专利信息利用在研发工作中的实践应用 ——以磁体的专利分析为例

总第172期 王 伟 冯建阁 赵丽慧 中车青岛四方机车车辆股份有限公司发表,[专利]文章

近年来,随着国家提出对高质量专利的发展要求,专利信息的利用越来越受到各企业的重视。企业可通过专利信息的利用,缩短研发进度、了解竞争对手的专利布局策略、了解技术发展趋势、制定产品的专利布局策略、提高专利申请质量、规避产品侵权风险,从而助力企业生产经营。笔者所在的轨道车辆领域已将专利信息利用作为研发、生产、销售等经营活动的必要环节。本文以磁浮交通关键技术之一——磁体的专利分析为例,浅析专利信息利用在企业研发工作中的实践应用及其重要作用。

专利信息应用的意义

专利信息利用,是指通过专利大数据检索以及对专利信息的分析,获取对企业研发、生产、采购、销售、投融资和并购等有用的专利和技术信息,并加以应用。在企业的各个经营环节中,专利信息利用都发挥着重要作用。

在研发环节中,企业通过专利信息分析行业内先进企业的研发方向,了解先进企业在解决某一特定技术问题上所采用的技术路线,为企业研发提供重要的技术启示;同时,提前了解在研的技术方案是否存在侵权的风险,并提前规避;分析竞争对手的专利布局态势、专利布局热点和空白点,为企业专利布局规划提供重要的数据支撑。

在采购环节中,企业利用专利信息,一方面可以考察供应商的技术创新实力及知识产权保护情况,另一方面可以考察采购产品是否存在侵权风险,为采购环节提供参考。

在销售环节中,企业可通过专利信息分析国内外重点市场中竞争对手的专利布局情况,特别是了解竞品在重点市场的专利布局情况,了解产品是否存在侵权风险,为产品的投放市场选择提供方向性指导。

在投资并购中,企业可通过专利信息利用了解投资企业或项目的技术实力、自主创新能力及健康度、知识产权稳定性等,分析投资企业或项目是否存在侵权、知识产权权属纠纷等风险,从而一定程度上规避投资风险。

目前,专利信息已经在企业经营的各个环节得到广泛应用。特别是在研发环节,轨道车辆领域已经将专利信息利用或专利工作作为研发的必要环节,为研发实践提供了强大支撑。

高速磁浮车辆研发中专利信息的应用实践

轨道车辆研发领域对专利信息的实践应用已趋于成熟。“复兴号”电力动车组、新一代地铁、高速磁浮车辆等,都在研发环节加入了专利信息应用。其中,高速磁浮是专利信息利用中最为典型的案例。本文以高速磁浮中的关键技术之一——磁体的专利信息利用为例,说明专利信息在研发中的重要作用。

磁悬浮列车是一种靠磁体的吸引力或排斥力来减小摩擦阻力的列车,因此有推斥式和吸力式两种“悬浮”形式,也就是通常所说的常导磁吸式(EMS)和超导磁斥式(EDS)两种磁浮交通技术。目前,日本和德国的磁浮技术发展最为突出,且已实现商业应用,技术较为先进。国内研发磁浮交通技术已经有一些突破,但在高速磁浮研发中仍需要解决诸多技术难题,或寻找更优的解决方案,这需要通过专利信息检索研究高速磁浮列车或其他领域的磁体技术,以寻求技术上的启发。

常导磁吸式(EMS)磁浮列车利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁铁(悬浮电磁铁)和铺设在线路导轨上的磁铁,在磁场作用下产生吸引力,使车辆浮起。超导磁斥式(EDS)则在车辆底部安装超导磁体(放在液态氦储存槽内),在轨道两侧铺设一系列铝环线圈。列车运行时,给车上线圈(超导磁体)通电流,产生强磁场,地上线圈(铝环)与之相切,与车辆上超导磁体的磁场方向相反,两个磁场产生排斥力。当排斥力大于车辆重量时,车辆就悬浮起来。因此,磁悬浮列车的悬浮、导向、制动和牵引功能,主要是通过磁体的作用来实现的。磁体在磁悬浮列车中占有重要的地位,磁体的结构、布置等,均是磁悬浮的关键技术。

