JPS614205A - 薄肉超電導コイルの製作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は電子または陽子等の衝突反応粒子検出器用の薄
肉超電導コイルの製作方法に関する。

この種のコイルは強力な電磁場を効率よく均一に発生さ
せる必要がある。このため超電導状態で数千アンペアの
直流電流をコイルに流すことにより導体断面積を著しく
小形化するとともに、前記超電導コイルから生ずる磁束
を回帰させるために帰路鉄心を前記コイルの周囲に装着
するよう構成される。ところがかかる構成では、前記コ
イルの磁気的中心と帰路鉄心の磁気中心とが一致してい
ないと両者間に軸方向の電磁推力が作用して、前記コイ
ルまたはコイル支持構造物が破壊してしまうという問題
があり、コイルおよび鉄心の磁気中心がよく一致した超
電導コイルの製作方法の確立が求められている。

〔従来技術とその問題点〕

第１図は従来の薄肉超電導コイルの製作方法を示す断面
図である。図において１は超電導コイルで、金属製の筒
状の巻枠２と、この巻枠２の内周面に密接して絶縁被覆
された平角超電導々体（以下超電導線とよぶ）よりなる
筒状コイル３とで構成されており、筒状コイルは軸方向
および半径方向に所定の面圧が加えられた状態で接着剤
等によって超電導線相互間ならびに筒状コイル３と巻枠
２とが一体に固着されて超電導コイル１が形成される。

つぎに超電導コイル１の製作方法を第１図について説明
する。４は巻枠２の内側に嵌挿されて筒状コイル３０巻
き始め位置（ａ位置）を規制する筒状の嵌合部４ａを有
するコイル受けで、まず巻枠２の一方端をコイル受け４
に挿入して固定゛　する。つぎに筒状コイル３を准位置
を起点として図の左方向にコイルの外周面が巻枠２の内
周面に密着するように圧力を加えながら所定の回数Ｎ回
巻回する。ついで巻枠２の他方端から筒状の嵌合部５ａ
を有する加圧治具５を挿入し、筒状コイル３の軸方向に
荷重Ｐを加えて押圧し筒状コイル３０巻き終り位置が所
定位置すに達するまで圧縮する。ついでコイル受け４と
加圧治具５とを図示しない圧力保持ボルト等で連結して
筒状コイル３端面に加えられた荷重Ｐを保持した状態で
超電導コイル１を加熱硬化炉に入れて加熱する。この際
筒状コイル３を形成する超電導線の絶縁被覆に予め接着
剤等を被着しておけば、加熱硬化することにより、筒状
コイ／Ｉ／３および巻枠２は互いに固着して一体化され
る。このようにして形成された超電導コイルは、コイル
に流れる大電流によって生ずる半径方向の電磁力および
軸方向の内部圧縮力に対して金属製巻枠２を補強部材と
して充分機能させることができ、したがって薄肉の超電
導コイルで強力な電磁場を発生させることを可能にして
いる。

ところが筒状コイル３を巻回するにあたって、巻枠２を
半径方向に広げようとする放射状の圧力を加えながら超
電導線を巻回しているために巻枠２と筒状コイル３この
間に滑り摩擦抵抗が発生する。したがって加圧治具５に
よって筒状コイル３の軸方向に荷重Ｐを加えた場合、筒
状コイルの各巻回間に作用する面圧ｐは前記滑り摩擦抵
抗により減殺されて第２図に示すように、加圧治具５に
接したｂ部で最も高く加圧治具から離れるとともに急激
に減少し加圧治具から最も離れたａ　’ＪｉＪ＋で最小
になるような軸方向に不均等な分布になる。前記衝突反
応粒子検出器用超電導コイルは１個の長さが１０メート
ル前後にも及ぶものがあり、超電導線の巻回数も極めて
多いために、各巻回間の面圧の差、言いかえれば各巻回
間の絶縁寸法の差が累積されるとコイル軸方向の巻数密
度（軸方向単位−長さ当りの巻回数）にかなりの差が発
生する。すなわち第１図において、巻枠の軸方向の長さ
をＬとしその軸方向中央位置を０１とする、また巻枠の
両端Ａ、　Ｂからそれぞれ等しい寸法内側に入ったａ、
ｂ間に全巻数Ｎなる筒状コイル３が巻回され、ａ、ｂ位
置からそれぞれ全巻数の２分の１宛コイル内に入った位
置を０（以下筒状コイルの磁気中心と呼ぶ）とする。筒
状コイル３の面圧分布が第２図に示されるような場合、
筒状コイルの磁気中心０は巻枠２の中央位置より△ｌだ
け加圧治具５側に移動する。

