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。

自動車で使われるモーターは殆どがこれで、一部の鉄道車両でも誘導モーターに代わって使用されている。ここでは鉄道車両のPMSMについて主に解説する。

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ので、回転子以外の構造は誘導モーターと同じだ。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無い。

回転原理

PMSMの回転子は、永久磁石と鉄心から構成される。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、その磁力が回転力(:トルク)となる。一定の負荷角を保つことでトルクが生じることから、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。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。

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用される。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。磁石が鉄製品を引きつける現象を利用したトルクと考えればよい。

負荷角がずれるとトルクが大きく低下するため、回転子位置をセンサーなどで測定しながら制御を行う。また、インバータ装置1つで1基のモーターを制御するのが基本だ。

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た。現在で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

• 構造原理的に高効率であり小型高出力化しやすい
• 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

という長所がある。特に、低速回転でも誘導モーターほど効率が大きく低下しないのが一番の強みで、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、

• 制御装置1台では複数モーターの制御は不可能
• 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

であることから、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、センサーなどを用いずモーター電流(:出力電流)から演算により回転子位置を測定する、センサレス制御が一般に採用されている。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するのだが、停止時～極低速域では誘起電圧が弱いため、回転子位置の測定ができない。

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。この性質を利用したセンサレス制御が、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、低速域でも回転子位置の測定が可能になる。

ただしインバータで電流を歪ませる制御を行うので、どうしても耳につきやす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発生せず、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PMSMの電車も、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。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、それ以下の速度ではインバータを停止させる惰行を行っている。

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、その言説には疑問符が付くはずだ。

先述のとおり鉄道車両で使用される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。高速域での使用も多い鉄道車両のIPMSMでは、リラクタンストルクの割合を大きく取ることで、永久磁石によるトルクを相対的に少なくする設計がなされている。永久磁石によるトルクが少なければ誘起電圧も弱まるので、高速域でも高い出力を発揮できる。リラクタンストルクの割合が大きいPMSMは、高速運転にも強いのだ。

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。

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