成蹊大学理工学研究報告
J. Fac. Sci. Tech., Seikei Univ.
Vol.42 No.1 (2005) pp.1-6任意波形磁界発生装置の試作とそれによる高温超電導バルク体の着磁と消磁
加賀野井 啓介＊1，石郷岡

猛＊2，二ノ宮 晃＊3

Manufacture of Universal-Wave-Shape Magnetic Field Generator andMagnetization/Demagnetization of Bulk HTS Conductor
Keisuke KAGANOI＊1, Takeshi ISHIGOHKA＊2, Akira NINOMIYA＊3,
ABSTRACT：The authors carried out an experiment of the magnetization of HTS using various
wave-shapes including a single shot DC magnetic pulse field, a gradually increasing magnitude AC field,
and a constant magnitude AC field, etc.. The experimental result shows that the magnetization efficiency
is improved by introducing an initial AC constant magnitude field succeeded by a gradually decreasing
DC magnetic field. The magnetization efficiency is about 2 times better than a single shot DC pulse fieldwith the same height and the duration.
Keywords：high temperature superconductor, bulk, pulse magnetization(Received March 25, 2005)

１．はじめに可能としている。これには大容量・高耐圧のコンデンサを使用し，コイルに瞬間的に数 kA にもなる電流を流す

バ ル ク の 高 温 超 電 導 体 (HTS: High Temperatureことが必要である。即ち，別に着磁専用のコンデンサバ

Superconductor) は，そのピンニング特性を利用し，永久ンクが必要となる。このため，本研究では着磁専用コン磁石の 10 倍以上の磁束密度をもつ強力な磁石にするこデンサバンクを用いずにインバータを着磁に応用することができる。その強力な磁力は，電動機や発電機，あるとを考えたものである 3)。コンデンサバンクを用いる場合

いは超電導浮上式鉄道への応用が期待されている。バルと異なり，利用できる電圧・電流は大幅に制限される

ク超電導磁石の着磁法には，超電導磁石の磁界を用いるが，その一方，パルス幅可変インバータを用いる事によ

準静磁界着磁法（ゼロ・フィールド・クール法及びフィり波形を任意に調整できる。

ールド・クール法）と1),2)，着磁コイルにパルス電流を流本研究では，バルク体の着磁に適した任意波形の磁界してパルス磁界によって着磁するパルス着磁法がある。

を印加することで，着磁磁界を高める可能性に着目した。

準静磁界着磁法によれば，強い着磁ができるが，着磁装Gm 系 HTS バルク体を用いた着磁実験の結果，本方式を置自体が大きく，高温超電導体を機器に組みこんだ状態用いれば同じピーク値を持つ直流磁界および単発パルスでのオンサイト着磁は困難である。これに対しパルス着着磁に比較して，より大きな着磁磁束が得られることを磁法では機器に組み込んだ状態でオンサイト着磁ができ確認した。

るので実用性が高い。

２．原

しかしながら，現在行われているパルス着磁の研究の理ほとんどは，バルク体の上部臨界磁界を超える大きな単発パルス磁界を発生させることで，数千 Gauss の着磁を本研究では 0.355T（3550Gauss）を印加磁界の上限とした実験を行った。この磁界は，一般的なパルス着磁法＊1：工学研究科電気電子工学専攻修士学生＊2と比較すると 1/20 程度の印加磁界であるが，本研究では＊3

着磁磁界の大きさそのものではなく，フィールドクール：電気電子工学専攻教授 (ishigoka@st.seikei.ac.jp)：電気電子工学専攻助手−1−

や単発パルスによる磁化との比較を第一の目的として行ったものである。
一般に，高温超電導バルク体では，振動磁界を印加すると，交流損による発熱により最外周部の温度が上昇する。これによりさらに内側に熱が伝わり，磁束の侵入を抑制するピン止め力が低下してフラックス・ジャンプが起こり，磁束はより内側に侵入する。この方法を活用すれば，比較的に低い磁界でもバルク体内部まで磁束を侵入させることができる。その後印加磁界を緩やかに減少させれば，バルク体内部に達した磁束は冷却に伴いピン止めされ，同一の大きさの直流による着磁よりも大きい着磁量が得られることが期待される。

３．実験装置図３

ホール素子による磁界測定範囲

図 1 に，使用した新日本製鉄㈱製の Gd（ガドリニウム）系高温超電導材料を示す。寸法は直径 20ｍｍ，厚さ 101mmｍｍ，重さは 21.32g，臨界温度は 91K である。

