潜水电机技术专利发展状况及共现分析

王金凤，丁朝野，冯立杰，李 康

(上海海事大学，上海 201306)

潜水电机是潜入水中运行的一种电动机，是矿山水灾害救治、城市污水处理与排放、水利灌溉与排涝等的重要设备。但我国潜水电机在高性能、高密封性和高能效等方面存在的诸多技术难题，亟待开展潜水电机技术创新[1-3]。而基于专利作为前沿技术的载体，本文将在检索与分析我国潜水电机制造专利的基础上，综合利用专利管理地图与专利技术地图及社会网络分析方法，分析潜水电机制造技术的发展现状及趋势，为我国潜水电机技术构建海量专利信息下的技术创新路径提供有益的参考[4]。

潜水电机是由定子和转子组成的分段式结构。其中，转子由位于同一轴上的独立笼式转子单元组成[5]。早在1904年，美国Byron Jakson公司研制出了卧式连接的潜水电泵[6]。直到20世纪30年代，德国的Pleuger公司、英国的Hayward Tyler公司和日本的HITACHI公司等相继涉足潜水电机的制造[7]。得益于潜水电泵在设计、结构、材料等领域的不断改进，潜水电机的应用场景不断扩展，相关研究也日益深入。文献[8]为解决潜水电泵井内工况跃变问题，建立了基于TRIZ的技术矛盾冲突矩阵对潜水电泵制造设计方案进行了优化，以拓展潜水电机的应用范围进而实现一机多用，该研究首次将创新理论应用于潜水电泵技术领域。

为了进一步改善电机技术领域的能效不足问题，我国实施了为期3年的《电机能效提升计划(2013—2015年)》，该计划对促进潜水电机领域相关技术研发、全面促进我国电机产业转型升级起到了积极而重要的作用。但截至目前，我国潜水电泵行业整体上仍存在诸多问题，如基础研究薄弱、缺少核心关键技术、低端产品产能过剩和产品缺乏市场竞争力等[9]，这些问题严重制约着我国潜水电机行业的高质量发展。

以往较多的文献主要集中在潜水电机的材料及工况等方面，多为针对性探讨如何具体解决潜水电机相关技术问题，从专利角度对我国潜水电机技术进行分析的文献却少有报道。专利作为特定技术的重要载体，通过专利分析，可以有效预测该领域未来技术的发展方向，继而研判该产业的竞争态势[10-11]。基于此，本文拟从我国近30年潜水电机的专利信息中挖掘其动态技术发展趋势，为构建海量专利信息下的潜水电机技术创新路径提供参考依据。

1 研究方法与数据来源

根据专利分析的目的及侧重点不同，可将专利划分为专利管理图和专利技术图[11]。其中，专利管理图是将专利信息按时间和申请人等变量进行归纳，从而映射该领域的整体经营和发展状况[12]；专利技术图是将专利信息进行技术生命周期分析、IPC分类分析和功效矩阵分析[10]，从而解析该领域的技术发展趋势、技术创新重心及核心技术领域识别等信息。

本文综合运用专利管理图和专利技术图，通过国家知识产权局检索平台共检索1990—2019年的6 391条专利。但鉴于与潜水电机有关的专利在数据库中存在较多的应用类型，而本文聚焦于潜水电机设计制造领域。因此，本文建立的搜索策略从发明名称关键词入手，经过进一步筛选，最终得到了与潜水电机设计制造有关的826项专利，见表1。

表1 我国潜水电机设计制造专利检索概览Tab.1 Overview of patent retrieval for submersiblemotor design and manufacturing in my country

2 基于专利管理地图的潜水电机制造技术

2.1 时间序列分析

我国与潜水电机设计制造有关的826项专利中，实用新型专利的申请数量584项，占比70.7%；发明专利申请数量225项，占比27.2%；外观设计专利的申请数量较少，为17项，占比2.1%(表2)。

