羅欣 李強

摘? 要：稀土永磁材料是當前稀土行業(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、新能源汽車、消費電子等高科技領(lǐng)域，其中稀土永磁電機行業(yè)不僅產(chǎn)值巨大，而且應(yīng)用需求廣泛，是電子和機械工業(yè)各個新興領(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，對稀土永磁電機領(lǐng)域1985年1月1日到2021年12月31日發(fā)明專利開展研究，將中國與稀土永磁電機產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢國進行對比，識別中國稀土永磁電機關(guān)鍵技術(shù)，為中國稀土永磁電機未來的技術(shù)發(fā)展方向提供參考。

關(guān)鍵詞：永磁電機；對比分析；復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析；LDA主題分析；主題強度

中圖分類號：TD982? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

《中國制造2025》提出的十大重點領(lǐng)域中，稀土永磁電機涉及七個領(lǐng)域，擁有很大的未來發(fā)展?jié)摿?，是稀土產(chǎn)業(yè)鏈延伸的重點方向[1]。雖然我國在稀土永磁材料的資源方面占據(jù)優(yōu)勢，但稀土永磁電機產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)不強，以歐美日等為代表的稀土應(yīng)用國家勢必加強稀土產(chǎn)業(yè)鏈中上游的應(yīng)用研究，長此以往將再次拉開與我國的差距，制約我國制造業(yè)升級發(fā)展[2]。因此，在我國與稀土永磁電機優(yōu)勢國相比較下挖掘出我國稀土永磁電機的關(guān)鍵技術(shù)意義重大。

專利文件被視為了解技術(shù)趨勢和制定創(chuàng)新戰(zhàn)略的寶貴數(shù)據(jù)庫，其主要優(yōu)點是全面性、標準化和普遍適用性，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，其中文本挖掘當前使用較多的方法是應(yīng)用LDA及其變體的主題模型對專利文本進行分析。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算，對區(qū)塊鏈領(lǐng)域進行技術(shù)評估和路線圖分析，描述了技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，預(yù)測了未來的發(fā)展趨勢；曹晨[5]、羅愷[6]、仇麗青[7]等將LDA主題模型分析與社會網(wǎng)絡(luò)分析方法相結(jié)合，對專利文獻、各級人民政府網(wǎng)站上的科技創(chuàng)新相關(guān)文本進行主題分類，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，測度技術(shù)融合及其趨勢。

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)者對稀土技術(shù)領(lǐng)域的研究主要是對產(chǎn)業(yè)鏈中上游的技術(shù)專利進行分析與評價，仍缺少針對具體行業(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主題模型研究我國稀土永磁電機技術(shù)的發(fā)展趨勢并與優(yōu)勢國家進行對比分析，識別出我國與稀土永磁電機產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢國的關(guān)鍵技術(shù)，為我國在該技術(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)庫涵蓋世界各國的專利數(shù)據(jù)，且對主要國家專利的標題、摘要等字段進行了機器翻譯，數(shù)據(jù)全面且質(zhì)優(yōu)。本文需要國內(nèi)及國際有關(guān)于稀土永磁電機的相關(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)庫進行數(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)明專利在申請后3～18個月公開，將檢索日期限制為申請日1985年1月1日到 2021年12月31日，數(shù)據(jù)最后更新時間為2023年7月23日，選擇標題、摘要、摘要譯文、IPC主分類號、IPC分類號、申請日等字段進行下載，經(jīng)申請?zhí)柡喜⑷ブ?、去雜等預(yù)處理操作，最終收取到全球稀土永磁電機的專利43 209條。本文根據(jù)稀土永磁電機的相關(guān)文獻資料，結(jié)合各國稀土永磁電機的專利數(shù)量排名，選取日本、美國、韓國、德國作為與中國進行專利對比分析的稀土永磁電機技術(shù)優(yōu)勢國。

1.2? 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)

