(57)【要約】【課題】帯状の超電導線材からなるコイルにおいて、直線部を有するコイル形状とした場合に、該直線部からの超電導線材の外広がりを防止する。【解決手段】コイルの最内周の形状を、仮想多角形の各辺の直線部は凸状曲線とすると共に、角部は前記凸状曲線の最小曲率半径より小さいアール形状とし、該最内周の全周を曲線で構成し、前記凸状曲線の最大曲率半径（ｒｍａｘ）は下式より規定し、該コイルに負荷されるフープ力により薄肉円筒の応力式から求められるコイル最内周の超電導線材内に生じる応力（σ）を、前記超電導線材の引張強度（σwire）より小さくしている。  ｒｍａｘ＜σwire×ｗ×ｔ／（Ｂ×Ｉ）  （前記式中、ｔ：線材の径方向の厚さ、ｗ：線材の軸線方向の幅、Ｉ：コイルの電流量、Ｂ：コイル最内周の線材に印加される磁束密度、応力（σ）：Ｂ×Ｉ×ｒｍａｘ／（ｗ×ｔ）【選択図】図１
2009177103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状の超電導線材を疑似多角形に巻回している超電導コイルであって、
前記コイルの最内周の形状を、仮想多角形の各辺の直線部は凸状曲線とすると共に、角部は前記凸状曲線の最小曲率半径より小さいアール形状とし、該最内周の全周を曲線で構成し、
前記凸状曲線の最大曲率半径（ｒｍａｘ）は下式より規定し、該コイルに負荷されるフープ力により薄肉円筒の応力式から求められるコイル最内周の超電導線材内に生じる応力（σ）を、前記超電導線材の引張強度（σwire）より小さくしていることを特徴とする超電導コイル。
ｒｍａｘ＜σwire×ｗ×ｔ／（Ｂ×Ｉ）
（前記式中、ｔ：線材の径方向の厚さ、ｗ：線材の軸線方向の幅、Ｉ：コイルの電流量、Ｂ：コイル最内周の線材に印加される磁束密度、応力（σ）：Ｂ×Ｉ×ｒｍａｘ／（ｗ×ｔ）
【請求項２】
疑似矩形状であり、
仮想正方形または疑似長方形の４辺の直線部を前記凸状曲線としている請求項１に記載の超電導コイル。
【請求項３】
シングルパンケーキコイル、ダブルパンケーキコイル、またはソレノイドコイルからなる請求項１または請求項２に記載の超電導コイル。
【請求項４】
帯状の超電導線材を疑似矩形状を含む疑似多角形に巻回する超電導コイルの巻枠であって、
該巻枠の外周の形状を、仮想多角形の各辺の直線部を凸状曲線とすると共に、角部は前記凸状曲線の最小曲率半径より小さいアール形状とし、全て曲線で構成した疑似矩形状とし、該巻枠の外周の形状は該巻枠に巻き付ける前記コイルの最内周の形状と同一とし、
該コイル最内周の凸状曲線の最大曲率半径（ｒｍａｘ）は下式より規定し、該コイルに通電時に負荷されるフープ力により薄肉円筒の応力式から求められるコイル最内周の超電導線材内に生じる応力（σ）を、前記超電導線材の引張強度（σwire）より小さくしていることを特徴とする超電導コイルの巻枠。
ｒｍａｘ＜σwire×ｗ×ｔ／（Ｂ×Ｉ）
（前記式中、ｔ：線材の径方向の厚さ、ｗ：線材の軸線方向の幅、Ｉ：コイルの電流量、Ｂ：コイル最内周の線材に印加される磁束密度、応力（σ）：Ｂ×Ｉ×ｒｍａｘ／（ｗ×ｔ）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイルおよび超電導コイルの巻枠に関し、特に、略矩形状のコイルにおいて直線部分における外広がり抑制するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高磁界の発生に用いる磁石としては、消費電力が小さい超電導コイルが好適に用いられる。
該超電導コイルは、通常、所要幅を有する帯状の超電導線材を巻枠に線材を巻き付けて形成しているが、該超電導コイルを矩形状のコイルとする場合、巻枠に超電導材を巻き付けてコイルを作成する時に、直線部が外広がりになって、巻枠から浮き上がりやすい問題がある。
