BMC PRODUCT DEVELOPMENT CENTERAISIN PRACTICAL EDITION

HRE-Free Magnet 적용 기술보고서

자원 공급망 Risk를 줄이면서 고온 감자내력과 Motor 성능을 유지하기 위한 소재-자기회로-냉각-제어 통합 설계 Guideline

Heavy Rare Earth FreeIPM MotorDemagnetizationAnsys MaxwellRev.4 기반 재구성
자원 Risk→HRE-Free Magnet→Motor 재설계→양산 검증
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01

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.

WHY

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.

HOW

자석 치환이 아닌 Co-design

미세결정·입계제어와 함께 Rotor 형상, 자속경로, 냉각 및 전류제어를 재설계해 Dy/Tb가 담당하던 고온 Margin을 System이 분담한다.

RISK

고온 국부감자

HRE-Free에서는 고온 Knee Margin이 작아질 수 있어 Peak Current, Field Weakening의 큰 음의 Id, Magnet Edge/Corner 역자계가 핵심 Risk가 된다.

DECISION

Post-demag 성능으로 판정

감자 면적비만으로 승인하지 않는다. Worst Case 후 Flux Linkage, Back-EMF, Torque, Efficiency 및 NVH 손실까지 확인해야 한다.

Dy / Tb제거·저감 대상 HRE
20-180°C권장 B-H/J-H Data 범위
2D → 3DScreening 후 End Effect 검증
Min-specNominal 아닌 최소 보자력 Lot
02

정의와 개발 요구배경

구분정의Motor 설계 의미
HREDy, Tb 등 중희토류NdFeB의 고온 Intrinsic Coercivity(Hcj) 향상에 사용
HRE-ReducedDy/Tb 사용량 저감GBD 등으로 필요한 위치에만 HRE를 집중
HRE-FreeDy/Tb 등 HRE를 사용하지 않는 방향미세조직과 Motor 설계로 감자 Margin 확보
Rare-Earth-FreeNd까지 포함해 희토류를 사용하지 않음Ferrite, 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.

03

개발 역사와 Dy/Tb 저감기술

2008-13Dy 대체·저감
2012-14회수·재활용
2014-21Dy-free 소재·Motor
2016Honda-Daido 양산
2018Honda Insight 확대
2018Toyota Nd 저감
2024-29NEDO K Program
기술 단계원리효과와 한계
Bulk AlloyingDy/Tb를 합금 전체에 첨가고온 Hcj 확보가 쉽지만 HRE 효율이 낮고 Br 손실 가능
Grain Refinement결정립 미세화로 감자 Nucleation Site 억제입계상 제어와 결합할 때 Hcj 증가
Grain Boundary Diffusion결정립 표면에 HRE-rich Shell 형성적은 HRE로 Hcj를 높이고 Br 손실 억제, 현실적인 HRE-Reduced 방안
Grain-boundary ControlNd-rich·Fe-lean 입계상으로 결정립 자기적 분리 강화HRE 없이 보자력 메커니즘 개선
Hot DeformationNano-scale 결정립 배향과 형상 제조 통합Honda·Daido 양산 적용, Plate 형상·배향·치수 안정성 중요
Nd-efficientGrain Surface에 Nd 집중, La/Ce 활용HRE뿐 아니라 Critical Rare Earth 사용량/kW 저감
대표 산업사례: Honda·Daido는 2016년 HRE-Free Hot-deformed NdFeB와 Magnet/Rotor 형상 재설계를 결합해 기존 HRE Magnet Motor와 동등한 Torque·Output·내열성을 확보했다. 2018년 Insight에는 Shaft 내부 ATF를 이용한 Rotor 직접냉각까지 결합했다. Toyota는 같은 해 Tb/Dy를 제거하고 Nd 사용량도 최대 50% 줄이는 방향을 제시했다.
04

