電磁力を受ける超伝導コイルと層間絶縁物の力学的挙動

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超伝導マグネットを利用した強磁場利用機器には、強大な電磁力が作用しており、この電磁力が構造材に及ぼす影響の力学的挙動の解明が注目されている。超伝導コイルを構成する超伝導導体の多くは超伝導の安定性を高めるとともに、超伝導素線の機械的な弱さを補強する意味で、異種材料との複合構造をしている。また、導体間の絶縁材は主にガラス線維強化複合材が使用される。超伝導コイルはこれらの複合部材が組み合わされたものであり、力学的挙動の評価は単一材料の構造物に比べて容易ではない。さらに、超伝導導体は、超伝導素線、安定化材、強度メンバの比率、配置が多種にわたり、その力学的強度の説明は従来の複合則による等価剛性では、定量的な評価が難しくなっている。本研究では、超伝導導体と絶縁物の極低温下での力学的挙動を明らかにし、電磁力を受けた超伝導コイルの力学的挙動を明らかにするために、超伝導導体と絶縁物を実際のコイル形状を模擬したサンプルの機械的強度実験を行い、その結果をもとに、異方性を考慮した弾性解析を実施した。実験結果からコイルは圧縮負荷を受ける過程で荷重と変位の関係に非線形が生じ、負荷過程と除荷過程でヒステリシスを持つことが観測された。これは導体と絶縁物が完全に面接触しておらず、荷重が増加するに従ってこの接触状態が変化するためと考え、これを検証するために接触要素を用いた解析を行った。解析の結果、超伝導導体と層間絶縁物の圧縮過程での面圧がどのように変化しているか、荷重と変位の非線形性は指数関数を用いた近似式でよく表現できること、構成材料の弾性範囲内の変形ではそのモデルが持っている理想的な圧縮剛性とならないこと等が明らかになった。本研究の結果をもとに荷重を面圧から電磁力を考慮した物体力に変えた計算を行うことにより、複合超伝導導体の機械的な負荷による剛性、強度を事件と照らし合わせ、定量的に評価した。