永磁電機無位置檢測技術的專利分析

邱利莎 于娟

（國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 450000）

0 引言

永磁電機作為驅動電機，具有效率高、體積小、功率密度大、可靠性高等優(yōu)點，廣泛應用于家用電器、電動汽車、風力發(fā)電等領域，針對永磁電機的驅動控制已經(jīng)成為電機技術領域的研究熱點。永磁電機的轉子由永磁體勵磁，依據(jù)反電動勢的形狀不同，永磁電機可以分為梯形波反電動勢和正弦波反電動勢，這兩種類型分別對應于無刷直流電機和永磁同步電機。同時，永磁電機具有多變量、非線性、強耦合的特點，通常采用矢量控制、直接轉矩控制等，從而獲得較好的動靜態(tài)性能，且永磁電機在進行矢量控制時，需要檢測電機的轉子位置以實現(xiàn)磁鏈和轉矩控制的解耦，而轉子位置可以通過位置傳感器或位置觀測算法獲得。其中，位置傳感器包括編碼器、霍爾器件、測速發(fā)電機等，但是傳感器存在體積大、成本高、引線多等缺點，會造成電機控制系統(tǒng)的整體性能下降［1］，而無位置傳感器檢測方式省去機械式傳感器，簡化了控制系統(tǒng)的連接線路，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，已經(jīng)成為位置檢測的主要發(fā)展趨勢。基于此，本研究針對永磁電機無位置檢測方式的專利發(fā)展情況進行分析，并對無位置檢測方式的專利技術進行深入研究。

1 專利分析研究方法

截至2021 年8 月，在中國專利文獻CNABS/CNTXT 數(shù)據(jù)庫以及德溫特DWPI 數(shù)據(jù)庫中檢索到3 654 篇專利文獻，在檢索過程中所采用的涉及電機類型的關鍵詞包括永磁同步、直流無刷及其擴展詞，涉及無位置檢測方法的關鍵詞包括高頻注入、脈沖注入、鎖相環(huán)、反向電動勢、滑膜、卡爾曼觀測器、模型參考自適應及其擴展詞，涉及的IPC 分類號主要包括H02P6/16、H02P21/13 及其下位點組，涉及的CPC 分類號主要包括H02P6/182、H02P6/183、H02P6/185、H02P6/186、H02P6/187、H02P6/188。基于檢索獲取到的專利文獻數(shù)據(jù)進行分析字段清理、標引、篩選等處理，共得到1 848 篇用于專利分析。下面的統(tǒng)計分析正是基于以上篩選得到的文獻進行的。

2 國內外專利技術總體現(xiàn)狀

2.1 專利申請年度趨勢

專利申請量的變化趨勢可以從總體上反映某一領域的技術發(fā)展動態(tài)，圖1 為國內外關于永磁電機無位置檢測技術的專利申請量發(fā)展趨勢。其中考慮到發(fā)明專利存在18 個月的公開滯后期，以及2021 年尚未結束，2020 年和2021 年的專利申請量數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計不完全的現(xiàn)象。目前，從全球范圍數(shù)據(jù)來看，永磁電機無位置檢測技術的累積申請量已達1 848 件，其在中國累積申請量達664 件，占全球總數(shù)的35.93%。通過圖1 對比國內外專利申請量可以看出，2000年以前是永磁電機無位置檢測技術的起步期，專利申請主要來自國外申請；2000—2013 年，國外專利申請緩慢增長并趨于平穩(wěn)，國內專利申請持續(xù)平穩(wěn)增長，進入永磁電機無位置檢測技術的平穩(wěn)發(fā)展期；2014—2018 年，國外專利申請先增加后趨于平穩(wěn)，國內專利申請量出現(xiàn)激增現(xiàn)象，進入永磁電機無位置檢測技術的快速發(fā)展期，此階段國內專利年申請量占全球申請量的比例從31.91%增長到61.42%；2018 年以后國內外專利申請量均出現(xiàn)回落，進入永磁電機無位置檢測技術的發(fā)展成熟期。

圖1 國內外專利申請年度趨勢

2.2 專利申請地域分析

專利申請人的國別可以反映技術創(chuàng)新的來源地，圖2 為永磁電機無位置檢測技術的專利申請人所在國的國別占比情況。由圖2 可知，中國的專利申請量最多，占全球總量的36%，這反映了自21 世紀以來中國永磁電機無位置檢測技術的發(fā)展突飛猛進；其次是日本，專利申請量占全球總量的27%，這反映了日本的電機無位置檢測技術在全球起到舉足輕重的作用；另外，美國、韓國、德國的申請量也相對較多，分別占全球總量的14%、9%、7%。

