JPH08330126A - 超電導マグネット装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高価な超電導導体の使用量を増やすことな
く、容易に設計できる超電導マグネット装置を提供す
る。 【構成】 コイル１０をボビン１２に装着して形成され
た超電導マグネット装置であって、コイル１０の軸方向
の上下両端部に超電導シールド体２０を配置した。これ
により、ボア１４内に生じる磁場の軸に垂直な成分がコ
イル１０に印加されることを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導マグネット装置
の臨界電流の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導マグネット装置としては、図７
（ａ）に示されるように、超電導性導体からなるコイル
１０をボビン１２に装着した構造が一般的である。

【０００３】コイル１０のボア１４内の磁束線１６は、
コイル軸と平行にならない成分があり、特にコイルの軸
方向の両端部付近においては、コイル軸からの傾きが大
きくなる。従って、ボア１４内の磁場の方向も、コイル
軸に垂直な成分を有するようになる。

【０００４】図７（ｂ）には、ボア１４内におけるコイ
ル軸に垂直な方向すなわちｒ方向の磁場の強度が示され
る。図７（ｂ）からわかるように、ｒ方向の磁場強度は
コイルの軸方向の両端部付近において大きくなってい
る。

【０００５】一方、超電導性導体としてはＢｉ系導体等
が使用されるが、このＢｉ系導体は、印加される磁場の
方向に対して、臨界電流Ｉｃの大きさに異方性を有す
る。

【０００６】図８には、Ｂｉ系導体に印加される磁場の
方向と、その磁場が印加されたときの臨界電流Ｉｃとの
関係が示される。図８に示されるように、導体に対して
磁場Ｂが垂直に印加されたときの臨界電流Ｉｃの低下
が、導体に対して磁場Ｂが平行の場合よりも著しくな
る。従って、図７（ｂ）に示されるように、コイルの軸
方向の両端においてｒ方向磁場強度が大きくなると、図
７（ｃ）に示されるようにコイルの軸方向の両端の導体
に流せる通電可能電流はコイルの中心部付近に比べて大
きく低下する。

【０００７】以上のことから、コイルに流せる通電可能
電流を増加させるためには、コイルの軸方向の両端部付
近における通電可能電流すなわち臨界電流Ｉｃを増加さ
せる必要がある。

【０００８】このような問題を解決するために、特開平
６−２６０３３５号公報には、高温超電導テープを同心
状に巻回したパンケーキ状コイルを積層してなる高温超
電導マグネットにおいて、マグネット軸方向両端部のコ
イルを構成する導体の断面積を、中間部付近のコイルを
構成する導体の断面積に比べ大きくした高温超電導マグ
ネットが開示されている。臨界電流Ｉｃは、単位断面積
当たりに流せる電流の大きさをいうので、コイル軸方向
両端部のコイル導体断面積を増加させれば、コイルに印
加される磁場の大きさが変わらず、臨界電流Ｉｃが変わ
らなくても、断面積が増加した分より高い電流を流すこ
とができる。従って、結果的にコイル全体の電流量を高
めることができ、高い磁場を得ることができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の従来例
においては、コイルの軸方向両端部における導体の断面
積を増加させるので、高価な超電導導体の使用量が多く
なるという問題があった。

【００１０】また、コイル１０には、磁場の影響によ
り、コイルの軸方向には圧縮される力が働き、また、コ
イルの軸に垂直方向にはコイルを外側に押し広げる力が
働いている。従って、これらの力に対する応力を考慮し
てコイルを設計する場合には、使用する線材の断面積が
均一のほうが設計しやすいが、上述の従来例において
は、コイルの軸方向の両端部が中間部よりも断面積が大
きくなっているので設計が困難になるという問題もあっ
た。特に、Ｂｉ系の超電導導体は、ヤング率が小さく歪
みに弱いので、上述したコイルが磁場から受ける力によ
って生ずる歪みに対する設計を間違えると、コイルが破
壊されるという問題があるので、設計のしやすさは重要
である。

【００１１】本発明は上記従来の課題に鑑みなされたも
のであり、その目的は、高価な超電導導体の使用量を増
やすことなく、容易に設計できる超電導マグネット装置
を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、印加される磁場の方向に対して臨界電流
に異方性を有する導体からなるコイルをボビンに装着し
た超電導マグネット装置であって、前記コイルの軸方向
の両端部において、前記コイルの内側である前記ボビン
の内部または内外表面に超電導シールド体が設けられ、
前記超電導シールド体は、複数の超電導シールドフィル
ムからなり、前記各超電導シールドフィルムは、互いに
電気的に絶縁されていることを特徴とする。

【００１３】また、前記超電導シールドフィルムは、超
電導積層フィルム、又は、直径１０μｍ以下の線材を使
用して布状に形成したものであることを特徴とする。

【００１４】

【作用】上記構成によれば、コイルの内側に設けられた
超電導シールド体により、コイル軸に垂直な方向の磁場
成分が遮断され、コイル軸方向の両端部における臨界電
流が低下することを防止できる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例を図面に基づい
て説明する。

【００１６】図１（ａ）には、本発明に係る超電導マグ
ネット装置の実施例が示され、図７に示された従来例と
同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。

