陳志瀾,陳燚豪

(上海建橋?qū)W院,上海201306)

0 引 言

交流伺服電機(jī)是一種帶編碼器的電機(jī),主要由驅(qū)動(dòng)器、編碼器、定子、轉(zhuǎn)子構(gòu)成。由于交流伺服電機(jī)沒(méi)有電刷和換向器,其工作可靠,維護(hù)費(fèi)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(yīng)于高速和大力矩的工作。交流伺服電機(jī)作為控制類電機(jī),可以通過(guò)位置和速度方式進(jìn)行控制,以達(dá)到精確定位和快速定位目的。

本文通過(guò)查詢1960年至2015年以來(lái)已公開(kāi)發(fā)表的國(guó)內(nèi)外交流伺服電機(jī)專利(專利數(shù)據(jù)源來(lái)自佰騰專利檢索系統(tǒng)),通過(guò)“ti:(交流伺服)and ab:(交流伺服)”關(guān)鍵詞對(duì)中國(guó)專利庫(kù)進(jìn)行檢索,得出382項(xiàng)專利數(shù)據(jù)。另外,通過(guò)“AC servo motor”關(guān)鍵詞對(duì)國(guó)外專利庫(kù)進(jìn)行檢索,得出1 040項(xiàng)專利數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上,對(duì)上述所有國(guó)內(nèi)外專利數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,繪制出交流伺服電機(jī)技術(shù)的專利年度分布圖,并對(duì)主要國(guó)家與地區(qū)的專利申請(qǐng)量、專利申請(qǐng)人、專利技術(shù)分布、研究熱點(diǎn)、主要競(jìng)爭(zhēng)機(jī)構(gòu)、重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域等方面進(jìn)行詳細(xì)專利地圖分析。

1 全球交流伺服電機(jī)技術(shù)分析

1.1 全球?qū)＠麛?shù)量年度變化趨勢(shì)

在20世紀(jì)60年代,伺服電機(jī)以直流電機(jī)作為主要執(zhí)行部件。隨著20世紀(jì)70年代電機(jī)矢量控制技術(shù)的發(fā)明,以及應(yīng)用交流伺服電機(jī)的性價(jià)比不斷提高,交流伺服電機(jī)逐步取代直流伺服電機(jī)。圖1反映了交流伺服電機(jī)的專利申請(qǐng)量與年度變化趨勢(shì)。

圖1 全球交流伺服電機(jī)專利申請(qǐng)量與年度變化趨勢(shì)

20世紀(jì)80年代稀土永磁交流電機(jī)的普遍應(yīng)用,永磁交流伺服系統(tǒng)成為了各國(guó)的主要研究對(duì)象。到20世紀(jì)90年代,伴隨著技術(shù)趨于成熟,價(jià)格趨于合理,交流伺服電機(jī)的應(yīng)用變得普遍,全球?qū)＠暾?qǐng)量達(dá)到高峰。21世紀(jì)后,技術(shù)相對(duì)成熟,專利申請(qǐng)量也趨于穩(wěn)定。在近2年制造業(yè)市場(chǎng)需求穩(wěn)步上升的情況下,交流伺服電機(jī)技術(shù)的專利申請(qǐng)量再次呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

1.2 全球前5位專利申請(qǐng)國(guó)家的申請(qǐng)量與年度變化

1980年以后,很多機(jī)床開(kāi)始使用可靠性大、維修簡(jiǎn)便的交流伺服電動(dòng)機(jī),隨后許多現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械和機(jī)床等都開(kāi)始使用交流伺服電動(dòng)機(jī)。交流伺服電機(jī)前5位申請(qǐng)國(guó)家是日本、中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)以及歐盟,其申請(qǐng)量與年度變化如圖2和表1所示。

圖2 交流伺服電機(jī)前5位專利申請(qǐng)國(guó)家的申請(qǐng)量與年度變化

表1 前5位專利申請(qǐng)國(guó)家的具體申請(qǐng)量(件)