表2 我国潜水电机专利构成Tab.2 Patent composition of submersible motors in my country

通过对上述3种类型专利每年申请量的统计分析，可以得到1990—2019年间3种类别专利的申请量趋势图，如图1所示。1990—2000年，我国潜水电机设计制造相关专利总申请数量较少，发展缓慢。可能的原因有2个：①由于我国潜水电机领域经历了20世纪70—80年代的大规模生产与产品研发，使得该期间的电机性能能够满足市场需求，加之当时企业非常重视制造成本的节约，所以较少考虑如何对电机制造技术进行改进设计。②企业对知识产权保护意识淡薄。从2001年开始，相关专利申请数量在波动中呈快速上升趋势，不仅表明市场急需新型的潜水电机满足适用性要求，同时表明该技术处于快速发展中；从2008年开始，相关专利申请快速增长，技术发展迅速，2018年总量达102项；从2019年开始，申请总量相较2018年下滑较多且发明专利减少，但整体申请总量趋势仍然呈上升趋势，表明我国潜水电机技术进入到了成熟期。

图1 1990—2019年我国潜水电机专利申请量趋势Fig.1 Trends in the number of patent applications for submersible motors in my country from 1990 to 2019

2.2 申请人构成及空间分析

通过对1990—2019年我国潜水电机专利申请人类别进行统计分析，可以得到申请人分布构成，我国潜水电机专利申请人可分为企业、科研单位、大专院校和个人4大类。其中，企业专利申请量占比近80%，个人申请量占比16%，大专院校申请量占比3%，科研单位申请量占比2%。显然，企业作为潜水电机专利申请量占比最多的主体，究其主要原因是企业追求该领域的潜在商业价值作为自身创新的驱动力，以市场需求为导向不断开展技术研发与创新，达到了实现增强自身竞争力与增加企业利润的效果。由此说明了我国潜水电机领域企业的创新活动活跃，市场对潜水电机的需求增高。

通过对1990—2019年我国潜水电机专利分析不难发现，该技术的主要研发力量以及该领域内的优势领军企业。对该项技术的主要专利申请人及其申请数量的统计结果(前20位)如图2所示。

图2 1990—2019年我国潜水电机专利主要申请人及申请数量Fig.2 Distribution of applicants for submersible motors in my country from 1990 to 2019

由图2可知，我国潜水电机专利权人主要为企业。专利申请量的前20名占据总潜水电机专利申请量32.1%。合肥恒大江海泵业股份有限公司为我国潜水电机申请专利数量最多的企业，曾开发了中国第1台军用潜水电机、第1台变频潜水电机、国内外第1台扬程850 m、功率4 000 kW的大型矿用潜水电泵等[13]，该企业在潜水电泵领域拥有较强的研发实力与技术储备。

3 基于专利技术地图的潜水电机制造技术

3.1 技术生命周期分析

技术生命周期分析是专利定量分析中最为常用的方法之一。通过分析专利技术所处的不同发展阶段，可以推测出未来技术的发展趋势，其针对的研究对象可以是某项专利文献所代表技术的生命周期，也可以是某一技术领域的整体技术生命周期。

本文采用技术生长率、技术成熟度、技术衰退系数和新技术特征系数来测算我国潜水电机专利的技术生命周期。主要统计参数见表2。

表2 技术生命周期计算公式及其内涵Tab.2 Calculation formula of technology life cycle and its connotation

根据上述参数的含义及计算公式，即可得出我国潜水电机专利技术生命周期参数的变动情况，如图3所示。

图3 1990—2019年我国潜水电机专利技术生命周期Fig.3 Distribution of applicants for submersible motors in my country from 1990 to 2019

由图3可知，技术生长率在1999—2007年的波动较大；1995年与2008年技术生长率均出现0的情况；技术生长率的最大值出现在1992年(高达100%)，这种情况的出现是由于过去5年均未有相关发明专利，直至1992年才出现2项发明专利。另外，技术生长率在2006年与2015年出现2次较大幅度的增长，表明该时期技术处于成长期；2008—2019年，技术生长率先波动增长后回落，该阶段为我国潜水电机专利申请的爆发期。

