JP2568018B2

JP2568018B2 - 積層偏向電磁石及びその製造方法

Info

Publication number: JP2568018B2
Application number: JP4058403A
Authority: JP
Inventors: 行也服部
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-03-16
Filing date: 1992-03-16
Publication date: 1996-12-25
Anticipated expiration: 2011-12-25
Also published as: JPH05258950A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加速された荷電粒子を
偏向制御する積層偏向電磁石に係り、特にシンクロトン
に利用するのに好適なセクタ型の積層偏向電磁石及びそ
の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、加速器、特にシンクロトロンに
おいては、荷電粒子（ビーム）を加速するリングを備え
ており、このリングにはビームを偏向させるために偏向
電磁石を有している。このようなビーム偏向用の電磁石
は薄い鋼板を複数枚積層してなる電磁石鉄心とコイルと
から構成されている。なお、偏向磁石以外にもパターン
運転を行うための積層電磁石を行えるよう、バンプ電磁
石，セプタム電磁石等があるが、これらは偏向電磁石と
同一構成である。そして、偏向電磁石は、積層するため
の薄い鋼板を予め所定の形状に打ち抜き、或いは機械加
工して磁極間ギャップをを形成し、この状態で所定の精
度を得た後、積層用の装置等を用いて鋼板を積層し、必
要な加圧加工等の変形処理を行い、その際、積層長の補
正等を行い、その後積層した鋼板を溶接，接着等して全
体を一体化することにより、偏向電磁石の鉄心を製作し
ていた。セクタ型の偏向電磁石の鉄心の従来技術として
は、特願昭６１−１５６０６４号公報に示される技術の
ものがある。その従来技術を図７及び図８により具体的
に述べる。即ち、同図に示す偏向電磁石鉄心６は、薄い
鋼板１が打ち抜き加工によって断面Ｃ型に形成されて磁
極間ギャップ５を有し、その鋼板１をビーム偏向角方向
（θ）に所定枚数積層し、これに端板２及び側板３を溶
接ビード４により一体的に固定して形成され、図８に示
す如く断面形状が水平軸Ｏ−Ｏ′に対し上下に対称の形
状をなしている。この場合、セクタ型電磁石鉄心におい
ては、その内側と外側の周長の相違から、薄い鋼板１を
偏向角方向θに積層すると、夫々の鋼板１の両端の厚み
が同一であるから、鉄心内に空気層７としての隙間が生
じ、そのため、空気層７が生じると、その分鉄心６の占
積率が低くなる結果、多極成分磁場、電磁石毎の偏向角
のばらつきの原因となることから、これを防止せんがた
め、前記空気層７に鉄板スペーサ８ａ，８ｂを挿入して
いる。さらに、磁極間ギャップ５の幅広な空間には図８
に示すように、コイル９が配置されると共に、幅狭の部
分にビームを通すビームダクト１０が設置される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、これまでの
シンクロトロンでは、多極成分磁場、電磁石毎の偏向角
のばらつき等は、従来技術で十分対応できる範囲にあっ
たが、治療用シンクロトロンにあっては、占積率のより
向上が要請されている。しかしながら、鉄心６の長手方
向に薄い鋼板１をセクタ型に積層することによって形成
するセクタ型偏向電磁石の鉄心にあっては、これを形成
する圧延鋼板にエッジドロップと云う厚み偏差があり、
その偏差によって鉄心端部に生じるギャップを鉄心スペ
ーサ８ａ，８ｂの挿入によって小さくしているものの、
鉄心端部に生じるギャップを完全に無くすことはできな
い。特に、偏向電磁石の鉄心６のように、鉄心内部に生
じるギャップを鉄心スペーサ８ａ，８ｂで完全に埋める
ことができず、直線型偏向電磁石の鉄心においても不可
能である。即ち、ギャップ形状は、製作条件等に依存し
た複雑な形状となるので、鉄板スペーサ８ａ，８ｂをそ
の都度、その形状に加工することは実質的に不可能であ
ることから、ギャップを完全に埋めるこができなく、必
然的に占積率の悪い鉄心となる。特に、上記鉄心６を治
療用シンクロトロン等のような加速器に使用した場合、
偏向電磁石はシンクロトロンを運動する荷電粒子ビーム
の設計軌道を直接決めている重要な機能を担うものであ
るため、電磁石鉄心に上記欠点（占積率低下）が生じた
場合、占積率低下に伴う不整四極成分の発生、電磁石毎
のばらつきによる設計軌道のゆがみ、ビーム安定加速空
間の減少等の問題がある。

