(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄心コアと、対称形状のー対のコイルから構成される電磁石であって、前記鉄心コアは、両端面に開口部を持ち、前記開口部間を結ぶ方向に直交する方向の中空部の断面が矩形の筒状であり、前記鉄心コアは空隙を持って対向する一方の一対の内側の面を磁極部とし、前記磁極部以外の部分をヨーク部としており、前記一対のコイルは、各々一方の端部が、前記鉄心コアの一方の端面の開口部から互いのコイル部を密着して露出し、他方の端部が、前記鉄心コアの他方の端面の開口部から互いのコイル部を鞍型形状に露出していることを特徴とする電磁石。
【請求項２】
鉄心コアと、対称形状のー対のコイルから構成される電磁石において、前記鉄心コアは、内部に中空部を持ち、一面に開口部を持つ形状であり、かつ前記中空部を構成し、前記中空部の中心から前記開口部の方向に平行で、対向する一対の内側の面を有し、前記鉄心コアは前記対向する一対の内側の面を磁極部とし、前記磁極部以外の部分をヨーク部としており、前記一対のコイルは、各々一方の端部が、前記鉄心コアの中空部内に互いのコイル部を密着して設置され、他方の端部が、前記鉄心コアの上面の開口部から互いのコイル部を鞍型形状に露出していることを特徴とする電磁石。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子加速器に組み込まれる偏向電磁石や、熱処理炉に磁場を印加する電磁石等、均一な磁束密度分布を必要とする電磁石に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、各種加速器や産業用設備等に用いられている双極型の電磁石を、図８に示す。図８（ａ）は、ダブルヨーク型電磁石の例であり、図８（ｂ）は、ワイス型電磁石の例であり、また、図８（ｃ）は、鞍型電磁石の例である。
【０００３】
ここで、ダブルヨーク型電磁石は、磁極の中心に対して対称な２ヨーク６１を持つ構造である。ワイス型電磁石は、磁極に対してヨーク６２が１つとなる構造である。一方、鞍型電磁石の場合、磁場を発生させる空間の両端が開口部となるように、コイル７３ａ、７３ｂが鞍型となっており、コイル７３ａ、７３ｂが鉄心から露出する寸法が小さいことを特徴とする電磁石である。
【０００４】
図９は、前記図８（ａ）のダブルヨーク型電磁石についての磁束の流れ及び磁束密度分布を説明する図である。図９（ａ）は、磁束の流れを図示したものであり、図９（ｂ）は、
図９（ａ）でのＸ方向に対する磁束密度の分布を示したものである。
【０００５】
図に示すごとく、磁束は、磁極部の端部ほど外側に向かって流れる傾向を示すため、磁束密度の分布は、図９（ｂ）に示すごとく、磁極部の端部で急激に低下する傾向を示す。その結果、均一な磁束密度の範囲が、狭くなっている。つまり、従来の鉄心コア構造では、磁極の端部程、外側に向かって流れる磁束が大きくなり、磁束密度が低下する。特に、磁場を発生させる空隙に対して、磁極部の面積が小さくなる程この傾向が強く、有効磁場領域に対して必要以上に磁極部の面積を大きくしなければならなかった。
【０００６】
有効磁場領域での、磁束密度の高均一化を求める場合、磁場を発生させる磁極部の面積を大きくする方法が用いられていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、従来の電磁石には、以下の問題点があった。すなわち、有効磁場領域の高均一化を求めるために、磁極部の面積を大きくすると、有効磁場領域の面積が増え、高均一度を得ることはできるが、他方、ヨーク部分も相対的に大型化するため、電磁石全体の重量が増加する。
【０００８】
電磁石を多用途の設備として使用することを考えた場合、同じ起磁力と磁場均一度の条件下にて、軽量化は必須な条件であり、製造コストの面からも軽量化は重要な要求事項であった。
【０００９】
従って、本発明の課題は、磁場強度の低下がなく、高い磁場均一度を確保でき、かつ全体重量が軽量である電磁石を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の電磁石によれば、所定の空隙をもって対向して配置された二つの磁極に対して、起磁力を与える対称形状の一対のコイルは磁極の周りを取り囲む構造となっており、互いのコイル部同士の隙間は、ほとんどない構造としている。
【００１１】
ここで、鉄心コアは、４面から構成される箱型であり、一方が開口部となり、開口部側のコイルが鞍型形状となっており、もう一方は、一対のコイル部同士が密着して鉄心から露出しているものである。
