特許 7644486 時間波形可変強磁場発生装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-03-04

(45)【発行日】2025-03-12

(54)【発明の名称】時間波形可変強磁場発生装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20250305BHJP

【ＦＩ】

H02M3/155 H

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021110755

(22)【出願日】2021-07-02

(65)【公開番号】P2023007727

(43)【公開日】2023-01-19

【審査請求日】2024-03-14

(73)【特許権者】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(72)【発明者】

【氏名】今中 康貴

【審査官】冨永 達朗

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－０８１３８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１９９７９３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２１－０５２２２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２７２９３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ３／１５５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

強磁場発生用の電磁石と、供給電流を所定のパターンで時間変化させながら前記電磁石に供給できる電源装置とを備え、
前記電源装置は、
蓄電池または大容量コンデンサの少なくとも一方を有する蓄電部と、
前記蓄電部に対する充電用電力を供給する給電部と、
前記電磁石に供給する電流波形を設定する電流波形設定部と、
前記電流波形設定部からの波形制御信号に対応して前記蓄電部から前記電磁石を駆動する電流を供給する電流制御部と、
を有すると共に、
前記電流制御部によって前記電磁石に供給される電流は、最大３００００アンペアであって、印加電圧は最大４００ボルトである時間波形可変強磁場発生装置。

【請求項2】

強磁場発生用の電磁石と、供給電流を所定のパターンで時間変化させながら前記電磁石に供給できる電源装置とを備え、
前記電源装置は、
蓄電池または大容量コンデンサの少なくとも一方を有する蓄電部と、
前記蓄電部に対する充電用電力を供給する給電部と、
前記電磁石に供給する電流波形を設定する電流波形設定部と、
前記電流波形設定部からの波形制御信号に対応して前記蓄電部から前記電磁石を駆動する電流を供給する電流制御部と、
を有すると共に、
前記電流波形設定部は階段状の波形を指示する波形制御信号を生成すると共に、
前記階段状の波形により前記電磁石に生成される磁場値が一定値を継続する時間は、目的物の磁気特性を計測するのに必要な時間である時間波形可変強磁場発生装置。

【請求項3】

前記大容量コンデンサは電気二重層型コンデンサ、油入式充放電用コンデンサ、又はケミカルコンデンサである請求項１又は２に記載の時間波形可変強磁場発生装置。

【請求項4】

前記電源装置は、さらに充電用商用電源に接続されている請求項１乃至３の何れか１項に記載の時間波形可変強磁場発生装置。

【請求項5】

前記電流波形設定部は階段状の波形を指示する波形制御信号を生成すると共に、
前記階段状の波形により前記電磁石に生成される磁場値が一定値を継続する時間は、目的物の磁気特性を計測するのに必要な時間である請求項１に記載の時間波形可変強磁場発生装置。

【請求項6】

目的物の磁気特性を計測するのに必要な時間は、定常磁場計測と同等の精度の高い測定値を得ることができるものである請求項２又は５に記載の時間波形可変強磁場発生装置。

【請求項7】

前記電磁石はビッター型電磁石又は巻き線型電磁石である請求項１乃至６の何れか１項に記載の時間波形可変強磁場発生装置。

【請求項8】

前記強磁場は、１テスラ以上７０テスラ以下である請求項１乃至７の何れか１項に記載の時間波形可変強磁場発生装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、商用低圧電源のような供給電力量が数ｋＷ程度の比較的小規模の電力供給契約でも一時的な大電流の供給が可能な時間波形可変強磁場発生装置に関する。

【背景技術】

【0002】

磁石の分類としては永久磁石と電磁石に大別することができる。しかし、１テスラ以上の永久磁石で簡単に到達できない強い磁場（強磁場）を発生させる用途には、直流電流をコイル部に供給することで磁場発生を行う電磁石システムが使われている。
例えば、ビッター型電磁石は非常に強い磁界が必要な場合に使用される（特許文献１、２、非特許文献１、２参照）。従来の電磁石に使われていた鉄心は飽和してしまい、２テスラ程度の磁場に制限されていた。超電導電磁石はより強い磁界を発生させることができ、理論上の限界はもっと高いが、磁束のクリープのために１０～２０テスラの磁界に制限される。より強い磁界を得るためには、ビッター型電磁石のような抵抗性ソレノイド電磁石が使用される。抵抗性ソレノイド電磁石の欠点は、非常に大きな駆動電流を必要とすることと、大量の熱を放出することである。

