JPH02260403A - 超電導電磁石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、永久電流モードで運転される超電導電磁石
に関するものである。

特に、超電導電磁石の主コイル及び補償コイルを構成す
る超電導線材に関するものである。

［従来の技術］ 従来例の構成を第８図及び第９図を参照しながら説明す
る。

第８図及び第９図は、例えば特公昭６３−４８４０５号
公報に示された従来の超電導電磁石を示す概念図及び等
価回路図である。

第８図において、従来の超電導電磁石（１）は、主コイ
ル（２）と、この主コイル（２）の両端に接続された永
久電流スイッチ（３）と、主コイル（２）の周囲に取り
巻かれた補償コイル（４）と、この゛補償コイル（４）
の両端に接続された永久電流スイッチ（５）とから構成
されている。

なお、永久電流スイッチ（３）は、主コイル（２）の両
端に接続され、超電導材から製作された抵抗体（３ａ）
と、この抵抗体（３ａ）に対向して設けられたヒータ（
３ｂ）から構成されている。

また、永久電流スイッチ（５）は、補償コイル（４）の
両端に接続され、超電導材から製作された抵抗体（５ａ
）と、この抵抗体（５ａ）に対向して設けられたヒータ
（５ｂ）から構成されている。

さらに、従来の超電導電磁石（１）は、永久電流スイッ
チ（３）の両端に接続されたパワーリード（６）及び（
７）と、永久電流スイッチ（５）の両端に接続されたパ
ワーリード（８）及び（９）とを有している。

第９図において、従来の超電導電磁石（１）が液体ヘリ
ウム温度の永久電流モードで運転されている状態での、
主コイル（２）及び永久電流スイッチ（３）から成る閉
回路（１０）と、補償コイル（４）及び永久電流スイッ
チ（５）から成る閉回路（１１）とが示されている。

なお、閉口路（１０）は、純抵抗分ＲＭと、リアクタン
ス分ＬＭとからなる等価回路であり、閉回路（１１）は
、純抵抗分Ｒｃと、リアクタンス分ＬＣとからなる等価
回路である。

つぎに、上述した従来例の動作を説明する。

まず、永久電流スイッチ（３）のヒータ（３ｂ）は、通
電により加熱されて有限の抵抗をもち、主コイル（２）
は、引出し端〈６）及び（７）に直流電源が接続されて
励磁される。

その後、ヒータ（３ｂ）への通電が中止されると、永久
電流スイッチ（３）は超電導状態となるので、直流電源
が切り離されることにより、永久電流モードの閉回路（
１０）が実現される。

このとき、主コイル（２）の発生磁界は、時間ｔと共に
ｅｘｐ（−ＲＭ　ｔ、／　ＬＭ　）の割合で減衰する。

同様に、永久電流スイッチ（５）のヒータ（５ｂ）への
通電、非通電、並びに引出し端（８）及び（９〉への直
流電源の接続、非接続により、永久電流モードの閉回路
（１１）が実現される。

このとき、補償コイル（４）の発生磁界は、時間ｔと共
にｅｘｐ（Ｒｃ　ｔ／　Ｌｃ　）の割合で減衰する。

したがって、超電導電磁石（１）内の任意の点における
主コイル（２）による磁界→Ｈｕ（→はベクトルを表わ
す。）は、 一＋Ｈ）４　＝−＋ＨＯＮ　ｅｘｐ（−ＲＭ　ｔ／ＬＭ
）と表せる。

同様に、任意の点における補償コイル（４）による磁界
→Ｈａは、 ４ＨＣ＝→Ｈ，Ｃｅｘｐ（−Ｒｃｔ／Ｌｃ　）と表せる
。

任意の点における両コイルによる合成磁界→Ｈは、 →Ｈ＝→ＨＭ　　＋−→Ｈｃ と表せる。

ここで、両コイルの時定数が等しいとき、すなわち、 ＬＨ／ＲＮ　　＝Ｌｃ　／Ｒｃ　　＝τ−とすれば、任
意の点における磁界→Ｈは、→Ｈ＝（→Ｈｏ、＋→Ｈｏ
Ｃ）ｅｘｐ（ｔ／τ）と表せる。

