從專利視角闡述軸向磁場電機技術(shù)及應(yīng)用進展

張 妨，張 輝，2

（1.齊齊哈爾大學(xué) 計算機與控制工程學(xué)院，齊齊哈爾161006；2.哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，哈爾濱150080）

0 引 言

軸向磁場電機相對于徑向磁場電機而言，其定、轉(zhuǎn)子沿軸向相對設(shè)置，在兩者之間形成軸向氣隙磁場，在外形結(jié)構(gòu)上具有結(jié)構(gòu)扁平、徑向尺寸較小的特點，在輸出性能上具有轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)矩密度高的特點，因此軸向磁場電機在體積結(jié)構(gòu)及功率密度上具有優(yōu)勢［1?3］，它適于新能源汽車、工業(yè)機器人、電動船舶以及風(fēng)力發(fā)電等對質(zhì)量尺寸及能效具有特殊要求的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域［4?7］?，F(xiàn)有的科研論文主要從軸向磁場電機的拓撲結(jié)構(gòu)、電磁性能及優(yōu)化設(shè)計方面對其進行分析和研究［8?10］，而技術(shù)熱點及行業(yè)應(yīng)用情況則較少。專利信息可以表明一項技術(shù)的創(chuàng)新情況及活躍程度。本文旨在通過專利檢索技術(shù)，從軸向磁場電機的專利信息角度，對軸向磁場電機的技術(shù)領(lǐng)域及關(guān)鍵技術(shù)進行簡析，對軸向磁場電機的技術(shù)熱點及行業(yè)應(yīng)用情況進行分析。

本文的數(shù)據(jù)來源：采用智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫，基于軸向磁場電機的工作原理、相關(guān)概念以及相應(yīng)的IPC（International Patent Classification）分類號對以軸向磁場電機作為主要申請領(lǐng)域的專利信息進行檢索，檢索截止日期為2020年8月23日，從技術(shù)角度采用去重規(guī)則對檢索結(jié)果進行統(tǒng)計分析。

因受審查流程的影響，2018～2020年期間的部分數(shù)據(jù)尚未公開，但并未對本文的內(nèi)容產(chǎn)生實質(zhì)影響。

1 軸向磁場電機相關(guān)專利申請現(xiàn)狀

1.1 軸向磁場電機相關(guān)專利申請趨勢

如圖1所示，在1970年之前，全球范圍內(nèi)的軸向磁場電機相關(guān)專利，處于萌芽發(fā)展階段，申請及公開量較少，年均申請及公開量不足10件；在此階段后期，年申請才超過10件數(shù)公開量略接近100件。軸向磁場電機萌芽發(fā)展階段亦是電機行業(yè)的發(fā)展階段，此階段后期，電機的基本分析理論以及控制技術(shù)已經(jīng)相對成熟，軸向磁場電機由于其在功率密度及體積結(jié)構(gòu)上具有優(yōu)勢，在技術(shù)研究上逐漸得到關(guān)注。1971年～2020年是成長上升階段，年申請及公開量略有波動，但整體呈現(xiàn)大面積上升趨勢，年均申請及公開量超過100件且在峰值處超過400件，此階段亦是電機行業(yè)的飛速發(fā)展階段，隨著電力電子、計算機技術(shù)的進步，電機行業(yè)發(fā)展迅速，新應(yīng)用領(lǐng)域得到擴展，相應(yīng)的軸向磁場電機的技術(shù)難題，如軸向磁吸力強、制造工藝困難也得到了緩解，并且由于軸向磁場電機自身的結(jié)構(gòu)特點，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，在行業(yè)應(yīng)用上受到高度重視，專利申請及公開量較高。

圖1 軸向磁場電機相關(guān)專利全球申請趨勢圖

在圖1的申請趨勢圖中，軸向磁場電機相關(guān)專利的公開量相比申請量滯后1年，這與審查流程相對應(yīng)。結(jié)合電機行業(yè)的發(fā)展趨勢可以預(yù)測，軸向磁場電機相關(guān)專利的年申請及公開量在未來的一段時間內(nèi)應(yīng)會繼續(xù)保持上升趨勢，其作為主要申請領(lǐng)域的相關(guān)專利技術(shù)仍會繼續(xù)保持相應(yīng)的熱度。而2018～2020年申請及公開量下降的原因，主要在于受未公開數(shù)據(jù)的影響。

1.2 軸向磁場電機相關(guān)專利申請現(xiàn)狀

如圖2所示，對檢索截止日期之前申請人國別已統(tǒng)計的軸向磁場電機相關(guān)專利，按申請人國別（即原創(chuàng)國）以及受理局進行統(tǒng)計分析。

