現代社会はモーターなしには成り立ちません。スマートフォンから電気自動車、産業用ロボットに至るまで、私たちの生活のあらゆる側面にモーターは深く浸透しています。しかしこれらの高性能モーターの多くは、レアアース（希土類元素）と呼ばれる希少な資源に依存してきました。レアアースは特に強力な磁力を生み出す永久磁石の製造に不可欠であり、モーターの小型化や高効率化に大きく貢献してきました。しかしこのレアアースへの依存は、いくつかの深刻な課題を提起しています。特定の国に供給源が偏っていることによる地政学的リスク、採掘・精製に伴う環境負荷、そして投機的な市場による価格変動リスクは、持続可能な社会の実現と産業の安定的な発展を阻害する要因となっています。このような背景から、レアアースを使用しない、あるいは使用量を大幅に削減したレアアースレス・モーターの開発が喫緊の課題として浮上しました。今回は、レアアースレス・モーターが現代社会にもたらす変革に焦点を当てます。具体的にはレアアースがモーター産業で果たす役割とその問題点、レアアースレス・モーターの多様な構造と基本原理、そしてこの革新的な技術がもたらすサプライチェーンの強靭化、環境負荷の低減、コスト競争力の向上、ひいては新産業の創出といったイノベーションについて掘り下げます。最終章では、普及に向けた課題と今後の研究開発の方向性、そして国際的な動向にも触れ、レアアースレス・モーターが描く未来像を考察します。このモーターの進化論は環境と経済の両面において、私たちの社会に大きな衝撃と変革をもたらす可能性を秘めているのです。

1. レアアースとは何か？ モーター産業におけるその光と影

（１）レアアースの基礎知識

レアアースとは、スカンジウム（Sc）、イットリウム（Y）およびランタノイド系列の15元素、計17種類の元素の総称です。これらは「希土類元素」とも呼ばれ、地球の地殻にごく少量しか存在しないわけではありませんが、経済的に採掘可能な濃度でまとまって存在することが稀であるため、希少価値が高いとされています。レアアースはそれぞれ異なる特性を持ちますが、特にモーター産業で重要となるのは、強力な磁力や高温耐性といった特性です。例えば、ネオジム（Nd）、プラセオジム（Pr）、ジスプロシウム（Dy）などは、強力な永久磁石であるネオジム磁石の主原料となります。このネオジム磁石は従来のフェライト磁石と比較してはるかに高い磁力を持つため、モーターの小型化、軽量化、高効率化に不可欠な素材として広く利用されてきました。

（２）なぜモーターにレアアースが必要なのか？

モーターは電気エネルギーを回転運動に変換する装置であり、その心臓部には磁石が用いられています。特にレアアースを用いて作られる強力な永久磁石（ネオジム磁石など）は、モーターの小型化・高効率化に不可欠です。ネオジム磁石は、その優れた磁気特性によりモーターの出力密度を高め、小型でありながら高効率な運転を可能にします。これにより、限られたスペースで高い性能を発揮する必要があるアプリケーションにおいて、永久磁石モーターは圧倒的な優位性を示してきました。

（３）モーター産業におけるレアアースの重要性

レアアースを用いた永久磁石モーターは、現代社会を支える多岐にわたる分野で不可欠な存在です。

• EV（電気自動車）やハイブリッド車（HEV）
  駆動用モーターとして小型・軽量・高出力が求められ、ネオジム磁石が広く採用されています。
• 風力発電
  発電効率を高めるために、大型の永久磁石同期発電機が使用されます。
• 家電製品
  エアコンのコンプレッサー、冷蔵庫、洗濯機、掃除機など、省エネ性能が重視される製品に高効率モーターが搭載されています。
• 産業用ロボットや工作機械
  精密な動作と高トルクが求められるため、高性能モーターが必須です。

