JP4769301B2 - Pulse magnetization of bulk superconductors - Google Patents

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Description

本発明は、バルク超電導体に着磁を行って永久磁石にするための、バルク超電導体のパルス着磁法に関する。   The present invention relates to a pulse magnetization method of a bulk superconductor for magnetizing a bulk superconductor to make a permanent magnet.

高温超電導体が発見されて、バルク(塊)超電導体という新しい材料形態での応用分野が開拓されてきた。これまでの金属超電導体では、絶対零度付近の極低温での応用に限られていた。即ち、これまでの金属超電導体では、材料の比熱が低すぎて、バルクでの応用はできず、線材か薄膜のような形態でのみ応用が実現されてきた。それに対して、高温超電導体は、使用温度が液体窒素沸点程度と高く、比熱が格段に高くなるので、超電導体の不安定性があまり生じず、超電導体をバルクで応用することができるようになった。そして、最も期待されているのは、着磁を行って、永久磁石の代りに使う応用分野である。通常の永久磁石では、せいぜい数百mT(テスラ)(数千G(ガウス))の磁束密度しか発生できないが、バルク超電導体では17Tという高い磁束密度をも発生させることに成功している。   The discovery of high-temperature superconductors has pioneered application fields in the form of new materials called bulk superconductors. Conventional metal superconductors have been limited to applications at cryogenic temperatures near absolute zero. In other words, conventional metal superconductors have a material with too low specific heat and cannot be applied in bulk. Applications have been realized only in the form of wires or thin films. In contrast, high temperature superconductors have a high operating temperature of about the boiling point of liquid nitrogen and the specific heat is remarkably high, so that the instability of the superconductor does not occur so much and the superconductor can be applied in bulk. It was. What is most expected is an application field in which magnetizing is performed in place of a permanent magnet. A normal permanent magnet can generate a magnetic flux density of several hundreds mT (Tesla) (thousands of G (Gauss)) at most, but a bulk superconductor has succeeded in generating a magnetic flux density as high as 17T.

例えば、下記の非特許文献1では、高温バルク超電導体に、29Kで17Tの磁束密度を発生させることに成功している。この磁束密度の達成は、磁場中冷却という手法で行われている。つまり、バルク超電導体を臨界温度よりも高い温度にしておき、外部から超電導磁石を用いて高い磁束密度を与える。この状態で、バルク超電導体を冷却して(磁場中冷却)超電導状態にし、磁束密度を保つようにさせる。しかし、この方法では、着磁の際にいつも大きな超電導磁石を必要とする欠点がある。従って、より簡便な着磁方法が望まれている。
M.Tomita and M.Murakami, Nature, vol. 421, pp. 517 - 520 (2003)
For example, in the following Non-Patent Document 1, a high-temperature bulk superconductor has been successfully generated with a magnetic flux density of 17 T at 29K. This magnetic flux density is achieved by a technique called cooling in a magnetic field. That is, the bulk superconductor is set to a temperature higher than the critical temperature, and a high magnetic flux density is given from the outside using a superconducting magnet. In this state, the bulk superconductor is cooled (cooled in a magnetic field) to be in a superconducting state so that the magnetic flux density is maintained. However, this method has a drawback that a large superconducting magnet is always required for magnetization. Therefore, a simpler magnetization method is desired.
M.Tomita and M.Murakami, Nature, vol. 421, pp. 517-520 (2003)

簡便に磁束密度をバルク超電導体に発生させる方法として、パルス着磁が注目されてきている(例えば、特許文献1参照)。この方法は、バルク超電導体付近の銅コイルに、パルス電流を流して着磁する方法である。この方法では、超電導磁石に比べて簡便な装置で着磁できる利点があるものの、着磁される磁束密度の大きさは、数T程度と磁場中冷却に比べて低いことが問題とされている。小さい捕捉磁束密度の原因は、超電導体に磁束密度を外部から着磁させるときに、パルス状であるために磁束線の動きが速く、磁束線の動きに伴う発熱が大きく、そのために超電導体の温度が一瞬高くなり、磁束を補足する力が弱まり、一度内部に入った磁束が、パルス磁場の減少と共に捕捉できずに外部に抜け出てしまうためである。つまり、発熱を抑える工夫が必要である。そこで、発生した熱を効率的に取り除く工夫が提案されている(特許文献2と3参照)。この方法では、リング状にした銅によって厚みのある円盤型のバルク超電導体を挟み熱を逃す工夫をしているが、しかし、達成される磁束密度が未だ十分ではない。
特開平10−154620号公報 特開2004−319797号公報 特開2005−294471号公報
As a method for easily generating a magnetic flux density in a bulk superconductor, pulse magnetization has been attracting attention (see, for example, Patent Document 1). This method is a method in which a pulse current is passed through a copper coil near the bulk superconductor to magnetize it. Although this method has the advantage that it can be magnetized by a simple device compared to a superconducting magnet, the magnitude of the magnetic flux density to be magnetized is about several T, which is lower than cooling in a magnetic field. . The cause of the small trapped magnetic flux density is that when the magnetic flux density is magnetized from the outside to the superconductor, the movement of the magnetic flux lines is fast because it is pulsed, and the heat generated by the movement of the magnetic flux lines is large. This is because the temperature increases for a moment, the force for supplementing the magnetic flux is weakened, and the magnetic flux once entering the interior cannot be captured with the decrease of the pulse magnetic field and escapes to the outside. That is, a device for suppressing heat generation is necessary. Therefore, a device for efficiently removing generated heat has been proposed (see Patent Documents 2 and 3). In this method, a thick disk-type bulk superconductor is sandwiched between ring-shaped coppers to release heat, but the achieved magnetic flux density is still insufficient.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-154620 JP 2004-319797 A JP 2005-294471 A

