特開 2024-170964 電磁石システム、電磁石システム演算方法、電磁石システム製造方法および電磁石システム演算装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024170964

(43)【公開日】2024-12-11

(54)【発明の名称】電磁石システム、電磁石システム演算方法、電磁石システム製造方法および電磁石システム演算装置

(51)【国際特許分類】

   H01F 7/20 20060101AFI20241204BHJP

   H01F 6/00 20060101ALI20241204BHJP

【ＦＩ】

H01F7/20 Z

H01F6/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023087761

(22)【出願日】2023-05-29

(71)【出願人】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮副 照久

(72)【発明者】

【氏名】市村 拓也

(72)【発明者】

【氏名】冨樫 央

(72)【発明者】

【氏名】今村 寿郎

(57)【要約】

【課題】電磁石システムのレンタルサービスの効率を高める。
【解決手段】電磁石システム１０１は、第１の電磁石となる超伝導電磁石１１０，１１４と、第１の電磁石が発生する磁場の磁場分布を計測する磁場分布計測センサ１０３と、第１の電磁石の磁極形状に関するデータを記憶している記憶装置と、第１の電磁石と組み合わせて用いることで前記磁場分布とは異なる磁場分布である要求磁場分布を発生させる第２の電磁石３２１の磁極形状を示す電流分布を、第１の電磁石の磁極形状に関するデータを用いて演算する演算部と、を備えている。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の電磁石と、
前記第１の電磁石が発生する磁場の磁場分布を計測するセンサと、
前記第１の電磁石の磁極形状に関するデータを用いて、前記第１の電磁石と組み合わせて用いることで前記磁場分布とは異なる磁場分布である要求磁場分布を発生させる第２の電磁石の磁極形状を示す電流分布を演算する演算部と、を備えていることを特徴とする電磁石システム。

【請求項2】

前記演算部で演算した前記第２の電磁石の磁極形状を示す電流分布を出力する出力部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電磁石システム。

【請求項3】

前記第１の電磁石の磁極形状に関するデータを記憶している記憶装置を備え、
前記記憶装置は、前記第１の電磁石の磁極形状に関するデータとして前記第１の電磁石の磁極形状を示す電流分布のデータを記憶している請求項１に記載の電磁石システム。

【請求項4】

前記要求磁場分布の入力を受け付ける入力部を備えている請求項１に記載の電磁石システム。

【請求項5】

記憶装置を備え、
前記記憶装置は、前記第１および第２の電磁石の励磁電流に関するデータと、前記第１および第２の電磁石の温度データを記憶し、
前記演算部は、前記励磁電流に関するデータと前記温度データとに基づいて、前記第１および前記第２の電磁石の冷却装置の運転推奨時間を求め、
前記出力部は、前記運転推奨時間を出力する、ことを特徴とする請求項２に記載の電磁石システム。

【請求項6】

前記記憶装置は、前記第１および第２の電磁石の温度データを記憶し、
前記第１および第２の電磁石に配置するヒータの出力を制御する制御部を備えることを特徴とする請求項５に記載の電磁石システム。

【請求項7】

前記センサの位置を可変する駆動機構を、備えていることを特徴とする請求項１に記載の電磁石システム。

【請求項8】

前記第２の電磁石を備え、
前記第２の電磁石は、前記第１の電磁石とは異なる励磁電源で励磁する、ことを特徴とする請求項１に記載の電磁石システム。

【請求項9】

前記第２の電磁石を備え、
前記第２の電磁石は、励磁電源を要せず、前記第１の電磁石が発生する磁場を遮蔽することで磁場の増幅をする、ことを特徴とする請求項１に記載の電磁石システム。

【請求項10】

前記第２の電磁石は、超電導薄膜を積層している、ことを特徴とする請求項９に記載の電磁石システム。

【請求項11】

第１の電磁石と、
前記第１の電磁石が発生する磁場の磁場分布を計測するセンサと、
前記第１の電磁石の磁極形状に関するデータを用いて、前記第１の電磁石と組み合わせて用いることで前記磁場分布とは異なる磁場分布である要求磁場分布を発生させる第２の電磁石の磁極形状を示す電流分布を演算する演算部と、を備えている電磁石システムを用い、
前記第２の電磁石の磁極形状を示す電流分布を演算する第１工程と、
前記第１工程で演算した前記第２の電磁石の磁極形状を示す電流分布を出力する第２工程と、を備えていることを特徴とする電磁石システム演算方法。

【請求項12】

請求項１１に記載の電磁石システム演算方法で演算した前記第２の電磁石の磁極形状を示す電流分布に基づいて前記第２の電磁石を製造する第３工程と、
前記第３工程で製造した前記第２の電磁石を前記電磁石システムに設置する第４工程と、を備えていることを特徴とする電磁石システム製造方法。

【請求項13】

電磁石システムの第１の電磁石の磁極形状に関するデータを用い、前記第１の電磁石と組み合わせて用いることで当該第１の電磁石に当初の磁場分布とは異なる磁場分布である要求磁場分布を発生させる第２の電磁石の磁極形状を示す電流分布を演算する演算部と、
前記演算の結果を出力する出力部と、を備えていることを特徴とする電磁石システム演算装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電磁石システム、電磁石システム演算方法、電磁石システム製造方法および電磁石システム演算装置に関する。

