JPH11329823A - マグネットシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】パンケーキコイルを用いて、コンパクトでかつ
耐電磁力が大きいマグネットシステムおよびその製造方
法を提供する。 【解決手段】マグネットシステムは、酸化物超伝導テー
プ線材をパンケーキ巻きしたパンケーキコイル１に２つ
の導体リング２を嵌めたものである。導体リング２は、
例えば、銅，ステンレス，ハステロイ，銅銀合金，ニッ
ケル合金，銀マグネシウムなどを用いて、閉ループに作
られている。導体リング２の内径はパンケーキコイル１
の外径と等しく、幅（高さ）は酸化物超伝導テープ線材
の幅と等しく、肉厚は所要の降伏応力を満たすような厚
さである。パンケーキコイル１の終端と導体リング２と
を電気的に接続する。導体リング２は、円周方向の張力
でパンケーキコイル１の巻線部終端を支えて、パンケー
キコイル１の最外周を補強するとともに、マグネットシ
ステムの電流接続部としても機能する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パンケーキコイル
を用いたマグネットシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】パンケーキコイルの巻線終端部の電流端
子の形成と補強に関して、巻線終端から電流接続のため
の電流リードを引き出した後に、さらにステンレステー
プやガラス繊維などの補強テープを巻き付けて補強する
方法が用いられている。また、パンケーキコイル間の電
気的接続にははんだ付け等でコイル全体を一体化してい
る。

【０００３】特開昭56−133803号公報は、パンケーキコ
イルの外周面を切欠を有する環状の補強部材で取り囲む
ことを記載する。

【０００４】特開平6−290933 号公報は、酸化物超電導
体テープ線材を導電性のボビンに巻線したダブルパンケ
ーキコイルを記載する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】高い磁場を発生する電
磁石、もしくは大口径の電磁石では、コイルに半径方向
外向きにコイルを拡張させるような強大な電磁力が働く
ので、この電磁力に耐えられる構造に設計しなくてはな
らない。

【０００６】特に超電導線材を用いた電磁石の場合、電
磁力によって電磁石が変形すると、超電導線材の超電導
特性が劣化して、十分な超電導電流が流れなくなる。金
属系超電導体のＮｂ₃Ｓｎ や酸化物超電導線材のＢｉ２
２１２銀シース線材は、許容歪み量が小さいので、これ
らの線材を用いた電磁石では、電磁力による線材の歪み
が許容歪み量以下になるように、十分に補強されなくて
はならない。

【０００７】また、温度マージンの小さい金属系超電導
導体では、電磁力によって、超電導線材が微少に移動し
て摩擦熱が生じたり、弾性エネルギーの開放によって発
熱したりして、超電導線材が超電導状態から常電導状態
に転移するクエンチ現象が起こることがある。

【０００８】電磁力による応力である電磁応力は、一般
に、構造の対称性の悪い場所や周辺に比べて構造が急激
に変化している場所に集中しやすい。パンケーキコイル
の中間部は巻線されている線材の張力によって電磁力に
対抗することができる。しかし、電磁応力が集中しやす
いパンケーキコイルの巻線終端部は、線材の張力が作用
しないので、十分な耐電磁力を持つ補強構造にする必要
がある。

【０００９】また、高磁場を発生する電磁石では、空間
電流密度を大きくするために、構成要素のうち電流を通
電する線材部分をできるだけ多くなるようにする。した
がって、補強構造はできるだけ少なくする必要がある。
また、補強構造は、電磁石の冷却効率をよくするため
に、空間的に効率のよい構造であることが必要である。
また、複数のパンケーキコイルを積層して構成したマグ
ネットシステムは、パンケーキコイルの補修や交換など
のメンテナンス性に優れることが要求される。しかし、
パンケーキコイル間の接続をはんだ付けで行うと、メン
テナンス性がよくない。

