(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の素線を撚り合わせたほぼ円形の断面を有する主ストランド線の周囲に、その主ストランド線の素線よりも半径の小さい素線から成るストランド線を重ねて配置し、この線材を複数回磁極に巻回して励磁コイルとしたことを特徴とする交流電磁石。
【請求項２】
多数の素線を撚り合わせた前記主ストランド線の撚りピッチを、その主ストランド線の断面の辺の長さの６倍以上１０倍以下にし、この主ストランド線を複数回磁極に巻回して励磁コイルとしたことを特徴とする請求項１記載の交流電磁石。
【請求項３】
アルミニウム素線と銅素線とを撚り合わせて前記主ストランド線とし、この主ストランド線を複数回磁極に巻回して励磁コイルとしたことを特徴とする請求項１記載の交流電磁石。
【請求項４】
前記主ストランド線間の電気絶縁を行う線間絶縁物、および主ストランド線を巻回した励磁コイルの大地に対する電気絶縁を行う対地絶縁物の少なくともいずれかを、無機質絶縁材料によって構成したことを特徴とする請求項１記載の交流電磁石。
【請求項５】
磁極のコイル巻回用先端部を切り欠き、この切り欠きにより生じた空間で前記磁極とこれに巻回した前記主ストランド線から成る励磁コイルとを離間させたことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の交流電磁石。
【請求項６】
磁極に巻回される前記主ストランド線のうち、磁極先端部に位置する主ストランド線は、その磁極から離間させて形成した励磁コイルを有することを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の交流電磁石。
【請求項７】
磁極のコイル巻回用先端部を切り欠き、この切り欠きにより生じた空間で前記磁極とこれに巻回した前記主ストランド線から成る励磁コイルとを離間させる一方、前記磁極に巻回される主ストランド線のうち、磁極先端部に位置する主ストランド線も、その磁極から離間させて形成した励磁コイルとすることを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の交流電磁石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子、陽子、イオンなどのビームを加速する加速器の分野において、加速粒子を偏向させるための交流電磁石に係り、特に導体を巻回した励磁コイルの交流磁場による渦電流損失の低減、製作容易化等を図った交流電磁石に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子、陽子、イオンなどのビームを数十億電子ボルト（数ＧｅＶ）程度の高エネルギ状態まで加速するため、円形や楕円形の加速器が使用されている。この加速器の構成は加速粒子が異なっても原理的には同じであるから、以下、電子用円形加速器を例にとって説明する。
【０００３】
図７は、円形加速器１の概略構成を示す平面図である。この円形加速器は、電子を生成して低エネルギ（例えば数億電子ボルト（数百ＭｅＶ））状態まで加速する線型加速器１００と、超高真空に保持された円形の真空ダクト１０１と、線型加速器１００により加速された電子ビームを真空ダクト１０１まで導く輸送管１００ａとを備えている。
【０００４】
真空ダクト１０１には、通過する電子ビームを偏向させて図７の時計方向に沿う周回軌道を形成させるため所定方向（図７の紙面表から裏へ向かう方向）の磁場を形成する複数の偏向電磁石１０２と、線型加速器１００から入射された電子ビームを数ＧｅＶ程度まで加速する高周波加速空胴１０３と、電子ビームを収束、発散させる各々複数の四極電磁石１０４ａ，１０４ｂと、電子ビームの収束、発散の収差を補正する複数の六極電磁石１０５ａ，１０５ｂなどを介挿してある。
【０００５】
このうち、各偏向電磁石１０２は図７に示すように、円形加速器の内側に曲率中心を有する扇型（セクタータイプ）とされている。なお、図示しないが平面視からみた形状が矩形のレクタンギュラータイプの偏向電磁石も知られており、その機能は図示のものと同一である。
【０００６】
