軸向磁場電機及輪邊驅(qū)動、電驅(qū)動橋分析調(diào)查

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來源：IPRdaily中文網(wǎng)（iprdaily.cn）

作者：仲偉明 北京集佳知識產(chǎn)權代理有限公司重慶分公司 專利代理師

原標題：軸向磁場電機及輪邊驅(qū)動、電驅(qū)動橋分析調(diào)查

隨著節(jié)能環(huán)保意識的提高，各國學者近年來針對以電動機為動力源的電動汽車技術進行了大量的研究工作。電機技術是電動汽車的關鍵技術之一，軸向磁場電機相比于傳統(tǒng)徑向電機在功率密度和扭矩密度方面有明顯優(yōu)勢，符合電動汽車的輕量化設計思路。同時由于其功率主要取決于電機的軸向尺寸，而與電機的徑向尺寸無關，因此在軸向上可以節(jié)約大量空間，符合輪邊驅(qū)動技術的空間布局。而輪邊驅(qū)動技術可以省去差速器等機械結(jié)構(gòu)，大幅度降低車輛重量，節(jié)省車內(nèi)空間，而且可以實現(xiàn)對每個輪邊電機單獨控制，實現(xiàn)更靈活多變的整車控制方案。這些特點使得軸向磁場電機及其輪邊驅(qū)動的應用成為了一個值得研究的方向。

一、行業(yè)背景

發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路。近年來，我國的新能源汽車產(chǎn)業(yè)取得了舉世矚目的成就，成為引領世界汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要力量。電動汽車以其節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢逐步有代替內(nèi)燃機為動力源的傳統(tǒng)汽車的趨勢。

電機技術、電控技術和電池技術被公認為是電動汽車的三大核心技術，簡稱“三電”。在電池技術領域，行業(yè)領頭羊?qū)幍聲r代、比亞迪等公司已經(jīng)家喻戶曉，并且其市值也是水漲船高達到了5000億的規(guī)模，超過大部分傳統(tǒng)車企。相較于電池技術市場的火熱，電機技術和電控技術目前的市場反應則顯的不溫不火，然而在不溫不火的表面下則是暗潮涌動的產(chǎn)業(yè)變革。

對于電動汽車關鍵技術之一的電機技術，各種類型與結(jié)構(gòu)的電機均被嘗試應用在電動汽車系統(tǒng)中，其中永磁同步電機以其功率密度高、效率大等優(yōu)勢，已成為目前電動汽車的主要選擇。值得注意的是永磁同步電機又分為徑向磁場電機以及軸向磁場電機，并且在理論上軸向磁場電機在功率密度和扭矩密度上都大幅領先于徑向磁場電機。但目前市場上廣泛應用的卻是徑向磁場電機，其根本原因便在于傳統(tǒng)工業(yè)領域中對電機的功率密度和扭矩密度要求不高，電機的成本與可靠性才是行業(yè)關注的焦點。軸向磁場電機由于工藝難度大，控制復雜便被行業(yè)所淘汰。但當新能源汽車興起，電機不再是固定安裝在地面上的機器，而是隨著車輛一起奔跑負載，其重量和體積被大家敏銳的感受到，軸向磁場電機由于其重量輕、體積小的特性在新能源汽車市場上突然活躍起來。

軸向磁場永磁同步電機根據(jù)定轉(zhuǎn)子數(shù)目不同可分為：單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、單定子雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、多定子多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為簡單，但是在定轉(zhuǎn)子間存在軸向不平衡磁拉力，因此目前單轉(zhuǎn)子雙定子結(jié)構(gòu)和單定子雙轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)應用較多。

