JPH08316026A - 鉄心積層型電磁石及びそれを用いた加速器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加速器用に用いる電磁石の磁極の再組立精度
を高め、個体差を小さくし、良質のビームを得る。 【構成】 少なくとも１極用の鉄心（以下、部分鉄心と
いう。）を打ち抜き鋼板（部分鉄心用の鋼板を以下、分
割鋼板という。）を積層して構成し、該部分鉄心を複数
個一体に連結して２ｎ極（ｎ≧１）の鉄心１とし、該鉄
心１の両端に夫々端板３を積層した鉄心積層型電磁石に
おいて、前記一体に連結するときの各部分鉄心の境界部
分に突起部100が形成されるように前記分割鋼板を打ち
抜いておき、前記一体に連結するとき隣接する前記突起
部100を当て板５と締め付けボルト６で締め付けて一体
化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鉄心積層型電磁石及びそ
れを用いた加速器に係り、特に、鉄心の変形による電磁
石個体誤差を抑制するのに好適な鉄心積層型電磁石と加
速器に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１０は、従来の加速器用鉄心積層型電
磁石（四極電磁石の場合）の正面図（ａ）及び前部にお
ける側面図（ｂ）である。従来の加速器用鉄心積層型電
磁石は、鋼帯をプレスで打ち抜いた多数の鋼板15bを積
層してその前端と後端に夫々端板３を積層することで積
層鉄心１の本体を構成し、更に、側板10を積層鉄心１の
側面に当て、積層鉄心１及び端板３と側板10を溶接した
後、各積層鉄心１の側板10間を鉄心一体化ボルト６を用
いて締め付けることにより構成していた。

【０００３】この場合、鉄心と側板の溶接部においては
溶接時の熱変形により鉄心の形状が変化し、鉄心組立後
では磁極間隔の組立精度が悪化することが問題となって
いた。そこで従来は、積層鉄心と側板を溶接する部分に
リップ構造等を採用し、鉄心の大幅な変形を抑える方法
を主に採用してきた。しかしながら、熱変形による磁極
寸法のずれは多少なりとも生じていたので、溶接部を削
除するかまたは溶接部の残留応力を開放することによ
り、目的の磁極の組立精度を確保する調整を実施してき
た。

【０００４】また、従来の積層鉄心型電磁石において、
側板の溶接とボルトを併用した一体化構造を採用してい
た主たる理由は、鋼板の積層方向の剛性を上げる必要が
あったためである。従来の電磁石は、磁極長が１ｍを越
えるような大型のものが多く、また加速器特有の特徴と
して、電磁石をアライメントした後にビームが通る超高
真空ダクトを磁極間に入れるため、鉄心を分割できるよ
うにしておくことが必要である。この際、大型の積層鉄
心では、剛性を有していないと再組立の再現性を確保で
きず、このため側板の溶接が必要となっている。

【０００５】しかし、溶接箇所があると必然的に熱変形
を避けることができないため、特開平６―１３２２１号
公報記載の従来技術では、補強板の溶接作業を廃止し、
補強板をテーパー形状を利用して積層鉄心側部にはめ込
むようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】最近の加速器は、電磁
石の小型化が要求されてきており、ビームの低エミッタ
ンス化（ビームのサイズを小さくすること）を図ること
によって、質のよいビームを利用できるようにすること
が要望されている。例えば、放射光発生装置では、ビー
ムの低エミッタンス化を図って放射光の輝度を上げ、短
期間で精度のよい結果を得ることができるようにするこ
とが強く要求されている。この低エミッタンス化に伴
い、加速器用電磁石は、高強度で且つ各磁極間の空間に
生ずる磁場の均一度を向上させることが必要となってい
る。上記要求を満足させるには、電磁石の磁極を高精度
（数十μｍ）で組み立てる必要がある。

【０００７】図１０に示す従来の様に、積層鉄心に側板
を積層方向に渡って溶接していたのでは、溶接時の熱に
よる鉄心の変形が生じ、電磁石組立後の磁極寸法にばら
つきが生じ、上記精度で組み立てるには、調整作業に手
間がかかってしまう。また、この調整作業は作業者個人
の技量または手法に依存するところが大きく、作業者の
個人差により電磁石の個体差を生じることになる。各電
磁石間の個体差は、発生する磁場の偏差を生じる。