【0003】

電磁石において共通することは、コイルと呼ばれる導体を巻いたものに電気を流すことで、その中心部に磁場を発生させることである。コイルに電流を流して磁場を発生させる場合、流す電流量と発生する磁場の大きさ、時間波形とは簡単には比例関係にある。よって磁場出力を任意に変えるためには、コイルに流す電流の「大きさ」、「時間変化」を制御すれば良いことになる。

【0004】

これまでの一般的な強磁場磁石では長時間安定性の高い磁場を発生させることに主眼が置かれるため、電流の時間変化（ドリフト）が少ない磁場、「定常強磁場」を発生させる手法が中心的になっている。しかしながら電流量が増えると、コイルを外向きに大きく変形させる応力（マックスウェル応力）の発生やコイルの抵抗による発熱の問題が顕著になるため、磁石システムそのものが壊れないような上限で電流を抑えなくてはならない、すなわち最大発生磁場にリミットがある。よってそれ以上の強磁場を発生させたい場合には、コンデンサなどに蓄えた大きな電気エネルギーを瞬間的にコイル部に流し、瞬間的な強磁場発生（パルス強磁場）の手法を用いることになる。

【0005】

定常強磁場磁石としては、電気抵抗がゼロの超伝導線を使った超伝導磁石、電気抵抗のある金属材料を使う常伝導磁石などがあり、パルス強磁場磁石としては、高強度、高伝導性の線材を使った巻線型磁石や、磁石の破壊を前提とした電磁濃縮型磁石などがある。
定常強磁場磁石とパルス強磁場磁石の現在の大まかな発生磁場上限としては以下のようになっている。
定常強磁場磁石としては、超伝導磁石、常伝導磁石、ハイブリッド磁石があり、それぞれの大まかな発生磁場上限値は約２０テスラ、約３０テスラ、約５０テスラとなっている。パルス強磁場磁石としては、巻線型非破壊パルス磁石、一巻きコイル型パルス磁石、電磁濃縮型パルス磁石があり、それぞれの大まかな発生磁場上限値とその発生時間は約１００テスラ（約１００ミリ秒）、約２００テスラ（約１０マイクロ秒）、約１０００テスラ（約５マイクロ秒）となっている。

【0006】

定常磁場の長所としては、磁場を一定にとどめておく、あるいは緩やかに変化させることで極めて精度の高い計測が可能となることであるが、磁場上限があることや高価な寒剤（液体ヘリウム）、あるいは設備が大がかりになること、非常に大きな電力を要することなどの短所がある。
一方、パルス磁場は小さな電力で定常磁場装置では不可能な強磁場の発生が可能になるものの、１０マイクロ秒～１００ミリ秒程度の極めて短い時間に磁場が発生、変化するため、定常磁場と比べると精度の高い実験には不向きである。また磁場波形もコイルやコンデンサを含む回路によって決まる三角関数的な波形となり、波形自体を簡単に変えることはできない短所がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】米国特許第６９２５３１６号公報

【文献】特開昭６１－５８４７３号公報

【非特許文献】

【0008】

【文献】L.G. Rubin et.al. 木戸義勇訳、『フランシス・ピッター国立磁石研究所』、日本物理学会誌 第３７巻８２４頁～８２９頁（１９８２）

【文献】三浦成人、他、『高磁場ピッターコイル用大型高強度銀銅板の開発』、日本金属学会誌 第６３巻１２９０頁～１２９４頁（１９９９）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

