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(PMSM)とは、三相交流モーターの一種。文字通り永久磁石を用いた同期モーターである。"PMSM"は、Permanent Magnet Syncronous Motorの略称。半導体素子の名前ではない

概要

固定子コイルは誘導モーターと同じ構造だが、回転子にはかご形導体の代わりに永久磁石が使われる。すなわち回転子に電磁石が無く、電磁石を励磁するための電力が不要なことから、誘導モーターよりも高効率なのが最大の特長である。自動車や家電などで広く使われているモーターだが、近年は一部の鉄道車両でも、誘導モーターに代わって採用されるようになった。

なお同期モーターとは、回転子が回転磁束と同じ速さで回転する交流モーターのことである。一般にPMSMは、永久磁石と固定子コイルの間に生じる磁力によって回転するモーターであり、固定子コイルの回転磁束が回転子に対して適切な位置に無ければトルクが発生しない。したがって、要求される制御精度が高いことから個別制御(インバータ回路1つでモーター1基を制御)が必須で、回転子磁束の検出も不可欠である。

鉄道車両の主電動機として

鉄道車両や自動車で使われるPMSMは、永久磁石を鉄心内部に埋め込んだ回転子構造の「IPMSM」と呼ばれるタイプである。このタイプは回転子が突極形であるため、固定子コイルによる磁力が鉄心にもトルクとして作用する。これが「リラクタンストルク」と呼ばれるトルクで、磁石が鉄などを引き付ける力を利用したものである。

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。

なお鉄道車両で使用する上では、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

などが短所として挙げられる。先述のとおり個別制御が必須であるため必要な機器点数が多く、導入費用が高くなる傾向もある。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、電力の授受も行われない(差し引きゼロとなる)。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い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、惰行制御はあくまで高速域(概ね85km/h以上)でしか動作しないことが確認できるし、PMSMでありながら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。