知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ 東北電力株式会社の特許一覧 ▶ 国立大学法人東北大学の特許一覧
(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】P2024029693
(43)【公開日】2024-03-06
(54)【発明の名称】電磁機器
(51)【国際特許分類】
H01F 21/08 20060101AFI20240228BHJP
H01F 38/00 20060101ALI20240228BHJP
H01F 27/245 20060101ALI20240228BHJP
【ＦＩ】
H01F21/08
H01F38/00
H01F27/245 157
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022132095
(22)【出願日】2022-08-22
(71)【出願人】
【識別番号】000222037
【氏名又は名称】東北電力株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】504157024
【氏名又は名称】国立大学法人東北大学
(74)【代理人】
【識別番号】110002343
【氏名又は名称】弁理士法人 東和国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】大日向 敬
(72)【発明者】
【氏名】有松 健司
(72)【発明者】
【氏名】中村 健二
【テーマコード（参考）】
5E070
【Ｆターム（参考）】
5E070AA01
5E070AB04
5E070BA20
5E070CA13
(57)【要約】 （修正有）
【課題】本発明の目的は、無効電力を連続的に制御可能であり、無効電力の制御範囲を拡大すると共に、装置を小型化することができる電磁機器を提供すること。
【解決手段】本発明の１つの実施形態に係る電磁機器は、第１基部磁心２１と一対の第１脚磁心２２、２３と主巻線２５とを有する第１鉄心２０と、第２基部磁心１１と一対の第２脚磁心１２、１３と制御巻線１５とを有する第２鉄心１０と、制御巻線に制御電流を供給する制御装置と、を有し、第１及び第２脚磁心の配列方向が相互に直交した状態で、一対の第１及び第２脚磁心の先端が接触し、第１又は第２鉄心における制御巻線１５が発生する磁束の磁路にバイアス磁石３０が、制御巻線が発生する磁束とバイアス磁石の磁極面が交差するように設けられ、制御装置は、制御巻線１５に供給する制御電流を正負に変化させることにより、インダクタンスを連続的に制御することを特徴とする。
【選択図】図１Ａ
【解決手段】本発明の１つの実施形態に係る電磁機器は、第１基部磁心２１と一対の第１脚磁心２２、２３と主巻線２５とを有する第１鉄心２０と、第２基部磁心１１と一対の第２脚磁心１２、１３と制御巻線１５とを有する第２鉄心１０と、制御巻線に制御電流を供給する制御装置と、を有し、第１及び第２脚磁心の配列方向が相互に直交した状態で、一対の第１及び第２脚磁心の先端が接触し、第１又は第２鉄心における制御巻線１５が発生する磁束の磁路にバイアス磁石３０が、制御巻線が発生する磁束とバイアス磁石の磁極面が交差するように設けられ、制御装置は、制御巻線１５に供給する制御電流を正負に変化させることにより、インダクタンスを連続的に制御することを特徴とする。
【選択図】図１Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１基部磁心から同一方向に延びる一対の第１脚磁心を有し、主巻線が巻回された積層鋼板からなる第１鉄心と、
第２基部磁心から同一方向に延びる一対の第２脚磁心を有し、制御巻線が巻回された積層鋼板からなる第２鉄心と、
前記制御巻線に制御電流を供給してインダクタンスを制御する制御装置と、
を有し、
前記第１脚磁心の配列方向と前記第２脚磁心の配列方向とが直交した状態で、一対の前記第１脚磁心の先端と一対の前記第２脚磁心の先端とが接触し、
前記第１鉄心又は前記第２鉄心のいずれか一方における前記制御巻線が発生する磁束の磁路にバイアス磁石が、前記制御巻線が発生する磁束と前記バイアス磁石の磁極面が交差するように設けられ、
前記制御装置は、制御巻線に供給する制御電流を正負に変化させることにより、インダクタンスを連続的に制御することを特徴とする電磁機器。
第２基部磁心から同一方向に延びる一対の第２脚磁心を有し、制御巻線が巻回された積層鋼板からなる第２鉄心と、
前記制御巻線に制御電流を供給してインダクタンスを制御する制御装置と、
を有し、
前記第１脚磁心の配列方向と前記第２脚磁心の配列方向とが直交した状態で、一対の前記第１脚磁心の先端と一対の前記第２脚磁心の先端とが接触し、
前記第１鉄心又は前記第２鉄心のいずれか一方における前記制御巻線が発生する磁束の磁路にバイアス磁石が、前記制御巻線が発生する磁束と前記バイアス磁石の磁極面が交差するように設けられ、
前記制御装置は、制御巻線に供給する制御電流を正負に変化させることにより、インダクタンスを連続的に制御することを特徴とする電磁機器。
【請求項2】
前記制御電流が零の時に、無効電力が正の初期値を有することを特徴とする請求項１に記載の電磁機器。
【請求項3】
前記制御電流を負の電流である下限値から正の電流である上限値まで増大させるのに伴い、無効電力が連続的に増加する特性を有することを特徴とする請求項２に記載の電磁機器。
【請求項4】
前記第１鉄心の積層鋼板の積層方向が、前記主巻線の発生する磁束方向と直交しており、
前記接触面における前記第１脚磁心の積層鋼板の積層方向と、前記第２脚磁心の積層鋼板の積層方向とが、同じ方向に整列していることを特徴とする請求項１に記載の電磁機器。
前記接触面における前記第１脚磁心の積層鋼板の積層方向と、前記第２脚磁心の積層鋼板の積層方向とが、同じ方向に整列していることを特徴とする請求項１に記載の電磁機器。
【請求項5】
前記バイアス磁石が、
一対の前記第１脚磁心のそれぞれに、
一対の前記第２脚磁心のそれぞれに、又は、
前記第２基部磁心に、
前記主巻線の発生する磁束が前記バイアス磁石を通過することが無い位置に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の電磁機器。
一対の前記第１脚磁心のそれぞれに、
一対の前記第２脚磁心のそれぞれに、又は、
前記第２基部磁心に、
前記主巻線の発生する磁束が前記バイアス磁石を通過することが無い位置に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の電磁機器。
【請求項6】
無効電力の制御範囲の最大無効電力を最小無効電力で除した変化比率が３０倍以上であり、
無効電力の制御範囲が、バイアス磁石が無い場合よりも１０％以上広いことを特徴とする請求項５に記載の電磁機器。
無効電力の制御範囲が、バイアス磁石が無い場合よりも１０％以上広いことを特徴とする請求項５に記載の電磁機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電磁機器に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、太陽光発電、風力発電等の再生可能エネルギーの導入拡大が進みつつあり、これら再生可能エネルギーの導入拡大によって、特に配電線を中心とした電力系統において、発電出力の変動に伴う系統電圧の変動や、発電出力が電力系統の需要を上回ることで異なる電力潮流（逆潮流）を発生させ、系統電圧の上昇の要因となる等、電力系統の電力品質低下の要因となっている。このため、電力品質を維持する、低コストで効果的な電圧調整装置が求められている。
【0003】
