HRE-Free Magnet 적용 기술보고서
자원 공급망 Risk를 줄이면서 고온 감자내력과 Motor 성능을 유지하기 위한 소재-자기회로-냉각-제어 통합 설계 Guideline
Executive Summary
HRE-Free는 희토류를 전혀 사용하지 않는다는 뜻이 아니다. 자동차용 Nd-Fe-B 자석에서 고온 보자력 확보를 위해 첨가해 온 Dy·Tb 등 Heavy Rare Earth를 줄이거나 제거하면서, Motor System 수준에서 감자내력과 출력밀도를 유지하는 기술이다.
공급망과 경제안보
Dy/Tb의 산지·정제 편중, 가격 변동 및 전동화 수요 확대가 장기 양산 안정성을 위협한다. 일본은 이를 소재 문제가 아닌 산업안보 문제로 관리한다.
자석 치환이 아닌 Co-design
미세결정·입계제어와 함께 Rotor 형상, 자속경로, 냉각 및 전류제어를 재설계해 Dy/Tb가 담당하던 고온 Margin을 System이 분담한다.
고온 국부감자
HRE-Free에서는 고온 Knee Margin이 작아질 수 있어 Peak Current, Field Weakening의 큰 음의 Id, Magnet Edge/Corner 역자계가 핵심 Risk가 된다.
Post-demag 성능으로 판정
감자 면적비만으로 승인하지 않는다. Worst Case 후 Flux Linkage, Back-EMF, Torque, Efficiency 및 NVH 손실까지 확인해야 한다.
정의와 개발 요구배경
| 구분 | 정의 | Motor 설계 의미 |
|---|---|---|
| HRE | Dy, Tb 등 중희토류 | NdFeB의 고온 Intrinsic Coercivity(Hcj) 향상에 사용 |
| HRE-Reduced | Dy/Tb 사용량 저감 | GBD 등으로 필요한 위치에만 HRE를 집중 |
| HRE-Free | Dy/Tb 등 HRE를 사용하지 않는 방향 | 미세조직과 Motor 설계로 감자 Margin 확보 |
| Rare-Earth-Free | Nd까지 포함해 희토류를 사용하지 않음 | Ferrite, Fe-N 등 다른 자석과 Motor Topology 영역 |
1. 자원 편재
Dy/Tb는 희소하고 공급원이 편중돼 조달 중단과 지정학적 Risk가 크다.
2. 수요 구조 변화
HEV·EV 확대는 고성능 NdFeB 수요를 구조적으로 늘리고 장기 공급부족 가능성을 높인다.
3. BOM 안정성
원재료 가격 급변은 장기 Program 수익성을 훼손한다. 핵심은 현재 최저가보다 수년간의 예측가능성이다.
4. 고객 사양화
설계 초기에 HRE-Free를 고정해야 Rotor, 냉각, Inverter Current Limit 및 내구 검증의 재작업을 방지할 수 있다.
개발 역사와 Dy/Tb 저감기술
| 기술 단계 | 원리 | 효과와 한계 |
|---|---|---|
| Bulk Alloying | Dy/Tb를 합금 전체에 첨가 | 고온 Hcj 확보가 쉽지만 HRE 효율이 낮고 Br 손실 가능 |
| Grain Refinement | 결정립 미세화로 감자 Nucleation Site 억제 | 입계상 제어와 결합할 때 Hcj 증가 |
| Grain Boundary Diffusion | 결정립 표면에 HRE-rich Shell 형성 | 적은 HRE로 Hcj를 높이고 Br 손실 억제, 현실적인 HRE-Reduced 방안 |
| Grain-boundary Control | Nd-rich·Fe-lean 입계상으로 결정립 자기적 분리 강화 | HRE 없이 보자력 메커니즘 개선 |
| Hot Deformation | Nano-scale 결정립 배향과 형상 제조 통합 | Honda·Daido 양산 적용, Plate 형상·배향·치수 안정성 중요 |
| Nd-efficient | Grain Surface에 Nd 집중, La/Ce 활용 | HRE뿐 아니라 Critical Rare Earth 사용량/kW 저감 |
Motor System 설계 영향
Grain Boundary
Knee Point
Bridge / Rib
Rotor Cooling
FW Limit
| 설계영역 | HRE-Free의 변화·Risk | 필수 검증 |
|---|---|---|
| Magnet | 고온 Knee Margin 감소 가능, Lot 편차 민감 | 온도별 B-H/J-H, Recoil, Minimum-spec |
| Rotor | Edge/Corner 국부 역자계 집중 | V-angle, Burial Depth, Barrier, Bridge/Rib DOE |
| Peak Torque | 큰 Armature Reaction에서 국부감자 | Tmax + Ipeak + Worst Rotor Position |
| Field Weakening | 큰 음의 Id가 자화 반대방향 자계를 강화 | Max Speed + Max -Id + DC Voltage |
| Cooling | 보조변수에서 핵심 Demag 변수로 격상 | Magnet Hot Spot, Transient Tmax, Oil Flow |
| NVH / Strength | Rotor 재설계가 Harmonic과 응력 Margin 변경 | Cogging, Ripple, Force Order, Overspeed Stress |
| Production | 평균보다 Lower-tail 품질이 Risk 지배 | Lot Hcj, 착자율, 조립위치, EOL Flux/BEMF |
Maxwell 감자해석 Guideline
평균 자계가 안전해도 IPM Magnet의 Edge, Corner, Flux Barrier 및 Bridge 인접부에서는 국부 역자계가 Knee를 먼저 통과할 수 있다. 2D로 운전조건과 형상을 Sweep하고, 선정된 Worst 2-3개 조건만 3D End Effect로 검증하는 방식이 효율적이다.
