モーターに使う磁石の違いとは
モーターに使う磁石は、ネオジム、フェライト、サマリウムコバルトなど、種類ごとに磁力、耐熱温度、密度、耐食性が異なります。磁石が変わると、同じ外形のモーターでも、トルク、サイズ、効率、使用できる温度、コストが変わります。
本記事は、機器にモーターを組み込む設計担当者に向けて、磁石の違いがモーターの仕様に与える影響を整理した記事です。比較に使う数値は、磁石メーカーが公開するカタログ値です。等級や製造元によって値は変わります。
数値の出典は、磁石メーカーの資料、JST（科学技術振興機構）の発表、モーターメーカーや研究機関の技術資料です。各所に出典を記載しています。
モーターに使われる磁石にはどんな種類がある？
永久磁石を使うモーターの代表例は、ローターに永久磁石を配置するPMモーターと、ブラシ付きDCモーターです。永久磁石モーターなどに使われる代表的な磁石材料には、ネオジム、フェライト、サマリウムコバルト、アルニコなどがあります。本記事では、この4種類を比較します。
ネオジム磁石
ネオジム磁石は、ネオジム・鉄・ホウ素（Nd-Fe-B）を主成分とする希土類磁石です。マグファインの比較表では、最大エネルギー積(BH)maxが260kJ/m³以上、残留磁束密度Brが1.26T以上と記載されています。どちらも、この記事で比べる4種のなかで最も大きい値です。
ネオマグの解説は、現存する磁石のなかでも特に強力と説明しています。コトバンクの「希土類磁石」の解説が挙げる用途は、ハイブリッド車・電気自動車の駆動モーターと、電動パワーステアリングです。ジェイテクトの技術資料にも、高出力・高耐熱が求められる場合に、焼結磁石（ネオジム鉄ボロン）を使うモーターを選ぶという記載があります。
弱点は温度と錆びです。上限工作耐熱温度は、マグファインの代表値で80℃です。ネオマグの解説では、錆びに弱いため、市場に出回る製品の多くにメッキ加工が施されています。
高温で使う場合は、ジスプロシウム（Dy）やテルビウム（Tb）などの重希土類で保磁力を高めます。マグファインの比較表には耐熱ネオジムの例もあり、上限工作耐熱温度は150℃、保磁力iHcは1592kA/m以上です。標準品（955kA/m以上）の約1.7倍にあたります。
引用元：株式会社マグファイン「磁石の特性比較について」
https://www.magfine.co.jp/jpn/c_magnet/comparison.html
引用元：ネオマグ「種類によって変わる磁石の特徴とその用途について」
https://www.neomag.jp/mag_navi/column/column002.html
引用元：コトバンク「希土類磁石」
https://kotobank.jp/word/%E5%B8%8C%E5%9C%9F%E9%A1%9E%E7%A3%81%E7%9F%B3-161497
引用元：JTEKT ENGINEERING JOURNAL「レアアースの使用を抑えた重希土類フリーモータの開発」
https://www.jtekt.co.jp/engineering-journal/assets/1017/1017_10.pdf
フェライト磁石
フェライト磁石の残留磁束密度は0.385Tで、ネオジム磁石（1.26T以上）の約3分の1です。(BH)maxは27.9kJ/m³以上で、ネオジム磁石と比べると約9.3倍の差があります。日立金属の研究者による資料にも、フェライト磁石の最大磁気エネルギー積は、ネオジム磁石の10%程度との記載があります。
主成分は酸化鉄です。ネオマグの解説では、酸化鉄が主成分のため安価に製造でき、錆びにも強いとされています。上限工作耐熱温度は300℃、密度は4.8〜5.0g/cm³です。ネオマグは、用途の例として、スピーカー、ヘッドホン、テレビ、ゲーム機、パソコンを挙げています。
引用元：ネオマグ「種類によって変わる磁石の特徴とその用途について」
https://www.neomag.jp/mag_navi/column/column002.html