Motor System 설계 영향

MaterialGrain Size
Grain Boundary
→
MagnetBr(T), Hcj(T)
Knee Point
→
RotorV-angle
Bridge / Rib
→
CoolingTmag,max
Rotor Cooling
→
ControlId / Iq
FW Limit
설계영역HRE-Free의 변화·Risk필수 검증
Magnet고온 Knee Margin 감소 가능, Lot 편차 민감온도별 B-H/J-H, Recoil, Minimum-spec
RotorEdge/Corner 국부 역자계 집중V-angle, Burial Depth, Barrier, Bridge/Rib DOE
Peak Torque큰 Armature Reaction에서 국부감자Tmax + Ipeak + Worst Rotor Position
Field Weakening큰 음의 Id가 자화 반대방향 자계를 강화Max Speed + Max -Id + DC Voltage
Cooling보조변수에서 핵심 Demag 변수로 격상Magnet Hot Spot, Transient Tmax, Oil Flow
NVH / StrengthRotor 재설계가 Harmonic과 응력 Margin 변경Cogging, Ripple, Force Order, Overspeed Stress
Production평균보다 Lower-tail 품질이 Risk 지배Lot Hcj, 착자율, 조립위치, EOL Flux/BEMF
00.40.60.81.02060100140180°CMagnet Temperature
HRE MagnetHRE-ReducedHRE-Free
주의: 위 곡선은 설계논리를 설명하기 위한 정규화 개념도이며 특정 Aisin Magnet Grade의 실측값이 아니다. 승인 검토에서는 공급사의 온도별 Minimum-spec J-H/B-H Curve로 교체해야 한다.
05

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.

D00 Material QABr, Hcj, J-H Knee
→
D10 2D ScreeningRated Baseline
→
D20 Peak / FWWorst Case 탐색
→
D30 3D End EffectAxial Hotspot
→
D40 Post-demagFlux / Torque
IDSolver조건주요 Output목적
D00Material각 온도Br, Hcj, J-H KneeSupplier Minimum-spec 입력 검증
D102D TransientNormal / Rated MTPATorque, Flux, Demag_CoefBaseline Correlation
D112D TransientTmax / Peak ImaxMin Demag_Coef, HotspotPeak Torque 감자
D122D TransientTmax / Max -Id / Max SpeedHotspot, Flux LossField Weakening 감자
D132D TransientTmax / FaultIrreversible DemagShort·Abnormal 요구조건
D202D SweepCurrent Angle / Rotor PositionWorst Angle·TimeWorst Case 선정
D303D TransientD11·D12 WorstEnd/Corner Demag_CoefAxial End Effect 검증
D40·41Linked TargetNormal Rated / NVH PointFlux, BEMF, Torque, Ripple감자 후 성능 판정
Demag Area Ratio = Ademag / Amagnet × 100
Flux Loss = (Ψbefore - Ψafter) / Ψbefore × 100
Torque Loss = (Tbefore - Tafter) / Tbefore × 100
Mdemag = (|Hknee| - |Hrev,max|) / |Hknee| × 100
06

Stage-Gate 검증 및 의사결정

G0-G1 Definition / MaterialHRE-Free 정량정의, Supplier·Grade·Process, 온도별 Minimum Curve 확정
G2-G3 EM / ThermalRated·Peak·FW·Fault 국부 역자계와 Thermal Hot Spot 연결
G4-G5 Rotor / Post-demag응력·NVH 검증 후 Flux·BEMF·Torque의 비가역 손실 평가
G6-G7 Hardware / ProductionMin-spec Sample Correlation, 입고검사·Traceability·EOL 기준 설정
HRE-Free Grade 입력Minimum-spec Material
→
Worst-case 감자 OK?Peak / FW / Fault
→
Post-demag 성능 OK?Flux / BEMF / Torque / NVH
NG 시 최적화 우선순위: Hotspot 원인 확인 → Rotor Geometry → Cooling → Control Limit → Magnet Grade 재평가. 국부 Corner 감자라면 자석 전체 Hcj를 올리기 전에 End Chamfer, Barrier Tip, Burial Depth 및 V-angle 대책을 먼저 검토한다.
07