これは、アール形状となっている四隅の角部では、超電導線材を巻枠に巻き付け時の引張力により、巻枠のアール形状の角部にぴったりと沿わせて巻き付けることができるが、４辺の直線部では、超電導線材の巻付力を大きくしても巻枠に押し付ける方向の力がないことに因る。
また、形成したコイルを使用する際、通電時に超電導線材にフープ力が負荷されるため、前記と同様に、直線部の超電導線材が広がる方向に力が加わり、直線部が巻枠からより浮き上がりやすくなる。
【０００３】
正方形や長方形状の矩形状コイルに限らず、本出願人の出願に係わる特開２００６−２８０１３４号公報の長円形状のコイルの製造方法の場合においても、対向する直線部分で巻枠から線材が浮き上がりやすい問題がある。
【０００４】
前記のように、直線部において巻枠から浮く超電導線材を巻枠に沿わせるには、巻枠に線材を巻き付けた後、コイル全体に樹脂を染み込ませ、外力を負荷して直線部を形成する方法、直線部分の外部に補強材を取り付けて浮き上がる線材を押さえつける方法が考えられる。
【０００５】
しかし、前記樹脂を含浸させた一体化させた剛体とすると、歪み変形が発生しやすい問題がある。
また、いずれの方法も、超電導線材を巻枠に巻き付けた後、後処理加工を施して直線部の浮き上がりを防止するため、作業工程が増加する問題がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２８０１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、帯状の超電導線材で直線部を有する矩形状のコイルとする場合に、後加工処理する必要なく、コイルの巻き付け形状を工夫して、直線部における線材の浮き上がりを防止することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、第１の発明として、帯状の超電導線材を疑似多角形に巻回している超電導コイルであって、
前記コイルの最内周の形状を、仮想多角形の各辺の直線部を凸状曲線とすると共に、角部は前記凸状曲線の最小曲率半径より小さいアール形状とし、該最内周の全周を曲線で構成し、
前記凸状曲線の最大曲率半径（ｒｍａｘ）は下式より規定し、該コイルに通電時に負荷されるフープ力により薄肉円筒の応力式から求められるコイル最内周の超電導線材内に生じる応力（σ）を、前記超電導線材の引張強度（σwire）より小さくしていることを特徴とする超電導コイルを提供している。
ｒｍａｘ＜σwire×ｗ×ｔ／（Ｂ×Ｉ）
（前記式中、ｔ：線材の径方向の厚さ、ｗ：線材の軸線方向の幅、Ｉ：コイルの電流量、Ｂ：コイル最内周の線材に印加される磁束密度、応力（σ）：Ｂ×Ｉ×ｒｍａｘ／（ｗ×ｔ）
【０００９】
前記疑似多角形としては、疑似正方形および長方形の疑似矩形状、疑似五角形、疑似六角、疑似三角形等の四角形以外の多角形を含むが、これら多角形のうちで疑似正方形、疑似長方形の疑似矩形状のコイルが汎用されるコイルとなる。
該疑似正方形および疑似長方形からなる疑似矩形状の場合、仮想四角形の各４辺の直線部を前記した曲率が変化すると共に、最大曲率半径が前記式で規定する凸状曲線としている。
【００１０】
前述した式は、超電導線材を巻枠に巻きつけた状態で、コイルを真円形状と仮定し、薄肉円筒の円周方向の応力式に通電時のフープ力を代入して、通電時に超電導線材に負荷される応力（σ）を求め、該応力（σ）を超電導コイル最内周の線材の引張強度（σwire）より小さくなるように規定したものである。