例えば電力系統に対して電圧調整装置として可変インダクタを並列に接続して無効電力を調整することで、配電線の長さに応じたインピーダンス成分に無効電力を作用させて電圧を調整することができる。可変インダクタとしては、機械的な接点を持たずに、制御電流の調整により主巻線のインダクタンスを連続的に制御する機能を持つ、例えば、特許文献１のような本出願人が先に提案したインダクタンスを可変できる電磁機器が挙げられる。
【0004】
特許文献１の電磁機器は、主巻線と制御巻線をそれぞれ巻回した一対のＵ形状の鉄心の両脚端面を、互いに９０度捩って接触させた構造になっており、主巻線で形成される主磁束と制御巻線で形成される制御磁束が通る磁気回路が直交しており、互いに一方の巻線の磁束は他方の巻線と鎖交しないという特徴を有する。制御磁束は一対の鉄心の接触部で共通の磁路を形成しているため、制御巻線に直流電流または交流電流を流すことにより共通磁路の透磁率を調整でき、他方の主巻線の磁束を制御できる。
【0005】
すなわち、制御巻線へ印加する電圧を制御すると、制御巻線を流れる制御電流による制御磁束が変化するため、主巻線による主磁束の磁路の磁気抵抗が変化し、主巻線を流れる主電流の値が変わる。このため、特許文献１の電磁機器は、主巻線のインダクタンスを可変にすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０２１－１６８３４５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
再生可能エネルギーの発電出力の変動に伴う系統電圧の変動を調整する電圧調整装置に適用する電力用可変インダクタには、無効電力容量を大きくすることが求められる。特許文献１によれば、Ｕ形カットコアからなる鉄心の両脚端面を互いに９０度捩って接触させた構造によって小型化することができるので、無効電力容量を大きくし易くなる。しかしながら、特許文献１の電磁機器では、主巻線のインダクタンスを可変できる範囲を大きくするためには、鉄心を大きくする、あるいは、制御巻線を流れる制御電流を大きくする必要があるという問題がある。
【0008】
そこで、本発明は前述したような従来技術の問題を解決するものであって、すなわち、本発明の目的は、無効電力を連続的に制御可能であり、無効電力の可変範囲を拡大すると共に、装置を小型化することができるインダクタンス変化が可能な電磁機器を提供することである。
【0009】
本発明の上記目的は、以下の構成によって達成できる。すなわち、本発明の第１の態様の電磁機器は、第１基部磁心から同一方向に延びる一対の第１脚磁心を有し、主巻線が巻回された積層鋼板からなる第１鉄心と、第２基部磁心から同一方向に延びる一対の第２脚磁心を有し、制御巻線が巻回された積層鋼板からなる第２鉄心と、前記制御巻線に制御電流を供給してインダクタンスを制御する制御装置と、を有し、前記第１脚磁心の配列方向と前記第２脚磁心の配列方向とが直交した状態で、一対の前記第１脚磁心の先端と一対の前記第２脚磁心の先端とが接触し、前記第１鉄心又は前記第２鉄心のいずれか一方における前記制御巻線が発生する磁束の磁路にバイアス磁石が、前記制御巻線が発生する磁束と前記バイアス磁石の磁極面が交差するように設けられ、前記制御装置は、制御巻線に供給する制御電流を正負に変化させることにより、インダクタンスを連続的に制御することを特徴とする。
【0010】
本発明の第２の態様の電磁機器は、第１の態様の電磁機器において、前記制御電流が零の時に、無効電力が正の初期値を有することを特徴とする。
【0011】
本発明の第３の態様の電磁機器は、第２の態様の電磁機器において、前記制御電流を負の電流である下限値から正の電流である上限値まで増大させるのに伴い、無効電力が連続的に増加する特性を有することを特徴とする。
【0012】
本発明の第４の態様の電磁機器は、第１の態様の電磁機器において、前記第１鉄心の積層鋼板の積層方向が、前記主巻線の発生する磁束方向と直交しており、前記接触面における前記第１脚磁心の積層鋼板の積層方向と、前記第２脚磁心の積層鋼板の積層方向とが、同じ方向に整列していることを特徴とする。
【0013】
本発明の第５の態様の電磁機器は、第４の態様の電磁機器において、前記バイアス磁石が、一対の前記第１脚磁心のそれぞれに、一対の前記第２脚磁心のそれぞれに、又は、前記第２基部磁心に、前記主巻線の発生する磁束が前記バイアス磁石を通過することが無い位置に設けられていることを特徴とする。
【0014】
本発明の第６の態様の電磁機器は、第５の態様の電磁機器において、無効電力の制御範囲の最大無効電力を最小無効電力で除した変化比率が３０倍以上であり、無効電力の制御範囲が、バイアス磁石が無い場合よりも１０％以上広いことを特徴とする。
【発明の効果】
【0015】
本発明の第１の態様の電磁機器によれば、制御装置によりインダクタンスを連続的に制御可能であり、インダクタンスの制御範囲を拡大すると共に、装置を小型化することができる。本発明の第１の態様の電磁機器は、第１鉄心又は第２鉄心のいずれか一方における制御巻線が発生する磁束の磁路にバイアス磁石が、制御巻線が発生する磁束とバイアス磁石の磁極面が交差するように設けられ、制御巻線に供給される制御電流を正負に変化させることにより、インダクタンスを連続的に制御することができると共に、インダクタンスの制御範囲を拡大することができる。制御範囲が拡大すれば、装置の単位重量当たりの出力の増加が可能となり、装置の軽量化につながる。
【0016】
また、制御巻線に正負の制御電流を供給する制御装置は、電流容量を小さく抑えることができるため、小型化が可能となる。また、第１鉄心又は第２鉄心からなる構造上の特徴と相まって、装置全体の小型化が可能である。バイアス磁石による磁束が、制御巻線の磁束に加えられるため、制御巻線の巻き数を低減することができる点でも、装置の小型・軽量化に寄与する。また、タップ式電圧調整機器のような機械的な接点を必要としない。さらには、主巻線の入出力電流に対して高次高調波が重畳されることが無いため高調波歪率が少ない。
【0017】
本発明の第２の態様の電磁機器によれば、制御電流が零の時に、無効電力が正の初期値を有することにより、すなわち、制御電流による磁束は、バイアス磁石による磁束と加算されるため、制御電流を低減することが可能となるので、制御装置の消費電力を低減し、制御装置を小型・軽量化することができる。
【0018】
本発明の第３の態様の電磁機器によれば、制御電流に対する無効電力の特性に応じて、制御電流の上限値と下限値を、制御電流を負の電流である下限値から正の電流である上限値まで増大させるのに伴い無効電力が連続的に増加する特性となるように選択されるため、無効電力の制御範囲を大きく設定でき、かつ、制御電流に対する無効電力の特性を直線状として、無効電力を滑らかに連続的に制御することができる。
【0019】
本発明の第４の態様の電磁機器によれば、接触面における第１脚磁心の積層鋼板の積層方向と、第２脚磁心の積層鋼板の積層方向とが、同じ方向に整列していることにより、接触面に絶縁フィルムを挿入する必要が無く、接触面における渦電流の発生を抑制することにより、漏れ磁束の低減や、鉄損の低減等の磁気特性が改善される。
【0020】
本発明の第５の態様の電磁機器によれば、バイアス磁石を選択的に、一対の第１脚磁心のそれぞれに、一対の第２脚磁心のそれぞれに、又は、第２基部磁心に配置することができ、バイアス磁石の配置の自由度を高めることができる。また、バイアス磁石が、主巻線の発生する磁束がバイアス磁石を通過することが無い位置に設けられているので、主巻線に交流磁束が通過し、例えば雷サージ等の想定以上の交流磁束が発生した場合にも、バイアス磁石を消磁・減磁させることを防ぐことができる。
【0021】
