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作者：仲伟明 北京集佳知识产权代理有限公司重庆分公司 专利代理师
原标题：轴向磁场电机及轮边驱动、电驱动桥分析调查
随着节能环保意识的提高，各国学者近年来针对以电动机为动力源的电动汽车技术进行了大量的研究工作。电机技术是电动汽车的关键技术之一，轴向磁场电机相比于传统径向电机在功率密度和扭矩密度方面有明显优势，符合电动汽车的轻量化设计思路。同时由于其功率主要取决于电机的轴向尺寸，而与电机的径向尺寸无关，因此在轴向上可以节约大量空间，符合轮边驱动技术的空间布局。而轮边驱动技术可以省去差速器等机械结构，大幅度降低车辆重量，节省车内空间，而且可以实现对每个轮边电机单独控制，实现更灵活多变的整车控制方案。这些特点使得轴向磁场电机及其轮边驱动的应用成为了一个值得研究的方向。
一、行业背景
发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路。近年来，我国的新能源汽车产业取得了举世瞩目的成就，成为引领世界汽车产业转型的重要力量。电动汽车以其节能环保等优势逐步有代替内燃机为动力源的传统汽车的趋势。
电机技术、电控技术和电池技术被公认为是电动汽车的三大核心技术，简称“三电”。在电池技术领域，行业领头羊宁德时代、比亚迪等公司已经家喻户晓，并且其市值也是水涨船高达到了5000亿的规模，超过大部分传统车企。相较于电池技术市场的火热，电机技术和电控技术目前的市场反应则显的不温不火，然而在不温不火的表面下则是暗潮涌动的产业变革。
对于电动汽车关键技术之一的电机技术，各种类型与结构的电机均被尝试应用在电动汽车系统中，其中永磁同步电机以其功率密度高、效率大等优势，已成为目前电动汽车的主要选择。值得注意的是永磁同步电机又分为径向磁场电机以及轴向磁场电机，并且在理论上轴向磁场电机在功率密度和扭矩密度上都大幅领先于径向磁场电机。但目前市场上广泛应用的却是径向磁场电机，其根本原因便在于传统工业领域中对电机的功率密度和扭矩密度要求不高，电机的成本与可靠性才是行业关注的焦点。轴向磁场电机由于工艺难度大，控制复杂便被行业所淘汰。但当新能源汽车兴起，电机不再是固定安装在地面上的机器，而是随着车辆一起奔跑负载，其重量和体积被大家敏锐的感受到，轴向磁场电机由于其重量轻、体积小的特性在新能源汽车市场上突然活跃起来。
轴向磁场永磁同步电机根据定转子数目不同可分为：单定子单转子结构、单定子双转子结构、双定子单转子结构、多定子多转子结构。单定子单转子结构较为简单，但是在定转子间存在轴向不平衡磁拉力，因此目前单转子双定子结构和单定子双转子的结构应用较多。
图1 双定子-单转子轴向磁场电机立体结构图
总体来看，国内外研究学者针对轴向磁场电机的研究越来越多，轴向磁场的优点正不断显现出来，应用行业非常广泛。在电动汽车领域下，国内外研究者大多将轴向磁场电机与轮边驱动相结合，由于轴向磁场电机其功率主要取决于电机的轴向尺寸，而与电机的径向尺寸无关，因此在轴向上可以节约大量空间，适合轮边驱动的空间布局，因此轴向磁场电机应用在轮边驱动系统上有较好发展前景。
图2 轮边驱动总成图
二、轴向磁场电机及轮边驱动、电驱动桥领域专利信息分析
1、轴向磁场电机及轮边驱动
电驱动桥专利申请趋势
图3轴向磁场电机及轮边驱动、电驱动桥专利申请趋势
轴向磁场电机于90年代末开始发展，轴向磁场电机的发展主要分为三个阶段，即1999年-2003年、2003年-2013年、2013年之后。1999年-2003年，专利数量缓慢增长，专利申请量每年在50件以内，这时的研发方向不明确、研发投入不够，发展较为缓慢，且国内申请的申请人也是以美国、日本的申请人为主，鲜少有国内驱动企业对该技术进行申请。2003年-2013年，专利数量持续升高，这阶段随着新型材料的涌现和工艺水平的改善，轴向磁场电机重新获得重视，国内外企业在主要目标市场的专利布局数量逐渐增加。之后，在2014年进入小幅回落后，轴向磁场电机相关技术的专利申请量进入一个快速增长的阶段，轴向磁场电机因其结构紧凑、效率高、功率密度大等优点获得越来越多的关注，尤其适合应用于电动车辆等要求高转矩密度和空间紧凑的场合，随着新能源动力市场需求的扩大，轴向磁场电机凭借其在功率密度和效率等方面的优势，已经成为电机领域的研究热点。