【背景技術】

【0002】

本技術分野の背景技術として、国際公開２０１６／１３３２０４公報（特許文献１）がある。この公報には、「磁場計測値から、仮想的に配置し、計測位置を囲む電流面を想定し、計測磁場が再現される電流分布（または磁気モーメント分布）を電流ポテンシャルを通して再現し、その再現した磁場分布を含むシミング手法を提供する。磁場計測装置によって取得された磁場分布を再現するような磁気モーメントもしくは電流分布を、予め定められた閉曲面上で推定し、前記推定された磁気モーメントもしくは電流分布から前記閉曲面内に存在する任意点の磁場分布を推定する。そして、前記推定された磁場分布に基づき、前記任意点の磁場分布を修正する補正磁場を生じさせるシム磁性体の分布を出力する。」と記載されている（要約参照）。

【0003】

別の背景技術として、特開２０２１－２６６９５号公報（特許文献２）がある。この公報には、「レンタル機材管理システムの管理サーバは、プロセッサとメモリを有し、レンタルされる機材を管理する。プロセッサは、機材のそれぞれの稼働情報を収集して、稼働情報が所定の稼働条件を満たしていない機材を融通可能な機材として抽出し、抽出された機材を利用している地理情報を含めて融通機材情報を生成する。プロセッサは、機材を利用する需要情報を受け付けて、需要情報に含まれる地理情報と、融通機材情報に含まれる地理情報を比較して、所定の地理条件を満たす融通機材情報の機材を融通可能性情報として生成する。」と記載されている（要約参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開２０１６／１３３２０４公報

【特許文献2】特開２０２１－２６６９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１，２に開示の技術は、電磁石システムのレンタルシステムの効率を高めるという観点からは改善の余地があった。
そこで、本発明は、電磁石システムのレンタルサービスの効率を高めることができる電磁石システム、電磁石システム演算方法、電磁石システム製造方法および電磁石システム演算装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するため、本発明は、第１の電磁石と、前記第１の電磁石が発生する磁場の磁場分布を計測するセンサと、前記第１の電磁石の磁極形状に関するデータを用いて、前記第１の電磁石と組み合わせて用いることで前記磁場分布とは異なる磁場分布である要求磁場分布を発生させる第２の電磁石の磁極形状を示す電流分布を演算する演算部と、を備えている。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、電磁石システムのレンタルサービスの効率を高めることができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の実施形態１に係る電磁石システムのレンタルサービスの流れを説明するブロック図である。

【図2】本発明の実施形態１に係る電磁石システムの一構成例を示すシステム構成図である。

【図3】本発明の実施形態１に係る電磁石システムの制御装置等の電気的な接続を模式的に示すブロック図である。

【図4】本発明の実施形態１に係る電磁石システムの制御装置等における演算部が実行する処理を説明するフローチャートである。

【図5】第２の電磁石を設置した本発明の実施形態１に係る電磁石システムの一構成例を示すシステム構成図である。

【図6】本発明の実施形態２に係る電磁石システムのレンタルサービスの流れを説明するブロック図である。

【図7】第２の電磁石を設置した本発明の実施形態２に係る電磁石システムの一構成例を示すシステム構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
まず、本実施形態の課題について説明する。
本実施形態では、電磁石を備え、この電磁石で発生させる磁場によって所定の目的を達成するためのシステムを「電磁石システム」と呼ぶことにする。電磁石システムでは、コイル状に巻線を巻いた電磁石に通電することで磁場を発生させる。
近年、電磁石システムは、医療分野、核融合分野、電動化分野等の様々な分野での研究開発等に使用されている。この研究開発等に使用される電磁石システムは、これまでは、用途に合わせて、要求される磁場を発生させることができるように１台１台設計され、製造されてきた。また、電磁石システムは、研究用途によっては高精度の磁場が要求され、製造誤差等のシステムごとのばらつきを考慮に入れた磁場の調整が必要となる。

【0010】

ここで、前記特許文献１には、電磁石システムについて製造誤差による磁場のばらつきの調整を行うことを目指した技術について開示されている。このように、電磁石システムを製作するに際しては、製造誤差等の装置ごとのばらつきを考慮に入れた磁場の調整が必要となる。
一方で、電磁石システムは特定の研究用途等に合わせて製造されるため、その研究用途等が達成されると、今まで使用されていた電磁石システムは、遊休状態となって該当の研究機関等で保有される状態となることがあった。

【0011】

これに対して、一般機材では、そういった遊休状態を回避するために、レンタルサービス等による機材の遊休状態の回避の工夫が考えられている。前記特許文献２の技術では、建設機材のレンタルサービスにおいて、建設機材の稼働情報や位置情報まで管理して、レンタルサービスにおける建設機材の稼働率の向上を図ることを目指している。
しかしながら、電磁石システムにおいては、その用途に応じて要求される磁場が異なることが多く、同じ機器構成の機材を提供する既存のレンタルサービスでは、ある用途での使用が終了した電磁石システムを次の用途に使用しようとすることは困難な場合がほとんどである。このような問題に対処するために、これまでは、用途ごとに電磁石システムを１台１台製造するしかなかった。

【0012】

しかし、電磁石システムにおいても、レンタルサービスを行うようにして、ある用途でのレンタルを終了した電磁石システムを次の用途のためにレンタルでの提供を可能とすることを、短時間で低コストによる電磁石システムの調整を行うだけで実現できるようにしたい。
以下では、短時間で低コストによる調整を行うだけで電磁石システムをレンタルサービスに提供できるようにして、電磁石システムのレンタルサービスの効率を高めることができるようにした技術について説明する。