美國(guó)在專利方面最先申請(qǐng),但是發(fā)展速度較為平穩(wěn)。日本由于資源匱乏、勞動(dòng)力成本高,為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,大力發(fā)展工業(yè)機(jī)器人及自動(dòng)化行業(yè),導(dǎo)致了交流伺服電機(jī)專利的快速發(fā)展。一直從20世紀(jì)70年代末到21世紀(jì)初期,日本在交流伺服技術(shù)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他國(guó)家,并且在1991年達(dá)到巔峰,年申請(qǐng)量41件,在21世紀(jì)后隨著技術(shù)趨于成熟,日本的發(fā)展速度開(kāi)始放緩。從歐專局專利數(shù)量來(lái)看,歐盟受沖擊較小,保持了穩(wěn)定增長(zhǎng)。韓國(guó)的專利申請(qǐng)量與日本類似,在20世紀(jì)90年代達(dá)到頂峰,但是之后開(kāi)始快速下滑。

中國(guó)方面,由于研發(fā)起步較晚,以及專利布局的意識(shí)不強(qiáng),交流伺服電機(jī)的專利申請(qǐng)基本在20世紀(jì)90年代末才開(kāi)始起步,但是因?yàn)槭袌?chǎng)需求量大,刺激了交流伺服電機(jī)專利在21世紀(jì)的大量申請(qǐng),具體如圖3所示。

圖3 中國(guó)交流伺服電機(jī)專利申請(qǐng)量年度變化趨勢(shì)

2003年后,中國(guó)的專利申請(qǐng)量開(kāi)始大幅度提高,目前中國(guó)在交流伺服技術(shù)的專利申請(qǐng)上占世界第一,同時(shí)保持了年申請(qǐng)量40至50件之間的增速。但是日本在技術(shù)上的積累仍然不容小覷,目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的份額依然是日本處于領(lǐng)先地位,可見(jiàn)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)的部分技術(shù)還未投入至應(yīng)用領(lǐng)域,中國(guó)交流伺服電機(jī)的發(fā)展前景遠(yuǎn)大。

1.3 中國(guó)各省市專利申請(qǐng)量占有比例

國(guó)內(nèi)各省市的專利申請(qǐng)數(shù)量所占比例如圖4所示。

圖4 中國(guó)國(guó)內(nèi)各省份專利申請(qǐng)量占比

由圖4得出,在交流伺服電機(jī)技術(shù)方面,浙江省、陜西省、江蘇省的技術(shù)實(shí)力最強(qiáng),分別占比21%,20%和19% 。浙江省內(nèi)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(shù)有限公司等一系列公司及相關(guān)機(jī)構(gòu)為代表,如圖5所示,交流伺服電機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快。

圖5 浙江省主要專利申請(qǐng)人

陜西省則以西安交通大學(xué)和西安微電機(jī)研究所的科研力量為代表,如圖6所示,企業(yè)占比較小,技術(shù)多數(shù)未投入實(shí)際運(yùn)用,相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展較緩慢。

圖6 陜西省主要專利申請(qǐng)人

江蘇省則既有企業(yè)申請(qǐng),例如:南京埃斯頓自動(dòng)化股份有限公司、無(wú)錫市幅瑞自動(dòng)化科技有限公司等,也有高校申請(qǐng),例如:南京工業(yè)大學(xué)、南京工程學(xué)院等,如圖7所示,申請(qǐng)人方面較為均衡,產(chǎn)學(xué)結(jié)合程度較高。

圖7 江蘇省主要專利申請(qǐng)人

2 主要來(lái)源國(guó)與申請(qǐng)人

2.1 專利技術(shù)的來(lái)源國(guó)分析

專利技術(shù)的來(lái)源國(guó)是指專利的最早優(yōu)先權(quán)國(guó)家,圖8反映了交流伺服電機(jī)專利技術(shù)的國(guó)家來(lái)源分布。

圖8 專利技術(shù)的來(lái)源國(guó)(地區(qū))

