JPS58142508A

JPS58142508A - 高速回転円板型強磁場発生装置

Info

Publication number: JPS58142508A
Application number: JP57025517A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Bessho; 一夫別所
Original assignee: KANAZAWA DAIGAKU
Current assignee: KANAZAWA DAIGAKU
Priority date: 1982-02-19
Filing date: 1982-02-19
Publication date: 1983-08-24
Also published as: JPH0159725B2

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】本発明は、強磁場を発生させるための装置に関する。

近年、物質の特性を調べるために、超高温や超低温ある
いは超高圧や超真空のほが超強磁場のような極限条件の
もとでの、いわゆる物性科学の研究が盛んに行なわれ、
更にこのような極限状態をつくり出す手段にも各種の提
案がなされている。

／′ ところで、従来ｐ強磁場発生手段としては、次のような
ものがある、すなわち瞬間的に強磁場を発生させるクネ
ール法や爆縮法があり、更には比較的時間の長いパルス
状の強磁場を発生させる多重層コイル方式（大阪大学方
式）やＭＩＴ方式（マサチューセッツ工科大学方式）が
あり、また連続的に強磁場を発生させる一伝導コイル方
式がある。

クネール法は、第１図に示すように充電したコンデンサ
バンクＣ１により、スイッチＳＷ１をＷｉじて、単巻き
コイルＬ１に大電流（約１００万アンペア）を流し、そ
の電磁力により内部のライナー（アルミ管）ａを圧縮し
て、その結果、ライナーａ内部の磁束を濃縮して瞬間的
に強磁場を得る方法で壱り、この方法では約１ｏ。

百分の１秒の間だけ約２８０７（テスラ）の強磁場を発
生させることができる。

また爆縮法は、第２図に示すようにコンデンサバンクＣ
２により、スイッチＳＷ２を閉じて、コイルＬ２に電流
を流し磁束を発生させ、次に火薬すを爆発させて磁束を
濃縮し、瞬間的に強磁場を得る方法で、この方法では約
１００万分の１秒の間だけ約３００７の強磁場を発生さ
せることができる。

さらに、多重層コイル方式（大阪大学方式）は、各層ご
とに独自な形状９寸法のコイルを用いて、各層に作用す
る電磁力を均一化し、その結果、数１０万アンペアの電
流により非破壊型で、比較的時間の長いパルス状強磁場
を得ることがで終るようにしたもので、この方式では、
パルス幅１００μｓ（マイクロ秒）で最大値１００Ｔの
強磁場を得ることができる。

また、ＭＩＴ方式は、特別な形状のコイルを用いて、パ
ルス幅１００μＳで最大値４０Ｔの強磁場を得ることが
できるようにしたものである。なお普通の鉄心入り電磁
石でも連続磁場が得られるが、その最大値は数Ｔ程度で
ある。

さらに超伝導コイル方式は、超伝導コイルに電流を流し
、連続した一定の強磁場を得る方法であり現在、１５Ｔ
程度の強磁場を得ているが、理論的には１７．２７が上
限である。

ここで、上記の各方式によって得られた強磁場を比較し
たグラフを第３図に示すが、この第３図において符号Ａ
はクネール法により得られる特性、Ｂは爆縮法により得
られる特性、Ｃは多重層コイル方式により得られる特性
、ＤはＭＩＴ方式により得られる特性、Ｅは超伝導コイ
ル方式により得られる特性を示している。

しかしながら、従来の手段では次のような各種の問題点
がある。すなわちクネール法や爆縮法では、最高値はか
なり高いが、その持続時間が極めで短く、更にコイルや
試料が強磁場をかけるたびに破壊されるという問題点が
ある。

また、多重層コイル方式やＭＩＴ方式では、パルス幅が
比較的長く、非破壊型であるなど種々の特長を有してい
るが、研究課題によってはその持続時間が短く、また一
定の強磁場を得ることができないという問題点がある。

さらに、超伝導コイル方式では、連続した一定の強磁場
を得ることはできるが、大規模な設備を要するわりには
、１７７以上の強磁場を得ることができないという問題
点がある。

本発明は、これらの問題点を解決しようとするもの＼で、高速回転円板の有する運動エネルギーを電磁エネル
ギーに変換し、これまで実現が困難であった２０〜３０
Ｔの一定強磁場を数秒以上持続させて発生で終るように
した高速回転円板型強磁場発生装置を提供することを目
的とする。

