JP3648868B2 - 超電導体の着磁方法及び超電導磁石装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【技術分野】
本発明は，バルク形状（塊状）の超電導体を用いた超電導体の着磁方法及び超電導磁石装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
例えば，溶融法により作製されたＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系（ＲＥはＹ又は希土類元素）の高温超電導体は１Ｔ（テスラ）を越える大きな磁場を捕捉することができ，従来の永久磁石を凌ぐ性能の磁石となることが知られている。
この超電導体を簡便に着磁する方法としては，例えば特開平６−１６８８２３号公報（文献１），Ｊａｐａｎｅａｓｅ Ｊｏｕｎａｌ ｏｆ ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ３５（１９９６）ｐ．ｐ．２１１４−２１２５（文献２），特願平８−１８００５８号（文献３）に記載されているごとく，パルス磁場を超電導体に印加する方法（パルス着磁法）が開示されている。
【０００３】
即ち，上記文献１，２によれば，高温超電導体を液体窒素で７７Ｋに冷却した後，高温超電導体の周囲に配置した着磁コイルにパルス電流を通電することにより超電導体に図１０に示すごときパルス磁場Ｐを印加する。これにより，超電導体は，いわゆるピン止め力によって磁場を捕捉して強力な磁石となる。
【０００４】
このパルス着磁法によれば，従来の他の方法（ＦＣ法，ＺＦＣ法）に比べて非常に簡便に超電導体に着磁することができ，この方法を利用した超電導磁石装置はコンパクトにすることができる。
また，文献３には，液体窒素に代えて冷凍機を用いて超電導体を冷却する方法が示されている。
【０００５】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来の超電導磁石装置及び超電導体の着磁方法においては，次の問題がある。
即ち，上記従来の超電導磁石装置及び超電導体の着磁方法においては，超電導体の周囲に着磁コイルを配置する。そのため，超電導体の径が大きい場合や，複数の超電導体を組み合わせて広い面積で使用する場合などには，超電導体の外周形状に対応させて着磁コイルの径を大きくする必要がある。
【０００６】
また，図１１に示す磁束線Ｂより知られるごとく，径の大きな超電導体に対して周囲から磁場を印加した場合には，超電導体の中心部分に侵入する磁場が非常に小さくなってしまう。そのため，着磁コイルが発生するパルス磁場が小さい場合には，超電導体に捕捉された磁場がその中心部分において不十分となる場合もある。
【０００７】
また，着磁コイルにさらに大きな磁場を発生させるようにするには，コイル巻数を多くしたり，大きなパルス電流を流すように電源を大きくしたり，大きな電磁力に耐えうるように着磁コイルを頑丈にしたりしなければならない。
このような着磁装置の大型化等は，簡便な装置で超電導体の着磁を行うことができるというパルス着磁法の特徴を損なってしなう。
【０００８】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，大きなサイズの超電導体を着磁する場合においてもコンパクトな装置で着磁することができる，超電導体の着磁方法及び超電導磁石装置を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題の解決手段】
請求項１の発明は，超電導遷移温度ＴC 以下の温度に冷却した超電導体に，着磁コイルにより発生するパルス磁場を印加することにより，上記超電導体を着磁する方法において，
上記着磁コイルは，上記超電導体の着磁方向の片側もしくは両側に対向して配設しておき，該着磁コイルから発生するパルス磁場を上記超電導体の着磁方向から印加することを特徴とする超電導体の着磁方法にある。
【００１０】
本発明において最も注目すべきことは，上記着磁コイルは，上記超電導体の着磁方向の片側もしくは両側に対向して配設しておき，該着磁コイルから発生するパルス磁場を上記超電導体の着磁方向から印加することである。即ち，上記着磁コイルは，超電導体に捕捉された磁場が超電導体から出入りする面（着磁面）に対向して配設しておく。
【００１１】
上記着磁コイルは，鋸波，矩形波，正弦波，コンデンサ放電波形等の種々の波形の単発又は複数の短時間電流（パルス電流）を通電することにより，パルス磁場を発生するものである。例えばコンデンサ放電を利用する場合には，着磁コイルの寸法，コイルの巻数，全回路の抵抗・インダクタンス・静電容量等を調整することによりパルス磁場の大きさやパルスの立ち上がり時間を制御することができる。
【００１２】
次に，本発明における作用につき説明する。
本発明における超電導体への印加磁場は，超電導体の着磁方向から与える。そのため，超電導体の着磁したい部分（着磁部分）が超電導体全体であっても一部分であっても，その着磁部分に均一な磁場を印加することができる。即ち，超電導体の着磁部分に対応させて１個又は複数の着磁コイルを配設することにより，上記着磁部分に均一な磁場を印加することができる（図１）。
【００１３】
そのため，超電導体全体を着磁する場合においても，超電導体に捕捉される磁場は巨視的にみて従来よりも均一となる。それ故，本発明においては，印加磁場が小さい場合に従来のように中心部分の捕捉磁場だけが不十分になるということはない。
【００１４】
また，本発明においては超電導体の着磁方向から印加磁場を付与するため，上記のごとく超電導体の一部分だけを着磁させることができる。即ち，着磁部分だけに対応して着磁コイルを配設し，着磁部分だけに磁場を印加することができる。
また，１つの超電導体における複数の着磁部分に対し，これらが異なる極性になるように着磁させることもでき，いわゆる多極着磁を行うことができる。この場合には，超電導磁石の用途を大幅に広げることができる。