第３図は従来の衝突反応粒子検出器の概略断面図で、巻
枠２の軸方向中央位ｔ（ｈと帰路鉄心６の磁気中心位置
０２とが一致するよう巻枠２は帰路鉄心６に固定される
。この時筒状コイルの磁気中心０が帰路鉄心６の磁気中
心０２と△ｌだけずれているために、筒状コイル両端部
の磁束φが図のように左右対称な分布にならない。この
ために筒状コイルの両端部で筒状コイルの軸方向に作用
する電磁機械力が異なり、筒状コイルに電磁推力が作用
するという問題がある。このようにして筒状コイルの軸
方向に作用する外部推力は例えばΔｌが１０　’ｔｔｘ
あると１０　Ｋｆにも達する巨大な力となる場合があり
、超電導コイルまたは支持構造材がこのような外部推力
に耐えきれずに破損するという問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は上述の状況ｌＣ＠みてなされたもので、金属製
の巻枠の軸方向中央位置と筒状コイルの磁気的中心位置
とが一致し、かつ筒状コイルの磁気的中心位置に対して
面圧の軸方向分布が左右対称な薄肉超電導コイルの製作
方法を提供することを目的とする。

〔発明の要点〕

本発明によれば、上述の目的は、筒状の巻枠の内周面に
密接して筒状コイルを巻回するのに、前記筒状コイルを
それぞれ総巻数の２分の１宛の第１、第２の部分コイル
に分けてそれぞれ前記巻枠の軸方向中央位置を巻き始め
として両方向に巻回するとともに、第１．第２の部分コ
イル別々に前記巻き始め位置を支点として巻き終り側か
らコイル端面に互いに逆向きの軸方向荷重を加えるとい
う着想により、前記巻枠の軸方向中央位置と筒状コイル
の磁気的中心位置とが一致し、かつ前記中央位置に対し
て対称な面圧分布言いかえれば対称な磁束分布を発生で
きるコイルを得られるようにしたもので、具体的には、
前記巻枠の一方端から巻枠内に嵌挿され嵌挿部の先端位
置が前記巻枠の軸方向中央位置に一致するよう規制され
た筒状のコイル受けに前記巻枠を固定し、前記コイル受
けの先端部を巻き始めとして前記巻枠の他方端に向けて
前記超電導線を筒状コイルの全巻数の２分の１だけ巻回
して第１の部分コイルを形成する第１の工程と、前記巻
枠の他方端から筒状の第１の加圧治具を挿入して前記第
１の部分コイルの端面に所定の面圧を加え、この面圧を
保持しつつ前記第１の部分コイルを前記巻枠の内周面に
固定する第２の工程と、前記巻枠を前記第１の加圧治具
に固定して前記コイル受けを取り外し、前記第１の部分
コイルの巻き始め位置から前記第１の部分コイルとは逆
方向に向けて筒状コイルの全巻数の残りの２分の１を巻
回して第２の部分コイルを形成する第３の工程と、前記
巻枠の一方端から筒状の第２の加圧治具を挿入し前記第
２の部分コイルの端面に所定の面圧を加える第４の工程
と、この面圧を保持しつつ前記第２の部分コイルおよび
第１の部分コイルと前記巻枠とを加熱固化して一体化す
る第５の工程とで構成することにより達成された。

〔発明の実施例〕

第４ないし第７図は本発明の製作方法を説明するための
概念図である。まず第４図によって第１〜第２の工程を
説明する。１１はコイル受けで、筒状の巻枠２の内側に
嵌挿される筒状の嵌合部１１ａとフランジ部１１ｂとか
らなり、嵌合部１１ａの先端が巻枠２の軸方向中央位置
０１と一致するよう、フランジ部Ｉｌｂが巻枠２の一方
の端面Ａ部と当接することにより位置が規制されており
、巻枠２はコ・イル受け１１に固定される。稔は第１の
部分コイルで、コイル受けｌｌの端面０を巻き始めとし
て、プリプレグ絶縁被覆された平角超電導線を巻枠２−
　　　　。内周、７外向き。エカを加えヶがら筒状、イ
ヤの全巻数の２分の１だけ巻回し、まず第１の工程が終
了する。つぎに巻枠の他方端から加圧治具１３が巻枠２
に嵌挿され、第１の部分コイルの巻き終、り端面す部に
軸方向の荷重Ｐが加えられる。この時荷重Ｐは第１の部
分コイルの巻き始め端面０を支点として巻線を軸方向に
押し縮めるように作用するが、巻枠２の一方端がコイル
受け１１に固定されているために、巻枠２と第１の部分
コイル化この接触面の滑り摩擦抵抗が作用して、部分コ
イル内の各巻回間の面圧ｐは一様にならず第５図に示す
ように加圧端す部で最も高く、コイル内で指数関数的に
減少する分布となる。しかしコイルの軸方向の長さおよ
び巻回数が共に従来の２分の１になっているために滑り
摩擦抵抗も減少し、加圧点と支持点この面圧分布の差は
従来方法によるよりは減少する。ついで加圧治具１３に
よって第１の部分コイルに与えられた面圧ｐの分布を保
゛持しつつ第１の部分コイル１２を巻枠２に固定するが
、例えばコイル受け１１と加圧治具Ｂとを双方の７ラン
ク部において図示しない連結ボルト等で連結した状態で
加熱乾燥炉に収納し、超電導線に予め被着された接着剤
等を加熱硬化することにより第１の筒状コイルおよび巻
枠を一体化することができる。

