JPH03261110A - 超電導コイル - 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、強磁場下の物性を測定する装置などにおけ
る強磁場を発生させるための超電導コイルに関する。

〔従来の技術〕

第３図は超電導コイルの断面図である０強磁場を得るた
めの超電導コイルはこの図に示すように断面形状が長方
形で径寸法に比べて軸方向寸法が比較的長いいわゆるソ
レノイド形のコイルを採用するのが一般である。断面が
長方形の円筒状の超電導コイルｌは長細いコの字状の断
面をした巻枠２の凹みの部分に巻回されており、この超
電導コイル１に電流を流したときに発生する電磁力を超
電導コイルｌ自身だけでなく巻枠２にも負担させること
により機械的に充分の強度を持った超電導コイルを形威
している。

巻枠２は非磁性のステンレス鋼かアルミなどの非磁性金
属製であり、Ｉｔ導ココイル１発生する大きな電磁力に
耐えるために必要な強度と発生磁場を乱さないための非
磁性であることの２つを満足する材料として前述のよう
な金属材料が使用される。巻枠２は超電導コイル１を巻
回するための巻枠であるとともに、前述のように充放し
た超電導コイルの機械的強度を確保するための構成部品
でもある。

第４図は第３図のＡ部を拡大した要部拡大図である。こ
の図において、超電導線３は巻枠２の上に巻回された絶
縁シート４の外径側に巻回されるもので、軸方向に一方
の端から他方の端まで巻いて１層を形威し、続けてこの
層の上に２層目を巻回し、このよう層を複数層巻回する
ことにより所定の巻数とコイル幅を持った超電導コイル
ｌが槽底されている。場合によっては眉間に絶縁シート
が挿入される場合もある。

第３図に示すＦ７は超電導コイルｌに電流が流れている
場合に生ずる電磁力の内の半径方向力を表しており、こ
の半径方向力は超電導コイル１の断面全体にわたって発
生しており、その方向は超電導コイル１の径が大きくな
ろうとする外向きである。Ｆ８は超電導コイル１の軸方
向両端部で主に発生する軸方向力であり、図示のように
超電導コイル１を上下から圧縮するような方向に発生す
る。

今、超電導線３に着目し、１本の超電導線３に流れる電
流をＩ、その位置での磁束密度をＢとすると、この超電
導線３に働く電磁力Ｆは次式となる。

Ｆ工ＩＸＢ 超電導コイル１の電流は直流であるから、電流■は一定
でありその方向は紙面に垂直の方向であり、したがって
磁束密度も時間的変化のない電流Ｉに比例した一定値で
ある０Ｍ１束密度Ｂの方向は超電導コイル１の中央部で
は概ね図の上下方向成分が主成分であり、超電導コイル
１の端部に行くほど外径側に曲がって行くという分布を
している。

第５図は超電導コイル１に発生する電磁力を計算により
求めた結果を示す電磁力分布図である。

この図において、横輪は半径ｒ、縦軸は対称軸２であり
、超電導コイル１の２軸方向の対称性を利用して電磁力
の計算は超電導コイル１の上半分を対象として行いその
結果を図示したものである。

それぞれの位置の矢印は、矢印の起点での電磁力Ｆを示
すもので、ベクトルである電磁力Ｆの絶対値Ｆを矢の長
さで、その方向を矢の方向で示したものである０図から
分かるように、超電導コイル１の内径側はど電磁力Ｆの
大きさは大きく、また、図の下部である超電導コイル１
の中央部では電磁力Ｆは殆どｒ軸に平行な成分Ｆ７が主
になっていて２方向威分Ｆ２が小さく、超電導コイルｌ
の端部では電磁力Ｆは下向きの２方向戒分が大きい。

この下向きの２方向戒分Ｆ２は超電導コイルｌの図示し
ていな下端部では上向きになっていて、図に示す上端部
の下向きのＦ２と下端部の上向きのＦ２とで、第３図に
も示したように超電導コイル１を上下方向に圧縮する形
になっていることが分かる。この圧縮力の大きさは超電
導コイル１の端部からＦ２を順次積層して行った値がそ
れぞれの位置での圧縮力となるので、超電導コイルｌの
中央部、第５図のｒ軸上で最大になる。