その他、ドローン、医療機器、IT機器など、あらゆる分野で高性能モーターの需要が高まっています。

（４）レアアースが抱える問題点

レアアースの利用は、その優れた特性とは裏腹にいくつかの深刻な問題も抱えています。

• 特定の国への供給集中による地政学的リスク
  現在、世界のレアアース供給の大部分を中国が占めており（2023年時点で世界の精錬能力の約90%を占める）、これはサプライチェーンの脆弱性を生み出しています。輸出国側の政治的・経済的判断によって供給が不安定になるリスクがあり、産業界に大きな影響を与えかねません。
• 採掘・精製に伴う環境負荷
  レアアースの採掘や精製プロセスは、多量の酸性廃水や放射性物質を排出する可能性があり、周辺環境に深刻な汚染をもたらすことがあります。これは、持続可能性の観点から大きな課題です。
• 投機的な価格変動リスクと産業への影響
  レアアースの価格は、供給の不安定さや投機的な動きによって大きく変動することがあります。これはレアアースを原材料とする製品のコストに直接影響を与え、企業の経営計画を不安定にする要因となります。
• 持続可能性の観点からの問題提起
  限りある資源であるレアアースへの過度な依存は、長期的な持続可能性の観点からも見直されるべき課題です。環境負荷の低減と資源の有効活用が求められています。

これらの問題に対処するため、レアアースに依存しないモーター技術の開発が世界の産業界と研究機関の喫緊の課題となっているのです。

2. レアアースレス・モーターの構造と基本原理

レアアースへの依存から脱却するため、世界中で様々なアプローチのレアアースレス・モーターが開発されています。これらは単一の技術ではなく、それぞれ異なる原理と構造を持つ多様な技術の集合体です。

（１）レアアースレス・モーターの多様なアプローチ

レアアースレス・モーターは大きく分けて次のタイプに分類できます。永久磁石を使用しない、あるいは使用量を大幅に削減することが共通の目標です。

・巻線界磁型同期モーター（WFSM: Wound Field Synchronous Motor）

・リラクタンスモーター（RM: Reluctance Motor）（スイッチトリラクタンスモーター (SRM) と同期リラクタンスモーター (SynRM) を含む）

・アモルファスモーター

その他、磁気浮上型モーターや超電導モーターなど、研究段階の先進的な技術

【巻線界磁型同期モーター（WFSM）】

巻線界磁型同期モーター（WFSM）は、ローターに永久磁石の代わりにコイルを巻き、そこに電流を流すことで磁界を生成するタイプのモーターです。

• 構造と原理、特徴
  ステーター（固定子）には交流電流が流れる巻線があり、ローター（回転子）には直流電流が流れる巻線（界磁巻線）が配置されています。この界磁巻線に流れる電流を制御することで、ローターの磁界の強さを自由に調整できます。ステーターの回転磁界とローターの磁界が同期して回転することで、トルクが発生します。
• 永久磁石が不要
  レアアースを使用しないため、供給リスクや価格変動の影響を受けません。
• 磁界調整が可能
  界磁電流を調整することで、モーターの特性（効率、出力など）を運転中に最適化できます。これにより、広範囲の運転条件で高効率を達成できる可能性があります。
• 高性能化の可能性
  高い出力密度と効率を実現できるポテンシャルを秘めています。
• 従来の永久磁石モーターとの比較
  永久磁石モーターは磁石が固定された磁界を持つため、磁界制御の自由度が限られます。WFSMは磁界を能動的に制御できるため、特定の用途においては永久磁石モーターよりも優れた性能を発揮する可能性があります。ただし、界磁巻線に電流を供給するためのブラシやスリップリングが必要になる場合があり、構造が複雑になったり摩耗による定期的なメンテナンスが必要になったりする点が課題です。この課題を解決するため、非接触で電力を供給するタイプのブラシレスWFSMの研究開発も活発に進められています。

【リラクタンスモーター（RM）】

リラクタンスモーター（RM）は、磁性体の磁気抵抗（リラクタンス）の変化を利用してトルクを発生させるタイプのモーターです。永久磁石を一切使用しないことが最大の特徴です。

