(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面形状がほぼ正方形のストランド導体の、対向する側面の少なくともいずれかに、ホウ素を除去してなるガラス繊維テープにポリイミド樹脂を含浸したプリプレグを沿わせる第１の工程と、前記ストランド導体に沿わせたプリプレグとは別のプリプレグを横巻する第２の工程と、前記プリプレグを沿わせた辺を、屈曲方向と垂直に配置した状態で、屈曲方向と平行な面に層間絶縁層を挿入しながら巻き回して巻線を形成する第３の工程と、前記巻線の外周にプリプレグの横巻を施す第４の工程と、前記巻線に端末処理を施す第５の工程を含むことを特徴とする電磁コイルの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電磁コイルの製造方法において、前記ストランド導体構成する素線は、銅もしくはアルミニウムのいずれからなることを特徴とする電磁コイルの製造方法。
【請求項３】
請求項１もしくは請求項２のいずれかに記載の電磁コイルの製造方法において、前記ストランド導体は、冷却水を通水するためのパイプを有することを特徴とする電磁コイル。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電磁コイルの製造方法において、前記巻線の外周にプリプレグの横巻を施す工程の後に、無機物の粉末を含むポリイミド樹脂をストランド導体間の空隙及びストランド導体を構成する素線間の空隙に含浸させ、硬化させることを特徴とする電磁コイルの製造方法。
【請求項５】
ほぼ正方形の断面形状を有するストランド導体と、前記ストランド導体からなる巻線の屈曲方向と垂直な方向の少なくともいずれかの側面に配置された、ホウ素を除去してなるガラス繊維のテープにポリイミドを含浸したプリプレグと、前記ストランド導体に横巻されたプリプレグと、前記プリプレグが横巻されたストランド導体からなる巻線の外周に横巻されたプリプレグと、前記巻線の屈曲方向と平行な面に配置された層間絶縁層と、前記ストランド導体間の空隙と前記ストランド導体を構成する素線間の空隙に充填された無機物の粉末を含むポリイミド樹脂からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の製造方法で製造される電磁コイル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐放射線電磁石などに用いる電磁コイルに関わり、特に電磁コイルを構成する導体間の絶縁の構成と、それを実現する方法に関わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
電荷を帯びた素粒子やイオンを高いエネルギー状態に加速し標的に衝突させて、原子核の構造などの研究を行なうために、各種の加速器が用いられている。この装置では、素粒子もしくはイオンの加速や、方向の制御にローレンツ力を用いるので、高磁場を発生させるための電磁石を多数設置する必要がある。そして、加速器においては、粒子の加速に伴う各種放射線の発生が避けられず、用いる電磁石についても、放射線に対する対策が必要となる。
【０００３】
このために、絶縁体の放射線による劣化を考慮して、ＭＩＣ（Mineral  Insulated  Cable）と称される無機物絶縁金属被覆ケーブルを用いて電磁コイルを構成する技術が開示されている。ところで、前記の電磁石の中には、パルス磁界を発生するために、交流を用いることがあり、有機高分子化合物による絶縁が必要となる場合がある。
【０００４】
つまり、交流を通電することに伴う渦電流損失を低減するために、ストランド導体を用いる必要があるが、この場合、巻線におけるストランド導体の間の絶縁を確保する必要があるのは当然のこととして、ストランド導体を構成する素線の間も絶縁することが、損失低減に寄与することとなる。
【０００５】
このような要求特性を満足させるため、ホウ素を除去したガラス繊維からなるテープにポリイミド樹脂を含浸したプリプレグ（以下、プリプレグと記す）を用いて、ストランド導体に横巻、即ち、スパイラルに巻き回して絶縁処理を施した後、巻き回して巻線とし、さらに巻線の外周にプリプレグの横巻を施し、ポリイミド樹脂を含浸させた電磁コイルが開示されている。
【０００６】
前記ポリイミド樹脂の含浸は、ストランド導体間の空隙、ストランド導体を構成する素線の間の空隙を、絶縁材料で充填するために行うのであるが、ポリイミド樹脂のような熱硬化型の高分子材料でも、硬化反応が完了する前は熱可塑性を有し、含浸操作後の流出のため、その効果を十分に発現できないことが多い。
【０００７】
そのため、前記ポリイミド樹脂には、金属酸化物を始めとする、絶縁性を有する無機物の粉末を混合し、見掛け上の粘性係数を調整して用いることがある。即ち、適当な平均粒径の無機物粉末の適当な量をポリイミド樹脂に混合することで、ポリイミド樹脂が流動し難くなり、導体間の空隙から殆ど流出せず、絶縁材料として機能するものである。
【０００８】
図４は、ストランド導体にプリプレグの横巻による絶縁を施している状態を模式的に示した図で、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は断面図である。図４において、４００はストランド導体、４０１はストランド導体を構成する銅からなる素線、４０２はアルミニウム製の冷却水通水用パイプ、４０３はプリプレグを示す。