こうした背景の中、定常強磁場磁石やパルス強磁場磁石は、物質材料研究などにおいて、それぞれの磁石の特長を活かす形で、様々な強磁場下物性計測（電気的、光学的、磁気的性質）に相補的に使われている。
大型の定常強磁場磁石は一定磁場を長時間安定に発生させることが可能であるが、その発生自体に時間がかかり（発生までに１時間程度）、様々な磁場波形に変化させるにも同じオーダーで時間が必要となる。そのため精度の高い実験が可能でも、多数の試料を測定する上では非常に時間を要すること、強磁場発生の上限にある程度の制限があること、そして大型になればなるほど運転、維持にコストがかかるなどのデメリットがあり、研究大学院大学や自然科学系の国立研究所などで有する特別な設備となっている。

【0010】

逆にパルス強磁場は大型コンデンサに溜めたエネルギーを瞬間的に放電させて短時間に強磁場を発生させるため非常に省エネとなるが、磁場発生時間が非常に短いこと、磁場波形を決まった形状にしか制御できないこと、定常磁場での測定に比べて原理上データの精度が低くなることなどのデメリットがある。
そのため材料研究などにおいて汎用的に一番使われている電磁石は、市販されている磁場強度が１０テスラ前後の超伝導磁石となっている。超伝導磁石はその特性から磁場発生自体には大きな電力を必用とはしないが、液体ヘリウムという高価な寒剤も常に必要となること、原理的に一定磁場の発生には強いが、短時間で大きく磁場を変化させることは難しいため計測に時間がかかるなど、大型の定常強磁場磁石と同じ問題点がある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

ところで、（１）最大発生磁場、（２）磁場維持時間、（３）発生磁場波形という３つの観点から見た場合、これまで最大発生磁場と磁場維持時間を満たす方向で開発が進んできた。しかし、強磁場発生の分野では、最大発生磁場や磁場維持時間の観点に比べると、発生磁場波形は注目されてこなかった、発生磁場波形の磁場発生時間内に任意に磁場値を変化させることで、従来装置と比較して高効率かつ精度も遜色なく、安価に磁場中測定を可能とする時間波形可変強磁場発生装置が実現できるのではないかと考え、本発明を完成させるに至った。
特に、従来型の時間波形を可変できる磁場発生装置では、通常、センサに高周波電流を流すと共に、直流のバイアス電圧を印加して高周波信号を変調しているため、磁場測定用の信号を得るために復調器を使用する必要があり、回路構成が複雑になり、本発明でいう強い磁場発生は原理的に難しいという課題がある。

【0012】

本発明は、上記の定常磁場、パルス磁場発生システムの課題を解決するもので、商用低圧電源のような供給電力量が数ｋＷ程度の比較的小規模の電力供給契約でも一時的な大電流の供給が可能であって、復調器を使用することなく、回路構成が簡単で発生される磁場の時間波形が可変な強磁場発生装置を提供することを目的する。

【0013】

［１］本発明の時間波形可変強磁場発生装置は、例えば図１、図３に示すように、強磁場発生用の電磁石１０と、供給電流を所定のパターンで時間変化させながら電磁石１０に供給できる電源装置３０と、を備えるものである。

【0014】

［２］本発明の時間波形可変強磁場発生装置において、好ましくは、電源装置３０は、蓄電池または大容量コンデンサの少なくとも一方を有する蓄電部３２と、電磁石１０に供給する電流波形を設定する電流波形設定部７０と、電流波形設定部７０からの波形制御信号に対応して蓄電部３２から電磁石１０を駆動する電流を供給する電流制御部６０と、を備えるものであるとよい。
［３］本発明の時間波形可変強磁場発生装置において、好ましくは、大容量コンデンサは電気二重層型コンデンサ、油入式充放電用コンデンサ、又はケミカルコンデンサであるとよい。
［４］本発明の時間波形可変強磁場発生装置において、好ましくは、電流制御部６０によって電磁石１０に供給される電流は、最大３００００アンペアであって、印加電圧は最大４００ボルトであるとよい。
［５］本発明の時間波形可変強磁場発生装置において、好ましくは、電源装置３０は、さらに充電用商用電源３１に接続されているとよい。
［６］本発明の時間波形可変強磁場発生装置において、好ましくは、電流波形設定部７０は階段状の波形を指示する波形制御信号を生成し、階段状の波形により電磁石１０に生成される磁場値が一定値を継続する時間は、目的物の磁気特性を計測するのに必要な時間であるとよい。
［７］本発明の時間波形可変強磁場発生装置において、好ましくは、目的物の磁気特性を計測するのに必要な時間は、定常磁場計測と同等の精度の高い測定値を得ることができるものであるとよい。
［８］本発明の時間波形可変強磁場発生装置において、好ましくは、電磁石１０はビッター型電磁石又は巻き線型電磁石であるとよい。
［９］本発明の時間波形可変強磁場発生装置において、好ましくは、前記強磁場は、１テスラ以上７０テスラ以下であるとよい。好ましくは、前記強磁場は、２０テスラを超え７０テスラ以下であって、超伝導磁石単体で発生できる磁場よりも高い値であるとよい。