【０００８】加速器においては、各電磁石を直列に接続
して励磁する場合が多く、電磁石間の個体差はビームを
安定に調整することに支障を与えるため、従来は、その
調整のために、各電磁石に磁場補正コイルを設けるかま
たは別途ビーム調整用の電磁石を設けていた。

【０００９】また、上記特開平６―１３２２１号公報記
載の従来技術では、補強板の溶接を廃止し、補強板をテ
ーパー形状を利用して積層鉄心側部にはめ込む構成を採
用しているが、補強に重点をおいているだけで、分割し
た磁極を如何にして高精度に組み立てるかについて配慮
がない。このため、上述した電磁石の個体差を避けるこ
とができず、加速器組み立て時の電磁石の再組立の高精
度化を図ることができない。

【００１０】本発明の目的は、電磁石を高精度で再組立
でき、しかも個体差が小さく、良質のビームを得ること
ができる加速器用鉄心積層型電磁石とそれを用いた加速
器を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、少なくとも
１極用の鉄心（以下、部分鉄心という。）を打ち抜き鋼
板（部分鉄心用の鋼板を以下、分割鋼板という。）を積
層して構成し、該部分鉄心を複数個一体に連結して２ｎ
極（ｎ≧１）の鉄心とし、該鉄心の両端に夫々端板を積
層した鉄心積層型電磁石において、前記一体に連結する
ときの各部分鉄心の境界部分に突起部が形成されるよう
に前記分割鋼板を打ち抜いておき、前記一体に連結する
とき隣接する前記突起部を締め付けて一体化すること
で、達成される。

【００１２】

【作用】電磁石を部分鉄心毎に分解し、再度組み立てる
とき、部分鉄心間の突起部を合わせ締め付けるだけで再
組立できるようにしてあるため、打ち抜き鋼板の打ち抜
き精度近くの高精度で電磁石を組み立てることができ、
再組立時での個体差が小さくなる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１は、本発明の一実施例に係る加速器用鉄心
積層型電磁石の四極電磁石の場合の正面図（ａ）及び前
部側面図（ｂ）である。図１の電磁石に用いる鋼板の打
ち抜き形状を図５に示す。また、図６は、本発明実施例
に係る電磁石の製作手順を示すフローチャートである。
比較のために、図１１に従来の電磁石の製作手順を示す
フローチャートを示す。以下、図１に示す電磁石を図６
の製作手順に基づき説明する。

【００１４】(1)無方向性電磁鋼帯（JIS C 2552）、方
向性けい素鋼帯（JIS C 2553）、磁極用鋼板及び鋼帯
（JIS C 2555）等に規定されている鋼帯及び、20μｍ以
下の精度で製作した打ち抜き型治具をプレス機に取付
け、鋼帯を圧延方向に対して１枚づつ打ち抜き、打抜き
鋼板15ａ及び打ち抜き鋼板15bを製作する。

【００１５】従来の例では、打ち抜き鋼板15ａのみを製
作するだけであるが、本実施例では打ち抜き鋼板15ｂも
製作する。これは打ち抜き型治具を多少改造するのみで
対応できるため、量産時における経済性及び工程におい
て両者の偏差は殆どない。小量の場合は、打ち抜き鋼板
15ａの突起部100を切り落とすのみで打ち抜き鋼板15ｂ
が製作できる。

【００１６】(2)鋼板積層用治具上に多数の打ち抜き鋼
板15ａを積層し、ところどころに、複数枚の鋼板15ｂを
積層したものを介層して積層鉄心１とする。夫々の打ち
抜き鋼板15ａ，15ｂの積層枚数を管理することにより、
鉄心一体化ボルト６を取り付ける位置の鋼板として打抜
き鋼板15ｂを積層することができる。積層鉄心１は、積
層方向に規定された厚さ分の打抜き鋼板15ａ、15ｂを積
層した後、積層方向両端部に端板３を取り付ける。

