永久磁石同期電動機

永久磁石同期電動機とは、電動モーターの一種である。その名の通り、永久磁石を回転子に埋め込み動力源として使用する。英語ではPermanent Magnet Syncronous Motorと表記され、その頭文字をとって一般にPMSMと呼ばれる。

ここでは、鉄道車両で使用されているPMSMを中心に解説する。

概要

同期モーターとは

交流モーターの一種であり、供給される三相交流電力によって固定子コイルで回転磁界が生成され、それにつられて回転子が回るという基本原理は誘導モーターと共通する。そのため、固定子コイルは誘導モーターと全く同じ構造だし、一般にインバータ装置によるVVVF制御で駆動されるのも同じである。

ただし、誘導モーターでは回転磁界と回転子それぞれの回転速度が僅かにずれることでトルクが生じるのに対し、同期モーターでは双方の回転速度が完全に一致してなければトルクが生じない。そのため、特に回転磁界の速さ(=供給する電力の周波数)の制御は、誘導モーターよりも精密に行わなければならない。

鉄道車両におけるPMSM

鉄道車両では、E331系の車軸直接駆動方式(DDM)向けのモーターとして試験的に採用され、その後は東京メトロでの量産採用を皮切りに大手私鉄の車両を中心に少しずつ普及している。

VVVF制御の鉄道車両で広く使用されている誘導モーターと比較すると、回転子に電流を発生させるための電力が不要なので

• さらなる高効率化および小型高出力化が図れる
• 回転子の電流による電磁騒音が無い→低速域の低騒音化
• 発熱が少ないのでモーター本体の密閉化が容易→整備性の向上・高速域の低騒音化

という長所を持つ反面、

• 同期モーターとしての特性上、モーター台数分のインバータ回路が必要(1C1Mが必須)
• 惰行中にも永久磁石による誘起電圧が発生するため、各種対策が必要

という短所もある。総体的に考慮すると、在来線の通勤電車や地下鉄のような、加減速を頻繁に行う車両への搭載により向いていると言える。

ちなみに、誘導モーターは低い回転速度で負荷が大きいと効率が著しく劣るが、DDM方式のモーターでは、800rpmにすら達しない超低速の回転速度域で一般的なモーターの6～7倍のトルクを発揮し続けられる性能が要求される。これがE331系などのDDM方式でPMSMが採用された理由であり、貨物駅構内での入換作業が主な用途のHD300形機関車でPMSMが採用された理由でもある。

よくある疑問

発車するときの「ブーン」って音、何なの？

VVVF制御による非同期音です（ｷﾘｯ



…ちゃんと説明すると、高周波電圧重畳方式と言って特殊な手法で回転子の位置を測りながら制御している音である。

PMSMの制御では常に回転子の位置を把握する必要がある。鉄道車両におけるPMSMの制御では通常、モーターに送られる電流(:出力電流)の波形から回転子の磁石による誘起電圧を検出し、これを回転子位置の情報と見做しているが、低速域(およそ10km/h以下)では誘起電圧が弱すぎて回転子の位置を正確に測れない。
そのため代わりの手法として、モーターに送る電圧(:出力電圧)の波形を一定の間隔(数100hz)でわざと歪ませる。すると出力電流の波形も歪むのだが、その時の回転子位置によって歪み方が違ってくるので、これを演算することで回転子位置を測る。一定の周波数と振幅を持った出力電流に、ごく小さな振幅で高い周波数の電流が重なったような電流波形になることから、高周波電圧重畳方式と呼ばれる。PS; 某知恵袋の回答者は、ちゃんと勉強してから回答してください。

この手法の利点として、

• モーター本体にセンサー類を一切設けずに回転子の位置を把握できる
• 構造原理的に不可能とされていた同期モーターの自己始動ができる

の2点が挙げられるが、表題の通り特徴的な電磁騒音を発するので、これを如何にして抑制するかが今後の課題でもある。

PMSM車は惰行ができない？

一部のPMSMの電車には、誘起電圧を打ち消すため、高速域での惰行中にもインバータが動作し続けている車両が存在する。これについて「ブレーキ力として発生する誘起電圧を打ち消すために力行をし続けなければならない」と思い込んでる人がいるようだが、実際のところは、モーターの発揮する力率が0になるよう制御を行っているものであり、力行でも回生でもない。したがって、PMSM車は惰行ができないという説はまったくの誤解である。

また、力率が0なので消費電力も0Wということになるし、電流計の示す値もちゃんと0Aになる。

だたし、惰行中も通電してはいるので、その電流による銅損(発熱)は生じることになる。

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関連項目

• VVVF
• 東京メトロ16000系
• 東武500系←特急型電車へのPMSM採用例