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。

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について解説する。

概要

文字通り永久磁石を用いた三相交流モーターである。固定子コイルの構造は誘導モーターとほぼ同じだが、回転子は永久磁石が鉄心内部に埋め込まれた構造となっており、電磁石を構成する導体を持たない。回転子に電磁石が無いので、整流子＆ブラシも無い。

後述する回転原理から、PMSMは誘導モーターと違い、回転子が回転磁束と同じ速さで回転する同期モーターに分類される。制御には回転子磁束の検出が不可欠で、より高精度な周波数制御が要求されるため、モーター1基ごとにインバータ回路が必要となる。

回転原理

一般的にPMSMは、永久磁石と固定子コイルの間に生じる磁力で回転するモーターである。ただし鉄道車両に使われるIPMSMでは、回転子鉄心が突極形であることから、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。

すなわちIPMSMは、永久磁石によるトルクだけでなくリラクタンストルクも利用して回転することから

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

という特長を有する。PMSMの弱点として「高速域での出力が劣る」などと指摘されることがあるが、IPMSMはむしろ、設計次第では理論上無限大の速度まで運転が可能なモーターである。

鉄道車両の主電動機として

鉄道車両向けのPMSMは90年代後半から研究開発が進められ、最初は直接駆動方式(DDM)用のモーターとして、一部の試験電車で採用された。DDMこそ普及しなかったものの、PMSMについては東京メトロが積極的に導入を進めたほか、大手私鉄でも試験採用などの形で少しずつ導入が増えている。

現在の主流である誘導モーターと比較すると、回転子に電磁石が無いことから、

構造原理的に高効率である
回転子による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。短所としては、回転子の永久磁石により、

惰行中でも逆起電圧や鉄損(:固定子コイル鉄心の発熱)が生じる
逆起電圧から制御装置を保護する機器が必要

などが挙げられ、必要な機器点数が多いことから導入費用も高い傾向にある。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。

惰行制御

PMSMを用いる電車では、永久磁石の磁束を打ち消すことで逆起電圧や鉄損を抑制するのを目的として、惰行運転中にもインバータを動作させることがある。この場合、惰行時でもモーターに電流が流れ続ける状態となるが、この電流は永久磁石に対向する磁束を固定子コイルに発生させるもので、誘起電圧に対して位相が90°進んだ、力率0の無効電流である。この状態では電流がいくら増えても加速も減速もせず、電力の授受も一切行われない。転じて、等価的な惰行運転となる。

そもそも、逆起電圧が発生していても、架線電圧さえ超えてなければ普通に惰行することは可能である。実際に観察してみても、惰行制御はある程度高速(概ね85km/h以上)でしか動作しないことが確認できるし、惰行制御の機能が無い車両すら存在する(東京メトロ16000系や同05系の一部など)。

よって、巷で散見される「PMSMは惰行ができない」という指摘は、まったくの誤解である。

低速域の「ブーン」って音は何なの？

※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。

一般に鉄道車両のPMSMは、磁束センサーなどを使わずモーター電流(:出力電流)から回転子磁束を検出する、センサレス制御で駆動される。通常は誘起電圧から回転子磁束を測定するのだが、低速域では誘起電圧が不十分なため、これに依らない別な制御方式が必要となる。

IPMSMではインダクタンスの大きさが回転子位置によって異なり、その差異は、一定の交流電圧を掛けた際に電流波形の歪みに顕れる。この性質に基づいた低速域向けのセンサレス制御が高周波重畳と呼ばれる方式で、数100Hzの高周波電圧によって出力電流に高周波を重畳し、その歪み波形から回転子磁束の検出を行う。電流波形が歪むため、重畳周波数に応じた磁励音が出るのが特徴だ。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。