JPH11335120A

JPH11335120A - バルク超電導部材とマグネットおよびそれらの製造方法

Info

Publication number: JPH11335120A
Application number: JP10160019A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Morita; 充森田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-05-26
Filing date: 1998-05-26
Publication date: 1999-12-07
Anticipated expiration: 2018-05-26
Also published as: JP4012311B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高磁場を発生することが可能なバルク超電導
部材およびマグネットを提供する。【構成】超電導相中に非超電導相が微細分散したバル
クを補強材との熱膨張係数の違いにより、均等に加圧す
ることで、磁石の電磁力によるバルクの割れを防ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は酸化物超電導体を用いた
バルク超電導部材およびそれを用いたマグネットに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】REBa₂Cu₃O_7-x(ここでREはY、Pr、Nd、Sm、E
u、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luから選ばれる１種類または２種
類以上の元素を示す)相中にRE₂BaCuO₅またはRE₄Ba₂Cu₂O
₁₀が微細分散した酸化物超電導体を用いた磁束トラップ
型のバルク超電導マグネットは、特開平02-192104号公
報によって報告されている。その後、種々の製造プロセ
スによって作製されたバルク材料を用い、バルクマグネ
ットが試作され、その性能が向上しつつあり、またこの
ようなマグネットのモーター・発電機等への応用も活発
に検討されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】バルクマグネットは、
77K（窒素の沸点）では現在のところ１Ｔ程度の発生磁
場が報告されているが、63K（窒素の融点）、51K（酸素
の融点）などの比較的低温では、数Tのトラップ磁束密
度が達成可能となる。そのような場合、超電導体は強い
電磁力により破壊する可能性がある。森田らの報告｛日
本応用磁気学会誌 Vol.19、744-747(1995)｝では、バル
ク超電導材料をステンレス製のリングに取り付けられた
ネジによりスペーサーを介して支持し補強を行っている
が、40Kでの磁束トラップ実験で試料内部にクラックが
入り特性が低下したことが記載されている。このように
強磁場を発生できるバルク超電導マグネットを実現する
ためには、超電導材料の補強方法が大きな課題であっ
た。

【０００４】

【課題を解決するための手段】磁化された超電導バルク
材料を補強するには、REBa₂Cu₃O_7-x相中に非超電導粒子
であるRE₂BaCuO₅またはRE₄Ba₂Cu₂O₁₀が微細分散した円
柱状または円筒状超電導バルク材料に熱膨張係数の違い
を利用し、金属リングによる圧縮応力が超電導バルク材
料の側面全体に加わるように金属リング中に超電導バル
ク材料を挟み込むように構成することであり、これが本
発明の主旨である。さらに超電導バルク材料に、Pt、Rh、
Ceが添加されている場合、非超電導粒子は微細化するた
め、超電導バルク材料の圧縮強度が向上する。またAgを
添加したものは数十ミクロンのAg粒子が析出するため、
同様に圧縮強度を高めることができる。

【０００５】このようなバルク超電導部材の作製は、77
Kにおいて内径ｄ₁を有する金属リングと直径ｄ₂を有す
る超電導材料（ここでｄ₁〈ｄ₂）を、７７Ｋ以上の温度
において金属リング中に超電導バルク材料を挿入するこ
とによって行われる。このように、この製造方法の主旨
は、７７Ｋ以下の超電導状態において、金属リングによ
り超電導体に少なくとも圧縮応力がかかるようにし、磁
化されたことによって発生する超電導体内の引っ張り応
力を軽減することにある。

【０００６】また、金属リングによる応力が超電導バル
ク材料の側面全体により均一にかかるようにするには、
超電導バルク材料と金属リングの間に樹脂の層を設けれ
ばよい。この場合、内径ｄ₁を有する金属リングと、直
径ｄ₂を有する超電導バルク材料（ここでｄ₁ 〉ｄ₂）を
用いて、金属リング中に超電導バルク材料を挟み込むよ
うに配置し、しかる後、超電導バルク材料と金属リング
の隙間に樹脂を挿入して固化させればよい。この製造方
法の主旨は、室温より低温（当然、臨界温度以下におい
ても）において、金属リングにより超電導体に圧縮応力
がかかるようにし、磁化されたことによって発生する超
電導体内の引っ張り応力を軽減することにある。