【発明の効果】

【0015】

本発明の時間波形可変強磁場発生装置の場合、発生する磁場の波形は外部の波形発生器からの入力信号に比例する形で制御ができ、磁場発生継続時間も目的物の磁気特性を計測するのに必要な時間（例えば０．１秒から数分の範囲）が可能である。
電流波形設定部は、例えば階段状の波形を作製し、磁場値が一定のステップのところで、その時間中で十分な計測に利用することで、定常磁場計測と同等の精度の高い測定を短時間に測定を行うことができる。
さらに好ましくは、階段状に変化する磁場発生の場合、次々と異なった磁場での計測（磁場変化計測）が可能となり、全計測時間も通常の定常磁場を使った場合と比べて大幅に短くすることができる。
さらに好ましくは、蓄電部として蓄電池や小型大容量コンデンサを用いることで、本発明の時間波形可変強磁場発生装置は移動も可能になると共に、充電用商用電源として液体ヘリウムや大電力が必要となる通常の定常磁場発生装置に比べて、契約アンペア数が少なくできる低圧商用電源を使用することが出来、磁場発生に必要とされる電力供給契約が低額で済み、維持コストを少なくできる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施例を示す蓄電池を用いた電源装置と、当該電源装置を制御する制御用システムを説明する機能ブロック図である。

【図2】図1に示す装置の出力電流の波形図である。

【図3】本発明の一実施例を示す、ビッター磁石の構成図である。

【図4】図３に示すビッター磁石の構成要素である円形金属板の構成図である。

【図5】本発明の一実施例を示す様々な発生磁場波形を示す波形図である。

【図6】本発明の一実施例を示す最高電流値を変えた場合の階段状磁場の波形図である。

【図7】本発明の一実施例を示す５回繰り返しを行った階段状磁場発生を説明する波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、図面を用いて本発明を説明する。
本発明の時間波形可変強磁場発生装置においては、強磁場発生のための大電流に対応できる電磁石１０として、例えばビッター型電磁石や巻き線型電磁石を用いる。ここで、強磁場とは、１テスラ以上７０テスラ以下であるとよく、好ましくは、２０テスラを超え７０テスラ以下であって、超伝導磁石単体で発生できる磁場よりも高い値であるとよい。大電流は、例えば最大３００００アンペアであって、印加電圧は最大４００ボルトであるとよい。

【0018】

電源装置３０としては、供給電流を所定のパターンで時間変化させながら電磁石１０に供給できるとよい。そのために、電源装置３０には蓄電池または小型大容量のコンデンサを使い、電流波形設定部としての信号発生器７０の外からの波形入力に対応して、蓄電部分から、例えば印加電流として最大３００００アンペアであって、印加電圧は最大４００ボルトである電流量を高速に制御・調節できるとよい。
蓄電池とは、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して貯蔵し、必要に応じて電気を取り出すことができる装置で、充電によって繰り返し使用することができる。バッテリー、二次電池ともいわれ、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ＮＡＳ（ナトリウム硫黄）電池、リチウムイオン電池など様々な種類がある。
大容量コンデンサは電気二重層型コンデンサ、油入式充放電用コンデンサ、又はケミカルコンデンサであるとよい。電気二重層型コンデンサは、電気二重層を誘電体とした、対面電極のコンデンサ構造をしており、静電容量は、例えば数十Ｆ（ファラッド）である。ここで、電気二重層とは、固体と液体との間で自発的に生じ、充電によって、電子またはホールが互いに引き合って整列している状態を言う。油入式充放電用コンデンサは、誘電体に木材パルプを加工した紙に、絶縁油を含浸させたものを使っている。油入式充放電用コンデンサは、単純な構造ゆえ、静電容量は増やすためには形状が大きくなる難点があるが、耐電圧に優れている。ケミカルコンデンサは、アルミ電解コンデンサとも呼ばれ、誘電体としては、アルミニウム電極（通常はアルミ箔）表面に形成した酸化被膜（酸化アルミニウム）を用いる。ケミカルコンデンサは、誘電体層が非常に薄いため、大きな容量を得ることが出来る。
そして、電磁石１０と電源装置３０を組み合わせ、任意の磁場発生時間、任意の磁場波形の発生を可能とする磁場発生システムが実現できる。