【００１２】
また、本発明の他の電磁石によれば、所定の空隙をもって対向して配置された二つの磁極に対して、起磁力を与える一対のコイルは磁極の周りを取り囲む構造となっており、互いのコイル部同士の隙間はほとんどない構造としている。ここで、鉄心コアは、１つの開口部を残して全て磁極とコイルを取り囲む面から構成される箱型であり、開口部側のコイルのみが鉄心から露出し鞍型形状となっているものである。
【００１３】
本発明においては、一部の開口部以外の磁極端部での空隙部分を埋めるようにコイルを巻き、磁場シールドの効果により磁極端部から外側に向かって流れる磁束の発生を無くすことで、磁束密度が低下することを防いだものである。
【００１４】
コイル形状は、一方の開口部側は磁場発生空隙を利用するため、互いのコイル部が鞍型形状となっており、反対側は磁極端部に空隙部分が無いように、コイル部同士が密着したまま鉄心から露出している。
【００１５】
この形状で要求される均一領域を達成するためには、開口部方向への磁極寸法を大きくすることのみを考慮し、従来のように磁極全体を大型化する必要はなくなる。必然的に発生する磁場を補償するためのリターンヨーク部分も小型となり、軽量な電磁石が得られる。
【００１６】
本発明においては、一部の開口部以外の磁極端部での空隙部分を埋めるようにコイルを巻き、磁気シールドの効果により磁極端部から外側に向かって流れる磁束の発生を無くすことで、磁束密度が低下することを防いだものである。コイル形状は、一部の開口部側は磁場発生空隙を利用するため、鞍型形状となっており、それ以外の部分は鉄心コアで取り囲まれている。
【００１７】
この形状で要求される均一領域を達成するためには、開口部方向への磁極寸法を大きくする事のみを考慮するだけで、従来のように磁極全体を大型化する必要はなくなる。よって、発生する磁場を補償するためのヨーク部分も小型となり、軽量な電磁石が得られる。
【００１８】
即ち、本発明は、鉄心コアと、対称形状のー対のコイルから構成される電磁石であって、前記鉄心コアは、両端面に開口部を持ち、前記開口部間を結ぶ方向に直交する方向の中空部の断面が矩形の筒状であり、前記鉄心コアは空隙を持って対向する一方の一対の内側の面を磁極部とし、前記磁極部以外の部分をヨーク部としており、前記一対のコイルは、各々一方の端部が、前記鉄心コアの一方の端面の開口部から互いのコイル部を密着して露出し、他方の端部が、前記鉄心コアの他方の端面の開口部から互いのコイル部を鞍型形状に露出している電磁石である。
【００１９】
また、本発明は、鉄心コアと、対称形状のー対のコイルから構成される電磁石において、前記鉄心コアは、内部に中空部を持ち、一面に開口部を持つ形状であり、かつ前記中空部を構成し、前記中空部の中心から前記開口部の方向に平行で、対向する一対の内側の面を有し、前記鉄心コアは前記対向する一対の内側の面を磁極部とし、前記磁極部以外の部分をヨーク部としており、前記一対のコイルは、各々一方の端部が、前記鉄心コアの中空部内に互いのコイル部を密着して設置され、他方の端部が、前記鉄心コアの上面の開口部から互いのコイル部を鞍型形状に露出している電磁石である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による電磁石について、以下、実施例によって説明する。
【００２１】
【実施例】
（実施例１）
図１は、本発明による実施例１の電磁石を示す図である。図１（ａ）は、電磁石の外観図を示し、図１（ｂ）は、平面図を示す。図２は、先の電磁石についての追加の図であり、図２（ａ）は、電磁石の正面図を示し、図２（ｂ）は、側面図を示す。
【００２２】
図１（ａ）において、鉄心コア１は、四面から構成される形状で、この図においては、上下面に開口部を設けた構造である。磁場を発生させる対称形状の一対のコイル２はコイル部２ａとコイル部２ｂとで形成されている。ここで、前記コイル２は、一方の端部が、鉄心コア１の下面の開口部から互いのコイル部を密着して露出し、他方の端部は、鉄心コアの上面の開口部から互いのコイル部が、鞍型形状にて対称に露出している電磁石である。
【００２３】
図４に、本発明の実施例による磁束の流れの説明図である。図４（ａ）は、磁束の流れを示したものであり、図４（ｂ）は、図４（ａ）でのＸ方向に対する磁束密度の分布を示したものである。本発明の電磁石によれば、磁極部１ａの端部になってもコイル２ａ，２ｂが外側に流れる磁束を遮断するため、図４（ｂ）のように、磁束密度分布の高均一な磁場領域を得ることができる。
【００２４】
