JP5175653B2 - Superconducting magnet - Google Patents

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Description

本発明は、超電導テープ線材を巻回して構成される超電導マグネットに関する。   The present invention relates to a superconducting magnet configured by winding a superconducting tape wire.

近年、高磁場中での臨界電流特性に優れた高温超電導線材の長尺化開発が盛んに行われており、高磁界超電導マグネットへの適用が期待されている。   In recent years, lengthy development of high-temperature superconducting wires excellent in critical current characteristics in a high magnetic field has been actively conducted, and application to high-field superconducting magnets is expected.

高温超電導線材の中でも、高温超電導テープ線材(コーテッドコンダクタ)は、高い臨界電流密度が得られることから、超電導応用機器への適用が進められている。高温超電導テープ線材は、テープ形状の金属基板上に絶縁性の中間層を形成し、その上に酸化物超電導体の層を形成したものである。この高温超電導テープ線材の特徴としては、高磁界中での臨界電流密度特性が優れていること、金属基板部分の機械強度の高いこと、等が挙げられる。例えば特許文献1には、高温超電導テープ線材を用いた高温超電導マグネットが記載されている。   Among high-temperature superconducting wires, high-temperature superconducting tape wires (coated conductors) are being applied to superconducting applications because high critical current densities can be obtained. The high-temperature superconducting tape wire is formed by forming an insulating intermediate layer on a tape-shaped metal substrate and forming an oxide superconductor layer thereon. Features of this high-temperature superconducting tape wire include excellent critical current density characteristics in a high magnetic field, high mechanical strength of the metal substrate portion, and the like. For example, Patent Document 1 describes a high-temperature superconducting magnet using a high-temperature superconducting tape wire.

超電導マグネットは、常電導マグネットと比較して少ないエネルギー損失で定常的な磁界を発生することができる。超電導マグネットの設計においては、臨界電流値の磁場依存性を考慮し、経験磁場の分布によって巻線部分を径方向複数層に分割する所謂グレーディングを採用することにより、線材使用量を減らし、効率的に磁場を発生させることができる。
特開平7−142245号公報
A superconducting magnet can generate a stationary magnetic field with less energy loss than a normal conducting magnet. In the design of superconducting magnets, considering the magnetic field dependence of the critical current value, the so-called grading that divides the winding part into multiple radial layers according to the distribution of the empirical magnetic field reduces the amount of wire used and is efficient A magnetic field can be generated.
Japanese Patent Laid-Open No. 7-142245

ところで、超電導マグネットは、その発生磁場と形状によっては、電流密度の上限が超電導特性の磁場依存性(負荷率)ではなく、線材の許容応力によって制約されてしまう場合がある。高温超電導線材が適用される超電導応用機器が、特に高磁場マグネットである場合、内層マグネット(高磁界部分)を高温超電導マグネットが分担し、外層マグネットの発生する外部磁場を経験する。内層マグネットはボア径が数cmで、マグネット内外径の比が(大口径のマグネットと比較して)大きい。このような構成においては、超電導線材に加わる電磁力(フープ力)が内径側から外径側へと増大し、外径側で線材に加わる応力が大きくなる。その際、線材の許容応力を考慮しなければならず、このことが設計上の制約を生じさせる。また、径方向の応力が引張り方向に作用し、線材や線材間の介在物に剥離方向の応力が加わり、クラックの発生や、線材の超電導特性の劣化が懸念される。   By the way, depending on the generated magnetic field and shape of the superconducting magnet, the upper limit of the current density is not limited to the magnetic field dependency (load factor) of the superconducting characteristics, and may be restricted by the allowable stress of the wire. When the superconducting application device to which the high temperature superconducting wire is applied is a high magnetic field magnet, the inner layer magnet (high magnetic field part) is shared by the high temperature superconducting magnet and the external magnetic field generated by the outer layer magnet is experienced. The inner layer magnet has a bore diameter of several centimeters, and the ratio of the inner and outer diameters of the magnet is large (compared to a large-diameter magnet). In such a configuration, the electromagnetic force (hoop force) applied to the superconducting wire increases from the inner diameter side to the outer diameter side, and the stress applied to the wire increases on the outer diameter side. In doing so, the allowable stress of the wire must be taken into account, which creates design constraints. Further, radial stress acts in the tensile direction, and stress in the peeling direction is applied to the wires and inclusions between the wires, which may cause cracks and deterioration of the superconducting characteristics of the wires.

なお、上記特許文献1は、高温超電導材の臨界電流特性の磁場依存性を考慮して、複数のマグネットユニットを積層した高温超電導マグネットの各ユニット毎に高温超電導部の断面積を変え、各コイルユニットの臨界電流を略一致させることにより、発生磁界が高い高温超電導マグネットを実現する技術であり、上述の問題を解決するものではない。   In addition, the above-mentioned patent document 1 considers the magnetic field dependence of the critical current characteristic of the high-temperature superconducting material, and changes the cross-sectional area of the high-temperature superconducting part for each unit of the high-temperature superconducting magnet in which a plurality of magnet units are laminated, This is a technique for realizing a high-temperature superconducting magnet having a high generated magnetic field by making the critical currents of the units substantially coincide with each other, and does not solve the above problems.

