潛水電機技術專利發展狀況及共現分析

王金鳳，丁朝野，馮立杰，李 康

(上海海事大學，上海 201306)

潛水電機是潛入水中運行的一種電動機，是礦山水災害救治、城市污水處理與排放、水利灌溉與排澇等的重要設備。但我國潛水電機在高性能、高密封性和高能效等方面存在的諸多技術難題，亟待開展潛水電機技術創新[1-3]。而基于專利作為前沿技術的載體，本文將在檢索與分析我國潛水電機制造專利的基礎上，綜合利用專利管理地圖與專利技術地圖及社會網絡分析方法，分析潛水電機制造技術的發展現狀及趨勢，為我國潛水電機技術構建海量專利信息下的技術創新路徑提供有益的參考[4]。

潛水電機是由定子和轉子組成的分段式結構。其中，轉子由位于同一軸上的獨立籠式轉子單元組成[5]。早在1904年，美國Byron Jakson公司研制出了臥式連接的潛水電泵[6]。直到20世紀30年代，德國的Pleuger公司、英國的Hayward Tyler公司和日本的HITACHI公司等相繼涉足潛水電機的制造[7]。得益于潛水電泵在設計、結構、材料等領域的不斷改進，潛水電機的應用場景不斷擴展，相關研究也日益深入。文獻[8]為解決潛水電泵井內工況躍變問題，建立了基于TRIZ的技術矛盾沖突矩陣對潛水電泵制造設計方案進行了優化，以拓展潛水電機的應用范圍進而實現一機多用，該研究首次將創新理論應用于潛水電泵技術領域。

為了進一步改善電機技術領域的能效不足問題，我國實施了為期3年的《電機能效提升計劃(2013—2015年)》，該計劃對促進潛水電機領域相關技術研發、全面促進我國電機產業轉型升級起到了積極而重要的作用。但截至目前，我國潛水電泵行業整體上仍存在諸多問題，如基礎研究薄弱、缺少核心關鍵技術、低端產品產能過剩和產品缺乏市場競爭力等[9]，這些問題嚴重制約著我國潛水電機行業的高質量發展。

以往較多的文獻主要集中在潛水電機的材料及工況等方面，多為針對性探討如何具體解決潛水電機相關技術問題，從專利角度對我國潛水電機技術進行分析的文獻卻少有報道。專利作為特定技術的重要載體，通過專利分析，可以有效預測該領域未來技術的發展方向，繼而研判該產業的競爭態勢[10-11]?；诖耍疚臄M從我國近30年潛水電機的專利信息中挖掘其動態技術發展趨勢，為構建海量專利信息下的潛水電機技術創新路徑提供參考依據。

1 研究方法與數據來源

根據專利分析的目的及側重點不同，可將專利劃分為專利管理圖和專利技術圖[11]。其中，專利管理圖是將專利信息按時間和申請人等變量進行歸納，從而映射該領域的整體經營和發展狀況[12]；專利技術圖是將專利信息進行技術生命周期分析、IPC分類分析和功效矩陣分析[10]，從而解析該領域的技術發展趨勢、技術創新重心及核心技術領域識別等信息。

本文綜合運用專利管理圖和專利技術圖，通過國家知識產權局檢索平臺共檢索1990—2019年的6 391條專利。但鑒于與潛水電機有關的專利在數據庫中存在較多的應用類型，而本文聚焦于潛水電機設計制造領域。因此，本文建立的搜索策略從發明名稱關鍵詞入手，經過進一步篩選，最終得到了與潛水電機設計制造有關的826項專利，見表1。

表1 我國潛水電機設計制造專利檢索概覽Tab.1 Overview of patent retrieval for submersiblemotor design and manufacturing in my country

2 基于專利管理地圖的潛水電機制造技術

2.1 時間序列分析

我國與潛水電機設計制造有關的826項專利中，實用新型專利的申請數量584項，占比70.7%；發明專利申請數量225項，占比27.2%；外觀設計專利的申請數量較少，為17項，占比2.1%(表2)。