【実施形態１】

【0013】

図１は、本実施形態１に係る電磁石システムのレンタルサービスの流れを説明するブロック図である。図１に示すように、当該サービスは、電磁石システム１０１（図２）の製造、調整を行う製造事業者１１、製造事業者１１が製造、調整（保守点検を含む）する電磁石システム１０１の所有者１２（電磁石システム１０１のリース会社、レンタル会社等）が使用する。また、前記サービスは、電磁石システム１０１を所有者１２からレンタル（リース等の様々な貸し出し形態も含めて、以下では「レンタル」という）されて使用する使用者Ａ、使用者Ｂも使用する。ここで使用者は使用者Ａ，Ｂの２者だけを記載しているが、使用者はより多数存在していてもよい。以下では、所有者２１がレンタルで使用者Ａに提供した電磁石システム１０１の使用者Ａでの使用が終了し、次に同じ電磁石システム１０１を所有者２１が使用者Ｂにレンタルする局面を考える。ここで、使用者Ｂが電磁石システム１０１に求める磁場（要求磁場）は、使用者Ａの要求磁場とは異なっているのが通例である。そのため、所有者２１は、使用者Ａが使用していた電磁石システム１０１をそのまま使用者Ｂにレンタルするのでは、使用者Ｂのニーズには答えられない。

【0014】

まず、製造事業者１１は、所有者２１に電磁石システム１０１を「装置提供」し、また、電磁石システム１０１の「保守点検」のサービスを提供する（ステップＳ１１）。電磁石システム１０１の所有者２１は、電磁石システム１０１の「稼働情報」等の電磁石システム１０１の保守に必要な情報（電磁石システム１０１の動作時の磁場の情報や、超伝導システムの冷却装置による冷却時間等）を製造事業者１１に提供する（ステップＳ１２）。これは、製造事業者１１は、電磁石システム１０１の製品情報は知っているが、どのように電磁石システム１０１が使用されているかは知らず、それは電磁石システム１０１のユーザ側でしか知りえない情報だからである。

【0015】

所有者２１は、電磁石システム１０１を使用者Ａに貸し出す（装置貸出）（ステップＳ１３）。電磁石システム１０１の使用者Ａが、電磁石システム１０１を使用したときに電磁石システム１０１の磁場分布計測センサ（センサ）１０３（図２）によって計測される磁場のデータ、および電磁石システム１０１の運転のデータ（磁場・運転データ）は電磁石システム１０１の制御装置１０４（図２）に記憶される（Ｓ１５）。使用者Ａが電磁石システム１０１に要求する磁場と異なる磁場（要求磁場）を同じ電磁石システム１０１に要求する使用者Ｂに対して、製造事業者１１は、電磁石システム１０１に最初から設置されている第１の電磁石（超伝導電磁石１１０，１１４（図２））に追加で設置される第２の電磁石３２１（図５）の磁極形状の「提案」を行う（ステップＳ１４）。すなわち、使用者Ｂは電磁石システム１０１への要求磁場が使用者Ａとは異なる。そこで、製造事業者１１は、電磁石システム１０１に付加的に設置することで使用者Ｂの要求磁場を実現することができる第２の電磁石３２１の磁極形状を提案し、当該第２の電磁石３２１を製造して、当該電磁石システム１０１に付加的に「設置」する（ステップＳ１４）。

【0016】

また、製造事業者１１は、電磁石システム演算装置３１１を備えていてもよい。後記するように製造事業者１１は、所定の演算処理を行うが、この演算は、後記する電磁石システム１０１の制御装置１０４（図２）で行ってもよいし、電磁石システム演算装置３１１で行ってもよい。

【0017】

図２は、本実施形態１に係る電磁石システムの一構成例を示すシステム構成図である。電磁石システム１０１は、例えば、磁場環境下で所定の物の検証をしたい、均一な磁場空間であって所定の装置が入る大型の空間が欲しい等という需要に応えるものである。図２に示す例は、第１の電磁石として超伝導電磁石１１０，１１４を設置した場合の例である。本例では、超伝導電磁石１１０と超伝導電磁石１１４とは上下に配置されている。超伝導電磁石１１０と超伝導電磁石１１４とは基本的に同じ構成であり、それぞれの共通の部材には同じ符号を付している。超伝導電磁石１１０は、上下に配置されたクライオスタット１６０の内部に荷重支持体１６１を介して配置される。超伝導電磁石１１０は巻き芯１１２、超伝導コイル巻き線１１１、冷却部材１１３を備えている。超伝導電磁石１１４も同様の構成である。

【0018】

クライオスタット１６０は、公知の極低温用真空容器等を適用することが可能であり、例えば、ステンレスやアルミ合金等の金属、強化繊維プラスチック（ＦＲＰ：Fiber-Reinforced Plastics）等で形成される。
荷重支持体１６１は、その構成が限定されるものではないが、熱侵入量の低減と強大な電磁力の支持という機能が必要となることから熱伝導率が小さく、比較的強度を有する材料を使うのが望ましい。例えば、ＦＲＰ等が好ましい。

【0019】

超伝導コイル巻き線１１１は、超伝導パワーリード１２２ａ，１２２ｂを介して、導入端子１２１ａ，１２１ｂ、ひいては導線１７４に接続されている。導線１７４は励磁電源１２０と超伝導電磁石１１４，１１０とを接続しており、励磁電源１２０を運転するための制御信号が、信号線１７２を介して制御装置１０４から励磁電源１２０に送られる。その一方で、励磁電源１２０の運転時の電流値、電圧値等は信号線１７２を介して制御装置１０４に送信され、記憶される。

