中國(guó)稀土永磁電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

羅欣 李強(qiáng)

摘? 要：稀土永磁材料是當(dāng)前稀土行業(yè)發(fā)展最快、應(yīng)用最多的材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于永磁電機(jī)、新能源汽車、消費(fèi)電子等高科技領(lǐng)域，其中稀土永磁電機(jī)行業(yè)不僅產(chǎn)值巨大，而且應(yīng)用需求廣泛，是電子和機(jī)械工業(yè)各個(gè)新興領(lǐng)域的基礎(chǔ)。該文選用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析和LDA主題分析方法，對(duì)稀土永磁電機(jī)領(lǐng)域1985年1月1日到2021年12月31日發(fā)明專利開展研究，將中國(guó)與稀土永磁電機(jī)產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)國(guó)進(jìn)行對(duì)比，識(shí)別中國(guó)稀土永磁電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，為中國(guó)稀土永磁電機(jī)未來的技術(shù)發(fā)展方向提供參考。

關(guān)鍵詞：永磁電機(jī)；對(duì)比分析；復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析；LDA主題分析；主題強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TD982? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）10-0030-05

Abstract： Rare earth permanent magnet material is the fastest growing and most widely used material in rare earth industry， and it has been widely used in high-tech fields such as permanent magnet motor， new energy vehicle， consumer electronics and so on. Rare earth permanent magnet motor industry not only has a huge output value， but also has a wide range of application requirements， which is the basis of various emerging fields of electronics and machinery industry. Using the methods of complex network analysis and LDA topic analysis， this paper studies the invention patents from January 1， 1985 to December 31， 2021 in the field of rare earth permanent magnet motors， compares China with the dominant countries of rare earth permanent magnet motors， and identifies the key technologies of rare earth permanent magnet motors in China， so as to provide reference for the future development direction of rare earth permanent magnet motors in China.

Keywords： permanent magnet motor; comparative analysis; complex network analysis; LDA topic analysis; topic intensity

《中國(guó)制造2025》提出的十大重點(diǎn)領(lǐng)域中，稀土永磁電機(jī)涉及七個(gè)領(lǐng)域，擁有很大的未來發(fā)展?jié)摿Γ窍⊥廉a(chǎn)業(yè)鏈延伸的重點(diǎn)方向[1]。雖然我國(guó)在稀土永磁材料的資源方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但稀土永磁電機(jī)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)不強(qiáng)，以歐美日等為代表的稀土應(yīng)用國(guó)家勢(shì)必加強(qiáng)稀土產(chǎn)業(yè)鏈中上游的應(yīng)用研究，長(zhǎng)此以往將再次拉開與我國(guó)的差距，制約我國(guó)制造業(yè)升級(jí)發(fā)展[2]。因此，在我國(guó)與稀土永磁電機(jī)優(yōu)勢(shì)國(guó)相比較下挖掘出我國(guó)稀土永磁電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)意義重大。

專利文件被視為了解技術(shù)趨勢(shì)和制定創(chuàng)新戰(zhàn)略的寶貴數(shù)據(jù)庫(kù)，其主要優(yōu)點(diǎn)是全面性、標(biāo)準(zhǔn)化和普遍適用性，能夠有效地提取技術(shù)內(nèi)容，為深入的技術(shù)分析提供有價(jià)值的來源[3]，基于專利文件的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析和文本挖掘都是專利分析中的常見研究方法，其中文本挖掘當(dāng)前使用較多的方法是應(yīng)用LDA及其變體的主題模型對(duì)專利文本進(jìn)行分析。如Zhang H等[4]基于專利數(shù)據(jù)，結(jié)合技術(shù)生命周期理論、LDA主題模型和文本相似度計(jì)算，對(duì)區(qū)塊鏈領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)評(píng)估和路線圖分析，描述了技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，預(yù)測(cè)了未來的發(fā)展趨勢(shì)；曹晨[5]、羅愷[6]、仇麗青[7]等將LDA主題模型分析與社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析方法相結(jié)合，對(duì)專利文獻(xiàn)、各級(jí)人民政府網(wǎng)站上的科技創(chuàng)新相關(guān)文本進(jìn)行主題分類，提煉技術(shù)關(guān)鍵詞，分析相關(guān)領(lǐng)域的科技創(chuàng)新合作現(xiàn)狀，測(cè)度技術(shù)融合及其趨勢(shì)。