表2 我國潛水電機專利構成Tab.2 Patent composition of submersible motors in my country

通過對上述3種類型專利每年申請量的統計分析，可以得到1990—2019年間3種類別專利的申請量趨勢圖，如圖1所示。1990—2000年，我國潛水電機設計制造相關專利總申請數量較少，發展緩慢?？赡艿脑蛴?個：①由于我國潛水電機領域經歷了20世紀70—80年代的大規模生產與產品研發，使得該期間的電機性能能夠滿足市場需求，加之當時企業非常重視制造成本的節約，所以較少考慮如何對電機制造技術進行改進設計。②企業對知識產權保護意識淡薄。從2001年開始，相關專利申請數量在波動中呈快速上升趨勢，不僅表明市場急需新型的潛水電機滿足適用性要求，同時表明該技術處于快速發展中；從2008年開始，相關專利申請快速增長，技術發展迅速，2018年總量達102項；從2019年開始，申請總量相較2018年下滑較多且發明專利減少，但整體申請總量趨勢仍然呈上升趨勢，表明我國潛水電機技術進入到了成熟期。

圖1 1990—2019年我國潛水電機專利申請量趨勢Fig.1 Trends in the number of patent applications for submersible motors in my country from 1990 to 2019

2.2 申請人構成及空間分析

通過對1990—2019年我國潛水電機專利申請人類別進行統計分析，可以得到申請人分布構成，我國潛水電機專利申請人可分為企業、科研單位、大專院校和個人4大類。其中，企業專利申請量占比近80%，個人申請量占比16%，大專院校申請量占比3%，科研單位申請量占比2%。顯然，企業作為潛水電機專利申請量占比最多的主體，究其主要原因是企業追求該領域的潛在商業價值作為自身創新的驅動力，以市場需求為導向不斷開展技術研發與創新，達到了實現增強自身競爭力與增加企業利潤的效果。由此說明了我國潛水電機領域企業的創新活動活躍，市場對潛水電機的需求增高。

通過對1990—2019年我國潛水電機專利分析不難發現，該技術的主要研發力量以及該領域內的優勢領軍企業。對該項技術的主要專利申請人及其申請數量的統計結果(前20位)如圖2所示。

圖2 1990—2019年我國潛水電機專利主要申請人及申請數量Fig.2 Distribution of applicants for submersible motors in my country from 1990 to 2019

由圖2可知，我國潛水電機專利權人主要為企業。專利申請量的前20名占據總潛水電機專利申請量32.1%。合肥恒大江海泵業股份有限公司為我國潛水電機申請專利數量最多的企業，曾開發了中國第1臺軍用潛水電機、第1臺變頻潛水電機、國內外第1臺揚程850 m、功率4 000 kW的大型礦用潛水電泵等[13]，該企業在潛水電泵領域擁有較強的研發實力與技術儲備。

3 基于專利技術地圖的潛水電機制造技術

3.1 技術生命周期分析

技術生命周期分析是專利定量分析中最為常用的方法之一。通過分析專利技術所處的不同發展階段，可以推測出未來技術的發展趨勢，其針對的研究對象可以是某項專利文獻所代表技術的生命周期，也可以是某一技術領域的整體技術生命周期。

本文采用技術生長率、技術成熟度、技術衰退系數和新技術特征系數來測算我國潛水電機專利的技術生命周期。主要統計參數見表2。

表2 技術生命周期計算公式及其內涵Tab.2 Calculation formula of technology life cycle and its connotation

根據上述參數的含義及計算公式，即可得出我國潛水電機專利技術生命周期參數的變動情況，如圖3所示。

圖3 1990—2019年我國潛水電機專利技術生命周期Fig.3 Distribution of applicants for submersible motors in my country from 1990 to 2019

由圖3可知，技術生長率在1999—2007年的波動較大；1995年與2008年技術生長率均出現0的情況；技術生長率的最大值出現在1992年(高達100%)，這種情況的出現是由于過去5年均未有相關發明專利，直至1992年才出現2項發明專利。另外，技術生長率在2006年與2015年出現2次較大幅度的增長，表明該時期技術處于成長期；2008—2019年，技術生長率先波動增長后回落，該階段為我國潛水電機專利申請的爆發期。