引用元：株式会社マグファイン「磁石の特性比較について」
https://www.magfine.co.jp/jpn/c_magnet/comparison.html
サマリウムコバルト磁石
サマリウムコバルト磁石は、ネオジム磁石と同じ希土類磁石です。マグファインの比較表では、保磁力iHcが1190kA/m以上で、標準のネオジム磁石（955kA/m以上）を上回ります。上限工作耐熱温度は200℃で、ネオジム磁石（80℃）の2.5倍です。
(BH)maxは140kJ/m³以上で、ネオジム磁石の約半分です。密度は8.3g/cm³と、4種のなかで最も大きくなります。ネオマグの解説では、ネオジム磁石より脆く欠けやすい点が弱点です。用途の例は、センサー、精密電子機器、医療機器です。
上限温度は、資料によって値が異なります。採用を検討する等級のデータシートで直接確認しましょう。
引用元：株式会社マグファイン「磁石の特性比較について」
https://www.magfine.co.jp/jpn/c_magnet/comparison.html
その他の磁石
その他の代表例が、アルミニウム、ニッケル、コバルトを主成分とするアルニコ磁石です。マグファインの比較表では、残留磁束密度が1.25T以上でネオジム磁石に近い値です。上限工作耐熱温度は400℃、キュリー温度は850℃で、4種のなかで最も高くなります。
保磁力iHcは47.7kA/m以上で、ネオジム磁石の約20分の1です。ネオマグの解説は、外部の磁場の影響を受けやすく、減磁しやすい磁石と説明しています。用途の例は、メーターや計器類です。
モーターの磁石が違うと何が変わる？
磁石の違いは、モーターの5つの仕様に表れます。トルク・出力、サイズ、効率、使用できる温度範囲、コストです。設計の段階では、5つのうちどれを優先するかで、候補になる磁石が変わります。
トルク・出力が変わる
モーターのトルクは、磁石がつくる磁束と電流の積で決まります。三菱電機技報（2009年）も、トルクを鎖交磁束と電流の積で表した記述です。日立評論（2015年）の図には、出力が磁束と電流の積に比例し、磁束は磁石の強さと空隙の面積に比例すると示されています。
磁石が強いほど、同じ電流で得られるトルクは大きくなります。同じ外形のモーターでより大きなトルクを求める場合は、(BH)maxや残留磁束密度が高い磁石が候補です。
出力は、トルクと回転速度の積です。トルク0.5N·m、回転数3000min⁻¹のとき、出力は約157Wになります。磁石の磁力が低くてトルクが不足する場合は、回転数を上げて出力を合わせる方法もあります。日立金属は、後述の設計例で、この考え方を示しました。
引用元：三菱電機技報 Vol.83 No.10「回転機の高性能化による環境負荷低減」（2009年）
https://www.giho.mitsubishielectric.co.jp/giho/pdf/2009/0910103.pdf
引用元：日立評論 2015年6月-7月号「国際高効率規格IE5レベルを達成したアモルファスモータ」
https://www.hitachihyoron.com/jp/pdf/2015/06_07/2015_06_07_07.pdf
モーターのサイズが変わる
磁力の高い磁石を使うと、必要な磁束を小さな磁石で確保できます。出力を維持したまま小型化したいという課題では、ネオジム磁石が候補の1つです。
磁力の低い磁石でも、設計次第で差は縮まります。Motor-Fanの記事（2022年12月12日）によると、日立金属は高性能フェライト磁石の設計例を示しました。磁石の搭載位置とサイズを最適化した例です。ネオジム磁石を使うxEV用駆動モーターと同等の出力が、一定の条件下で得られるという内容です。
設計例には2通りがあります。1つは、モーター重量が30%増えても同等の出力を得る例です。もう1つは、回転数を50%上げて、重量と出力を同等にする例が示されています。
