辺に磁性体である磁気シールドを設けて磁路を形成する構成が用いられている。周辺部分での磁束密度を低減する効果を高めると共に、装置の中央部分での磁束密度の均一性を高めるために、装置の中央部分に出入りする試験体が通過するのに充分な開口部分を有した磁性体である磁極を両端に保有する。しかるに主たる磁場を発生するコイル（以下、主コイルという）と、その周辺を覆う磁気シールドとが中心点から完全に空間的に対称に配置されている場合には、主コイルと磁気シールドの間には電磁力は作用しない。しかし配置が非対称であったり、磁気シールドが非対称形状である場合には、それらの間に電磁力が作用する。通常は何らかの電磁力が発生するため、中央部に配置されている主コイルは主コイル保持部材によって磁気シールドに取付けられている。

しかるに発明者は、磁場発生装置の主コイルと磁気シールドとの位置関係や磁気シールドの形状によっては、磁場発生装置を励磁する際には、それらの間の電磁力の最大値が磁場発生装置の最大運転条件における電磁力よりも大きいことを発見した。即ち電磁力は、主コイルに供給する電流値に比例して直線的に増加するのではない。磁場発生装置を超電導で使用する場合には、発熱を避けるために予定している駆動電流になるまで数分ないし数時間をかけて電流値を徐々に上昇させる。上昇していくにつれて電磁力は増加して一旦ピーク値に達し、その後低下し、予定されている駆動電流ではピーク値よりかなり低い値となる。従って主コイルに生じる電磁力の最大値を支えることができるように、保持部材をあらかじめ選択しておく必要がある。即ち磁場発生装置を最大運転条件だけで使用する場合であっても、保持部材は励磁途中での最大電磁力に耐えるようにする必要がある。

図１は従来の磁場発生装置の主要部の構造を示す図である。本図において、中心のＺ軸に沿って対称に円筒形のコイルスプール１１が形成され、コイルスプール１１に主コイル１２が巻回されている。コイルスプール１１の上下には、円板形の連結部材１３，１４が設けられ、保持部材１５，１６を介して磁気シールド１７に連結される。磁気シールド１７は主コイルの外周部に設けられ、磁路を形成するものである。保持部材１５，１６はコイルスプール１１と磁気シールド１７を機械的に連結する部材を意味しており、棒状、円筒状、紐状、ばね状など機械的に連結する目的を満たすものであればよい。また各保持部材は一体であってもよいし、複数に分割されたものが機械的に連結されているものであってもよい。分割されている場合には保持部材の材質が異なる場合もある。磁気シールド１７は円筒形の主コイル１２を取り囲む複数の円筒によって構成される場合もあり、主コイル１２を完全に覆うように形成される場合もある。又主コイル１２の中心部にはその中心軸に対応する位置に内向きに磁極１７ａ，１７ｂが形成され、中央部の磁束が均一となるように形成されている。上側の磁極１７ａにはイオン等を磁場発生装置に導入するための貫通孔がＺ軸に沿って設けられている。

さて超電導による磁場発生装置においては、発熱を防止するために主コイル１２に流す電流値は数時間かけて徐々に電流値を上昇させていく必要がある。そして通常の使用電流の電流値を８０Ａとすると、その電流値に達するまでに通電によって生じる電磁力は直線的には増加せず、例えば図２に示すように目標値に達するまでにピーク値に達し、その後徐々に低下して所定の電磁力となる。この場合には例えば約５７Ａで電磁力はピーク値の約１１００Ｋｇｆとなり、規定の電流値（８０Ａ）で１８０Ｋｇｆとなる。このようにピーク値が極めて高いため、これによって主コイル１２を保持していく保持部材１５，１６も丈夫なものとしたり、図示のように主コイル１２の上下に設ける必要があった。
特開２０００−３５３６３２号公報特開２００１−３０２３９２号公報