本発明は、バルク超電導体を電導体として使用するのではなく、非常に大きな磁力を持つ永久磁石として使用するために、簡便なパルス着磁法により、バルク超電導体を効率良く着磁する方法を提供することを目的とするものである。   The present invention provides a method for efficiently magnetizing a bulk superconductor by a simple pulse magnetizing method in order to use a bulk superconductor as a permanent magnet having a very large magnetic force, rather than using the bulk superconductor as a conductor. It is intended to provide.

本発明のうち出願当初の請求項1(以下「請求項1」等という。)に記載された発明は、バルク超電導体をパルス着磁法によって着磁させるに際し、バルク超電導体の上部及び/又は下部に銅材を配置することを特徴とするバルク超電導体のパルス着磁法である。例えば、バルク超電導体の冷却に冷凍機による直接冷却を行っている場合には、バルク超電導体の上部又は下部から冷却している場合が多いので、その冷却に使用する銅材の形状を変えることが考えられる。また側面から冷却している場合には、バルク超電導体の上面及び/又は下面に銅材を配置すれば良い。   The invention described in claim 1 (hereinafter referred to as “Claim 1”, etc.) at the time of filing of the present invention is that when the bulk superconductor is magnetized by the pulse magnetization method, the upper part of the bulk superconductor and / or This is a pulse magnetization method of a bulk superconductor characterized in that a copper material is disposed in the lower part. For example, when direct cooling by a refrigerator is used to cool the bulk superconductor, it is often cooled from the top or bottom of the bulk superconductor, so change the shape of the copper material used for the cooling. Can be considered. When cooling from the side, a copper material may be disposed on the upper surface and / or the lower surface of the bulk superconductor.

本発明のうち請求項2に記載された発明は、銅材の厚みを変化させて、着磁を制御することを特徴とする請求項1に記載のバルク超電導体のパルス着磁法である。   Of the present invention, the invention described in claim 2 is the pulse magnetization method of the bulk superconductor according to claim 1, wherein the magnetization is controlled by changing the thickness of the copper material.

本発明のうち請求項3に記載された発明は、バルク超電導体が円盤型であり、銅材が円盤状である請求項1又は2に記載のバルク超電導体のパルス着磁法である。   The invention described in claim 3 of the present invention is the pulse magnetization method of a bulk superconductor according to claim 1 or 2, wherein the bulk superconductor is a disk type and the copper material is a disk shape.

本発明のうち請求項4に記載された発明は、バルク超電導体が粉末の希土類123酸化物超電導体を含有する請求項1〜3いずれか1つに記載のバルク超電導体のパルス着磁法である。   According to a fourth aspect of the present invention, the bulk superconductor includes a powdered rare earth 123 oxide superconductor. The bulk superconductor pulse magnetizing method according to any one of the first to third aspects is provided. is there.

本発明のうち請求項5に記載された発明は、バルク超電導体に直接接触しているか又は熱的に接続されて配置されている請求項1〜4いずれか1つに記載のバルク超電導体のパルス着磁法である。   The invention described in claim 5 of the present invention is the bulk superconductor according to any one of claims 1 to 4 arranged in direct contact with or thermally connected to the bulk superconductor. This is a pulse magnetization method.

本発明のうち請求項6に記載された発明は、銅材の形状がバルク超電導体の上下面で異なることを特徴とする請求項1〜5いずれか1つに記載のバルク超電導体のパルス着磁法である。   The invention described in claim 6 of the present invention is characterized in that the shape of the copper material is different between the upper and lower surfaces of the bulk superconductor, and the pulse arrival of the bulk superconductor according to any one of claims 1 to 5 Magnetic method.

