(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
間に多数のスロットを形成する多数のティース部を有するラディアルプレートと、上記ラディアルプレートの上記スロット内に収納されて所定間隔に支持された多数の巻線導体とを各々備えたトロイダル巻線を備え、
運転時に上記巻線導体に作用する電磁力に起因する応力が上記ラディアルプレート内でほぼ均等に分布されるように、上記トロイダル巻線の上記巻線導体の形状およびピッチの少なくともいずれか一方を上記トロイダル巻線内の位置に応じて変化させることで、上記巻線導体間の間隔を上記トロイダル巻線内の位置に応じて変化させたことを特徴とするトロイダル磁場コイル。
【請求項２】
上記巻線導体の形状が、上記トロイダル巻線の外周側で所定の直径の真円形であり、上記トロイダル巻線の内周側で上記ラディアルプレートの幅方向に上記所定の直径よりも小さい短径の楕円形であり、
上記ラディアルプレートの幅方向についての上記巻線導体の間の間隔が、上記トロイダル巻線の外周側で所定の間隔であり、上記トロイダル巻線の内周側で上記所定の間隔よりも大きな間隔であることを特徴とする請求項１に記載のトロイダル磁場コイル。
【請求項３】
上記巻線導体の形状が、上記トロイダル巻線の内周側で所定の直径の真円形であり、上記トロイダル巻線の外周側で上記ラディアルプレートの幅方向に上記所定の直径よりも大きい長径の楕円形であり、
上記ラディアルプレートの幅方向についての上記巻線導体の間の間隔が、上記トロイダル巻線の内周側で所定の間隔であり、上記トロイダル巻線の外周側で上記所定の間隔よりも小さな間隔であることを特徴とする請求項１に記載のトロイダル磁場コイル。
【請求項４】
上記巻線導体の形状が、上記トロイダル巻線の外周側および内周側で所定の直径の真円形であり、
上記ラディアルプレートの長さ方向についての上記巻線導体の間の間隔が、上記トロイダル巻線の外周側で所定の間隔であり、上記トロイダル巻線の内周側で上記所定の間隔よりも大きな間隔であることを特徴とする請求項１に記載のトロイダル磁場コイル。
【請求項５】
上記巻線導体の形状が、上記トロイダル巻線の内周側で所定の直径の真円形であり、上記トロイダル巻線の外周側で上記ラディアルプレートの幅方向に上記所定の直径よりも大きな長径の楕円形であり、
上記ラディアルプレートの幅方向についての上記巻線導体の間の間隔が、上記トロイダル巻線の内周側で所定の間隔であり、上記トロイダル巻線の外周側で上記所定の間隔よりも小さな間隔であり、
上記ラディアルプレートの長さ方向についての上記巻線導体の間の間隔が、上記トロイダル巻線の外周側で所定の間隔であり、上記トロイダル巻線の内周側で上記所定の間隔よりも大きな間隔であることを特徴とする請求項１に記載のトロイダル磁場コイル。
【請求項６】
上記巻線導体の形状が、上記トロイダル巻線の外周側で所定の直径の真円形であり、上記トロイダル巻線の内周側で上記ラディアルプレートの長さ方向に上記所定の直径よりも大きな長径の楕円形であり、
上記ラディアルプレートの幅方向についての上記巻線導体の間の間隔が、上記トロイダル巻線の内周側で所定の間隔であり、上記トロイダル巻線の外周側で上記所定の間隔よりも小さな間隔であり、
上記ラディアルプレートの長さ方向についての上記巻線導体の間の間隔が、上記トロイダル巻線の外周側で所定の間隔であり、上記トロイダル巻線の内周側で上記所定の間隔よりも大きな間隔であることを特徴とする請求項１に記載のトロイダル磁場コイル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はトロイダル磁場コイルに関し、特に核融合装置に用いるトロイダル磁場コイルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６および図７に断面で示す従来のトロイダル磁場コイルの巻線断面構造に於いて、図中の１はトロイダル巻線、２はコイルケース、３はバッキングシリンダーである。図８および図９にはトロイダル巻線１の詳細拡大図を示す。図中の４は巻線導体、５はラディアルプレート、６はラディアルプレートＹ方向薄肉部、７はラディアルプレートのＸ方向薄肉部である。
【０００３】