圖2 軸向磁場電機相關(guān)專利全球申請分布圖

圖2中，WIPO（World Intellectual Property Or?ganization）為世界知識產(chǎn)權(quán)組織，EPO（European Pa?tent Office）為歐洲專利局。

基于原創(chuàng)國，在申請數(shù)量上，日本、美國、中國、德國、英國、韓國、瑞士、法國、俄羅斯、加拿大位列前十，占比分別為46.36%、11.95%、11.09%、7.53%、3.87%、3.33%、2.81%、1.99%、1.74%、1.10%，其他國家占比總量為8.21%，占比較為分散。

基于受理局，在申請數(shù)量上，日本、美國、中國、WIPO、EPO、德國、韓國、俄羅斯、加拿大、澳大利亞，位列前十，占比分別為31.73%、13.94%、14.67%、8.22%、6.78%、6.47%、4.13%、1.84%、1.29%、1.15%，其他國家占比總量為9.79%，占比較為分散。

在專利多邊申請信息中，日本、美國、中國、德國、英國、韓國、瑞士、法國、俄羅斯、加拿大十國的多邊申請所占比重分別為33.48%、61.37%、22.78%、59.84%、88.34%、50.18%、96.20%、85.12%、17.69%、91.40%，其中，僅日本、中國、俄羅斯未超過50%。日本無論是作為專利原創(chuàng)國，還是受理局都位于首位，在軸向磁場電機相關(guān)專利申請中占據(jù)主導(dǎo)地位；中國在專利原創(chuàng)國及受理局的排名中位列第三，多邊申請所占比重為22.78%，表明其創(chuàng)新能力較強，但是在海外市場的競爭布局有待加強。

上述數(shù)據(jù)表明，日本既是專利技術(shù)的主要原創(chuàng)國，又是各國進行專利布局的主要申請地，這在一定程度上表征著，日本在軸向磁場電機相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)水平較高以及行業(yè)活躍度較好。而在專利申請數(shù)量上排名靠前的國家多邊專利申請比重較高則表明，各國專利意識較強，注重專利布局。同時也表明，軸向磁場電機相關(guān)技術(shù)在各國都受到重視，具有較高的科研價值以及市場價值，這與世界各國經(jīng)濟一體化相對應(yīng)。

2 基于專利信息的軸向磁場電機技術(shù)分析

2.1 軸向磁場電機技術(shù)領(lǐng)域簡析

基于軸向磁場電機相關(guān)專利的申請數(shù)量涉及IPC部／MIPC（主分類號）所屬部占比進行統(tǒng)計分析，如圖3所示。IPC分類號是由字母、數(shù)字等字符構(gòu)成的，對專利文獻按照技術(shù)領(lǐng)域進行分類的標識，其分類由部、大類、小類、大組、小組構(gòu)成，其中，部包括：H（電學(xué)）、B（作業(yè)；運輸）、G（物理）、F（機械工程；照明；加熱；武器；爆破）、A（人類生活必需）、D（紡織；造紙）、E（固定建筑物）、C（化學(xué)；冶金）八部。軸向磁場電機相關(guān)專利在H、B、G、F、A、D、E、C八部中均有涉及，所占比重分別：100.00%、9.47%、8.53%、9.54%、1.35%、0.49%、0.65%、0.43%。

當H、B、G、F、A、D、E、C八部作為IPC部時，對應(yīng)的前三位MIPC所屬部分別是h、b、g部，b、h、a部，g、h、f部，f、h、a部，a、h、f部，d、h、b／f部，e、h、f部，h、c、b／f部，各部之間具有交叉，h部和f部與其余各部交叉所占比重較大。

圖3 軸向磁場電機相關(guān)專利IPC分類部及主分類號占比圖

上述數(shù)據(jù)表明，軸向磁場電機相關(guān)專利所屬技術(shù)領(lǐng)域較為廣泛，其中占比最大的是電學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，而在作業(yè)、運輸、物理、機械工程、照明、加熱、武器、爆破技術(shù)領(lǐng)域也具有一定的比重，在人類生活必需、紡織、造紙、固定建筑物、化學(xué)、冶金技術(shù)領(lǐng)域則占比較小，且上述各技術(shù)領(lǐng)域之間具有交叉，其中電學(xué)、機械工程、照明、加熱、武器、爆破技術(shù)領(lǐng)域與其余技術(shù)領(lǐng)域交叉較強。

