交流伺服电机技术的专利地图研究

陈志澜,陈燚豪

(上海建桥学院,上海201306)

0 引 言

交流伺服电机是一种带编码器的电机,主要由驱动器、编码器、定子、转子构成。由于交流伺服电机没有电刷和换向器,其工作可靠,维护费用低,成本较低,在同功率下有较小的体积和重量,定子绕组散热也比较方便,惯量小,特别适应于高速和大力矩的工作。交流伺服电机作为控制类电机,可以通过位置和速度方式进行控制,以达到精确定位和快速定位目的。

本文通过查询1960年至2015年以来已公开发表的国内外交流伺服电机专利(专利数据源来自佰腾专利检索系统),通过“ti:(交流伺服)and ab:(交流伺服)”关键词对中国专利库进行检索,得出382项专利数据。另外,通过“AC servo motor”关键词对国外专利库进行检索,得出1 040项专利数据。在此基础上,对上述所有国内外专利数据进行分析,绘制出交流伺服电机技术的专利年度分布图,并对主要国家与地区的专利申请量、专利申请人、专利技术分布、研究热点、主要竞争机构、重点技术领域等方面进行详细专利地图分析。

1 全球交流伺服电机技术分析

1.1 全球专利数量年度变化趋势

在20世纪60年代,伺服电机以直流电机作为主要执行部件。随着20世纪70年代电机矢量控制技术的发明,以及应用交流伺服电机的性价比不断提高,交流伺服电机逐步取代直流伺服电机。图1反映了交流伺服电机的专利申请量与年度变化趋势。

图1 全球交流伺服电机专利申请量与年度变化趋势

20世纪80年代稀土永磁交流电机的普遍应用,永磁交流伺服系统成为了各国的主要研究对象。到20世纪90年代,伴随着技术趋于成熟,价格趋于合理,交流伺服电机的应用变得普遍,全球专利申请量达到高峰。21世纪后,技术相对成熟,专利申请量也趋于稳定。在近2年制造业市场需求稳步上升的情况下,交流伺服电机技术的专利申请量再次呈现出稳步增长的趋势。

1.2 全球前5位专利申请国家的申请量与年度变化

1980年以后,很多机床开始使用可靠性大、维修简便的交流伺服电动机,随后许多现代工业机械和机床等都开始使用交流伺服电动机。交流伺服电机前5位申请国家是日本、中国、美国、韩国以及欧盟,其申请量与年度变化如图2和表1所示。

图2 交流伺服电机前5位专利申请国家的申请量与年度变化

表1 前5位专利申请国家的具体申请量(件)

美国在专利方面最先申请,但是发展速度较为平稳。日本由于资源匮乏、劳动力成本高,为了实现经济的高速发展,大力发展工业机器人及自动化行业,导致了交流伺服电机专利的快速发展。一直从20世纪70年代末到21世纪初期,日本在交流伺服技术上远远领先于其他国家,并且在1991年达到巅峰,年申请量41件,在21世纪后随着技术趋于成熟,日本的发展速度开始放缓。从欧专局专利数量来看,欧盟受冲击较小,保持了稳定增长。韩国的专利申请量与日本类似,在20世纪90年代达到顶峰,但是之后开始快速下滑。

中国方面,由于研发起步较晚,以及专利布局的意识不强,交流伺服电机的专利申请基本在20世纪90年代末才开始起步,但是因为市场需求量大,刺激了交流伺服电机专利在21世纪的大量申请,具体如图3所示。

图3 中国交流伺服电机专利申请量年度变化趋势

2003年后,中国的专利申请量开始大幅度提高,目前中国在交流伺服技术的专利申请上占世界第一,同时保持了年申请量40至50件之间的增速。但是日本在技术上的积累仍然不容小觑,目前在国内市场上的份额依然是日本处于领先地位,可见国内申请的部分技术还未投入至应用领域,中国交流伺服电机的发展前景远大。

1.3 中国各省市专利申请量占有比例

国内各省市的专利申请数量所占比例如图4所示。

图4 中国国内各省份专利申请量占比

由图4得出,在交流伺服电机技术方面,浙江省、陕西省、江苏省的技术实力最强,分别占比21%,20%和19% 。浙江省内以杭州奥蒂电控有限公司、杭州德伺麦科技有限公司、浙江盛迈电气技术有限公司等一系列公司及相关机构为代表,如图5所示,交流伺服电机产业发展较快。

