希土類からの解放：電気自動車モーターの革命が未来を変える
気候変動対策の中心的課題である交通機関の電動化は、内燃機関から電動駆動システムへの転換を意味します。しかし、この大きな変化の背後には深刻なジレンマが隠されています。現在、ほとんどの電気自動車（EV）の牽引モーターは希土類元素を含む磁石に依存しており、その採掘と加工は環境への深刻な負荷を伴うだけでなく、供給網の脆弱性を高めています。世界の希土類加工量の約90％が中国に集中している現状は、中国以外の automakersにとって戦略的なリスクとなっています。
この背景の下、希土類を使用しない（または大幅に削減した）先進的なEVモーターの開発が世界中で精力的に推進されています。政府機関、企業、学術機関が連携して課題に取り組む中、車両モーターの技術革新は新たな段階を迎えています。これは単なる技術的進歩ではなく、電動モビリティの持続可能性と供給網の安定性を確保するための革命的な転換です。
希土類の問題：なぜその代替が急務なのか
希土類元素（REE）は、ネオジム、サマリウム、ジスプロシウムなど、独特の磁性を持つ元素群です。鉄やコバルトと合金化することで、高い磁気エネルギー積（最大30～55 MGOe）、優れた残留磁束密度（保磁力）、強い抗減磁特性を持つ結晶を形成します。これらの特性により、ネオジム-鉄-ホウ素（NdFeB）磁石は現在の高性能EVモーターの主流となっています。
しかし、希土類の利用には大きな代償が伴います。採掘現場では鉱石を粉砕し、塩酸などの有毒化学物質を使用して元素を分離するため、土壌と水質が汚染されます。さらに、供給網の偏りは地政学的リスクを高め、供給中断が発生した場合、世界中のEV生産がストップする可能性があります。「我々は矛盾した状況に陥っています」と、テネシー州にあるオークリッジ国立研究所（ORNL）の研究者ヴァンダナ・ララバンディは指摘します。「環境に配慮した輸送システムを構築しようとしているのに、その材料の生産過程が目標を損なっているのです。」
業界の対応：連携と大胆な技術開発
希土類への依存を解消するため、企業や研究機関が結束して革新的な解決策を模索しています。2023年11月、ジェネラルモーターズとステランティスは、スタートアップのナイロン・マグネティックスと提携し、希土類を使用しない永久磁石を搭載したEVモーターの開発に着手しました。これに先立ち、2023年3月にはテスラの幹部が「次世代駆動ユニットは永久磁石を使用するが、希土類を完全に排除する」と発表し、業界に衝撃を与えました。
欧州では、20の産学連携パートナーで構成される「Passenger Alliance」が、EV向け希土類フリーの永久磁石開発に取り組んでいます。一方、自動車部品大手のZFグループは、固定子と回転子の両方に電磁石を使用した実験的な同期モーターを開発し、希土類を完全に排除しました。この220kWモーターは、従来のNdFeB磁石を使用したモーターと同等の出力密度と効率を達成する見込みです。
「これらの取り組みは単なる磁石の交換ではなく、モーターのトルク発生原理そのものを再考する試みです」と、ORNLの研究者ブラク・オズピネチは説明します。「材料の特性を最大限に活かした設計と構造革新により、希土類の性能を補う道を開いているのです。」
代替材料と設計の科学：希土類を超える挑戦
希土類を代替するためには、根本的な課題を克服する必要があります。現時点では、希土類磁石が持つ高い磁気エネルギー積、残留磁束密度、抗減磁特性をすべて備えた無希土類材料は存在しません。そのため、エンジニアたちは二つの戦略を推し進めています：希土類を含まない永久磁石の開発、および永久磁石自体を使用しないモーター設計の革新です。
無希土類永久磁石：トレードオフと技術革新
フェライト磁石（酸化鉄とストロンチウムまたはバリウムの化合物）は最も普及している無希土類代替品です。低コストで供給が安定していますが、磁気エネルギー積が低い（3～5 MGOe）、高温での抗減磁特性が弱いという欠点があります。これを補うため、「スポーク型」設計が開発されました。これは漏斗が水流を加速するように、磁束を集中させる構造で、希土類磁石と同等のトルクを発生させることが可能です。ただし、重量が約30％増加し、製造工程も複雑になるというデメリットがあります。