線材の許容応力で設計が制約される条件下では、電磁力対策として超電導線材をコンジットで外部補強する方法や、強化材で内部補強する方法が考えられる。しかしながら、外部補強では、超電導体に発生する電磁力を補強材へ一様に伝達するのが難しいという問題がある。また、内部補強は化合物系の超電導線材などで実施されているものの、高温超電導線材には適用し難いという問題もある。   Under conditions where the design is restricted by the allowable stress of the wire, a method of externally reinforcing the superconducting wire with a conduit or a method of internally reinforcing with a reinforcing material can be considered as a countermeasure against electromagnetic force. However, in the external reinforcement, there is a problem that it is difficult to uniformly transmit the electromagnetic force generated in the superconductor to the reinforcing material. Further, although internal reinforcement is performed with a compound superconducting wire or the like, there is also a problem that it is difficult to apply to a high-temperature superconducting wire.

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、巻線内部の応力分布を効率的に緩和する超電導マグネットを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a superconducting magnet that efficiently relaxes the stress distribution inside the winding.

本発明に係る超電導マグネットは、テープ形状の超電導テープ線材を円筒形状に巻回して構成され、線材間に非導電性材料を有する巻線部と、前記巻線部の外径側に設けられ、前記巻線部を支持する支持部材とを具備し、前記非導電性材料の弾性率は、前記超電導テープ線材の弾性率よりも低く構成され、前記巻線部は、内径側に位置する第1の巻線部と、外径側に位置し且つ前記第1の巻線部よりも電流密度が低い第2の巻線部とを有することを特徴とする。
The superconducting magnet according to the present invention is formed by winding a tape-shaped superconducting tape wire in a cylindrical shape, and is provided on the outer diameter side of the winding portion having a non-conductive material between the wires, comprising a supporting member supporting the winding unit, the elastic modulus of the non-conductive material, the superconducting is low rather configured than the elastic modulus of the tape wire, the winding unit includes a first positioned on the inner diameter side It has 1 winding part and a 2nd winding part located in an outer diameter side, and a current density lower than the said 1st winding part, It is characterized by the above-mentioned.

本発明によれば、巻線内部の応力分布を効率的に緩和する超電導マグネットを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a superconducting magnet that efficiently relaxes the stress distribution inside the winding.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る超電導マグネットの構成の一例を説明するための図である。この図1には、同実施形態に係る超電導マグネットの断面が示され、その一部分を拡大した様子が示されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram for explaining an example of the configuration of the superconducting magnet according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a cross section of the superconducting magnet according to the embodiment, and shows an enlarged view of a part thereof.

図1に示される超電導マグネットは、巻線部(コイル)1と支持部材7とを有する円筒形のマグネットであり、例えば高磁場マグネットにおける高温超電導マグネットに適用可能である。巻線部1は、テープ形状の超電導テープ線材2を、レイヤ巻きあるいはパンケーキ巻きと呼ばれる巻き方で円筒形状に巻回して構成され、線材間に非導電性材料3を有するものである。すなわち、超電導テープ線材2の隣り合う線材同士は直接は接しておらず、線材間に非導電性材料3が介在している。特に、非導電性材料3の弾性率は、超電導テープ線材2の弾性率よりも低く、例えば超電導テープ線材2の弾性率の約10分の1である。支持部材7は、巻線部1の外径側に設けられ、巻線部1を支持するものである。支持部材7の弾性率は、超電導テープ線材2の弾性率よりも高く、例えば超電導テープ線材2の弾性率の約10倍である。   The superconducting magnet shown in FIG. 1 is a cylindrical magnet having a winding portion (coil) 1 and a support member 7, and can be applied to, for example, a high-temperature superconducting magnet in a high magnetic field magnet. The winding portion 1 is formed by winding a tape-shaped superconducting tape wire 2 into a cylindrical shape by a winding method called layer winding or pancake winding, and has a non-conductive material 3 between the wires. That is, the adjacent wires of the superconducting tape wire 2 are not in direct contact with each other, and the nonconductive material 3 is interposed between the wires. In particular, the elastic modulus of the non-conductive material 3 is lower than the elastic modulus of the superconducting tape wire 2, for example, about 1/10 of the elastic modulus of the superconducting tape wire 2. The support member 7 is provided on the outer diameter side of the winding part 1 and supports the winding part 1. The elastic modulus of the support member 7 is higher than the elastic modulus of the superconducting tape wire 2 and is, for example, about 10 times the elastic modulus of the superconducting tape wire 2.

超電導テープ線材2は、例えば、テープ形状の金属基板(ハステロイなど)と、この金属基板上に形成された中間層(多結晶薄膜層など)と、この中間層上に形成された超電導層(イットリウム系金属など)と、この超電導層上に形成された良導電性安定化金属層(銀など)とから構成される高温超電導テープ線材(コーテッドコンダクタ)である。   The superconducting tape wire 2 includes, for example, a tape-shaped metal substrate (such as Hastelloy), an intermediate layer (such as a polycrystalline thin film layer) formed on the metal substrate, and a superconducting layer (yttrium) formed on the intermediate layer. A high-temperature superconducting tape wire (coated conductor) composed of a highly conductive stabilized metal layer (such as silver) formed on the superconducting layer.

非導電性材料3は、弾性率のごく低い硬化エポキシ樹脂であっても良いし、あるいは非導電性の材料を超電導テープ線材2と共巻きにした非接着のものであっても良い。   The nonconductive material 3 may be a cured epoxy resin having a very low elastic modulus, or may be a non-adhesive material in which a nonconductive material is wound together with the superconducting tape wire 2.