本発明のうち請求項7に記載された発明は、銅材が銅板である請求項1〜6いずれか1つに記載のバルク超電導体のパルス着磁法である。   According to a seventh aspect of the present invention, the copper material is a copper plate. The bulk superconductor pulse magnetizing method according to any one of the first to sixth aspects.

本発明のうち請求項8に記載された発明は、バルク超電導体及び銅材の周囲に励磁用のコイルを配置する請求項1〜7いずれか1つに記載のバルク超電導体のパルス着磁法である。   Of the present invention, the invention described in claim 8 is the pulse superposition method of the bulk superconductor according to any one of claims 1 to 7, wherein an exciting coil is arranged around the bulk superconductor and the copper material. It is.

本発明によると、パルス着磁法でバルク超電導体に着磁する磁束密度の大きさを大きくできる。
本発明の方法によるパルス着磁法では、磁束線の運動が制御され、磁束線の運動に伴う発熱が抑えられ、着磁の効果が向上する。また、本発明においては、銅材の厚みを変化させることによって、磁束線の運動を細かく制御し、着磁の効果を向上させることができる。
According to the present invention, the magnitude of the magnetic flux density magnetized in the bulk superconductor by the pulse magnetization method can be increased.
In the pulse magnetization method according to the method of the present invention, the movement of the magnetic flux lines is controlled, the heat generated by the movement of the magnetic flux lines is suppressed, and the magnetization effect is improved. Further, in the present invention, by changing the thickness of the copper material, the movement of the magnetic flux lines can be finely controlled, and the effect of magnetization can be improved.

パルス着磁の方法を示す図である。It is a figure which shows the method of pulse magnetization. 有限要素法におけるモデルを示す図である。It is a figure which shows the model in a finite element method. 有限要素法で数値シミュレーションを行うモデル及び計算例を示す図である。It is a figure which shows the model and calculation example which perform a numerical simulation with a finite element method. 有限要素法で数値シミュレーションを行うモデル及び計算例を示す図である。It is a figure which shows the model and calculation example which perform a numerical simulation with a finite element method. 磁束の侵入深さの時間依存性のシミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the simulation of the time dependence of the penetration depth of magnetic flux. 本発明において、バルク超電導体の上面と下面に、厚さの異なる銅板を配置した状態を示す図である。In this invention, it is a figure which shows the state which has arrange | positioned the copper plate from which thickness differs on the upper surface and lower surface of a bulk superconductor.

符号の説明Explanation of symbols

1 周辺部と中央部で厚さの異なる銅板
2 バルク超電導体
1 Copper plate with different thickness at the periphery and center 2 Bulk superconductor

バルク超電導体とは、酸化物超電導体の利用形態の一つであり、一塊(バルク状)の超電導体を意味する。一般にバルク超電導体を磁化する(磁石にする)場合には、強い磁力を出す超電導コイルの中で冷却し着磁を行うが、高価な超電導コイルを必要とする。これは、前述のように磁場中冷却という。これに対し、パルス着磁法は、安価な銅線を使ったパルスコイルを用いて行うことができる。例えば、パルス着磁法は、バルク超電導体を氷点下230〜250度前後に冷やし、約10ミリ秒の強いパルス磁場を当てることで、バルク超電導体に磁束密度を捕捉させ強力な磁石(4〜5T程度)にすることができる。強いパルス磁場を与えると瞬間的に強い磁束密度が侵入するものの、バルクが急激に発熱する。温度上昇によりバルク超電導体の超電導特性が悪くなるため、磁束密度が逃げ、最終的に捕捉される磁束密度も小さくなる。   A bulk superconductor is one of the utilization forms of an oxide superconductor, and means a bulk (bulk) superconductor. In general, when a bulk superconductor is magnetized (made a magnet), it is cooled and magnetized in a superconducting coil that produces a strong magnetic force, but an expensive superconducting coil is required. This is called cooling in a magnetic field as described above. On the other hand, the pulse magnetization method can be performed using a pulse coil using an inexpensive copper wire. For example, in the pulse magnetization method, a bulk superconductor is cooled to around 230 to 250 degrees below freezing point and a strong pulse magnetic field of about 10 milliseconds is applied to cause the bulk superconductor to capture the magnetic flux density (4 to 5 T). Degree). When a strong pulse magnetic field is applied, a strong magnetic flux density instantaneously invades, but the bulk rapidly generates heat. Since the superconducting characteristics of the bulk superconductor deteriorate due to temperature rise, the magnetic flux density escapes and the finally captured magnetic flux density also decreases.