【０００９】
また、図５は、前記のプリプレグの横巻を施したストランド導体を巻き回した後、外周にプリプレグの横巻を施している状態を示す図である。図５において、５０１はプリプレグの横巻による絶縁処理を施したストランド導体、５０３はプリプレグを示す。
【００１０】
しかしながら、前記のような方法で絶縁を施しても、層間の絶縁が必ずしも十分ではなく、層間絶縁破壊の虞から、電磁コイルに一定以上の電圧を負荷するのは困難であった。これは、ストランド導体にプリプレグの横巻を重ねて施しても、導体を巻き回して巻線を形成する際に、曲率半径が小さい箇所では、外周側と内周側の伸縮の差が大きく、外周側の絶縁厚さが減少すること、隣接するストランド導体が圧力の加わる方向で接する部分は、層間に挟まれたプリプレグとストランド導体を構成する素線が線接触もしくは点接触となるため、絶縁破壊が生じ易くなることなどによると推定される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の技術的な課題は、前記電磁コイルにおける前記の問題を解決するため、層間絶縁の信頼性向上を図り、層間絶縁破壊を生じなくする方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題の解決のため、ストランド導体への横巻以外の方法で、プリプレグを絶縁の構成要素として用いることを検討した結果なされたものである。
【００１３】
即ち、本発明は、断面形状がほぼ正方形のストランド導体の、対向する側面の少なくともいずれかに、ホウ素を除去してなるガラス繊維テープにポリイミド樹脂を含浸したプリプレグを沿わせる第１の工程と、前記ストランド導体に沿わせたプリプレグとは別のプリプレグを横巻する第２の工程と、前記プリプレグを沿わせた辺を、屈曲方向と垂直に配置した状態で、屈曲方向と平行な面に層間絶縁層を挿入しながら巻き回して巻線を形成する第３の工程と、前記巻線の外周にプリプレグの横巻を施す第４の工程と、前記巻線に端末処理を施す第５の工程を含むことを特徴とする電磁コイルの製造方法である。
【００１４】
また、本発明は、前記の電磁コイルの製造方法において、前記ストランド導体構成する素線は、銅もしくはアルミニウムのいずれからなることを特徴とする電磁コイルの製造方法である。
【００１５】
また、本発明は、前記の電磁コイルの製造方法において、前記ストランド導体は、冷却水を通水するためのパイプを有することを特徴とする電磁コイルである。
【００１６】
また、本発明は、前記の電磁コイルの製造方法において、前記巻線の外周にプリプレグの横巻を施す工程の後に、無機物の粉末を含むポリイミド樹脂をストランド導体間の空隙及びストランド導体を構成する素線間の空隙に含浸させ、硬化させることを特徴とする電磁コイルの製造方法である。
【００１７】
また、本発明は、ほぼ正方形の断面形状を有するストランド導体と、前記ストランド導体からなる巻線の屈曲方向と垂直な方向の少なくともいずれかの側面に配置された、ホウ素を除去してなるガラス繊維のテープにポリイミドを含浸したプリプレグと、前記ストランド導体に横巻されたプリプレグと、前記プリプレグが横巻されたストランド導体からなる巻線の外周に横巻されたプリプレグと、前記巻線の屈曲方向と平行な面に配置された層間絶縁層と、前記ストランド導体間の空隙と前記ストランド導体を構成する素線間の空隙に充填された無機物の粉末を含むポリイミド樹脂からなることを特徴とする、前記の製造方法で製造される電磁コイルである。
【００１８】
【作用】
本発明による電磁コイルにおいては、ストランド導体及びストランド導体により形成される巻線の外周にプリプレグの横巻による絶縁処理が施されている他に、層間の縦横両方向に絶縁層が装入されているので、従来の電磁コイルに比較して、高電圧での運転が可能となる。
【００１９】
しかも、これらの層間絶縁層は、単に横巻するプリプレグの厚さを増加したものではなく、縦横方向とも、別個に装入するので、ストランド導体を巻き回す際の内外周の伸縮の影響が及ばないので、横播きしたプリプレグよりも、高い絶縁機能を有するものである。特に、横方向、即ち、ストランド導体を巻き回すために屈曲させる方向と平行な方向には、プリプレグなどからなるシートを、予め巻線の形状に合わせて切断して層間に装入するので、高い信頼性を発現できる。
【００２０】
また、縦方向の層間絶縁層は、予めストランド導体の長さ方向にプリプレグなどからなるテープを沿わせた後に、プリプレグの横巻を施すことから、巻線作業に際し、別途に層間絶縁の配置を行わないので、位置ずれなどに配慮する必要がなく、作業性を向上することができる。
【００２１】
なお、プリプレグに用いるガラス繊維テープとして、ホウ素を含まないものを用いるのは、ホウ素が熱中性子を吸収することで、周囲のガラス繊維やポリイミド樹脂に損傷を与えるからである。即ち、ホウ素には原子量が１０のもの（１０Ｂ）と１１のもの（１１Ｂ）が１９.９／８０.１の比率で存在するが、１０Ｂが熱中性子を吸収すると、反跳粒子としてα線と７Ｌｉが生成し、それぞれの飛程が、５μｍ、２μｍであることから、周囲の物質に作用を及ぼすからである。