【００１７】図１（ａ）においては、コイルのボビン１
２のコイルの軸方向の両端部に、超電導シールド体２０
が設けられている。この超電導シールド体２０は、ボビ
ン１２の内面、外面、内部のどこに設けてもよい。

【００１８】このような構成とすることにより、ボビン
１２のボア１４を通過する磁場のｒ方向すなわちコイル
の軸に垂直な方向の成分は、超電導シールド体２０によ
って遮断される。すなわち、ｒ方向の磁場が、超電導シ
ールド体２０に印加されると、超電導シールド体の表面
にこの磁場のｒ方向成分を打ち消す方向の渦電流が流
れ、これによって導体に垂直な方向の磁場がコイルに印
加されることを防止できる。

【００１９】この結果、図１（ｂ）に示されるように、
コイル１０に印加されるｒ方向の磁場強度はコイル１０
の中間部と軸方向の両端部においてほとんど同じにな
る。従って、図１（ｃ）に示されるように、コイル１０
に通電可能な電流の大きさも、コイル１０の軸方向の両
端部と中間部においてほぼ同じにすることができる。こ
れにより、コイル１０の軸方向両端部における通電可能
電流の低下が防止できるので、コイル全体の電流量を高
めることができる。

【００２０】図２には、本発明に係る超電導シールド体
２０の実施例が示される。図２（ａ）に示されるよう
に、超電導シールド体２０は、複数の超電導シールドフ
ィルム２２から構成されている。

【００２１】超電導シールドフィルム２２は、図２
（ｂ）に示されるように、超電導体を絶縁被覆で覆った
構造となっている。超電導シールドフィルム２２をこの
ような構造とすることにより、超電導シールド体２０を
構成する各超電導シールドフィルム２２間の電気的な連
絡を断つことができる。これにより、円筒状の超電導シ
ールド体２０に周方向の電流ループが形成されることを
防止でき、図１に示されたＺ方向すなわちコイルの軸方
向の磁場をキャンセルする電流が発生することを防止す
ることができる。こうすることにより、コイル１０によ
って発生される中心磁場が減少したり、超電導シールド
体２０の周方向にループ状に流れる電流により超電導シ
ールド体２０にフラックスジャンプが発生することを防
止することができる。

【００２２】図２（ｃ）には、超電導シールドフィルム
２２の積層方法の例が示される。図２（ｃ）において、
超電導シールドフィルム２２は複数の層になるように配
置されており、かつ、各超電導シールドフィルム２２の
層は、超電導シールドフィルム２２の切れ目２４が重な
らないように配置されている。これにより、超電導シー
ルドフィルム２２相互間の切れ目２４から磁場が漏れる
ことを防止できる。なお、超電導シールドフィルム２２
は、円筒状の超電導シールド体２０を構成するために、
予め所定の形に形成されたシールド配置用円筒基板２６
の上に上述のような配置が行われる。このようにして形
成された超電導シールド体２０をボビン１２の内面、外
面あるいは内部に配置する。内部に配置する場合にはボ
ビン１２に埋め込む形となる。

【００２３】超電導シールドフィルム２２に使用される
超電導体としては、第１種超電導体及び第２種超電導体
のいずれも使用することができる。一般に、第２種超電
導体を使用したほうがより高い磁場の遮断に使用するこ
とができる。

【００２４】図３及び図４には、超電導シールドフィル
ム２２の実施例が示される。

【００２５】図３には、超電導体２８と良導体３０とを
積層フィルムとし、超電導積層フィルムとして構成され
た超電導シールドフィルム２２が示される。この超電導
積層フィルムには、超電導体２８として、Ｎｂ−Ｔｉ圧
延フィルム又はＮｂ₃ Ｓｎ、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−
Ｏのスパッタリング等薄膜、厚膜形成プロセスで得られ
るフィルムが使用される。また良導体３０としては、Ａ
ｌ、Ｃｕ、Ａｇ等が使用される。そして、これらを積層
したフィルムは、周囲をポリイミド系の絶縁被覆３２で
覆い、内部の超電導体２８及び良導体３０と外部との電
気的接続を遮断している。

【００２６】なお、上述したＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−
Ｏの組成としては、Ｂｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ：Ｏ＝２：
２：２：３：１あるいは２：２：２：１：１が代表的で
ある。これは、Ｂｉ系の超電導体であって、コイル１０
の超電導体としても使用される。

【００２７】超電導体２８としてＮｂ−Ｔｉを使用し、
超電導積層フィルムを圧延によって形成した場合には、
超電導体２８の厚さは３０〜４０μｍとなり、良導体３
０（Ａｌ）の厚さは１０μｍ程度が限界である。一方フ
ラックスジャンプの発生を防止するには、超電導体２８
の層の厚さを１０μｍ以下にするのがよいが、上述の通
り、低価格の圧延では、超電導体２８をこの厚さに形成
することは困難である。このため、上記のようなスパッ
タリング等のプロセスによって更に超電導体２８の厚さ
を薄くするのがよい。