【００１５】
また，上記着磁コイルは，上記超電導体を挟み込むように，その両側の着磁面に対向してそれぞれ配設することもできる。この場合には，図２に示す磁束線Ｂより知られるごとく，上記超電導体の厚みが厚い場合においても，超電導体の内部にまで均一に磁場を印加させることができる。そのため，超電導体の厚みが厚くても均一な磁場を捕捉させることができる。
【００１６】
また，上記のごとく，着磁コイルは必ずしも１個である必要はなく，超電導体の着磁部分に対応して，小型の着磁コイルを複数個隣接配置させた構成をとることができる。それ故，各着磁コイルを従来よりも小型化することができ，電源装置，その他装置全体をコンパクトにすることができる。
【００１７】
また，請求項２の発明のように，上記着磁コイルを上記超電導体に対して相対的に平行移動させながら，上記超電導体の複数の着磁部分に順次パルス磁場を印加することもできる。この場合には，超電導体よりも小さい着磁コイルによって，超電導体の全体を着磁させることができる。したがって，大きな超電導体を着磁する場合にも着磁装置をコンパクトにすることができる。
【００１８】
また，請求項３の発明のように，上記着磁コイルは複数個であってもよい。この場合には，各着磁コイルの小型化を図ることができる。
さらに，請求項４の発明のように，上記複数の着磁コイルは，同時又は順次パルス磁場を発生させることもできる。複数の着磁コイルに同時にパルス磁場を発生させる場合には，着磁作業の迅速化を図ることができる。また，各着磁コイルの通電タイミングをずらしてパルス磁場の発生を順次行う場合には，小さな電源装置を共有することもでき，さらに着磁装置の小型化を図ることができる。
【００１９】
次に，上記の超電導体の着磁方法を実施する超電導磁石装置として次の装置がある。
即ち，請求項５の発明のように，断熱容器内に配設された超電導体と，該超電導体を冷却するための冷却装置と，パルス電流を通電して上記超電導体にパルス磁場を印加するための着磁コイルとからなり，
該着磁コイルは，上記超電導体の着磁方向の片側もしくは両側に対向して配設されていることを特徴とする超電導磁石装置がある。
【００２０】
本発明の超電導磁石装置において最も注目すべきことは，上記着磁コイルは，上記超電導体の着磁方向の片側もしくは両側に対向して配設されていることである。即ち，上記着磁コイルは，上記超電導体の片側又は両側の着磁面に対向して配設されている。
【００２１】
上記着磁コイルに通電するパルス電流等は上述した通りである。また，上記着磁コイルの材質は，パルス電流通電時の発熱を利用する場合には適当な抵抗率を持った常電導体が，発熱を抑える場合には低抵抗の銅やアルミニウムもしくは超電導体が用いられる。
【００２２】
上記断熱容器は，外部からの熱の侵入を極力防いで上記超電導体の温度の上昇を防止し，かつ超電導体の冷却を容易にするためのものである。具体的には，例えば，輻射シールド板を備えた真空断熱槽といった本格的な断熱対策を施したものがある。また，例えば，単にＦＲＰや発泡スチロールといった熱伝導度の極めて低い材料を構成材料として用いた簡便なものもある。
【００２３】
上記冷却装置は，上記超電導体を直接冷却するものであって，種々の構成をとることができる。
例えば，上記冷却装置としては冷凍機を用いることができる。そして該冷凍機には上記超電導体を冷却するためのコールドヘッドを設けることができる。この場合には，超電導体の冷却を効率よく，かつ精度よく行うことができ，上記の超電導体の着磁方法の効果を十分に発揮させることができる。
【００２４】
また，上記冷却装置は冷媒循環型の冷却装置とすることもできる。即ち，該冷却装置は，上記超電導体と冷媒とを収納した冷媒容器と，該冷媒容器に冷媒移送管を介して連結された冷媒冷却装置とよりなり，該冷媒冷却装置により冷却した冷媒を上記冷媒容器内との間に循環させるように構成することもできる。
この場合には，冷媒の性質を利用して精度の高い温度制御を行うことができる。また，上記冷媒としては，例えば，酸素，窒素，ネオン，水素，ヘリウム等の液体もしくは気体を用いる。
【００２５】
また，上記冷却装置は冷媒貯留型の冷却装置とすることもできる。即ち，該冷却装置は，上記超電導体と冷媒とを収納した冷媒容器と，該冷媒容器内の上記冷媒の蒸気圧を調整するための排気装置とを有してなり，上記冷媒の蒸発熱を利用して冷媒の温度調整をするように構成することもできる。
この場合には，装置構成を簡単にすることができる。
【００２６】
上記超電導体は，バルク形状（塊状）であり，その形状は，円柱状，角柱状等，種々の形状をとることができる。また，複数の超電導体を組み合わせて用いることもできる。また上記超電導体は，いわゆるピン止め点を有するものであって，例えばＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系（ここに，ＲＥはＹ，希土類元素，又はこれらの元素の組み合わせ）がある。
【００２７】
このような構成の本発明の超電導磁石装置を用いれば，上記の優れた超電導体の着磁方法を容易に実施することができる。また，本発明の超電導磁石装置は，上記のごとく簡単な構成であり非常にコンパクトである。そのため，本発明の超電導磁石装置は，種々の機器における磁石装置として有効に利用することができる。
【００２８】
また，請求項６の発明のように，上記着磁コイルと上記超電導体とは，相対的に平行移動可能に配設することもできる。この場合には，大型の超電導体を小さな着磁コイルによって複数の着磁部分を順次着磁することができる。そのため，着磁コイルの小型化を図ることができ，超電導磁石装置全体をコンパクトにすることができる。
【００２９】
また，請求項７の発明のように，上記着磁コイルは上記断熱容器の外部に配設されていることが好ましい。この場合には，超電導体を着磁した後に着磁コイルを分離することができ，超電導磁石装置をさらにコンパクトな状態で使用することができる。それ故，超電導磁石装置の適用範囲をさらに広くすることができる。