2.2 軸向磁場電機技術(shù)領(lǐng)域簡析

基于IPC分類號對應(yīng)的專利申請數(shù)量對IPC分類號進行詞云圖顯示，如圖4所示。軸向磁場電機相關(guān)專利涉及的分類號數(shù)量眾多，排在前五位的IPC分類號為：H02K21／24、H02K23／54、H02K1／27、H02K21／12、H02K3／04，涉及的含義則包括：磁體軸向面對電樞、盤式電樞電機、有永久磁體的轉(zhuǎn)子鐵心、靜止電樞和旋轉(zhuǎn)磁體、以導(dǎo)體為特征的繞組。與上一小節(jié)的結(jié)論相對應(yīng)，軸向磁場電機相關(guān)專利IPC分類號均集中在H部（電學(xué)技術(shù)領(lǐng)域），并且主要集中在H02（發(fā)電、變電或配電）大類以及H02K（電機）小類。

圖4 軸向磁場電機相關(guān)專利IPC分類號詞云圖

基于軸向磁場電機相關(guān)專利的IPC分類號及其對應(yīng)的申請數(shù)量，對軸向磁場電機相關(guān)技術(shù)進行層級梳理，得到如圖5所示的軸向磁場電機相關(guān)技術(shù)的層級占比分布圖。

圖5 軸向磁場電機相關(guān)技術(shù)層級占比分布圖

圖5中，數(shù)據(jù)占比之和不為1，在于各項技術(shù)之間具有交叉融合。

如圖5所示，軸向磁場電機相關(guān)技術(shù)可分為三個層級，第一層級技術(shù)涉及：本體結(jié)構(gòu)、外連接裝置、生產(chǎn)制造工藝，占比分別為：99.89%、28.11%、7.92%；其中，本體結(jié)構(gòu)對應(yīng)的第二層級技術(shù)涉及：控流部件、繞組、永久磁體、磁路零部件、定、轉(zhuǎn)子關(guān)系、機殼結(jié)構(gòu)、冷卻或通風(fēng)系統(tǒng)，占比依次：38.25%、21.92%、74.04%、36.70%、11.99%、10.56%、5.29%；

外連接裝置對應(yīng)的第二層級技術(shù)涉及：輔助裝置、電機控制器、傳動機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、動力裝置，占比依次：4.64%、5.59%、12.24%、10.29%、3.65%；生產(chǎn)制造工藝對應(yīng)的第二層級技術(shù)涉及：定轉(zhuǎn)子本體、繞組工藝、機械平衡，占比依次：4.64%、3.16%、0.98%；以及本體結(jié)構(gòu)對應(yīng)的第三層級技術(shù)：換向器、多相電流、匯流裝置、導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、位置結(jié)構(gòu)、零部件、部件位置、數(shù)量、組件室、功能結(jié)構(gòu)、冷卻介質(zhì)。

基于軸向磁場電機相關(guān)技術(shù)對應(yīng)的專利申請數(shù)量，對圖5的軸向磁場電機相關(guān)技術(shù)中一二層級技術(shù)的歷年發(fā)展趨勢進行統(tǒng)計分析，如圖6所示。軸向磁場電機的第一層級技術(shù)中的本體結(jié)構(gòu)、外連接裝置、生產(chǎn)制造工藝均處于發(fā)展上升期，而對應(yīng)的第二層級技術(shù)也多處于發(fā)展上升期，只有本體結(jié)構(gòu)技術(shù)中的控流部件相關(guān)技術(shù)處于低谷期。這是因為在1960年前后，碳刷、絕緣材料、磁鐵材料的改進以及SCR（單向可控硅）的出現(xiàn)，令控流部件相關(guān)技術(shù)一度處于過熱期，而后進入低谷期。

圖6 軸向磁場電機相關(guān)技術(shù)申請趨勢圖

上述信息表明，軸向磁場電機的關(guān)鍵技術(shù)在于本體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且集中在永久磁體以及磁路零部件的位置結(jié)構(gòu)設(shè)計上；而本體結(jié)構(gòu)設(shè)計中控流部件的換向器的設(shè)計以及繞組的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計也是關(guān)鍵技術(shù)；再者外連接裝置的傳動機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計以及生產(chǎn)制造工藝的定轉(zhuǎn)子本體制造工藝亦是關(guān)鍵技術(shù)。值得注意的是，本體結(jié)構(gòu)設(shè)計中的冷卻或通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)雖然占比不大，但其與本體結(jié)構(gòu)技術(shù)涉及的繞組、機殼結(jié)構(gòu)、磁路零部件等技術(shù)均具有技術(shù)關(guān)聯(lián)性，也是一項關(guān)鍵技術(shù)。

3 基于專利地圖的軸向磁場電機熱點技術(shù)及行業(yè)應(yīng)用情況分析

基于檢索到的軸向磁場電機相關(guān)專利信息，采用聚類算法以及特征的相似性，對專利信息進行網(wǎng)格地圖的投影，提取關(guān)鍵短語作為聚類的標簽，通過網(wǎng)格對應(yīng)的專利數(shù)量繪制等高線，得到軸向磁場電機相關(guān)專利的3D專利地圖。

