JPS6384103A - 渦電流型交流強磁場発生装置 - 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） 本発明は、磁気物性等の磁気工学研究、パワーマグネテ
ィックス、核融合等に用いる交流強磁場発生装置、特に
導電体に生ずる渦電流により電磁石の磁束を収束して連
続的に交流強路場を発生させ得るようにしたものである
。

（従来の技術） 一般に、この種強磁場発生装置については、強磁場中に
おける物体の特性の調査研究、新素材の開発並びに核融
合の実験等に利用するために、大規模の研究設備を用い
て強磁場発生装置自体の研究開発が強力に進められてい
る。

しかして、従来のこの種強磁場発生装置を分類すると、
クネール法、爆縮法等の破壊型パルス強磁場発生装置、
多層コイル方式、ＭＩＴ方式等の非破壊型パルス強磁場
発生装置、超電導方式、ハイブリッド方式等の連続型強
磁場発生装置に分けられる。

すなわち、コンデンサからコイルに大電流を流して発生
させた磁束を、クネール法では、その電磁力によりアル
ミ管を圧縮して内部の磁束を濃縮し、爆縮法では、火薬
の爆発により磁束を′ａ縮し、いずれも約１００万分の
１秒間約３００Ｔ　（テラガウス）のパルス強磁場を破
壊的に発生させ、また、多層コイル方式（大阪大学方式
）およびＭＩＴ方式では、いずれも特殊形状のコイルに
大電流を流してパルス幅１００　μｓ（マイクロ秒）で
それぞれ最大１００Ｔおよび４０Ｔのパルス強磁場を非
破壊的に発生させ、さらに、超電導方式では、超電導コ
イルに大電流を流して理論的には１７Ｔの強磁場を連続
的に発生させている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上述した従来の強磁場発生装置は、いず
れも、極めて強い磁場は得られるが、強磁場発生時間が
例えば数μｓなど極めて短時間であったり、極低温装置
や巨大な電源設備を必要としたりするうえに、パルス磁
場もしくは直流磁場しか発生させ得す、交流強磁場を発
生させ得るものがない、という問題点があった。

すなわち、クネール法や爆縮法などの破壊型パルス強磁
場発生装置では、得られる強磁場の最高値はかなり高い
がそのｍ’ｔｍ時間が掻めて短く、コイルや試料が磁場
発生の都度破壊されるという問題点があり、多重コイル
方式やＭＩＴ方式などの非破壊型パルス強磁場発生装置
では、パルス幅が比較的長く、非破壊型ではあるが、強
磁場の持続時間が短く磁場強度が一定しないという問題
点があり、さらに、超電導コイル方式強磁場発生装置で
は、一定強磁場を連続して発生させ得るが、大規模の装
置を必要とするに拘らず、１７７以上の強磁場が得られ
ない、という問題点があった。

本発明の目的は、上述した従来の問題点を解決し、室温
における常電導状態において容易に交流強磁場が連続的
に得られるようにした交流強磁場発生装置、特に、導電
体に生ずる渦電流の作用による磁束収束を利用した渦電
流型交流強磁場発生装置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明渦電流型交流強磁場発生装置は、電磁石を構成す
るコイルが形成する交流磁場内に導電体を配置したとき
に、その導電体内に生ずる渦電流の作用により発生する
反磁場により電磁石の交流磁場を打消して、導電体に設
けた空隙内にその交流磁場を収束し、磁束密度を極度に
増大させて集中的に交流強磁場を発生させる、という動
作原理に従い、コイルによる交流磁場内に配置する導電
体の構成配置を最高効率の交流強磁場発生が行なわれる
ように設定したものである。

すなわち、本発明渦電流型交流強磁場発生装置は、電磁
石を構成するコイルと、そのコイルの中心軸に沿った貫
通孔および当該中心軸を通る平面に沿って当該貫通孔か
ら外周面に達するスリットを有する導電材単一ブロック
とを備え、前記コイルに通電したときに前記導電材単一
ブロック内に前記中心軸にほぼ直交する方向の渦電流が
生するようにして前記コイルと前記導電材単一ブロック
とを組合わせ配置したことを特徴とするものである。

（作　用） 本発明によれば、比較的簡単な構成の装置により、比較
的強力な一定の交流強磁場を連続して安定に発生させる
ことができ、例えば、物性定数測定用、新素材開発用、
あるいは、バイオマグネティックス用などの交流強磁場
発生に適用するに好適である。