綜上，2種方法在專利分析中的應(yīng)用已經(jīng)成熟，但兩者結(jié)合使用的研究非常少，稀土行業(yè)內(nèi)相關(guān)方法的使用也并不常見，且目前學(xué)者對(duì)稀土技術(shù)領(lǐng)域的研究主要是對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈中上游的技術(shù)專利進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，仍缺少針對(duì)具體行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的研究。因此本文結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和LDA主題模型研究我國(guó)稀土永磁電機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)并與優(yōu)勢(shì)國(guó)家進(jìn)行對(duì)比分析，識(shí)別出我國(guó)與稀土永磁電機(jī)產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)國(guó)的關(guān)鍵技術(shù)，為我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向提供參考。

1? 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1? 數(shù)據(jù)來源

IncoPat 數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋世界各國(guó)的專利數(shù)據(jù)，且對(duì)主要國(guó)家專利的標(biāo)題、摘要等字段進(jìn)行了機(jī)器翻譯，數(shù)據(jù)全面且質(zhì)優(yōu)。本文需要國(guó)內(nèi)及國(guó)際有關(guān)于稀土永磁電機(jī)的相關(guān)專利數(shù)據(jù)，且后續(xù)主題分析階段需要統(tǒng)一語言以方便主題建模，因此，本文選用incoPat全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。檢索式如下：（（TIAB=（permanent magnet）） AND （IPC-MAIN=（H02K） OR IPC-MAIN=（H02P））） AND （AD=[19850101 TO 20211231]），考慮到一般發(fā)明專利在申請(qǐng)后3～18個(gè)月公開，將檢索日期限制為申請(qǐng)日1985年1月1日到 2021年12月31日，數(shù)據(jù)最后更新時(shí)間為2023年7月23日，選擇標(biāo)題、摘要、摘要譯文、IPC主分類號(hào)、IPC分類號(hào)、申請(qǐng)日等字段進(jìn)行下載，經(jīng)申請(qǐng)?zhí)柡喜⑷ブ亍⑷ルs等預(yù)處理操作，最終收取到全球稀土永磁電機(jī)的專利43 209條。本文根據(jù)稀土永磁電機(jī)的相關(guān)文獻(xiàn)資料，結(jié)合各國(guó)稀土永磁電機(jī)的專利數(shù)量排名，選取日本、美國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)作為與中國(guó)進(jìn)行專利對(duì)比分析的稀土永磁電機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)國(guó)。

1.2? 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)

基于稀土永磁電機(jī)的相關(guān)專利數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析，構(gòu)建IPC共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)該網(wǎng)絡(luò)某一具體網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行研究，以識(shí)別出稀土永磁電機(jī)技術(shù)中影響力較高的核心技術(shù)。專利網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)中介中心性，能夠反映出該節(jié)點(diǎn)代表的專利技術(shù)對(duì)全體技術(shù)融合的調(diào)控程度，點(diǎn)的中介中心性越高，越能影響其他技術(shù)的交流，因此本文選用中介中心性對(duì)專利技術(shù)的核心程度進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算公式如下

式中：V表示所有節(jié)點(diǎn)的集合；？滓st表示節(jié)點(diǎn)s到節(jié)點(diǎn)t的最短路徑數(shù)量；？滓st（i）表示節(jié)點(diǎn)s到節(jié)點(diǎn)t的最短路徑中經(jīng)過節(jié)點(diǎn)i的數(shù)量。