• 構造と原理、特徴
  ローターに永久磁石や巻線がなく、磁性体の鉄心のみで構成されるのが一般的です。ステーターに配置された巻線に電流を流すと、磁束が磁気抵抗の低い経路を通ろうとする性質があります。この磁気抵抗の変化を利用してローターにトルクを発生させ、回転させます。
• シンプル構造、堅牢性
  永久磁石やローター巻線が不要なため、構造が非常にシンプルで堅牢です。高温や振動といった過酷な環境下でも安定して動作しやすいという利点があります。
• 低コスト
  材料コストが安価であり、製造プロセスも比較的容易なため、トータルコストを抑えることができます。
• 永久磁石不要
  レアアースのリスクから完全に解放されます。

【具体的なタイプ】

• スイッチトリラクタンスモーター（SRM: Switched Reluctance Motor）
  ステーターとローターの突起（突極）の位置関係に応じて巻線を切り替えることで磁気抵抗の変化を生み出し、トルクを発生させます。構造がシンプルで安価ですが、トルクリプル（トルク変動）が大きい、騒音が大きいといった課題があります。しかし制御技術の進歩により、これらの課題は克服されつつあります。
• 同期リラクタンスモーター（SynRM: Synchronous Reluctance Motor）
  ステーターは一般的な交流モーターと同様の巻線構造を持ち、ローターは磁気異方性を持たせるように設計された鉄心で構成されます。ステーターの回転磁界と同期してローターが回転します。SRMに比べてトルクリプルや騒音が少なく、高効率化が可能です。インバータによる高度な制御が不可欠です。
• アモルファスモーター
  アモルファスモーターは、モーターの鉄心にアモルファス合金を用いたモーターです。アモルファス合金は非晶質（ガラス状）の金属であり、通常の結晶構造を持つ電磁鋼板と比較して、鉄損（ヒステリシス損と渦電流損）が非常に低いという特性を持っています。

【アモルファス合金の特性とメリット】

鉄損はモーターの効率を低下させる主な要因の一つです。アモルファス合金を用いることでこの鉄損を大幅に削減し、モーターの高効率化を実現できます。これにより、発熱を抑え省エネルギーに貢献します。

• 構造と原理
  基本的な構造は従来のモーターと同じですが、ステーターやローターの鉄心にアモルファス合金を積層して使用します。
• 実用化への課題
  アモルファス合金は脆く加工が難しいという特性があります。そのため、モーターの鉄心として加工する技術や量産化に適した製造プロセスを確立することが課題となっています。しかし、これらの課題を克服する研究開発が進められています。

（２）その他、研究段階の技術

レアアースレスの究極形として、次のような技術も研究されています。

• 磁気浮上型モーター
  接触摩擦をなくすことで、超高効率、超高速回転を実現できる可能性があります。
• 超電導モーター
  超電導材料を用いて電気抵抗をゼロにすることで、熱損失を極限まで低減し、超高効率化を目指します。実用化には冷却システムなど様々な課題があります。

図. レアアースレス・モーターの方式別、メリット・デメリットと適用分野

【制御技術の重要性】

レアアースレス・モーターの性能を最大限に引き出すためには、高度な制御技術が不可欠です。永久磁石モーターのように固定された強力な磁界を利用できない分、電流や電圧の供給を精密に制御することで、必要なトルクや効率を確保する必要があります。

• インバータ制御
  モーターに供給する交流の周波数や電圧を自由に調整することで、回転速度や出力を制御します。
• ベクトル制御
  モーター巻線に流れる電流の位相と振幅を正確に制御し、磁束とトルクを独立して制御する技術です。これにより、高効率かつ滑らかな運転が可能になります。