（実施例） 以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。

電磁石をなすコイルが形成する磁場内に導電体を配置し
たときにその一導電体内に生ずる渦電流の作用により発
生する反磁場によって電磁石の磁場を打消すことにより
導電体に設けた空隙内にその磁場を収束して磁束密度を
極度に増大させる、という本発明による強磁場発生の原
理に従い、本発明者らは、最初に第１図に模式的に示す
構成の装置を提案した。図示の装置は、対称軸を互いに
直交させて近接配置した２組の同形導電体円板対１ａ。

１ｂおよび２ａ、２ｂがなす微小ホールＨを直流電磁石
３の両磁極間に位置させて各円板を同一方向に高速回転
させ、各導電体円板内に生ずる渦電流により反磁場を形
成させると、電磁石３の磁場が打消されるのでその磁束
は導電体円板１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂを貫通し得ず、電
磁石３により形成された磁束はすべて微小ホールＨを通
過するように収束されるので、微小ホールＨ内の磁束密
度が著しく増大し、直流強磁場が発生するようにしたも
のであり、電磁石３のコイルに数百アンペア程度の電流
を流して２０〜３０７程度の強磁場を数秒間発生させる
ことができた。

しかしながら、この当初提案した装置は、磁束収束時に
強大な機械的応力が加わる導電体回転円板を多数設ける
構成に著しい難点があったので、導電体板を静止状態に
して交流磁場内に保持することにより、相対的に上述と
同等の作用によって交流強磁場を発生させるために、第
２図＋８１．　ｆｂｌに模式的に示す構成の装置を提案
した。図示の装置は、１対の長方形導電体板４ａ、４ｂ
を近接配置して形成したスリットＳが電磁石を構成する
空心コイル対５ａ、５ｂの中心に位置するようにしてそ
の導電体板対４ａ、　４ｂをコイル対５ａ、５ｂの中間
に挟み、コイル５ａ、５ｂを交流励磁して交流磁場を発
生させたときに、各導電体板４ａ、４ｂに生ずる交流渦
電流により反磁場を形成して電磁石の交流磁場を遮断し
、電磁石によって発生した交流磁束をスリットＳ内に収
束して磁束密度を増大させ、スリットＳ内に交流強磁場
を発生させるようにしたものである。

第２図示の構成において導電体板４ａ、４ｂに銅板を用
い、各コイル５ａ、５ｂの巻回数を約３００ターンとし
て８０Ｖ一定の交流電圧を直列に印加したときに、コイ
ル５ａ、５ｂの間隔１０ｍで銅板を介挿しない状態にお
ける均一分布の磁束密度０．０１８Ｔが幅５１ｍのスリ
ットＳ内に上述のようにして収束した場合に磁束密度０
．１２Ｔまで増大し、約６．７の収束比が得られたが、
かかる構成の実験装置において、交流電源周波数、銅板
の厚さ、銅板対の個数、コイル間隔およびスリット幅を
それぞれ変化させたときにおける上述した磁束遮断効果
による交流強磁場発生作用の変化を測定した結果を、ス
リット幅・コイル幅比β対収束比α乃至磁束密度Ｔの特
性曲線の変化により表わして第３図乃至第７図にそれぞ
れ示す。

しかして、導電体内渦電流の磁束遮断効果による交流強
磁場発生作用は、第３図から判るように、駆動電源周波
数を６０８２から１８０Ｈｚに上げたことによって著し
く増大しており、また、第４図から判るように、導電体
板の厚さを増大させるのに従って増大させることができ
、また、第５図から判るように、２組の導電体板対がな
すスリットＳを直角に組合わせて第１図示と同様の微小
ホールを構成することにより格段に増大させることがで
き、また、第６図から判るように、電磁石をなすコイル
対の間隔を広げて導電体板をコイル端面から離すことに
より、均一分布磁束の収束率を上げて増大させることが
でき、さらに、第７図から判るように、導電体板対のス
リット幅を狭くすることにより、均一分布磁束の収束率
を上げて格段に増大させることができる。