圖1 雙定子-單轉(zhuǎn)子軸向磁場電機立體結(jié)構(gòu)圖

總體來看，國內(nèi)外研究學者針對軸向磁場電機的研究越來越多，軸向磁場的優(yōu)點正不斷顯現(xiàn)出來，應用行業(yè)非常廣泛。在電動汽車領域下，國內(nèi)外研究者大多將軸向磁場電機與輪邊驅(qū)動相結(jié)合，由于軸向磁場電機其功率主要取決于電機的軸向尺寸，而與電機的徑向尺寸無關，因此在軸向上可以節(jié)約大量空間，適合輪邊驅(qū)動的空間布局，因此軸向磁場電機應用在輪邊驅(qū)動系統(tǒng)上有較好發(fā)展前景。

圖2 輪邊驅(qū)動總成圖

二、軸向磁場電機及輪邊驅(qū)動、電驅(qū)動橋領域?qū)＠畔⒎治?/span>

1、軸向磁場電機及輪邊驅(qū)動

電驅(qū)動橋?qū)＠暾堏厔?/strong>

圖3軸向磁場電機及輪邊驅(qū)動、電驅(qū)動橋?qū)＠暾堏厔?/span>

通過統(tǒng)計軸向磁場電機及電機在車輛應用技術相關專利每年的申請量，可了解相關技術的發(fā)展趨勢，判斷其處于起步期、成長期、成熟期還是衰退期，與各國展現(xiàn)的技術現(xiàn)狀相結(jié)合分析技術的發(fā)展程度。 

上圖為1999年-2019年軸向磁場電機及電機車輛應用領域技術相關專利的申請趨勢。

軸向磁場電機于90年代末開始發(fā)展，軸向磁場電機的發(fā)展主要分為三個階段，即1999年-2003年、2003年-2013年、2013年之后。1999年-2003年，專利數(shù)量緩慢增長，專利申請量每年在50件以內(nèi)，這時的研發(fā)方向不明確、研發(fā)投入不夠，發(fā)展較為緩慢，且國內(nèi)申請的申請人也是以美國、日本的申請人為主，鮮少有國內(nèi)驅(qū)動企業(yè)對該技術進行申請。2003年-2013年，專利數(shù)量持續(xù)升高，這階段隨著新型材料的涌現(xiàn)和工藝水平的改善，軸向磁場電機重新獲得重視，國內(nèi)外企業(yè)在主要目標市場的專利布局數(shù)量逐漸增加。之后，在2014年進入小幅回落后，軸向磁場電機相關技術的專利申請量進入一個快速增長的階段，軸向磁場電機因其結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、功率密度大等優(yōu)點獲得越來越多的關注，尤其適合應用于電動車輛等要求高轉(zhuǎn)矩密度和空間緊湊的場合，隨著新能源動力市場需求的擴大，軸向磁場電機憑借其在功率密度和效率等方面的優(yōu)勢，已經(jīng)成為電機領域的研究熱點。

電機在車輛上的應用技術方面，1999年-2010年間電機在車輛上的應用相關專利申報量較少，每年均在50件以內(nèi)，且增長緩慢。2010年后，隨著電動汽車需求的不斷增長，同時在各國對電動汽車相關鼓勵政策的催生下，電機在車輛應用技術得到快速發(fā)展，年增長率超過20%，且在2016后增長明顯加速。目前，電機在車輛上的應用技術仍處于快速發(fā)展期，整體行業(yè)發(fā)展?jié)摿^大。

2、重點國專利布局情況

中國、美國、日本、歐洲和德國的是新能源汽車市場的重點國家與地區(qū)，專利布局數(shù)量的多少表示各專利權人對不同國家或地區(qū)市場的重視程度。

圖4目標市場的專利布局

上圖為1999年-2019年近20年軸向磁場電機及電機在車輛應用技術相關專利在重點國家的布局情況，可以發(fā)現(xiàn)專利權人在中國申請的專利數(shù)量是最多的，即4002件，軸向磁場電機領域?qū)＠疃?，電?qū)橋、輪轂電機等領域也有一定數(shù)量的專利，其中軸向磁場電機技術持有人主要是以盤轂動力、東南大學以及日產(chǎn)汽車公司為代表的國內(nèi)企業(yè)及高校，電機在車輛應用技術則是以豐田公司、ZF公司及比亞迪公司為代表，說明國內(nèi)企業(yè)和高校對相關技術注重專利保護，同時外國企業(yè)也注重在中國的專利布局。