これらの制御技術の進化が、レアアースレス・モーターの実用化と普及を大きく加速させています。

3. レアアースレス・モーターがもたらすイノベーションの概要

レアアースレス・モーターは、単に特定の資源を使わないというだけでなく、産業、環境、経済の各方面にわたる広範なイノベーションをもたらす可能性を秘めています。

（１）サプライチェーンの強靭化と安定供給

レアアースレス・モーターの最大の貢献の一つは、サプライチェーンの強靭化です。高性能モーターの製造が特定のレアアース産出国に依存している現状は、地政学的リスクや供給途絶のリスクを常に抱えています。レアアースレス技術は、この特定の資源への依存から脱却することを可能にします。

これにより企業は原材料の供給不安から解放され、より安定的に製品を生産できるようになります。これは企業が予期せぬ供給途絶や価格高騰による生産停止リスクを回避し、競争力を維持するために不可欠です。結果として消費者は安定した価格で製品を入手できるようになり、産業全体の安定的な成長に寄与します。

（２）環境負荷の低減

レアアースの採掘と精製は、多大な環境負荷を伴うことが指摘されています。放射性物質の発生、酸性廃水の排出、森林破壊といった問題は、地球規模での環境問題として認識されています。レアアースレス・モーターの普及はこれらの環境破壊を未然に防ぎ、地球環境の保護に大きく貢献します。

さらにモーター製造における省資源化も促進されます。貴重な地球資源であるレアアースの使用量を削減することは、資源枯渇問題への対策としても有効です。また、レアアースレス・モーターは構造がシンプルなものが多く、リサイクル性の向上にもつながる可能性があります。これは製品ライフサイクル全体での環境負荷を低減し、持続可能な社会の構築に不可欠な要素となります。

（３）コスト競争力の向上

レアアースは希少な資源であり、その価格は高価でありながら、市場の投機的な動きによって大きく変動します。レアアースレス・モーターはこの高価な原材料を使用しないため、モーターの材料費を大幅に削減できます。

またリラクタンスモーターのように構造がシンプルで製造プロセスが容易なタイプは、製造コストの削減にもつながります。これにより製品全体のコスト競争力が高まり、これまでコスト面で導入が難しかった分野や、新興国市場への普及拡大の可能性が広がります。例えば安価で高性能なレアアースレス・モーターが開発されれば、途上国でのインフラ整備や普及型家電の製造を加速させ、経済発展に貢献できるでしょう。

（４）新産業・新市場の創出

レアアースレス技術は単に既存製品の代替に留まらず、全く新しい産業や市場を創出する可能性を秘めています。コストや環境負荷の制約からこれまでモーターの搭載が困難であった分野において、新たな製品やサービスが生まれるでしょう。例えばより小型で安価、かつ高効率なレアアースレス・モーターが登場すれば、以下のような分野での応用が期待されます。

• 小型家電
  現在よりもさらに省エネで低価格な製品の開発。
• ドローン
  軽量化と長時間飛行の実現。
• ロボット
  より小型で精密な制御が可能なロボットの開発、普及。
• IoTデバイス
  バッテリー駆動のスマートデバイスにおける駆動源の多様化と高効率化。

これらの分野において新たなビジネスモデルやサプライチェーンが形成され、経済全体に活力を与えることが期待されます。

（５）性能向上と新たな価値創造の可能性

これまでのモーター開発は、「高性能＝永久磁石」というパラダイムに支配されてきました。しかしレアアースレス・モーターの進化は、この常識を打ち破りつつあります。

特に制御技術の進化と相まって、レアアースレス・モーターは永久磁石モーターに匹敵、あるいはそれを凌駕する性能を実現する可能性を秘めています。例えば、巻線界磁型同期モーターでは磁界を能動的に制御できるため、広範囲の運転条件で常に最高の効率を発揮するような最適化が可能になります。またリラクタンスモーターも、高度な制御によってトルクリプルや騒音といった課題を克服し、高効率化が進んでいます。

これにより設計の自由度が大幅に拡大し、これまでにない機能や特性を持つモーターの開発が可能になります。特定の用途に特化した最適なモーターを、レアアースに頼ることなく設計できることは、製品の差別化や新たな価値創造に直結します。

