交流伺服電機技術的專利地圖研究

陳志瀾,陳燚豪

(上海建橋學院,上海201306)

0 引 言

交流伺服電機是一種帶編碼器的電機,主要由驅動器、編碼器、定子、轉子構成。由于交流伺服電機沒有電刷和換向器,其工作可靠,維護費用低,成本較低,在同功率下有較小的體積和重量,定子繞組散熱也比較方便,慣量小,特別適應于高速和大力矩的工作。交流伺服電機作為控制類電機,可以通過位置和速度方式進行控制,以達到精確定位和快速定位目的。

本文通過查詢1960年至2015年以來已公開發表的國內外交流伺服電機專利(專利數據源來自佰騰專利檢索系統),通過“ti:(交流伺服)and ab:(交流伺服)”關鍵詞對中國專利庫進行檢索,得出382項專利數據。另外,通過“AC servo motor”關鍵詞對國外專利庫進行檢索,得出1 040項專利數據。在此基礎上,對上述所有國內外專利數據進行分析,繪制出交流伺服電機技術的專利年度分布圖,并對主要國家與地區的專利申請量、專利申請人、專利技術分布、研究熱點、主要競爭機構、重點技術領域等方面進行詳細專利地圖分析。

1 全球交流伺服電機技術分析

1.1 全球專利數量年度變化趨勢

在20世紀60年代,伺服電機以直流電機作為主要執行部件。隨著20世紀70年代電機矢量控制技術的發明,以及應用交流伺服電機的性價比不斷提高,交流伺服電機逐步取代直流伺服電機。圖1反映了交流伺服電機的專利申請量與年度變化趨勢。

圖1 全球交流伺服電機專利申請量與年度變化趨勢

20世紀80年代稀土永磁交流電機的普遍應用,永磁交流伺服系統成為了各國的主要研究對象。到20世紀90年代,伴隨著技術趨于成熟,價格趨于合理,交流伺服電機的應用變得普遍,全球專利申請量達到高峰。21世紀后,技術相對成熟,專利申請量也趨于穩定。在近2年制造業市場需求穩步上升的情況下,交流伺服電機技術的專利申請量再次呈現出穩步增長的趨勢。

1.2 全球前5位專利申請國家的申請量與年度變化

1980年以后,很多機床開始使用可靠性大、維修簡便的交流伺服電動機,隨后許多現代工業機械和機床等都開始使用交流伺服電動機。交流伺服電機前5位申請國家是日本、中國、美國、韓國以及歐盟,其申請量與年度變化如圖2和表1所示。

圖2 交流伺服電機前5位專利申請國家的申請量與年度變化

表1 前5位專利申請國家的具體申請量(件)

美國在專利方面最先申請,但是發展速度較為平穩。日本由于資源匱乏、勞動力成本高,為了實現經濟的高速發展,大力發展工業機器人及自動化行業,導致了交流伺服電機專利的快速發展。一直從20世紀70年代末到21世紀初期,日本在交流伺服技術上遠遠領先于其他國家,并且在1991年達到巔峰,年申請量41件,在21世紀后隨著技術趨于成熟,日本的發展速度開始放緩。從歐專局專利數量來看,歐盟受沖擊較小,保持了穩定增長。韓國的專利申請量與日本類似,在20世紀90年代達到頂峰,但是之后開始快速下滑。

中國方面,由于研發起步較晚,以及專利布局的意識不強,交流伺服電機的專利申請基本在20世紀90年代末才開始起步,但是因為市場需求量大,刺激了交流伺服電機專利在21世紀的大量申請,具體如圖3所示。

圖3 中國交流伺服電機專利申請量年度變化趨勢

2003年后,中國的專利申請量開始大幅度提高,目前中國在交流伺服技術的專利申請上占世界第一,同時保持了年申請量40至50件之間的增速。但是日本在技術上的積累仍然不容小覷,目前在國內市場上的份額依然是日本處于領先地位,可見國內申請的部分技術還未投入至應用領域,中國交流伺服電機的發展前景遠大。

1.3 中國各省市專利申請量占有比例

國內各省市的專利申請數量所占比例如圖4所示。

圖4 中國國內各省份專利申請量占比

由圖4得出,在交流伺服電機技術方面,浙江省、陜西省、江蘇省的技術實力最強,分別占比21%,20%和19% 。浙江省內以杭州奧蒂電控有限公司、杭州德伺麥科技有限公司、浙江盛邁電氣技術有限公司等一系列公司及相關機構為代表,如圖5所示,交流伺服電機產業發展較快。