このように、パルス着磁法による磁束密度が低い原因が発熱であるため、本発明では発熱そのものを抑える工夫を行う。そしてこのために、本発明は、バルク超電導体をパルス着磁法によって着磁させるに際し、バルク超電導体の上部及び/又は下部に銅材を配置することを特徴とするものである。バルク超電導体の上部又は下部、あるいは上部と下部の両方に、例えば、銅板等の銅材を配置してパルス着磁を行うと、磁束線の運動が制御され、磁束線の運動に伴う発熱が抑えられ、着磁の効果が向上するものである。本発明においては、銅材の厚みを変化させることによって、磁束線の運動を細かく制御し、着磁の効果を向上させることができる。   As described above, since the cause of the low magnetic flux density by the pulse magnetization method is heat generation, the present invention is devised to suppress the heat generation itself. For this purpose, the present invention is characterized in that when the bulk superconductor is magnetized by the pulse magnetization method, a copper material is disposed on the upper and / or lower portions of the bulk superconductor. For example, if pulsed magnetization is performed by placing a copper material such as a copper plate on the upper or lower part of the bulk superconductor or both the upper and lower parts, the movement of the magnetic flux lines is controlled, and the heat generated by the movement of the magnetic flux lines It is suppressed and the effect of magnetization is improved. In the present invention, by changing the thickness of the copper material, it is possible to finely control the movement of the magnetic flux lines and improve the magnetization effect.

バルク超電導体のパルス着磁においては、磁束線の動きが速すぎるために発熱するのであるから、磁束線の動きをゆっくりとさせる必要があると考えられる。磁束線の変化を遅くするには、大きなコイルと大きなコンデンサーバンクを準備すれば良いが、それでは着磁装置が大掛かりになり過ぎて、簡便に着磁するという目的を達成することができない。そこで、本発明では、バルク超電導体の上部又は下部、あるいは上下部両方に銅材、例えば銅板を配置する。この銅板があることにより、パルス磁場の急激な変化に対して、銅板にその磁束密度の増加を妨げるように遮蔽電流が流れ、従って磁束線の運動が格段にゆっくりとなり、バルク超電導体での発熱を抑えることができる。なお銅板では、バルク超電導体で発生した熱を逃すという効果ももちろん期待できる。   In pulsed magnetization of a bulk superconductor, heat is generated because the movement of magnetic flux lines is too fast, so it is considered necessary to make the movement of magnetic flux lines slow. In order to slow the change of the magnetic flux lines, a large coil and a large capacitor bank may be prepared. However, the magnetizing device becomes too large, and the purpose of easily magnetizing cannot be achieved. Therefore, in the present invention, a copper material, for example, a copper plate, is disposed on the upper or lower part of the bulk superconductor or on both the upper and lower parts. Due to the presence of this copper plate, a shield current flows through the copper plate to prevent the magnetic flux density from increasing due to a sudden change in the pulse magnetic field, and hence the movement of the magnetic flux lines becomes much slower, and heat is generated in the bulk superconductor. Can be suppressed. Of course, the copper plate can also be expected to release heat generated by the bulk superconductor.

磁束線の移動速度は、銅材、例えば銅板の厚さを変えることによって制御が可能である。例えば、表面付近は磁束線の移動速度を速くしたいのであれば、その付近の銅板の厚さを薄くすることにより、遮蔽効果が小さくなり、結果として磁束線の移動速度は速くなる。更にバルクの中心付近では磁束線の移動速度を遅くしたいのであれば、中心付近では銅板の厚さを厚くしておく。これにより遮蔽電流による遮蔽効果が大きくなり、磁束線はゆっくりと移動することになるので、磁束密度を上げるのには不利ではあるが、発熱を抑えることができる。従って、本発明では、銅材の厚みを変化させて、着磁を制御する方法も好ましい。   The moving speed of the magnetic flux lines can be controlled by changing the thickness of a copper material, for example, a copper plate. For example, if it is desired to increase the moving speed of the magnetic flux lines near the surface, the shielding effect is reduced by reducing the thickness of the copper plate in the vicinity, and as a result, the moving speed of the magnetic flux lines is increased. Further, if it is desired to reduce the moving speed of the magnetic flux lines near the center of the bulk, the thickness of the copper plate is increased near the center. As a result, the shielding effect by the shielding current is increased, and the magnetic flux lines move slowly. Therefore, although it is disadvantageous for increasing the magnetic flux density, heat generation can be suppressed. Therefore, in the present invention, a method of controlling the magnetization by changing the thickness of the copper material is also preferable.

実際の着磁に際しては、何回かパルス磁場を印加することにより、徐々にバルク超電導体に磁束線を侵入させる方法が取られている。その際に、本発明の方法によって発熱が少ないと、捕捉することのできる磁束密度が十分に高くなり、効率的に着磁ができるものと考えられる。   In actual magnetization, a method of gradually injecting magnetic flux lines into the bulk superconductor by applying a pulse magnetic field several times is employed. At that time, if heat generation is small by the method of the present invention, it is considered that the magnetic flux density that can be captured is sufficiently high and magnetization can be performed efficiently.

