射頻識(shí)別技術(shù)在電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用分析

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，以下簡(jiǎn)稱(chēng)RFID）技術(shù)，又稱(chēng)電子標(biāo)簽、無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別，可通過(guò)無(wú)線(xiàn)電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。

如今，各式各樣的RFID相關(guān)產(chǎn)品和應(yīng)用層出不窮，將標(biāo)簽附著在一輛正在生產(chǎn)中的汽車(chē)上，廠(chǎng)商便可追蹤此車(chē)在生產(chǎn)線(xiàn)上的進(jìn)度；倉(cāng)庫(kù)可以追蹤藥品的所在；射頻識(shí)別的身份識(shí)別卡可以使員工進(jìn)入相應(yīng)權(quán)限的區(qū)域；汽車(chē)上的射頻應(yīng)答器還可以用來(lái)征收過(guò)路費(fèi)和停車(chē)費(fèi)。

那么，當(dāng)射頻識(shí)別技術(shù)遇到傳統(tǒng)的電機(jī)領(lǐng)域，又會(huì)碰撞出怎樣的火花?我們可以看到，RFID是通過(guò)無(wú)線(xiàn)電訊號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模瑹o(wú)線(xiàn)電的信號(hào)是通過(guò)調(diào)成無(wú)線(xiàn)電頻 率的電磁場(chǎng)，把數(shù)據(jù)從附著在物品上的標(biāo)簽中傳送出去，以自動(dòng)辨識(shí)與追蹤該物品。本文擬通過(guò)中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)射頻識(shí)別技術(shù)在電機(jī)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行梳理， 希望能夠幫助業(yè)界了解這一領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)狀況和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，從而做出積極的專(zhuān)利布局。

專(zhuān)利申請(qǐng)總量分析

圖1、射頻識(shí)別技術(shù)電機(jī)領(lǐng)域在華申請(qǐng)總量分布情況

本文所選取的數(shù)據(jù)是申請(qǐng)日在1990年之后，國(guó)內(nèi)、國(guó)外申請(qǐng)人在中國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)。圖1顯示了在中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中，電機(jī)領(lǐng)域涉及射頻識(shí)別技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量分布情況。從檢索的結(jié)果看，盡管射頻識(shí)別技術(shù)經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，已經(jīng)相當(dāng)成熟，在各個(gè)領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用，但是在電機(jī)領(lǐng)域還是一個(gè)非常新的技術(shù) 分支，在國(guó)內(nèi)的申請(qǐng)量并不多，還處于開(kāi)發(fā)應(yīng)用的初級(jí)階段。截至2014年1月，筆者共檢索到相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)27件；第一件專(zhuān)利申請(qǐng)起始于1990年，是由美 國(guó)的西屋電氣公司提交的通過(guò)檢測(cè)電機(jī)中的射頻信號(hào)來(lái)判斷電機(jī)是否真的有故障的專(zhuān)利申請(qǐng)。1990年，射頻識(shí)別技術(shù)的快速發(fā)展，使得電機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)人員逐步 關(guān)注到這一技術(shù)，并期望能在電機(jī)領(lǐng)域得到新的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。而中國(guó)申請(qǐng)人提交的第一件相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)始于2009年，是由華中科技大學(xué)提交的利用射頻信號(hào)來(lái)進(jìn)行 電機(jī)轉(zhuǎn)速的無(wú)線(xiàn)檢測(cè)的專(zhuān)利申請(qǐng)。在這27件專(zhuān)利申請(qǐng)中，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人提交的專(zhuān)利申請(qǐng)總量達(dá)到了在華申請(qǐng)總量的61%，這說(shuō)明雖然我國(guó)在該領(lǐng)域起步較晚，但申 請(qǐng)量卻后來(lái)居上，這體現(xiàn)了我國(guó)申請(qǐng)人近幾年由于對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的重視，企業(yè)的科研投入力度加大，在專(zhuān)利申請(qǐng)量方面保持著逐步上升的良好態(tài)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)人類(lèi)型及申請(qǐng)領(lǐng)域分析

圖2、國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人類(lèi)型分布情況

圖2為國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人類(lèi)型分布情況，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)人類(lèi)型的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，企業(yè)申請(qǐng)人較多，約占64%，個(gè)人申請(qǐng)人約占24%，院校申請(qǐng)人的申請(qǐng)量較少，占 總數(shù)的12%。企業(yè)申請(qǐng)人較多，說(shuō)明射頻識(shí)別技術(shù)在電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用有一定的市場(chǎng)需求；院校專(zhuān)利申請(qǐng)量較少，很大原因是射頻識(shí)別技術(shù)的成熟發(fā)展和普遍性的研 究應(yīng)用，不是注重高端技術(shù)研究的高等院校研究的重點(diǎn)；個(gè)人申請(qǐng)量占到一定的比例，說(shuō)明近年來(lái)我國(guó)對(duì)專(zhuān)利知識(shí)的普及，提高了個(gè)人對(duì)提交專(zhuān)利申請(qǐng)的積極性。