支持部材7は、ステンレスやハステロイなどの非磁性で高強度の材料であることが望ましい。   The support member 7 is preferably a non-magnetic high-strength material such as stainless steel or hastelloy.

特に、高温超電導マグネットが極低温に冷却された状態では、温度マージンが十分大きく、機械擾乱によるクエンチを起こし難いというメリットがある。従って、この場合、樹脂含浸等による巻線部1の固定は重要ではなくなり、非導電性材料3のように弾性率が低い、あるいは超電導テープ線材2のように固着されない構成が許容される。   In particular, when the high-temperature superconducting magnet is cooled to a very low temperature, there is a merit that the temperature margin is sufficiently large and quenching due to mechanical disturbance is difficult to occur. Therefore, in this case, fixing of the winding part 1 by resin impregnation or the like is not important, and a configuration having a low elastic modulus like the nonconductive material 3 or not fixed like the superconducting tape wire 2 is allowed.

上記構成によれば、超電導テープ線材2の線材間に介在する非導電性材料3の弾性率が小さいため、超電導テープ線材2の各ターンに生じる応力が隣りのターンに及ぶことによる径方向応力のピーク値を緩和させることが可能となる。巻線部1における径方向引張り応力は、巻回する線材の剥離方向に働くため、特に超電導テープ線材2として、高温超電導テープ線材、特にイットリウム系の超電導テープ線材を巻回してなる超電導マグネットにおいて、線材特性を低下させず高い磁場を発生させることが可能となる。また、巻線部1の外径側には、部材7が取り付けられているため、励磁時の径方向への変位を抑えることが可能となる。   According to the above configuration, since the elastic modulus of the nonconductive material 3 interposed between the wires of the superconducting tape wire 2 is small, the stress in the radial direction due to the stress generated in each turn of the superconducting tape wire 2 reaching the adjacent turn. The peak value can be relaxed. In the superconducting magnet formed by winding a high-temperature superconducting tape wire, particularly an yttrium-based superconducting tape wire, particularly as the superconducting tape wire 2, since the radial tensile stress in the winding portion 1 works in the peeling direction of the wire to be wound. It is possible to generate a high magnetic field without deteriorating the wire properties. Moreover, since the member 7 is attached to the outer diameter side of the winding part 1, it becomes possible to suppress the radial displacement at the time of excitation.

(第2の実施形態)
図2は、本発明の第2の実施形態に係る超電導マグネットの構成の一例を説明するための図である。この図2には、同実施形態に係る超電導マグネットの断面が示され、その一部分を拡大した様子が示されている。なお、図1と共通する要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。以下では、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a diagram for explaining an example of the configuration of the superconducting magnet according to the second embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a cross-section of the superconducting magnet according to the same embodiment, and shows an enlarged view of a part thereof. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in FIG. 1, and the description is abbreviate | omitted. Below, it demonstrates centering on a different part from 1st Embodiment.

図2に示される超電導マグネットは、図1に示した超電導マグネットの構成において、更に、巻線部1が平板状のフランジ8を備えた構成を有するものである。   The superconducting magnet shown in FIG. 2 has a configuration in which the winding portion 1 further includes a flat flange 8 in the configuration of the superconducting magnet shown in FIG.

フランジ8は、超電導テープ線材2の各ターンが軸方向へ別々に変位することを抑止するものである。   The flange 8 prevents each turn of the superconducting tape wire 2 from being separately displaced in the axial direction.

フランジ8の材料としては、繊維強化プラスチック(FRP)やマイカなどの絶縁物であっても良いし、パンケーキ間の耐電圧を考慮して電気絶縁が施された非磁性金属の板であっても良い。   The material of the flange 8 may be an insulator such as fiber reinforced plastic (FRP) or mica, or a nonmagnetic metal plate that is electrically insulated in consideration of the withstand voltage between pancakes. Also good.

フランジ8は、超電導テープ線材2の各ターンの上下端部を押さえるが、超電導テープ線材2の各ターンに必ずしも連結されている必要はなく、超電導マグネットの軸方向に対して可動となっている。これにより、フランジ8は、超電導テープ線材2の各ターンが超電導マグネットの径方向へ個別に変位することを許容しながら、軸方向への応力に対してはパンケーキ単位で変位するよう拘束することができる。すなわち、電磁力により変位した巻線部1の内径側から外径側までに存在する個々のターンを軸方向に揃えながら変位させ、軸方向への位置ずれを回避しながら励磁させることが可能となる。   The flange 8 presses the upper and lower ends of each turn of the superconducting tape wire 2 but is not necessarily connected to each turn of the superconducting tape wire 2 and is movable with respect to the axial direction of the superconducting magnet. As a result, the flange 8 is constrained to be displaced in units of pancake against stress in the axial direction while allowing each turn of the superconducting tape wire 2 to be individually displaced in the radial direction of the superconducting magnet. Can do. That is, individual turns existing from the inner diameter side to the outer diameter side of the winding part 1 displaced by the electromagnetic force can be displaced while being aligned in the axial direction, and can be excited while avoiding positional deviation in the axial direction. Become.

なお、同実施形態で示したフランジ8は、後述する各実施形態(図3〜図7など)の各巻線部に適用することが可能である。   In addition, the flange 8 shown in the embodiment can be applied to each winding portion of each embodiment (FIGS. 3 to 7 and the like) described later.