図８は、図７に示した偏向電磁石１０２を拡大して示すＸ−Ｘ線縦断面図である。この図８に示すように、偏向電磁石１０２は、真空ダクト１０１を挟んだ状態で通過させ、磁気回路を形成する鉄心１１０と、この鉄心１１０のダクト側の磁極１１０ａと、この磁極片１１０ａに巻回された励磁コイル１１１とを有する。
【０００７】
そして、電子ビームは真空ダクト１０１中の所定の位置、例えば図８に示したＣ点の位置を、同図の紙面裏側から表に向かう方向に進み、これにより図中で磁極１１０ａの上側をＮ極、下側をＳ極とする磁場により偏向を受け、図中で左側に曲がりながら進む。
【０００８】
通常、偏向電磁石１０２は数１０Ｈｚで繰り返し運転されるため、交流磁場による渦電流損失が発生する。この渦電力損失を小さく抑えるため、鉄心１１０には通常０．５ｍｍ厚程度の薄い珪素鋼板が用いられる。また、真空ダクト１０１にも、渦電流が流れにくく抵抗率の大きいステンレス製の薄肉ダクトや、ベローズが用いられる。
【０００９】
さらに、励磁コイル１１１にも、渦電流損失を低減するため、多数の細い素線を撚り合わせたストランド線が用いられている。ストランド線の渦電流損失は素線径が小さいほど小さい。すなわち、同一断面積のストランド線では素線数の多い方が渦電流損失は小さくなる。
【００１０】
図９は、図８に示した励磁コイル１１１を拡大して示す断面図である。ストランド線１２０は有機物の線間絶縁物１２１により線間が電気絶縁され、この線間絶縁されたストランド線を複数回巻回した後、エポキシ含浸等により対地絶縁物１２２が取付けられる。
【００１１】
図１０は、図９に示したストランド線１２０をさらに拡大して示す断面図である。ストランド線１２０は、例えば渦電流損失を抑えるためステンレス製とされた冷却管１２５と、この冷却管１２５の周りで撚り合わされたアルミニウム製のストランド素線１２３と、このストランド素線１２３間に含浸されたエポキシなどの充填材１２４と、ストランド線を電気絶縁するための線間絶縁物１２１とから構成される。
【００１２】
アルミニウムは銅に比較して抵抗が大きいため、渦電流損失を減少する目的で、ストランド素線材料に用いられている。また、充填材１２４は、エポキシ含浸等により対地絶縁物１２２を取付けた時、同時に充填されるが、これはストランド素線１２３に発生する通電電流による発熱（ジュール損失）を効率よく冷却管１２５に伝達する役目を果たしている。
【００１３】
なお、偏向電磁石１０２を例にあげて従来技術を説明したが、四極電磁石１０４ａ，１０４ｂおよび六極電磁石１０５ａ，１０５ｂについても、偏向電磁石１０２と同様に、数１０Ｈｚの繰り返しで運転されるため、励磁コイルには偏向電磁石と同一構造のストランド線を用いる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、図１０に示したストランド線１２０は多数のストランド素線１２３から成るため、例えば磁極長手方向端部で９０度に曲げるとばらばらになり易く、またステンレス製冷却管が中心にあるため曲げ難い等、従来の冷却管を有するホロー導体に比較して巻線がし難い。また、コスト的にもホロー導体に比較して高価であり、さらにストランド線の素線本数が多いほど高価となる。
【００１５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、特に渦電流損失を増大させることなく、従来に比較して構成が簡単で製作等も容易に行える各種の交流電磁石を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
請求項１記載の発明では、多数の素線を撚り合わせたほぼ円形の断面を有する主ストランド線の周囲に、その主ストランド線の素線よりも半径の小さい素線から成るストランド線を重ねて配置し、この線材を複数回磁極に巻回して励磁コイルとしたことを特徴とする交流電磁石を提供する。
【００１９】
本発明によれば、励磁コイルにするために円形断面のストランド線を角断面に成形する必要がなく、かつストランド線の占積率を上げることができ、通電電流を大きくすることができる。また、主ストランド線の素線より半径の小さい素線から成るストランド線部分の渦電流損失は小さくなり、全体として渦電流損失が低減できる。
