レアアースもモーターも無いのですか？ モーターにおけるレアアース削減の詳細を理解する国内サプライヤーの意見を聞く

中国自動車ニュース

最近、テスラのパワートレイン事業担当副社長コリン・キャンベル氏は、同社の次世代モーターにはレアアース材料は一切使用しないと述べた。 このメッセージは静かな湖に石を投げ込まれたようなもので、業界を騒然とさせた。 報告によると、テスラはトランスミッションシステムの効率向上により、2017年から2022年にかけてモデル3ドライブモジュールにおけるレアアースの使用量を25パーセント削減することに成功したとのこと。 2020年、テスラは、永久磁石モーターとスイッチドリラクタンス（SRM）モーターの利点を組み合わせた、新しいタイプの非磁性モーター、表面永久磁石スイッチドリラクタンス（SPSRM）モーターを開発中であることを明らかにしました。 は、両方の欠点を回避しながら、レアアース材料を使用せずに高効率、高出力密度、高トルク密度を実現できます。

新エネルギー車時代の風見鶏として知られるテスラが掲げるレアアースフリーモーターとは？ 業界にどれだけの「スプラッシュ」を起こせるのか？

レアアースがないからといって磁性がないわけではない

グリーン・低炭素路線の実践と全方位的な電動化開発の推進を背景に、電池、モーター、電子制御が新エネルギー車に欠かせない「新三大部品」となり、モーターは車両の運転に関連するすべての機能を担います。 。

現在、新エネルギー車に使用されるモーターは主に永久磁石同期モーター、電気励磁同期モーター、交流非同期モーターの3種類があります。 業界では永久磁石同期モーターが主流ですが、レアアース材料の価格が高く、埋蔵量も限られているため、近年代替の声が大きくなっています。

レアアース材料は永久磁石モーターのコストのほぼ 20% を占めることがわかっています。 特殊な物理的および化学的特性を持つ金属元素の一種として、多くのハイテク分野で広く使用されています。 市場には鮮やかな比喩があります。 石油が産業の血液であるならば、レアアースは産業、特に自動車産業にとってのビタミンです。 永久磁石モーターでは、ネオジム鉄ボロン (NdFeB) が最も一般的に使用される永久磁石材料の 1 つであり、高い残留磁気とエネルギー積を備えています。 また、ネオジム（Nd）、プラセオジム（Pr）、ジスプロシウム（Dy）の3種類のレアアース構成元素が、モーターの動磁気特性、耐熱性の向上、長寿命化、低騒音化に大きく貢献します。 したがって、コストが高いにもかかわらず、永久磁石モーターは常に新エネルギー車の主流の構成となってきました。

次世代モーターにはレアアース材料を一切使用しないというテスラの主張は、永久磁石モーターとレアアース材料の地位を揺るがしているようだ。 技術と市場の観点から、業界の動向をどう読み解くべきでしょうか？

実際、モーターにレアアースを使用しないことを提案しているのはテスラだけではありません。 2021年、ドイツの自動車部品会社マーレは、レアアース材料を必要としない新しいモーターを開発した。 そして 2022 年には、BMW も第 5 世代のレアアースフリー モーターを発売しました。 業界関係者らは、テスラやその他の企業がレアアースフリーモーターの開発に熱意を持っているが、その理由は技術開発によるものではなく、地政学的な考慮によるものだと考えている。

統計によると、世界のレアアース原料の約97％は中国から供給されている。 データによると、レアアースは独特の特性を持つ重要な戦略資源であり、伝統産業の変革、新興産業、国防技術産業の発展に不可欠な重要な要素である。 以前は、中国のレアアース輸出価格は低かった。 レアアース原料の採掘・精製コストが上昇し続ける中、レアアース原料の輸出管理が厳格化され、外資系自動車会社は別の活路を模索し始めている。

しかし、業界の専門家は、レアアースを使用していないという理由だけでモーターを「磁気フリー」と呼ぶのは不正確であると考えています。ニウ・ミンクイ氏、ゼネラルマネージャー浙江創始汽車有限公司（以下、「創業者モーター」という）は、「中国自動車ニュース」の記者に対し、希土類永久磁石は同期モーターの主磁場を確立するための1つの方法にすぎず、企業は他の方法を使用することもできるが、いかなる方法でも使用できると語った。この場合、モーターを動かすには磁界を確立する必要があるため、非磁性モーターを提案するのは明らかに「からくり」です。 彼の見解では、テスラの計画はよく理解されている。 レアアースを使用しないモータとしては、永久磁石としてレアアースの代わりにフェライトを使用する方法や、電動同期モータを使用し、さらに交流誘導モータを使用する方法が考えられます。