(第3の実施形態)
図3は、本発明の第3の実施形態に係る超電導マグネットの構成の一例を説明するための図である。この図3には、同実施形態に係る超電導マグネットの断面が示され、その一部分を拡大した様子が示されている。なお、図1と共通する要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。また、図3中では支持部材7の図示が省略されているが、実際には存在するものとする。以下では、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
(Third embodiment)
FIG. 3 is a diagram for explaining an example of the configuration of a superconducting magnet according to the third embodiment of the present invention. FIG. 3 shows a cross section of the superconducting magnet according to the embodiment, and shows an enlarged view of a part thereof. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in FIG. 1, and the description is abbreviate | omitted. Further, although the support member 7 is not shown in FIG. 3, it is assumed that it actually exists. Below, it demonstrates centering on a different part from 1st Embodiment.

図3に示される超電導マグネットは、図1に示した超電導マグネットの構成において、更に、巻線部1が第1の巻線部11、第2の巻線部12、および第3の巻線部13を備えた構成を有するものである。   The superconducting magnet shown in FIG. 3 is the same as the superconducting magnet shown in FIG. 1, but the winding part 1 further includes a first winding part 11, a second winding part 12, and a third winding part. 13 is provided.

第1の巻線部11は、超電導マグネットの内径側に位置するコイル部である。   The first winding part 11 is a coil part located on the inner diameter side of the superconducting magnet.

第2の巻線部12は、超電導マグネットの中央部に位置し、第1の巻線部11よりも電流密度が低いコイル部である。   The second winding portion 12 is a coil portion that is located in the central portion of the superconducting magnet and has a current density lower than that of the first winding portion 11.

第3の巻線部13は、超電導マグネットの外径側に位置し、第2の巻線部12よりも電流密度が低いコイル部である。   The third winding portion 13 is a coil portion located on the outer diameter side of the superconducting magnet and having a lower current density than the second winding portion 12.

すなわち、超電導マグネットの内径側に比較して外径側の方が電流密度が低くなるように構成されている。   That is, the current density is lower on the outer diameter side than on the inner diameter side of the superconducting magnet.

上記構成によれば、マグネット外径側での応力が過大になることを効率的に防ぎ、超電導テープ線材2の剥離方向に加わる応力を許容値以下に低減することが可能となる。なお、ここでは、巻線部1を構成する複数の巻線部が3つである場合を例示したが、これには限定されず、巻線部1を構成する複数の巻線部が2つのみであっても良いし、4つ以上あっても良い。また、超電導マグネットの内径側から外径側へ向かうにつれ、電流密度が段階的に低下するのではなく、連続的に徐々に低下するように構成しても良い。   According to the above configuration, it is possible to efficiently prevent the stress on the outer diameter side of the magnet from becoming excessive, and to reduce the stress applied in the peeling direction of the superconducting tape wire 2 to an allowable value or less. In addition, although the case where the plurality of winding portions constituting the winding portion 1 is three is illustrated here, the present invention is not limited to this, and the plurality of winding portions constituting the winding portion 1 is two. Or four or more. Further, as the superconducting magnet is moved from the inner diameter side toward the outer diameter side, the current density may be gradually decreased instead of gradually decreasing.

(第4の実施形態)
図4は、本発明の第4の実施形態に係る超電導マグネットの構成の一例を説明するための図である。この図4に示される超電導マグネットは、図3に示した超電導マグネットにおいて、電流密度が異なる複数の巻線部を実現するための具体的な構成の一例を示すものである。
(Fourth embodiment)
FIG. 4 is a diagram for explaining an example of the configuration of a superconducting magnet according to the fourth embodiment of the present invention. The superconducting magnet shown in FIG. 4 shows an example of a specific configuration for realizing a plurality of winding portions having different current densities in the superconducting magnet shown in FIG.

超電導マグネットの内径側に位置する巻線部(例えば前述の第1の巻線部11に相当)は、線材21で巻回されている。   A winding portion (for example, corresponding to the first winding portion 11 described above) located on the inner diameter side of the superconducting magnet is wound around a wire 21.

超電導マグネットの中央部に位置する巻線部(例えば前述の第2の巻線部12に相当)は、線材21よりも幅が広い線材22で巻回されている。   A winding portion (e.g., corresponding to the second winding portion 12 described above) located at the center of the superconducting magnet is wound with a wire 22 having a width wider than that of the wire 21.

超電導マグネットの外径側に位置する巻線部(例えば前述の第3の巻線部13に相当)は、線材22よりも幅が広い線材23で巻回されている。   A winding portion (e.g., corresponding to the third winding portion 13 described above) located on the outer diameter side of the superconducting magnet is wound with a wire 23 having a width wider than that of the wire 22.

上記構成によれば、幅が異なる線材21,22,23を用意することにより、超電導マグネットの内径側から外径側へ向かうにつれて電流密度が低下する構成を容易に実現することが可能となる。   According to the above configuration, by preparing the wire rods 21, 22, and 23 having different widths, it is possible to easily realize a configuration in which the current density decreases from the inner diameter side to the outer diameter side of the superconducting magnet.

なお、同実施形態で示した幅が異なる線材21,22,23は、後述する各実施形態(図5〜図7など)の各巻線部に適用することが可能である。   Note that the wire rods 21, 22, and 23 having different widths shown in the embodiment can be applied to each winding portion of each embodiment (FIGS. 5 to 7 and the like) described later.