【００２４】
請求項２記載の発明では、多数の素線を撚り合わせた前記主ストランド線の撚りピッチを、その主ストランド線の断面の辺の長さの６倍以上１０倍以下にし、この主ストランド線を複数回磁極に巻回して励磁コイルとしたことを特徴とする請求項１記載の交流電磁石を提供する。
【００２５】
本発明によれば、ストランド線を９０度に曲げた時、素線が撚り戻されて膨れたり、逆に引張られて撚れたりし難くなり、コイルの製作が容易に行えるようになる。
【００２６】
請求項３記載の発明では、アルミニウム素線と銅素線とを撚り合わせて前記主ストランド線とし、この主ストランド線を複数回磁極に巻回して励磁コイルとしたことを特徴とする請求項１記載の交流電磁石を提供する。
【００２７】
本発明によれば、両材質の組み合せにより、ストランド線の抵抗を変化させることができ、渦電流損失とジュール損失との兼ね合いを考えて抵抗値を定めることにより、最適な機能を有するストランド線をもつ励磁コイルが提供できる。
【００２８】
請求項４記載の発明では、前記主ストランド線間の電気絶縁を行う線間絶縁物、および主ストランド線を巻回した励磁コイルの大地に対する電気絶縁を行う対地絶縁物の少なくともいずれかを、無機質絶縁材料によって構成したことを特徴とする請求項１記載の交流電磁石を提供する。
【００２９】
本発明によれば、無機質絶縁材料の適用により、放射線環境下で使用しても電気絶縁特性が劣化しない励磁コイルが得られる。
【００３０】
請求項５記載の発明では、磁極のコイル巻回用先端部を切り欠き、この切り欠きにより生じた空間で前記磁極とこれに巻回した前記主ストランド線から成る励磁コイルとを離間させたことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の交流電磁石を提供する。
【００３１】
本発明によれば、磁極先端を離すことにより、ストランド線への漏洩磁場が小さくなり、渦電流損失の少ない交流電磁石とすることができる。
【００３２】
請求項６記載の発明では、磁極に巻回される前記主ストランド線のうち、磁極先端部に位置する主ストランド線は、その磁極から離間させて形成した励磁コイルを有することを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の交流電磁石を提供する。
【００３３】
本発明によれば、磁極先端部のストランド線を磁極から離間させたことにより、ストランド線への漏洩磁場が小さくなり、渦電流損失の少ない交流電磁石となる。
【００３４】
請求項７記載の発明では、磁極のコイル巻回用先端部を切り欠き、この切り欠きにより生じた空間で前記磁極とこれに巻回した前記主ストランド線から成る励磁コイルとを離間させる一方、前記磁極に巻回される主ストランド線のうち、磁極先端部に位置する主ストランド線も、その磁極から離間させて形成した励磁コイルとすることを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の交流電磁石を提供する。
【００３５】
本発明によれば、磁極先端をストランド線から離間させ、かつ磁極先端部のストランド線を磁極から離間させることにより、ストランド線への漏洩磁場が小さくなり、渦電流損失の少ない交流電磁石となる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、偏向電磁石、四極電磁石、六極電磁石などの交流電磁石の渦電流損失を増大することなく、ストランド線を巻回した励磁コイルをコンパクトな構成にすることができ、しかも製作も容易に行えるようになる。また、ストランド線自体のコスト、および励磁コイルの巻線コスト等も低減できるため、信頼性を損なうことなく、廉価な交流電磁石を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明に係る交流電磁石の実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。なお、以下の実施形態で説明する交流電磁石は図７に示した円形加速器等に適用される偏向電磁石、回極電磁石、六極電磁石等についてのものであり、各図において同一または相当部分には同一符号を付して説明する。