このような磁場発生装置は超電導状態で使用されることが多く、その場合は極めて低温にする必要がある。従って内部の主コイルは低温に保たれるが、主コイルを保持する保持部材等は断熱効果を高めるため、できるだけ少なく、断面積を少なくすることが好ましい。超電導状態で使用しない場合であっても、保持部材は少ないことが好ましい。
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであって、電流値を増加又は減少させている間での電磁力のピークレベルとなるときの電磁力を低下させ、保持部材の構造を簡略化できるようにすることを目的とする。

本願の発明は、中央部に均一な磁束密度の磁場を発生させる磁場発生装置であって、中央部に空間を形成する主コイルと、前記主コイルの外方に設けられ、前記主コイルで発生する磁束の磁路を形成する磁性体からなり、前記主コイルの中心軸に対応する位置にそれぞれ磁極を有する磁気シールドと、前記磁気シールドの内側で前記主コイルの外周部又は前記主コイルの内周部に連結されて配置され、前記主コイルと前記磁気シールドとの間に発生した電磁力を打ち消す方向の電磁力を前記磁気シールドとの間に発生する補助コイルと、前記主コイルを前記磁気シールドの内部に保持する保持部材と、前記主コイルに電流を供給する第１の電源と、前記補助コイルに電流を供給する第２の電源と、を具備することを特徴とする。

この磁場発生装置において、前記主コイルは、当該主コイルの軸方向に沿って磁気シールドの内壁の一方側に近接配置され、前記補助コイルは、前記磁気シールドの内壁の一方側へ前記主コイルの中心部から軸方向に偏って配備されているとよい。
この磁場発生装置において、前記主コイルに発生する電磁力のピークレベルを低下させるべく逆方向の電磁力を補助コイルに発生するために、前記第２の電源は、第１の電源による電流が前記主コイルの最終電流値まで増加する又は最終電流値から減少する際に、該電流変化に連動して補助コイルに対し電流を供給するよう構成されているとよい。

本願の駆動方法は、これらの磁場発生装置において、前記磁場発生装置を励磁する際には、前記第１の電源より前記主コイルに供給する電流値を徐々に上昇させると共に、主コイルに発生する電磁力のピークレベルを低下させるための逆方向の電磁力を補助コイルに発生すべく、前記主コイルの電流値変化に連動して前記補助コイルに前記第２の電源より電流を供給し、前記磁場発生装置の励磁を停止する際には、前記第１の電源より前記主コイルに供給する電流値を徐々に減少させると共に、主コイルに発生する電磁力のピークレベルを低下させるための逆方向の電磁力を補助コイルに発生すべく、前記主コイルの電流値変化に連動して前記補助コイルに前記第２の電源より電流を供給することを特徴とする。

この磁場発生装置の駆動方法において、前記補助コイルに電流を供給する開始点は、前記主コイルの設定された電流で生じる電磁力と同一レベルの電磁力となったときとしてもよい。
また、前記第１の電源の供給電流が最終の電流値となった際には、前記第２の電源による電流供給を停止するとよい。

本発明によれば、主コイルを駆動する際に主コイルに電流を供給する際に補助コイルにも同時に電流を供給し、生じる起電力を減少させることによって全体に加わる電磁力を小さくすることができる。このため主コイルを保持する保持部材を細くしたり、その本数を少なくすることができるという効果が得られる。このため磁場発生装置を超電導で用いる場合には、保持部材から主コイルに熱が伝わりにくくなり、超電導状態を保ち易くなる。又この磁場発生装置を常電導で用いる場合であっても構造部材を少なくすることができ、コストを削減することができるという効果が得られる。