本発明において用いられるバルク超電導体は、次の様なものである。即ち、溶融法で作られたY−123(イットリウム123)に代表されるRE−123(RE=希土類)を材料として、バルク(塊)状の超電導体を作製するものである。具体的には、原材料を混ぜて、通常は錠剤型に成形し、中心に種結晶を置き、1000度を超える温度で溶融し、結晶配向をさせる。現在では、直径10cm、高さ3cmほどのほぼ単結晶のバルク超電導体が作られている。バルク超電導体は、薄膜や線材に比べて断面積を大きく取ることができることから、臨界電流を数1000Aに設定することができる。   The bulk superconductor used in the present invention is as follows. That is, a bulk superconductor is produced using RE-123 (RE = rare earth) represented by Y-123 (yttrium 123) produced by a melting method. Specifically, the raw materials are mixed, usually formed into a tablet shape, a seed crystal is placed in the center, and melted at a temperature exceeding 1000 degrees to cause crystal orientation. At present, almost single crystal bulk superconductors having a diameter of 10 cm and a height of 3 cm have been made. Since the bulk superconductor can have a larger cross-sectional area than a thin film or wire, the critical current can be set to several thousand A.

なお、実施例において用いた有限要素法(Fine Element Method、FEM)は数値解析の手法の一つとして広く知られている方法であり、解析対象領域を「有限要素」と呼ばれる比較的単純な形状の多数の副領域に空間分割し、各要素上で、求めたい未知変数を比較的簡単な関数、例えば一次関数で近似する方法である。そして、各要素上で、求めたいポテンシャルを近似関数で展開し、変分原理を用いて解析対象内のエネルギ−が最小となるようにポテンシャルを求める方法である。この有限要素法は、電磁場構造解析においても良く用いられる手法である(例えば、中田、高橋「電気工学の有限要素法」(森北出版 1982)や菊地「有限要素法概説」(サイエンス社 1980)参照)。   The finite element method (FEM) used in the embodiment is a widely known method of numerical analysis, and the analysis target region is a relatively simple shape called “finite element”. Is divided into a large number of sub-regions, and an unknown variable to be obtained is approximated by a relatively simple function such as a linear function on each element. Then, on each element, the potential to be obtained is expanded by an approximate function, and the potential is obtained by using the variational principle so that the energy in the analysis target is minimized. This finite element method is a technique often used in electromagnetic field structural analysis (see, for example, Nakata, Takahashi “Finite Element Method of Electrical Engineering” (Morita Publishing 1982) and “Overview of Finite Element Method” (Science 1980). ).

粉末のY−123(イットリウム123)酸化物超電導体を原料として、従来公知の溶融法で作製される単結晶状のバルク超電導体について本発明方法を検証する。検証のために、上記有限要素法を用いた数値計算シミュレーションを行った。直径が100mm、厚みが10mmの円盤型の超電導体に、外部から磁束密度を1秒で2Tほど増加させるパルス磁場を印加する。この様子を図1に示した。図1に示したように、超電導体に、パルスマグネットを用いて、矢印の方向にパルス磁場を印加する。   Using the powdered Y-123 (yttrium 123) oxide superconductor as a raw material, the method of the present invention is verified for a single crystal bulk superconductor produced by a conventionally known melting method. For the verification, a numerical simulation using the finite element method was performed. A pulse magnetic field is applied to a disc-shaped superconductor having a diameter of 100 mm and a thickness of 10 mm from the outside to increase the magnetic flux density by about 2T in 1 second. This is shown in FIG. As shown in FIG. 1, a pulse magnetic field is applied to the superconductor in the direction of the arrow using a pulse magnet.

この時の外部と内部の磁束密度を、有限要素法を用いて計算した。今回は計算が複雑になるために、磁束の運動による発熱の効果は無視している。パルス磁場は、約100ミリ秒間のパルス磁場を印加し、時間間隔を設けて、複数回同様にパルス磁場を印加する。多少の発熱は、時間間隔を設けているので、温度上昇の累積は無視できる。着磁は飽和するまで順次累積されると共に、より内部へと侵入する。   The external and internal magnetic flux densities at this time were calculated using the finite element method. Since the calculation is complicated this time, the effect of heat generated by the movement of magnetic flux is ignored. As the pulse magnetic field, a pulse magnetic field of about 100 milliseconds is applied, and a pulse magnetic field is applied in the same manner a plurality of times with a time interval. Some heat generation has a time interval, so the accumulation of temperature rise is negligible. Magnetization is sequentially accumulated until saturation and further penetrates into the interior.