【００３８】
［第１実施形態（図１）］
図１は本発明の第１実施形態による偏向電磁石１０２の側面図である。
【００３９】
本実施形態は、真空ダクト１０１を挟んだ状態で磁極１１０ａが対向する鉄心１１０と、その磁極１１０ａとなる片部に巻回された励磁コイル１１１と、この励磁コイル１１１の長手方向端部での接続を行う渡りブスバー１５０とを有している。
【００４０】
上述した従来技術の場合、ストランド線を巻回した励磁コイル１１１は長手方向端部で９０度に折曲しているが、ストランド線を折曲することは容易でなく、巻線加工が困難であるが、本実施形態のように、渡りブスバー１５０を用いた場合にはストランド線を曲げる必要がなく、巻線が極めて容易に行えるようになる。
【００４１】
また、端部の励磁コイル１１０の張り出しを小さくすることができるため、長手方向のコンパクト化が図れる。なお、ストランド線の冷却管も図示しないがホース等によって接続される。
【００４２】
［第２実施形態（図２）］
図２は、本発明の第２実施形態によるストランド線１２０の断面図である。
【００４３】
このストランド線１２０は、渦電流損失を抑えるためにステンレス製とされた冷却管１２５と、この冷却管１２５の周りに撚り合わされた主たるストランド素線１２３と、この主たるストランド素線１２３よりも細径のストランド素線１２６と、これらのストランド素線１２３，１２６間に含浸されたエポキシなどの充填材１２４と、ストランド線を電気絶縁するための線間絶縁物１２１とによって構成されている。
【００４４】
従来ではストランド素線１２３を撚り合わせて直径の大きな円断面のストランド線とし、これを成形して角型にしているが、本実施形態ではストランド素線１２６をストランド素線１２３に重ね合せることにより、従来と異なり角型への成形加工を行うことなく角型形状とすることができるため、成形工程が不要になるばかりでなく、ストランド線全体に占める素線の割合も大きくなり、大きな電流の通電が可能となる。また、細いストランド素線１２６から成るストランド線の部分の渦電流損失の低減が図れる。
【００４５】
［第３実施形態（図３）］
図３は本発明の第３実施形態によるストランド線１２０の断面図である。
【００４６】
このストランド線１２０は、角型に成形されたストランド素線１２３と、このストランド素線１２３に片側で接触している角型冷却管１３１と、各素線１２３間に含浸されたエポキシなどの充填材１２４と、これらを電気絶縁するための線間絶縁物１２１とから構成されている。
【００４７】
このような構成の本実施形態によると、従来技術に比較して、任意の縦横寸法を選択することが可能であり、最も適した縦横比を採用することができる。しかも、角型冷却管１３１の長辺面を折曲するため、曲げ加工が容易となり、励磁コイル１２０の製作が容易になる。また、励磁コイル１２０端部の曲げ曲率が小さくなるため、長手方向のコンパクト化が図れる。
【００４８】
［第４実施形態（図４）］
図４は、本発明の第４実施形態によるストランド線１２０の断面図である。
【００４９】
このストランド線１２０は、ほぼ円形に撚り合わされたストランド素線１２３と、これらのストランド素線１２３を封入したステンレス製等の角型容器１４１と、これらを電気絶縁するための線間絶縁物１２１とによって構成されている。
【００５０】
従来技術においては中心の円形冷却管の周りに、ストランド素線１２３を撚り合わせて直径の大きな円断面のストランド線とし、これを成形して角型にしていたが、図６に示した本実施形態の構成では、角型容器１４１が冷却管の機能を果し、四隅を冷却水が流れるようになるため、従来と異なり、ストランド線を角型に成形する必要がなく、かつ十分な冷却が可能なため、大きな電流を流すことが可能となる。
【００５１】
なお、ストランド線の撚りピッチが過度に短いと、９０度に曲げた時に膨れてしまい、逆に撚りピッチが長すぎると、９０度に曲げた時に捩れてしまう。したがって、最適な撚りピッチがあり、実験結果によると、最適な撚りピッチはストランド線の断面の辺の長さの６倍から１０倍であることが分った。
【００５２】
