日本制鐵新能源汽車用無取向電工鋼專利分析

PATENTANALYSISOFNON-ORIENTEDELECTRICAL STEELFORNEWENERGYVEHICLESOFNIPPON STEEL

WangYujie Gao Xueyan Zhou Li （China Metallurgical Information and Standardization InstituteBeijing ，China）

Abstract：ICombining with the current development status of new energy vehicles，as wellas the requirements for driving motors ofnewenergyvehiclesand non-oriented electrical steel，this paper screns，indexes，and processes the patentdocumentsofNippon Steel'snon-orientedelectricalstelfornewenergyvehicles.Asystematicanalysisiscarried out fromaspects such as application trends，regional distribution，and technologies.It playsan information guiding rolefor market entities and research and development teams in China to understand the patentcompetition patern and technology development trends.

Key words：Nippon Steel; new energy vehicles; non-oriented electrical steel; patent analysis

0前言

新能源汽車有三大核心部件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)就是其中之一，電工鋼是制造新能源汽車電機(jī)的核心材料。隨著中國(guó)、歐洲等地區(qū)的新能源汽車銷量不斷攀升，電動(dòng)鋼市場(chǎng)也開始快速增長(zhǎng)。新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子鐵心均采用大量的電工鋼加工、疊片裝配而成。為確保新能源汽車電機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)高效、電機(jī)能量密度更高，定轉(zhuǎn)子鐵心使用的電工鋼片對(duì)鐵損、磁感應(yīng)強(qiáng)度要求比常規(guī)電機(jī)更高，其使用的基本上都是高牌號(hào)無取向硅鋼[1-4]。

在高頻工作環(huán)境下，新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)無取向硅鋼提出了更高要求，降低鐵損是無取向硅鋼發(fā)展重點(diǎn)。此外，無取向電工鋼還應(yīng)具有高磁感、低鐵損和低磁致伸縮的特性，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備輕量化、高效率、低能耗和低噪聲。同時(shí)新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)用無取向硅鋼還需要滿足嚴(yán)苛的加工、裝配等制造要求[5-8]

日本制鐵是日本最大的跨國(guó)性的鋼鐵公司，也是全球最大的綜合鋼鐵生產(chǎn)商之一。該公司注重依靠技術(shù)改造和創(chuàng)新，以期在最大限度減少能耗的同時(shí)為企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值，也為全球社會(huì)做出了貢獻(xiàn)。其研發(fā)的適合新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的有“H”和“HX”兩個(gè)系列多規(guī)格的無取向電工鋼產(chǎn)品[9-10]。

本文針對(duì)日本制鐵新能源汽車用無取向電工鋼專利技術(shù)，在智慧芽數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)相關(guān)專利申請(qǐng)進(jìn)行檢索、篩選、標(biāo)引、數(shù)據(jù)處理，對(duì)全球直流礦熱爐相關(guān)專利的申請(qǐng)態(tài)勢(shì)、區(qū)域布局情況、技術(shù)現(xiàn)狀等進(jìn)行多角度的分析，為相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)人員提供技術(shù)借鑒。

1全球?qū)＠暾?qǐng)發(fā)展趨勢(shì)

通過對(duì)日本制鐵新能源汽車用無取向電工鋼相關(guān)專利技術(shù)進(jìn)行檢索，在所收集到的數(shù)據(jù)上進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和篩選，共得到相關(guān)專利族257項(xiàng)，專利申請(qǐng)文件756件。日本制鐵新能源汽車用無取向電工鋼專利申請(qǐng)趨勢(shì)，見圖1。

圖1日本制鐵新能源汽車用無取向電工鋼技術(shù)專利申請(qǐng)趨勢(shì)

通過申請(qǐng)趨勢(shì)可以從宏觀層面把握分析對(duì)象在各時(shí)期的專利申請(qǐng)熱度變化。總體來說，大致可以分為以下四個(gè)時(shí)期，該技術(shù)領(lǐng)域的申請(qǐng)量在2004年之前屬于技術(shù)萌芽期，2005-2014年屬于逐步增長(zhǎng)階段，2015-2022年之后快速波動(dòng)增長(zhǎng)，2023年至今增長(zhǎng)速度放緩。

