永久磁石同期モータと同期サーボモータの違いとは？高効率駆動システムの選び方-富田電機

産業自動化、スマートファクトリー、電動モビリティの普及が進む中、モータは単に回転動力を生み出す部品ではなく、設備効率、制御精度、エネルギーコスト、システムの信頼性を左右する重要な要素となっています。

装置メーカー、システムインテグレータ、技術購買担当者にとって、どのモータ構造を選ぶかは、設備全体の性能やメンテナンスコストに大きく影響します。

特に比較されることが多いのが、永久磁石同期モータ（PMSM）と同期サーボモータです。

PMSMは、高効率、高出力密度、省エネ性能に優れ、EV用モータ、ファン、ポンプ、コンプレッサ、連続運転設備などで広く使用されています。

一方、サーボモータは高精度制御、高速応答、位置決め性能を重視し、ロボット、CNC工作機械、半導体製造装置、自動化ラインなどで多く使用されています。

ただし、永久磁石同期モータと同期サーボモータは、単純にどちらか一方がもう一方を置き換える関係ではありません。

構造、制御方式、トルク特性、用途にそれぞれ違いがあります。

そのため、モータ選定ではまず、「効率を優先するのか」「制御精度を優先するのか」を明確にすることが重要です。

永久磁石同期モータ（Permanent Magnet Synchronous Motor：PMSM）は、永久磁石によってロータの磁界を発生させる同期モータです。

一般的な誘導モータとは異なり、ロータに誘導電流を流して磁界を作る必要がありません。

そのため、ロータで発生する損失や発熱を抑えることができ、モータ全体の効率向上につながります。

PMSMは主に以下の要素で構成されます。
• ステータ巻線
• ロータの永久磁石
• 磁気回路
• モータドライバ・制御装置

ステータが回転磁界を発生すると、ロータはその磁界と同期して回転します。

この構造により、PMSMは中低速域や高負荷条件でも安定した出力を得やすくなります。

そのため、以下のような用途に適しています。
• 高効率が必要
• 長時間運転する
• 高出力密度が必要
• 設置スペースが限られている
• 安定したトルク出力が必要

PMSMが高効率を実現しやすい理由の一つは、誘導モータのようにロータ磁界を作るための誘導電流を必要としないことです。

高性能な電磁鋼板、低損失磁気回路、適切な巻線設計、高効率ドライバなどを組み合わせることで、IE4、場合によってはIE5レベルの省エネ性能を目指すことができます。

用途によっては95％を超える効率を実現することもあります。

また、PMSMは高い出力密度と力率も特長です。

高出力密度とは、同じサイズでもより大きな出力を得られることを意味します。

そのため、EV用モータ、低空モビリティ、ロボット、コンプレッサなど、サイズや重量に制約がある用途で大きなメリットがあります。

さらに、高い力率によって無効電力を抑えやすく、長時間稼働する工場設備では電力利用効率の改善にもつながります。

メンテナンス面では、PMSMには従来のDCモータのようなブラシや機械式整流子がありません。

そのため機械的な摩耗が少なく、ポンプ、ファン、コンプレッサ、電動モビリティなど、長時間運転する設備にも適しています。

実際のモータ選定では、名称だけで判断することはできません。

以下のような項目を総合的に確認する必要があります。
• 制御方式
• 低速トルク
• 動的応答
• 運転領域全体の効率
• 位置決め精度

以下は、永久磁石同期モータ、同期サーボモータ、誘導サーボモータの比較です。

永久磁石同期モータとサーボモータの大きな違いは、モータそのものだけではなく、「制御の目的」にあります。

PMSMでは、主に以下を重視します。
• 高効率な出力
• 安定したトルク
• 省エネ運転

一方、サーボモータでは以下を重視します。
• 高精度な速度制御
• 位置制御
• トルク制御
• 高速応答

同期サーボモータでは、一般的にエンコーダ、サーボドライバ、3つのクローズドループ制御を使用します。

具体的には、
• 電流ループ
• 速度ループ
• 位置ループ
です。

これによって位置や速度の誤差をリアルタイムで補正できます。

そのため、ロボット関節、CNC送り軸、半導体搬送モジュールなど、高い繰り返し位置決め精度が必要な用途に適しています。

一方、PMSMをセンサレス制御する場合は、逆起電力や電流モデルなどからロータ位置を推定します。

システムをシンプルにし、コストを抑えやすい反面、低速域の制御精度は完全なクローズドループサーボシステムに及ばない場合があります。

PMSMに高分解能の位置センサと高性能ドライバを組み合わせれば、サーボに近い制御性能を得ることもできます。

ただし、その分システムコストや制御の複雑さも高くなります。

サーボモータは、一つのモータ構造を表す言葉ではありません。

高精度制御を目的としたモーションシステムとして考える方が適切です。

モータ構造で分類すると、代表的なサーボモータには以下があります。
• 同期サーボモータ
• 誘導サーボモータ

同期サーボモータ

同期サーボモータは、一般的にロータに永久磁石を使用します。

基本的な電磁原理はPMSMと似ていますが、同期サーボモータは特に以下との組み合わせを重視します。
• サーボドライバ
• エンコーダ
• モーションコントローラ
• 制御アルゴリズム