3、重點企業(yè)專利申請情況

通過專利檢索可獲得相關專利數(shù)據(jù)，在獲得的專利數(shù)據(jù)中，通過統(tǒng)計專利權人的申請量，得到十位主要專利權人，通過十位專利權人的專利申請量了解本領域內(nèi)的技術領先企業(yè)。通過如下方法統(tǒng)計獲得十位專利權人：首先，在獲得的專利數(shù)據(jù)中，統(tǒng)計專利權人的專利申請量；其次，合并不同形式的同一專利權人的申請量；最后，獲得十位專利權人。

圖5 前十位專利權人專利申請量分析圖（單位：件）

上圖為1999年-2019年近20年軸向磁場電機及電機在車輛應用技術專利申請量排名前十的專利權人排名情況，可以發(fā)現(xiàn)前十專利權人大部分是國外公司，國內(nèi)的盤轂動力排名第3位，比亞迪排名第8位，同濟大學排名第9位。

NTN公司專利申請量是最多的，數(shù)量為143件，約占軸向磁場電機及車輛應用技術排名前十位申請人專利總量的17%，并且每年均有專利申請，在主要目標市場均有專利布局。其中135件專利涉及電機在車輛應用技術，主要涉及輪轂電機以及獨立懸架的輪邊驅(qū)動技術，而軸向磁場電機及電驅(qū)橋技術申請相對較少，均為個位數(shù)。NTN公司是一家老牌軸承公司，于2002年在中國上海成立上海恩梯恩精密機電有限公司，開始涉足汽車用電機及傳動系統(tǒng)領域，并于2003年開始在新能源車動力輪轂電機以及獨立懸架的輪邊驅(qū)動技術等領域進行專利布局。

排在第二位的是日立公司，專利申請量為135件。日立公司自2008年開始，在軸向磁場電機領域保持持續(xù)專利申請，在改善NVH、提高電機冷卻效果、提高電機可靠性等方面均有涉及。

盤轂動力專利申請量為130件，排在第3位。與其他前十專利權人不同的是盤轂動力是前十專利權人中唯一一家新興企業(yè)，其成立于2018年，短短一年半時間已經(jīng)積累軸向磁場電機及應用專利130余件。在軸向磁場電機及應用方面的專利增速上，其位居第一，并遙遙領先于其他專利權人，預期未來一到兩年盤轂動力在軸向磁場電機及應用方面的專利申請量將位居世界第一。其研發(fā)方向?qū)Ｗ⒂谳S向磁場電機及應用，其申請專利大量布局于軸向磁場電機的電機轉(zhuǎn)子、電機裝配結(jié)構(gòu)、電機散熱冷卻等。

排名第七位的是本田公司，專利申請量為78件，本田公司關于軸向磁場電機的申請主要集中在2003-2009年間，在2009年之后，本田公司在軸向磁場電機的研發(fā)基本趨向于停止。值得一提的是，日前，為滿足全球電動車電機需求量的快速增長，本田與日立汽車系統(tǒng)簽署了一項關于成立新合資公司的基本協(xié)議，而這家新公司將從事電動車專用電動機的研發(fā)、生產(chǎn)及銷售工作，新組建的公司將綜合兩家公司的專業(yè)人才生產(chǎn)具有較高競爭力的電機。

