永久磁石同期電動機

永久磁石同期電動機とは、名前の通り永久磁石を回転子に用いた交流モーターである。英語ではPermanent Magnet Syncronous Motorと表記され、それぞれの頭文字から、一般に「PMSM」と呼ばれる。

ここでは、自動車や一部の鉄道車両で使われているIPMSMについて主に解説する。

基本的な構造

分類上は三相交流モーターの一種なので、固定子コイルの回転磁束によって回転するという構造は誘導モーターと同じである。VVVF制御による駆動が基本で、整流子やブラシも無い。

一方、回転子は永久磁石と鉄心のみで構成されており、電磁石は無い。そのため、回転原理も誘導モーターとは異なる。なお、鉄道車両や自動車で使われるIPMSMとは、永久磁石を回転子の内部に埋め込んだ構造のPMSMを示すものである。

回転原理

固定子コイルの回転磁束が、回転子の永久磁石を引っ張る磁力が回転力(:トルク)となる。いわば直流モーターに近い回転原理である。ただしIPMSMでは回転子の構造により、永久磁石だけでなく回転子鉄心にも、回転磁束による吸引力がトルクとして作用する。これが「リラクタンストルク」というもので、要するに磁石が鉄製品を引きつける現象を利用したトルクである。

固定子の磁束と回転子の磁束が一定の角度差(:位相角)を保つことでトルクとなる磁力が生じることから、PMSMでは誘導モーターと違い、回転子は回転磁束と同じ速さで回転する。PMSMの"Syncronous(:同期)"という語は、そのことを意味している。

したがって、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精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。

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い傾向がある。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「ブーン」って何の音なの？

※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。



音の正体は、磁束センサーを装備しないIPMSM特有の、回転子磁束を測定するための高周波電流による励磁音である。

一般に鉄道車両のIPMSM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)が用いられるが、停止中や低速域では誘起電圧が不十分なため、IPMSMの特性を利用した別な方式を用いる。

IPMSMでは、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細かく変化する。この特性を利用したセンサレス制御が、数100Hzの交流電圧によって出力電流に高周波電流を重畳し、その歪み波形を演算することで回転子磁束の測定を行う、高周波重畳と呼ばれる方式だ。出力電流の波形が歪むため、重畳する周波数に応じた音がモーターから出るのだ。

PMSMの電車では、5～10km/hを境に先述の誘起電圧による方式と高周波重畳方式との切り替えを行うため、必ず低速域で非同期音の変調が観測される。

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、高速域での惰行中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。

実際の車両で観察してみると、たとえば京急新1000形1367編成の場合、90km/h以下での惰行で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。べつにPMSMであっても、走行中ずっとインバータが動作し続ける訳ではない。

なお惰行時にインバータが制御を行う場合、モーターには、永久磁石の磁束を打ち消す方向に回転磁束が生じるよう電流が流れる。この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、電力の消費はほぼ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。

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によって出力が低下する」と思っている人が少なくない。しかし、京急新1000形1367編成や特急用電車である東武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。

鉄道車両に使われるIPMSMはリラクタンストルクが利用できるため、永久磁石の磁束を小さく抑える設計が可能であり、電流位相を進めることで電機子反作用によって永久磁石の磁束を弱める「弱め磁束制御」が適用できるという特長がある。そうしたPMSMでは、弱め磁束制御によって永久磁石の磁束が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、一概に「PMSMだから高速域が弱い」とは言えない。

また、永久磁石の磁束が小さいほど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