世界的な電気自動車やトラックの生産量が急増する中、自動車産業は重大な課題に直面している。それは、希土類元素を使用せずに、現在市販されている最高性能のモーターと同等またはそれ以上の動力、信頼性、軽量性を備えた牽引モーターを開発することだ。ネオジムやジスプロシウムといった希土類元素は、環境コストが高く、供給網にリスクを抱えている。中でも中国がその市場をほぼ独占しているため、供給不安は常に存在する。こうした状況の中、ゼネラル・エレクトリック・エーロスペース（GE エーロスペース）による材料科学の突破が注目を集めている。二相磁性材料を用いた同期リラクタンスモーターの開発は、希土類の独占状態を打ち破る可能性を秘めている。
この材料の可能性を理解するには、同期リラクタンスモーターの基本的な仕組みから始める必要がある。他のモーターと同様に、固定子（ステーター）と回転子（ローター）で構成されている。固定子は回転磁界を生成し、通常は電磁鋼板と呼ばれる強磁性合金で作られた回転子を磁化して作用する。回転子は、強磁性材料が磁界の力線に沿って整列する性質である「リラクタンス」という現象によって回転する。固定子の回転磁界が回転すると、磁化された回転子は常に磁界に追従して整列し、トルクを発生させる。
伝統的な設計の最大の問題は、回転子の「ブリッジ」と「ピラー」と呼ばれる構造にある。これらは回転子の磁性部分を接続する役割を持つ。従来の回転子では、これらの構成要素は回転子の他の部分と同じ強磁性材料で作られているため、磁化されてしまう。この磁化により、磁束の力線が干渉し合い、効率が低下し、モーターの出力が制限される。この問題を最小限に抑えるため、エンジニアたちはブリッジとピラーを細く設計してきたが、それによって回転子の機械的強度が低下し、回転速度が制限され、結果としてモーターの動力も制限されていた。
二相材料の登場がこのジレンマを解決する。この材料は、強い磁界にさらされると、材料内の異なる領域が完全に磁化されないか、高度に磁化されるかのいずれかになるという独特の性質を持つ。これにより、ブリッジとピラーを磁化させずに、より幅広く頑丈に設計することが可能になる。磁気的な干渉を排除しながら、機械的強度を損なうことがないのだ。
GE エーロスペースの実験的なモーターは、この革新的設計の成果を鮮やかに示している。回転数 14,000 回 / 分において、二相材料を使用した回転子を搭載したモーターは 23kW の出力を達成したのに対し、同じ条件下で従来の回転子を使用したモーターの出力はわずか 3.7kW にとどまった。さらに、実験用モーターのピーク効率は 94% で、現在市販されている電気自動車で使用されている最高性能のモーターと同等の水準に達している。
「この材料はゲームチェンジャーになると確信しています」と語るのは、IEEE フェローでウィスコンシン州ミルウォーキーにあるマーケット大学の電気・コンピューター工学科教授、アイマン・エル＝レファイである。彼は 2005 年に GE の二相材料プロジェクトを発足させた人物だ。エル＝レファイの期待は、現在の成果だけにとどまらない。この材料の可能性は、同期リラクタンスモーターを超えて広がっている。
実際、二相材料の利点は特定のモータータイプに限定されない。マーケット大学、韓国の慶南大学、ロシアのウファ工科大学の共同研究によると、永久磁石同期モーターや発電機においてもこの材料の優位性が実証されている。「内部永久磁石型（IPM）モーターだけが受益するのではありません」とエル＝レファイは説明する。「他のタイプの機械にも、さまざまな理由で利点をもたらすのです」。
しかし、この革新的材料が商業化へと進む道のりには、依然として大きな課題が存在する。まず技術的な面では、材料の最大飽和磁束密度が 1.5 テスラと、従来の電磁鋼板の限界値である 2 テスラよりも低い。磁束密度は材料の磁化強度を示す指標であり、この値を向上させることは今後の開発課題の一つだ。エル＝レファイは「さらなる開発を通じて、GE の二相材料は改善できるだろう」と期待を示している。
技術的な進歩以上に大きな障壁は、生産面にある。GE の二相材料研究チームの資深メンバーで、現在はニロン・マグネティックスの最高技術責任者（CTO）を務めるフランク・ジョンソンはこう指摘する。「二相回転子の製造に使用する圧延金属板を生産できるとともに、その意欲を持つ製鉄メーカーを見つけることが重要な障壁です。我々が開発した合金は非常に低コストの要素を持っていますが、これが逆に矛盾を生み出しています。非常に大きな生産量と、設備への多大な投資がない限り、商業的に成功させるのは難しいのです」。
現状では、高功率機器に適した二相磁性材料を提供している企業は存在しない。GE エーロスペース以外で二相磁性材料の研究を行っていると確認されているのは、元日立金属のプロテリアル社だけだ。また、GE エーロスペースは同社の研究者が関連取材に応じることを拒否しており、同社がこの材料をライセンス供与するのか、自ら生産するのかについては不明な点が多い。
それでも、二相材料が大規模生産に成功した場合の影響は計り知れない。電気自動車産業だけでなく、幅広い産業分野に波及する可能性がある。希土類への依存を減らすことで、供給網の脆弱性が改善されるだけでなく、希土類の採掘と加工に伴う環境負荷も軽減される。さらに、量産が進めばコスト低減が見込まれ、電気自動車の普及を促進する可能性も高まる。
世界中で電気自動車の生産が拡大する中、高性能で持続可能なモーター技術への需要はますます高まっている。二相磁性材料はまだ発展段階にあるものの、その可能性は大きい。希土類の独占を打破し、環境コストを削減し、同時に消費者や製造業者が求める高性能を維持できる道を開くかもしれない。
今後の鍵は、研究室での成果を工場の生産ラインに移行させることだ。材料科学者、モーター技術者、製鉄メーカーの協力が不可欠であり、これらのパートナーシップが成功すれば、次世代の電気自動車はさらに効率的で強力、かつ供給網が安定し、環境に配慮したモーターによって駆動されるようになるだろう。
最終的に、このイノベーションの真価は実用化への道を切り開けるかどうかで判断される。今のところ、GE エーロスペースが開発した二相材料は、材料科学が産業を変革する力を証明する一例として、希土類の制約から解放された電動化の未来を垣間見せている。
著者：グレン・ゾーペット
所属：IEEE スペクトラム
DOI：10.1109/MSPEC.2024.2300123