(第5の実施形態)
図5は、本発明の第5の実施形態に係る超電導マグネットの構成の一例を説明するための図である。この図5に示される超電導マグネットは、図3に示した超電導マグネットにおいて、電流密度が異なる複数の巻線部を実現するための具体的な構成の別の例を示すものである。
(Fifth embodiment)
FIG. 5 is a diagram for explaining an example of the configuration of a superconducting magnet according to the fifth embodiment of the present invention. The superconducting magnet shown in FIG. 5 shows another example of a specific configuration for realizing a plurality of winding portions having different current densities in the superconducting magnet shown in FIG.

超電導マグネットの内径側に位置する巻線部(例えば前述の第1の巻線部11に相当)は、超電導テープ線材2の線材間に非導電性材料31を有する。   A winding portion (e.g., corresponding to the first winding portion 11 described above) located on the inner diameter side of the superconducting magnet has a nonconductive material 31 between the wires of the superconducting tape wire 2.

超電導マグネットの中央部に位置する巻線部(例えば前述の第2の巻線部12に相当)は、超電導テープ線材2の線材間に、非導電性材料31よりも厚い非導電性材料32を有する。   A winding portion (e.g., corresponding to the second winding portion 12 described above) located at the center of the superconducting magnet has a nonconductive material 32 thicker than the nonconductive material 31 between the wires of the superconducting tape wire 2. Have.

超電導マグネットの外径側に位置する巻線部(例えば前述の第3の巻線部13に相当)は、超電導テープ線材2の線材間に、非導電性材料32よりも厚い非導電性材料33を有する。   A winding portion (e.g., corresponding to the third winding portion 13 described above) located on the outer diameter side of the superconducting magnet has a non-conductive material 33 thicker than the non-conductive material 32 between the wires of the superconducting tape wire 2. Have

上記構成によれば、厚さが異なる非導電性材料31,32,33を用意することにより、超電導マグネットの内径側から外径側へ向かうにつれて電流密度が低下する構成を容易に実現することが可能となる。   According to the above configuration, by preparing the non-conductive materials 31, 32, and 33 having different thicknesses, it is possible to easily realize a configuration in which the current density decreases from the inner diameter side to the outer diameter side of the superconducting magnet. It becomes possible.

なお、同実施形態で示した厚さが異なる非導電性材料31,32,33は、後述する各実施形態(図6、図7など)の各巻線部に適用することが可能である。   In addition, the nonconductive materials 31, 32, and 33 having different thicknesses shown in the embodiment can be applied to each winding portion in each embodiment (FIGS. 6, 7, etc.) described later.

(第6の実施形態)
図6は、本発明の第6の実施形態に係る超電導マグネットの構成の一例を説明するための図である。この図6に示される超電導マグネットは、図1に示した超電導マグネットにおいて、非導電性材料3として繊維4を用いた場合の一例を示すものである。
(Sixth embodiment)
FIG. 6 is a diagram for explaining an example of the configuration of a superconducting magnet according to the sixth embodiment of the present invention. The superconducting magnet shown in FIG. 6 shows an example in which fibers 4 are used as the nonconductive material 3 in the superconducting magnet shown in FIG.

繊維4は、前述の非導電性材料3の一例として使用されるものであり、ガラス繊維、高分子繊維、およびパルプ(木材や紙などを原料とした繊維)のうちの少なくとも1つを含む。この繊維4は、当該繊維の方向が超電導テープ線材2の長手方向と平行するように配置される。複数の繊維を束ねて使用する場合、繊維同士は非接着の状態であっても良いが、弾性率のごく低い樹脂等を介在させることにより、径方向の応力のピーク値をより効果的に緩和させるとともに、樹脂のクラックを抑制することが可能となる。   The fiber 4 is used as an example of the non-conductive material 3 described above, and includes at least one of glass fiber, polymer fiber, and pulp (fiber made from wood, paper, or the like). The fibers 4 are arranged so that the direction of the fibers is parallel to the longitudinal direction of the superconducting tape wire 2. When a plurality of fibers are bundled and used, the fibers may be in a non-bonded state, but the peak value of the radial stress is more effectively reduced by interposing a resin having a very low elastic modulus. And cracking of the resin can be suppressed.

上記構成によれば、非導電性材料3として繊維4を用いた場合においても、径方向の応力を効果的に緩和させることが可能となる。   According to the above configuration, even when the fiber 4 is used as the non-conductive material 3, it is possible to effectively relieve the radial stress.

なお、同実施形態で示した繊維4は、前述の各実施形態(図2〜図5)や後述する実施形態(図7)の各巻線部に適用することが可能である。   In addition, the fiber 4 shown in the embodiment can be applied to each winding portion of the above-described embodiments (FIGS. 2 to 5) and an embodiment (FIG. 7) described later.

(第7の実施形態)
図7は、本発明の第7の実施形態に係る超電導マグネットの構成の一例を説明するための図である。この図7に示される超電導マグネットは、図1に示した超電導マグネット(以下、「第1のマグネット要素」と称す。)のほかに、この第1のマグネット要素に対して同心円上の外側に位置する第2のマグネット要素、第3のマグネット要素を更に有する超電導マグネットの構成の一例を示すものである。なお、図7中では支持部材7の図示が省略されているが、支持部材7を各マグネット要素に若しくはいずれかのマグネット要素に設けるようにしてもよい。
(Seventh embodiment)
FIG. 7 is a diagram for explaining an example of the configuration of a superconducting magnet according to the seventh embodiment of the present invention. The superconducting magnet shown in FIG. 7 is positioned outside the concentric circle with respect to the first magnet element in addition to the superconducting magnet shown in FIG. 1 (hereinafter referred to as “first magnet element”). 1 shows an example of a configuration of a superconducting magnet further having a second magnet element and a third magnet element. Although the support member 7 is not shown in FIG. 7, the support member 7 may be provided in each magnet element or any one of the magnet elements.