图5 浙江省主要专利申请人

陕西省则以西安交通大学和西安微电机研究所的科研力量为代表,如图6所示,企业占比较小,技术多数未投入实际运用,相关产业发展较缓慢。

图6 陕西省主要专利申请人

江苏省则既有企业申请,例如:南京埃斯顿自动化股份有限公司、无锡市幅瑞自动化科技有限公司等,也有高校申请,例如:南京工业大学、南京工程学院等,如图7所示,申请人方面较为均衡,产学结合程度较高。

图7 江苏省主要专利申请人

2 主要来源国与申请人

2.1 专利技术的来源国分析

专利技术的来源国是指专利的最早优先权国家,图8反映了交流伺服电机专利技术的国家来源分布。

图8 专利技术的来源国(地区)

由图8得知,日本的专利量最高,位列第一,占总数的50.5%。中国和美国分列第二、三位,分别占总数的27.2%和7%。在亚洲地区除中日两国以外,韩国技术力量雄厚,与以德国为首的欧盟申请数量持平,专利数量占总数的6.8%,其余是英国占1.8%,俄罗斯0.3%,加拿大0.1%。显而易见,在交流伺服电机技术领域的专利积累,日本处于世界领先地位,说明日本对该领域的技术保持了高度的重视,以及在技术方面也相对成熟。中国在近年来的专利申请量上迎头赶上,虽然在年度申请量上超越了日本,占据了第一的位置,但是在总量上依然缺乏积累,技术的进一步成熟也需要一定时间的积累,并需要积极将相应技术应用于实际生产当中,以获得更多交流伺服电机技术上的进步。

2.2 全球主要专利申请人分析

全球约有近千家机构活跃在交流伺服电机技术的研发领域,其中全球专利申请量前10位的申请人均是企业,如表2所示。

表2 交流伺服电机领域全球前10位专利申请人

由表2可知,日本共有9家机构进入全球前十名,韩国的三星电子位列第十。日本整体实力雄厚,积累丰富,也是世界上交流伺服电机技术和市场占有量最大的国家。通过分析企业在该领域专利的申请量,可以得出该企业在这个技术领域的综合实力与技术积累。结合表2,可以得知发那科以135件相关专利位列第一,遥遥领先于其他企业,可见其雄厚的技术实力。随后安川电机、松下电器、东芝机械分列二、三、四位,他们之间的专利量相去不远,在技术方面各有所长,有一定的竞争关系。之后在前十位中韩国的三星电子以微小的差距位列第十,可见其在交流伺服电机方面也有一定的研发实力。凭借分析专利申请的活跃期及专利申请趋势图,从表2再可以看出,企业在该项技术领域的技术领先持续度和最新的科研态势。在交流伺服电机技术领域上,纵观前十位专利申请人,日本企业的专利申请活跃期都超过了20年。反观三星电子,在活跃期上远远少于日本企业,可见在这一领域,日本企业在活跃期上有着明显优势,在活跃期内的专利积累十分雄厚,研发时期也较长,技术已相当成熟。

从各个企业的角度来看专利申请的活跃期及专利申请趋势图,专利申请活跃期超过30年的有发那科、安川电机、日东精工、日立、日本伺服。全球大部分申请人的专利申请高峰均在上个世纪,近年还活跃的只有发那科、日东精工和日本伺服。可见由于交流伺服电机技术已相对成熟,相当数量的申请人已转移其技术研发的重点方向,尚在活跃的发那科、日东精工和日本伺服是全球交流伺服电机的重点研发公司。

2.3 中国主要专利申请人

我国在交流伺服电机领域专利申请的前10位申请人,其中7位是企业,还有3位是高校与研究机构,如表3所示。其中,前3位分别是西安交通大学、广州数控设备有限公司、南京埃斯顿自动化股份有限公司。科研机构有西安微电机研究所,位列第六。高校有西安交通大学和南京工程学院分列第一和第十。其中西安交通大学以49项专利遥遥领先,在国内交流伺服电机技术领域占有领先地位。