1mm

図４

高温超電導バルク体とホール素子の位置関係

着磁磁界の検出にはホール素子を使用し，これを X・
図１

高温超電導バルク体

Y 方向に任意のピッチで駆動制御できるパルスステージに固定した。磁界測定範囲を図 3 に，バルク体とホール素子との位置関係を図 4 に示す。

４．任意波形磁界発生装置の製作
必要な印加電圧波形を得るため，Labview 開発言語を用いてインバータ素子の ON-OFF 信号と直流電源電圧の両方を制御した。希望する波形は PC のソフトウェアのみで得ることができる。
任意波形電流電源は，PC からのプログラマブルコント
図２

着磁用銅コイル

ロール専用に設計した任意波形磁界を得るためのインバータである。本装置はコイルへの電流供給を行う主回路，

図 2 に，着磁用銅コイルを示す。着磁用コイルの中心

PC 本体，プログラムの不具合による事故を防ぐための保部にはバルク体を設置できるスペースが設けられている。

護回路，制御信号と主回路を絶縁し IGBT 素子のゲート

寸法は外径 140mm 内径 36mm 高さ 72mm 巻線断面信号を生成する駆動回路，大容量直流電源の出力電圧・52mm×36mm である。線材にはφ1.3mm のホルマール銅電流制御用信号の整合回路で構成した。図 5 に主回路を線を用い，18 層で合計 979 ターン巻きである。

示す。着磁コイルのインダクタンスによる誘導電圧を吸収し，素子の破壊及と直流電源への逆流を防止するため，−2−

外部コンデンサと直流電源の出力端子に耐圧 1200V のダれに対し，ゼロ・フィールド・クール法による最大着磁イオードを取り付けている。

磁界は，印加磁界 3550Gauss の条件下で 199Gauss の捕捉磁界であった。フィールド･クール法に比べゼロ・フィー
ルド・クール法による最大着磁磁界は 1/10 以下であるが，本研究では，これをどの程度向上出来るかを目指した研究を行った。
5．2

消磁

着磁実験の際，前に行った実験の捕捉磁界が残っていては，重ねて着磁することになるため，正確なデータが得られないので，消磁が必要である。確実な消磁方法としては，高温超電導バルク体を臨界温度以上に昇温する
図５

主回路方法があるが，これを繰り返すとバルク体の劣化を招くと共に実験時間が長くなる。そこで，振動パルス磁界を図6および図7に，任意波形電流電源の外観および内部印加し，その振幅を漸減させて，交流損による発熱も活を示す。

用し消磁する手法を用いた。図 8 に示す消磁磁界波形を元に，印加磁界の大きさ，および周波数等のパラメータを変え，効率よい消磁が得られる波形を求めた。実験の結果，印加磁界の周波数を上げてパルス数を増やすと消磁効率が上がり，20Hz で 99%の消磁効率が得られた。その結果を図 9，10 に示す。

図６

図７

任意波形電流電源の外観

図８

消磁磁界波形図９

消磁前磁束密度分布

任意波形電流電源の内部

５．実験結果と検討
5．1

静磁界着磁法によるバルク体の着磁任意波形磁界発生装置によるパルス着磁に先立ち，静磁界着磁法によるバルク体の着磁を行った。
フィールド・クール法による最大着磁磁界は，印加磁界 3550Gauss の条件下において 2218Gauss であった。こ−3−

と思われる。なお，印加磁界 3550 Gauss における最大着磁磁束密度は 230 Gauss であった。
高温超電導バルク体の捕捉磁界の変化の観測結果から，ピークホールド時間が 3 秒まではピークホールド時間を伸ばすことにより捕捉磁界の増加が見られるが，それ以上ではほとんど変化がないことが判った。
なお，印加磁界の大きさによる高温超電導バルク体の捕捉磁界の変化に関しては，360Gauss 以下の印加磁界では着磁できず，720Gauss 以上から着磁できることが判った。すなわち，この間に下部臨界磁界があり，これより小さい印加磁界ではバルク体内部に磁束は入らないので磁界を捕捉することはできないこと，また，本実験での
図 10

消磁後磁束密度分布標準的印加磁界である 3550Gauss では十分混合状態に入っていることが判った。

高温超電導バルク体の捕捉磁界は，振動パルス磁界を5．4印加していくと，磁束が侵入しやすい状態になり，高温超電導バルク体の温度上昇とヒステリシス特性により消脈流･直流複合磁界による着磁

高温超電導バルク体は，振動磁界を印加すると，交流磁できると考えられる。

損による発熱により温度が上昇し，磁束の侵入を排除するマイスナー効果が低減，ピン止め力が低下し，磁束が5．3直流磁界による着磁バルク体中心部まで侵入しやすくなる。この状態でバル一定磁界を十分長い時間印加すれば，磁束密度は一定

ク体内部まで磁束を侵入させ，その後印加磁界を緩やかになるはずである。この時間を調査した。また，磁束がに減少させれば，冷却によりバルク体内部に収まってい侵入し始める下部臨界磁界についても調査した。図 11

