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

回転子に永久磁石を使用し、永久磁石と固定子コイルとの間に生じる磁力によって回転する交流モーターである。固定子コイルは誘導モーターと同様、三相交流電力によって回転磁束を作り出す構造となっている。回転子に電流が流れないことから誘導モーターよりもさらに高効率なモーターで、自動車や家電などのほか、近年は一部の鉄道車両でも使用されている。

なお同期モーターとは、回転子が固定子磁束と同じ速さで回転する交流モーターのことで、回転子に対して固定子磁束の位置決めを正確に行わなければ、任意に回転させることができない。したがって、VVVF制御の場合には個別制御(インバータ回路1つでモーター1基を制御)での駆動と、回転子磁極の位置(回転子位置)を正確に検出する機構が必須となる。

鉄道車両の主電動機として

鉄道車両のPMSMは、永久磁石を鉄心内部に埋め込んだ回転子構造を有する「IPMSM」である。このタイプは回転子の鉄心に突極があるため、固定子コイルによる磁力が鉄心にも吸引力として作用する。磁石が鉄を引き寄せるのと同じ現象であり、IPMSMではこの磁力を「リラクタンストルク」として利用できる。

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。永久磁石の磁束量が特に小さい場合、後述する弱め磁束制御でこれを完全に相殺することで、理論上無限大の速度まで運転が可能となる。そうしたPMSMが開発されたことで初めて、鉄道車両においてPMSMの採用が可能になったと言える。

特に低速域での効率が誘導モーターよりも高く、発熱が少ないことからモーターの全密閉化が容易で、回転騒音が小さいという特長を持つ。一方で短所としては、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

などが挙げられる。先述のとおり個別制御が必須な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。

弱め磁束制御

同期モーターには、電源電圧と周波数の比率(:V/f)に応じ、回転子の磁束を調整するよう電流が流れる性質がある。PMSMの弱め磁束制御はこの性質に基づくもので、V/fを下げるとインバータの出力電圧よりも位相が進んだ電流が流れ、永久磁石の磁束を弱める働きをすることで、逆起電圧が一定値に抑えられる。

IPMSMの場合、CVVF領域での定出力運転や高速域での惰行制御において、弱め磁束制御が適用される。

定出力運転

CVVF領域で加速を続けると、電流の位相が進むことで永久磁石の磁束が弱められるものの、トルクも急激に減少してしまう。しかしIPMSMでは、電流位相が進むとリラクタンストルクが増加することでトルクの減少が緩和され、誘導モーターと同様に定出力運転が可能となる。永久磁石の磁束量が小さいほど、定出力運転が可能な速度範囲が高速側へ広がる。

すなわちIPMSMでは、永久磁石の磁束量を調整することで、低速向けから高速向けまで幅広く性能を変えられる。「PMSMは高速域が苦手」と一概に言えるわけではない。

惰行制御

逆起電圧よりも低い出力電圧を同じ位相で印可することで、永久磁石の磁束を弱める電流を流す制御。この状態ではいくら電流が増えても加速も減速もしないので、惰性走行と等価となる。また、この制御は電圧と電流の位相差が90°となる無効電力のみをインバータから出力している状態であり、理論上は消費電力は0Wとなる。

なお、逆起電圧が架線電圧を超えてなければ、普通にインバータを停止させて惰行することも可能である。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、そもそも惰行制御の機能が無い車両すらある。

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。

「PMSM特有の音」について

PMSMの電車を特徴づけている、発進時や停止直前に聴こえる「ブーン」とか「ゴー」という磁励音は、簡単に言えば固定子磁束の位置決めを行うためのもので、まさしく「PMSM特有の音」である。※「突入電流」や「トルク脈動による振動」ではない。

先述の通り、PMSMの制御では回転子位置の検出が必須である。PMSMでは、出力電流から逆起電圧の大きさや位相を演算することで、磁束センサーなどを使用せず回転子位置を検出することもできる。ただし発進時や停止直前など、回転数が極端に小さい極低速域では、回転子位置の検出が不可能となる。

そのため極低速域では、出力電圧に数100Hzの高周波電圧を重畳させて回転子位置を検出する、高周波重畳方式と呼ばれる制御法が適用される。回転子位置によってインダクタンスが変化するIPMSMの性質に基づく制御法で、高周波電圧に対する出力電流の歪み波形を演算することで、回転子位置の検出が可能になる。要するに、回転子位置を検出するためにわざと電流を歪ませる制御を行うため、重畳周波数に応じた磁励音がモーターから発せられるのだ。

PMSMの電車では、5～10km/hの範囲で逆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、必ず低速域で磁励音の変調が観測される。