第1のマグネット要素14は、例えば前述の巻線部1および支持部材7を有する内層マグネットを構成するものである。   The 1st magnet element 14 comprises the inner layer magnet which has the above-mentioned winding part 1 and support member 7, for example.

第2のマグネット要素15,16は、それぞれ第1のマグネット要素14に対して同心円上の外側に階層的に設けられるものである。特に、第2のマグネット要素15,16の組みが、第1のマグネット要素14が発生する磁場と同じ向きの磁場を発生するように構成される。   The second magnet elements 15 and 16 are provided hierarchically on the outer side of the concentric circle with respect to the first magnet element 14. In particular, the set of second magnet elements 15 and 16 is configured to generate a magnetic field in the same direction as the magnetic field generated by the first magnet element 14.

第2のマグネット要素15,16は、それぞれNbTiやNbSnなどの金属系・化合物系超電導線材を巻回した円筒形状の中層マグネット,外層マグネットを構成し、組み合わせて励磁される。 The second magnet elements 15 and 16 constitute cylindrical middle-layer magnets and outer-layer magnets around which metal / compound superconducting wires such as NbTi and Nb 3 Sn are wound, and are excited in combination.

図7のように複数の円筒形状のマグネット要素を入れ子にした構成においては、高温超電導マグネットの経験磁場が内外径にわたり同方向で、その径方向にほぼ直線的に分布する。内外径部分の経験磁場の比が正になる外部磁場条件下で励磁される場合には、励磁による巻線内部の径方向応力が全域で正の値となり、線材の剥離方向に応力が加わるので、線材間の介在物の弾性率を下げた構成が剥離方向応力の低減に有効に作用する。   In the configuration in which a plurality of cylindrical magnet elements are nested as shown in FIG. 7, the empirical magnetic field of the high-temperature superconducting magnet is distributed in the same direction over the inner and outer diameters and approximately linearly in the radial direction. When excited under an external magnetic field condition in which the ratio of the empirical magnetic field in the inner and outer diameter portions is positive, the radial stress inside the winding due to excitation becomes a positive value in the entire area, and stress is applied in the peeling direction of the wire. The configuration in which the elastic modulus of the inclusions between the wires is lowered effectively acts to reduce the peeling direction stress.

図8は、本発明の第1〜第6の実施形態に共通する超電導マグネットにおける磁場分布の一例を説明するための図である。図8中には、超電導マグネット(もしくは巻線部1)の中心軸からの径方向の内径位置51,外径位置52における経験磁場61,経験磁場62がそれぞれ示され、それらを含む磁界分布が示されている。この磁場分布は、例えば、前述の巻線部11,12,13の境界を決定する径方向位置rを求める際の指針となり得るものである。   FIG. 8 is a diagram for explaining an example of the magnetic field distribution in the superconducting magnet common to the first to sixth embodiments of the present invention. FIG. 8 shows an empirical magnetic field 61 and an empirical magnetic field 62 at an inner diameter position 51 and an outer diameter position 52 in the radial direction from the central axis of the superconducting magnet (or winding portion 1), and the magnetic field distribution including them is shown. It is shown. This magnetic field distribution can serve as a guideline for determining the radial position r that determines the boundary between the winding portions 11, 12, and 13, for example.

例えば、超電導マグネット(もしくは巻線部1)の中心軸からの径方向の内径位置をr1[m],外径位置をr2[m]とし、それぞれの位置での経験磁場をB1[T],B2[T]とし、B1からB2までの磁場分布を直線近似した勾配をa[T/m]とし、勾配aを超電導マグネット(もしくは巻線部1)の中心軸へ外挿して得られる磁場をB0[T]とし、応力の上限に相当する定数をcとする。このとき、超電導マグネット(もしくは巻線部1)は、任意の径方向位置r[m]における電流密度J[A・m^−2]がrの関数J=c/{(a×r+B0)×r}を越えないように構成される。   For example, the inner diameter position in the radial direction from the central axis of the superconducting magnet (or winding part 1) is r1 [m], the outer diameter position is r2 [m], and the empirical magnetic field at each position is B1 [T], B2 [T], the gradient obtained by linear approximation of the magnetic field distribution from B1 to B2 is a [T / m], and the magnetic field obtained by extrapolating the gradient a to the central axis of the superconducting magnet (or winding part 1) Let B0 [T], and let c be a constant corresponding to the upper limit of stress. At this time, the superconducting magnet (or the winding portion 1) has a function J = c / {(a × r + B0) × in which the current density J [A · m ^ −2] at an arbitrary radial position r [m] is r. r} is not exceeded.

従来の含浸マグネットでは一般的に、周方向電磁力の上限の指標は200MPa程度とされているが、本発明の各実施形態では超電導テープ線材の弾性限界300MPaという高い応力の上限値を設定できるため、より電流密度の高いコンパクトな超電導マグネットの設計が可能となる。   In the conventional impregnated magnet, generally, the upper limit index of the circumferential electromagnetic force is about 200 MPa. However, in each embodiment of the present invention, a high stress upper limit of 300 MPa can be set as the elastic limit of the superconducting tape wire. This makes it possible to design a compact superconducting magnet with higher current density.

