新型ナノクリスタル合金高速モーターの研究開発成功

これまで、モーターに使用される永久磁石は、レアアース金属で作られてきました。しかし、ジスプロシウムやネオジムのような資源は限られており、また、材料の抽出や加工時には有害な物質が発生し、環境問題が発生します。

安定調達や価格の変動などの理由から、多くの電気自動車自動車メーカーは原材料の不確定要素に直面しています。極端な価格変動は、製造業者にとって、特に電気自動車の生産規模を拡大する際の障害となりました。

レアアース金属に代わる材料：マンガン – ビスマス合金

モーターのレアアース使用を減らすために、ピッツバーグ大学のエンジニアはAmes研究所とPowdermet Inc.と協力して、より適切な代替案を探しています。この研究開発プロジェクトは、米国エネルギー省から20万ドルの資金支援を受けています。さらに、AMPED連合およびカーネギーメロン大学とノースカロライナ州立大学からのエンジニアも電力エレクトロニクスと電源変換システムの磁性材料を研究しています。

ピッツバーグ大学の機械工学と材料科学の准教授であり、電力とAMPED連合のディレクターであるPaul Ohodnicki博士は次のように説明しています。「モーターに永久磁石が使われるのは、電流を必要とする電磁鉄と異なり、永久磁石は逆の磁場が存在しても強い磁場を発生させ、保持できるからです。」

「我々は、Ames研究所のキーマテリアル研究センターが開発したマンガン – ビスマス合金のような、ネオジムやジスプロシウムなどのレアアース金属に代わる材料を見つけました。これにより、電気自動車の製造コストを下げ、量産化し、長期的な持続可能性を可能にします。」

モーター内でのレアアース永久磁石の使用をどのように減らすか、以下が主要な研究領域です：
1）新型レアアースフリー永久磁石材料
2）高速動作可能な代替モーター合金
3）新しいモーターデザイン戦略
4）永久磁石の代替品としての製造方法や技術、開発中のモーター合金
5）電気自動車に統合する前の全面的な資格認証とテスト

「レアアース金属は非常にユニークな磁性を持ち、高効率でパワー密集型のモーターデザインにおいて永久磁石として十分に活用されています。」とOhodnicki博士は説明しています。「我々が行っている研究は、レアアース元素を含まないか少量しか含まない新型永久磁石材料を開発することではなく、この分野の他の研究グループと協力し、モーターデザインを最適化するための代替材料があるかどうかを見ています。さらに、我々は新しいモーターデザインの方法を探しており、レアアース永久磁石材料の需要を減らすために、キーとなるデザイン戦略は、高速運転可能なモーターを開発することで、同一のパワーアウトプットでモーターのサイズを小さくすることです。」

新型モーター合金：ナノ結晶モーター合金

「我々はまた、既存のモーター合金の先進的な製造技術、およびローターやステーターのソフト磁性ラミネーション用の新型のナノ結晶モーター合金を研究しています。これにより、新しい高効率・高パワー密度モーターデザインに適用することが可能となります。」

「これらはレアアース永久磁石材料の直接的な代替品ではありません。」とOhodnicki博士は指摘します。「新型モーター合金の開発と、レアアースフリー永久磁石を用いたより高速で高効率なモーターデザインは、供給チェーンへの依存性を改善し解決することを助ける協同的な作業です。特に、ナノ結晶基盤モーター合金は、高電気スイッチング周波数での運転において、現行の電磁鋼板よりも損失が少ないことから、高速モーター開発デザインを実現する重要な推進力となることができます。」

「新しい技術が次世代の電気自動車に適用され、モーター性能が向上しています。自動車メーカーは、既存の永久磁石材料とモーター合金を用いてこれらのモーターを商業化しており、このような段階的な改善は続けられています。我々の目標は、新型のナノ結晶合金を基にした高速モーターの認定プロセスをできるだけ早く開始し、目標としては5年以内に商業化することです。」

＜結論＞

Ohodnicki博士によると、レアアース金属を含まないモーターの設計は容易なことではなく、まだ多くの課題があります。現在、多くのレアアース金属を含まないモーターが生産され、商業化されています。しかし、事実として、これらのモーターがレアアース永久磁石モーターの性能と製造面で達成するにはまだ距離があります。電気自動車などの高性能製品の応用では、モーターの効率、サイズ、重量が非常に重要であり、レアアース永久磁石モーターは引き続き重要な役割を果たし続けるでしょう。