る磁束はピン止めされ，同一の大きさの直流準静磁界にに示す直流印加磁界波形のピークホールド時間，大きさよる着磁よりも大きい着磁量が得られると推定される。

を変え，それぞれの実験を行った。

この考えに基づき，図 12 に示す印加磁界波形を用いて着磁を行った。すなわち，交流部は正の範囲で振動する脈流磁界とし，その後に緩やかに減減する直流部を持つ磁界を印加した。その結果の着磁磁界分布を図 13 に示す。

図 11

直流印加磁界とバルク体中心磁界の変化(ピークホールド時間 2 秒)
図 12 脈流･直流複合印加磁界とバルク体中心磁界の変化(印加磁界ピーク値 3550 Gauss)

図 11 において，高温超電導バルク体の表面磁界はコイル電流から計算した印加磁界よりも大幅に小さい。これは高温超電導バルク体が混合状態（超電導状態と常電導状態）に止まっており，マイスナ−効果により，高温超電導バルク体内に完全に磁束が入り込めないためである−4−

図 135．5

図 14交流印加磁界時間 5 秒の場合の印加磁界波形とバルク体中心磁界の変化

図 15

交流印加磁界時間 5 秒の場合の着磁磁界分布

着磁後の捕捉磁界分布

交流･直流複合磁界による着磁

前節では，印加磁界の前半部における振動磁界部に負の部分がない方が着磁効率が良いと考え，前半部は正の範囲で振動する脈流磁界による着磁特性について述べたが，本節では，前半部に正負両極に振動する交流振動磁界を印加した実験結果について述べる。
実験の結果，前半の交流磁界印加時間が 4 秒以上になると捕捉磁界が増えることが確認できた。印加磁界に対する高温超電導バルク体の表面磁界の割合は，交流磁界5．6検討

印加時間が 3 秒の場合は 16.5％なのに対し，4 秒では前節で述べたように，交流･直流複合磁界による着磁に21.3％，5 秒では 30.4％に達した。交流振動時間を増加さおいて得られた最大の捕捉磁界 456 Gauss は，ゼロ・フせることで，交流損による発熱で高温超電導バルク体のィールド・クール法による捕捉磁界 199Gauss の 230%に温度が上昇し，磁束の侵入を排除するマイスナー効果を達し，フィールド・クール法による捕捉磁界 2218 Gauss低減する。この状態で直流磁界に切り替えることでバルの 21％となった。図 16 に各着磁方式による捕捉磁界のク体内部まで磁束が侵入し，より大きい着磁量が得られ大きさの比較を示す。

たと推定できる。
図 14 に，交流磁界印加時間が 5 秒の場合の印加磁界波形とバルク体中心磁界の変化を，図 15 に着磁後の捕捉磁界分布を示す。

図 16−5−捕捉磁界断面なお，本実験において着磁用コイルは液体窒素中に浸率を改善出来る可能性があることがわかった。

漬して通電したが，交流通電時間を 5 秒以上にすると液なお，任意波形磁界発生装置の周波数を向上し，同一体窒素の沸騰が顕著になり，コイル焼損のおそれがあるの交流通電時間でもより大きなサイクル数を使用する事ため，最大交流通電時間を最大 5 秒に止めた。

により一層着磁効率が向上する可能性があると思われる。

６．むすび

参考文献

本研究では，インバータを用いた任意波形磁界発生装

1）加賀野井啓介，石郷岡

猛，二ノ宮 晃，
「HTS バ置を試作し，交流磁界と直流磁界を組み合わせた最適着ルク体の磁化過程における AE の検出」
，2003 年電気磁波形を得ることを試みた。その結果，同じ大きさの直学会全国大会，No.5-136，2003 年 3 月

流磁界によるゼロ・フィールド・クール法に比べ，約 2.32）加賀野井 啓介，石郷岡猛，二ノ宮 晃，「HTS バ倍の捕捉磁界が得られ，よりフィールド・クール法の捕ルク体の着磁過程に発生する AE の観測」，
第 15 回「電捉磁界に近づいた。

磁力関連のダイナミクス」シンポジウム，金沢，2003

今回の実験結果から，振動磁界から直流磁界へのスム

年 5 月 28〜30 日，No. 3A13，pp.305〜308

ーズな切替が効果的であることがわかった。また，正方

3）加賀野井啓介，石郷岡

猛，二ノ宮晃，「任意波向だけの脈動磁界よりも，正負両極性 (振幅は 2 倍）の形磁界発生器を用いた高温超電導バルク体の着磁」，交流磁界の方が着磁効率が高いことがわかった。

成蹊大学工学研究報告, Vol.41, No.2, pp.45-46，2004

本実験では，絶対量としての捕捉磁界の大きさは小さ

年 12 月かったが，本方式を用いれば，印加磁界に対する着磁効−6−