目前在全部的27件電機(jī)領(lǐng)域涉及射頻識(shí)別技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)中，實(shí)用新型專(zhuān)利申請(qǐng)占到申請(qǐng)總量的48%，發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)占到申請(qǐng)總量的52%，其中以《專(zhuān)利合作條 約》（PCT）途徑提交的專(zhuān)利申請(qǐng)占到申請(qǐng)總量的19%，而國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人提交的主要是實(shí)用新型專(zhuān)利申請(qǐng)，占到國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人專(zhuān)利申請(qǐng)總量的76%，發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng) 占到國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人專(zhuān)利申請(qǐng)總量的24%，并且國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人的一部分專(zhuān)利申請(qǐng)都是在已有專(zhuān)利基礎(chǔ)上進(jìn)行的部分改進(jìn)，且由于多數(shù)申請(qǐng)人對(duì)現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平的掌握不 足，導(dǎo)致其發(fā)明高度有待提升，故一般提交實(shí)用新型專(zhuān)利申請(qǐng)。

技術(shù)熱點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域

從射頻識(shí)別技術(shù)在電機(jī)領(lǐng)域的具體應(yīng)用來(lái)看，主要集中在以下幾個(gè)方面：

一、 是利用射頻無(wú)線(xiàn)通信功能傳輸各種信號(hào)。例如，英國(guó)戴森技術(shù)有限公司于2005年1月提交了一種涉及電機(jī)控制方法的專(zhuān)利申請(qǐng)，該方法利用射頻信號(hào)發(fā)送電機(jī)角 度修正因子給控制器，以補(bǔ)償期望輸入功率與測(cè)量輸入功率之間的差異，從而根據(jù)預(yù)定提前角曲線(xiàn)來(lái)激勵(lì)相位繞組。美國(guó)路創(chuàng)電子公司于2007年5月提交了一種 涉及射頻控制的電動(dòng)卷簾的專(zhuān)利申請(qǐng)，其利用射頻傳輸提供控制裝置之間的無(wú)線(xiàn)通信，改進(jìn)金屬卷筒對(duì)RF信號(hào)的屏蔽和電機(jī)內(nèi)部源噪音的影響，提供允許與RF收 發(fā)器之間進(jìn)行可靠通信的天線(xiàn)，保證電動(dòng)卷簾的金屬卷筒內(nèi)的控制器和其他控制裝置之間可靠的RF通信。

二、是利用射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行電機(jī)內(nèi)部放 電信息的測(cè)量。如前文所述，美國(guó)西屋電氣公司提交了通過(guò)檢測(cè)電機(jī)中的射頻信號(hào)來(lái)判斷電機(jī)是否真的有故障的方法和裝置的專(zhuān)利申請(qǐng)，該方法在發(fā)電機(jī)中線(xiàn)電壓或 電流超過(guò)規(guī)定的門(mén)限值，并接著在規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)再次出現(xiàn)超過(guò)該門(mén)限值的第二射頻信號(hào)時(shí)，才指示發(fā)電機(jī)發(fā)生故障，避免發(fā)電機(jī)故障的誤報(bào)事故。2007年3 月，瑞典SKF公司提交了一種用于指示在電力傳動(dòng)系統(tǒng)的軸承內(nèi)的座圈和滾動(dòng)元件之間的非導(dǎo)電介質(zhì)中放電的方法的專(zhuān)利申請(qǐng)，該方法通過(guò)遙測(cè)電力傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)射 的射頻信號(hào)，該信號(hào)包括與非導(dǎo)電介質(zhì)中的放電相關(guān)聯(lián)的射頻信號(hào)，處理檢測(cè)到的射頻信號(hào)以預(yù)測(cè)放電，以及指示預(yù)測(cè)的放電。芬蘭的ABB有限公司于2009年 7月提交了通過(guò)檢測(cè)由放電導(dǎo)致的射頻信號(hào)來(lái)測(cè)量電機(jī)中軸承電流的新方法和新設(shè)備的專(zhuān)利申請(qǐng)，該方法產(chǎn)生同步信號(hào)，同步信號(hào)可以是與軸承電流生成源相關(guān)的任 何信號(hào)，觸發(fā)射頻信號(hào)檢測(cè)設(shè)備作為對(duì)該同步信號(hào)的響應(yīng)，記錄與所述同步信號(hào)匹配的射頻信號(hào)以作為代表軸承電流的信號(hào)。