【０００７】さらにバルク超電導部材は着磁されてはじ
めてマグネットとして機能する。着磁方法としては、磁
場中で超電導状態に冷却した後、外部磁場を取り除く方
法や、超電導状態に冷却された状態でパルス磁場を印加
する方法などがある。いずれの場合も、着磁は超電導状
態に冷却されかつ磁場が印加された状態から外部磁場を
除去することによって行われる。このようにして作製
したバルク超電導マグネットの概略図を図１、２に示
す。

【０００８】

【発明の実施の形態】上記の超電導バルク材料はa-b面
間（c軸と垂直な方向）にマイクロクラックがある。そ
のため超電導電流がa-b面内に流れるように磁化するこ
とが望ましい。マグネットの形状は超電導電流の分布が
軸対称になる円盤状が望ましい、しかしながら、複数の
マグネットを組み合わせる場合、正６角形ないしは、６
回対称の形状でもよい。また補強リングについても同様
であり、円筒形状または６回対称のリング形状であれば
よい。これらのことから、効率よく磁場を発生させるに
は、円盤の軸方向に着磁することが望ましい。

【０００９】上記のように着磁されたバルク超電導体
（マグネット）には、外周方向に引っ張り応力が加わ
る。この応力は中心で最大となる。超電導材料の引っ張
り強度は、10〜20mmサイズの試料で約70MPa、40〜50mm
サイズの材料で15MPa程度と言われている。直径46mm、
厚さ15mmの材料に試料表面で約７Ｔの磁場を捕捉させた
場合、試料中心部には約70MPaの応力が加わる。この応
力を打ち消すように補強するには、試料の外周から圧縮
応力を加えればよい。圧縮応力を印加するには、超電導
体と金属の熱膨張係数の違いを利用し、前述した本願発
明の方法を用いればよい。室温から77Kまで冷却した場
合、各素材の熱膨張は、超電導体で約−0.20%、アルミ
は-0.41%、銅は-0.31、ステンレスは約-0.29である。ま
た、それぞれの剛性の大小関係は、（アルミ〈銅〈
ステンレス）であり、室温から７７Ｋ冷却によって得ら
れる圧縮応力は上記３種類の金属であまり違わない。作
業の容易さやマグネットの使用条件によって最も適当な
ものを選べばよい。

【００１０】

【実施例】実施例１ Ptを0.5重量%含み、かつYBa₂Cu₃O_7-x中にY₂BaCuO₅が微
細分散した室温で直径44.0mm、高さ15.0mmの単結晶状の
円柱型超電導バルク材料を77Kに冷却した。この材料の
ｃ軸は、円柱の軸とほぼ一致していた。一方、室温で内
径43.9mm、外径53.9mmのサイズを有するアルミリングを
300 ℃に加熱した後、すばやく室温空間で上記超電導バ
ルク材料をアルミリングにはめ込んだ。

【００１１】こうして得られた部材を10Tの磁場中で40K
に冷却し、しかる後、外部磁場を取り除いたところ試料
表面で9.5Tの磁場を捕捉していた。9.5Tの捕捉磁場はこ
のようなアルミリングで補強しない場合、試料中心部で
約100MPaの引っ張り応力を与える。

【００１２】比較例として同様の超電導バルク材料をア
ルミリングによる補強無しで同様な実験を行ったとこ
ろ、10Tから8.9Tに減磁した時に超電導バルク材料は割
れた。このことから、アルミリングにより超電導材料が
補強され、大きな磁場を発生できるマグネットが作製で
きた。

【００１３】実施例２ YBa₂Cu₃O_7-x中にY₂BaCuO₅が微細分散した、室温で外径4
4.0mm、内径10mm、高さ15.0mmの単結晶状の円筒型超電
導バルク材料を作製した。この材料のｃ軸は、円筒の軸
とほぼ一致していた。これに、室温で内径44.1mm、外径
54.1mmのサイズを有するステンレスリングを作製し、室
温空間で上記超電導バルク材料をステンレスリングには
め込み、隙間に硬化性樹脂を挿入した後硬化させた。こ
の材料を10Tの磁場中で40Kに冷却し、しかる後、外部磁
場を取り除いたところ試料中心部で9.6Tの磁場を捕捉し
ていた。

【００１４】比較例として同様の超電導バルク材料をス
テンレスリングによる補強無しで同様な実験を行ったと
ころ、10Tから9.0Tに減磁した時に超電導バルク材料は
割れた。このことから、ステンレスリングと硬化性樹脂
により超電導材料が補強され、大きな磁場を発生できる
マグネットが作製できた。