在2004年之前，由于技術(shù)的發(fā)展以及市場(chǎng)對(duì)新能源汽車用無取向電工鋼技術(shù)的需求，日本制鐵在汽車用無取向電工鋼技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)數(shù)量較少，申請(qǐng)不連續(xù)，多數(shù)年份在個(gè)位數(shù)，如1990-1996年基本維持在較低水平，這一期間的波動(dòng)區(qū)間在1～9件之間，平均申請(qǐng)量在3件左右。當(dāng)時(shí)汽車用無取向電工鋼技術(shù)在全球范圍內(nèi)還未引起廣泛的關(guān)注，相關(guān)技術(shù)研發(fā)尚處于起步和探索階段，市場(chǎng)對(duì)該技術(shù)的需求也相對(duì)有限，日本制鐵作為企業(yè)投入到該領(lǐng)域的研發(fā)資源也相對(duì)較少。日本制鐵在1991年申請(qǐng)的JP1993263198A具有優(yōu)異磁性的多層無取向電工鋼板，具有優(yōu)化的表面和內(nèi)層組成以及厚度比的多層鋼板解決了在低頻和高頻上實(shí)現(xiàn)平衡磁性的挑戰(zhàn)，從而提高了電氣設(shè)備的性能，該項(xiàng)專利是該技術(shù)的萌芽。

2005-2014年，專利申請(qǐng)數(shù)量呈現(xiàn)出逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，盡管增長(zhǎng)過程有一定的波動(dòng)，但整體呈上升態(tài)勢(shì)。從2004年的5項(xiàng)專利增長(zhǎng)到2014年的27項(xiàng)。這一時(shí)期，全球汽車產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，對(duì)汽車用無取向電工鋼的性能和質(zhì)量要求逐漸提高，如汽車的節(jié)能、輕量化需求推動(dòng)了相關(guān)材料技術(shù)的研發(fā)。日本制鐵作為鋼鐵行業(yè)的重要企業(yè)，加大了在該領(lǐng)域的研發(fā)投入，以滿足市場(chǎng)需求并提升自身的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。其在2009年申請(qǐng)的無取向電工鋼板及其制造方法，通過對(duì)化學(xué)成分的控制，以及涉及在特定溫度下進(jìn)行熱處理的制造過程，以促進(jìn)TIN沉淀和增長(zhǎng)，從而促進(jìn)良好的Ti含量和增強(qiáng)的Ti顆粒和增強(qiáng)型顆粒，抑制細(xì)小的Ti夾雜物，改善了晶粒的生長(zhǎng)并減少了高頻范圍的鐵損失，從而改善了磁性和成本效益的產(chǎn)生。

在2015-2022年這一階段，專利申請(qǐng)數(shù)量增長(zhǎng)更為迅速，且波動(dòng)幅度較大。2021年達(dá)到了132項(xiàng)的峰值。新能源汽車產(chǎn)業(yè)爆發(fā)增長(zhǎng)，新能源汽車的電機(jī)對(duì)無取向電工鋼的性能和質(zhì)量有更高的要求，如更高的磁導(dǎo)率、更低的鐵損等。日本制鐵為了搶占新能源汽車用無取向電工鋼技術(shù)的市場(chǎng)份額，加大了研發(fā)力度，投入大量資源進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，不斷涌現(xiàn)新興技術(shù)，使得專利申請(qǐng)數(shù)量快速增長(zhǎng)。同時(shí)，由于技術(shù)研發(fā)的不確定性使得每年的專利申請(qǐng)數(shù)量出現(xiàn)較大波動(dòng)。在此期間，日本制鐵采用新的二次冷軋法，用合適的中間退火和成品退火工藝，獲得最佳晶粒尺寸和盡可能強(qiáng)的有利織構(gòu)，減少內(nèi)氧化層厚度。例如，其在2021年申請(qǐng)的CN116829753A無取向電工鋼板及其制造方法，通過調(diào)整Si、Al和Mn的含量，并在制造過程中省略熱軋板退火，進(jìn)行一次冷軋和中間退火，結(jié)合適當(dāng)?shù)亩卫滠埡妥罱K退火工序，制備出具有高強(qiáng)度和優(yōu)異磁特性的無取向電磁鋼板，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定地生產(chǎn)出高強(qiáng)度和優(yōu)異磁特性的無取向電磁鋼板，避免了冷軋時(shí)的斷裂，并降低了鐵損和渦流損耗。

2023年至今增長(zhǎng)速度放緩。2022年專利數(shù)量降至80項(xiàng)，2024年進(jìn)一步降至30項(xiàng)。由于下列多種原因，導(dǎo)致了2023-2024年提出的專利申請(qǐng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)量不完全。如PCT專利申請(qǐng)可能自申請(qǐng)日起30個(gè)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間之后進(jìn)入國(guó)家階段，從而導(dǎo)致與之相對(duì)應(yīng)的國(guó)家公布時(shí)間晚；發(fā)明專利申請(qǐng)通常自申請(qǐng)日（有優(yōu)先權(quán)的，自優(yōu)先權(quán)日）起18個(gè)月（要求提前公布的申請(qǐng)除外）才能被公布；實(shí)用新型專利申請(qǐng)?jiān)谑跈?quán)后才能被公布，其公布日滯后程度取決于審查周期的長(zhǎng)短等。此外，還可能是因?yàn)榍捌诖罅康难邪l(fā)投入和專利申請(qǐng)后，日本制鐵進(jìn)入了一個(gè)技術(shù)成果消化和整合的階段，企業(yè)可能更注重專利的質(zhì)量和實(shí)際應(yīng)用；與此同時(shí)，企業(yè)會(huì)更注重專利的質(zhì)量和實(shí)際應(yīng)用，而不再單純追求數(shù)量。