三、是利用射頻識(shí)別技 術(shù)進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、溫度等數(shù)據(jù)的檢測(cè)。例如，2009年8月，硅谷微M股份有限公司提交了一種基于射頻識(shí)別技術(shù)的轉(zhuǎn)子磁體位置感測(cè)的無(wú)刷直流電機(jī)的專(zhuān)利 申請(qǐng)，該電機(jī)轉(zhuǎn)子上的多個(gè)磁體，固定有RFID標(biāo)簽，各個(gè)RFID標(biāo)簽中存儲(chǔ)有用來(lái)標(biāo)識(shí)該磁體的唯一識(shí)別字符，電機(jī)定子極齒中安裝多個(gè)RFID詢(xún)問(wèn)天線(xiàn)， 用于提供RF詢(xún)問(wèn)信號(hào)，此位置和磁體識(shí)別信號(hào)被RFID讀取器接收，RFID讀取器處理此信息并將其發(fā)送至電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器單元，從而為電機(jī)的功率換向 控制提供信息。2011年9月，美國(guó)通用電氣公司提交了涉及轉(zhuǎn)子表面的實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的專(zhuān)利申請(qǐng)，其將帶有集成傳感器的射頻識(shí)別標(biāo)簽放置在轉(zhuǎn)子上，以便從轉(zhuǎn) 子測(cè)量各種操作數(shù)據(jù)。

四、是利用射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的校準(zhǔn)、監(jiān)測(cè)。例如，2009年8月，丹麥維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)集團(tuán)公司提交了 利用射頻識(shí)別標(biāo)簽來(lái)標(biāo)記風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子葉片槳距角位置的校準(zhǔn)方法的專(zhuān)利申請(qǐng)。該校準(zhǔn)方法通過(guò)設(shè)置在轉(zhuǎn)子葉片上的RFID標(biāo)簽和輪轂上的傳感器之間的無(wú) 接觸感測(cè)位置，來(lái)校準(zhǔn)轉(zhuǎn)子葉片槳距。2010年3月，美國(guó)通用電氣公司提交了渦輪葉片監(jiān)測(cè)的方法和系統(tǒng)的專(zhuān)利申請(qǐng)，該方法和系統(tǒng)主要解決渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉 片在運(yùn)行中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，使用該方法和系統(tǒng)可以獲得在渦輪工作時(shí)的同時(shí)監(jiān)測(cè)和獲取轉(zhuǎn)子葉片健全情況的精確方式，以避免一些葉片故障對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的災(zāi)難性 破壞。

結(jié)論與建議

筆者注意到，我國(guó)射頻識(shí)別技術(shù)在電機(jī)領(lǐng)域中的應(yīng)用還有很大的進(jìn)步空間， 目前我國(guó)申請(qǐng)人專(zhuān)注的都是利用射頻識(shí)別技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信功能，傳輸?shù)纳漕l信號(hào)都是已經(jīng)采集處理過(guò)的信號(hào)，而國(guó)外的專(zhuān)利申請(qǐng)更多的涉及射頻識(shí)別技術(shù)的深層應(yīng) 用，即如何識(shí)別出與電機(jī)各個(gè)方面有關(guān)的射頻信號(hào)，例如對(duì)電機(jī)內(nèi)部放電現(xiàn)象的研究，對(duì)轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)的位置、溫度等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，以及對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子葉片 的校準(zhǔn)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。而關(guān)于這些方面的技術(shù)探索，我國(guó)的申請(qǐng)人涉足很少，這很大程度上是因?yàn)樵陔姍C(jī)領(lǐng)域本身，我國(guó)的技術(shù)水平就落后于其他國(guó)家，制約了射頻 識(shí)別技術(shù)在電機(jī)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，特別是在電機(jī)技術(shù)的精密領(lǐng)域，例如本身對(duì)電機(jī)內(nèi)部的放電現(xiàn)象就未做深入研究，也就談不上利用RFID技術(shù)發(fā)展電機(jī)技術(shù)。

筆者注意到，由于射頻識(shí)別技術(shù)本身的特點(diǎn)，其不需要建立機(jī)械或光學(xué)接觸，甚至不需要在視線(xiàn)之內(nèi)，就可以建立標(biāo)簽和識(shí)別器之間的通信連接，并且RFID標(biāo)簽本 身可以安裝各種傳感器，那么這可以解決電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)子的一些相關(guān)物理量不好檢測(cè)和傳輸?shù)膯?wèn)題。例如，風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的電機(jī)安裝在很高的塔桿之上，檢修和 檢測(cè)都很困難，為了保證整個(gè)發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)穩(wěn)定，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，就可以利用RFID技術(shù)，進(jìn)行這發(fā)面的技術(shù)探索研究；此外，當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障無(wú)法運(yùn)行時(shí)， 利用RFID技術(shù)可以識(shí)別是哪個(gè)部件出了問(wèn)題，從而快速的解決問(wèn)題。針對(duì)目前的情況，國(guó)內(nèi)企業(yè)和科研院所之間應(yīng)加強(qiáng)交流與合作，增加對(duì)電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用射頻識(shí) 別技術(shù)的研發(fā)力度，解決電機(jī)領(lǐng)域的傳統(tǒng)難題，通過(guò)不斷的改進(jìn)與實(shí)踐，掌握核心技術(shù)，縮小與國(guó)外企業(yè)的差距，從而增強(qiáng)我國(guó)企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，以便在未來(lái)市場(chǎng) 競(jìng)爭(zhēng)中掌握主動(dòng)權(quán)。