圖5 浙江省主要專利申請人

陜西省則以西安交通大學和西安微電機研究所的科研力量為代表,如圖6所示,企業占比較小,技術多數未投入實際運用,相關產業發展較緩慢。

圖6 陜西省主要專利申請人

江蘇省則既有企業申請,例如:南京埃斯頓自動化股份有限公司、無錫市幅瑞自動化科技有限公司等,也有高校申請,例如:南京工業大學、南京工程學院等,如圖7所示,申請人方面較為均衡,產學結合程度較高。

圖7 江蘇省主要專利申請人

2 主要來源國與申請人

2.1 專利技術的來源國分析

專利技術的來源國是指專利的最早優先權國家,圖8反映了交流伺服電機專利技術的國家來源分布。

圖8 專利技術的來源國(地區)

由圖8得知,日本的專利量最高,位列第一,占總數的50.5%。中國和美國分列第二、三位,分別占總數的27.2%和7%。在亞洲地區除中日兩國以外,韓國技術力量雄厚,與以德國為首的歐盟申請數量持平,專利數量占總數的6.8%,其余是英國占1.8%,俄羅斯0.3%,加拿大0.1%。顯而易見,在交流伺服電機技術領域的專利積累,日本處于世界領先地位,說明日本對該領域的技術保持了高度的重視,以及在技術方面也相對成熟。中國在近年來的專利申請量上迎頭趕上,雖然在年度申請量上超越了日本,占據了第一的位置,但是在總量上依然缺乏積累,技術的進一步成熟也需要一定時間的積累,并需要積極將相應技術應用于實際生產當中,以獲得更多交流伺服電機技術上的進步。

2.2 全球主要專利申請人分析

全球約有近千家機構活躍在交流伺服電機技術的研發領域,其中全球專利申請量前10位的申請人均是企業,如表2所示。

表2 交流伺服電機領域全球前10位專利申請人

由表2可知,日本共有9家機構進入全球前十名,韓國的三星電子位列第十。日本整體實力雄厚,積累豐富,也是世界上交流伺服電機技術和市場占有量最大的國家。通過分析企業在該領域專利的申請量,可以得出該企業在這個技術領域的綜合實力與技術積累。結合表2,可以得知發那科以135件相關專利位列第一,遙遙領先于其他企業,可見其雄厚的技術實力。隨后安川電機、松下電器、東芝機械分列二、三、四位,他們之間的專利量相去不遠,在技術方面各有所長,有一定的競爭關系。之后在前十位中韓國的三星電子以微小的差距位列第十,可見其在交流伺服電機方面也有一定的研發實力。憑借分析專利申請的活躍期及專利申請趨勢圖,從表2再可以看出,企業在該項技術領域的技術領先持續度和最新的科研態勢。在交流伺服電機技術領域上,縱觀前十位專利申請人,日本企業的專利申請活躍期都超過了20年。反觀三星電子,在活躍期上遠遠少于日本企業,可見在這一領域,日本企業在活躍期上有著明顯優勢,在活躍期內的專利積累十分雄厚,研發時期也較長,技術已相當成熟。

從各個企業的角度來看專利申請的活躍期及專利申請趨勢圖,專利申請活躍期超過30年的有發那科、安川電機、日東精工、日立、日本伺服。全球大部分申請人的專利申請高峰均在上個世紀,近年還活躍的只有發那科、日東精工和日本伺服。可見由于交流伺服電機技術已相對成熟,相當數量的申請人已轉移其技術研發的重點方向,尚在活躍的發那科、日東精工和日本伺服是全球交流伺服電機的重點研發公司。

2.3 中國主要專利申請人

我國在交流伺服電機領域專利申請的前10位申請人,其中7位是企業,還有3位是高校與研究機構,如表3所示。其中,前3位分別是西安交通大學、廣州數控設備有限公司、南京埃斯頓自動化股份有限公司。科研機構有西安微電機研究所,位列第六。高校有西安交通大學和南京工程學院分列第一和第十。其中西安交通大學以49項專利遙遙領先,在國內交流伺服電機技術領域占有領先地位。