このように、疑似直線部とする前記凸状曲線の最大曲率半径を、超電導線材の引張強度と、薄肉円筒の応力式から求められるコイル最内周に発生する応力との関係より規定し、超電導線材の引張強度（σwire）よりコイル内に生じる応力（σ）が小さくなるように設定しているため、超電導線材は外方に向かって広がろうとするフープ力に耐えることができ、コイル形成時およびコイル通電時に超電導線材が直線部において外方へ広がることを防止できる。
【００１１】
前述したように、コイル最内周を全て曲線で形成した疑似矩形状等の疑似多角形とし、直線部を凸状曲線としていることで、超電導線材の巻き付け時に負荷される引張力により、凸状曲線からなる疑似直線部に超電導線材を押さえつける方向の力が働き、疑似直線部で超電導線材が外方に膨張することを防止できる。
よって、疑似矩形状を含めた疑似多角形のコイルにおいて、直線部において超電導線の外広がりを防止するため、樹脂で一体化して剛性を大きくしたり、外部に補強構造を設ける後加工をする必要がない。
【００１２】
前記形状とする疑似矩形状の超電導コイルは、シングルパンケーキコイルあるいはダブルパンケーキコイルが好ましいが、超電導線材を螺旋状に巻回したソレノイドコイルとしてもよい。
【００１３】
第２の発明は、帯状の超電導線材を巻回して形成する疑似矩形状を含む疑似多角形のコイルの巻枠を対象としている。
前記巻枠は、その外周の形状を、仮想多角形の各辺の直線部を凸状曲線とすると共に、角部は前記凸状曲線の最小曲率半径より小さいアール形状とし、全て曲線で構成した疑似矩形状とし、該巻枠の外周の形状は該巻枠に巻き付ける前記コイルの最内周の形状と同一とし、
該コイル最内周の凸状曲線の最大曲率半径（ｒｍａｘ）は下式より規定し、該コイルに通電時に負荷されるフープ力により薄肉円筒の応力式から求められるコイル最内周の超電導線材内に生じる応力（σ）を、前記超電導線材の引張強度（σwire）より小さくしていることを特徴としている。
ｒｍａｘ＜σwire×ｗ×ｔ／（Ｂ×Ｉ）
（前記式中、ｔ：線材の径方向の厚さ、ｗ：線材の軸線方向の幅、Ｉ：コイルの電流量、Ｂ：コイル最内周の線材に印加される磁束密度、応力（σ）：Ｂ×Ｉ×ｒｍａｘ／（ｗ×ｔ）
【００１４】
前記形状とした巻枠の外周に、コイル最内周の線材を隙間なく巻き付けると、コイル最内周の形状は巻枠の外周と同一の曲線となる。
よって、前記第１の発明で規定したコイル最内周の形状と同一形状の巻枠の外周を形成することにより、直線部において超電導線材の外広がりを防止できる巻枠とすることができ、該巻枠に超電導線材を巻き付けることにより、直線部における超電導線材の外広がりによる浮き上がりを無くすことができ、かつ、超電導材を巻枠に巻き付ける際の作業性を向上させることができる。
なお、巻枠は超電導線材の巻き付け後に巻枠を取り外し、該巻枠を取り外して超電導コイルを他の芯材に外嵌してもよい。
【００１５】
前記巻枠は、ガラス繊維強化樹脂等の強度を有する絶縁樹脂で成形していることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
前述したように、本発明によれば、帯状の超電導線材を疑似矩形状を含む疑似多角形に巻回した超電導コイルにおいて、該コイル最内周またはコイルの巻枠の外周の全周を曲線し、疑似直線部における凸状曲線の最大曲率半径を、超電導線材の引張強度と、薄肉円筒の応力式から求められるコイル最内周に発生する応力との関係より規定し、超電導線材の引張強度（σwire）よりコイル内に生じる応力（σ）が小さくなるように設定している。