【００１０】本発明の目的は、パンケーキコイルを用い
て、コンパクトでかつ耐電磁力が大きいマグネットシス
テムおよびその製造方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の特徴は、パンケーキコイルの外周を覆う導電性のリ
ングとパンケーキコイルの巻線終端とが電気的に接続さ
れたことにあり、導電性のリングは、円周方向の張力で
パンケーキコイルの巻線部終端を支えるので、パンケー
キコイルの外周を補強するとともに、パンケーキコイル
の終端と導体リングとが電気的に接続されているので、
マグネットシステムの電流接続部としても機能する。し
たがって、本発明のマグネットシステムによれば、導電
性のリングが電流接続端子として機能するとともにダブ
ルパンケーキコイルの外周を補強するので、コンパクト
で、耐電磁応力に優れており、クエンチの発生を抑え
て、電流損失が少なく、安定な発生磁界を得ることがで
きる。

【００１２】また、本発明の他の特徴は、電気的接続手
段が、積層された複数のパンケーキコイルの、隣り合う
パンケーキコイルの外周を覆う導電性のリングを電気的
に接続し、パンケーキコイルの外周を覆う導電性のリン
グとパンケーキコイルの巻線終端とが電気的に接続され
ることにあり、導電性のリングが電流接続端子として機
能するとともにダブルパンケーキコイルの外周を補強す
るので、コンパクトで、耐電磁応力に優れており、クエ
ンチの発生を抑えて、電流損失が少なく、安定な発生磁
界を得ることができるとともに、電気的接続手段がはん
だ接続などによる一体化を行わずに、隣り合うマグネッ
トシステムと電気的に接続されるので、補修や交換など
のメンテナンス性が著しく向上する。

【００１３】また、電気的接続手段がパンケーキコイル
の片平面を覆うことにより、パンケーキコイルの熱を外
部に逃がすことができるので、マグネットシステムの冷
却効率が向上する。

【００１４】また、電気的接続手段が環状で、電気的接
続手段の内周面とリングの外周面が接触することによ
り、リングに嵌め込まれたパンケーキコイルを、電気的
接続手段を間に挟んで積み上げ、上下から力を加える
と、上下からの押し付け力によって、電気的接続手段を
介して隣り合うリングが電気的に導通するのと同時に、
押し付け力を径方向の圧縮力にすることができ、パンケ
ーキコイルの全体を補強することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】（実施例１）本発明の第１の実施
例であるマグネットシステムを図１に示す。本実施例の
マグネットシステムは、酸化物超伝導テープ線材をパン
ケーキ巻きしたパンケーキコイル１に２つの導体リング
２を嵌めたものである。

【００１６】酸化物超伝導テープ線材は、Ｂｉ系，Ｙ
系，Ｔｌ系，Ｈｇ系などの酸化物超伝導物質を用いて、
金属被服加工法，化学的蒸着法（ＣＶＤ），物理的蒸着
法（ＰＶＤ）などで作る。酸化物超伝導テープ線材をパ
ンケーキ巻きする際には、必要に応じて絶縁テープや補
強テープを共に巻いてもよい。パンケーキコイル１は樹
脂に含浸しておいてもよい。

【００１７】導体リング２は、例えば、銅，ステンレ
ス，ハステロイ，銅銀合金，ニッケル合金，銀マグネシ
ウムなどを用いて、閉ループに作られている。導体リン
グ２の内径はパンケーキコイル１の外径と等しく、幅
（高さ）は酸化物超伝導テープ線材の幅と等しく、肉厚
は所要の降伏応力を満たすような厚さである。導体リン
グ２を焼き嵌めによって導体リング２に嵌める場合は、
導体リング２の内径はパンケーキコイル１の外径より小
さくてもよい。導体リング２はヤング率、降伏応力など
の機械的特性および導電率などの電気的特性がよい（大
きい）ことが望ましい。

