JP3149731B2

JP3149731B2 - 超電導マグネット装置

Info

Publication number: JP3149731B2
Application number: JP13130695A
Authority: JP
Inventors: 良隆神戸; 悟尾川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-05-30
Filing date: 1995-05-30
Publication date: 2001-03-26
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: JPH08330127A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導モータに用いる
界磁用ソレノイドコイルなどの超電導マグネットに働く
コイル電磁力（膨張力）を抑える超電導シールドの構成
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、各種の超電導モータが提案さ
れており、ソレノイドコイルからなる超電導マグネット
を利用するものが多い。このような超電導マグネットに
おいては、そのボア内に強大な磁界が発生する。一方、
超電導マグネットの周囲に比較的広い空間があれば、周
囲の磁界はボア内に比べ弱くなり、超電導マグネットに
は、電磁力（膨張力）が働く。この電磁力は、電流量に
応じて大きくなり、超電導マグネットにおいては、非常
に大きなものになる。

【０００３】このため、従来装置では、超電導マグネッ
トのコイルをエポキシ樹脂などで固めたり、ステンレス
線を巻き付けるなどの手段で補強し、電磁力によって超
電導マグネットが膨張しないようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような補
強手段を採用すると、装置の重量が大きくなり、またコ
イルに対する熱伝導が十分確保できなくなって、クエン
チしやすくなるという問題点があった。

【０００５】一方、超電導マグネットによる磁界は強大
なものであり、通常の磁力線が周囲に漏れでないよう
に、磁気シールドを配する必要がある。そして、この磁
気シールドとして、超電導シールドを利用することが、
特開昭６２−８９３０８号公報などに示されている。

【０００６】このように、超電導マグネットの周囲に超
電導シールドを配置すると、磁力線が超電導シールドに
全く進入できないことから、超電導マグネットの周囲の
磁界が強いものになり、ここに反力が生じるはずであ
る。なお、特開昭６２−８９３０８号においては、この
反力についての認識はなく、超電導シールドが超電導マ
グネットに十分近づけられてはいないため、超電導マグ
ネットの電磁力を十分抑制するだけの反力は生じるとは
考えられないが、若干の反力は生じるはずである。

【０００７】そこで、特開昭６２−８９３０８号公報に
記載の装置による超電導マグネットにおける電磁力につ
いて考えてみる。

【０００８】まず、図６に示すような円筒状のソレノイ
ドコイル１０における軸方向の断面を考え、この断面を
厚み方向４層（Ｓ１〜Ｓ４）×縦方向６＝２４の部分に
分割する。１〜６が内側、１９〜２４が外側、１、７、
１３、１９が上端側、６、１２、１８、２４が下端側で
ある。

【０００９】そして、ソレノイドコイル１０に電流を流
すと、ソレノイドコイル１０を取り巻く磁場が形成され
る。例えば、図７に示すように、ボア内を下方に向かう
磁場が形成されるが、ボア内は磁力線が通過できる面積
が限定されているため、周囲に比べ磁力線が密（強い磁
界）になる。そこで、ソレノイドコイル１０に、電磁力
（膨張力）Ｆが働く。

【００１０】一方、ソレノイドコイル１０の周囲に円筒
状の超電導シールド１１を近接して配置すると、図８に
示すように、ソレノイドコイル１０の外側空間における
磁力線も密になる。従って、ソレノイドコイル１０に働
く電磁力Ｆ’は、超電導シールド１１がない場合に比べ
小さくなる。

【００１１】そして、このような電磁力について、検討
したところ、電磁力は、縦方向において、均一でないこ
とが分かった。

【００１２】図９は、超電導シールド１１が存在しない
場合における各部分１〜２４における放射方向の電磁力
Ｆの大きさを示したものである。これより、電磁力は、
ソレノイドコイルの中間部分で大きく、下端部では０．
６以下の部分も存在することが分かる。また、図１０
は、超電導シールド１１を設けた場合における電磁力
Ｆ’を示したものであり、この場合にも中間部分で大き
く、下端部では０．３程度の部分も存在することが分か
る。なお、図９および図１０は、中央部分３〜２２にお
ける電磁力を１とし、上下方向の電磁力のばらつきを示
したものである。