根据研发需求开展专利检索

研发工程师在研发过程中遇到关于磁体的技术难点,其大致的技术方向包括磁体的结构、布置、工艺等。研发工程师希望了解行业内先进企业在磁体方面的技术发展路线以及技术方案、磁体方面的专利内容等,从而向知识产权管理人员输出具体的专利检索需求,知识产权管理人员进而以研发工程师提到的磁体的结构、布置、工艺等关键技术作为研究对象,开展专利和文献的检索。经过检索可知,截至2019年,电磁铁相关专利达到400余个专利族、1000余件专利,相关文献达到150余篇。知识产权管理人员分析磁体的重点技术发展路线、了解磁体的具体发展情况,发现具体的先进技术,再通过对先进技术的解读和分析,给出研发技术启示,同时提示专利布局的方向。

磁体重点技术路线分析

研发工程师以常导和超导两种主流技术的磁体技术开展研究。如图1所示,主要技术涉及磁体的设计、应用、结构改进及制造等方面。本文通过各机构公开的专利技术,研究了各关键技术的发展路线。

常导磁体出现较早,早期研究集中在对磁体原理、磁体结构的设计;中期研究开始对磁体性能进行研究,以发挥磁体稳定的性能;近几年的研究则将重点放在对磁体制造方法材料等的改进上。早期技术主要是对导体线圈、地面线圈结构、性能方面的改进。如1971年专利DE2151150B2对磁悬浮细长导体线圈的改进,将细长型导体线圈两端头向上弯曲,提供较为稳定的悬浮力和导向力;1980年专利JP57009203A对地面线圈的连接结构进行了改进,优化地面线圈中各线圈与各绝缘体之间的连接结构,其中L-形绝缘总线连接对应的L-形导体,T-形绝缘总线连接对应的T-形导体,直流绝缘总线对应连接DC导体,此种设计使得各自的导体尺寸实现标准化,提高了生产质量,降低了成本。在地面线圈的固定方面,1999年日本专利JP4020538B2公布了一种使用拉近螺栓紧固地面线圈的技术,地面线圈进行封装后,在树脂外壳四周上设置四个紧固螺栓安装口,可使线圈导体的电磁力和热应力达到平衡,发挥最佳性能。在地面线圈的制造方面,2005年日本专利JP4603409B2公布了一种利用热塑性树脂一体注塑成型的技术;2009年德国专利DE102009038559B3公布了一种用于磁悬浮列车的磁极的改进结构,包括铁芯、施加到铁芯上的绕组、贴紧铁芯下方接触面的磁铁背部和包封绕组以及铁芯上方极面的保护层。该保护层在铁芯下方区域内具有邻接于其周边面的部分,该部分由弹性材料构成。

超导磁体的主要相关技术集中在日本。1975年日本专利JP52061009A提出了一种L形的超导电磁铁改进结构,并提供一个导电容器,解决超导电磁铁的热收缩应力问题。1981年日本专利JP1399944C公布了一种超导电磁铁的改进结构,由超导线材卷绕成的超导线圈,被环氧树脂包裹着绝缘,同时被间隔件隔开固定在超导电磁铁的容器中,间隔开后形成液态氨的流动路径。1985年日本专利JP62149105A提出了一种易于拆解维护的超导体结构,超导线圈的绝缘支撑体改进为易于拆卸的结构,并且具有一个环形环和压盖结构。1989年专利JP2655918B2更是对超导线圈的具体结构进行了改进,提供一种超导体铝-铜复合空心体,将超导体进行材料的复合化之后,将铝材制成中空体,然后经过其他步骤,形成中空面积减小的结构,以改善超导体中铝和铜之间的热扩散效应。1993年的一件专利,为提高超导电磁铁的稳定悬浮性能,在超导磁体中设置一个永久电流开关,通过此开关的通断控制电流,从而防止超导电磁铁转变为正常的导通。2012年的一件中国专利,提出了一种双层高温超导体概念,通过永磁体及聚磁材料等构成轨道、固定于车体架子中的低温容器,低温容器内固定有高温超导块材层,高温超导块材层为下层块材与上层块材叠放的双层设计,起到同时提高原有单层悬浮系统悬浮力和导向力性能的目的,提高超导磁悬浮列车的载重能力和稳定性能。2013年日本专利JP6067537B2提出了一种超导电磁铁的励磁方法,对超导电磁铁线圈的结构进行改进,将其分成四部分,彼此间隔开工作,通过电源连接其上,即使一个线圈出现问题,也不会影响其他线圈的工作。
综上所述,常导磁体发展较早也较为成熟,从专利申请及研究的技术看,磁体的制造、材料和改进结构将成为未来技术发展的重点所在。超导磁体发展相对较晚,日本的相关技术较为发达、发展较快,国内外的研究工作目前也发展迅速。

