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。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。自動車で用いられるモーターはこちらが主流であり、誘導モーターが主流の鉄道車両においても、PMSMを使用する車両が少しずつ増えている。

本記事では、主に鉄道車両のPMSMについて解説する。

概要

名前の通り、永久磁石を回転子に埋め込み動力源として使用するモーターである。三相交流電力で駆動する交流モーターの一種で、固定子コイルで生成される回転磁束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。そのため誘導モーターと同様、回転子に電力を供給する部品(整流子とブラシ)は不要で、制御方式(インバータ装置によるVVVF制御)と固定子コイルの構造も基本的には同じである。

ただし、PMSMは名前の通り同期モーターであり、誘導モーターではない。なので、誘導モーターを駆動するインバータ装置をそのままでPMSMの駆動に用いることはできない。

誘導モーターと何が違うの？

同期モーターの回転子は、初めから磁極を有している構造である。回転子は、固定子コイルの回転磁束に引っ張られ、負荷の大きさに応じた一定の遅れ角度(負荷角)を持って回転する。その結果として、回転磁束と回転子それぞれの回転速度が完全に同じになる(同期する)ことから同期モーターと言う。

同期モーターの制御では、負荷角が一定に保たれるよう、回転子の位置を常に把握し続ける必要がある。

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。

現在の主流であ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落ちるが、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倍のトルクを出せなければならない。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、高周波電圧重畳という特殊な方式で回転子の位置を測定しながら制御している音である。※某知恵袋で「突入電流」とか「トルク脈動による振動」などと回答されてたけど、全然違います。

PMSMの制御では回転子の位置を把握し続ける必要がある。通常の制御では、モーターに送られる電流(:出力電流)の波形から回転子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、停止時～低速域(およそ10km/h以下)では誘起電圧が殆ど無いので回転子の位置を測定することができない。

PMSMの固定子コイルには、モーターに送る電流(:出力電流)の波形が回転子の位置に応じて僅かに変化する性質がある。そこでこれを利用して、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、出力電流の波形を演算することで、回転子の位置が測定できる。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。

この方式の利点として、

• 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測定できる
• 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」と思ってい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。力率が0%なので消費電力も0Wだし、電流計の示す値もちゃんと0Aになる。(だたし通電してはいるので、その電流による銅損は生じることになる。)

そもそも、惰行中にインバータを動作させるのはあくまでも高速域(たとえば京急1367編成でおよそ90km/h以上)のみであり、それ以下の速度での惰行ではインバータも休止され、完全な惰行状態となる。

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 認である。

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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