比亞迪申請量為68件，排在第8位，自2004年開始出現(xiàn)相關專利申請，但均為國內(nèi)申請。

4、重點企業(yè)專利地域布局

通過統(tǒng)計分析重點企業(yè)在不同地域的專利布局情況，可以了解其知識產(chǎn)權保護策略，發(fā)現(xiàn)其重點關注和保護的市場。

圖6主要申請人專利地域布局圖

上圖為1999年-2019年近20年軸向磁場電機及電機在車輛應用技術專利主要申請人專利地域布局情況，根據(jù)專利數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的需要，本處數(shù)據(jù)統(tǒng)計為合并簡單同族后的專利數(shù)據(jù)，合并簡單同族是指針對同一技術方案基于相同優(yōu)先權進行多件專利申請的視為同一族專利，單位記作“項”。1 項專利申請可能對應于 1 件或多件專利申請。

可以發(fā)現(xiàn)，日本專利申請量最多，有673件，主要是因為申請人中NTN、日立、豐田、本田及大金均為日本企業(yè)，在本國進行大量專利布局；在中國的專利申請量排第二，一方面是盤轂動力、比亞迪和同濟大學在國內(nèi)的專利申請，另一方面則說明中國是這些企業(yè)重點關注和保護的市場。美國、德國及歐洲分別排第三、第四及第五，申請量分別為192件、118件及118件。從上圖可以發(fā)現(xiàn)，外國企業(yè)除了在本國申請較多專利外，都會在國外進行一定量的專利布局，而目前來看中國企業(yè)基本上僅在本國進行了專利布局。

5、重點企業(yè)技術領域分析

圖7 重點企業(yè)技術結(jié)構(gòu)分析圖

從主要專利權人在各技術領域的專利布局情況可以看出，日立公司在電機定子方面有著較多的研究，且專利布局涉及軸向磁場電機的各個技術分支，雖然日立并沒有推出軸向磁場電機的產(chǎn)品，但可見該公司對軸向磁場電機的研究力度以及專利儲備不容小覷。NTN公司在輪轂電機方面的專利遠遠多于其他公司，此外在獨立懸架的輪內(nèi)驅(qū)動方面也有一定的專利技術積累。盤轂動力在電機定子方面的專利技術積累較多，此外在電機轉(zhuǎn)子、電機裝配結(jié)構(gòu)、電機散熱冷卻和輪轂電機也均布局有一定量的數(shù)據(jù)，可見盤轂動力在電機驅(qū)動領域的研究比較全面，但在電機車輛應用領域的布局相對較少。同濟大學在獨立懸架的輪邊驅(qū)動和電驅(qū)橋布局專利數(shù)量相對較多，但領先優(yōu)勢不是那么明顯，在其他系統(tǒng)方面專利布局較少。ZF公司在電驅(qū)橋和獨立懸架的輪邊驅(qū)動方面布局專利數(shù)量較多，類似的本田公司在電機轉(zhuǎn)子和電機整體結(jié)構(gòu)方面布局專利數(shù)量較多。比亞迪公司的專利技術多集中在電驅(qū)橋、獨立懸架的輪邊驅(qū)動以及輪轂電機，專利技術比較集中。日產(chǎn)公司在軸向磁場電機各技術分支及輪內(nèi)驅(qū)動、輪轂電機、電驅(qū)橋等方面均進行了一定的專利布局，屬于軸向磁場電機及車輛應用均有涉及的企業(yè)。豐田公司的專利主要集中在輪轂電機，其他方面也有涉獵，屬于“百花爭妍，一枝獨秀”式布局。綜合來看，軸向磁場電機的電機定子以及電機轉(zhuǎn)子、輪轂電機、電驅(qū)橋以及獨立懸架的輪邊驅(qū)動是各大新能源企業(yè)的主要研究領域。

