專利信息利用在研發工作中的實踐應用 ——以磁體的專利分析為例

總第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發表,[专利]文章

近年來,隨著國家提出對高質量專利的發展要求,專利信息的利用越來越受到各企業的重視。企業可通過專利信息的利用,縮短研發進度、了解競爭對手的專利布局策略、了解技術發展趨勢、制定產品的專利布局策略、提高專利申請質量、規避產品侵權風險,從而助力企業生產經營。筆者所在的軌道車輛領域已將專利信息利用作為研發、生產、銷售等經營活動的必要環節。本文以磁浮交通關鍵技術之一——磁體的專利分析為例,淺析專利信息利用在企業研發工作中的實踐應用及其重要作用。

專利信息應用的意義

專利信息利用,是指通過專利大數據檢索以及對專利信息的分析,獲取對企業研發、生產、采購、銷售、投融資和并購等有用的專利和技術信息,并加以應用。在企業的各個經營環節中,專利信息利用都發揮著重要作用。

在研發環節中,企業通過專利信息分析行業內先進企業的研發方向,了解先進企業在解決某一特定技術問題上所采用的技術路線,為企業研發提供重要的技術啟示;同時,提前了解在研的技術方案是否存在侵權的風險,并提前規避;分析競爭對手的專利布局態勢、專利布局熱點和空白點,為企業專利布局規劃提供重要的數據支撐。

在采購環節中,企業利用專利信息,一方面可以考察供應商的技術創新實力及知識產權保護情況,另一方面可以考察采購產品是否存在侵權風險,為采購環節提供參考。

在銷售環節中,企業可通過專利信息分析國內外重點市場中競爭對手的專利布局情況,特別是了解競品在重點市場的專利布局情況,了解產品是否存在侵權風險,為產品的投放市場選擇提供方向性指導。

在投資并購中,企業可通過專利信息利用了解投資企業或項目的技術實力、自主創新能力及健康度、知識產權穩定性等,分析投資企業或項目是否存在侵權、知識產權權屬糾紛等風險,從而一定程度上規避投資風險。

目前,專利信息已經在企業經營的各個環節得到廣泛應用。特別是在研發環節,軌道車輛領域已經將專利信息利用或專利工作作為研發的必要環節,為研發實踐提供了強大支撐。

高速磁浮車輛研發中專利信息的應用實踐

軌道車輛研發領域對專利信息的實踐應用已趨于成熟。“復興號”電力動車組、新一代地鐵、高速磁浮車輛等,都在研發環節加入了專利信息應用。其中,高速磁浮是專利信息利用中最為典型的案例。本文以高速磁浮中的關鍵技術之一——磁體的專利信息利用為例,說明專利信息在研發中的重要作用。

磁懸浮列車是一種靠磁體的吸引力或排斥力來減小摩擦阻力的列車,因此有推斥式和吸力式兩種“懸浮”形式,也就是通常所說的常導磁吸式(EMS)和超導磁斥式(EDS)兩種磁浮交通技術。目前,日本和德國的磁浮技術發展最為突出,且已實現商業應用,技術較為先進。國內研發磁浮交通技術已經有一些突破,但在高速磁浮研發中仍需要解決諸多技術難題,或尋找更優的解決方案,這需要通過專利信息檢索研究高速磁浮列車或其他領域的磁體技術,以尋求技術上的啟發。

常導磁吸式(EMS)磁浮列車利用裝在車輛兩側轉向架上的常導電磁鐵(懸浮電磁鐵)和鋪設在線路導軌上的磁鐵,在磁場作用下產生吸引力,使車輛浮起。超導磁斥式(EDS)則在車輛底部安裝超導磁體(放在液態氦儲存槽內),在軌道兩側鋪設一系列鋁環線圈。列車運行時,給車上線圈(超導磁體)通電流,產生強磁場,地上線圈(鋁環)與之相切,與車輛上超導磁體的磁場方向相反,兩個磁場產生排斥力。當排斥力大于車輛重量時,車輛就懸浮起來。因此,磁懸浮列車的懸浮、導向、制動和牽引功能,主要是通過磁體的作用來實現的。磁體在磁懸浮列車中占有重要的地位,磁體的結構、布置等,均是磁懸浮的關鍵技術。