| ID | Solver | 조건 | 주요 Output | 목적 |
|---|---|---|---|---|
| D00 | Material | 각 온도 | Br, Hcj, J-H Knee | Supplier Minimum-spec 입력 검증 |
| D10 | 2D Transient | Normal / Rated MTPA | Torque, Flux, Demag_Coef | Baseline Correlation |
| D11 | 2D Transient | Tmax / Peak Imax | Min Demag_Coef, Hotspot | Peak Torque 감자 |
| D12 | 2D Transient | Tmax / Max -Id / Max Speed | Hotspot, Flux Loss | Field Weakening 감자 |
| D13 | 2D Transient | Tmax / Fault | Irreversible Demag | Short·Abnormal 요구조건 |
| D20 | 2D Sweep | Current Angle / Rotor Position | Worst Angle·Time | Worst Case 선정 |
| D30 | 3D Transient | D11·D12 Worst | End/Corner Demag_Coef | Axial End Effect 검증 |
| D40·41 | Linked Target | Normal Rated / NVH Point | Flux, BEMF, Torque, Ripple | 감자 후 성능 판정 |
Stage-Gate 검증 및 의사결정
Aisin 대응 필수 입력 및 제출자료
- HRE-Free 판정기준: Dy/Tb Intentionally-added Zero인지 ppm/wt.% 상한인지
- 지정 Magnet Supplier·Grade·제조공법 및 동등성 제안 가능 여부
- 20/100/120/150/180°C Minimum-spec B-H·J-H Curve와 Lot 편차
- Magnet Tmax의 위치, Steady/Transient 정의 및 지속시간
- Maximum Phase·Peak Current, Id/Iq, Current Angle과 반복 Duty
- Maximum Speed, DC-link Voltage 및 Field Weakening Limit
- Short Circuit·Inverter Fault 조건의 감자 유지 요구
- Irreversible Flux·BEMF·Torque Loss 허용치와 측정법
Design Review 1-page Summary 권장 항목
| Review Item | Baseline HRE | HRE-Reduced | HRE-Free Candidate |
|---|---|---|---|
| Magnet Grade / Process | 입력 | 입력 | 입력 |
| Dy/Tb Definition | 입력 | 입력 | 입력 |
| Br / Hcj @ Tmax | 입력 | 입력 | 입력 |
| Worst Operating Point | 동일 조건으로 비교 | ||
| Min Demag_Coef / Hotspot | 결과 | 결과 | 결과 |
| Post-demag BEMF / Flux Loss | 결과 | 결과 | 결과 |
| Post-demag Torque Loss | 결과 | 결과 | 결과 |
| Decision | Reference | Alternative | Approve / Optimize / Reject |
결론 및 실무 권고
정의부터 고정
자석 선정 전에 고객의 HRE-Free 화학적 정의와 감자 합격기준을 수치로 확정한다.
Minimum-spec Curve 확보
대표값이 아닌 최소 보자력 Lot의 온도별 J-H/B-H Curve를 Maxwell Material Model로 변환한다.
Peak·FW 후 성능 연결
Peak와 Field Weakening 감자해석 결과를 Post-demag Flux·BEMF·Torque에 연결한다.
다물리 최적화
Electromagnetic, Thermal, Structural, NVH, Control과 Supply Chain KPI를 동시에 관리한다.
HRE-Free와 HRE-Reduced는 당분간 공존할 가능성이 높다. 선정기준은 기술의 서열이 아니라, 요구 Demag Margin 대비 Critical Material Intensity와 System Cost의 최적점이어야 한다. 고온·대전류·극단적 Field Weakening Platform에서는 GBD 기반 HRE-Reduced가 현실적인 대안일 수 있고, 신규 Platform에서 냉각과 자기회로를 처음부터 최적화할 수 있다면 HRE-Free의 전략적 가치가 커진다.
참고문헌 및 공개자료
- Honda Motor / Daido Steel, “World’s First Hybrid Vehicle Motor Magnet Free of Heavy Rare Earth Elements,” 2016. Honda
- Toyota Motor Corporation, “New Magnet for Electric Motors,” 2018. Toyota
- NEDO, Development of Magnetic Materials for High-Efficiency Motors, FY2014-FY2021. NEDO
- NEDO, Economic Security K Program - HRE-Free / Rare-Earth-Free Magnet and Motor, 2024. NEDO
- MEXT Element Strategy Initiative, HRE-Free Hot-Deformed Nd-Fe-B Magnets. MEXT
- Daido Steel, HRE-Free NdFeB Application to Honda Insight / i-MMD, 2018. Daido Steel
- NEDO, Rare-earth Magnet Recycling and Separation/Refining Technology. NEDO
- NEDO, Rare Metal Substitute / Energy-Saving Materials Development Project, FY2008-FY2013. NEDO
- NEDO, Materials Substitution and Usage Reduction Demonstration. NEDO
- NEDO, K Program Implementation Structure P23030, 2024-2029. NEDO
- Honda, Evolution of the e:HEV Powertrain. Honda
- Ansys Maxwell Help, Demagnetization Coefficient and Source/Target Design Workflow.
- Journal of Alloys and Compounds, Progress on Grain Boundary Diffused Nd-Fe-B Magnets, 2026 Review.