よって、コイル形成時および形成したコイルへの通電時に、直線部の超電導線材が外方に向かって広がろうとするフープ力に抗して、外方へ広がることを防止できる。その結果、巻き付けたコイルに樹脂を含浸させて剛性を大きくしたり、外部に補強材を取り付けることなく、疑似矩形状等のコイルにおける直線部での超電導線材の外方への膨らみを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１および図２に本発明の実施形態を示す。
図１に示す超電導コイル１０（以下、コイルと称す）は疑似正方形状としている。
【００１８】
該コイル１０は、所要幅を有する帯状の超電導線材２０（以下、線材と称す）を巻枠３０にフラットワイズ巻きで複数ターン巻回して、疑似矩形状に形成している。前記線材２０はビスマス系超電導線材からなる。前記コイル１０の最内周の線材２１の形状と、巻枠
３０の外周の形状とは同一としている。
【００１９】
前記コイル最内周の線材２１は、断面仮想正四角形の四辺の直線部は凸状曲線を有する疑似直線部２１ａとし、４つの角部はアール形状の角部２１ｂとしている。
前記凸状曲線の疑似直線部２１ａと角部２１ｂでは曲率を変化させ、疑似直線部２１ａの曲率半径ｒ２と角部２１ｂの曲率半径ｒ１は、ｒ１＜ｒ２とし、かつ、疑似直線部２１ａの凸状曲線の曲率半径ｒ１を最大曲率半径ｒｍａｘとしている。
本実施形態では、ｒ１を７０ｍｍ、ｒ２を２０００ｍｍとし、コイル１０の径方向の厚さｔを０．２２（ｍｍ）、コイル軸線方向の幅ｗを４．３（ｍｍ）としている。
【００２０】
前記巻枠３０は筒形状で、その外周を前記コイル１０の最内周と同一断面形状の疑似矩形状としており、本実施形態ではガラス繊維強化樹脂で成形している。
即ち、巻枠３０の外周３１は４辺の凸状曲線の疑似直線部３０ａと４つのアール形状の角部３０ｂを有する形状とし、疑似直線部３０ａの曲率半径Ｒ１、該曲率半径Ｒ１の最大曲率半径Ｒｍａｘ、角部３０ｂの曲率半径Ｒ２は、それぞれ前記コイル１０のｒ１、ｒｍａｘ、ｒ２と同じとしている。
【００２１】
前記コイル１０の疑似直線部２１ａの最大曲率半径ｒｍａｘ（巻枠３０のＲｍａｘ）はコイル使用時に電磁力による負荷されるフープ力によって、コイル最内周の線材２１内に生じる応力（σ）がコイル最内周の線材２１の引張強度（σwire）より小さくなるように設定している。
【００２２】
具体的には、Ｉをコイル使用時の通電電流（Ａ）、Ｂをコイル最内周の線材に印加される磁束密度（ｗｂ／ｍ２）、σwireを線材の引張強度（Ｎ／ｍｍ２）とすると、コイル１０の最内周の線材２１の最大曲率半径ｒｍａｘおよび巻枠３０の外周３１の最大曲率半径Ｒｍａｘは次式を満たすよう設定している。
【数１】
2009177103.tif 000003
【００２３】
本実施形態では、Ｉを４０Ａ、Ｂを０．５ｗｂ／ｍ２、σwireを１５０Ｎ／ｍｍ２とすると、コイル最内周の線材２１の最大曲率半径ｒｍａｘおよび巻枠外周３１の最大曲率半径Ｒｍａｘは７０９５ｍｍより小さく設定すればよい。
【００２４】
以下、前記数式１の導出過程について説明する
初めに、数式１のコイル最内周の線材２１の最大曲率半径ｒｍａｘの条件式について説明する。
コイルの最内周の線材２１を図２に示すような、半径ｒ、径方向の幅ｔ、軸線方向の厚さｗの真円状と仮定し、薄肉円筒の応力式を基にしてフープ力により生じる線材内の応力（σ）を求める。
まず、前記真円状のコイルにおける薄肉円筒の応力式を求める。
線材２１の内圧をｐとすると、線材２１に負荷される力Ｆ１はｐ×２ｒ×ｗとなる。
【００２５】
前記力Ｆ１に対抗する力Ｆ２は、線材２１に負荷される応力をσとすると、図２（Ｂ）に示すようにｔ×ｗの面積が両サイドにあるため、σ×ｔ×ｗ×２となる。
Ｆ１＝Ｆ２であるので、線材の応力σは、内圧ｐを用いて数式２で表される。該数式２が薄肉円筒の式となる。
【数２】
2009177103.tif 000004
【００２６】