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

式中：V表示所有節(jié)點的集合；？滓st表示節(jié)點s到節(jié)點t的最短路徑數(shù)量；？滓st（i）表示節(jié)點s到節(jié)點t的最短路徑中經(jīng)過節(jié)點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，篩選出稀土永磁電機領(lǐng)域中以核心技術(shù)分類號為主分類號的專利作為核心專利，提取其摘要文本形成對應(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領(lǐng)域的主題，并進一步分析主題強度。主題強度指主題在一定時間窗口內(nèi)受關(guān)注程度，在同一時間窗口內(nèi)包含該主題的專利文本數(shù)量越多，代表該主題的強度越大，則越有可能認為其是重點主題。主題強度計算公式如下

，

2? 結(jié)果與分析

2.1? 專利IPC分類號分布

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

對上述每個國家專利排名前十的分類號進行統(tǒng)計，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）是5個國家的共同研究熱點，在五國專利分類號數(shù)量排名中均位列第一，日本、美國、德國都占比40%以上，中國和韓國占比略低，為30%以上。其中，H02K3/28（電機繞組或繞組間連接的布置）、H02K49/10（永磁式的機電離合器/機電制動器）屬于中國排名前十的專利，但并沒有在其他國家位列排名前十，說明這兩種技術(shù)的研發(fā)方向是我國與他國技術(shù)布局的不同之處。

根據(jù)中國、日本、美國、韓國、德國的稀土永磁電機相關(guān)專利IPC分類號之間的共現(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，構(gòu)建出基于IPC分類號的專利技術(shù)共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點越大，代表分類號出現(xiàn)的頻次越大，節(jié)點之間的連線越粗，說明相連2個分類號關(guān)聯(lián)程度越高，專利共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視化如圖1所示。

本文選用點的標準中介中心性結(jié)合節(jié)點出現(xiàn)頻次來評估節(jié)點的重要性，設(shè)置節(jié)點標準中介中心性大于0.02，出現(xiàn)頻次大于200，得到專利核心技術(shù)分類號見表2。

以中、日、美、韓、德五國的稀土永磁電機產(chǎn)業(yè)專利為藍本，通過IPC分類號共現(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）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機）中介中心性為0.060 5，排名第二；H02K7/18（發(fā)電機與機械驅(qū)動機結(jié)構(gòu)上相連的，例如汽輪機）中介中心性為0.055，排名第三。

用Origin軟件繪制五國稀土永磁電機產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)布局對比圖，如圖2所示?？梢钥闯觯蟛糠趾诵募夹g(shù)的數(shù)量第一為中國或者日本，雖然兩者重點技術(shù)側(cè)重有所不同，但毫無疑問中國和日本在稀土永磁電機產(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）、H02K41/03（同步電動機；步進電動機；磁阻電動機）、H02K33/18（通過與一固定磁場系統(tǒng)相互作用使其運動的線圈系統(tǒng)）、H02K1/22（磁路的轉(zhuǎn)動零部件）、H02K21/22（帶有環(huán)繞電樞旋轉(zhuǎn)的磁體的電機），我國則在H02K21/14（磁體在電樞內(nèi)旋轉(zhuǎn)的電機）、H02K7/18（發(fā)電機與機械驅(qū)動機結(jié)構(gòu)上相連的電機）、H02K49/10（永磁式的機電離合器/機電制動器）、H02K15/03（具有永久磁體的專用于制造、裝配、維護或修理電機的方法或設(shè)備）、H02K35/02（帶有可動磁體和靜止線圈系統(tǒng)的發(fā)電機）有優(yōu)勢?？傮w來說，日本擁有先一步著手相關(guān)領(lǐng)域研究的優(yōu)勢，我國還在追趕階段，應(yīng)該抓緊創(chuàng)新，爭取搶占新興前沿技術(shù)。