【００３０】
また，請求項８の発明のように，上記のごとく，着磁コイルは複数個にすることもできる。この場合には，各着磁コイルの小型化，各着磁コイルの通電タイミングの最適化等の工夫を容易に図ることができ，装置全体のコンパクト化を図ることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本発明の実施形態例にかかる超電導体の着磁方法を利用した超電導磁石装置につき，図１，図３を用いて説明する。
本例の超電導磁石装置１は，図３に示すごとく，断熱容器２内に配設された超電導体１０と，該超電導体１０を冷却するための冷却装置としての冷凍機３と，パルス電流を通電して上記超電導体にパルス磁場を印加するための着磁コイル４とからなる。そして，図１，図３に示すごとく，着磁コイル４は，超電導体１０の着磁方向の片側に対向して配設されている。
【００３２】
着磁コイル４は，図１，図３に示すごとく，超電導体１０の着磁面１１に対向するよう複数の小型の着磁コイル４０を隣接配置してなる。各着磁コイル４０には，パルス電流を通電するための電源装置４１に接続されている。この電源装置４１は，コンデンサ放電を利用したものである。
また，着磁コイル４は，断熱容器２の外部に配設してある。そのため，図３に示すごとく，着磁コイル４と超電導体１０との間には断熱容器２の一部分が介在している。
【００３３】
超電導体１０は，円盤形状のＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系（ここに，ＲＥはＹ，希土類元素，又はこれらの元素の組み合わせ）高温超電導体である。
断熱容器２は，図３に示すごとく，ＦＲＰを用い，超電導体１０と，後述する冷凍機３のコールドヘッド３１とを収納している。断熱容器２の内部は，外部からの熱の侵入をできる限り防ぐべく，真空状態にしてある。
【００３４】
冷却装置としての冷凍機３は，図３に示すごとく，超電導体１０を冷却するためのコールドヘッド３１とコンプレッサ３２とを有する公知のものである。コールドヘッド３１は，熱を奪って冷却する部分であって，熱伝導性に優れた銅部材３５を介して超電導体１０に連結してある。
【００３５】
次に，本例における作用につき説明する。
本例の超電導磁石装置１において超電導体１０を着磁する際には，まず冷凍機３を作動して断熱容器２内の超電導体１０をその超電導遷移温度ＴC 以下のオペレーション温度Ｔ0 まで冷却する。
【００３６】
次いで，断熱容器２の外部に配置した上記の着磁コイル４に電源装置４１によってパルス電流を通電する。
これにより，着磁コイル４は，図１に示す磁束線Ｂより知られるごとく，超電導体１０に対して，その着磁方向から均一な印加磁場を発生する。
そのため，超電導体１０は，巨視的に見て全体的に均一に着磁される。
【００３７】
また，本例においては，上記のごとく着磁コイル４を断熱容器２の外部に配設してある。そのため，着磁後の超電導磁石装置１を磁場発生装置として使用するに当たって，着磁コイル４を分離することができる。そのため，さらに一層コンパクトな状態で利用することができる。
【００３８】
実施形態例２
本例は，図４に示すごとく，円盤形状の超電導体１２の中心部分にシャフト１２９を付け，超電導体１２をモータ又は発電機のロータとして使用する具体例である。
超電導体１２は，図４（ａ）（ｂ）に示すごとく，断熱容器２２に収納されており，図示しない冷却装置によって超電導遷移温度ＴC 以下に冷却されるように構成されている。
【００３９】
そして，超電導体１２を着磁するに当たっては，図４（ａ）（ｂ）に示すごとく，１組の着磁コイル４２を断熱容器２２を介して超電導体１２の着磁部分１２１〜１２８のうちの一部分１２１を挟み込むように配置させる。そして，着磁コイル４２にパルス電流を通電させてパルス磁場を発生させる。このとき，パルス磁場は，着磁部分１２１に捕捉された磁場が，図４（ｂ）において向かって右側がＳ極になるような向きで発生させる。これにより，着磁部分１２１は，上記の極性方向となる状態で磁場を捕捉する。
【００４０】
次いで，超電導体１２を４５°回転させて次の着磁部分１２２を着磁コイル４２間に位置させる。そして，着磁コイル４２に先回と逆方向にパルス電流を流す。これにより，先回と逆方向にパルス磁場が発生し，着磁部分１２２が隣の着磁部分１２１と逆の極性に着磁される。以下，超電導体１２を４５°ずつ回転させて，パルス磁場の印加方向を交互に変化させて順次着磁部分１２３〜１２８を着磁していく。これにより，円盤状の超電導体１２は，互いに異なる極性の磁化部分１２１〜１２８を交互に配置したロータとなる。
【００４１】
次に，図５に示すごとく，ロータとなった超電導体１２は，８個の電機子４２１を円状に配置したモータケース（図示略）内に配設する。そして，各電機子４２１に対して交互に逆方向の電流を流して回転磁界を発生せさることにより，モータとしての機能が発揮される。
【００４２】
また，発電機として利用する場合には，超電導体１２のシャフト１２９に別途設けた駆動系を接続し，これを回転させる。これにより，上記の各電機子４２１から誘導電流を得ることができる。
【００４３】
なお，超電導体１２をモータに利用する場合に，図６に示すごとく，超電導体１２の表裏に８組の着磁コイル４２を予め配設しておくこともできる。この場合には，着磁コイル４２を固定電機子としても兼用することができる。即ち，超電導体１２を着磁する場合には，超電導体１２を停止した状態で，それぞれの着磁コイル４２によって８箇所の着磁部分１２１〜１２８を着磁することができる。そして，着磁後においては，着磁コイル４２に流す電流を制御して回転磁界を発生させる固定電機子としての役割を果たさせることができる。
【００４４】
実施形態例３
