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。Permanent Magnet Syncronous Motorの頭文字を取って「PMSM」とも呼称される。半導体素子の名前ではない

概要

回転子に永久磁石を用いた同期モーターで、固定子コイルと永久磁石との間に生じる磁力で回転する。固定子コイルは誘導モーターと概ね同じ構造であり、VVVF制御で駆動される。制御技術の発展により高効率なモーターとして近年注目度が高まっており、一部の家電や自動車、鉄道車両などで採用例が増えている。

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がずれると回転できなくなる。そのため、インバータ回路1つでモーター1基を制御する個別制御での駆動と、回転子磁極の位置(回転子位置)を検出する機構が必須となる。

鉄道車両の主電動機として

鉄道車両で使用されるPMSMは、永久磁石を回転子に埋め込んだ構造の「IPMSM」である。このタイプは回転子鉄心に突極があるため、固定子コイルの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、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が利用できることから、設計次第では理論上無限大の速度まで運転が可能となる。

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いたもので、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、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は高速域で出力が低下する」という言説は、実際には殆ど当てはまらない。

惰行制御

インバータの出力電圧を逆起電圧よりも下げた上でその位相に合わせると、電圧に対して位相が90°進んだ電流が流れ、永久磁石の磁束を弱める働きをする。この状態は惰行運転と等価であり、いくら電流が増えても加速も減速もしない。また、この制御は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、理論上消費電力は0Wである。

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の惰行運転が可能である。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」という言説は、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。通常は、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。ただし発進時や停止直前など、回転数が極端に小さい速度域では、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。