JPH07146386A - 強磁界発生用電磁力平衡コイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 強磁界を発生するコイルにかかる電磁力を減
力または分散させるコイルの巻き線構成法を提供する。 【構成】トーラス形状磁界発生コイルのトロイダル方向
の巻き線とポロイダル方向の巻き線を組み合わせた多極
ヘリカル巻コイルにおいて、巻き線ピッチをポロイダル
角の位置によって変化させることにより、両者の電磁力
を制御できる。この力をたがいにバランスさせて減力ま
たは分散させる。 【効果】総合的に大半径方向の電磁力を大幅に減力でき
る。また応力の分布を電磁力の支えやすいように分散さ
せることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の目的】

【０００１】

【発明の解決しようとする課題】この発明は、強磁界発
生に伴うコイルの電磁応力を分散又は減力することが出
来るようにしたコイル巻き線の設計法に関する。

【０００２】

【産業上の利用分野】磁気閉じ込め型核融合装置や超電
導磁石エネルギー貯蔵システム（ＳＭＥＳ）などの強磁
界を利用する装置においては、現在の３倍程度（〜１５
Ｔ）の超強磁界が実現できれば、小型の装置で実現でき
経済的に非常に有利なものとなる。

【０００３】このような超強磁界発生用の超電導線材が
急速に開発されつつある一方、装置が超強磁界を発生す
る際に付随して発生する巨大な電磁力は依然として大き
な問題となっている。数百気圧にも達するその巨大な電
磁力は、コイルの支持構造や構造材料に大きな負担を与
えることとなり、大型装置においてはシステムのサイズ
を決定する大きな因子とまでなっている。

【０００４】

【本発明の目指すもの】この巨大な電磁力を無力化・減
力化する目的で工夫されたコイルが電磁力平衡コイル
（Ｆｏｒｃｅ Ｂａｌａｎｃｅｄ Ｃｏｉｌ、以下、Ｆ
ＢＣと略す）である。

【０００５】

【従来の技術】従来より電磁力を軽減、無力化する提案
されていたものとして、磁気閉じ込めプラズマの無力磁
界配位の方程式を解くことによって求まる無力磁界コイ
ルの考えがある。これは磁界方向に電流を流す、導線の
多層分布巻による無力磁界コイルが提案されている。こ
のコイルにおいてはトーラス小半径方向の電磁力の無力
化が検討されているが、むしろ導体と磁界を平行に巻く
ことによって超電導材の臨界電流上昇効果を狙い、超強
磁界を発生することを目的としている。しかし、アスペ
クト比が小さなトーラス型装置においては小半径方向よ
りも力の逃げ場所がない大半径方向の巨大な電磁力が問
題であり、これについては検討されていない。

【０００６】大半径方向の電磁力の減力化の検討例とし
ては超電導磁気エネルギー蓄積装置用にソレノイド方式
とトロイダル方式を組み合わせた提案がある。この場合
においては大半径方向の力は無力化されていても転倒力
が生じるなどの問題を残している。

【０００７】単層集中巻のヘリカルコイルがある一定の
巻線ピッチをもつことにより大半径方向の電磁力平衡を
得るというＦＢＣの基本的提案はされており、核融合装
置トルサトロンの円形断面をもつ２極のトロイダルヘリ
カルコイルの場合についてそのピッチの計算例が示され
ている。またエネルギー蓄積装置として、システムに蓄
えられるエネルギーと構造材の応力、質量との関係につ
いても検討した例がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする手段】この発明は導体のピッ
チを一定ではなく減力のためにポロイダル角に対し変化
させることによって、大半径方向の全体的な電磁力だけ
でなく、アスペクト比の小さな装置において問題となる
トーラス内側部の電磁力の集中の緩和など局所的な減力
も目的とする、ポロイダル角によってピッチを変化させ
たトロイダルヘリカル巻電磁力平衡コイルを提案する。

【０００９】設計法としてシステムが多極のヘリカルコ
イルによって構成されていることに着目し、コイル電流
をトロイダル・ポロイダルの両方向成分に分離し、それ
ぞれによる電磁力を求めそれらが目的にあった減力を実
現する巻線のピッチを種々の断面形状をもつコイルに対
し求める計算コードを開発した。

【００１０】そしてコードを用いて大半径方向に発生す
るフープ力と向心力の二つの電磁力の関係を変化させた
３種類のコイルを設計・製作し、実際に各試験コイルの
電磁力を測定することによって、計算コードの妥当性と
多極ヘリカル巻電磁力平衡コイルの概念を検証した。