超電導線の絶縁被覆としてはガラス布テープ等に例えば
エポキシ樹脂等を含浸しこれを加熱乾燥したいワユるＢ
ステージのプリプレグ絶縁被覆が適して詔り、筒状コイ
ルに巻回後、コイルの軸方向ならびに半径方向に荷重を
加えた状態で加熱すれば、絶縁被覆中の樹脂が軟化して
接着面にしみ出して空隙をうずめ超電導線相互ならびに
超電導線と巻枠とを完全に一体化することができる。な
お巻枠の内周面には必要に応じて予め接着用の樹脂を塗
布する。

第１の部分コイルが固定された巻枠２は隻第１の加圧治
具１３側に固定してコイル受け１１を取り外す。この時
第１の加圧治具１３の代りに第６図に示すようにＢ位置
で巻枠２の他方の端面と当接する７ランク部を有する別
のコイル受け１４と交換してもよい。いずれにしても巻
枠２の他方端Ｂ側で支持された巻枠２の内周面には、第
１の部分コイル化の巻き始め端部に導電接続された超電
導線を巻枠２の一方端Ｂ側に向かりて筒状コイルの総巻
数の残りの２分の１だけ巻回して第２の部分コイル１５
を形成する。これが第３の工程である。つぎに巻枠の一
方端Ａ（ｉｌｌから第２の加圧治具１６を嵌挿し・第２
の部分コイル１５０巻き終り端面に前記第２の工程とは
逆向きの軸方向荷３ｉＰを加え第２の部分コイル１５の
巻終り端面をａ位置まで圧縮する。この時第１の部分コ
イル化はすでに巻枠２に固定されているので、第２の部
分コイル１５は。位置を支点として軸方向に圧縮され、
各巻回間に発生する軸方向の面圧は第７図に示すように
ａ位置で最も高くコイル内部で指数関数的に減少する分
布となる。その結果第１の部分コイル１２内部の面圧分
布と対称な分布となり、磁気的中心位置０が巻枠２の軸
方向中央位置０と一致し、面圧分布が磁気的中心位置０
に対して対称な超電導コイルが形成される。これが第４
の工程である。つぎに加圧治具１６と加圧治具（または
コイル受け）１４とを図示しない圧力保持ボルト等で連
結して面圧を保持するとともに、第２の部分コイル肋の
内周面から半径方向の圧力を放射状に加えつつ加熱乾燥
炉に収納し、超電導線に被着された接着樹脂等を含む絶
縁被覆を加熱硬化させ、超電導コイル全体を一体化する
。加熱硬化を終った超電導コイルは常温に戻した後治具
類を取り外し、第５の工程を終了する。

前述の実施例の説明では、第２の工程で第１の部分コイ
ルを加熱硬化し、第５の工程で第２の部分コイルを加熱
硬化するよう構成した場合について述べたが、第２の工
程では第１の部分コイルの内周面側に内張りばね等の拘
束治具を取り付けて面圧を保持しておき、第５の工程で
第１．第２の部分コイルを同時に加熱硬化するよう構成
することも可能である。この場合超電導線の絶縁被覆お
よび巻枠の内周面にプリプレグ絶縁を施し、第１゜第２
の工程で第１の部分コイルに加える半径方、向および軸
方向の圧力によって、前記プリプレグ絶縁同志が粘着し
て面圧を保持するようにすると一層効果的である。超電
導コイルの製作方法をこの（ように構成することにより
、第２の工程が簡略化されるとともに、第１の部分コイ
ルを２回加熱硬化することによって、第１の加熱硬化に
よって−る等の劣化を防止できる効果がある。なお前述
の実施例において筒状コイルを複数対の部分コイルに分
割すれば各巻回間の面圧分布をより均等化できる。