【０００４】本発明の目的は、積層鋼板を所定枚数積層
しても、鉄心内のギャップ（空気層）をなくすことがで
き、占積率をより向上させて不整四極成分等を低減させ
ることができる積層偏向電磁石を提供することにあり、
他の目的は確実に製作できる積層偏向電磁石を提供する
ことにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の積層偏向電磁石
においては、厚みがセクタ型鉄心の外周円弧面側から内
周円弧面に至るに従い次第に狭くなるテーパ形状をなし
て積層鋼板を形成している。また本発明の積層偏向電磁
石の製造方法においては、積層鋼板を、予めその厚みが
セクタ型鉄心の外周円弧面側から内周円弧面側に至るに
従い次第に狭くなるテーパ状に形成するテーパ行程と、
その積層鋼板を互いに厚み方向に所定枚数重ねてセクタ
型の鉄心を形成する成形行程とを有している。

【０００６】

【作用】本発明では、積層鋼板を所定枚数互いに重ねて
セクタ型の鉄心を形成すると、積層鋼板の厚みが上述の
如く、鉄心の外周円弧面側から内周円弧面に至るに従い
次第に狭くなるテーパ形状をなしているので、積層鋼板
を密に重ねることができ、しかもその際、鉄心ギャップ
が生じても、その鉄心ギャップを極力小さくものにする
ことができ、従って、それだけ鉄心の占積率をより確実
に向上させることができる。また本発明方法では、上述
の如く、積層鋼板を、予めその厚みがセクタ型鉄心の外
周円弧面側から内周円弧面側に至るに従い次第に狭くな
るテーパ状に形成するテーパ行程と、その積層鋼板を互
いに厚み方向に所定枚数重ねてセクタ型の鉄心を形成す
る成形行程とを有しているので、上記積層偏向電磁石を
確実に製作できる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１乃至図６により
説明する。図１及び図２は本発明による積層偏向電磁石
の第一の実施例を示し、同図において図７及び図８と同
一符号のものは夫々同じもの若しくは相当するものを表
している。実施例の偏向電磁石は、例えば図１（ｃ）に
示す如く、断面がＨ型に打ち抜かれた鉄心６を有してい
る。該鉄心６は、薄い積層鋼板１がＨ型に打ち抜かれ、
その積層鋼板１がビーム偏向角方向に沿って互いに積み
重ねられ、その積み重ねられた積層鋼板１の外周円弧面
側Ａと内周円弧面側Ｂとに側板３を溶接ビート４によっ
て夫々固着すると共に、ビーム偏向角方向の両端面に端
板２を溶接ビート４によつて固着することにより、セク
タ型を形成している。従って、この偏向電磁石は積層鋼
板１と、これを偏向角方向に所定枚数積層する鉄心６と
を有している。そして、各々の積層鋼板１は両端の厚み
寸法が互いに同一ではなく、異なるようにテーパ状をな
している。即ち、各積層鋼板１は図１（ｂ）に示すよう
に、鉄心の６の外周円弧面側Ａを画成する外端の厚みが
約０．５ミリのとき、内周円弧面側Ｂを画成する内端の
厚みを０．４ミリ程度に小さくさせ、従って外周円弧面
側Ａから内周円弧面側Ｂに至るに従い厚みが小さいなる
ことにより、両端の厚み寸法に差をもたせ、各々を積層
したときに鉄心ギャップ（空気層）が生じるのを極力抑
制するようにしている。この場合、積層鋼板１の両面に
斜面１ａ，１ｂを設けることによってテーパ状に形成す
る。