1.3? 主題分析

根據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析得到的核心技術(shù)分類號(hào)，篩選出稀土永磁電機(jī)領(lǐng)域中以核心技術(shù)分類號(hào)為主分類號(hào)的專利作為核心專利，提取其摘要文本形成對(duì)應(yīng)文本集，通過LDA（Latent Dirichlet Allocation）主題模型分析從文本集中提取稀土永磁電機(jī)領(lǐng)域的主題，并進(jìn)一步分析主題強(qiáng)度。主題強(qiáng)度指主題在一定時(shí)間窗口內(nèi)受關(guān)注程度，在同一時(shí)間窗口內(nèi)包含該主題的專利文本數(shù)量越多，代表該主題的強(qiáng)度越大，則越有可能認(rèn)為其是重點(diǎn)主題。主題強(qiáng)度計(jì)算公式如下

，

2? 結(jié)果與分析

2.1? 專利IPC分類號(hào)分布

經(jīng)過數(shù)據(jù)的整理，全球稀土永磁電機(jī)發(fā)明申請(qǐng)數(shù)量排名前五的國(guó)家分別為中國(guó)、日本、美國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)，其中中國(guó)申請(qǐng)專利數(shù)量14 427件占比33.4%，日本申請(qǐng)專利數(shù)量11 332件占比26.2%，美國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)分別以3 559件、2 664件、1 771件占比8.2%、6.2%、4.1%。

對(duì)上述每個(gè)國(guó)家專利排名前十的分類號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。

由表1可知，H02K1/27（以永久磁體為轉(zhuǎn)子鐵芯的電機(jī)）是5個(gè)國(guó)家的共同研究熱點(diǎn)，在五國(guó)專利分類號(hào)數(shù)量排名中均位列第一，日本、美國(guó)、德國(guó)都占比40%以上，中國(guó)和韓國(guó)占比略低，為30%以上。其中，H02K3/28（電機(jī)繞組或繞組間連接的布置）、H02K49/10（永磁式的機(jī)電離合器/機(jī)電制動(dòng)器）屬于中國(guó)排名前十的專利，但并沒有在其他國(guó)家位列排名前十，說明這兩種技術(shù)的研發(fā)方向是我國(guó)與他國(guó)技術(shù)布局的不同之處。

根據(jù)中國(guó)、日本、美國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)的稀土永磁電機(jī)相關(guān)專利IPC分類號(hào)之間的共現(xiàn)關(guān)系形成共現(xiàn)矩陣，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Gephi軟件，設(shè)置共現(xiàn)閾值為120，剔除網(wǎng)絡(luò)中關(guān)聯(lián)性較低的節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建出基于IPC分類號(hào)的專利技術(shù)共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)越大，代表分類號(hào)出現(xiàn)的頻次越大，節(jié)點(diǎn)之間的連線越粗，說明相連2個(gè)分類號(hào)關(guān)聯(lián)程度越高，專利共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視化如圖1所示。

本文選用點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)中介中心性結(jié)合節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)頻次來評(píng)估節(jié)點(diǎn)的重要性，設(shè)置節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)中介中心性大于0.02，出現(xiàn)頻次大于200，得到專利核心技術(shù)分類號(hào)見表2。

以中、日、美、韓、德五國(guó)的稀土永磁電機(jī)產(chǎn)業(yè)專利為藍(lán)本，通過IPC分類號(hào)共現(xiàn)分析得到專利核心技術(shù)。其中，H02K1/27（以永久磁體為轉(zhuǎn)子鐵芯的電機(jī)）中介中心性為0.184，排名第一，H02K21/14（磁體在電樞內(nèi)旋轉(zhuǎn)的有永久磁體的同步電動(dòng)機(jī)）中介中心性為0.060 5，排名第二；H02K7/18（發(fā)電機(jī)與機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上相連的，例如汽輪機(jī)）中介中心性為0.055，排名第三。