本例は，図７に示すごとく，円盤形状の超電導体１３を，非接触状態で動力を伝える磁気カップリングとして使用する具体例である。
超電導体１３は，図７（ａ）に示すごとく，断熱容器２３に収納されており，図示しない冷却装置によって超電導遷移温度ＴC 以下に冷却されるように構成されている。また，超電導体１３には動力を伝えるためのシャフト１３９が裏側に延設されている。
【００４５】
そして，超電導体１３を着磁するに当たっては，図７（ａ）に示すごとく，いわばショートケーキ状の着磁コイル４３を８個組み合わせてなる着磁コイル４３０を用いる。そして，着磁コイル４３０を超電導体１３の着磁面に対面させて，個々の着磁コイル４３が交互に逆方向にパルス磁場を発生するように各着磁コイル４３に通電する。
【００４６】
これにより，図７（ａ）に示すごとく，超電導体１３の着磁部分１３１〜１３８には，交互に極性が異なる磁場が捕捉される。
このように着磁した超電導体１３をカップリングとして使用するには，図７（ｂ）に示すごとく，まず別途設けたモータ８８にシャフト１３９を連結すると共に，超電導体１３の着磁面１３０を，他方のカップリング円盤５３に対面させる。
【００４７】
他方のカップリング円盤５３は，本例と同様に着磁した超電導体でもよいし，永久磁石でもよい。少なくとも，超電導体１３と同様に交互に異なる極性の着磁部分を配置していることが必要である。また，超電導体１３と他方のカップリング円盤５３との間は，図７（ｂ）に示すごとく，一定の距離をおいて非接触状態にすることができる。
そのため，例えば，図７（ｂ）に示すごとく，密閉された真空室８１内に配設された他方のカップリング５３に対しても，容易に動力を伝達することができる。
【００４８】
実施形態例４
本例は，図８に示すごとく，長尺状の超電導体１４０を着磁する場合の具体例を示す。
長尺状の超電導体１４０は，図８に示すごとく，四角い単位超電導体１４を２列で長く連ねた集合体であって，長尺状の断熱容器２４内に収納されている。そして，超電導体１４０は，図示しない冷却装置によって超電導遷移温度ＴC 以下に冷却されるように構成されている。
【００４９】
また，着磁コイル４４０は，図８に示すごとく，単位超電導体１４に対応する大きさの小型の着磁コイル４４を縦２列×横４列，計８個組み合わせて構成してある。そして，各着磁コイル４４は，全て同一方向の極性のパルス磁場を発生するように構成してある。
【００５０】
次に，上記超電導体１４０を着磁するに当たっては，図９に示すごとく，単位超電導体１４を縦２列×横４列，計８個を１ブロック（１つの着磁部分）として，複数のブロック１４１，１４２，１４３・・・に区分けする。この１ブロックは，着磁コイル４４０によって一度に着磁できる大きさである。
そして，着磁コイル４４０を各ブロック１４１，１４２・・・と順次ブロック単位で平行移動させながら，順次パルス磁場を発生させる。
これにより，超電導体１４０は順次着磁されていき，長尺の超電導磁石を得ることができる。
【００５１】
このように，本例においては，長尺状の超電導体１４０であっても，コンパクトな着磁コイル４４０によって，容易に着磁することができる。そのため，例えば，リニアモーターカーにおける長尺状の磁場発生装置として応用することもできる。また，超電導体が長いだけでなく幅も広い場合であっても，本例の手法を応用してコンパクトな着磁コイルを用いて着磁することができる。それ故，超電導体の磁石としての適用範囲をこれまで以上に拡大することができる。
【００５２】
【発明の効果】
上述のごとく，本発明によれば，大きなサイズの超電導体を着磁する場合においてもコンパクトな装置で着磁することができる，超電導体の着磁方法及び超電導磁石装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における，着磁コイルの配置状態を示す説明図。
【図２】本発明における，着磁コイルを超電導体の両側の着磁面に対向させた状態を示す説明図。
【図３】実施形態例１の超電導磁石装置の構成を示す説明図。
【図４】実施形態例２における，超電導体の着磁手順を示す説明図。
【図５】実施形態例２における，超電導体をモータに組み込んだ状態を示す説明図。
【図６】実施形態例２における，超電導体をモータに組み込んだ別例を示す説明図。
【図７】実施形態例３における，（ａ）超電導体の着磁手順，（ｂ）超電導体を磁気カップリングに用いた状態，を示す説明図。
【図８】実施形態例４における，超電導体の着磁手順を示す説明図。
【図９】実施形態例４における，超電導体の着磁部分の区分け状態を示す説明図。
【図１０】従来例における，パルス磁場を示す説明図。
【図１１】従来例における，印加磁場の磁束密度分布を示す説明図。
【符号の説明】
１．．．超電導磁石装置，
１０，１２，１３，１４，１４０．．．超電導体，
２，２２，２３，２４．．．断熱容器，
４，４２，４３，４４，４４０．．．着磁コイル，
【技術分野】
本発明は，バルク形状（塊状）の超電導体を用いた超電導体の着磁方法及び超電導磁石装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
例えば，溶融法により作製されたＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系（ＲＥはＹ又は希土類元素）の高温超電導体は１Ｔ（テスラ）を越える大きな磁場を捕捉することができ，従来の永久磁石を凌ぐ性能の磁石となることが知られている。
この超電導体を簡便に着磁する方法としては，例えば特開平６−１６８８２３号公報（文献１），Ｊａｐａｎｅａｓｅ Ｊｏｕｎａｌ ｏｆ ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ３５（１９９６）ｐ．ｐ．２１１４−２１２５（文献２），特願平８−１８００５８号（文献３）に記載されているごとく，パルス磁場を超電導体に印加する方法（パルス着磁法）が開示されている。
【０００３】