【００１３】そして、電磁力が部分的に異なると、異な
る膨張力によって、上下の超電導巻線間にずれが発生
し、この際の摩擦でクエンチが発生するおそれがある。

【００１４】本発明は、このような問題点を解決するこ
とを課題としてなされたものであり、軽量でかつ熱伝導
を十分確保した状態で、電磁力による悪影響を抑制でき
る超電導マグネット装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、筒状の超電導
マグネットの周囲を超電導シールドで取り囲んだ超電導
マグネット装置であって、前記超電導シールドは、超電
導マグネットとの距離が超電導マグネットの両端部にお
いて中間部より近くなる形状を有しており、これによっ
て超電導マグネットに働く電磁力を均一化することを特
徴とする。

【００１６】また、前記超電導シールドは、その縦断面
が円または楕円状であることを特徴とする。

【００１７】

【作用】このように、本発明によれば、超電導シールド
と超電導マグネットとの距離が端部と、中間部で異なっ
ている。そこで、超電導シールドによって、超電導マグ
ネットに印加される中心方向に向かう力が、超電導マグ
ネットに働く膨張力と向きが反対でほぼ等しい大きさに
なり、超電導マグネットに働く電磁力を全体として均一
なものにできる。

【００１８】特に、超電導シールドの縦断面を円または
楕円とすることによって、円筒状の超電導マグネットに
おける電磁力を均一化することができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面に基づ
いて説明する。図１は、実施例の全体構成を示す図であ
り、ほぼ球状（若干縦方向につぶれている）のクライオ
スタット１の内部には、ソレノイドコイルからなる円筒
状の超電導マグネット２が配置されている。この超電導
マグネット２は、ボビン３に巻回されており、１本の線
材を一方向に所定回数巻いたものである。クライオスタ
ット１内には、冷媒４が満たされており、クライオスタ
ット１の上部開口は、蓋５によって密閉されている。ま
た、ボビン３は、取り付け部材６、７、８によってクラ
イオスタット１の内部に固定されている。そして、クラ
イオスタット１の内面の超電導マグネット２の周囲に当
たる場所（クライオスタット１の上面、底面の中心部分
を除いた部分）には、超電導シールド９が設けられてい
る。

【００２０】ここで、クライオスタット１および蓋５
は、冷媒４などを収容するものであり、ＦＲＰ（強化プ
ラスチック）やＳＵＳ３０４（ステンレス）等で形成さ
れる。また、超電導マグネット２および超電導シールド
９は、ＮｂＴｉ等の金属系超電導材料やＢｉ系、Ｙ系等
の酸化物超電導材料から構成されいる、必要に応じてＡ
ｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）等の安定化材で包まれ
ている。なお、超電導マグネット２は、線材で形成さ
れ、超電導シールド９は、薄い板で形成されている。ま
た、冷媒４は、超電導材料を超電導状態に維持するため
の温度に保持するためのものであり、必要な温度に応じ
て、液体ヘリウム、液体窒素、液体水素等が適宜採用さ
れる。さらに、ボビン３、取り付け部材６、７、８は、
クライオスタット１と同様に、ＦＲＰ（強化プラスチッ
ク）やＳＵＳ３０４（ステンレス）等で形成されてい
る。

【００２１】このような装置において、超電導マグネッ
ト２に電流を流すと、この電流に応じた磁界が発生す
る。基本的には、図６または図７に示したのと同様の磁
界が発生する。しかし、本実施例では、ほぼ球状の超電
導シールド９が超電導マグネット２の周囲を取り囲むよ
うに配置されている。従って、超電導マグネット２によ
って発生する磁界は、この超電導シールド９によって規
制される。

【００２２】特に、本実施例の超電導シールド９では、
超電導マグネット２の上端および下端において斜めにな
っていると共に、超電導マグネット２との距離が近くな
っている。

【００２３】そこで、この超電導シールド９の存在によ
って、磁力線が曲げられ、超電導マグネット２における
電磁力が超電導シールド９が円筒状の場合とは異なった
ものになる。