このようなトロイダル磁場コイルに電流を流すと、トロイダル巻線１に電磁力（向心力および上下力）が作用する。コイルケース２およびラディアルプレート６は、このような電磁力を伝達支持する。図６に示すようなバッキングシリンダー支持方式の場合には、向心力は図１０の矢印で示すように伝達支持される。また、ウエッジ支持方式の場合には向心力は図１１の矢印で示すように伝達支持される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のトロイダル巻線は、上述のように同一形状および寸法の導体が図８に示すＸ方向およびＹ方向に等間隔に配置されているため、運転時の電磁力による向心力によりラディアルプレート５に発生する応力は、図９の矢印Ａで表すトロイダル磁場コイルの内周側で高く、矢印Ｂで示す側即ちトロイダル磁場コイルの外周側で低くなる。つまり、外周側（Ｂ側）のラディアルプレート５が電磁力支持構造物としては不必要に過大であり寸法の点で問題であった。図９に於いて、Ｌはラディアルプレート５のＸ方向寸法即ち長さ、Ｗはラディアルプレート５のＹ方向寸法即ち幅、Ｄは巻線導体４の直径、ｄＬは巻線導体間の間隔である。図１０に示すようなバッキングシリンダー支持方式の場合、ラディアルプレート５のＹ方向薄肉部の応力は、内周側（Ａ側）で高く外周側（Ｂ側）で低くなる。また、図１１に示すようなウエッジ支持方式の場合、ラディアルプレート薄肉部（Ｘ方向、Ｙ方向）の応力は、図９のＡ側で高く、Ｂ側で低くなる。
【０００５】
従って、この発明の課題は上述のような従来のトロイダル磁場コイルの問題点を解消することであり、またラディアルプレートに作用する応力を均一にし、巻線のサイズを小型化できるトロイダル磁場コイルを得ることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、上述の課題を解決するための手段は次の通りである。
（１）間に多数のスロットを形成する多数のティース部を有するラディアルプレートと、上記スロット内に収納されて所定間隔で支持された多数の巻線導体とを各々備えたトロイダル巻線を備え、運転時に上記巻線導体に作用する電磁力に起因する応力が上記ラディアルプレート内でほぼ均等に分布されるように、上記トロイダル巻線の上記巻線導体形状及び間隔を上記トロイダル巻線内の位置に応じて変化させたことを特徴とするトロイダル磁場コイル。
【０００７】
（２）上記ラディアルプレートは、間に多数のスロットを形成する多数のティース部を有し、上記巻線導体を上記スロット内に収納して所定間隔で支持することができる。
【０００８】
（３）上記巻線導体間の間隔は、上記巻線導体間の上記ラディアルプレートの幅寸法により規定することもできる。
【０００９】
（４）上記巻線導体間の間隔は、上記巻線導体の断面形状および導体中心の距離により規定することもできる。
【００１０】
（５）上記巻線導体の間隔は、上記巻線導体の断面形状あるいはラディアルプレートの幅寸法により規定することもできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本発明のトロイダル磁場コイルの概略は、図６乃至図９に示すものと同じであり、トロイダル巻線１の構造、特にラディアルプレートに支持された巻線導体形状及び配置関係が異なるだけである。即ち、トロイダル磁場コイルは、トロイダル巻線１がドーナツ状に配置されて、大周方向の内径部で互いに近接して配置されている。各トロイダル巻線１は、図１に示す如くトロイダル巻線１の方向に平行に延びた多数の巻線導体１１および１２と、これら巻線導体１１および１２を互いに所定間隔を持つように支持するラディアルプレート１３とを備えている。ラディアルプレート１３は、ほぼ矩形の板状部材であり、トロイダル巻線１の位置によって図８に示すような形状にされていてトロイダル巻線１の断面形状を形成している。
【００１２】
図８に示すトロイダル巻線１の場合、５枚の同じ形の矩形のラディアルプレート１３と同様のラディアルプレートが並置されて矩形を構成し、その矩形の両端に一辺が傾斜したほぼ台形のラディアルプレートが設けられ、全体としてほぼ台形に近い断面形状となっている。ラディアルプレート１３には、図１に示すように、それぞれ一本の巻線導体１１および１２を収納して支持するほぼＵ字形の多数のスロット１４が形成されていて、スロット１４の間の残された部分はティース部１５とされ、収納された巻線導体１１および１２の上には充填板１６が挿入されて固着され、巻線導体１１を拘束してスロット１４から離脱しないようにしている。
【００１３】
本発明のトロイダル磁場コイルに於いては、ラディアルプレート１３の形状および巻線導体１１および１２の断面形状の少なくとも一方をトロイダル巻線１内の位置に応じて様々に変化させることによって、巻線導体１１および１２間の間隔をトロイダル巻線１内の位置に応じて変化させ、もって運転時に巻線導体１１および１２に作用する電磁力に起因するラディアルプレート１３内の応力がラディアルプレート１３内でほぼ均等に分布されるようにしてある。
【００１４】