【００２８】図４には、超電導体２８として超電導フィ
ラメントを使用した超電導シールドフィルム２２の例が
示される。超電導フィラメントとしてはＮｂ−Ｔｉの直
径１０μｍ以下の微細ワイヤーが使用される。ワイヤー
の直径が１０μｍ以下であるので、フラックスジャンプ
の発生を防止することができる。またワイヤーの方が積
層フィルムよりその製作が容易である。これにより、使
用温度が９Ｋ（Ｎｂ−Ｔｉの臨界温度）以下であり、か
つ、低価格が求められている場合に、価格の安いＮｂ−
Ｔｉを使用することができる。

【００２９】超電導フィラメントは、２次元及び３次元
的に織られ布状に形成される。そして、Ｐｂ含浸や、Ａ
ｇ、Ｃｕ、Ａｌ等を超電導フィラメントの周囲に配置す
ることにより良導体３０が形成される。なお、このよう
に形成された超電導シールドフィルム２２は、図３に示
されるように、外側をポリイミド系の絶縁被覆３２で覆
われることになる。

【００３０】以上のように形成した超電導シールドフィ
ルム２２は、厚さが約５０μｍ程度であり、０．１テス
ラの磁場まで遮断することができる。従って、これより
も強い磁場を遮断するためには、超電導シールドフィル
ム２２の積層枚数を増加すればよい。

【００３１】超電導シールドフィルム２２を使用した超
電導シールド体２０により、コイル１０の軸方向の両端
部において、コイル１０に印加されるｒ方向（導体に垂
直方向）の磁場強度を低減することができるが、更にこ
の効果を高くするためには、コイル１０の端面より超電
導シールド体２０を外側に出せばよい。

【００３２】また、超電導シールド体２０はこれまで単
純円筒としてきたが、図５に示されるように、端部に行
くに従い先が細くなる形状としてもよい。これにより、
磁束線の分布を変えることができ、磁場のｒ方向成分の
強度をさらに低減させることができる。

【００３３】図６には、従来技術と本発明とのコイル１
０を形成するための必要線材料の比較が示される。図６
からわかるように、本発明では、超電導シールド体２０
の効果により、必要線材料を従来に比べ６割に低減する
ことができる。これにより、ＳＭＥＳ（超電導磁気エネ
ルギー貯蔵装置、Ｓｕｐｅｒ ＣｏｎｄｕｃｔｉｎｇＭ
ａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｒａｇｅ）等で問
題となる、粒界等でのウィークリンクによって生じる微
小残留抵抗の絶対量を低減することができる。従って、
超電導コイルでの電力消費が軽減でき、冷媒損失、電力
損失が低減できるので、上記ＳＭＥＳはエンジン搭載型
電気自動車（ハイブリッド車）に搭載したり、コンピュ
ータのバックアップ電源に使用する等各種用途に使用す
ることが可能となる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
コイル全体の線材量を増やすことなくコイルの軸方向に
垂直な方向でコイルに印加される磁場強度を低減するこ
とができる。また、コイルは全て同一の断面積を有する
超電導体で形成することができるので、設計も容易とす
ることができる。

【００３５】更に、超電導シールド体の厚さを、フラッ
クスジャンプの抑止に有効な１０μｍ以下に容易にする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る超電導マグネット装置の実施例
の断面図及び垂直方向磁場強度の低減効果を示す図であ
る。

【図２】 本発明に係る超電導シールド体を示す図であ
る。

【図３】 本発明に係る超電導積層フィルムからなる超
電導シールドフィルムの断面図である。

【図４】 本発明に係る線材を使用した超電導シールド
フィルムの斜視図である。

【図５】 本発明に係る超電導シールド体の他の例を示
す図である。

【図６】 本発明と従来技術との必要線材量を比較した
説明図である。

【図７】 従来における超電導マグネット装置の例を示
す断面図、及び垂直方向磁場強度と通電可能電流を示す
図である。

【図８】 臨界電流とコイルに印加される磁場との関係
の説明図である。

【符号の説明】

１０ コイル、１２ ボビン、１４ ボア、１６ 磁束
線、２０ 超電導シールド体、２２ 超電導シールドフ
ィルム、２４ 超電導シールドフィルムの切れ目、２６
シールド配置用円筒基板、２８ 超電導体、３０ 良
導体、３２ 絶縁被覆。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 印加される磁場の方向に対して臨界電流
   に異方性を有する導体からなるコイルをボビンに装着し
   た超電導マグネット装置であって、 前記コイルの軸方向の両端部において、前記コイルの内
   側である前記ボビンの内部または内外表面に超電導シー
   ルド体が設けられ、 前記超電導シールド体は、複数の超電導シールドフィル
   ムからなり、前記各超電導シールドフィルムは、互いに
   電気的に絶縁されていることを特徴とする超電導マグネ
   ット装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の超電導マグネット装置で
   あって、 前記超電導シールドフィルムは、超電導積層フィルムで
   あることを特徴とする超電導マグネット装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の超電導マグネット装置で
   あって、 前記超電導シールドフィルムは、直径１０μｍ以下の線
   材を使用して布状に形成したものであることを特徴とす
   る超電導マグネット装置。