このため、本発明の高速回転円板型強磁場発生装置は、
同一平面上で第１スリツトを形成すべく周縁部を近接し
で配設された２枚の金属製回転円板から成る第１回転円
板対と、上記平面とレベルの異なる他の平面における同
一レベル上で上記第１スリツトと直交する方向の第２ス
リツトを形成すべく周縁部を近接して配設された２枚の
金属製回転円板から成る第２回転円板対とをそなえると
ともに、上記第１および第２スリツトにより上記回転円
板の軸方向に対して形成される小ホールを磁極間に介在
させるように配設された磁石をそなえ、上記磁石による
磁場を上記小ホール中においで収束して強磁場を発生さ
せるべく、上記第１および第２回転円板対における各回
転円板を高速回転駆動しうる駆動装置が設けられたこと
を特徴としている。

以下、図面により本発明の一実施例としての高速回転円
板型強磁場発生装置についで説明すると、第４図はその
第１および第２回転円板対の配置状態を説明するための
模式図、第５図はその全体の概略構成を＃２回転円板対
を省略して示す説明図、第６図はその磁極部分を第２回
転円板対を省略して示す拡大図、第７図はその磁極部の
一部を更に詳細に示す拡大図、第８図はその作用を説明
するための模式図、第９，１０図はそれぞれその作用を
説明するためのグラフ、＃１１図はその原理を説明する
ための模式図、第１２図はその作用を説明するために磁
極部分を拡大して示す模式図、第１３図（ａ）〜（ｃ）
はそれぞれその作用を説明するためのグラフである。

第４図に示すように、第１スリツ）８１を形成すべく２
枚の金属製回転円板１．２が、同一平面上において、各
周縁部１ａ、２ｍを近接せしめられるようにして配設さ
れており、これらの回転円板１．２で第１回転円板対５
が構成される。

また、第１スリツ）Ｓｌと直交する方向の＃２入りッ）
８２を形成すべく、２枚の金属製回転円板３，４が、上
記第１回（円板対配設平面に近接した下方平面上におい
で、各周縁部３ａ、４ａを近接せしめられるようにして
配設されており、これらの回転円板３，４で第２回転円
板対６が構成される。

これにより第１および第２回転円板対５，６が相互に直
交し且つ近接して設けられていることになり、その結果
路１および第２スリツ）Ｓｌ、Ｓ２により、回転円板１
〜４の軸方向に対して小ホールＨが形成される。

なお、回転円板２の周縁部２ａは、第７図に示すごとく
、良導電材としての鋼材で構成されているが、他の回転
円板１，３．４の周縁部１ａ、３ａ、４ａについても同
様である。

また、回転円板１〜４の他の部分は十分な機械的強度を
有する鉄材で構成されている。

ところで、第５．６図に示すごとく、小ホールＨを磁極
Ｎ、Ｓのギャップ間に介在させるように、直流電磁石７
が設けられている。

なお、この電磁石７の成層鉄心（磁心）７ａには、コイ
ル７ｂが巻回されており、このコイル７ｂにはスイッチ
ＳＷを介して直流電源Ｅが接続されている。

さらに、磁極Ｎ、Ｓは、その対向面が球状凹面形状を有
しでおり、また磁極Ｎ側に試料挿入穴８が形成されてい
る。

また第１および第２回転円板対５．６の各回転円板１〜
４を高速回転駆動しうる駆動装置１９が設けられており
、この駆動装置９としでは、例えば誘導電動機が使用さ
れる。

なお、駆動装置９による回転円板１〜４の回転方向は第
４〜６図に示すとおりである。

上述の構成により、回転円板１〜４を高速回転させると
、電磁石７の鉄心７ａ中に生じた磁束φを、第６図に示
すように、磁極Ｎ。Ｓ闇では小ホールＨ中へ収束して、
この小ホールＨ中に強磁場を発生させることができるが
、その原理についで、以下説明する。