Aisin 대응 필수 입력 및 제출자료

  1. HRE-Free 판정기준: Dy/Tb Intentionally-added Zero인지 ppm/wt.% 상한인지
  2. 지정 Magnet Supplier·Grade·제조공법 및 동등성 제안 가능 여부
  3. 20/100/120/150/180°C Minimum-spec B-H·J-H Curve와 Lot 편차
  4. Magnet Tmax의 위치, Steady/Transient 정의 및 지속시간
  5. Maximum Phase·Peak Current, Id/Iq, Current Angle과 반복 Duty
  6. Maximum Speed, DC-link Voltage 및 Field Weakening Limit
  7. Short Circuit·Inverter Fault 조건의 감자 유지 요구
  8. Irreversible Flux·BEMF·Torque Loss 허용치와 측정법

Design Review 1-page Summary 권장 항목

Review ItemBaseline HREHRE-ReducedHRE-Free Candidate
Magnet Grade / Process입력입력입력
Dy/Tb Definition입력입력입력
Br / Hcj @ Tmax입력입력입력
Worst Operating Point동일 조건으로 비교
Min Demag_Coef / Hotspot결과결과결과
Post-demag BEMF / Flux Loss결과결과결과
Post-demag Torque Loss결과결과결과
DecisionReferenceAlternativeApprove / Optimize / Reject
08

결론 및 실무 권고

FIRST

정의부터 고정

자석 선정 전에 고객의 HRE-Free 화학적 정의와 감자 합격기준을 수치로 확정한다.

DATA

Minimum-spec Curve 확보

대표값이 아닌 최소 보자력 Lot의 온도별 J-H/B-H Curve를 Maxwell Material Model로 변환한다.

CAE

Peak·FW 후 성능 연결

Peak와 Field Weakening 감자해석 결과를 Post-demag Flux·BEMF·Torque에 연결한다.

SYSTEM

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.

09

참고문헌 및 공개자료

  1. Honda Motor / Daido Steel, “World’s First Hybrid Vehicle Motor Magnet Free of Heavy Rare Earth Elements,” 2016. Honda
  2. Toyota Motor Corporation, “New Magnet for Electric Motors,” 2018. Toyota
  3. NEDO, Development of Magnetic Materials for High-Efficiency Motors, FY2014-FY2021. NEDO
  4. NEDO, Economic Security K Program - HRE-Free / Rare-Earth-Free Magnet and Motor, 2024. NEDO
  5. MEXT Element Strategy Initiative, HRE-Free Hot-Deformed Nd-Fe-B Magnets. MEXT
  6. Daido Steel, HRE-Free NdFeB Application to Honda Insight / i-MMD, 2018. Daido Steel
  7. NEDO, Rare-earth Magnet Recycling and Separation/Refining Technology. NEDO
  8. NEDO, Rare Metal Substitute / Energy-Saving Materials Development Project, FY2008-FY2013. NEDO
  9. NEDO, Materials Substitution and Usage Reduction Demonstration. NEDO
  10. NEDO, K Program Implementation Structure P23030, 2024-2029. NEDO
  11. Honda, Evolution of the e:HEV Powertrain. Honda
  12. Ansys Maxwell Help, Demagnetization Coefficient and Source/Target Design Workflow.
  13. Journal of Alloys and Compounds, Progress on Grain Boundary Diffused Nd-Fe-B Magnets, 2026 Review.
문서 사용상 주의: 본 HTML은 제공된 Rev.4 PDF를 기술 검토용으로 재구성한 문서다. 특정 고객의 HRE-Free 함량기준, Magnet Grade, 온도조건 및 감자 허용률은 고객 공식 사양서와 공급사 실측 Data를 우선한다.
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