図３は本発明の実施の形態による磁場発生装置の構成を示す断面図である。この実施の形態においても前述した従来例と同様に、円筒形のコイルスプール１１に主コイル１２が巻回されている。そしてコイルスプール１１の上部には円板形の連結部材１３を介して保持部材２１が設けられる。保持部材２１は前述した従来のものよりも断面積を小さく、又本数を少なくすることができる。又この円板形の連結部材１３には図示のようにコイルスプール１１に連結されたコイルスプール２２が設けられ、その内部には補助コイル２３が巻回されている。外周部の磁気シールド１７については従来のものと同様である。そしてこの実施の形態では主コイル１２に電流を供給する第１の電源２４に加えて、補助コイル２３に電流を供給する第２の電源２５を設ける。これらの電流は保持部材２１を介して供給するものとする。

ここで保持部材２１は非磁性体であり、この磁場発生装置を超電導で使用する場合には熱電導率も小さいことが好ましい。又主コイルの変位が小さいことが望ましいため、保持部材のヤング率が大きいことが好ましい。
ここで補助コイル２３は主コイル１２の軸方向に非対称とする。補助コイル２３の中心から磁気シールド１７の内側上面までの距離をＬ１、補助コイル２３の中心から磁気シールド１７の下端面までの距離をＬ２とすると、Ｌ１≠Ｌ２とする必要があり、この例では補助コイル２３を主コイル１２の上端部に設けている。

さて本実施の形態による磁場発生装置の駆動方法について説明する。主コイル１２には図４（ａ）に示すように、第１の電源２４より徐々に電流を増加させる。これによって電磁力は徐々に増加していき、最終の電流値と同一レベルに達する。本実施の形態では例えば最終の駆動電流を８０Ａとすると、この電磁力と同一のレベル、即ち１８Ａとなったときに補助コイル２３に第２の電源２５より電流を供給する。図４（ｂ）はこの補助コイル２３に供給する電流値を主コイル１２への電流値に対応させて同時に表示している。補助コイル２３に電流を供給することによって、主コイル１２に生じる電磁力と逆方向の力を補助コイルより発生させる。こうすることによって主コイル１２を補助コイル２３を合わせたコイルスプールの全体に生じる電磁力は、図４（ａ）の実線のように２００ｋｇｆ以下のレベルを保つ。このように図２に示すピーク値を発生させなくすることができる。そして主コイルに生じる電磁力が８０Ａでの電磁力にほぼ等しくなるように補助コイルに逆方向の起電力を生じさせるように駆動することによって、ピーク値を抑えることができ、保持部材１６をなくし、保持部材２１の断面積を小さなものとすることができる。

こうして既定の電流値、この場合には主コイル１２に供給する電流が所定の電流値（８０Ａ）となれば、補助コイル２３に供給する電流を停止させる。このため補助コイル２３による影響なく主コイル１２の中央部に均一な磁束密度の磁界を発生させることができる。
又、磁場発生装置において駆動を停止する際には、定常電流から徐々に主コイル１２に供給する電流を減少させる必要がある。この場合にもそのまま電流値を減少させると、図２に示すように主コイル１２に大きな電磁力が生じる。このような電磁力を抑えるために、図４（ｂ）に示すように補助コイルに第２の電源２５より徐々に電流を変化させるように供給し、逆方向の電磁力を発生させてピークが生じないように供給する。こうすれば運転を停止する際にも主コイルに生じる起電力を小さくすることができ、保持部材を小型軽量化することができる。

次に本発明の他の実施の形態について説明する。前述した実施の形態１では、補助コイル２３は主コイル１２の上端部外側に取付けた例を示しているが、図５に示すように主コイル１２の内側に補助コイル用のコイルスプール３２と補助コイル３３を取付けるようにしてもよい。３１は主コイルの保持部材である。この場合にも、補助コイル３３の位置は主コイルの中心位置ではなく、軸方向に非対称とする。即ち図５において補助コイル３３と磁気シールド１７の上下の内面との間隔Ｌ１，Ｌ２は、Ｌ１≠Ｌ２とする必要がある。この場合も駆動方法については前述した実施の形態と同様である。