アルニコ磁石（アルミニウム、ニッケル、コバルトの合金）は高い残留磁束密度を持ちますが、抗減磁特性が非常に弱く、運転中の減磁リスクが高いです。この問題を解決するため、エームズ国立研究所の研究者たちはアルニコの抗減磁特性を向上させる技術を開発しています。また、「可変磁束記憶モーター」は電流の磁化成分を利用してトルクを発生させ、減磁を抑制する手法で、実用化に向けた研究が進んでいます。
新たな注目株はナイロン・マグネティックスが開発した窒化鉄（FeN）磁石です。FeNはネオジム磁石に匹敵する残留磁束密度を持ちますが、抗減磁特性は約1/5にとどまります。この弱点を補うため、ナイロンとジェネラルモーターズは回転子の構造設計を革新し、外部磁界による減磁を防ぐ技術を開発中です。
マンガン-ビスマス（MnBi）磁石も注目されています。フェライトよりも残留磁束密度と抗減磁特性が優れていますが、NdFeBには及びません。ORNLの研究によると、MnBi磁石を搭載したモーターはNdFeBと同等のトルクを発生できますが、体積が60％、重量が65％増加する代償が必要です。一方で、総コストを32％削減できるというメリットがあり、商用車や車両フリートへの適用が期待されています。
永久磁石を使用しないモーター：リラクタンスの力
重量とサイズが重要な要素となるアプリケーションでは、永久磁石を使用せずにトルクを発生させるモーターが注目されています。同期リラクタンスモーター（SynRM）がその代表例で、「リラクタンス」と呼ばれる現象を利用しています。リラクタンスとは、物質が磁束の通過に対して示す抵抗のことで、強磁性材料はリラクタンスが低く、強い磁界に沿って配向しようとする性質があります。この性質を利用して、強磁性材料で作られた回転子を回転させる原理です。
従来のSynRMは永久磁石同期モーターに比べて効率が低かったため、EVへの普及が進みませんでした。しかし、近年の「永久磁石補助型SynRM」は少量のフェライト磁石を組み合わせることで性能を向上させ、希土類モーターとの効率差を2～3％まで縮小しました。これにより、重希土類の使用を回避しつつ、実用的な性能を確保する道が開けました。
もう一つのアプローチは、固定子と回転子の両方に電磁石を使用する方式です。従来の巻線型回転子モーターは、カーボンブラシとスリップリングを介して回転するコイルに電流を供給していましたが、ブラシの磨耗や粉塵の発生が問題となり、EVへの適用が難しかったです。この課題を解決するため、「回転変圧器」または「励磁器」と呼ばれる装置が開発されました。これは誘導または静電容量を利用して非接触で回転子に電力を伝送する技術で、ブラシを不要にします。ZFグループの実験モーターがこの方式を採用し、220kWの出力でNdFeBモーターに匹敵する性能を発揮しています。
ハイブリッド設計：二つの原理を融合
最も有望なソリューションは、永久磁石によるトルクとリラクタンスによるトルクを組み合わせたハイブリッド設計です。ジェネラルモーターズ、テスラ、トヨタが採用する「埋込磁石型同期モーター（IPM）」は、回転子内部に磁石を埋め込むことで両方の原理を活用し、希土類の使用量を大幅に削減しています。
トヨタのプリウスはこの手法の成果を鮮やかに示しています。2004年モデルでは1.2kgの磁石を使用していましたが、2017年モデルでは0.5kgまで削減されました。シボレーのBoltも前任モデルのSparkに比べ、磁石使用量を30％減らしています。「これらのハイブリッド設計は橋渡しの役割を果たしています」とララバンディは述べます。「現在の希土類依存度を下げながら、完全無希土類の未来に向けた基盤を築いているのです。」
研究所の突破：限界を超える技術開発