根據研發需求開展專利檢索

研發工程師在研發過程中遇到關于磁體的技術難點,其大致的技術方向包括磁體的結構、布置、工藝等。研發工程師希望了解行業內先進企業在磁體方面的技術發展路線以及技術方案、磁體方面的專利內容等,從而向知識產權管理人員輸出具體的專利檢索需求,知識產權管理人員進而以研發工程師提到的磁體的結構、布置、工藝等關鍵技術作為研究對象,開展專利和文獻的檢索。經過檢索可知,截至2019年,電磁鐵相關專利達到400余個專利族、1000余件專利,相關文獻達到150余篇。知識產權管理人員分析磁體的重點技術發展路線、了解磁體的具體發展情況,發現具體的先進技術,再通過對先進技術的解讀和分析,給出研發技術啟示,同時提示專利布局的方向。

磁體重點技術路線分析

研發工程師以常導和超導兩種主流技術的磁體技術開展研究。如圖1所示,主要技術涉及磁體的設計、應用、結構改進及制造等方面。本文通過各機構公開的專利技術,研究了各關鍵技術的發展路線。

常導磁體出現較早,早期研究集中在對磁體原理、磁體結構的設計;中期研究開始對磁體性能進行研究,以發揮磁體穩定的性能;近幾年的研究則將重點放在對磁體制造方法材料等的改進上。早期技術主要是對導體線圈、地面線圈結構、性能方面的改進。如1971年專利DE2151150B2對磁懸浮細長導體線圈的改進,將細長型導體線圈兩端頭向上彎曲,提供較為穩定的懸浮力和導向力;1980年專利JP57009203A對地面線圈的連接結構進行了改進,優化地面線圈中各線圈與各絕緣體之間的連接結構,其中L-形絕緣總線連接對應的L-形導體,T-形絕緣總線連接對應的T-形導體,直流絕緣總線對應連接DC導體,此種設計使得各自的導體尺寸實現標準化,提高了生產質量,降低了成本。在地面線圈的固定方面,1999年日本專利JP4020538B2公布了一種使用拉近螺栓緊固地面線圈的技術,地面線圈進行封裝后,在樹脂外殼四周上設置四個緊固螺栓安裝口,可使線圈導體的電磁力和熱應力達到平衡,發揮最佳性能。在地面線圈的制造方面,2005年日本專利JP4603409B2公布了一種利用熱塑性樹脂一體注塑成型的技術;2009年德國專利DE102009038559B3公布了一種用于磁懸浮列車的磁極的改進結構,包括鐵芯、施加到鐵芯上的繞組、貼緊鐵芯下方接觸面的磁鐵背部和包封繞組以及鐵芯上方極面的保護層。該保護層在鐵芯下方區域內具有鄰接于其周邊面的部分,該部分由彈性材料構成。

超導磁體的主要相關技術集中在日本。1975年日本專利JP52061009A提出了一種L形的超導電磁鐵改進結構,并提供一個導電容器,解決超導電磁鐵的熱收縮應力問題。1981年日本專利JP1399944C公布了一種超導電磁鐵的改進結構,由超導線材卷繞成的超導線圈,被環氧樹脂包裹著絕緣,同時被間隔件隔開固定在超導電磁鐵的容器中,間隔開后形成液態氨的流動路徑。1985年日本專利JP62149105A提出了一種易于拆解維護的超導體結構,超導線圈的絕緣支撐體改進為易于拆卸的結構,并且具有一個環形環和壓蓋結構。1989年專利JP2655918B2更是對超導線圈的具體結構進行了改進,提供一種超導體鋁-銅復合空心體,將超導體進行材料的復合化之后,將鋁材制成中空體,然后經過其他步驟,形成中空面積減小的結構,以改善超導體中鋁和銅之間的熱擴散效應。1993年的一件專利,為提高超導電磁鐵的穩定懸浮性能,在超導磁體中設置一個永久電流開關,通過此開關的通斷控制電流,從而防止超導電磁鐵轉變為正常的導通。2012年的一件中國專利,提出了一種雙層高溫超導體概念,通過永磁體及聚磁材料等構成軌道、固定于車體架子中的低溫容器,低溫容器內固定有高溫超導塊材層,高溫超導塊材層為下層塊材與上層塊材疊放的雙層設計,起到同時提高原有單層懸浮系統懸浮力和導向力性能的目的,提高超導磁懸浮列車的載重能力和穩定性能。2013年日本專利JP6067537B2提出了一種超導電磁鐵的勵磁方法,對超導電磁鐵線圈的結構進行改進,將其分成四部分,彼此間隔開工作,通過電源連接其上,即使一個線圈出現問題,也不會影響其他線圈的工作。
綜上所述,常導磁體發展較早也較為成熟,從專利申請及研究的技術看,磁體的制造、材料和改進結構將成為未來技術發展的重點所在。超導磁體發展相對較晚,日本的相關技術較為發達、發展較快,國內外的研究工作目前也發展迅速。

