永久磁石同期電動機

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

その名の通り永久磁石を用いたモーターだが、固定子のコイルは誘導モーターと殆ど同じ構造で、三相交流電力によって回転磁束を発生する。PMSMでは、回転子に永久磁石を用いる。

回転子の大部分は永久磁石ではなく鉄心で構成され、永久磁石はその内部に埋め込まれている。この構造は"Interior"という語を加えて「IPMSM」と呼ばれるもので、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

基本的には、回転子の永久磁石と固定子コイルとの間に発生する磁力をトルクとする。ただしIPMSMでは、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。磁石に鉄製品が引き寄せられる現象を応用したもので、「リラクタンストルク」と言う。

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。

制御方法

誘導モーターと同じく、インバータによるVVVF制御で駆動される。なお、PMSMではその回転原理上、電流の位相がずれればトルクが大きく変動する。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、1つのインバータ回路で1基のPMSMを駆動するのが一般的で、制御にあたっては回転子磁束の測定が必須となる。

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ため、誘導モーターに対しては

• 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
• 発熱が少ないので冷却機構の簡略化が可能

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。

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「走行中は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」などの認識が散見されるが、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される。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、消費電力は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。

なお実際に観察してみると、惰行制御が動作する速度は最低でも85km/h以上だが、状況によっては85km/hを超えても動作しないことがある。東京メトロ16000系や同05系(一部)に至っては、走行速度に関わらず惰行制御がまったく動作しない。つまり、惰行制御は必須とは限らないのだ。

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。そのことから、

• 永久磁石の磁束を少なくする設計が適用できる
• 電流位相の制御により永久磁石の磁束を一時的に弱められる

という特長を有する。そうしたPMSMでは、高速域での定出力運転において永久磁石の磁束を完全に打ち消すことができるので、出力の低下が殆ど無く、理論上は無限に加速できる。すなわち、PMSMであっても高速域が不利になるわけではない。

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。

発進・停止時の「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。



鉄道車両のIPMSMの制御では、磁束センサーを使わず誘起電圧から回転子磁束を測定する、センサレス制御が主流である。ただし、起動時～低速域では誘起電圧が低いため、IPMSMの持つ特性を利用した別な方式を用いる。

IPMSMでは低速域の制御において、モーターの回転周波数とは干渉しない数100Hzの高周波電圧を掛けることで、出力電流に重畳された高周波電流から回転子磁束を測定することができる。これが高周波重畳と呼ばれる制御手法で、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が特徴だ。つまり音の正体は、回転子磁束を測定するための高周波電圧による励磁音である。

PMSMの電車では、5～10km/hを境に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、必ず低速域でモーター音の変調が観測される。

関連動画

▼銀千の隠れキャラ。

関連項目

• VVVF
• 東京メトロ16000系
• 東武500系
• 誘導電動機