明電舎の「高性能フェライト磁石モータの開発」（2013年）には、希土類磁石とフェライト磁石の比較があります。残留磁束密度は、希土類磁石が1.30T、フェライト磁石が0.45Tです。同資料は、従来の希土類磁石を使うIPMモーターと同じ体格・質量で、同等のトルク特性を確認したと報告しています。
引用元：明電舎「高性能フェライト磁石モータの開発」明電時報 通巻341号（2013年）
https://www.meidensha.co.jp/rd/rd_01/rd_01_02/rd_01_02_15/rd_01_02_15_01/pdf/article-201304-0061.pdf
効率が変わる
三菱電機技報（2009年）には、鎖交磁束を増やすと銅損を減らせるという記載があります。磁束を増やす方法の1つが、永久磁石の高グレード化です。同じトルクを得るための電流が小さくなれば、巻線で発生する熱も減ります。
磁石を回転子に埋め込むIPMモーターは、励磁電流を流す必要がありません。同技報は、回転子の損失がないため、誘導モーターより高効率化できると説明しています。
効率は、磁石の種類だけでは決まりません。日立評論（2015年）には、フェライト磁石を用いたアキシャルギャップ型モーターが、IE4効率クラスを満たした結果の記載があります。巻線、鉄心の材質、形状も、効率を左右する要素です。
引用元：三菱電機技報 Vol.83 No.10「回転機の高性能化による環境負荷低減」（2009年）
https://www.giho.mitsubishielectric.co.jp/giho/pdf/2009/0910103.pdf
使用できる温度範囲が変わる
磁石は、温度が上がると保磁力が下がります。不可逆減磁が起きるのは、磁石にかかる逆向きの磁界が保磁力を超えたときです。冷やしても磁力は戻りません。
大同特殊鋼の技術資料（電気製鋼 第93巻第1号、2022年）に、数値の例があります。試験の対象は、重希土類フリーの熱間加工Nd-Fe-B磁石を使う、ハイブリッド車用の埋込磁石同期モーターです。通電条件は、180Arms、位相角90°、1秒間です。磁石温度が135℃のとき減磁率は-1.6%、143℃で-4.2%、152℃で-9.0%でした。17℃の上昇で、減磁率が5倍以上に拡大しています。
同資料は、JISの許容減磁量5%を目安にしています。この数値は、特定の磁石とモーターと通電条件の組み合わせで得た結果です。すべてのモーターに当てはまる基準ではありません。
JSTの発表（2014年3月26日）によると、ハイブリッド自動車の駆動モーターは、使用中に200℃程度まで温度が上がります。高温用途のネオジム磁石に必要な保磁力は、室温で3T、200℃で0.8T程度です。耐熱性を高めるジスプロシウムの使用量は、8%程度とされています。
引用元：大同特殊鋼「自動車駆動用埋込磁石同期モータにおける高温下のロータ磁石の不可逆減磁現象の解析と評価法」電気製鋼 第93巻第1号（2022年6月
https://www.daido.co.jp/common/pdf/pages/technology/journal/93_1/06_technicaldata04_hinata.pdf
モーターのコストが変わる
磁石の材料費は、磁石の種類によって変わる項目です。ネオマグの解説では、フェライト磁石は酸化鉄が主成分のため、安価に製造できます。日立金属の研究者による資料にも、フェライト磁石は低コストという記述があります。
ネオジム磁石の高温用途で使う重希土類は、調達面にも課題がある材料です。ジェイテクトの技術資料は、ジスプロシウムとテルビウムの採掘地が局在しており、供給量が不安定になる調達リスクがあると記載しています。同資料は、コストへの影響度が高い磁石使用量を、当初より約20%減らした開発例も示しました。
材料費が低い磁石を選ぶと、同じ出力を得るために、モーターが大きくなる場合があります。前述の日立金属の設計例では、重量が30%増えています。磁石の単価だけでなく、モーター全体の体格、質量、効率を含めた比較が必要です。
引用元：Motor-Fan「日立金属がxEV駆動モーター用高性能フェライト磁石の提案を開始」（2022年12月12日）