磁體先進技術分析

在以上主要的技術發展路線中,磁體的主要先進技術發展方向和專利布局方向,為超導磁體、磁體線圈、磁體布置、磁體懸浮導向,以及磁體工藝、結構、驅動、冷卻等。上述領域也是各研究機構較為關注的關鍵技術。

1.磁體超導技術,主要研究方向有超導磁浮的永磁體、超導電磁鐵、超導線圈、超導材料等。該方面專利多為日本專利,主要研究機構包括有Hitachi Ltd、Railway Technical Resinst、Mitsubishi Electric Corp等。國內研究機構也已開始涉足該領域,如西南交通大學、上海磁浮交通工程技術研究中心、中科院等。

2.磁體線圈專利布局,主要涉及地面軌道線圈、線圈結構和安裝,以及線圈的供電等,申請專利的主體主要有Railway Technical Resinst、Mitsubishi Electric Corp、Central Japan Railway Co、Toshiba Corp等日本企業,也有研究機構開展了關于線圈對磁力影響的研究。磁體線圈專利技術主要在于解決線圈的能量利用效率,通過減少推進線圈的渦流損耗并降低功耗來提高推進效率,其技術方案為將接地線圈安裝在軌道上并纏繞電纜。

3.磁體布置, 主要涉及電磁鐵的布置、磁體的陣列布置、磁體的固定等, 其專利多集中在Mitsubishi Electric Corp、KraussMaffei AG、蒂森克魯伯等專利權人手中。

4.磁體工藝, 專利布局主要涉及電磁鐵或線圈的制造方法, 主要專利權人為Railway Technical Resinst、西門子、Mitsubishi Electric Corp、蒂森克魯伯等。

5.磁體結構,專利布局主要涉及電磁鐵的結構,主要專利權人有蒂森克魯伯、中國人民解放軍國防科學技術大學等。

6.磁體冷卻,主要研究對電磁鐵的冷卻方法或冷卻裝置。如上海磁浮交通工程技術研究中心的一件專利,利用低溫易蒸發的流體,直接將懸浮磁鐵線圈產生的熱量傳輸至懸浮磁鐵外部的冷凝器,通過該冷凝器的熱交換,凝聚的低溫流體返流入線圈部位重新吸熱蒸發,形成一個對懸浮磁鐵的熱源線圈進行直接冷卻的循環。中國人民解放軍國防科學技術大學的一件專利,涉及一種中低速磁浮列車懸浮電磁鐵的冷卻裝置,包括裝設于懸浮電磁鐵底部的風機固定組件,以及安裝于風機固定組件上的一個以上的風機,利用風機對懸浮電磁鐵進行風冷降溫。

專利應用建議

1.技術借鑒建議

根據專利中涉及的磁體相關內容,磁體技術大致包含磁體布置、超導磁體、磁體工藝、磁體檢測、磁體結構、磁體控制、磁體冷卻、磁體屏蔽、磁體驅動、磁體線圈、磁體懸浮導向、磁體載體等。對現階段來說,磁體系統的設計和制造應是主要關注方向,應該加強對這些重點系統技術的學習,掌握其技術,從而加快研發進度,但在技術借鑒和應用中,需注重技術的改進以及侵權風險的規避。

2.持續跟蹤專利信息

應加強對主要競爭對手技術發展動態的關注,了解其公布的最新技術動態,從而對自身的磁懸浮列車懸浮導向系統的設計研發進行突破和改進。

3.專利布局建議

根據目前先進技術已布局的專利,在此基礎上開展技術研發和技術改進,應從磁體的結構、控制、冷卻、驅動、布置等核心技術布局專利,再向磁體的檢測、工藝、載體等外圍技術開展專利布局,形成對創新技術的全面保護。

結語

綜上所述,企業在研發過程中通過分析專利信息,了解磁體技術的發展路線以及先進技術的實現方式,并根據分析了解的內容對研發提出切實可行的建議。除研發環節外,專利信息利用在市場、投資并購等企業經營各環節都發揮著重要作用,且在未來的企業實踐中將會得到更加廣泛的應用。


參考文獻
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