ここで、本電磁石について、開口部の磁場低下を防ぐ方法は、第１の方法として、鉄心コア１を開口部方向に延長する方法、または第２の方法として、開口部の磁場が高くなるように磁極間隙が小さくなる部分としてシムを設ける方法がある。
【００２５】
図３は、本発明の電磁石の開口部に設けたシム構造の説明図である。図３（ａ）は、シムを設ける領域Ａを示す図であり、図３（ｂ）は、Ａの拡大図である。
【００２６】
（実施例２）
図５は、本発明による実施例２の電磁石を示す図である。図５（ａ）は、電磁石の外観図を、図５（ｂ）は、平面図を示す。図６は、本発明の電磁石についての追加の図であり、図６（ａ）は、電磁石の正面図を、図６（ｂ）は、側面図を示す。
【００２７】
図５（ａ）において、鉄心コア４は、内部に中空部を持ち、上面に開口部を持つ形状であり、前記中空部内での対向する内側の面を磁極部４ａとし、他部分をヨーク部４ｂとしており、磁場を発生させる対称形状の一対のコイル５は、コイル部５ａとコイル部５ｂとで形成されている。
【００２８】
前記コイル５は、一方の端部が、前記鉄心コア４の中空部内に設置され、他方の端部が、鉄心コア４の上面の開口部から互いのコイル部が、鞍型形状にて対称に露出している。
【００２９】
なお、コイル部５ａ，５ｂは、磁場シールドの効果を十分に発揮できるように、鉄心コア４の中空空間内では、互いに密着した構造となっている。
【００３０】
図７に、本発明の実施例２による磁束の流れの説明図である。図７（ａ）は、磁束の流れを示したものであり、図７（ｂ）は、図７（ａ）でのＸ方向に対する磁束密度の分布を示したものである。
【００３１】
本発明の電磁石によれば、磁極部１ａの端部になってもコイル部５ａ，５ｂが外側に流れる磁束を遮断するため、図７（ｂ）に示すように、磁束密度分布の高均一な磁場領域を得ることができる。ここで、本電磁石について、開口部の磁場低下を防ぐ方法は、先の実施例１の場合と同様である。
【００３２】
即ち、第１の方法として、鉄心コア１を開口部方向に延長する方法、または第２の方法として、開口部の磁場が高くなるように磁極間隙が小さくなる部分としてシムを設ける方法がある。なお、電磁石の開口部に設けたシム構造については、先の図３の場合と同様であり、本実施例では、図面を省略する。
【００３３】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、磁場強度の低下がなく、高い磁場均一度を確保でき、かつ全体重量が軽量である電磁石を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による電磁石を示す図。図１（ａ）は、電磁石の外観図、図１（ｂ）は、平面図。
【図２】本発明の実施の形態による図１の電磁石を示す図。図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は側面図。
【図３】本発明の実施の形態による図１の電磁石の開口部に設けたシム構造の図。図３（ａ）は、シムを設ける領域Ａを示す図、図３（ｂ）は、Ａの拡大図。
【図４】本発明の実施の形態による図１の電磁石での磁束の流れを示す図。図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は磁束密度分布図。
【図５】本発明の実施の形態による他の電磁石の例を示す図。図５（ａ）は、電磁石の外観図、図５（ｂ）は、上面図。
【図６】本発明の実施の形態による図５の電磁石を示す図。図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は側面図。
【図７】本発明の実施の形態による図５の電磁石での磁束の流れを示す図。図７（ａ）は断面図、図７（ｂ）は磁束密度分布図。
【図８】従来の電磁石構造を示す図。図８（ａ）はダブルヨーク型電磁石を示す図、図８（ｂ）はワイス型電磁石を示す図、図８（ｃ）は鞍型電磁石を示す図。
【図９】従来の電磁石での磁束の流れを示す図。図９（ａ）は断面図、図９（ｂ）は  磁束密度分布図。
【符号の説明】
１，４，６１，６２，６３    鉄心コア
１ａ，４ａ    磁極部
１ｂ，４ｂ    ヨーク部
２，５    コイル
２ａ，２ｂ，５ａ，５ｂ    コイル部
３ａ，３ｂ    シム
７１ａ，７１ｂ，７２ａ，７２ｂ，７３ａ，７３ｂ    コイル
１０，１３，１６    磁束の流れ
２０，３０，３１，３２，３３    電磁石
【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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