即ち，上記文献１，２によれば，高温超電導体を液体窒素で７７Ｋに冷却した後，高温超電導体の周囲に配置した着磁コイルにパルス電流を通電することにより超電導体に図１０に示すごときパルス磁場Ｐを印加する。これにより，超電導体は，いわゆるピン止め力によって磁場を捕捉して強力な磁石となる。
【０００４】
このパルス着磁法によれば，従来の他の方法（ＦＣ法，ＺＦＣ法）に比べて非常に簡便に超電導体に着磁することができ，この方法を利用した超電導磁石装置はコンパクトにすることができる。
また，文献３には，液体窒素に代えて冷凍機を用いて超電導体を冷却する方法が示されている。
【０００５】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来の超電導磁石装置及び超電導体の着磁方法においては，次の問題がある。
即ち，上記従来の超電導磁石装置及び超電導体の着磁方法においては，超電導体の周囲に着磁コイルを配置する。そのため，超電導体の径が大きい場合や，複数の超電導体を組み合わせて広い面積で使用する場合などには，超電導体の外周形状に対応させて着磁コイルの径を大きくする必要がある。
【０００６】
また，図１１に示す磁束線Ｂより知られるごとく，径の大きな超電導体に対して周囲から磁場を印加した場合には，超電導体の中心部分に侵入する磁場が非常に小さくなってしまう。そのため，着磁コイルが発生するパルス磁場が小さい場合には，超電導体に捕捉された磁場がその中心部分において不十分となる場合もある。
【０００７】
また，着磁コイルにさらに大きな磁場を発生させるようにするには，コイル巻数を多くしたり，大きなパルス電流を流すように電源を大きくしたり，大きな電磁力に耐えうるように着磁コイルを頑丈にしたりしなければならない。
このような着磁装置の大型化等は，簡便な装置で超電導体の着磁を行うことができるというパルス着磁法の特徴を損なってしなう。
【０００８】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，大きなサイズの超電導体を着磁する場合においてもコンパクトな装置で着磁することができる，超電導体の着磁方法及び超電導磁石装置を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題の解決手段】
請求項１の発明は，超電導遷移温度ＴC 以下の温度に冷却した超電導体に，着磁コイルにより発生するパルス磁場を印加することにより，上記超電導体を着磁する方法において，
上記着磁コイルは，上記超電導体の着磁方向の片側もしくは両側に対向して配設しておき，該着磁コイルから発生するパルス磁場を上記超電導体の着磁方向から印加することを特徴とする超電導体の着磁方法にある。
【００１０】
本発明において最も注目すべきことは，上記着磁コイルは，上記超電導体の着磁方向の片側もしくは両側に対向して配設しておき，該着磁コイルから発生するパルス磁場を上記超電導体の着磁方向から印加することである。即ち，上記着磁コイルは，超電導体に捕捉された磁場が超電導体から出入りする面（着磁面）に対向して配設しておく。
【００１１】
上記着磁コイルは，鋸波，矩形波，正弦波，コンデンサ放電波形等の種々の波形の単発又は複数の短時間電流（パルス電流）を通電することにより，パルス磁場を発生するものである。例えばコンデンサ放電を利用する場合には，着磁コイルの寸法，コイルの巻数，全回路の抵抗・インダクタンス・静電容量等を調整することによりパルス磁場の大きさやパルスの立ち上がり時間を制御することができる。
【００１２】
次に，本発明における作用につき説明する。
本発明における超電導体への印加磁場は，超電導体の着磁方向から与える。そのため，超電導体の着磁したい部分（着磁部分）が超電導体全体であっても一部分であっても，その着磁部分に均一な磁場を印加することができる。即ち，超電導体の着磁部分に対応させて１個又は複数の着磁コイルを配設することにより，上記着磁部分に均一な磁場を印加することができる（図１）。
【００１３】
そのため，超電導体全体を着磁する場合においても，超電導体に捕捉される磁場は巨視的にみて従来よりも均一となる。それ故，本発明においては，印加磁場が小さい場合に従来のように中心部分の捕捉磁場だけが不十分になるということはない。
【００１４】
また，本発明においては超電導体の着磁方向から印加磁場を付与するため，上記のごとく超電導体の一部分だけを着磁させることができる。即ち，着磁部分だけに対応して着磁コイルを配設し，着磁部分だけに磁場を印加することができる。
また，１つの超電導体における複数の着磁部分に対し，これらが異なる極性になるように着磁させることもでき，いわゆる多極着磁を行うことができる。この場合には，超電導磁石の用途を大幅に広げることができる。
【００１５】
また，上記着磁コイルは，上記超電導体を挟み込むように，その両側の着磁面に対向してそれぞれ配設することもできる。この場合には，図２に示す磁束線Ｂより知られるごとく，上記超電導体の厚みが厚い場合においても，超電導体の内部にまで均一に磁場を印加させることができる。そのため，超電導体の厚みが厚くても均一な磁場を捕捉させることができる。
【００１６】
また，上記のごとく，着磁コイルは必ずしも１個である必要はなく，超電導体の着磁部分に対応して，小型の着磁コイルを複数個隣接配置させた構成をとることができる。それ故，各着磁コイルを従来よりも小型化することができ，電源装置，その他装置全体をコンパクトにすることができる。
【００１７】
また，請求項２の発明のように，上記着磁コイルを上記超電導体に対して相対的に平行移動させながら，上記超電導体の複数の着磁部分に順次パルス磁場を印加することもできる。この場合には，超電導体よりも小さい着磁コイルによって，超電導体の全体を着磁させることができる。したがって，大きな超電導体を着磁する場合にも着磁装置をコンパクトにすることができる。
【００１８】