【００１７】従来の例（図１１）では、積層作業におい
ても枚数管理を実施しており、量産時における経済性及
び工程において両者の偏差は殆どない。

【００１８】(3)積層治具上に一体となった積層鉄心１
と端板３は、鉄心締付ボルト４を通して積層方向に均一
に加圧を加える。加圧力は、鉄心締付ボルト４の締付ト
ルクをトルクレンチを用いて管理することにより容易に
得られる。

【００１９】以上により積層鉄心１の一体化が図れたの
であるが、さらに積層方向の鉄心の剛性を持たせ、当て
板６を積層鉄心１に固定するために、あて板５と端板３
とを溶接することもできる。この溶接は端板３とあて板
５の溶接であるため、鋼板15ａ，15ｂが溶接により熱変
形することはない。この溶接により、あて板５は鉄心と
一体となり、鉄心の分解組立時に紛失することが無くな
るとともに、鉄心締付ボルト６の伸びの経時変化を抑え
ることもできる。

【００２０】従来の例（図１１）では、加圧プレス装置
を製作する必要があること、及び側板10の溶接作業を行
う必要があるため、本実施例より経済性及び工程におい
て劣る。

【００２１】(4)積層鉄心１の積層厚のみの寸法測定
を、ノギス等を用いて実施する。従来の例（図１１）で
は、積層厚および磁極寸法を測定した後、積層鉄心と側
板の溶接に伴う変形が生じているため溶接部を削除する
かまたは溶接部の残留応力を開放させる修正作業を伴う
ため、本実施例より経済性及び工程において著しく劣
る。修正作業は、規定寸法内に納まるまで調整が繰り返
される。

【００２２】(5)積層鉄心の各磁極にコイル２を入れ
て、コイルを鉄心に固定する。図１に示す四極電磁石の
場合は、各磁極毎に分割する構造を採用したが、磁極及
びコイルの形状の選び方によっては、２極分一体の構造
（図９参照）を選択することもできる。この場合は、打
抜き鋼板の形状が異なるのみであり、分割境界部分に突
起部を設け、この突起部を利用して磁極を一体化する構
成は同じである。

【００２３】従来の例（図１１）では、本発明と同等で
あり経済性及び工程において両者の偏差はない。

【００２４】(6)各磁極を組み立てて一体化するために
当て板５を積層鉄心１の突起部に当てた後、鉄心一体化
ボルト６を取り付け締め付ける。尚、各積層鉄心１の合
わせ面には、４つの積層鉄心１の相対的な位置決めの役
割を果たす10μｍ程度の精度で製作したキー９を挿入す
る。電磁石のねじれ等が無いようにするために、鉄心一
体化ボルト６の締付トルクをトルクレンチを用いて管理
する。この時点で当て板５を積層鉄心１に固定するため
に、あて板５と端板３とを溶接することもできる。

【００２５】従来の例（図１１）では、本実施例と同等
の作業内容であり経済性及び工程において両者の偏差は
殆どない。

【００２６】(7)最終的に、電磁石の磁極寸法の測定を
マイクロメータ等を用いて実施する。従来の例（図１
１）では、４つの積層鉄心１の組立後においても溶接変
形の部分的な修正作業を行う場合があり、本実施例より
経済性及び工程において多少劣る。

【００２７】図３は、本発明の別実施例に係る電磁石の
要部組立図である。本実施例では、積層鉄心１の積層方
向を端板３および鉄心締付ボルト４を用いて締め付け
る。但し、打ち抜き鋼板15ｂのみを積層する。次に、積
層鉄心１の外周部の４隅に夫々Ｌ字形の当て板５を当て
た後、鉄心一体化ボルト６で隣接する当て板５を一体化
する。当て板５の形状は、鉄心一体化ボルト６を締め付
けた場合、締め付け力の合力が電磁石の中心を向くよう
に設定する。

【００２８】図４は、本発明の更に別実施例に係る電磁
石の要部組立図である。積層鉄心１の積層方向を端板３
および鉄心締付ボルト４を用いて締め付ける。次に、磁
極分割境界部に外に行く程広がるテーパー状の突起部を
持つ積層鉄心１に前記のテーパー形状にはめ合うテーパ
ー状を持つ当て板５を積層方向から積層鉄心１のテーパ
ー状突起部に挿入した後、鉄心一体化ボルト６を締め付
ける。この締め付けで、当て板５が鉄心から離れる方向
に離間すると、当て板５のテーパー形状部が磁極分割境
界部の両突起部を締め付け、両者が一体化する。

