永久磁石同期電動機とは (エイキュウジシャクドウキモーターとは) [単語記事]

永久磁石同期電動機とは、三相交流モーターの一種。Permanent Magnet Syncronous Motorの頭文字を取って「PMSM」とも呼ばれる。半導体素子ではない

概要

回転子に永久磁石を用いた同期モーターで、固定子コイルと永久磁石との間に生じる磁力で回転する。固定子コイルは誘導モーターとほぼ同じ構造であり、VVVF制御で駆動される。ハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モーターとして広く使われているが、最近では一部の電車・電気機関車にも採用されている。

なお、同期モーターとは固定子コイルによる回転磁界と同じ速さで回転する交流モーターのことで、回転子と固定子の磁界がずれると回転できなくなる。そのため、インバータ回路1つでモーター1基を制御する個別制御での駆動と、回転子磁界の位置(回転子位置)を検出する機構が必須となる。

鉄道車両の主電動機として

鉄道車両のPMSMは、永久磁石を回転子に埋め込んだ、IP MSMと呼ばれるタイプである。このタイプは回転子の鉄心が突極を持っているため、永久磁石だけでなく突極にも磁力が作用する。これは磁石が鉄を引き寄せるのと同じ現象で、IP MSMではこの磁力をリラクタンストルクとして利用できる。

すなわちIP MSMは、永久磁石によるトルクだけでなくリラクタンストルクによっても回転するモーターなのだ。

特に低速域での効率が誘導モーターよりも高く、発熱が少ないことからモーターの全密閉化が容易で、回転騒音が小さいという特長を持つ。一方で短所としては、回転子の永久磁石により、

惰行中でも逆起電圧や鉄損(:固定子コイル鉄心の発熱)が生じる
逆起電圧から制御装置を保護する機器が必要

などが挙げられる。そのため必要な機器点数が多く、導入費用が高くなる傾向があるが、在来線の通勤電車や地下鉄など、停止・発進を頻繁に行う車両での使用に向いていると言える。

弱め磁束制御

同期モーターには、電源電圧と周波数の比率(:V/f)に応じ、モーター内部の磁束を調整するよう電流が流れる性質がある。PMSMの弱め磁束制御はこの性質に基づいたもので、V/fを下げるとインバータの出力電圧よりも位相が進んだ電流が流れ、永久磁石の磁界を弱める働きをすることで、逆起電圧が抑えられる。

IP MSMの場合、CVVF領域での定出力運転や高速域での惰行制御において、弱め磁束制御が適用される。

定出力運転

電源電圧の上限を超えて加速を続けると、電流位相が進むことで永久磁石の磁束が弱められるものの、トルクも急激に減少する。しかしIP MSMでは、電流位相が進むとリラクタンストルクが増加することでトルクの減少が抑えられ、定出力運転が可能となる。永久磁石の磁束量が小さいほど、定出力運転が可能な速度範囲が高速側へ広がる。

すなわちIP MSMでは、永久磁石の磁束量を調整することで、低速向けから高速向けまで幅広く性能を変えられる。「PMSMは高速域で出力が低下する」という言説は、実際には殆ど当てはまらない。

惰行制御

インバータの出力電圧を逆起電圧と逆位相で出力すると、電圧に対して位相が90°進んだ電流が流れ、永久磁石の磁束を弱める働きをする。この状態は惰行運転と同じであり、いくら電流が増えても加速も減速もしない。また、この制御は無効電力のみをインバータから出力している状態であり、理論上消費電力は0とある。

なお、逆起電圧が架線電圧を超えてなければ、普通にインバータを停止させる惰行運転が可能である。実際に観察してみると、惰行制御はあくまで高速域(概ね85km/h以上)でしか動作しないことが確認できるし、そもそも惰行制御の機能が無い車両すらある。

よって、巷で散見される「PMSMは惰行ができない」という言説は、まったくの誤解である。

PMSMの「あの音」

PMSMの電車で、発進時や停止直前に聴こえる「ブーン」とか「ゴー」という音(磁励音)は、簡単に言えば固定子磁束の位置決めを行うためのものだ。※「突入電流」や「トルク脈動による振動」ではない。

先述の通り、PMSMの制御では回転子位置の検出が必須である。通常は、モーター電流から逆起電圧の大きさ・位相を演算することで、回転子位置を検出する。ただし発進時や停止直前など、回転数が極端に小さい速度域では、この方式は使えない。

そのため極低速域では、出力電圧に高周波電圧を重畳させて回転子位置を検出する、高周波重畳方式と呼ばれる制御法が適用される。これはIP MSMの電気的な特性を利用したもので、簡単に言えば回転子位置を検出するためにわざと電流を歪ませる制御を行うため、重畳周波数に応じた音がモーターから発せられるのだ。

PMSMの電車では、5～10km/hの範囲で逆起電圧による方式と高周波重畳方式との切り替えを行うため、必ず低速域で磁励音の変調が観測される。