【０００８】このような偏向電磁石の鉄心６を製作する
には、まず積層鋼板１を所望形状に複数打ち抜くが、実
際には、鉄心ギャップ内に荷電粒子ビームを通すための
ビームダクト（図示せず）を設置する関係上、積層鋼板
１を図１（ｃ）に示す水平軸Ｏ−Ｏ′を境にし、上下二
つのブロックに分割してほぼＥ形とし、そのＥ形の形状
に図２（ａ）に示す如く打ち抜く。この場合、積層鋼板
１は図１（ｂ）に示す如く、両面に斜面１ａ，１ｂを設
けることによって予め形成しておく。次いで、打ち抜い
た積層鋼板１の表面を絶縁処理した後、その積層鋼板１
を図２（ｂ）及び（ｃ）に示すように偏向角方向に沿っ
て互いに所定枚数積み重ねる。これを各ブロック毎に行
う。そして、各ブロック毎に積み重ねた積層鋼板１に図
２（ｄ）に示すように側板３を押し当て、これを加圧装
置等を用いて加圧し，固定する。さらに、加圧固定した
状態のままで図２（ｅ）に示す如く、積層鋼板１の上面
と側面とにセクタ型の側板３を押し当て、かつ溶接ビー
ト４によって溶接することにより、各ブロック毎の積層
鋼板１を製作する。これにより、セクタ型のブロック鉄
心６Ａ，６Ｂを形成する。しかる後、各ブロックの積層
鋼板１間に図示しないビームダクト等の所定物を設置
し、その後、上下各ブロックの積層鋼板１を図１（ｃ）
に示す如く突き合わせ、端板２を溶接ビート４等で溶接
することにより、セクタ型偏向電磁石の鉄心６を形成す
る。

【０００９】即ち、実施例の積層偏向電磁石は、積層鋼
板１を所定枚数互いに重ねてセクタ型の鉄心６を形成す
ると、積層鋼板１の厚みが鉄心６の外周円弧面側から内
周円弧面に至るに従い次第に狭くなるテーパ形状をなし
ているので、積層鋼板を密に重ねることができ、しかも
その際、鉄心ギャップが生じても、その鉄心ギャップを
極力小さくものにすることができ、従って、それだけ鉄
心６の占積率をより確実に向上させることができ。しか
も、鉄心ギャップを小さくできることによって鉄板スペ
ーサの使用量を大幅に低減できると共に、作業工数も低
減することができる。また、積層偏向電磁石の製造課程
においては、積層鋼板１の厚みをテーパ状に形成するテ
ーパ行程と、そのテーパ状の積層鋼板１を偏向角方向に
互いに積み重ねることによって鉄心６を形成する成形行
程とを有しているので、セクタ型の鉄心６を確実に製作
することができる。なお、本件実施例によれば、一端の
寸法が０．５ミリ、他端の寸法が０．４ミリとしたテー
パ状の積層鋼板１によって鉄心６を形成し、これを用い
て偏向電磁石を形成した場合、従来技術のような同一厚
みの積層鋼板を用いたものに比較すると、従来ではセク
タ鉄心の占積率が９５％で、磁場解析により求められた
磁場分布が１×１０~³の精度であったのに対し、９７．
５％にまで占積率を向上させることができ、それにより
磁場分布を±２×１０~⁴まで向上できることが確認され
た。

【００１０】図３及び図４は本発明による偏向電磁石の
第二の実施例を示している。この実施例は、鉄心６を形
成する積層鋼板１の幅寸法が大きく、該積層鋼板１を一
度でテーパ状に加工することが困難な場合の例である。
即ち、この場合、積層鋼板１を図３に示すように水平軸
Ｏ−Ｏ′を中心に上下のブロックに分割する他、積層鋼
板１を垂直軸Ｐ−Ｐ′を中心とし幅方向である左右のブ
ロックに分割し、計上下左右の四分割する形状とする。
その際図４（ａ）に示すように、各ブロックにおいて幅
方向に分割すべき一方の積層鋼板１０Ａ，１１Ａの外側
円弧面の端部の厚みを０．５ミリとし、内周の端部の厚
みを０．４５ミリとしてテーパ状に形成し、同図（ｂ）
に示すように、他方の積層鋼板１０Ｂ，１１Ｂの外側端
部の厚みを０．４５ミリとし、内周円弧面の端部の厚み
を０．４ミリとしてテーパ状に形成する。そして、分割
された積層鋼板１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂを夫々
偏向角方向に沿って所定枚数積み重ねることによって各
ブロックを形成し、その後、これらの各ブロックを図３
に示す如く突き合わせることによってセクタ型の鉄心６
を形成する。この実施例によれば、積層鋼板１の幅寸法
が大きい場合、積層鋼板１を幅方向に分割すると共に、
その分割した積層鋼板１を夫々テーパ状に形成し、これ
を積み重ねることによってセクタ型の鉄心６を形成する
ので、積層鋼板１の幅寸法が大きい場合であっても、セ
クタ型の鉄心６を確実に形成することができ、前記第一
の実施例とほぼ同様の作用効果を得ることができる。