【００１５】実施例３ Ceを0.5重量%、Agを10wt%含み、かつ(Nd_0.5Sm_0.5)Ba₂Cu
₃O_7-x中に(Nd_0.5Sm_0.5)₄Ba₂Cu₂O₁₀が微細分散した室温
で直径44.0mm、高さ15.0mmの単結晶状の円柱型超電導バ
ルク材料を77Kに冷却した。この材料のｃ軸は、円柱の
軸とほぼ一致していた。一方、室温で内径43.9mm、外径
53.9mmのサイズを有する銅リングを300℃に加熱した
後、すばやく室温空間で上記超電導バルク材料を銅リン
グにはめ込んだ。この材料を10Tの磁場中で40Kに冷却
し、しかる後、外部磁場を取り除いたところ試料表面で
9.6Tの磁場を捕捉していた。

【００１６】比較例として同様の超電導バルク材料を銅
リングによる補強無しで同様な実験を行ったところ、10
Tから7.5Tに減磁した時に超電導バルク材料は割れた。
このことから、銅リングにより超電導材料が補強され、
大きな磁場を発生できるマグネットが作製できた。

【００１７】実施例４約0.01％酸素のArガス中で作製した、Ceを0.5重量%、Ag
を10wt%含んだSmBa₂Cu₃O_7-x中にSm₂BaCuO₅が微細分散し
た円柱型超電導バルク材料（室温で直径44.0mm、高さ1
5.0mmの単結晶状材）を77Kに冷却した。この材料のｃ軸
は、円柱の軸とほぼ一致していた。一方、室温で内径4
3.9mm、外径53.9mmのサイズを有する銅リングを作製
し、この中に77Kに冷却した上記超電導バルク材料をす
ばやく室温空間ではめ込んだ。この材料を10Tの磁場中
で40Kに冷却し、しかる後、外部磁場を取り除いたとこ
ろ試料表面で9.6Tの磁場を捕捉していた。

【００１８】比較例として同様の超電導バルク材料を銅
リングによる補強無しで同様な実験を行ったところ、10
Tから7.5Tに減磁した時に超電導バルク材料は割れた。
このことから、銅リングにより超電導材料が補強され、
大きな磁場を発生できるマグネットが作製できた。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように、本願発明は超電導材
料の割れを防ぎ、強い磁場を発生できるマグネットを提
供するものであり、その工業的効果は甚大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】金属リングにより補強されたバルク超電導マグ
ネットを示す図。

【図２】金属リングと樹脂で補強されたバルク超電導マ
グネットを示す図。

【符号の説明】

１超電導バルク材料２金属リング３樹脂

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 REBa₂Cu₃O_7-x(ここでREはY、Pr、Nd、Sm、E
u、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luから選ばれる１種類または２種
類以上の元素)相中にRE₂BaCuO₅またはRE₄Ba₂Cu₂O₁₀が微
細分散した酸化物超電導体を用いた円柱状または円筒状
の超電導バルク材料とこれを囲む金属リングにより構成
され、金属リングによる圧縮応力が該超電導バルク材料
の側面全体に加わっていることを特徴とするバルク超電
導部材。
【請求項２】酸化物超電導体がPt、Rh、Ceおよび／また
はAgを含有していることを特徴とする請求項１記載のバ
ルク超電導部材。
【請求項３】超電導バルク材料と金属リングの間に樹
脂が挿入されていることを特徴とする請求項１または２
記載のバルク超電導部材。
【請求項４】 77Kにおいて内径がｄ₁の金属リングと直
径がｄ₂ の超電導バルク材料（ここでｄ₁〈ｄ₂）とを用
い、７７Ｋ以上の温度にて金属リング中に超電導バルク
材料を挿入する工程を有することを特徴とする請求項１
または２記載のバルク超電導部材の製造方法。
【請求項５】内径ｄ₁の金属リングと、直径ｄ₂の超電
導バルク材料（ここでｄ₁ 〉ｄ₂）とを用い、金属リン
グ中に超電導バルク材料を配置する工程と、超電導バル
ク材料と金属リングの隙間に樹脂を挿入する工程とを含
むことを特徴とする請求項３記載のバルク超電導部材の
製造方法。
【請求項６】臨界温度以下に冷却され、かつ有限の磁
場を発生している請求項１〜３記載のバルク超電導部材
からなるバルク超電導マグネット。
【請求項７】請求項１〜３記載のバルク超電導部材
を、外部磁場下でかつ臨界温度以下に冷却された状態か
ら外部磁場を取り除くことによって着磁することを特徴
とするバルク超電導マグネットの製造方法。