また，請求項３の発明のように，上記着磁コイルは複数個であってもよい。この場合には，各着磁コイルの小型化を図ることができる。
さらに，請求項４の発明のように，上記複数の着磁コイルは，同時又は順次パルス磁場を発生させることもできる。複数の着磁コイルに同時にパルス磁場を発生させる場合には，着磁作業の迅速化を図ることができる。また，各着磁コイルの通電タイミングをずらしてパルス磁場の発生を順次行う場合には，小さな電源装置を共有することもでき，さらに着磁装置の小型化を図ることができる。
【００１９】
次に，上記の超電導体の着磁方法を実施する超電導磁石装置として次の装置がある。
即ち，請求項５の発明のように，断熱容器内に配設された超電導体と，該超電導体を冷却するための冷却装置と，パルス電流を通電して上記超電導体にパルス磁場を印加するための着磁コイルとからなり，
該着磁コイルは，上記超電導体の着磁方向の片側もしくは両側に対向して配設されていることを特徴とする超電導磁石装置がある。
【００２０】
本発明の超電導磁石装置において最も注目すべきことは，上記着磁コイルは，上記超電導体の着磁方向の片側もしくは両側に対向して配設されていることである。即ち，上記着磁コイルは，上記超電導体の片側又は両側の着磁面に対向して配設されている。
【００２１】
上記着磁コイルに通電するパルス電流等は上述した通りである。また，上記着磁コイルの材質は，パルス電流通電時の発熱を利用する場合には適当な抵抗率を持った常電導体が，発熱を抑える場合には低抵抗の銅やアルミニウムもしくは超電導体が用いられる。
【００２２】
上記断熱容器は，外部からの熱の侵入を極力防いで上記超電導体の温度の上昇を防止し，かつ超電導体の冷却を容易にするためのものである。具体的には，例えば，輻射シールド板を備えた真空断熱槽といった本格的な断熱対策を施したものがある。また，例えば，単にＦＲＰや発泡スチロールといった熱伝導度の極めて低い材料を構成材料として用いた簡便なものもある。
【００２３】
上記冷却装置は，上記超電導体を直接冷却するものであって，種々の構成をとることができる。
例えば，上記冷却装置としては冷凍機を用いることができる。そして該冷凍機には上記超電導体を冷却するためのコールドヘッドを設けることができる。この場合には，超電導体の冷却を効率よく，かつ精度よく行うことができ，上記の超電導体の着磁方法の効果を十分に発揮させることができる。
【００２４】
また，上記冷却装置は冷媒循環型の冷却装置とすることもできる。即ち，該冷却装置は，上記超電導体と冷媒とを収納した冷媒容器と，該冷媒容器に冷媒移送管を介して連結された冷媒冷却装置とよりなり，該冷媒冷却装置により冷却した冷媒を上記冷媒容器内との間に循環させるように構成することもできる。
この場合には，冷媒の性質を利用して精度の高い温度制御を行うことができる。また，上記冷媒としては，例えば，酸素，窒素，ネオン，水素，ヘリウム等の液体もしくは気体を用いる。
【００２５】
また，上記冷却装置は冷媒貯留型の冷却装置とすることもできる。即ち，該冷却装置は，上記超電導体と冷媒とを収納した冷媒容器と，該冷媒容器内の上記冷媒の蒸気圧を調整するための排気装置とを有してなり，上記冷媒の蒸発熱を利用して冷媒の温度調整をするように構成することもできる。
この場合には，装置構成を簡単にすることができる。
【００２６】
上記超電導体は，バルク形状（塊状）であり，その形状は，円柱状，角柱状等，種々の形状をとることができる。また，複数の超電導体を組み合わせて用いることもできる。また上記超電導体は，いわゆるピン止め点を有するものであって，例えばＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系（ここに，ＲＥはＹ，希土類元素，又はこれらの元素の組み合わせ）がある。
【００２７】
このような構成の本発明の超電導磁石装置を用いれば，上記の優れた超電導体の着磁方法を容易に実施することができる。また，本発明の超電導磁石装置は，上記のごとく簡単な構成であり非常にコンパクトである。そのため，本発明の超電導磁石装置は，種々の機器における磁石装置として有効に利用することができる。
【００２８】
また，請求項６の発明のように，上記着磁コイルと上記超電導体とは，相対的に平行移動可能に配設することもできる。この場合には，大型の超電導体を小さな着磁コイルによって複数の着磁部分を順次着磁することができる。そのため，着磁コイルの小型化を図ることができ，超電導磁石装置全体をコンパクトにすることができる。
【００２９】
また，請求項７の発明のように，上記着磁コイルは上記断熱容器の外部に配設されていることが好ましい。この場合には，超電導体を着磁した後に着磁コイルを分離することができ，超電導磁石装置をさらにコンパクトな状態で使用することができる。それ故，超電導磁石装置の適用範囲をさらに広くすることができる。
【００３０】
また，請求項８の発明のように，上記のごとく，着磁コイルは複数個にすることもできる。この場合には，各着磁コイルの小型化，各着磁コイルの通電タイミングの最適化等の工夫を容易に図ることができ，装置全体のコンパクト化を図ることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本発明の実施形態例にかかる超電導体の着磁方法を利用した超電導磁石装置につき，図１，図３を用いて説明する。
本例の超電導磁石装置１は，図３に示すごとく，断熱容器２内に配設された超電導体１０と，該超電導体１０を冷却するための冷却装置としての冷凍機３と，パルス電流を通電して上記超電導体にパルス磁場を印加するための着磁コイル４とからなる。そして，図１，図３に示すごとく，着磁コイル４は，超電導体１０の着磁方向の片側に対向して配設されている。
【００３２】
着磁コイル４は，図１，図３に示すごとく，超電導体１０の着磁面１１に対向するよう複数の小型の着磁コイル４０を隣接配置してなる。各着磁コイル４０には，パルス電流を通電するための電源装置４１に接続されている。この電源装置４１は，コンデンサ放電を利用したものである。
