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幾つか種類があるが、本稿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。

概要

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の間に生じる磁力が、回転子にトルクを生じさせる。固定子コイルは誘導モーターと基本的には同じで、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。

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、より高精度な制御が要求される。そのため、PMSM1基ごとに1つのインバータ回路が必要で、制御においては回転子磁束の測定が必須となる。

永久磁石だけではない

鉄道車両で使われる「IPMSM」とは、永久磁石を回転子の鉄心内部に埋め込んだ構造のPMSMである。IPMSMでは永久磁石の配置によって回転子に突極性を持たせることで、回転子鉄心にも固定子コイルによる磁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。

このことから、IPMSMは

所定のトルクを得るのに必要な永久磁石の磁束量が小さい
電流位相角の制御によって永久磁石の磁束を弱めることができる

という特長を有しており、設計次第では、定出力制御において永久磁石の磁束を完全に打ち消すことで理論上無限に加速できる。「PMSMは高速域で出力が低下する」という浅薄な認識は、IPMSMとしての特性を理解していないことから来ていると思われる。

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

モーター1基ごとに1つ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

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。

Q.惰行ができないのでは？

PMSMでは回転子の永久磁石により、回転中はブレーキ力となる誘起電圧が常に発生する。そのため、車両によっては惰行中でもインバータを動作させ、誘起電圧を抑える制御(:惰行制御)を行う。

PMSMの惰行制御では、固定子コイルが永久磁石の磁束を打ち消す状態となるよう、モーターに電流を流す。ただし、この電流は誘起電圧に対して進み力率0であるため、モーターとして電力を消費している状態には当たらず、いくら電流が増えてもトルクは生じない。転じて、惰行しているのと同じ状態となる。

なお、惰行制御は(車両によって異なるが)概ね85km/h以上で行われ、それ以下の速度ではインバータを停止させて惰行する。したがって、「PMSMの電車は惰行ができない」という認識は完全な誤りである。

なお実際に観察してみると、所定の速度以上でも惰行制御が動作しないこともあれば、そもそも惰行制御がまったく行われない車両もある(東京メトロ16000系や同05系の一部など)。どうやら、惰行制御が行われる理由は「誘起電圧が架線電圧を超えるから」とは限らないようである。

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磁励音である。

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。