https://motor-fan.jp/?p=27383
引用元：日立金属 機能部材研究所「粒界近傍の微細組織が保磁力に及ぼす影響の解析 -CaLaCo系M型フェライトの高性能化」（文部科学省 元素戦略プロジェクト資料）
https://www.mext.go.jp/elements-strategy/pdf/04-P23.pdf
引用元：JTEKT ENGINEERING JOURNAL「レアアースの使用を抑えた重希土類フリーモータの開発」
https://www.jtekt.co.jp/engineering-journal/assets/1017/1017_10.pdf
ネオジム・フェライト・サマリウムコバルトの違いを比較
下の表は、マグファインが公開する比較表の数値と、ネオマグの解説の記述を、3種の磁石について並べたものです。数値は特定の材料・等級のカタログ値で、メーカーや等級によって変わります。「上限工作耐熱温度」は、モーターの設計温度とは別の数値です。
| 項目 |
ネオジム磁石 |
フェライト磁石 |
サマリウムコバルト磁石 |
| 残留磁束密度 Br（T） |
1.26以上 |
0.385 |
1.03以上 |
| 保磁力 iHc（kA/m） |
955以上 |
235以上 |
1190以上 |
| 最大エネルギー積 (BH)max（kJ/m³） |
260以上 |
27.9以上 |
140以上 |
| 上限工作耐熱温度（℃） |
80 |
300 |
200 |
| キュリー温度（℃） |
310 |
450〜460 |
710 |
| 密度（g/cm³） |
7.3〜7.5 |
4.8〜5.0 |
8.3 |
| 耐食性（ネオマグの解説） |
錆びに弱く、メッキ加工が多い |
錆びに強い |
錆びにくい |
| 用途の例 |
ハイブリッド車・電気自動車の駆動モーター、電動パワーステアリング（希土類磁石の用途として） |
スピーカー、ヘッドホン、テレビ、ゲーム機、パソコン |
センサー、精密電子機器、医療機器 |
引用元：株式会社マグファイン「磁石の特性比較について」
https://www.magfine.co.jp/jpn/c_magnet/comparison.html
引用元：ネオマグ「種類によって変わる磁石の特徴とその用途について」
https://www.neomag.jp/mag_navi/column/column002.html
引用元：コトバンク「希土類磁石」
https://kotobank.jp/word/%E5%B8%8C%E5%9C%9F%E9%A1%9E%E7%A3%81%E7%9F%B3-161497
表の読み方を整理します。
- 磁力の目安はBrと(BH)maxで、ネオジム磁石が最も大きい値です。(BH)maxは、フェライト磁石の約9.3倍、サマリウムコバルト磁石の約1.9倍にあたります。
- 減磁への強さは、iHcで確認します。サマリウムコバルト磁石が最も大きく、ネオジム磁石の約1.2倍の値です。
- 耐熱性は、上限工作耐熱温度で見ます。フェライト磁石は300℃、サマリウムコバルト磁石は200℃、ネオジム磁石は80℃です。
- 重さは、密度で比較します。フェライト磁石が最も小さく、サマリウムコバルト磁石が最も大きい値です。
磁石だけでモーターの性能は決まりません。前述の日立金属や明電舎の例のように、磁石の配置、形状、磁気回路の設計で、磁力の低い磁石でも出力やトルクを近づけられます。数値は、候補を絞るための一次情報として使います。
キュリー温度は、磁気秩序が失われる転移温度です。キュリー温度までモーターで使えるという意味ではありません。サマリウムコバルト磁石の上限温度は、マグファインの表では200℃、Magnet Expertの解説では250℃以上と、値が一致していません。
モーターの磁石はどうやって選ぶ？
磁石の選定は、必要な仕様を数値で並べるところから始まります。永久磁石を使わない方式のモーターもあります。ローターに永久磁石も巻線もないスイッチトリラクタンスモーター（SRモーター）です。永久磁石モーターを前提にする場合は、次の5つの観点で候補を絞ります。