図9は、従来の超電導マグネットの中心を0[m]とした径方向応力分布の計算値の一例を示す図である。これに対し、図10は、本発明の第1の実施形態に基づき線材間の介在物の弾性率を2桁程度小さくした(100分の1程度にした)場合の高磁界超電導マグネットの中心を0[m]とした径方向応力分布の計算結果の一例を示す図である。計算によれば、線材間の介在物の径方向の弾性率を線材の弾性率よりも下げることにより、径方向応力のピーク値を有効に低減することが可能となる。   FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a calculated value of the radial stress distribution in which the center of the conventional superconducting magnet is 0 [m]. On the other hand, FIG. 10 shows the center of the high-field superconducting magnet when the elastic modulus of the inclusions between the wires is reduced by about two orders of magnitude (about 1/100) according to the first embodiment of the present invention. It is a figure which shows an example of the calculation result of radial direction stress distribution made into 0 [m]. According to the calculation, the peak value of the radial stress can be effectively reduced by lowering the elastic modulus in the radial direction of the inclusions between the wires than the elastic modulus of the wire.

次に、図11および図12を参照し、前述した本発明の第4の実施形態に係る超電導マグネットを対象とする設計の一例を説明する。   Next, an example of a design for the superconducting magnet according to the above-described fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 11 and 12.

図11は、本発明の第4の実施形態に係る超電導マグネットにおける幅が異なる線材21,22,23にそれぞれ対応する3つの巻線部(コイルA,B,C)の仕様を示すテーブルの一例を示す図である。図12は、図11に示される仕様に基づく超電導マグネットのフープ応力−径方向位置の関係を示すグラフの一例を示す図である。   FIG. 11 is an example of a table showing specifications of three winding portions (coils A, B, C) respectively corresponding to the wires 21, 22, 23 having different widths in the superconducting magnet according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. FIG. 12 is a diagram showing an example of a graph showing the relationship between the hoop stress and the radial position of the superconducting magnet based on the specification shown in FIG.

この例では、内径側のコイルAから外径側のコイルCへ向かうに従い、線材の幅が広くなるようにしており、これにより電流密度Jが小さくなるように調整している。   In this example, the width of the wire is increased from the coil A on the inner diameter side toward the coil C on the outer diameter side, thereby adjusting the current density J to be smaller.

コイルのフープ応力BJrは、この設計例においては外径側ほど大きくなる。応力の上限をc=200MPaとした場合、前述の式J=c/{(a×r+B0)×r}を用いることにより、電流密度Jを下げるべき適切な位置rを決定することが出来る。実際のコイルにおいて径方向に隣り合う線材の影響によりBJrと周方向応力とは一致しないが、上式を用いることにより、応力のピーク値を制御することが可能となる。   In this design example, the hoop stress BJr of the coil increases toward the outer diameter side. When the upper limit of the stress is c = 200 MPa, the appropriate position r where the current density J should be reduced can be determined by using the above-described formula J = c / {(a × r + B0) × r}. In an actual coil, BJr and the circumferential stress do not match due to the influence of the wire adjacent in the radial direction, but the peak value of the stress can be controlled by using the above equation.

本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記第1から第7の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Further, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the first to seventh embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.

本発明の第1の実施形態に係る超電導マグネットの構成の一例を説明するための図。The figure for demonstrating an example of a structure of the superconducting magnet which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る超電導マグネットの構成の一例を説明するための図。The figure for demonstrating an example of a structure of the superconducting magnet which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る超電導マグネットの構成の一例を説明するための図。The figure for demonstrating an example of a structure of the superconducting magnet which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る超電導マグネットの構成の一例を説明するための図。The figure for demonstrating an example of a structure of the superconducting magnet which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係る超電導マグネットの構成の一例を説明するための図。The figure for demonstrating an example of a structure of the superconducting magnet which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態に係る超電導マグネットの構成の一例を説明するための図。The figure for demonstrating an example of a structure of the superconducting magnet which concerns on the 6th Embodiment of this invention. 本発明の第7の実施形態に係る超電導マグネットの構成の一例を説明するための図。The figure for demonstrating an example of a structure of the superconducting magnet which concerns on the 7th Embodiment of this invention. 本発明の第1〜第6の実施形態に共通する超電導マグネットにおける磁場分布の一例を説明するための図。The figure for demonstrating an example of the magnetic field distribution in the superconducting magnet common to the 1st-6th embodiment of this invention. 従来の超電導マグネットの中心を0[m]とした径方向応力分布の計算値の一例を示す図。The figure which shows an example of the calculated value of radial direction stress distribution which made the center of the conventional superconducting magnet 0 [m]. 本発明の第1の実施形態に基づき線材間の介在物の弾性率を小さくした場合の高磁界超電導マグネットの中心を0[m]とした径方向応力分布の計算結果の一例を示す図。The figure which shows an example of the calculation result of radial direction stress distribution which set the center of the high magnetic field superconducting magnet to 0 [m] at the time of making the elasticity modulus of the inclusion between wires based on the 1st Embodiment of this invention small. 本発明の第4の実施形態に係る超電導マグネットにおける幅が異なる線材21,22,23にそれぞれ対応する3つの巻線部(コイルA,B,C)の仕様を示すテーブルの一例を示す図。The figure which shows an example of the table which shows the specification of three coil | winding parts (coil A, B, C) each corresponding to the wire 21, 21, 23 from which the width | variety differs in the superconducting magnet which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 図11に示される仕様に基づく超電導マグネットのフープ応力−径方向位置の関係を示すグラフの一例を示す図。The figure which shows an example of the graph which shows the relationship between the hoop stress-diameter direction position of the superconducting magnet based on the specification shown by FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1,11〜13…巻線部、14〜16…マグネット要素、2,21〜23…超電導テープ線材、3,31〜33…非導電性材料、4…繊維、51…内径位置、52…外径位置、61…内径位置での経験磁場、62…外径位置での経験磁場、7…支持部材、8…フランジ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,11-13 ... Winding part, 14-16 ... Magnet element, 2, 21-23 ... Superconducting tape wire, 3, 31-33 ... Nonelectroconductive material, 4 ... Fiber, 51 ... Inner diameter position, 52 ... Outside Diameter position, 61 ... Experience magnetic field at the inner diameter position, 62 ... Experience magnetic field at the outer diameter position, 7 ... Support member, 8 ... Flange.