【0020】

超伝導コイル巻き線１１１に使われる線材は、その構成が特に限定されるものではないが、例えば、銅酸化物系の高温超電導物質（ＹＢａ_２Ｃｕ_３O_７－δ，Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３O_１０等）からなる線材、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）材、ニオブ三スズ（Ｎｂ_３Ｓｎ）材、ニホウ化マグネシウム（ＭｇＢ_２）材等によって形成されることが好ましい。なお、超伝導コイル巻き線１１１に使われる線材は、その表面が、例えば、ガラス等の耐熱性材料、絶縁性材料で被覆されていてもよい。

【0021】

冷却部材１１３は、熱良導体１７０を介して冷却装置１３０と接続される。冷却装置１３０は、制御装置１０４と信号線１７３を介して接続され、制御装置１０４により運転が制御され、その運転データが制御装置１０４に送信されて、記憶される。
冷気を伝える部材である熱良導体１７０は、例えば、銅、銀、アルミニウム等で形成されることが好ましい。熱良導体１７０は、単一の熱良導体で形成されていてもよいし、複数の熱良導体を組み合わせて形成されていてもよく、必要に応じて任意の態様をとることが可能である。

【0022】

冷却装置１３０は、公知の構成のものを適用することが可能であり、例えば、ギンツブルグ－マクマホン冷凍機、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機、等の冷凍機を適用することができる。なお、冷却装置１３０、熱良導体１７０、あるいは冷却部材１１３には、温度調節をするためのヒータや温度計測素子が設けられていてもよい。その場合、ヒータ３３１や温度計測素子３３２によって計測された計測結果は、制御装置１０４へと送信され、冷却装置１３０の冷却やヒータの加熱が制御装置１０４によりフィードバック制御される。

【0023】

また、超伝導コイル巻き線１１１等、第１の電磁石の表面に温度計測素子５０を配置し、信号線１７１によって送信される検出温度を記憶装置１４２に記憶し、この検出温度に基づいて、制御装置１０４より超伝導コイル巻き線１１１の電流をフィードバック制御している。
温度計測素子５０は、測定対象となる超伝導コイル巻き線１１１等に樹脂等で接着することが熱抵抗を小さくするため好ましいが、接着方法は特に限定されるものではなく、ばね等で押し当てられる圧着でもよい。温度計測素子５０は、公知の構成のものを適用することが可能であり、例えば、クロメル・コンスタンタン、金鉄熱電対、抵抗測定型温度センサ等を用いることができる。

【0024】

電磁石システム１０１においては、励磁電源１２０によって、超伝導電磁石１１０，１１４に通電することで超伝導電磁石１１０，１１４から磁場を発生させることができる。この発生する磁場は、要求磁場空間（使用者が所望の磁場を発生させたい空間）１１５内で磁場分布計測センサ（センサ）１０３を使って計測する。磁場分布計測センサ１０３は、間隔を空けて配置された複数のホール素子、ＮＭＲセンサ等により実現することができる。測定した磁場計測データは信号線１１６を介して制御装置１０４に送信して、記憶する。

【0025】

磁場分布計測センサ１０３は、駆動機構１０６、シャフト１０９と締結することで、駆動機構１０６により移動可能で、要求磁場空間１１５内を移動して、その磁場分布を計測することができる。駆動機構１０６は、例えば、超伝導電磁石１１０のクライオスタット１６０下部等に支持体１０７を介して支持されている。この駆動機構１０６も信号線１７５を介して制御装置１０４によって制御が可能である。駆動機構１０６は、磁場中での動作が必要なため、磁場の影響を受けにくい公知の超音波モータなどを利用することが好ましい。シャフト１０９も磁場中での使用となるので、非磁性体の一般的な金属材料製やＦＲＰ製のシャフトを用いることが好ましい。

【0026】

次に、電磁石システム１０１を制御する制御装置１０４の構成を説明する。図３は、制御装置の電気的な接続を模式的に示すブロック図である。前記したように制御装置１０４は、電磁石システム１０１の励磁電源１２０、冷却装置１３０、温度計測素子５０、磁場分布計測センサ１０３等と前記した各信号線を介して通信することができる。図３に示すように、制御装置１０４内に中枢として組みこまれているＣＰＵ（Central Processing Unit）１４１は、記憶装置１４２に記憶されるプログラム３０１を読み出して、ワークエリアに展開し、当該プログラム３０１を実行することで、各構成要素を制御する（制御部３０２）。また、後記するように、ＣＰＵ１４１は、当該プログラム３０１を実行することで、各種演算を行う（演算部３０３）。

【0027】

ＣＰＵ１４１は、制御信号を生成し、通信インターフェイスである通信部１４５を介して対象機器（励磁電源１２０、冷却装置１３０、温度計測素子５０、磁場分布計測センサ１０３等）を制御する。制御情報は、例えば、目標電流と計測電流値との差分に基づいた制御対象機器に対する動作指令の関係式、フィードバック制御の際に使用するゲインの情報等が挙げられる。また、計測素子（温度計測素子５０や磁場分布計測センサ１０３等）からセンシングされたデータは、通信部１４５を介して記憶装置１４２に格納される。センシングされたデータや各制御機器との通信で生じる運転データは、表示装置１４４によって表示される。