【0019】

図１は本発明の一実施例を示す蓄電池を用いた電源装置の機能ブロック図で、当該電源装置を制御する制御用システムも併せて記載してある。図において、本発明の電源装置３０は、充電用商用電源３１、蓄電池３２、大電流化対応制御ブロック４０、電流出力回路５０、帰還制御ブロック６０を備えている。充電用商用電源３１は、蓄電池３２を充電するための電源系統で、例えば商用低圧電源のような供給電力量が数ｋＷ程度の比較的小規模の電力供給契約でも足りるが、液体ヘリウムや大電力が必要となる通常の定常磁場発生装置に用いられる高電圧電源系統を用いてもよい。高電圧電源系統は、供給電圧が例えば６．６ｋＶであり、供給電力量が数ＭＷ程度にも対応できる。
電源装置３０は、蓄電池３２に加えて、平滑コンデンサ３３、制御回路電源３４、操作・監視回路３６を有している。蓄電池３２は直流電力を供給するもので、例えば１６Ｖ～４００Ｖの定格電圧を有し、定格電流は例えば１～３０ｋＡとする。平滑コンデンサ３３は、蓄電池３２の供給する電流・電圧を平滑化するもので、蓄電池３２の正負端子に大電流化対応制御ブロック４０と並列に接続されている。制御回路電源３４は、商用電源から操作・監視回路３６用の電力を与える。操作・監視回路３６は、蓄電池３２の端子間電圧と供給電流を監視しており、ＰＷＭ回路６６に入力電圧の情報を与える。操作・監視回路３６は、補助電源として作用することもでき、蓄電池３２に蓄電用電力を供給するようにしてもよい。
蓄電池３２を設けると、例えば商用低圧電源のような供給電力量が数ｋＷ程度の比較的小規模の電力供給契約の充電用商用電源３１で充電しても、蓄電池３２から一時的な大電流の供給が可能となり、工場や大規模商業施設のように供給電力契約を数ＭＷ程度としなくてもすみ、契約アンペア数を低減できることから、電力料金が少なくてすむ。

【0020】

大電流化対応制御ブロック４０は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）４２、駆動回路４４、平滑コンデンサ４６、ダイオード４７、インダクタＬｆ４８を有している。電界効果トランジスタ４２は、パルス幅変調回路６６からのＰＷＭ制御信号をゲート端子に入力して、ドレイン端子－ソース端子間のドレイン電流のオンオフ制御をしている。平滑コンデンサ４６とダイオード４７は、電界効果トランジスタ４２を挟んで、蓄電池３２の正負端子と接続されている。インダクタＬｆ４８は、電界効果トランジスタ４２と電流出力回路５０との間に挿入されている。
電流出力回路５０は、コンデンサＣｆ５２、コモンモードコイルＣＭを有しており、出力端子Ｐ、Ｎの間にビッター型磁石１０の励磁用出力電流を出力している。