用Origin軟件繪制五國(guó)稀土永磁電機(jī)產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)布局對(duì)比圖，如圖2所示。可以看出，大部分核心技術(shù)的數(shù)量第一為中國(guó)或者日本，雖然兩者重點(diǎn)技術(shù)側(cè)重有所不同，但毫無疑問中國(guó)和日本在稀土永磁電機(jī)產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)上處于領(lǐng)跑地位，日本側(cè)重于H02K1/27（以永久磁體為轉(zhuǎn)子鐵芯的電機(jī)）、H02K41/03（同步電動(dòng)機(jī)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；磁阻電動(dòng)機(jī)）、H02K33/18（通過與一固定磁場(chǎng)系統(tǒng)相互作用使其運(yùn)動(dòng)的線圈系統(tǒng)）、H02K1/22（磁路的轉(zhuǎn)動(dòng)零部件）、H02K21/22（帶有環(huán)繞電樞旋轉(zhuǎn)的磁體的電機(jī)），我國(guó)則在H02K21/14（磁體在電樞內(nèi)旋轉(zhuǎn)的電機(jī)）、H02K7/18（發(fā)電機(jī)與機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上相連的電機(jī)）、H02K49/10（永磁式的機(jī)電離合器/機(jī)電制動(dòng)器）、H02K15/03（具有永久磁體的專用于制造、裝配、維護(hù)或修理電機(jī)的方法或設(shè)備）、H02K35/02（帶有可動(dòng)磁體和靜止線圈系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)）有優(yōu)勢(shì)。總體來說，日本擁有先一步著手相關(guān)領(lǐng)域研究的優(yōu)勢(shì)，我國(guó)還在追趕階段，應(yīng)該抓緊創(chuàng)新，爭(zhēng)取搶占新興前沿技術(shù)。

2.2? 核心技術(shù)主題及主題強(qiáng)度分析

同一專利可能具有若干個(gè)分類號(hào)，其中第一個(gè)稱為主分類號(hào)，代表該專利的的主要技術(shù)。基于已確定的18個(gè)核心技術(shù) IPC分類號(hào)，從5個(gè)國(guó)家中篩選出主分類號(hào)在核心技術(shù)范圍內(nèi)的專利數(shù)據(jù)進(jìn)行LDA主題模型分析。主題一致性結(jié)合了主題間相似度計(jì)算分值來衡量LDA主題挖掘的精確程度，進(jìn)而確定進(jìn)行模型分析的最優(yōu)主題數(shù)K為5，LDA建模分析見表3。

在利用 LDA 進(jìn)行主題分析的過程中，本文采取先整體后離散的方式，首先對(duì)五個(gè)國(guó)家1985年1月1日到2021年12月31日所有專利建模，計(jì)算各個(gè)主題在5個(gè)國(guó)家的總體數(shù)據(jù)中的主題強(qiáng)度，然后再根據(jù)申請(qǐng)人國(guó)別將專利數(shù)據(jù)劃分至各個(gè)國(guó)家，計(jì)算不同主題在各個(gè)國(guó)家的主題強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果見表4。

由表4中總體主題強(qiáng)度可知，Topic5電機(jī)控制以0.283排名第一，說明作為新興領(lǐng)域的混合動(dòng)力電車、新能源汽車所用電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造是行業(yè)內(nèi)研究熱度最高的技術(shù)；Topic3永磁體以0.209排名第二，表明電機(jī)消耗量巨大的永磁體的制備工藝依舊是行業(yè)內(nèi)研究的重點(diǎn)。Topic1電機(jī)結(jié)構(gòu)以0.198排名第三。Topic4電機(jī)整機(jī)以0.160排名第四。Topic2電機(jī)零部件以0.149位列第五，說明磁路零部件、機(jī)殼、外罩、支撐物等電機(jī)零部件雖然仍是稀土永磁電機(jī)行業(yè)的研究?jī)?nèi)容，但研究熱度已經(jīng)不如電機(jī)控制的相關(guān)技術(shù)。可以看出，目前稀土永磁電機(jī)行業(yè)的技術(shù)逐漸從電機(jī)制造轉(zhuǎn)向電機(jī)控制。