例えば、バイアス磁石を一対の第１脚磁心のそれぞれに配置する場合には、第１鉄心の積層鋼板の積層方向と合わせてバイアス磁石を積層配置することができるので、配置し易く、製造工程も簡略化できる。バイアス磁石を一対の第２脚磁心のそれぞれに配置する場合には、接触面からバイアス磁石を、主巻線の発生する磁束が通過する磁路分以上を離して配置することで、主巻線の発生する磁束がバイアス磁石を通過することのない位置にバイアス磁石を配置することができる。また、バイアス磁石を第２基部磁心に配置する場合には、バイアス磁石の数を１個とすることができ、また、主巻線の発生する磁束の磁路から最も遠い位置にバイアス磁石を配置することができる。
【0022】
本発明の第６の態様の電磁機器によれば、無効電力の制御範囲の最大無効電力を最小無効電力で除した変化比率が３０倍以上であり、無効電力の制御範囲が、バイアス磁石が無い場合よりも１０％以上広いというバイアス磁石の厚み等の条件を設定することによって、無効電力の制御範囲が大幅に拡大される。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1A】積層コア内配置タイプ（第１タイプ）の電磁機器の斜視図である。
【図1B】第１タイプの電磁機器の変形例の斜視図である。
【図1C】第１タイプの電磁機器の変形例のＩＣ－ＩＣ断面図である。
【図2】制御電流に対するインダクタンスの特性の説明図である。
【図3】制御電流に対する無効電力の特性の説明図である。
【図4】カットコア上部タイプ（第２タイプ）の電磁機器の斜視図である
【図5】カットコア側部配置タイプ（第３タイプ）の電磁機器の斜視図である。
【図6】実験モデルの説明図である。
【図7A】第１タイプのネオジウム焼結磁石を用いた電磁機器の無効電力制御特性である。
【図7B】第１タイプのネオジウムボンド磁石を用いた電磁機器の無効電力制御特性である。
【図7C】第１タイプのフェライト磁石を用いた電磁機器の無効電力制御特性である。
【図8A】第２タイプのネオジウム焼結磁石を用いた電磁機器の無効電力制御特性である。
【図8B】第２タイプのネオジウムボンド磁石を用いた電磁機器の無効電力制御特性である。
【図8C】第２タイプのフェライト磁石を用いた電磁機器の無効電力制御特性である。
【図9A】第３タイプのネオジウム焼結磁石を用いた電磁機器の無効電力制御特性である。
【図9B】第３タイプのネオジウムボンド磁石を用いた電磁機器の無効電力制御特性である。
【図9C】第３タイプのフェライト磁石を用いた電磁機器の無効電力制御特性である。
【図10】第１タイプのネオジウム焼結磁石を用いた電磁機器の磁石厚み毎の無効電力制御特性である。
【図12】第２タイプのネオジウム焼結磁石を用いた電磁機器の磁石厚み毎の無効電力制御特性である。
【図14】第３タイプのネオジウム焼結磁石を用いた電磁機器の磁石厚み毎の無効電力制御特性である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る電磁機器を説明する。但し、以下に示す実施形態は本発明の技術思想を具体化するための電磁機器を例示するものであって、本発明をこれらに特定するものではなく、特許請求の範囲に含まれるその他の実施形態のものにも等しく適用し得るものである。
【0025】
【0026】
第１タイプの電磁機器は、第１鉄心２０及び第２鉄心１０を含んでいる。第１鉄心２０は略コ字型の鉄心であり、第１基部磁心２１、第１基部磁心２１から同一方向に延びる一対の第１脚磁心２２，２３を有する積層鋼板からなる。一対の第１脚磁心の一方２２には、主巻線２５が巻回されている。端子間には電圧ｅ１が印加され、電流ｉ１が流れる。主巻線２５の両端子は電力系統に対して並列に接続されるので、電圧ｅ１としては、電力系統の交流電圧が印加される。主巻線２５に電流ｉ１が供給されることによって、第１鉄心２０及び第２鉄心１０には、磁束φ１が生成される。
【0027】
本実施形態の電磁機器は、電力系統に対して電圧調整装置として使用することができる。本実施形態の電磁機器を電力系統に並列に接続して無効電力を調整することで、配電線の長さに応じたインピーダンス成分に無効電力を作用させて電圧を調整することができる。これによって、再生可能エネルギーの導入拡大によって、特に配電線を中心とした電力系統において、発電出力の変動に伴う系統電圧の変動を調整することができる。本実施形態の電磁機器は、単相分について説明しているが、三相交流系統に対しては、本実施形態の電磁機器を各相に1個、合計3個設けることができる。
【0028】
第１鉄心２０の積層鋼板の積層方向は、図１Ａにおける電流ｉ１の矢印の向きとなっており、第１鉄心２０の積層鋼板の積層方向は、主巻線２５の発生する磁束方向と直交している。一対の第１脚磁心２２，２３のそれぞれには、第１鉄心２０の積層鋼板の積層方向の中央部に、それぞれバイアス磁石として、長方形状で薄板状の永久磁石３０が、第１鉄心２０の積層鋼板の積層方向と永久磁石３０の着磁方向が一致するように設けられている。永久磁石３０によって、第１鉄心２０及び第２鉄心１０には、磁束φＰＭが生成される。永久磁石３０の磁極面は、制御巻線１５が発生する磁束φ２と交差するように設けられ、永久磁石３０が発生する磁束φＰＭは、制御巻線１５が発生する磁束φ２に加えられるように永久磁石３０は配置されている。
【0029】
バイアス磁石としての永久磁石３０は、主巻線２５の発生する磁束φ１が永久磁石３０を通過することが無い位置に設けられている。これにより、永久磁石３０が、主巻線２５の発生する磁束φ１が永久磁石３０を通過することが無い位置に設けられているので、主巻線２５に交流磁束が通過し、例えば雷サージ等の想定以上の交流磁束が発生した場合にも、永久磁石３０を消磁・減磁させることを防ぐことができる。
【0030】
第２鉄心１０は略Ｕ字状の鉄心であり、第２基部磁心１１、第２基部磁心１１から同一方向に延びる一対の第２脚磁心１２，１３を有する積層鋼板、特に限定されるものではないが例えばカットコアからなる。なお、カットコアは、特に製法を限定するものではないが、例えば、鋼板を矩形、丸形等任意の形状に巻き取って焼鈍後、接着剤で固め任意の箇所を切断・研磨加工することに形成された鉄心である。一対の第２脚磁心の一方１２には、制御巻線１５が巻回されている。制御巻線１５の端子間には電圧ｅ２が印加され、制御電流ｉ２が流れる。制御巻線１５には、図示されていない制御装置から、制御電流としての直流電流が供給されている。制御巻線１５に制御電流ｉ２が供給されることにより、第１鉄心２0及び第２鉄心１０に磁束φ２が生成される。
【0031】
第１鉄心２０における第１脚磁心２２，２３の配列方向と、第２鉄心における第２脚磁心１２，１３の配列方向とが直交した状態で、一対の第１脚磁心２２，２３の先端と一対の第２脚磁心１２，１３の先端とが接触しており、この各接触面における第１脚磁心２２，２３の積層鋼板の積層方向と、第２脚磁心１２，１３の積層鋼板の積層方向とは、同じ方向に整列している。このように、各接触面において、両者の積層鋼板の積層方向が同じ方向に整列していることにより、接触面に絶縁フィルムを挿入する必要が無く、接触面における渦電流の発生を抑制することにより、漏れ磁束の低減や、鉄損の低減等の磁気特性が改善される。
【0032】
図１Ｂは、第１タイプの電磁機器の変形例の斜視図である。図１Ｂに示された第１タイプの電磁機器の変形例は、図１Ａに示された第１タイプの電磁機器と比べると、第１鉄心２０の一対の第１脚磁心２２，２３に対して、それぞれ主巻線２５，２６が巻回されていると共に、第２鉄心１０の一対の第２脚磁心１２，１３に対して、それぞれ制御巻線１５，１６が巻回されている点で相違している。その他の点では、図１Ｂに示された第１タイプの電磁機器の変形例は、図１Ａに示された第１タイプの電磁機器と同様であるので、同様の構成に対しては、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【0033】