圖8重點企業(yè)技術功效圖

從上圖技術領域所對應的技術效果上來看，對于軸向磁場電機領域，電機轉(zhuǎn)子和電機定子方面，主要是為了達到提高效率和方便制造、裝配、維修更換的目的。電機磁路結(jié)構(gòu)主要是為了達到提高功率密度和提高效率的目的。電機散熱結(jié)構(gòu)方面的改進主要是為了達到更好的提高散熱能力方面的研究。電機裝配結(jié)構(gòu)的研究體現(xiàn)在對于提高可靠性、剛性、延長壽命的研究。制造設備及工藝方面的研究主要是方便制造、裝配、維修更換的研究。電機整體結(jié)構(gòu)方面所體現(xiàn)的技術效果比較分散，且數(shù)據(jù)量較小，不具有代表性。

三、軸向磁場電機及輪邊驅(qū)動、電驅(qū)動橋領域研發(fā)熱點技術分析

經(jīng)過行業(yè)分析，統(tǒng)計分析本領域工程師關注的熱點技術，從專利技術的角度進行剖析，展現(xiàn)各技術的發(fā)展趨勢情況，關注的技術為：

1，提高軸向磁場電機散熱效果；

2，軸向磁場電機結(jié)構(gòu)可靠性問題（包括涉及單向磁拉力、氣隙一致性、定子/轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度和剛度、軸承方案等技術內(nèi)容的專利）。

1、軸向磁場電機散熱冷卻技術分析

電機的散熱冷卻技術專利申請量有兩百篇左右，從這些專利申請中，我們可以了解到該技術的發(fā)展情況。

圖9散熱冷卻技術專利申請趨勢圖

上圖為1999年-2019年散熱冷卻技術相關專利的申請趨勢，可以發(fā)現(xiàn)該項技術自2000年開始出現(xiàn)。2000-2008年，專利申請量較少，年均3篇左右，說明該技術處于起步期。自2008年，專利申請量開始增長，專利申請人逐漸增多，說明該技術處于成長期，申請人主要是日本和中國的涉及電機的企業(yè)，2016年達到峰值，有31篇。2016年后，專利申請量開始穩(wěn)定，說明散熱冷卻技術進入成熟期。由于專利申請的延遲公開，圖中2018-2019年的專利申請量比實際申請量要少。

在獲得的散熱冷卻專利數(shù)據(jù)中，通過統(tǒng)計專利權人的申請量，得到主要專利權人，通過主要專利權人的專利申請量了解本領域內(nèi)的技術領先企業(yè)。通過如下方法統(tǒng)計獲得主要專利權人：首先，在獲得的專利數(shù)據(jù)中，統(tǒng)計各個專利權人的專利申請量；其次，合并不同形式的同一專利權人的申請量；最后，獲得主要專利權人。

圖10散熱冷卻技術專利權人/申請人前八名圖

從散熱冷卻相關專利申請人前八名情況來看，該技術主要掌握在中國、日本及英國公司的手中，其中盤轂動力、日立以及YASA公司排名前三，其中盤轂動力關于散熱冷卻的專利申請量是最多的，且專利申請集中在2018-2019年，共12篇左右，技術上涉及了液冷、散熱結(jié)構(gòu)這兩種方式對電機進行散熱冷卻，其中液冷占比非常多，占了11篇。日立公司關于散熱冷卻的專利申請主要集中在2012-2016年，涉及了液冷、風冷、散熱結(jié)構(gòu)這三種方式對電機進行散熱冷卻。YASA公司關于散熱冷卻的專利申請集中在2013-2014年、及2016年，共8篇左右，涉及了液冷、風冷這兩種方式對電機進行散熱冷卻，其中液冷占比較多，占了6篇。

2、軸向磁場電機結(jié)構(gòu)可靠性問題技術分析

軸向磁場電機結(jié)構(gòu)可靠性問題，涉及單向磁拉力、氣隙一致性、定/轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度和剛度、軸承方案等技術內(nèi)容，由于材質(zhì)不均勻、毛坯缺陷、加工或裝配中產(chǎn)生的誤差，使得轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時，其上每個微小質(zhì)點的離心慣性力不能相互抵消，這種離心慣性力作用在轉(zhuǎn)子軸承上會引起震動、產(chǎn)生噪音，加速軸承磨損、縮短電機壽命，降低電機結(jié)構(gòu)可靠性。本部分選取涉及上述問題的相關專利，分析軸向磁場電機技術相關專利申請趨勢，了解行業(yè)主要領先企業(yè)，剖析技術發(fā)展脈絡。