Claims (8)

テープ形状の超電導テープ線材を円筒形状に巻回して構成され、線材間に非導電性材料を有する巻線部と、
前記巻線部の外径側に設けられ、前記巻線部を支持する支持部材と
を具備し、
前記非導電性材料の弾性率は、前記超電導テープ線材の弾性率よりも低く構成され、
前記巻線部は、
内径側に位置する第1の巻線部と、
外径側に位置し且つ前記第1の巻線部よりも電流密度が低い第2の巻線部と
を有する
ことを特徴とする超電導マグネット。
A winding part comprising a tape-shaped superconducting tape wire wound into a cylindrical shape and having a non-conductive material between the wires;
Provided on the outer diameter side of the winding portion, and a support member for supporting the winding portion,
The elastic modulus of the non-conductive material, the low rather configured than the elastic modulus of the superconducting tape,
The winding portion is
A first winding portion located on the inner diameter side;
A second winding portion located on the outer diameter side and having a current density lower than that of the first winding portion;
Superconducting magnet and having a.
前記超電導テープ線材は、
テープ形状の金属基板と、
前記金属基板上に形成された多結晶薄膜層と、
前記多結晶薄膜上に形成された超電導層と、
前記超電導層上に形成された良導電性安定化金属層と
を有することを特徴とする請求項1に記載の超電導マグネット。
The superconducting tape wire is
A tape-shaped metal substrate;
A polycrystalline thin film layer formed on the metal substrate;
A superconducting layer formed on the polycrystalline thin film;
The superconducting magnet according to claim 1, further comprising a highly conductive stabilized metal layer formed on the superconducting layer.
前記巻線部は、前記超電導テープ線材の各ターンが軸方向へ別々に変位することを抑止するフランジを有することを特徴とする請求項1又は2に記載の超電導マグネット。   The superconducting magnet according to claim 1, wherein the winding portion has a flange that inhibits each turn of the superconducting tape wire from being displaced separately in the axial direction. 前記第2の巻線部における超電導テープ線材は、前記第1の巻線部における超電導テープ線材よりも幅が広いことを特徴とする請求項に記載の超電導マグネット。 It said second winding portion superconducting tape in the superconducting magnet according to claim 1, characterized in that wider than the superconducting tape in said first winding portion. 前記第2の巻線部における非導電性材料は、前記第1の巻線部における非導電性材料よりも厚いことを特徴とする請求項に記載の超電導マグネット。 The non-conductive material in the second winding section, the superconducting magnet according to claim 1, wherein the thicker than the non-conductive material in said first winding portion. 前記非導電性材料は、ガラス繊維、高分子繊維、およびパルプのうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の超電導マグネット。 The superconducting magnet according to any one of claims 1 to 5 , wherein the non-conductive material includes at least one of glass fiber, polymer fiber, and pulp. 前記巻線部および前記支持部材により構成されるマグネット要素と、
前記マグネット要素に対して同心円上の外側に位置し、且つ前記マグネット要素が発生する磁場と同じ向きの磁場を発生する1つ又は複数の別のマグネット要素と
を具備することを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の超電導マグネット。
A magnet element constituted by the winding part and the support member;
One or a plurality of other magnet elements that are located on the outer side of the concentric circle with respect to the magnet element and generate a magnetic field in the same direction as the magnetic field generated by the magnet element. The superconducting magnet according to any one of 1 to 6 .
前記超電導マグネットの中心軸からの径方向の内径位置をr1[m],外径位置をr2[m]とし、それぞれの位置での経験磁場をB1[T],B2[T]とし、B1からB2までの磁場分布を直線近似した勾配をa[T/m]とし、勾配aを前記超電導マグネットの中心軸へ外挿して得られる磁場をB0[T]とし、応力の上限に相当する定数をcとしたとき、径方向の任意の位置r[m]における電流密度J[A・m^−2]がrの関数J=c/{(a×r+B0)×r}を越えないように構成されていることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の超電導マグネット。 The inner diameter position in the radial direction from the central axis of the superconducting magnet is r1 [m], the outer diameter position is r2 [m], and the empirical magnetic fields at the respective positions are B1 [T] and B2 [T]. The gradient obtained by linear approximation of the magnetic field distribution up to B2 is a [T / m], the magnetic field obtained by extrapolating the gradient a to the central axis of the superconducting magnet is B0 [T], and a constant corresponding to the upper limit of the stress is set. When c, the current density J [A · m ^ −2] at an arbitrary position r [m] in the radial direction does not exceed the function J = c / {(a × r + B0) × r} of r. superconducting magnet according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it is.
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