図１Ｃは、図１Ｂの第１タイプの電磁機器の変形例のＩＣ－ＩＣ断面図である。図１Ｃにおいて、図１Ａ及び図１Ｂと同様の構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。図１Ｃにおいては、一対の永久磁石３０，３１の形状が示されている。第１鉄心２０の一対の一対の第１脚磁心２２，２３に設けられた一対の永久磁石３０，３１の形状は、図１Ｃに示されたとおり、第１鉄心２０に沿う形状であるため、図１Ｃの断面図においても、一対の永久磁石３０，３１は、第１鉄心２０と完全に重なって描かれている。
【0034】
なお、永久磁石３０，３１は、制御巻線１５，１６が発生する磁束φ２と一対の永久磁石３０，３１の磁極面がそれぞれ交差するように設けられている限りにおいて、永久磁石３０，３１の形状、大きさは図１Ｃに示されたものに限定されるものではなく、例えば永久磁石３０，３１の角を面取りしたような形状、永久磁石３０，３１の大きさが第１鉄心２０の外径寸法よりも小さくしたもの、永久磁石３０，３１の高さ方向の寸法が第１鉄心２０よりも小さくもの等でもよい。
【0035】
永久磁石３０，３１は、制御巻線１５，１６が発生する磁束φ２と一対の永久磁石３０，３１の磁極面がそれぞれ交差するように設けられていればよいため、第１鉄心２０の第１基部磁心２１における永久磁石３０と永久磁石３１との間の部分は積層鋼板が設けられているが、一対の永久磁石３０，３１の間の積層鋼板の部分は、永久磁石３０，３１により発生された磁束φＰＭの磁路とはならず、また、制御巻線１５，１６により発生された磁束φ２の磁路ともならない。
【0036】
永久磁石３０，３１を一対の第１脚磁心２２，２３のそれぞれに配置する場合には、第１鉄心２０の積層鋼板の積層方向と合わせて永久磁石３０，３１を積層配置することができるので、配置し易く、製造工程も簡略化できる。ここでは、図１Ｃを変形例として説明したが、図１Ａの永久磁石３０，３１についても、図１Ｃと同様の配置・形状となっている。
【0037】
永久磁石としては、特に限定されるものではないが、ネオジウム焼結磁石、ネオジウムボンド磁石、又はフェライト磁石等を用いることができ、保磁力が高く、さらに電磁振動による衝撃に耐えられるだけの強度を有することが求められる。特に限定されるものではないが、永久磁石の保磁力の範囲を例示する。
ネオジウム焼結磁石（Nd-Fe-B焼結磁石）の保磁力
保磁力HcJ最小値 876～2786ｋA/m
保磁力HcB最小値 716～1035ｋA/m
（https://www.san-s-separator.co.jp/sans/products/neodymium/参照）
ネオジウム射出成形磁石の磁気特性の保磁力
保磁力HcJ最小値 480～1035A/m
保磁力HcB最小値 120～335ｋA/m
（http://www.chaosgro.com/Japanese/user_data/bonded_neodymium_property.asp参照）
ネオジウム圧縮成形磁石の磁気特性
保磁力HcJ最小値 520～1190A/m
保磁力HcB最小値 285～445ｋA/m
（http://www.chaosgro.com/Japanese/user_data/bonded_neodymium_property.asp参照）
フェライト磁石の磁気特性
保磁力HcJ最小値 238～279A/m
保磁力HcB最小値 143～175ｋA/m
（http://www.tp-mag.com/jishaku.html参照）
ネオジウム焼結磁石（Nd-Fe-B焼結磁石）の保磁力
保磁力HcJ最小値 876～2786ｋA/m
保磁力HcB最小値 716～1035ｋA/m
（https://www.san-s-separator.co.jp/sans/products/neodymium/参照）
ネオジウム射出成形磁石の磁気特性の保磁力
保磁力HcJ最小値 480～1035A/m
保磁力HcB最小値 120～335ｋA/m
（http://www.chaosgro.com/Japanese/user_data/bonded_neodymium_property.asp参照）
ネオジウム圧縮成形磁石の磁気特性
保磁力HcJ最小値 520～1190A/m
保磁力HcB最小値 285～445ｋA/m
（http://www.chaosgro.com/Japanese/user_data/bonded_neodymium_property.asp参照）
フェライト磁石の磁気特性
保磁力HcJ最小値 238～279A/m
保磁力HcB最小値 143～175ｋA/m
（http://www.tp-mag.com/jishaku.html参照）
【0038】
図２は、制御電流に対するインダクタンス（主コイル２５の両端間のインダクタンス、以下同様）の特性の説明図である。バイアス磁石を備えていない従来の電磁機器では、制御電流を例えば零から正方向に増やしていくと、インダクタンスが減少するので、インダクタンスをＬ０の範囲で制御していた。これに対して、本実施形態の電磁機器では、制御装置によって制御電流を正負にわたって制御することにより、主巻線２５のインダクタンスの制御範囲は従来よりも広いＬ１の範囲とすることができる。
【0039】
図３は、制御電流に対する無効電力（主コイル２５の両端間における無効電力、以下同様）の特性の説明図である。本実施形態の電磁機器の主巻線２５の両端子を電力系統に対して並列に接続し、電力系統の電圧変動を調整する場合について説明する。破線が従来のバイアス磁石無しの電磁機器の無効電力特性、実線がバイアス磁石を有する本実施形態の電磁機器の無効電力特性である。従来のバイアス磁石無しの電磁機器の無効電力特性では、制御電流は零から正方向に増やされ、それに応じてインダクタンスがＬ０の範囲で減少するのに連れて、無効電力はＰ０の範囲で増大していく。制御電流が零の時、無効電力Ｃ０は、ほぼ零である。
【0040】
これに対して本実施形態では、バイアス磁石としての永久磁石３０を有しているため、制御電流が零において、無効電力は正の初期値Ｃ１を有している。このため、制御電流による磁束は、バイアス磁石による磁束と加算されるため、制御電流を低減することが可能となるので、制御装置の消費電力を低減し、制御装置を小型・軽量化することができる。
【0041】
制御電流が負の場合には、制御巻線１５から永久磁石３０の磁束を打ち消す方向の磁束が発生するので、制御電流が零からＩ０に向けて減少する（負方向の制御電流が増加する）につれて、インダクタンスが大きくなり、無効電力は減少する。制御電流が零の場合には、永久磁石３０の磁束に相当する分だけインダクタンスが低減され、相当する無効電力となる初期値Ｃ１となる。また、制御電流が正の場合には、制御巻線１５から永久磁石３０の磁束を強める方向の磁束が発生するので、制御電流が零から上限値Ｉｍａｘに向けて増大する（正方向の制御電流が大きくなる）につれてインダクタンスは小さくなり、無効電力が大きくなる。
【0042】
制御電流は負の電流である下限値Ｉ０から、制御電流が零を通り、正の電流である上限値Ｉｍａｘまで増大させるのに伴い、無効電力が連続的に、直線状に増加する特性を有している。下限値Ｉ０において無効電力は、ほぼ零であり、制御電流が零において無効電力は初期値Ｃ１を有しており、制御電流の上限値Ｉｍａｘにおいて無効電力はＰ１となるので、無効電力の制御範囲Ｐ１はバイアス磁石を有していない従来例の場合の制御範囲Ｐ０よりも拡大される。
【0043】