オークリッジ国立研究所は、希土類削減モーターの開発において世界的なリーダーシップを発揮しています。同所のチームは2023年、重希土類を全く使用しない100kW級の牽引モーターを開発しました。このモーターの特徴は、インバーターを含む電力電子機器をモーター内部に統合した点で、小型化と効率向上を実現しています。
磁石の過熱と減磁を防ぐため、研究チームは根本的な課題に取り組みました。永久磁石は良導体であるため、モーターの運転中に回転子が磁界内を運動すると、不要な電流（渦電流）が発生します。これらの電流はトルクに寄与せず、磁石を加熱して減磁の原因となります。解決策の一つは、磁石を細かいセグメントに分割し、それぞれを絶縁することで、電流の循環経路を遮断することです。ORNLのモーターでは、各セグメントの厚さをわずか1ミリメートルに抑えています。
研究チームはN50と呼ばれるNdFeB磁石を選択し、80℃までの温度で安定稼働することを確認しました。さらに、回転子の外周を炭素繊維とエポキシ樹脂で強化することで、毎分20,000回転の高速回転に耐える構造を実現しました。原型機の解析では、最高速度での運転時には強制空冷が必要であることが明らかになりましたが、これは重希土類を使用しない設計における合理的なトレードオフとされています。
材料科学の進展
先進材料の開発が、希土類モーターと無希土類モーターの性能差を縮めるのに貢献しています。高シリコン鋼は磁気損失を20％削減し、高導電性銅合金（標準的な銅の2倍の導電率）はモーター体積を30％減少させることができます。GEエアロスペースが開発した「二相磁性材料」は、特定の領域を選択的に磁化または消磁できる特性を持ち、磁束漏れをほぼ完全に排除することで、永久磁石の使用を不要にしています。
AIによる設計加速
ORNLで使用されているAI駆動型設計ツールは、開発プロセスを飛躍的に加速しています。これらのシステムは数分で数千ものモーター構成をシミュレートし、性能、重量、コストのバランスが最適な材料と設計の組み合わせを特定します。「従来は数か月かかっていた作業が、現在では数日で完了するようになりました」とオズピネチは語ります。「これは量産化に向けた重要な突破口です。」
課題と未来展望：道路に出現する日
進展にもかかわらず、未解決の課題が残っています。無希土類モーターは重量や体積が増加する傾向があり、製造には高精度加工（SynRMの場合）などの新しい技術が必要です。また、窒化鉄やMnBiなどの材料はまだ量産体制が整っておらず、供給網の構築が急務です。
それでも、各社のロードマップは野心的です。テスラは2025年に無希土類駆動ユニットの量産を計画しており、GMとステランティスは2026年までにナイロンの技術を搭載したモーターを市場に投入する予定です。ZFグループは2027年までに誘導励磁型モーターの商用化を目指し、高出力密度を生かした高級車市場をターゲットにしています。
「市場がどの設計を主流にするかは予測が難しいです」とORNLの研究者プラヴィーン・クマールは分析します。「成功するかどうかは性能だけでなく、価格、生産性、既存の供給網への適合性など、複数の要因で決まります。しかし、希土類がEVに不可欠な要素である時代は間もなく終わることは明らかです。」
結論：持続可能なモビリティの未来
無希土類モーターへの移行は技術的な課題を超えて、電気自動車が真に持続可能なものとなるための必要な一歩です。環境に有害で地政学的に敏感な材料への依存を解消することで、 automakersはEVを気候目標に一層一致させ、鉱山から車輪まで清潔な輸送システムを構築することができます。
「困難な道のりであることは確かですが、実験室や工場での一つ一つの進展が未来を切り開いています」とオズピネチは強調します。「希土類が電気自動車の鍵となる要素であるという状況は終わりを迎えており、その日はできるだけ早く到着すべきです。」
著者：Vandana Rallabandi、Burak Ozpineci、Praveen Kumar
所属：オークリッジ国立研究所（米国テネシー州）
雑誌：IEEE SPECTRUM
掲載日：2024年8月
DOI：10.1109/SPECTRUM.2024.3387654