JPH0320887B2 - - Google Patents

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
マグネテイツクス、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、超電動方式、ハ
イブリツ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濃縮
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100μS（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を強
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
あつたり、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
しか発生させ得ず、交流強磁場を発生させ得るも
のがない、という問題点があつた。

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継続時間が極めて短く、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、17T以上の強
磁場が得られない、という問題点があつた。

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
心軸に沿つた貫通孔および当該中心軸を通る平面
に沿つて当該貫通孔から外周面に達するスリツト
を有する導電材単一ブロツクとを備え、前記コイ
ルに通電したときに前記導電材単一ブロツク内に
前記中心軸にほぼ直交する方向の渦電流が生ずる
ようにして前記コイルと前記導電材単一ブロツク
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、パイオマグネテ
イツ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を詳
細に説明する。

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つて電磁石の磁場
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１
ａ，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１
ａ，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20〜30T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つたので、
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つて
交流強磁場を発生させるために、第２図ａ，ｂ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
して形成したスリツト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
電磁石を交流磁場を遮断し、電磁石によつて発生
した交流磁束をスリツトＳ内に収束して磁束密度
を増大させ、スリツト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10mm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５mmのスリツト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ツト幅をそれ
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、スリツト幅コイル幅比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
る交流孔磁場発生作用は、第３図から判るよう
に、駆動電源周波数を60Hzから180Hzに上げたこ
とによつ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
従つ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ツト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、導電体板対のスリツト幅を狭くするこ
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
クスウエ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
してある。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45mmと
し、銅板対４ａ，４ｂのなすスリツト幅を１mmと
して60Hz、3300Vの商用交流電源により駆動した
ときに、磁束密度7.4T、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秒に留まつたが、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、上述のように導電体板対がなすスリ
ツ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
ａ，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Ｈから外縁に達するスリツト
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通過が妨げられ、コイル対５
ａ，５ｂによる均一分布磁束が実効的に主として
微小ホールＨ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Ｈ
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、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
磁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，５
ｂによる均一分布磁束を良好な磁束比をもつて微
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Ｈ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つた基本的構成の
例を第１３図ａの平面図および第１３図ｂ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
大を図つたものであり、電磁石をなすコイル１０
の軸方向の寸法をコイル１０の高さより長大にし
た導電体ブロツク９の中心部に軸方向の微小ホー
ルＨおよびスリツト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ツク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く効率よ
く微小ホールＨ内に収束されるように構成してあ
る。しかして、この導電体ブロツク９は、第１４
図ａに示すような円柱状、第１４図ｂ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ツク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、ブロツク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継続時間を増大させ、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
ｂ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ｂ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１
１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ｂ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ａ，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。 １ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ……回転導電体板、３
……直流電磁石、４ａ，４ｂ，８……導電体板、
５ａ，５ｂ，１０……コイル、６……鉄心、７…
…フレーム、９……導電体ブロツク。

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
   心軸に沿つた貫通孔および当該中心軸を通る平面
   に沿つて当該貫通孔から外周面に達するスリツト
   を有する導電材単一ブロツクとを備え、前記コイ
   ルに通電したときに前記導電材単一ブロツク内に
   前記中心軸にほぼ直交する方向の渦電流が生ずる
   ようにして前記コイルと前記導電材単一ブロツク
   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ツ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
   向に沿つて２ブロツクに分割し、当該２ブロツク
   のコイルの間に挟持するようにして当該平板状導
   電材単一ブロツ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ツクを円柱状または角柱
   状に構成し、当該導電材単一ブロツクを囲繞する
   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。