これにより、制御電流に対する無効電力の特性に応じて、制御電流の上限値と下限値を、制御電流を負の電流である下限値Ｉ０から正の電流である上限値Ｉｍａｘまで増大させるのに伴い、無効電力がＰ１の範囲で連続的に増加する特性となるように選択されるため、無効電力の制御範囲Ｐ１を大きく設定でき、かつ、制御電流に対する無効電力の特性を直線状として、無効電力を滑らかに連続的に制御することができる。
【0044】
図４は、カットコア上部タイプ（以下「第２タイプ」という。）の電磁機器の斜視図である。図４の第２タイプの電磁機器は、図１Ａの第１タイプの電磁機器と比べると、バイアス磁石としての永久磁石５０の配置が、カットコア上部である点で相違している。図４において、図１Ａと同様の構成には同じ符号を用い、その説明を省略する。永久磁石５０は、第２鉄心１０の第２基部磁心１１の中央部に、永久磁石５０の磁極面が制御巻線１５が発生する磁束φ２と交差するように設けられている。
【0045】
永久磁石５０が発生する磁束φＰＭは、制御巻線１５が発生する磁束φ２に加えられるように永久磁石５０は配置されている。また、第２タイプにおいても、永久磁石５０は、主巻線２５の発生する磁束φ１が永久磁石５０を通過することが無い位置に設けられている。
【0046】
図４では、永久磁石５０は、第２基部磁心１１の断面積と同じ寸法として示されているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば永久磁石５０の角を面取りしたような形状、永久磁石５０の大きさが第２基部磁心１１の断面寸法よりも小さくしたもの等でもよい。また、永久磁石５０を第２基部磁心１１に配置する場合には、永久磁石５０の数を１個とすることができ、また、主巻線２５の発生する磁束φ１の磁路から最も遠い位置にバイアス磁石を配置することができる。
【0047】
図５は、カットコア側部配置タイプ（以下「第３タイプ」という。）の電磁機器の斜視図である。図５の第３タイプの電磁機器は、図１Ａの第１タイプの電磁機器と比べると、バイアス磁石としての永久磁石４０，４１の配置が、それぞれ一対のカットコア側部である点で相違している。図５において、図１Ａと同様の構成には同じ符号を用い、その説明を省略する。永久磁石４０，４１は、第２鉄心１０の第２脚磁心１２，１３に、それぞれ永久磁石４０，４１の磁極面が制御巻線１５が発生する磁束φ２と交差するように設けられている。
【0048】
永久磁石４０，４１が発生する磁束φＰＭは、制御巻線１５が発生する磁束φ２に加えられるように各永久磁石４０，４１は配置されている。また、第３タイプの電磁機器においても、永久磁石４０，４１は、主巻線２５の発生する磁束φ１が永久磁石４０，４１を通過することが無い位置に設けられている。
【0049】
図５では、一対の永久磁石４０，４１は、それぞれ第２脚磁心１２，１３の断面積と同じ寸法として示されているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば永久磁石４０，４１の角を面取りしたような形状、永久磁石４０，４１の大きさがそれぞれ第２脚磁心１２，１３の断面寸法よりも小さくしたもの等でもよい。永久磁石４０，４１を一対の第２脚磁心１２，１３のそれぞれに配置する場合には、接触面から永久磁石４０，４１を、主巻線２５の発生する磁束φ１が通過する磁路分以上を離して配置することで、主巻線２５の発生する磁束φ１が永久磁石４０，４１を通過することのない位置に永久磁石４０，４１を配置することができる。
【0050】
図１Ａ、図４、図５に示すように、バイアス磁石を選択的に、一対の第１脚磁心のそれぞれに、一対の第２脚磁心のそれぞれに、又は、第２基部磁心に配置することができ、バイアス磁石の配置の自由度を高めることができる
【0051】
図６は、実験モデルの説明図である。図７Ａから図１１Ｃまでの実験には、図６の実験モデルを使用した。各部の寸法は次のとおりである。
ｈ１＝１１５ｍｍ
ｈ２＝１００ｍｍ
ｈ３＝ｈ４＝７０ｍｍ
ｗ２＝w４＝ｗ６＝ｗ８＝３０ｍｍ
ｗ３＝ｗ７＝４０ｍｍ
ｗ１＝ｗ５＝１００ｍｍ
ｈ１＝１１５ｍｍ
ｈ２＝１００ｍｍ
ｈ３＝ｈ４＝７０ｍｍ
ｗ２＝w４＝ｗ６＝ｗ８＝３０ｍｍ
ｗ３＝ｗ７＝４０ｍｍ
ｗ１＝ｗ５＝１００ｍｍ
【0052】
主巻線のターン数＝２９６ターン
制御巻線のターン数＝３２０ターン
主巻線の印加電圧ｅ１＝２００Ｖ、周波数５０Ｈｚ
電磁機器の容量＝１．６７ｋＶＡ
制御電流は、ＤＣ －１０Ａから１０Ａ
制御巻線のターン数＝３２０ターン
主巻線の印加電圧ｅ１＝２００Ｖ、周波数５０Ｈｚ
電磁機器の容量＝１．６７ｋＶＡ
制御電流は、ＤＣ －１０Ａから１０Ａ
【0053】
図３で示したように実際には制御装置は、制御電流を負の電流である下限値Ｉ０と、正の電流である上限値Ｉｍａｘとの間で制御しているが、以下図７Ａから図１１Ｃの実験においては、無効電力の制御電流の変化に対する特性を検討するために、実際に制御装置が使う範囲外の制御電流の範囲外についても測定して、本実施形態の電磁機器の特性を求めた。
【0054】
本実施形態の実験で用いたネオジウム焼結磁石、ネオジウムボンド磁石、及びファライト磁石の特性は、次のとおりである。
ネオジウム焼結磁石（Ｎ４２Ｈ）
保磁力Ｈｃ＝９５０ｋＡ／ｍ
残留磁束密度Ｂｒ＝１．３１Ｔ
非透磁率μｒ＝１．１０
ネオジウムボンド磁石（ＮＥＯＢＭ－９）
保磁力Ｈｃ＝４２０ｋＡ／ｍ
残留磁束密度Ｂｒ＝０．６７５Ｔ
非透磁率μｒ＝１．２８
フェライト磁石（Ｙ３０ＢＨ）
保磁力Ｈｃ＝２２９ｋＡ／ｍ
残留磁束密度Ｂｒ＝０．３８５Ｔ
非透磁率μｒ＝１．３４
ネオジウム焼結磁石（Ｎ４２Ｈ）
保磁力Ｈｃ＝９５０ｋＡ／ｍ
残留磁束密度Ｂｒ＝１．３１Ｔ
非透磁率μｒ＝１．１０
ネオジウムボンド磁石（ＮＥＯＢＭ－９）
保磁力Ｈｃ＝４２０ｋＡ／ｍ
残留磁束密度Ｂｒ＝０．６７５Ｔ
非透磁率μｒ＝１．２８
フェライト磁石（Ｙ３０ＢＨ）
保磁力Ｈｃ＝２２９ｋＡ／ｍ
残留磁束密度Ｂｒ＝０．３８５Ｔ
非透磁率μｒ＝１．３４
【0055】
図７Ａは、第１タイプのネオジウム焼結磁石を用いた電磁機器の無効電力制御特性であり、図７Ｂは、第１タイプのネオジウムボンド磁石を用いた電磁機器の無効電力制御特性であり、図７Ｃは、第１タイプのフェライト磁石を用いた電磁機器の無効電力制御特性である。各グラフとも横軸は制御電流であり、縦軸は無効電力であり、永久磁石の厚み（４０ｍｍ，３０ｍｍ，２０ｍｍ，１０ｍｍ，５ｍｍ，２ｍｍなど）を変化させたときの特性図である。
【0056】
図７Ａのネオジウム焼結磁石を使用した第１タイプ（積層コア内配置タイプ）の電磁機器においては、永久磁石の厚みが２ｍｍの場合が好適となり、図７Ｂのネオジウムボンド磁石を使用した第１タイプの電磁機器においては、永久磁石の厚みが５ｍｍの場合が好適となり、図７Ｃのフェライト磁石を使用した第１タイプの電磁機器においては、永久磁石の厚みが１０ｍｍの場合が好適となった。
【0057】
好適値の条件としては、最大無効電力が大きいこと、無効電力制御幅が広いこと、及び、無効電力制御倍率（最大無効電力を最小無効電力で除した値）が大きいこと等が挙げられる。これらの好適値の条件について、図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃにおいて比較すると、表１のようになり、第１タイプの場合には、ネオジウム焼結磁石の磁石厚み２ｍｍが、最大無効電力が最も大きく、無効電力制御幅が最も広く、かつ、無効電力制御倍率が最も大きいことから、最適であることが分かる。
【表1】
【0058】
第１タイプで、ネオジウム焼結磁石の磁石厚み２ｍｍのものを採用した場合は、図７Ａより、制御電流を－４Ａから１０Ａまで変化させることにより、無効電力を０．０６ｋＶａｒから２．４ｋＶａｒまで制御することができる。
【0059】
