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自動車ニュース 2018/2/21 10:52

トヨタ、希少なレアアースを削減した世界初のモーター用新型磁石を開発

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トヨタは、今後急速な拡大が予想される電動車に搭載される高出力モーターなど様々なモーターに使用されるネオジム磁石において、レアアース(希土類元素)であるネオジムの使用量を削減したうえで、高温環境でも使用可能な性能を確保した世界初の新型磁石「省ネオジム耐熱磁石」を開発した。

新開発の磁石は、高耐熱ネオジム磁石に必要なレアアースの中でも希少なレアメタル(希少金属)に分類されるテルビウム(Tb)やディスプロシウム(Dy)を使わないだけでなく、ネオジムの一部をレアアースの中でも安価で豊富なランタン(La)とセリウム(Ce)に置き換えることでネオジム使用量も削減した。

しかし、ネオジムは、強力な磁力と耐熱性を保持する上で大きな役割を占めており、単にネオジム使用量を削減しランタンとセリウムに置き換えただけでは、モーターの性能低下につながる。

そこで、ランタンとセリウムに置き換えても、磁力・耐熱性の悪化を抑制できる新技術の採用により、ネオジムを最大50%削減しても、従来のネオジム磁石と同等レベルの耐熱性能を持つ磁石を開発することができた。

この新型磁石は、自動車やロボットなど様々な分野でのモーター使用の拡大と貴重なレアアース資源の需給バランスを保つのに役立つと期待される。

今後は、自動車やロボットなど様々な用途のモーターへの早期採用を目指し、さらなる高性能化や商品への適用評価とともに量産技術の開発も進めていく。

モーター・インバーター・バッテリーなどの要素技術の開発は、将来を見越した地道な研究・開発ではあるが、トヨタは電動車に必要不可欠な重要な技術と位置づけており、それぞれの領域で着々と進め、今後の電動車普及に向けた基盤整備に着実に取り組んでいくとしている。

「省ネオジム耐熱磁石」開発の背景

磁力の比較(左:これまでの磁石/右:新開発の省ネオジム耐熱磁石)

自動車用モーターなどに採用される磁石は、高温でも磁力を高く保つことが重要になる。このため、磁石で使用する元素の内、レアアースが約30%使われている。

強力なネオジム磁石を自動車用途など高温で使用するには、テルビウムやディスプロシウムを添加することにより、高温でも保磁力(磁力を保つ力)が高くなるようにしている。

しかし、テルビウムやディスプロシウムは希少で高価であり、地政学的なリスクの高い金属であるため、これらを使わない磁石の開発は、これまで多く取り組まれ成果が上がってきている。

一方、レアアースの中で比較的産出量が多いネオジムは、今後のハイブリッド車、電気自動車などの電動車の普及を想定すると不足することが懸念されているにもかかわらず、現状ではその取り組みが少ない。

そこでトヨタは、この課題を克服するためにテルビウムやディスプロシウムを使わないだけでなく、ネオジムの代わりに豊富で安価なレアアースであるランタンとセリウムを使用することで、ネオジムの使用量を削減しながらも高い耐熱性を維持し、磁力の低下を最小限にすることができる技術の開発に取り組んできた。

「省ネオジム耐熱磁石」の開発ポイント(新技術)

今回開発した世界初の省ネオジム耐熱磁石は、以下の3つの新技術を組み合わせることで保磁力を高温でも維持できる性能を実現している。

・磁石を構成する粒の微細化

・粒の表面を高特性にした二層構造化

・ランタンとセリウムの特定の配合比

磁石を構成する粒の微細化

磁石を構成する粒の微細

磁石を構成する粒を、従来のネオジム磁石の1/10以下にまで微細にし、粒と粒の間の仕切りの面積を大きくすることで保磁力を高温でも高く保つことができるようになった。

粒の表面を高特性にした二層構造化

従来のネオジム磁石は、ネオジムが磁石の粒の中にほぼ均等に存在しており、多くの場合、磁力維持に必要な量以上のネオジムが使用されているす。そこで、保磁力を高めるために必要な部分である磁石の粒の表面のネオジム濃度を高くするとともに内部を薄くした二層構造化により、効率良くネオジムを活用することができ、使用量の削減が可能となった。

ランタンとセリウムの特定の配合比

ランタンとセリウムの特定の配合比

ネオジムにランタン・セリウムなどの軽希土類を単純に混ぜると、磁石の特性(耐熱性・磁力)が大きく低下するため、軽希土類の活用は難しいとされていた。

これを解決するためにトヨタは、産出量が豊富で安価なランタンとセリウムを様々な配合比で評価した結果、特定の比率で混ぜると特性悪化を抑制できることを見出した。

今後の取り組み

今回開発した新型「省ネオジム耐熱磁石」の技術は、高い耐熱性が求められるネオジム磁石に必要なレアアースであるテルビウムやディスプロシウムを使わないだけでなく、ネオジム使用量まで削減することができる。

この新型磁石は、今後、電動車の駆動用・発電用モーターや電動パワーステアリング、ロボットや様々な家電製品に用いられる比較的高い出力が必要なモーターなど幅広い用途への応用が期待されている。さらに、レアアースの需給バランス・価格向上などのリスク低減にも寄与する。

今後トヨタは、実用化に向けて、搭載する自動車などでの適用評価を進めるとともに、低コストで安定した生産をするための技術の研究・開発を進めていく。

自動車の電動パワーステアリングなどのモーターでは2020年代前半での実用化を、さらに要求性能が高い電動車の駆動用モーターでは、今後10年内での実用化を目指して開発に取り組んでいく予定となる。

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