根据图3可知，技术成熟度分别在1998年、2000年、2005年、2008年与2012年出现5次增长点，表明该5年的潜水电机在该方面相关技术有所突破，由此带动了专利申请量的提升。在此阶段，潜水电机技术处于成长期，未出现技术衰退。

2015—2019年，技术成熟度开始缓慢回落，表明潜水电机技术进入到了成熟期，尤其是技术衰退系数自2006年以来一直维持在较高水平，表明该技术尚未进入衰退期。新技术特征系数与技术成熟度趋势类似，2014年后新技术特征系数开始下降，新技术特征减弱、技术开发潜力降低，表明此时的潜水电机技术进入到了成熟期。

3.2 专利技术IPC的分类分析

对专利的IPC分类号进行统计分析，可得到该领域专利的技术构成情况以及创新主题关注的技术焦点等信息。通过对潜水电机专利分类号的统计分析，得到826项专利分类号出现频率较高的IPC分类(大类)，见表3。由表3可知，我国潜水电机1990—2019年的专利主要集中在：H02(发电、变电或配电)、F04(液体变容式机械；液体泵或弹性流体泵)、H01(基本电气元件)、C08(有机高分子化合物，相关制备或化学加工，相关基料组合物)、F16(工程元件或部件，为产生和保持机器或设备有效运行的一般措施，一般绝热)和G01(测量、测试)等技术领域。

表3 1990—2019年我国潜水电机专利主要IPC分类Tab.3 Main IPC classifications of my country′s submersible motor patents from 1990 to 2019

上述重点集中在H02、F04和H01技术领域，其中涉及H02领域的专利646项、F04领域的专利97项、H01领域的专利43项。

从所得数据分析可知，我国潜水电机应用领域主要集中在液体泵与流体泵、废水处理、水利工程、采矿、农业与畜牧业、给排水和船舶设备等。其中，泵类应用为主流应用场景，其他领域的应用程度较低：H01、F16和B23占比分别为5.7%、2.4%和1.1%，这3项数据表明，我国潜水电机设计制造涉及绝热、绝缘材料及与加工工艺有关的技术创新占比较少(G05占比仅为0.3%)。表明目前我国潜水电机两化(工业化与信息化)融合程度不够，尤其是在智能制造和高质量发展方面创新动力不足，基础研究领域和集成创新方面的创新活力较低。

3.3 申请人—技术矩阵分析

通过对潜水电机专利权人及其IPC分类分析，可以得到该企业在该项技术领域的研发重点及努力方向。在对潜水电机专利IPC分类进一步处理基础上，可得到826项专利分类号出现频率最高的前10项IPC分类(大组)，见表4。上述10项细分技术领域在潜水电机专利中占比81.7%，这些细分领域大多被视为潜水电机的核心技术领域。

表4 1990—2019年我国潜水电机专利主要IPC分类Tab.4 Main IPC classifications of my country′s submersible motor patents from 1990 to 2019

以图2所示的前20家企业与上述10项细分技术领域作为研究对象，探究其在潜水电机领域的研发重点及努力方向，通过建立申请人—技术矩阵进行可视化展示结果如图4所示。由图4可知，在潜水电机领域，不同企业的创新方向可能迥异。如合肥恒大江海泵业股份有限公司申请的专利涉及的细分领域较广，多集中在H02K/00和H02K1/00，表明该企业在电机外罩与磁路零部件方面有着较为强劲的技术研发实力，尤其是生产设备的密封性和电机性能较高；沈阳众创高科节能电机技术有限公司申请的专利细分领域集中在H02K15/00，表明该企业生产的设备更注重日常维护修理的便捷性；天津振达泵业有限公司申请的专利细分领域集中在H02K/00和F04D29/00，表明该企业在电机外罩与电路控制装置方面有着较强的创新性，其生产设备的密封性、稳定性及自动化程度均较高。图4中的20家企业均保有各自的技术优势，同时，这些细分领域的技术均为市场所高度关注。