図2に、上記計算例で用いた有限要素法におけるモデルを示した。円盤型の超電導体について対称性から、また、シミュレーションの数値計算時間を短縮する目的で、1度(°)のものを切り出し、これのみをモデルとして使用した。当然、全部(360°)をモデル化した場合と同じ計算結果を得ることができる。図2に示したように、薄いバルク超電導体円盤の周りに空気層があり、全体が空気層で囲まれている形状となる。このように対称性の高い形状の場合には、角度1度分だけを取り出してモデルを作り、有限要素法によりシミュレーションをすると、計算量を大幅に削減することができる。   FIG. 2 shows a model in the finite element method used in the above calculation example. From the symmetry of the disc-type superconductor, and for the purpose of shortening the numerical calculation time of the simulation, one degree (°) was cut out and used only as a model. Of course, the same calculation result as when all (360 °) are modeled can be obtained. As shown in FIG. 2, there is an air layer around the thin bulk superconductor disk, and the whole is surrounded by the air layer. In the case of such a highly symmetric shape, the amount of calculation can be greatly reduced by creating a model by extracting only one degree angle and performing a simulation by the finite element method.

図3及び図4に、有限要素法で数値シミュレーションを行うモデル及び計算例を示した。図3及び図4は、図2から1度分のみ切り出したモデルを用いている。全体は4層に分かれている。モデルは、円盤型のバルク超電導体の水平軸を基準として、バルク超電導体を含む内側の層と、バルク超電導体を含まない外側の層に分かれている。内側の層は、バルク超電導体の垂直軸を基準として3層に分かれている。図3は、上下は空気層としたモデル及び計算例の側面図である。挟まれている層がバルク超電導体である。また外側の層は、1層あり、空気層としている。外部磁束密度を2Tまで増磁したときに、内部に磁束が侵入している様子が分かる。つまり超電導体表面に矢印で示す磁束線は、内側層と外側層の境界に集中し、内部にまで侵入している。しかし、磁束線は、バルク超電導体の水平軸方向の中心近くまで侵入していない。矢印の向きは磁束線の方向である。ここで、上下の空気層を円盤状の銅板にすることにより、磁束の運動をゆっくりとすることができる。円盤状の銅板としたモデル及び計算例の側面図を図4に示す。   3 and 4 show a model and a calculation example for performing a numerical simulation by the finite element method. 3 and 4 use a model cut out only once from FIG. The whole is divided into four layers. The model is divided into an inner layer including the bulk superconductor and an outer layer not including the bulk superconductor with respect to the horizontal axis of the disk-type bulk superconductor. The inner layer is divided into three layers with respect to the vertical axis of the bulk superconductor. FIG. 3 is a side view of a model and calculation example in which the top and bottom are air layers. The sandwiched layer is a bulk superconductor. There is one outer layer, which is an air layer. It can be seen that when the external magnetic flux density is increased to 2T, the magnetic flux penetrates inside. That is, the magnetic flux lines indicated by arrows on the surface of the superconductor are concentrated at the boundary between the inner layer and the outer layer and penetrate into the inside. However, the magnetic flux lines do not penetrate to near the center of the bulk superconductor in the horizontal axis direction. The direction of the arrow is the direction of the magnetic flux lines. Here, the movement of magnetic flux can be made slow by making the upper and lower air layers into disk-shaped copper plates. FIG. 4 shows a side view of a model and calculation example using a disk-shaped copper plate.

モデルでは、円盤状の銅板は、円盤型のバルク超電導体と接しているとして計算したが、電気的には必ずしも接続されている必要はない。但し、熱的には、両者が直接接触又は接続している方が、超電導体で発生する熱を速やかに超電導体から銅板に取り除き、超電導体の温度を低温度に保つことに役立つ。従って、実際には、銅板はバルク超電導体と直接接触又は接続されているほうが好ましい。   In the model, the disk-shaped copper plate is calculated as being in contact with the disk-type bulk superconductor, but it is not necessarily electrically connected. However, in terms of heat, the direct contact or connection between the two is useful for quickly removing the heat generated in the superconductor from the superconductor to the copper plate and keeping the temperature of the superconductor at a low temperature. Therefore, in practice, the copper plate is preferably in direct contact with or connected to the bulk superconductor.

