基于專利情報的汽車電子風扇技術發展分析

摘要：汽車電子風扇，是汽車冷卻系統的重要組成部分，它的主要功能是散發發動機和空調（AC） 冷凝器或散熱器產生的熱量。隨著汽車電子風扇的應用范圍越來越廣，市場競爭也越來越激烈。本文通過分析對比中國汽車電子風扇產業、技術發展現狀，幫助相關企業認清在國際和汽車電子風扇競爭中的地位和優、劣勢，為企業更好地規劃研發方向和重點，尋求產品研發過程中的解決方案，尋找技術創新突破口等提供參考。

關鍵詞：專利情報；汽車電子風扇；技術發展現狀

引言

汽車散熱風扇作為汽車冷卻系統的重要組成部分，越來越受到人們的重視。新能源汽車散熱風扇選擇：耐用和智能讓無刷風扇成為焦點。散熱器的作用就是對新能源汽車動力系統進行散熱，而風扇起到加速散熱器熱交換效率的重要作用。散熱風扇的好壞直接影響新能源汽車散熱器散熱效果。隨著技術進步、性能穩定及生產工藝的標準化、規模化，無刷電子風扇的成本在逐漸降低，無刷電子風扇定將成為新能源汽車散熱器風扇的首選[1]。直流無刷電子風扇也將成為新能源汽車散熱的主流配置。

一、全球專利整體布局態勢

如圖1 所示，從1998 年至今，相關專利共有730 項。可以看出，專利申請1998—2013 年間為緩慢發展階段，2014年開始快速增長，2017 年達到最高峰，2018 年之后呈下降趨勢，2022 年有所反彈。

二、主要申請人專利分析

（一）斯佩爾汽車公司（簡稱“SPAL”）

根據統計，公司相關專利總計58 項。從1999 年開始出現相關申請，年申請量總體呈現波動趨勢。1999—2004 年，僅有零星相關專利申請。2005—2008 年屬于高速發展階段，尤其在2005 年和2008 年專利申請量分別達到最高值的7 項和8 項，但是總體來說每年的專利數量均在個位數徘徊。2009年專利申請量回落到2 項，之后小幅度上升，從2009-2023 年，專利申請量在年平均3 項左右。

從粗略的專利技術分布統計看，結構專利占主要部分，專利申請的延續性較好，控制相關的專利較少，僅在2008、2009 年、2015、2016、2017、2020 年有少量專利布局，說明SPAL 研發主攻方向是電子風扇的結構設計，雖然近年來對控制技術有所關注，但對控制技術的關注度明顯弱于對結構的關注。

如圖2 所示，在定子鐵芯方向，SPAL 提出US7923877B2，兩個正極化電刷可以相互連接并與第三電刷隔離，從而以兩種速度驅動電機；CN114977590A 提出設置合理的鐵芯徑向齒長寬深比例，使流動截面最大化。在定子繞組方向，提出CN102449886B，通過熱沉吸收多余熱量，使電機內的電氣連接更可靠。在定子絕緣套方向，提出CN104380570B，使用吸濕飽和度小于0.8％的材料制作絕緣套，以降低電機內產生的濕氣。

對于電機轉子，提出CN104321951B，通過在轉子磁鐵和定位槽間設置彎曲彈簧，用于穩固磁鐵；CN104321951B利用在座部上方插入彈簧，同一彈簧固定兩個相鄰磁體。

在PCBA 方向，EP3554884B1 通過設置預充電電路減少沖擊電流。

在散熱方向，CN109980860B 提出利用導電軌道的熱量經過導電填充物傳遞到蓋外排出；CN107709791B 通過在轂內部產生切向下降氣流除去馬達熱量；CN101878582B 利用彈性元件將電子電路壓靠在散熱后蓋上；CN101809831B 在蓋與電刷支撐件之間有silpad 填隙片；CN102160261A 通過優化結構增強散熱。

進一步地，結合各技術細分領域可以看出，SPAL 在電機結構上最關注后蓋的散熱技術、定子鐵芯及PCBA 布局。在散熱技術上最關注PCBA 散熱和定子繞組散熱，這與公司近年來推出的大功率風扇的電子元件發熱量較大密切相關。在罩殼設計方面，公司對導風吸風面設計和防護網設計關注度大致相當，其中通過改進導風吸風面以增強流體動力特性是最主要研究方向。在密封技術上，公司一方面強調改善軸承密封，一方面致力于加強殼體和后蓋的密封。在扇葉技術上，公司重點關注通過扇葉的形狀設計優化以提升出風量及減小振動噪聲等，另一方面通過合理布局扇葉在罩體中的位置以達到整體小型化的目標。對于輪轂設計，重點考慮了輪轂的端面或側面留出排氣除塵孔，方便蒸汽的排出，減少對內部器件的污染。在減振方向上，重點考慮通過改善轉子的動平衡來達到減振的效果。在降噪方向，通過扇葉設計的優化來減小噪聲。

在繞組散熱方向，主要涉及3 件專利，CN101790830B提出定子殼體底壁具有抵接部，通過支承與繞組的一部分配合， 將熱量從繞組導出到底壁；CN105393439B 提出底壁突起設計成扁平狀，增大與繞組線圈接觸面積以輔助散熱；CN105432001B 提出增大各個線圈的熱交換表面。