テスラに関する 3 つの推測

電気自動車のリーダーとして、テスラの動きは自動車業界全体の注目を集めている。 レアアースを使用しない次世代テスラモーターについては、ボルグワーナー エンジニアリング マネージャー Huo Congchongには3つの推測があります。

まず、「希土類を含まない」とは、重希土類を含まないことを指し、すべての希土類を指すわけではありません。 Huo Congchong 氏は記者団に対し、「一般に、モーターに使用されるレアアースとは、テルビウム (Tb)、ジスプロシウム (Dy)、ホルミウム (Ho)、ネオジム (Nd)、プラセオジム (Pr) などの重希土類を指します。 「在庫が少なくコストが高いため、モーターごとに異なる重希土類元素が使用されています。現在、企業はより多くの軽希土類を使用し、重希土類の使用量を削減することに目を向けています。」

第２に、永久磁石同期モータを電気励磁同期モータに置き換えることも可能である。 電気励磁モーターの核心は、永久磁石を電気励磁コイルに置き換え、コイルの電流を調整することで磁力を変化させ、異なる車速で異なる動力性能要件を達成することです。 同時に、電気励磁コイルは高温での永久磁石の減磁と失速の欠点を排除することができ、高速で励磁電流を減らすことによって弱め界磁を実現でき、制御によって速度変更を実現できます。励起強度も向上し、安全性も向上します。 これは、BMW の第 5 世代マグネットレス モーターの機能です。

電気励磁モーターと永久磁石モーターの最大の違いはローターです。 前者の原理は、ローターにコイルを追加し、カーボンブラシ装置を使用して励磁電流を導入することです。 しかし、これによりカーボンブラシの信頼性や耐久性がモーターの作動効率に大きく影響するという新たな問題が発生しました。

第三に、混合励起の方法も原理的に実現可能です。 高効率を維持することを前提として、この新しいタイプのモーターはトポロジー構造を変更し、主磁場を2つの励磁源によって生成して調整と制御を実現し、モーターの速度調整、駆動性能、または電圧調整特性を向上させます。 。 すなわち、永久磁石には希土類材料を使用せず、フェライトを使用し、さらに電気励起などを加えますが、この解決策は磁気特性が悪く、作業効率が限られます。 より大きくて重い。

「もちろん、テスラが新素材で大きな進歩を遂げた可能性を依然として排除することはできませんが、そうでない場合は、これら 3 つの解決策のうち最初の解決策が最も可能性が高いと思います。」 モーターに重希土類を「ゼロ」で使用するソリューションを開発できるアメリカの企業があります。 テスラにとってこれは難しい挑戦ではないと思います。

永久磁石モータの地位はいまだ揺るがぬ

自動車の電動化の時代において、バッテリー、モーター、電子制御の開発に対して新たな要件が求められています。 今後、モーターはどのような方向に発展していくのでしょうか？ 車両の動力性能に対する市場の追求がますます高まるにつれて、四輪駆動は多くの高性能車のハイエンド構成となり、二軸モーターを採用する自動車会社が増えています。 永久磁石モーターと誘導モーターのどちらを選択すればよいですか?

Founder Motors モーター開発部ディレクター、Chen Jing 氏は記者団に対し、仕事上の議論で業界の専門家と十分にコミュニケーションをとった結果、最近一貫した結論に達したと語った。つまり、永久磁石モーターは依然として市場の主流であるということだ。

「永久磁石同期モータは古くから広く使われており、数十年の開発の歴史があります。最初にフェライト材料が使われ、エネルギー密度は希土類永久磁石の1/2～1/3しかありません。そこで、2000 年頃から業界は永久磁石にレアアース材料を添加し始め、これによりモーターのエネルギー密度が大幅に向上しました。」 ニウ・ミンクイ氏は記者団に語った。 彼は、製品の開発トレンドはテクノロジー自体の特性と切り離せないと考えています。 現在のモーターの性能から判断すると、希土類永久磁石モーターの利点は他のタイプのモーターに匹敵しないため、依然としてほとんどの新エネルギー車にとって第一の選択肢であり、特に主な駆動モーターとして使用されています。