したがって、任意の点の磁界の絶対値は、時間と共に変
化するが、主コイル（２）による磁界と、補償コイル（
４）による磁界の割合は、常に一定である。

主コイル（２）が任意の点で発生する不均一磁界成分の
大きさは、その任意の点で発生する磁界の絶対値に比例
する。つまり、不均一磁界成分を取り除くための補償コ
イル〈４）の磁界も、主コイル（２）による磁界の絶対
値に比例する。

結局、主コイル（２）の発生磁界と、補償コイル（４）
の発生磁界との割合が一定ならば、補償コイル（４）は
、不均一磁界成分を完全に取り除くことができる。また
、時間的な減衰の割合が等しいので、磁界の均一度は時
間と共に変化しない。

第８図においては、巻方向が途中で逆転する補償コイル
（４）を示しているが、巻方向が途中で逆転しない補償
コイルも存在する０例えば、主磁界方向の２次の磁界成
分を補償する補償コイルは、２対のソレノイドによって
構成されるが、各対のコイルの巻方向は同一である。

主コイル（２）と補償コイル（４〉が単純な円形ソレノ
イドコイルであり、両コイルの巻方向が巻き始めから巻
き終わりまで同一であるとして、両コイルのインダクタ
ンスと線材長の関係を求めてみＬ　、　主コ４　ル（２
）／３巻！ｌｋ＆　ＮＮ　、ｔｌＡ材Ｊ％Ｌ／Ｎ、補償
コイル（４）の巻数をＮｃ　、　ｉｉ材長を１ｃとする
と、 ＬＨ４０ＣＮＮ　　’　　　　　　ＬＣＣＣＮＣ２Ｉｌ
ＨＱＣｉ’４１４　　　　　　　１ｃＱＣＮ　Ｃの関係
が成り立つ。

１本の超電導線材の長さには、製造上の上限値が存在す
る。当然、超電導線材の太さにも関係するが、通常、超
電導線材の長さは、４Ａａ前後であり、これが限界であ
る。４Ａａを越える超電導線材を必要とするコイルは、
何等特殊なものではなく、ごく一般的なコイルである。

４ｋｍを越える超電導線材は、複数の超電導線材を接続
することによって製作しなければならない。

永久電流運転される超電導コイルの純抵抗分は、主とし
て超電導線材の接続抵抗であると考えられている。主コ
イル（２）及び補償コイル（４）の接続抵抗ＲＮ　、Ｒ
Ｃは、両コイルの長さが４ｋｍを越えるものとすると、
上述した諸条件により、ＲＮ　”ｌｓ　ｒＮＲＣ＝ＩＣ
ｒＣ と表せる。ただし、１Ｍは主コイル（２）の接続数、１
１ｃは補償コイル（４）の接続数、ｒＨは主コイル（２
）の１箇所当たりの接続抵抗値、ｒＣは補償コイル（４
）の１箇所当たりの接続抵抗値である。

主コイル（２）及び補償コイル（４）の超電導線材の接
続方法が同一とすると、ｒ１４　””ｒＱである。上述
した接続抵抗Ｒ，，ＲＣを、線材長１Ｍ、ＩＣを用いて
表わすと、 ＲＭ　　’＝１４　　ｒ）４　　／４０００　　　　Ｒ
ｅ　　”；ｌｃ　ｒｃ　／４０００となる。なお、完全
な等号で表さなかったのは、１Ｍ　、　１ｃが必ずしも
４０００（ｚ）で割り切れるとは限らないためである。