【００２９】図７は、本発明の更に別実施例に係る電磁
石の組立図である。積層鉄心１の積層方向を端板３およ
び鉄心締付ボルト４を用いて締め付ける。次に、帯状の
薄板16を用いて鉄心を一体化する。帯状の薄板16は、積
層方法に数カ所締め付ける。帯状の薄板16は、ＳＵＳバ
ンドや接着剤付きのテープ等の非磁性材料を用いること
もできる。非磁性材料を用いることにより、積層方向の
帯状の薄板による磁性体の偏差が無くなり、磁場性能が
向上する。

【００３０】尚、上述した実施例では、端板として特別
に製作したものを使用したが、図８に示す様に、端板３
に変えて、打ち抜き鋼板15ａ叉は15ｂを10〜20mmの端板
相当の厚さまで積層し接着材で一体化させたものを端板
３として使用することもできる。接着剤は、鋼帯に熱硬
化型の樹脂をコーティングされているものがあり、それ
を採用することもできる。これにより、特別に製作した
端板３が不要となり、電磁石の積層方向の長さが小さく
なると共に、電磁石の小型化が図れる。

【００３１】この端板３の材質にＳＵＳ薄板等の非磁性
材を用いることもできる。非磁性材の薄板は、打ち抜き
鋼板15ａ，15ｂと同様に打ち抜いたものを使用してもよ
いし、積層方向の加圧力が均等にかかるものであれば別
形状でもかまわない。

【００３２】尚、締め付けボルトの本数及び締め付け位
置は変更してもよい。また、上記説明では、単独で実施
する場合について述べたが、いずれかの組み合わせで実
施しても同様の効果が得られる。

【００３３】図２は、加速器の平面図である。この加速
器では、ビーム入射系200から、偏向電磁石11，四極電
磁石12，六極電磁石13，補正電磁石14等の電磁石を一定
の間隔で周期的に並べて構成された円形加速器に入射
し、このビームを周回する毎に加速して、出射系から取
り出す様に構成されている。尚、放射光を取り出す場合
には、偏向電磁石部分で急激に進行方向を曲げられたビ
ームから発する放射光を取り出す装置を設ける。この加
速器において、上述した鉄心積層型電磁石を適用するこ
とにより、各電磁石の再組立の際に生じる誤差が小さく
なるので、従来必要とされている磁場補正用コイル及び
ビーム調整用の補正電磁石14の仕様を低減でき又は削減
でき、しかも、良質のビームや放射光が得られる。尚、
補正電磁石14の種類は、一般に２ｎ極（ｎ≧１）の電磁
石に対して適用され、ここでは限定するものではない。

【００３４】以上は、リング系加速器について述べた
が、本発明は、この加速器に適用できる他、他の加速器
にも一般に適用可能である。例えば、荷電粒子群を取り
扱う線形加速器用電磁石、ビーム輸送系用電磁石、リン
グ系用電磁石等を有する放射光発生装置、医療専用加速
器、物理学実験用大型加速器等の加速器に適用される
他、電子顕微鏡装置や半導体の製造装置等のビームをハ
ンドリングする装置に使用される電磁石にも適用可能で
ある。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、以下の効果が得られ
る。 １）各磁極が数十μｍ程度の高精度の組立が可能とな
り、各磁極間に発生する磁場の均一性が向上する。従っ
て、これを加速器に適用した場合、ビーム性能を向上さ
せることができる。 ２）鉄心に直接溶接を施さないため磁極の溶接による変
形等が無くなり製作過程における磁極間隔の調整作業が
省略でき、従来に比べて製作工程を短縮でき、経済性に
も優れる。 ３）容易に積層鉄心の組立が可能であり、従来に比べて
製作工程を短縮でき、経済性にも優れる。 ４）量産の際に問題となる電磁石間の個体差が低減で
き、ビーム調整用電磁石または、各電磁石に設ける補正
コイルの性能を低減または削減することができ、経済
性、操作性、安定性等に優れた加速器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る電磁石の正面図（ａ）
と前部側面図（ｂ）である。