2專利區(qū)域分析

圖2為日本制鐵新能源汽車用無取向電工鋼技術(shù)專利申請(qǐng)全球布局，由圖中可以看出，日本制鐵在新能源汽車用無取向電工鋼技術(shù)專利申請(qǐng)總量最多的國(guó)家/地區(qū)為日本，其次為中國(guó)、美國(guó)、巴西、印度。這充分體現(xiàn)了日本制鐵在本土市場(chǎng)的絕對(duì)主導(dǎo)地位和深厚的技術(shù)研發(fā)根基。同時(shí)對(duì)中國(guó)和美國(guó)等新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)或市場(chǎng)規(guī)模龐大的國(guó)家和地區(qū)也進(jìn)行了重點(diǎn)布局，反映出其以市場(chǎng)為導(dǎo)向的專利布局戰(zhàn)略，通過在關(guān)鍵市場(chǎng)擁有大量專利，能夠更好地適應(yīng)和滿足當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)需求以占據(jù)市場(chǎng)份額。

圖2日本制鐵新能源汽車用無取向電工鋼技術(shù)專利申請(qǐng)全球布局

此外，日本制鐵還在世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織和歐洲 專利局等國(guó)際組織進(jìn)行專利申請(qǐng)，日本制鐵借助國(guó)際/組織平臺(tái)的國(guó)際影響力，在多個(gè)國(guó)家和地區(qū)同時(shí)獲得專利保護(hù)，簡(jiǎn)化國(guó)際專利申請(qǐng)流程，更高效地實(shí)現(xiàn)全球市場(chǎng)的專利布局。

通過在不同國(guó)家和地區(qū)的專利布局，能夠更好地融入當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)鏈，與各國(guó)企業(yè)建立合作關(guān)系，實(shí)現(xiàn)技術(shù)、市場(chǎng)和資源的共享，進(jìn)一步推動(dòng)企業(yè)的全球化發(fā)展。日本制鐵的全球?qū)＠季忠矠槠渌髽I(yè)提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)整個(gè)新能源汽車用無取向電工鋼技術(shù)領(lǐng)域更加注重全球市場(chǎng)的開拓和專利保護(hù)。同時(shí)，也可能引發(fā)行業(yè)內(nèi)的專利競(jìng)爭(zhēng)與合作，促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，推動(dòng)全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

3技術(shù)分析

同一項(xiàng)發(fā)明創(chuàng)造在多個(gè)國(guó)家申請(qǐng)專利而產(chǎn)生的一組內(nèi)容相同或基本相同的文獻(xiàn)，稱為一個(gè)專利族。從技術(shù)的角度看，屬于同一個(gè)專利族的多個(gè)專利申請(qǐng)可視為同一項(xiàng)技術(shù)。本小節(jié)從技術(shù)層面進(jìn)一步細(xì)化分析日本制鐵新能源汽車用無取向電工鋼技術(shù)。圖3展示的是日本制鐵在新能源汽車用電工鋼技術(shù)在各關(guān)鍵技術(shù)方向的數(shù)量分布情況。通過分析，可以了解對(duì)象覆蓋的技術(shù)類別，以及各技術(shù)分支的創(chuàng)新熱度。由此可知，日本制鐵在新能源汽車用無取向電工鋼的合金成分是申請(qǐng)熱點(diǎn)，而在織構(gòu)控制、潔凈度等技術(shù)分支的申請(qǐng)專利較少。