永久電流スイッチ（３）及び（５）は、コイルの一部の
線材を利用して製作するが、永久電流スイッチく３）、
（５）があるために線材の接続抵抗が増すことはない。

一般的に、全てのコイルの線材の接続方法が同一である
ので、 Ｒ１１ｌ　ＣＣＩＨＲＣｏＣｌｃ の関係が成り立つ。

上述した諸条件を全て考慮すると、主コイル（２）及び
補償コイル（４）の減衰時定数τＨ２τＣは、 τ輌＝Ｌ輛／ＲＮＣＣＮＮ ｒｃ　　＝　Ｌｃ　／　Ｒｃ　ｃｃＮｃと表される。

τ間＝τＣとするためには、Ｎ、＝Ｎｃとしなければな
らない、すなわち、全てのコイルの接続方法を同一とす
るなら、主コイル（２）及び補償コイル（４）の巻数を
同一としない限り、τＮ＝τＣは実現できない。

通常、主コイル（２）と補償コイル（４）とでは、形状
が異なる。補償コイル（４）は、くら型や、１対をなす
各コイルの巻方向が逆の型が存在する。

したがって、主コイル（２）及び補償コイル（４）の巻
数比だけから単純にインダクタンスの違いを割り出せる
ものではない、しかしながら、明らかに言えることは、
主コイル（２）のインダクタンスよりも、補償コイル（
４）のインダクタンスの方が小さく、場合によっては何
けたも差があるくらいに小さいということである。

［発明が解決しようとする課題］ 上述したような従来の超電導電磁石では、主コイル（２
）と補償コイル（４）の磁界の減衰時定数を合わせるた
めに、主コイル（２）に比べて十分率さな起磁力でよい
補償コイル（４）を主コイル（２）と同一の巻数にしな
ければならないので、補償コイル（４）の超電導線材が
著しく細く、製作が容易でなく、また巻数が著しく多い
ために巻線工程に掛かる時間が長くなり単価が高くなる
という問題点があった。

また、主コイル（２）と補償コイル（４）の超電導線材
が異なるために、パワーリード（６）、（７）及び（８
）、（９）の形状が違うものとなり、単価が高くなると
いう問題点があった。

この発明は、上述した問題点を解決するためになされた
もので、高い性能を維持したまま安価に製作することが
できる超電導電磁石を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る超電導電磁石は、以下に述べるような手
段を備えたものである。

（ｉ）６超電導線材から成り主たる磁界を発生する主コ
イル。

（ｉｉ）、同一の上記超電導線材から成り上記主たる磁
界の空間的な均一度を高める補償コイル。

（ｉｉｉ）、上記主コイルを永久電流運転する第１の永
久電流スイッチ６ （ｉｖ）、上記補償コイルを永久電流運転す、る第２の
永久電流スイッチ。

［作用］ この発明においては、超電導線材から成る主コイルによ
って、主たる磁界が発生される。

また、同一の上記超電導線材から成る補償コイルによっ
て、主たる磁界の空間的な均一度が高められる。

さらに、第１の永久電流スイッチによっで、上記主コイ
ルが永久電流運転される。

そして、第２の永久電流スイッチによって、Ｆ記補償コ
イルが永久電流運転される。

［実施例］ 実施例の構成を第１図を参照しながら説明する。

第１図は、この発明の一実施例を示す斜視図であり、主
コイル（２）、永久電流スイッチ（３）及び（５）は上
記従来例のものと全く同一である。

第１図において、この発明の一実施例は、上述した従来
例のものと全く同一のものと、主コイル（２）と同一の
超電導線材で製作されかつ巻数が主コイル（２）より１
桁以上少ない補償コイル（４＾）とから構成されている
。