【００１１】

【作用】多極ヘリカル巻電磁力平衡コイルの概念を簡単
に説明する。トーラス形状の大半径Ｒ、小半径α、総巻
数Ｎの多極ヘリカルコイルに電流Ｉが流れているとす
る。ポロイダル電流成分の電流はトロイダル磁界を発生
し、これはコイルのトーラスの内向きに、電磁力を発生
する。一方、トロイダル電流成分の電流はフープ力を発
生し、トーラスの外側に力を発生する。

【００１２】二つの大半径方向の電磁力が釣り合う電流
成分分布をもち、単層集中巻であるコイルはトロイダル
・ポロイダル・ハイブリッドコイルすなわちトロイダル
ヘリカル形状をもつことになる。従来、単純な形状で電
磁力に耐える材質の適用によって強磁界コイルを設計し
てきたが、計算機制御された工作機械の適用によって形
状は複雑になるが、コイルの支持構造は大幅に簡略化さ
れるという特長をもつ。

【００１３】またヘリカルコイルのピッチを変化させる
ことによって、トーラス内側部の局所的な電磁力の集中
を分散させることや、電磁力の分布を変化させコイルを
支持しやすい方向から支持するような構造にすることも
可能である。

【００１４】この他、力の集中を免れるという利点は超
電導コイルの場合、熱絶縁の面からみても非常に有利で
あると考えられる。

【００１５】例えば、ＳＭＥＳにおいてはソレノイド方
式とトロイダル方式が検討されているが、いずれもコイ
ルの電磁力が著しく大きくなるため岩盤による支持など
が提案されている。発生する電磁力を大幅に減力したＦ
ＢＣコイルの採用は岩盤による支持構造不要とし経済的
なＳＭＥＳの可能性を与え、支持構造への熱絶縁問題も
かなり簡略化されると考えられる。

【００１６】またＦＢＣはトーラスの内部と外部に磁界
をつくるので空間的にエネルギー密度が高くなるなど、
立地条件、応力設計、熱設計などの各面においてＳＭＥ
Ｓへの応用に有効であると考えられる。

【００１７】

【実施例】実施例として、トカマク型核融合装置の超強
磁界発生用コイルについて多極ヘリカル巻電磁力平衡コ
イルの適用を検討した。諸元を表１に示す。

【００１８】大半径１．５ｍ、小半径０．５ｍ、楕円度
と三角度をもつＤ型断面の装置であり、その中心トロイ
ダル磁界は１４Ｔを想定している。このようなアスペク
ト比が小さな装置では、トーラス内側部における電磁力
の集中など大半径方向の電磁力が大きな問題となってい
る。そこでコイル全体に生じる大半径方向の電磁力が減
力されるように電流分布、巻線のピッチを検討した。

【００１９】計算例を図１に示す。各参照点に働く電磁
力をベクトルによって表わしている。図１（ａ）はポロ
イダル電流成分による電磁力を示しており、通常のトカ
マク装置におけるトロイダル磁界コイルに働く電磁力を
示している。トーラス内側部に電磁力が集中し、全体と
しては向心力が生じていることがわかる。図１（ｂ）は
トロイダル電流成分による電磁力を示している。トーラ
ス内側部に大きなフープ力を生じさせるため、トーラス
内側部にトロイダル電流が多く流れるようにその電流分
布に変調をかけている。二つの電流成分による電磁力を
重ね合わせた結果が図１（ｃ）である。図１（ａ）に比
べトーラス全体に生じる大半径方向の力はほぼ平衡がと
れており、トーラス内側部に集中していた電磁力も分散
され全体に均一な分布が得られていることがわかる。こ
の計算例ではトロイダル磁界コイルだけで１４Ｔを発生
する場合に比べ、内側の負荷の厳しい部分に対しては６
７．６％まで、コイル全体では３．７％までそれぞれ大
半径方向の電磁力を減力することができた。

【００２０】計算によって求めた電流分布より巻線のピ
ッチを求め、実際のコイルの１０分の１のスケールで製
作した概念モデルを図２に示す。巻線のピッチがトーラ
スの内側で水平に近くなり、外側で垂直に近くなるよう
に変化し、減力を実現していることがわかる。