【0028】

記憶装置１４２は、超伝導電磁石１１０，１１４（第１の電磁石）の線電流の配置に関するデータ（すなわち、第１の電磁石の磁極形状に関するデータ）を電磁石システム１０１の製造時から記憶している。ここで超伝導電磁石１１０，１１４の磁場は電流から計算される。磁場を計算するとき電流は線として計算する。すなわち、線電流とは、この場合の線と見立てた電流であって、超伝導電磁石１１０，１１４磁場を計算する基礎となる。この超伝導電磁石１１０，１１４（第１の電磁石）の線電流の配置から、ＣＰＵ１４１によって計算される磁場分布も、記憶装置１４２は、記憶している。制御装置１０４は、表示装置１４４に、超伝導電磁石１１０，１１４（第１の電磁石）の線電流の配置を表示する機能を持っていないが、後記するように計算される磁場分布を表示する機能を有している。
なお、超伝導電磁石１１０，１１４（第１の電磁石）の線電流の配置に関するデータなどは、記憶装置１４２に記憶されていてもよいし、記憶装置１４２ではなく、外部の記憶装置（サーバ等）に記憶されていてもよい。

【0029】

記憶装置１４２は、ＣＰＵ１４１がプログラム３０１を実行するための前記のワークエリアとなるＲＡＭ（Random Access Memory）を備えている。記憶装置１４２は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ、ＳＳＤ（Solid State Drive）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の主記憶装置および補助記憶装置を備えている。
通信部１４５は、例えば、イーサネットポート、ＵＳＢポート、ＧＰＩＢポート、Ｄ－ｓｕｂポート等で構成される。

【0030】

制御装置１０４は、さらにそれぞれ入力装置１４３と、出力装置１４６と、表示装置１４４とを備えている。
入力装置１４３は、入力部となるもので、操作者による入力操作を受け付ける機能を備えており、例えば、キーボード、カメラ、マウス、タッチパネル、音声入力を受け付けるマイク等で構成される。制御装置１０４の操作者は、入力装置１４３を操作することで、表示装置１４４に所望の画像を表示させて超伝導電磁石１１０，１１４（第１の電磁石）の線電流から計算される磁場分布や計測した磁場分布、その他の温度等の計測データや制御機器の運転データ等を表示することができる。

【0031】

表示装置１４４は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等である。出力装置１４６は、例えば、イーサネットポート、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ポート等から構成される。表示装置１４４、出力装置１４６は、それぞれが出力部となるものであり、第２の電磁石３２１（図５）の磁極形状に関するデータを出力して、第２の電磁石３２１の磁極形状の提案を使用者Ｂに行うことを可能とする。
また、前記した電磁石システム演算装置３１１も、電磁石システム１０１の本体と前記した信号線で結ばれていない他は、ハードウェア構成は制御装置１０４と同様である。しかし、電磁石システム演算装置３１１は、前記の制御部３０２の機能を備えておらず、演算部３０３の機能のみを備える。

【0032】

次に、製造事業者１１が行う作業について説明する。製造事業者１１は、電磁石システム演算方法および電磁石システム製造方法を実行する。電磁石システム演算方法は、次の第１工程および第２工程を備え、電磁石システム製造方法は、次の第１工程～第４工程を備える。

【0033】

（１）第１工程
製造事業者１１は、制御装置１０４または電磁石システム演算装置３１１を用いて、第２の電磁石３２１（図５）の磁極形状を示す電流分布を演算する（後記）。

【0034】

（２）第２工程
第１工程で演算した前記第２の電磁石３２１の磁極形状を示す電流分布を表示装置１４４、出力装置１４６で出力する。

【0035】

（３）第３工程
第２工程で出力した、第１工程で演算した第２の電磁石３２１の磁極形状を示す電流分布のデータに基づいて第２の電磁石３２１を製造する。

【0036】

（４）第４工程
第３工程で製造した第２の電磁石３２１やその周辺機器を電磁石システム１０１に適切に設置する。

【0037】

次に、前記第１工程における演算の内容を詳細に説明する。制御装置１０４または電磁石システム演算装置３１１は、記憶装置１４２において、第１の電磁石（超伝導電磁石１１０，１１４）の磁極形状に関するデータを記憶している。演算部３０３によって、第１の電磁石（超伝導電磁石１１０，１１４）と組み合わせて用いることで当該第１の電磁石に当初の磁場分布（使用者Ａで使用していた磁場分布）とは異なる磁場分布である要求磁場分布（使用者Ｂが要求する磁場分布）を発生させる第２の電磁石３２１の磁極形状を示す電流分布を、記憶装置１４２に記憶されている第１の電磁石（超伝導電磁石１１０，１１４）の磁極形状に関するデータを用いて演算する。

【0038】

かかる演算の例についてより詳細に説明する。図４は、演算部が実行する処理を説明するフローチャートである。まず、演算部３０３は、入力装置１４３により、使用者Ｂ３２の第２の要求磁場空間１１７（使用者Ｂが電磁石システム１０１において求める磁場空間。図５）の要求磁場（使用者Ｂが求める目標磁場）の入力を受け付ける（ステップＳ２０１）。この「目標磁場」は第２の要求磁場空間１１７における当該空間の各箇所のそれぞれではこのような磁場であるという値である。ここで第２の要求磁場空間１１７は、超伝導電磁石１１０，１１４（第１の磁石）の要求磁場空間１１５と異なる空間であってもよい。例えば使用者Ａと使用者Ｂとで要求磁場空間の大きさが違ってもよい。

【0039】

演算部３０３は、第２の要求磁場空間１１７における第１の電磁石（超伝導電磁石１１０，１１４）が発生する磁場分布を磁場分布計測センサ１０３で計測する（ステップＳ２０２）。なお、電磁石システム演算装置３１１を本演算に用いる場合は、このような計測ができないので、電磁石システム１０１で計測したデータをステップＳ２０２で入力するようにすればよい。磁場分布の計測位置は、目標磁場の分布と同じ位置であることが望ましいが、記憶装置１４２が格納している第１の磁極の線電流の配置（第１の電磁石の超伝導電磁石１１０，１１４の磁極形状に関するデータ）により、計測磁場の分布は補間することができるので、目標磁場の分布の計測位置の数より少なくてもよい。