圖2 全球主要申請人所在國的國別占比

各國申請人在中國的申請量情況可以反映各國在中國的專利布局情況，圖3 為全球永磁電機無位置檢測技術各國申請人在中國的申請量占比情況。由圖3 可知，國內申請人在我國提交的專利申請量所占的比重最大，其次是日本。與除中國外的其他各國相比，日本在中國提交的專利申請量遙遙領先，達到7%，這與日本在汽車工業(yè)方面的技術優(yōu)勢密不可分。實際上，汽車工業(yè)是永磁電機的最大應用領域，日本發(fā)達的汽車工業(yè)決定了日本在永磁電機無位置檢測技術方面擁有更多的核心技術。除此之外，德國、美國、英國等國家在中國的專利申請量也占有一定比重。

圖3 全球各國申請人在中國的申請量占比

2.3 全球專利申請主要申請人分析

申請人分析可以了解某一領域里主要競爭機構或個人的競爭力情況，圖4 為全球申請量排名前十的申請人以及相應的申請量情況。與圖2 所示的主要申請人所在國的國別占比相對應，由圖4 可知，國外排名靠前的申請人主要有日本的松下電器和日立、德國的博世集團、韓國的三星電子和LG 電子，國內排名靠前的申請人主要有高校，包括哈爾濱工業(yè)大學、哈爾濱理工大學、南京航空航天大學，以及企業(yè)，包括美的集團股份有限公司和江蘇美的清潔電器股份有限公司。

圖4 全球專利申請主要申請人

其中，在國外排名靠前的申請人中，日本的松下電器關于永磁電機無位置檢測技術的專利申請量遙遙領先，該公司不僅起步較早，而且產(chǎn)品覆蓋面廣，涵蓋了個人消費產(chǎn)品（如照相機、洗衣機、空調、吸塵器等）、商用產(chǎn)品（如自動門、新風機、換氣扇等）、制造業(yè)產(chǎn)品（如變頻螺桿機組等），并且很多產(chǎn)品都運用了電機，這就涉及電機控制技術，而電機控制技術離不開位置檢測技術。在國內排名靠前的申請人中，高校和企業(yè)不相上下，高校以哈爾濱工業(yè)大學為例，該校電機與電器學科屬于國家重點學科，研究方向涉及極端環(huán)境用微特電機、電動車電驅動、特種電機驅動控制等，進而涉及位置檢測技術等相關電機控制技術；企業(yè)以美的集團股份有限公司為例，該公司的業(yè)務不僅涉及家電領域，還涉及機電、暖通、機器人等領域，其中絕大部分領域均涉及包括位置檢測技術等的電機控制技術。

2.4 永磁電機無位置檢測的技術研究

由于位置傳感器具有成本較高、在惡劣的工作環(huán)境中易受到干擾、可靠性差等缺點，并且安裝位置傳感器會增加設備的體積和重量，因此通過無位置傳感器檢測方法來估算轉子位置越來越受到關注?；谟来烹姍C磁體結構的不同，以及電機運行轉速的不同，國內外已經(jīng)提出了多種無位置檢測方法，來解決凸極式永磁電機和表貼式永磁電機在高低速運行狀態(tài)以及零速狀態(tài)下的位置檢測問題，主要包括高頻注入法、反電動勢法、滑膜觀測器法以及神經(jīng)網(wǎng)絡智能算法等。為了解各種無位置檢測方法的專利申請情況，下面將從專利申請量和專利申請發(fā)展趨勢角度分析六種主要檢測方法的專利申請狀態(tài)，并詳細分析每種檢測方法的工作原理和適用環(huán)境，為今后的位置檢測專利申請?zhí)峁┭芯糠较蚝图夹g參考。表1 為各無位置檢測方法的文獻數(shù)量情況。

表1 永磁電機無位置檢測技術各技術方向的文獻量

通過對篩選出的1 848篇專利文獻進行標引和統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，永磁電機無位置檢測技術包括多種檢測方法，如反電動勢法、高頻注入法、鎖相環(huán)法、脈沖注入法、電感法、滑膜觀測器法、智能算法、卡爾曼濾波法、模型參考自適應法等，其中，基于反電動勢的檢測方法的申請量累計達到927 篇，在無位置檢測方法中專利申請量最多，其次是高頻注入法，申請量累計達到260 篇，在無位置檢測方法中同樣占有重要位置。

圖5 為永磁電機無位置檢測技術中各檢測方法的申請量占比情況，其中，反電動勢法、高頻注入法、鎖相環(huán)法、脈沖注入法、電感法、滑膜觀測器法為主要的檢測方法，尤其是反電動勢法，占無位置檢測方法的50%，高頻注入法占無位置檢測方法的14%。