【００２１】

【発明の効果】ＦＢＣの概念と計算コードの妥当性を検
証するために、以上の解析にもとづいて試験コイルを製
作し、大半径方向の電磁力の測定実験を行った。試験コ
イルはそれぞれ大半径０．１５ｍ、小半径０．０５ｍの
円形断面をもつトーラスに常電導の銅線を巻いて製作し
た。

【００２２】試験コイルはそれぞれ１０極で巻き、発生
するフープ力が全てのコイルにおいて等しくなるように
した。一方、向心力については各コイルで巻線のピッチ
を変化させることによって、表２に示すような３種類の
異なるフープ力との関係を得るようにしている。ただ
し、今回は簡単のためにポロイダル角に対し巻線の位置
によるピッチを変化させず一定に巻いたため、各コイル
のピッチの相異は巻数の相異となって向心力を変化させ
ている。

【００２３】実験装置の構成を図３に示す。大半径方向
の電磁力は以下のように測定された。まず導線の巻かれ
たコイルを経度方向に２分割し、その二つを弾性のある
導体で十分小さい空隙をもたせて接続する。次に分割さ
れたトーラスの一方を固定し、他方をコイル電流の電磁
力で可動の状態とした。コイル電流を電源によって一定
時間通電し、電磁力によって生じる可動コイルの変位を
レーザ変位計によって非接触で測定した。

【００２４】最終的に大半径方向に発生した電磁力は、
あらかじめ求めておいた実験系の弾性定数と可動コイル
の変位より求めた二つのコイル間に働いた電磁力より計
算して求めた。各結果ともコイルの振動が収まり、正味
の変位を測定するのに十分な長さだけ電流が流れている
と考えることができる。表２に示された特性どおり、向
心力がフープ力に比べ大きくなるように設計されたコイ
ルＡは大半径が縮む方向に、またフープ力の方が大きい
コイルＢは大半径が広がる方向にそれぞれ変位してい
る。

【００２５】またＦＢＣであるコイルＣはほとんど変位
していないことがわかる。コイルの変位より大半径方向
に発生した電磁力を求めまとめたグラフを図４に示す。
実験結果より求めた実測値と共に計算機コードを用いて
計算した理論値を示した。理論値と実測値との差異はコ
イル接合部に用いた導線の非線形性などによるものと考
えられるがよい一致を示している。ＦＢＣとして設計さ
れたコイルＣはほとんど大半径方向の力が無力化されて
いることが確認された。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明のように、この発明は、トー
ラス型磁気装置でアスペクト比の小さな核融合装置など
において問題となる大半径方向に生じる巨大な電磁力
を、単層集中巻の導線のピッチをポロイダル角に対し変
化させることによって、コイル全体だけでなくトーラス
内側部の集中部においても減力または分散させる多極ヘ
リカル巻電磁力平衡コイルを実現した。また目的に応じ
た減力を実現するピッチを種々の断面形状をもつコイル
に対して設計するための計算コードを開発した。また計
算コードを用いて大半径方向の電磁力を変化させた３種
類の試験コイルを製作、電磁力を測定し、電磁力平衡コ
イルの概念を検証した。

【００２７】この様にして、この発明は、進歩の著しい
超電導コイルの最大の問題になっている電磁力対策に全
く新しい原理に基づく解決方法であって、核融合を初
め、超電導磁気エネルギー蓄積装置など強磁界を利用す
る分野において広く利用できるものと期待できる。

【００２８】

【表１】

【表２】

【図面の簡単な説明】

【図１】この図は電磁力の大きさと方向をベクトルによ
って示しており、（ａ）はポロイダル電流成分の発生す
る電磁力を示す。トーラスの内側に応力が集中している
のがわかる。（ｂ）はトロイダル電流成分による電磁力
を示している。トーラス内側部に大きなフープ力を生じ
させるために、トーラス内側部にトロイダル電流が多く
流れるようにその電流を分布させている。２つの電流成
分の電磁力を重ね合わせた結果が（ｃ）に表示されてい
る。

【図２】巻き線構造を示すモデル写真

【図３】実験装置の構成図

【図４】この図はコイルの変位から電磁力を求め、電流
との関係を示した。

【符号の説明】

１：電池 ２：電流計測 ３：接続部導体 ４：試験コイル ５：レーザ変位計 ６：可動 ７：固定

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 強磁界発生に供するトロイダル形状のヘ
   リカル巻き線において、巻き線ピッチをポロイダル角に
   よって変化させ、トロイダル磁界とポロイダル磁界の強
   さを制御することにより、発生する電磁応力を分散又は
   減力することを目的とした磁界発生コイル。