(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ストランド導体に、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横巻する第１の工程と、前記プリプレグの横巻を施したストランド導体を巻き回して巻線を形成する第２の工程と、前記巻線にポリイミド樹脂を含浸する第３の工程と、前記ポリイミド樹脂に硬化処理を施す第４の工程と、前記ポリイミドの硬化処理を終えた巻線の外周にプリプレグの横巻を施す第５の工程と、前記巻線に端末処理を施す第６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、前記巻線にポリイミド樹脂を含浸する工程に用いるポリイミド樹脂は、平均粒径が１.５μｍ以下の無機物の粉末が、ポリイミド樹脂に対して、５〜１５重量％混合されてなることを特徴とする電磁コイルの製造方法。
【請求項５】
ストランド導体と、前記ストランド導体に横巻されてなる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、このストランド導体を巻き回して巻線とし、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なうのであるが、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３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３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は断面図である。図３において、３００はストランド導体、３０１はストランド導体を構成する銅からなる素線、３０２はアルミニウム製の冷却水通水用パイプ、３０３はプリプレグを示す。
【０００９】
しかしながら、前記のような方法で絶縁を施しても、対地絶縁が必ずしも十分ではなく、このような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。この対策として巻線の外周にマイカなどを含む材料で絶縁処理を施すことがあったが、機械的な強度などに問題があった。
【００１０】
また、全体を樹脂モールドすることにより、絶縁することも行なわれていたが、この場合は、巻線と型の間に必要な空隙を確保するために用いる支柱の跡を、別途埋め込む必要があるなどの課題があった
【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、対地絶縁の信頼性向上を図り、従来よりも高電圧で運転可能な電磁コイルを得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に、さらに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、ストランド導体に、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横巻する第１の工程と、前記プリプレグの横巻を施したストランド導体を巻き回して巻線を形成する第２の工程と、前記巻線にポリイミド樹脂を含浸する第３の工程と、前記ポリイミド樹脂に硬化処理を施す第４の工程と、前記ポリイミドの硬化処理を終えた巻線の外周にプリプレグの横巻を施す第５の工程と、前記巻線に端末処理を施す第６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、前記巻線にポリイミド樹脂を含浸する工程に用いるポリイミド樹脂は、平均粒径が１.５μｍ以下の無機物の粉末が、ポリイミド樹脂に対して、５〜１５重量％混合されてな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、前記ストランド導体に横巻されてなる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、プリプレグの横巻が施されたストランド導体を用いて巻線を形成し、ポリイミド樹脂を含浸、硬化した後、さらに巻線の外周にプリプレグの横巻を施すので、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ポリイミド樹脂が充填され、渦電流損失が低減するとともに、対地絶縁特性も向上する。このため、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】
また、巻線への含浸工程に用いるポリイミド樹脂には、粘性係数の調整のため、無機物の粉末が混合してあることから、含浸工程以降の硬化工程などにおいて、ポリイミド樹脂が流出することなく、十分に絶縁材として機能する。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
【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。
【００２５】
図１は、本発明による電磁コイルの一例における、巻線へプリプレグの横巻の状態を模式的に示した図で、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は断面図である。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はストランド導体からなる巻線の外周に横巻したプリプレグである。
【００２６】
本実施の形態においては、ストランド導体へのプリプレグの横巻は、図３に示した従来例と同様に行なう。このように、プリプレグからなる絶縁層を設けた後、所要のターン数、形状に巻き回し、巻線を形成した。
【００２７】
次に、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調製し、これを満たした容器に前記巻線を浸漬し、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ポリイミド樹脂を含浸した。この際、容器には密閉可能なものを用い、真空ポンプにより内部を減圧して、ポリイミド樹脂が空隙に十分浸透するように処置した。含浸操作の後は、容器内を１５０ｋPaに加圧し、ポリイミド樹脂が導体の間隙に十分浸透させた。
【００２８】
そして、高温槽を用いて、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。その後は、図１に示したように、巻線へのプリプレグの横巻を施し、さらにプリプレグに含まれるポリイミド樹脂の硬化処理を行なった。
【００２９】
図２は、プリプレグの横巻の工程までを終えた、巻線の概略を示す斜視図である。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。
【００３０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、巻線の外周にプリプレグからなる絶縁層を設けることで、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、しかも対地絶縁特性に優れ、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、巻線へプリプレグの横巻の状態を模式的に示した図で、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は断面図。
【図２】プリプレグの横巻の工程までを終えた、巻線の概略を示す斜視図。
【図３】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、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は断面図。
【符号の説明】
１００，３００    ストランド導体
１０１，３０１    素線
１０２，３０２    冷却水通水用パイプ
１０３，１０４，３０３    プリプレグ
【図１】
0003782706.tif 000002
【図２】
0003782706.tif 000003
【図３】
0003782706.tif 000004