磁体先进技术分析

在以上主要的技术发展路线中,磁体的主要先进技术发展方向和专利布局方向,为超导磁体、磁体线圈、磁体布置、磁体悬浮导向,以及磁体工艺、结构、驱动、冷却等。上述领域也是各研究机构较为关注的关键技术。

1.磁体超导技术,主要研究方向有超导磁浮的永磁体、超导电磁铁、超导线圈、超导材料等。该方面专利多为日本专利,主要研究机构包括有Hitachi Ltd、Railway Technical Resinst、Mitsubishi Electric Corp等。国内研究机构也已开始涉足该领域,如西南交通大学、上海磁浮交通工程技术研究中心、中科院等。

2.磁体线圈专利布局,主要涉及地面轨道线圈、线圈结构和安装,以及线圈的供电等,申请专利的主体主要有Railway Technical Resinst、Mitsubishi Electric Corp、Central Japan Railway Co、Toshiba Corp等日本企业,也有研究机构开展了关于线圈对磁力影响的研究。磁体线圈专利技术主要在于解决线圈的能量利用效率,通过减少推进线圈的涡流损耗并降低功耗来提高推进效率,其技术方案为将接地线圈安装在轨道上并缠绕电缆。

3.磁体布置, 主要涉及电磁铁的布置、磁体的阵列布置、磁体的固定等, 其专利多集中在Mitsubishi Electric Corp、KraussMaffei AG、蒂森克鲁伯等专利权人手中。

4.磁体工艺, 专利布局主要涉及电磁铁或线圈的制造方法, 主要专利权人为Railway Technical Resinst、西门子、Mitsubishi Electric Corp、蒂森克鲁伯等。

5.磁体结构,专利布局主要涉及电磁铁的结构,主要专利权人有蒂森克鲁伯、中国人民解放军国防科学技术大学等。

6.磁体冷却,主要研究对电磁铁的冷却方法或冷却装置。如上海磁浮交通工程技术研究中心的一件专利,利用低温易蒸发的流体,直接将悬浮磁铁线圈产生的热量传输至悬浮磁铁外部的冷凝器,通过该冷凝器的热交换,凝聚的低温流体返流入线圈部位重新吸热蒸发,形成一个对悬浮磁铁的热源线圈进行直接冷却的循环。中国人民解放军国防科学技术大学的一件专利,涉及一种中低速磁浮列车悬浮电磁铁的冷却装置,包括装设于悬浮电磁铁底部的风机固定组件,以及安装于风机固定组件上的一个以上的风机,利用风机对悬浮电磁铁进行风冷降温。

专利应用建议

1.技术借鉴建议

根据专利中涉及的磁体相关内容,磁体技术大致包含磁体布置、超导磁体、磁体工艺、磁体检测、磁体结构、磁体控制、磁体冷却、磁体屏蔽、磁体驱动、磁体线圈、磁体悬浮导向、磁体载体等。对现阶段来说,磁体系统的设计和制造应是主要关注方向,应该加强对这些重点系统技术的学习,掌握其技术,从而加快研发进度,但在技术借鉴和应用中,需注重技术的改进以及侵权风险的规避。

2.持续跟踪专利信息

应加强对主要竞争对手技术发展动态的关注,了解其公布的最新技术动态,从而对自身的磁悬浮列车悬浮导向系统的设计研发进行突破和改进。

3.专利布局建议

根据目前先进技术已布局的专利,在此基础上开展技术研发和技术改进,应从磁体的结构、控制、冷却、驱动、布置等核心技术布局专利,再向磁体的检测、工艺、载体等外围技术开展专利布局,形成对创新技术的全面保护。

结语

综上所述,企业在研发过程中通过分析专利信息,了解磁体技术的发展路线以及先进技术的实现方式,并根据分析了解的内容对研发提出切实可行的建议。除研发环节外,专利信息利用在市场、投资并购等企业经营各环节都发挥着重要作用,且在未来的企业实践中将会得到更加广泛的应用。


参考文献
[1] 王超、王秋良,《多种优化方法及其在高温超导磁体优化设计中的应用》,低温物理学报,2004年。
[2] 禹潇、潘京等,《特殊工况下的高温超导磁体设计》,低温与超导,2016年9月。
[3] 吴校生、陈文元等,《磁悬浮转子微陀螺悬浮线圈的结构设计》,上海交通大学学报,2005年1月。
[4] 李忠、张伟等,《线圈结构参数对电磁成形的影响》,塑性工程学报,2013年2月。



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