又上部でなく図６（ａ），（ｂ）に概略図を示すように、下部に補助コイル２３，３３を設けてもよい。この場合は補助コイルは主コイル１２の下端部に設けることが好ましい。

本発明に係る磁場発生装置及びその駆動方法は、主コイルに電流を供給して駆動する際に補助コイルにも同時に電流を供給し、生じる起電力を利用することによって全体に加わる電磁力を小さくすることができ、強い磁場を発生する磁場発生装置とその駆動方法に適用できる。

従来の磁場発生装置の一例を示す断面図である。従来の磁場発生装置における駆動電流と電磁力との関係を示すグラフである。本発明の実施の形態による磁場発生装置の構成を示す断面図である。本実施の形態による磁場発生装置の駆動電流と電磁力との関係を示すグラフである。本発明の他の実施の形態による磁場発生装置を示す断面図である。本発明の他の実施の形態による磁場発生装置のコイルの概略図である。

符号の説明

１１，２２，３２コイルスプール
１２主コイル
１３，１４連結部材
１５，１６，２１，３１保持部材
１７磁気シールド
１７ａ，１７ｂ磁極
２３，３３補助コイル
２４第１の電源
２５第２の電源

Claims

中央部に均一な磁束密度の磁場を発生させる磁場発生装置であって、
中央部に空間を形成する主コイルと、
前記主コイルの外方に設けられ、前記主コイルで発生する磁束の磁路を形成する磁性体からなり、前記主コイルの中心軸に対応する位置にそれぞれ磁極を有する磁気シールドと、
前記磁気シールドの内側で前記主コイルの外周部又は前記主コイルの内周部に連結されて配置され、前記主コイルと前記磁気シールドとの間に発生した電磁力を打ち消す方向の電磁力を前記磁気シールドとの間に発生する補助コイルと、
前記主コイルを前記磁気シールドの内部に保持する保持部材と、
前記主コイルに電流を供給する第１の電源と、
前記補助コイルに電流を供給する第２の電源と、を具備することを特徴とする磁場発生装置。
前記主コイルは、当該主コイルの軸方向に沿って磁気シールドの内壁の一方側に近接配置され、
前記補助コイルは、前記磁気シールドの内壁の一方側へ前記主コイルの中心部から軸方向に偏って配備されていることを特徴とする請求項１記載の磁場発生装置。
前記主コイルに発生する電磁力のピークレベルを低下させるべく逆方向の電磁力を補助コイルに発生するために、前記第２の電源は、第１の電源による電流が前記主コイルの最終電流値まで増加する又は最終電流値から減少する際に、該電流変化に連動して補助コイルに対し電流を供給するよう構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の磁場発生装置。
請求項１〜３のいずれか記載の磁場発生装置における駆動方法であって、
前記磁場発生装置を励磁する際には、前記第１の電源より前記主コイルに供給する電流値を徐々に上昇させると共に、主コイルに発生する電磁力のピークレベルを低下させるための逆方向の電磁力を補助コイルに発生すべく、前記主コイルの電流値変化に連動して前記補助コイルに前記第２の電源より電流を供給し、
前記磁場発生装置の励磁を停止する際には、前記第１の電源より前記主コイルに供給する電流値を徐々に減少させると共に、主コイルに発生する電磁力のピークレベルを低下させるための逆方向の電磁力を補助コイルに発生すべく、前記主コイルの電流値変化に連動して前記補助コイルに前記第２の電源より電流を供給することを特徴とする磁場発生装置の駆動方法。
前記補助コイルに電流を供給する開始点は、前記主コイルの設定された電流で生じる電磁力と同一レベルの電磁力となったときであることを特徴とする請求項４記載の磁場発生装置の駆動方法。
前記第１の電源の供給電流が最終の電流値となった際には、前記第２の電源による電流供給を停止することを特徴とする請求項４又は５記載の磁場発生装置の駆動方法。