【００１８】パンケーキコイル１の終端と導体リング２
とを電気的に接続する。電気的接続の方法は、はんだ付
け，圧着，溶着などで行う。また、パンケーキコイル１
と導体リング２とを加熱して、パンケーキコイル１と導
体リング２との界面において化学反応を起こし、パンケ
ーキコイル１と導体リング２とを一体化してもよい。パ
ンケーキコイル１と導体リング２とを合金化して一体化
してもよい。

【００１９】以上のように、導体リング２は、円周方向
の張力でパンケーキコイル１の巻線部終端を支えるの
で、パンケーキコイル１の最外周を補強するとともに、
パンケーキコイル１の終端と導体リング２とが電気的に
接続されているので、導体リング２はマグネットシステ
ムの電流接続部としても機能する。

【００２０】また、パンケーキコイル１と導体リング２
との熱収縮差を考慮して、これらを設計すれば、マグネ
ットシステム運転時の温度で導体リング２が収縮してパ
ンケーキコイル１を締め付けるので、パンケーキコイル
１の全体を補強することができる。

【００２１】つぎに、本実施例のより具体的なマグネッ
トシステムＡと、従来技術のマグネットシステムＢの電
流電圧特性を説明する。マグネットシステムＡ，Ｂとも
に、Ｂｉ２２ｌ２銀シース線材と補強テープである銅銀
合金テープとを共巻きにしたダブルパンケーキコイル１
を用いる。ダブルパンケーキコイル１には、コイル中央
部の電圧を測定するための電圧端子を設けてある。

【００２２】マグネットシステムＡは、ダブルパンケー
キコイル１に銅の導体リング２を嵌めた後、ダブルパン
ケーキコイル１と導体リング２との間にはんだを流し込
んで一体化と電気的接続が施され、さらに樹脂に含浸さ
れたものである。

【００２３】マグネットシステムＢは、電流リードを引
き出した後に、ダブルパンケーキコイル１の外周に銅銀
合金テープを数ターン巻いて補強が施され、さらに樹脂
に含浸されたものである。

【００２４】マグネットシステムＡ，Ｂをともに液体ヘ
リウム温度に保ち、１０Ｔのバイアス磁束密度下で電流
電圧特性を測定する。

【００２５】電磁応力が小さい範囲では、マグネットシ
ステムＡ，Ｂともにコイル全体が良好な超電導状態を示
した。

【００２６】マグネットシステムＡでは、導体リング２
を含むダブルパンケーキコイル１の外周部分で、銅とは
んだによる電圧発生があったが、実用上は問題のない値
であった。マグネットシステムＡでは、ＢＪＲ＝２１８
［ＭＰａ］までダブルパンケーキコイル１の中央部と外
周部との電流電圧特性の差は見られなかった。

【００２７】マグネットシステムＢでは、電流の増加と
ともに、電流リード引き出し部を含むダブルパンケーキ
コイル１の外周部分で電圧発生があり、さらに電流を増
加して電磁応力がＢＪＲ＝１８８［ＭＰａ］に達する
と、ダブルパンケーキコイル１の中央部以外のすべての
部分で電圧が発生した。

【００２８】また、マグネットシステムＡのダブルパン
ケーキコイル１で銅銀合金テープに代えてハステロイＸ
テープを用いても、発熱によるコイルの短絡が生じるま
で、ダブルパンケーキコイル１の中央部と外周部との電
流電圧特性の差は見られなかった。

【００２９】本実施例のマグネットシステムによれば、
導体リング２が電流接続端子として機能するとともにダ
ブルパンケーキコイル１の外周を補強するので、コンパ
クトで、耐電磁応力に優れており、クエンチの発生を抑
えて、電流損失が少なく、安定な発生磁界を得ることが
できる。

【００３０】また、導体リング２の代わりに、導体の補
強テープを補強に必要なターン数をダブルパンケーキコ
イル１に巻き付け、終端部をはんだ付け、もしくは溶着
などでリング部を形成してもよい。終端部だけを接続す
るだけでなく、補強テープ全体を一体化しても良い。