电机在车辆上的应用技术方面，1999年-2010年间电机在车辆上的应用相关专利申报量较少，每年均在50件以内，且增长缓慢。2010年后，随着电动汽车需求的不断增长，同时在各国对电动汽车相关鼓励政策的催生下，电机在车辆应用技术得到快速发展，年增长率超过20%，且在2016后增长明显加速。目前，电机在车辆上的应用技术仍处于快速发展期，整体行业发展潜力较大。
2、重点国专利布局情况
中国、美国、日本、欧洲和德国的是新能源汽车市场的重点国家与地区，专利布局数量的多少表示各专利权人对不同国家或地区市场的重视程度。
图4目标市场的专利布局
上图为1999年-2019年近20年轴向磁场电机及电机在车辆应用技术相关专利在重点国家的布局情况，可以发现专利权人在中国申请的专利数量是最多的，即4002件，轴向磁场电机领域专利最多，电驱桥、轮毂电机等领域也有一定数量的专利，其中轴向磁场电机技术持有人主要是以盘毂动力、东南大学以及日产汽车公司为代表的国内企业及高校，电机在车辆应用技术则是以丰田公司、ZF公司及比亚迪公司为代表，说明国内企业和高校对相关技术注重专利保护，同时外国企业也注重在中国的专利布局。
3、重点企业专利申请情况
通过专利检索可获得相关专利数据，在获得的专利数据中，通过统计专利权人的申请量，得到十位主要专利权人，通过十位专利权人的专利申请量了解本领域内的技术领先企业。通过如下方法统计获得十位专利权人：首先，在获得的专利数据中，统计专利权人的专利申请量；其次，合并不同形式的同一专利权人的申请量；最后，获得十位专利权人。
图5 前十位专利权人专利申请量分析图（单位：件）
上图为1999年-2019年近20年轴向磁场电机及电机在车辆应用技术专利申请量排名前十的专利权人排名情况，可以发现前十专利权人大部分是国外公司，国内的盘毂动力排名第3位，比亚迪排名第8位，同济大学排名第9位。
NTN公司专利申请量是最多的，数量为143件，约占轴向磁场电机及车辆应用技术排名前十位申请人专利总量的17%，并且每年均有专利申请，在主要目标市场均有专利布局。其中135件专利涉及电机在车辆应用技术，主要涉及轮毂电机以及独立悬架的轮边驱动技术，而轴向磁场电机及电驱桥技术申请相对较少，均为个位数。NTN公司是一家老牌轴承公司，于2002年在中国上海成立上海恩梯恩精密机电有限公司，开始涉足汽车用电机及传动系统领域，并于2003年开始在新能源车动力轮毂电机以及独立悬架的轮边驱动技术等领域进行专利布局。
排在第二位的是日立公司，专利申请量为135件。日立公司自2008年开始，在轴向磁场电机领域保持持续专利申请，在改善NVH、提高电机冷却效果、提高电机可靠性等方面均有涉及。
盘毂动力专利申请量为130件，排在第3位。与其他前十专利权人不同的是盘毂动力是前十专利权人中唯一一家新兴企业，其成立于2018年，短短一年半时间已经积累轴向磁场电机及应用专利130余件。在轴向磁场电机及应用方面的专利增速上，其位居第一，并遥遥领先于其他专利权人，预期未来一到两年盘毂动力在轴向磁场电机及应用方面的专利申请量将位居世界第一。其研发方向专注于轴向磁场电机及应用，其申请专利大量布局于轴向磁场电机的电机转子、电机装配结构、电机散热冷却等。
排名第七位的是本田公司，专利申请量为78件，本田公司关于轴向磁场电机的申请主要集中在2003-2009年间，在2009年之后，本田公司在轴向磁场电机的研发基本趋向于停止。值得一提的是，日前，为满足全球电动车电机需求量的快速增长，本田与日立汽车系统签署了一项关于成立新合资公司的基本协议，而这家新公司将从事电动车专用电动机的研发、生产及销售工作，新组建的公司将综合两家公司的专业人才生产具有较高竞争力的电机。
4、重点企业专利地域布局
图6主要申请人专利地域布局图