對2000～2020年間的軸向磁場電機相關(guān)專利按照技術(shù)領(lǐng)域特征突增時間結(jié)點（年）進行處理，得到如圖7所示的軸向磁場電機相關(guān)專利技術(shù)領(lǐng)域特征分布走向圖。如圖7所示，對軸向磁場電機相關(guān)專利的技術(shù)領(lǐng)域特征趨勢進行排序，結(jié)果如下：

2003年，振動電機、無鐵心、偏心轉(zhuǎn)子，同步電動機、鐵心、頻率發(fā)生器；

2005年，同步電機、鐵心、電梯；

2006年，磁盤驅(qū)動器、頻率發(fā)生器，同步電機、復(fù)合磁體、導(dǎo)體；

2008年，泵、軸承、風(fēng)扇，磁力驅(qū)動、食品加工裝置；

2012年，電動車、輪轂電機、等速機、飛機，多連桿機構(gòu)、控制器、電力傳動；

2013年，風(fēng)力發(fā)電機組、磁懸浮，電動自行車、混合動力汽車、轉(zhuǎn)子電機；

2017年，電磁機、泵、電磁發(fā)電機；

2019年，電機直驅(qū)。

圖7 軸向磁場電機相關(guān)專利技術(shù)領(lǐng)域特征趨勢圖

上述信息表明，軸向磁場電機正在由振動電機、頻率發(fā)生器、磁盤驅(qū)動器、泵類等主要依靠其本體結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的傳統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，轉(zhuǎn)移至風(fēng)力發(fā)電、磁懸浮、輪轂電機、混合動力汽車等，能充分將其本體結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與傳動結(jié)構(gòu)、控制器充分有機結(jié)合的高效節(jié)能與環(huán)保等新興技術(shù)領(lǐng)域。

在軸向磁場電機相關(guān)專利申請現(xiàn)狀中指出，中國、日本和美國是軸向磁場電機相關(guān)專利的主要原創(chuàng)國，現(xiàn)結(jié)合上述相關(guān)專利技術(shù)領(lǐng)域特征分布趨勢圖，對此三國作為專利原創(chuàng)國時的軸向磁場電機相關(guān)專利布局情況進行分析。

日本在傳統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域以及新興技術(shù)領(lǐng)域中的專利占比均較高，在新興技術(shù)領(lǐng)域中，其熱點技術(shù)集中在多連桿機構(gòu)、控制器、電力傳動，以及電動自行車、混合動力汽車、轉(zhuǎn)子電機。

美國在新興技術(shù)領(lǐng)域中的專利占比高于其在傳統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域中的專利占比，其在新興技術(shù)領(lǐng)域中的熱點技術(shù)集中在電磁機、泵、電磁發(fā)電機。

中國在新興技術(shù)領(lǐng)域中的專利占比低于其在傳統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域中的專利占比，其在新興技術(shù)領(lǐng)域中的熱點技術(shù)集中在風(fēng)力發(fā)電機組、磁懸浮。

上述結(jié)果表明，日本在軸向磁場電機相關(guān)專利技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，在傳統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域以及新興技術(shù)領(lǐng)域的行業(yè)應(yīng)用情況均較好，而美國則正在傾斜于新興技術(shù)領(lǐng)域的行業(yè)應(yīng)用，中國則正在進入新興技術(shù)領(lǐng)域的行業(yè)應(yīng)用。

4 結(jié) 語

1）專利申請現(xiàn)狀：軸向磁場電機相關(guān)專利的申請量保持上升趨勢，其仍是電機行業(yè)的技術(shù)熱點；日本、美國、中國三國的專利申請數(shù)量在受理和申請層面上均是主導(dǎo)國，但中國與日本相比還有待提高。

2）關(guān)鍵技術(shù)：軸向磁場電機相關(guān)專利所屬技術(shù)領(lǐng)域主要為電學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，但與其余技術(shù)領(lǐng)域交叉較強，排名前五位的IPC分類號為H02K21／24、H02K23／54、H02K1／27、H02K21／12、H02K3／04。關(guān)鍵技術(shù)主要分為本體結(jié)構(gòu)、外連接裝置、生產(chǎn)制造工藝，其中本體結(jié)構(gòu)占比最大。

3）熱點技術(shù)及行業(yè)應(yīng)用情況：風(fēng)力發(fā)電、磁懸浮、輪轂電機、混合動力汽車等能充分將其本體結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與傳動結(jié)構(gòu)、控制器充分有機結(jié)合的高效節(jié)能與環(huán)保等新興技術(shù)領(lǐng)域是最新趨勢。日本在傳統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域以及新興技術(shù)領(lǐng)域行業(yè)應(yīng)用情況均高于中國和美國。