図１に於いて、Ｌ１はラディアルプレートのＸ方向寸法即ち長さ、Ｗ１はラディアルプレートのＹ方向寸法即ち幅、Ｄは巻線導体の直径、Ｄ１は楕円形断面の巻線導体の短径、ｄＬは巻線導体間のＸ方向の間隔である。図１に示す実施形態に於いては、ラディアルプレート１３の約半分に当たる矢印Ａで示すトロイダル巻線１の内周側、即ち巻線導体１１、１２およびラディアルプレート１３に作用する電磁力の大きな部分に於いて、巻線導体１２の断面形がＸ方向に長い楕円形であり、矢印Ｂで示す小電磁力側即ち外周側では巻線導体１１の断面形が真円形である。Ｘ方向の巻線導体間間隔ｄＬはラディアルプレート１３全体に亘って等しく、Ｙ方向の巻線導体間間隔は内周側の巻線導体間間隔ｄＷが外周側の巻線導体間間隔ｄＷ１よりも大きい。
【００１５】
このような構成により、巻線導体に流れる大電流による大きな電磁力が作用するトロイダル巻線１の内周側に於いては、大きな電磁力がラディアルプレート１３の面積の広い部分によって受け持たれるので、応力の集中が起こらず、ラディアルプレート全体に亘ってほぼ均等に分布される。換言すれば、応力の小さい外周側でラディアルプレートの応力受持部の寸法ｄＷ１を小さくすることができ、トロイダル巻線全体の断面寸法を小さくすることができる。図１の実施形態の場合、ラディアルプレートの幅Ｗ１を小さくすることができる。
【００１６】
実施の形態２．
図２に示す実施形態に於いては、ラディアルプレート１３の内周側に於いて、巻線導体１１の断面形が真円形であり、外周側では巻線導体１２の断面形がＹ方向に長い楕円形である。Ｘ方向の巻線導体間間隔ｄＬはラディアルプレート１３全体に等しく、Ｙ方向の巻線導体間間隔は外周側で小さく（ｄＷ２）内周側で大きい（ｄＷ１）。
【００１７】
このような構成により、巻線導体に流れる大電流による大きな電磁力が作用するトロイダル巻線の内周側に於いては、大きな電磁力がラディアルプレートの面積の広い部分によって受け持たれるので、応力の集中が起こらず、ラディアルプレート全体に亘ってほぼ均等に分布される。従って、応力の小さい外周側でラディアルプレートの応力受持部の寸法を小さくすることができ、トロイダル巻線全体の断面寸法を小さくすることができる。図２の実施形態の場合、ラディアルプレート１３の長さＬ２を小さくすることができる。
【００１８】
実施の形態３．
図３に示す実施形態に於いては、ラディアルプレート１３の全体に亘って巻線導体１１の断面形が同じ大きさの円形であり、Ｙ方向の巻線導体間間隔ｄＷ１およびｄＷ３が等しい。大電磁力側である内周側に於いては、Ｘ方向の巻線導体間の間隔ｄＬ２が巻線導体間間隔ｄＬ１よりも大きくなっている。換言すれば巻線導体１１のピッチが内周側で相対的に大きい。
【００１９】
このような構成により、巻線導体に流れる大電流による大きな電磁力が作用するトロイダル巻線の内径側に於いては、大きな電磁力がラディアルプレートの面積の相対的に広い部分によって受け持たれるので、応力の集中が起こらず、ラディアルプレート全体に亘ってほぼ均等に分布される。従って、応力の小さい外周側でラディアルプレートの応力受持部の寸法を小さくすることができ、トロイダル巻線全体の断面寸法を小さくすることができる。図３の実施形態の場合、ラディアルプレート１３の長さＬ３を小さくすることができる。
【００２０】
実施の形態４．
図４に示す実施形態に於いては、ラディアルプレート１３の内周側に於いて、巻線導体１１の断面形が真円形であり、外周側では巻線導体１２の断面形がＹ方向に長い楕円形である。Ｘ方向の巻線導体間間隔はラディアルプレートの内周側（ｄＬ４）で外周側（ｄＬ３）よりも大きく、Ｙ方向の巻線導体間間隔は内周側（ｄＷ１）で大きく外周側（ｄＷ４）で小さい。
【００２１】
このような構成により、巻線導体１１および１２に流れる大電流による大きな電磁力が作用するトロイダル巻線の内周側に於いては、大きな電磁力がラディアルプレート１３の面積の広い部分によって受け持たれるので、応力の集中が起こらず、ラディアルプレート１３全体に亘ってほぼ均等に分布される。従って、応力の小さい外周側でラディアルプレートの応力受持部の寸法を小さくすることができ、トロイダル巻線全体の断面寸法を小さくすることができる。図４の実施形態の場合、ラディアルプレート１３の長さＬ４を小さくすることができる。
【００２２】
実施の形態５．
図５に示す実施形態に於いては、ラディアルプレート１３の約半分に当たるトロイダル巻線の内周側に於いては巻線導体１２の断面形がＸ方向に長い楕円形であり、外周側では巻線導体１１の断面形が真円形である。Ｘ方向の巻線導体間間隔はラディアルプレートの内周側（ｄＷ）で外周側（ｄＷ５）よりも大きく、Ｙ方向の巻線導体間間隔は内周側（ｄＬ６）で外周側（ｄＬ５）よりも大きくされている。
【００２３】
