永久磁石同期電動機

永久磁石同期電動機とは、回転子に永久磁石を使用する交流モーターである。英語では"Permanent Magnet Syncronous Motor"と表記され、それぞれの頭文字をとって「PMSM」とも呼ばれる。自動車や、一部の鉄道車両などで使用されている。

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

三相交流モーターの一種で、固定子コイルが発生する回転磁束によって回転する。したがって回転子以外の構造は誘導モーターと同じで、インバータによるVVVF制御で駆動される。

一方、回転子は永久磁石と鉄心で構成されており、回転子にはコイルが無い。したがって整流子とブラシが不要なのも同じだが、回転原理は誘導モーターとは異なる。

回転原理

PMSMの回転原理は直流モーターに近い。固定子コイルの回転磁束が、回転子の永久磁石の磁束に対し一定の角度差(:位相角)を持つことで、回転力(:トルク)となる磁力が発生する。一定の位相角を保つことでトルクが生じることから、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。

周波数や位相角がずれると大きくトルクが低下するため、誘導モーターよりも厳密な制御が要求される。そのため、回転子磁束の測定が必須であり、インバータ装置1台で1基のモーターを制御するのが基本だ。

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と呼ばれる種類が使用される。IPMSMでは永久磁石だけでなく、回転子鉄心にも「リラクタンストルク」と呼ばれるトルクが作用する。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。

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、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

という長所がある。特に、低回転でも誘導モーターほど効率が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、

• モーターの台数と同数のインバータ回路が必要
• 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。在来線の通勤電車や地下鉄のような、停止・発進を頻繁に行う運用に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。



一般に鉄道車両のPMSMでは、モーター電流(:出力電流)から誘起電圧を演算することで、磁束センサーなどを使わずに回転子磁束を測定する方式(:センサレス制御)が用いられる。ただし、停止～低速域では誘起電圧に依る回転子磁束の測定ができないため、別な方式を用いる。

IPMSMでは、固定子コイルに一定の交流電圧を掛けても、回転子磁束の位置によって電流の波形が変化する。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、停止～低速域では数100Hzの高周波を重畳した交流電圧をモーターに掛け、出力電流の歪み波形を演算することで、誘起電圧に依らず回転子磁束を測定する。

したがって、この方式ではインバータの制御により出力電流が歪み波形になるため、重畳周波数に応じた磁歪音が生じる。これが、PMSMの電車が発進・停止時に発する音の正体だ。

PMSM車は惰行ができない？

回転中のPMSMでは、永久磁石の磁束によりブレーキ力となる誘起電圧が常に発生する。誘起電圧は速度に比例して高くなるため、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、高速域では惰行ができない」という言説や、それに基づいた発言が散見される。

惰行時にインバータが動作する場合、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、誘起電圧を抑える制御を行っている。ここで流れる電流は、電圧に対して位相が90°進んだ力率0の無効電流なので、消費電力は0であり、いくら電流が増えても加速も減速もしない。転じて、惰行しているのと同じ状態となる。

そもそもPMSMであっても、惰行時に必ずインバータが動作している訳ではない。実際に観察してみると、たとえば京急新1000形(1367編成)では90km/h以下での惰行時にはインバータは動作しないし、速度に関わらず惰行時のインバータ動作がまったく無い車両(東京メトロ16000系など)もある。

したがって、「PMSM車は惰行ができない」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、「高速域では誘起電圧が上昇して加速しづらくなる」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。

IPMSMではインバータ出力電圧が上限に達すると、電流位相を進めることで逆磁界によって永久磁石の磁束を弱める「弱め磁束制御」を行う。鉄道車両のIPMSMでは、高速域での運転にも対応するため永久磁石によるトルクを小さくし、リラクタンストルクを大きく取るのが一般的だ。この場合、弱め磁束制御によって永久磁石の磁束は完全に打ち消されるので、高速域でも誘起電圧による出力の低下が殆ど無く、理論上無限に加速できる。したがって、「PMSMだから高速域が弱い」などということは無い。

また、永久磁石によるトルクが小さければ惰行時に発生する誘起電圧も低下するため、先述の惰行時の制御が不要になり、インバータの動作時間を減らすこともできる。

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関連項目

• VVVF
• 東京メトロ16000系
• 東武500系
• 誘導電動機