根據圖3可知，技術成熟度分別在1998年、2000年、2005年、2008年與2012年出現5次增長點，表明該5年的潛水電機在該方面相關技術有所突破，由此帶動了專利申請量的提升。在此階段，潛水電機技術處于成長期，未出現技術衰退。

2015—2019年，技術成熟度開始緩慢回落，表明潛水電機技術進入到了成熟期，尤其是技術衰退系數自2006年以來一直維持在較高水平，表明該技術尚未進入衰退期。新技術特征系數與技術成熟度趨勢類似，2014年后新技術特征系數開始下降，新技術特征減弱、技術開發潛力降低，表明此時的潛水電機技術進入到了成熟期。

3.2 專利技術IPC的分類分析

對專利的IPC分類號進行統計分析，可得到該領域專利的技術構成情況以及創新主題關注的技術焦點等信息。通過對潛水電機專利分類號的統計分析，得到826項專利分類號出現頻率較高的IPC分類(大類)，見表3。由表3可知，我國潛水電機1990—2019年的專利主要集中在：H02(發電、變電或配電)、F04(液體變容式機械；液體泵或彈性流體泵)、H01(基本電氣元件)、C08(有機高分子化合物，相關制備或化學加工，相關基料組合物)、F16(工程元件或部件，為產生和保持機器或設備有效運行的一般措施，一般絕熱)和G01(測量、測試)等技術領域。

表3 1990—2019年我國潛水電機專利主要IPC分類Tab.3 Main IPC classifications of my country′s submersible motor patents from 1990 to 2019

上述重點集中在H02、F04和H01技術領域，其中涉及H02領域的專利646項、F04領域的專利97項、H01領域的專利43項。

從所得數據分析可知，我國潛水電機應用領域主要集中在液體泵與流體泵、廢水處理、水利工程、采礦、農業與畜牧業、給排水和船舶設備等。其中，泵類應用為主流應用場景，其他領域的應用程度較低：H01、F16和B23占比分別為5.7%、2.4%和1.1%，這3項數據表明，我國潛水電機設計制造涉及絕熱、絕緣材料及與加工工藝有關的技術創新占比較少(G05占比僅為0.3%)。表明目前我國潛水電機兩化(工業化與信息化)融合程度不夠，尤其是在智能制造和高質量發展方面創新動力不足，基礎研究領域和集成創新方面的創新活力較低。

3.3 申請人—技術矩陣分析

通過對潛水電機專利權人及其IPC分類分析，可以得到該企業在該項技術領域的研發重點及努力方向。在對潛水電機專利IPC分類進一步處理基礎上，可得到826項專利分類號出現頻率最高的前10項IPC分類(大組)，見表4。上述10項細分技術領域在潛水電機專利中占比81.7%，這些細分領域大多被視為潛水電機的核心技術領域。

表4 1990—2019年我國潛水電機專利主要IPC分類Tab.4 Main IPC classifications of my country′s submersible motor patents from 1990 to 2019

以圖2所示的前20家企業與上述10項細分技術領域作為研究對象，探究其在潛水電機領域的研發重點及努力方向，通過建立申請人—技術矩陣進行可視化展示結果如圖4所示。由圖4可知，在潛水電機領域，不同企業的創新方向可能迥異。如合肥恒大江海泵業股份有限公司申請的專利涉及的細分領域較廣，多集中在H02K/00和H02K1/00，表明該企業在電機外罩與磁路零部件方面有著較為強勁的技術研發實力，尤其是生產設備的密封性和電機性能較高；沈陽眾創高科節能電機技術有限公司申請的專利細分領域集中在H02K15/00，表明該企業生產的設備更注重日常維護修理的便捷性；天津振達泵業有限公司申請的專利細分領域集中在H02K/00和F04D29/00，表明該企業在電機外罩與電路控制裝置方面有著較強的創新性，其生產設備的密封性、穩定性及自動化程度均較高。圖4中的20家企業均保有各自的技術優勢，同時，這些細分領域的技術均為市場所高度關注。