上图为1999年-2019年近20年轴向磁场电机及电机在车辆应用技术专利主要申请人专利地域布局情况，根据专利数据统计分析的需要，本处数据统计为合并简单同族后的专利数据，合并简单同族是指针对同一技术方案基于相同优先权进行多件专利申请的视为同一族专利，单位记作“项”。1 项专利申请可能对应于 1 件或多件专利申请。
可以发现，日本专利申请量最多，有673件，主要是因为申请人中NTN、日立、丰田、本田及大金均为日本企业，在本国进行大量专利布局；在中国的专利申请量排第二，一方面是盘毂动力、比亚迪和同济大学在国内的专利申请，另一方面则说明中国是这些企业重点关注和保护的市场。美国、德国及欧洲分别排第三、第四及第五，申请量分别为192件、118件及118件。从上图可以发现，外国企业除了在本国申请较多专利外，都会在国外进行一定量的专利布局，而目前来看中国企业基本上仅在本国进行了专利布局。
5、重点企业技术领域分析
图7 重点企业技术结构分析图
从主要专利权人在各技术领域的专利布局情况可以看出，日立公司在电机定子方面有着较多的研究，且专利布局涉及轴向磁场电机的各个技术分支，虽然日立并没有推出轴向磁场电机的产品，但可见该公司对轴向磁场电机的研究力度以及专利储备不容小觑。NTN公司在轮毂电机方面的专利远远多于其他公司，此外在独立悬架的轮内驱动方面也有一定的专利技术积累。盘毂动力在电机定子方面的专利技术积累较多，此外在电机转子、电机装配结构、电机散热冷却和轮毂电机也均布局有一定量的数据，可见盘毂动力在电机驱动领域的研究比较全面，但在电机车辆应用领域的布局相对较少。同济大学在独立悬架的轮边驱动和电驱桥布局专利数量相对较多，但领先优势不是那么明显，在其他系统方面专利布局较少。ZF公司在电驱桥和独立悬架的轮边驱动方面布局专利数量较多，类似的本田公司在电机转子和电机整体结构方面布局专利数量较多。比亚迪公司的专利技术多集中在电驱桥、独立悬架的轮边驱动以及轮毂电机，专利技术比较集中。日产公司在轴向磁场电机各技术分支及轮内驱动、轮毂电机、电驱桥等方面均进行了一定的专利布局，属于轴向磁场电机及车辆应用均有涉及的企业。丰田公司的专利主要集中在轮毂电机，其他方面也有涉猎，属于“百花争妍，一枝独秀”式布局。综合来看，轴向磁场电机的电机定子以及电机转子、轮毂电机、电驱桥以及独立悬架的轮边驱动是各大新能源企业的主要研究领域。
图8重点企业技术功效图
从上图技术领域所对应的技术效果上来看，对于轴向磁场电机领域，电机转子和电机定子方面，主要是为了达到提高效率和方便制造、装配、维修更换的目的。电机磁路结构主要是为了达到提高功率密度和提高效率的目的。电机散热结构方面的改进主要是为了达到更好的提高散热能力方面的研究。电机装配结构的研究体现在对于提高可靠性、刚性、延长寿命的研究。制造设备及工艺方面的研究主要是方便制造、装配、维修更换的研究。电机整体结构方面所体现的技术效果比较分散，且数据量较小，不具有代表性。
三、轴向磁场电机及轮边驱动、电驱动桥领域研发热点技术分析
1，提高轴向磁场电机散热效果；
2，轴向磁场电机结构可靠性问题（包括涉及单向磁拉力、气隙一致性、定子/转子结构强度和刚度、轴承方案等技术内容的专利）。
1、轴向磁场电机散热冷却技术分析
电机的散热冷却技术专利申请量有两百篇左右，从这些专利申请中，我们可以了解到该技术的发展情况。
图9散热冷却技术专利申请趋势图
上图为1999年-2019年散热冷却技术相关专利的申请趋势，可以发现该项技术自2000年开始出现。2000-2008年，专利申请量较少，年均3篇左右，说明该技术处于起步期。自2008年，专利申请量开始增长，专利申请人逐渐增多，说明该技术处于成长期，申请人主要是日本和中国的涉及电机的企业，2016年达到峰值，有31篇。2016年后，专利申请量开始稳定，说明散热冷却技术进入成熟期。由于专利申请的延迟公开，图中2018-2019年的专利申请量比实际申请量要少。
在获得的散热冷却专利数据中，通过统计专利权人的申请量，得到主要专利权人，通过主要专利权人的专利申请量了解本领域内的技术领先企业。通过如下方法统计获得主要专利权人：首先，在获得的专利数据中，统计各个专利权人的专利申请量；其次，合并不同形式的同一专利权人的申请量；最后，获得主要专利权人。