なお、補償コイル（４＾）は、一部だけ示している。

実施例の電気的な等価回路を第２図を参照しながら説明
する。

第２図は、この発明の一実施例を示す等価回路（さ１で
ある。

第２図において、Ｌｌは主コイル（２）の超電導線材の
隣あう接続部（２ａ）間のインダクタンスであり、主コ
イル（２）はｌ’Ｍ個のＬＩから構成されている。接続
部（２ａ）間のＩｉ材長は同一であり、各イ〉・ダクタ
ンスの値は全て同一である。　ｒ＋は接続部（２ａ）の
抵抗である。

同様に、Ｒ２は補償コイル（４＾）の超電導線材の隣あ
う接続部（４ａ）ｍのインダクタンスであり、補償コイ
ル（４＾）は耽個のＲ２から構成されている。

接続部（４ａ）間の線材長は同一であり、各インダクタ
ンスの値は全て同一である。ｒ、は接続部（４ａ）の抵
抗である。

また、主コイル（２）のパワーリード（６＾）、（７＾
）及び補償コイル（４＾）のパワーリード（８＾）、（
９＾）は、通常、電気抵抗の小さな銅で作られ、各々抵
抗値Ｒ５、Ｒ２をもっている。各パワーリード（６＾）
〜（９＾）が同一形状であるので、Ｒ＋　＝　Ｒ２であ
り、大量生産に適する。

なお、（１２）はクライオスタットであり、内部は１気
圧以下の液体ヘリウムの沸点である４、２にもしくは、
これに近い温度域にある。

つぎに、上述した実施例の動作を第３図、第４図、第５
図、第６図、第７図を参照しながら説明する。

第３図は、この発明の一実施例を示す断面図であり、実
際の実験に用いた超電導電磁石（ＩＡ）の寸法が示され
ており、さらにコイル内部の中心に座標原点Ｏがある座
標系ｘ、ｙ、ｚが示されている。

補償コイル（４＾）としては、Ｚ′シムコイルを用い、
その配置が第４図に示されている。第４図において、コ
イル断面の中心のみが示され、取り付は位置Ｚ、は、コ
イル半径ａによって規格化された値である。また、直線
的に変化する磁界出力が第４図の右側に示されている。

実験に用いた超電導電磁石（１＾）は、主コイル（２）
のインダクタンスが７０８．Ｚ’シムコイルのインダク
タンスが４４ｍＨであり、主コイル（２）の接続部（２
ａ）が１１箇所、Ｚ１シムコイルの接続部が３箇所であ
る。

第５図において、主コイル（２）及び補償コイル（４＾
）が永久電流運転されている際の、座標原点における、
磁界の減衰の特性が示されている。

また、第６図において、主コイル（２）のみがつくる磁
界分布を、補償コイル（４八）によって補正した場合の
磁界分布が示されている。

発明者らの実験によれば、超電導線材の接続抵抗は、接
続方法によって大きく異なる。（参照＝ｉ′抵抗溶接研
究委員会資料ＪＲＷ−３５９−８７社団法人溶接学会昭
和６２年５月２１日刊） 超電導線材の超電導フィラメントの周囲にある安定化銅
を介したハンダ付は接続の場合、１接続部当たりの接続
抵抗はｌＸｌ０−＠〜ｌＸｌ０−”Ωであり、ｌＸｌ０
−”Ω以下とすることは極めて困難である。

これに比べて、超電導フィラメントを直接接続するスポ
ット溶接接続や、圧着接続を用いると、１接続部当たり
の接続抵抗はｌＸｌ０””Ω以下となり、極めて抵抗値
が低くなる。

実験に用いた超電導電磁石（１＾）の場合、主コイル（
２）の接続部（２ａ）はハンダ付は接続とし、１接続部
当たりの接続抵抗はｌＸｌ０−”Ωである。また、Ｚｌ
シムコイルの接続部はスポット溶接接続とし、１接続部
当たりの接続抵抗はｌＸｌ０−”Ωである。