2.2? 核心技術(shù)主題及主題強度分析

同一專利可能具有若干個分類號，其中第一個稱為主分類號，代表該專利的的主要技術(shù)?；谝汛_定的18個核心技術(shù) IPC分類號，從5個國家中篩選出主分類號在核心技術(shù)范圍內(nèi)的專利數(shù)據(jù)進行LDA主題模型分析。主題一致性結(jié)合了主題間相似度計算分值來衡量LDA主題挖掘的精確程度，進而確定進行模型分析的最優(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，首先對五個國家1985年1月1日到2021年12月31日所有專利建模，計算各個主題在5個國家的總體數(shù)據(jù)中的主題強度，然后再根據(jù)申請人國別將專利數(shù)據(jù)劃分至各個國家，計算不同主題在各個國家的主題強度。計算結(jié)果見表4。

由表4中總體主題強度可知，Topic5電機控制以0.283排名第一，說明作為新興領(lǐng)域的混合動力電車、新能源汽車所用電機控制系統(tǒng)的設(shè)計與制造是行業(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。Topic1電機結(jié)構(gòu)以0.198排名第三。Topic4電機整機以0.160排名第四。Topic2電機零部件以0.149位列第五，說明磁路零部件、機殼、外罩、支撐物等電機零部件雖然仍是稀土永磁電機行業(yè)的研究內(nèi)容，但研究熱度已經(jīng)不如電機控制的相關(guān)技術(shù)?？梢钥闯?，目前稀土永磁電機行業(yè)的技術(shù)逐漸從電機制造轉(zhuǎn)向電機控制。

由表4中5個主題在不同國家的主題強度可得，我國在Topic1電機結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)相對成熟，專利產(chǎn)出強于其他國家，對于Topic3永磁體的研究熱度排名第二，表明我國擁有富足的稀土資源，且把握了這個優(yōu)勢投入較大力度對永磁材料制備的相關(guān)技術(shù)進行研究，有一定技術(shù)優(yōu)勢。但在稀土永磁電機整體中研究熱度最高的Topic5電機控制方面，日本研究熱度最高，我國研究熱度最低，說明我國在新能源汽車、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用電機這方面研究力度不足，且Topic2電機零部件和Topic4電機整機的研究熱度我國都低于同屬于核心技術(shù)領(lǐng)跑地位的日本，可以看出我國在稀土永磁電機基礎(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incopat收錄的稀土永磁電機領(lǐng)域 1985年1月1日到2021年12月31日 年發(fā)明專利進行研究，識別我國與稀土永磁電機產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢國的關(guān)鍵技術(shù)，為我國稀土永磁電機未來的技術(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，稀土永磁電機行業(yè)的技術(shù)重點在永磁電機、永磁同步電機、汽輪機等。從核心技術(shù)的布局來看，我國和日本在稀土永磁電機核心技術(shù)共同處于領(lǐng)跑地位，與美國、韓國等優(yōu)勢國家有一定差距，我國的專利主要聚焦于電機內(nèi)部零件、結(jié)構(gòu)的研究，18個核心分類號中，我國研究占據(jù)優(yōu)勢的關(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 分類號篩選專利，在此基礎(chǔ)上對五國專利的摘要進行建模，得到電機結(jié)構(gòu)、電機零部件、永磁體、電機整機、電機控制 5 個主題。從總體來看，電機控制和永磁體主題強度相對較高，說明目前稀土永磁電機的研究熱點是電動車輛驅(qū)動裝置和稀土永磁材料的制備。從各核心技術(shù)主題在不同國家的主題強度來看，我國在電機結(jié)構(gòu)中主題強度位列第一，相關(guān)技術(shù)研究熱度和專利產(chǎn)出較高，在電機零部件設(shè)計與制造方面具備一定優(yōu)勢；但在電機零部件、電機整機、電機控制中主題強度位列末位，研發(fā)力度相較于日、美、韓、德較低，后續(xù)發(fā)展需要國家提供政策支持，加大研究力度。

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