【００３１】（実施例２）本発明の第２の実施例である
マグネットシステムを図２に示す。本実施例のマグネッ
トシステムは、第１の実施例で用いたパンケーキコイル
１を２つの導体円盤３で挟んだものである。

【００３２】導体円盤３は、パンケーキコイル１の外径
と同じ円形の平面部４に、第１の実施例の導体リング２
と同様の機能を持つ縁部５がついた形状である。導体円
盤３は、縁部５と平面部４が電気的に導通していれば、
全体が単一の材料で作られている必要はなない。

【００３３】本発明のマグネットシステムを積層し、上
下から力を加えれば、隣り合う導体円盤３の平面部４ど
うしが圧着し、隣り合うマグネットシステムを電気的に
接続することができる。隣り合う導体円盤３の接触抵抗
は、接続する平面の面積がパンケーキコイル１の側面に
比べて十分大きいので、マグネットシステムを運用する
上では問題がない。

【００３４】本実施例のマグネットシステムでは、はん
だ接続などによる一体化を行わずに、導体円盤３によっ
て、隣り合うマグネットシステムと電気的に接続される
ので、補修や交換などのメンテナンス性が著しく向上す
る。

【００３５】また、導体円盤３によってパンケーキコイ
ル１の熱を外部に逃がすことができるので、マグネット
システムの冷却効率が向上する。

【００３６】本実施例のマグネットシステムによれば、
導体円盤３が電流接続端子として機能するとともにダブ
ルパンケーキコイル１の外周を補強するので、コンパク
トで、耐電磁応力に優れており、クエンチの発生を抑え
て、電流損失が少なく、安定な発生磁界を得ることがで
きるとともに、はんだ接続などによる一体化を行わず
に、隣り合うマグネットシステムと電気的に接続される
ので、補修や交換などのメンテナンス性が著しく向上
し、パンケーキコイル１の熱を外部に逃がすことができ
るので、マグネットシステムの冷却効率が向上する。

【００３７】（実施例３）本発明の第２の実施例である
マグネットシステムを図２に示す。本実施例のマグネッ
トシステムは、第１の実施例の導体リング２に代えて、
図３に示すような外側にテーパーを設けた導体リング６
に嵌め込まれたパンケーキコイル１を、隣り合うマグネ
ットシステムの導体リング２どうしを接続する接続リン
グ７を用いて積層したものである。

【００３８】接続リング７の内側は、導体リング６の外
周にあわせてテーパーが設けてあり、接続リング７の内
側の面と、導体リング６の外側の面とが密着するように
なっている。接続リング７は、隣り合う導体リング６ど
うしを電気的に導通させることができれば、全体が単一
の材料で作られている必要はななく、例えば、導体リン
グ６と接触する部分を金属にし、その外側は機械的強度
の大きな金属やガラス繊維強化樹脂で構成してもよい。
また、接続リング７の内側の面と、導体リング６の外側
の面とをねじ込み式で接続するようにしてもよい。

【００３９】導体リング６に嵌め込まれたパンケーキコ
イル１を、接続リング７を間に挟んで積み上げ、上下か
ら力を加えると、上下からの押し付け力によって、接続
リング７を介して隣り合う導体リング６が電気的に導通
するのと同時に、押し付け力を径方向の圧縮力にするこ
とができ、パンケーキコイル１の全体を補強することが
できる。

【００４０】本実施例のマグネットシステムによれば、
導体リング６が電流接続端子として機能するとともにパ
ンケーキコイル１の外周を補強するので、コンパクト
で、耐電磁応力に優れており、接続リング７が隣り合う
導体リング６を電気的に導通させるのと同時に、押し付
け力を径方向の圧縮力にして、パンケーキコイル１の全
体を補強するので、クエンチの発生をより抑えて、電流
損失がより少なく、より安定な発生磁界を得ることがで
きる。

【００４１】また、接続リング７によって、はんだ接続
などによる一体化を行わずに、隣り合うマグネットシス
テムと電気的に接続されるので、補修や交換などのメン
テナンス性を著しく向上する。