第７図は、上述した実施例と、主コイル（２）及び補償
コイル（４＾）をハンダ付は接続した場合と、両コイル
共にスポット溶接接続した場合の各コイルの磁界の減衰
時定数を示している。接続部を全て同一の接続方法にし
た場合には、各コイルの減衰時定数の比が著しく大きく
なることが解る。すなわち、主コイル（２）の発生磁界
がほとんど変化しないのに、補償コイル（４＾）の発生
磁界のみがすばやく減衰していく。

主コイル（２）の発生磁界に含まれる不均一磁界成分は
、主コイル（２）の発生磁界の絶対値に比例する。した
がって、主コイル（２）の発生磁界が減衰しない限り、
補正すべき磁界が減ることはない。

つまり、主コイル（２）の不均一磁界成分を打ち消す補
償コイル（４＾）の発生磁界が減少してしまっては最適
な磁界補正が行えないことになる。

全て同一の接続方法とした場合、減衰時定数の比τＭ／
τｃ＝４３０は、極めて大きい数字であり、実用上問題
が大きいことがわかる。

これに対して、上述した実施例によれば、減衰時定数の
比τＭ／τｃ　＝０．４３となり、両者の比は１に近い
、したがって、磁界の均一度が長期間に渡って一定であ
る。

第５図で示すように、主コイル（２）と補償コイル（４
＾）がつくる座標原点での磁界は、超電導線材の接続抵
抗を主因として減衰することが実験で明らかになった。

しかしながら、第、６図で示すように、得られた磁界分
布は、敷部月間の実験期間中はとんど変化しなかった。

。 この発明の一実施例は、上述したように同一の仕様の超
電導線材で製作した主コイル（２）と補償コイル（４＾
）を備え、主コイル（２）の接続部（２ａ）をハンダ付
は接続し、補償コイル（４＾）の接続部（４ａ）をスポ
ット溶接接続（又は圧着接続）して、各コイルの磁界の
減衰時定数がほぼ等しくなるように永久電流ループを構
成したので、１種類の超電導線材を準備すればよく、ク
ライオスタットに設置するパワーリードも全て同一の形
状でよく、かつ予備の線材も同一の１種類でよい、した
がって、線材の利用率が高く、高い性能を維持したまま
、極めて安価に製作することができるという効果を奏す
る。また、パワーリードの設計が同一でよいので、コイ
ル周辺機器も安価となる。

［発明の効果］ この発明は、以上説明したとおり、超電導線材から成り
主たる磁界を発生する主コイルと、同一の上記超電導線
材から成り上記上たる磁界の空間的な均一度を高める補
償コイルと、上記主コイルを永久電流運転する第１の永
久電流スイッチと、上記補償コイルを永久電流運転する
第２の永久電流スイッチとを備えたので、高い性能を維
持したまま安価に製作することができるという効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す斜視図、第２図はこ
の発明の一実施例を示す等価回路図、第３図はこの発明
の一実施例を示す断面図、第４図はこの発明の一実施例
を示す説明図、第５図はこの発明の一実施例の磁界の減
衰を示す特性図、第６図はこの発明の一実施例の磁界分
布を示す特性図、第７図はこの発明の一実施例等の減衰
時定数を示す説明図、第８図は従来の超電導電磁石を示
す概念図、第９図は従来の超電導電磁石を示す等価回路
図である。 図において、 （１＾）・・・　超電導電磁石、 （２）　・・・　主コイル、 （３）・・・　永久電流スイッチ、 （４＾）　・・・ （５）　　・・・ （２ａ）　　・・・ （４Ｂ）　　・・・ なお、 を示す。 補償コイル、 永久電流スイッチ、 接続部、 接続部である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　超電導線材から成り主たる磁界を発生する主コイル、
   同一の上記超電導線材から成り上記主たる磁界の空間的
   な均一度を高める補償コイル、上記主コイルを永久電流
   運転する第１の永久電流スイッチ、及び上記補償コイル
   を永久電流運転する第２の永久電流スイッチを備えたこ
   とを特徴とする超電導電磁石。