由圖8得知,日本的專利量最高,位列第一,占總數(shù)的50.5%。中國(guó)和美國(guó)分列第二、三位,分別占總數(shù)的27.2%和7%。在亞洲地區(qū)除中日兩國(guó)以外,韓國(guó)技術(shù)力量雄厚,與以德國(guó)為首的歐盟申請(qǐng)數(shù)量持平,專利數(shù)量占總數(shù)的6.8%,其余是英國(guó)占1.8%,俄羅斯0.3%,加拿大0.1%。顯而易見(jiàn),在交流伺服電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的專利積累,日本處于世界領(lǐng)先地位,說(shuō)明日本對(duì)該領(lǐng)域的技術(shù)保持了高度的重視,以及在技術(shù)方面也相對(duì)成熟。中國(guó)在近年來(lái)的專利申請(qǐng)量上迎頭趕上,雖然在年度申請(qǐng)量上超越了日本,占據(jù)了第一的位置,但是在總量上依然缺乏積累,技術(shù)的進(jìn)一步成熟也需要一定時(shí)間的積累,并需要積極將相應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中,以獲得更多交流伺服電機(jī)技術(shù)上的進(jìn)步。

2.2 全球主要專利申請(qǐng)人分析

全球約有近千家機(jī)構(gòu)活躍在交流伺服電機(jī)技術(shù)的研發(fā)領(lǐng)域,其中全球?qū)＠暾?qǐng)量前10位的申請(qǐng)人均是企業(yè),如表2所示。

表2 交流伺服電機(jī)領(lǐng)域全球前10位專利申請(qǐng)人

由表2可知,日本共有9家機(jī)構(gòu)進(jìn)入全球前十名,韓國(guó)的三星電子位列第十。日本整體實(shí)力雄厚,積累豐富,也是世界上交流伺服電機(jī)技術(shù)和市場(chǎng)占有量最大的國(guó)家。通過(guò)分析企業(yè)在該領(lǐng)域?qū)＠纳暾?qǐng)量,可以得出該企業(yè)在這個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的綜合實(shí)力與技術(shù)積累。結(jié)合表2,可以得知發(fā)那科以135件相關(guān)專利位列第一,遙遙領(lǐng)先于其他企業(yè),可見(jiàn)其雄厚的技術(shù)實(shí)力。隨后安川電機(jī)、松下電器、東芝機(jī)械分列二、三、四位,他們之間的專利量相去不遠(yuǎn),在技術(shù)方面各有所長(zhǎng),有一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。之后在前十位中韓國(guó)的三星電子以微小的差距位列第十,可見(jiàn)其在交流伺服電機(jī)方面也有一定的研發(fā)實(shí)力。憑借分析專利申請(qǐng)的活躍期及專利申請(qǐng)趨勢(shì)圖,從表2再可以看出,企業(yè)在該項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先持續(xù)度和最新的科研態(tài)勢(shì)。在交流伺服電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域上,縱觀前十位專利申請(qǐng)人,日本企業(yè)的專利申請(qǐng)活躍期都超過(guò)了20年。反觀三星電子,在活躍期上遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于日本企業(yè),可見(jiàn)在這一領(lǐng)域,日本企業(yè)在活躍期上有著明顯優(yōu)勢(shì),在活躍期內(nèi)的專利積累十分雄厚,研發(fā)時(shí)期也較長(zhǎng),技術(shù)已相當(dāng)成熟。

從各個(gè)企業(yè)的角度來(lái)看專利申請(qǐng)的活躍期及專利申請(qǐng)趨勢(shì)圖,專利申請(qǐng)活躍期超過(guò)30年的有發(fā)那科、安川電機(jī)、日東精工、日立、日本伺服。全球大部分申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)高峰均在上個(gè)世紀(jì),近年還活躍的只有發(fā)那科、日東精工和日本伺服?？梢?jiàn)由于交流伺服電機(jī)技術(shù)已相對(duì)成熟,相當(dāng)數(shù)量的申請(qǐng)人已轉(zhuǎn)移其技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)方向,尚在活躍的發(fā)那科、日東精工和日本伺服是全球交流伺服電機(jī)的重點(diǎn)研發(fā)公司。