圖5 各檢測方法的申請量占比

圖6 為六種主要無位置檢測方法的申請量發(fā)展趨勢折線圖，從申請量占比和發(fā)展趨勢可以看出，基于反電動勢的檢測方法出現(xiàn)于20 世紀70 年代，是最早出現(xiàn)的無位置檢測方法，同時，其申請量占無位置檢測方法的50%，也是目前申請量最大、應用最為廣泛的一種無位置檢測方法，這主要在于該方法具有簡單高效、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。對于反電動勢檢測方法，主要包括直接反電動勢計算、擴展反電動勢法、三次諧波反電動勢法等，其中，直接反電動勢計算對電機參數(shù)的變化比較敏感；擴展反電動勢法將α軸和β軸上的電感的直流分量和交流分量解耦，將交流分量添加到繞組反電動勢中形成擴展反電動勢，并根據(jù)擴展反電動勢計算轉子位置，可以進一步減小對電機參數(shù)的依賴；三次諧波反電動勢法通過檢測和分析永磁電機的三次諧波反電動勢來估算轉子位置，具有相對較高的檢測精度［2］。但是，反電動勢檢測方法在電機零速以及低速時無法準確估算出轉子位置，通常適用于電機在中高速時的位置檢測。

高頻注入法可以估算出電機在零速以及低速時的轉子位置，從專利申請量占比和折線圖可以看出，高頻注入法出現(xiàn)在反電動勢檢測方法之后，早期主要用于解決反電動勢檢測方法無法估算電機在零低速時轉子位置的問題。進入21 世紀后，高頻注入法得到快速發(fā)展，先后出現(xiàn)了旋轉高頻電壓信號注入法、脈振高頻電壓信號注入法以及高頻電流信號注入法等。其中，旋轉高頻電壓信號注入法是在靜止坐標系下注入旋轉電壓矢量，從負序響應電流中提取轉子位置信息，估算過程不受電機參數(shù)變化的影響，但通常適用于凸極永磁電機的位置檢測中。脈振高頻電壓信號注入法是在旋轉坐標系下注入脈振電壓信號，在定子繞組中形成脈振磁勢，且磁勢的方向與直軸方向相同，使得直軸磁路始終保持飽和狀態(tài)，即使是表貼式永磁同步電機也可以表現(xiàn)出凸極特性，進而可以從響應電流中提取轉子位置信息，估算穩(wěn)態(tài)誤差受濾波器的影響較小，但動態(tài)性能較差［3］。此外，高頻電流信號注入法只須注入小幅度的高頻電流即可得到較大的電壓響應信號，但在實踐中較少應用［4］。

鎖相環(huán)出現(xiàn)也較早，主要用于基于反電動勢估算電機的轉子位置，但早期反電動勢的估算主要依賴于直接計算或構建反電動勢檢測電路，具有較大的諧波干擾，且計算效率不高，導致估算的轉子位置具有較大誤差。直到滑膜觀測器的出現(xiàn)，進一步帶動了鎖相環(huán)的發(fā)展，很多專利文獻將鎖相環(huán)與滑膜觀測器相結合來估算轉子位置，先采用滑膜觀測器估算得到反電動勢，再利用鎖相環(huán)從反電動勢信號中提取轉子位置，從而實現(xiàn)轉子位置的估算［5］。基于滑膜觀測器和鎖相環(huán)的位置檢測方法能夠快速跟蹤轉子位置變化，并能濾除高頻諧波和噪聲，有利于提高位置觀測精度，其中滑膜觀測器+鎖相環(huán)的轉子位置估算系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 滑膜觀測器+鎖相環(huán)的轉子位置估算系統(tǒng)

此外，脈沖注入法和電感法的申請量相對較少，主要用于檢測凸極式永磁電機的轉子初始位置，脈沖注入法是向電機定子繞組中注入多個方向的電壓脈沖，最大響應電流對應的方向就是磁極N 極對應的位置；電感法則是利用電機dq軸電感差異的原理，通過向定子繞組施加兩次線性無關的電壓矢量，測量電流瞬態(tài)響應得到電感參數(shù)矩陣，進而從電感參數(shù)矩陣中提取出轉子位置信息［2］。

3 結語

從永磁電機無位置檢測技術的專利申請情況來看，中國起步較晚，但是后期快速發(fā)展，直至在全球占有一席之地。截止到2021 年，在全球排名前十的申請人中，國內申請與國外申請平分秋色，這也印證了永磁電機無位置檢測技術在中國的迅猛發(fā)展之勢。結合永磁電機無位置檢測技術各項技術主題的申請量占比和申請趨勢可以看出，反電動勢檢測法由于具有簡單高效、易于實現(xiàn)等優(yōu)點出現(xiàn)最早，并且應用也最為廣泛，隨后高頻注入法由于具有可以估算零低速轉子位置的優(yōu)勢應運而生，基于反電動勢估算轉子位置的鎖相環(huán)法出現(xiàn)也較早，并且后期隨著滑膜觀測器的提出而得到進一步的發(fā)展與應用。目前，永磁電機無位置檢測技術各項技術主題百花齊放，為電機控制技術的發(fā)展提供了強有力的技術支持。