他のタイプのモーターと比較して、永久磁石モーターは独自の磁界を持ち、励磁を必要とせず、それに伴う損失がなく、最大のトルクを提供でき、優れた伝達効率性能を備えていることがわかります。 同時に小型軽量を実現し、大幅な節約が可能ですが、高温下では減磁しやすく、リアルタイムでの速度調整ができません。

電動励磁モーターや誘導モーターはレアアースを使用しないためコストダウンが図れますが、大きな課題もあります。 電気励磁型同期電動機の回転子構造は複雑であり、スリップリングカーボンブラシ装置があり信頼性が低い。 カーボンブラシは定期的なメンテナンスや交換が必要であり、メンテナンスコストが高くつきます。 誘導交流モーターは磁界をカットして誘導磁界を発生させるため、磁力にはヒステリシスがあります。 しかし、誘導交流非同期モータは高速性能に優れており、現在では四輪駆動の組み合わせ構成として一般的に使用されています。 たとえば、テスラ モデル 3 は、四輪駆動車の前車軸モーターとして永久磁石モーターと組み合わせた誘導 AC モーターを使用しています。 Weilai のモデルはモデル 3 の逆で、前輪永久磁石同期モーターと後輪 AC 非同期モーターの組み合わせプログラムを使用しています。

この点に関して、Niu Mingkui 氏は次のように説明しました。「誘導モーターも永久磁石モーターと同じ作業効率を達成できますが、銅やケイ素鋼などの他の材料の使用量が増加し、さらに大きく、重く、そのため、現在の業界では主な駆動モーターとして非同期モーターを使用することはほとんどありません。」

Wolong ZF Automotive Motor Co., Ltd. プロダクトマネージャー、Chen Xiaoyong 氏は次のように述べています。は記者団に対し、テスラの演説はからくりのようだが、国内の自動車会社には大きな影響はなかったと率直に語った。 「国内の新エネルギー車モーターの主流は依然として永久磁石モーターであり、電気励磁モーターや誘導モーターの効率はそれらとは比較にならないということは誰もが同意している。世界のレアアース含有量は十分であり、それを覆す可能性は低い」永久磁石モーターを短期間で開発できるようになります」と彼は言いました。

業界関係者の多くも同様の見方をしている。 Huo Congchong 氏の見解では、中国の自動車市場は少なくとも 10 年間は依然として永久磁石モーターによって支配されるだろう。 この分野ではサプライチェーン危機はなく、国内の新エネルギー車モーターも重レアアースの使用量が減る傾向にあり、コストは下がり続けている。 、メリットはますます顕著になります。

自動車業界全体が重レアアースの使用を削減しているが、レアアースは使用されない。 記者らとのインタビューで、国家新エネルギー車重点技術特別総合専門家グループの自動車責任専門家、ゴン・ジュン氏は、中国の鉱山生産は十分であり、心配する必要はないと指摘した。同時に、ジスプロシウム浸透プロセスの開発により、業界は重希土類の量を削減できます。 現時点ではテスラは永久磁石モーターを放棄するつもりはなく、せいぜい重希土類を使用しない方法を検討する程度だろう。

「多くの外国企業はモーターに軽希土類しか使用できませんでしたが、市況の観点から、国内の顧客は重希土類溶液をあまり受け入れません。さらに、この溶液には減磁の問題があり、その結果、モーターの性能が低下します」これは解決する必要がある問題です。」 霍従崇氏は記者団に語った。

レアアースはもはやボトルネックではない

自動車業界全体がレアアース、特に重レアアースの使用量を削減する方向で発展し始めています。 ニウ・ミンクイ氏は、重レアアースと軽レアアースの埋蔵量と価格は大きく異なると述べた。 たとえば、プラセオジムとネオジムの現在の市場価格は 700、000 元/トン以上、テルビウムは 2,000 万元/トン以上と高く、ランタンとセリウム レアアースの価格はそれより低くなります。 数万元/トン。 したがって、業界は重希土類の除去を推進し、軽希土類、プラセオジム、ネオジムの量を削減することで良い成果を上げています。

