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。

回転子の構造によっていくつか種類があるが、ここでは鉄道車両や自動車で使われているIPMSMを中心に解説する。

基本的な構造

回転子に永久磁石を用いた三相交流モーターであり、永久磁石と固定子コイルとの間に発生する磁力が、回転子のトルクとなる。固定子コイルは基本的に誘導モーターと同じ構造で、三相交流電力によって回転磁束を発生する。誘導モーターと同様、整流子やブラシは不要である。

鉄道車両で使われる「IPMSM」とは、永久磁石を回転子鉄心に埋め込んだ構造のPMSMである。IPMSMでは永久磁石だけでなく、回転子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。平たく言えば磁石に鉄製品が引き寄せられるのと同じ現象で、磁気抵抗の差を利用していることから「リラクタンストルク」と言う。

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。ただし、PMSMは回転子が回転磁束と同じ速さで回転する同期モーターであるため、誘導モーターよりも高精度な制御が要求される。そのため、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、制御におい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。

高速域の特性について

回転中のPMSMでは常にブレーキ力となる誘起電圧が発生し、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、実際に惰行制御が動作する走行速度は概ね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行われない。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。それゆえ、

永久磁石の磁束を少なくすることができる
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だからといって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。

低速域でのIPMSMの制御では、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の範囲で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。