【００２４】特に、本実施例においては、超電導シール
ド９が斜めになっており、半径方向の力と軸方向の力の
割合を任意に設定でき、超電導マグネット２における電
磁力を任意の値に設定することができる。

【００２５】本実施例の装置における各層の電磁力を図
２に示す。このように、中央部を１とした場合に上下端
部における電磁力は、０．８以上になっており、電磁力
を均一化できることが理解される。

【００２６】このように、本実施例では、超電導マグネ
ットの各層内の部位による電磁力のばらつきが大幅に減
少できる。このため、超電導マグネット２を構成するコ
イルには均一な電磁力が働き、超電導マグネットを構成
する超電導線材間の相対的な動きに起因する摩擦を低減
でき、これに起因するクエンチの発生を防止することが
できる。

【００２７】図３は、超電導シールドなし、円筒型超電
導シールド、本実施例の超電導シールドを配置した場合
に超電導マグネット２にかかるトータルの電磁力を示
す。これより、超電導シールドがない場合には大きな外
向きの力がかかり、円筒型シールドの場合にはトータル
としては内向きの力がかかり、本実施例ではほぼ０にな
る。

【００２８】このように、本実施例によれば、超電導マ
グネット２に印加される電磁力を有効に抑制でき、超電
導マグネット２における補強を少なくできることが分か
る。従って、超電導マグネットを小型にできると共に、
超電導マグネット２の線材に対する冷媒の接触が容易で
あり、冷却効果を高め、クエンチ発生のおそれを減少で
きる。

【００２９】図４および図５に超電導シールド９の他の
構成例を示す。このように、超電導シールド９を上方の
みが開口した球状や、開口のない球状としてもよい。

【００３０】本発明に係る超電導マグネットは、そのボ
ア内にロータを配置し、このロータの回転力を出力する
超電導モータとして利用できる。この場合、ロータは各
種のものが採用可能であるが、ロータコイルへの電流方
向が回転に伴い変更できる円盤形ロータが適している。
そして、このような超電導モータのステータを形成する
超電導マグネットの構成を簡略化して、全体として、小
型・軽量化が図られると共に、クエンチ発生のおそれを
減少することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
超電導シールドと超電導マグネットとの距離を超電導マ
グネットの端部と中間部とで異ならせることで、超電導
シールドによって、超電導マグネットにおける電磁力を
均一にしている。そこで、超電導マグネットを構成する
線材間におけるずれが生じにくく、摩擦によるクエンチ
の発生を防止することができる。

【００３２】また、超電導シールドにより、超電導マグ
ネットに中心方向に向かう力が印加されるため、超電導
マグネットに働く電磁力（膨張力）を抑制でき、超電導
マグネットの補強などを簡単なものにできる。また、補
強が簡単なものになるため、超電導線材の冷却が容易で
あり、クエンチが発生しにくくなる。

【００３３】また、超電導シールドの縦断面を円または
楕円とすることによって、円筒状の超電導マグネットに
おける電磁力を均一化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の構成を示す図である。

【図２】実施例における電磁力の分布を示す図であ
る。

【図３】実施例と従来例の電磁力を示す図である。

【図４】他の構成例を示す図である。

【図５】さらに他の構成例を示す図である。

【図６】超電導マグネットの各部の位置を示す図であ
る。

【図７】超電導シールドがない場合の磁場を示す図で
ある。

【図８】円筒型の超電導シールドを設けた場合の磁場
を示す図である。

【図９】超電導シールドがない場合の電磁力の分布を
示す図である。

【図１０】円筒型の超電導シールドを設けた場合の電
力の分布を示す図である。

【符号の説明】

１クライオスタット、２超電導マグネット、３ボ
ビン、４冷媒。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】筒状の超電導マグネットの周囲を超電導
シールドで取り囲んだ超電導マグネット装置であって、前記超電導シールドは、超電導マグネットとの距離が超
電導マグネットの両端部において中間部より近くなる形
状を有しており、これによって超電導マグネットに働く電磁力を均一化す
ることを特徴とする超電導マグネット装置。
【請求項２】請求項１に記載の装置において、前記超電導シールドは、その縦断面が円または楕円状で
あることを特徴とする超電導マグネット装置。