【0021】

帰還制御ブロック６０は、出力電流検出トランス５４、バッファアンプ５８、誤差アンプ６２、使用率制限回路６４、パルス幅変調回路（ＰＷＭ：pulse width modulation）６６を有している。バッファアンプ５８は、出力電流検出トランス５４の検出信号を入力しているもので、例えば出力電流の監視用に用いられる。誤差アンプ６２は、出力電流検出トランス５４と使用率制限回路６４のパターン信号とを比較して、パルス幅変調回路６６に送っている。使用率制限回路６４は時間当たりの電流変化量（ｄＩ／ｄｔ）を制限すると共に、誤差アンプ６２の誤差信号が大きい場合にも、パルス幅変調回路６６のデューティー比の上限値を制限して、ビッター型磁石１０が過大な電流により損壊することを防止する。
信号発生器７０は、使用率制限回路６４に対して、ビッター型磁石１０に供給する駆動電流波形を指示するパターン信号を出力している。パソコン７２は、信号発生器７０に指示する駆動電流波形のパターンを指示しやすくするソフトウェアを搭載しているもので、汎用のコンピュータ装置が用いられる。

【0022】

この様に構成された装置においては、パソコン７２ＰＣから信号発生器７０を制御し、発生させたい磁場の波形と同じ電圧プロファイルを使用率制限回路６４に送る。図２は、図１に示す装置の出力電流の波形図である。電気二重層型コンデンサや電磁石の場合は、単位時間当たりの電流増分が許容される範囲に制限があるので、この範囲の制限内で、出力電流の波形図を指示する。

【0023】

使用率制限回路６４では、信号発生器７０から送られたパターン信号に応じて、蓄電池３２からの直流電流が制御され、電流出力回路５０の出力端子Ｐ、Ｎとつながっているビッターコイルの円形金属板１２に電流が流れ、磁場が発生する。
またパルス磁場発生では、高容量コンデンサシステムに充電した電気エネルギーを使って、１ミリ秒３０テスラ以上の磁場発生が可能となっている。よって、このビッターコイルをそのまま使うことで３０テスラ程度の強磁場発生まで十分耐えることができる。コイルの発熱は小型循環冷却器により純水を磁石内に循環させ速やかに冷却を行う。

【0024】

図３は本発明の一実施例を示す、ビッター型電磁石の構成図である。図において、ビッター型磁石１０は、円形金属板１２、絶縁板１４、フランジ１６、締め付け棒１８を有している。ビッター型磁石は、コイル状の線材ではなく、円形の導電性金属板と絶縁性のスペーサーをらせん状に重ねた構造になっている。電流は円形金属板の間をらせん状に流れる。銅銀合金を利用した積層円形金属板の目的は、円形金属板内の移動電荷に作用する磁場によるローレンツ力が、磁場強度の２乗に比例して増加することで生じる外側への巨大な機械的圧力に耐えることである。また、円形金属板に流れる大電流による抵抗加熱で円形金属板に発生する膨大な熱を逃がすために、円形金属板の穴から水が冷却剤として循環している。放熱量は、磁場の強さの２乗に比例して増加する。

【0025】

円形金属板１２は、銅又は強度の強い銅合金を打ち抜いて作成された大略円形の板で、スリット１２２、締め付け棒用切り欠き穴１２４、冷却水用穴１２６、中央穴１２８が形成されている。円形金属板１２は、高強度高伝導材料である銅銀合金を利用した、強磁場発生用ビッターコイルを用いている。このビッターコイルは、本出願人において定常強磁場発生とパルス磁場発生の両方に利用しており、定常強磁場発生には１５メガワット電力を供給することで、最大３０テスラ程度の磁場発生の実績がある。スリット１２２は隣接する層間で、楔形切り欠き部１４２の切り欠き角度に相当する角度だけ回転しており、例えば４５度の場合は８枚で一回転し、３０度の場合は１２枚で一回転する。
絶縁板１４は、例えばポリイミド樹脂製の板で、楔形切り欠き部１４２、締め付け棒用切り欠き穴１４４、冷却水用穴１４６、中央穴１４８が形成されている。楔形切り欠き部１４２は、円周面の一部が所定の角度、例えば３０度～４５度程度、軸方向から円周部に切り欠いてある。積層される円形金属板１２は、重ねコイルとして絶縁板１４の切り欠き部１４６で隣接する円形金属板１２との導通を図ると共に、切り欠き部１４６を除く絶縁板１４では隣接する円形金属板１２との絶縁を図ることで、コイルの１ターン分を形成している。