圖11軸向磁場電機結(jié)構(gòu)可靠性技術專利申請趨勢圖

軸向磁場電機結(jié)構(gòu)可靠性問題，是軸向磁場電機應用的需要解決的主要問題之一，由上趨勢圖可以看到，隨著軸向磁場電機得到越來越多人的關注，關于電機結(jié)構(gòu)可靠性的技術的專利申請量成逐年增長趨勢，2017年之前呈緩慢增長狀態(tài)，2017年之后開始大幅度的增長。受專利公開影響，2018和2019年數(shù)據(jù)僅做參考。

圖12 軸向磁場電機結(jié)構(gòu)可靠性技術主要申請人

從軸向磁場電機結(jié)構(gòu)可靠性技術相關專利主要申請人情況來看，盤轂動力具有比較明顯的優(yōu)勢，其次為日立公司、大金公司、本田公司以及日產(chǎn)公司和華中科技大學，其中日立公司、大金公司、本田公司以及日產(chǎn)公司在結(jié)構(gòu)可靠性方面均有持續(xù)性的專利申請，可持續(xù)關注這些申請人的申請情況，追蹤其專利技術的革新。

四、總結(jié)

（1）在各個國家的專利申請趨勢方面，軸向磁場電機及車輛應用領域技術發(fā)展期均主要集中在早期，國內(nèi)則從中后期開始發(fā)力，可以看出國內(nèi)雖然研發(fā)相對國外較晚，但后期發(fā)展卻比國外快，中國是目標市場中唯一穩(wěn)定增長的市場。

（2）在軸向磁場電機及車輛應用領域進行專利布局的企業(yè)主要是NTN、日立、盤轂動力、豐田、日產(chǎn)、大金、本田、比亞迪、ZF及同濟大學。這些重點企業(yè)主要在日本進行專利布局，其次為中國、美國。日立公司的研發(fā)集中在軸向磁場電機的定子方面，NTN公司集中在輪轂電機方面，盤轂動力集中在軸向磁場電機、軸向磁場電機在電驅(qū)橋、獨立懸架輪邊驅(qū)動應用方面，同濟大學集中在獨立懸架的輪邊驅(qū)動方面，ZF公司和比亞迪公司在電驅(qū)橋、輪邊驅(qū)動布局專利數(shù)量較多，豐田公司的專利主要集中在輪轂電機，其他方面也有涉獵。

（3）軸向磁場電機領域?qū)＠饕性谵D(zhuǎn)子、定子、散熱冷卻三方面的專利布局，針對技術效果來看，通過對轉(zhuǎn)子或定子方面進行改進以提高功率密度、提高效率、方便制造/裝配的專利較多，提高散熱冷卻方面、電機轉(zhuǎn)子/定子的可靠性提高方面以及減少成本方面的專利布局也較多。

（4）從截至到2019年底已公開專利量看，無論是在軸向磁場電機的散熱冷卻技術研究還是軸向磁場電機結(jié)構(gòu)可靠性技術研究，盤轂動力都排在前列，可算國內(nèi)此領域的一匹黑馬。專利布局分析來看，NTN、日立、豐田等公司在中國都進行了專利布局，盤轂動力在中國的申請量排名第一，且每年申請量大，表現(xiàn)出極強的競爭力。但僅檢索到盤轂動力少量國際布局專利申請，國際布局仍需進一步觀察。

來源：IPRdaily中文網(wǎng)（iprdaily.cn）

作者：仲偉明 北京集佳知識產(chǎn)權代理有限公司重慶分公司 專利代理師

編輯：IPRdaily王穎          校對：IPRdaily縱橫君