圖4 1990—2019年我國潛水電機專利主要申請人及其技術領域Fig.4 Main applicants for patents of submersible motors in my country and their technical fields from 1990 to 2019

4 技術領域的社會網絡分析

對專利文本數據采用Python中Jieba庫進行分詞處理，然后對分詞結果進行文本清洗——包括去除文本中數字、序號和標點符號等無關內容，建立了適用于領域專利文本的停詞表，該停詞表在《哈工大停詞表》的基礎上增加3 443個與領域專利無關停詞。另外，由于專利文本中存在較多的無關信息，經過詞性篩選只保留名詞、動詞、形容詞和副詞等詞性單詞，這是因為這幾種詞性單詞具有更加明確的實際意義，能囊括文本90%的信息。

在對專利數據進行上述預處理后，基于篩選后的數據建立技術關鍵詞的共現矩陣，通過Gephi軟件對共現矩陣進行可視化，該軟件不僅能夠可視化領域知識元素，還可以統計節點的本身屬性[14]。將社會網絡分析法應用于共詞分析，共詞分析能夠展示領域研究熱點。其中，關鍵詞可以視作節點，節點越中心則越核心，詞與詞之間的關系由節點之間的聯系來表示，點之間聯系越多，其結構就越緊密，如圖5所示。

圖5 潛水電機技術關鍵的共現分析Fig.5 Co-occurrence analysis of the key to submersible motor technology

可以通過網絡中一個節點的中心性(在一定程度上反映了該節點重要性的指標)可知，軸承、散熱、密封、絕緣、冷卻、繞組、電纜、防砂、永磁、電壓、轉速和功率等是該領域的核心節點，也是該領域技術創新的焦點。

5 結語

本文在檢索我國潛水電機專利的基礎上，綜合運用專利管理地圖與專利技術地圖理論及社會網絡分析方法對其進行了研究，得出以下結論與建議。

(1)從專利申請量變動情況看，我國潛水電機近10年專利申請量總體呈波動上升趨勢。對此，建議進一步加大知識產權保護力度，切實制定一攬子政策鼓勵更多的研發人員參與相關技術創新。

(2)從現有專利構成情況看，我國潛水電機近10年的專利多為非關鍵核心技術專利。對此，建議政府及相關部門加大對潛水電機的重大、關鍵性技術研發投入力度，以加快促進我國潛水電機實現核心關鍵技術的突破。

(3)從技術生命周期參數走勢看，目前我國潛水電機技術處于技術成熟期，且未出現技術衰退特征，擁有的新技術開發潛力較小?？赡艿囊粋€原因是關鍵技術尚未突破。對此，建議我國政府及相關主管部門加大對潛水電機技術的政策支持力度，協助企業盡快突破技術瓶頸的制約；同時還應設法促進高校和科研單位與企業之間的產學研合作，以盡快縮短我國潛水電機關鍵技術突破的進程。

(4)從專利的IPC分布看，首先，我國潛水電機主要應用于泵類，企業可嘗試擴展其應用邊界，探尋更大業務領域的可能；其次，涉及潛水電機絕熱、絕緣材料和與加工工藝有關的專利占比較低，由此可能阻滯潛水電機制造業的高質量發展，加之潛水電機的兩化潛水電機程度不高，智能制造創新受阻。對此，建議相關企業應注重加強兩化融合領域、提升設備智能化水平以擴大潛水電機的應用場景和設備質量效率，加大對相關材料的研發投入，以加快潛水電機技術的成熟度。

(5)從社會網絡共現分布來看，潛水電機技術主要的創新導向為軸承、散熱、密封、絕緣、冷卻、繞組、電纜、防砂、永磁、電壓、轉速和功率等，而上述熱點也是市場關注且重要的電機需求功能。企業應繼續追尋市場需求技術，時刻關注上述熱點領域的市場需求變化，不斷開拓創新，實現潛水電機的高質量發展。