由表4中5個(gè)主題在不同國(guó)家的主題強(qiáng)度可得，我國(guó)在Topic1電機(jī)結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)相對(duì)成熟，專利產(chǎn)出強(qiáng)于其他國(guó)家，對(duì)于Topic3永磁體的研究熱度排名第二，表明我國(guó)擁有富足的稀土資源，且把握了這個(gè)優(yōu)勢(shì)投入較大力度對(duì)永磁材料制備的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，有一定技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但在稀土永磁電機(jī)整體中研究熱度最高的Topic5電機(jī)控制方面，日本研究熱度最高，我國(guó)研究熱度最低，說明我國(guó)在新能源汽車、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用電機(jī)這方面研究力度不足，且Topic2電機(jī)零部件和Topic4電機(jī)整機(jī)的研究熱度我國(guó)都低于同屬于核心技術(shù)領(lǐng)跑地位的日本，可以看出我國(guó)在稀土永磁電機(jī)基礎(chǔ)研究和前沿領(lǐng)域與日本尚存在一定的差距。

3? 結(jié)束語

基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析和LDA主題模型分析方法，對(duì)incopat收錄的稀土永磁電機(jī)領(lǐng)域 1985年1月1日到2021年12月31日 年發(fā)明專利進(jìn)行研究，識(shí)別我國(guó)與稀土永磁電機(jī)產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)國(guó)的關(guān)鍵技術(shù)，為我國(guó)稀土永磁電機(jī)未來的技術(shù)發(fā)展方向提供參考，研究結(jié)果如下。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果表明，稀土永磁電機(jī)行業(yè)的技術(shù)重點(diǎn)在永磁電機(jī)、永磁同步電機(jī)、汽輪機(jī)等。從核心技術(shù)的布局來看，我國(guó)和日本在稀土永磁電機(jī)核心技術(shù)共同處于領(lǐng)跑地位，與美國(guó)、韓國(guó)等優(yōu)勢(shì)國(guó)家有一定差距，我國(guó)的專利主要聚焦于電機(jī)內(nèi)部零件、結(jié)構(gòu)的研究，18個(gè)核心分類號(hào)中，我國(guó)研究占據(jù)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵技術(shù)有H02K21/14、H02K7/18、H02K49/10、H02K15/03、H02K35/02。

LDA主題模型分析部分，利用 IPC 共現(xiàn)分析得到的核心技術(shù)IPC 分類號(hào)篩選專利，在此基礎(chǔ)上對(duì)五國(guó)專利的摘要進(jìn)行建模，得到電機(jī)結(jié)構(gòu)、電機(jī)零部件、永磁體、電機(jī)整機(jī)、電機(jī)控制 5 個(gè)主題。從總體來看，電機(jī)控制和永磁體主題強(qiáng)度相對(duì)較高，說明目前稀土永磁電機(jī)的研究熱點(diǎn)是電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)裝置和稀土永磁材料的制備。從各核心技術(shù)主題在不同國(guó)家的主題強(qiáng)度來看，我國(guó)在電機(jī)結(jié)構(gòu)中主題強(qiáng)度位列第一，相關(guān)技術(shù)研究熱度和專利產(chǎn)出較高，在電機(jī)零部件設(shè)計(jì)與制造方面具備一定優(yōu)勢(shì)；但在電機(jī)零部件、電機(jī)整機(jī)、電機(jī)控制中主題強(qiáng)度位列末位，研發(fā)力度相較于日、美、韓、德較低，后續(xù)發(fā)展需要國(guó)家提供政策支持，加大研究力度。

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