2.3 中國(guó)主要專利申請(qǐng)人

我國(guó)在交流伺服電機(jī)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)的前10位申請(qǐng)人,其中7位是企業(yè),還有3位是高校與研究機(jī)構(gòu),如表3所示。其中,前3位分別是西安交通大學(xué)、廣州數(shù)控設(shè)備有限公司、南京埃斯頓自動(dòng)化股份有限公司?？蒲袡C(jī)構(gòu)有西安微電機(jī)研究所,位列第六。高校有西安交通大學(xué)和南京工程學(xué)院分列第一和第十。其中西安交通大學(xué)以49項(xiàng)專利遙遙領(lǐng)先,在國(guó)內(nèi)交流伺服電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域占有領(lǐng)先地位。

從專利申請(qǐng)活躍期上看,國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)的活躍期都在近十年內(nèi),說(shuō)明這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展較晚。換而言之,交流伺服電機(jī)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展?jié)摿艽?目前發(fā)展的熱度也較高。

從各個(gè)單位的角度來(lái)看,廣州數(shù)控設(shè)備有限公司在國(guó)內(nèi)技術(shù)開(kāi)發(fā)較早,最早申請(qǐng)?jiān)?999年,近年來(lái)卻鮮有發(fā)展。西安交通大學(xué)、南京埃斯頓自動(dòng)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(lè)創(chuàng)自動(dòng)化技術(shù)股份有限公司、南京工程學(xué)院這6家單位近期仍處于活躍期,是中國(guó)目前主要的專利申請(qǐng)人。在不活躍的單位中,廣州數(shù)控設(shè)備有限公司、臺(tái)達(dá)電子工業(yè)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(dá)到其巔峰,近年來(lái)已不再將研發(fā)力量投入在交流伺服電機(jī)領(lǐng)域。

表3 交流伺服電機(jī)領(lǐng)域中國(guó)前10位專利申請(qǐng)人

3 交流伺服電機(jī)技術(shù)分析

3.1 國(guó)際專利技術(shù)分析

通過(guò)IPC代碼分類的方式,可以對(duì)交流伺服電機(jī)的技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行劃分,如表4所示。

表4 交流伺服電機(jī)專利主要技術(shù)類型(國(guó)際專利分類)

根據(jù)國(guó)際專利分類,其最主要的技術(shù)領(lǐng)域位于電機(jī)控制、電機(jī)本體以及控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)上,占比分別為73.85%,20.29%和12.79%。由此可見(jiàn),全球?qū)＠暾?qǐng)人在交流伺服電機(jī)的電機(jī)控制、電機(jī)本體和控制系統(tǒng)領(lǐng)域投入的研發(fā)工作最多。

技術(shù)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(tǒng)和電氣設(shè)備是主要的研究方向。信息存儲(chǔ)、壓力機(jī)、測(cè)量或分析材料方面也有交流伺服電機(jī)的應(yīng)用與研究。全球主要專利申請(qǐng)人的具體技術(shù)分布,如表5所示。

表5 世界排名前10位的專利申請(qǐng)人技術(shù)類型分布(國(guó)際專利分類)

在電機(jī)控制、電機(jī)本體以及控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)這3大核心技術(shù)領(lǐng)域,均由發(fā)那科占據(jù)主導(dǎo)地位。發(fā)那科在總共5項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域均占有主導(dǎo)地位,可見(jiàn)其在交流伺服電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力。安川電機(jī)、東芝機(jī)械也分別在測(cè)量技術(shù)和成型連接領(lǐng)域有相對(duì)優(yōu)勢(shì)。其余公司大多數(shù)以電機(jī)控制和電機(jī)本體作為主要研發(fā)領(lǐng)域,可以看出這兩項(xiàng)核心技術(shù)在專利申請(qǐng)上的重要地位。其中,日東精工,主要利用交流伺服電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用,所以在核心技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)專利申請(qǐng)量少。住友重工主要以重型機(jī)械為主,專利申請(qǐng)主要在電機(jī)控制、塑料成型連接和電氣設(shè)備領(lǐng)域,在核心技術(shù)方面,專利申請(qǐng)量也較少。