バルク超電導体は、基本的にピン止め効果により磁束を内部に入れないように働き、いわゆる形状効果のためにバルク超電導体表面の磁束密度が高くなる。一方で、ピン止め力を越えるローレンツ力がかかれば、磁束は内部に侵入していき、逆に一度侵入した磁束は、やはりピン止め力により外部には出ていかず、捕捉される。空気層の場合には、磁束は内部に簡単に侵入する様子が分かる。現実には磁束の運動により発熱し、温度が上がるとピン止め力が低下するので、折角侵入した磁束が、外部磁界の減少とともに捕捉することができずに出ていってしまう。   The bulk superconductor basically works to prevent magnetic flux from entering due to the pinning effect, and the magnetic flux density on the surface of the bulk superconductor increases due to the so-called shape effect. On the other hand, if a Lorentz force exceeding the pinning force is applied, the magnetic flux penetrates into the inside, and conversely, the magnetic flux once entered does not go out to the outside due to the pinning force and is captured. In the case of the air layer, it can be seen that the magnetic flux easily enters the inside. In reality, heat is generated by the movement of the magnetic flux, and when the temperature rises, the pinning force decreases, so that the magnetic flux that has entered the corner cannot be captured along with the decrease in the external magnetic field and comes out.

図3及び図4において「空気」と記載されている部分は、モデルの一部ではなく空気層であり、「超電導体」と書かれている部分がモデルある。シミュレーション画面では、こうした表示になる。図4において「銅」と記載されている上下の層は、銅板を上部及び/又は下部に配置する場合でシミュレーションすることを意味しているものである。「空気」の部分の右側には励磁用のコイルが配置されていると考えて良い。   3 and 4, the part described as “air” is not a part of the model but an air layer, and the part written as “superconductor” is the model. On the simulation screen, this is the display. The upper and lower layers described as “copper” in FIG. 4 mean that the simulation is performed when the copper plate is arranged on the upper part and / or the lower part. It can be considered that an exciting coil is arranged on the right side of the “air” portion.

図5は、侵入していく磁束のフロントの、バルク超電導体表面からの侵入深さの時間依存性のシミュレーション結果を示している。図5に示したように、磁束のフロントの、バルク超電導体表面からの侵入深さを、時間と共にプロットすると、銅材がない場合には、時間の経過と共に、磁束は速やかに超電導体内部に侵入していることが分かる。つまり、磁束の運動が速い状態であり、このままでは磁束の運動による発熱が避けられない。   FIG. 5 shows the simulation result of the time dependence of the penetration depth from the surface of the bulk superconductor at the front of the magnetic flux that penetrates. As shown in FIG. 5, when the penetration depth of the front of the magnetic flux from the surface of the bulk superconductor is plotted with time, when there is no copper material, the magnetic flux quickly enters the superconductor as time passes. You can see that it is invading. That is, the movement of the magnetic flux is in a fast state, and heat generation due to the movement of the magnetic flux is unavoidable as it is.

そこで、バルク超電導体の上下に導電率1×109[1/Ωm]の円盤状の銅板を付けて、同じように外部磁界を変化させたときの、侵入していく磁束のフロントの、バルク超電導体表面からの侵入深さを調べた。その結果も図5に示した。円盤状の銅板を付けることにより、磁束線の運動が抑制されることが分かる。Therefore, when the external magnetic field is changed in the same way by attaching disc-shaped copper plates with electrical conductivity of 1 × 10 9 [1 / Ωm] above and below the bulk superconductor, The penetration depth from the superconductor surface was investigated. The results are also shown in FIG. It can be seen that the movement of the magnetic flux lines is suppressed by attaching the disk-shaped copper plate.

図5から分かるように、磁束の侵入は、円盤状の銅板を付けると、付けていない時に比べて緩やかになり、磁束の速度は小さくなっていることが分かる。なお、磁束の速度はプロットの傾きから求めることができる。更に、導電率を10倍にして1×1010[1/Ωm]として計算した結果も図5に示した。磁束の侵入はより緩やかになっていることが分かる。つまり、磁束の運動を、円盤状の銅板を付けることにより、制御することができることが分かる。当然、円盤状の銅板の厚みを変えれば、細かく磁束の運動を制御することができる。つまり薄くすれば、磁束の速度は上げることができる。またその逆も可能である。As can be seen from FIG. 5, it can be seen that the penetration of the magnetic flux becomes milder when the disc-shaped copper plate is attached, and the velocity of the magnetic flux is reduced compared to when the disc is not attached. The speed of magnetic flux can be obtained from the slope of the plot. Furthermore, FIG. 5 also shows the result of calculating the electric conductivity 10 times to 1 × 10 10 [1 / Ωm]. It can be seen that the penetration of the magnetic flux is more gradual. That is, it can be seen that the movement of the magnetic flux can be controlled by attaching a disk-shaped copper plate. Naturally, if the thickness of the disk-shaped copper plate is changed, the movement of the magnetic flux can be finely controlled. That is, if the thickness is reduced, the speed of the magnetic flux can be increased. The reverse is also possible.