今、説明を簡単にするために、１枚の金属製回転円板（
この円板に代表して符号１を付ける。）による作用につ
き説明する。

さて、第１１図に示すように、相対する半円弧状の極面
をもった電磁石７の磁極Ｎ。Ｓ間に、高速回転中の円板
１があるとして、この状態でスイッチＳＷを投入すると
、直流電源Ｅから直流電流ｉが流れて電磁石７が励磁さ
れ、磁極Ｎ。Ｓ開に磁束φが生じ、その結果回転中の円
板１には、うず電流が流れて制動力が生じる。

しかし、この場合、磁極Ｎ、Ｓ間にある円板１の周辺速
度ｖ（ｍ／ｓ）が十分に高速であると、円板１中のうず
電流により生じた磁束が、磁極Ｎ。Ｓ間の磁束φと方向
が反対で大きさが等しくなり、そのため磁極Ｎ。

８間の磁束は直進して円板１を貫くことができなくなっ
て、第１２図に示すごとく、曲進して円板１の縁の外側
を通ることになる。

そして、そのような状態は円板１の周辺速度ｖ（ｍ／ｓ
）が十分に高い間続き、制動力により速度が低くなると
、磁束は直進して円板１を貫き、以後は単に制動力とし
て作用する。すなわち、円板１が高速回転し、大きな慣
性モーメントを持っていると、かなりの時間、磁極Ｎ。

Ｓ間の磁束は曲進し、円板１の縁の外側を通る状態が続
くことになる。

なお、磁極Ｎ、Ｓにおける各寸法１１１ｎ（第８図参照
）を適宜変えると、円板１の周辺速度ｖ（、／Ｓ）に対
する通過磁束量および制動力はそれぞれ第９，１０図に
示すよう１こなる。これらのグラフか呟通過磁束量は寸
法ｎが小さい程、小さい速度で磁束を曲進させることが
できることがわかり、制動力は、寸法ｍｆＪｔ大きいと
、比較的小さな速度で制動力にピークが生じ、このピー
クよりも大軽い速度で円板１を回せば、小さい制動力に
することが可能であることを示唆している。

したがって、磁極Ｎ、Ｓの寸法−，ｎを適宜の−に設定
すれば、小さな制動力の範囲でしかも磁束を曲げうろこ
とを示唆しているのである。

以上の動作は磁極Ｎ。Ｓ間に、４枚の高速回転円板１〜
４によって小ホールＨを構成した場合にも変わらず、そ
の結果、第６図に示すように鉄心７ａ中では一様に分布
している磁束φが、磁極Ｎ、Ｓ間では小水−を発生する
結果になるのである。

第１３図は本装置による強磁場発生の経過を示したグラ
フであり、同図（ａ）はスイッ千人後投人後の電流ｉと
鉄心７ａ中の磁束φの変化を示し、同図（ｂ）はうず電
流の制動作用による円板の回転速度の減衰状態を示す。

この第１３図（ｂ）中のｖｏ、１　は磁束を小ホールＨ
中に収束するために必要な最低速度であり、円板の周辺
速度がｖ、ｌ、ｌ　　より低くなると磁束は円板中を直
進し、磁束の収束力が急速に低下するのである。第１３
図（ｃ）は小ホールＨ中に収束された磁束の密度特性で
あり、このグラフからスイッチ投入後、電流が増加して
鉄心７ａが飽和する時刻１．から、円板の回転速度がν
や、７より低くなる時刻ｔ、までの開、小ホールＨ中の
強磁場がほぼ一定値に保たれることがわかる。

なお、実験装置用の各部材の寸法は第７図に示すように
設定された。すなわち、円板の直径は７００ａｌＩ１１
であり、円板の銅製周縁部はその板厚が２０ｍｍ＝幅１
５０ｍｍである。

また磁極Ｎ、Ｓの断面は５０Ｘ５０（ａ＋ｍ２）で、球
状磁極面の内径は５０１ｍＩＩｌである。

さらに、磁極と円板との最小距離は１０關である。

また、円板回転速度は３８０Ｑｒｐｍ（周辺速度は１３
２＋ａ／ｓ）であって、回転部分の重量は約４５０ｋｇ
である。

さらに、本発明によって得られる強磁場特性Ｆを、従来
の各種の手段によって得られる強磁場特性Ａ−Ｅと比較
するために示すと、第３図のようになる。

なお、回転円板対は上下に亘って３組以上設けてもよく
、例えば４組の回転円板対の設ける場合は、第１および
第３回転円板対を同位相にしで設け、＃２および第４回
転円板対を同位相にして設けると、第１および第３回転
円板対の円板回転軸を共通化できるとともに、第２およ
び第４回転円板対の円板回転軸を共通化できる。