【００１１】図５及び図６は本発明によるさらに他の実
施例を夫々示している。図５の実施例は、電磁石の偏向
半径の大きい（偏向角が小さい）場合に適用したもので
ある。即ち、この場合は、両端の厚みがテーパ状に形成
された積層鋼板１と、テーパ状に形成されていない通常
の積層鋼板２１とを組み合わせることによって偏向角の
小さい鉄心を形成するようにしたものである。従って、
同実施例によれば、偏向角の小さいものでも容易に製作
することができ、しかも偏向角の大きさに応じテーパ状
積層鋼板１の使用量を調節すれば、種々の偏向角に応じ
たセクタ型の鉄心を製作できる。

【００１２】図６の実施例は、テーパ加工された積層鋼
板１を用いて鉄心を形成した場合、その積層鋼板１の圧
延行程で厚み偏差（エッジドロップ）が生じることか
ら、鉄板スペーサを用いて調整しても、不本意ながら空
気層が発生してしまうおそれがある。そこで、鉄粉を混
入した充填材を７１を用い、該充填材７１を空気層の部
分に充填することによって鉄心の高占積率を図るように
する。特に、鉄心断面の水平方向磁場分布において不整
四極磁場が生じるのは、鉄心断面の水平方向位置におけ
る長手方向の鉄心占積率の不揃いが原因と考えられ、そ
の点、充填材７１に混入した鉄粉の混合割合を変える
と、鉄心占積率の不揃いを抑えることができ、極めて有
効である。また、充填材７１として接着剤を用いると、
該接着剤によって鉄心全体の剛性を上げることができる
ので、強度的にも有利である。

【００１３】なお何れの図示実施例でも、積層鋼板１の
両面を削ることによってテーパ状に形成した例を示した
が、例えば、一方の面だけを斜面に削ることによってテ
ーパ状に形成し、その積層鋼板１を互いに重ねてセクタ
型の鉄心を形成することもできる。一般に、積層鋼板１
の表面が絶縁処理され、その絶縁処理された積層鋼板を
重ねることとなるが、上述の如く、積層鋼板１の一方の
面だけをテーパ状に形成した場合、そのテーパ面を、隣
の積層鋼板のテーパ状に形成されていない絶縁面に重ね
ると、積層鋼板間の絶縁を確保することができる。従っ
て、一方のテーパ面をいちいち絶縁処理することが不要
になるので、この積層鋼板で鉄心を形成すれば、絶縁処
理する手間を省くことができ、また鉄心の製作をそれだ
け容易に行うこともできる。

【００１４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の請求項１及
び２によれば、積層鋼板をテーパ状に形成し、そのテー
パ状の積層鋼板を用いることによって鉄心を形成するよ
うに構成したので、積層鋼板を偏向角に沿って密に重ね
ることができ、またその鉄心ギャップを極力小さくもの
にすることができ、それだけ鉄心の占積率をより確実に
向上させることができる結果、不整四極成分の発生，電
磁石毎のばらつきによる設計軌道のゆがみ，ビーム安定
加速空間の減少等の諸問題を抑止し得る効果があり、特
に、請求項１では鉄板スペーサの使用量を大幅に低減で
きると共に、それだけ作業工数も低減でき、また請求２
では偏向角の小さい鉄心でも容易に形成できる。また、
請求項３によれば、磁性粉を混入した充填材を用いるの
で、占積率をいっそう高めることができ、請求項４によ
れば、積層鋼板間の絶縁を確保できるので、鉄心製作が
より容易となる。従って、高精度磁場分布のセクタ型積
層偏向電磁石を容易に製作できるので、直線型偏向電磁
石を利用することによる端部磁場収束効果（ｅｄｇｅ
ｆｏｃｕｓ）を考慮する必要の無いシンプルなシンクロ
トロン電磁石の設計が可能になると云う副次的効果もあ
る。請求項５及び７によれば、請求項１及び２の積層偏
向電磁石を確実に製作でき、請求項６によれば、積層鉄
心の幅が大きいものであっても、容易かつ確実に製作で
きる効果がある。また、請求項８によれば請求項５〜７
の効果に加え、請求項３を実現でき、請求項９によれ
ば、それだけ鉄心全体の剛性が上がるので、それだけ強
度を高めることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による積層偏向電磁石の第一の実施例を
示し、鉄心全体の平面図（ａ），積層鋼板の説明用平面
図（ｂ），同図（ａ）のＩ−Ｉ断面図（ｃ）。