【００４２】以上の第１の実施例から第３の実施例で説
明したパンケーキコイル１には、通常のダブルパンケー
キコイルの他に、シングルパンケーキコイルおよびジョ
イントを含んだダブルパンケーキコイルを用いることも
できる。シングルパンケーキコイルまたはジョイントを
含むダブルパンケーキコイルを巻く時に、ボビンとして
導電性のボビンを使い、酸化物超伝導テープ線材の巻き
はじめをこの導体ボビンとはんだ付けや溶着によって接
続する。導体ボビンの材質は、銅，銅銀合金，銅マグネ
シウム合金，ステンレスなどを用いるが、これらに限定
されるものではない。導体ボビンに大きなヤング率、降
伏応力などの機械的特性を持たせることによってパンケ
ーキコイルを内周側から補強することができる。特に、
Ｂｉ系銀シース線材をはじめとする酸化物超電導線材
は、ひずみによって超電導特性が容易に劣化するので、
導体ボビンで接続をとることによってひずみのないダブ
ルパンケーキ巻きが行える。

【００４３】

【発明の効果】本発明のマグネットシステムによれば、
導電性のリングが電流接続端子として機能するとともに
ダブルパンケーキコイルの外周を補強するので、コンパ
クトで、耐電磁応力に優れており、クエンチの発生を抑
えて、電流損失が少なく、安定な発生磁界を得ることが
できる。

【００４４】また、導電性のリングが電流接続端子とし
て機能するとともにダブルパンケーキコイルの外周を補
強するので、コンパクトで、耐電磁応力に優れており、
クエンチの発生を抑えて、電流損失が少なく、安定な発
生磁界を得ることができるとともに、電気的接続手段が
はんだ接続などによる一体化を行わずに、隣り合うマグ
ネットシステムと電気的に接続されるので、補修や交換
などのメンテナンス性が著しく向上する。

【００４５】また、電気的接続手段がパンケーキコイル
の片平面を覆うことにより、パンケーキコイルの熱を外
部に逃がすことができるので、マグネットシステムの冷
却効率が向上する。

【００４６】また、電気的接続手段が環状で、電気的接
続手段の内周面とリングの外周面が接触することによ
り、電気的接続手段を介して隣り合うリングが電気的に
導通するのと同時に、押し付け力を径方向の圧縮力にす
ることができ、パンケーキコイルの全体を補強すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例であるマグネットシステ
ムを示す図。

【図２】本発明の第２の実施例であるマグネットシステ
ムを示す図。

【図３】本発明の第３の実施例であるマグネットシステ
ムを示す図。

【図４】第３の実施例のパンケーキコイル１を接続リン
グ７を挟んで積層した図。

【符号の説明】

１…パンケーキコイル、２…導体リング、３…導体円
盤、４…平面部、５…縁部、６…導体リング、７…接続
リング。

フロントページの続き (72)発明者 岡田 道哉 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パンケーキコイルの外周を覆う導電性のリ
   ングを備え、前記リングは前記パンケーキコイルの巻線
   終端と電気的に接続されたことを特徴とするマグネット
   システム。
2. 【請求項２】積層された複数のパンケーキコイルと、前
   記パンケーキコイルの外周を覆う導電性のリングと、隣
   り合う前記パンケーキコイルの外周を覆う前記リングを
   電気的に接続する電気的接続手段とを備え、前記リング
   は前記パンケーキコイルの巻線終端と電気的に接続され
   たことを特徴とするマグネットシステム。
3. 【請求項３】前記電気的接続手段は前記パンケーキコイ
   ルの片平面を覆うことを特徴とする請求項２のマグネッ
   トシステム。
4. 【請求項４】前記電気的接続手段は環状で、前記電気的
   接続手段の内周面と前記リングの外周面が接触すること
   を特徴とする請求項２のマグネットシステム。