图4 1990—2019年我国潜水电机专利主要申请人及其技术领域Fig.4 Main applicants for patents of submersible motors in my country and their technical fields from 1990 to 2019

4 技术领域的社会网络分析

对专利文本数据采用Python中Jieba库进行分词处理，然后对分词结果进行文本清洗——包括去除文本中数字、序号和标点符号等无关内容，建立了适用于领域专利文本的停词表，该停词表在《哈工大停词表》的基础上增加3 443个与领域专利无关停词。另外，由于专利文本中存在较多的无关信息，经过词性筛选只保留名词、动词、形容词和副词等词性单词，这是因为这几种词性单词具有更加明确的实际意义，能囊括文本90%的信息。

在对专利数据进行上述预处理后，基于筛选后的数据建立技术关键词的共现矩阵，通过Gephi软件对共现矩阵进行可视化，该软件不仅能够可视化领域知识元素，还可以统计节点的本身属性[14]。将社会网络分析法应用于共词分析，共词分析能够展示领域研究热点。其中，关键词可以视作节点，节点越中心则越核心，词与词之间的关系由节点之间的联系来表示，点之间联系越多，其结构就越紧密，如图5所示。

图5 潜水电机技术关键的共现分析Fig.5 Co-occurrence analysis of the key to submersible motor technology

可以通过网络中一个节点的中心性(在一定程度上反映了该节点重要性的指标)可知，轴承、散热、密封、绝缘、冷却、绕组、电缆、防砂、永磁、电压、转速和功率等是该领域的核心节点，也是该领域技术创新的焦点。

5 结语

本文在检索我国潜水电机专利的基础上，综合运用专利管理地图与专利技术地图理论及社会网络分析方法对其进行了研究，得出以下结论与建议。

(1)从专利申请量变动情况看，我国潜水电机近10年专利申请量总体呈波动上升趋势。对此，建议进一步加大知识产权保护力度，切实制定一揽子政策鼓励更多的研发人员参与相关技术创新。

(2)从现有专利构成情况看，我国潜水电机近10年的专利多为非关键核心技术专利。对此，建议政府及相关部门加大对潜水电机的重大、关键性技术研发投入力度，以加快促进我国潜水电机实现核心关键技术的突破。

(3)从技术生命周期参数走势看，目前我国潜水电机技术处于技术成熟期，且未出现技术衰退特征，拥有的新技术开发潜力较小。可能的一个原因是关键技术尚未突破。对此，建议我国政府及相关主管部门加大对潜水电机技术的政策支持力度，协助企业尽快突破技术瓶颈的制约；同时还应设法促进高校和科研单位与企业之间的产学研合作，以尽快缩短我国潜水电机关键技术突破的进程。

(4)从专利的IPC分布看，首先，我国潜水电机主要应用于泵类，企业可尝试扩展其应用边界，探寻更大业务领域的可能；其次，涉及潜水电机绝热、绝缘材料和与加工工艺有关的专利占比较低，由此可能阻滞潜水电机制造业的高质量发展，加之潜水电机的两化潜水电机程度不高，智能制造创新受阻。对此，建议相关企业应注重加强两化融合领域、提升设备智能化水平以扩大潜水电机的应用场景和设备质量效率，加大对相关材料的研发投入，以加快潜水电机技术的成熟度。

(5)从社会网络共现分布来看，潜水电机技术主要的创新导向为轴承、散热、密封、绝缘、冷却、绕组、电缆、防砂、永磁、电压、转速和功率等，而上述热点也是市场关注且重要的电机需求功能。企业应继续追寻市场需求技术，时刻关注上述热点领域的市场需求变化，不断开拓创新，实现潜水电机的高质量发展。