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、三相交流モーターの一種。英語表記(:Permanent Magnet Syncronous Motor)からそれぞれの頭文字を取った「PMSM」という通称で一般に呼ばれている。

ここでは主に、鉄道車両や自動車で使われるIPMSMについて、誘導モーターとの比較を交えながら解説する。

基本的な構造

名前の通り永久磁石を用いたモーターだが、固定子コイルは誘導モーターとまったく同じ構造で、三相交流電力によって回転磁束を発生する。そのため、基本的にはVVVF制御で駆動される。

回転子は丸ごと永久磁石になっているわけではなく、永久磁石が鉄心内部に埋め込まれた構造となっており、"Interior"という語を加えて「IPMSM」と呼ばれる。鉄道車両や自動車のPMSMは全てこのタイプである。電磁石が無いので整流子やブラシも当然無いが、回転原理は誘導モーターとは異なる。

回転原理

固定子コイルの磁束と回転子の永久磁石が引き合う力によって回転する、直流モーターに近い回転原理である。ただしIPMSMでは、永久磁石だけでなく回転子の鉄心にも、固定子コイルの磁束による吸引力がトルクとして作用する。平たく言えば磁石が鉄製品を引きつける現象を応用したもので、「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)を保つように制御を行う。したがって誘導モーターよりも高精度な制御が要求されるため、回転子磁束の測定が必須であり、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。

回転子に電磁石が無いことから、誘導モーターに対して

構造原理的に高効率である
回転子から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、入換作業用のHD300形機関車でPMSMが採用された理由である。ただし、制御装置など周辺機器を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

となることから、導入コストが高くなる傾向がある。在来線の通勤電車や地下鉄など、停止・発進を頻繁に行う車両での使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？

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

音の正体は、本体に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。

鉄道車両のIPMSMではごく初期の物を除き、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。しかし、この方式では起動時や低速域での制御ができないため、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波形が変化する。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、重畳され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

永久磁石を用いるPMSMは、回転中は常にブレーキ力となる誘起電圧を発生し、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の電車は「勝手に減速し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？

確かにPMSMの電車には、誘起電圧を抑えるため惰行中にもインバータが制御を続ける(:惰行制御)車両もある。減速しないよう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。

PMSMの惰行制御では、固定子コイルの磁束が永久磁石の磁束を打ち消す方向に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0で、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編成では、90km/h前後までは惰行制御は動作しないし、走行速度に関わらず惰行制御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。

IPMSMは回転子の構造上、リラクタンストルクが利用できることから、回転子磁束の全量を永久磁石で賄う必要が無い。すなわち永久磁石の磁束を小さく抑える設計が可能であり、加えて、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も有する。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、高速域でも出力の低下が殆ど無く、理論上は無限に加速できる。つまり「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、先述の惰行制御が不要になり、インバータの動作を減らすこともできる。