また，着磁コイル４は，断熱容器２の外部に配設してある。そのため，図３に示すごとく，着磁コイル４と超電導体１０との間には断熱容器２の一部分が介在している。
【００３３】
超電導体１０は，円盤形状のＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系（ここに，ＲＥはＹ，希土類元素，又はこれらの元素の組み合わせ）高温超電導体である。
断熱容器２は，図３に示すごとく，ＦＲＰを用い，超電導体１０と，後述する冷凍機３のコールドヘッド３１とを収納している。断熱容器２の内部は，外部からの熱の侵入をできる限り防ぐべく，真空状態にしてある。
【００３４】
冷却装置としての冷凍機３は，図３に示すごとく，超電導体１０を冷却するためのコールドヘッド３１とコンプレッサ３２とを有する公知のものである。コールドヘッド３１は，熱を奪って冷却する部分であって，熱伝導性に優れた銅部材３５を介して超電導体１０に連結してある。
【００３５】
次に，本例における作用につき説明する。
本例の超電導磁石装置１において超電導体１０を着磁する際には，まず冷凍機３を作動して断熱容器２内の超電導体１０をその超電導遷移温度ＴC 以下のオペレーション温度Ｔ0 まで冷却する。
【００３６】
次いで，断熱容器２の外部に配置した上記の着磁コイル４に電源装置４１によってパルス電流を通電する。
これにより，着磁コイル４は，図１に示す磁束線Ｂより知られるごとく，超電導体１０に対して，その着磁方向から均一な印加磁場を発生する。
そのため，超電導体１０は，巨視的に見て全体的に均一に着磁される。
【００３７】
また，本例においては，上記のごとく着磁コイル４を断熱容器２の外部に配設してある。そのため，着磁後の超電導磁石装置１を磁場発生装置として使用するに当たって，着磁コイル４を分離することができる。そのため，さらに一層コンパクトな状態で利用することができる。
【００３８】
実施形態例２
本例は，図４に示すごとく，円盤形状の超電導体１２の中心部分にシャフト１２９を付け，超電導体１２をモータ又は発電機のロータとして使用する具体例である。
超電導体１２は，図４（ａ）（ｂ）に示すごとく，断熱容器２２に収納されており，図示しない冷却装置によって超電導遷移温度ＴC 以下に冷却されるように構成されている。
【００３９】
そして，超電導体１２を着磁するに当たっては，図４（ａ）（ｂ）に示すごとく，１組の着磁コイル４２を断熱容器２２を介して超電導体１２の着磁部分１２１〜１２８のうちの一部分１２１を挟み込むように配置させる。そして，着磁コイル４２にパルス電流を通電させてパルス磁場を発生させる。このとき，パルス磁場は，着磁部分１２１に捕捉された磁場が，図４（ｂ）において向かって右側がＳ極になるような向きで発生させる。これにより，着磁部分１２１は，上記の極性方向となる状態で磁場を捕捉する。
【００４０】
次いで，超電導体１２を４５°回転させて次の着磁部分１２２を着磁コイル４２間に位置させる。そして，着磁コイル４２に先回と逆方向にパルス電流を流す。これにより，先回と逆方向にパルス磁場が発生し，着磁部分１２２が隣の着磁部分１２１と逆の極性に着磁される。以下，超電導体１２を４５°ずつ回転させて，パルス磁場の印加方向を交互に変化させて順次着磁部分１２３〜１２８を着磁していく。これにより，円盤状の超電導体１２は，互いに異なる極性の磁化部分１２１〜１２８を交互に配置したロータとなる。
【００４１】
次に，図５に示すごとく，ロータとなった超電導体１２は，８個の電機子４２１を円状に配置したモータケース（図示略）内に配設する。そして，各電機子４２１に対して交互に逆方向の電流を流して回転磁界を発生せさることにより，モータとしての機能が発揮される。
【００４２】
また，発電機として利用する場合には，超電導体１２のシャフト１２９に別途設けた駆動系を接続し，これを回転させる。これにより，上記の各電機子４２１から誘導電流を得ることができる。
【００４３】
なお，超電導体１２をモータに利用する場合に，図６に示すごとく，超電導体１２の表裏に８組の着磁コイル４２を予め配設しておくこともできる。この場合には，着磁コイル４２を固定電機子としても兼用することができる。即ち，超電導体１２を着磁する場合には，超電導体１２を停止した状態で，それぞれの着磁コイル４２によって８箇所の着磁部分１２１〜１２８を着磁することができる。そして，着磁後においては，着磁コイル４２に流す電流を制御して回転磁界を発生させる固定電機子としての役割を果たさせることができる。
【００４４】
実施形態例３
本例は，図７に示すごとく，円盤形状の超電導体１３を，非接触状態で動力を伝える磁気カップリングとして使用する具体例である。
超電導体１３は，図７（ａ）に示すごとく，断熱容器２３に収納されており，図示しない冷却装置によって超電導遷移温度ＴC 以下に冷却されるように構成されている。また，超電導体１３には動力を伝えるためのシャフト１３９が裏側に延設されている。
【００４５】
そして，超電導体１３を着磁するに当たっては，図７（ａ）に示すごとく，いわばショートケーキ状の着磁コイル４３を８個組み合わせてなる着磁コイル４３０を用いる。そして，着磁コイル４３０を超電導体１３の着磁面に対面させて，個々の着磁コイル４３が交互に逆方向にパルス磁場を発生するように各着磁コイル４３に通電する。
【００４６】
これにより，図７（ａ）に示すごとく，超電導体１３の着磁部分１３１〜１３８には，交互に極性が異なる磁場が捕捉される。
このように着磁した超電導体１３をカップリングとして使用するには，図７（ｂ）に示すごとく，まず別途設けたモータ８８にシャフト１３９を連結すると共に，超電導体１３の着磁面１３０を，他方のカップリング円盤５３に対面させる。
【００４７】