【0040】

ここで、計測磁場の分布の補間方法を次に示す。以下の説明で斜体の太字で示すＩ，Ｂ，Ａ等の記号は、位置情報と電流値、磁場値等の値とを対応付けて表化したマトリックスである。第１の磁極の線電流を

【数1】

（励磁電源による電流値）とすると、任意の位置の磁場

【数2】

は、

【数3】

で求めることができる。ここで、

【数4】

は、線電流の配置と、要求磁場空間の距離によって決まる係数である。任意位置での計測磁場を

【数5】

とすると計測できない箇所の磁場は、

【数6】

で計算値から補正して求めることができる。

【0041】

次に、演算部３０３は、第２の要求磁場空間１１７における第１の磁石（超伝導電磁石１１０，１１４）が発生する計測磁場の分布と、目標磁場の分布との差分（同じ位置での計測磁場と要求磁場との差）を各位置で計算する（ステップＳ２０３）。
次に、演算部３０３は、超伝導電磁石１１０，１１４（第１の電磁石）の形状を考慮に入れ、第２の電磁石３２１（図５）の磁極形状（以下、「第２の磁極形状」ということがある）の線電流の配置可能な場所を入力装置１４３から入力し、第２の電磁石３２１の磁極形状の線電流の配置可能な場所を限定する（ステップＳ２０４）。

【0042】

次に、演算部３０３は、Ｓ２０４で限定した第２の磁極形状の線電流の配置可能な場所を限定条件とし、Ｓ２０３で計算した差分磁場の逆問題を解く（要求磁場から第２の磁極形状の線電流分布を計算する）（ステップＳ２０５）。逆問題の解法は、ティホノフの正則化等、磁場のマトリクス分布から線電流のマトリクス分布を求める公知の解法を用いることができる。逆問題から求められる線電流のマトリクス分布は解法によっては一意に求めることができないが、超伝導電磁石１１０，１１４（第１の電磁石）の磁極の線電流の配置（第１の電磁石（超伝導電磁石１１０，１１４）の磁極形状に関するデータ）を記憶装置１４２が記憶していることで、より高精度な第２の磁極形状の線電流の分布の解を求めることができる。

【0043】

次に、演算部３０３は、第１の電磁石（超伝導電磁石１１０，１１４）の磁極形状の線電流の分布とＳ２０５で求めた第２の磁極形状の線電流の分布とが作り出す磁場分布（変更磁場）を計算する（ステップＳ２０６）。
次に、演算部３０３は、変更磁場と目標磁場の差分の２乗を計算し、その値が予め設定された許容値未満であれば（ステップＳ２０７のＹｅｓ）、一連の処理を終了する。演算部３０３は、許容値を超過していれば（ステップＳ２０７のＮｏ）、第２の磁極形状の配置を検討するＳ２０４に戻り、以下の処理を繰り返す。すなわち、許容値未満になるまで磁場の位置をずらしてＳ２０４以下の処理をトライする。

【0044】

このようにして、ステップＳ２０７のＹｅｓにより前記第１工程が完了し、第２の磁極形状の線電流分布が作る磁場分布（変更磁場）が求められる。その後は、この第２の磁極形状を前記第２工程で電子データや印刷物として出力し、その第２の磁極形状の結果を使用者Ｂに提案する。そして提案結果に使用者Ｂの了承を得られたら、前記第３工程、第４工程を実行する。

【0045】

次に、このような工程を経て製造した第２の電磁石２０４を付加的に設置した状態の図２に示す電磁石システム１０１について説明する。図５は、第２の電磁石を設置した本実施形態１に係る電磁石システムの一構成例を示すシステム構成図である。
第２の電磁石２０４は、Ｓ２０５で求めた第２の磁極形状の線電流の配置を構成する巻き線１５１を荷重支持体１５２で支持している。第２の磁極形状の線電流配置を構成する巻き線１５１は導線から成り、励磁電源１２０とは異なる励磁電源１５０に接続されて給電される。巻き線１５１を構成する線材は、その構成が特に限定されるものではないが、例えば、銅線や超伝導線材を用いることができる。ただし、超伝導線材を用いる場合には、冷却する必要があるため、クライオスタット１６０のような容器内に、巻き線１５１を収納する必要がある。

【0046】

超伝導電磁石１１０，１１４（第１の電磁石）によって発生する磁場は一般には数テスラの強磁場であることを想定しているため、その空間内に配置する第２の電磁石２０４の第２の磁極形状の線電流の配置を構成する巻き線１５１に通電すると、強大な電磁力が作用する。そのため、荷重支持体１５２は、磁場の強度と電流値の積から成る電磁力に対して支持できる強度のあるものが望ましい。荷重支持体１５２の構成は特に限定されるものではないが、巻き線１５１と荷重支持体１５２の間を樹脂等電気絶縁体によって絶縁していれば、ステンレスやアルミ合金等の非磁性体の金属を用いることができる。

【0047】

記憶装置１４２は、第１および第２の電磁石の励磁電流に関するデータと、第１および第２の電磁石の温度データを記憶（前記の例では、第２の電磁石３２１に温度検出素子が設けられていないが、設けてもよい）し、演算部３０３は、これらの励磁電流に関するデータと温度データとに基づいて、第１および第２の電磁石の冷却装置１３０（前記の例では第２の電磁石３２１には冷却装置が設けられていないが、設けられていてもよい）の運転推奨時間を求め、出力部となる出力装置１４６、表示装置１４４は、その運転推奨時間を出力する。