從專利申請活躍期上看,國內機構的活躍期都在近十年內,說明這項技術在國內發展較晚。換而言之,交流伺服電機技術在國內的發展潛力很大,目前發展的熱度也較高。

從各個單位的角度來看,廣州數控設備有限公司在國內技術開發較早,最早申請在1999年,近年來卻鮮有發展。西安交通大學、南京埃斯頓自動化股份有限公司、杭州德伺麥科技有限公司、北京超同步伺服股份有限公司、成都樂創自動化技術股份有限公司、南京工程學院這6家單位近期仍處于活躍期,是中國目前主要的專利申請人。在不活躍的單位中,廣州數控設備有限公司、臺達電子工業股份有限公司、杭州奧蒂電控有限公司分別在2010年、2006年和2011年達到其巔峰,近年來已不再將研發力量投入在交流伺服電機領域。

表3 交流伺服電機領域中國前10位專利申請人

3 交流伺服電機技術分析

3.1 國際專利技術分析

通過IPC代碼分類的方式,可以對交流伺服電機的技術領域進行劃分,如表4所示。

表4 交流伺服電機專利主要技術類型(國際專利分類)

根據國際專利分類,其最主要的技術領域位于電機控制、電機本體以及控制或調節系統上,占比分別為73.85%,20.29%和12.79%。由此可見,全球專利申請人在交流伺服電機的電機控制、電機本體和控制系統領域投入的研發工作最多。

技術分類上第4～第6位的專利占比較為接近,塑料的成型或連接、非電變量的控制系統和電氣設備是主要的研究方向。信息存儲、壓力機、測量或分析材料方面也有交流伺服電機的應用與研究。全球主要專利申請人的具體技術分布,如表5所示。

表5 世界排名前10位的專利申請人技術類型分布(國際專利分類)

在電機控制、電機本體以及控制或調節系統這3大核心技術領域,均由發那科占據主導地位。發那科在總共5項技術領域均占有主導地位,可見其在交流伺服電機技術領域的研發實力。安川電機、東芝機械也分別在測量技術和成型連接領域有相對優勢。其余公司大多數以電機控制和電機本體作為主要研發領域,可以看出這兩項核心技術在專利申請上的重要地位。其中,日東精工,主要利用交流伺服電機進行自動化產業的應用,所以在核心技術領域內專利申請量少。住友重工主要以重型機械為主,專利申請主要在電機控制、塑料成型連接和電氣設備領域,在核心技術方面,專利申請量也較少。

3.2 國內專利技術分析

相較國際專利而言,國內專利技術分布則相對較為分散,如表6所示。

表6 交流伺服電機專利主要技術類型(國內專利分類)

電機控制、電機本體以及控制或調節系統3大核心領域,專利占比僅有23.96%,20.68%和6.4%。只有電機本體方面的占有比例與國際專利持平,而電機控制方面落后達到50%,控制或調節系統也落后6%左右。可見,國內在交流伺服電機的專利申請方向較為分散,從第4到第10位,占有比例均勻分布在電磁測量、保護電路、機床零件等周邊相關研究。在電機控制和控制系統的關鍵技術領域還缺少研發力量的投入,有待進一步加強。

4 結 語

1)日本在交流伺服電機技術領域方面占有主導地位,中國近年來發展迅猛,但是在關鍵技術,以及專利應用方面有較大欠缺,建議國家應盡快加強交流伺服電機技術的專利布局,并不斷將技術應用于相關行業,提高核心競爭力。2)通過年度變化趨勢的分析,交流伺服電機在20世紀70年代開始進入國外市場,在20世紀90年代初達到高潮,到21世紀初交流伺服電機在國外市場的技術已經基本成熟。通過專利地圖也發現,國內在21世紀后開始重視交流伺服電機的研究和技術專利的申請,盡管國內的交流伺服電機技術發展較晚,但技術領域已進入成熟階段,目前交流伺服電機技術領域方面發表的專利總占有量已位列世界第二。3)從全球交流伺服電機應用領域的專利分析來看,日本占據著領先地位,全球前十的專利申請人中有9位均來自日本,如發那科、安川電機等企業仍占有核心技術。與日本企業相比,國內企業在核心技術領域、專利占有量以及專利布局等方面都有所欠缺,國內前十位的專利申請人中有3位是高校及科研機構,國內企業技術方面還應該加大交流伺服電機應用領域研究的力度。4)從技術熱點方面來看,電機控制、電機本體、控制或調節系統仍然是交流伺服電機的核心技術關鍵。在電機控制專利方面,國外技術布局與國內技術布局相比,高出50%左右。電機本體方面的技術布局比較接近,控制或調節系統方面技術布局,國外專利數量要比國內專利數量高出6%。由此可知,國內在核心技術領域的研發方面,尚有較大差距,需要加快在電機控制方面的核心技術領域研發。