また、ストランド素線１２３の材料は通常、全てがアルミニウムまたは銅のいずれか一方とされているが、本実施形態においては両者を組み合わせることにより、渦電流損失と、ジュール損失との両者を勘案した最適な抵抗値を有するストランド線を提供することができる。
【００５３】
さらに、ストランド線間の線間絶縁物１２１および励磁コイルの対地絶縁物１２２は従来、エポキシ等の有機物系が用いられていたが、これらをマイカ等の無機物系にすることにより、放射線環境下でも電気絶縁が劣化しない励磁コイルとなる。
【００５４】
［第５実施形態（図５）］
図５は本発明の第５実施形態による偏向電磁石１０２を示す断面図である。
【００５５】
この偏向電磁石１０２は、真空ダクト１０１を挟んだ状態で通過させ、磁気回路を形成する鉄心１１０と、この鉄心１１０のダクト側の両端を切り欠いた対向する磁極１１０ｂと、これらの磁極片１１０ｂに巻回された励磁コイル１１１とを有する。
【００５６】
従来技術では、磁極の空隙部に面する部分の両端から励磁コイル１１１への漏洩磁場が大きく、したがって渦電流損失が局所的に大きかった。これに対し、本実施形態によれば、磁極１１０ｂの両先端を切り欠いた形状とすることにより、漏洩磁場が励磁コイル１１１側へ行き難くなり、局所的渦電流損失を低減することができる。
【００５７】
［第６実施形態（図６）］
図６は本発明の第６実施形態による偏向電磁石１０２を示す断面図である。
【００５８】
この偏向電磁石１０２は、真空ダクト１０１を挟んだ状態で対向する磁極１１０ａを有する鉄心１１０と、この鉄心１１０の磁極片１１０ａに巻回された磁極先端側が欠けた励磁コイル１１１ａとを有している。
【００５９】
従来技術では、磁極の空隙部に面する部分の両端から励磁コイルへの漏洩磁場が大きく、したがって渦電流損失が局所的に大きかったのに対し、本実施形態によれば、磁極先端部を切り欠いた励磁コイル１１１ａとしたことにより、漏洩磁場が励磁コイル側へ行き難くなり、局所的渦電流損失を低減することができる。
【００６０】
なお、鉄心１１０のダクト側の両端を切り欠いた磁極１１０ｂと、この磁極１１０ｂの片部に巻き回された磁極先端側を切り欠いた励磁コイル１１１ａとの両者を兼ね備えた構成とした場合には、さらに局所的渦電流損失の低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１実施形態による励磁コイルを示す断面図。
【図２】本発明第２実施形態による励磁コイルを示す断面図。
【図３】本発明の第３実施形態による偏向電磁石を示す側面図。
【図４】本発明の第４実施形態によるストランド線を示す断面図。
【図５】本発明の第５実施形態によるストランド線を示す断面図。
【図６】本発明の第６実施形態によるストランド線を示す断面図。
【図７】従来の円形加速器の電磁石配置を示す概略構成図。
【図８】図７中のＸ−Ｘ線に沿う偏向電磁石の断面図。
【図９】従来の励磁コイルを示す断面図。
【図１０】従来のストランド線を示す断面図。
【符号の説明】
【００６２】
１  円形加速器
１００  線型加速器
１００ａ  輸送管
１０１  真空ダクト
１０２  偏向電磁石
１０３  高周波加速空胴
１０４ａ，１０４ｂ  四極電磁石
１０５ａ，１０５ｂ  六極電磁石
１１０  鉄心
１１０ａ  磁極
１１０ｂ  両端を切り欠いた磁極
１１１  励磁コイル
１１１ａ  磁極先端部を切り欠いた励磁コイル
１２０，１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ  ストランド線
１２１  線間絶縁物
１２２  対地絶縁物
１２３  ストランド素線
１２４  充填材
１２５  冷却管
１２６  ストランド素線
１３０  ホロー導体
１３１  角形冷却管
１４１  角形容器
１５０  渡りブスバー
【図１】
0004550866.tif 000002
【図２】
0004550866.tif 000003
【図３】
0004550866.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004550866.tif 000008
【図８】
0004550866.tif 000009
【図９】
0004550866.tif 000010
【図１０】
0004550866.tif 000011