本発明者らが従来提案した第２図示の概略構成により導
体板対を電磁石の交流磁場内に介挿して均一分布磁束を
収束する渦電流型交流強磁場発生装置の実用化構成の例
を第８図に示す。図示の実用化構成は、コイル対５ａ、
５ｂに鉄心６を組合わせて、電磁石の効率を増大させる
とともに、その鉄心６の磁極間に設置する厚さ２ｃｍと
した銅板対４ａ。

４ｂには磁束収束時に１０ｔｏｎを超えるマクスウェル
応力が加わることが予想されるので、特に堅牢に構成し
たフレーム７により強固に保持しである。

かかる構成により実用化した渦電流型交流強磁場発生装
置において、磁極間隔を４５１ｍとし、銅板対４ａ、４
ｂのなすスリット幅をｌＮとして６０Ｈｚ　、　３３０
０Ｖの商用交流電源により駆動したときに、磁束密度７
．４７Ｓ磁束収束比３．９の交流強磁場が得られた。

なお、上述の構成では銅板対の発熱の問題があるので、
交流強磁場連続発生の時間は約１秒に留まったが、銅板
対を水冷等により冷却すれば、長時間の連続発生も可能
になるものと予想される。

しかして、上述のように４電体板対がなすスリットに電
磁石の均一分布磁束を収束して高い磁束密度が得られる
ようにした従来提案の渦電流型交流強磁場発生装置につ
いて、本発明者らは、装置各部の構成条件を変化させて
得られた導電体内渦電流の磁束遮断効果による交流強磁
場発生作用の変化の第３図乃至第７図に示した測定結果
を総合して包括的に考察することにより、上述した従来
提案装置の性能向上の方向を明らかにし、つぎに述べる
ような新たな構成の渦電流型交流強磁場発生装置を開発
した。

上述した新開発装置の基本的構成の例を第９図（ａｌ、
　（ｂ）に模式的に示す。図示の構成は、第５図示の測
定結果に基づき、２対の導電体対による構成を一体化す
ることにより、構成を簡単化して磁束収束時に加わる巨
大な機械的応力に耐える支持を容易にするとともに性能
を向上させ得るようにしたものであり、単一構成の導電
体板８の中心部に第１図示の従来提案装置におけると同
様の微小ホールＨを設けて均一分布磁束の収束を図ると
ともに、その微小ホール■］から外縁に達するスリット
Ｓを設けて渦電流による熱損失の増大を抑止し、かかる
構成の導電体対８を電磁石をなす空心コイル対５ａ　、
　５ｂの間隙に、微小ホールＨの位置がコイル軸と一致
するようにして介挿保持する。

かかる構成においてコイル対５ａ、５ｂに交流電圧を印
加したときに発生する交流磁場内に導電体板８を配置す
ると、導電体板８内に交流渦電流が発生して反磁場を形
成し、その反磁場によりコイル対５ａ、５ｂの交流磁場
が部分的に打消されて交流磁束の導電体板通過が妨げら
れ、コイル対５ａ、５ｂによる均一分布磁束が実効的に
主として微小ホールＩ（内に収束され、その結果、微小
ホールＨ内の磁束密度が格段に増大するので、渦電流発
生に基づく磁束遮断効果により交流強磁場を容易に連続
して安定に発生させることができる。

上述した交流強磁場発生における微小ホール■］の内径
ｄの変化に対する磁束収束比αの変化特性の例を第１０
図に模式的に示し、また、７コイル対５ａ＋５ｂによる
均一分布磁束がホールＨ内に収束される状態を表わした
磁束分布の態様の例を第１１図に示し、さらに、磁束収
束前［ａ）と磁束収束時（ｂ）とにおける交流磁束波形
を比較して第１２図に示す。

これらの図から判るように、コイル対５ａ、５ｂによる
均一分布磁束を良好な磁束比をもって微小ホールＨ内に
収束するには、微小ホールＨの内径ｄを小さくすること
も必要であるが、渦電流が発生している導電体板８によ
り遮断される磁束のうち、微小ホールＩ］に向わずに外
周方向に漏洩する磁束を少なくして、微小ホールＨによ
る磁束収束比を増大させる必要がある。

