世界初、ジスプロシウム不使用の省ネオジム耐熱磁石を開発

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耐熱性能を保持し、ネオジム使用量を最大50%削減

2018年2月20日

国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
高効率モーター用磁性材料技術研究組合

NEDOプロジェクトにおいて、高効率モーター用磁性材料技術研究組合(MagHEM)の組合員であるトヨタ自動車(株)は、世界初の新型磁石「省ネオジム耐熱磁石」を開発しました。

この磁石は、耐熱性能に必要なジスプロシウムを使わないだけでなく、新技術を採用することで、ネオジムの一部をランタンとセリウムに置き換え、最大50%削減しても、従来のネオジム磁石と同レベルの耐熱性能を保持できるもので、今後、次世代自動車やロボットなど、さまざまな分野のモーターへの使用拡大とレアアース資源の有効活用が期待されます。

1.概要

モーター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ります。このため、磁石に使用する元素のうち、約30%はレアアース(希土類元素)※1が使われています。強力なNd(ネオジム)磁石※2を自動車用途などの高温環境下で使用するには、一般的にDy(ジスプロシウム)を添加することにより、高温環境下でも保磁力(磁力を保つ力)が高くなるようにしています。しかし、Dyはレアアースの中でも高価で希少なレアメタル(希少金属)※3に分類され、地政学的なリスクの高い金属であるため、Dy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ます。

一方、レアアースの中で比較的産出量が多いNdも、今後の次世代自動車(EV、PHV、HEV、FCV)やロボットなどのモーターへの普及を想定すると不足することが懸念されていますが、省Nd化の取り組みが少ないのが現状です。

そこで、NEDOプロジェクト※4において、委託先である高効率モーター用磁性材料技術研究組合(MagHEM)の組合員であるトヨタ自動車株式会社は、これらの課題を克服するために、Nd磁石の耐熱性能に必要なDyを使わないだけでなく、新技術を採用することで、Ndの一部を、レアアースの中でも安価で豊富なLa(ランタン)とCe(セリウム)に置き換え、Ndを最大50%削減しても、従来のNd磁石と同レベルの耐熱性能を確保した世界初の新型磁石「省Nd耐熱磁石」を開発しました。

この新型磁石は、次世代自動車やロボットなど、さまざまな分野でのモーター使用の拡大と貴重なレアア-ス資源の需給バランスを保つために役立つことが期待されます。

2.「省ネオジム耐熱磁石」の開発ポイント(新技術)

今回開発した省Nd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環境下でも維持できる性能を実現しています。

開発ポイント(1)磁石を構成する粒の微細化

磁石を構成する粒を従来磁石の1/10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環境下でも高く保つことができるようになりました。

  • 従来と開発したNd磁石を構成する粒の比較イメージ図図1 従来と開発したNd磁石を構成する粒の比較
開発ポイント(2)粒の表面を高特性にした二層構造化

これまでの磁石ではNdが磁石の粒の中にほぼ均等に存在していたため、不要な部分にもNdが使われていました。開発した磁石では、高温環境下での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Nd濃度を高くすることで、効率の良いNdの活用が可能になりました。

  • 従来と二層構造化したNd磁石の比較イメージ図図2 従来と二層構造化したNd磁石の比較
開発ポイント(3)LaとCeの特定の配合比

Ndへ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ました。そこで、産出量が豊富で安価な軽希土類であるLaとCeを適切な比で混ぜることで、特性悪化を抑制できることを見いだしました。

  • 3つの新技術を同時に織り込み開発した世界初「省Nd耐熱磁石」のイメージ図図3 3つの新技術を同時に織り込み開発した世界初「省Nd耐熱磁石」
以上3つの新技術を同時に織り込み開発した世界初「省Nd耐熱磁石」
  • 電子顕微鏡像と組成分析像のイメージ図図4 電子顕微鏡像と組成分析像
  • 従来と省Nd磁石の耐熱性能比較イメージ図図5 従来と省Nd磁石の耐熱性能比較
3.今後の予定

今回開発した省Nd化、耐熱化の技術には、産業化に向けてまだ多くの課題があります。今後は、早期の実用化を目指して、適用技術の開発とさらなる高性能化や作製プロセス確立などの技術課題の克服に向けた検討を進めます。

本プロジェクトでは、現在開発を進めている高い磁気物性を有する磁石材料の特性向上に取り組み、次世代自動車など向けに要求される180℃の使用環境下での最大エネルギー積※5がNd磁石の2倍である新規高性能磁石を用いた高出力・高効率モーターの実現を目指します。

【用語解説】
※1 レアアース(希土類元素)

La、Ce、Nd、Dyなどを含む、性質の似た17種類の元素の総称。これらの元素を用いることで、磁性や触媒特性などさまざまな機能を発現させることができます。

※2 Nd(ネオジム)磁石

レアアースのNdと鉄を主成分とした、現在最も強力な永久磁石で、次世代自動車(EV、PHV、HEV、FCV)、ハードディスクドライブなどの各種モーター、音響機器、医療機器、センサーなど幅広い分野で使用されています。生産量は年々拡大しています。

※3 レアメタル(希少金属)

地球上の存在量が希少であるか技術的・経済的な理由で抽出困難な金属のうち、安定供給の確保が政策的に重要な金属(経済産業省による定義)です。

※4 NEDOプロジェクト

事業名:次世代自動車向け高効率モーター用磁性材料技術開発
事業期間:2012年度~2021年度

※5 最大エネルギー積永久磁石が持つ単位体積当たりの磁気エネルギーで、磁石の性能を表す指標の一つです。

4.問い合わせ先
(本ニュースリリースの内容についての問い合わせ先)

NEDO 材料・ナノテクノロジー部 担当:渡部、坂井、幸田

高効率モーター用磁性材料技術研究組合 担当:作田

(その他NEDO事業についての一般的な問い合わせ先)

NEDO 広報部 担当:坂本、髙津佐、藤本

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