永久磁石同期電動機

永久磁石同期電動機とは、永久磁石を回転子に用いた電動モーターである。英語ではPermanent Magnet Syncronous Motorと表記され、その頭文字をとってPMSMとも呼ばれる。

自動車などで使われているモーターだが、鉄道でも近年、誘導モーターに代わってPMSMを使用する車両が増えている。

基本的な構造

VVVF制御で駆動する三相交流モーターの一種。固定子コイルが発生する回転磁束によって回転するモーターなので、回転子以外は誘導モーターと同じ構造だ。回転原理こそ違うものの、誘導モーターと同じく整流子とブラシは不要である。

回転原理

PMSMの"Syncronous(:同期)"とは、回転子が回転磁束と同じ速さで回転するという意味だ。PMSMの回転子は永久磁石と鉄心から構成され、永久磁石の磁束と回転磁束が一定の角度差(:負荷角)を持つことで磁力が生じ、その磁力がPMSMの回転力(:トルク)となる。すなわち一定の負荷角を保つことでトルクが生じるので、結果としてPMSMの回転子は、回転磁束と同じ速さで回転するのだ。

自動車や鉄道車両では、永久磁石を回転子内部に埋め込んだ構造のIPMSMと呼ばれるタイプが使われる。IPMSMでは永久磁石の磁力だけでなく、回転子鉄心が回転磁束に吸引される力も「リラクタンストルク」として作用する。早い話、磁石が鉄製品を引きつけるのと同じ原理だ。

PMSMは負荷角が急変すると制御ができなくなるため、回転子位置をセンサーなどで測定しながら制御を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、最初はE331系などの車軸直接駆動方式(DDM)向けのモーターとして採用され、その後は東京メトロなど大手私鉄の車両を中心に、少しずつ普及している。

主流である誘導モーターと比較すると、回転子に電流が流れないので

• 原理的に高効率であり小型高出力化が図れる
• 回転子電流による電磁騒音が無い
• 発熱が少ないので全密閉構造にしやすい

という長所を持つ。特に、低速回転でも効率が大きく落ちないのは誘導モーターに対する一番の強みであり、これがE331系などのDDMやHD300形機関車でPMSMが採用された理由である。ただしその反面、

• インバータ1台による複数モーターの一括制御ができない
• 永久磁石による誘起電圧への対策(開放接触器など)が必要

といった難点から、システム全体としての導入費用は少々高くなる傾向がある。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、停止・発進を頻繁に行う車両により向いていると言える。

よくある疑問・誤解

発車するときの「ブーーーン」は何の音？

※某知恵袋で「突入電流」とか「トルク脈動による振動」などと回答されてるけど、全然違います。



鉄道車両のIPMSMでは、センサー類を使わずモーター電流(:出力電流)から演算によって回転子位置を測定する、センサレス制御が一般的に用いられる。同期電動機としての特性上、回転子の誘起電圧を出力電流から演算することで回転子位置を測定できるのだが、誘起電圧が弱い停止時～極低速域では回転子位置の測定ができず、制御ができなくなる。

IPMSMは、固定子コイルに一定の交流電圧を掛けても、回転子位置に応じて電流の波形が僅かに変化する。この性質を利用して回転子位置を測定するのが、高周波重畳と呼ばれる方式だ。すなわち、モーターに送る交流電圧に数100Hzの高周波を重畳することで出力電流に歪みをかけ、その電流波形を演算することで、回転子位置を測定することができる。

ただしインバータで電流を歪ませる制御を行うことから、どうしても耳につき易い電磁騒音が生じる。これが、PMSMの電車が発進・停止時に発する音の正体だ。そのため高周波重畳方式は、誘起電圧が弱い速度域でのセンサレス制御においてのみ用いられる。

PMSM車は惰行ができない？

PMSMは惰行中でも永久磁石の磁束により誘起電圧が発生するため、車両によっては、高速域での惰行時にもインバータが誘起電圧を抑える制御を行う。このことから、「PMSMの電車は力行をし続けなければならず、惰行ができない」という主張が散見されるが、これはま っ た く の 誤 解である。

PMSMを高速域で惰行させる場合、回転磁束が永久磁石の磁束と相対するよう電流を流すことで、永久磁石の磁束を弱めて誘起電圧を抑える。ここで流れる電流は、電圧に対して位相が90°進んだ無効電流であり、力率が0％となる。したがって電力の消費は生じず、いくら電流が増えても加速も減速もしないので、惰行しているのと同じ状態になるのだ。

そもそも鉄道車両のPMSMは、通常の運転において誘起電圧が架線電圧を上回らないよう設計されるものが殆どで、誘起電圧とインバータ出力電圧は同じではない。実際の車両(京急新1000形1367編成)で観察してみても、惰行中にもインバータが動作するのはおよそ90km/h以上であり、決して走行中ずっとインバータが動作し続けているわけではない。

PMSM車は高速域が弱い？

回転子に永久磁石を含むPMSMは、「高速域では永久磁石による誘起電圧が上昇して加速できなくなる」と思っている人が少なくない。しかし、京急新1000形1367編成や特急車である東武鉄道500系など、PMSMで優れた高速性能を発揮する車両を知れば、その言説に対しては疑問符が付くはずだ。

先述のとおり鉄道車両のIPMSMは、永久磁石によるトルクと、回転子鉄心に生じるリラクタンストルクを併用して回転する。双方の割合によって出力特性が大きく変化するが、リラクタンストルクの割合が大きければ、永久磁石によるトルクが相対的に減ることで誘起電圧も弱まり、最大出力を出せる速度範囲が高速域側に向かって広がる。すなわち、リラクタンストルクの割合が大きいPMSMは高速運転に向いた出力特性を発揮するということだ。

さらにIPMSMでは、インバータ出力電圧が上限に達する高速域での定出力制御の手法として、速度に応じて負荷角を調整することで反磁界によって永久磁石の磁束を弱める「弱め磁束制御」が適用できる。永久磁石によるトルクが少ない設計のIPMSMであれば、弱め磁束制御によって永久磁石の磁束を完全に打ち消すことができるため、理論上無限に加速できるのだ。

したがって、「PMSM車は高速域が弱い」とは一概に言えないことがわかる。

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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