つぎに本発明における部分コイルの巻回方法について説
明する。第８図および第９図は部分コイルの巻回方法を
説明する概念図である。まず第８図において、筒状の巻
枠２の内周面に密接して第１の部分コイル１２を巻回す
る場合、ます回動自在に支持され巻枠２内に挿入された
巻線機２１に、第１の部分コイル１２を巻回するに必要
な長さの超電導線を第１の部分コイル化の巻回方向とは
逆方向に巻回して仮巻きコイルｎを形成し巻き終り瑞相
当部は巻線機２１に固定する。つぎに巻き始め端を案内
ローラーｎを介して巻枠２に導き固定する。

つぎに巻線機２１を仮コイルｎを巻き戻す方向に回転さ
せ、超電導線を巻枠２の内周面に押し込むように案内ロ
ーラー乙によって導くことにより、第１の部分フィル化
を所定回数巻回する。第３の工程で第２の部分コイルを
巻回する場合も前記と同様に第２の部分コイルに対応す
る仮コイルを巻線機に挿入し、第１．第２の部分コイル
のそれぞれの巻き始め端を導電接続した後所定回数巻回
する。

このようにして第１．第２の部分コイルを巻枠２の内周
面に密接して巻回することができる。

第９図は篤ｌ、第２の部分コイルを１本の超電導線を用
いて接続部なしに巻回する方法を示したものである。こ
の実施例では談ず筒状コイルの全巻数を巻回するのに必
要な超電導線を巻線機２１に巻回して、仮巻きコイル冴
を形成する。つぎに仮巻きコイル囚の中央部を案内ロー
ラーｎを介してコイル受け１１に固定された巻枠２の軸
方向中央位置に導く、この時第１の部分コイルに対応す
る仮コイル２４ａの終端は巻線機２１に固定し、第２の
部分コイルに対応する仮コイル２４ｂは終端部を固定せ
ずに自由にする。このようにして第１の工程では巻線機
２１を仮コイル２４ａを巻き戻す方向に回転して第１の
部分コイルを形成する。この場合板コイル２４ｂは終端
部が拘束されていないので超電導線の弾性によって複数
の案内ローラー乙によって規制される直径の範囲内で幾
分巻き戻り、巻線機を回転させた時巻線機の周凹を自由
に滑動するので第１の部分コイルを巻回する作業に支障
を与えない。また第３の工程で第２の部分コイルを巻回
する場合は仮コイル２４ｂの終端を巻線機２１に固定し
、仮コイ′ル２４ｂを巻き戻す方向、言いかえれば、第
１の部分コイルを巻回した場合とは逆方向に回転させて
所定回数巻回する。このようにして第１゜第２の部分コ
イルからなる超電導コイルを継ぎ目なしに形成すること
ができる。一般に極めて細い超電導線材を純アルミニウ
ム等の安定化材中に埋設されてなる超電導線の接続作業
は高度の技術を必要とするが、前述の実施例のような継
ぎ目なしコイルの製作方法を提供することにより、高度
の技術を必要とせずかつ信頼性の高い薄肉超電導コイル
を提供できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、金属製の筒状の巻枠の内周面に密着し
て一体化された筒状の超電導コイルを製作するのに、筒
状コイルを第１．第２の部分コイルに分割して、前記巻
枠の軸方向中央位置を巻き始めとして互いに巻枠の異な
る端部に向かって巻回し、前記巻き始め位置を支点とし
てまず第１の部分コイルを軸方向に押圧して巻枠に固定
し、ついで第２の部分コイルを第１の部分コイルとは逆
方向に押圧して巻枠に固定するように構成した薄肉超電
導コイルの製作方法を提供した。その゛結果巻枠の軸方
向中央位置とコイルの磁気的中心位置とが完全に一致し
、かつ前記軸方向中央位置に対して面圧分布あるいは磁
束分布が対称な超電導コイルの製作を可能にした。した
がって本発明の方法によって製作された薄肉超電導コイ
ルを例えば衝突反応粒子検出器に適用する場合、前記巻
枠と鉄心この軸方向中央位置が互いに一致するよう両者
を組み合わせれば、超電導コイルに流れる大電−〇″３
よ°７８Ｂ′−す″′１械力・０と１０−推”が最も少
ない装置を提供することができる。またコイル支持構造
材の軽量化、簡素化が可能になる。