図８Ａは、第２タイプ（カットコア上部タイプ）のネオジウム焼結磁石を用いた電磁機器の無効電力制御特性であり、図８Ｂは、第２タイプのネオジウムボンド磁石を用いた電磁機器の無効電力制御特性であり、図８Ｃは、第２タイプのフェライト磁石を用いた電磁機器の無効電力制御特性である。各グラフとも横軸は制御電流であり、縦軸は無効電力であり、永久磁石の厚み（４０ｍｍ，３０ｍｍ，２０ｍｍ，１０ｍｍ，５ｍｍ，２ｍｍなど）を変化させたときの特性図である。
【0060】
図８Ａのネオジウム焼結磁石を使用した第２タイプの電磁機器においては、永久磁石の厚みが２ｍｍの場合が好適となり、図８Ｂのネオジウムボンド磁石を使用した第２タイプの電磁機器においては、永久磁石の厚みが５ｍｍの場合が好適となり、図８Ｃのフェライト磁石を使用した第２タイプの電磁機器においては、永久磁石の厚みが２ｍｍの場合が好適となった。
【0061】
好適値の条件について、図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃにおいて比較すると、表２のようになり、第２タイプの電磁機器の場合には、ネオジウム焼結磁石の磁石厚み２ｍｍが、最大無効電力が最も大きく、無効電力制御幅が最も広く、かつ、無効電力制御倍率が最も大きいことから、最適であることが分かる。
【表2】
【0062】
第２タイプで、ネオジウム焼結磁石の磁石厚み２ｍｍのものを採用した場合には、図８Ａより、制御電流を－６Ａから１０Ａまで変化させることにより、無効電力を０．０６ｋＶａｒから２．２ｋＶａｒまで制御することができる。
【0063】
図９Ａは、第３タイプ（カットコア側部配置タイプ）のネオジウム焼結磁石を用いた電磁機器の無効電力制御特性であり、図９Ｂは、第３タイプのネオジウムボンド磁石を用いた電磁機器の無効電力制御特性であり、図９Ｃは、第３タイプのフェライト磁石を用いた電磁機器の無効電力制御特性である。各グラフとも横軸は制御電流であり、縦軸は無効電力であり、永久磁石の厚み（３５ｍｍ，３０ｍｍ，２０ｍｍ，１０ｍｍ，５ｍｍ，２ｍｍなど）を変化させたときの特性図である。
【0064】
図９Ａのネオジウム焼結磁石を使用した第３タイプの電磁機器においては、永久磁石の厚みが２ｍｍの場合が好適となり、図９Ｂのネオジウムボンド磁石を使用した第３タイプの電磁機器においては、永久磁石の厚みが２ｍｍの場合が好適となり、図９Ｃのフェライト磁石を使用した第３タイプの電磁機器においては、永久磁石の厚みが２ｍｍの場合が好適となった。
【0065】
好適値の条件について、図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃにおいて比較すると、表３のようになり、第３タイプの電磁機器の場合には、ネオジウム焼結磁石の磁石厚み２ｍｍが、最大無効電力が最も大きく、無効電力制御幅が最も広いので、好適であることが分かる。
【0066】
ただし、第３タイプの電磁機器の場合には、ネオジウムボンド磁石では最小無効電力が０．０８ｋＶａｒであり、無効電力制御倍率が最も大きい（無効電力最小値が零に近い）観点から見ると好適であるといえるので、後述のとおり、永久磁石の種類と磁石厚の設定には、最大無効電力が最も大きいという観点に加え、最小無効電力が零に近いという観点から、例えば、無効電力の制御範囲の最大無効電力を最小無効電力で除した変化比率が３０倍以上であり、無効電力の制御範囲が、バイアス磁石が無い場合よりも１０％以上広いこと等の条件が挙げられる。
【表3】
【0067】
第３タイプで、ネオジウム焼結磁石の磁石厚み２ｍｍのものを採用した場合には、図９Ａ及び表３より、制御電流を－１０Ａから１０Ａまで変化させることにより、無効電力を０．３ｋＶａｒから２．７ｋＶａｒまで制御することができる。
【0068】
図７Ａ～図９Ｃまでの結果について、第１タイプ、第２タイプ及び第３タイプを比較すると、図７Ａの第１タイプにおいてネオジウム焼結磁石の厚み２ｍｍを用いた場合が、制御電流を－４Ａ～１０Ａまで変化させることにより、無効電力を０．０６ｋＶａｒ～２．４ｋＶａｒまで制御することができ、好適値の条件として、最大無効電力が大きいこと、無効電力制御幅が広いこと、及び、無効電力制御倍率（最大無効電力を最小無効電力で除した値）が大きいことを考慮すると、最も好ましい特性であることが分かる。
【0069】
次に、図７Ａ～図９Ｃまでの結果から、最も好ましい特性であった図７Ａのネオジウム焼結磁石の厚み２ｍｍを用いた場合について、図１０～図１１Ｃでは、磁石厚み２ｍｍ近傍でより詳細に最適値について検討した。図１０は、第１タイプ（積層コア内配置タイプ）のネオジウム焼結磁石を用いた電磁機器の磁石厚み毎の無効電力制御特性である。図１０において、縦軸は無効電力、横軸は制御電流であり、ネオジウム焼結磁石の厚みを変化させた場合の特性が示されている。
【0070】
図１１Ａは、図１０の無効電力変化量特性であり、無効電力制御幅を示したものであり、値が大きい方が好ましい特性となる。図１１Ｂは、図１０のバイアス磁石無しを基準とする無効電力の変化比率特性であり、バイアス磁石無しの場合を基準として、無効電力制御幅がどの程度拡大したかを示したものであり、値が大きい方が好ましい特性となる。図１１Ｃは、図１０の最大無効電力を最小無効電力で除した変化比率特性であり、制御電流を－１０Ａから１０Ａまでの間で変化させたときの無効電力の上限値を、無効電力の下限値で除した値を示しており、値が大きい方が好ましい特性となる。
【0071】
図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃから最適な特性が得られる永久磁石厚みを検討する。図１１Ａ及び図１１Ｂで数値が大きい範囲が好ましいので、バイアス磁石なしの場合を基準としたときの無効電力制御幅の増加分は１０％以上、より好ましくは１５％以上、さらに好ましくは２０％以上（すなわち図１１Bの１．２以上）を判断基準とする。例えば、２０％以上とすると、永久磁石厚みは２ｍｍ～５ｍｍが好適値の候補となる。また、図１１Ｃの数値が大きい方が好ましいので、好適値の判断基準として変化比率は３０以上として、０．５ｍｍ～２ｍｍが好適値の候補となる。なお、図１１Ｃの数値は大きい方が好ましいので、好適値の判断基準は例えば３０以上とすることができ、より好ましくは４０以上とすることができる。好適値の判断基準を４０以上とした時には、１．５ｍｍ～２．０ｍｍが好適値の候補となる。
【0072】
したがって、図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃの全ての特性から、好適値を選択すると、２ｍｍ～５ｍｍ（無効電力制御幅の増加分２０％以上）かつ０．５ｍｍ～２ｍｍ（変化比率３０以上）となるため、最適な永久磁石厚みは２ｍｍとなることが分かる。永久磁石厚みは２ｍｍにおいては、無効電力の制御範囲の最大無効電力を最小無効電力で除した変化比率が４０倍以上であり、無効電力の制御範囲が、バイアス磁石が無い場合よりも２０％以上広いというバイアス磁石の厚み等の条件を設定することによって、無効電力の制御範囲が大幅に拡大される。このように、最適な永久磁石厚みは２ｍｍとなることが分かったが、好適な永久磁石の厚みの範囲はもう少し幅広く設定でき、例えば、無効電力の制御範囲の最大無効電力を最小無効電力で除した変化比率が３０倍以上（変化比率３０以上）であり、無効電力の制御範囲が、バイアス磁石が無い場合よりも１０％以上広い（無効電力制御幅の増加分１０％以上）として設定してもよく、この基準で選択すると、永久磁石の厚みの範囲は、１ｍｍ～２ｍｍとなる。
【0073】
ここでは、図１１Ａ及び図１１Ｂから好適値を求める基準の一例として、永久磁石なしの場合を基準としたときの無効電力制御幅の増加分が２０％以上と設定し、図１１Ｃから好適値を求める基準として、最大無効電力を最小無効電力で除した変化比率として、３０倍以上と設定したが、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、図１１Ｂにおける好適値を求める基準を、特性グラフの最大値から求めるための閾値係数を設定しておき、仮に閾値係数を０．８とした場合には、図１１Ｂから好適値を求める基準は、