このような構成により、巻線導体１１および１２に流れる大電流による大きな電磁力が作用するトロイダル巻線の内周側に於いては、大きな電磁力がラディアルプレート１３の面積の広い部分によって受け持たれるので、応力の集中が起こらず、ラディアルプレート１３全体に亘ってほぼ均等に分布される。従って、応力の小さい外周側でラディアルプレート１３の応力受持部の寸法を小さくすることができ、トロイダル巻線全体の断面寸法を小さくすることができる。図５の実施形態の場合、ラディアルプレート１３の幅Ｗ５および長さＬ５を小さくすることができる。
【００２４】
これまで説明してきた実施形態はいずれも巻線導体の断面形が円形と楕円形のものであるが、本発明は矩形断面等の他の様々な断面形の巻線導体を様々に組み合わせて用いる場合にも同様に適用できる。
【００２５】
【発明の効果】
以上の如く本発明のトロイダル磁場コイルによる効果は次の通りである。
（１）間に多数のスロットを形成する多数のティース部を有するラディアルプレートと、上記スロット内に収納されて所定間隔で支持された多数の巻線導体とを各々備えたトロイダル巻線を備え、運転時に上記巻線導体に作用する電磁力に起因する応力が上記ラディアルプレート内でほぼ均等に分布されるように、上記トロイダル巻線の上記巻線導体形状及び間隔を上記トロイダル巻線内の位置に応じて変化させたことを特徴とするトロイダル磁場コイルであるので、ラディアルプレートに係る応力を均一にし、巻線のサイズを小型化できるトロイダル磁場コイルを得ることができる。
【００２６】
（２）上記ラディアルプレートは、間に多数のスロットを形成する多数のティース部を有し、上記巻線導体を上記スロット内に収納し所定間隔で支持することができるので、トロイダル磁場コイルの巻線導体の構成を変えることなく、ラディアルプレートに係る応力を均一にし、巻線のサイズを小型化できる。
【００２７】
（３）上記巻線導体間の間隔は、上記巻線導体間の上記ラディアルプレートの幅寸法により規定することもできるので、トロイダル磁場コイルの巻線導体の構成を変えることなく、ラディアルプレートに係る応力を均一にし、巻線のサイズを小型化できる。
【００２８】
（４）上記巻線導体間の間隔は、上記巻線導体の断面形状および導体中心の距離により規定することもできるので、トロイダル磁場コイルの構造を格別複雑にせずに、ラディアルプレートに係る応力を均一にし、巻線のサイズを小型化できる。
【００２９】
（５）上記巻線導体の間隔は、上記巻線導体の断面形状あるいはラディアルプレートの幅寸法により規定することもできるので、トロイダル磁場コイルの構造を格別複雑にせずに、ラディアルプレートに係る応力を均一にし、巻線のサイズを小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のトロイダル磁場コイルの一実施形態のラディアルプレートに支持された巻線導体を示す概略断面図である。
【図２】  本発明のトロイダル磁場コイルの他の実施形態のラディアルプレートに支持された巻線導体を示す概略断面図である。
【図３】  本発明のトロイダル磁場コイルの更に他の実施形態のラディアルプレートに支持された巻線導体を示す概略断面図である。
【図４】  本発明のトロイダル磁場コイルのなお他の実施形態のラディアルプレートに支持された巻線導体を示す概略断面図である。
【図５】  本発明のトロイダル磁場コイルの別の実施形態のラディアルプレートに支持された巻線導体を示す概略断面図である。
【図６】  一般的なトロイダル磁場コイルのバッキング支持方式のトロイダル巻線を示す概略断面図である。
【図７】  一般的なトロイダル磁場コイルのウエッジ支持方式のトロイダル巻線を示す概略断面図である。
【図８】  従来のトロイダル磁場コイルのトロイダル巻線の詳細を示す概略断面図である。
【図９】  図８のトロイダル巻線のラディアルプレートとそこに支持された巻線導体とを示す概略断面図である。
【図１０】  図６のトロイダル巻線に於ける電磁力を示す概略図である。
【図１１】  図７のトロイダル巻線に於ける電磁力を示す概略図である。
【符号の説明】
１  トロイダル巻線、１１、１２  巻線導体、１３  ラディアルプレート、１４  スロット、１５  ティース部、Ｌ１  ラディアルプレートの長さ、Ｗ１  ラディアルプレートの幅、Ｄ  巻線導体の直径、Ｄ１  巻線導体の短径、ｄＬ  巻線導体間のＸ方向間隔、ｄＷ  内周側の巻線導体間間隔、ｄＷ１  外周側の巻線導体間間隔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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