【具体的なイノベーション事例】

国内外の多くの企業や研究機関がレアアースレス・モーターの研究開発に注力し、画期的な成果を上げています。

• トヨタ
  EVの「bZ4X」やHEVの駆動用モーターにおいて、ネオジムの使用量を大幅に削減し、高価なジスプロシウムやテルビウムを使わない磁石を開発・採用しています。
• 日産
  EV「アリア」の駆動用モーターに永久磁石を使わない巻線界磁型同期モーター（WFSM）を採用し、レアアースからの完全な脱却を実現したことで注目されています。
• ダイソン
  掃除機などに搭載されているデジタルモーターにはレアアースを使わないスイッチトリラクタンスモーター（SRM）の技術が活用されており、小型・高速回転・高効率を実現しています。
• シーメンス
  産業用モーターの分野で同期リラクタンスモーター（SynRM）の製品ラインナップを拡大しています。高効率で堅牢なSynRMは、ポンプやファン、コンプレッサーといった用途で実績を上げています。
• 大学や研究機関
  各国の大学や国立研究所では、新しい材料の開発、モーター構造の最適化、AIを活用した高度な制御アルゴリズムの研究など、基礎から応用まで幅広い研究が進められています。例えば、京都大学や東京工業大学などがリラクタンスモーターの効率改善やトルクリプル低減に関する先進的な研究を行っています。

これらの事例は、レアアースレス・モーターが既に実用化段階に入りつつあり、今後ますますその応用範囲を広げていくことを示唆しています。

4. レアアースレス・モーターの今後と課題

レアアースレス・モーターは大きな可能性を秘めていますが、その普及にはいくつかの課題を克服する必要があります。

（１）普及に向けた課題

【性能面】

• 永久磁石モーターとの性能差の克服
  特に小型化、高効率化、高出力化の点で、既存の永久磁石モーターに匹敵、あるいはそれを凌駕する性能を実現することが求められます。特にEVなど小型・高出力が強く求められる分野では、まだ差がある場合があります。
• 広範囲な動作領域での最適化
  特定の動作点だけでなく、広範囲な回転数や負荷において高効率を維持できる設計が重要です。

【コスト面】

• 製造プロセスの最適化
  新しい材料や構造を採用するため、それらに最適化した製造プロセスの構築によるコストダウンが必要です。既存の製造ラインへの適合性も検討されます。
• 量産効果によるさらなるコストダウン
  初期投資やR&Dコストを回収し、市場競争力を高めるためには、大規模な量産体制の確立が不可欠です。

【技術的な成熟度】

• 各技術の標準化
  各種レアアースレス・モーターの設計、性能評価、接続インターフェースなどの標準化が進むことで、普及が加速します。
• 信頼性、耐久性の確保
  長期間にわたる安定稼働と、過酷な環境下での高い信頼性が求められます。実用環境での十分な検証が必要です。

【社会受容性】

• ユーザーへの啓蒙
  レアアースレス・モーターのメリットや性能を正しく伝え、一般消費者の理解を深めることが重要です。
• 既存製品との互換性
  既存のシステムやインフラとの互換性を確保することで、導入障壁を下げることができます。

【サプライチェーンの構築】

• レアアースレス材料の安定供給体制の確立
  たとえレアアースフリーであっても、代替材料の安定的な調達や供給網の構築が新たに必要となります。

（２）今後の研究開発の方向性

これらの課題を克服し、レアアースレス・モーターをさらに進化させるため、以下の研究開発が活発に行われています。

【材料科学の進歩】

• 新規磁性材料の開発
  レアアースに代わる高性能で安価な非希土類磁石や、磁性体の開発が進められています。
• 低損失材料の開発
  アモルファス合金だけでなく、より加工しやすくさらに低損失な鉄心材料の開発が求められています。

【AI・IoTを活用した高度な制御技術の開発】

モーターの運転状態をリアルタイムで把握し、AIが最適な制御アルゴリズムを生成することで、さらなる高効率化やトルクリプル低減、故障予知などが可能になります。IoTデバイスとの連携により、モーターの遠隔監視や最適化が進むでしょう。