最大値２５％×閾値係数０．８＝２０％（すなわち、１．２）
となる。また、図１１Ｃから好適値を求める基準を、特性グラフの最大値から求めるための閾値係数を設定しておき、仮に閾値係数を０．８とした場合には、図１１Ｃから好適値を求める基準は、
最大値４３．０×閾値係数０．８＝３４．４
となる。図１１Ｂで２０％以上増加しているのは、磁石厚み２ｍｍ～５ｍｍの範囲であり、また、図１１Ｃで３４．４以上であるのは、磁石厚み０．５ｍｍ～２ｍｍの範囲であるから、両者を満たす好適値の範囲は２ｍｍとなり、閾値係数によって求めた好適値の範囲は、先に個別に設定された好適値の基準による求め方で求めた好適地値の範囲と一致する。したがって、閾値係数を用いれば、図１１Ａ及び図１１Ｃの特性から演算によって、好適な永久磁石の厚みを求めることができるので、好適な永久磁石の厚みなどの選定を自動化することが可能である。
最大値２５％×閾値係数０．８＝２０％（すなわち、１．２）
となる。また、図１１Ｃから好適値を求める基準を、特性グラフの最大値から求めるための閾値係数を設定しておき、仮に閾値係数を０．８とした場合には、図１１Ｃから好適値を求める基準は、
最大値４３．０×閾値係数０．８＝３４．４
となる。図１１Ｂで２０％以上増加しているのは、磁石厚み２ｍｍ～５ｍｍの範囲であり、また、図１１Ｃで３４．４以上であるのは、磁石厚み０．５ｍｍ～２ｍｍの範囲であるから、両者を満たす好適値の範囲は２ｍｍとなり、閾値係数によって求めた好適値の範囲は、先に個別に設定された好適値の基準による求め方で求めた好適地値の範囲と一致する。したがって、閾値係数を用いれば、図１１Ａ及び図１１Ｃの特性から演算によって、好適な永久磁石の厚みを求めることができるので、好適な永久磁石の厚みなどの選定を自動化することが可能である。
【0074】
なお、本実施形態で閾値係数は０．８に限定されるものではないが、好適な範囲を設定するという観点からは例えば０．５以上とすることが望ましい。閾値係数が０．５の時には、図１１Ｂから好適値を求める基準は、
最大値２５％×閾値係数０．５＝１２．５％（すなわち、１．１２５）
となる。また、図１１Ｃから好適値を求める基準は、
最大値４３．０×閾値係数０．５＝２１．５
となる。また、図１１Ｂから好適値を求めるための閾値係数と、図１１Ｃから好適値を求める閾値係数とは異なる値とすることもできる。さまざまな閾値係数が想定できるが、前述のとおり、無効電力の制御範囲の最大無効電力を最小無効電力で除した変化比率が３０倍以上（変化比率３０以上）であり、無効電力の制御範囲が、バイアス磁石が無い場合よりも１０％以上広い（無効電力制御幅の増加分１０％以上）として設定した範囲が好適値の一つの基準となる。
最大値２５％×閾値係数０．５＝１２．５％（すなわち、１．１２５）
となる。また、図１１Ｃから好適値を求める基準は、
最大値４３．０×閾値係数０．５＝２１．５
となる。また、図１１Ｂから好適値を求めるための閾値係数と、図１１Ｃから好適値を求める閾値係数とは異なる値とすることもできる。さまざまな閾値係数が想定できるが、前述のとおり、無効電力の制御範囲の最大無効電力を最小無効電力で除した変化比率が３０倍以上（変化比率３０以上）であり、無効電力の制御範囲が、バイアス磁石が無い場合よりも１０％以上広い（無効電力制御幅の増加分１０％以上）として設定した範囲が好適値の一つの基準となる。
【0075】
以上、本実施形態によれば、制御装置により無効電力を連続的に制御可能であり、無効電力の制御範囲を拡大すると共に、装置を小型化することができる。本実施形態の電磁機器は、第１鉄心２０又は第２鉄心１０のいずれか一方における制御巻線１５が発生する磁束φ２の磁路にバイアス磁石３０，３１，４０，４１，５０が、制御巻線１５が発生する磁束φ２とバイアス磁石３０，３１，４０，４１，５０の磁極面が交差するように設けられ、制御巻線１５に供給される制御電流ｉ２を正負に変化させることにより、無効電力を連続的に制御することができると共に、無効電力の制御範囲を拡大することができる。制御範囲が拡大すれば、装置の単位重量当たりの出力の増加が可能となり、装置の軽量化につながる。
【0076】
また、制御巻線に正負の制御電流を供給する制御装置は、電流容量を小さく抑えることができるため、小型化が可能となる。また、第１鉄心２０又は第２鉄心１０からなる構造上の特徴と相まって、装置全体の小型化が可能である。バイアス磁石３０，３１，４０，４１，５０による磁束が、制御巻線１５の磁束φ２に加えられるため、制御巻線１５の巻き数を低減することができる点でも、装置の小型・軽量化に寄与する。また、タップ式電圧調整機器のような機械的な接点を必要としない。さらには、主巻線２５の入出力電流に対して高次高調波が重畳されることが無いため高調波歪率が少ない。
【0077】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る電磁機器について、図１２～図１３Ｃを参照して説明する。図１～１１Ｃと同様の構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。第２実施形態では、第２タイプ（カットコア上部配置タイプ）の最適な永久磁石の種類と磁石厚について説明する。
本発明の第２実施形態に係る電磁機器について、図１２～図１３Ｃを参照して説明する。図１～１１Ｃと同様の構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。第２実施形態では、第２タイプ（カットコア上部配置タイプ）の最適な永久磁石の種類と磁石厚について説明する。
【0078】
表２及び図８Ａより、第２タイプでは、ネオジウム焼結磁石を用いた場合で、磁石厚２ｍｍの場合が好適であることが分かっているので、磁石厚２ｍｍの近傍で最適値について説明する。
【0079】
図１２は、第２タイプのネオジウム焼結磁石を用いた電磁機器の磁石厚み毎の無効電力制御特性である。図１２において、縦軸は無効電力、横軸は制御電流であり、ネオジウム焼結磁石の厚みを変化させた場合の特性が示されている。
【0080】
図１３Ａは、図１２の無効電力変化量特性であり、無効電力制御幅を示したものであり、値が大きい方が好ましい特性となる。図１３Ｂは、図１２のバイアス磁石無しを基準とする無効電力の変化比率特性であり、バイアス磁石無しの場合を基準として、無効電力制御幅がどの程度拡大したかを示したものであり、値が大きい方が好ましい特性となる。図１３Ｃは、図１２の最大無効電力を最小無効電力で除した変化比率特性であり、制御電流を－１０Ａから１０Ａまでの間で変化させたときの無効電力の上限値を、無効電力の下限値で除した値を示しており、値が大きい方が好ましい特性となる。
【0081】
図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃから最適な特性が得られる永久磁石厚みを検討する。図１３Ａ及び図１３Ｂで数値が大きい範囲が好ましいので、バイアス磁石なしの場合を基準としたときの無効電力制御幅の増加分として、例えば１０％以上（すなわち図１３Bの１．１以上）を判断基準とすると、永久磁石厚みは２ｍｍ～５ｍｍが好適値の候補となる。また、図１３Ｃの数値が大きい方が好ましいので、好適値の判断基準として変化比率として例えば３０以上とすると、２ｍｍが好適値の候補となる。以上のことから、本実施形態では、永久磁石厚みは２ｍｍが最適値であることが分かる。
【0082】