【0026】

フランジ１６はビッター型磁石１０の軸方向の両端に設けられるもので、例えばＦＲＰ製の円板よりなり、締め付け棒１８による締結力を支持するための剛性を有している。締め付け棒１８は、円形金属板１２と絶縁板１４の重ねコイル積層体を締め付けるもので、例えば軸方向に８本等間隔で設けられている。締め付け棒１８は、各層の対応する締め付け棒用切り欠き穴１２４、１４４に装着されるもので、円形金属板１２の周面に沿って装着されるため、締結リング１８２をフランジ１６側に近い部位に設けて締め付け保持されている。

【0027】

高磁場導入路２０は、円形金属板１２の中央穴１２８と絶縁板１４の中央穴１４８に連通するもので、ビッター型磁石１０で生成される高磁場空間に観察対象物を送致するための導入路である。電極２２は、両端のフランジ１６表面に電線の接続端子が設けられているもので、積層される円形金属板１２の両側端部と接続される。
冷却水供給管２４は、各層の対応する円形金属板１２の冷却水用穴１２６と絶縁板１４の冷却水用穴１４６に冷却水を供給する管路で、両端のフランジ１６表面に冷却水接続口が設けてある。冷却水には、例えば電気抵抗率の高い（１０^６Ω・ｃｍ）脱イオン化された蒸留水を用いるとよい。冷却水供給管２４から供給される冷却水により、ビッター型磁石１０で高磁場発生に伴って生成される熱と熱交換している。

【0028】

図５は、本発明の一実施例を示す様々な発生磁場波形を示す波形図である。図５（Ａ）は三角関数的な波形の入力により実際に発生した磁場で、図５（Ｂ）は階段状の磁場となっている。階段状の磁場は発生時間全体で約２秒程度、階段状の一定部分が０．２秒程度となっている。

【0029】

図６は電流を変化させて階段状の磁場を発生させた波形図である。最大電流に応じた磁場発生となっていることが分かる。

【0030】

図７は階段状磁場発生を繰り返し行った測定結果であり、今回は５回の繰り返しを行った。原理的には蓄電池のエネルギーがなくなるまで、繰り返しを行うことができる。こうした繰り返しの磁場は、磁場のオンオフを行っていることと同じであり、磁気冷凍などへの応用が考えられる。

【0031】

なお、上記の実施の形態においては、強磁場発生用の電磁石としてビッター型電磁石の場合を示したが、巻き線型電磁石でもよい。また、上記の実施の形態においては、蓄電部として蓄電池の場合を示したが、大容量コンデンサでもよい。

【産業上の利用可能性】

【0032】

本発明の時間波形可変強磁場発生装置によれば、高い繰り返し周波数で磁場のオンオフ制御が可能となるため、磁気冷凍装置への応用が可能となるなど波及効果は大きい。
また、本発明の時間波形可変強磁場発生装置は、非殺傷性スタンドオフ兵器（敵の防空システムの有効射程外から発射される空対地ミサイル）の非殺傷兵器（行動制止システム）、１ＧＨｚ以上のＮＭＲ用高磁場インサートコイル、実験室規模の研究用マグネット、フライホイールエネルギー貯蔵および磁気浮上用磁気ベアリング、高出力モーター／ジェネレーター、トランス、誘導性障害電流リミッターなど、商業および軍事用途に応用できる可能性がある。

【符号の説明】

【0033】

１０：ビッター型電磁石
１２：円形金属板
１２２：スリット
１２４：締め付け棒用切り欠き穴
１２６：冷却水用穴
１２８：中央穴
１４：絶縁板
１４２：楔形切り欠き部
１４４：締め付け棒用切り欠き穴
１４６：冷却水用穴
１４８：中央穴
１６：フランジ
１８：締め付け棒
１８２：締結リング
２０：高磁場導入路
２２：電極
２４：冷却水供給管
３０：電源装置
３１：充電用商用電源
３２：蓄電池
４０：大電流化対応制御ブロック
５０：電流出力回路
６０：帰還制御ブロック
７０：信号発生器（信号波形設定部）
７２：パソコン（ＰＣ）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】