【図２】鉄心を形成する行程を順に示す説明図。

【図３】本発明による積層偏向電磁石の第二の実施例を
示し、図１（ｃ）に対応する説明用断面図。

【図４】図１（ｂ）に対応した積層鉄心の厚みを示し、
図３における左半分を示す説明図（ａ），同じく右半分
を示す説明図（ｂ）。

【図５】積層偏向電磁石の他の実施例を示す要部の説明
図。

【図６】積層偏向電磁石のさらに他の実施例を示す要部
の説明図。

【図７】従来の積層偏向電磁石の一構成例を示す平面
図。

【図８】図７のII−II線断面図

【符号の説明】

１…積層鋼板、１ａ，１ｂ…テーパをなす斜面、６…鉄
心、７…鉄心ギャップ（空気層）、１０Ａ，１０Ｂ，Ａ
…鉄心の外周円弧面側、Ｂ…鉄心の内周円弧面側。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所望形状に形成された積層鋼板と、該積
層鋼板を偏向角方向に所定枚数互いに重ねて形成するセ
クタ型の鉄心とを有する積層偏向電磁石において、前記
積層鋼板は、各々の厚みがセクタ型鉄心の外周円弧面側
から内周円弧面に至るに従い次第に狭くなるテーパ形状
をなしていることを特徴とする積層偏向電磁石。
【請求項２】所望形状に形成された積層鋼板と、該積
層鋼板を偏向角方向に所定枚数互いに重ねて形成するセ
クタ型の鉄心とを有する積層偏向電磁石において、前記
積層鋼板を、厚みがセクタ型の外周円弧面側から内周円
弧面側に至るに従い次第に狭くなるテーパ状に形成され
た積層鋼板と、両端の厚み寸法が同一の積層鋼板とで構
成し、これらテーパ状の積層鋼板と厚みが同一の積層鋼
板とを適宜に重ね合わせて積層鉄心を形成することを特
徴とする積層偏向電磁石。
【請求項３】積層鋼板間の空気層に配置され、かつ磁
性体を混入した充填材を有することを特徴とする請求項
１または２に記載の積層偏向電磁石。
【請求項４】前記テーパ形状の積層鋼板は、一方の面
に斜面を設けて形成することを特徴とする請求項１また
は２に記載の積層偏向電磁石。
【請求項５】積層鋼板を偏向角方向に所定枚数互いに
重ね、セクタ型の鉄心を形成する積層偏向電磁石の製造
方法において、前記積層鋼板を、予めその厚みがセクタ
型鉄心の外周円弧面側から内周円弧面側に至るに従い次
第に狭くなるテーパ状に形成するテーパ行程と、その積
層鋼板を互いに厚み方向に所定枚数重ねてセクタ型の鉄
心を形成する成形行程とを有することを特徴とする積層
偏向電磁石の製造方法。
【請求項６】積層鋼板を偏向角方向に所定枚数互いに
重ね、セクタ型の鉄心を形成する電磁石の製造方法にお
いて、前記積層鋼板を、予め幅方向に沿って複数のブロ
ックに分割すると共に、ブロック毎に分割した積層鉄心
を、各々の厚みがセクタ型鉄心の外周円弧面側から内周
円弧面側に至るに従い次第に狭くなるテーパ状に形成す
るテーパ行程と、各々の積層鋼板をブロック毎に互いに
厚み方向に重ねる行程と、各ブロック毎に積層されたブ
ロック積層鋼板を、積層鋼板の幅方向に突き合わせてセ
クタ型の鉄心を形成する成形行程とを有することを特徴
とする積層偏向電磁石の製造方法。
【請求項７】積層鋼板を偏向角方向に所定枚数互いに
重ね、セクタ型の鉄心を形成する電磁石の製造方法にお
いて、積層鋼板を、予めその厚みがセクタ型鉄心の外周
円弧面側から内周円弧面側に至るに従い次第に狭くなる
テーパ状に形成するテーパ行程と、該テーパ行程によっ
て形成されたテーパ状の積層鋼板と両端の厚みが同一で
ある積層鋼板とを適宜枚数重ね合わせ、鉄心を形成する
成形行程とを有することを特徴とする積層偏向電磁石の
製造方法。
【請求項８】重ねた積層鋼板間に空気層が生じたと
き、該空気層に、磁性体を混入した充填材を充填する行
程を有することを特徴とする請求項５〜７の一項に記載
の積層偏向電磁石の製造方法。
【請求項９】前記充填材として磁性体を混入した接着
剤を用いることを特徴とする請求項８に記載の積層偏向
電磁石の製造方法。