一方、コイルに通電したときのフープ力（電磁力）Ｆ３は、Ｉをコイル使用時の通電電流、Ｂをコイル最内周の線材に印加される磁束密度とすると、Ｆ３＝Ｂ×Ｉ×２ｒとなり、これが厚さｗ、長さ２ｒに負荷されている。よって、コイルに負荷される内圧ｐは次式となる。
【数３】
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【００２７】
フープ力で生じる内圧ｐの式である数式３を薄肉円筒の応力式である数式２に代入すると、線材にかかる応力σと線材２１の曲率半径ｒとの関係式が次式のように導かれる。
【数４】
2009177103.tif 000006
【００２８】
前記線材２１の引張強度（σwire）が数式４の応力σよりも大きい、即ち、σ＝Ｂ×Ｉ×ｒ／（ｗ×ｔ）＜σwireを満たせば、コイル最内周の線材２１がフープ力に対抗することができる。
以上より、フープ力に対抗することができるコイル最内周の線材の曲率半径の条件式は次式となる。
【数５】
2009177103.tif 000007
【００２９】
以上はコイル１０を真円状と仮定した場合の説明であるが、数式５を曲率が変化するコイル最内周の線材２１にあてはめると、コイル最内周の線材２１の最大曲率半径ｒｍａｘが数式５を満たせば、コイル全周にわたってフープ力に対抗することができるため、ｒｍａｘ＜σwire×ｗ×ｔ／Ｂ×Ｉを満たすような曲率半径を設定すればよい。
また、前述したように、巻枠３０の最大曲率半径Ｒｍａｘはコイル最内周の線材２１の最大曲率半径ｒｍａｘと同じとしているため、最大曲率半径ｒｍａｘと同様に、Ｒｍａｘ＜σwire×ｗ×ｔ／Ｂ×Ｉの条件式を満たせば、巻枠３０に巻き付けたコイル最内周の線材がフープ力に対抗することができる。
【００３０】
前記構成とすると、コイル形成時および形成したコイル１０への通電時に、擬似直線部２１ａの超電導線材２０が外方に向かって広がろうとするフープ力に抗して、外方へ広がることを防止できる。その結果、巻き付けたコイル１０に樹脂を含浸させて剛性を大きくしたり、外部に補強材を取り付けることなく、疑似矩形状のコイル１０における擬似直線部２１ａでの超電導線材２０の外方への膨らみを防止することができる。
また、コイル最内周を全て曲線で形成した疑似矩形状の疑似多角形とし、直線部を凸状曲線としていることで、超電導線材２０の巻き付け時に負荷される引張力により、凸状曲線からなる疑似直線部２１ａに超電導線材２０を押さえつける方向の力が働き、疑似直線部２１ａで超電導線材２０が外方に膨張することを防止できる。
【００３１】
本発明は前記実施形態に限定されず、疑似長方形や疑似六角形等の直線部を有する超電導コイルの場合も、直線部を凸状曲線からなる疑似直線部とし、該凸状曲線の最大曲率半径を、コイル通電時に負荷されるフープ力より超電導線材の引張力が小さくなるように設定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】（Ａ）は巻枠に超電導コイルの線材を巻き付けた正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】超電導コイルを真円状と仮定した場合の図であり（Ａ）は正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  超電導コイル（コイル）
２０  超電導線材（線材）
２１ａ  凸曲線部からなる疑似直線部
２１ｂ  角部
３０  巻枠
３０ａ  凸曲線部からなる疑似直線部
３０ｂ  角部
ｒｍａｘ  コイル最内周の最大曲率半径
Ｒｍａｘ  巻枠外周の最大曲率半径
【図１】
2009177103.tif 000008
【図２】
2009177103.tif 000009