【シミュレーション技術の進化による設計効率の向上】

FEM（有限要素法）などのシミュレーション技術を活用し、実際に試作する前にモーターの性能を詳細に予測することで、開発期間の短縮とコスト削減が図られます。AIを活用した最適設計手法の研究も進んでいます。

【複合的な技術アプローチの融合】

例えば巻線界磁型とリラクタンス型を組み合わせるなど、複数のレアアースレス技術のメリットを組み合わせることで、新たな性能を引き出す研究も行われています。

（３）各分野への展開予測

レアアースレス・モーターは、その特性から様々な分野での普及が加速すると予測されます。

• EV・HEV
  環境規制の強化とコスト競争力の重要性から、次世代モビリティの主役としてレアアースレス・モーターの採用がさらに進むでしょう。特に、低コスト化が進めばより手頃な価格のEV普及に貢献します。
• 産業機器
  ロボット、工作機械、ポンプ、ファン、コンプレッサーなど精密制御を要する分野や、堅牢性が求められる分野での導入が拡大します。エネルギー効率の改善は産業界全体の省エネに貢献します。
• 家電製品
  省エネ性能と低コスト化により、エアコン、冷蔵庫、洗濯機などの白物家電、さらに掃除機やドライヤーといった小型家電まで、広く普及が進むでしょう。
• 再生可能エネルギー
  風力発電機や潮力発電機など大型の発電設備において、永久磁石モーターの代替として導入が検討されています。

（４）国際的な動向と政策支援

各国政府もレアアースへの依存からの脱却を重要な国家戦略と位置づけ、研究開発への助成金、技術標準化への取り組み、代替技術のサプライチェーン構築支援などを積極的に行っています。

例えば、日本では経済産業省やNEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）が「次世代モーターの開発」プロジェクトなどを通じて企業の開発を支援しています。また欧州では「重要原材料法（Critical Raw Materials Act）」が議論されており、サプライチェーンの脱中国依存と域内でのリサイクル強化を目指す動きが活発化しています。一方、欧州連合（EU）は資源の自律性を高めるために、重要な原材料（Critical Raw Materials）の供給安定化を目指しており、レアアースフリー化はその中核的な取り組みの一つです。

5. まとめ

レアアースレス・モーターは、現代社会が抱える資源問題、環境問題、そして経済的リスクに対する強力な解決策として、その重要性を増しています。高性能モーターの不可欠な要素であったレアアースへの依存からの脱却は、単なる技術的な進歩に留まらず、サプライチェーンの強靭化、環境負荷の劇的な低減、そしてコスト競争力の向上といった多岐にわたるイノベーションをもたらします。これにより新たな産業や市場の創出、さらには持続可能な社会の実現に大きく貢献する可能性を秘めているのです。巻線界磁型同期モーター、リラクタンスモーター、アモルファスモーターといった多様な技術アプローチが研究・開発され、それぞれが異なる特性を持ちながら、レアアースフリーという共通の目標に向かって進化を続けています。これらのモーターは高度な制御技術との組み合わせにより、従来の永久磁石モーターに匹敵、あるいはそれを凌駕する性能を実現しつつあります。

もちろん、普及には性能のさらなる向上、製造コストの最適化、技術の標準化、そして社会受容性の確立といった課題が残されています。しかし材料科学の進歩、AI・IoTを活用した制御技術の革新、そして国際的な政策支援が、これらの課題克服を強力に後押ししています。EVや産業機器、家電製品、再生可能エネルギーといった広範な分野での適用が予測され、レアアースレス・モーターは、来るべき持続可能な未来において不可欠な技術となるでしょう。このモーターの進化は、私たちがよりクリーンで、より安定した、そしてより豊かな社会を築くための重要な一歩となるはずです。私たちはこの革新的な技術の動向に引き続き注目し、その可能性を最大限に引き出すための努力を惜しむべきではありません。

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