在繞組散熱方向，主要涉及3 件專利，CN101790830B提出定子殼體底壁具有抵接部，通過支承與繞組的一部分配合， 將熱量從繞組導出到底壁；CN105393439B 提出底壁突起設計成扁平狀，增大與繞組線圈接觸面積以輔助散熱；CN105432001B 提出增大各個線圈的熱交換表面。

空氣散熱方向布局有1 件專利WO2008146154A2，該專利提出在輪轂端面的孔及輪轂葉片，增加冷卻空氣的散熱效果。

（二）依必安派特（簡稱EBM）

EBM 從1998 年開始申請電子風扇相關專利，1998—2006 年處于緩慢發展階段，每年專利申請量基本上在10 項以下。2007 年到2014 年，專利申請處于上升期，總體申請量呈現逐年上升態勢。2015—2017 年，專利申請量激增，2017 年達到最高值。在此之后，專利申請量大幅度下降，2021 年以后略有上升。從各技術分支申請量的變化看，從EBM 專利申請趨勢可以看出，早期的專利申請主要集中于結構和控制方面，2005 年以后結構方向專利增速遠大于控制方向專利增速，顯然在2005—2013 年期間EBM 主要專注于對電子風扇結構的改進。2014 年以后，結構、控制方向專利均出現大幅度增長，同時測試仿真方向專利也逐漸增多，說明2014 年以后EBM加大了在結構控制和測試仿真三個方向的研發力度。

結論

從專利申請活躍度看，EBM 專利數量最多，涉及技術最全面。專利數量排在第二三位的分別是SPAL 和祥明。其余各家專利數量均在30 件以下，數量相差不大。但是若論技術覆蓋面，則以EBM 和SPAL 為佳。從專利質量看，SPAL 和EBM 的專利質量無論從授權率、有效發明專利占比還是技術先進性均明顯好于其他競爭對手。

從技術分布看，EBM 技術分布幾乎覆蓋了所有技術分支，既關注電子風扇結構也關注控制和測試仿真；SPAL 專利重點放在電子風扇和電機的結構改進方向[2]。國內企業大都處于技術跟隨地位，主要是模仿SPAL 和EBM 技術并尋求技術突破。國內企業的專利涉及結構改進專利較多，涉及控制專利較少。大部分企業研發熱點聚焦于電機定子、轉子、扇葉、密封等技術，測試仿真、防堵、反轉、PCBA 散熱等是主要的技術空白點。

從地域分布看，EBM、SPAL 具有全球化競爭意識，非常注重海外市場進行布局，在歐、美、亞洲和澳洲等主要國家地區都布局了專利。國內企業已經初步具備了海外專利布局意識，開始在歐洲、德國、印度等地布局專利。

結合上述結論， 國內相關企業可以在以下技術方向進行研發和專利布局：定子轉子方向：在電機定子、轉子方向研究的熱點是磁體的定位， 目前彈簧定位是一個研究熱點，SPAL、EBM 等均在該方向布局了專利， 相關企業可通過規避設計提出新的轉子磁體定位方法。PCBA 散熱方向：PCBA 散熱是大功率電子風扇必然面臨的問題， 當前以SPAL 為首的電子風扇企業已經開始研究PCBA 散熱方法， 尤其是其中的大功率器件的散熱方法。相關企業可以這一方向上繼續跟蹤， 借鑒先進的專利技術，尋找可行的替代方案，尤其可以借鑒電機領域的一些散熱技術， 利用軟件與硬件結合的方式， 對發熱點和溫度數值進行精準評估， 從而形成較好的散熱方案。降噪方向：風扇降噪也是目前的重要研究方向， 可以從風葉形狀、導流罩殼的設計、風扇的轉速、共振頻率抑制、吸音材料結構等方向進行研究，提出相應的解決方案。防堵轉方向：電子風扇的堵轉是重要研究方向。基于堵轉產生的原因、影響因素以及消除方法等，可以開展深入的研究， 從灰塵過濾、監控、到判斷發生堵轉、再到自動消除塵垢以及恢復到正常轉速， 以上均存在可以布局專利的技術點。當然， 未來的發展趨勢一定是以最小的成本、最低的功耗和最簡單的方式防止或消除堵轉的影響。過溫控制及保護方向：隨著電子風扇功率的提升，過溫控制和電機的保護將越來越引起業界的重視。專利布局的重點在于過溫的檢測或預測以及如何在發生過溫時對重要電路電子元件進行保護。例如如何快速準確地發現過溫元件，如何保證繞組、大功率器件等的安全，這些均是可能產生專利的技術點。未來研究的方向將向著更加智能化和精細化發展，例如分段閾值監控、熱模型監控等。

參考文獻：

[1] 徐長釗， 毛理想， 位翠翠， 等. 汽車電子風扇實驗裝置設計與開發[J]. 汽車實用技術，2023，48（09）：138-142.

[2] 胡巧聲， 李永記， 宋偉， 等. 汽車電子風扇轉速控制研究[J].中國工程機械學報，2019，17（03）：272-277.