【図２】本発明の一実施例に係る加速器の平面図であ
る。

【図３】本発明の別実施例に係る電磁石の要部組立図で
ある。

【図４】本発明の更に別の実施例に係る電磁石の要部組
立図である。

【図５】図１に示す電磁石で積層する鋼板の２種類の打
ち抜き図である。

【図６】図１に示す電磁石の製作手順を示すフローチャ
ートである。

【図７】本発明の更に別実施例に係る電磁石の正面図で
ある。

【図８】端板の別実施例の説明図である。

【図９】本発明の更に別実施例に係る電磁石の正面図で
ある。

【図１０】従来の電磁石の正面図（ａ）と前部側面図
（ｂ）である。

【図１１】従来の電磁石の製作手順を示すフローチャー
トである。

【符号の説明】

１…積層鉄心、２…コイル、３…端板、４…鉄心締付ボ
ルト、５…あて板、６…鉄心一体化ボルト、７…据付基
準面、８…架台、９…キー、10…側板、11…偏向電磁
石、12…四極電磁石、13…六極電磁石、14…補正電磁
石、15a…打ち抜き鋼板、15b…打ち抜き鋼板、16…帯
板、100…突起部。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１極用の鉄心（以下、部分鉄
   心という。）を打ち抜き鋼板（部分鉄心用の鋼板を以
   下、分割鋼板という。）を積層して構成し、該部分鉄心
   を複数個一体に連結して２ｎ極（ｎ≧１）の鉄心とし、
   該鉄心の両端に夫々端板を積層した鉄心積層型電磁石に
   おいて、前記一体に連結するときの各部分鉄心の境界部
   分に突起部が形成されるように前記分割鋼板を打ち抜い
   ておき、前記一体に連結するとき隣接する前記突起部を
   締め付けて一体化したことを特徴とする鉄心積層型電磁
   石。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記突起部の締め付
   けは、突起部の両端に夫々当て板を当てると共に両当て
   板間を締め付けボルトで締め付けることで行ったことを
   特徴とする鉄心積層型電磁石。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記当て板を前記端
   板にのみ溶接したことを特徴とする鉄心積層型電磁石。
4. 【請求項４】 請求項１において、前記突起部両側に逆
   テーパー部を設けておき、該逆テーパー部に整合するテ
   ーパー部を持つ当て板を嵌合し、該当て板を鉄心から離
   間する方向にボルトで締め付けることで前記突起部を締
   め付けることを特徴とする鉄心積層型電磁石。
5. 【請求項５】 少なくとも１極用の鉄心（以下、部分鉄
   心という。）を打ち抜き鋼板（部分鉄心用の鋼板を以
   下、分割鋼板という。）を積層して構成し、該部分鉄心
   を複数個一体に連結して２ｎ極（ｎ≧１）の鉄心とし、
   該鉄心の両端に夫々端板を積層した鉄心積層型電磁石に
   おいて、前記鉄心の外周部の周方向に沿って複数個の連
   結部材を設け、隣接する連結部材間を連結ボルトで連結
   し締め付けることを特徴とする鉄心積層型電磁石。
6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項５のいずれかにおい
   て、打ち抜き鋼板を積層し接着材で一体化させたものを
   端板として用いることを特徴とする鉄心積層型電磁石。
7. 【請求項７】 請求項１乃至請求項５において、打ち抜
   き鋼板と同一形状の非磁性材の板を積層し接着剤で一体
   化したものを端板として用いることを特徴とした鉄心積
   層型電磁石。
8. 【請求項８】 ２ｎ極（ｎ≧２）または２極のＣ型形状
   以外の鉄心を持つ鉄心積層型電磁石において、積層鉄心
   の積層方向を端板および鉄心締付ボルトを用いて締め付
   けると共に、帯状の薄板を鉄心の外周に巻き付けること
   で鉄心を一体化したことを特徴とする鉄心積層型電磁
   石。
9. 【請求項９】 請求項８において、帯状の薄板に非磁性
   材料を用いることを特徴とする鉄心積層型電磁石。
10. 【請求項１０】 偏向電磁石と四極電磁石と六極電磁石
    と補正電磁石を備える加速器において、前記電磁石とし
    て請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の鉄心積層型
    電磁石を用いたことを特徴とする加速器。