【0048】

以上説明した本実施形態の電磁石システム１０１、電磁石システム演算装置３１１によれば、演算部３０３は、第１の電磁石（超伝導電磁石１１０，１１４）と組み合わせて用いることで、使用者Ａの要求していた磁場分布とは異なる磁場分布である要求磁場分布を発生させる第２の電磁石３２１の磁極形状を示す電流分布を、第１の電磁石の磁極形状に関するデータを用いて演算する。そのため、この第２の電磁石３２１を使用者Ｂに提案し、製造し、付加的に電磁石システム１０１に設置することで、使用者Ｂのニーズに合った電磁石システム１０１を提供することができる。そのため、電磁石システム１０１についてもレンタルサービス業務を可能とすることができる。

【0049】

この場合に電磁石システム１０１の使用を使用者Ａから使用者Ｂに変更するに際し、超伝導電磁石１１０，１１４を新たな電磁石に全取り換えする必要はない。第２の電磁石３２１を製造し、付加的に電磁石システム１０１に取り付けるだけで使用者Ｃの要求に応えている。そのため、超伝導電磁石１１０，１１４を全取り換えしないでよいので、新仕様の電磁石システム１０１を用意するのに大きな製造コストや長い準備工程を必要としない。

【0050】

そのため、短時間で低コストによる調整を行うだけで電磁石システム１０１をレンタルサービスに提供できるようにして、電磁石システム１０１のレンタルサービスの効率を高めることができる。
また、第１の電磁石の磁極形状に関するデータは、予め記憶装置１４２に記憶されているので、高精度かつ迅速に第２の電磁石３２１を提案し、製造し、電磁石システム１０１に設置することができる。

【0051】

電磁石システム１０１、電磁石システム演算装置３１１は、演算部３０３で演算した第２の電磁石３２１の磁極形状を出力する出力部となる出力装置１４６、表示装置１４４を備えている。そのため、高精度かつ迅速に第２の電磁石３２１を提案し、製造し、電磁石システム１０１に設置することができる。

【0052】

電磁石システム１０１、電磁石システム演算装置３１１は、使用者Ｂの要求磁場分布の入力を受け付ける入力部となる入力装置１４３を備えている。そのため、電磁石システム１０１、電磁石システム演算装置３１１で使用者Ｂの要求磁場分布の入力を行って、電磁石３２１を提案し、製造し、電磁石システム１０１に設置することができる。

【0053】

また、演算部３０３は、前記第１および第２の電磁石の冷却装置（冷却装置１３０等）の運転推奨時間を求めることができるので、その運転推奨時間を使用者Ａ，Ｂにも提案することができる。

【0054】

また、第１の電磁石（超伝導電磁石１１０，１１４）の表面に温度計測素子５０を配置し、信号線１７１によって送信される検出温度を記憶装置１４２に記憶し、この検出温度に基づいて、制御装置１０４によって超伝導コイル巻き線１１１の電流をフィードバック制御している（前記の例では、第２の電磁石３２１には温度計測素子を設けておらず、このような制御を行っていないが、同様の制御を第２の電磁石３２１についても行ってよい）。したがって、第１、第２の電磁石の動作を適切に制御することができる。

【0055】

また、磁場分布計測センサ１０３は、駆動機構１０６により位置を可変して、磁場空間の様々な位置の磁場を測定できるので、第２の電磁石３２１を適切に設計したり、第１、第２の磁石を適切に制御したりすることができる。
また、第２の電磁石３２１は、第１の電磁石の励磁電源１２０とは異なる励磁電源１５０で励磁する。そのため、第１の電磁石、第２の電磁石３２１それぞれに適切な電力を供給することができる。

【実施形態２】

【0056】

図６は、本実施形態２に係る電磁石システムのレンタルサービスの流れを説明するブロック図である。なお、第２実施形態において、第１実施形態と共通する部材等については、共通の符号を用い、詳細な説明は省略する。

【0057】

図６に示すように、本サービスにかかわるのは、電磁石システム２０１（図７）の製造事業者１１、所有者１２、使用者Ｃ等である。実施形態１では、使用者Ａが使用しなくなった電磁石システム１０１に第２の電磁石３２１を付加的に設置して、新たに電磁石システム１０１を新たな使用者Ｂにレンタルする例であった。本実施形態２では、電磁石システム２０１を使用者Ｃが使用していたが、電磁石システム２０１の使用方法が変更となり、その変更に合わせて電磁石システム２０１に第２の電磁石３２２を付加的に設置して、引き続き使用者Ｃにレンタル使用させ続ける例である。

【0058】

まず、電磁石システム２０１の所有者２１は、使用者Ｃに電磁石システム２０１をレンタルする（装置貸出）（Ｓ１３）。使用者Ｃは当初の電磁石システム２０１の用途を達成した後に、製造事業者１１もしくは所有者２１に電磁石システム２０１で実現する磁場の変更を要求する（磁場変更要求）（Ｓ２１）。その要求に対して製造事業者１１は、第２の電磁石３２２の磁極形状（第２の磁極形状）の「提案」を行い、既存の電磁石システム２０１に、第２の電磁石３２２を付加的に「設置」する（Ｓ２４）。

