永久磁石同期電動機とは (エイキュウジシャクドウキモーターとは) [単語記事]

永久磁石同期電動機とは、その名の通り永久磁石を用いた三相交流モーターである。「PMSM」という通称は、英語表記(:Permanent Magnet Syncronous Motor)からそれぞれの頭文字を取ったものである。

ここでは、自動車や一部の鉄道車両で使われるIPMSMについて主に解説する。

基本的な構造

固定子コイルは誘導モーターと基本的に同じ構造で、三相交流電力によって回転磁束を発生する。そのためVVVF制御による駆動が基本で、整流子やブラシは無い。

一方、回転子は永久磁石と鉄心から構成されており、電磁石は無い。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、永久磁石を回転子鉄心の内部に埋め込んだ構造のPMSMを指すものである。

回転原理

直流モーターに似た回転原理で、固定子コイルの回転磁束が回転子の永久磁石を引き付ける磁力が、PMSMの回転力(:トルク)となる。なおIPMSMでは、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。磁石が鉄製品を引きつける現象を応用したトルクであり、「リラクタンストルク」という。

こうした回転原理から、PMSM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。英語表記に含まれる"Syncronous(:同期)"という単語は、そのことを意味している。

PMSMでは、固定子コイルの磁束が、回転子の永久磁石の磁束に対して一定の角度差(:位相角)を保つよう制御を行う。そのため回転子磁束の測定が必須であり、誘導モーターよりも精密な制御が要求されることから、1つのインバータで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、回転子に電磁石が無いので

構造原理的に高効率である
回転子からの電磁騒音が発生しない
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、低速回転でも出力に対する損失(≒発熱)が大きくならないのが最大の強みで、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、制御装置なども含めたシステム全体で考慮すると

インバータの回路がモーターの台数と同数必要
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、導入費用が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・発進を頻繁に行う運用に向いていると言える。

発車するときの「ブーン」って音、何なの？

※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高周波重畳と呼ばれる方式で、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。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。

高速域の特性に関する誤解

回転子に永久磁石を用いるPMSMは、回転中はブレーキ力となる誘起電圧が常に発生し、その大きさは車両の走行速度に比例する。このことから、PMSMの電車について「ブレーキが掛からないよう力行をし続けなければならない」とか、「高速域では誘起電圧によって出力が低下する」などの主張が散見されるが、これらはIPMSMの構造や特性を十分に理解していないことからくる誤解である。

惰行ができない？

PMSMの電車では、誘起電圧を抑えるため高速域での惰行中にもインバータが動作を続ける、惰行制御を行う車両もある。モーターに電流を流し続けることから、この制御を力行動作だと思っている人が少なくない。

惰行時にもインバータが制御を続ける場合、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。

そもそも、後述するモーターの設計次第で、惰行制御は必須ではなくなる。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前後までは惰行中のインバータ動作は無いし、速度に関わらず惰行時のインバータ動作が一切無い車両(東京メトロ16000系など)もある。

したがって、「PMSMの電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。ただし、惰行時でもインバータの動作が必要になる(ことがある)という点は、誘導モーターを用いるシステムに対する弱点ではある。

高速域では出力が弱い？

京急新1000形1367編成や特急車である東武500系など、PMSMでも優れた高速性能を発揮する車両を知れば、この言説についても疑問符が付くはずだ。

リラクタンストルクが利用できるIPMSMでは、従来のモーターにおける回転子磁束の全量を永久磁石で賄う必要が無い。そのため永久磁石の磁束を小さく抑える設計が可能で、電機子反作用によって永久磁石の磁束を弱めるよう電流位相を進める「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を完全に打ち消すことができるので、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」とは一概には言えない。

また、永久磁石の磁束が小さいほど同じ回転数で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。