必要なトルク・出力から選ぶ
最初に整理するのは、必要トルク（N·m）、回転数（min⁻¹）、出力（W）の3つの値です。出力はトルクと回転速度の積のため、2つが決まれば残りの1つは計算で求まる関係です。
連続運転と瞬間的な最大負荷では、必要なトルクが別の値になります。両方の値を、メーカーへの問い合わせ時に伝えます。トルクが不足する場合の対策は、磁力の高い磁石への変更と、回転数を上げて出力を合わせる方法の2つです。
モーターのサイズから選ぶ
モーターの寸法は、機器側の制約で決まります。確認する寸法は、設置スペース、外径、全長、軸寸法、取付寸法の5つです。
外径と全長に余裕がない場合は、磁力の高いネオジム磁石が候補です。余裕がある場合は、フェライト磁石で必要な出力を満たせるか、メーカーに設計例を確認します。日立金属の例では、重量が30%増える設計でした。質量の上限値も、あわせて伝えます。
使用温度から選ぶ
確認する温度は、周囲温度、モーター内部温度、連続運転時の磁石の温度の3つです。周囲温度が低くても、連続運転で巻線が発熱すると、磁石の温度は上がります。
大同特殊鋼の資料では、恒温槽の設定温度に対して、磁石側の表面温度が16〜18℃低い値でした。設定温度と磁石の温度は、一致しません。磁石の上限工作耐熱温度を満たすだけでは足りないため、磁石メーカーとモーターメーカーに、温度ごとの減磁曲線を問い合わせます。
引用元：大同特殊鋼「自動車駆動用埋込磁石同期モータにおける高温下のロータ磁石の不可逆減磁現象の解析と評価法」電気製鋼 第93巻第1号（2022年6月）
https://www.daido.co.jp/common/pdf/pages/technology/journal/93_1/06_technicaldata04_hinata.pdf
効率・消費電力から選ぶ
効率は、定格運転点での値を確認します。確認する項目は、定格トルクでの電流（A）、電圧（V）、入力電力（W）、効率（%）です。
同じトルクを小さい電流で出せるモーターは、銅損が小さくなります。効率は、磁石以外の設計にも左右される値です。複数の機種を比べる場合は、同じ運転条件での値を並べて確認します。
コスト・調達性から選ぶ
磁石の単価に加えて、モーター全体のコストも確認対象です。確認する項目は、磁石の使用量、モーターの質量、必要な年間数量、納期です。
ネオジム磁石の高温グレードは、重希土類を使います。ジェイテクトの資料が示す調達リスクがあるため、供給元と数量の見通しを、メーカーと共有しておきます。サマリウムコバルト磁石の価格については、本記事で確認できた公開資料に比較値がありません。見積の段階でメーカーに確認します。
まとめ
モーターの磁石の違いを、本記事の内容で整理すると次のとおりです。
- モーターに使われる磁石には、ネオジム、フェライト、サマリウムコバルト、アルニコなどの種類があります。
- 磁力、耐熱温度、密度、耐食性は、磁石の種類によって異なります。(BH)maxは、ネオジム磁石が260kJ/m³以上、サマリウムコバルト磁石が140kJ/m³以上です。フェライト磁石は27.9kJ/m³以上です。
- 磁石は、トルク・出力、小型化、効率、使用できる温度、コストに影響します。
- モーターの性能は磁石だけでは決まりません。日立金属や明電舎の例では、磁石の配置と形状の設計で、フェライト磁石でも出力やトルクを近づけています。
- 必要な仕様を満たすには、磁石、巻線、鉄心、構造を含めたモーター全体の設計が必要です。
- 標準品で仕様を満たせない場合は、磁石の材料、等級、形状まで含めた特注・カスタム設計の相談も選択肢になります。
メーカーへ問い合わせる前に、必要トルク、回転数、出力、外形寸法、質量の上限、周囲温度と磁石の温度、年間数量を整理しておくと、検討が進みます。
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