また、回転円板の周縁部に良導電材を用いる代わりに、
車通磁率をもつ部材を用いてもよい。

さらに、うず電流の発生により円板が高温になるおそれ
がある場合は、適宜の冷却手段が使用される。

以上詳述したように、本発明の高速回転円板型強磁場発
生装置によれば、次のような効果ないし利点が得られる
。

（１）　　高速回転円板のもっている運動エネルギーを
電磁エネルギーに変換するだけですむため、従来手段の
ごとく大規模な電源設備は不要であり、例えば数秒間２
０〜３０Ｔ程度の連続強磁場を得るために、数百アンペ
ア程度の電流で十分である。

（２）　　比較的長時間（数秒以上）一定の強磁場を保
つことができるため、瞬間的パルス状強磁場による物理
的研究のみならず、工学的研究も可能であり、例えば強
磁場中における溶解中の固体の再結晶や弱磁性体金属間
の摩擦現象等についての研究も可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１，２図はそれぞれ従来の強磁場発生手段を説明する
ための模式図、第３図は各種方式によＩ）１４）られる
強磁場特性を比較しで示すグラフであり、第４〜１３図
は本発明の一実施例としての高速回転円板型強磁場発生
装置を示すもので、第４図はその第１および第２回転円
板対の配置状態を説明するための模式図、第５図はその
全体の概略構成を第２回転円板対を省略して示す説明図
、第６図はその磁極部分を第２回転円板対を省略して示
す拡大図、第７図はその磁極部の一部を更に詳細に示す
拡大図、第８図はその作用を説明するための模式図、第
９，１０図はそれぞれその作用を説明するためのグラフ
、＃１１図はその原理を説明するための模式図、第１２
図はその作用を説明するために磁極部分を拡大しで示す
模式図、第１３図（ａ）〜（ｃ）はそれぞれその作用を
説明するためのグラフである。１〜４・・回転円板、ｌａ、２ａ＝３ｍ、４ａ・・回転
円板の周縁部、５・・第１回転円板対、６・・第２回転
円板対、７・・電磁石、７ａ・・鉄心、７ｂ・・コイル
、８・・試料挿入穴、９・・駆動装置、Ｅ・・直流電源
、Ｈ・・小ホール、Ｎ、Ｓ・・磁極、Ｓｌ・・第１スリ
ツト、Ｓ２・・第２スリツト、ＳＷ・・スイッチ。代理人　弁理士　　飯　沼　義　彦第１図第２　図第３　図時間ｔ（一体）→ 第４図第５図 − 第６図第７図第９図第１０図連１”　Ｖ　（ｍｚｓ）−Ｓ第１１図 ′ｉｐ、１２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　　同一平面上で第１スリツトを形成すべく周縁
部を近接して配設された２枚の金属製回転円板から成る
第１回転円板対と、上記平面とレベルの異なる他の平面
における同一レベル上で上記第１スリツトと直交する方
向の第２スリツトを形成すべく周縁部を近接して配設さ
れた２枚の金属製回転円板から成る第２回転円板対とを
そなえるとともに、上記＃！１および第２スリツトによ
り上記回転円板の軸方向に対して形成される小ホールを
磁極間に介在させるように配設された磁石をそなえ、上
記磁石による磁場を上記小ホール中において収束して強
磁場を発生させるべく、上記第１および第２回転円板対
における各回転円板を高速回転駆動しうる駆動装置が設
けられたことを特徴とする、高速回転円板型強磁場発生
装置。
（２）　　上記第１および第２回転円板対における各回
転円板の周縁部が良導電材で構成された特許請求の範囲
第１項に記載の高速回転円板型強磁場発生装置。
（３）　　上記第１および第２回転円板対が近接して設
けられた特許請求の範囲第１項に記載の高速回転円板型
強磁場発生装置。
（４）　　上記磁石の磁極面が　曲凹面を有している特
許請求の範囲第１項に記載の高速回転円板型強磁場発生
装置。
（５）　　上記磁石が電磁石として構成された特許請求
の範囲第１項または第４項に記載の高速回転円板型強磁
場発生装置。