また、好適値を求めるための判断基準としては、例えば、無効電力の制御範囲の最大無効電力を最小無効電力で除した変化比率が３０倍以上（変化比率３０以上）であり、無効電力の制御範囲が、バイアス磁石が無い場合よりも１０％以上広い（無効電力制御幅の増加分１０％以上）として設定した範囲が好適値の一つの基準となる。
【0083】
第１実施形態で述べた閾値係数を用いた好適値の判断基準を検討する。例えば閾値係数を０．５とした場合、図１３Ｂから好適値を求める基準は、
最大値１０％×閾値係数０．５＝０．５％（すなわち、１．０５）
となり、磁石厚は２ｍｍ～５ｍｍとなる。また、図１３Ｃから好適値を求める基準は、
最大値３４．９×閾値係数０．５＝１７．４５
となり、磁石厚０．５ｍｍ～２ｍｍとなる。両者を満たす磁石厚として、２ｍｍが最適値となる。
最大値１０％×閾値係数０．５＝０．５％（すなわち、１．０５）
となり、磁石厚は２ｍｍ～５ｍｍとなる。また、図１３Ｃから好適値を求める基準は、
最大値３４．９×閾値係数０．５＝１７．４５
となり、磁石厚０．５ｍｍ～２ｍｍとなる。両者を満たす磁石厚として、２ｍｍが最適値となる。
【0084】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態に係る電磁機器について、図１４～図１５Ｃを参照して説明する。図１～１３Ｃと同様の構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。第３実施形態では、第３タイプ（カットコア側部配置タイプ）の最適な永久磁石の種類と磁石厚について検討する。
本発明の第３実施形態に係る電磁機器について、図１４～図１５Ｃを参照して説明する。図１～１３Ｃと同様の構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。第３実施形態では、第３タイプ（カットコア側部配置タイプ）の最適な永久磁石の種類と磁石厚について検討する。
【0085】
表３及び図９Ａより、第３タイプでは、ネオジウム焼結磁石を用いた場合で、磁石厚２ｍｍの場合が好適であることが分かっているので、磁石厚２ｍｍの近傍で最適値について検討する。
【0086】
図１４は、第３タイプのネオジウム焼結磁石を用いた電磁機器の磁石厚み毎の無効電力制御特性である。図１４において、縦軸は無効電力、横軸は制御電流であり、ネオジウム焼結磁石の厚みを変化させた場合の特性が示されている。
【0087】
図１５Ａは、図１４の無効電力変化量特性であり、無効電力制御幅を示したものであり、値が大きい方が好ましい特性となる。図１５Ｂは、図１４のバイアス磁石無しを基準とする無効電力の変化比率特性であり、バイアス磁石無しの場合を基準として、無効電力制御幅がどの程度拡大したかを示したものであり、値が大きい方が好ましい特性となる。図１５Ｃは、図１４の最大無効電力を最小無効電力で除した変化比率特性であり、制御電流を－１０Ａから１０Ａまでの間で変化させたときの無効電力の上限値を、無効電力の下限値で除した値を示しており、値が大きい方が好ましい特性となる。
【0088】
図１５Ａ、図１５Ｂ及び図１５Ｃから最適な特性が得られる永久磁石厚みを検討する。図１５Ａ及び図１５Ｂで数値が大きい範囲が好ましいので、バイアス磁石なしの場合を基準としたときの無効電力制御幅の増加分として、例えば１０％以上（すなわち図１５Bの１．１以上）を判断基準とすると、永久磁石厚みは１ｍｍ～２ｍｍが好適値の候補となる。また、図１３Ｃの数値が大きい方が好ましいので、好適値の判断基準として変化比率として例えば３０以上とすると、１．５ｍｍが好適値の候補となる。以上のことから、本実施形態では、永久磁石厚みは１．５ｍｍが最適値であることが分かる。
【0089】
また、好適値を求めるための判断基準としては、例えば、無効電力の制御範囲の最大無効電力を最小無効電力で除した変化比率が３０倍以上（変化比率３０以上）であり、無効電力の制御範囲が、バイアス磁石が無い場合よりも１０％以上広い（無効電力制御幅の増加分１０％以上）として設定した範囲が好適値の一つの基準となる。
【0090】
第１実施形態で述べた閾値係数を用いた好適値の判断基準を検討する。例えば閾値係数を０．５とした場合、図１５Ｂから好適値を求める基準は、
最大値２９％×閾値係数０．５＝１４．５％（すなわち、１．１４５）
となり、磁石厚は１ｍｍ～２ｍｍとなる。また、図１５Ｃから好適値を求める基準は、
最大値３２×閾値係数０．５＝１６
となり、磁石厚０．５ｍｍ～１．５ｍｍとなる。両者を満たす磁石厚として、１．０ｍｍ～１．５ｍｍの範囲が好適値となる。
最大値２９％×閾値係数０．５＝１４．５％（すなわち、１．１４５）
となり、磁石厚は１ｍｍ～２ｍｍとなる。また、図１５Ｃから好適値を求める基準は、
最大値３２×閾値係数０．５＝１６
となり、磁石厚０．５ｍｍ～１．５ｍｍとなる。両者を満たす磁石厚として、１．０ｍｍ～１．５ｍｍの範囲が好適値となる。
【0091】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態に係る電磁機器について説明する。本実施形態では、第１～第３実施形態に共通する電磁機器について、好適値の判断基準について説明する。いずれの実施形態においても、無効電力の制御範囲の最大無効電力を最小無効電力で除した変化比率が３０倍以上（変化比率３０以上）であり、無効電力の制御範囲が、バイアス磁石が無い場合よりも１０％以上広い（無効電力制御幅の増加分１０％以上）という基準を適用することができる。
本発明の第４実施形態に係る電磁機器について説明する。本実施形態では、第１～第３実施形態に共通する電磁機器について、好適値の判断基準について説明する。いずれの実施形態においても、無効電力の制御範囲の最大無効電力を最小無効電力で除した変化比率が３０倍以上（変化比率３０以上）であり、無効電力の制御範囲が、バイアス磁石が無い場合よりも１０％以上広い（無効電力制御幅の増加分１０％以上）という基準を適用することができる。
【0092】
また、いずれの実施形態においても閾値係数Ｔｈを用いた好適値の判断基準を用いることができる。次の２つの判断条件を両方満たす磁石厚が好適値として判断される。
（無効電力の制御範囲の最大無効電力を最小無効電力で除した変化比率の最大値）×Th
（無効電力の制御範囲が、バイアス磁石が無い場合よりも広い割合［％］）×Th
ここで、閾値係数は例えば、Ｔｈ≧０．５として決定できる。
（無効電力の制御範囲の最大無効電力を最小無効電力で除した変化比率の最大値）×Th
（無効電力の制御範囲が、バイアス磁石が無い場合よりも広い割合［％］）×Th
ここで、閾値係数は例えば、Ｔｈ≧０．５として決定できる。
【0093】
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態における本発明の技術思想を具体化するための電磁機器を例示するものであって、本発明をこれらに特定するものではなく、その他の実施形態のものにも等しく適用し得るものであり、また、これらの実施形態の一部を省略、追加、変更することや、各実施形態の態様を組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【0094】
１０・・・第２鉄心
１１・・・第２基部磁心
１２，１３・・・第２脚磁心
１５・・・制御巻線
２０・・・第１鉄心
２１・・・第１基部磁心
２２，２３・・・第１脚磁心
２５・・・主巻線
３０，３１・・・永久磁石
４０，４１・・・永久磁石
５０・・・永久磁石
１１・・・第２基部磁心
１２，１３・・・第２脚磁心
１５・・・制御巻線
２０・・・第１鉄心
２１・・・第１基部磁心
２２，２３・・・第１脚磁心
２５・・・主巻線
３０，３１・・・永久磁石
４０，４１・・・永久磁石
５０・・・永久磁石
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
