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2014年6月

省エネに大活躍する電車のエンジン

永久磁石同期モーター「PMSM」

東京メトロなどの車両に搭載されている永久磁石同期モーター(PMSM)は、電車用としては東芝が世界で初めて開発した、小型で省エネ、メンテナンスフリーの夢のようなモーターです。その仕組みを山脇先生に教えてもらいました。

限られたスペースで高機能が求められる電車用モーター

ニャンダロー:こんにちは。東京メトロの銀座線などを走っている新型車両を動かしているモーターが東芝製って聞いたんですけど、本当ですか?

今回の先生 府中社会インフラシステム工場交通システム部 山脇 和典さん

山脇先生:本当だよ。車体の下で電車を動かすエンジンの役割をしているんだ(図1)。小型で省エネ性能に優れた永久磁石同期モーター(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)は、これからの活躍が期待されているんだよ。

ニャンダロー:電車用のモーターも小型で省エネが求められているんですか?

山脇先生:そう。地下鉄や在来線など、線路を走る鉄道車両はレールの幅が決まっているよね。だから、高出力や省エネなどの高機能を求めても、必ずその大きさに納めなければならない。現在、電車用で主流となっているのは誘導モーター(IM:Induction Motor)といって、「回転子」と呼ばれる鉄芯に巻きつけたコイルに電流を流すことで磁気を発生させる「電磁石」を使っているんだけど、PMSM はその電磁石の代わりに「永久磁石」を採用したんだ。

ニャンダロー:電磁石を永久磁石に…?

山脇先生:モーターは、回転子とその周りの「固定子」と呼ばれる電磁石の入ったケースでできていて、IMは固定子と回転子の両方のコイルに電流を流して磁気を発生させるんだ。固定子の磁気が誘導して、回転子を回転させる仕組みだよ。IMの場合、高出力を求めると、回転子のコイルを太くしてたくさん電流を流す必要がある。その上、コイルが熱を持つので、冷やすための部品を入れたりすると、モーターが大きくなってしまい、限られたスペースに設置するのは難しくなってしまうんだ。PMSMは、固定子にはコイルの入った電磁石を使っているけど、回転子には「永久磁石」を使っているよ。

図1 電車のモーターはどこについてる?

小型化&省エネを可能にした「永久磁石」の登場

ニャンダロー:永久ってことはずっとくっつく磁石かニャ? それを使うとどうなるんですか?

山脇先生:「永久磁石」っていうのは、一度磁力を持つとずっとその磁力が保たれるものだよ。電車用で使っている永久磁石は、レアアースのネオジムという物質と鉄、ホウ素の化合物で、この中にはミクロの磁石がたくさんあるんだけど、最初はバラバラな方向を向いていて磁力がないんだ。これを超強力な磁石で方向をそろえてあげると、磁力を持つようになる。この磁力はずっとそのままだから、電流を流さなくても電磁石の代わりになるんだ。

ニャンダロー:ニャるほど! 永久磁石を使うことで回転子のコイルがいらないんですね。

山脇先生:それにね、PMSMの場合は、ネオジムを使った磁気の強い永久磁石の力をうまく活用することで効率よく回転できる。東芝が開発したPMSMはこれまでのIMに対して、同じ性能ならシステムを置き換えるだけで消費電力量が約20%も削減できるよ。回転子にコイルを巻いていない分、小さくできるし、熱となってしまう電気のロスも少なくて、効率的な運転ができるんだ(図2)。

ニャンダロー:小型化も省エネも叶えられるなんて、永久磁石さまさまですね。

図2 誘導モーター(IM)と永久磁石モーター(PMSM)

「密閉」することでメンテナンスフリーを実現

山脇先生:実はもうひとつ電車用のモーターにとって、画期的なことがあるんだ。さっき、熱となってしまう電気のロスが少ないと言ったけど、発熱が少ないおかげで、モーターを密閉することができるようになったよ。

ニャンダロー:密閉できると何が良いんですか?

山脇先生:電車のモーターは車体の下にあって、常に雨水や土砂のほこりにさらされる過酷な環境で回っているんだよ。密閉できたことで、クリーニングをしなくてよくなった。つまり、メンテナンスフリーになったということだよ。

ニャンダロー:音も密閉されて静かになる。いいことずくめだニャ。これからの電車のモーターはPMSMで決まりですね!

山脇先生:そうだといいんだけど、近年はネオジムを使った永久磁石の中に入っているジスプロシウムという物質の値段が上がっていて、高価になってしまうんだ。今は、そのジスプロシウムを使わない磁石の研究も進めているよ。

ニャンダロー:どんどん進化していくのですね。電車に乗るのがますます楽しみだニャ。先生ありがとうございました。




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