图10散热冷却技术专利权人/申请人前八名图
从散热冷却相关专利申请人前八名情况来看，该技术主要掌握在中国、日本及英国公司的手中，其中盘毂动力、日立以及YASA公司排名前三，其中盘毂动力关于散热冷却的专利申请量是最多的，且专利申请集中在2018-2019年，共12篇左右，技术上涉及了液冷、散热结构这两种方式对电机进行散热冷却，其中液冷占比非常多，占了11篇。日立公司关于散热冷却的专利申请主要集中在2012-2016年，涉及了液冷、风冷、散热结构这三种方式对电机进行散热冷却。YASA公司关于散热冷却的专利申请集中在2013-2014年、及2016年，共8篇左右，涉及了液冷、风冷这两种方式对电机进行散热冷却，其中液冷占比较多，占了6篇。
2、轴向磁场电机结构可靠性问题技术分析
轴向磁场电机结构可靠性问题，涉及单向磁拉力、气隙一致性、定/转子结构强度和刚度、轴承方案等技术内容，由于材质不均匀、毛坯缺陷、加工或装配中产生的误差，使得转子在旋转时，其上每个微小质点的离心惯性力不能相互抵消，这种离心惯性力作用在转子轴承上会引起震动、产生噪音，加速轴承磨损、缩短电机寿命，降低电机结构可靠性。本部分选取涉及上述问题的相关专利，分析轴向磁场电机技术相关专利申请趋势，了解行业主要领先企业，剖析技术发展脉络。
图11轴向磁场电机结构可靠性技术专利申请趋势图
轴向磁场电机结构可靠性问题，是轴向磁场电机应用的需要解决的主要问题之一，由上趋势图可以看到，随着轴向磁场电机得到越来越多人的关注，关于电机结构可靠性的技术的专利申请量成逐年增长趋势，2017年之前呈缓慢增长状态，2017年之后开始大幅度的增长。受专利公开影响，2018和2019年数据仅做参考。
图12 轴向磁场电机结构可靠性技术主要申请人
从轴向磁场电机结构可靠性技术相关专利主要申请人情况来看，盘毂动力具有比较明显的优势，其次为日立公司、大金公司、本田公司以及日产公司和华中科技大学，其中日立公司、大金公司、本田公司以及日产公司在结构可靠性方面均有持续性的专利申请，可持续关注这些申请人的申请情况，追踪其专利技术的革新。
四、总结
（1）在各个国家的专利申请趋势方面，轴向磁场电机及车辆应用领域技术发展期均主要集中在早期，国内则从中后期开始发力，可以看出国内虽然研发相对国外较晚，但后期发展却比国外快，中国是目标市场中唯一稳定增长的市场。
（2）在轴向磁场电机及车辆应用领域进行专利布局的企业主要是NTN、日立、盘毂动力、丰田、日产、大金、本田、比亚迪、ZF及同济大学。这些重点企业主要在日本进行专利布局，其次为中国、美国。日立公司的研发集中在轴向磁场电机的定子方面，NTN公司集中在轮毂电机方面，盘毂动力集中在轴向磁场电机、轴向磁场电机在电驱桥、独立悬架轮边驱动应用方面，同济大学集中在独立悬架的轮边驱动方面，ZF公司和比亚迪公司在电驱桥、轮边驱动布局专利数量较多，丰田公司的专利主要集中在轮毂电机，其他方面也有涉猎。
（3）轴向磁场电机领域专利主要集中在转子、定子、散热冷却三方面的专利布局，针对技术效果来看，通过对转子或定子方面进行改进以提高功率密度、提高效率、方便制造/装配的专利较多，提高散热冷却方面、电机转子/定子的可靠性提高方面以及减少成本方面的专利布局也较多。
（4）从截至到2019年底已公开专利量看，无论是在轴向磁场电机的散热冷却技术研究还是轴向磁场电机结构可靠性技术研究，盘毂动力都排在前列，可算国内此领域的一匹黑马。专利布局分析来看，NTN、日立、丰田等公司在中国都进行了专利布局，盘毂动力在中国的申请量排名第一，且每年申请量大，表现出极强的竞争力。但仅检索到盘毂动力少量国际布局专利申请，国际布局仍需进一步观察。
作者：仲伟明 北京集佳知识产权代理有限公司重庆分公司 专利代理师
编辑：IPRdaily王颖 校对：IPRdaily纵横君
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