超電導線３には印加される磁場の大きさによって決まる
臨界電流Ｉ、があるが、コイルに巻いた場合には臨界電
流Ｉ、より小さい通電電流で常電導転移するのが通例で
あり、このように超電導線が何らかの理由で超電導状態
から常電導状態に突然転移する現象はクエンチと称され
ている。クエンチの原因は電磁力によって超電導線３が
僅かに動き、そのときの摩擦熱によって温度が上昇する
ためであるとされている。樹脂含浸コイルでは樹脂の割
れ又は剥離による歪みエネルギー解放に伴う温度上昇が
クエンチの主要因であると言われている。４．２に付近
の極低温では超電導線３の比熱は室温の１／１０００と
非常に小さく、数μ−程度の滑りによる摩擦熱でもクエ
ンチを生ずる可能性かある。

超電導線３は巻回時に適当な張力（数ｋｇｆ／ｍｍ程度
〉で巻回されているので巻枠２との間にかなりの面圧が
あるが、励磁されて超電導コイル１に電流が流れコイル
に半径方向の電磁力がかかると、この面圧はずっと小さ
くなる。そうした状態で同時にかかっている軸方向の電
磁力が前述のように積層されて中央部で最大の圧縮力と
なり、こうした電磁力印加状態では隣接する半径方向に
積層された眉間の隣接する超電導線３の間で相対的な滑
りが起こって、摩擦熱によるクエンチが発生する要因と
なる。クエンチ発生場所としては磁場の高い、したがっ
てＩ、が低く、温度マージンの少ないコイル内径側でか
つ軸方向中心に近い部分で最も可能性が高い。

輪方向電磁力による超電導線の滑りに基づくクエンチを
低減するために、コイル巻回後に軸方向に両端から圧縮
して前締め圧縮力を与える方法が知られている。しかし
、第３図に示すような軸方向長さに比べて半径方向断面
寸法としてのコイル幅が比較的薄くかつ第４図に示すよ
うにソレノイド巻きで密巻きしたコイルでは、両端から
加圧しても上下端近くだけにしか圧縮力が及ばず、中央
部では圧縮力がかからない、そのため、このような前締
め圧縮力を与えてもクエンチの発生を防止する効果は期
待できない。

（発明が解決しようとする課題） 前述の従来のソレノイド形超電導コイルでは、磁場が強
くて半径方向拡張力が大きい部分である軸方向中心付近
に軸方向電磁力が積算された圧縮力が最大になることか
ら、この位宣近くが超電導線の動きによる摩擦熱に起因
するクエンチが発生する可能性の高い位置であるという
問題がある。

また、このようなりエンチを防止するために、あらかじ
め超電導コイルに前締め圧縮力を与えてもこの圧縮力は
超電導コイル中央部にまで及ばないために、コイル中央
部に発生する可能性の高いクエンチを防止するには効果
がないという問題かある。

この発明は、このような問題を解決し、コイル両端の軸
方向電磁力がコイル中央部に影響しなようにすることに
より、クエンチが起こりにくい超電導コイルを提供する
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するためにこの発明によれば、ソレノイ
ド形超電導コイルが、軸方向の両端部を構成する２つの
端部コイルと、これら端部コイルの中間のコイルを構成
する中央部コイルとからなり、前記２つの端部コイルと
前記中央部コイルとがそれぞれ独立して巻枠に巻回され
てなるものとする。