かかる磁束収束比の増大を図った基本的構成の例を第１
３図（ａ）の平面図および第１３図（ｂｌのＡ−Ａ側断
面図に示す。図示の構成は、第４図に示した従来の特性
測定結果を参照して磁束収束比の増大を図ったものであ
り、電磁石をなすコイル１０の軸方向の寸法をコイル１
０の高さより長大にした導電体ブロック９の中心部に軸
方向の微小ホール１１およびスリン）Ｓを第９図示の構
成におけると同様に形成し、かかる構成の導電体ブロッ
ク９をコイル１０の内側空間を満たすようにしてコイル
１０内に同軸に配置し、コイル１０の内側空間に発生し
た磁束が外部に漏洩することな（効率よく微小ホールＨ
内に収束されるように構成しである。しかして、この導
電体ブロック９は、第１４図ｔａ＋に示すような円柱状
、第１４図（ｂｌに示すような四角柱状、あるいは、適
切な形状の多角柱状に構成することができる。また、コ
イル９の交流磁場内に配置する導電体ブロック９が第９
図示の構成における導電体板８よりコイル軸方向に長大
であるだけ、渦電流発生による熱損失も増大が見込まれ
るので、ブロック９内に渦電流の発生を妨げないように
して通水するなど、適切な冷却手段を施して交流強磁場
発生の″ｍｍ待時間増大させ、連続発生の容易化を図る
必要がある。

なお、第９図および第１３図に示した基本的構成による
渦電流型交流強磁場発生装置も、第２図示の従来提案構
成によると同様に、第８図示のように構成して実用化す
ることができる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、電磁
石の交流磁場内に配置した導電体内に発生する渦電流に
よる反磁場により交流磁束を遮断して導電体内の微小ホ
ールに電磁石の磁束を収束させ、極めて簡単な構成の装
置により静的に交流強磁場を連続して発生させることが
可能となり、強磁場を利用する各種先端技術の開発促進
に著しく貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来提案の渦電流型直流強磁場発生装置の構成
を模式的に示す平面図、 第２図（ａ）および（ｂｌは従来提案の渦電流型交流強
磁場発生装置の構成を模式的にそれぞれ示す平面図およ
び側面図、 第３図乃至第７図は同じくその交流強磁場発生装置の各
部構成条件の変化による特性の変化の態様をそれぞれ示
す特性曲線図、 第８図（ａ）および（ｂ）は同じくその交流強磁場発生
装置の実用化構成の例をそれぞれ示す平面図および側面
図、 第９図（ａ）および（ｂｌは本発明による渦電流型交流
強磁場発生装置の基本的構成の例をそれぞれ示す側断面
図および平面図、 第１０図は同じくその交流強磁場発生装置の磁束収束特
性の例を示す特性曲線図、 第１１図は同じくその交流強磁場発生装置の磁束収束の
態様の例を示す側断面図、 第１２図は同じくその交流強磁場発生装置における磁束
収束前と磁束収束時とにおける交流磁束波形を比較して
示す信号波形図、 第１３図（ａ）および（ｂｌは同じくその交流強磁場発
生装置の基本的構成の他の例をそれぞれ示す平面図およ
び側断面図、 第１４図（ａｌ、　（ｂ）は同じくその交流強磁場発生
装置の基本的構成のさらに他の例をそれぞれ示す斜視図
である。 ｌａ、ｌｂ、２ａ、２ｂ　・・・回転導電体板３・・・
直流電磁石 ４ａ、　４ｂ、　８・・・導電体板 ５ａ１５ｂ、１０・・・コイル ６・・・鉄心 ７・・・フレーム ９・・・導電体ブロック

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電磁石を構成するコイルと、そのコイルの中心軸に
   沿った貫通孔および当該中心軸を通る平面に沿って当該
   貫通孔から外周面に達するスリットを有する導電材単一
   ブロックとを備え、前記コイルに通電したときに前記導
   電材単一ブロック内に前記中心軸にほぼ直交する方向の
   渦電流が生するようにして前記コイルと前記導電材単一
   ブロックとを組合わせ配置したことを特徴とする渦電流
   型交流強磁場発生装置。 ２、前記導電材単一ブロックを平板状に構成するととも
   に、前記コイルを前記中心軸と直交する方向に沿って２
   ブロックに分割し、当該２ブロックのコイルの間に挟持
   するようにして当該平板状導電材単一ブロックを組合わ
   せ配置したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の渦電流型交流強磁場発生装置。 ３、前記導電材単一ブロックを円柱状または角柱状に構
   成し、当該導電材単一ブロックを囲繞するようにして前
   記コイルを組合わせ配置したことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の渦電流型交流強磁場発生装置。