「これまでの自動車の軽量化と同様に、鋼板の板厚を薄くし、車両重量を軽減し、構造設計や溶接工程を改善することにより、車両の剛性が向上し、安全性が低下することなく、効果的に安全性を確保できます。」軽量化、定量化、モーターのレアアースを削減するという考え方は同じです。」 ニウ・ミンクイ氏はさらに説明した。

技術の進歩に伴い、モーターの材料使用も大きく変化していることを知りました。 Chen Jing 氏は記者団に対し、「初めて磁石を作るために磁性材料を使用したとき、希土類元素と鉄ベースの材料を混合して焼成し、希土類材料全体が磁石内に均一に分布するようにしました。しかし実際には、永久磁石の同期速度はモーターの消磁原理により、磁性鋼の表面積の重希土類含有量を増やす必要があり、中心部の重希土類含有量は低く、均一に分布していなければなりません。均一な焼結プロセスであり、実際には重希土類材料の大部分がそのプロセスで使用されており、その価値を十分に発揮していません。」

近年では製造プロセスの進歩により、磁性鋼の表面と内部を隔てることが可能となり、磁石表面の修復と磁気特性の向上を図るために粒界拡散技術が用いられています。 日本の研究者が最初に「粒界拡散」という概念を提案したと報告されています。これは、重希土類元素を粒子内ではなく粒界のみに拡散させる特別なプロセスを使用し、NdFeB材料の性能を向上させるだけでなく、重希土類元素の総量を大幅に削減し、材料コストを削減します。 国内の粒界拡散技術も急速に発展し、新製品の標準構成となっており、重希土類の量は大幅に削減されている。 不完全な統計によると、磁性鋼材を選択するためのより的を絞った普及計画を通じて、Founder Motor は重希土類の使用を毎年 20 ～ 30% 削減することができ、これまでに 50% 近く削減しました。 「ただし、重希土類の使用量がある程度ゼロに近づくかどうかについては明確な解決策はありません。重希土類は磁性鋼の性能向上、耐振動性、耐高温性などに有用な物質であるため、短期間で完全に置き換えることはできません」とニウ・ミンクイ氏は強調した。

Gong Jun 氏の見解では、レアアース応用分野の技術進歩は比較的高いレベルに達しており、それはもはや研究の中核目標ではない。 外国企業はレアアースを使用しない、またはレアアースを使用しないソリューションに取り組んでいるため、レアアース資源の在庫を心配する必要はありません。

実際、多くの企業が、低コストで磁束調整可能な希土類永久磁石に対する市場の需要を満たすために、低コストのランタンおよびセリウムを添加したNdFeB焼結磁石の製造技術を開発しています。 また、結晶粒微細化、粒界拡散、粒界制御などの技術を量産化することで、重希土類テルビウムやジスプロシウムの使用量を削減し、製品の原材料コストを削減しています。

「以前は、誰もが非常に巻き込まれていました。我が国はレアアース資源の利点を持っていますが、実際の使用における価格変動が大きすぎることを懸念しており、材料やプロセスの革新もレアアースの価格水準によって制限されています」現在の傾向は、モーターの体積を減らすことです。企業はモーターの速度を上げ、磁気の要件を緩和します。現在、業界のレアアースグレードに対する要件はますます低くなり、このままでは、重希土類の量も減るだろう」とコン・ジュン氏は語った。

この点に関して、ニウ・ミンクイ氏も3つの側面から分析した。まず、世界のレアアース埋蔵量は十分であるため、まったく心配する必要はない。 第二に、現在の技術開発状況では、モーターにおけるレアアースの使用量は以前に比べて大幅に減少しており、レアアースへの依存度は減少しています。モーターのリサイクル産業の発展に伴い、レアアースの使用量も減少していることは改めて言及する価値があります。廃モーターの材料は技術的に精製され、ほぼ 100% リサイクル可能であり、レアアースの重要な供給源でもあります。 「過去に1台のモーターを製造するために必要だったレアアース材料は、将来的には2台の新しいモーターを製造するために使用される可能性があります。」 同氏は、新エネルギー車市場が将来的に成長し続ける中、モーターのリサイクルはレアアース材料の重要な供給源となる可能性があり、「レアアース「大豊」も予定よりも前倒しで実現されることが期待される」と述べた。材料は、新エネルギー車と同じように、有機的な動的バランスを達成する可能性があります。