〔作用〕

この発明の構成において、ソレノイド形超電導コイルを
、軸方向の両端の２つの端部コイルと、これら端部コイ
ルの中間の中央部コイルとで構成し、これら３つのコイ
ルをそれぞれ独立して巻枠に巻回することにより、端部
コイルには大きな軸方向電磁力が発生するが、中央部コ
イルに発生する軸方向電磁力は小さなものとなる。端部
コイルは中央部コイルとは別に巻回されているので、端
部コイルに発生した軸方向電磁力は中央部コイルに及ば
なくなり、中央部コイルには大きな圧縮力がかからない
ことから超電導線間で滑る可能性が小さくなる。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。第１図はこ
の発明の実施例を示す超電導コイルの断面図である。こ
の図において、超電導コイル１０は、中央部コイル１１
、図の上の端部コイル１２、図の下の端部コイル１３と
からなっていて、それぞれが独立した巻枠である中央部
巻枠２１．端部巻枠２２．２３に巻回されている。この
ような構成において、超電導コイル１０が励磁されて電
流が流れたときに発生する電磁力のうち主にコイル端部
で発生する軸方向電磁力は上下の端部コイル１２．１３
にその多くが発生し、中央部コイル１１の軸方向電磁力
の発生は僅かである。端部コイル１２．１３に発生した
軸方向電磁力はそれぞれの端部巻枠２２．２３が支持し
て中央部コイル１１に伝達されることがないので、中央
部コイル１１には軸方向力が積算されて生ずる圧縮力は
僅かな大きさになる。その結果、中央部コイル１１の最
もクエンチの起こしやすい軸方向中心部での超電導線の
滑りが発生しにくくなる。

中央部コイル１１と端部コイル１２．１３との区分けを
どの位置にするかは、超電導コイルｌの内径、軸方向、
コイル幅などの寸法諸元によって異なるので、第５図に
示したような電磁力の数値計算を行い最適の区分位置を
決定する。

第２図はこの発明の別の実施例を示す超電導コイルｌＯ
の断面図であり、第１図の実施例と異なる点は巻枠を一
体化したことである。巻枠２０は中央部に中央部コイル
１１を巻回する溝部、この中央部の溝を挟んだ両側にそ
れぞれ端部コイル１２．１３を巻回する溝部を設けてあ
り、これら溝部の境界には境界Ｈｉ２４．２５が設けら
れている。

端部コイル１２に発生する軸方向電磁力は中央部コイル
１１の方向に働くが、境界壁２４がこの軸方向ｔ＆ｔ１
力を支持して中央部コイル１１にその影響を及ぼさない
。同しようにして端部コイル１３に発生した軸方向電磁
力は境界壁２５に遮断されて中央部コイル１１にその影
響を及ぼさない。このような構成により中央部コイル１
１、端部コイル１２．１３それぞれが共通の巻枠２０に
巻回されていても互いに電磁力が影響を及ぼし合わない
構威となっているので、第１図の実施例と同様に中央部
コイル１１の軸方向中心部近傍でのクエンチの発生を抑
制した構成になっている。

〔発明の効果］ この発明は前述のように、ソレノイド形超電導コイルを
両端の端部コイルと、これら端部コイルの中間の中央部
コイルとで構威し、これら３つのコイルをそれぞれ独立
して巻枠に巻回することにより、超電導コイルを励磁し
て電流を流すと端部コイルには大きな軸方向電磁力が発
生するが、中央部コイルに発生する軸方向電磁力は小さ
なものとなる。端部コイルは中央部コイルとは別に巻回
されているので、端部コイルに発生した軸方向電磁力は
中央部コイルに影響が及ばず、その結果、中央部コイル
には大きな圧縮力がかからないことから中央部コイルの
軸方向中心付近での超電１線が相互に滑って摩擦熱が発
生する可能性が小さくなり、したがってクエンチも起こ
りにくくなり、安定した信頼性の高い超を導コイルにな
るという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す超電導コイルの断面図
、第２図はこの発明の別の実施例を示す超電導コイルの
端面図、第３図は従来の超電導コイルの断面図、第４図
は第３図の要部拡大図、第５図は超電導コイルに生ずる
電磁力の計算結果を示す電磁力分布図である。 １．１０・・・超電導コイル、１１・・・中央部コイル
、１２、１３・・・端部コイル、２．２０・・・巻枠、
２１・・・中央部巻枠、２２．２３・・・端部巻枠、Ｑ
ノ ￥２芭 ４２− 第４図 躬５ａ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ソレノイド形超電導コイルが、軸方向の両端部を
   構成する２つの端部コイルと、これら端部コイルの中間
   のコイルを構成する中央部コイルとからなり、前記２つ
   の端部コイルと前記中央部コイルとがそれぞれ独立して
   巻枠に巻回されてなることを特徴とする超電導コイル。