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」という通称が一般に用いられる。

回転子の構造によって幾つか種類があるが、本稿では「IPMSM」と呼ばれる、鉄道車両や自動車などで使われるPMSM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

鉄道車両のPMSMは、永久磁石が回転子鉄心に埋め込まれている「IPMSM」である。IPMSMでは永久磁石の配置によって回転子鉄心が突極性を有することで、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。

このように、IPMSMはリラクタンストルクが利用できることから

回転子に必要な永久磁石の磁束量が小さい
弱め磁束制御による定出力運転が可能

という特長を有しており、設計次第では理論上無限に加速するモーターである。すなわち、鉄道車両のPMSMにおいて「高速域では出力が劣る」というデメリットは当てはまらない。

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の持つデメリットとしては、惰行中でも永久磁石の磁束により、

ブレーキ力となる誘起電圧が発生する
固定子コイルの鉄心が熱(:鉄損)を生じる

ことが挙げられる。その対策として、永久磁石の磁束を弱めるため、惰行時にもインバータが制御を続ける(:惰行制御)車両も存在する。

PMSMの惰行制御では、固定子コイルで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。この電流は誘起電圧に対して進み力率0となるため、モーター(:誘導性負荷)としては電力は消費されず、トルクも全く発生しない。転じて、惰行しているのと同じ状態となる。

そもそも、誘起電圧が発生していても架線電圧を超えなければ、インバータを停止して惰行することは可能である。上述の通り、鉄道車両のPMSMでは永久磁石の磁束量はさほど大きくないため、惰行制御はある程度高速(概ね85km/h以上)でなければ動作しないし、走行速度に関わらず惰行制御が全く行われない車両すらある(東京メトロ16000系や同05系の一部など)。

したがって、「PMSMの電車は惰行ができない」という言説は完全な誤りである。

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。