从专利申请活跃期上看,国内机构的活跃期都在近十年内,说明这项技术在国内发展较晚。换而言之,交流伺服电机技术在国内的发展潜力很大,目前发展的热度也较高。

从各个单位的角度来看,广州数控设备有限公司在国内技术开发较早,最早申请在1999年,近年来却鲜有发展。西安交通大学、南京埃斯顿自动化股份有限公司、杭州德伺麦科技有限公司、北京超同步伺服股份有限公司、成都乐创自动化技术股份有限公司、南京工程学院这6家单位近期仍处于活跃期,是中国目前主要的专利申请人。在不活跃的单位中,广州数控设备有限公司、台达电子工业股份有限公司、杭州奥蒂电控有限公司分别在2010年、2006年和2011年达到其巅峰,近年来已不再将研发力量投入在交流伺服电机领域。

表3 交流伺服电机领域中国前10位专利申请人

3 交流伺服电机技术分析

3.1 国际专利技术分析

通过IPC代码分类的方式,可以对交流伺服电机的技术领域进行划分,如表4所示。

表4 交流伺服电机专利主要技术类型(国际专利分类)

根据国际专利分类,其最主要的技术领域位于电机控制、电机本体以及控制或调节系统上,占比分别为73.85%,20.29%和12.79%。由此可见,全球专利申请人在交流伺服电机的电机控制、电机本体和控制系统领域投入的研发工作最多。

技术分类上第4～第6位的专利占比较为接近,塑料的成型或连接、非电变量的控制系统和电气设备是主要的研究方向。信息存储、压力机、测量或分析材料方面也有交流伺服电机的应用与研究。全球主要专利申请人的具体技术分布,如表5所示。

表5 世界排名前10位的专利申请人技术类型分布(国际专利分类)

在电机控制、电机本体以及控制或调节系统这3大核心技术领域,均由发那科占据主导地位。发那科在总共5项技术领域均占有主导地位,可见其在交流伺服电机技术领域的研发实力。安川电机、东芝机械也分别在测量技术和成型连接领域有相对优势。其余公司大多数以电机控制和电机本体作为主要研发领域,可以看出这两项核心技术在专利申请上的重要地位。其中,日东精工,主要利用交流伺服电机进行自动化产业的应用,所以在核心技术领域内专利申请量少。住友重工主要以重型机械为主,专利申请主要在电机控制、塑料成型连接和电气设备领域,在核心技术方面,专利申请量也较少。

3.2 国内专利技术分析

相较国际专利而言,国内专利技术分布则相对较为分散,如表6所示。

表6 交流伺服电机专利主要技术类型(国内专利分类)

电机控制、电机本体以及控制或调节系统3大核心领域,专利占比仅有23.96%,20.68%和6.4%。只有电机本体方面的占有比例与国际专利持平,而电机控制方面落后达到50%,控制或调节系统也落后6%左右。可见,国内在交流伺服电机的专利申请方向较为分散,从第4到第10位,占有比例均匀分布在电磁测量、保护电路、机床零件等周边相关研究。在电机控制和控制系统的关键技术领域还缺少研发力量的投入,有待进一步加强。

4 结 语

1)日本在交流伺服电机技术领域方面占有主导地位,中国近年来发展迅猛,但是在关键技术,以及专利应用方面有较大欠缺,建议国家应尽快加强交流伺服电机技术的专利布局,并不断将技术应用于相关行业,提高核心竞争力。2)通过年度变化趋势的分析,交流伺服电机在20世纪70年代开始进入国外市场,在20世纪90年代初达到高潮,到21世纪初交流伺服电机在国外市场的技术已经基本成熟。通过专利地图也发现,国内在21世纪后开始重视交流伺服电机的研究和技术专利的申请,尽管国内的交流伺服电机技术发展较晚,但技术领域已进入成熟阶段,目前交流伺服电机技术领域方面发表的专利总占有量已位列世界第二。3)从全球交流伺服电机应用领域的专利分析来看,日本占据着领先地位,全球前十的专利申请人中有9位均来自日本,如发那科、安川电机等企业仍占有核心技术。与日本企业相比,国内企业在核心技术领域、专利占有量以及专利布局等方面都有所欠缺,国内前十位的专利申请人中有3位是高校及科研机构,国内企业技术方面还应该加大交流伺服电机应用领域研究的力度。4)从技术热点方面来看,电机控制、电机本体、控制或调节系统仍然是交流伺服电机的核心技术关键。在电机控制专利方面,国外技术布局与国内技术布局相比,高出50%左右。电机本体方面的技术布局比较接近,控制或调节系统方面技术布局,国外专利数量要比国内专利数量高出6%。由此可知,国内在核心技术领域的研发方面,尚有较大差距,需要加快在电机控制方面的核心技术领域研发。