他方のカップリング円盤５３は，本例と同様に着磁した超電導体でもよいし，永久磁石でもよい。少なくとも，超電導体１３と同様に交互に異なる極性の着磁部分を配置していることが必要である。また，超電導体１３と他方のカップリング円盤５３との間は，図７（ｂ）に示すごとく，一定の距離をおいて非接触状態にすることができる。
そのため，例えば，図７（ｂ）に示すごとく，密閉された真空室８１内に配設された他方のカップリング５３に対しても，容易に動力を伝達することができる。
【００４８】
実施形態例４
本例は，図８に示すごとく，長尺状の超電導体１４０を着磁する場合の具体例を示す。
長尺状の超電導体１４０は，図８に示すごとく，四角い単位超電導体１４を２列で長く連ねた集合体であって，長尺状の断熱容器２４内に収納されている。そして，超電導体１４０は，図示しない冷却装置によって超電導遷移温度ＴC 以下に冷却されるように構成されている。
【００４９】
また，着磁コイル４４０は，図８に示すごとく，単位超電導体１４に対応する大きさの小型の着磁コイル４４を縦２列×横４列，計８個組み合わせて構成してある。そして，各着磁コイル４４は，全て同一方向の極性のパルス磁場を発生するように構成してある。
【００５０】
次に，上記超電導体１４０を着磁するに当たっては，図９に示すごとく，単位超電導体１４を縦２列×横４列，計８個を１ブロック（１つの着磁部分）として，複数のブロック１４１，１４２，１４３・・・に区分けする。この１ブロックは，着磁コイル４４０によって一度に着磁できる大きさである。
そして，着磁コイル４４０を各ブロック１４１，１４２・・・と順次ブロック単位で平行移動させながら，順次パルス磁場を発生させる。
これにより，超電導体１４０は順次着磁されていき，長尺の超電導磁石を得ることができる。
【００５１】
このように，本例においては，長尺状の超電導体１４０であっても，コンパクトな着磁コイル４４０によって，容易に着磁することができる。そのため，例えば，リニアモーターカーにおける長尺状の磁場発生装置として応用することもできる。また，超電導体が長いだけでなく幅も広い場合であっても，本例の手法を応用してコンパクトな着磁コイルを用いて着磁することができる。それ故，超電導体の磁石としての適用範囲をこれまで以上に拡大することができる。
【００５２】
【発明の効果】
上述のごとく，本発明によれば，大きなサイズの超電導体を着磁する場合においてもコンパクトな装置で着磁することができる，超電導体の着磁方法及び超電導磁石装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における，着磁コイルの配置状態を示す説明図。
【図２】本発明における，着磁コイルを超電導体の両側の着磁面に対向させた状態を示す説明図。
【図３】実施形態例１の超電導磁石装置の構成を示す説明図。
【図４】実施形態例２における，超電導体の着磁手順を示す説明図。
【図５】実施形態例２における，超電導体をモータに組み込んだ状態を示す説明図。
【図６】実施形態例２における，超電導体をモータに組み込んだ別例を示す説明図。
【図７】実施形態例３における，（ａ）超電導体の着磁手順，（ｂ）超電導体を磁気カップリングに用いた状態，を示す説明図。
【図８】実施形態例４における，超電導体の着磁手順を示す説明図。
【図９】実施形態例４における，超電導体の着磁部分の区分け状態を示す説明図。
【図１０】従来例における，パルス磁場を示す説明図。
【図１１】従来例における，印加磁場の磁束密度分布を示す説明図。
【符号の説明】
１．．．超電導磁石装置，
１０，１２，１３，１４，１４０．．．超電導体，
２，２２，２３，２４．．．断熱容器，
４，４２，４３，４４，４４０．．．着磁コイル，
Claims (8)
- 超電導遷移温度ＴC 以下の温度に冷却した超電導体に，着磁コイルにより発生するパルス磁場を印加することにより，上記超電導体を着磁する方法において，
上記着磁コイルは，上記超電導体の着磁方向の片側もしくは両側に対向して配設しておき，該着磁コイルから発生するパルス磁場を上記超電導体の着磁方向から印加することを特徴とする超電導体の着磁方法。 - 請求項１において，上記着磁コイルを上記超電導体に対して相対的に平行移動させながら，上記超電導体の複数の着磁部分に順次パルス磁場を印加することを特徴とする超電導体の着磁方法。
- 請求項１又は２において，上記着磁コイルは複数個であることを特徴とする超電導体の着磁方法。
- 請求項３において，上記複数の着磁コイルは，同時又は順次パルス磁場を発生させることを特徴とする超電導体の着磁方法。
- 断熱容器内に配設された超電導体と，該超電導体を冷却するための冷却装置と，パルス電流を通電して上記超電導体にパルス磁場を印加するための着磁コイルとからなり，
該着磁コイルは，上記超電導体の着磁方向の片側もしくは両側に対向して配設されていることを特徴とする超電導磁石装置。 - 請求項５において，上記着磁コイルと上記超電導体とは，相対的に平行移動可能に配設されていることを特徴とする超電導磁石装置。
- 請求項５又は６において，上記着磁コイルは上記断熱容器の外部に配設されていることを特徴とする超電導磁石装置。
- 請求項５〜７のいずれか１項において，上記着磁コイルは複数個であることを特徴とする超電導磁石装置。
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| US10/066,680 US7026901B2 (en) | 1996-06-19 | 2002-02-06 | Superconducting magnet apparatus and method for magnetizing superconductor |
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| JPH1074623A (ja) | 1998-03-17 |
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