また上述の効果が相乗的に作用して電磁機械力に対して
安定かつ信頼性の高い超電導機器を提供することに貢献
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は従来の薄肉起電導コイルの製作方
法および問題点を説明するための概念図、第４図ないし
第７図は本発明の薄肉超電導コイルの製作方法および特
徴を説明するための概念図・第８図および第９図は本発
明の薄肉超電導コイルの巻回方法を説明するための概念
図である。 図において、１・・・薄肉超電導コイル、２・・・筒状
１７）８枠、３・・・筒状コイル、４．１１．１４・・
・コイル受け。 １２・・・第１の部分コイル、１５・・・第２の部分コ
イル、１３・・・第１の加圧治具、１６・・・第２の加
圧治具、ｎ、２４・・・仮巻コイル、０１・・・巻枠の
軸方向中心位置、０・・・筒状コイルの磁気的中心位置
、である。 第１図 第２図 第３図 第８図 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）筒状の巻枠の内周面に密接してプリプレグ絶縁被覆
   された超電導線を巻回し所定の巻数の一層の筒状コイル
   を形成した後プリプレグ絶縁被覆を加熱硬化させて前記
   巻枠と一体化する方法において、前記巻枠の軸方向中央
   位置を起点として巻枠の一方端に向けて前記超電導線を
   筒状コイルの全巻数の２分の１だけ巻回して第１の部分
   コイルを形成し、該第１の部分コイルを前記軸方向中央
   位置に対して軸方向に加圧し、次いでこの加圧力を保持
   しつつ前記軸方向中央位置を起点として巻枠の他方端に
   向けて前記超電導線を筒状コイルの残りの巻数だけ巻回
   して第２の部分コイルを形成し、該第２の部分コイルを
   前記軸方向中央位置に対し前記加圧力と同じ圧力で加圧
   することを特徴とする薄肉超電導コイルの製作方法。 ２）特許請求の範囲第１項記載の方法において、製作工
   程が、前記巻枠の一方端から巻枠内に嵌挿され嵌挿部の
   先端位置が前記巻枠の軸方向中央位置に一致するよう規
   制された筒状のコイル受けに前記巻枠を固定し、前記コ
   イル受けの先端部を巻き始めとして巻枠の他方端に向け
   て前記超電導線を前記筒状コイルの全巻数の２分の１だ
   け巻回して第１の部分コイルを形成する第１の工程と、
   前記巻枠の他方端から筒状の第１の加圧治具を挿入して
   前記第１の部分コイルの端面に所定の面圧を加え、この
   面圧を保持しつつ第１の部分コイルを巻枠の内周面に固
   定する第２の工程と、前記巻枠を第１の加圧治具に固定
   して前記コイル受けを取り外し、前記第１の部分コイル
   の巻き始め位置から第１の部分コイルとは逆方向に向け
   て前記筒状コイルの全巻数の残りの２分の１を巻回して
   第２の部分コイルを形成する第３の工程と、前記巻枠の
   一方端から筒状の第２の加圧治具を挿入し第２の部分コ
   イルの端面に所定の面圧を加える第４の工程と、この面
   圧を保持しつつ第２の部分コイルを巻枠の内周面に固定
   する第５の工程とからなることを特徴とする薄肉超電導
   コイルの製作方法。 ３）特許請求の範囲第１項または第２項記載の方法にお
   いて、各部分コイルを巻回加圧後部分コイルの内周面側
   から外側に向けて放射状の圧力を加える拘束治具を取り
   付け、全体を所定温度に加熱してプリプレグ絶縁被覆を
   加熱硬化させて部分コイルをそれぞれ前記巻枠と一体化
   することを特徴とする薄肉超電導コイルの製作方法。 ４）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記
   載の方法において、各部分コイルのプリプレグ絶縁被覆
   を同時に加熱硬化することを特徴とする薄肉超電導コイ
   ルの製作方法。 ５）特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記
   載の方法において、第３の工程が前記第１および第２の
   部分コイルのそれぞれの巻き始め端部を導電接続する工
   程を含むことを特徴とする薄肉超電導コイルの製作方法
   。 ６）特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記
   載の方法において、第１の工程が、予め前記筒状コイル
   の全巻数に相当する長さの超電導線を前記筒状コイルよ
   り小なる直径の仮コイルに形成し、該仮コイルを巻枠内
   に回動自在に挿入しておき、前記仮コイルの中央部を前
   記巻枠の軸方向中央部に誘導し、仮コイルの半分を巻き
   戻しながら第１の部分コイルを巻回する工程を含み、第
   ３の工程において前記仮コイルの残りの半分を巻き戻し
   ながら第２の部分コイルを前記第１の部分コイルの巻き
   始め端部と連続して巻回するようにしたことを特徴とす
   る薄肉超電導コイルの製作方法。