圖3日本制鐵新能源汽車用無取向電工鋼技術(shù)方向

日本制鐵高度重視通過調(diào)整合金成分來提升無取向電工鋼的性能。通過改變合金元素的種類、配比，能夠有效改善電工鋼的磁性能、力學(xué)性能等，以滿足新能源汽車電機(jī)在不同工況下對(duì)材料的高性能要求。這是日本制鐵研發(fā)的核心技術(shù)方向。控制晶粒尺寸對(duì)無取向電工鋼的性能有著顯著影響，合適的晶粒尺寸亦可以優(yōu)化材料的磁性能和加工性能。涂層技術(shù)對(duì)于無取向電工鋼至關(guān)重要，可以提高材料的絕緣性能、抗腐蝕性能等。在新能源汽車的應(yīng)用場(chǎng)景中，良好的涂層能夠有效防止電工鋼在復(fù)雜環(huán)境下發(fā)生銹蝕，保證電機(jī)的絕緣安全，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。控制鋼中的雜質(zhì)元素含量可以減少材料內(nèi)部的缺陷，提高材料的磁性能和力學(xué)性能而織構(gòu)控制則能夠優(yōu)化材料的各向異性，使材料的性能更符合新能源汽車電機(jī)的使用需求。雖然這兩個(gè)技術(shù)方向的專利數(shù)量相對(duì)較少，但也體現(xiàn)了日本制鐵對(duì)提升無取向電工鋼綜合性能的全面考量。

日本制鐵在合金成分控制方向采用的具體做法有：專利US9570219B2提供一種無取向電工鋼板及其制造方法。通過控制Si、AI和Mn的平衡，防正脆性并確保有效的冷軋和退火，在不影響生產(chǎn)率的情況下實(shí)現(xiàn)最佳電阻率和飽和磁通密度。專利CN103415638B提供一種無方向性電磁鋼板、其制造方法、電機(jī)鐵心用層疊體及其制造方法，其通過整鐵磁鋼板的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，包括在鋼板中加人特定量的C、Si、Mn、Al、Ti、V、Zr、Nb等元素，并通過熱軋和冷軋工序，以及退火處理，形成鐵素體相和微細(xì)析出物，以實(shí)現(xiàn)鋼板的無方向性和高效性能。專利CN103534376B通過在鐵芯材料中合理調(diào)整元素成分，如Ti、V、Zr、Nb的含量和析出物密度，形成鐵素體相，并采用熱軋、冷軋和退火工序制造無方向性電磁鋼板，確保鐵素體晶粒的平均粒徑和析出物分布，結(jié)合層疊體結(jié)構(gòu)提高機(jī)械強(qiáng)度和磁特性。

在涂層方向，專利CN115668411A提出采用含有環(huán)氧樹脂、高溫固化型交聯(lián)劑和無機(jī)微粒的電磁鋼板用涂布組合物，通過熱壓接合形成絕緣被膜，提高層疊鐵芯的生產(chǎn)性和接合強(qiáng)度。含有環(huán)氧樹脂、高溫固化型交聯(lián)劑和無機(jī)微粒的電磁鋼板用涂布組合物，通過熱壓接合形成絕緣被膜，提高層疊鐵芯的生產(chǎn)性和接合強(qiáng)度。

在織構(gòu)控制方向，專利JP2017145462A、JP2017193731A均開發(fā) {100}lt;011gt; 取向，并提出降低轉(zhuǎn)變溫度并在熱軋后進(jìn)行淬火以使織構(gòu)更細(xì)的技術(shù)方案。專利US12024762B2以 ∝-γ 相變體系的化學(xué)組成為前提，在規(guī)定條件下進(jìn)行熱軋及冷卻以優(yōu)化晶粒尺寸，以規(guī)定的壓下率進(jìn)行冷軋，將中間退火溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)，并在以適當(dāng)?shù)膲合侣蔬M(jìn)行二次冷軋（表皮光軋）后進(jìn)行退火，從而促進(jìn){411}相的形成，進(jìn)而降低制造負(fù)荷并增強(qiáng)磁特性。

4小結(jié)

綜上所述，日本制鐵在新能源汽車用無取向電工鋼領(lǐng)域的專利布局與技術(shù)研發(fā)，勾勒出行業(yè)發(fā)展的清晰脈絡(luò)。從申請(qǐng)趨勢(shì)看，歷經(jīng)不同發(fā)展階段，反映出市場(chǎng)需求與技術(shù)迭代的關(guān)系；日本制鐵在區(qū)域布局中錨定核心市場(chǎng)日本和中國(guó)，并兼顧全球拓展，以適配產(chǎn)業(yè)全球化浪潮。在技術(shù)層面，合金成分、微觀組織調(diào)控等方向的深耕，為新能源汽車用無取向電工鋼性能的提升筑牢根基。

展望未來，合金體系探索、微觀組織精細(xì)控制、涂層技術(shù)創(chuàng)新等將成為新能源汽車用無取向電工鋼領(lǐng)域發(fā)展重點(diǎn)；與此同時(shí)，智能制造與綠色制造融合、跨領(lǐng)域協(xié)同也將重塑產(chǎn)業(yè)生態(tài)。這為全球新能源汽車用無取向電工鋼產(chǎn)業(yè)指明了方向，助力該產(chǎn)品在性能突破、綠色可持續(xù)與智能化融合中前行，以材料創(chuàng)新賦能新能源汽車發(fā)展。

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