3.2 國(guó)內(nèi)專利技術(shù)分析

相較國(guó)際專利而言,國(guó)內(nèi)專利技術(shù)分布則相對(duì)較為分散,如表6所示。

表6 交流伺服電機(jī)專利主要技術(shù)類型(國(guó)內(nèi)專利分類)

電機(jī)控制、電機(jī)本體以及控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)3大核心領(lǐng)域,專利占比僅有23.96%,20.68%和6.4%。只有電機(jī)本體方面的占有比例與國(guó)際專利持平,而電機(jī)控制方面落后達(dá)到50%,控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)也落后6%左右?？梢?jiàn),國(guó)內(nèi)在交流伺服電機(jī)的專利申請(qǐng)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(cè)量、保護(hù)電路、機(jī)床零件等周邊相關(guān)研究。在電機(jī)控制和控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域還缺少研發(fā)力量的投入,有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)日本在交流伺服電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域方面占有主導(dǎo)地位,中國(guó)近年來(lái)發(fā)展迅猛,但是在關(guān)鍵技術(shù),以及專利應(yīng)用方面有較大欠缺,建議國(guó)家應(yīng)盡快加強(qiáng)交流伺服電機(jī)技術(shù)的專利布局,并不斷將技術(shù)應(yīng)用于相關(guān)行業(yè),提高核心競(jìng)爭(zhēng)力。2)通過(guò)年度變化趨勢(shì)的分析,交流伺服電機(jī)在20世紀(jì)70年代開(kāi)始進(jìn)入國(guó)外市場(chǎng),在20世紀(jì)90年代初達(dá)到高潮,到21世紀(jì)初交流伺服電機(jī)在國(guó)外市場(chǎng)的技術(shù)已經(jīng)基本成熟。通過(guò)專利地圖也發(fā)現(xiàn),國(guó)內(nèi)在21世紀(jì)后開(kāi)始重視交流伺服電機(jī)的研究和技術(shù)專利的申請(qǐng),盡管國(guó)內(nèi)的交流伺服電機(jī)技術(shù)發(fā)展較晚,但技術(shù)領(lǐng)域已進(jìn)入成熟階段,目前交流伺服電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域方面發(fā)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(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的專利分析來(lái)看,日本占據(jù)著領(lǐng)先地位,全球前十的專利申請(qǐng)人中有9位均來(lái)自日本,如發(fā)那科、安川電機(jī)等企業(yè)仍占有核心技術(shù)。與日本企業(yè)相比,國(guó)內(nèi)企業(yè)在核心技術(shù)領(lǐng)域、專利占有量以及專利布局等方面都有所欠缺,國(guó)內(nèi)前十位的專利申請(qǐng)人中有3位是高校及科研機(jī)構(gòu),國(guó)內(nèi)企業(yè)技術(shù)方面還應(yīng)該加大交流伺服電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域研究的力度。4)從技術(shù)熱點(diǎn)方面來(lái)看,電機(jī)控制、電機(jī)本體、控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然是交流伺服電機(jī)的核心技術(shù)關(guān)鍵。在電機(jī)控制專利方面,國(guó)外技術(shù)布局與國(guó)內(nèi)技術(shù)布局相比,高出50%左右。電機(jī)本體方面的技術(shù)布局比較接近,控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)方面技術(shù)布局,國(guó)外專利數(shù)量要比國(guó)內(nèi)專利數(shù)量高出6%。由此可知,國(guó)內(nèi)在核心技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)方面,尚有較大差距,需要加快在電機(jī)控制方面的核心技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)。