【００２２】
また、前記ガラス繊維テープに含浸したり、導体間に充填したりする絶縁材料としてポリイミド樹脂を用いるのは、高分子材料の中では、ポリイミド樹脂が、放射線に曝露された場合の劣化が最も少ないからである。
【００２３】
また、導体間に充填するポリイミド樹脂に混合する無機物の粉末としては、粉末状で得られるものであれば、特に限定されるものではなく、酸化マグネシウム、炭酸カルシウムなどが挙げられる。その中では、酸化ケイ素、つまりシリカが供給性、価格、化学的な安定性の点で好適である。
【００２４】
そして、導体間へ充填するための適正な流動性を確保するには、ポリイミド樹脂へ混合する無機物の粉末は、平均粒径を１.５μｍ以下、ポリイミド樹脂に対する混合量を、５〜１５重量％とする必要がある。また、一般に高分子材料に無機物もしくは有機物の繊維や粉末を混合して、機械的な強度などを向上することが行なわれているが、この場合も無機物の粉末の混合が、副次的な効果としてポリイミド樹脂のクラック発生防止などへの寄与が期待できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、具体的な例を挙げ、図を参照して説明する。
【００２６】
図１は、本発明による電磁コイルの一例における巻線の一部の断面を模式的に示した図である。図１において、１００はストランド導体で断面がほぼ正方形となっている。また、１０１はストランド導体を構成する素線、１０２は冷却水通水用パイプ、１０３はストランド導体に横巻したプリプレグ、１０４は縦方向の層間絶縁層、１０５は横方向の層間絶縁層、１０６は巻線の外周に横巻したプリプレグである。
【００２７】
また、図２は、ストランド導体プリプレグの横巻を施している状態を示す図で、図２（ａ）は全体の斜視図、図２（ｂ）は断面図ある。図２では、ストランド導体の１側面に層間絶縁層としてプリプレグを沿わせながら、別のプリプレグを横巻している。図２において、２００はストランド導体、２０１はストランド導体を構成する素線、２０２は冷却水通水用パイプ、２０３はプリプレグ、２０４は層間絶縁層としてのプリプレグを示す。
【００２８】
本実施の形態においては、ストランド導体に図２に示したように、層間絶縁層の配置とプリプレグの横巻を施した後、図２における層間絶縁層２０４が内側に配置されるように、ストランド導体を巻き回して巻線を形成する。その際に、導体を屈曲させる方向と平行な面に、やはりプリプレグからなり、図１において１０５で示される層間絶縁層を配置する。これによって、縦方向にプリプレグの横巻とは別途に縦横両方向に層間絶縁層を配置したのとまったく同様の効果が得られる。
【００２９】
このようにして形成された巻線を、平均粒径が１.２μｍのシリカ粉末を１０重量％混合したポリイミド樹脂を満たした密閉可能な容器に浸漬し、ポリイミドの含浸を行った。この操作は、ポリイミド樹脂が導体の間隙に十分含浸するように、前記容器を真空ポンプを用いて減圧して行った。含浸後は、さらに導体間にポリイミド樹脂が十分に浸透するように、容器内部に１５０ｋPaの圧力を加えた。その後は、高温槽を用い、ポリイミド樹脂の予備硬化、後硬化をそれぞれ１２０℃×６時間、１５０℃×４時間という条件で実施した。
【００３０】
図３は、このようにして得られた巻線の外観を示した図である。その後、この巻線に通電するためにブスバーを取り付けたり、冷却水を通水するための配管用部品を取り付けたりして、電磁コイルとした。
【００３１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、層間絶縁層を配置することで、交流が通電され放射線に暴露される環境でも絶縁劣化が極めて少なく、しかも層間絶縁破壊や、渦電流損失に基づく損失が、極めて少ない電磁コイルが得られる。本発明による電磁コイルは、前記のような特長を具備することから、従来に比較して高電圧での運転も可能であり、きわめて有用性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電磁コイルの一例における巻線の一部の断面を模式的に示す図。
【図２】ストランド導体プリプレグの横巻を施している状態を示す図、図２（ａ）は全体の斜視図、図２（ｂ）は断面図。
【図３】巻線の外観を示した図。
【図４】ストランド導体にプリプレグの横巻による絶縁を施している状態を模式的に示す図、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は断面図。
【図５】プリプレグの横巻を施したストランド導体を巻き回した後、外周にプリプレグの横巻を施している状態を示す図。
【符号の説明】
１００，２００，４００，５０１    ストランド導体
１０１，２０１，４０１    素線
１０２，２０２，４０２    冷却水通水用パイプ
１０３，１０６，２０３，４０３，５０３    プリプレグ
１０４，１０５，２０４    層間絶縁層
【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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