主なメリットは以下です。
• 低慣性
• 高速応答
• 高トルク密度
• 高い位置決め精度

そのため、頻繁な起動・停止、急加減速、高精度位置決めが必要な用途に適しています。

代表的な用途には、
• ロボット関節
• 電子機器組立装置
• 半導体ウエハ搬送
• 高精度自動化モジュール
などがあります。

これらの設備では、単に「回転する」だけでは不十分です。

正確に動き、正確に停止し、素早く反応することが求められます。

誘導サーボモータ

誘導サーボモータは、非同期サーボモータとも呼ばれ、かご形誘導ロータを使用します。

永久磁石を使用しないため、以下のような特長があります。
• 堅牢な構造
• 高温に強い
• 高い耐衝撃性
• 大出力用途に対応しやすい
• 高速運転に適する

出力密度や低速域での高精度制御では同期サーボモータに及ばないことがありますが、用途によっては大きなメリットがあります。

代表例は以下です。
• 主軸モータ
• 重切削設備
• 特殊生産ライン
• 高速機械
• 厳しい使用環境

簡単に言えば、
高精度、高速応答、低慣性を重視するなら同期サーボモータ。

大出力、耐久性、高速運転、厳しい環境への対応を重視するなら誘導サーボモータ。

という考え方ができます。

最終的には、設備が求める精度、出力、コスト、耐久性のバランスで選定します。

永久磁石同期モータが適している用途

以下を重視する場合、PMSMは有力な選択肢です。
• 高効率
• 長時間運転
• 安定した出力
• 省エネ
• 高出力密度

代表的な用途には以下があります。
• EV用モータ
• 電気バス駆動システム
• 電動船舶
• ポンプ
• ファン
• コンプレッサ
• 空調・冷凍用コンプレッサ

これらの用途には共通点があります。

長時間運転する、エネルギーコストの割合が高い、負荷が変動しても高い効率を維持したい、といった条件です。

EVやその他の移動体では、高出力密度によってモータを小型・軽量化しやすくなります。

その結果、車両レイアウト、航続距離、システム効率の改善につながります。

次のような要求がある場合は、PMSMを優先的に検討できます。
• 省エネ
• 高効率
• 設置スペースが限られている
• 連続運転
• 電動化

サーボモータが適している用途

以下の要求がある場合は、サーボモータが適しています。
• 高精度な位置制御
• 高速応答
• 高い繰り返し精度
• 複雑なモーション制御
• 低速での安定したトルク

代表的な用途には以下があります。
• ロボット関節
• CNC工作機械
• 半導体製造装置
• 包装機械
• 自動検査装置
• 精密搬送システム

これらの設備では、短時間で速度変更、角度補正、位置補正を行う必要があります。

そのため、エンコーダフィードバックとサーボ制御が重要になります。

特に、
• 多軸同期
• ミクロンレベルの位置決め
• 高頻度な起動・停止

が必要な用途では、モータ効率だけでは十分ではありません。

制御精度が最も重要な選定ポイントになります。

技術購買における選定の考え方

技術購買の視点では、以下のように考えると判断しやすくなります。

次を重視する場合はPMSM

• 長時間運転時の効率
• 省エネ
• 高出力密度
• 安定した出力

次を重視する場合は同期サーボモータ

• 位置決め精度
• 速度応答
• 低速制御
• 動的追従性能

次の条件では誘導サーボモータ

• 大出力
• 高い耐久性
• サーボ制御
• 高速運転
• 厳しい環境

つまり、
PMSMは「高効率な動力源」

サーボモータは「高精度なモーション制御」

という役割の違いがあります。

どちらかがもう一方を置き換えるのではなく、異なるシステム要求に対応する技術です。

永久磁石同期モータ、同期サーボモータ、誘導サーボモータには、それぞれ明確な役割があります。

PMSMの主なメリットは、
• 高効率
• 高出力密度
• 低いメンテナンス負荷
です。

EV用モータや連続運転設備に適しています。

同期サーボモータは、
• 高精度
• 高速応答
• クローズドループ制御
に優れ、ロボットや精密自動化設備に適しています。

誘導サーボモータは、
• 大出力
• 高耐久
• 高速運転
• 厳しい環境への対応
が求められる用途で実用的な選択肢となります。

モータ選定では、単一の仕様や価格だけを比較するのではなく、設備全体の要求を確認することが重要です。

たとえば、
• 長時間の省エネ運転が必要か
• 高精度な位置決めが必要か
• 頻繁な加減速があるか
• 高温、高負荷、高速条件で運転するか
といった点を確認する必要があります。

FUKUTA（富田電機）は、産業用モータ、新エネルギー向け動力システムの開発・製造に長年取り組んでいます。

誘導モータ、永久磁石同期モータ、同期サーボモータ、電動モビリティ用モータなどの経験を活かし、私たちは効率、精度、信頼性、使用条件、システム要件を総合的に確認し、お客様に適した駆動ソリューションをご提案します。

PMSM、同期サーボモータ、誘導サーボモータ、その他産業用駆動システムに関するご要望がございましたら、ぜひお気軽にお問い合わせください。