ここでは有限要素法によるシミュレーション結果を示したが、実際の実験においても同様な効果は現れると言うことができる。それは、これまで、超電導現象の多くを、有限要素法という手法により解明することができているからである。実際に、本発明では、銅材にパルス磁場が印加された際に銅材に遮蔽電流が流れることにより、このパルス磁場による磁束密度の変化を妨げるという、非常に基本的な効果を利用しているので、その実現は比較的簡単である。シミュレーション結果では、導電率を上げることにより磁束線の運動の抑制効果が高いことを示しているが、これは遮蔽電流がより流れやすくなっているためであり、定量的にこのことを確かめることができている。また、銅材を用いた磁束線の運動の制御は、金属超電導体において試みられたことがある。従って、今回のシミュレーション結果も妥当なものであり、実際の実験を正確に反映するものであると考えられる。   Although the simulation result by the finite element method is shown here, it can be said that the same effect appears in an actual experiment. This is because until now, many of the superconducting phenomena have been elucidated by a technique called the finite element method. Actually, the present invention utilizes a very basic effect of preventing a change in magnetic flux density due to a pulse magnetic field by a shielding current flowing through the copper material when a pulse magnetic field is applied to the copper material. Therefore, its realization is relatively simple. The simulation results show that the effect of suppressing the movement of the magnetic flux lines is high by increasing the conductivity. This is because the shielding current is more likely to flow, and this can be confirmed quantitatively. is made of. Also, control of the movement of magnetic flux lines using a copper material has been attempted in metal superconductors. Therefore, the simulation result of this time is also valid and is considered to accurately reflect the actual experiment.

図6は本発明のパルス着磁法を具体的に実施する場合の、バルク超電導体と銅板の配置の一例を示す図である。円盤型のバルク超電導体2の上下面に、周辺部と中央部で厚さの異なる銅板1を付けた状態を示している。矢印は磁場の方向を示す。銅板は周辺部分では薄いので、磁束線の運動に対する遮蔽効果は小さく磁束線の速度は大きい。逆に中央部分では厚くなっているので、磁束線の速度は抑えられ、磁束線は入りにくい。従って、発熱の影響は小さくなる。発熱が小さくなれば磁束線が超電導体内にとどまりやすくなり、結果的に高い磁束密度を保持することができるようになる。このようにして磁束線の速度を制御することが可能である。上下面で違う形状の銅板を入れるということも考えられる。   FIG. 6 is a diagram showing an example of the arrangement of the bulk superconductor and the copper plate when the pulse magnetization method of the present invention is specifically implemented. The state which attached the copper plate 1 from which thickness differs by the peripheral part and the center part on the upper and lower surfaces of the disk-type bulk superconductor 2 is shown. The arrow indicates the direction of the magnetic field. Since the copper plate is thin in the peripheral portion, the shielding effect against the movement of the magnetic flux lines is small and the speed of the magnetic flux lines is large. On the contrary, since it is thick in the central portion, the speed of the magnetic flux lines is suppressed and the magnetic flux lines are difficult to enter. Therefore, the influence of heat generation is reduced. If the heat generation is reduced, the magnetic flux lines tend to stay in the superconductor, and as a result, a high magnetic flux density can be maintained. In this way, it is possible to control the speed of the magnetic flux lines. It is also possible to put differently shaped copper plates on the top and bottom surfaces.

本発明は、バルク超電導体を電導体として使用するのではなく永久磁石として使用するパルス着磁に係るもので、非常に大きな磁力を持つ永久磁石が提供される。得られるバルク超電導体は、液体水素程度の温度に冷却しておくことによって、強力な永久磁石として利用できる。バルク超電導体パルス着磁磁石として、非常に小型化・簡素化ができるので、各方面での代替需要及び新規の需要が期待できる。   The present invention relates to pulse magnetization in which a bulk superconductor is used as a permanent magnet rather than as a conductor, and a permanent magnet having a very large magnetic force is provided. The obtained bulk superconductor can be used as a strong permanent magnet by cooling to a temperature of about liquid hydrogen. As a bulk superconductor pulse magnetized magnet, it can be miniaturized and simplified, so that it is possible to expect alternative demand and new demand in various directions.

Claims (1)

バルク超電導体をパルス着磁法によって着磁させるに際し、磁場の印加方向に対してほぼ垂直な面内であって、バルク超電導体の外側の両側又は片側に、中央部分が厚く、周辺部分が薄い形状の銅材を配置することを特徴とするバルク超電導体のパルス着磁法。When magnetizing a bulk superconductor by the pulse magnetization method, the central part is thick and the peripheral part is thin on both sides or one side outside the bulk superconductor in a plane substantially perpendicular to the direction of application of the magnetic field. A pulsed magnetization method for a bulk superconductor characterized by arranging a copper material in a shape .
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