【0059】

また、電磁石システム２０１の制御装置２４４内に格納されている使用者Ｃの磁場・運転データは製造事業者１１に提供され（Ｓ１５）、電磁石システム２０１のより効率的な運転方法を製造事業者１１が使用者Ｃに提案する（Ｓ２５）。
例えば、電磁石システム２０１が超伝導電磁石を使用する電磁石としている場合、磁場を発生させるタイミングにあわせて冷却装置を稼働させることが運転の効率化につながる。超伝導電磁石の場合、その冷却時の電力消費は一般に数ｋＷ（キロワット）～数１０ｋＷであるのに対して、超伝導電磁石は定常電流通電時、電気抵抗が０Ωであるので、電磁石の電力消費は０Ｗである。つまり、磁場を発生させるための通電時の電力消費と比べて冷却時の電力消費は、圧倒的に大きく、冷却装置を運転する時間と、磁場を発生させるタイミングとをあわせて実施することが高効率の運転につながる。

【0060】

図７は、第２の電磁石を付加的に追加後の電磁石システムの一構成例を示すシステム構成図である。超伝導電磁石１１０，１１４（第１の電磁石）が発生する磁場に対して使用者Ｃからの磁場の変更要求があった場合、新たに電磁石システム２０１に要求される磁場分布に応じて、第２の電磁石（磁場遮蔽体）２０４を提案し、これを電磁石システム２０１に設置する。磁場遮蔽体は、磁場を遮蔽する装置であり、磁束を収束させる。磁場遮蔽体は、より狭い範囲により強い磁場をもってくることができる。第２実施形態では第２の電磁石２０４を採用しているが、磁石システム２０１要求される磁場分布によっては第１実施形態と同じく、巻き線形状の第２の電磁石を配置してもよい。

【0061】

本例の第２の電磁石２０４は、例えば超伝導バルク体や、超伝導薄膜を積層した反磁性の性質を持つ材料を使用することができ、材料は限定されものではないが、例えば、高温超電導物質（ＹＢａ_２Ｃｕ_３O_７－δ，Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３O_１０等）、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）材、ニオブ３スズ（Ｎｂ_３Ｓｎ）材、２ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ_２）材などを使用することができる。
第２の電磁石２０４が超伝導体である場合、超伝導転移温度以下に冷却して超伝導状態となることで磁場を遮蔽する特性が発現する。そのため、第２の電磁石２０４は、クライオスタット２６０内に収納され、冷却装置２３０で冷却される。第２の電磁石２０４は、超伝導電磁石１１０，１１４（第１の電磁石）が発生する磁場中では電磁力をうけるため、荷重支持体２６１でクライオスタット２６０内に支持される。

【0062】

図７中では超伝導電磁石１１０，１１４のクライオスタット１６０と第２の電磁石２０４のクライオスタット２６０は独立したものとなっているが、使用温度の条件次第では超伝導電磁石１１０，１１４と、第２の電磁石２０４とを同じクライオスタット１６０内に収納してもよい。

【0063】

第２の電磁石２０４は、超伝導電磁石１１０，１１４（第１の電磁石）が発生する磁場を収束して、第２の要求磁場空間２１７の磁場を増幅する。第２の電磁石２０４は、侵入する磁束に対して垂直な面内に磁束を遮蔽するように電流を発生させる特性を持っている。その第２の電磁石２０４の電流分布を制御装置２４４によって第１実施形態と同様の手順で算出し、第２の電磁石２０４の磁極形状の配置を提案することができる。なお、図７中では、第２の要求磁場空間２１７は、クライオスタット２６０内に配置されているが、その構成に特に限定されるものではなく、クライオスタット２６０の中央に貫通穴を空けることができ、第２の要求磁場空間２１７も室温環境下に配置することができる。

【0064】

冷却装置２３０と第２の電磁石２０４との間を接続する熱良導体２７０には温度計やヒータを取り付けることができ、第２の電磁石２０４の温度を制御することができる。第２の電磁石２０４に流れる遮蔽電流の電流密度は超伝導臨界電流密度の値をとり、その超伝導臨界電流密度は温度に依存して大きさが変わる。すなわち、熱良導体２７０に取り付けるヒータの出力を、温度計測データから制御装置２４４を使ってフィードバック制御することで、遮蔽電流の大きさを制御することができ、第２の要求磁場空間２１７の磁場を制御することできる。この場合のヒータの出力制御方法は公知の制御方法を適用することができ、例えば、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御などを用いることができる。

【0065】

本実施形態２のように、励磁電源を要せず、第１の電磁石が発生する磁場を遮蔽することで磁場の増幅をする第２の電磁石２０４も、第２の電磁石として利用することができる。
本実施形態２によれば、実施形態１の同様に、短時間で低コストによる調整を行うだけで電磁石システム２０１をレンタルサービスに提供できるようにして、電磁石システム２０１のレンタルサービスの効率を高めることができる。
また、第２の電磁石２０４が、超伝導薄膜を積層した構造を備える場合は、第２の電磁石２０４の製造コストを低減することができる。
その他、本実施形態２において実施形態１と共通の部材によって、実施形態１の同様の作用効果を奏することができる。

【0066】

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

【0067】

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、又はＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体、インターネット上のサーバ等に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてよい。

【符号の説明】

【0068】

１０１，２０１ 電磁石システム
１０３ 磁場分布計測センサ（センサ）
１０６ 駆動機構
１１０，１１４ 超伝導電磁石（第１の電磁石）
１２０，１５０ 励磁電源
１４２ 記憶装置
１４３ 入力装置（入力部）
１４４ 表示装置（出力部）
１４６ 出力装置（出力部）
３０１ プログラム
３０２ 制御部
３０３ 演算部
３１１ 電磁石システム演算装置
３２１，２０４ 第２の電磁石

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】