PMSM
PMSMは永久磁石同期電動機（permanent magnet synchronous motor）の略称で、回転子に永久磁石を用い、固定子に三相交流を与えて発生する回転磁界と同期して回転する電動機である。正弦波電流とベクトル制御を前提とするため低速域から高効率・高トルク密度を実現し、電動車のトラクション用途や産業用サーボに広く普及している。駆動にはインバータ、電流検出、位置推定（または位置センサ）を要し、d-q座標系での電流指令とPWM変調が中核となる。永久磁石により界磁励磁が不要で銅損が抑えられる一方、磁石コストや減磁対策、希土類材料のサプライリスクなどの設計配慮が不可欠である。
基本原理
PMSMは固定子に三相正弦電流を与え、空間的に回転する磁界（回転磁界）を形成し、回転子の永久磁石磁極と電磁トルクを発生する。機械角速度は電源周波数に比例し、極対数pにより同期速度が定まる。制御理論上はClarke変換・Park変換で三相電流をd軸・q軸へ直交分解し、q軸電流で主トルク、d軸電流で界磁相当の調整（弱め界磁等）を行う。IPM型ではリラクタンストルク成分も得られ、トルク定数や効率マップ最適化に寄与する。
構造と主要部品
PMSMは固定子コア（電磁鋼板の積層とスロット）、巻線、回転子（永久磁石とシャフト）、エンドリングや保持構造、冷却系からなる。磁石は一般にNd-Fe-BやSm-Coが用いられ、温度特性・減磁耐性で選定する。回転子磁石の配置に表面実装（SPM）と埋込（IPM）があり、前者は構造が簡潔、後者は機械強度とリラクタンストルク活用に適する。位置検出にはホール素子、レゾルバ、エンコーダが使われる。
- 固定子：ティース・バックヨーク・スロット絶縁・巻線含む
- 回転子：磁石、バリア、スリット、リテーナ、シャフト
- 材料：低損失電磁鋼板、エナメル線、希土類磁石、接着剤
駆動回路と制御
PMSMは三相フルブリッジインバータで駆動し、電流制御（FOC：field-oriented control）とSVPWMで電圧指令を生成する。電流ループは高速応答、速度ループは外側に配置し、MTPA（最大トルク/電流）で低電流・低損失化、弱め界磁で高回転域の出力拡張を図る。位置検出はセンサ方式に加え、逆起電力やモデルベース推定を用いるセンサレス手法も一般化している。
特性と設計上の論点
高効率・高出力密度・広い定トルク域が長所で、低速高トルクが求められる駆動に適している。設計上の主要論点は、減磁耐性（熱・過電流）、コギングトルク低減、鉄損抑制、NVH、機械強度（高速回転時の遠心応力）、冷却性能である。巻線は分布・集中の選択肢があり、スロット・極組合せやスキューでトルクリプルと損失のバランスを取る。
希土類磁石の課題
希土類磁石は高性能であるが供給・価格変動への耐性が課題である。フェライト化、磁石量最適化、リラクタンストルク活用、ハイブリッド界磁、リサイクル技術の高度化が進む。
熱設計と冷却
PMSMの発熱は銅損、鉄損（ヒステリシス・渦電流）、機械損、インバータ損に起因する。冷却はフレーム水冷、オイル冷、巻線近傍の局所冷却、ロータ内オイル噴射などを組み合わせ、温度上限（磁石・巻線・絶縁クラス）を満足させる。熱抵抗ネットワークとCFDで定常・過渡を評価し、ホットスポットを回避する。
損失要素の内訳
- 銅損：I^2R。電流リップル、スキン/プロキシミティ効果を抑制
- 鉄損：周波数・磁束密度依存。低損失鋼板と適切な歯先設計
- 機械損：風損・軸受損。高速域で支配的になりうる
電磁設計パラメータ
逆起電圧定数Ke、トルク定数Kt、インダクタンスLd/Lq、磁束鎖交λ、極対数p、コギングトルク、空隙長、ティース幅、スロット充填率などが特性を決める。効率マップ（トルク×回転数）で運用点を俯瞰し、MTPA/弱め界磁制御線と電圧・電流制約を可視化して最適化する。
制御実装の要点
PMSM制御は高速サンプリングの電流ループ、座標変換、PI調整、デッドタイム補償、飽和・交差飽和補償、パラメータばらつき対策が要点である。センサレスでは高周波インジェクションや拡張オブザーバで低速推定精度を確保し、始動から広域までの連続性を確保する。
安全・規格・信頼性
絶縁設計（耐圧・沿面距離）、保護等級IP、温度クラス、過電流・過電圧・減磁保護、短絡時の安全停止、車載ではISO 26262準拠の機能安全が重要である。含浸やワニス、固定子端部の機械固定、耐振・耐湿対策で長期信頼性を確保する。
用途と応用展開
PMSMは電動車のトラクションモータ、産業用サーボ、ロボット関節、家電コンプレッサ、ポンプ・ファン、エレベータ等に広く用いられる。静粛性と応答性を両立できるため精密位置決めや快適性要求の高いアプリケーションに適合する。今後も材料工学、熱・電磁・制御の協調最適化によって高効率化と高出力密度化が進む。
用語整理
BLDCは矩形波駆動が前提のブラシレス直流機、PMSMは正弦波駆動・同期機という整理が一般的である。実装上はインバータ・制御で連続的に捉え、目的の波形品質・トルクリプル・効率で設計を選ぶ。
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